WO2000034988A1 - Mikroelektronische struktur - Google Patents

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WO2000034988A1
WO2000034988A1 PCT/DE1999/003832 DE9903832W WO0034988A1 WO 2000034988 A1 WO2000034988 A1 WO 2000034988A1 DE 9903832 W DE9903832 W DE 9903832W WO 0034988 A1 WO0034988 A1 WO 0034988A1
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WO
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conductive layer
oxygen
microelectronic structure
layer
base material
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PCT/DE1999/003832
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English (en)
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Rainer Bruchhaus
Carlos Mazure-Espejo
Robert Primig
Original Assignee
Infineon Technologies Ag
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L28/60—Electrodes
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    • H01L28/40—Capacitors
    • H01L28/55—Capacitors with a dielectric comprising a perovskite structure material

Definitions

  • the invention is in the field of semiconductor technology and relates to a microelectronic structure which comprises at least one substrate and a first conductive layer. Such microelectronic structures are used in particular in semiconductor memories.
  • materials with a high dielectric constant (epsilon> 20) or with ferroelectric properties are increasingly being used.
  • the main materials currently of interest are metal oxide dielectrics, which are deposited at relatively high temperatures in the presence of oxygen.
  • Prominent representatives are, for example, barium strontium titanate ((Ba, Sr) Ti0 3 , BST), lead zirconate titanate (PbZrTi0 3 , PZT), strontium bismuth tantalate (SrBi 2 Ta 2 0 9 , SBT) and descendants aforementioned materials.
  • the barrier layer consists of titanium or titanium-titanium nitride. Unfortunately, titanium is oxidized relatively quickly at the relatively high deposition temperatures (above 500 ° C.) and thereby prevents a conductive connection between the electrode and the silicon. A number of measures have therefore been proposed to protect the barrier layer from oxidation during the deposition of the metal oxides.
  • the first conductive layer consists of at least one basic material al with at least one oxygen-binding additive, which contains at least one element from subgroup 4 or from
  • the basic idea of the invention is to provide a conductive layer with suitable oxygen-binding additives. These are intended to prevent diffusion of oxygen or of diffusion-friendly oxides and thus protect the structures located under the conductive layer from oxidation.
  • the first conductive layer consists of at least one base material which is on the one hand electrically conductive and on the other hand largely resistant to oxygen, and in which the oxygen-binding additive is distributed as evenly as possible. It is important that the oxygen-binding additive is already present in the base material prior to the action of oxygen on the structures to be protected and thereby prevents oxygen diffusion through the first conductive layer.
  • the at least one oxygen-binding additive with the base material which can consist of one or more components, usually forms an alloy or a mixed layer, the oxygen-binding additive in the base material also being able to be present, at least in part, as a finely divided precipitate.
  • Advantages of a uniform distribution of the oxygen-binding additive are, in particular, the uniform oxygen absorption capacity of the first conductive layer, the adaptation of the absorption capacity by varying the layer thickness of the first conductive layer and a uniform and largely stress-free volume increase due to the oxygen binding.
  • Elements from the fourth subgroup and from the lanthanum group have proven to be advantageous oxygen-binding additives, zirconium, hafnium, Cerium or a combination of these elements is preferred.
  • the oxygen-binding additive to the base material in a weight proportion between 0.5% and 20%, preferably between 1% and 10%.
  • Suitable base materials for the first conductive layer are noble metals, in particular platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, rhenium, conductive oxides of the aforementioned metals or a mixture of the aforementioned compounds and elements.
  • the microelectronic structure has a metal oxide dielectric that at least partially covers the first conductive layer.
  • the metal oxide dielectric serves, in particular in the case of semiconductor memories, as a capacitor dielectric, the first conductive layer being at least part of an electrode of the storage capacitor. Since the metal oxide dielectric is usually applied directly to the first conductive layer, when it is deposited in an oxygen-containing atmosphere, a barrier layer, which is preferably located under the first conductive layer, must be protected against the attack of oxygen. This is achieved by the oxygen-binding additive, preferably hafnium, in the first conductive layer.
  • the metal oxide dielectric preferably consists of a compound of the general type ABO, where 0 stands for oxygen, A and B each for at least one element from the group barium, strontium, tantalum, titanium, lead, zirconium, niobium, lanthanum, calcium and potassium.
  • the general compound ABO often has a perovskite-like crystal structure, which is crucial for the desired dielectric (high dielectric constant) or for the ferroelectric properties.
  • An example of such a connection is SrBi 2 Ta 2 0 9 .
  • a second conductive layer which preferably consists of a noble metal, in particular platinum, is preferably arranged between the first conductive layer and the metal oxide dielectric.
  • This additional conductive layer on the one hand represents an inner and smooth interface for the growth of the metal oxide dielectric and on the other hand supports the crystal growth of the metal oxide dielectric during its deposition or during a subsequent temperature treatment and also represents additional oxidation protection.
  • the binding capacity of the first conductive layer with regard to oxygen should be suitably set by choosing the admixture level, so that additional additional layers which prevent oxygen diffusion are not necessary.
  • an admixture between 8 and 10% is sufficient to almost completely suppress the oxygen diffusion occurring during the deposition or tempering of the metal oxide dielectrics through the first conductive layer with a thickness of approximately 100 nm.
  • the first conductive layer can be made thinner in order to save costs.
  • the second part of the object is achieved by a method for producing a microelectronic structure which comprises at least one substrate and a first conductive layer, the first conductive layer consisting of at least one base material with at least one oxygen-binding additive which comprises at least one element the 4th subgroup or from the lanthanum group, with the following steps: - providing the substrate; and - Simultaneous application of the base material and the oxygen-binding additive to the substrate to form the first conductive layer.
  • the base material and the oxygen-binding additive are preferably applied simultaneously to the substrate, so that the first conductive layer is formed there as a mixture of the base material and the oxygen-binding additive.
  • the deposition temperatures and the amount of admixture of the oxygen-binding additive the latter can be at least partially eliminated from the base material or form a mixed crystal together with the base material.
  • the base material and the oxygen-binding additive to the substrate by means of a physical atomization process (sputtering).
  • sputtering a physical atomization process
  • This is preferably carried out using a common source for the base material and the oxygen-binding additive, this being done in a simple manner by means of a sputtering target consisting of the base material with disks placed thereon, which contain the oxygen-binding additive. It is therefore not necessary to provide a mixed source. Rather, the type of oxygen-binding additive and its admixture level can be varied in a simple manner.
  • an iridium layer with an oxygen-binding hafnium additive is preferably produced at a pressure of approximately 0.02 mbar and a substrate temperature of approximately 200 ° C.
  • the metal oxide dielectric is applied by means of the MOCVD method or spin-on method.
  • the microelectronic structure is preferably used in a memory device, the first conductive layer representing a first electrode which, together with a further electrode and the metal oxide dielectric arranged between these electrodes, form a storage capacitor.
  • a plurality of such storage capacitors is preferably arranged on a substrate.
  • the microelectronic structure is also generally suitable as an oxygen diffusion barrier in order to protect oxygen-sensitive regions of the microelectronic structure, in particular a semiconductor structure, from an oxygen attack.
  • FIG. 1 to 3 different embodiments of storage capacitors using the microelectronic according to the invention
  • Structure, and Figure 4 shows a sputter reactor for producing such a microelectronic structure.
  • FIG. 1 shows a storage capacitor 5 which is arranged on a substrate 10.
  • the storage capacitor 5 comprises a lower electrode 15, which is built up in layers from an iridium oxide layer 20, an iridium layer 25 and a plate layer 30.
  • ruthenium oxide and ruthenium instead of iridium oxide and iridium is also possible.
  • the iridium oxide layer 20 and the iridium layer 25 constitute the first conductive layer.
  • At least one of the iridium oxide 20 and iridium layers 25 contains an oxygen-binding additive, which is preferably by Hafnium is formed. This can depend on his
  • Addition levels between 1% and 10% form a mixed crystal with the respective layer or are partially present as a precipitate.
  • the platinum layer 30 represents the second conductive layer.
  • the layered lower electrode 15 was preferably structured by etching the three layers 20, 25 and 30 together. This is done, for example, by an anisotropic etching process with a high physical component, which is achieved, for example, in an argon sputtering process. To support the argon plasma, chlorine or hydrogen bromide (HBr) can be added.
  • HBr hydrogen bromide
  • a titanium-containing barrier layer 35 is located below the lower electrode 15. This serves on the one hand to improve the adhesive properties of the lower electrode 15 on the substrate 10 and on the other hand to prevent silicon diffusion. This is particularly necessary because the lower electrode 15 is connected to a selection transistor (not shown here) through a contact hole 40 in the substrate 10 filled with polysilicon.
  • the barrier layer 35 consisting of titanium-titanium nitride is preferably structured together with the lower electrode 15. As a result, only a single etching step is necessary for the structure consisting of lower electrode 15 and barrier layer 35.
  • the lower electrode 15 is completely covered by an SBT layer 45, the latter representing the metal oxide dielectric.
  • the SBT layer 45 thus also has direct contact with the edge regions of the barrier layer 35. This means that these regions are unprotected when the SBT layer 45 is deposited. However, since the depth of penetration of the acid diffusion into the barrier layer 35 is limited, the entire barrier layer 35 is not oxidized but only the areas immediately adjacent to the SBT layer 45.
  • the central region of the barrier layer 35 which is located in particular in the region of the contact hole 40, is protected from oxidation by the lower electrode 15 arranged above it and in particular by the hafnium additive located in the iridium oxide layer 20 or iridium layer 25.
  • the iridium layer 25 itself already acts as a protective layer, since iridium is at least partially oxidized under the SBT process conditions (about 800 ° C., oxygen-containing atmosphere) and thereby impedes oxygen diffusion.
  • a further electrode 50 is deposited over the entire surface of the SBT layer 45. Together with the lower electrode 15 and the SBT layer 45, the further electrode 50 forms the ferroelectric storage capacitor 5.
  • the platinum layer 30 also covers the side regions of the layer stack consisting of the barrier layer 35, the iridium oxide layer 20 and the iridium layer 25, so that the SBT layer 45 has no direct contact with the barrier layer 35.
  • the entire interface of the lower electrode 15 with the SBT layer 45 is formed by the platinum layer 30, and thereby the interface properties and the storage properties of the SBT layer 45 are improved.
  • FIG. 3 Another structure is shown in FIG. 3.
  • the barrier layer 35 is formed only in the region of the contact hole 40, so that the barrier layer 35 is completely covered by the iridium oxide layer 20.
  • the barrier layer 35 is completely protected against oxidation during the SBT deposition.
  • Iridiumoxidtik 20 and the iridium layer 25 are performed to improve the capacitor properties.
  • a sputter reactor 55 is schematically shown here, which has a substrate carrier 60 and a target holder 65, which simultaneously serve as cathode or anode.
  • a silicon wafer 70 is located on the substrate carrier 60, which further represents the substrate 10.
  • An iridium disk 75 with hafnium disks 80 placed thereon is attached to the target holder 65 arranged opposite the silicon wafer 70. These disks together represent the common source during the sputtering process. The proportion of the deposited hafnium can be adjusted by selecting the disk size of the hafnium disk.
  • Hafnium and iridium are knocked out of the respective sources together by the argon plasma excited in the sputter reactor 55 and applied to the silicon wafer 70 as a mixture. It is also possible to replace the iridium disk 75 with an iridium oxide disk.
  • the latter can be heated by a heater attached underneath the wafer.
  • Favorable temperatures are in the range of 200 ° to 500 ° C.

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Abstract

Es wird eine mikroelektronische Struktur vorgeschlagen, bei der eine erste leitfähige Schicht (20, 25) eine Sauerstoffdiffusion behindert. Dazu besteht die erste leitfähige Schicht (20, 25) aus einem Grundmaterial und mindestens einem sauerstoffbindenden Zusatz. Dieser weist zumindest ein Element aus der vierten Nebengruppe oder aus der Lanthangruppe auf. Bevorzugt wird die mikroelektronische Struktur bei Halbleiterspeicherbausteinen mit Metalloxiddielektrikum als Kondensatordielektrikum verwendet.

Description

Beschreibung
Mikroelektronische Struktur
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie und betrifft eine mikroelektronische Struktur, die zumindest ein Substrat und eine erste leitfähige Schicht umfaßt. Derartige mikroelektronische Strukturen werden insbesondere in Halbleiterspeichern verwendet .
Zur weiteren Erhöhung der Intregationsdichte bei Halbleiterspeichern werden in zunehmendem Maße Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstante (Epsilon>20) oder mit ferro- elektrischen Eigenschaften verwendet. Die derzeit im Hauptin- teresse stehenden Materialien sind Metalloxiddielektrika, die bei relativ hohen Temperaturen unter Anwesenheit von Sauerstoff abgeschieden werden. Prominente Vertreter sind beispielsweise Barium-Strontium-Titanat ( (Ba, Sr) Ti03, BST) , Blei-Zirkonat-Titanat (PbZrTi03, PZT) , Strontium-Wismut- Tantalat (SrBi2Ta209, SBT) sowie Abkömmlinge vorgenannter Materialien. Die notwendigen hohen Abscheidetemperaturen sowie die vorhandene Sauerstoffatmosphäre stellen hohe Anforderungen an die bereits gebildeten Strukturen auf den Halbleitersubstraten, insbesondere an die untere Elektrode des Spei- cherkondensators sowie an eine unter der Elektrode befindliche Barrierenschicht. Als Elektrodenmaterialien wurden insbesondere Sauerstoffresistente Edelmetalle vorgeschlagen. Da derartige Edelmetalle, insbesondere das bevorzugte Platin, mit Silizium störende Metallsilizide bilden, soll eine übli- cherweise zwischen der Elektrode und dem Siliziumsubstrat bzw. Polysiliziumschicht angeordnete Barrierenschicht die Diffusion des Siliziums in die Platinelektrode verhindern. Die Barrierenschicht besteht aus Titan bzw. Titan- Titannitrid. Ungünstigerweise wird jedoch Titan bei den relativ hohen Abscheidetemperaturen (oberhalb 500°C) relativ rasch oxidiert und verhindert dadurch eine leitende Verbindung zwischen der Elektrode und dem Silizium. Daher wurde eine Reihe von Maß- nahmen vorgeschlagen, um die Barrierenschicht vor einer Oxi- dation während der Abscheidung der Metalloxide zu schützen.
Eine Möglichkeit ist beispielsweise das Vergraben der Barriere in einer Sauerstoffresistenten Nitridschicht, die bei- spielsweise in der US 5,619,393 vorgeschlagen ist. Bei dieser Lösung ist die Barrierenschicht kragenförmig von der Nitridschicht umgeben und wird an ihrer Oberseite vollständig von der bis über den Kragen reichenden Elektrode bedeckt . Die Herstellung einer derartigen Struktur ist jedoch mit relativ vielen Verfahrensschritten verbunden. Eine weitere Möglichkeit, das Problem der Oxidation der Barrierenschicht zu umgehen, besteht in der Verwendung einer Struktur, bei der nicht die untere Elektrode sondern die obere Elektrode über eine leitfähige Schicht mit dem zugeordneten Auswahltransistor verbunden ist. Dadurch kann auf eine leitfähige Barrierenschicht unterhalb der unteren Elektrode verzichtet werden. Ungünstigerweise beansprucht jedoch diese Struktur, die beispielsweise in der US 5,122,477 beschrieben ist, relativ viel Platz und ist dadurch für höchstintegrierte Speicherbausteine nicht geeignet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine mikroelektronische Struktur vorzuschlagen, die einen einfachen und sicheren Schutz einer Sauerstoffempfindlichen Schicht ermöglicht, so- wie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Struktur anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einer mikroelektronischen Struktur der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste leitfähige Schicht aus zumindest einem Grundmateri- al mit zumindest einem Sauerstoffbindenden Zusatz besteht, der zumindest ein Element aus der 4. Nebengruppe oder aus der
Lanthangruppe enthält.
Die Grundidee der Erfindung ist, eine leitfähige Schicht mit geeigneten Sauerstoffbindenden Zusätzen zu versehen. Diese sollen eine Diffusion von Sauerstoff bzw. von diffusionsfreudigen Oxiden verhindern und so die unter der leitfähigen Schicht befindlichen Strukturen vor einer Oxidation schützen. Zu diesem Zweck besteht die erste leitfähige Schicht aus zumindest einem Grundmaterial, das einerseits elektrisch leitend und andererseits weitestgehend Sauerstoffresistent ist, und in das der sauerstoffbindende Zusatz möglichst gleichmäßig verteilt ist. Wichtig ist, daß der Sauerstoffbindende Zu- satz bereits vor der Sauerstoffeinwirkung auf die zu schützenden Strukturen in dem Grundmaterial vorhanden ist und dadurch eine Sauerstoffdiffusion durch die erste leitfähige Schicht hindurch verhindert .
Üblicherweise bildet der zumindest eine sauerstoffbindende Zusatz mit dem Grundmaterial, das aus einer oder mehreren Komponenten bestehen kann, eine Legierung bzw. eine Mischschicht, wobei der sauerstoffbindenden Zusatz im Grundmaterial zumindest teilweise auch als feinverteilte Ausscheidung vorliegen kann. Vorteile einer gleichmäßigen Verteilung des sauerstoffbindenden Zusatzes sind insbesondere die gleichmäßige Sauerstoffresorptionsfähigkeit der ersten leitfähigen Schicht, die Anpassung der Resorptionsfähigkeit durch Variation der Schichtdicke der ersten leitfähigen Schicht und eine gleichmäßige und weitestgehend spannungsfreie Volumenzunahme infolge der Sauerstoffbindung.
Als vorteilhafte sauerstoffbindende Zusätze haben sich insbesondere Elemente aus der vierten Nebengruppe und aus der Lanthangruppe erwiesen, wobei insbesondere Zirkon, Hafnium, Cer oder eine Kombination dieser Elemente bevorzugt wird.
Günstig ist weiterhin, den sauerstoffbindenden Zusatz dem Grundmaterial in einem Gewichtsanteil zwischen 0,5% und 20%, bevorzugt zwischen 1% und 10%, beizumengen.
Geeignete Grundmaterialien für die erste leitfähige Schicht sind Edelmetalle, insbesondere Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Osmium, Rhenium, leitfähige Oxide vorgenannter Metalle oder ein Gemisch der vorgenannten Verbindun- gen und Elemente.
Weiterhin wird bevorzugt, daß die mikroelektronische Struktur ein Metalloxiddielektrikum aufweist, das zumindest teilweise die erste leitfähige Schicht bedeckt. Das Metalloxiddielek- trikum dient insbesondere bei Halbleiterspeichern als Kondensatordielektrikum, wobei die erste leitfähige Schicht zumindest Teil einer Elektrode des Speicherkondensators ist. Da das Metalloxiddielektrikum üblicherweise unmittelbar auf die erste leitfähige Schicht aufgebracht wird, ist bei dessen Ab- Scheidung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre eine bevorzugt unter der ersten leitfähigen Schicht befindliche Barrierenschicht vor dem Sauerstoffangriff zu schützen. Dies wird durch den sauerstoffbindenden Zusatz, bevorzugt durch Hafnium, in der ersten leitfähigen Schicht erreicht.
Das Metalloxiddielektrikum besteht bevorzugt aus einer Verbindung der allgemeinen Art ABO, wobei 0 für Sauerstoff, A und B für jeweils mindestens ein Element aus der Gruppe Barium, Strontium, Tantal, Titan, Blei, Zirkon, Niob, Lanthan, Kalzium und Kalium steht. Die allgemeine Verbindung ABO weist oftmals eine perowskitähnliche Kristallstruktur auf, die entscheidend für die angestrebten dielektrischen (hohe Dielektrizitätskonstante) oder für die ferroelektrischen Eigenschaften sind. Ein Beispiel einer derartigen Verbindung ist SrBi2Ta209. Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Metalloxiddielektrikums ist bevorzugt zwischen der ersten leitfähigen Schicht und dem Metalloxiddielektrikum eine zweite leitfähige Schicht angeordnet, die bevorzugt aus einem Edelmetall, insbesondere Platin besteht. Diese zusätzliche leitfähige Schicht stellt einerseits eine innerte und glatte Grenzfläche zum Aufwachsen des Metalloxiddielektrikums dar und unterstützt andererseits das Kristallwachstum des Metal- loxiddielektrikums während seiner Abscheidung bzw. während einer nachfolgenden Temperaturbehandlung und stellt darüber hinaus einen zusätzlichen Oxidationsschutz dar.
Die Bindungskapazität der ersten leitfähigen Schicht hin- sichtlich des Sauerstoffs sollte durch Wahl der Beimengungshöhe geeignet eingestellt werden, so daß weitere zusätzliche sauerstoffdiffusionshindernde Schichten nicht notwendig sind. So ist beispielsweise eine Beimengung zwischen 8 und 10% ausreichend, um die bei der Abscheidung bzw. Temperung der Me- talloxiddielektrika auftretende Sauerstoffdiffusion durch die erste leitfähige Schicht mit einer Dicke von etwa lOOnm hindurch nahezu vollständig zu unterdrücken. Dadurch kann die erste leitfähige Schicht zur Kostenersparnis dünner ausgeführt werden.
Der zweite Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer mikroelektronischen Struktur, die zumindest ein Substrat und eine erste leitfähige Schicht umfaßt, wobei die erste leitfähige Schicht aus zumindest einem Grund- material mit zumindest einem sauerstoffbindenden Zusatz besteht, der zumindest ein Element aus der 4. Nebengruppe oder aus der Lanthangruppe enthält, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen des Substrats; und - gleichzeitiges Aufbringen des Grundmaterials und des sauerstoffbindenden Zusatzes auf das Substrat zur Bildung der ersten leitfähigen Schicht.
Bei diesem Verfahren wird das Grundmaterial und der sauerstoffbindende Zusatz bevorzugt gleichzeitig auf das Substrat aufgebracht, so daß sich dort die erste leitfähige Schicht als Gemisch aus dem Grundmaterial und dem sauerstoffbindenden Zusatz herausbildet. Bei geeigneter Wahl der Abscheidetempe- raturen und der Höhe der Beimengung des sauerstoffbindenden Zusatzes kann letzterer zumindest teilweise aus dem Grundmaterial ausgeschieden werden oder zusammen mit dem Grundmaterial einen Mischkristall bilden.
Günstig ist, das Grundmaterial und den sauerstoffbindenden Zusatz durch ein physikalisches Zerstäubungsverfahren (Sputtern) auf das Substrat aufzubringen. Dies erfolgt bevorzugt unter Verwendung einer gemeinsamen Quelle für das Grundmaterial und den sauerstoffbindenden Zusatz, wobei dies in einfacher Art und Weise durch ein aus dem Grundmaterial bestehendes Sputtertarget mit aufgelegten Scheiben, die den sauerstoffbindenden Zusatz enthalten, erfolgt. Dadurch ist es nicht nötig, einen Mischquelle bereitzustellen. Vielmehr lassen sich die Art des sauerstoffbindenden Zusatzes und seine Beimengungshöhe in einfacher Art und Weise variieren.
Beispielsweise wird zur Herstellung einer Iridiumschicht mit einem sauerstoffbindenden Hafniumzusatz bevorzugt bei einem Druck von etwa 0,02 mbar und einer Substrattemperatur von et- wa 200°C gearbeitet.
Nach dem Aufbringen der ersten leitfähigen Schicht wird das Metalloxiddielektrikum mittels MOCVD-Verfahren bzw. Spin-On- Verfahren aufgebracht . Bevorzugt wird die mikroelektronische Struktur in einer Speichervorrichtung verwendet, wobei die erste leitfähige Schicht eine erste Elektrode darstellt, die zusammen mit einer weiteren Elektrode und den zwischen diesen Elektroden angeordneten Metalloxiddielektrikum einen Speicherkondensator bilden. Bevorzugt ist eine Vielzahl von derartigen Speicherkondensatoren auf einem Substrat angeordnet .
Die mikroelektronische Struktur eignet sich darüber hinaus generell als Sauerstoffdiffusionsbarriere, um sauerstoffempfindliche Bereiche der mikroelektronischen Struktur, insbesondere einer Halbleiterstruktur, vor einem Sauerstoffangriff zu schützten.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels beschrieben und in einer Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Figuren 1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen von Spei- cherkondensatoren unter Verwendung der erfindungsgemäßen mikroelektronischen
Struktur, und Figur 4 einen Sputterreaktor zum Herstellen einer derartigen mikroelektronischen Struktur.
In Figur 1 ist ein Speicherkondensator 5 dargestellt, der auf einem Substrat 10 angeordnet ist. Der Speicherkondensator 5 umfaßt eine untere Elektrode 15, die schichtweise aus einer Iridiumoxidschicht 20, einer Iridiumschicht 25 und einer Pla- tenschicht 30 aufgebaut ist. Optional ist auch die Verwendung von Rutheniumoxid und Ruthenium anstelle von Iridiumoxid und Iridium möglich. Zusammen stellen die Iridiumoxidschicht 20 und die Iridiumschicht 25 die erste leitfähige Schicht dar. Zumindest eine der Iridiumoxid- 20 bzw. Iridiumschichten 25 enthält einen sauerstoffbindenden Zusatz, der bevorzugt durch Hafnium gebildet wird. Dieser kann in Abhängigkeit von seiner
Beimengungshöhe zwischen 1% und 10% mit der jeweiligen Schicht ein Mischkristall bilden bzw. teilweise als Ausscheidung vorliegen.
Die Platinschicht 30 stellt bei der vorliegenden Ausführungsform die zweite leitfähige Schicht dar. Die schichtweise aufgebaute untere Elektrode 15 wurde bevorzugt durch gemeinsames Ätzen der drei Schichten 20, 25 und 30 strukturiert. Dies er- folgt beispielsweise durch einen anisotropen Ätzvorgang mit hoher physikalischer Komponente, die beispielsweise bei einem Argonsputterprozeß erreicht wird. Unterstützend kann dem Argonplasma Chlor oder Bromwasserstoff (HBr) beigemengt sein.
Unterhalb der unteren Elektrode 15 befindet sich eine titan- haltige Barrierenschicht 35. Diese dient einerseits zur Verbesserung der Hafteigenschaften der unteren Elektrode 15 auf dem Substrat 10 und andererseits zur Verhinderung einer Siliziumdiffusion. Dies ist insbesondere deswegen notwendig, da die untere Elektrode 15 durch ein mit Polysilizium gefülltes Kontaktloch 40 in dem Substrat 10 mit einem hier nicht näher dargestellten Auswahltransistor verbunden ist. Die aus Titan- Titannitrid bestehende Barrierenschicht 35 wird bevorzugt gemeinsam mit der unteren Elektrode 15 strukturiert. Dadurch ist nur ein einzige Ätzschritt für die aus unterer Elektrode 15 und Barrierenschicht 35 bestehende Struktur notwendig.
Die untere Elektrode 15 ist vollständig von einer SBT-Schicht 45 bedeckt, wobei letztere das Metalloxiddielektrikum dar- stellt. Die SBT-Schicht 45 hat somit auch einen unmittelbaren Kontakt zu den Randbereichen der Barrierenschicht 35. Das bedeutet, daß diese Bereiche bei der Abscheidung der SBT- Schicht 45 ungeschützt sind. Da jedoch die Eindringtiefe der Sauerdiffusion in die Barrierenschicht 35 begrenzt ist, wird nicht die gesamte Barrierenschicht 35 oxidiert sondern nur die unmittelbar an die SBT-Schicht 45 angrenzenden Bereiche.
Der Zentralbereich der Barrierenschicht 35, der sich insbesondere im Bereich des Kontaktlochs 40 befindet, wird vor der Oxidation durch die darüber angeordnete untere Elektrode 15 und insbesondere durch den in der Iridiumoxidschicht 20 bzw. Iridiumschicht 25 befindlichen Hafniumzusatz geschützt. Außerdem wirkt die Iridiumschicht 25 selbst bereits als Schutzschicht, da Iridium bei den SBT-Prozessbedingungen (etwa 800°C, sauerstoffhaltige Atmosphäre) zumindest teilweise oxi- diert wird und dadurch die Sauerstoffdiffusion behindert.
Nach dem Aufbringen der SBT-Schicht wird ganzflächig eine weitere Elektrode 50 auf die SBT-Schicht 45 abgeschieden. Zusammen mit der unteren Elektrode 15 und der SBT-Schicht 45 bildet die weitere Elektrode 50 den ferroelektrischen Speicherkondensator 5.
Ein verbesserter Schutz der Barrierenschicht 35 ist mit der in Figur 2 dargestellten Struktur möglich. Bei dieser bedeckt die Platinschicht 30 auch die Seitenbereiche des Schichtstapels bestehend aus der Barrierenschicht 35, der Iridiumoxidschicht 20 und der Iridiumschicht 25, so daß die SBT-Schicht 45 keinen unmittelbaren Kontakt zur Barrierenschicht 35 hat. Günstig bei dieser Struktur ist weiterhin, daß die gesamte Grenzfläche der unteren Elektrode 15 zur SBT-Schicht 45 von der Platinschicht 30 gebildet wird und dadurch die Grenzflächeneigenschaften und die Speichereigenschaften der SBT- Schicht 45 verbessert werden.
Eine weitere Struktur ist in Figur 3 dargestellt. Bei dieser ist die Barrierenschicht 35 nur im Bereich des Kontaktlochs 40 ausgebildet, so daß die Barrierenschicht 35 vollständig von der Iridiumoxidschicht 20 bedeckt ist. Dadurch ist die Barrierenschicht 35 vollständig vor einer Oxidation bei der SBT-Abscheidung geschützt. Optional kann auch bei dieser Struktur die Platinschicht 30 über die Seitenbereiche der
Iridiumoxidschicht 20 und der Iridiumschicht 25 geführt werden, um die Kondensatoreigenschaften zu verbessern.
Es hat sich gezeigt, daß die Sauerstoffauf ähme bei Verwendung von Hafnium nur zu einer relativ geringen Volumenerhöhung der Iridiumoxid- bzw. der Iridiumschicht 20, 25 führt, so daß eventuell dadurch auftretende mechanische Spannungen nicht zu Schädigungen führen.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer mikroelektronischen Struktur, bei der die erste leitfähige Schicht aus einem Grundmatierial und einem sauerstoffbindenden Zusatz besteht, wird auf die Figur 4 ver- wiesen. Schematisch ist hier ein Sputterreaktor 55 dargestellt, der einen Substratträger 60 und einen Targethalter 65 aufweist, die gleichzeitig als Kathode bzw. Anode dienen. Auf dem Substratträger 60 befindet sich ein Siliziumwafer 70, der im weiteren das Substrat 10 darstellt. Am gegenüber dem Sili- ziumwafer 70 angeordneten Targethalter 65 ist eine Iridiumscheibe 75 mit aufgelegten Hafniumscheiben 80 befestigt. Diese Scheiben stellen zusammen die gemeinsame Quelle während des Sputterverfahrens dar. Durch Wahl der Scheibengröße der Hafniumscheibe läßt sich der Anteil des abgeschiedenen Hafni- ums einstellen. Hafnium und Iridium werden gemeinsam durch das im Sputterreaktor 55 angeregte Argonplasma aus den jeweiligen Quellen herausgeschlagen und als Gemisch auf den Siliziumwafer 70 aufgetragen. Es ist auch möglich, die Iridiumscheibe 75 durch eine Iridiumoxidscheibe zu ersetzen.
Zur Verbesserung der Haftfestigkeit der gesputterten Schichten auf dem Siliziumwafer 70 kann dieser durch eine unterhalb des Wafers angebrachte Heizung geheizt werden. Günstige Temperaturen liegen im Bereich 200° bis 500°C. Bezugszeichenliste
5 Speicherkondensator
10 Substrat
15 unter Elektrode 0 Iridiumoxidschicht (Rutheniumoxid) / erste leitfähige Schicht 5 Iridiumschicht (Ruthenium) / erste leitfähige
Schicht 0 Platinschicht / zweite leitfähige Schicht 5 Barrierenschicht 0 Kontaktloch 5 SBT-Schicht / Metalloxiddielektrikum 0 weitere Elektrode 5 Sputterreaktor 0 Substratträger 5 Targethalter 0 Siliziumwafer 5 Iridiumscheibe 0 Hafniumscheibe

Claims

Patentansprüche
1. Mikroelektronische Struktur, die zumindest ein Substrat (10) und eine erste leitfähige Schicht (20, 25) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste leitfähige Schicht (20, 25) aus zumindest einem Grundmaterial mit zumindest einem sauerstoffbindenden Zusatz besteht, der zumindest ein Element aus der 4. Nebengruppe oder aus der Lanthangruppe enthält.
2. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sauerstoffbindende Zusatz Zirkon (Zr) , Hafnium (Hf) , Cer (Ce) oder eine Kombination dieser Elemente ist.
3. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sauerstoffbindende Zusatz in einem Gewichtsanteil in der ersten leitfähigen Schicht (20, 25) zwischen 0.5% bis 20%, bevorzugt zwischen 1% und 10% vorliegt.
4. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial aus einem Edelmetall, insbesondere Platin, aus Palladium, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Osmium, Rhenium, einem leitfähigen Oxid vorgenannter Metalle oder aus einem Gemisch der vorgenannten Verbindungen und Elemente besteht.
5. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroelektronische Struktur ein Metalloxiddielektrikum (45) aufweist, das zumindest teilweise die erste leitfähige Schicht (20, 25) bedeckt.
6. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroelektronische Struktur eine zweite leitfähige Schicht (30) aufweist, die zumindest zwischen der ersten leitfähigen Schicht (20, 25) und dem Metalloxiddielektrikum (45) angeordnet ist.
7. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite leitfähige Schicht (30) aus einem Edelmetall, insbesondere Platin, besteht.
8. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Barrierenschicht (35) zwischen der ersten leitfähigen Schicht (20, 25) und dem Substrat (10) angeordnet ist.
9. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierenschicht (35) eine titanhaltige Schicht ist.
10. Verfahren zum Herstellen einer mikroelektronischen Struktur, die zumindest ein Substrat (10) und eine erste leitfähige Schicht (20, 25) umfaßt, wobei die erste leitfähige Schicht (20, 25) aus zumindest einem Grundmaterial mit zumindest einem sauerstoffbindenden Zusatz besteht, der zumindest ein Element aus der 4. Nebengruppe oder aus der Lanthangruppe enthält, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen des Substrats (10) ; und - gleichzeitiges Aufbringen des Grundmaterials und des sauerstoffbindenden Zusatzes auf das Substrat (10) zur Bildung der ersten leitfähigen Schicht (20, 25) .
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial und der sauerstoffbindende Zusatz durch ein physikalisches Zerstäubungsverfahren (Sputtern) mit einer gemeinsamen Quelle (75, 80) auf das Substrat (10) aufgebracht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial aus einem Edelmetall, insbesondere Platin, aus Palladium, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Osmium, Rhenium, einem leitfähigen Oxid vorgenannter Metalle oder aus einem Gemisch der vorgenannten Verbindungen und Elemente besteht .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der sauerstoffbindende Zusatz in einem Gewichtsanteil in der ersten Schicht zwischen 0.5% bis 20%, bevorzugt zwischen 1% und 10% vorliegt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der sauerstoffbindende Zusatz Zirkon (Zr) , Hafnium (Hf) , Cer (Ce) oder eine Kombination dieser Elemente umfaßt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metalloxiddielektrikum (45) auf die erste leitfähige Schicht (20, 25) aufgebracht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des Metalloxiddielektrikums (45) eine zweite leitfähige Schicht (30) auf die erste leitfähige Schicht (20, 25) abgeschieden wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite leitfähige Schicht aus Platin besteht.
18. Verwendung einer mikroelektronischen Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer Speichervorrichtung, wobei eine von der ersten leitfähigen Schicht (20, 25) der mikroelek- tronischen Struktur gebildete Elektrode (15) , eine weitere Elektrode (50) und ein zwischen diesen Elektroden (15, 50) angeordnetes Metalloxiddielektrikum (45) zumindest einen Speicherkondensator (5) in der Speichervorrichtung bilden.
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