DE19811068C1 - Kondensator in integrierter Schaltung sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kondensators - Google Patents

Kondensator in integrierter Schaltung sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kondensators

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Description

Die Erfindung betrifft einen Kondensator in einer integrier­ ten Halbleiterschaltung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kondensators.
Mit zunehmender Integrationsdichte nimmt das Platzangebot für Kondensatoren in integrierten Halbleiterschaltungen ab. Um dennoch Kondensatoren mit einer hohen Kapazität zu erzielen, ist es bereits bekannt, als Kondensatordielektrikum sogenann­ te Hoch-ε-Dielektrika oder Ferroelektrika einzusetzen. Sol­ che Dielektrika müssen in der Regel bei relativ hohen Prozeß­ temperaturen und unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Prozeßgases hergestellt werden. Bei Verwendung einer oxi­ dierbaren Elektrode (beispielsweise aus Polysilizium oder Wolfram) würde dies zu einer Oxidation der Elektrode führen, wodurch sich in unerwünschter Weise die Kapazität des Konden­ sators erniedrigen würde. Es werden in der Praxis daher häu­ fig Elektroden aus Pt, Ir, IrO2, Ru oder RuO2 verwendet, die gegenüber Sauerstoff chemisch stabil sind, d. h. keine elek­ trisch isolierende Oxidschicht ausbilden. In diesem Fall ist jedoch problematisch, daß der Sauerstoff durch die chemisch stabile Elektrode hindurchdiffundiert und am Siliziumsubstrat eine die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigende hochohmige Sperr-Oxidschicht ausbildet.
Es ist bereits bekannt, zur Verhinderung der Sauerstoffoxida­ tion bzw. der Sauerstoffdiffusion sogenannte Barriereschich­ ten einzusetzen.
In Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34 (1995), Seiten 5224-5229 ist eine TiN-Barriereschicht beschrieben, die unterhalb einer RuO2-Elektrode angeordnet ist. Nachteilig ist jedoch, daß die Stabilität der TiN-Schicht gegenüber Oxidation und damit ihre elektrische Leitfähigkeit mit steigenden Prozeßtempera­ turen rasch abnimmt.
In der US 5,504,041 wird ein Kondensator mit einem Hoch-ε- Dielektxikum und einer darunterliegend angeordneten Pt- Elektrode beschrieben. Als Sauerstoff-Barriereschicht wird eine unterhalb der Pt-Elektrode vorgesehene sogenannte "exotische" Nitridschicht aus Ti-Al-N vorgeschlagen.
In J. Electrochem. Soc., Vol. 143, Nr. 11 (1996), Seiten L264-L266 ist eine Barriereschicht aus TaSiN beschrieben.
In J. Vac. Sci. Technol. A 15(5) (1997), Seiten 2781-2786 ist eine Barriereschicht beschrieben, die aus einer Ta-Matrix be­ steht, in die CeO2 eingebaut ist.
Die deutsche Patentanmeldung DE 196 18 530 A1 beschreibt ei­ nen Kondensator in einer integrierten Schaltung, bei dem un­ terhalb oder oberhalb der substratseitigen Elektrode eine Barriereschicht aus einer Verbindung zwischen einem Übergang­ selement und Bor oder Kohlenstoff vorgesehen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kondensator in einer in­ tegrierten Halbleiterschaltung zu schaffen, der bei geringem Platzbedarf eine hohe Kapazität aufweist. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung eines der­ artigen Kondensators in einer integrierten Halbleiterschal­ tung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 13 gelöst.
Die Erfindung beruht im wesentlichen darauf, durch Zumischung eines Elements aus der Gruppe der Übergangsmetalle und/oder Lanthanide (Me) zu einer TaN-Sauerstoff-Bariereschicht deren Barrierewirkung zu verbessern. Anders als bei den bisher zu­ meist verwendeten TiN-Barriereschichten tritt bei der erfin­ dungsgemäßen Schicht auch bei Temperaturen von über 600°C in der Regel noch keine nennenswerte, die Barriereleitfähigkeit verschlechternde Barriereoxidation ein. Dies ermöglicht es, das Dielektrikummaterial bei hohen Prozeßtemperaturen abzu­ scheiden, wodurch sich die Auswahl an einsetzbaren Hoch-ε- Materialien und ferroelektrischen Materialien erhöht und bei Materialien, die auch bereits bei niedrigeren Temperaturen abscheidbar sind, in der Regel qualitativ bessere Schichten mit höherer Dielektrizitätskonstante ε bzw. höherer remanen­ ter Polarisation erreichbar sind.
Es wird angenommen, daß das zulegierte Metall als Sauerstoff­ getter wirkt und dadurch die Barrierenoxidation des TaN ver­ hindert bzw. zu höheren Temperaturen hin verschiebt.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem zulegierten Metall um ein Element der Titangruppe Ti, Zr, Hf oder Cer.
Eine besonders ausgeprägte Erhöhung der Barrierewirkung wurde bei einem Anteil des Metalls an der Schicht im Bereich von 1 bis 15 Atom% erreicht.
Der Stickstoffanteil in der Schicht kann sehr variabel ge­ wählt werden. Wird mit x das Verhältnis der Anzahl der N- Atome zu der Anzahl der Ta-Atome in der Barriereschicht be­ zeichnet, gilt für dieses Verhältnis vorzugsweise 0 < x ≦ 1. Insbesondere für x ≈ 0,5 (d. h. Ta≈2N) ergeben sich gute Schichteigenschaften, was möglicherweise darauf zurückzufüh­ ren ist, daß Ta2N eine der stabilen Phasen von Ta-N Verbin­ dungen darstellt. Es ist jedoch auch möglich, bei verhält­ nismäßig niedrigen N-Konzentrationen von 0 < x ≦ 0,5 und ins­ besondere 0 < x ≦ 0,25 temperaturstabile Barriereschichten mit einer guten Barrierewirkung aufzubauen.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform kennzeichnet sich da­ durch, daß die Barriereschicht zwischen dem Kondensatordi­ elektrikum und der ersten Elektrode liegt. Bei diesem Aufbau kann eine nicht-oxidationsbeständige erste Elektrode, bei­ spielsweise aus Polysilizium oder Wolfram, zur Anwendung kom­ men.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die Barrie­ reschicht zwischen der ersten Elektrode und der Anschluß­ struktur ausgebildet. In diesem Fall kann eine gegenüber Sauerstoff chemisch stabile Elektrode (Pt, Ir, Ru, IrO2, RuO2) eingesetzt werden, wobei die darunterliegende Anschluß­ struktur gegenüber einem Sauerstoffangriff geschützt ist.
Ferner ist es nach einer dritten Ausführungsform der Erfin­ dung auch möglich, daß die Barriereschicht als solche die er­ ste Elektrode bildet.
Sämtlichen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß die erfin­ dungsgemäße Barriereschicht unterhalb des Kondensatordielek­ trikums und oberhalb der nächstfolgenden, nichtoxidationsbe­ ständigen Struktur (Elektrode, Anschlußstruktur, Halbleiter­ substrat oder anderen Strukturen) angeordnet ist. Auf diese Weise werden bei der Herstellung des Kondensatordielektrikums Diffusionspfade für Sauerstoff zu oxidationsgefährdeten Be­ reichen wirksam unterbrochen.
Die Prozeßschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einer Reihenfolge entsprechend dem gewünschten Schichtaufbau durchgeführt. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Ver­ fahrens wird das Substrat während der Abscheidung der Barrie­ reschicht auf einer Temperatur zwischen 100 und 300°C gehal­ ten, wodurch das Auftreten von Spannungen in den Elektroden­ schichten wirksam vermieden werden kann.
Bei der Verwendung von Strontium-Wismut-Tantalat (SBT) als ferroelektrisches Kondensatordielektrikum macht sich die durch die Erfindung geschaffene Möglichkeit, bei hohen Pro­ zeßtemperaturen arbeiten zu können, besonders vorteilhaft be­ merkbar, da sich SBT-Schichten mit befriedigender Qualität nur oberhalb etwa 650°C abscheiden lassen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Speicher­ zelle in einer integrierten Halbleiterschaltung mit einem Kondensator gemäß einem ersten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Darstellung entsprechend Fig. 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 3 eine Darstellung entsprechend den Fig. 1 und 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Nach Fig. 1 weist ein in einem Substrat 1 ausgebildeter MOS- Transistor zwei S/D-Gebiete 3, 4 sowie ein isoliert auf dem Substrat 1 aufgebrachtes Gate 5 auf. Nichtaktive Bereiche der Schaltung sind mit einem Feldoxid 2 bedeckt und eine Iso­ lationsschicht 6 erstreckt sich über den Transistor. Eine Anschlußstruktur 7 steht an ihrem einen Ende mit dem S/D- Gebiet 3 in Verbindung, und eine außerhalb der Zeichenebene liegende und daher nicht dargestellte weitere Anschlußstruk­ tur kontaktiert in entsprechender Weise das S/D-Gebiet 4 des MOS-Transistors. Die Anschlußstruktur 7 kann beispielsweise aus Polysilizium, Wolfram oder auch einem Metallsilizid wie beispielsweise WSi mit hoher elektrischer Leitfähigkeit be­ stehen, mit dem ein in die Isolationsschicht 6 geätztes Kon­ taktloch aufgefüllt wird. An ihrem oberen Ende kontaktiert die Anschlußstruktur 7 eine erste, untere Elektrode 8. Die erste Elektrode 8 und die Anschlußstruktur 7 können aus dem­ selben Material, beispielsweise Polysilizium, Wolfram oder einem Metallsilizid bestehen und gleichzeitig hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, eine Pt-Elektrode zu ver­ wenden, die beispielsweise durch Sputtern, MOCVD oder einen anderen Schichtabscheidungsprozeß in Form einer etwa 30 bis 200 nm dicken Pt-Schicht mit nachfolgender Strukturierung hergestellt werden kann.
Oberhalb der ersten Elektrode 8 erstreckt sich eine Barriere­ schicht 9, die beispielsweise aus Ta-Ce-N bestehen kann und eine Dicke von etwa 30 bis 100 nm aufweist. Die Barriere­ schicht 9 wird durch reaktives Sputtern eines Ta-Ce Mischtar­ gets mit geeigneter Zusammensetzung in einem Sputtergas aus Ar/N2 aufgebaut, wobei eine Verhältnis von 5-20 sccm Ar zu 1 sccm N2 verwendet wird.
Nachfolgend wird die Barriereschicht 9 teilweise wieder ent­ fernt, um einen Kurzschluß mit dem benachbarten Kondensator zu vermeiden. Dabei bleibt die erste Elektrode 8 an ihrer Oberfläche aber vollständig von der Barriereschicht 9 be­ deckt, um eine spätere O2-Diffusion wirksam zu unterdrücken. Das Entfernen der Barriereschicht kann durch einen Ätzprozeß, beispielsweise einen RIE-Prozeß mit einem Ätzgas aus chlor- und/oder bromhaltigen Gasen mit einem Zusatz von inerten Ga­ sen wie N2 oder Ar durchgeführt werden. In Fig. 1 wurde die Barriereschicht 9 außerhalb des Bereichs der Elektrode 8 vollständig entfernt. Es ist jedoch bereits ausreichend, ei­ ne beliebig geartete Unterbrechung der Barriereschicht 9 zwi­ schen benachbarten Elektroden 8 zu schaffen, wobei an die hierfür eingesetzte Phototechnik dann geringere Anforderungen in bezug auf Maßhaltigkeit bzw. Justage gestellt werden kön­ nen.
Nach der Strukturierung der Barriereschicht 9 wird ein Hoch- ε-Dielektrikum wie beispielsweise Barium-Strontium-Titanat (BST) oder ein Ferroelektrikum wie beispielsweise SBT oder Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) abgeschieden. SBT (SrBi2Ta2O9) kann vorzugsweise auch in unterstöchiometrischer Zusammenset­ zung (z. B. Sr0,8Bi2,3Ta2O9) verwendet werden oder es kann an­ stelle SBT auch SBTN (SrBi2(Ta1-yNby)2O9) vorgesehen sein. Ferner besteht die Möglichkeit, ein Wismut-geschichtetes Fer­ roelektrikum abzuscheiden, das aus SBT mit BiO2-Zwischen­ schichten aufgebaut ist. Das Abscheiden dieses Kondensator­ dielektrikums 10 kann mittels eines PVD- oder CVD-Verfahrens bei hohen Temperaturen über 600°C erfolgen. Bei diesem Pro­ zeß und auch bei späteren unter hohen Temperaturen auszufüh­ renden Prozessen (beispielsweise Temperprozessen) wirkt die Ti-Ce-N-Schicht 9 als in bezug auf die Beibehaltung einer gu­ ten elektrischen Leitfähigkeit hochtemperaturstabile Barriere gegen eine Eindiffusion von Sauerstoff und verhindert eine Oxidation der darunterliegenden Anschlußstruktur 7.
Nach dem Abscheiden der Barriereschicht 9 wird eine zweite Elektrode 11 beispielsweise aus Pt hergestellt.
Nach dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Bar­ riereschicht 9 nicht über, sondern unter der ersten Elektrode 8, d. h. zwischen der Anschlußstruktur 7 und erster Elektrode 8 angeordnet, der übrige Aufbau und das Herstellungsverfahren sind gleich. In den Fig. 1 und 2 wurden einander entspre­ chende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Barriereschicht 9 muß wiederum die gesamte Grenzfläche zwischen Anschlußstruktur 7 und erster Elektrode 8 bedecken, d. h. zumindest die der ersten Elektrode 8 zugewandte Ober­ fläche der Anschlußstruktur 7. Die in Fig. 2 dargestellte Struktur kann besonders einfach hergestellt werden, indem die Barriereschicht 9 gemeinsam mit der ersten Elektrode 8 oder direkt anschließend strukturiert wird und somit eine zusätz­ liche Photomaske nicht erforderlich ist. Die Barriereschicht 9 entspricht dann in ihren lateralen Dimensionen der ersten Elektrode 8.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Barriereschicht 9 in der Anschlußstruktur 7 zu vergraben.
Nach einem in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel stellt die Barriereschicht 9 selber die erste Elektrode 8 dar. Sie ist über eine geeignete Anschlußstruktur 7 mit dem dotierten Gebiet 3 verbunden. Eine Pt- oder RuO2-Abscheidung und -Strukturierung zur Ausbildung der ersten Elektrode 8 kann entfallen, im übrigen werden die bereits beschriebenen Herstellungsschritte angewendet.

Claims (22)

1. Kondensator in einer integrierten Halbleiterschaltung, mit einer ersten Elektrode (8), die direkt oder über eine Anschlußstruktur (7) an ein dotiertes Gebiet (3) in einem Halbleitersubstrat (1) angeschlossen ist,
mit einer zweiten Elektrode (11),
mit einem zwischen den beiden Elektroden (8, 11) vorgesehenen Kondensatordielektrikum (10) und
mit einer Barriereschicht (9), die zwischen dem Kondensatordielektrikum und dem dotierten Gebiet (3) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Barriereschicht (9) im wesentlichen aus Ta-Me-N besteht, wobei Me ein Element oder eine Kombination von mehreren Elementen aus der Gruppe der Übergangsmetalle und/oder der Lanthanide ist.
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei Me um Ti, Zr, Hf, Ce oder eine Kombination dieser Elemente handelt.
3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Me in Ta-Me-N im Bereich zwischen 1 und 15 Atom% liegt.
4. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Verhältnis x der Anzahl von N-Atomen zu der Anzahl von Ta- Atomen in der Barriereschicht (9) 0 < x ≦ 1 gilt.
5. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß x ≈ 0,5 gilt.
6. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß 0 < x ≦ 0,5 und insbesondere 0 < x ≦ 0,25 gilt.
7. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriereschicht (9) zwischen dem Dielektrikum und der ersten Elektrode (8) liegt.
8. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriereschicht (9) zwischen der ersten Elektrode (8) und der Anschlußstruktur (7) liegt.
9. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriereschicht (9) die erste Elektrode (8) bildet.
10. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kondensatordielektrikum (10) um ein Hoch-ε- Dielektrikum, insbesondere Barium-Strontium-Titanat und/oder um ein ferroelektrisches Material, insbesondere Strontium- Wismut-Tantalat, Blei-Zirkonium-Titanat oder um ein Ferroelektrikum mit eingelagerten BiO2-Zwischenschichten handelt.
11. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (8) aus einem Pt-haltigen, einem Ir-haltigen oder einem Ru-haltigen Material besteht.
12. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (8) aus Polysilizium, Wolfram oder einem Metallsilizid besteht.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators in einer integrierten Halbleiterschaltung, in dem zunächst der Schritt:
  • a) Erzeugen einer ersten Elektrode (8) des Kondensators direkt auf einem dotierten Gebiet (3) eines Halbleitersubstrates (1) oder alternativ die Schritte
    • 1. Erzeugen einer Anschlußstruktur (7) auf einem dotierten Gebiet (3) eines Halbleitersubstrats (1) und
    • 2. Erzeugen einer ersten Elektrode (8) des Kondensators direkt auf der Anschlußstruktur (7) ausgeführt werden, das später die folgenden Schritte:
  • b) Abscheiden eines Kondensatordielektrikums (10) oberhalb der ersten Elektrode (8) und
  • c) Erzeugen einer zweiten Elektrode (11) des Kondensators auf dem Kondensatordielektrikum (11) umfaßt, und wobei vor Schritt b) der Schritt ausgeführt wird:
  • d) Abscheiden einer Barriereschicht (9) oberhalb des dotierten Gebiets (3)
dadurch gekennzeichnet, daß die Barriereschicht (9) im wesentlichen aus Ta-Me-N besteht, wobei Me ein Element oder eine Kombination von mehreren Elementen aus der Gruppe der Übergangsmetalle und/oder der Lanthanide ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt d) nach Schritt a) oder alternativ nach Schritt a2) ausgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt d) vor Schritt a) oder alternativ nach Schritt a1) und vor Schritt a2) ausgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt d) identisch mit dem Schritt a) oder alternativ identisch mit dem Schritt a2) ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheiden der Barriereschicht (9) (Schritt d) mittels eines reaktiven Sputterverfahrens durchgeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Sputtergas Ar/N2 im Verhältnis von 5 bis 20 sccm Argon zu 1 sccm N2 verwendet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck beim Sputtern im Bereich von 0,1 bis 5 Pa liegt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) während des Abscheidens der Barriereschicht (9) (Schritt d) auf einer Temperatur zwischen 100 und 300°C gehalten wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriereschicht (9) unter Verwendung der ersten Elektrode (8) als Maske in einem Ätzprozeß strukturiert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatordielektrikum (10) in Schritt b) im Rahmen eines PVD oder CVD Verfahrens bei einer Temperatur über 600°C abgeschieden wird oder daß das Kondensatordielektrikum (10) in Schritt b) im Rahmen eines PVD oder CVD Verfahrens bei einer Temperatur unter 600°C abgeschieden wird und später bei einer Temperatur von über 600°C getempert wird.
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