DE60034616T2

DE60034616T2 - Iridium-Verbundsbarrierestruktur und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE60034616T2
Application number: DE60034616T
Authority: DE
Inventors: Fengyan Vancouver Zhang; Jer-shen Vancouver Maa; Sheng Teng Camas Hsu
Original assignee: Sharp Corp; Sharp Laboratories of America Inc
Current assignee: Sharp Corp; Sharp Laboratories of America Inc
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2020-03-07
Also published as: US6479304B1; US6236113B1; KR100358430B1; JP2000260958A; EP1035589B1; EP1035589A2; EP1035589A3; KR20000071418A; DE60034616D1

Description

Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf die Herstellung von integrierten Schaltkreisen (ICs) gerichtet und noch spezieller auf die Herstellung einer leitfähigen Elektrodenbarriere unter Verwendung eines Verbundfilms aus Iridium (Ir), Tantal (Ta) und Sauerstoff.
Platin (Pt) und andere Edelmetalle werden in ferroelektrischen IC-Kondensatoren verwendet. Die Verwendung von Edelmetallen wird durch ihre inhärente chemische Beständigkeit begründet. Diese Eigenschaft ist insbesondere unter Hochtemperatursauerstoff-Härtungsbedingungen erwünscht, wie jenen bei der Herstellung von ferroelektrischen Kondensatoren. Zusätzlich ist die chemische Wechselwirkung zwischen Edelmetallen und ferroelektrischen Materialien, wie Perovskit-Metalloxiden, vernachlässigbar.
Speziell werden die oben genannten Edelmetalle als leitende Elektrodenpaare, getrennt durch ein ferroelektrisches Material, verwendet. Eine oder beide der Elektroden werden häufig mit Transistorelektroden oder mit elektrisch leitenden Bahnen in ICs verbunden. Wie gut bekannt ist, können diese ferroelektrischen Vorrichtungen entsprechend der an die Elektrode angelegten Spannung polarisiert werden, wobei sich die Beziehung zwischen Ladung und Spannung in einer Hystereseschleife ausdrückt. Wenn in Speichervorrichtungen verwendet, kann die polarisierte ferroelektrische Vorrichtung verwendet werden, um eine "1" oder eine "0" darzustellen. Diese Speichervorrichtungen werden häufig als ferro-RAM oder FRAM bezeichnet. Ferroelektrische Vorrichtungen sind nichtflüchtig. Das heißt, die Vorrichtung bleibt polarisiert, selbst nachdem der Strom vom IC, in den das Ferroelektrikum eingebettet ist, entfernt wird.
Hinsichtlich der Verwendung von Metall-, selbst Edelmetall-Elektroden, gibt es Probleme. Pt, das möglicherweise das am meisten verwendete Edelmetall darstellt, erlaubt die Diffusion von Sauerstoff speziell während Hochtemperatur-Härtungsverfahren. Die Diffusion von Sauerstoff durch Pt resultiert in der Oxidation der benachbarten Barriere und des Substratmaterials. Typischerweise ist das benachbarte Substratmaterial Silicium oder Siliciumdioxid. Die Oxidation kann in geringer Adhäsion zwischen dem Pt und der Nachbarschicht resultieren. Die Oxidation kann ebenfalls die Leitfähigkeit zwischen benachbarten Substratschichten beeinträchtigen. Silicium-Substrate unterliegen insbesondere Problemen, die als Ergebnis der Sauerstoffdiffusion auftreten. Das Endergebnis kann eine ferroelektrische Vorrichtung mit verschlechterten Speichereigenschaften sein. Alternativ muss die Temperatur des IC-Härtungsverfahrens begrenzt werden, um die Schädigung der ferroelektrischen Vorrichtung zu verhindern.
Verschiedene Strategien wurden unternommen, um die Interdiffusions-, Adhäsions- und Leitfähigkeitsprobleme, die mit der Verwendung von Edelmetallen als leitfähigem Film bei der IC-Herstellung in Zusammenhang stehen, zu verbessern. Titan- (Ti), Titanoxid- (TiO₂) und Titannitrid-(TiN)-Schicht wurden zwischen Edelmetall und Silicium-(Si)-Substrate eingeschoben, um die Interdiffusion von Sauerstoff zu unterdrücken. Jedoch sind Ti-Schichten im Allgemeinen nur unterhalb der Härtungstemperaturen von 600°C effektiv. Nach einem Härten bei 600°C diffundiert Pt durch die Ti-Schichten, um mit Silicium zu reagieren und ein Silicidprodukt zu bilden. Weiterhin kann das Pt die Sauerstoffdiffusion nicht stoppen. Nach einem Hochtemperaturhärten kann eine dünne Schicht von Siliciumoxid auf der Siliciumoberfläche gebildet werden, welche den Kontakt zwischen Silicium und der Elektrode abschirmt.
Andere mit dem Härten eines Pt-Metallfilms in Zusammenhang stehende Probleme sind Abschälen und Hügelbildung. Diese beiden Probleme sind mit den Unterschieden der thermischen Expansion und der Spannung von Pt mit benachbarten IC-Schichten während des Hochtemperaturhärtens verbunden. Eine Schicht von Ti, die über dem Pt-Film liegt, ist dafür bekannt, dass sie die Spannung des Pt-Films verringert und die Hügelbildung unterdrückt.
Ir wurde ebenfalls in Versuchen verwendet, um das Sauerstoff-Interdiffusionsproblem zu lösen. Ir ist chemisch stabil, mit einer hohen Schmelztemperatur. Verglichen mit Pt, ist Ir widerstandsfähiger gegen Oxidation und Sauerstoffdiffusion. Weiterhin, selbst wenn oxidiert, bleibt das Iridiumoxid leitfähig. Wenn benachbart zu Ti beschichtet, ist die Ir/Ti-Barriere gegen eine Sauerstoffinterdiffusion äußerst unzugänglich. jedoch kann Ir durch Ti diffundieren. Wie Pt, ist Ir mit Silicium oder Siliciumdioxid sehr reaktiv. Daher ist eine zweischichtige Ir/Ti- oder Ir/TiN-Barriere kein ideales Barrieremetall.
Die anhängige Anmeldung Serien-Nr. 09/263 595 mit dem Titel "Iridium Conductive Electrode/Barrier Structure and Method for Same", erfunden von Zhang et al, eingereicht am 5. März 1999, offenbart einen Mehrschicht-Ir/Ta-Film, der gegenüber Interdiffusion resistent ist.
Es wäre vorteilhaft, wenn alternative Verfahren zur Verwendung von Ir als einem Leiter, einer leitfähigen Barriere oder Elektrode bei der IC-Herstellung entwickelt würden. Es wäre vorteilhaft, wenn Ir ohne Wechselwirkung mit einem darunter liegenden Si-Substrat verwendet werden könnte.
Es wäre vorteilhaft, wenn ein Ir-Film verändert werden könnte, um die Interdiffusionseigenschaften zu verbessern. Weiterhin wäre es vorteilhaft, wenn dieser verbesserte Typ von Ir-Film mit einem dazwischen geschobenen Film überschichtet werden könnte, um die Wechselwirkung von Ir mit einem Siliciumsubstrat zu verhindern. Es wäre vorteilhaft, wenn der mehrschichtige Film, einschließlich einer Schicht aus Ir, der Interdiffusion von Sauerstoff bei hohen Härtungstemperaturen widerstehen könnte. Es wäre ebenfalls vorteilhaft, wenn der mehrschichtige Film, enthaltend Ir, gegenüber den Abschälproblemen und der Hügelbildung nicht anfällig wäre.
Es wäre vorteilhaft, wenn ein veränderter Ir-Film hergestellt werden könnte, der nach dem Härten bei hohen Temperaturen und unter Sauerstoffumgebungsbedingungen elektrisch leitend bleiben würde.
Dem gemäß wird eine hochtemperaturstabile bzw. hochgradig temperaturstabile leitfähige Barriereschicht zur Verwendung in einem integrierten Schaltkreis bereitgestellt. Die Barriere umfasst ein darunter liegendes Siliciumsubstrat, einen ersten Barrierefilm, enthaltend Tantal (Ta) über dem Substrat und einen Iridium-Tantal-Sauerstoff(Ir-Ta-O)-Verbundfilm über dem ersten Barrierefilm. Der Ir-Ta-O-Verbundfilm bleibt nach dem Hochtemperatur-Härtungs- bzw. Glühverfahren in einer Sauerstoffumgebung leitend. Weiterhin zeigt der Ir-Verbundfilm keine Hügelbildung und kein Abschälen.
In einigen Aspekten liegt ein zweiter Barrierefilm, enthaltend ein Edelmetall, über dem Ir-Ta-O-Verbundfilm. Der zweite Barrierefilm verbessert die Ir-Ta-O-Grenzfläche zu nachher bzw. später abgeschiedenen Schichten und begrenzt die Diffusion von Sauerstoff in den Ir-Ta-O-Film.
Typischerweise wird der erste Barrierefilm ausgewählt aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Ta, Tantalsiliciumnitrid (TaSiN) und Tantalnitrid (TaN). Die erste Barriereschicht hat eine Dicke im Bereich von etwa 10 bis 100 Nanometer (nm).
In einigen Aspekten der Erfindung wird die Barriere verwendet, um in einer ferroelektrischen Vorrichtung eine Elektrode zu bilden. Dann liegt ein ferroelektrischer Film über dem Ir-Ta-O-Film. Alternativ liegt die zweite Barriereschicht zwischen dem Ir-Ta-O-Film und dem ferroelektrischen Film. Ein leitfähiger Metallfilm, hergestellt aus einem Edelmetall, der oben erwähnte Ir-Verbundfilm, oder eine andere mehrschichtige leitfähige obere Elektrode liegt über dem ferroelektrischen Film. Der ferroelektrische Film ist dazu in der Lage, Ladungen zwischen der oberen und den Ir-Ta-O-Elektroden zu speichern.
Speziell umfasst der Ir-Verbundfilm die nachfolgenden Materialien. Entweder Ir, Ta und Sauerstoff oder Ir, Ta und IrO₂ oder Ir, Ta und Ta₂O₅ oder IrO₂ und Ta₂O₅ oder IrO₂, Ta₂O₅, Ir und Ta oder Ir und Ta₂O₅ oder Ta und IrO₂ oder IrO₂, Ta₂O₅ und Ir oder IrO₂, Ta₂O₅ und Ta. Weiterhin sollen die oben erwähnten Ir-Verbundfilmgruppen gamma-Phasen-Variationen von Ta₂O₅ und (Ta, O) enthalten. Typischerweise hat der Ir-Ta-O-Verbundfilm eine Dicke im Bereich von etwa 10 bis 500 nm.
Ebenfalls bereitgestellt wird ein Verfahren zum Bilden einer hochtemperaturstabilen bzw. hochgradig temperaturstabilen leitenden Barriereschicht über einem Substrat für integrierte Schaltkreise, worin das Verfahren die Schritte umfasst:

a) Abscheiden einer ersten Barriereschicht, enthaltend Tantal (Ta) über dem Substrat; und
b) Abscheiden eines Iridium-Tantal-Sauerstoff-Verbundfilms über der ersten Barriereschicht, wobei eine Mehrschichtstruktur gebildet wird, die gegenüber Wechselwirkungen mit dem Substrat widerstandsfähig ist.

Der Ir-Ta-O-Verbundfilm und die erste Barriereschicht werden durch Abscheidungsverfahren abgeschieden, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus physikalischer Dampfabscheidung (PVD), chemischer Dampfabscheidung (CVD) und metallorganischer DVD (MOCVD). In einigen Aspekten der Erfindung umfasst Schritt b) das Co-Sputtern von sowohl Ir- als auch Ta-Targets bei einer Leistung im Bereich von etwa 200 bis 400 Watt, wobei die Leistung am Ta-Target größer oder gleich der Leistung am Ir-Target ist, und worin das Ar- zu O₂-Verhältnis etwa 1:X beträgt, wobei X größer oder gleich 1 ist.
Einige Aspekte der Erfindung umfassen einen weiteren Schritt, der Schritt b) folgt, von:

c) Abscheiden einer zweiten Barriereschicht, enthaltend ein Edelmetall über dem Ir-Ta-O-Verbundfilm, wobei die zweite Barriereschicht der Diffusion von Sauerstoff in den Ir-Ta-O-Film widersteht, wodurch die Grenzfläche des Ir-Ta-O-Films gegenüber nachher bzw. später abgeschiedenen Materialien verbessert wird. Der zweite Barrierefilm, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ir, Ru, IrO₂, Platin (Pt) und RuO₂, weist eine Dicke im Bereich von etwa 10 bis 200 nm auf. Schritt c) umfasst das Abscheiden der zweiten Barriereschicht durch Abscheidungsverfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus physikalischer Dampfabscheidung (PVD), chemischer Dampfabscheidung (CVD) und metallorganischer CVD (MOCVD). Wenn ein ferroelektrischer Kondensator gebildet werden soll, sind die weiteren Schritte, die Schritt c) folgen:
d) Abscheiden eines ferroelektrischen Materials über der Ir-Ta-O-Verbundschicht und
e) Abscheiden einer leitenden oberen Elektrode über dem ferroelektrischen Material, wodurch ein ferroelektrischer Kondensator gebildet wird.

Die JP-A-10242409 (Sony Corp.) offenbart eine Diffusionsschutzschicht, die neben vielen an deren Möglichkeiten aus Ir-Ta-O hergestellt werden kann.
Die 1 bis 3 veranschaulichen Schritte in einer vollständigen hochtemperaturstabilen bzw. hochgradig temperaturstabilen leitenden Barriereschicht zur Verwendung in einem integrierten Schaltkreis.
4 veranschaulicht die Flächenwiderstandseigenschaften des Ir-Verbundfilms der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht Röntgenbeugungsspektren des Ir-Verbundfilms der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen Härtungstemperaturen unter 650°C in einer Sauerstoffumgebung für 5 Minuten.
6 veranschaulicht Röntgenbeugungsspektren des Ir-Verbundfilms der vorliegenden Erfindung bei einer Vielzahl von Härtungstemperaturen über 650°C in einer Sauerstoffumgebung für 5 Minuten.
7 ist ein Bild einer Querschnittsansicht des Ir-Ta-O-Films der vorliegenden Erfindung über einem Siliciumsubstrat.
8 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte in einem Verfahren zur Bildung einer hochtemperaturstabilen bzw. hochgradig temperaturstabilen leitenden Barriereschicht wie in einem ferroelektrischen Kondensator verwendet veranschaulicht.
9 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte bei der Bildung eines ferroelektrischen Kondensators unter Verwendung des leitenden Barriere-Ir-Verbundfilms der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die 1 bis 3 veranschaulichen Schritte in einer vollständigen hochtemperaturstabilen bzw. hochgradig temperaturstabilen leitenden Barriereschicht zur Verwendung in einem integrierten Schaltkreis. Speziell ist die leitende Barriere als eine Elektrode in einem ferroelektrischen Kondensator verwendbar. 1 zeigt die leitende Barriere 10, umfassend ein Substrat 12, eine erste Barriere 14, enthaltend Tantal (Ta) über dem Substrat 12, und einen Iridum-Tantal-Sauerstoff-(Ir-Ta-O)-Verbundfilm 16 über dem ersten Barrierefilm 14. Der Ir-Ta-O-Verbundfilm 1b bleibt nach Hochtemperatur-Härtungsverfahren in einer Sauerstoffumgebung leitend.
Das Substrat 12 wird aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Silicium-, Polysilicium-, Siliciumdioxid- und Siliciumgermaniumverbindungen ausgewählt, wobei die erste Barriereschicht 14 die Bildung von Ir-Silicid-Produkten verhindert. Der erste Barrierefilm 14 wird ausgewählt aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Ta, Tantalsiliciumnitrid (TaSiN) und Tantalnitrid (TaN). Die erste Barriereschicht 14 hat eine Dicke 18 im Bereich von etwa 10 bis 100 Nanometer (nm).
Speziell sind mehrere Typen des Ir-Verbundfilms 16 möglich: die leitende Barriereschicht 10 enthält den Ir-Ta-O-Verbundfilm 16, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus den folgenden Materialien; Ir und Ta; Ir, Ta und Sauerstoff; Ir, Ta und IrO₂; Ir, Ta und Ta₂O₅; IrO₂ und Ta₂O₅; IrO₂, Ta₂O₅, Ir und Ta; Ir und Ta₂O₅; Ta und IrO₂; IrO₂, Ta₂O₅ und Ir; IrO₂, Ta₂O₅ und Ta, wobei das Ta₂O₅ der oben erwähnten Gruppen gamma-Phasen-Variationen von Ta₂O₅ und (Ta, O) einschließt. Der Ir-Ta-O-Verbundfilm 16 weist eine Dicke 20 im Bereich von etwa 10 bis 500 nm auf.
2 zeigt einen weiteren Aspekt des leitenden Barrierefilms 10 von 1. Die leitende Barriereschicht 10 umfasst weiterhin einen zweiten Barrierefilm 30, enthaltend ein Edelmetall über dem Ir-Ta-O-Verbundfilm 16. Der zweite Barrierefilm 30 verbessert die Ir-Ta-O-Film 16-Grenzfläche zu nachher bzw. später abgeschiedenen Schichten (nicht gezeigt) und begrenzt die Diffusion von Sauerstoff in den Ir-Ta-O-Film 16.
Der zweite Barrierefilm 30 wird ausgewählt aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Iridiumoxid (IrO₂), Rutheniumoxid (RuO₂), Ir, Platin (Pt) und Ruthenium (Ru). Der zweite Barrierefilm 30 weist eine Dicke 32 im Bereich von etwa 10 bis 200 nm auf.
3 veranschaulicht die leitende Barriereschicht 10 von 1 oder 2, enthaltend einen Teil eines ferroelektrischen Kondensators 40. Der ferroelektrische Kondensator 40 umfasst weiterhin einen ferroelektrischen Film 42, der über dem Ir-Ta-O-Film 16 liegt. In einigen Aspekten der Erfindung liegt die zweite Barriereschicht 30 (nicht gezeigt) über dem Ir-Verbundfilm 16. Ein leitender Metallfilm 44 liegt über dem ferroelektrischen Film 42. In dieser Art und Weise ist der ferroelektrische Film 42 dazu in der Lage, Ladungen zu speichern oder die Polarität aufrecht zu erhalten zwischen der oberen Elektrode 44 und der Ir-Ta-O-Elektrode 16. Die obere Elektrode 44 ist eine Edelmetallelektrode, eine Mehrschichtelektrode und ein Ir-Verbundfilm 16 sind alternative Aspekte der Erfindung.
4 veranschaulicht die Flächenwiderstandseigenschaften des Ir-Verbundfilms der vorliegenden Erfindung. Ein 100 nm-Film aus Ta wird auf einem Si-Substrat abgeschieden mit einem 300 nm-Film aus Ir-Ta-O über dem Ta-Film. Versuchsergebnisse zeigen, dass die Ir-Ta-O/Ta/Si-Struktur mindestens 1000°C-Sauerstoffhärten für 5 Minuten ohne Bilden von Hügeln oder Abschälen aushalten kann. Der Flächenwiderstand erhöht sich geringfügig von 500 auf 550°C und beginnt oberhalb 600°C abzunehmen. Ein minimaler Wert wird bei 850°C erhalten, und über 900°C beginnt der Flächenwiderstand anzusteigen. Jedoch ist der 1000°C entsprechende Flächenwiderstand nach wie vor geringer als der Flächenwiderstand vor dem Härten. Das heißt, der Ir-Ta-O-Film bleibt nach einem 1000°C-Sauerstoffhärten für 5 Minuten leitend.
Das Symbol "/", wie hier verwendet, definiert ein Aufschichten von Filmen, so dass Ir/Ta eine Schicht des Ir-Films über einem Ta-Film darstellt. Das Symbol "-", wie hier verwendet, definiert ein Kombination oder Mischung von Elementen, so dass ein Ir-Ta-Film einen Verbundfilm darstellt, der die Elemente Ir und Ta enthält.
5 veranschaulicht Röntgenbeugungsspektren des Ir-Verbundfilms der vorliegenden Erfindung bei einer Vielzahl von Härtungstemperaturen unter 650°C in einer Sauerstoffumgebung für 5 Minuten. Der Ir-Verbundfilm, wie abgeschieden, enthält sehr feines polykristallines Ir. IrO₂ und Ta₂O₅-Peaks sind nicht ersichtlich, aber sie können im amorphen Zustand vorliegen. Während des Sauerstoffhärtens unter 650°C werden keine kristallisierten Ta-Oxid-Peaks beobachtet, während ein gewisser Anstieg in der Intensität entsprechend dem IrO₂ vorliegt. Diese Beobachtung gibt an, dass IrO₂ zu kristallisieren beginnt, und dass die Korngröße der existierenden Kristalle wächst.
6 veranschaulicht Röntgenbeugungsspektren des Ir-Verbundfilms der vorliegenden Erfindung bei einer Vielzahl von Härtungstemperaturen über 650°C in einer Sauerstoffumgebung für 5 Minuten. Über 700°C werden sowohl kristallisierte Ta₂O₅- und stöchiometrische IrO₂-Peaks beobachtet. Dieses Phänomen entspricht einer Abnahme des Flächenwiderstands.
Bei höheren Temperaturen nehmen die IrO₂-Peaks weiter zu, während die Ir-Peaks abnehmen. Über 900°C ist die Intensität der Ir-Peaks sehr schwach, und es ist kein Intensitätsanstieg bei den IrO₂-Peaks ersichtlich. Dieses Auftreten entspricht der Zunahme des Flächenwiderstands über 850°C. Die Intensitätsänderungen in den Ta₂O₅-Peaks sind über 700°C nicht ersichtlich. Weiterhin werden kein Tantalsilicid oder Ir-Silicid beobachtet, was angibt, dass die Barriereeigenschaften des Ir-Verbundfilms sich nicht verschlechtert haben.
7 ist ein Bild einer Querschnittsansicht des Ir-Ta-O-Films der vorliegenden Erfindung über einem Siliciumsubstrat. 7 zeigt die Integrität des Films nach einem 950°C-Sauerstoffhärten für 5 Minuten. Es wurden keine Hügel gebildet und es trat kein Abschälen zwischen den verschiedenen Schichten des Films auf.
8 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte in einem Verfahren zum Bilden einer hochgradig temperaturstabilen leitenden Barriereschicht, wie in einem ferroelektrischen Kondensator verwendet, veranschaulicht. Schritt 100 liefert ein Substrat für einen integrierten Schaltkreis. Das Substrat wird ausgewählt aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Silicium-, Polysilicium-, Siliciumdioxid- und Siliciumgermaniumverbindungen. Schritt 102 scheidet eine erste Barriereschicht ab, enthaltend Tantal (Ta) über dem Substrat. Schritt 102 umfasst das Abscheiden einer ersten Barriere, ausgewählt aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Ta, Tantalsiliciumnitrid (TaSiN) und Tantalnitrid (TaN). Schritt 102 umfasst Abscheiden der ersten Barriereschicht durch Abscheidungsverfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus CVD, PVD und MOCVD. In einigen Aspekten der Erfindung umfasst Schritt 102 das Abscheiden der ersten Barriereschicht, bei etwa Raumtemperatur. Schritt 102 umfasst ebenfalls Abscheiden der ersten Barriereschicht in einer Dicke im Bereich von etwa 10 bis 100 nm.
Schritt 104 scheidet einen Iridium-Tantal-Sauerstoff-(Ir-Ta-O)-Verbundfilm über der ersten Barriereschicht ab. Schritt 104 umfasst das Abscheiden des Ir-Ta-O-Verbundfilms durch Abscheidungsverfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus PVD, CVD und MOCVD. In einigen Aspekten der Erfindung umfasst Schritt 104 das Abscheiden des Ir-Ta-O-Verbundfilms bei etwa Raumtemperatur. Schritt 104 umfasst den Ir-Ta-O-Verbundfilm, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus den folgenden Materialien:
Ir, Ta und Sauerstoff;
Ir, Ta und IrO₂;
Ir, Ta und Ta₂O₅;
IrO₂ und Ta₂O₅;
IrO₂, Ta₂O₅, Ir und Ta;
Ir und Ta₂O₅;
Ta und IrO₂;
IrO₂, Ta₂O₅ und Ir;
IrO₂, Ta₂O₅ und Ta; und
worin das Ta₂O₅ in den oben erwähnten Gruppen gamma-Phasen-Variationen von Ta₂O₅ und (Ta, O) enthält. Schritt 104 umfasst das Abscheiden der Ir-Ta-O-Verbundfilmschicht in einer Dicke im Bereich von etwa 10 bis 500 nm.
Schritt 106 ist ein Produkt, worin eine Mehrschichtstruktur gebildet wird, die gegenüber einer Wechselwirkung mit dem Substrat resistent ist.
In einigen Aspekten der Erfindung umfasst Schritt 104 das Abscheiden des Ir-Ta-O-Verbundfilms durch PVD-Abscheidung. Speziell wird ein Gleichstrom-Co-Sputtern von getrennten Ir- und Ta-Targets in einer Sauerstoffumgebung verwendet. Es versteht sich, dass Argon (Ar) typischerweise in sämtlichen Sputterverfahren verwendet wird, und der Sauerstoff wird mit Ar in einigen Aspekten der Erfindung verwendet. Weiterhin umfasst Schritt 104 das Co-Sputtern sowohl von Ir- als auch Ta-Targets bei einer Leistung im Bereich von etwa 200 bis 400 Watt, und worin das Ar-zu-O₂ Verhältnis etwa 1:X beträgt, wobei X größer oder gleich 1 ist. Die Leistung am Ta-Target ist größer oder gleich der Leistung am Ir-Target. In einigen Aspekten der Erfindung werden multiple Quelltargets ausgewählt aus der Gruppe von Targetmaterialien, bestehend aus Ir, Ta, Zusammensetzungen aus Ir und Ta, Zusammensetzungen aus Ir und Sauerstoff und Zusammensetzungen aus Ta und Sauerstoff. Wenn das Quelltarget Sauerstoff enthält, ist es möglich, einen Ir-Ta-O-Film zu bilden, selbst wenn das Sputtern nicht in einer Sauerstoffumgebung sattfindet.
Alternativ umfasst der Schritt 104 das Abscheiden des Ir-Ta-O-Verbundfilms durch PVD-Abscheidung, Gleichstrom- oder RF(Radiofrequenz)-Sputtern mit einer einzelnen Verbundquelle, Ir-Ta-Target in einer Ar-Umgebung. Das Ir-Ta-Verbundquelltarget ist ausgewählt aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Ta-IrO₂, Ir-Ta₂O₅, IrO₂/Ta₂O₅, Ir/Ta/IrO₂/Ta₂O₅, Ir-IrO₂-Ta₂O₅, Ir-Ta-IrO₂, Ir-Ta-Ta₂O₅, Ta-IrO₂-Ta₂O₅. Wie oben erwähnt, umfasst das Sputterverfahren von Schritt 104 in einigen Aspekten der Erfindung ebenfalls die Verwendung von O₂ genauso wie Ar.
In einigen Aspekten der Erfindung umfasst Schritt 104 das Härten bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 600 und 1000°C für eine Zeitdauer im Bereich von etwa 1 bis 30 Minuten. In dieser Art und Weise wird die Verbundfilmstruktur stabilisiert, während gute Leitfähigkeit aufrechterhalten wird.
Einige Aspekte der Erfindung umfassen einen weiteren Schritt, der Schritt 104 folgt. Schritt 105 (nicht gezeigt) scheidet eine zweite Barriereschicht ab, die ein Edelmetall enthält, die über dem Ir-Ta-O-Verbundfilm liegt, wobei die zweite Barriereschicht der Diffusion von Sauerstoff in den Ir-Ta-O-Film widersteht, und die Ir-Ta-O-Filmgrenzfläche für nachher bzw. später abgeschiedene Materialien verbessert. Schritt 105 umfasst die Abscheidung eines zweiten Barrierefilms, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ir, Ru, IrO₂, Platin (Pt) und RuO₂. Schritt 105 umfasst das Abscheiden der zweiten Barriereschicht in einer Dicke im Bereich von etwa 10 bis 200 nm. Die zweite Barriereschicht durch Abscheidungsverfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus PVD, CVD und MOCVD. In einigen Aspekten der Erfindung umfasst Schritt 105 das Abscheiden der zweiten Barriereschicht bei etwa Raumtemperatur.
9 ist ein Flussdiagramm, das Schritte bei der Bildung eines ferroelektrischen Kondensators unter Verwendung des leitfähigen Barriere-Ir-Verbundfilms der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Schritte 200 bis 204 replizieren die Schritte 100 bis 104 von 8. Wie oben, scheidet ein Schritt 205 (nicht gezeigt) einen zweiten Barrierefilm ab, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ir, Ru, IrO₂, Platin (Pt) und RuO₂. Zusätzliche Schritte folgen. Schritt 206 scheidet ein ferroelektrisches Material ab, das über der Ir-Ta-O-Verbundschicht liegt. Schritt 208 scheidet eine leitfähige obere Elektrode ab, die über dem ferroelektrischen Material liegt. Schritt 210 ist ein Produkt, worin ein ferroelektrischer Kondensator gebildet wurde.
Ein Ir-Verbundfilm wurde bereitgestellt, der beim Bilden einer Elektrode eines ferroelektrischen Kondensators verwendbar ist. Der Verbundfilm umfasst Tantal und Sauerstoff genauso wie Iridium. Der Ir-Verbundfilm widersteht effektiv einer Sauerstoffdiffusion zum Substrat und widersteht einem Hochtemperaturhärten in Sauerstoffumgebungen. Wenn mit einer darunter liegenden Ta- oder TaN-Schicht verwendet, unterdrückt die resultierende leitende Barriere ebenfalls die Diffusion von Ir in irgendeines der darunter liegenden Si-Substrate. Folglich werden die Ir-Silicid-Produkte, die die Elektrodengrenzflächen-Charakteristika verschlechtern, nicht gebildet. Der Ir-Verbundfilm bleibt leitend und widersteht einem Abschälen und einer Hügelbildung während Hochtemperaturhärtungsverfahren, selbst in einer Sauerstoffatmosphäre. Der oben erwähnte Ir-Verbundfilm ist bei Herstellung von nicht flüchtigen Speichern, wie Metall-ferroelektrischem Metalloxidsilicium (MFMOS), Metall-ferroelektrischem Metallsilicium (MFMS), Metall-ferroelektrischem Isolator-Silicium (MIFS), Metallisolatorferroelektrischem Silicium (MIFS), Metall-ferroelektrischem Silicium (MFS), Kondensatoren, pyroelektrischen Infrarotsensoren, optischen Anzeigen, optischen Schaltern, piezoelektrischen Transduktoren und oberflächenakustischen Wellen(SAW)-Vorrichtungen, verwendbar. Zusätzlich ist der Ir-Verbundfilm in anderen Hochtemperatur-Sauerstoffumgebungen verwendbar. Beispielsweise in Raumfahrtanwendungen, wie Material, verwendet bei der Herstellung von Raketenschubdüsen. Andere Variationen und Ausführungsformen sind dem Fachmann im Stand der Technik offensichtlich.

Claims

Hochtemperaturstabile bzw. hochgradig temperaturstabile leitfähige Barriereschicht für einen integrierten Schaltkreis, umfassend: ein Substrat; einen ersten Barrierefilm, enthaltend Tantal (Ta), über dem Substrat; einen Iridium-Tantal-Sauerstoff-(Ir-Ta-O)-Verbundfilm über dem ersten Barrierefilm; wobei der Ir-Ta-O-Verbundfilm nach Hochtemperaturhärtungsprozessen in einer Sauerstoffumgebung leitend bleibt.
Leitende Barriereschicht nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen zweiten Barrierefilm, enthaltend ein Edelmetall, über dem Ir-Ta-O-Verbundfilm, wobei der zweite Barrierefilm die Ir-Ta-O-Grenzfläche zu nachher abgeschiedenen Schichten verbessert und die Diffusion von Sauerstoff in den Ir-Ta-O-Film begrenzt.
Leitende Barriereschicht nach Anspruch 2, worin der zweite Barrierefilm ausgewählt ist aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Iridiumoxid (IrO₂), Rutheniumoxid (RuO₂), Ir, Platin (Pt) und Ruthenium (Ru).
Leitende Barriereschicht nach Anspruch 3, worin der zweite Barrierefilm eine Dicke im Bereich von ungefähr 10 bis 200 nm aufweist.
Leitende Barriereschicht nach Anspruch 1, worin das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Silicium, Polysilicium, Siliciumdioxid und Silicium-Germanium-Verbindungen, wobei die erste Barriereschicht die Bildung von Ir-Silicid-Produkten verhindert.
Leitende Barriereschicht nach Anspruch 1, worin der erste Barrierefilm ausgewählt ist aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Ta, Tantalsiliciumnitrid (TaSiN) und Tantalnitrid (TaN).
Leitende Barriereschicht nach Anspruch 6, worin die erste Barriereschicht eine Dicke im Bereich von ungefähr 10 bis 100 Nanometer (nm) aufweist.
Leitende Barriereschicht nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen ferroelektrischen Film über dem Ir-Ta-O-Film; und einen leitenden Metallfilm über dem ferroelektrischen Film, wobei ein ferroelektrischer Kondensator gebildet wird, der in der Lage ist, Ladungen zwischen der oberen und den Ir-Ta-O-Elektroden zu speichern.
Leitende Barriereschicht nach Anspruch 1, worin der Ir-Ta-O-Verbundfilm ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus den folgenden Materialien: Ir, Ta und Sauerstoff; Ir, Ta und IrO₂; Ir, Ta und Ta₂O₅; IrO₂ und Ta₂O₅; IrO₂, Ta₂O₅, Ir und Ta; Ir und Ta₂O₅; Ta und IrO₂; IrO₂, Ta₂O₅ und Ir; IrO₂, Ta₂O₅ und Ta; und in denen das Ta₂O₅ in den oben erwähnten Gruppen gamma-Phasenvariationen von Ta₂O₅ und (Ta, O) enthält.
Leitende Barriereschicht nach Anspruch 9, worin der Ir-Ta-O-Verbundfilm eine Dicke im Bereich von ungefähr 10 bis 500 nm aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturstabilen bzw. hochgradig temperaturstabilen leitenden Barriereschicht über einem Substrat für integrierte Schaltkreise, worin das Verfahren die Schritte umfasst: a) Abscheiden einer ersten Barriereschicht, enthaltend Tantal (Ta) über dem Substrat; und b) Abscheiden eines Iridium-Tantal-Sauerstoff-(Ir-Ta-O)-Verbundfilms über der ersten Barriereschicht, wobei eine Mehrschichtstruktur gebildet wird, die gegenüber Wechselwirkungen mit dem Substrat widerstandsfähig ist.
Verfahren nach Anspruch 11, umfassend einen auf Schritt b) folgenden weiteren Schritt: c) Abscheiden einer zweiten Barriereschicht, enthaltend ein Edelmetall, über dem Ir-Ta-O-Verbundfilm, wobei die zweite Barriereschicht der Diffusion von Sauerstoff in den Ir-Ta-O-Film widersteht, wodurch die Grenzfläche des Ir-Ta-O-Films gegenüber nachher abgeschiedenen Materialien verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, worin Schritt c) die Abscheidung eines zweiten Barrierefilms, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ir, Ru, IrO₂, Platin (Pt) und RuO₂, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, worin Schritt b) die Abscheidung des Ir-Ta-O-Verbundfilms bis zu einer Dicke im Bereich von etwa 10 bis 500 nm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, worin Schritt c) die Abscheidung einer zweiten Barriereschicht durch Abscheidungsverfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus PVD, CVD und MOCVD, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, worin ein ferroelektrischer Kondensator gebildet wird, umfassend die weiteren Schritte, die auf Schritt c) folgen: d) Abscheiden eines ferroelektrischen Materials über der Ir-Ta-O-Verbundschicht; und e) Abscheiden einer leitenden oberen Elektrode über dem ferroelektrischen Material, wodurch ein ferroelektrischer Kondensator gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, worin Schritt a) die Abscheidung einer ersten Barriere, ausgewählt aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Ta, Tantalsiliciumnitrid (TaSiN) und Tantalnitrid (TaN), umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, worin Schritt a) die Abscheidung der ersten Barriereschicht durch Abscheidungsverfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus CVD, PVD und MOCVD, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, worin Schritt b) die Abscheidung des Ir-Ta-O-Verbundfilms durch Abscheidungsverfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus PVD, CVD und MOCVD, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, worin Schritt b) den Ir-Ta-O-Verbundfilm umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus den folgenden Materialien: Ir, Ta und Sauerstoff; Ir, Ta und IrO₂; Ir, Ta und Ta₂O₅; IrO₂ und Ta₂O₅; IrO₂, Ta₂O₅, Ir und Ta; Ir und Ta₂O₅; Ta und IrO₂; IrO₂, Ta₂O₅ und Ir; IrO₂, Ta₂O₅ und Ta; und in denen das Ta₂O₅ in den oben erwähnten Gruppen gamma-Phasenvariationen von Ta₂O₅ und (Ta, O) enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, worin Schritt b) die Abscheidung des Ir-Ta-O-Verbundfilms etwa bei Raumtemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, worin Schritt c) die Abscheidung der zweiten Barriereschicht etwa bei Raumtemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, worin Schritt a) die Abscheidung der ersten Barriereschicht etwa bei Raumtemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, worin Schritt b) die Abscheidung des Ir-Ta-O-Verbundfilms durch PVD-Abscheidung, Gleichstrom-Cosputtern von getrennten Ir- und Ta-Targets in einer Sauerstoffumgebung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, worin Schritt b) das Cosputtern von sowohl Ir- als auch Ta-Targets bei einer Leistung im Bereich von etwa 200 bis 400 Watt umfasst, und wobei das Ar-zu-O₂-Verhältnis ungefähr 1:X ist, wobei X größer oder gleich 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 25, worin in Schritt b) die Leistung am Ta-Target größer oder gleich der Leistung am Ir-Target ist.
Verfahren nach Anspruch 24, worin Schritt b) ein Härten bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 600 und 1000°C für eine Zeitdauer im Bereich von etwa 1 bis 30 Minuten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, worin Schritt b) die Abscheidung des Ir-Ta-O-Verbundfilms durch PVD-Abscheidung, Sputtern mit einem einzelnen Ir-Ta-Target, einer Verbundquelle, in einer Sauerstoffumgebung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, worin in Schritt b) das Ir-Ta-Target ausgewählt wird aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Ta-IrO₂, Ir-Ta₂O₅, IrO₂/Ta₂O₅, Ir/Ta/IrO₂/Ta₂O₅, Ir-IrO₂ Ta₂O₅, Ir-Ta-IrO₂, Ir-Ta-Ta₂O₅ und Ta-IrO₂-Ta₂O₅.
Verfahren nach Anspruch 11, worin das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Silicium, Polysilicium, Siliciumdioxid und Silicium-Germanium-Verbindungen.