DE69434606T2 - Halbleiterbauelement mit Kondensator und dessen Herstellungsverfahren - Google Patents
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Description
- ERFINDUNGSGEBIET
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einer ferroelektrischen oder stark dielelektrischen Schicht als dielektrischer Schicht eines Kondensators und auf deren Herstellungsverfahren.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Entsprechend dem Trend zu einer höheren Geschwindigkeit und einer geringeren Leistungsaufnahme von Halbleiteranordnungen, wie zum Beispiel Mikrorechnern und digitalen Signalprozessoren, werden seit kurzem elektronische Gebrauchsartikel in ihrer Leistung zunehmend vervollkommnet, wobei jedoch eine elektromagnetische Störung, die in einem von diesen elektronischen Geräten ausgehenden elektromagnetischen Rauschen besteht, ein ernstes Problem darstellt. Demzufolge werden nicht nur in den elektronischen Geräten, sondern auch in den darin eingesetzten elektronischen Bauelementen Maßnahmen gegen die elektromagnetische Störung gefordert. Die effektivste Maßnahme gegen die elektromagnetische Störung in der Halbleiteranordnung ist das Einbauen eines Kondensators mit einer großen Kapazität zwischen der Vorspannungsleitung und der Masseleitung innerhalb der Halbleiteranordnung; bislang wurde der Kondensator außerhalb der Halbleiteranordnung angeordnet.
- Darüber hinaus sind vor kurzem nichtflüchtige Speicher mit wahlfreiem Zugriff in einer einfachen Konstruktion mit Kondensator, in denen als dielektrische Schicht des Kondensators eine ferroelektrische Schicht verwendet wird, und dynamische Speicher mit wahlfreiem Zugriff mit Kondensator, in denen eine dielektrische Schicht mit einer großen Dielektrizitätskonstanten als Speicherkondensator dient, entwickelt worden.
- Eine konventionelle Halbleiteranordnung mit Kondensator wird im Folgenden ausführlich beschrieben.
-
1 ist eine Teilquerschnittsansicht einer repräsentativen Halbleiteranordnung. In1 ist auf einem Siliziumsubstrat1 in einem Bereich, der durch ein Feldoxidgebiet2 umschlossen wird, ein integrierter Schaltkreis6 angeordnet, der durch aktive Source/Drain-Bereiche3 , ein Gateoxid4 und eine Gateelektrode5 gegeben ist. Ferner wurde auf dem Siliziumsubstrat1 eine Isolationsschicht7 abgeschieden, und in einem bestimmten Bereich ist ein Kondensator11 auf der Isolationsschicht7 ausgebildet worden, der aus einer unteren Elektrode8 , einer dielektrischen Schicht des Kondensators9 und einer oberen Elektrode10 besteht. Mindestens zum Abdecken des Kondensators11 ist außerdem eine Isolationszwischenschicht12 vorgesehen. Angeordnet wurden auch Verbindungen14a , die durch ein erstes Kontaktloch13a mit den aktiven Source/Drain-Bereichen3 verbunden sind, eine Verbindung14b , die durch ein zweites Kontaktloch13b mit der unteren Elektrode8 des Kondensators11 verbunden ist, und eine Verbindung14c , die durch ein drittes Kontaktloch130 mit der oberen Elektrode10 des Kondensators11 verbunden ist. Außerdem ist zum Schutz der Verbindungen14a ,14b ,14c eine Passivierungsschicht15 vorgesehen. - Ein Herstellungsverfahren der in
1 dargestellten, konventionellen Halbleiteranordnung mit Kondensator wird im Weiteren mit Bezug auf den in2 im Zusammenhang mit1 dargestellten Ablaufplan des Herstellungsprozesses erläutert. Zunächst wird im Schritt (1 ) der integrierte Schaltkreis6 auf dem Siliziumsubstrat1 hergestellt. Im Schritt (2 ) wird eine Isolationsschicht7 auf einem Siliziumsubstrat1 abgeschieden. Im Schritt (3 ) wird ein Kondensator11 auf der Isolationsschicht7 ausgebildet. Dieser Kondensator11 entsteht durch aufeinanderfolgendes Abscheiden einer ersten leitfähigen Schicht als unterer Elektrode8 , einer dielektrischen Schicht des Kondensators9 und einer zweiten leitfähigen Schicht als oberer Elektrode10 sowie durch die entsprechende Formgebung mittels Ätzen. Als dielektrische Schicht9 des Kondensators dient eine ferroelektrische Schicht oder eine stark dielektrische Schicht, und als untere Elektrode8 sowie als obere Elektrode10 werden Doppelschichten verwendet, die von der Kontaktfläche mit der dielektrischen Schicht9 des Kondensators ausgehend jeweils aus einer Platin- und einer Titanschicht bestehen. Im Schritt (4 ) wird eine Isolationszwischenschicht12 , die aus PSG (Phosphorsilikatglas) besteht, mittels CVD so abgeschieden, dass mindestens der Kondensator11 bedeckt ist. Im Schritt (5 ) werden ein erstes Kontaktloch13a , das zu den aktiven Source/Drain-Bereichen3 des integrierten Schaltkreises6 führt, ein zweites Kontaktloch13b , das zu der unteren Elektrode8 des Kondensators11 führt, und ein drittes Kontaktloch13c , das zu der oberen Elektrode10 des Kondensators11 führt, hergestellt. Nach der Herstellung der Verbindungen14a ,14b ,14c im Schritt (6 ) wird mittels Plasma-CVD im Schritt (7 ) eine Passivierungsschicht15 aufgebracht, die aus einer Siliziumnitridschicht oder einer Siliziumoxinitridschicht mit einem hohen Feuchtewiderstand besteht. Ein Beispiel einer solchen Halbleiteranordnung ist im Dokument EP-A-0 503 078 beschrieben. - In einer derartigen konventionellen Halbleiteranordnung mit Kondensator, in der eine PSG-Schicht als Isolationszwischenschicht
12 dient, wird das Ziel einer Minderung der Beanspruchung des Kondensators11 zwar erreicht, die bei der Herstellung der PSG – Schicht mittels CVD erzeugte Feuchtigkeit wird jedoch durch die PSG – Schicht absorbiert, und diese Feuchtigkeit diffundiert in die ferroelektrische Schicht, welche die dielektrische Schicht des Kondensators bildet, und setzt damit den elektrischen Widerstand herab. Dieses Phänomen führt zu einem Ansteigen des Kriechstroms des Kondensators11 oder zu einer Abnahme der dielektrischen Durchschlagfestigkeit, was einen dielektrischen Durchschlag der dielektrischen Schicht9 des Kondensators hervorrufen kann. - In einer solchen konventionellen Halbleiteranordnung mit Kondensator wird als Passivierungsschicht
15 sogar eine durch Plasma-CVD erzeugte Siliziumnitrid- oder Siliziumoxinitridschicht verwendet, und obwohl ein Eindringen von Feuchtigkeit von außen in den Kondensator11 verhindert werden kann, wird beim Schichtherstellungsprozess mittels Plasma-CVD aktivierter Wasserstoff erzeugt, und dieser aktivierte Wasserstoff kann in die ferroelektrische oder stark dielektrische Schicht, welche die dielektrische Schicht9 des Kondensators bildet, diffundieren, was zu einem Anstieg des Kriechstroms des Kondensators11 oder zu einer Verschlechterung der elektrischen Kennlinie führen kann. Im Allgemeinen liegt der Gehalt an Wasserstoffatomen in der durch Plasma. CVD hergestellten Nitridschicht in einer Größenordnung von 1022 Atomen/cm3, und durch Wärmebehandlung nach der Schichtherstellung wird die Diffusion von Wasserstoff in die dielektrische Schicht9 des Kondensators beschleunigt, und die Kennlinie des Kondensators11 wird weiter verschlechtert. - DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Es ist daher ein Hauptziel der Erfindung, eine Halbleiteranordnung mit einem Kondensator mit hoher Zuverlässigkeit zur Verfügung zu stellen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für diese Halbleiteranordnung ohne Beeinträchtigung der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Halbleiteranordnung bereitzustellen.
- Die vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
- Bei dieser Gestaltung kann eine Diffusion von Feuchtigkeit in die dielektrische Schicht des Kondensators unterdrückt und eine Abnahme der dielektrischen Festigkeit der dielektrischen Schicht des Kondensators vermeiden werden, und dadurch wird die Zuverlässigkeit nachweislich verbessert.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine Teilquerschnittsansicht, in der die Struktur der Hauptbestandteile einer konventionellen Halbleiteranordnung mit Kondensator dargestellt ist. -
2 ist ein Ablaufplan zur Erläuterung eines konventionellen Herstellungsverfahrens einer Halbleiteranordnung mit Kondensator. -
3 ist ein Teilquerschnittsansicht, in der die Struktur der Hauptbestandteile einer Halbleiteranordnung mit dem erfindungsgemässen Kondensator dargestellt ist. -
4 ist ein Ablaufplan zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer Halbleiteranordnung mit dem erfindungsgemässen Kondensator. -
5 ist ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit der von einer PSG – Schicht freigesetzten Feuchtemenge darstellt. -
6 ist ein Diagramm, das die elektrische Zuverlässigkeit einer Halbleiteranordnung mit dem erfindungsgemässen Kondensator darstellt. - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
- In der in
3 dargestellten Halbleiteranordnung ist eine isolierende Oxidschicht32 auf einem Siliziumsubstrat31 abgeschieden, und in einem Bereich, der von der isolierenden Oxidschicht32 umfasst wird, ist ein integrierter Schaltkreis36 angeordnet, der durch einen Transistor verkörpert wird, welcher aus einer Diffusionszone33 , einer Gate – Isolationsschicht34 und einer Gate – Elektrode35 besteht. - Auf dem Siliziumsubstrat
31 ist eine aus einer Siliziumoxidschicht bestehende Isolationsschicht37 abgeschieden, und auf der Isolationsschicht37 ist ein Kondensator41 ausgebildet, der eine aus Platin- und Titanschicht zusammengesetzte untere Elektrode38 , eine aus einer ferroelektrischen oder stark dielektrischen Schicht bestehende dielektrische Schicht39 des Kondensators und eine aus Platin- und Titanschicht zusammengesetzte obere Elektrode40 umfasst. Zum Abdecken dieses Kondensators41 ist eine Isolationszwischenschicht42 ausgebildet, die aus einer PSG – Schicht mit einem Feuchtegehalt von 0,5 g oder weniger pro 1 cm3 gebildet wird. In der konventionellen Halbleiteranordnung mit Kondensator lag der Feuchtegehalt der Isolationszwischenschicht bei 0,9g oder mehr pro 1 cm3. - Oberhalb des integrierten Schaltkreises
36 ist in der Isolationsschicht37 und der Isolationszwischenschicht42 ein erstes Kontaktloch43a ausgebildet, das zu einer Diffusionszone33 führt, und oberhalb des Kondensators41 sind in der Isolationszwischenschicht42 ein zur unteren Elektrode38 führendes Kontaktloch43b sowie ein zur oberen Elektrode40 führendes drittes Kontaktloch43c ausgebildet. Durch das erste Kontaktloch43a ist eine Zuleitung44a , die aus einer Aluminium- oder Aluminiumlegierungsschicht gebildet wird, zum Anschluss des Diffusionsbereiches33 vorgesehen, und durch das zweite und dritte Kontaktloch43b ,43c sind Zuleitungen44b ,44c , die aus einer Aluminium- oder einer Aluminiumlegierungsschicht gebildet werden, zum Anschluss der unteren Elektrode38 und der oberen Elektrode40 vorgesehen. Zum Schutz dieser Zuleitungen44a ,44b ,44c ist eine Passivierungsschicht45 aufgesetzt, die aus einer Siliziumnitrid- oder Siliziumoxinitridschicht gebildet wird. - Bei dieser Gestaltung wird der Feuchtegehalt in der isolationszwischenschicht
42 unter 0,5 g pro 1 cm3 gehalten, und beim Aufheizen in den nachfolgenden Schritten kann die Diffusion von Feuchte in die dielektrische Schicht39 des Kondensators verhindert werden, wodurch ein Ansteigen des Kriechstromes und eine Abnahme der dielektrischen Durchschlagfestigkeit des Kondensators41 vermieden werden kann, so dass eine Halbleiteranordnung mit dem Kondensator41 realisiert werden kann, die im Vergleich zum Stand der Technik kaum zu Problemen infolge eines elektrischen Durchschlags führt. - Ein Herstellungsverfahren einer solchen Halbleiteranordnung wird im Weiteren mit Bezug auf den in
4 im Zusammenhang mit3 dargestellten Ablaufplan des Herstellungsverfahrens erläutert. Zunächst werden in Schritt (1 ) ein integrierter Schaltkreis36 und anderes auf einem Siliziumsubstrat31 erzeugt. Im Schritt (2 ) wird eine Isolationsschicht37 auf dem Siliziumsubstrat31 abgeschieden. Im Schritt (3 ) wird ein Kondensator41 auf der Isolationsschicht37 ausgebildet. Dieser Kondensator41 wird durch aufeinanderfolgendes Abscheiden einer ersten leitfähigen Schicht als unterer Elektrode38 , einer dielektrischen Schicht des Kondensators39 und einer zweiten leitfähigen Schicht als oberer Elektrode40 sowie durch die entsprechende Formgebung mittels Ätzen erzeugt. Als dielektrische Schicht39 des Kondensators dient eine ferroelektrische oder eine stark dielektrische Schicht, und als untere Elektrode38 sowie als obere Elektrode40 werden Doppelschichten verwendet, die von der Kontaktfläche mit der dielektrischen Schicht39 des Kondensators ausgehend jeweils aus einer Platin- und einer Titanschicht bestehen. Im Schritt (4 ) wird der Kondensator41 erhitzt, um die Kennlinie der dielektrischen Schicht39 des Kondensators zu verbessern und zu stabilisieren. Im Schritt (5 ) wird mittels CVD oder dergleichen eine aus einer PSG – Schicht (Phosphorsilikatglasschichte) bestehende Isolationszwischenschicht42 zumindest zum Abdecken des Kondensators41 aufgebracht, und im Schritt (6 ) wird die Isolationszwischenschicht42 in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt sowie die in der Isolationszwischenschicht42 enthaltene Feuchte bis zu einem Wert von nicht mehr als 0,5g pro 1 cm3 der Isolationszwischenschicht42 reduziert. - Im Schritt (
7 ) werden ein erstes Kontaktloch43a , das zur Diffusionszone33 des integrierten Schaltkreises36 führt, sowie ein zweites und ein drittes Kontaktloch43b und43c , die zu der unteren Elektrode38 bzw. der oberen Elektrode40 des Kondensators41 führen, hergestellt. Im Schritt (8 ) werden die Zuleitungen44a ,44b ,44c erzeugt, und im Schritt (9 ) wird mittels Plasma-CVD eine Passivierungsschicht45 abgeschieden, die aus einer Siliziumnitridschicht oder einer Siliziumoxinitridschicht mit einem hohen Feuchtewiderstand besteht. - In der obigen Anordnung und dem obigen Herstellungsverfahren wird die PSG – Schicht mittels CVD als Isolationszwischenschicht
42 abgeschieden, und die Feuchte wird aus der PSG -Schicht durch einen nachfolgenden Wärmebehandlungsprozess beseitigt, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und z.B. kann auch eine Siliziumoxidschicht bei hoher Temperatur und verringertem Druck abgeschieden werden, wobei eine Wärmebehandlung weggelassen werden kann. - Im oben beschriebenen Herstellungsverfahren wird die Wärmebehandlung der Isolationszwischenschicht
42 von Schritt (6 ) in4 in Stickstoffgas ausgeführt, sie kann jedoch auch in einem Inertgas, wie z.B. Helium oder Argon, oder im Vakuum ausgeführt werden. - Messergebnisse der Feuchteabsorption einer mittels CVD hergestellten PSG – Schicht werden im Folgenden mit Bezug auf
5 erläutert. Auf der Abszisse in5 ist die Temperatur und auf der Ordinate die bei der entsprechenden Temperatur abgegebene Feuchtemenge aufgetragen; das Verhältnis dieser Größen entspricht der Intensität der Feuchteadsorption. Wie in5 dargestellt ist, liegt in einem ersten Maximum die Temperatur, bei der es zu einer maximalen Freisetzung von adsorbierter Feuchte durch die PSG – Schicht kommt, zwischen 300 und 350°C, in einem zweiten Maximum zwischen 450 und 530°C. Die dem zweiten Maximum entsprechende Feuchte ist an der PSG – Schicht mit einer ausreichend starken Adsorption adsorbiert und scheint die Zuverlässigkeit bei Normalbetrieb kaum zu beeinflussen. Im Gegensatz dazu reicht die Flanke des ersten Maximums bis zu niedrigen Temperaturen, und Wasser wird in einem Zustand relativ nahe der Betriebstemperatur freigesetzt, so dass es eine Verschlechterung der dielektrischen Schicht39 des Kondensators hervorzurufen scheint. - Die Erfinder fanden, dass vorzugsweise eine Aufheizung auf 350°C oder höher erfolgen sollte, um das dem ersten Maximum in
4 entsprechende adsorbierte Wasser unmittelbar nach dem Abscheiden der Schicht mittels CVD freizusetzen. Außerdem hat sich gezeigt, dass für die Isolationszwischenschicht42 eine Wärmebehandlung der Siliziumoxidschicht mit weniger als 6 Gew. % Phosphor auch hinsichtlich einer Verringerung der Beanspruchung des Kondensators41 vorzuziehen Ist. Ansonsten wird die obige Wärmebehandlung bei keiner höheren als der Temperatur ausgeführt, die eine Verschlechterung der Kennlinie des integrierten Schaltkreises zur Folge hat. Eine Verschlechterung tritt im Allgemeinen bei etwa 900°C ein. Es ist vorzuziehen, auf etwa 850°C oder weniger aufzuheizen. - Das Ergebnis der Beurteilung der Zuverlässigkeit des in dieser Ausführungsform hergestellten Kondensators
41 ist in6 dargestellt. Als dielektrische Schicht39 des Kondensators wurde Barium-Strontium-Titanat verwendet. Auf der Abszisse Ist der Reziprokwert des auf den Kondensator41 wirkenden elektrischen Feldes dargestellt, und die Ordinate stellt die Zeit dar, bis der Kriechstrom einen bestimmten Wert erreicht. Die Gerade (a) zeigt den Kriechstrom beim Anlegen einer Spannung an den nach dem konventionellen Verfahren hergestellten Kondensator41 , und der Feuchtegehalt der als Isolationszwischenschicht42 verwendeten PSG – Schicht war 0,93 g/cm3. Die Gerade (b) bezieht sich auf das Ergebnis für den in der Ausführungsform hergestellten Kondensator41 , und der Feuchtegehalt der als Isolationszwischenschicht42 dienenden PSG – Schicht war 0,45 g/cm3. Durch einen Vergleich dieser Geraden ist bewiesen, dass dieser Kondensator41 mit dem geringeren Feuchtegehalt der Isolationszwischenschicht42 dem konventionellen Muster weit überlegen ist. Als Folge davon kann der Feuchtegehalt in der PSG – Schicht 0.5g/cm3 oder kleiner sein. - In der Ausführungsform werden nach dem Ausbilden und Erhitzen der lsolationszwischenschicht
42 die Kontaktlöcher43a ,43b ,43c hergestellt, aber die Abfolge der Wärmebe handlung kann in der Reihenfolge Ausbildung der Isolationszwischenschicht42 , Herstellung von Kontaktlöchern43a ,43b ,43c und Wärmebehandlung abgeändert werden. In einem solchen Fall dienen die Kontaktlöcher43a ,43b ,43c als Lüftungslöcher, und die am Kondensator41 adsorbierte Feuchte ist leicht freizusetzen. - In dieser Ausführungsform wird die Isolationszwischenschicht
42 einmalig erhitzt, die Wärmebehandlung kann jedoch in mehrere Schritte unterteilt werden. Zum Beispiel kann eine erste Wärmebehandlung nach dem Abscheiden der Isolationszwischenschicht42 und eine zweite Wärmebehandlung nach der Herstellung der Kontaktlöcher43a ,43b ,43c ausgeführt werden. In diesem Fall können die Wärmebehandlungsbedingungen zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmebehandlungsprozess variiert werden.
Claims (3)
- Halbleiteranordnung mit einer integrierten Schaltung (
36 ) und einem auf der integrierten Schaltung ausgebildeten Kondensator (41 ), wobei der Kondensator eine untere Elektrode (38 ), die aus einer leitfähigen Schicht besteht, die auf einer Isolierschicht (37 ) der integrierten Schaltung ausgebildet ist; eine dielektrische Kondensatorschicht (39 ), die aus einer ferroelektrischen Schicht oder einer dielektrischen Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, die auf der unteren Elektrode ausgebildet ist, besteht; und eine obere Elektrode (40 ), die aus einer leitfähigen Schicht besteht, die auf der dielektrischen Kondensatorschicht ausgebildet ist, aufweist und wobei die obere und die untere Elektrode des Kondensators mit Verbindungsleitungen (44b ,44c ) der integrierten Schaltung durch Kontaktlöcher (43b ,43c ) verbunden sind, die in einer Isolier-Zwischenschicht (42 ) vorgesehen sind, die so ausgebildet ist, dass sie den Kondensator bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolier-Zwischenschicht eine Siliciumoxidschicht aufweist, die Phosphor in einer Menge von 6 Masse-% oder weniger enthält, und dass der Feuchtigkeitsgehalt der Isolier-Zwischenschicht 0,5 g oder weniger je 1 cm3 beträgt. - Herstellungsverfahren für eine Halbleiteranordnung mit den Schritten: (a) Ausbilden eines Kondensators (
41 ), der eine aus einer leitfähigen Schicht bestehende untere Elektrode (38 ), eine dielektrische Kondensatorschicht (39 ), die aus einer ferroelektrischen Schicht oder einer dielektrischen Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante besteht, die auf der unteren Elektrode ausgebildet ist, und eine obere Elektrode (40 ), die aus einer leitfähigen Schicht besteht, die auf der dielektrischen Kondensatorschicht ausgebildet ist, aufweist, auf einer Isolierschicht (37 ) eines Halbleitersubstrats (31 ), in dem eine integrierte Schaltung hergestellt ist; (b) Ausbilden einer den Kondensator bedeckenden Isolier-Zwischenschicht (42 ); (c) Ausbilden von Kontaktlöchern (43a ,43b ,43c ), die sich durch die Isolierschicht und die Isolier-Zwischenschicht bis zu der integrierten Schaltung und der oberen und unteren Elektrode des Kondensators erstrecken; (d) Ausbilden von Verbindungsleitungen (44a ,44b ,44c ), die mit der integrierten Schaltung und dem Kondensator durch die Kontaktlöcher elektrisch verbunden werden sollen; und (e) Ausbilden einer die Verbindungsleitungen bedeckenden Passivierungsschicht (45 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Isolier-Zwischenschicht eine Siliciumoxidschicht aufweist, die Phosphor in einer Menge von 6 Masse-% oder weniger enthält, und weiterhin durch einen Schritt gekennzeichnet, der zwischen den Schritten (b) und (d) der Wärmebehandlung der Isolier-Zwischenschicht vor der Ausbildung der Verbindungsleitungen (44a ,44b ,44c ) ausgeführt wird, wobei die Wärmebehandlung in (I) Stickstoffgas, (II) Inertgas oder (III) Vakuum durchgeführt wird um den Feuchtigkeitsgehalt der Isolier-Zwischenschicht (42 ) auf 0,5 g oder weniger je cm3 zu verringern. - Herstellungsverfahren für eine Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung der Isolier-Zwischenschicht bei einer Temperatur von 350 °C bis weniger als 850 °C durchgeführt wird, um eine Verschlechterung einer Kennlinie der integrierten Schaltung zu vermeiden.
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