-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung
mit reduziertem Rückwärtsleckstrom
zwecks Verbesserung der Eigenschaften der Halbleitereinrichtung.
-
Die
Miniaturisierung elektrischer Schaltungen und die Integrationstechnologie
wurden im Zuge der Herstellung von Halbleitereinrichtungen ständig verbessert.
-
16
M bit DRAMS und 64 M bit DRAMS können
jetzt als Massenprodukte hergestellt werden, und es wurden weitere
erhebliche Fortschritte im Hinblick auf die Entwicklung von Halbleitereinrichtungen mit
noch höherer
Integrationsdichte erzielt. Steigt bei einem DRAM die Integrationsdichte
an, so verringern sich die für
die Kondensatoren zur Verfügung
stehenden Bereiche signifikant. Es ist daher extrem wichtig, bei
einer zu Verfügung
stehenden kleineren Fläche für einen
Kondensator dessen Kapazität
auf dem ursprünglichen
Wert zu halten. In diesem Zusammenhang gibt es viele Vorschläge, um das
Auftreten von Leckströmen
zu vermeiden, die in Elektrodenschichten fließen, welche zur Bildung des
Kondensators dienen.
-
Im
nachfolgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Kondensator
einer konventionellen Einrichtung näher erläutert.
-
Die 1 zeigt
eine konventionelle Halbleitereinrichtung mit einem Kondensator,
während
die 2 graphisch in der oberen Elektrode des Kondensators
einen Migrationsweg von Sauerstoffatomen darstellt. Ferner zeigt
die 3 graphisch die Leckstromcharakteristik des konventionellen
Kondensators.
-
Im
Zuge der weiteren Verringerung der Größe eines DRAMs wurde vorgeschlagen,
bei der Herstellung des DRAM-Kondensators ein Dielektrikum mit hoher
Dielektrizitätskonstante
zu verwenden, beispielsweise BST, ST, PZT, PLZT, usw. Kommt ein
solches Dielektrikum bei der Herstellung eines Kondensators zum
Einsatz, so läßt sich
die verbesserte effektive Kapazität mittels eines einfachen Kondensators
vom Stapeltyp erzielen, der keine komplexe dreidimensionale Struktur
aufzuweisen braucht. Beispielsweise kann zur Bildung des Kondensators
Pt bzw. Platin verwendet werden, das eine geringe Reaktivität und eine
große
Austrittsarbeit aufweist. Der entsprechende Platin-Dünnfilm wird
durch Sputtern hergestellt.
-
Nicht
dargestellte Zellentransistoren werden gemäß 1 zur Bildung
eines Kondensators einer Halbleitereinrichtung auf einem Halbleitersubstrat 1 gebildet,
und danach wird eine Zwischenschicht-Isolationsschicht 2 auf
die gesamte Oberfläche
der so erhaltenen Struktur aufgebracht, also auch auf die Zellentransistoren.
Im Anschluß daran
wird die Zwischenschicht-Isolationsschicht 2 zur Bildung
eines Kontaktlochs bereichsweise beseitigt. Eine Stopfenschicht 3 wird
im Kontaktloch begraben, wobei die Stopfenschicht 3 aus
Polysilizium hergestellt wird. Sodann erfolgt die Bildung einer
Diffusionsbarrierenschicht 4, die in Kontakt mit der Stopfenschicht 3 steht,
um eine atomare Migration zwischen der Stopfenschicht 3 und
der unteren Elektrode 5 zu verhindern. Schließlich erfolgt
die Bildung der unteren Elektrode 5 aus Pt bzw. Platin
sowie die anschließende Bildung
von Seitenwandstücken 6.
-
Ein
Dielektrikum 7 wird auf die gesamte Oberfläche der
so erhaltenen Struktur aufgebracht, also auch auf die untere Elektrodenschicht 5,
wonach auf des Dielektrikum 7 eine obere Elektrodenschicht 8 aufgebracht
wird, die ebenfalls aus Pt bzw. Platin besteht.
-
Bei
der Herstellung dieses Kondensators werden zunächst die untere Elektrode 5 und
das Dielektrikum 7 gebildet, wonach durch Sputtern unter Verwendung
eines Pt-Targets sowie unter Einsatz eines Ar-Gases die obere Elektrode 8 in
Form eines Platin-Dünnfilms
hergestellt wird. Sauerstoff des Dielektrikums 7 wandert
durch die obere Pt-Elektrode 8 hindurch, die auf dem Dielektrikum 7 liegt,
wie in 2 angedeutet ist, so daß sich eine Sauerstoffverarmungsschicht
im Dielektrikum 7 an dessen Oberfläche bildet. Es stellt sich
somit eine Sauerstoffverteilung gemäß der graphischen Darstellung
rechts in 2 ein. Die Leckstromcharakteristik
des Dielektrikums hängt
stark von der Sauerstoffdichte innerhalb des Dielektrikums ab. Dabei
variiert die Leckstromcharakteristik mit der Dichte des Sauerstoffs,
der an der Grenzfläche
zwischen den Elektroden vorhanden ist.
-
Wird
bei der Bildung eines Kondensators einer Halbleitereinrichtung eine
obere Elektrodenschicht auf einem Dielektrikum hergestellt, so wird das
Dielektrikum einem Plasma ausgesetzt, um die Sauerstoffdichte im
Dielektrikum zu ändern.
Die Stromgröße in der
oberen Elektrodenschicht ist größer als
die in der unteren Elektrodenschicht, wie die 3 erkennen
läßt. Dabei
sollten die Vorwärts- und Rückwärts-Leckströme unterhalb
eines Wertes von 1 × 10–7 A/cm2 verbleiben. Allerdings wird der Rückwärts-Leckstrom
beim konventionellen Kondensator sehr groß, was zu einer Zerstörung der
Halbleitereinrichtung führen
kann.
-
Die
JP 8-274046 A und
die
US 5,736,422 A beschreiben
ein Verfahren zum Abscheiden einer Platinschicht auf einem Siliziumwafer.
Hierbei wird eine isolierende Oxidschicht, insbesondere SiO
2, Al
2O
3 oder
MgO, auf einer Oberfläche
des Siliziumwafers gebildet. Danach wird eine Platinschicht auf der
isolierenden Oxidschicht unter Sauerstoffatmosphäre abgeschieden, um einen Mischfilm
bestehend aus Platinkörnern,
Platinoxidkörnern
und an diesen Körnern
haftendem Sauerstoff zu bilden. Nach dem Abscheiden eines zusätzlichen
Pt-Dünnfilms
unter einer Inertgasatmosphäre
wird das Siliziumsubstrat einer Temperatur von 400°C bis 1000°C ausgesetzt, um
den ungebundenen oder in Form von Platinoxid vorliegenden Sauerstoff
in dem Sauerstoff enthaltenen Pt-Dünnfilm aus
diesem zu entfernen und den gesamten Pt-Dünnfilm zu stabilisieren. Hierbei
können
die so gebildeten Pt-Dünnfilme
auch in Verbindung mit ferroelektrischen Materialien wie BaTiO
3, PZT oder PLZT verwendet werden.
-
Die
nachveröffentlichte
EP 0 814 514 A2 mit älterem Zeitrang
beschreibt eine Halbleiterspeichervorrichtung mit einem Kondensator.
Dieser Kondensator wird durch Abscheiden einer unteren Elektrode auf
einer Stopfenschicht gebildet, wobei auf der unteren Elektrode weiter
eine dielektrische Schicht sowie eine obere Elektrode aufgebracht
wird. Die obere und untere Elektrode können dabei aus einem leitenden Material
mit hoher Leitfähigkeit
wie beispielsweise Platin oder einem leitenden Oxid wie Platinoxid
gebildet sein. Die dielektrische Schicht kann aus einem ferroelektrischen
Material wie beispielsweise PZT, PbTiO
3,
BaTiO
3 gebildet sein. Die obere und untere Elektrode
wird durch Aufsputtern mittels Argon-Gas oder im Falle eines leitenden
Oxids mittels eines gemischten Gases aus Argon-Gas und Sauerstoffgas gebildet.
-
Die
JP 08-274270 A beschreibt
eine elektrische Komponente mit einem ferroelektrischen Kondensator.
Hierbei wird auf einer Drainelektrode eines Halbleitersubstrats
eine untere Elektrode, ein ferroelektrischer Dünnfilm und eine obere Elektrode
nacheinander aufgebracht. Die untere Elektrode besteht aus einer
PtSi-Schicht, einer PtO
2-Schicht und einer Pt-Schicht,
die obere Elektrode ist aus einer PtO
2-Schicht
und einer Pt-Schicht gebildet. Die obere und untere Elektrode wird
dabei mittels chemischer Dampfabscheidung erzeugt.
-
Die
JP 07-263570 A beschreibt
die Herstellung einer dielektrischen Vorrichtung. Hierbei wird auf einer
unteren Elektrode aus Platin eine ferroelektrische Schicht aus SrTiO
3 gebildet. Auf der ferroelektrischen Schicht
wird dann einen obere Elektrode erzeugt, wobei diese Elektrode in
einer Gasatmosphäre
aus Sauerstoff und Argon aufgesputtert wird. Das Verhältnis des
Gasdrucks von Argon zu Sauerstoff beträgt hierbei 4,5:0,5.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines Kondensators einer Halbleitereinrichtung anzugeben, mit dem
sich der Rückwärts-Leckstrom
des Kondensators wirksam reduzieren läßt, um die Eigenschaften der
Halbleitereinrichtung zu verbessern.
-
Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung im
einzelnen beschrieben. Es zeigen:
-
1 einen
Kondensator einer konventionellen Halbleitereinrichtung;
-
2 eine
graphische Darstellung zur Erläuterung
der Migration von Sauerstoffatomen in der oberen Elektrode des konventionellen
Kondensators sowie die zugehörige
graphische Darstellung der Sauerstoffdichte senkrecht zu den Elektrodenschichten;
-
3 eine
graphische Darstellung der Leckstromcharakteristik des konventionellen
Kondensators;
-
4A bis 4B der
Erläuterung
dienende Querschnittsdarstellungen durch einen gemäß einem
nicht erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Kondensator einer Halbleitereinrichtung sowie zugehörige Sauerstoffdichteverteilungen;
-
4C eine
Querschnittsdarstellung durch einen gemäß einem Verfahren der Erfindung
hergestellten Kondensator sowie eine zugehörige Sauerstoffdichteverteilung;
-
5A eine
graphische Darstellung von Leckstromcharakteristika bei einem Kondensator
einer Halbleitereinrichtung gemäß 4B;
und
-
5B eine
graphische Darstellung von Leckstromcharakteristika bei einem Kondensator
einer Halbleitereinrichtung gemäß 4C.
-
Die 4A bis 4C zeigen
links jeweils Querschnittsansichten eines Kondensators einer Halbleiterstruktur,
sowie rechts die Sauerstoffdichte senkrecht zu den Schichtebenen.
In den 5A und 5B ist
jeweils eine Leckstromcharakteristik eines Kondensators einer Halbleitereinrichtung
dargestellt, wobei der rechte Bereich die Vorwärtsrichtung und der linke Bereich
die Rückwärtsrichtung
charakterisieren.
-
Erfindungsgemäß werden
bei der Bildung einer oberen Elektrode 32 oder einer unteren
Elektrode 30 zur Reduzierung des Leckstroms des Kondensators
die Sauerstoffkonzentration in der oberen Elektrode 32 und
der unteren Elektrode 30 benachbart zu einem Dielektrikum 31 kontrolliert
eingestellt, und zwar durch Einbringung bzw. Einleitung von Sauerstoffgas
zwecks Reduzierung der Vorwärts-
und Rückwärtsleckströme.
-
Ein
nicht erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines Kondensators einer Halbleitereinrichtung umfaßt einen
Schritt zur Bildung eines Dielektrikums 31 auf einer unteren
Elektrode 30 aus Pt (4A), sowie
einen weiteren Schritt zum Hinzufügen von Sauerstoffgas zum Ar-Gas
während
des Sputterns zur Bildung der oberen Elektrode 32 auf dem
Dielektrikum 31, also während
des Nie derschlags des Pt-Dünnfilms.
Das Ar-Gas (Argon) wird zu einem Elektrodentarget der Sputtereinrichtung
geleitet. Dagegen wird das Sauerstoffgas in Richtung zum Substrat
geleitet. Das Dielektrikum 31 wird gebildet unter Verwendung
von ABO3 (A = Ba, Sr, Pb, La; B = Zr, Ti,
usw.). Die untere Elektrode 30 wird auf einer Polysilizium-Stopfenschicht
gebildet, oder auf einer Adhäsionsschicht
aus Ti, Zr oder auf einer Diffusionsbarrierenschicht aus TiN, TaN,
TiW, usw. Die oben genannte Polysilizium-Stopfenschicht, Adhäsionsschicht
oder Diffusionsbarrierenschicht steht jeweils in Kontakt mit einem
nicht dargestellten Verunreinigungsdiffusionsbereich auf einer Seite
des Zellentransistors.
-
Bei
dem Verfahren zur Herstellung des Kondensators der vorliegenden
Erfindung wird durch Hinzufügen
von Sauerstoff (20 cm3/min unter Standardbedingungen
(sccm)) zum Ar-Gas (20 sccm) während
des Sputterprozesses zur Einstellung der Verteilung der Sauerstoffdichte
zur Zeit der Bildung der oberen Elektrodenschicht 32 verhindert,
daß Sauerstoff
aus dem Dielektrikum 31 austritt, so daß auf diese Weise ein Rückwärts-Leckstrom
vermieden wird.
-
Die 4B zeigt
einen Querschnitt durch einen weiteren Kondensator einer Halbleitereinrichtung.
-
Bei
dem Herstellungsverfahren dieses Kondensators wird eine Verringerung
der Niederschlagsgeschwindigkeit verhindert, die dadurch entstehen kann,
daß Ar-Gas und Sauerstoffgas
gemeinsam bzw. gleichzeitig verwendet werden. Auch hier wird ein
Dielektrikum 31 auf einer unteren Elektrodenschicht 30 gebildet,
die z. B. aus Pt hergestellt ist. Das Dielektrikum 31 wird
gebildet unter Verwendung von ABO3 (A =
Ba, Sr, Pb, La; B = Zr, Ti). Ar-Gas (20 sccm) und Sauerstoffgas
(20 sccm) werden gleichzeitig in die Sputtereinrichtung eingeleitet,
um auf diese Weise auf dem Dielektrikum 31 einen ersten Pt-Dünnfilm zu
bilden, der Sauerstoff enthält.
Danach erfolgt die Bildung eines zweiten Pt-Dünnfilms auf dem ersten Pt-Dünnfilm,
wobei jetzt der zweite Pt-Dünnfilm
jedoch keinen Sauerstoff mehr enthält. Der zweite Pt-Dünnfilm wird
nur unter Verwendung von Ar-Gas (40 sccm) gesputtert.
-
Die
untere Elektrode 30 kommt auf einer Polysilizium-Stopfenschicht
oder auf einer Adhäsionsschicht
aus Ti, Zr oder auf einer Diffusionsbarrierenschicht aus TiN, TaN,
TiW zu liegen. Dabei stehen die Polysilizium-Stopfenschicht oder
die Adhäsionsschicht
oder die Diffusionsbarrierenschicht in Kontakt mit einem nicht dargestellten
Verunreinigungsdiffusionsbereich auf einer Seite des Zellentransistors,
der auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist.
-
Die 4C zeigt
eine Querschnittsansicht durch einen Kondensator einer Halbleitereinrichtung, hergestellt
in Übereinstimmung
mit einem Verfahren nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung.
-
Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung soll eine Abnahme der Niederschlagsgeschwindigkeit
verhindert werden, die dadurch entstehen kann, daß zusätzlich zum Ar-Gas
auch noch Sauerstoffgas beim Sputterprozeß verwendet wird, wobei ein
Sauerstoff enthaltender Dünnfilm
aus Pt (Platin) auch im oberen Bereich der untern Elektrodenschicht 30 vorhanden
ist, also benachbart zum Dielektrikum 31.
-
Bei
der Bildung der unteren Elektrodenschicht 30 aus Pt wird
zunächst
ein Dünnfilm
aus Platin nur unter Verwendung von Ar-Gas (40 sccm) durch Sputtern
gebildet. Danach werden Ar-Gas (20 sccm) und Sauerstoffgas (20 sccm)
gleichzeitig in die Sputtereinrichtung eingeleitet, um denjenigen
Teil der unteren Elektrode 30 zu bilden, der jetzt Sauerstoff enthält. Die
untere Elektrode 30 besteht somit aus zwei Bereichen, nämlich aus
einem unteren Pt-Dünnfilm
ohne Sauerstoff und aus einem darauf liegenden Pt-Dünnfilm mit
Sauerstoff. Sodann wird auf der unteren Elektrode, also auf dem
Pt-Dünnfilmbereich
mit Sauerstoff, das Dielektrikum 31 gebildet, und zwar unter
Verwendung von ABO3 (A = Ba, Sr, Pb, La;
B = Zr, Ti, usw.). Nach Bildung des Dielektrikums 31 wird auf
diesem ein erster Pt-Dünnfilm
mit Sauerstoff gebildet, wobei Ar-Gas (20 sccm) und Sauerstoffgas (20
sccm) gleichzeitig in die Sputtereinrichtung geleitet werden. Sodann
wird auf diesem Pt-Dünnfilm
mit Sauerstoff ein zweiter Pt-Dünnfilm
ohne Sauerstoffgebildet, wobei jetzt nur noch Ar-Gas (40 sccm) in
die Sputtereinrichtung geleitet wird.
-
Die
obere Elektrodenschicht 32 besteht somit aus einem unteren
Pt-Dünnfilm
mit Sauerstoff (auf dem Dielektrikum 31 liegend) und aus
einem oberen Pt-Dünnfilm ohne
Sauerstoff. Die untere Elektrode 30 kann auf einer Polysilizium-Stopfenschicht, einer
Adhäsionsschicht
aus Ti, Zr oder auf einer Diffusionsbarrierenschicht, etwa aus TiN,
TaN, TiW liegen. Die Polysilizium-Stopfenschicht oder die Adhäsionsschicht
oder die Diffusionsbarrierenschicht kontaktieren ei nen Verunreinigungsdiffusionsbereich (nicht
dargestellt) an einer Seite des Zellentransistors auf dem Halbleitersubstrat.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung führt zu einer exzellenten Vorwärts-/Rückwärtsleckstromcharakteristik,
wie die 5B erkennen lässt.
-
Bei
der 5A wurden Ar-Gas und Sauerstoffgas gleichzeitig
in die Sputtereinrichtung eingeleitet, und zwar nur bei Bildung
der oberen Elektrode 32, um auf diese Weise den Pt-Dünnfilm mit
Sauerstoff zu erhalten. Es ist zu erkennen, daß sowohl hinsichtlich des Rückwärtsleckstroms
als auch hinsichtlich des Vorwärtsleckstroms
gute Charakteristika vorliegen.
-
Die 5B zeigt
Leckstromcharakteristika für
den erfindungsgemäß hergestellten
Kondensator, bei dem zur Bildung sowohl der unteren als auch der oberen
Elektrodenschichten 30, 32 Platin-Dünnfilme unter
gleichzeitiger Zufuhr von Ar-Gas und Sauerstoffgas zur Sputtereinrichtung
hergestellt wurden. Auch hier werden sehr gute Vorwärts- und
Rückwärts-Leckstromcharakteristika
erhalten, die z. T. noch besser sind als die nach 5A.
-
Wie
oben beschrieben, enthält
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Kondensators einer Halbleitereinrichtung der
dem Dielektrikum benachbarte Teil der oberen und der unteren Pt-Elektrode
Sauerstoff, um die Sauerstoffverteilung an der Oberfläche zwischen
dem Dielektrikum und dem Pt-Dünnfilm
kontrolliert einzustellen. Der Sauerstoff enthaltende Teil der Elektroden
liegt also immer dem Dielektrikum benachbart. Dadurch läßt sich
die Vorwärts-/Rückwärts-Leckstromcharakteristik
des Kondensators verbessern und damit die Eigenschaften der Halbleitereinrichtung.