DE69529368T2

DE69529368T2 - Leitfähige Barriereschicht aus einem amorphen Nitrid als Elektrode für Material mit hoher dielektrischen Konstante

Info

Publication number: DE69529368T2
Application number: DE69529368T
Authority: DE
Inventors: Scott R. Summerfelt
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1994-08-01
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 2003-09-04
Anticipated expiration: 2015-07-29
Also published as: KR100341555B1; US5665628A; JPH08116032A; US5585300A; TW283790B; DE69529368D1; EP0697720A1; EP0697720B1; KR960009197A; US5793057A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verbesserung der elektrischen Verbindungen zu Werkstoffen mit hoher Dielektrizitätskonstante, etwa bei der Herstellung von Kondensatoren.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ohne den Geltungsbereich der Erfindung einzuschränken, wird ihr Hintergrund beispielhaft im Zusammenhang mit üblichen Verfahren zum Bilden elektrischer Verbindungen zu Werkstoffen mit hoher Dielektrizitätskonstante beschrieben.
Die zunehmende Dichte integrierter Schaltungen (z. B. DRAMs) führt zu einem höheren Bedarf an Werkstoffen mit hoher Dielektrizitätskonstante zur Verwendung in elektrischen Vorrichtungen, etwa in Kondensatoren. Im allgemeinen hängt die Kapazität direkt von der Oberfläche der Elektrode in Kontakt mit dem Kondensatordielektrikum ab, wobei sie jedoch durch das Volumen der Elektrode nicht signifikant beeinflußt wird. Das übliche Verfahren, das im allgemeinen verwendet wird, um eine höhere Kapazität pro Flächeneinheit zu erzielen, besteht in einer Vergrößerung der Oberfläche/Flächeneinheit durch Erweitern der Topographie, wie etwa in Graben- und Stapelkondensatoren, die SiO&sub2; oder SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4; als Dielektrikum verwenden. Dieser Ansatz wird hinsichtlich der technischen Umsetzbarkeit für Vorrichtung wie etwa 256 Mbit und 1 Gbit DRAMs sehr schwierig.
Ein anderer möglicher Ansatz ist die Verwendung eines Werkstoffs mit hoher absoluter Dielektrizitätskonstante. Viele Werkstoffe, die ferroelektrisch sind, eine Perowskit-Struktur oder eine hohe relative Dielektrizitätskonstante besitzen (im folgenden als HDK abgekürzt), wie etwa (Ba,Sr)TiO&sub3;(BST), haben gewöhnlich viel größere Kapazitätsdichten als übliche SiO&sub2;-Si&sub3;N&sub4;-SiO&sub2;-Kondensatoren. Verschiedene Metalle und Metallverbindungen, darunter typische Edelmetalle wie etwa Pt und leitende Oxide wie etwa RuO&sub2;, sind als Elektroden für diese HDK- Werkstoffe vorgeschlagen worden. Für eine Verwendung in elektronischen Vorrichtung sollten jedoch allgemein zuverlässige elektrische Verbindungen geschaffen werden, welche die vorteilhaften Eigenschaften dieser Werkstoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante nicht schmälern.
In diesem Zusammenhang sei das Dokument EP-A-0 404 295 erwähnt, das eine mehrlagige Kondensatorstruktur in einer integrierten Schaltung offenbart, die eine Unterseitenelektrode, eine dielektrische Schicht, die aus einem ferroelektrischen Werkstoff oder aus einem HDK-Werkstoff gebildet ist, und eine Oberseitenelektrode enthält. Die Unterseitenelektrode umfaßt als erste Schicht eine Adhäsionsschicht, beispielsweise aus Titan, die auf einem Substrat gebildet ist. Eine zweite Schicht der Unterseitenelektrode, die beispielsweise Titannitrid umfaßt, dient als elektrischer Kontakt zwischen der Unterseitenelektrode und den übrigen Vorrichtungen auf der integrierten Schaltung sowie als Diffusionsbarriere. Eine dritte Schicht umfaßt eine Überzugsschicht, beispielsweise aus Platin.
Die Wirksamkeit von TiOX, TiNR, ZrNX und ZrOX Filmen als Diffusionsbarrieren zwischen SiO&sub2; und dem ferroelektrischen Werkstoff Pb(Zr,Ti)O&sub3; ist in Materials Research Society Symposium Proceedings, Bd. 200, S. 193-198 (1990) untersucht worden. Die Autoren dieses Artikels ziehen die Schlußfolgerung, daß eine TiN-Barriere das Eindiffundieren von Pb oder Zr nicht wirksam blockieren kann.
Die Wirksamkeit von amorphen Ta-Si-N-Filmen als Diffusionsbarrieren zwischen Al und Si ist im Journal of Vacuum Science and Technology A, Bd. 8, Nr. 3, S. 3006-3010 (1990) behandelt. Es wird berichtet, daß eine Si/Ta-Si-N- Struktur 30 Minuten lang einer Temperatur von 675ºC ausgesetzt werden kann, wobei nichts auf metallurgische Wechselwirkungen zwischen den Schichten hindeutete.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Wie hier verwendet hat der Begriff "hohe Dielektrizitätskonstante" (im folgenden HDK abgekürzt) die Bedeutung einer relativen Dielektrizitätskonstante, die bei der Betriebstemperatur der Vorrichtung größer als etwa 50 ist. HDK- Werkstoffe werden zweckmäßig für die Herstellung vieler elektrischer Vorrichtungen, etwa von Kondensatoren, verwendet. Jedoch sind HDK-Werkstoffe im allgemeinen nicht chemisch beständig, wenn sie direkt auf einem Halbleitersubstrat abgelagert werden, so daß eine oder mehrere zusätzliche Schichten erforderlich sind, um die elektrische Verbindung zwischen dem HDK-Werkstoff und dem Substrat zu schaffen. Die zusätzliche(n) Schicht(en) sollte(n) im allgemeinen chemisch stabil sein, wenn sie in Kontakt mit dem Substrat ist, sowie auch dann, wenn sie in Kontakt mit dem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante ist. Außerdem erfordern Vorrichtungen mit hoher Dichte (z. B. 256 Mbit und 1 Gbit DRAMs) aufgrund der Beschränkungen der Flächeneinheit im allgemeinen eine Struktur, in welcher die tiefer gelegene Elektrode vom HDK-Werkstoff in das Substrat stromleitend ist. Die Ablagerung eines HDK-Werkstoffs erfolgt gewöhnlich bei hoher Temperatur (im allgemeinen höher als ungefähr 500ºC) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Eine anfängliche Elektrodenstruktur, die vor dieser Ablagerung gebildet worden ist, sollte sowohl während als auch nach dieser Ablagerung beständig sein, während nachfolgende Elektrodenstrukturen, die nach dieser Ablagerung gebildet werden, nur nach dieser Ablagerung beständig zu sein brauchen.
Mit den Werkstoffen, die bisher für die Elektroden in üblichen Dünnfilmanwendungen (hier definiert als im allgemeinen weniger als 5 um) gewählt werden, treten verschiedene Probleme auf. So ist beispielsweise festgestellt worden, daß, obwohl Platin gegenüber dem HDK-Werkstoff nicht reaktiv ist, Pt allein schwer fit eine Anfangselektrode zu verwenden ist. Sauerstoff ist es im allgemeinen möglich, durch Pt hindurch zu diffundieren und folglich typisch die benachbarten Werkstoffe zu oxidieren. Außerdem haftet Pt normalerweise nicht sehr gut auf herkömmlichen Dielektrika wie etwa SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4;, und Pt kann bei niedrigen Temperaturen schnell ein Silicid bilden. Folglich wurden eine Ta- oder TiN- Schicht als Adhäsionsschicht unter der Pt-Elektrode vorgeschlagen. Während der BST-Ablagerung oder der Umkristallisation kann jedoch gegebenenfalls Sauerstoff durch das Pt diffundieren, die Adhäsionsschicht oxidieren, wodurch sich ihre Leitfähigkeit verringert. Des weiteren kann das Substrat selbst (z. B. Silicium) während der Ablagerung des HDK-Werkstoffs unerwünscht oxidiert werden.
Leitfähige Oxide, wie etwa RuO&sub2;, zeigen im allgemeinen ebenfalls Probleme in üblichen Dünnfilmstrukturen. Beispielsweise sind die elektrischen Eigenschaften der Strukturen, die unter Verwendung dieser Oxide gebildet sind, im allgemeinen denjenigen, die unter Verwendung von beispielsweise Pt gebildet sind, unterlegen. Viele Dünnfilmanwendungen erfordern neben einer großen Kapazität pro Flächeneinheit eine geringe Verluststromdichte. Der Verluststrom wird durch viele Größen, wie etwa die Dicke, die Mikrostruktur, die Elektroden, die Elektrodengeometrie und die Zusammensetzung, beeinflußt. Beispielsweise ist der Verluststrom von Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) unter Verwendung von RuO&sub2;- Elektroden um mehrere Größenordnungen größer als der Verluststrom von PZT unter Verwendung von Pt-Elektroden. Insbesondere scheint der Verluststrom durch Schottky-Barrieren gesteuert zu sein, und der geringere Verluststrom mit Pt-Elektroden ist wahrscheinlich durch die größere Austrittsarbeit bedingt.
Andere Strukturen, die für übliche Dünnfilmstrukturen vorgeschlagen worden sind, enthalten Legierungen aus Pt, Pd, Rh als Elektrode und Oxide aus Re, Os, Rh und Ir als Haftschicht auf einkristallinem oder polykristallinem Si. Ein Problem besteht bei diesen Elektroden darin, daß diese Oxide in der unmittelbaren Nähe von Si gewöhnlich nicht beständig sind und diese Metalle typisch bei niedrigen Temperaturen (im allgemeinen von weniger als etwa 450ºC) schnell Silicide bilden. Wenn weitere damit verbundene Probleme vermieden oder minimiert werden können, sollte dieser Typ von Elektrodenstruktur seine Leitfähigkeit auch nach der Ablagerung des HDK-Werkstoffs beibehalten, wenn eine geeignete Barrierenschicht(en) zwischen dem leitfähigen Oxid und dem Si-Substrat verwendet wird.
Allgemein schafft die vorliegende Erfindung eine Barrierenschicht, die neuartige Werkstoffe zur Verwendung in einer Elektrode aus HDK-Werkstoff umfaßt. Für eine tiefer gelegene Elektrode, die vor der Ablagerung des HDK-Werkstoffs gebildet wird, befindet sich die Barrierenschicht im allgemeinen zwischen einer darüber liegenden sauerstoffstabilen Schicht (den HDK-Werkstoff berührend) und einer darunter liegenden oxidierbaren Schicht(e). Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Barriere", wenn er mit Bezug auf eine Schicht zwischen einer sauerstoffstabilen Schicht und einer oxidierbaren Schicht gebraucht wird, eine leitende Schicht, welche die Diffusion von Sauerstoff (durch sich selbst) in Richtung der oxidierbaren Schicht minimiert und demzufolge die Oxidation (und Degradation) der oxidierbaren Schicht minimiert.
Wie hier verwendet bedeutet der Begriff "sauerstoffstabil", wenn er mit Bezug auf eine Schicht gebraucht wird, die in Kontakt mit einem HDK-Werkstoff ist, eine Schicht, die eine beständige, stromleitende Grenzfläche zu dem HDK- Werkstoff während und nach der HDK-Verarbeitung (beispielsweise nachdem sie Hochtemperatur-Oxidationsbedingungen ausgesetzt worden ist) schafft. Es ist zu beachten, daß, wenn ein leitfähiges Oxid wie etwa RuO&sub2; für die sauerstoffstabile Schicht (oder für einen anderen Teil der Elektrode) verwendet wird, diese Schicht auch unoxidiertes oder teilweise oxidiertes Ru enthalten kann. Beispielsweise wird eine sauerstoffstabile Schicht aus Ru, die chemisch verändert wird, indem sie während des HDK-Ablagerungsverfahrens teilweise oder vollständig oxidiert wird, noch als sauerstoffstabil angesehen, da sie noch immer eine stabile stromleitende Grenzfläche zu dem HDK-Werkstoff liefert.
Wie hier verwendet bedeutet der Begriff "oxidierbar", wenn er mit Bezug auf eine Schicht gebraucht wird, die unter der Barrierenschicht liegt, eine leitfähige Schicht, die im allgemeinen verwendet wird, um eine elektrische Verbindung zum oder in das Substrat herzustellen, wobei sie durch Oxidation im allgemeinen stärker isolierend wird.
Die folgenden Eigenschaften der Barrierenschicht werden angestrebt: 1) Im allgemeinen bleibt sie nach der Ablagerung und/oder der Umkristallisation des HDK-Werkstoffs elektrisch leitend; 2) im allgemeinen behält sie einen niedrigen Übergangswiderstand zwischen der darüber liegenden sauerstoffstabilen Schicht und der darunter liegenden oxidierbaren leitenden Schicht bei; 3) im allgemeinen reagiert sie nicht mit der sauerstoffstabilen Schicht, wodurch der HDK-Werkstoff möglicherweise abgebaut werden könnte; 4) im allgemeinen verhindert sie wesentlich die Diffusion von Sauerstoff aus der darüber liegenden sauerstoffstabilen Schicht in Richtung der darunter liegenden leitenden Schicht; 5) im allgemeinen bewahrt sie eine stabile Morphologie; und 6) sie ist im allgemeinen herstellbar (z. B. vernünftige Kosten und Ausbeute).
Die offenbarten Strukturen schaffen im allgemeinen eine elektrische Verbindung zu HDK-Werkstoffen, ohne die Nachteile der Strukturen des Standes der Technik aufzuweisen.
Ein Verfahren zum Bilden einer mikroelektronischen Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Schritte des Anspruchs 1. Eine gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffene mikroelektronische Struktur umfaßt die Merkmale des Anspruchs 13.
Dies sind offensichtlich die ersten mikroelektronischen Strukturen, bei denen eine Barrierenschicht, die neuartige Werkstoffe für Sauerstoffbarrieren umfaßt, verwendet wird, um zwischen einer darunter liegenden oxidierbaren Schicht und einer darüber liegenden sauerstoffstabilen Schicht, die mit einem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante in Kontakt ist, eine elektrische Verbindung zu schaffen. Diese Strukturen könnten außerdem für mehrlagige Kondensatoren und andere Dünnfilm-Vorrichtungen wie etwa pyroelektrische Werkstoffe (z. B. (ungekühlte) Infrarotdetektoren), nichtflüchtige ferroelektrische RAM's (welche die Eigenschaften einer permanenten Polarisation nutzen), dünnfilm-piezoelektrische und dünnfilm-elektrooptische Vorrichtungen verwendet werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die für neuartig gehaltenen charakteristischen Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Sowohl die Erfindung selbst als auch weitere Merkmale und Vorteile davon werden am besten anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung verständlich, wenn diese in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gelesen wird, worin
- Fig. 1-5 Querschnittansichten einer mikroelektronischen Struktur sind, die aufeinanderfolgende Schritte in der Fertigung einer Elektrode aus einem HDK- Werkstoff, die eine Barrierenschicht umfaßt, zeigen;
- Fig. 6 eine Querschnittansicht einer Elektrode aus einem HDK-Werkstoff ist, die eine Barrierenschicht umfaßt;
- Fig. 7-9 Querschnittansichten verschiedener HDK-Werkstoff-Kondensatorstrukturen sind, deren tiefer gelegene Elektroden Barrierenschichten umfassen;
- Fig. 10-15 Querschnittansichten einer mikroelektronischen Struktur sind, die aufeinanderfolgende Schritte in der Fertigung eines HDK-Werkstoff-Kondensators zeigen, dessen tiefer gelegene Elektrode eine Barrierenschicht umfaßt; und
- Fig. 16 und 17 Querschnittansichten verschiedener HDK-Werkstoff-Kondensatorstrukturen sind, deren tiefer gelegene Elektroden Barrierenschichten umfassen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die folgenden Abschnitte liefern verschiedene alternative Schemata für die Barrierenschicht.

Amorphe Nitrid-Barrierenschichten

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine ternäre oder höhere amorphe Nidridschicht als Barnerenschicht verwendet. Dies sind offensichtlich die ersten Strukturen, in denen eine Barrierenschicht für einen HDK-Werkstoff eine ternäre oder höhere amorphe Nitridschicht umfaßt. Verglichen mit den in der Halbleiterverfahrenstechnik üblichen Werkstoffen wie etwa TiN oxidiert die amorphe Nitridschicht im allgemeinen sehr langsam, und folglich bleibt die Leitfähigkeit durch die amorphe Nitridschicht unter der sauerstoffstabilen Schicht im allgemeinen erhalten, selbst nachdem sie, wie etwa während der Ablagerung des HDK- Werkstoffs, bei hohen Temperaturen Sauerstoff ausgesetzt worden ist. Beispielsweise ist die Oxidationsgeschwindigkeit einer Ta-Si-N-Barrierenschicht im allgemeinen sehr gering im Vergleich zu üblichen Werkstoffen wie etwa TiN, was darauf zurückzuführen sein könnte, daß Si&sub3;N&sub4; verhältnismäßig langsam oxidiert.
Es ist gezeigt worden, daß dieser Werkstofftyp im allgemeinen eine bessere Barrierenschicht als die üblichen Barrierenwerkstoffe für die gängigen Metalle, einschließlich der Edelmetalle, darstellt - siehe Pokela u. a., "Amorphous Ternary Ta-Si-N Diffusion Barrier Between Si and Au", Journal of Electrochemical Society, 138, S. 2125-2129, 1991. Die vorliegende Erfindung ist jedoch offensichtlich die erste, die einen ternären oder höheren amorphen Nitrid-Werkstoff als Sauerstoffbarriere in der tiefer gelegenen Elektrode aus einem HDK-Werkstoff verwendet.
Um die weiter obenbeschriebenen Probleme fit die tiefer gelegenen Elektroden aus einem HDK-Werkstoff zu lösen, sind viele verschiedene Barrierenwerkstoffkombinationen vorgeschlagen worden. Trotz umfangreicher Forschung auf diesem Gebiet und zahlreicher veröffentlichter Beiträge ist die ternäre oder höhere amorphe Nitridschicht der vorliegenden Erfindung offensichtlich bisher nie als eine mögliche Sauerstoffbarrierenschicht für Elektroden aus HDK-Werkstoffen gelehrt oder vorgeschlagen worden.

Exotische Nitrid-Barrierenschichten

In einer nicht beanspruchten Ausführungsform wird eine exotische Nitridschicht als Barrierenschicht verwendet. Exotische Nitride sind in der hier verwendeten Bedeutung dieses Begriffs Nitride, die im allgemeinen in der üblichen Halbleiterfertigung nicht eingesetzt werden und in der weiter unten stehenden Tabelle genauer definiert sind. Dies sind offensichtlich die ersten Strukturen, in denen eine Barrierenschicht fit einen HDK-Werkstoff eine exotische Nitridschicht umfaßt, die unter einer sauerstoffstabilen Schicht liegt. Im Vergleich zu Werkstoffen, die in der Halbleiterfertigung üblich sind, wie etwa TiN, oxidiert die exotische Nitridschicht im allgemeinen sehr langsam, und folglich bleibt die Leitfähigkeit durch die exotische Nitridschicht unterhalb der sauerstoffstabilen Schicht im allgemeinen auch erhalten, selbst nachdem sie, etwa während der Ablagerung des HDK-Werkstoffs, bei hohen Temperaturen Sauerstoff ausgesetzt worden ist. Beispielsweise ist die Oxidationsgeschwindigkeit exotischer Nitride, etwa von ZrN und HfN, im allgemeinen viel geringer als für die üblichen Werkstoffe, wie etwa TiN.
ZrN und HfN sind als Barrierenschichten für Metalle wie etwa Pt, Cu, Au und Al untersucht worden. ZrN und HfN sind außerdem für die Kontaktierung von PZT und Y-Ba-Cu-O untersucht worden - siehe Parikh u. a. "Study of Diffusion Barriers for PZT Deposited on Si for Non-Volatile Random Access Memory Technology", Materials Research Society Proceedings, 200, S. 193-198, 1990. Obwohl diese exotischen Nitride langsam oxidiert werden, so oxidieren sie doch, wie zuvor erörtert worden ist. Eine Schicht in Kontakt mit dem HDK-Werkstoff kann im allgemeinen nicht einmal eine Monolage eines Werkstoffs mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante unmittelbar an der HDK-Schicht bilden, ohne den elektrischen Kontakt an dieser Stelle wesentlich zu verschlechtern. Die vorliegende Erfindung ist offensichtlich die erste, die einen exotischen Nitrid-Werkstoff als Sauerstoffbarriere verwendet, die unter einer sauerstoffstabilen Schicht in der tiefer gelegenen Elektrode aus einem HDK-Werkstoff liegt.
Die Oxidation der Barrierenschicht selbst könnte Probleme verursachen. Ein mögliches Problem ist eine Erhöhung des Übergangswiderstands zwischen der oxidierbaren Schicht und der sauerstoffstabilen Schicht. Dies ist im allgemeinen nicht so kritisch, solange die sauerstoffstabile Schicht unmittelbar neben dem HDK-Werkstoff leitend bleibt. Ein weiteres mögliches Problem ist, daß die am häufigsten anzutreffende sauerstoffstabile Schicht (Pt) in Reaktion auf eine Druckspannung leicht Erhebungen bildet. Die Oxidation der Barrierenschicht kann zu einer großen Ausdehnung in der Barrierenschicht führen, wenn diese z. B. aus einem Nitrid in ein Oxid umgebaut wird. Beispielsweise beträgt für einen üblichen Werkstoff, wie etwa TiN, das Verhältnis (endgültige TiO&sub2;- Dicke/anfängliche TiN-Dicke) in etwa 1,58. Die Verhältnisse für einige weitere Nitride und ihre Oxide werden im allgemeinen wie folgt angegeben (wobei t die Dicke darstellt): t(Ta&sub2;O&sub5;)/t(TaN) = 2,3, t(Y&sub2;O&sub3;)/t(YN) = 1,2, t(ZrO&sub2;)/t(ZrN) = 1,48, t(Al&sub2;O&sub3;)/t(AlN) = 1,02, t(CaO)/t(Ca&sub3;N&sub2;) = 0,90. Eine typische Tendenz ist daß Werkstoffe, die einen höheren Oxidationszustand aufweisen, wie etwa Ta&spplus;&sup5;, sich im allgemeinen am stärksten ausdehnen, und Werkstoffe, die einen niedrigeren Oxidationszustand aufweisen, wie etwa Ca&spplus;², sich im allgemeinen am wenigsten ausdehnen oder sogar schrumpfen. Deshalb sind einige Werkstoffe, wie etwa TaN, aufgrund ihrer großen Volumenausdehnung bei der Oxidation im allgemeinen nicht so zweckmäßig.
Ein möglicher Nachteil bei der Verwendung exotischer Nitridwerkstoffe ist im allgemeinen die Neuheit der meisten dieser Werkstoffe in einer üblichen Halbleiterfertigungsstätte. Die Akzeptanz neuer Werkstoffe in einer Halbleiterfertigungsstätte kann möglicherweise eine beträchtliche Hürde sein, die zu überwinden ist. Eine mögliche Verbindung, die diese Probleme nicht haben könnte, ist die AlN- Verbindung. Stöchiometrisches AlN ist isolierend, dotiertes AlN ist jedoch im allgemeinen leitfähig. Das Dotieren kann erfolgen, indem N-defizientes AlN abgelagert wird, oder indem kationische Dotierstoffe, wie etwa TiN oder GaN, oder anionische Dotierstoffe, wie etwa B oder C, zugesetzt werden. Alle diese Verbindungen sollten im allgemeinen für einen Einsatz in Halbleiterfertigungsstätten akzeptabel sein.
Beispielsweise wurde gemessen, daß die Oxidationsgeschwindigkeit von (Ti,Al)N mehr als zwei Größenordnungen geringer als die Oxidationsgeschwindigkeit von TiN ist.
Die Akzeptanz weiterer exotischer Nitride, wie etwa ZrN und HfN, dürfte eigentlich nicht sehr problematisch sein. Erstens sind diese Werkstoffe chemisch Ti sehr ähnlich, folglich werden die grundlegenden Verarbeitungsvorschriften, wie etwa reaktives Ablagern und Ätzen, im allgemeinen nur sehr geringfügige Modifikationen erfordern. Außerdem besitzen sie geringe Dampfdrücke, und die Tiähnlichen Reaktionen in unmittelbarer Nähe von Si und SiO&sub2; sind im allgemeinen nicht so giftig wie bei einigen akzeptierten Werkstoffen wie etwa Au oder Cu. Schließlich haben diese Werkstoffe bereits zuvor Anwendung als Barrierenschichten (jedoch für andere Zwecke) gefunden und sind daher im allgemeinen nicht völlig unbekannt.
Viele verschiedene Kombinationen von Barrierenwerkstoffen sind vorgeschlagen worden, um die weiter obenbeschriebenen Probleme für die tiefer gelegenen Elektroden für HDK-Werkstoffe zu lösen. Trotz der möglichen Vorteile einer exotischen Nitridschicht und trotz der umfangreichen Forschung auf diesem Gebiet und den zahlreichen veröffentlichten Beiträgen ist die exotische Nitridschicht der vorliegenden Erfindung offensichtlich bisher nie als mögliche Sauerstoffbarrierenschicht, die unter einer sauerstoffstabilen Schicht für Elektroden aus HDK- Werkstoffen liegt, gelehrt oder vorgeschlagen worden.

Barrierenschichten aus Edelmetall-Isolator-Legierungen

In einer weiteren, nicht beanspruchten Ausführungsform wird eine Edelmetall- Isolator-Legierungsschicht für die Barrierenschicht verwendet. Dies sind offensichtlich die ersten Strukturen, in denen eine Barrierenschicht für einen HDK- Werkstoff eine Edelmetall-Isolator-Legierungsschicht umfaßt.
Die Edelmetallkomponente bleibt im allgemeinen leitend, selbst nachdem sie Sauerstoff direkt oder über die Diffusion durch die darüber liegende sauerstoffstabile Schicht ausgesetzt worden ist, während die Isolatorkomponente im allgemeinen als eine chemische Barriere zwischen der oxidierbaren Schicht und der sauerstoffstabilen Schicht wirkt.
Diese Filme könnten als kleine Partikel des Edelmetall in einer dielektrischen Matrix gesehen werden. Beispielsweise könnte Pd-Si-O als sehr kleine Pd-Partikel in einer SiO&sub2;-Matrix angenommen werden. Indem die relative Größe der Edelmetallpartikel und die Zusammensetzung der Schicht gesteuert werden, ist es möglich, die Dicke des Dielektrikums zu steuern. Eine ausreichend geringe Dicke (z. B. 5 bis 20 Å dick) wird im allgemeinen zu sehr guten Barriereneigenschaften führen und dennoch den Stromdurchgang durch Tunneln durch die dielektrische Matrix, über die Edelmetallpartikel, ermöglichen. Da diese Werkstoffe nur als eine Barnerenschicht verwendet werden, die nicht im Erstkontakt zu dem HDK- Werkstoff steht, braucht ihr spezifischer elektrischer Widerstand nicht außergewöhnlich niedrig zu sein, und folglich ist die im Vergleich zu einer reinen Edelmetallschicht schlechtere Leitfähigkeit im allgemeinen kein Problem.
Jedoch wird zuviel Edelmetall und/oder eine zu hohe Ablagerungstemperatur im allgemeinen zu miteinander verbundenen Metallpartikeln und sehr schlechten Sauerstoffbarriereneigenschaften führen. Außerdem werden die chemischen Barriereneigenschaften dieser Werkstoffe im allgemeinen durch die dielektrische Schicht gesteuert, und eine amorphe Matrix wird im allgemeinen zu besseren Barriereneigenschaften führen. (Ein polykristalliner Werkstoff wird im allgemeinen eine Diffusion über die Korngrenzen ermöglichen.)
Bei Verwendung eines Edelmetalls wie etwa Pt (oder Ru, das ein leitfähiges Oxid besitzt), bleibt die Barrierenschicht im allgemeinen leitfähig, selbst nachdem sie, beispielsweise während der Ablagerung des HDK-Werkstoffs, bei hohen Temperaturen Sauerstoff ausgesetzt worden ist. Im allgemeinen werden dielektrische Werkstoffe, die in ihren Barriereneigenschaften außergewöhnlich sind, für den isolierenden Werkstoff ausgewählt (z. B. SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, B&sub2;O&sub3;, AlN, Al&sub2;O&sub3;). Außerdem sind die isolierenden Werkstoffe im allgemeinen entweder in Sauerstoff stabil, da sie bereits Oxide sind, oder sie oxidieren mit einer äußerst geringen Geschwindigkeit mit einer geringen räumlichen Ausdehnung während der Oxidation, und folglich setzen sie die darüber liegende sauerstoffstabile Schicht im allgemeinen nicht unter Spannung. Es ist außerdem möglich, verschiedene Dielektrika und Edelmetalle zu kombinieren, um die Barnerenschicht auf eine bestimmte Anwendung zuzuschneiden. Beispielsweise ist ein SiO&sub2;-Dielektrikum im Vergleich zu Si&sub3;N&sub4; oxidationsbeständiger, jedoch ist SiO&sub2; im Vergleich zu Si&sub3;N&sub4; eine schlechtere Barriere für die Pb-Migration, wenn eine Pb(Zr,Ti)O&sub3;-HDK- Schicht verwendet wird.

Spezielle Verfahren/Strukturen

In den Fig. 1 bis 5 ist ein Verfahren zum Bilden einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung, einer mikroelektronischen Struktur, die einen Werkstoff mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstante und eine tiefer gelegene Elektrode mit einer neuartigen Barrierenschicht umfaßt, gezeigt. Fig. 1 veranschaulicht ein Silicium-Halbleitersubstrat 30. Fig. 2 veranschaulicht eine isolierende SiO&sub2;-Schicht 32, die auf der Oberfläche des Siliciumsubstrats 30 gebildet ist. Die SiO&sub2;-Schicht 32 könnte wahlweise mit einer Diffusionsbarriere, etwa TiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4;, abgedeckt sein. Ein oxidierbarer Verbindungsstöpsel, der typisch in der SiO&sub2;-Schicht 32 für die Verbindung der Barrierenschicht mit dem Substrat ausgebildet wird, wird in der folgenden Ausführungsform beschrieben.

Ausführungsformen mit einer amorphen Nitrid-Barriere:

Fig. 3 veranschaulicht eine Barrierenschicht 34, die auf einer SiO&sub2;-Schicht 32 gebildet ist. Für die Barrierenschicht 34 kann eine amorphe Nitridschicht verwendet werden. Insbesondere werden 100 nm Ti-Si-N reaktiv (RF) unter Verwendung eines Titansilicid-Targets (Ti&sub2;Si) in einer N&sub2; + Ar (10 : 90)-Umgebung bei etwa 10 mTorr gesputtert, wobei das Substrat nicht erwärmt wird (nahe Raumtemperatur). Die Barrierenschicht 34 wird dann in einem Niederdruckplasma- Reaktivionenätz-Reaktor (RIE-Reaktor) trockengeätzt.

Ausführungsformen mit einer exotischen Nitrid-Barriere:

Als eine andere Möglichkeit könnte für die Barrierenschicht 34 ein exotisches Nitrid verwendet werden. Insbesondere werden 1000 nm ZrN reaktiv (RF) unter Verwendung eines Zr-Metalltargets in einer N&sub2; + Ar (10 : 90)-Umgebung bei etwa 10 mTorr und einer Substrattemperatur von 300ºC gesputtert. Als ein weiteres Beispiel für ein exotisches Nitrid werden 100 nm Ti-Al-N reaktiv (RF) unter Verwendung eines Titan-Aluminid-Targets (TiAl) in einer N&sub2; + Ar (5 : 95)- Umgebung bei etwa 10 mTorr gesputtert, wobei das Substrat auf einer Temperatur nahe 100ºC gehalten wird.

Ausführungsformen mit einer Barriere aus einer Edelmetall-Isolator-Legierung

Als eine andere Möglichkeit könnte eine Edelmetall-Isolator-Legierung für die Barrierenschicht 34 verwendet werden. Insbesondere werden 100 nm Pd-Si-N reaktiv (RF) unter Verwendung eines Palladiumsilicid-Targets (PdSi) in einer N&sub2; + Ar (10 : 90)-Umgebung bei etwa 10 mTorr gesputtert; wobei das Substrat nicht erwärmt wird (nahe Raumtemperatur). Als ein weiteres Beispiel für eine Edelmetall-Isolator-Legierung werden 100 nm Pd-Si-O reaktiv (RF) unter Verwendung eines Palladiumsilicid-Targets (PdSi) in einer O&sub2; + Ar (5 : 95)-Umgebung bei etwa 10 mTorr gesputtert, wobei das Substrat nicht erwärmt wird (nahe Raumtemperatur).
Fig. 4 veranschaulicht eine Platinschicht 36, die auf der Barrierenschicht 34 gebildet ist. Insbesondere werden 200 nm Pt durch DC-Sputtern in einer Ar- Atmosphäre bei etwa 5 mTorr unter Verwendung eines Pt-Targets abgelagert, wobei die Substrattemperatur auf 325ºC gehalten wird. Die Pt-Schicht 36 kann auch unter Einsatz von Elektronenstrahlverdampfung, CVD-Verfahren oder metallorganischen CVD-Verfahren (MOCVD) abgelagert werden. Die Mikrostruktur und die thermische Beanspruchung der Pt-Schicht 36 wird im allgemeinen durch eine Ablagerung bei höheren Temperaturen (300ºC bis 600ºC) verbessert. Als eine andere Möglichkeit kann Ru abgelagert und im momentanen Verfahrensschritt oder während nachfolgender Verfahrensschritte entweder während oder nach der Ablagerung teilweise oder vollständig in RuO&sub2; umgebaut werden.
Die Dicke der Pt-Schicht 36 kann in Abhängigkeit von der angestrebten Kapazitätsdichte des HDK-Werkstoffs, der angestrebten Gesamtkapazität und der Gestaltung der Vorrichtung variieren. Beispielsweise könnten zukünftige Vorrichtungen, wie etwa 1 G DRAMs, im allgemeinen höhere Kondensatoren benötigen, die im Vergleich zu 256 M DRAM-Vorrichtungen eine größere Elektrodenfläche/Flächeneinheit liefern, da 1 G DRAMs im allgemeinen eine höhere Kapazität/Flächeneinheit liefern müssen (beispielsweise aufgrund der höheren Funktionalität und den kleiner werdenden Flächen der Vorrichtung). Nach der Ablagerung der Pt-Schicht 36 wird ein Photoresist aufgebracht und bemustert. Die Pt- Schicht 36 wird in einem Niederdruckplasma-RIE-Reaktor trockengeätzt.
Die Struktur wird dann für die Ablagerung des Werkstoffs mit hoher Dielektrizitätskonstante vorbereitet. Dies wird gemacht, weil die Oxidationsgeschwindigkeit der Barrierenschicht 34 im allgemeinen zu Beginn des HDK- Ablagerunsprozesses sehr viel höher als später ist. Es ist daher vorteilhaft, eine teilweise Oxidation auszuführen, um die Struktur unter weniger heftig oxidierenden Bedingungen reagieren zu lassen, bevor die HDK-Ablagerung erfolgt. Wenn beispielsweise das Abscheiden des HDK-Werkstoffs aus der metallorganischen Dampfphase (mittels MOCVD) bei 650 C in 1 Torr O&sub2; während 3 Minuten erfolgt, dann sollte die Struktur vor der HDK-Ablagerung für 20 Minuten bei 600ºC in 1 Torr O&sub2; ausgeheizt werden. Die niedrigere Temperatur hat im allgemeinen den Vorteil, daß sie die Oxidationsgeschwindigkeit herabsetzt und der Pt- Schicht 36 mehr Zeit zur Entspannung läßt, als wenn die Oxidation bei der vollen Ablagerungstemperatur erfolgt. Ein weiterer Vorteil dieses Oxidations-Umkristallisationsprozesses ist, daß die Pt-Schicht 36 nach dem Ätzvorgang vorhandene Ecken durch Umbauen so verändern kann, daß sie stärker abgerundet werden. Diese Oxidationsumkristallisation kann auch mit Ru als sauerstoffstabiler Schicht 36 Anwendung finden, um eine RuO&sub2;-Form zu bilden. In ähnlicher Weise kann nach den nachfolgenden Prozeßschritten eine Kondensatorstruktur mit sowohl einer unteren als auch einer oberen Elektrode ausgeheizt werden, um die kapazitiven Eigenschaften zu verbessern.
Wie weiter oben beschrieben ist, wird die BST-Schicht 38 mittels MOCVD- Verfahren auf der Pt-Schicht 36 abgelagert, um die in Fig. 5 gezeigte Struktur zu bilden. Die Ablagerung der BST-Schicht 38 erfordert im allgemeinen stark oxidierende Bedingungen, jedoch wird die Pt-Schicht 36 unoxidiert bleiben, und die Barrierenschicht 34 wird im wesentlichen verhindern, daß Sauerstoff nach unten, in Richtung der darunter liegenden Werkstoffe, diffundiert.
In einer alternativen Ausführungsform veranschaulicht Fig. 6 eine Barrierenschicht 34, eine sauerstoffstabile Schicht aus Platin 36, die auf der Barrierenschicht 34 abgelagert ist, und eine Schicht aus Barium-Strontium-Titanat (BST) mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, die auf der Pt-Schicht 36 abgelagert ist.
In den Fig. 7 bis 9 sind drei alternative Ausführungsformen fit verschiedene Kondensatorstrukturen gezeigt. Die Strukturen der Fig. 8 und 9 können fit Kondensatoren verwendet werden, die im wesentlichen eben sind, wie gezeigt ist, oder für Kondensatoren mit hohen Aspektverhältnissen, bei denen die Seiten der Elektroden wesentlich zur Gesamtfläche der Elektroden in Kontakt mit dem HDK- Werkstoff beitragen.
In Fig. 7 ist ein Kondensator mit einer hohen Dielektrizitätskonstante veranschaulicht, der eine tiefer gelegene Elektrode verwendet, die eine Barrierenschicht umfaßt. Im Grunde wird die Struktur von Fig. 5 verwendet, jedoch wird in dieser Ausführungsform die Barrierenschicht 34 nicht fit eine direkte elektrische Verbindung genutzt, da der elektrische Kontakt zur Pt-Schicht 36 von oben über einen leitenden TiN-Stöpsel 46 direkt hergestellt wird. Der TiN-Stöpsel 46 stellt den elektrischen Kontakt zur Aluminium-Metallisierung 48 an der Oberfläche durch die zweite isolierende SiO&sub2;-Schicht 44 hindurch her. Die beiden anderen TiN- Stöpsel 46 stellen den elektrischen Kontakt von der Aluminium-Metallisierungsschicht 48 an der Oberfläche zur oberen Pt-Elektrode 40 und dem dotierten Siliciumbereich 42 her.
Die tiefer gelegene Elektrode in Fig. 7 ist im allgemeinen nur für Vorrichtungen mit geringer Dichte geeignet, da es keinen direkten Pfad von der tiefer gelegenen Elektrode zum Substrat gibt. Deshalb braucht in dieser Ausführungsform die Barrierenschicht 34 nach der Ablagerung der BST-Schicht 38 nicht leitfähig zu sein.
In den Fig. 8-9 braucht die Barrierenschicht 34 nicht leitfähig zu bleiben. Außerdem wird in diesen Figuren die Barrierenschicht 34 direkt den oxidierenden Bedingungen ausgesetzt, die während der Ablagerung der BST-Schicht 38 an den Seiten, die nicht von der sauerstoffstabilen Schicht bedeckt sind, gegenwärtig sind. Viele Werkstoffe, wie etwa TiN, oxidieren schnell, wenn sie direkt dem HDK-Werkstoffablagerungsprozeß ausgesetzt sind. Um dieses Problem zu mildern, könnte die Pt-Schicht 36 sowohl an den Seiten der Barrierenschicht 34 als auch an der Oberseite ausgebildet werden.
In Fig. 8 ist ein Kondensator mit hoher Dielektrizitätskonstante veranschaulicht, der eine tiefer gelegene Elektrode verwendet, die eine Barrierenschicht umfaßt. Es wird die Grundstruktur des Kondensators von Fig. 7 verwendet, jedoch schafft in dieser Ausführungsform die Barrierenschicht 34 eine elektrische. Verbindung zum und einen Diffusionsschutz für den oxidierbaren, dotierten Siliciumbereich 42.
In Fig. 9 ist wiederum ein Kondensator mit hoher Dielektrizitätskonstante veranschaulicht, der eine tiefer gelegene Elektrode verwendet, die eine Barrierenschicht umfaßt. Es wird die Grundstruktur des Kondensators von Fig. 8 verwendet, wobei jedoch in dieser Ausführungsform die Barrierenschicht 34 eine elektrische Verbindung zum und einen Diffusionsschutz für den oxidierbaren TiN/TiSi&sub2;/Poly-Si-Verbindungsstöpsel 50 schafft. Unter Verwendung eines üblichen Prozesses werden 10 nm Ti durch Sputtern auf Poly-Si abgelagert, gefolgt von einem kurzen Ausheizen in N&sub2; (700ºC für 30 Sekunden) oder einem Ausheizen unter NH&sub3; in einem Ofen (575ºC für 10 Minuten), um eine TiN/TiSi&sub2;/Poly- Si-Struktur zu bilden. Überschüssiges TiN wird dann chemisch unter Verwendung von Peroxid entfernt.
In einem alternativen Verfahren wird unmittelbar vor der Ablagerung einer TiN-Schicht, ohne Verwendung einer TiSi&sub2;-Schicht, eine HF-Dampfreinigung einer Poly-Si-Schicht durchgeführt. Es ist vorteilhaft, die Struktur zwischen den Verfahrensschritten der HF-Reinigung und der Ablagerung der Adhäsionsschicht nicht einer verunreinigenden Umgebung, wie etwa der Atmosphäre, auszusetzen, um eine gute Adhäsion zwischen dem Poly-Si und der TiN-Schicht sicherzustellen.
In einer alternativen Struktur könnte sich die Barrierenschicht 34 in Fig. 9 nach unten in die SiO&sub2;-Schicht 32 erstrecken, um selbst den Verbindungsstöpsel oder einen Teil davon zu bilden.
In den Fig. 10 bis 15 ist ein Verfahren zum Bilden einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung gezeigt, wobei ein Kondensator aus einem HDK- Werkstoff eine tiefer gelegene Elektrode mit neuartigen Barrierenwerkstoffen umfaßt. Die Fig. 10 bis 15 veranschaulichen deutlicher die Auswirkungen der Oxidation und der Umkristallisation der Struktur, die der Ablagerung des HDK- Werkstoffs vorangehen. Fig. 10 veranschaulicht ein Silicium-Halbleitersubstrat 30 mit einer auf diesem gebildeten isolierenden SiO&sub2;-Schicht 32. In der SiO&sub2;-Schicht 32 ist ein TiN-Stöpsel 50 ausgebildet. Fig. 11 veranschaulicht eine unstrukturierte Barrierenschicht 34, die auf der SiO&sub2;-Schicht 32 unmittelbar über dem TiN- Stöpsel 52 abgelagert ist. Eine unstrukturierte Pt-Schicht 36 ist auf der Barrierenschicht 34 abgelagert. Schließlich veranschaulicht Fig. 11 eine Schicht aus einem Photoresist 52, welche auf der Pt-Schicht 36 abgelagert und strukturiert worden ist, um eine Maske für das Ätzen der Pt-Schicht 36 und der Barrierenschicht 34 zu bilden. Fig. 12 veranschaulicht die Struktur, nachdem die Pt-Schicht 36 und die Barrierenschicht 34 geätzt worden sind und der Photoresist 52 entfernt worden ist.
Fig. 13 veranschaulicht die Struktur, nachdem eine vorausgehende teilweise Oxidation eine oxidierte Seitenwand 54 der Barrierenschicht 34 gebildet hat. Es ist zu beachten, daß einige Werkstoffe für Barrierenschichten, wie etwa Pd-Si-O, bereits oxidiert sind und keine vorausgehend oxidierte Seitenwand 54 bilden werden. In dem Umkristallisationsprozeß ist die Pt-Schicht 36 so umgebaut worden, daß nach dem Ätzen vorhandene Ecken stärker abgerundet sind. Scharfe Ecken können einen übermäßigen Verluststrom oder ein mögliches Reißen in der BST- Schicht 38 bewirken.
Wie weiter oben beschrieben worden ist, ist die BST-Schicht 38 mittels MOCVD-Verfahren auf der Pt-Schicht 36 abgelagert worden, um die in Fig. 14 gezeigte Struktur zu bilden. Die Ablagerung der BST-Schicht 38 erfordert im allgemeinen stark oxidierende Bedingungen, jedoch wird die Pt-Schicht 36 unoxidiert bleiben, und die Barrierenschicht 34 wird im wesentlichen verhindern, daß Sauerstoff nach unten, in Richtung der darunterliegenden Werkstoffe, diffundiert. Schließlich veranschaulicht Fig. 14 die obere Pt-Elektrode 40, die auf der BST- Schicht 38 abgelagert worden ist, um eine HDK-Werkstoff-Kondensatorstruktur zu bilden.
In Fig. 16 ist ein Kondensator mit einer hohen Dielektrizitätskonstante gezeigt, der eine tiefer gelegene Elektrode verwendet, die eine Barrierenschicht umfaßt. In dieser Struktur ist eine sauerstoffstabile Pt-Seitenwand 56 unter Anwendung einer isotropen Ablagerung und einer anisotropen Ätzung gebildet worden. Die Seitenwand 56 trägt dazu bei, die Barrierenschicht 34 zu schützen, so daß sie während der BST-Ablagerung dem Sauerstoff nicht direkt ausgesetzt ist.
In Fig. 17 ist ein Kondensator mit einer hohen Dielektrizitätskonstante gezeigt, der eine tiefer gelegene Elektrode verwendet, die eine Barrierenschicht umfaßt. In dieser Struktur ist die Barrierenschicht 34 lateral vollständig von der SiO&sub2;-Schicht 32 umgeben und vollständig von der Pt-Schicht 36 bedeckt. Diese Struktur schirmt die Barrierenschicht 34 wirksam von einem direkten Kontakt mit Sauerstoff während der BST-Ablagerung ab, ohne daß die zusätzlichen Verfahrensschritte zum Bilden der Pt-Seitenwand 56 von Fig. 16 notwendig sind.
Die nachfolgende, einzige Tabelle liefert einen Überblick über einige Ausführungsformen sowie die Zeichnung. Tabelle Fortsetzung der Tabelle Fortsetzung der Tabelle Fortsetzung der Tabelle Fortsetzung der Tabelle
Einige bevorzugte Ausführungsformen sind weiter oben ausführlich beschrieben worden. Selbstverständlich schließt der Geltungsbereich der Erfindung auch Ausführungsformen ein, die sich von den beschriebenen unterscheiden, jedoch innerhalb des Geltungsbereichs der Ansprüche liegen. Was die beschriebenen Strukturen anbelangt, so können die elektrischen Verbindungen zu derartigen Strukturen ohmsch, gleichrichtend, kapazitiv, direkt oder indirekt, über dazwischenliegende Schaltungen oder anderweitig sein. Die Umsetzung ist in diskreten Komponenten oder vollintegrierten Schaltungen in Silicium, Germanium, Galliumarsenid oder anderen in der Elektronik üblichen Werkstoffamilien vorgesehen.
Im allgemeinen werden die bevorzugten oder besonderen Beispiele gegenüber den weiteren, alternativen Beispielen bevorzugt. Sofern nichts anderes angegeben ist, beziehen sich alle Zusammensetzungsverhältnisse oder prozentualen Gehalte als atomare Anteile auf die Stoffverbindung. Wie hier verwendet sind Nitride seltener Erden als Nitride der folgenden Elemente definiert: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu.
Viele verschiedene dem Stand der Technik bekannte Verfahrenstypen könnten Anwendung finden, um die unterschiedlichen Schichten der neuartigen Strukturen abzulagern. Beispielsweise umfassen die Verfahren zum Ablagern der unteren Elektrodenwerkstoffe Sputtern, reaktives Sputtern, Sputtern wie beschrieben mit und ohne Kollimation und anderen unterstützenden Verfahren, Bedampfen, chemische oder metall-organische chemische Dampfabscheidung. Beispiele für Verfahren zum Ablagern eines Werkstoffs mit hoher Dielektrizitätskonstante sind Sputtern, reaktives Sputtern mit einem Metall- oder Oxid-Target, Ionenstrahlsputtern, chemische Dampfabscheidung, metall-organische chemische Dampfabscheidung (mit oder ohne Ionen-, Elektronen-, Photonen- oder Plasma-Unterstützung), Sol-Gel-Ablagerung, metallorganischer Zerfall und Ablagerung mittels gepulstem Laser. Die Schichten, die als Legierungen, Verbindungen, Gemische usw. beschrieben worden sind, sollten absichtlich gebildete, wesenhafte Schichten sein - im Gegensatz zu einer unabsichtlichen teilweisen Vermischung der Komponenten zweier separater Schichten, die zufällig an der Grenzfläche dieser Schichten entstehen könnte.
Die neuen Barrierenwerkstoffe beziehen sich im allgemeinen auf Nitride. Eigentlich ist es im allgemeinen sehr schwierig, reine Nitride abzulagern. Es sind fast immer Kohlenstoff oder Sauerstoffverunreinigungen vorhanden. Diese Verunreinigungen sind häufig wesentlich, damit das Nitrid seine Funktion erfüllen kann. Beispielsweise ist bekannt, daß Sauerstoff in TiN die Barriereneigenschaften enorm verbessert. Deshalb wird vorausgesetzt, daß die neuartigen Barrierenwerkstoffe ebenfalls Kohlenstoff und Sauerstoffverunreinigungen besitzen, die die Eigenschaften verbessern könnten, obwohl sie nicht explizit in die Formeln geschrieben worden sind. Diese Kohlenstoff und Sauerstoffverunreinigungen könnten sogar bewußt zugesetzt werden. Die Gesamtmenge an Kohlenstoff und Sauerstoff wird weniger als 30 Atom% mit einem Rest N zuzüglich der erforderlichen Kationen sein. Für einige Anwendungen werden diese Verunreinigungen wahrscheinlich erforderlich sein, wobei in diesem Fall die Gesamtmenge an Kohlenstoff und Sauerstoff mehr als 5 Atom-% betragen wird.

Claims

1. Verfahren zum Bilden einer mikroelektronischen Struktur, wobei das Verfahren umfaßt:

(a) Bilden einer stromleitenden oxidierbaren Schicht (32);

(b) Bilden einer elektrisch leitenden ternären oder höheren amorphen Nitrid- Barrierenschicht (34) auf der oxidierbaren Schicht (32) durch reaktives HF- Sputtern, wobei die leitende amorphe Nitridschicht (34) aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Ti-Si-N, Ta-Si-N, Ta-B-N, Ti-B-N und Kombinationen hiervon;

(c) Bilden einer sauerstoffstabilen Schicht (36) auf der leitenden amorphen Nitridschicht (34), wobei die sauerstoffstabile Schicht (36) auch dann noch eine stabile stromleitende Grenzfläche schafft, wenn sie Hochtemperatur-Oxidationsbedingungen ausgesetzt worden ist; und

(d) Bilden einer Schicht (38) aus einem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante auf der sauerstoffstabilen Schicht (36), wobei die leitende amorphe Nitridschicht (34) eine Diffusion von Sauerstoff in die oxidierbare Schicht (32) im wesentlichen verhindert, wodurch eine schädliche Oxidation der oxidierbaren Schicht (32) minimiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Struktur ferner zwischen den Schritten (c) und (d) Sauerstoff ausgesetzt wird, um im voraus einen Seitenwandabschnitt der leitenden amorphen Nitridschicht (34) zu oxidieren.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Struktur ferner zwischen den Schritten (c) und (d) Sauerstoff ausgesetzt wird, um im voraus einen oberen Oberflächenabschnitt der leitenden amorphen Nitridschicht (34) zu oxidieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner zwischen den Schritten (c) und (d) angrenzend an die leitende amorphe Nitridschicht (34) und die sauerstoffstabile Schicht (36) eine sauerstoffstabile Seitenwand (56) gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die leitende amorphe Nitridschicht (34) während des Schrittes (d) teilweise oxidiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die leitende amorphe Nitridschicht (34) Ti-Si-N enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die oxidierbare Schicht (32) aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Tantal, Wolfram, Titan, Molybdän, Titannitrid, Zirkonnitrid, Titansilicid; Tantalsilicid, Wolframsilicid, Molybdänsilicid, Tantalcarbid, Titanborid, Borcarbid, Silicium, Germanium, Kohlenstoff, GaAs und Kombinationen hiervon.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Barium-Strontium- Titanat, Blei-Zirkonat-Titanat, Blei-Lanthan-Titanat, Blei-Lanthan-Zirkonat- Titanat, Wismuth-Titanat, Kalium-Tantalat, Blei-Scandium-Tantalat, Blei-Niobat, Blei-Zink-Niobat, Kalium-Niobat, Blei-Magnesium-Niobat und Kombinationen hiervon.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die sauerstoffstabile Schicht (36) Platin enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die sauerstoffstabile Schicht (36) aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Platin, Palladium, Rhenium, Rhodium, Rutheniumoxid, Zinnoxid, Indiumoxid, Rheniumoxid, Osmiumoxid, Rhodiumoxid, Iridiumoxid und Kombinationen hiervon.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner auf der Schicht (38) aus einem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante eine obere Elektrode (40) gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die obere Elektrode (40) aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Titannitrid, Rutheniumdioxid, YBa&sub2;Cu&sub3;O7-X, Platin, Palladium, Rhodium, Gold, Iridium, Silber und Kombinationen hiervon.

13. Mikroelektronische Struktur, mit:

einer oxidierbaren Schicht (32), die im wesentlichen stromleitend und nicht oxidiert ist;

einer elektrisch leitenden ternären oder höheren amorphen Nitridschicht (34), die über der oxidierbaren Schicht (32) liegt und aus der Gruppe ausgewählt ist; die besteht aus: Ti-Si-N, Ta-Si-N, Ta-B-N, Ti-B-N und Kombinationen hiervon;

einer sauerstoffstabilen Schicht (36), die über der leitenden amorphen Nitridschicht (34) liegt und auch dann noch eine stabile elektrisch leitende Grenzfläche schafft, wenn sie Hochtemperatur-Oxidationsbedingungen ausgesetzt worden ist;

einer Schicht (38) aus einem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante, die über der sauerstoffstabilen Schicht (36) liegt, wodurch die leitende amorphe Nitridschicht (34) im wesentlichen eine Diffusion von Sauerstoff in die oxidierbare Schicht (32) verhindert.

14. Struktur nach Anspruch 13, bei der die leitende amorphe Nitridschicht (34) teilweise oxidiert ist.

15. Struktur nach Anspruch 13, bei der die leitende amorphe Nitridschicht (34) Ti-Si-N enthält.

16. Struktur nach Anspruch 13, die ferner eine obere Elektrode (40) umfaßt, die über der Schicht (38) aus einem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante liegt.

17. Struktur nach Anspruch 16, bei der die obere Elektrode (40) aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Wolfram, Wolframnitrid, Titan, Titannitrid, Rutheniumdioxid, YBa&sub2;Cu&sub3;O7-X, Platin, Palladium, Rhodium, Gold, Iridium, Silber und Kombinationen hiervon.