DE69503532T2

DE69503532T2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE69503532T2
Application number: DE69503532T
Authority: DE
Inventors: Koji Osaka-Shi Osaka 533 Arita; Atsuo Otokuni-Gun Kyoto 618 Inoue; Akihiro Suita-Shi Osaka 565 Matsuda; Yoshihisa Suita-Shi Osaka 565 Nagano; Toru Kyoto-Shi Kyoto 604 Nasu
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1994-02-15
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2015-02-11
Also published as: CN1059516C; EP0667639A2; KR100194912B1; US5591663A; JPH07226443A; CN1111036A; EP0667639B1; DE69503532D1; EP0667639A3; JP2875733B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung mit einem ferroelektrischen Kondensator.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Anwendung von dynamischen RAM-Speicherchips (DRAMs) ist auf Grund ihrer hohen Dichte und ihrer niedrigen Kosten bei Halbleiter- Speichervorrichtungen weit verbreitet. Die Grundoperation eines DRAMs besteht in einer Datenaufzeichnung durch Bitspeicherung in Gestalt von in Speicherzellenkondensatoren vorhandener oder nicht vorhandener elektrischer Ladung. Filme aus Siliciumoxid oder -nitrid werden oft als die isolierenden Filme im DRAM-Speicherzellenkondensator benutzt, aber ferroelektrische Filme aus Bariumtitanat und anderen Materialien können stattdessen benutzt werden, wenn die gespeicherten Daten nichtflüchtig sein sollen.
Zusätzlich zu ihrer unabhängigen Nutzung werden Halbleiter- Speichervorrichtungen oft als Speicherbereich von Mikrocomputern benutzt. Diese herkömmlichen Halbleiter-Speichervorrichtungen mit ferroelektrischen Kondensatoren werden mit dem folgenden Verfahren hergestellt:
Zuerst wird ein Oxidfilm zur Elementetrennung auf einem Siliciumsubstrat gebildet, dann wird ein Metall-Oxid-Halbleiter- (metaloxide-semiconductor, MOS) Transistor mit Diffusionsschichten, einem die Steuerelektrode isolierenden Film und einer Steuerelektrode ausgebildet. Als nächstes wird ein ferroelektrischer Kondensator, der aus drei Schichten, nämlich aus einer unteren Elektrode, einem ferroelektrischen Film und einer oberen Elektrode, die von unten her in dieser Reihenfolge abgeschieden werden, hergestellt wird, auf dem Oxidfilm zur Elementetrennung ausgebildet, und das gesamte Siliciumsubstrat wird mit einer isolierenden Zwischenschicht, die aus Siliciumoxidfilm besteht, überdeckt.
Zweitens werden auf der isolierenden Zwischenschicht erste Kontaktlöcher, die zu den Diffusionschichten führen, und zweite Kontaktlöcher, die sowohl zu der unteren wie zu der oberen Elektrode des ferroelektrischen Kondensators führen, gebildet. Dann wird dem Substrat, das das obige Verfahren durchlaufen hat, eine Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre zuteil. Durch die ersten Kontaktlöcher werden Metall-Verbindungen zur Kontaktierung der Diffusionsschichten gebildet. Durch die zweiten Kontaktlöcher werden Metall- Verbindungen zur Kontaktierung sowohl der oberen wie der unteren Elektrode gebildet.
In Herstellungsverfahren für MOS-Transistoren erhöht sich im allgemeinen die Dichte der Oberflächenzustände an der Grenzfläche zwischen einem Siliciumsubstrat und den darauf gebildeten, isolierenden Filmen, darunter dem Film zur Isolierung der Steuerelektrode, was die Transistor-Kenngrössen verschlechtert. Um die Dichte der Oberflächenzustände zu vermindern, sollte deshalb die Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre unbedingt erfolgen. Wenn jedoch ein ferroelektrisches Oxid als isolierender Film in einem Speicherzellenkondensator benutzt wird, absorbiert das ferroelektrische Oxid während der Wärmebehandlung in Wasserstoff durch die zweiten Kontaktlöcher Wasserstoff, was die elektrischen Kenngrössen verschlechtert. Es wird auf EP-A-0 513 894 verwiesen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, mit dem die Dichte der Oberflächenzustände in einem MOS-Transistor vermindert werden kann, ohne die Kenngrössen des ferroelektrischen Films zu ver schlechtern.
Ein erfindungsgemässes Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung wird in Anspruch 1 definiert.
Gemäss diesem Herstellungsverfahren bleiben die zum ferroelektrischen Kondensator führenden zweiten Kontaktlöcher ungeöffnet, während die Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre erfolgt. Deshalb erreicht Wasserstoff kaum den ferroelektrischen Kondensator, was eine Verschlechterung der elektrischen Kenngrössen dieses Kondensators verhindert. Andererseits wird Wasserstoff durch die ersten Kontaktlöcher zur Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat und dem die Steuerelektrode isolierenden Film geliefert, was die Dichte der Oberflächenzustände ohne Schwierigkeiten vermindert.
Bevorzugtermassen wird ein Wasserstoffplasma benutzt, wenn die Wärmebehandlung in Wasserstoff vorgenommen wird, da mit dem aktiven Wasserstoff im Wasserstoffplasma die Dichte der Oberflächenzustände leichter vermindert werden kann als in einer gewöhnlichen Wasserstoffatmosphäre.
Bevorzugtermassen wird auch eine aus Siliciumnitridfilm bestehende isolierende Zwischenschicht benutzt. Da der Siliciumnitridfilm dicht genug ist, um den ferroelektrischen Film vor dem Wasserstoffgas zu schützen, werden die elektrischen Kenngrössen des ferroelektrischen Films genügend vor einer Verschlechterung durch die Wärmebehandlung in Wasserstoff geschützt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1(a), 1(b), 1(c) und 1(d) sind Querschnitte, die ein erfindungsgemässes Herstellungsverfahren für die Halbleiter- Speichervorrichtung veranschaulichen.
Fig. 2(a) und 2(b) sind Querschnitte, die ein weiteres erfindungsgemässes Herstellungsverfahren der Halbleiter-Speichervorrichtung veranschaulichen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wie in Fig. 1(a) gezeigt, wird zuerst ein Oxidfilm zur Trennung der Elemente auf einem Siliciumsubstrat ausgebildet, dann wird ein aus Diffusionsschichten 3, einem die Steuerelektrode isolierenden Film und einer Steuerelektrode bestehender MOS-Transistor gebildet. Der MOS-Transistor kann durch ein gewöhnliches Halbleiter-Herstellungsverfahren gebildet werden. Weiter werden auf dem Oxidfilm zur Trennung der Elemente eine untere Elektrode , ein aus Bariumtitanat bestehender ferroelektrischer Film und eine obere Elektrode aufeinanderfolgend durch ein Zerstäubungsverfahren abgeschieden und zu einem ferroelektrischen Kondensator gestaltet. Danach wird das Siliciumsubstrat , auf dem der MOS- Transistor und der ferroelektrische Kondensator ausgebildet worden sind, völlig durch eine mit einem Gasphasen-Abscheidungsverfahren (chemical vapor deposition, CVD) hergestellte isolierende Zwischenschicht aus einem nicht dotierten Silicatglas- (nondoped silicate glass, NSG) Film überdeckt. Ein Phosphosilicatglas- (PSG) oder Borphosphosilicatglas- (BPSG) Film kann anstelle des NSG-Films als die isolierende Zwischenschicht benutzt werden.
Zweitens werden, wie in Fig. 1(b) gezeigt, erste Kontaktlöcher , die zu den Diffusionsschichten des MOS-Transistors führen, durch eine Ätztechnik in der isolierenden Zwischenschicht gebildet. Dann wird eine 30-minütige Wärmebehandlung bei 450ºC in Wasserstoffatmosphäre durchgeführt.
Da der ferroelektrische Kondensator 9 durch die isolierende Zwischenschicht verdeckt ist, erreicht während dieser Wärmebehandjung in Wasserstoffatmosphäre der Wasserstoff kaum den ferroelek trischen Film . Andererseits erreicht der Wasserstoff leicht den MOS-Transistor durch die ersten Kontaktlöcher . Entsprechend kann die Dichte der Oberflächenzustände an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumsubstrat und dem die Steuerelektrode isolierenden Film vermindert werden, ohne die Kenngrössen des ferroelektrischen Kondensators zu verschlechtern.
Eine Temperatur im Bereich von 350 bis 550ºC wird bevorzugt angewandt, wenn die Wärmebehandlung ausgeführt wird. Die Dichte der Oberflächenzustände an der Phasengrenze zwischen dem Siliciumsubstrat und dem die Steuerelektrode isolierenden Film erhöht sich während der Ausbildung der verschiedenen Filme kritisch, aber diese erhöhte Dichte der Oberflächenzustände wird durch kurzzeitige Wärmebehandlung bei verhältnismässig niedriger Temperatur ziemlich stark vermindert. Die Transistor-Kenngrössen können daher leicht wiedergewonnen werden. Auch verschlechtert eine Wärmebehandlung bei niedriger Temperatur die Eigenschaften des ferroelektrischen Kondensators weniger stark.
Drittens werden, wie in Fig. 1(c) gezeigt, zweite Kontaktlöcher , die zu der unteren Elektrode und der oberen Elektrode des ferroelektrischen Kondensators führen, in der isolierenden Zwischenschicht ausgebildet.
Viertens werden, die in Fig. 1(d) gezeigt, Metall-Verbindungen , die die Diffusionsschichten durch die ersten Kontaktlöcher kontaktieren, sowie Metall-Verbindungen , die die untere Elektrode sowie die obere Elektrode 8 durch die zweiten Kontaktlöcher kontaktieren, ausgebildet. Beide Metall-Verbindungen können mit der gewöhnlichen Metall-Verbindungstechnik hergestellt werden. Die Metall-Verbindungen und haben zwei Schichten, nämlich eine erste Schicht aus Titan-Wolfram-Legierung und eine zweite Schicht aus Aluminiumlegierung. Weiter werden, obwohl nicht in Fig. 1(d) veranschaulicht, die Metall-Verbindungen und durch einen Schutzfilm überdeckt, und ein Fenster wird in diesem Schutzfilm vorgesehen, so dass die Metall-Verbindungen und nach aussen hin verbunden werden können, d. h. eine Lötbahn bilden.
In diesem Herstellungsverfahren bleiben die zweiten Kontaktlöcher , die zur unteren Elektrode und zur oberen Elektrode 8 des ferroelektrischen Kondensators führen, ungeöffnet, während die Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre erfolgt. Wasserstoff erreicht daher kaum den ferroelektrischen Film , wodurch verhindert wird, dass sich die elektrischen Kenngrössen des ferroelektrischen Films verschlechtern.
Andererseits wird die Dichte der Oberflächenzustände mit Leichtigkeit vermindert, da Wasserstoff durch die ersten Kontaktlöcher zur Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und dem die Steuerelektrode isolierenden Film geliefert wird.
Im obigen Herstellungsverfahren wird eine Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre benutzt. Im nachfolgenden wird eine Wärmebehandlung in einer Atmosphäre von Wasserstoffplasma erklärt.
Zuerst wird das Material, bevor es der Wärmebehandlung in Wasserstoff unterworfen wird, in die Plasmaapparatur eingebracht, Wasserstoff wird unter einem Unterdruck von 6,7 Pa (0,05 Torr) erzeugt, und die Behandlung erfolgt über eine Zeitdauer von 30 Minuten. Da das Material aktivem Wasserstoff ausgesetzt wird, kann in dieser Atmosphäre von Wasserstoffplasma die Dichte der Oberflächenzustände leichter herabgesetzt werden als in normaler Wasserstoffatmosphäre. Der bevorzugte Druck der Atmosphäre im Wasserstoffplasma liegt im Bereich von 1,3 bis 13 Pa (0,01 bis 0,1 Torr), wo die Dichte der Oberflächenzustände leicht vermindert werden kann.
In den obigen Herstellungsverfahren wird die Zwischenschicht 11 aus NSG-Film gebildet, jedoch wird Siliciumnitridfilm gegenüber NSG- Film für die Bildung der Zwischenschicht bevorzugt. In diesem Falle wird, nachdem der Oxidfilm zur Trennung der Elemente, der MOS- Transistor und der ferroelektrische Kondensator auf dem Siliciumsubstrat gebildet worden sind, der Siliciumnitridfilm mit einem CVD-Verfahren bei niedrigem Druck gebildet. Dieser Siliciumnitridfilm wird in einem Mischgas aus Silandichlorid (SiH&sub2;Cl&sub2;) und Ammoniak (NH&sub3;) bei 6,7 Pa (0,5 Torr) und 750ºC gebildet. Mit einer herkömmlichen Ätztechnik werden die ersten Kontaktlöcher, die zu den Diffusionsschichten des MOS-Transistors führen, im Siliciumnitridfilm gebildet, dann wird die Wasserstoffbehandlung wie im oben angeführten Herstellungsverfahren in Wasserstoff- oder Plasmawasserstoffatmosphäre durchgeführt.
Als nächstes werden die zweiten Kontaktlöcher, die sowohl zu der oberen wie zu der unteren Elektrode des ferroelektrischen Kondensators führen, im Siliciumnitridfilm gebildet, und die selben Metall-Verbindungen wie im obigen Herstellungsverfahren werden hergestellt.
Neben dem oben genannten Mischgas können für die Bildung des Siliciumnitridfilms auch ein Mischgas aus Monosilan (SiH&sub4;) und Ammoniak oder ein Mischgas aus Disilan (Si&sub2;H&sub6;) und Ammoniak benutzt werden. Die bevorzugten Filmbildungstemperaturen liegen im Bereich von 700 bis 800ºC.
Wenn ein Siliciumnitridfilm als isolierende Zwischenschicht benutzt wird, beeinträchtigt der Wasserstoff das Material weniger als bei Benutzung des NSG-Films, weil der Siliciumnitridfilm dichter ist. Wenn Siliciumnitridfilm benutzt wird, werden sich die Kenngrössen des ferroelektrischen Kondensators daher kaum verschlechtern. Das Niederdruck-CVD-Verfahren beeinträchtigt die Transistor-Kenngrössen des MOS-Transistors wenig. Daher kann die Wärmebehandlung in Wasserstoff mit Leichtigkeit erfolgen.
Fig. 2(a) und 2(b) veranschaulichen, dass die isolierende Zwischenschicht in zwei Schichten abgeschieden wird, nämlich dem Siliciumnitridfilm und dem PSG-Film . In diesem Falle wird, wie in Fig. 2(a) gezeigt, das selbe Herstellungsverfahren wie oben benutzt. Auf dem Siliciumsubstrat werden der Oxidfilm zur Trennung der Elemente, der MOS-Transistor und der ferroelektrische Kondensator gebildet. Ferner wird auch der Siliciumnitridfilm gebildet. Auf diesem Siliciumnitridfilm wird dann der PSG- Film mit dem CVD-Verfahren gebildet, die ersten Kontaktlöcher , die zu den Diffusionsschichten führen, werden mit der Ätztechnik in der isolierenden Zwischenschicht gebildet, und die Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre wird wie beim obigen Herstellungsverfahren ausgeführt.
Als nächstes werden, wie in Fig. 2(b) veranschaulicht, die zweiten Kontaktlöcher , die sowohl zur unteren Elektrode wie auch zur oberen Elektrode des ferroelektrischen Kondensators führen, in der isolierenden Zwischenschicht gebildet. Dann wird wie im obigen Herstellungsverfahren die Metall-Verbindung hergestellt.
Die aus zwei Schichten, nämlich dem Siliciumnitridfilm und dem PSG-Film , hergestellte isolierende Zwischenschicht kann während der Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre den Einfluss von Wasserstoff wie auch die Verschlechterung der Kenngrössen des ferroelektrischen Kondensators verhindern.
Die Zweischichtenstruktur kann nicht nur aus einer Kombination von Siliciumnitrid- und PSG-Film, sondern auch anderen Kombinationen wie Siliciumnitridfilm und NSG-Film oder Siliciumnitridfilm und BPSG-Film hergestellt werden. Die isolierende Zwischenschicht kann aus drei oder mehr Schichten einschliesslich Siliciumnitridfilm und anderen isolierenden Filmen hergestellt werden, zum Beispiel aus aufeinanderfolgend abgeschiedenen Filmen von Siliciumnitrid, BPSG und Siliciumnitrid.
In den oben als Beispiel beschriebenen Ausführungsformen wurde das Niederdruck-CVD-Verfahren benutzt, um den Siliciumnitridfilm zu bilden, aber das Zerstäubungsverfahren kann ebenfalls benutzt werden. Wenn das Zerstäubungsverfahren benutzt wird, um den Siliciumnitridfilm zu bilden, ist Zerstäubung in Argongas mit einem gesinterten Target aus Siliciumnitrid oder Zerstäubung in einem gemischten Gas aus Stickstoff und Argon mit einem Siliciumtarget zu bevorzugen. Der durch das Zerstäubungsverfahren gebildete Siliciumnitridfilm ist dicht, wodurch verhindert werden kann, dass sich die Eigenschaften des ferroelektrischen Films verschlechtern.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen, beispielhaften Ausführungsformen begrenzt. Zum Beispiel zeigen die oben beschriebenen, beispielhaften Ausführungsformen die Halbleiter-Speichervorrichtung mit einem einzigen, auf dem Siliciumsubstrat ausgebildeten MOS-Transistor. Die vorliegende Erfindung erstreckt sich aber auch auf eine Halbleiter-Speichervorrichtung mit einem integrierten Schaltkreis mit einer Mehrzahl von MOS- Transistoren auf dem Siliciumsubstrat. Auch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Halbleiter-Speichervorrichtung begrenzt, sondern erstreckt sich auch auf eine Halbleitervorrichtung mit ferroelektrischem Kondensator. Weiter ist der ferroelektrische Film nicht auf Bariumtitanat als das ferroelektrische Oxid beschränkt, sondern kann aus anderen ferroelektrischen Materialien wie Strontiumtitanat, Bleititanat oder Barium-Strontium-Titanat bestehen.

Claims

1. Herstellungsverfahrenfür eine Halbleitervorrichtung mit den Schritten,

(a) einen aus einer unteren Elektrode (6), einem ferroelekitrischen Film (7) und einer oberen Elektrode (8) bestehenden ferroelektrischen Kondensator (9) auf einem Halbleitersubstrat (1) zu bilden, auf dem ein integrierter Schaltkreis (10) gebildet wird;

(b) eine isolierende Zwischenschicht (11, 21) zu bilden, die die benannte integrierte Schaltung und den benannten ferroelektrischen Kondensator überdeckt;

(c) ein erstes Kontaktloch (12a), das zu einer Diffusionsschicht (13) des benannten integrierten Schaltkreises führt, in der benannten isolierenden Zwischenschicht zu bilden;

(d) nach Bildung des benannten ersten Kontaktloches eine Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre durchzuführen;

(e) nach der benannten Wärmebehandlung in der benannten isolierenden Zwischenschicht zweite Kontaktlöcher (12b) zu bilden, die zu der benannten unteren und oberen Elektrode führen;

(f) Metall-Verbindungen (13a, 13b) durch die benannten ersten und zweiten Kontaktlöcher auszubilden, die die benannte Diffusionsschicht und die benannte obere und untere Elektrode erreichen.

2. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 1, bei dem die benannte Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 550ºC erfolgt.

3. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 1, bei dem die benannte Wärmebehandlung in einer Wasserstoffplasmaatmosphäre erfolgt.

4. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 3, bei dem die benannte Wärmebehandlung in dem benannten Wasserstoffplasma bei einem Gasdruck im Bereich von 1, 3 bis 13 Pa (0,01 bis 0,1 Torr) erfolgt.

5. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 1, bei dem der benannte Schritt der Bildung der isolierenden Zwischenschicht den Schritt der Bildung eines Siliciumnitridfilms umfasst.

6. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 5, bei dem der benannte Schritt der Bildung des Siliciumnitridfilms ein Niederdruck-CVD-Verfahren benutzt.

7. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 5, bei dem der benannte Schritt der Bildung des Siliciumnitridfilms ein Zerstäubungsverfahren benutzt.

8. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 1, bei dem der benannte Schritt der Bildung einer isolierenden Zwischenschicht den Schritt der Bildung eines einen Siliciumnitridfilm (22) einschliessenden vielschichtigen Films umfasst.

9. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 8, bei dem der benannte Schritt der Bildung eines Vielschichtenfilms ein Niederdruck-CVD-Verfahren benutzt.

10. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 8, bei dem der benannte Schritt der Bildung eines Vielschichtenfilms ein Zerstäubungsverfahren benutzt.

11. Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 8, bei dem der benannte Schritt der Ausbildung eines Vielschichtenfilms einen Schritt der Ausbildung einer zweifachen Schicht umfasst, die aus einem Siliciumnitridfilm (22) und einem Phosphor enthaltenden Siliciumoxidfilm (23) hergestellt wird.