DE19958203A1

DE19958203A1 - Herstellungsverfahren einer oxidationsgeschüzten Elektrode für einen kapazitive Elektrodenstruktur

Info

Publication number: DE19958203A1
Application number: DE19958203A
Authority: DE
Inventors: Helmut Wurzer; Martin Schrems; Thomas Pompl; Anke Krasemann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2001-06-13
Also published as: US20020068465A1

Abstract

Kapazitive Elektrodenstruktur und deren Herstellungsverfahren mit einem Halbleitersubstrat (1), einer auf dem Halbleitersubstrat (1) ausgebildeten Metalloxidschicht (3), einer auf der Metalloxidschicht (3) aufgebrachten Oxidationssperrschicht (4) und mit einer auf der Oxidationssperrschicht (4) ausgebildeten Elektrode (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer oxidationsgeschützten Elektrode für eine kapazitive Elektro denstruktur sowie eine kapazitive Elektrodenstruktur, bei der die Elektrode vor Oxidation durch Sauerstoffatome geschützt wird, die in einer unter der Elektrode gelegenen, Sauerstoff angereicherten Metalloxidschicht vorhanden sind.

Kapazitive Elektrodenstrukturen sind weit verbreitet und wer den insbesondere zur kapazitiven Ansteuerung von MOS- Transistoren und bei flüchtigen Speichern, beispielsweise DRAM, eingesetzt.

MOS-Transistoren weisen eine Steuerelektrode bzw. einen Gate- Anschluß auf, der durch ein Gate-Dielektrikum von dem strom führenden Kanal in dem Halbleitersubstrat entfernt liegt. Wird an der Gate-Elektrode eine Spannung angelegt, so ent steht in dem Gate-Dielektrikum eine elektrische Feldstärke, die an der darunter gelegenen Halbleiteroberfläche Ladungen hervorruft. Eine verbesserte kapazitive Ansteuerung bei MOS- Transistoren wird durch eine Reduzierung der Schichtdicke des Gate-Dielektrikums und/oder durch die Verwendung neuer di elektrischer Materialien mit höheren Dielektrizitätskonstan ten ε_R möglich.

Bei flüchtigen Speichern, beispielsweise DRAM, wird durch Re duzierung von Strukturdimensionen die Speicherkapazität ver kleinert. Zum Ausgleich muß daher die Flächenkapazität bzw. die Kapazität pro Fläche der kapazitiven Speicherelektroden strukturen erhöht werden. Dies kann ebenfalls durch Verklei nerung der Dicke der Dielektrikumsschicht erreicht werden oder/und durch Verwendung von dielektrischen Materialien mit relativ hohen Dielektrizitätskonstanten ε_R.

Es sind eine Reihe von dielektrischen Materialien bekannt, die relativ hohe Dielektrizitätskonstanten aufweisen, wie beispielsweise Tantalpentoxid Ta₂O₅, Titandioxid TiO₂ oder Aluminiumoxid Al₂O₃. Alle diesen Materialien weisen einen re lativ hohen Sauerstoffanteil auf.

Fig. 1 zeigt eine kapazitive Elektrodenstruktur nach dem Stand der Technik.

Auf einem Siliziumsubstrat wird eine Metall-Barriereschicht ausgebildet, beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumni trid. Darauf wird eine Schicht eines leicht oxidierenden Me talls, dessen Oxid eine hohe Dielektrizitätskonstante auf weist, beispielsweise Titan, Tantal oder Aluminium abgeschie den. Die Abscheidung der Metallschicht erfolgt dabei in der Regel durch Sputtern, CVD- oder MBE-Verfahren. Diese Metall schicht wird anschließend thermisch oxidiert. Dabei verhin dert das darunter liegende Barriere-Dielektrikum ein Eindrin gen des Metalls in das darunter gelegene Siliziumsubstrat, so daß dort keine unerwünschten Metall-Siliziumverbindungen ent stehen können. Die Metall-Barriereschicht besteht aus reinem Siliziumoxid, aus reinem Siliziumnitrid oder aus einer Ni trid-Siliziumoxidschicht. Das Metalloxid kann anstatt durch thermische Oxidation einer abgeschiedenen Metallschicht auch durch einen CVD-Prozeß (CVD: Chemical Vapor Deposition) oder JVD-Prozeß (JVD: Jet Vapor Deposition) ausgebildet werden.

Auf der Metalloxidschicht MeO mit der hohen Dielektrizitäts konstante ε_R wird im Anschluß Polysilizium abgeschieden. Da bei bildet sich zwischen der Metalloxidschicht MeO und dem Polysilizium eine Siliziumdioxidschicht. Der Grund dafür liegt darin, daß die darunter liegende Metalloxidschicht MeO eine sauerstoffreiche Schicht mit vielen Sauerstoffatomen ist, die sich mit dem abgeschiedenen Polysilizium zu Silizi umdioxid verbinden. Die sich auf dem Metalloxid Me bildende Oxidschicht hat den Nachteil, daß sie zu einer zusätzlichen kapazitiven Last führt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Her stellungsverfahren zur Herstellung einer oxidationsgeschütz ten Elektrode für eine kapazitive Struktur sowie eine kapazi tive Elektrodenstruktur zu schaffen, bei der eine Oxidation des auf der Metalloxidschicht aufgebrachten Elektrodenmateri als durch den in der Metalloxidschicht enthaltenen Sauerstoff vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentan spruch 1 beschriebenen Herstellungsverfahren sowie durch die in dem Patentanspruch 5 beanspruchte kapazitive Elektroden struktur gelöst.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer oxidationsgeschützten Elektrode für eine kapazitive Elektro denstruktur mit den folgenden Schritten, nämlich Bilden einer Metalloxidschicht auf einem Substrat, Aufbringen einer für Sauerstoffatome undurchlässigen Oxidati onssperrschicht auf der Metalloxidschicht, und Aufbringen der Elektrode auf die Oxidationssperrschicht.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Metalloxid schicht durch thermisches Oxidieren einer abgeschiedenen Me tallschicht gebildet.

Vorzugsweise wird vor dem Aufbringen der Metallschicht eine Metall-Barriereschicht gegenüber dem Substrat gebildet.

Dies bietet den besonderen Vorteil, daß in dem Substrat keine störenden Metall-Substratverbindungen entstehen können.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfin dungsgemäßen Verfahrens wird die Oxidationssperrschicht durch chemische Gasphasenabscheidung bzw. durch einen CVD-Prozeß aufgebracht.

Die Erfindung schafft ferner eine kapazitive Elektrodenstruk tur mit
einem Halbleitersubstrat,
einer auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Metalloxid schicht,
einer auf der Metalloxidschicht aufgebrachten Oxidations sperrschicht und
einer auf der Oxidationssperrschicht ausgebildeten Elektrode.

Die Oxidationssperrschicht ist vorzugsweise elektrisch lei tend.

Dies bietet den besonderen Vorteil, daß die Oxidationssperr schicht als elektrisch leitendes Material selbst als Elektro de zum Anschluß an weitere elektrische Bauelemente dienen kann.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Metallschicht auf der elektrisch leitenden Oxidationssperrschicht zur Bil dung einer Elektrode ausgebildet.

Die elektrisch leitende Oxidationssperrschicht besteht vor zugsweise aus Wolframnitrid.

Bei einer weiteren Ausführungsform besteht die Oxidations sperrschicht aus Titannitrid.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Elektrodenstruktur besteht die Oxidationssperr schicht aus einem nicht elektrisch leitenden Material, und eine Polysiliziumschicht wird auf die Oxidationssperrschicht zur Bildung der Elektrode aufgebracht.

Dabei besteht die elektrisch nichtleitende Oxidationssperr schicht vorzugsweise aus einem Material mit einer hoher Die lektrizitätskonstante.

Dies hat den Vorteil, daß die Lastkapazität verringert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die elektrisch nichtleitende Oxidationssperrschicht aus Siliziumnitrid.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der kapaziti ven Elektrodenstruktur besteht die Metalloxidschicht aus ei nem sauerstoffreichen Material mit hoher Dielektrizitätskon stante.

Die Metalloxidschicht besteht bei einer ersten Ausführungs form aus Titandioxid.

Die Metalloxidschicht besteht bei einer weiteren Ausführungs form aus Tantalpentoxid.

Die Metalloxidschicht besteht bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform aus Aluminiumoxid.

Vorzugsweise ist zwischen der Metalloxidschicht und dem Sub strat eine Metall-Barriereschicht vorgesehen.

Dies bietet den besonderen Vorteil, daß keine ungewollten Me tall-Substratverbindungen entstehen.

Die Metall-Barriereschicht besteht vorzugsweise aus Silizium dioxid.

Bei einer alternativen Ausführungsform besteht die Metall- Barriereschicht aus Siliziumnitrid.

Die Oxidationssperrschicht besteht vorzugsweise aus einer stickstoffreichen Verbindung zur Verhinderung der Diffusion von Sauerstoffatomen durch die Oxidationssperrschicht.

Im weiteren wird eine bevorzugten Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer oxidationsge schützten Elektrode für eine kapazitive Elektrodenstruktur mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen zur Erläute rung erfindungswesentlicher Merkmale beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine typische Elektrodenstruktur nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine kapazitive Elektrodenstruktur gemäß der vorlie genden Erfindung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer oxidationsgeschützten Elektrode für eine kapazitive Elektro denstruktur wird auf einem Substrat 1, beispielsweise einem Siliziumsubstrat, vorzugsweise eine Metall-Barriereschicht 2 ausgebildet. Die Metall-Barriereschicht 2 besteht daher vor zugsweise aus Siliziumdioxid oder aus Siliziumnitrid. Auf der Metall-Barriereschicht 2 wird eine Metalloxidschicht 3 ausge bildet. Die Metalloxidschicht 3 wird vorzugsweise durch ther misches Oxidieren einer auf der Metall-Barrierschicht 2 abge schiedenen Metallschicht gebildet. Hierbei wird die Metall schicht des stark oxidierenden Metalls, dessen Oxid eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, wie beispielsweise Titan, Tantal oder Aluminium, auf der Metall-Barriereschicht 2 durch Sputtern, durch einen CVD-Prozeß oder einen MBE-Prozeß abge schieden. Diese abgeschiedene Metallschicht aus Titan, Tantal oder Aluminium wird anschließend thermisch zu Titandioxid, Tantalpentoxid oder Aluminiumoxid oxidiert. Die Metall- Barriereschicht 2 verhindert dabei ein Eindringen von Metal lionen in das Substrat 1, so daß dort keine unerwünschten Me tall-Substratverbindungen entstehen.

Die Metalloxidschicht 3 kann auch direkt durch chemische Gas phasenabscheidung des Oxids aufgebracht werden.

Auf die derart hergestellte Metalloxidschicht 3 wird im näch sten Schritt eine für Sauerstoffatome undurchlässige Oxidati onssperrschicht 4 aufgebracht.

Die Oxidationssperrschicht besteht entweder aus einem nicht leitenden bzw. isolierenden Material oder aus einem elektri schleitenden Material.

Ist die Oxidationssperrschicht 4 gemäß einer ersten Ausfüh rungsform elektrisch leitend, bietet dies den Vorteil, daß die Oxidationssperrschicht 4 selbst die elektrisch leitende Elektrode bilden kann. Die elektrisch leitende Oxidations sperrschicht 4 kann dabei bei weiteren Ausführungsformen mit weiteren elektrisch leitenden Metallschichten überzogen wer den, um eine Elektrode entsprechend dem technologischen Her stellungsprozeß zu schaffen. Eine elektrisch leitende Oxida tionssperrschicht 4 wird vorzugsweise durch einen CVD-Prozeß aufgebracht. Dabei besteht die elektrisch leitende Oxidati onssperrschicht vorzugsweise aus Wolframnitrid oder Titanni trid. Die stickstoffreichen Verbindungen verhindern ein Hin durchtreten von Sauerstoffatomen aus der Metalloxidschicht 3 durch die Oxidationssperrschicht 4.

Bei einer alternativen Ausführungsform besteht die Oxidati onssperrschicht 4 aus einem nicht elektrisch leitenden Mate rial. Das elektrisch nicht leitende Material der Oxidations sperrschicht 4 wird dabei so gewählt, daß es eine hohe Die lektrizitätskonstante aufweist. Hierdurch entsteht eine nur geringe Lastkapazität. Vorzugsweise besteht das elektrisch nichtleitende Material der Oxidationssperrschicht aus Silizi umnitrid.

Die Oxidationssperrschicht 4 wird dann vorzugsweise mit einer Polysiliziumschicht 5 zur Bildung der Elektrode überzogen. Die Oxidationssperrschicht 4 verhindert ein Hindurchtreten von Sauerstoffatomen aus der sauerstoffreichen Metalloxid schicht 3 in die Polysiliziumschicht 5, so daß die Polysili ziumschicht 5 nicht oxidiert. Insbesondere wird durch die Oxidationssperrschicht 4 eine Diffusion von Sauerstoffatomen aufgrund eines vorhandenen Konzentrationsgradienten in die Polysiliziumschicht verhindert. Dies wird vorzugsweise durch Stickstoff erreicht, der in der Oxidationssperrschicht 4 ent halten ist.

Die in Fig. 2 gezeigte, erfindungsgemäße kapazitive Elektro denstruktur weist eine sehr hohe Flächenkapazität aufgrund der darin enthaltenen Metalloxidschicht 3, die eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante Î_R besitzt, auf. Gleichzeitig wird aufgrund der Oxidationssperrschicht 4 verhindert, daß die darüber liegende Polysiliziumschicht durch die sauerstoffrei che Metalloxidschicht 3 oxidiert wird. Die in Fig. 2 gezeigte kapazitive Elektrodenstruktur eignet sich hervorragend zur Miniaturisierung eines mehrschichtigen Dielektrikums, bei spielsweise in flüchtigen Speichern, wie DRAM oder MOS- Strukturen. Gleichzeitig kann der technologische Herstel lungsprozeß aufgrund der verwendeten besonderen Materialien gut kontrolliert werden, so daß der Ausschuß bei Herstellung derartiger kapazitiver Elektrodenstrukturen sehr gering ist. Bei einer leitenden Oxidationssperrschicht 4, wie beispiels weise Wolframnitrid, kann die Elektrode, beispielsweise die Gate-Elektrode, integriert werden, so daß man unabhängig von Polysilizium-Gate-Depletionseffekten ist.

Bezugszeichenliste

1

Substrat

2

Metall-Barriereschicht

3

Metalloxidschicht

4

Oxidationssperrschicht

5

Elektrode

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer oxidationsgeschützten Elektrode für eine kapazitive Elektrodenstruktur mit den fol genden Schritten:

a) Bilden einer Metalloxidschicht (3) auf einem Substrat (1);
b) Aufbringen einer für Sauerstoffatome undurchlässigen Oxi dationssperrschicht (4) auf der Metalloxidschicht (3);
c) Aufbringen einer Elektrode (5) auf die Oxidationssperr schicht (4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht (3) durch thermisches Oxidieren ei ner abgeschiedenen Metallschicht gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metall-Barriereschicht (2) zwischen der Metalloxid schicht (3) und dem Substrat (1) gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationssperrschicht (4) durch chemische Gasphasen abscheidung aufgebracht wird.

5. Kapazitive Elektrodenstruktur mit:

a) einem Halbleitersubstrat (1);
b) einer auf dem Halbleitersubstrat (1) ausgebildeten Me talloxidschicht (3);
c) einer auf der Metalloxidschicht (3) aufgebrachten Oxida tionssperrschicht (4); und mit
d) einer auf der Oxidationssperrschicht (4) ausgebildeten Elektrode (5).

6. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationssperrschicht (4) elektrisch leitend ist.

7. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der elektrisch leitenden Oxidationssperrschicht (4) eine Metallschicht zur Bildung der Elektrode (5) ausgebildet ist.

8. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Oxidationssperrschicht (4) aus Wolframnitrid besteht.

9. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Oxidationssperrschicht (4) aus Titannitrid besteht.

10. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationssperrschicht (4) nicht elektrisch leitend ist und eine Polysiliziumschicht (5) auf der Oxidationssperr schicht (4) zur Bildung der Elektrode ausgebildet ist.

11. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch nichtleitende Oxidationssperrschicht (4) aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante be steht.

12. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Oxidationssperrschicht (4) aus Silizi umnitrid besteht.

13. Kapazitive Elektrodenstruktur nach einem der vorangehen den Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht (3) aus einem sauerstoffreichen Ma terial mit hoher Dielektrizitätskonstante besteht.

14. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht (3) aus Titandioxid besteht.

15. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht (3) aus Tantalpentoxid besteht.

16. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht (3) aus Aluminiumoxid besteht.

17. Kapazitive Elektrodenstruktur nach einem der vorangehen den Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Metalloxidschicht (3) und dem Substrat (1) eine Metall-Barriereschicht (2) vorgesehen ist.

18. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Barriereschicht (2) aus Siliziumdioxid be steht.

19. Kapazitive Elektrodenstruktur nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Barriereschicht (2) aus Siliziumnitrid be steht.

20. Kapazitive Elektrodenstruktur nach einem der vorangehen den Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationssperrschicht (4) aus einer stickstoffrei chen Verbindung besteht zur Verhinderung der Diffusion von Sauerstoffatomen durch die Oxidationssperrschicht (4).