DE69133395T2

DE69133395T2 - Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle für eine integrierte Halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE69133395T2
Application number: DE69133395T
Authority: DE
Inventors: Sakuma Toshiyuki; Miyasaka Yoichi
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2011-11-29
Also published as: EP0488283A3; DE69133395D1; US5498561A; EP0488283B1; JP2601022B2; JPH04206569A; EP0488283A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dynamischen Direktzugriffsspeichers für eine integrierte Halbleiterschaltung und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators einer Speicherzelle mit einer Struktur, bei der der Kondensator nach dem Ausbilden der Bitleitung gebildet wird.
Herkömmlicherweise wird eine Speicherzelle dieser Bauart durch einen einzelnen MOS-Transistor und einen Kondensator mit einer Stapelstruktur gebildet, die aus einem Siliziumoxidfilm und einem Siliziumnitridfilm zusammengesetzt ist und Polysilizium als Elektrode hat. Eine Technik zum Herstellen dieses Kondensators nach der Ausbildung einer Bitleitung ist beispielsweise in "International Electronic Devices Meeting Digest of Technical Papers", 1988, Seite 592–595 beschrieben. Bei dieser Technik werden, nachdem Polysilizium, das als untere Elektrode dient, ausgebildet worden ist, ein Siliziumdioxidfilm und ein Siliziumnitridfilm durch ein thermisches Oxidationsverfahren bzw. ein CVD-(chemische Verdampfungsabscheidung)-Verfahren ausgebildet. Danach wird Polysilizium, das als obere Elektrode dient, aufgeschichtet, wodurch der Kondensator fertiggestellt wird.
Um bei der vorstehenden herkömmlichen Speicherzelle den hohen Grad an Integration der bisherigen integrierten Schaltungen zu erfüllen, muss jedoch die Flächenreduktion des Kondensators durch Senken der Filmdicke des dielektrischen Films und durch effektives Vergrößern der Fläche mittels einer dreidimensionalen Struktur kompensiert werden, bei der der Kondensator unter Verwendung der oberen und Seitenflächen der unteren Elektrode gebildet wird. Da der dielektrische Film zum Ausbilden des herkömmlichen Kondensators aus einem Siliziumoxidfilm und einem Siliziumnitridfilm besteht, ist seine dielektrische Konstante höchstens 7. Daher ist eine extrem dünne Filmdicke (Siliziumoxidfilm) von 10 nm oder darunter notwendig, um den erforderlichen Kondensator zu realisieren. Es ist jedoch sehr schwierig, eine dünne dielektrische Filmschicht mit einer Stromspannungscharakteristik zu erzeugen, die niedriger als ein zulässiger Leckagestrom ist. Zusätzlich wird bei einem Verfahren, bei dem die Elektrodenfläche wirksam durch die dreidimensionale Struktur erhöht wird, ein Leckagestrom erhöht, weil die Filmdicke eines Siliziumoxidfilms vermindert oder elektrische Felder am Ende der unteren Elektrode konzentriert werden. Weiterhin wird es schwieriger, eine Verdrahtung ohne Verbindungsunterbrechungen nach der Ausbildung des Kondensators zu erzeugen, da die physikalische Größe von Stufen durch die dreidimensionale Struktur erhöht worden ist. Dies führt zu einer Verminderung der Ausbeute.
In dem Japanese Journal of Applied Physics; Supplements (18^th Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 20.–22. August 1986), Seiten 257–260, ist von K. Yamada in "Thermodynamical approach to a new high dielectric capacitor structure: W/HfO₂/W" ein Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle offenbart worden, mit einer unteren Elektrode auf einer Halbleiterschicht, einer ersten Isolierzwischenschicht auf der gesamten Oberfläche der Halbleiterschicht, dergestalt, dass nur die oberste Oberfläche der unteren Elektrode freigelegt ist, einem Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten, das auf der unteren Elektrode und auf der Halbleiterschicht vorgesehen ist, und einer oberen Elektrode, die auf dem Dielektrikum vorgesehen ist. Die erste isolierende Zwischenschicht verbleibt auf den Kanten der unteren Elektrode.
Andererseits offenbart die EP-A-0 338 157 die Verwendung von Strontiumtitanat als ferroelektrischem Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstante.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle für eine integrierte Halbleiterschaltung zu schaffen, bei der ein höherer Grad an Integration durch Vermindern der Filmdicke eines dielektrischen Films in einem Kondensator realisiert werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle für eine integrierte Halbleiterschaltung zu schaffen, bei der eine dünne dielektrische Filmschicht mit einer Strom-Spannungs-Charakteristik hergestellt werden kann, die niedriger als ein vorbestimmter Leckagestrom ist.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle für eine integrierte Halbleiterschaltung zu schaffen, bei der eine flache Struktur ohne Vergrößerung der Filmdicke eines Dielektrikums am Ende einer unteren Elektrode realisiert werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle für eine integrierte Halbleiterschaltung zu schaffen, bei der die Verlängerung der Ausbeute infolge von Verbindungsunterbrechungen bei der Verdrahtung, die nach einem Kondensator hergestellt wird, verhindert ist.
Um die vorstehenden Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu lösen, ist ein Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle für eine integrierte Halbleiterschaltung gemäß dem Patentanspruch 1 geschaffen. Der Patentanspruch 2 bezieht sich auf einen vorteilhaften Aspekt der Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1A bis 1E sind Schnittansichten der Herstellungsschritte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Die 1A bis 1E zeigen die Herstellungsschritte gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform werden nach dem Ausbilden einer Bitleitung Polysilizium, ein oder mehrere Arten von Sperrmetallen, ein Dielektrikum und eine obere Elektrode nacheinander übereinander geschichtet, um einen Kondensator herzustellen. In diesem Fall wird, nachdem Materialien bis zu dem Sperrmetall als untere Elektrode ausgebildet worden sind, eine isolierende Zwischenschicht so ausgebildet, dass die Oberfläche der unteren Elektrode freigelegt ist. Danach werden ein Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und die obere Elektrode nacheinander schichtartig aufgebracht, um den Kondensator herzustellen. Bezugnehmend auf 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Wortleitung entsprechend dem Gate eines Transistors, bestehend aus Polysilizium; die Bezugsziffer 2 bezeichnet Diffusionsschichten entsprechend der Source und dem Drain des Transistors; die Bezugsziffer 4 ein Siliziumsubstrat; die Bezugsziffer 5 eine isolierende Zwischenschicht, die Bezugsziffer 6 ein Polysilizium, das als untere Elektrode des Kondensators dient; die Bezugsziffer 7 ein Sperrmetall; die Bezugsziffer 8 eine isolierende Zwischenschicht; die Bezugsziffer 9 ein Fotoresist; die Bezugsziffer 10 Strontiumtitanat; und die Bezugsziffer 11 eine obere Elektrode.
Die 1A zeigt einen Schnitt, der erhalten wird, nachdem ein Transistorteil der Speicherzelle in einer Halbleiterschicht ausgebildet worden ist, bestehend aus dem Siliziumsubstrat 4 und der isolierenden Zwischenschicht 5. Als Nächstes ist in der 1B die Reihenfolge gezeigt, um eine untere Elektrode des Kondensators zu bilden, ein Kontaktloch 5a, welches die Diffusionsschicht erreicht, ist in der isolierenden Zwischenschicht 5 mittels eines allgemein bekannten Fotolithografie- und Plasma-Ätzverfahrens ausgebildet worden. Danach wird Polysilizium 6 durch ein LPCVD-Verfahren ausgebildet und Phosphor wird diffundiert, um den Widerstand an diesem Ort auf 13 bis 100 Ω/σ zu senken. Tantal und Platin werden nacheinander aufgeschichtet, um eine Dicke von jeweils 10 bis 100 nm zu haben, wodurch das Sperrmetal 17 gebildet wird. Darauf folgend wird, wie in der 1C gezeigt, das Sperrmetal 17 und das Polysilizium 6 in einer vorbestimmten Form als untere Elektrode mittels Fotolithografie und Plasmaätzen geformt. Nachdem die isolierende Zwischenschicht aufgeschichtet worden ist, erfolgt die Beschichtung mit Fotoresist 9. Danach wird, wie in der 1D gezeigt, mittels Plasmaätzen, hauptsächlich unter Verwendung von CF₄-Gas, bei dem das Fotoresist 9 und die isolierende Zwischenschicht 8 mit gleicher Ätzrate weggeätzt werden, ein Ätzen solange durchgeführt, bis die Oberfläche des Sperrmetalls 7 auf der gleichen Höhe wie die isolierende Zwischenschicht 8 freigelegt ist. Darauf folgend wird, wie in der 1E gezeigt, der Strontiumtitanatfilm 10 als ein Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstante mittels eines Radiofrequenz-Sputterverfahrens mit einer Dicke von 50 bis 200 nm aufgebracht, und Polysilizium wird als obere Elektrode 11 durch das LPCVD-Verfahren ausgebildet.
Alternativ wird, nachdem das Dielektrikum aufgeschichtet worden ist, um temporär eine große Dicke zu haben, ein Zurückätzen durchgeführt, um eine dielektrische Schicht zu bilden. Daher kann eine flache Struktur ohne Vermindern der Schichtdicke des Dielektrikums an der Kante der unteren Elektrode realisiert werden. Zusätzlich ermöglicht ein kleiner Leckagestrom die Realisierung des Kondensators mit einer hohen Kondensatordichte.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Kondensators einer Speicherzelle, die aus einem MOS-Transistor und einem Kondensator besteht, für eine integrierte Halbleiterschaltung mit den Schritten: a) Ausbilden einer unteren Elektrode (6, 7) mit einer vorgegebenen Form auf einer Halbleiterschicht (4, 5), b) Ausbilden einer ersten isolierenden Zwischenschicht (8) auf der gesamten Oberfläche der Halbleiterschicht, wobei die erste isolierende Zwischenschicht die untere Elektrode bedeckt, c) Ausbilden eines Fotoresists (9) auf der gesamten Oberfläche der ersten isolierenden Zwischenschicht (8), d) Ätzen des Fotoresists (9) und der ersten isolierenden Zwischenschicht (8) mit einer gleichen Ätz-Rate, so daß nur die gesamte obere Fläche der unteren Elektrode (6, 7) auf dem gleichen Niveau wie die isolierende Zwischenschicht freigelegt wird, e) Ausbilden eines Strontiumtitanat-Dielektrikums (10) durch Radiofrequenz-Sputterverfahren auf der freigelegten oberen Fläche der unteren Elektrode (7) und auf der isolierenden Schicht und f) Ausbilden einer oberen Elektrode (11) auf dem Strontiumtitanat-Dielektrikum, wobei die obere Elektrode mit der unteren Elektrode über das Strontium-Titanat-Dielektrikum einen Kondensator bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die untere Elektrode aus Polysilizium besteht, auf dessen Oberfläche ein Sperrmetall (7) gestapelt ist, und wobei die erste isolierende Zwischenschicht (9) auf demselben Niveau wie das Sperrmetall (7) gebildet wird.