DE19958200A1 - Mikroelektronische Struktur und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Mikroelektronische Struktur und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Abstract
Es wird eine mikroelektronische Struktur vorgeschlagen, bei der sich zwischen einem Grundsubstrat (5) und einer Barrierenschicht (25, 30) eine Haftschicht (20) befindet. Diese verbessert die Haftung der Barriere auf dem Grundsubstrat insbesondere zu dort befindlichen Isolationsschichten. Derartige mikroelektronische Strukturen werden bevorzugt in Halbleiterspeichern verwendet.
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie
und betrifft eine mikroelektronische Struktur mit einem
Grundsubstrat und wenigstens einer Barrierenschicht oberhalb
des Grundsubstrats sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Zur weiteren Erhöhung der Speicherkapazität von Halbleiter
speichern wird die Verwendung von Hoch-ε-Dielektrika
(ε < 20) oder ferroelektrischen Dielektrika angestrebt. Die
dafür bevorzugten Materialien erfordern bei ihrer Abscheidung
und Konditionierung sauerstoffhaltige Atmosphären und Tempe
raturen bis zu 800°C. Bei diesen Bedingungen ist jedoch mit
einer raschen Oxidation der bisher verwendeten Materialien
für Elektroden zu rechnen. Daher wurde die Verwendung oxida
tionsresistenter Elektrodenmaterialien vorgeschlagen. Ein
prominenter Vertreter ist beispielsweise Platin. Bei Verwen
dung von Platin tritt jedoch das Problem auf, daß bei unmit
telbarem Kontakt von Platin mit Silizium bei den hohen Pro
zeßtemperaturen störendes Platinsilizid gebildet wird. Auch
kann Sauerstoff relativ leicht durch Platin hindurch diffun
dieren und das darunter befindliche Silizium oxidieren. Aus
diesen Gründen ist eine Barriere zwischen der Platinelektrode
und einem mit Polysilizium gefüllten Kontaktloch, das die
Elektrode mit einem Auswahltransistor verbindet, nötig.
An die Barriere werden insbesondere folgende Anforderungen
gestellt. Sie muß einerseits die Siliziumdiffusion vom Kon
taktloch zur Platinelektrode verhindern und andererseits eine
Sauerstoffdiffusion vom Platin zum Kontaktloch unterbinden,
um die elektrisch isolierende Oxidation von Silizium auszu
schließen. Darüber hinaus muß die Barriere selbst bei den
Prozeßbedingungen stabil bleiben.
Ein möglicher Aufbau einer eingangs genannten mikroelektroni
schen Struktur in Form eines Elektrodenbarrierensystems ist
beispielsweise in der US 5,581,439 beschrieben. Dort ist eine
die Siliziumdiffusion behindernde Titannitridschicht in einer
Siliziumnitridschicht vergraben, die zumindest die Titanni
tridschicht seitlich vor einer Oxidation schützt. Auf dem Si
liziumnitridkragen sitzt ein Palladiumgrundkörper mit einem
Platinüberzug, die zusammen die Elektrode bilden. Gleichzei
tig soll zumindest durch das Palladium die Titannitridschicht
vor einer Oxidation bewahrt werden.
Der Aufbau eines weiteren Elektrodenbarrierensystems mit an
deren Materialien wird dagegen in dem Fachartikel von J. Kudo
et al., "A High Stability Electrode Technology for Stacked
SrBi2Ta2O9 Capacitors Applicable to Advanced Ferroelectric
Memory", IEDM 1997, S. 609 bis 612 beschrieben. Der dort of
fenbarte Aufbau bevorzugt eine Barriere aus Tantal-Silizium-
Nitrid, die von einer reinen Iridiumschicht und einer Iridi
umdioxidschicht überdeckt ist. Die Tantal-Silizium-
Nitridbarriere verhindert die Siliziumdiffusion, muß jedoch
selbst vor einer Oxidation geschützt werden. Diese Aufgabe
übernehmen die Iridiumdioxidschicht und die reine Iridium
schicht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei hohen Temperatu
ren, insbesondere bei 800°C, die reine Iridiumschicht mit der
Tantal-Silizium-Nitridbarriere elektrisch schlecht leitendes
Iridiumsilizid bildet.
Die gleichen Probleme treten auch bei dem von Saenger et al.,
"Buried, self-aligned barrier layer structures for
perovskite-based memory devices comprising Pt or Ir bottom
electrodes on silicon-contributing substrates", J. Appl.
Phys. 83(2), 1998, S. 802-813, favorisierten Aufbau auf. Aus
diesem Fachartikel kann entnommen werden, daß sich aus reinem
Iridium und Polysilizium während eines Ausheilschritts in
Stickstoffatmosphäre ein störendes Iridiumsilizid bildet.
Diese Silizierung soll daher durch einen vorherigen
Ausheilschritt in sauerstoffhaltiger Atmosphäre durch
vollständige Oxidation des Iridiums verhindert werden.
Ungünstigerweise ist dieser Ausheilschritt in
sauerstoffhaltiger Atmosphäre insbesondere hinsichtlich der
Tiefenoxidation des Iridiums nur schwer kontrollierbar, so
daß es bei ungleichmäßiger Schichtdicke der Iridiumschicht
auch zu einer Oxidation des Polysiliziums kommen kann,
wodurch der elektrische Kontakt zwischen dem Polysilizium und
dem Iridium unterbrochen wird.
Die Verwendung einer abgeschiedenen reinen Iridiumschicht mit
einer nachfolgenden Sauerstoffbehandlung ist ebenfalls in dem
Fachartikel von Jeon et al., "Thermal stability of
Ir/polycrystalline-Si structure for bottom electrode of inte
grated ferroelectric capacitors", Appl. Phys. Lett. 71(4),
1997, S. 467-469, offenbart. Die Verwendung von Iridiumdioxid
als Barriere ist dagegen in Cho et al., "Preparation and Cha
racterization of Iridium Oxide Thin Films Grown by DC Reacti
ve Sputtering", Jpn. J. Appl. Phys. 36, 1997, S. 1722-1727,
beschrieben. Die Verwendung eines Mehrschichtsystems aus Pla
tin, Ruthenium und Rhenium ist dagegen aus Onishi et al., "A
New High Temperature Electrode-Barrier Technology On High
Density Ferroelectric Capacitor Structure", IEDM 96, S.
699-702; Bhatt et al., "Novel high temperature multilayer elec
trode-barrier structure for high-density ferroelectric memo
ries", Appl. Phys. Lett. 71(5), 1997, S. 719-721; Onishi et
al., "High Temperature Barrier Electrode Technology for High
Density Ferroelectric Memories with Stacked Capacitor Struc
ture", Electrochem. Soc. 145, 1998, S. 2563-2568; Aoyama et
al., "Interfacial Layers between Si and Ru Films Deposited by
Sputtering in Ar/02 Mixture Ambient", Jpn. J. Appl. Phys. 37,
1998, S. L242-L244 bekannt.
Ein weiterer Barrierenansatz wird in der US 5,852,307 vorge
schlagen, der die Verwendung einer leicht oxidierten Rutheni
umschicht und einer Rutheniumdioxidschicht beschreibt.
Bei all den vorbekannten Barrierenschichten besteht jedoch
die Gefahr, daß diese bei den geforderten hohen Prozeßtempe
raturen, insbesondere bei einem notwendigen Temperaturschritt
zur Konditionierung der Hoch-ε-Materialien bzw. der fer
roelektrischen Materialien, nicht mehr ausreichend stabil
sind bzw. sich von ihrem Untergrund lösen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine mikroelektronische
Struktur zu benennen, die auch bei Temperaturen bis zu 800°C
ausreichend stabil ist und über haftfeste Barrierenschichten
verfügen, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derarti
gen Struktur anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer mikroelektroni
schen Struktur der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
eine Haftschicht zwischen dem Grundsubstrat und der Barrie
renschicht angeordnet ist, wobei die Haftschicht wenigstens
ein Material aus der Gruppe umfassend Titan, Zirkonium, Haf
nium, Cer, Tantal, Vanadium, Chrom, Niob, Tantalnitrid
(TaNx), Titannitrid (TiNx), Tantalsilizidnitrid (TaSixNy) und
Wolframsilizid (WSix) enthält. Insbesondere die genannten Ni
tride und Silizide können sowohl in stöchiometrischer oder
nichtstöchiometrischer Form vorliegen.
Mittels derartiger Haftschichten kann die Barrierenschicht
stabilisiert werden, so daß diese eine ausreichende Haftung
zu ihrem Untergrund, im allgemeinen zum Grundsubstrat, auf
weist. Eine ausreichende Haftung ist dadurch auch bei Tempe
raturen bis zu 800°C gewährleistet. Bevorzugt sollte die
Haftschicht vollständig zwischen Barrierenschicht und Grund
substrat angeordnet sein, um so eine einheitliche Material
grundlage für die Barrierenschicht bereitzustellen. Dadurch
wird die sichere Haftung der Barrierenschicht auf unter
schiedlichen Materialien des Grundsubstrats gewährleistet.
Im allgemeinen besteht das Grundsubstrat zumindest teilweise
aus einem isolierenden Material und weist zumindest eine Öff
nung auf, die das isolierende Material des Grundsubstrats
vollständig durchsetzt. Diese Öffnung ist mit wenigstens ei
nem leitfähigen Material befüllt. Auf diesem leitfähigen Ma
terial ist bevorzugt unmittelbar die Haftschicht angeordnet.
Die Öffnung im isolierenden Material des Grundsubstrats
stellt bevorzugt ein Kontaktloch dar, das bis zu einem mono
kristallinen Halbleitermaterial reicht. Damit umfaßt das
Grundsubstrat zumindest das Halbleitermaterial, das isolie
rende Material und die befüllte Öffnung darin, wobei das iso
lierende Material in Form einer Isolationsschicht auf dem
Halbleitermaterial angeordnet ist.
Der unmittelbare Kontakt zwischen der Barrierenschicht und
dem leitfähigen Material wird in der Regel durch die Haft
schicht bereitgestellt. Dies hat den Vorteil, daß die Barrie
renschicht durch das leitfähige Material chemisch nicht modi
fiziert wird und dadurch die Barriereneigenschaften der Bar
rierenschicht erhalten bleiben. Sofern die Barrierenschicht
die Öffnung im Grundsubstrat lateral überdeckt ist es empfeh
lenswert, zumindest in gleichem Ausmaß die Haftschicht auszu
bilden, so daß die Barrierenschicht ausschließlich auf der
Haftschicht und nicht auf dem Grundsubstrat selbst sitzt.
Bevorzugt ist die Öffnung mit einem siliziumhaltigen Materi
al. beispielsweise Polysilizium oder einem Metallsilizid be
füllt. Die Öffnung ist weiterhin bevorzugt mit zwei unter
schiedlichen Materialien aufgefüllt, wobei sich dabei bevor
zugt im unteren Bereich der Öffnung Polysilizium und im obe
ren Bereich eine Metallsilizidschicht befindet. Es ist eben
falls bevorzugt, die Öffnung vollständig mit Polysilizium
oder einem anderen Material zu befüllen und die Öffnung mit
einer Metallsilizidschicht zu bedecken. Als Metallsilizide
werden bevorzugt Silizide aus der Gruppe umfassend Yttriumsi
lizid, Titansilizid, Zirkonsilizid, Hafniumsilizid, Vanadium
silizid, Niobsilizid, Tantalsilizid, Chromsilizid, Molybdän
silizid, Wolframsilizid, Eisensilizid, Cobaltsilizid, Nickel
silizid, Palladiumsilizid, Platinsilizid und Kupfersilizid
verwendet. Das Metall und das Silizium können dabei in unter
schiedlichen stöchiometrischen Verhältnissen vorliegen. Die
verwendeten Metallsilizide können darüber hinaus auch ternä
rer Struktur sein und der allgemeinen Form MSiN genügen, wo
bei M für ein Metall und N für Stickstoff steht.
Das isolierende Material des Grundsubstrats besteht bevorzugt
aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder aus einer Schich
tenkombination dieser Materialien.
Die Barrierenschicht weist bevorzugt eine sauerstoffhaltige
Iridiumschicht und ggf. zusätzlich eine Sauerstoffbarrieren
schicht auf. Die sauerstoffhaltige Iridiumschicht verhindert
dabei eine Siliziumdiffusion aus dem in der Öffnung befindli
chen siliziumhaltigen Material in die Sauerstoffbarrieren
schicht und in eventuell darüber angeordnete weitere Schich
ten. Zu diesem Zweck weist die sauerstoffhaltige Iridium
schicht einen gewissen Anteil an Sauerstoff auf, der die Bil
dung von Iridiumsilizid und damit die Weiterdiffusion von Si
lizium verhindert. Weiterhin bleibt die Grenzfläche zwischen
der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht und dem siliziumhalti
gen Material auch bei Temperaturen zumindest bis 800°C wei
testgehend frei von Iridiumsilizid. Dies läßt sich beispiels
weise durch Widerstandsmessungen an der sauerstoffhaltigen
Iridiumschicht nachweisen. Die Abwesenheit von Iridiumsilizid
kommt beispielsweise in einem sehr geringen spezifischen Wi
derstand der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht von kleiner
als 100 µOhm.cm, bevorzugt sogar kleiner als 30 µOhm.cm zum
Ausdruck. Bei Anwesenheit von Iridiumsilizid, das einen sehr
hohen spezifischen Widerstand von etwa 6 ohm.cm aufweist,
würde der spezifische Widerstand der aus der siliziumhaltigen
Schicht und der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht gebildeten
Struktur deutlich oberhalb von 100 µOhm.cm liegen. Der gerin
ge elektrische Widerstand der mikroelektronischen Struktur
ist insbesondere bei höchstintegrierten Halbleiterbauelemen
ten, insbesondere bei Halbleiterspeichern mit Strukturgrößen
von 0,25 µm und darunter, von großem Vorteil.
Eine sauerstoffhaltige Iridiumschicht mit den oben beschrie
benen Eigenschaften läßt sich beispielsweise mittels eines
zerstäubungsverfahrens (Sputtern) in einer sauerstoffhaltigen
Atmosphäre mit geringem Sauerstoffanteil herstellen, wobei
der Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre zwischen
2,5% und 15% liegt. Durch den begrenzten Volumenanteil von
Sauerstoff in der Atmosphäre wird Sauerstoff auch nur bis zu
einem gewissen Grad in die Iridiumschicht eingebaut, so daß
auch von einer anoxidierten Iridiumschicht gesprochen werden
kann. Bevorzugt liegt der Volumenanteil von Sauerstoff in der
Atmosphäre bei etwa 5%.
Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß die bei einem Volumen
anteil von etwa 2,5% Sauerstoff hergestellten sauerstoffhal
tigen Iridiumschichten einer Silizierung noch weitestgehend
widerstehen, während sauerstoffhaltige Iridiumschichten, die
in einer Atmosphäre mit weniger als 2,5% Sauerstoff herge
stellt wurden bereits deutlich zu einer Silizierung neigen.
Andererseits führt eine sauerstoffhaltige Iridiumschicht, die
bei einer Sauerstoffvolumenkonzentration von maximal 15% ab
geschieden wurde, noch nicht zu einer störenden Oxidation der
unter der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht befindlichen si
liziumhaltigen Schicht.
Um die Haftfähigkeit der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht
weiter zu verbessern, ist es günstig, die sauerstoffhaltige
Iridiumschicht bei einer Temperatur von mindestens 250°C
abzuscheiden. Grundsätzlich sollte die Abscheidetemperatur so
hoch gewählt werden, daß eine ausreichende Haftung zur
Haftschicht und ggf. zum Grundsubstrat gewährleistet ist,
wobei dadurch eine Haftfestigkeit von wenigstens 100 Kg/cm2
erreicht werden kann.
Ein weiterer Vorteil, die sauerstoffhaltige Iridiumschicht
bei einer Temperatur von wenigstens 250°C abzuscheiden,
besteht darin, daß ein weiterer Konditionierungschritt zur
Verbesserung der Haftung der sauerstoffhaltigen
Iridiumschicht nicht notwendig ist. Sofern die
Abscheidetemperatur nicht zu hoch gewählt wird,
beispielsweise zwischen 250°C und 400°C, werden bereits
geschaffene Strukturen thermisch kaum belastet.
Vorteilhaft besteht die Sauerstoffbarriere der Barrieren
schicht aus einem leitfähigen Metalloxid, wobei sich insbe
sondere Iridiumdioxid und Rutheniumdioxid als Metalloxid be
währt haben. Durch Verwendung dieser Metalloxide ist auch ei
ne gute Haftung der Sauerstoffbarrierenschicht auf der sauer
stoffhaltigen Iridiumschicht gewährleistet.
Es hat sich als günstig herausgestellt, zumindest die Metall
silizidschicht im isolierenden Material des Grundsubstrat zu
vergraben und mit der Haftschicht zu bedecken. Dadurch wird
das siliziumhaltige Material zumindest seitlich durch das
Grundsubstrat vor einem Sauerstoffangriff geschützt.
Die sauerstoffhaltige Iridiumschicht weist bevorzugt eine
Dicke von etwa 100 nm, günstigerweise sogar von etwa 20 bis
50 nm, auf. Es wird angestrebt, die sauerstoffhaltige
Iridiumschicht möglichst platzsparend und dünn auszubilden.
Die in der mikroelektronischen Struktur enthaltenen
Barrierenschichten (Sauerstoffbarrierenschicht,
sauerstoffhaltige Iridiumschicht) sind vorteilhafterweise von
einer metallhaltigen Elektrodenschicht bedeckt. Insbesondere
die Sauerstoffbarrierenschicht sollte möglichst vollständig
von dieser Schicht überzogen sein. Die metallhaltige
Elektrodenschicht besteht bevorzugt aus einem Metall oder
einem Edelmetall (z. B. Platin, Ruthenium, Iridium, Palladium,
Rhodium, Rhenium, Osmium) oder aus einem leitfähigen
Metalloxid (MOx, z. B. Rutheniumoxid, Osmiumoxid, Rhodiumoxid,
Iridiumoxid, Rheniumoxid oder leitfähige Perowskite, z. B.
SrRuO3 oder (La, Sr)CoO3). Als Metall wird insbesondere
Platin bevorzugt. Auf der metallhaltigen Elektrodenschicht
befindet sich eine dielektrische, ferroelektrische oder
paraelektrische metalloxidhaltige Schicht (im weiteren
dielektrische metalloxidhaltige Schicht), die insbesondere
bei einem Halbleiterspeicher das Hoch-ε-Dielektrikum bzw.
das ferroelektrische Kondensatordielektrikum darstellt. Für
die dielektrische metalloxidhaltige Schicht werden
insbesondere Metalloxide der allgemeinen Formel ABOx oder DOx
verwendet, wobei A insbesondere für wenigstens ein Metall aus
der Gruppe Strontium (Sr), Wismut (Bi), Niob (Nb), Blei (Pb),
Zirkon (Zr), Lanthan (La), Lithium (Li), Kalium (K), Kalzium
(Ca) und Barium (Ba), B insbesondere für wenigstens eine
Metall aus der Gruppe Titan (Ti), Niob (Nb), Ruthenium (Ru),
Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Zirkon (Zr) oder Tantal (Ta), D
für Titan (Ti) oder Tantal (Ta) und O für Sauerstoff steht. X
kann zwischen 2 und 12 liegen. Diese Metalloxide weisen je
nach Zusammensetzung dielektrische oder ferroelektrische
Eigenschaften auf, wobei diese Eigenschaften gegebenenfalls
erst nach einem Hochtemperaturschritt zur Kristallisation der
Metalloxide nachweisbar sind. Unter Umständen liegen diese
Materialien in polykristalliner Form vor, wobei häufig
perowskitähnliche Kristallstrukturen, Mischkristalle oder
Supergitter beobachtet werden können. Grundsätzlich eignen
sich alle perowskitähnlichen Metalloxide der allgemeinen Form
ABOX zum Bilden der dielektrischen metalloxidhaltigen
Schicht. Dielektrische Materialien mit hohem ε (ε < 20) bzw.
Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften sind
beispielsweise Barium-Strontium-Titanat (BST, Ba1-xSrxTiO3),
nioblumdotiertes Strontium-Wismut-Tantalat (SBTN,
SrxBiy(TazNb1-z)O3), Strontium-Titanat (STO, SrTiO3),
Strontium-Wismut-Tantalat (SBT, SrxBiyTa2O9), Wismut-Titanat
(BTO, Bi4Ti3O12), Blei-Zirkonat-Titanat (PZT, Pb(ZrxTi1-x)O3),
Strontium-Niobat (SNO, Sr2Nb2O7), Kalium-Titanat-Niobat (KTN)
sowie Blei-Lanthan-Titanat (PLTO, (Pb, La)TiO3). Als Hoch-
ε-Dielektrikum kommt darüberhinaus auch Tantaloxid (Ta2O5)
zur Anwendung. Im folgenden soll unter dielektrisch sowohl
eine dielektrische, paraelektrische oder ferroelektrische
Schicht verstanden werden, so daß die dielektrische
metalloxidhaltige Schicht dielektrische, paraelektrische oder
ferroelektrische Eigenschaften aufweisen kann.
Bevorzugt wird die mikroelektronische Struktur in einer Halb
leiterspeichervorrichtung verwendet, die zumindest eine erste
und eine zweite Elektrode und dazwischen eine metalloxidhal
tige Schicht aufweist, die zusammen einen Speicherkondensator
bilden. Die erste Elektrode dieser Halbleiterspeichervorrich
tung umfaßt dabei zumindest die sauerstoffhaltige Iridium
schicht und die Sauerstoffbarrierenschicht, so daß die erste
Elektrode neben einer optionalen Edelmetallschicht auch die
notwendigen Diffusionsbarrieren enthält.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels beschrieben und in Zeichnungen schematisch darge
stellt. Es zeigen:
Fig. 1a bis 1e einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung
einer mikroelektronischen Struktur,
Fig. 2a bis 2f weitere Verfahrensschritte zur Herstellung
einer mikroelektronischen Struktur,
Fig. 3 eine mikroelektronische Struktur als Teil einer Halb
leiterspeichervorrichtung,
Fig. 4 den spezifischen Widerstand einer sauerstoffhaltigen
Iridiumschicht in Abhängigkeit von der Temperaturbe
lastung und
Fig. 5 den spezifischen Widerstand einer sauerstoffhaltigen
Iridiumschicht in Abhängigkeit vom Sauerstoffanteil
in der Atmosphäre bei der Abscheidung, und
Fig. 6 und 7 Ergebnisse von Röntgenstrukturuntersuchungen an
abgeschiedenen sauerstoffhaltigen Iridiumschichten.
Bei der Herstellung der mikroelektronischen Struktur wird bei
einem ersten Ausführungsbeispiel von einem Grundsubstrat 5
mit einer Schicht aus Siliziumdioxid (beispielsweise durch
eine Abscheidung unter Verwendung von Tetra-Ethyl-Ortho-Silan
(TEOS) hergestellt) oder Siliziumnitrid ausgegangen, das von
einem mit Polysilizium 8 und mit einem Metallsilizid 9 ge
füllten Kontaktloch (Öffnung) 10 durchsetzt ist. Somit ist
das Polysilizium und das Metallsilizid im Grundmaterial ver
graben. Als Metallsilizid werden insbesondere Silizide aus
der Gruppe umfassend Yttriumsilizid, Titansilizid, Zirkonsi
lizid, Hafniumsilizid, Vanadiumsilizid, Niobsilizid, Tantal
silizid, Chromsilizid, Molybdänsilizid, Wolframsilizid, Ei
sensilizid, Cobaltsilizid, Nickelsilizid, Palladiumsilizid,
Platinsilizid und Kupfersilizid verwendet. Es eignen sich je
doch auch ternäre Metallsilizide der allgemeinen Form MSiN,
wobei M für ein Metall und N für Stickstoff steht. Besonders
bevorzugt werden Wolfram-, Titan und Tantalsilizid.
Das gefüllte Kontaktloch 10 schließt bündig mit der Oberflä
che 15 des Grundsubstrats 5 ab. Dies wird beispielsweise
durch einen geeigneten Polierschritt, beispielsweise durch
chemisch-mechanisches Polieren (CMP), erreicht. Auf die Ober
fläche 15 des Grundsubstrats 5 wird anschließend eine Haft
schicht 20 mit einer Stärke zwischen 10 und 100 nm abgeschie
den. Als Materialien für die Haftschicht 20 eignen sich ins
besondere die Materialien Titan, Zirkonium, Hafnium, Cer,
Tantal, Vanadium, Chrom, Niob, Tantalnitrid (TaN), Titanni
trid (TiN), Tantalsilizidnitrid (TaSiN) oder Wolframsilizid
(WSi). Diese dienen der Haftverbesserung zu der nachfolgend
aufzubringenden sauerstoffhaltigen Iridiumschicht 25.
Durch die Haftschicht 20 wird insbesondere die Haftung zwi
schen dem Grundsubstrat 5, insbesondere zu dem isolierenden
Material des Grundsubstrats 5, und der aufzubringenden Bar
rierenschicht verbessert. Dadurch läßt sich ein Lösen der
Barrierenschicht vom isolierenden Material verhindern und da
durch die gesamte mikroelektronische Struktur stabilisieren.
Bevorzugt wird die Haftschicht 20 durch einen Sputterprozeß
oder durch ein CVD-Verfahren aufgebracht. Geeignete CVD-
Verfahren sind beispielsweise in T. Kodas und M. Hampden-
Smith: "Chemistry of Metal CVD", VCH-Weinheim (1994) offen
bart.
Auf die Haftschicht 20 wird anschließend eine sauerstoffhal
tige Iridiumschicht 25 durch reaktives Sputtern von Iridium
aufgetragen. Dies erfolgt bei einem Druck zwischen 0,005 und
0,02 mbar, bevorzugt bei 0,015 mbar sowie in einem Sauer
stoff-Argon-Gemisch, wobei der Volumenanteil des Sauerstoffs
zwischen 2,5% und 15%, bevorzugt bei 5% liegt
(2,5% ≦ O2/(O2 + Ar) ≦ 15%). Nach einem Sputterprozeß von
etwa 100 sec hat sich eine etwa 50 bis 150 nm Dicke sauer
stoffhaltige Iridiumschicht 25 gebildet, die die Haftschicht
20 vollständig bedeckt. Die abgeschiedene sauerstoffhaltige
Iridiumschicht 25 ist auch bei sehr hohen Temperaturen sehr
stabil und weist eine gute Haftung zur Haftschicht 20 auf.
Bevorzugt werden die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 und
die Haftschicht 20 anisotrop geätzt, wobei die beiden Schich
ten nach dem Ätzen das Kontaktloch 10 weiterhin seitlich
leicht überragen sollen, um das darin befindliche Polysilizi
um und Metallsilizid vollständig zu überdecken. Die so erhal
tene Struktur ist in Fig. 1b gezeigt.
In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß Fig. 1c wird eine
etwa 100 nm dicke Sauerstoffbarrierenschicht 30 aus Iridium
dioxid auf die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 und das
Grundsubstrat 5 aufgetragen und unter Verwendung einer Maske
anisotrop geätzt. Dabei ist bevorzugt darauf zu achten, daß
die Iridiumdioxidschicht 30 die sauerstoffhaltige Iridium
schicht 25 und die Haftschicht 20 auch an ihren Seitenberei
chen 32 vollständig überdeckt. Dadurch wird ein vollständiger
Schutz der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht 25 und der Haft
schicht 20 vor einem Sauerstoffangriff gewährleistet sowie
ein Kontakt zwischen der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht 25
und einer nachfolgend aufzubringenden Edelmetallschicht 35
aus Platin unterbunden. Durch die Trennung der sauerstoffhal
tigen Iridiumschicht 25 von der Platinschicht 35 soll insbe
sondere die Ausbildung einer Platin-Iridium-Legierung unter
bunden werden, die möglicherweise zu ungünstigen Grenzflä
cheneigenschaften der Platinschicht 35 führen könnte.
Auf die in Fig. 1d dargestellte Edelmetallschicht 35, die
optional auch aus Ruthenium bestehen kann, wird eine Stronti
um-Wismut-Tantalat-Schicht (SBT) 40 durch ein metallorgani
sches CVD-Verfahren oder ein MOD-Verfahren (z. B. Spin-on-Ver
fahren) unter Verwendung von Beta-Diketonaten abgeschieden.
Dies erfolgt bevorzugt bei Temperaturen zwischen 300 und
800°C sowie insbesondere beim MOCVD-Verfahren in sauerstoff
haltiger Atmosphäre, um die Strontium- und Wismut-Beta-
Diketonate zu oxidieren. Abschließend wird eine weitere Edel
metallschicht 45 aus Platin ganzflächig aufgetragen. Die SBT-
Schicht 40 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel die dielek
trische metalloxidhaltige Schicht.
Verfahrensschritte zur Herstellung einer mikroelektronischen
Struktur mit einer Metallsilizidschicht auf dem Grundsubstrat
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind in den Fig.
2a bis 2f dargestellt. Auch hier wird von einem Grundsubstrat
5 ausgegangen, das optional auch aus zwei Schichten aufgebaut
sein kann. Dazu besteht das Grundsubstrat 5 aus einer unteren
Siliziumdioxidschicht 50 mit darüber befindlicher Siliziumni
trid oder TEOS-Schicht 55. Das Grundsubstrat 5 weist weiter
hin ein Kontaktloch 10 auf, das bis zur Oberfläche 15 des
Grundsubstrats 5 mit Polysilizium gefüllt ist. Auf diese in
Fig. 2a dargestellte Struktur wird zunächst nach Reinigung
mit Flußsäure eine Platin-, Titan- oder Kobaltsilizidschicht
mit einer Dicke zwischen 30 und 100 nm aufgetragen.
Nachfolgend werden auf die Metallsilizidschicht 9 die Haft
schicht 20 und die sauerstoffhaltigen Iridiumschicht 25 in
einer Materialstärke zwischen 50 und 150 nm aufgetragen.
Um die Haftung zwischen der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht
25 und der Haftschicht 9 weiter zu verbessern, empfiehlt es
sich, das Grundsubstrat 5 bei der Abscheidung der sauerstoff
haltigen Iridiumschicht 25 auf mindestens 250°C zu erwärmen.
Günstig ist beispielsweise eine Temperatur bei etwa 300°C.
Bei erhöhter Temperatur verbessert sich darüber hinaus auch
die Haftung der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht auf der
Haftschicht 20.
Bevorzugt werden die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25, die
Haftschicht 20 und die Metallsilizidschicht 9 gemeinsam ani
sotrop geätzt, wodurch ein Schichtenstapel oberhalb des Kon
taktlochs 10 gebildet wird.
Nachfolgend wird die Sauerstoffbarrierenschicht 30 aus Iridi
umdioxid aufgetragen und strukturiert, wobei der Schichten
stapel aus sauerstoffhaltiger Iridiumschicht 25, Haftschicht
20 und Metallsilizidschicht 9 vollständig von dieser Schicht
bedeckt wird. Danach werden noch die Edelmetallschicht 35,
die dielektrische metalloxidhaltige Schicht 40 sowie die wei
tere Edelmetallschicht 45 aufgetragen und geeignet struktu
riert.
Daran schließt sich ein Hochtemperaturausheilschritt (z. B.
Ferroaneal) in sauerstoffhaltiger Atmosphäre zur Auskristal
lisation der dielektrischen metalloxidhaltigen Schicht 40 an.
Insbesondere bei der Verwendung von SBT als dielektrische me
talloxidhaltige Schicht 40 muß diese Behandlung bei 800°C für
etwa 1 Stunde durchgeführt werden. Während dieser Behandlung
soll das SBT vollständig auskristallisieren, um somit eine
möglichst hohe remanente Polarisation der SBT-Schicht 40 zu
erreichen. Optional kann der Hochtemperaturausheilschritt
auch vor Abscheidung der weiteren Edelmetallschicht 45 erfol
gen.
Eine Halbleiterspeichervorrichtung, die die erfindungsgemäße
mikroelektronische Struktur enthält, ist in Fig. 3 darge
stellt. Diese Einrichtung umfaßt einen Auswahltransistor 70
und einen Speicherkondensator 75. Der Auswahltransistor 70
weist zwei voneinander getrennte dotierte Gebiete 80 und 85
in einem einkristallinen Siliziumsubstrat 90 auf, die ein
Source- und ein Draingebiet (80, 85) des Auswahltransistors
70 darstellen. Auf dem Siliziumsubstrat 90 zwischen den bei
den dotierten Gebieten 80 und 85 ist die Gateelektrode 95 mit
untergelegtem Gatedielektrikum 100 angeordnet. Die Gateelek
trode 95 und das Gatedielektrikum 100 sind von seitlichen
Isolationsstegen 105 sowie oberen Isolationsschichten 110 um
geben. Die gesamte Struktur ist vom Grundsubstrat 5 vollstän
dig bedeckt. Durch das Grundsubstrat 5 reicht ein Kontaktloch
10 bis zu dem dotierten Gebiet 85, wodurch der auf dem Grund
substrat 5 sitzende Speicherkondensator 75 mit dem Auswahl
transistor verbunden ist.
Der Speicherkondensator 75 besteht seinerseits aus einer un
teren Elektrode 115, einem Kondensatordielektrikum 40 sowie
einer oberen Elektrode 45. Die untere Elektrode 115 umfaßt im
vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Platinschicht 35, eine
Iridiumdioxidschicht 30, eine sauerstoffhaltige Iridium
schicht 25 sowie eine Haftschicht 20. Die untere Elektrode
115 ist somit mehrlagig aufgebaut und umfaßt auch alle not
wendigen Barrierenschichten zum Schutz des im Kontaktloch 10
befindlichen Polysiliziums 8 vor einer Oxidation sowie zum
Schutz vor einer ungewollten Siliziumdiffusion.
Die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 ist durch einen sehr
geringen spezifischen Widerstand charakterisierbar. Dies ist
beispielsweise in Fig. 4 dargestellt, die Meßkurven von an
oxidiertem Iridium (sauerstoffhaltige Iridiumschicht mit
Ir(O) gekennzeichnet) auf unterschiedlichen siliziumhaltigen
Schichten zeigt. Dazu wurde anoxidiertes Iridium auf Polysi
lizium, Titansilizid bzw. Platinsilizid in einer 5%igen Sau
erstoffatmosphäre abgeschieden und nachfolgend für etwa 1½
Stunden bei unterschiedlichen Temperaturen behandelt. Der
spezifische Widerstand ist im Temperaturbereich zwischen
Raumtemperatur und 800°C stets kleiner als 20 µOhm.cm, bei
anoxidiertem Iridium auf Platinsilizid sogar deutlich unter
10 µOhm.cm.
Die Abhängigkeit des spezifischen Widerstands vom Sauerstoff
gehalt der Atmosphäre beim Abscheiden der anoxidierten Iridi
umschicht ist in Fig. 5 gezeigt. Deutlich erkennbar ist ein
starker Abfall des spezifischen Widerstands zwischen 2 und 2½%
Volumenanteil des Sauerstoffs. Weiterhin ist erkennbar,
daß bei einer nachträglichen Temperaturbehandlung bei relativ
hohen Temperaturen zwischen 650 und 800°C sogar mit einem
weiteren Rückgang des spezifischen Widerstands zu rechnen
ist.
In Fig. 6 und 7 sind Ergebnisse von Röntgenstrukturanaly
sen abgeschiedener sauerstoffhaltiger Iridiumschichten auf
Polysilizium dargestellt. Fig. 6 zeigt Ergebnisse, die un
mittelbar nach Abscheidung der sauerstoffhaltigen Iridium
schicht gewonnen wurden, hingegen sind in Fig. 7 die nach
Temperung bei 700°C in Stickstoffatmosphäre gewonnenen Ergeb
nisse aufgetragen. Deutlich entnehmbar ist durch Vergleich
der Fig. 6 und 7, daß bei sauerstoffhaltigen Iridium
schichten, die bei einem Sauerstoffgehalt von mindestens 2,5%
abgeschieden wurden, keine Silizidbildung während einer
Hochtemperaturbehandlung auftritt.
Die sauerstoffhaltige Iridiumschicht ist weiterhin auch durch
ihren relativ geringen Sauerstoffgehalt charakterisierbar.
Die stöchiometrischen Verhältnisse der sauerstoffhaltigen
Iridiumschicht weichen deutlich von denen einer Iridiumdi
oxidschicht (IrO2) ab. Dies äußerst sich z. B. darin, daß in
der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht mehr Iridium als Sauer
stoff enthalten ist.
5
Grundsubstrat
8
Polysiliziumschicht
9
Metallsilizidschicht
10
Kontaktloch/Öffnung
15
Oberfläche des Grundsubstrats
20
Haftschicht
25
sauerstoffhaltige Iridiumschicht
30
Sauerstoffbarrierenschicht/Iridiumdioxidschicht
32
Seitenbereiche
35
Edelmetallschicht/Platinschicht/metallhaltige
Elektrodenschicht
40
dielektrische metalloxidhaltige Schicht/SBT-Schicht
45
weitere Edelmetallschicht/Platinschicht
50
Siliziumoxidschicht
55
TEOS-Schicht/Siliziumnitridschicht
65
Metallsilizid
70
Auswahltransistor
75
Speicherkondensator
80
/
85
dotierte Gebiete
90
Siliziumsubstrat
95
Gateelektrode
100
Gatedielektrikum
105
seitliche Isolationsstege
110
Isolationsschicht
115
untere Elektrode
Claims (22)
1. Mikroelektronische Struktur mit
- - einem Grundsubstrat (5); und
- - wenigstens einer Barrierenschicht (25, 30) oberhalb des Grundsubstrats (5);
2. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Grundsubstrat (5) zumindest teilweise aus einem isolie
renden Material (50, 55) besteht und zumindest eine Öffnung
(10) aufweist, die das isolierende Material (50, 55) des
Grundsubstrats (5) vollständig durchsetzt und mit wenigstens
einem leitfähigen Material (8, 9) befüllt ist, und daß die
Haftschicht (20) unmittelbar auf dem leitfähigen Material (8,
9) sitzt.
3. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Haftschicht (20) zusätzlich unmittelbar auf dem isolie
renden Material (50, 55) des Grundsubstrats sitzt.
4. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das isolierende Material (50, 55) des Grundsubstrats (5) aus
Siliziumnitrid oder Siliziumoxid besteht.
5. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Barrierenschicht (25, 30) eine sauerstoffhaltige Iridium
schicht (25) aufweist, die mittels eines Zerstäubungsverfah
rens (Sputtern) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei
einer Temperatur von mindestens 250°C herstellbar ist, wobei
der Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre zwischen
2.5% und 15% liegt.
6. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Barrierenschicht (25, 30) eine Sauerstoffbarrierenschicht
(30) aufweist.
7. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Sauerstoffbarrierenschicht (30) aus einem leitfähigen Me
talloxid besteht.
8. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
das leitfähige Metalloxid aus Iridiumdioxid oder Rutheniumdi
oxid besteht.
9. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine metallhaltige Elektrodenschicht (35) die Sauerstoffbar
rierenschicht (30) bedeckt.
10. Mikroelektronische Struktur nach einem der Ansprüche 1
bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Haftschicht (20) unmittelbar auf der Öffnung (10) im
Grundsubstrat (5) und teilweise auf dem isolierenden Material
(50, 55) des Grundsubstrats (5) sitzt.
11. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
das leitfähige Material (8, 9) in der Öffnung (10) des Grund
substrats (5) zumindest im Kontaktbereich zur Haftschicht
(20) aus wenigstens einem Metallsilizid besteht.
12. Mikroelektronische Struktur nach einem der Ansprüche 1
bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
unmittelbar zwischen der Haftschicht (20) und der Öffnung
(10) eine Metallsilizidschicht (9) auf dem Grundsubstrat (5)
angeordnet ist.
13. Mikroelektronische Struktur nach einem der Ansprüche 11
oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallsilizidschicht (9) wenigstens ein Silizid aus der
Gruppe Yttriumsilizid, Titansilizid, Zirkonsilizid, Hafnium
silizid, Vanadiumsilizid, Niobsilizid, Tantalsilizid, Chrom
silizid, Molybdänsilizid, Wolframsilizid, Eisensilizid,
Cobaltsilizid, Nickelsilizid, Palladiumsilizid, Platinsilizid
und Kupfersilizid enthält.
14. Mikroelektronische Struktur nach einem der Ansprüche 9
bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
die metallhaltige Elektrodenschicht (35) von einer dielek
trischen, ferroelektrischen oder paraelektrischen metalloxid
haltigen Schicht (40) bedeckt ist.
15. Mikroelektronische Struktur mit
- - einem Grundsubstrat (5), das zumindest teilweise aus ei nem isolierenden Material (50, 55) besteht und in dem ei ne mit wenigstens einem leitfähigen Material (8, 9) be füllte Öffnung (10) angeordnet ist, die das isolierende Material (50, 55) des Grundsubstrats (5) vollständig durchsetzt, wobei das leitfähige Material (8, 9) bündig mit dem isolierenden Material (50, 55) abschließt;
- - einer Barrierenschicht (25, 30) auf dem Grundsubstrat (5), die aus einer Iridiumdioxidschicht (30) und einer sauerstoffhaltigen Iridiumschicht (25) besteht, wobei die sauerstoffhaltige Iridiumschicht (25) mittels eines Zer stäubungsverfahrens (Sputtern) in einer sauerstoffhalti gen Atmosphäre bei einer Temperatur von mindestens 250°C herstellbar ist, und der Volumenanteil von Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre zwischen 2.5% und 15% liegt;
- - einer Haftschicht (20) oberhalb der Öffnung (10) unmit telbar zwischen dem Grundsubstrat (5) und der Barrieren schicht (25, 30), wobei die Haftschicht (20) wenigstens ein Material aus der Gruppe umfassend Titan, Zirkonium, Hafnium, Cer, Tantal, Vanadium, Chrom, Niob, Tantalni trid, Titannitrid, Tantalsilizidnitrid und Wolframsilizid enthält und
- - einer Edelmetallschicht (35) auf der Barrierenschicht (25, 30).
16. Mikroelektronische Struktur mit
- - einem Grundsubstrat (5), das zumindest teilweise aus ei nem isolierenden Material (50, 55) besteht und in dem ei ne mit wenigstens einem leitfähigen Material (8) befüllte Öffnung (10) angeordnet ist, die das isolierende Material (50, 55) des Grundsubstrats (5) vollständig durchsetzt, wobei das leitfähige Material (8) bündig mit dem isolie renden Material (50, 55) abschließt;
- - einer Metallsilizidschicht (9) oberhalb der Öffnung (10) unmittelbar auf dem Grundsubstrat (5);
- - einer Barrierenschicht (25, 30), die oberhalb der Metall silizidschicht (9) angeordnet ist und die aus einer Iri diumdioxidschicht (30) und einer sauerstoffhaltigen Iri diumschicht (25) besteht, wobei die sauerstoffhaltige Iridiumschicht (25) mittels eines Zerstäubungsverfahrens (Sputtern) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei ei ner Temperatur von mindestens 250°C herstellbar ist, und der Volumenanteil von Sauerstoff in der sauerstoffhalti gen Atmosphäre zwischen 2.5% und 15% liegt;
- - einer Haftschicht (20) unmittelbar zwischen der Metallsi lizidschicht (9) und der Barrierenschicht (25, 30), wobei die Haftschicht (20) wenigstens ein Material aus der Gruppe umfassend Titan, Zirkonium, Hafnium, Cer, Tantal, Vanadium, Chrom, Niob, Tantalnitrid, Titannitrid, Tantal silizidnitrid und Wolframsilizid enthält; und
- - einer Edelmetallschicht (35) auf der Barrierenschicht (25, 30).
17. Verfahren zur Herstellung einer mikroelektronischen
Struktur mit
- - einem Grundsubstrat (5);
- - wenigstens einer Barrierenschicht (25, 30) oberhalb des Grundsubstrats (5); und
- - einer Haftschicht (20) zwischen dem Grundsubstrat (5) und der Barrierenschicht (25, 30), wobei die Haftschicht (20) wenigstens ein Material aus der Gruppe umfassend Titan, Zirkonium, Hafnium, Cer, Tantal, Vanadium, Chrom, Niob, Tantalnitrid, Titannitrid, Tantalsilizidnitrid und Wolf ramsilizid enthält,
- - gekennzeichnet durch die Schritte:
- - Bereitstellen des Grundsubstrats (5);
- - Aufbringen der Haftschicht (20) auf das Grundsubstrat (5); und
- - Aufbringen der Barrierenschicht (25, 30) auf die Haft schicht (20).
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Haftschicht (20) mittels eines Sputterverfahrens aufge
bracht wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Haftschicht (20) mittels eines CVD-Verfahrens aufgebracht
wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Barrierenschicht (25, 30) eine sauerstoffhaltige Iridium
schicht (25) aufweist, die mittels eines Zerstäubungsverfah
rens (Sputtern) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei
einer Temperatur von mindestens 250°C aufgebracht wird, wobei
der Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre zwischen
2.5% und 15% liegt.
21. Verfahren nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Barrierenschicht (25, 30) zusätzlich zur sauerstoffhalti
gen Iridiumschicht (25) eine Iridiumdioxidschicht (30) auf
weist, die auf die sauerstoffhaltige Iridiumschicht (25) auf
gebracht wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf die Barrierenschicht (25, 30) eine metallhaltige Elektro
denschicht (35) und auf diese eine dielektrische, ferroelek
trische oder paraelektrische metalloxidhaltigen Schicht (40)
aufgebracht wird.
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