DE19841402B4

DE19841402B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kondensators eines Halbleiterbauelementes

Info

Publication number: DE19841402B4
Application number: DE19841402A
Authority: DE
Inventors: Byoung-Taek Lee; Ki-Hoon Yongin Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: CN1159763C; KR19990075997A; CN1230784A; JP4925494B2; TW408449B; GB2335790A; JPH11297964A; US20020177273A1; KR100284737B1; US6828190B2; GB2335790B; DE19841402A1; GB9818206D0

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kondensators eines Halbleiterbauelementes, bei dem nacheinander eine Speicherelektrode (14), eine hoch dielektrische Schicht (15), eine Plattenelektrode (17) und optional eine dielektrische Zwischenschicht (19) auf einem Halbleitersubstrat (1) gebildet werden,
wobei
das Halbleitersubstrat während der Kondensatorherstellung mehrstufig nachgetempert wird, wobei ein erstes Nachtempern in einer inerten Atmosphäre bei einer ersten Temperatur nach Bildung der hoch dielektrischen Schicht (15) auf der Speicherelektrode (14) und ein zweites Nachtempern bei einer gegenüber der ersten niedrigeren zweiten Temperatur im Anschluß an das erste Nachtempern durchgeführt werden und die Plattenelektrode (17) nach dem zweiten Nachtempern gebildet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators eines Halbleiterbauelementes nach dem Anspruch 1. Ein solcher Kondensator weist eine dielektrische Schicht hoher Dielektrizitätskonstanten auf, nachfolgend als hoch dielektrische Schicht bezeichnet.
Mit wachsendem Integrationsgrad von Halbleiterbauelementen in Form dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM) verringert sich in einem definierten Speicherzellengebiet die für einen Kondensator genutzte Fläche, was es schwierig macht, die zum Betrieb des Halbleiterbauelementes benötigte Kapazität zu erhalten, wenn eine übliche dielektrische Schicht, wie eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht, verwendet wird. Um die Kapazität zu erhöhen, wurden Verfahren zur Bildung einer Speicherelektrode des Kondensators in einer dreidimensionalen Struktur vorgeschlagen. Selbst wenn jedoch eine solche dreidimensionale Speicherelektrode verwendet wird, ist es noch immer schwierig, die für ein hochintegriertes Halbleiterspeicherbauelement unter Verwendung einer herkömmlichen dielektrischen Schicht benötigte Kapazität zu erzielen.
Um die obigen Schwierigkeiten zu bewältigen, wurde bereits ein Verfahren vorgeschlagen, das für den Kondensator des Halbleiterbauelementes von einer hoch dielektrischen Schicht Gebrauch macht, z.B. einer (Ba,Sr)TiO₃-Schicht, auch BST-Schicht bezeichnet. Wenn die hoch dielektrische Schicht für den Kondensator verwendet wird, wird herkömmlich als Platten- und als Speicherelektrode jeweils eine Edelmetallelektrode eingesetzt, um eine hohe Kapazität durch Unterdrücken einer Reaktion der hoch dielektrischen Schicht mit dem Platten- und dem Speicherknoten während eines nachfolgenden Prozesses zu erhalten. Da die Edelmetallelektrode eine starke Reaktion mit Silicium zeigt, muß zwischen der Edelmetallelektrode und der hoch dielektrischen Schicht eine Barrierenschicht gebildet werden. Wenn jedoch die hoch dielektrische Schicht für das Halbleiterbauelement verwendet wird, kann die Barrierenschicht in einem nachfolgenden Prozeß oxidiert werden, so daß die Gefahr besteht, daß eine Elektrode kurzgeschlossen wird oder sich der Leckstrom erhöht.
In der Offenlegungsschrift WO 94/10704 A1 ist ein Verfahren offenbart, bei dem als hoch dielektrische Kondensatorschicht vorzugsweise ein ferroelektrisches Material und/oder mehrlagiges Über gittermaterial verwendet und die so aufgebrachte dielektrische Schicht bei 800°C für 60 Minuten in Sauerstoff getempert wird, bevor eine zweite, obere Kondensatorelektrode gebildet wird. Vor dem Aufbringen der dielektrischen Kondensatorschicht und nach dem Bilden der zweiten Kondensatorelektrode sind weitere Schichtbildungsprozesse vorgesehen, die teilweise von Tempervorgängen begleitet sind, wobei auch mehrstufige Tempervorgänge angewendet werden, bei denen die Temperatur rampenförmig in vorgebbarer Weise erhöht und verringert wird. Das Tempern nach Bilden einer oberen Kondensatorelektrode ist z.B. auch in der Patentschrift US 5,554,866 A zur Verbesserung der Kondensatoreigenschaften angegeben. Es ist zudem bekannt, eine dielektrische Kondensatorschicht nach deren Bildung in einer inerten Atmosphäre zu tempern, siehe z.B. die Patentschrift US 5,189,503 A .
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Kondensatorherstellungsverfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem sich ein Oxidieren einer Barrierenschicht verhindern und eine Verringerung des Leckstroms erreichen läßt, wenn für den Kondensator eine hoch dielektrische Schicht verwendet wird.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Charakteristischerweise beinhaltet das Verfahren ein wenigstens zweistufiges Nachtempern, bei welchem das erste Nachtempern in inerter Atmosphäre bei einer höheren Temperatur und das zweite Nachtempern bei einer demgegenüber niedrigeren Temperatur durchgeführt wird. Dabei erfolgen das erste und das anschließende zweite Nachtempern nach der Bildung einer hoch dielektrischen Schicht, wobei danach eine Plattenelektrode und optional zusätzlich eine dielektrische Zwischenschicht aufgebracht werden. Mit dieser Vorgehensweise kann eine hohe Dielektrizitätskonstante der hoch dielektrischen Schicht erreicht und eine Oxidation einer Barrierenschicht unterdrückt werden, was wiederum den Leckstrom verringert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
1 bis 4 Querschnittsansichten zur Veranschaulichung eines Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators eines Halbleiterbauelementes,
5 ein Flußdiagramm des Verfahrensbeispiels gemäß der 1 bis 4,
6 ein Diagramm zur Darstellung der Kapazität eines herkömmlich hergestellten Kondensators,
7 ein Diagramm zur Darstellung der Kapazität eines erfindungsgemäß hergestellten Kondensators und
8 ein Diagramm zur Darstellung der Leckstromcharakteristik eines erfindungsgemäß hergestellten Kondensators.
Die Querschnitte der 1 bis 4 veranschaulichen ein erstes erfindungsgemäßes Verfahrensbeispiel zur Herstellung eines Kondensators eines Halbleiterbauelementes mit einer hoch dielektrischen Schicht. 5 zeigt das zu diesem Verfahren gehörige Flußdiagramm.
1 veranschaulicht einen ersten Schritt 100 von 5, bei dem auf einem Halbleitersubstrat 1, z.B. einem Siliciumsubstrat, auf dem ein nicht gezeigter Transistor gebildet ist, eine erste dielektrische Zwischenschicht 3 mit einem Kontaktloch 2 gebildet wird. Das Kontaktloch 2 ist so gebildet, daß es einen vorgegebenen Bereich des Halbleitersubstrats 1 freilegt, z.B. einen Sourcebereich des Transistors.
2 veranschaulicht einen nächsten Schritt 105 gemäß 5, bei welchem ganzflächig auf das mit dem Kontaktloch 2 versehene Halbleitersubstrat 1 eine mit Störstellen, wie Phosphor, dotierte Polysiliciumschicht aufgebracht und dann die resultierende Struktur, welche die aufgebrachte Polysiliciumschicht beinhaltet, chemisch-mechanisch poliert wird, um in dem Kontaktloch 2 eine vergrabene Schicht 5 zu erzeugen. Dann wird ganzflächig auf dem mit der vergrabenen Schicht 5 und der ersten dielektrischen Zwischenschicht 3 versehenen Substrat eine Metallschicht, z.B. aus Titan, aufgebracht, wonach die mit dem abgeschiedenen Titan versehene, resultierende Struktur getempert und geätzt wird, um auf diese Weise selektiv ein Metallsilicid 7 auf der vergrabene Schicht 5 zu erzeugen. Dadurch werden im Kontaktloch 2 Stifte aus der vergrabenen Schicht 5 und dem Metallsilicid 7 gebildet.
3 veranschaulicht einen Schritt 110 von 5, bei welchem ganzflächig auf dem mit den Stiften versehenen Halbleitersubstrat 1 eine Barrierenschicht 9 erzeugt wird. Die Barrierenschicht 9 verhindert, daß das Silicium der Stifte mit einer zu bildenden, ersten leitfähigen Schicht 11 für eine Speicherelektrode reagiert. Die Barrierenschicht 9 wird aus Ti, TiN, TiAlN, TiSiN, TaN, TaAlN oder TaSiN gebildet. Dann wird auf der Barrierenschicht 9 die erste leitfähige Schicht 11 für eine Speicherelektrode eines Kondensators des Halbleiterbauelementes aufgebracht. Die erste leitfähige Schicht 11 wird aus Pt, Ru, Ir, IrO₂, RuO₂, einem leitfähigen Material mit einer Perovskit-Struktur, wie SrRuO₃, CaSrRuO₃, BaSrRuO₃, einer Pt-haltigen Legierung, einer Ru-haltigen Legierung oder einer Ir-haltigen Legierung gebildet. Dies beruht auf der Tatsache, daß das obige, nicht-oxidative Metall ein inertes Material ist, das verhindert, daß die erste leitfähige Schicht 11 oxidiert wird, wenn bei hoher Temperatur eine hoch dielektrische Schicht erzeugt wird. Anschließend wird auf der ersten leitfähigen Schicht 11 für die Speicherelektrode eine Maskenstruktur 13 aus einer Oxidschicht erzeugt.
4 veranschaulicht einen Schritt 115 von 5, bei welchem die erste leitfähige Schicht 11 und die Barrierenschicht 9 unter Verwendung der Maskenstruktur 13 als Maske plasmageätzt werden, um dadurch eine Barrierenschichtstruktur 9a und eine erste leitfähige Schichtstruktur 11a zu erzeugen. Auf diese Weise entsteht aus der Barrierenschichtstruktur 9a und der ersten leitfähigen Schichtstruktur 11a eine Speicherelektrode 14 des Kondensators. Gemäß einem anschließenden Schritt 120 von 5 wird die Maskenstruktur 13 anschließend entfernt und dann ganzflächig auf dem mit der Speicherelektrode versehenen Halbleitersubstrat 1 eine hoch dielektrische Schicht 15 durch Sputtern bei 400°C bis 510°C bis zu einer Dicke zwischen 40 nm und 50 nm gebildet. Die hoch dielektrische Schicht 15 wird aus einem dielektrischen Material mit einer Perovskit-Struktur hergestellt, wie (Sr,Ti)O₃, (Ba,Sr)TiO₃, Pb(Zr,Ti)O₃ oder (Pb,La)(ZrTi)O₃.
Danach wird in einem Schritt 125 von 5 das mit der hoch dielektrischen Schicht 15 versehene Halbleitersubstrat nachgetempert, um eine hohe Kapazität und einen niedrigen Leckstrom für den Kondensator zu erhalten. Genauer wird hierbei das mit der hoch dielektrischen Schicht 15 versehene Halbleitersubstrat 1 zuerst bei einer ersten Temperatur von beispielsweise zwischen 600°C und 900°C nachgetempert. Dieses primäre Nachtempern bei der ersten Temperatur wird in einer inerten Atmosphäre, z.B. in einer Stickstoffatmosphäre mit 100 ppm Sauerstoff oder weniger, in einem Ofen oder einer Apparatur für schnelles thermisches Ausheilen im Vakuum durchgeführt. Das primär nachgetemperte Halbleitersubstrat 1 wird dann erneut nachgetempert, und zwar in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer gegenüber der ersten Temperatur geringeren zweiten Temperatur von beispielsweise 100°C bis 600°C. Dieser sekundäre Nachtempervorgang bei der zweiten Temperatur wird ebenfalls in einem Ofen oder einer Apparatur für schnelles thermisches Ausheilen im Vakuum durchgeführt. Dabei werden die Nachtempervorgänge bei der ersten und der zweiten Temperatur separat oder in-situ durchgeführt. Das im vorliegenden Beispiel in zwei Schritten bei zwei Temperaturen durchgeführte Nachtempern kann auch in mehr als zwei Schritten bei drei oder mehr Temperaturen ausgeführt werden, wobei von den drei Temperaturen die zweite kleiner als die erste und die dritte kleiner als die zweite Temperatur ist.
Daraufhin wird auf der hoch dielektrischen Schicht 15 gemäß Schritt 130 von 5 eine zweite leitfähige Schicht 17 für eine Plattenelektrode aufgebracht, um dadurch einen Kondensator zu vervollständigen. Die zweite leitfähige Schicht 17 für die Plattenelektrode wird aus Pt, Ru, Ir, IrO₂, RuO₂, einem leitfähigen Material mit einer Perovskit-Struktur, wie SrRuO₃, CaSrRuO₃, BaSrRuO₃, einer Pt-haltigen Legierung, einer Ru-haltigen Legierung oder einer Ir-haltigen Legierung gebildet. Anschließend wird ganzflächig auf dem mit der Plattenelektrode 17 versehenen Halbleitersubstrat 1 gemäß Schritt 135 von 5 eine zweite dielektrische Zwischenschicht 19 erzeugt. Als nächstes werden nachfolgende Prozesse in derselben Weise wie in einem typischen herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes ausgeführt.
Nachfolgend wird auf die Kapazität und den Leckstrom eines erfindungsgemäß hergestellten Kondensators für ein Halbleiterbauelement näher eingegangen.
6 zeigt graphisch die Kapazität eines unter Verwendung eines herkömmlichen Temperverfahrens hergestellten Kondensators eines Halbleiterbauelementes. Genauer zeigt 6 die Kapazität pro Zelle des Kondensators mit einer hoch dielektrischen BST-Schicht, abgeschieden bei 400°C in einer Dicke von 40 nm. Das Bezugszeichen a stellt hierbei die Kapazität nach Bildung eines Kondensators gemäß Schritt 130 von 5 ohne den Schritt 125 des vorherigen mehrstufigen Nachtemperns dar, während das Bezugszeichen b die Kapazität nach dem Nachtempern in einem Ofen bei 550°C in einer Sauerstoffatmosphäre und das Bezugszeichen c die Kapazität nach dem Nachtempern in einem Ofen bei 650°C in einer Sauerstoffatmosphäre repräsentieren.
Ersichtlich beträgt die Kapazität a des Kondensators nach Bildung desselben ungefähr 5fF/Zelle, während die Kapazität b nach dem Nachtempern in Sauerstoffatmosphäre auf 16,5fF/Zelle anwächst. Die Kapazität c nach dem Nachtempern in der Sauerstoffatmosphäre bei 650°C beträgt hingegen 1fF/Zelle oder weniger. Ursache hierfür ist eine Oxidation der Barrierenschicht, so daß die Eigenschaften eines Kondensators mit hoch dielektrischer Schicht nicht erreicht werden.
Aus diesem Ergebnis folgt, daß das Nachtempern bei einer Temperatur, bei der die Barrierenschicht nicht oxidiert wird, die Kapazität auf ein gewisses Maß erhöht, sich jedoch die Kapazität bei Überschreiten einer Temperatur, bei welcher die Barrierenschicht oxidiert wird, aufgrund der Oxidation der Barrierenschicht verringert wird. Um daher die hoch dielektrische Schicht für den Kondensator zu verwenden, ist ein Tempern bei einer hohen Temperatur bei gleichzeitigem Unterdrücken der Oxidation der Barrierenschicht erforderlich.
7 zeigt graphisch die Kapazität eines erfindungsgemäß hergestellten Kondensators eines Halbleiterbauelementes. Genauer zeigt 7 die Kapazität pro Zelle des Kondensators mit einer hoch dielektrischen BST-Schicht, abgeschieden bei 450°C in einer Dicke von 40 nm. Hierbei repräsentiert das Bezugszeichen a die Kapazität nach Bildung des Kondensators, während das Bezugszeichen b die Kapazität nach einem Nachtempern in einem Ofen bei 700°C in einer Stickstoffatmosphäre mit 100 ppm Sauerstoff oder weniger und das Bezugszeichen c die Kapazität nach einem ersten Nachtempern in einem Ofen bei 700°C in einer Stickstoffatmosphäre und einem anschließenden zweiten Nachtempern in einem Ofen bei 400°C mit sauerstoffhaltiger Atmosphäre repräsentieren.
Die Depositionstemperatur der BST-Schicht von 7 ist höher als diejenige des Kondensators von 6, so daß die Kapazität a nach Bilden des Kondensators mit 7,5fF/Zelle höher ist als diejenige von 6. Die Kapazität b des Kondensators nach dem Nachtempern in sauerstofffreier Stickstoffatmosphäre beträgt 21fF/Zelle. Wie oben erläutert, muß das Nachtempern in einer Atmosphäre durchgeführt werden, in welcher die Barrierenschicht nicht oxidiert wird, um in einem entsprechenden Herstellungsprozeß eine hohe Kapazität zu erhalten, wenn die BST-Schicht in dem Kondensator verwendet wird.
Wenn der Kondensator bei einer hohen Temperatur entsprechend dem Bezugszeichen b nachgetempert wird, erhöht sich die Kapazität, jedoch erhöht sich auch der Leckstrom, wie in 8 gezeigt, so daß keine zuverlässige Kapazität erhalten werden kann. Das Anwachsen des Leckstroms wird durch mechanische Spannungsfehlanpassung aufgrund einer mechanischen Spannungsänderung zwischen der BST-Schicht und der Platten- und Speicherelektroden während des Temperns bei einer hohen Temperatur verursacht. Um daher das Problem der mechanischen Spannungsfehlanpassung zu beseitigen, wurden mehrstufige Tempervorgänge durchgeführt, d.h. ein erstes Tempern bei einer hohen Temperatur in einer Stickstoffatmosphäre, gefolgt von einem zweiten Tempern bei einer niedrigen Temperatur. Wie durch das Bezugszeichen c repräsentiert, wurde das erste Nachtempern in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C durchgeführt, wonach das zweite Nachtempern in einer Sauerstoffatmosphäre bei 400°C ausgeführt wurde. Die Kapazität c des Kondensators nach diesem mehrstufigen Tempern ist mit 21fF/Zelle vergleichbar mit der Kapazität b. Aus diesem Ergebnis folgt, daß die Kapazität des Kondensators durch das mehrstufige Tempern nicht verändert wird. Außerdem wurde nach dem mehrstufigen Tempern der Leckstrom um 5 bis 6 Größenordnungen reduziert, bezogen auf 1 V, wie in 7 dargestellt.
8 zeigt graphisch den Leckstrom eines erfindungemäß hergestellten Kondensators eines Halbleiterbauelementes nach dem Nachtempern. Dabei repräsentieren das Bezugszeichen a die Kapazität nach einem Nachtempern bei 700°C und das Bezugszeichen b die Kapazität nach einem ersten Nachtempern in einem Ofen bei 700°C in einer Stickstoffatmosphäre, gefolgt von einem zweiten Nachtempern in einem Ofen mit Sauerstoff bei 400°C. Der Leckstrom nach dem Nachtempern, wie durch die Kurve b gezeigt, verringert sich um 5 bis 6 Größenordnungen auf der Basis von 1 V, verglichen mit der Kapazität a, wie sie durch alleiniges Nachtempern in einer Stickstoffatmosphäre bei einer hohen Temperatur erhalten wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kondensators eines Halbleiterbauelementes wird somit ein mehrstufiges Nachtempern ausgeführt, bei dem ein erstes Nachtempern in einer inerten Atmosphäre bei einer hohen Temperatur nach dem Abscheiden einer hoch dielektrischen Schicht und ein zweites Nachtempern bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt werden. Die Dielektrizitätskonstante der hoch dielektrischen Schicht wird erhöht, und die Oxidation einer Barrierenschicht wird unterdrückt, was den Leckstrom verringert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kondensators eines Halbleiterbauelementes, bei dem nacheinander eine Speicherelektrode (14), eine hoch dielektrische Schicht (15), eine Plattenelektrode (17) und optional eine dielektrische Zwischenschicht (19) auf einem Halbleitersubstrat (1) gebildet werden, wobei das Halbleitersubstrat während der Kondensatorherstellung mehrstufig nachgetempert wird, wobei ein erstes Nachtempern in einer inerten Atmosphäre bei einer ersten Temperatur nach Bildung der hoch dielektrischen Schicht (15) auf der Speicherelektrode (14) und ein zweites Nachtempern bei einer gegenüber der ersten niedrigeren zweiten Temperatur im Anschluß an das erste Nachtempern durchgeführt werden und die Plattenelektrode (17) nach dem zweiten Nachtempern gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die hoch dielektrische Schicht aus (Sr,Ti)O₃, (Ba,Sr)TiO₃, Pb(Zr,Ti)O₃, oder (Pb,La)(ZrTi)O₃ gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Plattenelektrode (17) und die Speicherelektrode (14) durch Pt, Ru, Ir, IrO₂, RuO₂, SrRuO₃, CaSrRuO₃, BaSrRuO₃, einer Pt-haltigen Legierung, einer Ru-haltigen Legierung oder einer Ir-haltigen Legierung gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Temperatur beim ersten Nachtempern zwischen 600°C und 900°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Temperatur für das zweite Nachtempern bei 100°C bis 600°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Nachtempervorgänge bei der ersten und der zweiten Temperatur separat oder in-situ durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Nachtempervorgänge bei der ersten und der zweiten Temperatur in einem Ofen oder einer Apparatur für schnelles thermisches Ausheilen im Vakuum durchgeführt werden.