DE69317940T2

DE69317940T2 - Halbleiterbauelement mit Kondensator

Info

Publication number: DE69317940T2
Application number: DE69317940T
Authority: DE
Inventors: Koichi Osaka 533 Arita; Eiji Osaka 567 Fujii; Shinitirou Osaka 569 Hayashi; Atsuo Otokuni-Gun Kyoto 618 Inoue; Masaki Osaka 573 Kibe; Akihiro Osaka 565 Matsuda; Tooru Kyoto-Shi Kyoto 604 Nasu; Tatsuo Osaka 569 Ootsuki; Yasuhiro Osaka 569 Shimada; Yasuhiro Osaka 569 Uemoto
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1992-06-12
Filing date: 1993-06-14
Publication date: 1998-11-26
Anticipated expiration: 2013-06-15
Also published as: EP0574275B1; EP0574275A1; US6126752A; US5717233A; DE69333864T2; EP0789395B1; US6080617A; EP0789395A2; DE69317940D1; DE69333864D1; EP0789395A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem eine dielektrische Schicht nutzenden Kondensator und dessen Herstellungsverfahren.
In letzter Zeit werden im Trend höherer Geschwindigkeit und niedrigeren Stromverbrauches von Halbleiterbauelementen wie etwa Mikrocomputern und Digitalsignal-Prozessoren, die Elektronikanwendungen für Verbraucher immer leistungsfähiger, während die von diesen Anwendungen erzeugte Fremdemission, beispielsweise das elektromagnetische Rauschen, ernsthafte Probleme aufwirft. Folglich sind Maßnahmen gegen diese Fremdemission nicht nur in elektronischen Anwendungen sondern auch für die in ihnen verwendeten Halbleiterbauelemente gefordert worden. Die wirksamste Maßnahme gegen Fremdemission in einem Halbleiterbauelement ist die Installation eines Kondensators mit großer Kapazität zwischen Vorspannungsleitung und Erdleitung, wobei bisher ein Kondensator außerhalb des Halbleiterbauelements angeschlossen wurde.
Andererseits sind in der letzten Zeit ein einfach aufgebauter, energieunabhängiger RAM-Speicher mit einem eine ferroelektrische Schicht verwendenden Kondensator sowie ein dynamischer RAM-Speicher entwickelt worden, der einen aus einer dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante als Haltekapazität hergestellten Kondensator verwendet.
Ein normales Halbleiterbauelement mit Kondensator wird unten speziell erläutert. Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht eines repräsentativen Halbleiterbauelements. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 ein Halbleitersubstrat, wobei der auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildete integrierte Schaltkreis in der Zeichnung weggelassen ist. Auf dem Halbleitersubstrat 1 ist eine Isolierschicht 2 gebildet. Auf dieser Isolierschicht 2 sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellte Metallverbindungen 3, 4, 5 ausgebildet. Auf diesen Metallverbindungen 3, 4, 5 ist eine Isolierschicht 6 gebildet, wobei in dieser Isolierschicht 6 eine untere Elektrode 9, eine ferroelektrische Schicht 10 und eine obere Elektrode 11 ausgebildet sind, und die untere Elektrode 9 durch eine Kontaktöffnung 8 mit der Metallverbindung 4 und die obere Elektrode 10 durch eine Kontaktöffnung 7 mit der Metallverbindung 3 verbunden ist.
In Fig. 1 ist, vorausgesetzt, daß die Metallverbindung 3 die Vorspannungsleitung Vss und die Metallverbindung 4 die Vorspannungsleitung Vdd ist, ein Kondensator mit der unteren Elektrode 9, einer ferroelektrischen Schicht 10 und der oberen Elektrode 11 zwischen Vorspannungsleitung Vss und Vorspannungsleitung Vdd eingesetzt.
Ein Herstellungsverfahren des herkömmlichen Halbleiterbauelementes mit Kondensator gemäß Fig. 1 wird weiter unten beschrieben. Auf der Isolierschicht 2 des Halbleitersubstrats 1, auf dem die Schaltkreise und anderes ausgebildet sind, ist durch Sputtern oder durch ein anderes Verfahren eine metallische Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. Diese metallische Schicht wird durch gewöhnliche Fotoätzung geätzt, und es werden Metallverbindungen 3, 4, 5 gebildet. Folglich wird die Isolierschicht 6 auf der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 durch CVD-Verfahren gebildet, wobei die Kontaktöffnungen 7, 8 in speziellen Bereichen dieser Isolierschicht 6 durch Fotoätzung gebildet sind. Anschließend wird auf der Isolierschicht 6 eine Metallschicht ausgebildet, die fotogeätzt wird, um die untere Elektrode 9 zu bilden. Die ferroelektrische Schicht 10 wird einschließlich des oberen Teils der unteren Elektrode 9 durch Sputtern gebildet. Nach Entfernung der ferroelektrischen Schicht 10 in der Kontaktöffnung 7 wird eine Aluminiumschicht oder Schicht aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet, und die obere Elektrode 11 wird durch Fotoätzung gebildet.
In diesem normalen Halbleiterbauelement mit Kondensator ist es notwendig, daß das Material der unteren Elektrode 9 nicht mit der metallischen Verbindung 4 während der Wärmebehandlung der ferroelektrischen Schicht 10 reagieren sollte, da die ferroelektrische Schicht 10 in einem Kontaktzustand der unteren Elektrode 9 mit der metallischen Verbindung 4 des integrierten Schaltkreises gebildet ist, und daß Isolierschicht 6 und ferroelektrische Schicht 10 fest aneinander haften sollten. Tatsächlich ist es schwierig, das Material auszuwählen, welches diese Bedingungen erfüllt. Wenn für die Metallverbindungen 3, 4, 5 Aluminium und für die untere Elektrode 9 ebenfalls Aluminium verwendet wird, ist zum Beispiel die Anpassung an ihre wechselseitige Beziehung und die Adhäsion mit der Isolierschicht 6 ausgezeichnet, wenn aber oxidisches, ferroelektrisches Material beispielsweise BaTiO&sub3; und PZT als ferroelektrische Schicht 10 verwendet wird, reagieren Aluminium und die ferroelektrische Schicht 10 miteinander, und folglich verändert sich die Kapazität des Kondensators.
Daneben sind in einem solchen herkömmlichen Halbleiterbauelement mit Kondensator die Metallverbindungen 3, 4, 5 bereits beim Formen der ferroelektrischen Schicht 10 gebildet, und ein Teil der Metallverbindungen 3, 4, 5 steht mit der Diffusionsschicht (in Fig. 1 nicht dargestellt) des Halbleitersubstrates 1 in Kontakt, und deshalb kann die ferroelektrische Schicht 10 nicht bei hoher Temperatur behandelt werden. Das heißt, wenn die Metallverbindungen 3, 4, 5 aus Aluminium bestehen und das Halbleitersubstrat 1 ein Siliziumsubstrat ist, kann beim Erhitzen auf 450ºC oder höher Aluminium in die Diffusionsschicht in Spitzen eindringen, um die Diffusionsschicht zu durchdringen.
In einem herkömmlichen Halbleiterbauelement mit Kondensator wird darüber hinaus nach gleichzeitiger Ausbildung der Kontaktlöcher 7 und 8 auf der Isolierschicht 6 die untere Elektrode 9 und anschließend die ferroelektrische Schicht 10 gebildet. Deshalb wird während der Wärmebehandlung der ferroelektrischen Schicht 10 das Reaktionsprodukt infolge der Reaktion zwischen ferroelektrischer Schicht 10 und Metallverbindung 3 auf der Bodenseite der Kontaktöffnung 7 ausgebildet. Dieses Reaktionsprodukt bleibt auch übrig, wenn die ferroelektrische Schicht 10 entfernt wird, was einen Kontaktfehler zwischen der Metallverbindung 3 und der oberen Elektrode 11 zur Folge haben kann.
Andererseits müssen in dem Verfahren, wo zuerst die Kontaktöffnung 8 und dann die Kontakt-ffnung 7 geformt wird, nachdem die ferroelektrische Schicht 10 gebildet ist, sowohl die ferroelektrische Schicht 10 als auch die Isolierschicht 6 geätzt werden, wobei aber die Ätzflüssigkeit, die beide Ätzbedingungen erfüllt, abweicht und das Verfahren kompliziert ist.
Kondensatoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind aus der EP-A-192 989 bekannt.
Daher ist es eine wesentliche Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement vorzuschlagen, das einen Kondensator mit hoher Zuverlässigkeit aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiterbauelements einzuführen, ohne den auf dem Substrat gebildeten Schaltkreis zu verschlechtern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleiterbauelement vorgesehen
mit einem integrierten Schaltkreis;
einer Isolierschicht, die auf dem integrierten Schaltkreis ausgebildet ist;
einem Kondensator, der aufweist eine untere Elektrode, die aus einer leitfähigen Schicht besteht, die auf der Isolierschicht ausgebildet ist, eine dielektrische Schicht, die zumindest auf der unteren Elektrode ausgebildet ist, und eine obere Elektrode, die aus einer leitfähigen Schicht besteht, die auf der dielektrischen Schicht ausgebildet ist;
einer Schutzschicht, die auf dem Kondensator ausgebildet ist, wobei die Schutzschicht zumindest eine Kontaktöffnung, die sich zu der unteren Elektrode erstreckt und zumindest eine Kontaktöffnung hat, die sich zu der oberen Elektrode erstreckt;
und Metallverbindungen, die durch die Kontaktöffnungen mit der oberen Elektrode und der unteren Elektrode verbunden sind;
dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht eine ferroelektrische Schicht ist, und daß entweder die obere Elektrode oder die untere Elektrode mit einer Vorspannungsleitung des integrierten Schaltkreises verbunden ist und die andere Elektrode mit einer Erdleitung des integrierten Schaltkreises verbunden ist, um so Fremdemissionen zu vermindern, indam diese zu der Erdleitung abgeleitet werden, und daß zumindest die eine Kontaktöffnung, die sich zu der oberen Elektrode erstreckt an einem Abschnitt der oberen Elektrode angeordnet ist, der die untere Elektrode nicht überdeckt.
Da der Kondensator in einem vom integrierten Schaltkreis unabhängigen Zustand gebildet ist, kann nach diesem Aufbau die untere Elektrode aus einem optimalen Werkstoff hergestellt seinf der in Bezug auf die dielektrische Schicht unterhalb der unteren Elektrode ausgewählt wird. Deshalb kann ein günstiger Kondensator gebildet werden, dessen Kapazitätsschwankung klein ist.
Daneben kann die dielektrische Schicht auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt werden, da der Herstellungsvorgang des Kondensators einschließlich der Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht in einem Zustand geführt wird, bei dem der integrierte Schaltkreis auf dem Substrat bereits ausgebildet ist, jedoch die Metallverbindungen noch nicht gebildet sind, und eine dielektrische Schicht mit großer Dielektrizitätskonstante gebildet werden kann.
Außerdem kann im Aufbau gemäß der Erfindung die erste Kontaktöffnung, die in der auf dem Substrat gebildeten Isolierschicht vorgesehen ist, und die zweite Kontaktöffnung, die auf der zum Schutz des Kondensators gebildeten Isolierschicht vorgesehen ist, ausgebildet werden, wobei die Metallverbindungen direkt nach Ausbildung der Kontaktöffnungen gebildet werden können, deren Inneres nicht verunreinigt wird, und ein günstiger elektrischer Kontakt leicht realisiert werden kann. Vor dem Formen der ersten Kontaktöffnung und der zweiten Kontaktöffnung wird die dielektrische Schicht in einem Muster geformt, wobei deshalb die Kontaktöffnungen nur durch Ätzen der im normalen Halbleiterbauelement verwendeten Nitridschicht oder Oxidschicht gebildet werden können, so daß der Herstellungsvorgang nicht kompliziert ist.

Kurze Beschreibung der begleitenden Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine Teilschnittansicht, die den Aufbau wesentlicher Teile eines herköminlichen Halbleiterbauelements mit Kondensator darstellt;
Fig. 2 eine Teilschnittansicht, die den Aufbau wesentlicher Teile eines Halbleiterbauelements mit Kondensator in einem Beispiel 1 der Anmeldung zeigt;
Fig. 3 eine Teilschnittansicht, die den Aufbau des Kondensators eines Halbleiterbauelements in einem Beispiel 2 der Anmeldung zeigt, in welchem das Ende der oberen Elektrode dieses Halbleiterbauelementes an einer vom Ende der unteren Elektrode entfernten Position ausgebildet ist;
Fig. 4 eine Teilschnittansicht, die den Aufbau des Kondensators eines gegenüber dem Beispiel 2 modifizierten Halbleiterbauelementes 2 zeigt, in welchem die dielektrische Schicht dieses Halbleiterbauelements über das Ende der unteren Elektrode hinaus ausgebildet ist;
Fig. 5 eine Teilschnittansicht, die den Aufbau des Kondensators eines gegenüber dem Beispiel 2 modifizierten anderen Halbleiterbauelementes darstellt, in welchem das Ende der oberen Elektrode dieses Halbleiterbauelementes zwischen dem schräg abfallenden Teil in der Stufe des Substrates und dem Ende der unteren Elektrode angeordnet ist;
Fig. 6 eine Teilschnittansicht, die den Aufbau des Kondensators eines Halbleiterbauelementes in einem Beispiel 3 der Anmeldung darstellt, in welchem die obere Elektrode und Metallverbindungen des Halbleiterbauelementes durch eine leitfähige Schicht verbunden sind&sub1; die hauptsächlich aus Titan besteht, die so geformt ist, daß sie Kontaktöffnungen enthält;
Fig. 7 eine Schnittansicht, die den Aufbau des Kondensators eines Halbleiterbauelementes darstellt, der gegenüber dem Beispiel 3 modifiziert ist, in welchem die obere Elektrode und Metallverbindungen durch eine haudtsächlich aus Titan bestehende leitfähige Schicht verbunden sind, die an der oberen Elektrode ausgebildet ist;
Fig. 8 eine Teilschnittansicht, die den Aufbau eines Halbleiterbauelements in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, in welchem die zur oberen Elektrode führende Kontaktöffnung, die auf der Isolierschicht zum Schutz des Kondensators ausgebildet ist, in einer Position gebildet ist, in der sie sich nicht mit der unteren Elektrode überdeckt;
Fig. 9 bis 16 Teilschnittansichten, die ein Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelementes mit Kondensator darstellen, wobei Fig. 9 ein Schema ist, das den Zustand der Formung einer leitfähigen Schicht als unterer Elektrode, Fig. 10 den Zustand der Formung der dielektrischen Schicht, Fig. 11 den Zustand der Formung einer leiitfähigen Schicht als oberer Elektrode, Fig. 12 den Zustand der Formung der oberen Elektrode und der dielektrischen Schicht, Fig. 13 den Zustand der Formung der unteren Elektrode und den Zustand der Entfernung des Rückstandes der dielektrischen Schicht, Fig. 14 den Zustand der Formung einer Schutzschicht zum Schutz des Kondensators, Fig. 15 den Zustand der Formung von Kontaktöffnungen in der Schutzschicht und der isolierenden Zwischenschicht und Fig. 16 den Zustand der Formung der Metallverbindungen darstellen;
Fig. 17 die schematische Ansicht einer Formvorrichtung der dielektrischen Schicht im Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelementes mit Kondensator gemäß der Erfindung.
Beschreibung der Beispiele und der bevorzugten Ausführung

Beispiel 1

In Fig. 2 bezeichnet die Bezugszahl 11 ein Siliziumsubstrat des N-Typs, wobei auf diesem N-Typ-Siliziumsubstrat 11 ausgebildet sind eine P-Typ-Potentialmulde 12, ein Isolationsbereich 13 zur Isolierung von Schaltkreiselementen in der P-Typ-Potentialmulde 12, ein Isolationsbereich 14 zur Isolierung von Schaltkreiselementen im Siliziumsubstrat 11, eine isolierende Oxidschicht 15, die aus einer dicken Siliziumoxidschicht besteht, eine Gate- Elektrode 16 sowie eine Diffusionsschicht 17 des N-Typs und eine Diffusionsschicht 18 des P-Typs, die einen Transistor bilden.
Die Bezugszahl 19 ist eine isolierende Zwischenschicht, die aus einer auf dem N-Typ-Siliziumsubstrat 11 gebildeten Siliziumoxidschicht oder dergleichen besteht, wobei in dieser isolierenden Zwischenschicht 19 Kontaktöffnungen 20a, 20b ausgebildet sind. Auf dieser isolierenden Zwischenschicht 19 sind durch die Kontaktöffnungen 20a, 20b hindurch Metallverbindungen 21a, 21b aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet, die an die N-Typ-Diffusionsschicht 17 und die P-Typ-Diffusionsschicht 18 angeschlossen sind.
Auf der isolierenden Zwischenschicht 19 ist ein Kondensator gebildet, der aus einer unteren Elektrode 22 beispielsweise einer Platinschicht, einer dielektrischen Schicht 23, die eine hohe Dielektrizitätskonstante wie Ba1+xSrxTiO&sub3; (0≤X≤1) besitzt und einer oberen Elektrode 24 aus Platin oder dergleichen besteht, wobei auf diesem Kondensator eine Schutzschicht 25 wie eine Siliziumoxidschicht und eine Siliziumnitridschicht ausgebildet ist.
Auf der Schutzschicht 25 des Kondensators sind Kontaktöffnungen 26a, 26b ausgebildet, wobei aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellte Metailverbindungen 27, 28 auf dieser Schutzschicht 25 gebildet sind, um jeweils durch die Kontaktöffnungen 26a, 26b an die obere Elektrode 24 und die untere Elektrode 22 angeschlossen zu werden.
Gemäß einem solchen Aufbau des Ausführungsbeisdiels 1 ist der Kondensator auf der isolierenden Zwischenschicht 19 unabhängig von dem auf dem Siliziumsubstrat 11 gebildeten integrierten Schaltkreis ausgebildet, wobei nach einer Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht 23 die Metallverbindungen 21a, 21b, 27 und 28 gebildet werden, und deshalb der Werkstoff für die untere Elektrode 22 aus einem breiten Bereich ausgewählt werden kann. Das heißt, daß der Werkstoff für die untere Elektrode 22 nur in bezug auf die isolierende Zwischenschicht 19 und die dielektrische Schicht 23 ausgewählt werden kann. Darüber hinaus kann die dielektrische Schicht 23 bei einer höheren Temperatur als der Legierungstemperatur von Aluminium und Silizium behandelt werden, da die dielektrische Schicht 23 erwärmt wird, bevor die Metallverbindungen 21a, 21b, 27 und 28 gebildet werden. Deshalb kann im Vergleich zum Stand der Technik eine in den elektrischen Eigenschaften ausgezeichnete dielektrische Schicht 23 erzielt werden.
Darüber hinaus kann die Temperatur der Wärmebehandlung zur Verbesserung der Schnittstelle von Metailverbindung 21a und N-Typ Diffusionsschicht 17 sowie der Schnittstelle zwischen Metallverbindung 21b und P-Typ Diffusionsschicht 17 die gleiche sein wie im Herstellungszustand des gewöhnlichen integrierten Schaltkreises (450ºC oder weniger), da die Metallverbindungen 21a, 21b, 27 und 28 nach der Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht 23 gebildet werden, wobei der ergänzte Vorgang zur Einbeziehung des Kondensators den integrierten Schaltkreis nicht verschlechtern wird.

Beispiel 2

In den Fig. 3, 4 und 5 sind Transistoren und andere Schaltkreiselemente zur Zusammensetzung der integrierten Schaltkreise auf einem Siliziumsubstrat 31 abseits vom Kondensator gebildet, wobei aber in den Zeichnungen Transistoren und andere, nicht direkt auf die Erläuterung des Beispiels 2 bezogene, Teile und ihre modifizierten Halbleiterbauelemente nicht dargestellt sind. Das Siliziumsubstrat 31 weist eine Stufe 31a auf, die beim Formvorgang des integrierten Schaltkreises ausgebildet wird, wobei auf der Oberfläche dieses Siliziumsubstrates 31 eine isolierende Zwischenschicht 31b beispielsweise eine Siliziumoxidschicht gebildet ist. Auf dieser isolierenden Zwischenschicht 31b ist der Kondensator gebildet.
Der Kondensator besteht aus der unteren Elektrode 22 beiscieisweise einer Platinschicht, der dielektrischen Schicht 23, die eine hohe Dielektrizitätskonstante wie Ba1-xSrxTiO&sub3; (0≤X≤1) besitzt, und der oberen Elektrode 24, beispielsweise einer Platinschicht. Auf der Oberfläche des Kondensators ist eine Schutzschicht 25, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht und eine Siliziumnitridschicht, ausgebildet.
In der Schutzschicht 25 des Kondensators sind Kontaktöffnungen 26a, 26b geformt, ir denen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellte Metallverbindungen 27 und 28 gebildet sind, die jeweils an die obere Elektrode 24 und die untere Elektrode 22 angeschlossen werden.
Die Einzelheiten dieser Strukturen werden anschließend unten erläutert, während Bezug auf die Fig. 3, 4 und 5 genommen wird.
Gemäß den Fig. 3, 4 und 5 ist die Anordnung in jeder Struktur so, daß sich das Ende der unteren Elektrode 22 und das Ende der oberen Elektrode 24 in entfernten Positionen befinden. Durch diese Zusammensetzung wird eine Spannung infolge der während der Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht 23 erzeugten thermischen Ausdehnung der unteren Elektrode 22 und der oberen Elektrode 24 verteilt und verringert, wobei ein Zerbrechen der dielektrischen Schicht 23 und der isolierenden Zwischenschicht 31b verhindert werden kann, so daß die Zuverlässigkeit verbessert wird.
Daneben wird gemäß Fig. 4 in dem Aufbau, in welchem die dielektrische Schicht 23 über das Ende der unteren Elektrode 22 hinaus gebildet ist, eine Wirkung herbeigeführt, die den Stromaustritt am Ende der dielektrischen Schicht 23 im Vergleich zu dem Aufbau gemäß Fig. 3 verringert, obwohl das Herstellungsverfahren komplizierter ist als im Aufbau gemäß FIG. 3.
Darüber hinaus kann die Spannungskonzentration bei Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht 23 gemäß Fig. 5 abgeschwächt werden durch eine aufeinanderfolgende Anordnung des Endes der dielektrischen Schicht 23, des Endes der oberen Elektrode 24 und des Endes der unteren Elektrode 22 von der Stufe 31a des Siliziumsubstrates 31.

Beispiel 3

In den Fig. 6 und 7 sind Transistoren und andere Schaltkreiselemente zum Zusammensetzen der integrierten Schaltkreise auf einem Siliziumsubstrat 41 abseits vom Kondensator gebildet, wobei aber die anderen, nicht direkt auf die Erläuterung des Beispiels 3 bezogenen Teile und ihre modifizierten Halbleiterbauelemente in den Zeichnungen nicht dargestellt sind. Das Siliziumsubstrat 41 weist eine darauf ausgebildete isolierende Zwischenschicht 41b, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht, auf, wobei auf dieser isolierenden Zwischenschicht 41b ein Kondensator gebildet ist. Der Kondensator besteht aus der unteren Elektrode 22, beispielsweise einer Platinschicht, einer dielektrischen Schicht 23, die eine hohe Dielektrizitätskonstante wie Ba1-xSrxTiO&sub3; (0≤x≤1) besitzt, und der oberen Elektrode 24, beispielsweise einer Platinschicht. Auf der Oberfläche des Kondensators ist eine Schutzschicht 25, wie eine Siliziumoxidschicht und Siliziumnitridschicht, gebildet.
In der Schutzschicht 25 des Kondensators sind Kontaktöffnungen 26a, 26b ausgebildet, durch welche die obere Elektrode 24 und die untere Elektrode 22 sowie aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellte Metallverbindungen 27 und 28 durch die hauptsächlich aus Titan bestehenden leitfähigen Schichten 29a und 29b wechselseitig angeschlossen sind.
In dem in Fig. 6 gezeigten Aufbau sind die hauptsächlich aus Titan bestehenden leitfähigen Schichten 29a, 29b auf der die Kontaktöffnungen 26a, 26b enthaltenden Schutzschicht 25 ausgebildet, wobei durch diese leitfähiaen Schichten 29a, 29b die Metallverbindung 27 mit der oberen Elektrode 24 und die Metallverbindung 28 mit der unteren Elektrode 22 verbunden ist. Durch diese Zusammensetzung kann während der Wärmebehandlung der Metallverbindungen 27 und 28 nach deren Bildung die Reaktion zwischen den Metallverbindungen 27, 28 und der oberen Elektrode 24 und der unteren Elektrode 22 durch die hauptsächlich aus Titan bestehenden leitfähigen Schichten 29a, 29b verhindert werden, so daß die Zuverlässigkeit verbessert werden kann und gleichzeitig die Werkstoffe für die obere Elektrode 24 und die untere Elektrode 22 aus einem breiteren Bereich ausgewählt werden können.
In dem in Fig. 7 gezeigten Aufbau ist darüber hinaus die hauptsächlich aus Titan bestehende leitfähige Schicht 29a an der oberen Elektrode 24 ausgebildet, wobei die Metallverbindung 27 durch die leitfähige Schicht 29a an die obere Elektrode 24 und die Metallverbindung 28 direkt an die untere Elektrode 22 angeschlossen ist. Bei einem solchen Aufbau tritt zwischen oberer Elektrode 24 und Schutzschicht 25 bei einer Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht 23 oder bei einer Wärmebehandlung der Metallverbindungen 27, 28 keine Trennung auf, da die hauptsächlich aus Titan bestehende leitfähige Schicht 29a fest mit der oberen Elektrode 24 und der Schutzschicht 25 verbunden ist.

Ausführungsbeispiel

Fig. 8 zeigt den Kondensatoraufbau des gegenüber dem Beispiel 1 modifizierten Halbleiterbauelementes nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 8 sind die gleichen Teile wie die in dem in der Fig. 2 gezeigten Beispiel 1 mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet, wobei ihre Erläuterungen weggelassen sind. Auf der isolierenden Zwischenschicht 19 ist ein Kondensator gebildet, und in diesem Fall sind die dielektrische Schicht 23 und die obere Elektrode 24 über das Ende der unteren Elektrode 22 hinaus ausgebildet. Darüber hinaus ist zur Verbindung der oberen Elektrode 24 und der Metallverbindung 27 in der Schutzschicht 25 des Kondensators eine Kontaktöffnung 26a an einer Position vorgesehen, die nicht die untere Elektrode 22 überdeckt. Der Kondensator ist in einem überdeckten Bereich der unteren Elektrode 22 und der oberen Elektrode 24 durch die dielektrische Schicht 23 ausgebildet, und deshalb sind die auf den Kondensator aufgebrachten Einwirkungen beim Formen der Kontaktöffnungen 26a, 26b und der oberen Elektrode klein, und die Zuverlässigkeit ist verbessert.

Beispiel 4

Fig. 9 bis 16 sind Zeichnungen zur Erläuterung eines Beispiels des Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes mit Kondensator.
Gemäß Fig. 9 sind auf einem Siliziumsubstrat 51 eine isolierende Oxidschicht 52, die aus einer dicken Siliziumoxidschicht zur Isolierung eines Transistorbereiches besteht, eine aus einer polykristallinen Siliziumschicht bestehende Gate-Elektrode 53, eine Stromleiterverdrahtung 54, die aus einer polykristallinen Siliziumschicht besteht, eine Diffusionsschicht 55 und eine isolierende Zwischenschicht 56, die aus einer Siliziumoxidschicht besteht, gebildet. Die Oberfläche der isolierenden Zwischenschicht 56 ist wellenförmig infolge der Wirkungen der unterhalb der isolierenden Zwischenschicht 56 ausgebildeten Gate- Elektrode 53 und der Stromleiterverdrahtung 54. Auf einer derart zusammengesetzten isolierenden Zwischenschicht 56 de& integrierten Schaltkreises ist eine aus einer Titanschicht 57 und einer Platinschicht 57b bestehende Mehrlagenschicht als untere Elektrode 57 ausgebildet.
Als nächstes wird gemäß Fig. 10 auf der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrates 51 eine dielektrische Schicht 58a, die eine hohe Dielektrizitätskonstante wie Ba1-xSrxTiO&sub3; (0≤x≤1) besitzt, durch an sich bekannte Weise beschichtet und erwärmt.
Folglich ist gemäß Fig. 11 auf der gesamten oberen Fläche der dielektrischen Schicht 58a eine Platinschicht 59a als obere Elektrode 59 ausgebildet.
Anschließend wird gemäß Fig. 12 ein Abdeckmuster 60 auf der Platinschicht 59a ausgebildet, und durch Verwendung dieses Abdeckmusters als Maske werden Platinschicht 59a und dielektrische Schicht 58a nacheinander geätzt sowie die obere Elektrode 59 und die dielektrische Schicht 58 gebildet. Gleichzeitig wird der Rückstand 58b der dielektrischen Schicht 58 in der Ausnehmung der isolierenden Zwischenschicht 56 oftmals übriggelassen, und wenn dieser Rückstand 58b übriggelassen wird, kann beim Formen der Kontaktöffnungen 64a, 64b in einem späteren Vorgang ein Kontaktfehler auftreten.
Nach Entfernung des Abdeckmusters 60 wird gemäß Fig. 13 auf der Platinelektrode 57b erneut ein Abdeckmuster 61 gebildet, um den Kondensator abzudecken, wobei die Platinschicht 57b und die Titanschicht 57a durch Verwendung dieses Abdeckmusters 61 als Maske geätzt werden, wodurch die untere Elektrode 57 gebildet wird. Durch weitere Verwendung des Abdeckmusters 61 als Maske wird der Rückstand 58b der dielektrischen Schicht 58a entfernt.
Nach dem Entfernen des Abdeckmusters 61 wird gemäß Fig. 14 eine Schutzschicht 62 auf der gesamten oberen Fläche des Siliziumsubstrates 51 gebildet.
Gemäß Fig. 15 werden in der Schutzschicht 62 auf dem Kondensator eine zur oberen Elektrode 59 führende Kontaktöffnung 63a und eine zur unteren Elektrode 57 führende Kontaktöffnung nacheinander ausgebildet, wobei in der Schutzschicht 62 und in der isolierenden Zwischenschicht 56 in einem anderen Bereich als dem Kondensator jeweils eine zu der Diffusionsschicht 55 führende Kontaktöffnung 64a und eine zu der Stromleiterverdrahtung 54 führende Kontaktöffnung 64b ausgebildet werden. Die Kontaktöff nungen 63a, 63b und die Kontaktöffnungen 64a, 64b können gleichzeitig in demselben Vorgang oder in unterschiedlichen Vorgängen ausgebildet werden.
Als nächstes wird gemäß Fig. 16 auf der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrates 51 eine Aluminiumschicht oder eine Schicht aus Aluminiumlegierung ausgebildet, und die Metallverbindungen 65a, 65b, 66 und 67 werden durch einen normalen Fotoätzvorgang gebildet.
Nebenbei kann der in Fig. 13 erläuterte Vorgang zum Entfernen des Rückstandes 58b weggelassen werden, wenn dieser im Vorgang gemäß Fig. 12 ausreichend entfernt wurde.
In diesem Beispiel werden die Titanschicht 57a und Platinschicht 57b für die untere Elektrode 57, die dielektrische Schicht 58a und die Platinschicht 59a für die obere Elektrode 59 vorläufig laminiert sowie anschließend die obere Elektrode 59 und die dielektrische Schicht 58 gebildet, und schließlich wird die untere Elektrode 57 gebildet, wobei aber ein ebenso ausgezeichneter Kondensator gebildet werden kann, indem die Reihenfolge des Herstellungsvorgangs wie folgt verändert wird.
Zuerst wird auf der isolierenden Zwischenschicht 56 des Siliziumsubstrates 51 eine aus einer Titanschicht 57a und einer Platinschicht 57b bestehende Mehrlagenschicht gebildet, um die untere Schicht 57 zusammenzusetzen. Auf dieser Mehrlagenschicht wird ein erstes Abdeckmuster gebildet, und durch die Verwendung dieses ersten Abdeckmusters als Maske wird die Mehrlagenschicht geätzt und die untere Elektrode 57 gebildet. Dann werden nach dem Entfernen der ersten Abdeckschicht auf dem Siliziumsubstrat 51 zur Formung der oberen Elektrode 59 nacheinander die dielektrische Schicht 58a und die Platinschicht 59a gebildet. Auf der Platinschicht 59a wird ein zweites Abdeckmuster gebildet, wobei durch dessen Verwendung als Maske die Platinschicht 59a und die dielektrische Schicht 58a geätzt werden und die obere Elektrode 59 und die dielektrische Schicht 58 ausgebildet werden. Nach dem Entfernen des zweiten Abdeckmusters wird die Schutzschicht £2 auf der ganzen Oberfläche ausgebildet. Auf dieser Schutzschicht 62 wird ein drittes Abdeckmuster zum Bedecken des gesamten Kondensators gebildet, und indem dieses dritte Abdeckmuster als Maske verwendet wird, wird der Rückstand 58b der dielektrischen Schicht 58 in anderen Bereichen als dem Kondensator entfernt. Nach dem Entfernen des dritten Abdeckmusters werden Kontaktöffnungen 63a, 63b, 64a, 64b in der Schutzschicht 62 und der isolierenden Zwischenschicht 56 ausgebildet. Folglich wird auf der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrates 51 eine Aluminiumschicht oder eine hauptsächlich aus Aluminium zusammengesetzte Legierungsschicht gebildet, wobei durch normales Fotoätzen die Metallverbindungen 65a, 65b, 66 und 67 gebildet werden.

Beispiel 5

Fig. 17 ist die Prinzipskizze einer Vorrichtung zum Formen einer dielektrischen Schicht, wobei diese Vorrichtung zum Formen einer dielektrischen Schicht hier zusammen mit dem Formverfahren der dielektrischen Schicht in den einzelnen Beispielen und dem Ausführungsbeispiel erläutert wird.
In Fig. 17 bezeichnen die Bezugszahl 71 eine Zerstäubungskammer, 72 eine Schichtwachstumskammer, 73 eine Absaugpumpe und 74 Teilchen. Die Zerstäubungskammer 71 umfaßt eine Einrichtung 71a zum Zerstäuben von Material für die Zusammensetzung der dielektrischen Schicht und eine Gaszuführungsöffnung 71b zum Zuführen eines Trägergases. Zerstäubungskammer 71 und Schichtwachstumskammer 72 sind mit einem Rohr 71c zum Zuführen von Teilchen 74 in die Schichtwachstumskammer 72 zusammen mit dem Trägergas verbunden. Die Schichtwachstumskammer 72 umfaßt eine Substrathalteeinrichtung 72a zum Festhalten des Substrates 75, eine über der Substrathalteeinrichtung 72a angeordnete Gitterelektrode 72b sowie eine Einspritzöffnung 72c zum Einspritzen von meilchen 74 in die Schichtwachstumskammer 72. Die Schichtwachstumskammer 71 und die Absaugpumpe 73 sind mit einem Absaugrohr 73a verbunden.
Beim Wachsen der dielektrischen Schicht durch Verwendung der Vorrichtung zum Formen einer dielektrischen Schicht werden die in der Zerstäubungskammer 71 erzeugten Teilchen 74 durch die Einspritzöffnung 72c in die durch die Absaugpumpe 73 ir Druck reduzierte Schichtwachstumskammer 72 eingespritzt. Die Teilchen 74 sind, wenn sie durch die Zerstäubungskammer 71 zerstäubt und aus der Einspritzöffnung 72c eingespritzt werden, meistens durch das Zusammenstoßen und die wechselseitige Reibung elektrisch aufgeladen. Nebenbei bemerkt ist es wirksamer, wenn sie zufällig durch eine Kraft aufgeladen werden, indem eine Elektrode zum Aufladen installiert wird. Die Gitterelektrode 72b wird mit dem umgekehrten elektrischen Potential der elektrischen Ladung der Teilchen 74 aufgeladen, wobei durch dieses elektrische Potential die eingespritzten Teilchen 74 auf der Seite des Substrates 75 angezogen werden. Die sich durch die Gitterelektroden 72b bewegenden Teilchen 74 erreichen das Substrat 75, und es wird eine dielektrische Schicht ausgebildet. Da die Teilchen 74 durch das elektrische Feld beschleunigt werden, ist die kinetische Energie groß, und sie bewegen und zerstreuen sich auf der Oberfläche, nachdem sie das Substrat 75 erreicht haben, so daß auch in dem wellign Teil der Oberfläche des Substrats 75 eine dielektrische Schicht ausgebildet wird.
In der Vorrichtung zum Wachsen der dielektrischen Schicht gibt es kein Risiko einer Störung des integrierten Schaltkreises bei Anwendung einer hohen Spannung, da die Hochspannung nicht direkt an das Substrat 75 angelegt wird, wenn es ein Halbleitersubstrat ist, auf dem ein integrierter Schaltkreis gebildet ist und wenn eine dielektrische Schicht darauf ausgebildet ist.
Daneben werden durch Steuerung der Richtung der Einspritzöffnung 72c, einen Abstand zwischen Einspritzöffnung 72c und Substrat 75 sowie eine an die Gitterelektroden 72b angelegte Spannung grobe Teilchen 76 fallengelassen, bevor sie an die Gitterelektroden 72b angezogen werden, wobei nur feine Teilchen 74 das Substrat 75 erreichen können.
Auf diese Weise kann die dielektrische Schicht auf dem welligen Teil der Oberfläche des Substrates 75 ausgebildet werden, und der Niederschlag von groben Teilchen 76 auf das Substrat 75 kann verhindert werden, wobei durch Wärmebehandlung dieser dielektrischen Schicht eine kleine Defekte und ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweisende dielektrische Schicht erzielt werden kann.
In einem anderen bekannten Verfahren für die Bildung der dielektrischen Schicht wird eine in kolbidaler Lösung vorliegende gelartige Flüssigkeit, die aus metallischem Alkoxid besteht, welches das Metall zum Zusammensetzen der dielektrischen Schicht enthält, oder eine metallisch-organische Lösung aufgetragen, die das Metall für das Zusammensetzen der dielektrischen Schicht enthält, wobei die aufgetragene Schicht in einem oxidierenden, atmosphärischen Gas erwärmt wird, während sie mit ultravioletten Strahlen bestrahlt wird. Obwohl die Ausführung der erzielten dielektrischen Schicht im Vergleich zur Ausführung der dielektrischen Schicht des Beispiels 5 schlechter ist, erfordert dieses Verfahren keine besondere Ausrüstung und ist zuverlässig für Massenproduktion. Deshalb kann das Verfahren in Abhängigkeit von der erforderlichen Ausführung der dielektrischen Schicht sowie von Preis und Leistung geeignet sein.
In dieser Erfindung sind auch zusätzlich zu den bis jetzt veranschaulichten Ausführungsbeispielen verschiedene Modifizierungen möglich. Zum Beispiel beziehen sich die Beispiele 1 bis 3 und das Ausführungsbeispiel auf Beispiele der Verwendung von Sillziumsubstraten, auf denen integrierte Schaltkreise gebildet sind, zum Beispiel kann aber der Kondensator in genau gleicnen Aufbau auch in Substraten, die aus der III-V-Verbindung oder II- VI-Verbindung bestehen, oder in isolierten Substraten gebildet werden, auf denen Dünnschichtelemente ausgebildet sind.
In den Beispielen 1 bis 3 und im Ausführungsbeispiel werden als untere Elektrode und obere Elektrode Platinschichten verwendet, wobei aber andere Werkstoffe einschließlich Metallschichten mit hohem Schmelzpunkt wie Paladlum, Wolfram, Tantal, Titan, Nickel und Chrom, deren Legierungsschichten und Schichten aus Siliziummetallverbindungen, leitfähige Oxidschichten wie Indium-Zinn- Oxid (ITO) und Rheniumoxid, leitfähige Nitridschichten wie Titannitrid und ihre Laminatschichten ebenso verwendet werden können.
Als dielektrische Schicht wird in den Beispielen 1 bis 3 und in dem Ausführungsbeispiel Ba1-xSrxTiO&sub3; (0< x< 1) verwendet, wobei aber andere Werkstoffe, einschließlich Bleititanat, PZT (PbZr1+xTixO&sub3;), PLZT (Pb1-yLayZr1-xTixO&sub3;) Wismut-Titanat, Tantaloxid, andere dielektrische und ferroelektrische Werkstoffe ebenso verwendet werden können.
Inzwischen wird in den Beispielen 1 bis 3 und im Ausführungsbeispiel durch Bildung einer amorphen Schicht eines verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstandes auf der Oberfläche der oberen Elektrodenseite der dielektrischen Schicht ein Kondensator mit niedrigem Verluststrom und hoher Isolations-Überschlagsspannung realisiert. Zur Bildung dieser amorphen Schicht wird nach dem Formen der dielektrischen Schicht der Impulslichtstrahl eines Excimerlasers auf die Oberfläche der dielektrischen Schicht abgestrahlt, wobei die Schicht sofort geschmolzen und schnell gekühlt wird.
In den Beispielen 1 bis 3 und in dem Ausführungsbeispiel kann zwischen Vorspannungsleitung und Erdleitung ein Kondensator mit mehreren Nanofarad oder mehr eingesetzt werden, indem entweder die obere oder die untere Elektrode mit der Vorspannungsleitung des integrierten Schaltkreises und die andere mit der Erdleitung des integrierten Schaltkreises verbunden wird. Daher kann die in die Vorspannungsleitung fließende Ausgleichstromkomponente auf nahezu Null unterdrückt werden, so daß eine Fremdemission bemerkenswert reduziert werden kann.
Darüber hinaus ist es in den Beispielen 1 bis 3 und im Ausführungsbeispiel besser, unterhalb der unteren Elektrode eine Sillziumnitridschicht oder eine Mehrlagenschicht aus Siliziumnitrid und einer Siliziumoxidschicht zu bilden, und deshalb werden Transistoren und andere Teile, aus denen der integrierte Schaltkreis zusammengesetzt ist, nicht kontaminiert, wenn die dielektrische Schicht auf hohe Temperatur erwärmt wird. Außerdem wird durch eine Musterbildung der Siliziumnitridschicht oder der Mehrlagenschicht aus Siliziumnitrid- und Siliziumoxidschicht in nahezu gleicher Form wie die untere Elektrode nach der Wärmebe handlung, neben den obigen Wirkungen die Spannung der Siliziumnitridschicht reduziert, die auf die isolierende Zwischenschicht aufgebracht wird, so daß die Zuverlässigkeit verbessert werden kann.

Claims

1. Halbleiterbauelement, mit:

einem integrierten Schaltkreis;

einer Isolierschicht (19), die auf dem integrierten Schaltkreis ausgebildet ist;

einem Kondensator, der aufweist

eine untere Elektrode (22), die aus einer leitfähigen Schicht besteht, die auf der Isolierschicht (19) ausgebildet ist, eine dielektrische Schicht (23), die zumindest auf der unteren Elektrode (22) ausgebildet ist, und eine obere Elektrode (24), die aus einer leitfähigen Schicht besteht, die auf der dielektrischen Schicht (23) ausgebildet ist;

einer Schutzschicht (25), die auf dem Kondensator ausgebildet ist, wobei die Schutzschicht (25) zumindest eine Kontaktöffnung (26b), die sich zu der unteren Elektrode (22) erstreckt, und zumindest eine Kontaktöffnung (26a) hat, die sich zu der oberen Elektrode (24) erstreckt; und

Metallverbindungen (27, 28), die durch die Kontaktöffnungen (26b, 26a) mit der oberen Elektrode (24) und der unteren Elektrode (22) verbunden sind;

dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (23) eine ferroelektrische Schicht (23) ist und daß entweder die obere Elektrode (24) oder die untere Elektrode (22) mit einer Vorspannungsleitung des integrierten Schaltkreises verbunden ist und die andere Elektrode mit einer Erdieltung des integrierten Schaltkreises verbunden ist, um so Fremdemissionen zu vermindern, indem die Fremdemissionen zu der Erdleitung abgeleitet werden, und daß die zumindest eine Kontaktöffnung (26a), die sich zu der oberen Elektrode (24) erstreckt, an einem Abschnitt der oberen Elektrode (24) vorgesehen ist, der die unteren Elektrode (22) nicht überdeckt.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche der ferroelektrischen Schicht (23), die entweder mit der oberen Elektrode (24) oder der unteren Elektrode (22) Kontakt hat, amorph ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die untere Elektrode (22) einen schräg abfallenden Abschnitt (31a) der Isolierschicht (19, 31b) nicht überdeckt.

4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Isolierschicht (19, 31b) einen schräg abfallenden Abschnitt (31a) hat und eine Kante der oberen Elektrode (24) zwischen dem schräg abfallenden Abschnitt (31a) und der nächstgelegenen Kante der unteren Elektrode (22) angeordnet ist.

5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Kante der oberen Elektrode (24) bezüglich einer nächstgelegenen Kante der unteren Elektrode (22) seitlich verlagert ist.

6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich eine Kante der ferroelektrischen Schicht (23) bis über eine Kante der unteren Elektrode (22) erstreckt.

7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die obere Elektrode (24) und die Metallverbindungen (27, 28) durch eine leitfähige Schicht (29a) verbunden sind, die primär aus Titan besteht.

8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem unter der unteren Elektrode (22) eine Siliziumnitridschicht (41b) oder eine Mehrlagenschicht ausgebildet ist, die eine Siliziumnitridschicht und eine Siliziumoxidschicht enthält.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7 oder nach Anspruch 8, sofern darauf rückbezogen, bei dem die leitfähige Schicht (29a), die primär aus Titan besteht, zumindest am Boden der Kontaktöffnung (26a) ausgebildet ist, die sich zu der oberen Elektrode (24) erstreckt.

10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder nach Anspruch 9, sofern darauf rückbezogen, bei dem die Siliziumnitridschicht (41b) oder die Mehrlagenschicht sich im wesentlichen zusammen mit der unteren Elektrode (22) erstreckt.