DE19958200A1 - Mikroelektronische Struktur und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Mikroelektronische Struktur und Verfahren zu dessen Herstellung

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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.
Bezugszeichenliste
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);
dadurch gekennzeichnet, daß eine Haftschicht (20) zwischen dem Grundsubstrat (5) und der Barrierenschicht (25, 30) angeordnet ist, wobei die Haft­ schicht (20) wenigstens ein Material aus der Gruppe umfassend Titan, Zirkonium, Hafnium, Cer, Tantal, Vanadium, Chrom, Ni­ ob, Tantalnitrid, Titannitrid, Tantalsilizidnitrid und Wolf­ ramsilizid enthält.
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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