DE4434896B4

DE4434896B4 - Kondensator für ein Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE4434896B4
Application number: DE4434896A
Authority: DE
Inventors: Jae-Seung Jeong; Sang-Jun Choi
Original assignee: LG Semicon Co Ltd
Current assignee: SK Hynix Inc
Priority date: 1994-01-11
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2014-09-30
Also published as: KR950024340A; KR0148503B1; JPH07211796A; DE4434896A1

Abstract

Kondensator für ein Halbleiterbauelement, mit folgenden Merkmalen:
einem Halbleitersubstrat;
einem Kontaktabschnitt, der auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist;
einer ersten leitfähigen Schicht, die auf dem Kontaktabschnitt gebildet ist;
einer Speicherknotenelektrode, die aus einer zweiten leitfähigen Schicht besteht und auf einem Bereich gebildet ist, der die Oberfläche der ersten leitfähigen Schicht einschließt;
einer dielektrischen Schicht, die auf der Oberfläche und den Seiten der zweiten leitfähigen Schicht gebildet ist; und
einer Plattenelektrode, die auf der Oberfläche und den Seiten der dielektrischen Schicht gebildet ist,
wobei die erste leitfähige Schicht aus einer Metallverbindung besteht, die chemisch mit dem Material des Substrats verbunden ist, und wobei die zweite leitfähige Schicht aus einem Metall und aus chemisch gebundenem Stickstoff besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kondensator für ein Halbleiterbauelement und auf einen Herstellungsprozeß für diesen, bei dem der Widerstand des Kontaktabschnitts des Kondensators reduziert ist, und die Kapazität des Kondensators erhöht ist.
Halbleiterbauelemente mit Kondensatoren, wie bei einem dynamischen RAM (RAM = Random Access Memory = Speicher mit wahlfreiem Zugriff), haben immer höhere Dichten. Es existieren zwei Verfahren zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators. Eines dieser besteht darin, die Oberflächenfläche des Kondensators zu erweitern, und das andere besteht darin, ein dielektrisches Material mit einer großen dielektrischen Konstante zu verwenden. Das erste Verfahren wurde ausgiebig studiert, aber ein Studium des letzten Verfahrens hat gerade erst begonnen.
1 ist eine Schnittdarstellung einer Speicherzelle eines herkömmlichen Halbleiterbauelements, bei dem der Kondensator eine dielektrische Schicht vom geschichteten Typ aufweist.
Wie es in 1 gezeigt ist, wurde bei dem herkömmlichen Kondensator des Halbleiterbauelements die dielektrische Schicht in einer geschichteten Struktur in der Form einer ONO-Schicht (Oxid-Nitrid-Oxid-Schicht) hergestellt.
Das Halbleiterbauelement schließt folgende Merkmale ein: eine Feldoxidschicht 16, die auf einem Siliziumsubstrat 10 gebildet ist, eine Gateoxidschicht 11, ein Gate 12, eine Isolationsschicht 17 zum Isolieren des Gates 12, eine Zwi schenschichtisolationsschicht 18, eine Speicherknotenelektrode 13, die aus Polysilizium gebildet ist, eine dielektrische Schicht 14, und eine Plattenelektrode 15, die aus Polysilizium gebildet ist. Die dielektrische Schicht 14 ist als eine geschichtete Struktur in der Form einer ONO-Schicht hergestellt, d.h. eine Oxidschicht 14a – eine Nitridschicht 14b – eine Oxidschicht 14c. Eine solche Struktur wurde erdacht, um die Oberflächenfläche der Kondensatorspeicherknotenelektrode zu erweitern, da die dielektrische Konstante niedrig ist. Diese Struktur ist jedoch schwierig herzustellen, und die Struktur des vollständigen Bauelements ist kompliziert.
Deshalb wurden Anstrengungen unternommen, ein dielektrisches Material mit einer hohen dielektrischen Konstante, wie z.B. Ta₂O₅, TiO₂, Nb₂O_S, H_fO₂, ZrO₂ oder ähnliches, zu verwenden.

Das U.S.-Patent 5,187,557 offenbart eine Technik, bei der das Material Ta₂O₅ mit hoher Dielektrizitätskonstante als dielektrisches Material für einen Kondensator verwendet wird.

2 ist eine Schnittdarstellung des Kondensators eines herkömmlichen Halbleiterbauelements, bei dem Ta₂O₅ als dielektrische Schicht für den Kondensator verwendet wird.

Dieses Bauelement schließt folgende Merkmale ein: eine Oxidschicht 21, die auf einem Siliziumsubstrat 20 gebildet ist, eine Polysiliziumschicht 22 und eine erste TiN-Schicht 23 als eine erste Elektrode, eine dielektrische Schicht 24, die aus Ta₂O₅ gebildet ist, und eine zweite TiN-Schicht 25/eine Ti-Schicht 26/eine dritte TiN-Schicht 27 als zweite Elektrode.

Um den Leckstrom zu reduzieren, ist die aus Ta₂O₅ gebildete dielektrische Schicht 24 zwischen den TiN-Schichten 23 und 25 angeordnet. Bei dieser Struktur werden jedoch dünne Schichten wiederholt geschichtet, was dazu führt, daß der Herstellungsprozeß für den Kondensator kompliziert wird.

Weiterhin wird in dem Fall, in dem Ta₂O₅ als dielektrisches Material verwendet wird, der Leckstrom in der Polysilizium-Kondensatorelektrode erhöht.

Weiterhin geht der bisherige Trend bei dem Kontaktknoten des Kondensatorspeicherknotens, d.h. bei der Elektrodenverdrahtung der Diffusionsschicht, die in dem Siliziumsubstrat der Speicherzelle gebildet ist, dahin, die Störstellenkonzentration der Diffusionsschicht zu reduzieren, so daß die Kontakttiefe flacher wird. Deshalb erhöht sich der Kontaktwiderstand gemäß der Reduzierung des Kontaktabschnitts (siehe koreanische Patentveröffentlichung Nr. 90-4265).

Die DE 3930655 A1 zeigt eine Halbleitervorrichtung, bei der eine Verbindungsschicht eine Barrierenmetallschicht, eine Aluminiummetallschicht und eine Antireflexionsbeschichtung in dieser Reihenfolge von unten nach oben in dem Verbindungsbereich angeordnet sind. Ferner ist eine Silizidschicht, eine Barrierenmetallschicht, eine Aluminiummetallschicht und eine Antireflexionsbeschichtung in dieser Reihenfolge von unten nach oben in einem Kontaktabschnitt der Halbleitervorrichtung angeordnet. Als Antireflexionsschichtung wird amorphes Silizium verwendet.

Die DE 42 36 821 A1 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines Speicherkontaktkondensators einer DRAM-Vorrichtung, bei der die Speicherknotenkondensatorplatte einen ersten und einen zweiten Kondensatorbereich umfasst. Bei dem ersten Kondensatorbereich handelt es sich um einen selbstausgerichteten Wolfram- und TiN-Kern. In einer ersten Form handelt es sich bei dem zweiten Kondensatorbereich um ein Speicherknoten-Polysilizium, das niedergeschlagen und einer an Ort und Stelle erfolgenden Phosphor-Diffusionsdotierung ausgesetzt wird. Bei einer zweiten Form handelt es sich bei dem zweiten Kontaktbereich um Wolframfinger, die in der Höhe horizontal über dem Wolfram- und TiN-Kern ausgebildet werden. Dabei schaffen TiN-Bereiche eine Beabstandung zwischen benachbarten Wolframfingern. Eine obere Polysiliziumschicht wirkt als oberer Kondensatorplatte und ist gegenüber der unteren Kondensatorplatte durch eine dielektrische Schicht isoliert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kondensator für ein Halbleiterbauelement zu schaffen, dessen Struktur einfach ist, bei dem ein Leckstrom reduziert ist und bei dem ein Kontaktwiderstand reduziert ist.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Kondensator für ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem eine Silizidschicht auf dem Kontaktabschnitt auf eine natürliche Art gebildet wird, um den Kontaktwiderstand zwischen der Oberfläche der Diffusionsschicht des Siliziumsubstrats und der Speicherknotenelektrode des Kondensators zu reduzieren, und bei dem die Speicherknotenelektrode und die Plattenelektrode über die dielektrische Schicht aus einem Metall oder einer Metallverbindung, wie z.B. TiN oder Wolfram, hergestellt sind, um den Leckstrom zu reduzieren.

Das Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für ein Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung schließt die folgenden Schritte ein: Abscheiden einer ersten Isolationsschicht auf einem Halbleitersubstrat; Entfernen eines Abschnitts der ersten Isolationsschicht, um eine Kontaktabschnitt zu öffnen; Bilden einer leitfähigen Schicht auf dem Kontaktabschnitt und auf der Oberfläche und den Seiten der ersten Isolationsschicht; Durchführen einer Ausheilung der leitfähigen Schicht, um eine erste leitfähige Schicht und eine zweite leitfähige Schicht zu bilden; Entfernen eines Abschnitts der zweiten leitfähigen Schicht, um eine Speicherknotenelektrode zu bilden; Bilden einer dielektrischen Schicht auf der Oberfläche und den Seiten der Speicherknotenelektrode; und Bilden einer Plattenelektrode auf der Oberfläche und den Seiten der dielektrischen Schicht.

Das Verfahren zur Herstellung der Speicherknotenelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung schließt die folgenden Schritte ein: Abscheiden einer ersten Isolationsschicht auf einem Halbleitersubstrat; Entfernen eines Abschnitts der ersten Isolationsschicht, um einen Kontaktabschnitt zu öffnen; Bilden einer leitfähigen Schicht auf dem Kontaktabschnitt und auf der Oberfläche und den Seiten der ersten Isolationsschicht; Durchführen einer Ausheilung der leitfähigen Schicht, um eine erste leitfähige Schicht und eine zweite leitfähige Schicht zu bilden; und Entfernen eines Abschnitts der zweiten leitfähigen Schicht, um eine Speicherknotenelektrode zu bilden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen Halbleiterspeicherzelle;

2 eine Schnittdarstellung, die den Kondensator eines herkömmlichen Halbleiterbauelements zeigt; und

3 das Verfahren zur Herstellung des Kondensators eines Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung.

3 stellt das Verfahren zur Herstellung des Kondensators eines Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung dar, wobei der Kondensatorherstellungsprozeß nach der Bildung eines Transistors auf eine herkömmliche Art dargestellt ist.

Als erstes werden, wie es in 3a gezeigt ist, eine Isolationsregion 300 und eine aktive Region, die nicht die Isolationsregion ist, auf einem Siliziumsubstrat 30 gebildet. Dann werden eine Gateisolationsschicht 31, eine Gateelektrode 32, eine obere Gateisolationsschicht 302 und eine Source/Drain-Region (nicht dargestellt) als Störstellenionen-Diffusionsregion unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren gebildet. Dann wird eine erste Isolationsschicht 303 (eine Oxidschicht) auf der gesamten Oberfläche des Wafers zum Zwecke einer Zwischenschichtisolation abgeschieden.

Um ein Kontaktloch zur Bildung eines Kontaktabschnitts "C", der die Speicherknotenelektrode des Kondensators mit der Diffusionsregion (Source oder Drain) des Siliziumsubstrats verbindet, zu öffnen, wird die erste Isolationsschicht 303 mit einem Photoresist bedeckt. Dann wird eine Photoresiststruktur durch Belichtung und Entwicklung und durch Verwendung einer Kontaktlochbildungsmaske definiert. Dann wird der Abschnitt der ersten Isolationsschicht 303, der nicht durch die Struktur geschützt ist, durch Durchführen eines anisotropen Ätzvorgangs entfernt, bis die Oberfläche des Siliziumsubstrats freiliegt, wodurch ein Kontaktloch gebildet ist.

Dann wird eine leitfähige Ti-Schicht 33 zur Bildung einer Speicherknotenelektrode auf der Oberfläche und den Seiten der restlichen ersten Isolationsschicht 303 und auf der Oberfläche des offenen Kontaktabschnitts C abgeschieden.

Dann wird, wie es in 3b gezeigt ist, eine Ausheilung in einer Stickstoffgasatmosphäre durchgeführt, so daß die leitfähige Schicht des Kontaktabschnitts C in eine Titan-Silizid-Schicht 34 umgewandelt werden kann, wodurch eine erste leitfähige Schicht gebildet ist. Der Rest der leitfähigen Schicht 33 wird in eine Titan-Nitrid-Schicht 35 (TiN-Schicht) umgewandelt, wodurch eine zweite leitfähige Schicht gebildet ist. Folglich wird die Titan-Silizid-Schicht 34 durch eine spontante chemische Reaktion zwischen dem Titan der leitfähigen Schicht 33 und dem Silizium des Siliziumsubstrats während des Ausheilprozesses gebildet, was dazu führt, daß der Kontaktwiderstand in dem Kontaktabschnitt C reduziert ist. Währenddessen wird die Titan-Nitrid-Schicht 35 (TiN-Schicht), die die zweite leitfähige Schicht ist, später nach dem Durchführen einer Strukturierung und eines Ätzvorgangs verwendet.

Dann wird, wie es in 3c gezeigt ist, ein Photoresist (nicht dargestellt) auf die Titan-Nitrid-Schicht 35 (zweite leitfähige Schicht) aufgebracht, und dann wird eine Photoresiststruktur durch Belichtung und Entwicklung und durch Verwendung einer Bildungsmaske für die Kondensatorspeicherknotenelektrode definiert. Dann wird der Abschnitt der Titan-Nitrid-Schicht 35, der nicht durch die Struktur geschützt ist, entfernt, wodurch eine Kondensatorspeicherknotenelektrode 35' gebildet ist, die aus der restlichen Titan-Nitrid-Schicht besteht.

Dann wird, wie es in 3d gezeigt ist, eine dielektrische Schicht 37, die aus Ta₂O₅ mit einer großen dielektrischen Konstante besteht, auf der gesamten Oberfläche des Wafers abgeschieden.

Dann wird eine leitfähige Schicht 36, die aus TiN oder W besteht, zur Bildung einer Plattenelektrode auf der dielektrischen Schicht 37 abgeschieden. Der Grund für die Bidlung der Plattenelektrode mit einem Metall oder einer Metallverbindung besteht darin, daß sich, obwohl Tantalcarbid bzw. Tantaloxid (Ta₂O₅) eine hohe dielektrische Konstante hat, der Leckstrom erhöht, wenn die Plattenelektrode aus Polysilizium hergestellt ist.

Dann wird, wie es in 3e gezeigt ist, ein Photoresist auf die leitfähige Schicht 36 (zur Bildung der Plattenelektrode) aufgebracht, und dann wird eine Photoresiststruktur durch Belichtung und Entwicklung und durch Verwendung einer Bildungsmaske für eine Plattenelektrode definiert. Dann wird der Abschnitt der leitfähigen Schicht 36, der nicht durch die Struktur geschützt ist, entfernt, um so eine Plattenelektrode 36' zu bilden, wodurch die Herstellung des Kondensators für das Halbleiterbauelement beendet ist. Die Speicherknotenelektrode 35' und die Plattenelektrode 36' sind über die dielektrische Schicht 37 angeordnet, und die Speicherknotenelektrode 35' besteht aus Titan-Nitrid, und die Plattenelektrode besteht aus Nitan-Nitrid, Wolfram oder einer Metallschicht. Die Titan-Silizid-Schicht 34 ist als eine Hemmschicht zum Schutz des Siliziumsubstrats 30 während der Bildung der Titan-Nitrid-Schicht 35 wirksam.

Gemäß der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wurde, wird auf dem Kontaktabschnitt zwischen der Speicherknotenelektrode eines Kondensators und der Störstellendiffusionsregion in dem Siliziumsubstrat eine selbstausgerichtete Silizid-Schicht gebildet, wodurch der Kontaktwiderstand erheblich reduziert wird. Weiterhin ist die Speicherknotenelektrode durch Titan-Nitrid (TiN) gebildet, und die Plattenelektrode ist durch Titan-Nitrid, Wolfram oder eine Metallschicht gebildet, so daß der Leckstrom trotz der Verwendung von Ta₂O₅ allein als dielektrisches Medium reduziert werden kann.

Weiterhin erhöht die Verwendung des Tantaloxids die Kapazität, während die Titan-Silizid-Schicht, die auf dem Kontaktabschnitt gebildet ist, die Korrosion des Siliziumsubstrats verhindert, und es ermöglicht, eine Titan-Nitrid-Schicht mit ausreichender Dicke zu bilden.

Claims

Kondensator für ein Halbleiterbauelement, mit folgenden Merkmalen: einem Halbleitersubstrat; einem Kontaktabschnitt, der auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist; einer ersten leitfähigen Schicht, die auf dem Kontaktabschnitt gebildet ist; einer Speicherknotenelektrode, die aus einer zweiten leitfähigen Schicht besteht und auf einem Bereich gebildet ist, der die Oberfläche der ersten leitfähigen Schicht einschließt; einer dielektrischen Schicht, die auf der Oberfläche und den Seiten der zweiten leitfähigen Schicht gebildet ist; und einer Plattenelektrode, die auf der Oberfläche und den Seiten der dielektrischen Schicht gebildet ist, wobei die erste leitfähige Schicht aus einer Metallverbindung besteht, die chemisch mit dem Material des Substrats verbunden ist, und wobei die zweite leitfähige Schicht aus einem Metall und aus chemisch gebundenem Stickstoff besteht.
Kondensator nach Anspruch 1, bei dem das Halbleitersubstrat aus Silizium besteht.
Kondensator nach Anspruch 1, bei dem die erste leitfähige Schicht aus Titansilizid besteht, bei dem die zweite leitfähige Schicht aus Titannitrid TiN besteht, und bei dem die Plattenelektrode aus Titannitrid besteht.
Kondensator nach Anspruch 1, bei dem die dielektrische Schicht aus Tantaloxid Ta₂O₅ besteht.
Verfahren zur Bildung eines Kondensators für ein Halbleiterbauelement, das folgende Schritte aufweist: Abscheiden einer ersten Isolationsschicht auf einem Halbleitersubstrat; Entfernen eines Abschnitts der ersten Isolationsschicht, um einen Kontaktabschnitt zu öffnen; Bilden einer leitfähigen Schicht auf dem Kontaktabschnitt und auf der Oberfläche und den Seiten der ersten Isolationsschicht; Durchführen einer Ausheilung der leitfähigen Schicht, um eine erste leitfähige Schicht und eine zweite leitfähige Schicht zu bilden; Entfernen eines Abschnitts der zweiten leitfähigen Schicht, um eine Speicherknotenelektrode zu bilden; Bilden einer dielektrischen Schicht auf der Oberfläche und den Seiten der Speicherknotenelektrode; und Bilden einer Plattenelektrode auf der Oberfläche und den Seiten der dielektrischen Schicht, wobei ein Teil der leitfähigen Schicht durch eine chemische Reaktion mit dem Material des Halbleitersubstrats auf dem Kontaktabschnitt während der Ausheilung in eine gut leitende erste leitfähige Schicht umgewandelt wird; und wobei der Rest der leitfähigen Schicht in eine zweite leitfähige Schicht umgewandelt wird, die aus einer Metallnitridschicht besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Halbleitersubstrat aus Silizium besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die leitfähige Schicht durch Abscheiden von Titan gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die dielektrische Schicht durch Abscheiden von Tantaloxid (Ta₂O₅) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Plattenelektrode durch Abscheiden von Titan, Strukturieren dieses durch Anwenden eines photolithographischen Prozesses und durch Ätzen dieses gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Plattenelektrode durch Abscheiden von Wolfram und durch Entfernen der relevanten Abschnitte gebildet ist.