DE19946999B4

DE19946999B4 - Verfahren zur Herstellung ferroelektrischer Speichereinrichtungen

Info

Publication number: DE19946999B4
Application number: DE19946999A
Authority: DE
Inventors: Ho Jung Sun; Soon Yong Kweon; Seung Jin Yeom
Original assignee: Hyundai Electronics Industries Co Ltd
Current assignee: SK Hynix Inc
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2019-10-01
Also published as: GB9923058D0; US6379977B1; JP4016545B2; GB2342227B; DE19964494B4; GB2342227A; DE19946999A1; JP2000114470A; KR20000024713A; KR100293720B1; TW425671B

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Speichereinrichtung, das die folgenden Schritte umfasst:
aufeinanderfolgend werden eine Titanschicht (13) und eine erste Platinschicht (14) auf einem Halbleitersubstrat (11) ausgebildet, auf dem eine erste Zwischenisolationsschicht (12) ausgebildet ist;
das Substrat wird unter einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre thermisch behandelt, sodass die Titanschicht (13) und die erste Platinschicht (14) in eine Titanoxidschicht (15), die Platin enthält, umgewandelt wird;
anschließend werden eine zweite Platinschicht (16) für eine untere Elektrode (16a), eine ferroelektrische Dünnschicht (17) und eine dritte Platinschicht (18) für eine obere Elektrode (18a) auf der Titanoxidschicht (15), die Platin enthält, ausgebildet;
die dritte Platinschicht (18) wird geätzt, um die obere Elektrode (18a) auszubilden; und
die ferroelektrische Dünnschicht (17), die zweite Platinschicht (16) und die Titanoxidschicht (15), die Platin enthält, werden geätzt, um einen Kondensator (100) auszubilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterspeichereinrichtung und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Speichereinrichtung gemäß dem Anspruch 1 unter Verwendung einer ferroelektrischen Dünnschicht als einer dielektrischen Schicht eines Kondensators.
Im allgemeinen wird in einer ferroelektrischen Speichereinrichtung von nichtflüchtigen Speichereinrichtungen eine ferroelektrische Dünnschicht, wie etwa eine SrBi₂Ta₂O₉(SBT)-Schicht und eine Pb(ZrTi_1-x) O₃-Schicht, hauptsächlich als eine dielektrische Schicht eines Kondensators verwendet. Die Eigenschaften der ferroelektrischen Dünnschicht hängen von Materialien für obere und untere Elektroden des Kondensators und insbesondere dem Material der unteren Elektrode ab. Um demgemäß gute Eigenschaften der ferroelektrischen Dünnschicht zu erhalten, wird die untere Elektrode aus einer Platin(Pt)-Schicht, die eine gute Oxidationsresistenz hat, einer leitenden Oxidschicht, wie etwa einer IrO₂-Schicht oder einer RuO₂-Schicht, oder einer Metallschicht, wie etwa einer Iridium(Ir)- oder einer Ruthenium(Ru)-Schicht, ausgebildet. Von diesen wird hauptsächlich die Pt-Schicht verwendet.
In der ferroelektrischen Speichereinrichtung wird, wie oben beschrieben, der Kondensator im allgemeinen durch Ausbildung der unteren Elektrode hergestellt, wobei die ferroelektrische Dünnschicht und die obere Elektrode auf einer Zwischenisolationsschicht, wie etwa einer Oxidschicht, sind. Hier wird die untere Elektrode aus der Pt-Schicht hergestellt. Da ferner die Adhäsion bzw. Haftung zwischen der Pt-Schicht und der Oxidschicht schlecht bzw. schwach ist, wird eine Titan(Ti)-Schicht als eine Haft vermittlungsschicht bzw. Klebeschicht zwischen gesetzt, um die Haftung zu verbessern.
Wenn jedoch thermische Prozesse unter einer Sauerstoffatmosphäre nachfolgend nach der Ausbildung der Pt-Schicht als der unteren Schicht durchgeführt werden, diffundiert Ti in die Pt-Schicht, wodurch die Haftung zwischen der Ti-Schicht und der Zwischenisolationsschicht verschlechtert wird. Ferner wird Ti in der Pt-Schicht oxidiert, um eine Titanoxidschicht auszubilden. Deshalb wird das Volumen der Pt-Schicht erhöht, so dass die Oberflächenrauhigkeit der unteren Schicht verschlechtert wird, wodurch die Zuverlässigkeit und die Ausbeute bezüglich der Einrichtung verschlechtert wird.

Die US-5,453,347 A beschreibt einen ferroelektrischen Kondensator und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Die US-5,723,171 A beschreibt eine integrierte Schaltungselektrodenstruktur und ein Verfahren zur Herstellung derselben, wobei eine Titanschicht und eine Platinschicht aufgebracht werden. Anschließend wird eine thermische Behandlung in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt, wobei eine Titanoxid-Schicht entsteht, die Platin enthält. Auf die resultierende Schicht werden ein Ferroelektrikum und eine weitere Platinschicht aufgebracht. Anschließend werden die Schichten strukturiert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben aufgezeigten Nachteile des Standes der Technik soweit als möglich auszuräumen. Insbesondere wird ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Speichereinrichtung vorgeschlagen, das die Adhäsion bzw. Haftung zwischen einer Zwischenisolationsschicht und einer unteren Elektrode sowie die Oberflächenrauhigkeit der unteren Elektrode verbessern kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die gemäß der Erfindung zu erzielenden Vorteile beruhen darauf, dass gemäß einer ersten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung eine Titanschicht und eine erste Platinschicht der Reihe nach auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet werden, auf dem eine erste Zwischenisolationsschicht ausgebildet ist. Das Substrat wird dann thermisch unter einer Sauerstoffatmosphäre behandelt, um die Titanschicht und die erste Platinschicht in eine Titanoxidschicht, die Platin enthält, zu wandeln. Als nächstes werden eine zweite Platinschicht für eine untere Elektrode, eine ferroelektrische Dünnschicht und eine dritte Platinschicht für eine obere Elektrode auf der Schicht aus Titanoxid, die Platin enthält, in Folge bzw. der Reihe nach ausgebildet. Die dritte Platinschicht wird dann geätzt, um die obere Elektrode auszubilden. Als nächstes werden die ferroelektrische Dünnschicht, die zweite Platinschicht und die Schicht aus Titanoxid, die Platin enthält, geätzt, um einen Kondensator auszubilden.

Gemäß der ersten Ausführungsform kann die Gesamtdicke der Titanschicht und der ersten Platinschicht etwa 10 bis 30 nm (100 bis 300 Å) betragen. Die erste Platinschicht weist ein Viertel der Dicke der Titanschicht bis zu einer Dicke wie die Titanschicht auf. Ferner kann die thermische Behandlung bei einer Temperatur von etwa 650 bis ca. 800°C über eine Minute durch einen schnellen thermischen Prozess durchgeführt werden.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher beschrieben, die in den beigefügten Darstellungen näher erkennbar sind, in denen:

1A bis 1H querschnittliche Ansichten sind, die ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Speichereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreiben.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Darstellungen erläutert.
Die 1A bis 1G sind querschnittliche Ansichten, die ein Verfahren zum Herstellen einer ferroelektrischen Speichereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung beschreiben.
Bezugnehmend auf 1A wird eine Titan(Ti)-Schicht 13 als eine Haftschicht auf einem Halbleitersubstrat 11 ausgebildet; auf der eine Zwischenisolationsschicht 12 ausgebildet wird. Bevorzugt wird die Ti-Schicht 13 durch Sputtern ausgebildet. Ferner wird die Zwischenisolationsschicht auf einer Oxidschicht ausgebildet. Eine erste Platin(Pt)-Schicht 14 wird dann auf der Zwischenisolationsschicht 12 ausgebildet. Bevorzugt werden die Ti- und die erste Pt-Schichten 13 und 14 so ausgebildet, dass ihre Gesamtdicke etwa 10 nm bis 30 nm (100 bis ca. 300 Å) beträgt. Noch bevorzugter hat die erste Pt-Schicht 14 ein Viertel der Dicke von der Ti-Schicht bis zu einer Dicke, wie die Ti-Schicht. Danach wird ein thermischer Prozess bei der Temperatur von ca. 650 bis ungefähr 800°C über eine Minute unter Sauerstoffatmosphäre mittels eines schnellen thermischen Prozesses (RTP) durchgeführt, so dass die Ti-Schicht 13 oxidiert wird und Pt und Ti zwischen der Ti- und der ersten Pt-Schicht in austauschender Weise diffundieren, wodurch eine Titanoxidschicht 15, die Pt enthält, wie in 1B gezeigt, ausgebildet wird.
Bezugnehmend auf 1C wird eine zweite Pt-Schicht 16 als ein Material der unteren Elektrode auf der Titanoxidschicht 15, die Pt enthält, bis zu einer Dicke von 100 bis 300 nm (1000 bis 3000 Å) ausgebildet. Um die zweite Pt-Schicht 16 zu kristallisieren, wird ein thermischer Prozess bei der Temperatur von 850 bis 800°C über 30 Minuten unter einer Sauerstoffatmosphäre in einem Ofen durchgeführt. Zu dieser Zeit wird Ti davon abgehalten, in die zweite Pt-Schicht 16 zu diffundieren, da der thermische Prozess zu der zweiten Pt-Schicht 15 durchgeführt, wird, nachdem die Ti-Schicht 13 in das Titanoxid 15, das Pt enthält, umgewandelt worden ist.
Bezugnehmend auf 1D wird ein ferroelektrischer Dünnfilm 17, wie etwa ein SrBi₂Ta20₉(SBT) auf der zweiten Pt-Schicht 16 ausgebildet. Eine dritte Pt-Schicht wird dann als ein Material der oberen Elektrode auf der ferroelektrischen Dünnschicht 17 bis zu einer Dicke von 100 bis 200 nm (1000 bis 2000 Å) ausgebildet und geätzt, um eine obere Elektrode 18 herzustellen. Bezugnehmend auf 1E werden die ferroelektrische Dünnschicht 17, die zweite Pt-Schicht 16 und die Titanoxidschicht 15, die Pt enthält, geätzt, um eine Titanoxidstruktur 15a, die Pt enthält, eine untere Elektrode 15a und eine ferroelektrische Dünnschichtstruktur 17a auszubilden, wodurch ein Kondensator 100 hergestellt wird. Als nächstes wird, um Beschädigungen aufgrund des Ätzpro zesses wieder herzustellen, ein thermischer Prozess bei der Temperatur von 800°C über eine Stunde unter einer Sauerstoffatmosphäre mittels eines Ofens durchgeführt.
Bezugnehmend auf 1F wird eine erste Diffusionsstoppschicht bzw. Diffusionsbarriereschicht 19 auf der Oberfläche der Struktur nach 1E ausgebildet, um Bi davon abzuhalten, sich aus der ferroelektrischen Dünnschichtstruktur 16a zu verflüchtigen. Als nächstes wird eine zweite Zwischenisolationsschicht 20 auf der ersten Diffusionsbarriereschicht 19 ausgebildet. Hier wird die erste Diffusionsbarriereschicht 19 bis zu einer Dicke von 100 bis 200 nm (1000 bis 2000 Å) unter Verwendung einer Titanoxidschicht ausgebildet. Die zweite isolierende Zwischenschicht 20 wird aus einer Siliziumoxidschicht ausgebildet.
Bezugnehmend auf 1G werden die zweite Zwischenisolationsschicht 20, die erste Diffusionsbarriereschicht 19 und die erste Zwischenisolationsschicht 12 geätzt, um ein erstes Kontaktloch C1 auszubilden, das einen Abschnitt des Substrats 11 freilegt und die zweite Zwischenisolationsschicht 20 und die erste Diffusionsbarriereschicht 19 werden geätzt, um ein zweites Kontaktloch C2 auszubilden, das die obere Elektrode 18 freilegt.
Bezugnehmend auf 1H wird eine zweite Diffusionsbarriereschicht 21 auf der Oberfläche des ersten und des zweiten Kontaktloches C1 und C2 und auf der zweiten Zwischenisolationsschicht 20 ausgebildet. Bevorzugt wird die zweite Diffusionsbarriereschicht 21 aus einer Stapelschicht, aus einer Titanschicht und aus einer Titannitridschicht ausgebildet. Hier ist die Dicke der Titanschicht gleich 20 nm (200 Å) und die Dicke der Titannitridschicht beträgt 50 nm (500 Å). Um als nächstes die Eigenschaften der zweiten Diffusionsbarriereschicht 21 zu verbessern, wird ein thermischer Prozess bei der Temperatur von ca. 450°C für 30 Minuten unter einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Eine Metallschicht 22 zum Verdrahten wird dann auf der zweiten Barrierediffusionsschicht 21 ausgebildet. Die Metallschicht 22 wird aus einer Wolframschicht, einer Aluminiumschicht oder einer Kupferschicht ausgebildet. Danach werden die Metallschicht 22 und die zweite Diffusionsbarriereschicht 21 geätzt, um eine Zwi schenverbindungsleitung 200 auszubilden, die das Substrat 11 mit der oberen Elektrode 18 des Kondensators 100 verbindet.
Gemäß der ersten Ausführungsform wird, wie oben beschrieben, die Ti-Schicht 13 als die Haftschicht in die Titanoxidschicht, die Pt 15 enthält, umgewandelt, so dass Ti davor bewahrt wird, in die zweite Pt-Schicht 16 zu diffundieren und darin zu oxidieren, wenn der thermische Prozess unter der Sauerstoffatmosphäre nachfolgend durchgeführt wird, wodurch die Haftung und die Oberflächenrauhigkeit der unteren Elektrode 16a verbessert werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Speichereinrichtung, die die Haftung zwischen einer Zwischenisolationsschicht und einer unteren Elektrode sowie die Oberflächenrauhigkeit der unteren Elektrode verbessern kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Speichereinrichtung, das die folgenden Schritte umfasst: aufeinanderfolgend werden eine Titanschicht (13) und eine erste Platinschicht (14) auf einem Halbleitersubstrat (11) ausgebildet, auf dem eine erste Zwischenisolationsschicht (12) ausgebildet ist; das Substrat wird unter einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre thermisch behandelt, sodass die Titanschicht (13) und die erste Platinschicht (14) in eine Titanoxidschicht (15), die Platin enthält, umgewandelt wird; anschließend werden eine zweite Platinschicht (16) für eine untere Elektrode (16a), eine ferroelektrische Dünnschicht (17) und eine dritte Platinschicht (18) für eine obere Elektrode (18a) auf der Titanoxidschicht (15), die Platin enthält, ausgebildet; die dritte Platinschicht (18) wird geätzt, um die obere Elektrode (18a) auszubilden; und die ferroelektrische Dünnschicht (17), die zweite Platinschicht (16) und die Titanoxidschicht (15), die Platin enthält, werden geätzt, um einen Kondensator (100) auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gesamtdicke der Titanschicht (13) und der ersten Platinschicht (14) 10 nm bis 30 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Platinschicht (14) ein Viertel der Dicke der Titanschicht (13) bis zu einer Dicke der Titanschicht (13) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die thermische Behandlung bei der Temperatur von 650 bis 800°C über eine Minute mittels eines schnellen thermischen Prozesses durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die folgenden Schritte umfasst: eine erste Diffusionsbarriereschicht (19) wird auf dem gesamten Substrat ausgebildet; eine zweite Zwischenisolationsschicht (20) wird auf der ersten Diffusionsbarriereschicht (19) ausgebildet; die zweite Zwischenisolationsschicht (20), die erste Diffusionsbarriereschicht (19) und die erste Zwischenisolationsschicht (12) werden geätzt, um ein erstes Kontaktloch (C1) auszubilden, das einen Abschnitt des Substrats (11) freigibt, und die zweite Zwischenisolationsschicht (20) und die erste Diffusionsbarriereschicht (19) werden geätzt, um ein zweites Kontaktloch (C2) zu bilden, das die obere Elektrode (18a) freilegt; eine zweite Diffusionsbarriereschicht (21) und eine Metallschicht (22), um die Oberflächen der ersten (C1) und zweiten (C2) Kontaktlöcher zu verdrahten, und auf der zweiten Zwischenisolationsschicht (20) werden aufeinanderfolgend ausgebildet; und die Metallschicht (22) und die zweite Diffusionsbarriereschicht (21) werden geätzt, um eine Zwischenverbindungsleitung (200) auszubilden, die das Substrat (11) mit der oberen Elektrode (18a) des Kondensators (100) verbindet und/oder daran anschließt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste Diffusionsbarriereschicht (19) aus einer Titanoxidschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zweite Diffusionsbarriereschicht (21) aus einer gestapelten Schicht einer Titanschicht und einer Titannitridschicht ausgebildet wird.