DE19630310C2 - Halbleitervorrichtung mit einem Kondensator und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit einem Kondensator und Verfahren zu deren Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, die mit einem Kondensator versehen ist, der einen aus Metalloxid hergestellten, dielektrischen Film aufweist, und betrifft ein Verfahren zur Herstellung dieser Halbleitervorrichtung.
Infolge des Trends zur Erhöhung der Integrationsdichte integrierter Halbleiterschaltungen wird deren Schaltungsmuster immer feiner. Beispielsweise sind die Abmessungen einer Zelle für einen Kondensator extrem klein geworden. Wenn auf diese Weise die Zellenabmessungen eines Kondensators klein werden, wird die Kapazität des Kondensators entsprechend verringert. Allerdings gibt es eine Grenze für die Verringerung der Kapazität des Kondensators unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit oder sogenannter "weicher Fehler" der Vorrichtung.
Zur Lösung dieses Problems wurde vorgeschlagen, eine dreidimensionalen Kondensator auszubilden, um so die Zellenfläche und daher die Kapazität so weit wie möglich zu erhöhen. Allerdings tritt in diesem Fall die Schwierigkeit auf, daß die Bearbeitung eines Kondensators und die Ausbildung von Elektroden oder eines Isolierfilms immer schwieriger werden.
Unter Berücksichtigung dieser Umstände wurde vor kurzem versucht, als Isolierfilm für den Kondensator einen Film einzusetzen, der eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Typische Beispiele für einen derartigen Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante umfassen einen BaxSr1-xTiO3-Film mit einer Perovskit-Kristallstruktur. Wenn dieser BaxSr1-xTiO3- Film verwendet werden soll, muß als Speicherknotenelektrode ein Edelmetall wie beispielsweise Platin verwendet werden, welches selbst in einer oxidierenden Atmosphäre nicht oxidiert.
Da die Trockenätzung eines derartigen Edelmetalls relativ schwierig ist, wurde untersucht, ob ein Metalloxid als Speicherknotenelektrode verwendet werden kann, das beinahe die gleiche Leitfähigkeit wie ein Metall aufweist. Typische Beispiele für derartiges Metalloxid umfassen Rutheniumdioxid (RuO2). Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators unter Verwendung von RuO2 erläutert.
Zuerst wird, wie in Fig. 1A gezeigt ist, ein Isolierbereich 2 in einem Si-Substrat 1 des p-Typs hergestellt, und dann werden ein Gateisolierfilm 3a, eine Gateelektrode (Wortleitung) 3b und ein n+-Diffusionsbereich 4 eines Transistors hergestellt. Daraufhin wird eine Isolierzwischenschicht 5a so abgelagert, daß die Oberfläche des Substrats eingeebnet wird, und dann wird eine Bitleitung 6 hergestellt. Daraufhin wird erneut eine weitere Isolierzwischenschicht 5b abgelagert, ein Kontaktloch ausgebildet, und dann wird dieses Kontaktloch durch einen polykristallinen Si-Film 7 des n+-Typs vergraben.
Dann wird, wie in Fig. 1B gezeigt ist, ein TiN-Film 14 als Diffusionssperrfilm (ein Sperrmetall) abgelagert, und ein RuO2-Film 15 über dem TiN-Film 14 abgelagert. Daraufhin wird gemäß Fig. 1C ein SiO2-Film 16 abgelagert, mit dem dann ein photolithographischer Bearbeitungsvorgang vorgenommen wird, um ein Kondensatormuster auszubilden.
Dann wird, wie in Fig. 1D gezeigt, der RuO2-Film 15 durch reaktives Ionenätzen bearbeitet, wobei der SiO2-Film 16 als Maske dient, und daraufhin wird durch Ätzen der SiO2-Film entfernt. Daraufhin wird, wie in Fig. 1E gezeigt, der TiN- Film 14 durch reaktives Ionenätzen bearbeitet, wobei der RuO2-Film 15 als Maske eingesetzt wird. Dann wird gemäß Fig. 1F der BaxSr1-xTiO3-Film 9 als Kondensatorisolierfilm abgelagert, und erfährt dann eine Wärmebehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre. Schließlich wird ein WNx-Film 10 abgelagert und bearbeitet, um eine obere Elektrode auszubilden. Der in den Fig. 1A bis 1F gezeigte Stand der Technik ist beschrieben in "Pierre - Y. Lesaicherre et al.; IEDM 94 (1994) 831".
Bei dem Kondensator, der nach dem voranstehend geschilderten Verfahren hergestellt wurde, treten allerdings folgende Schwierigkeiten auf. Die Oberfläche des TiN-Films 14, der einen Diffusionsverhinderungsfilm bildet, wird in dem Schritt der Herstellung des RuO2-Films 15 oxidiert, so daß ein TiOx- Film 21 erzeugt wird, wie dies in Fig. 2A gezeigt ist, wodurch der Kontaktwiderstand erhöht wird. Alternativ wird der RuO2-Film reduziert, und der TiN-Film im Schritt der Ausbildung des BaxSr1-xTiO3-Films 9 oxidiert, wodurch der Kontaktwiderstand erhöht wird.
Beim Versuch, dieses Problem zu lösen, kann ein Rutheniumfilm (Ru-Film) 22 nach der Ausbildung des TiN-Films 14 abgelagert werden, der einen Diffusionssperrfilm bildet, und dann wird der RuO2-Film 15 auf dem Rutheniumfilm 22 abgelagert. Selbst bei einem derartigen Vorgang wird jedoch die Seitenwand des TiN-Films 14 nach der Bearbeitung von Elektroden freigelegt, so daß die Seitenwand des TiN-Films 14 oxidiert wird, wie des in Fig. 2B gezeigt ist, während des Filmherstellungsschrittes des BaxSr1-xTiO3-Films 9, oder während der nachfolgenden Wärmbehandlung, wodurch der Kriechstrom erhöht wird, oder die Kapazität der Vorrichtung beeinträchtigt wird. Der in den Fig. 2A und 2B gezeigte Stand der Technik ist beschrieben in "A. Grill et al. J. Mater; Res. 7 (1992) 3260".
Andererseits wird, wenn der RuO2-Film 15 direkt mit dem Si- Stopfen 7 kontaktiert wird, wie dies in Fig. 3A gezeigt ist, die Ausbildung eines SiO2-Films 23 an der Grenzfläche zwischen dem RuO2-Film 15 und dem Si-Stopfen 7 hervorgerufen, auf entsprechende Weise wie zwischen dem RuO2-Film 15 und dem TiN, was zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands führt. Wenn Ruthenium direkt mit dem Si-Stopfen kontaktiert wird, wird die Erzeugung von Rutheniumsilizid 24 hervorgerufen, wie dies in Fig. 3B gezeigt ist, als Ergebnis einer Reaktion zwischen Ru und Si, und wird die Erzeugung eines SiO2-Films 25 zwischen dem BaxSr1-xTiO3-Film und dem Rutheniumsilizid 24 hervorgerufen, was zu der Schwierigkeit führt, daß die Kapazität beeinträchtigt wird. Bei dem konventionellen Verfahren war es daher äußerst schwierig, den RuO2-Film oder den Ru-Film als Material für Elektroden eines Kondensators mit hoher Dielektrizitätskonstante zu verwenden. Der in den Fig. 3A und 3B gezeigte Stand der Technik ist beschrieben in "A. Charai et al. J. Vac.; Sci. & Technol. A7 (1989) 784; C. S. Petersson et al. J. Appl.; Phys. 53 (1982) 4866".
Wie voranstehend erläutert muß, wenn ein Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten wie beispielsweise BaxSr1-xTiO3 als Material für einen Kondensatorisolierfilm verwendet werden soll, ein Material als Elektrode für einen Kondensator verwendet werden, welches metallisch leitfähig ist, selbst wenn es oxidiert ist, beispielsweise ein Rutheniumfilm oder ein Rutheniumoxidfilm. Die Verwendung eines derartigen Materials als Elektrode führt jedoch dem voranstehend geschilderten Problem, daß eine Elektroden- Silizidverbindung auftritt, wenn das Material mit Si kontaktiert wird. Wenn andererseits ein Diffusionsverhinderungsfilm wie beispielsweise TiN zu dem Zweck eingesetzt wird, die Ausbildung eines Silizids zu verhindern, dann kann der Diffusionsverhinderungsfilm oxidiert werden, was zu der Schwierigkeit führt, daß der Kontaktwiderstand ansteigt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer Halbleitervorrichtung, bei welcher ein Metalloxid als Material für einen Kondensatorisolierfilm verwendet wird, bei der die Verwendung eines Diffusionsverhinderungsfilms entfallen kann, und verhindert wird, daß die Kondensatorelektrode sich mit Silizium verbindet, oder bei Verwendung eines Diffusionsverhinderungsfilms, der als Sperrmetall dient, eine Erhöhung des Kontaktwiderstandes verhindert werden kann, der infolge einer Oxidation des Diffusionsverhinderungsfilms auftreten kann, sowie in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer derartigen Halbleitervorrichtung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung gestellt, die ein Halbleitersubstrat und einen auf diesem vorgesehenen Kondensator aufweist, wobei der Kondensator aus mehreren Schichten hergestellt wird, einschließlich einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und eines dielektrischen Films, der aus Metalloxid besteht, und zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei zumindest eine der beiden Elektroden Sauerstoff enthält und durch zumindest ein Element gebildet wird, das entweder aus Elementen der Gruppe 7A oder der Gruppe 8 des Periodensystems der Elemente ausgewählt wird, die entweder zur fünften oder sechsten Periode des Periodensystems der Elemente gehören, wobei der Anteil an Sauerstoff kleiner als die stöchiometrische Sauerstoffmenge ist, die in Form eines Oxids des Elements existieren kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung gestellt, welche ein Siliziumsubstrat und einen darauf ausgebildeten Kondensator aufweist, wobei der Kondensator aus mehreren Schichten besteht, die eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und einen dielektrischen Film umfassen, der aus einem Metalloxid besteht und zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei zumindest entweder die erste Elektrode oder die zweite Elektrode aus einem Metallelement besteht, dessen Oxid leitfähig ist, oder aus einer Verbindung des Metallelements, und so angeordnet ist, daß sie in Kontakt mit einem leitfähigen Bereich des Siliziumsubstrats oder mit einer siliziumhaltigen leitfähigen Schicht steht, wobei eine Mischoxidschicht, die Silizium und das Metallelement enthält, zwischen der ersten oder zweiten Elektrode und dem leitfähigen Bereich oder zwischen der ersten oder zweiten Elektrode und der siliziumhaltigen, leitfähigen Schicht angeordnet ist.
Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung zur Verfügung gestellt, die mit einem Kondensator versehen ist, der eine erste Elektrode, einen dielektrischen Film und eine zweite Elektrode aufweist, mit folgenden Schritten:
Ausbildung eines Metallfilms, der die erste Elektrode werden soll, auf einem Halbleitersubstrat, durch Sputtern zumindest eines Elements, das entweder aus Elementen der Gruppe 7A oder der Gruppe 8 ausgewählt ist, die entweder zur fünften oder sechsten Periode des periodischen Systems der Elemente gehören, in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wobei der Metallfilm Sauerstoff enthält, dessen Anteil kleiner als die stöchiometrische Sauerstoffmenge ist, die in Form eines Oxids des Elements existieren kann;
Ausbildung eines dielektrischen Films aus einem Metalloxid auf dem Metallfilm; und
Ausbildung einer zweiten Elektrode auf dem dielektrischen Film.
Spezifische Beispiele für ein Element der Elektroden und dessen Verbindungen sind Platin, Ruthenium, Palladium, Rhenium, Osmium, Iridium, Rhodium, Verbindungen dieser Elemente, und Legierungen dieser Elemente. Hierbei ist Ruthenium ein besonders bevorzugtes, leitfähiges Material.
Die Sauerstoffmenge, die in dem leitfähigen Material enthalten ist, ist vorzugsweise kleiner als die stöchiometrische Sauerstoffmenge, die in Form eines Oxids des Elements existieren kann, besonders bevorzugt 0,004 bis 5 Atom-%, und am besten 0,1 bis 5 Atom-%. Wenn der Sauerstoffgehalt zu niedrig ist, wird die durch das Vorhandensein von Sauerstoff zu erzielende Wirkung nicht erzielt. Ist andererseits der Sauerstoffgehalt zu groß, so können sehr hohe Druckspannungen in dem Schritt der Ablagerung des Films erzeugt werden, so daß der hergestellte Film einfach abgeschält werden kann.
Der den Kondensator bildende dielektrische Film wird aus einem Metalloxid hergestellt, und Beispiele hierfür sind ein Film aus BaxSr1-xTiO3, aus SrTiO3, ein PZT-Film und ein Ta2O5-Film.
Eine Oxidschicht des leitfähigen Materials kann an der Grenzfläche zwischen der Elektrode, die aus einem leitfähigen Material mit geringem Sauerstoffgehalt besteht, und dem dielektrischen Film angeordnet werden, Die Dicke dieser Oxidschicht sollte vorzugsweise 20 nm oder weniger betragen. Ist die Dicke der Oxidschicht größer als 20 nm, so ergibt sich eine beeinträchtigte Oberflächenmorphologie der Oxidschicht, und verschlechtern sich ihre Eigenschaften.
Die Elektrode, die aus einem leitfähigen Material besteht, welches einen kleinen Anteil an Sauerstoff enthält, kann in einem leitfähigen Bereich der Oberfläche eines Siliziumsubstrats hergestellt werden, oder kann auf solche Weise ausgebildet werden, daß sie in Kontakt mit einer polykristallinen Siliziumschicht steht, die auf einem Siliziumsubstrat vorgesehen ist.
Die Dicke der Mischoxidschicht aus dem leitfähigen Material sollte vorzugsweise 1 bis 10 nm betragen, besonders bevorzugt 1 bis 7 nm.
Diese gemischte Oxidschicht kann auf verschiedene Arten und Weisen hergestellt werden, wie sie nachstehend beispielhaft angegeben sind.
  • 1. Nachdem ein leitfähiges Material, welches extrem kleine Anteile an Sauerstoff enthält, auf einem Siliziumsubstrat abgelagert wurde, wird mit der sich ergebenden Schicht eine Wärmebehandlung durchgeführt.
  • 2. Nachdem ein Oxidfilm aus einen leitfähigen Material mit einer Dicke von 0,5 bis 6,5 nm auf einem Siliziumsubstrat abgelagert wurde, wird mit der sich ergebenden Schicht eine Wärmebehandlung durchgeführt, und dann wird auf dem Oxidfilm ein leitfähiges Material zur Ausbildung einer Elektrode abgelagert.
  • 3. Ein Sputtervorgang mit zwei Quellen unter Verwendung von Silizium und einem leitfähigen Material wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt, oder es erfolgt ein reaktiver Sputtervorgang unter Verwendung eines Silizids eines leitfähigen Materials als Target, und dann wird ein leitfähiges Material zur Ausbildung einer Elektrode auf dem Film abgelagert, der durch den voranstehend geschilderten Sputtervorgang hergestellt wurde.
Sauerstoff kann in dem leitfähigen Material, das bei den voranstehend genannten Verfahren (2) und (3) verwendet wird, vorgesehen werden oder auch nicht. Vorzugsweise wird allerdings ein sauerstoffhaltiges, leitfähiges Material verwendet.
Der Kondensator in der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann zur Ausbildung eines Zellenkondensators eines DRAM verwendet werden.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung kann die Elektrode, die aus einem leitfähigen Material besteht, welches kleine Anteile an Sauerstoff enthält, dadurch ausgebildet werden, daß die Herstellung des Films aus leitfähigem Material in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird. Als Verfahren zur Herstellung des Films aus einem leitfähigen Material kann ein Sputter- oder ein CVD-Verfahren eingesetzt werden. Die Konzentration an Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre liegt vorzugsweise zwischen 1% und 40%.
Wenn wie voranstehend geschildert die Herstellung des Films aus einem leitfähigen Material durchgeführt wird, so ist es möglich, eine Elektrode mit niedrigem Widerstand zu erhalten, wobei jede Möglichkeit der Ausbildung eines Silizids vermieden wird, selbst wenn mit dem Film eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, nachdem der Film aus einem leitfähigen Material auf einem Si-Substrat oder auf einer polykristallinen Siliziumschicht hergestellt wurde.
Wenn der Film aus leitfähigem Material, welches kleine Anteile an Sauerstoff enthält, in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre hergestellt und wärmebehandelt wird, so kann ein Film mit der Orientierung < 001 < erhalten werden, so daß die Kristallinität nach der Wärmebehandlung des Films mit hoher Dielektrizitätskonstante verbessert werden kann, so daß man eine hohe Dielektrizitätskonstante erreichen kann. Wenn der Film aus leitfähigem, kleine Anteile an sauerstoffhaltigem Material, der in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgebildet wurde, zur Ausbildung einer Elektrode bearbeitet und dann einer Wärmebehandlung unterzogen wird, kann ein Film erhalten werden, der als obere Oberfläche eine (001)-Kristallfläche aufweist, und als Seitenoberfläche (110)-Kristallfläche, eine (1-10)-Kristallfläche, eine (- 110)-Kristallfläche und eine (-1-10)-Kristallfläche, so daß die Kristallinität nach der Wärmebehandlung des hochdielektrischen Films sowohl auf der Oberseite als auch an den Seitenoberflächen des Speicherknotens hervorragend wird, wodurch es ermöglicht wird, eine hohe Kapazität zu erzielen. Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1A bis 1F jeweils Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fig. 2A und 2B jeweils Querschnittsansichten zur Erläuterung von Schwierigkeiten, die bei der konventionellen Vorgehensweise auftreten;
Fig. 3A und 3B jeweils Querschnittsansichten zur Erläuterung von Schwierigkeiten, die bei der konventionellen Vorgehensweise auftreten;
Fig. 4 ein Diagramm eines Röntgenstrahlbeugungsspektrums, das nach einer Wärmebehandlung in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration beim Vorgang der Herstellung eines Films erhalten wurde;
Fig. 5 ein Diagramm mit einer Darstellung von Änderungen des spezifischen Widerstands in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration beim Vorgang zur Ausbildung eines Films;
Fig. 6 ein Diagramm mit einer Darstellung von Spannungsänderungen in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration beim Vorgang zur Herstellung eines Films;
Fig. 7 ein Diagramm mit einer Darstellung von Änderungen einer reduzierten Filmdicke von SiO2 (berechnet als SiO2) in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration beim Vorgang der Herstellung eines Films;
Fig. 8A bis 10B jeweils ein SIMS-Profil vor und nach einer Wärmebehandlung in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration beim Vorgang zur Ausbildung eines Films;
Fig. 11 eine Querschnittsansicht des Aufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12A bis 12C jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 11;
Fig. 13 eine Querschnittsansicht des Aufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 eine Querschnittsansicht des Aufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15A und 15B jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 16A und 16B jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 17A und 17B jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 18A bis 18F jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 19A bis 19F jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 20A eine Querschnittsansicht zur Erläuterung des Aufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 20B eine Äquivalenzschaltung des Aufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 20A;
Fig. 21A bis 21D jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 22A bis 22D jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 23A bis 23D jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zwölften Ausführungsform der Erfindung.
Ein Mechanismus, der es ermöglicht, einen hervorragenden Effekt durch Einschluß kleiner Mengen an Sauerstoff in der Elektrode für einen Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzielen, wird nachstehend näher erläutert, anhand eines Beispiels, bei welchem Ruthenium als Elektrodenmaterial verwendet wird.
Fig. 4 zeigt als Diagramm das Spektrum der Röntgenstrahlbeugung eines Ru-Films oder eines RuO2-Films, welches mit der Sauerstoffkonzentration als Parameter aufgenommen wurde, während eines Filmerzeugungsvorgangs auf einem Si-Wafer, wobei dann eine Wärmebehandlung über einen Zeitraum von 1 Minute in einer N2-Atmosphäre bei einer Temperatur von 700°C erfolgte.
Aus Fig. 4 wird deutlich, daß ein Ru-Film, der ohne irgendeinen Anteil an Sauerstoff hergestellt wurde, nach seiner Wärmebehandlung in Ru2Si3 umgewandelt wurde, wogegen ein Ru-Film, der bei Vorhandensein von Sauerstoff hergestellt wurde, keine Silizidbildung zeigte. Wenn 10% Sauerstoff in dem Filmherstellungsschritt vorgesehen werden, zeigte sich nur der Spitzenwert (peak) für Ru. Wurden 30% Sauerstoff bei dem Filmherstellungsschritt eingesetzt, so war der Peak für RuO2 mehr oder weniger erkennbar, und bei Einsatz von 50% oder mehr Sauerstoff beim Filmherstellungsschritt wandelte sich der Ru-Film vollständig in RuO2 um. Es stellte sich ebenfalls heraus, daß bei Wärmebehandlung des Ru-Films, der in einer Atmosphäre mit 10% bis 30% Sauerstoffanteil hergestellt wurde, ein Film mit einer hervorragenden <001<-Orientierung erhalten werden konnte.
Fig. 5 zeigt als Diagramm Änderungen des spezifischen Widerstands eines Ru-Films oder eines RuO2-Films, der erzeugt wurde, mit der Sauerstoffkonzentration als Parameter, während eines Filmherstellungsvorgangs auf einem Si-Wafer. Aus Fig. 5 geht hervor, daß ein Ru-Film, der ohne jeglichen Sauerstoffanteil hergestellt wurde, nach dem Anlassen (der Wärmebehandlung) in Ru2Si3 umgewandelt wurde, wodurch sein spezifischer Widerstand anstiegt, wogegen ein Ru-Film, der bei Anwesenheit von Sauerstoff hergestellt wurde, nach seiner Wärmebehandlung eine Verringerung des spezifischen Widerstands zeigte. Insbesondere ein Ru-Film, der bei einer Sauerstoffkonzentration von 10% hergestellt wurde, zeigte einen spezifischen Widerstand von 11 µΩ2 cm, was nahe an dem Widerstandswert für Ru liegt, nämlich 7 µΩ 2 cm.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm der Änderungen der Spannungen eines Ru-Films oder eines RuO2-Films, der hergestellt wurde, mit der Sauerstoffkonzentration als Parameter, während eines Filmherstellungsvorgangs auf einem Si-Wafer. Aus Fig. 6 geht hervor, daß ein Ru-Film, der ohne jeglichen Sauerstoff hergestellt wurde, oder ein RuO2-Film, der in Anwesenheit von 50% oder mehr Sauerstoff hergestellt wurde, sehr große Druckspannungen zeigte, wogegen ein Ru-Film, der bei einer Sauerstoffkonzentration von 10% und 30% Sauerstoff hergestellt wurde, unmittelbar nach der Herstellung des Films kleine Spannungen zeigte.
Ein RuO2-Film, der bei einer auf 50% oder mehr eingestellten Sauerstoffkonzentral hergestellt wurde, neigte dazu, daß der Film einfach abgeschält werden konnte, wenn die Dicke des Films gleich 200 nm oder mehr wird. Andererseits zeigten ein Ru-Film und ein RuO2-Film, die unter Hinzufügung von Sauerstoff hergestellt wurden, eine geringere Zugspannung, wenn sie wärmebehandelt wurden, so daß es möglich war, eine hervorragende Elektrode zu erhalten, bei welcher die Schwierigkeit des Abschälens des Films nicht auftrat, wenn diese Filme nach ihrer Herstellung wärmebehandelt wurden.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm der Änderungen der Dicke, beurteilt anhand von SiO2 (die SiO2-Äquivalenzdicke) eines Ba0,5Sr0,5TiO3-Films, bestimmt aus den C-V-Eigenschaften der Probe, die nach folgendem Verfahren hergestellt wurde. Ein Ru-Film oder ein RuO2-Film mit einer Dicke von 200 nm wurde mit der Sauerstoffkonzentral als Parameter während eines Filmherstellungsvorgangs auf einem Si-Substrat des n+-Typs hergestellt, und dann bei einer Temperatur von 700°C eine Minute lang in einer N2-Atmosphäre wärmebehandelt. Dann wurde ein Ba0,5Sr0,5TiO3-Film mit einer Dicke von 40 nm auf dem Ru-Film bzw. RuO2-Film hergestellt, und dann eine Minute lang in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 650°C wärmebehandelt. Schließlich wurde eine Ru-Elektrode mit einer Dicke von 100 nm auf dem Ba0,5Sr0,5TiO3-Film ausgebildet, worauf die voranstehend geschilderte Probe fertig war.
Die elektrischen Eigenschaften der Probe wurden an der Grenzfläche zwischen dem Ru-Film der oberen Elektrode und dem Diffusionsbereich des n+-Typs des Substrats gemessen. Wie aus dem Diagramm gemäß Fig. 7 hervorgeht, zeigte zwar die Probe, die bei einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration beim Vorgang der Filmherstellung auf 0% erhalten wurde, einen SiO2-reduzierten Film mit einer Dicke von immerhin 5,2 nm, jedoch zeigten andere Proben einen relativ dünnen SiO2-reduzierten Film mit einer Dicke von 2,0 nm oder weniger. Insbesondere wenn ein Ru-Film, der bei einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration auf 0% erhalten wurde, als Elektrode verwendet wurde, erhielt man einen sehr dünnen SiO2-reduzierten Film mit einer so geringen Dicke wie 0,36 nm. Im Falle der Probe, die bei einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration beim Vorgang der Filmherstellung auf 0% erhalten wurde, bildete sich eine Verbindung aus Ru2Si3, so daß die Bildung von SiO2 an der Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode und dem Ba0,5Sr0,5TiO3-Film hervorgerufen wurde, was die SiO2-Äquivalenzfilmdicke erhöhte. Andererseits wurde im Falle des RuO2-Films, der bei einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration in dem Vorgang der Filmherstellung auf 50% oder mehr erhalten wurde, die Ausbildung von SiOx an der Grenzfläche zwischen der Si-Schicht des n+-Typs und dem RuO2-Film hervorgerufen. Daher wird angenommen, daß ein Anstieg der SiO2-Äquivalenzfilmdicke bewirkt wurde, verglichen mit der Dicke jener Proben, die erhalten wurden, wenn die Sauerstoffkonzentration beim Vorgang der Filmherstellung auf weniger als 50% eingestellt wurde.
Die Fig. 8A bis 10B zeigen jeweils ein SIMS-Profil eines Ru-Films, der durch Sputtern und einminütige Wärmebehandlung in einer N2-Gasatmosphäre erhalten wurde. Die Fig. 8A bis 8B zeigen jeweils ein SIMS-Profil bei einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration bei der Filmherstellung auf 0%; die Fig. 9A und 9B zeigen jeweils ein SIMS-Profil bei einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration auf 10% bei der Filmherstellung durch Sputtern; und die Fig. 10A und 10B zeigen jeweils ein SIMS-Profil, welches erhalten wurde, wenn die Sauerstoffkonzentration bei der Filmherstellung mittels Sputtern auf 50% eingestellt wurde. Hierbei zeigen die Fig. 8A, 9A und 10A Profile, die erhalten wurden, wenn überhaupt keine Wärmebehandlung durchgeführt wurde, wogegen die Fig. 8B, 9B und 10B Profile in einem Fall zeigen, in welchem die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 700°C durchgeführt wurde.
Wie aus diesen Figuren hervorgeht, wurde im Falle des Ru- Films, der bei einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration im Vorgang der Filmherstellung auf 0% erhalten wurde, Si dazu veranlaßt, zur Oberfläche des Ru-Films herauf zu diffundieren, wodurch ein Rutheniumsilizid gebildet wurde, wogegen im Falle des Ru-Films, der bei einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration beim Vorgang der Filmherstellung auf 50% erhalten wurde, eine entgegengesetzte Diffusion zwischen Si und Ru nach der Wärmebehandlung hervorgerufen wurde. Dagegen wurde im Falle des Ru-Films, der erhalten wurde, wenn die Sauerstoffkonzentration im Vorgang der Filmherstellung auf 10% eingestellt wurde, kaum eine Gegendiffusion zwischen Si und Ru nach der Wärmebehandlung hervorgerufen.
Wurden die Sauerstoffkonzentration in dem Ru-Film und die Stabilität der Grenzfläche im einzelnen untersucht, so stellte sich heraus, daß bei einer Sauerstoffkonzentration in dem Ru-Film von 0,004% oder weniger, Ru vollständig mit Si reagiert hatte, wodurch Rutheniumsilizid gebildet wurde, wogegen dann, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Ru-Film auf 5% oder mehr eingestellt wurde, die Oberfläche des Siliziums hierdurch oxidiert wurde, wodurch ein dicker Siliziumoxidfilm an der Grenfläche zwischen Ru und Si erzeugt wurde. Daraus läßt sich ersehen, daß die Sauerstoffkonzentration in dem Ru-Film auf einem Bereich innerhalb von 0,004 bis 5% gesteuert werden sollte. In diesem Falle stellte sich heraus, daß bei einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre während des Schritts der Herstellung des Films auf 1% bis 40% ein Ru-Film mit der voranstehend genannten Sauerstoffkonzentration erhalten werden konnte.
Infolge des Effekts des Rutheniumfilms, der die voranstehend genannte Sauerstoffkonzentration aufweist, wurde die Ausbildung einer sehr dünnen, amorphen Schicht an der Grenzfläche zwischen dem Rutheniumfilm und der Siliziumschicht hervorgerufen, so daß selbst dann, wenn mit dem Rutheniumfilm darauf eine Wärmebehandlung durchgeführt wurde, nur eine sehr begrenzte Menge an Ruthenium in die Siliziumschicht eindiffundierte. Daher konnte die Ausbildung von Rutheniumsilizid über eine Reaktion zwischen dem gesamten Ruthenium und Silizium gesperrt werden.
Wie voranstehend erläutert ist es möglich, wenn eine Elektrode verwendet wird, die einen Metallfilm enthält (beispielsweise einen Rutheniumfilm), der gemäß der vorliegenden Erfindung extrem kleine Anteile an Sauerstoff aufweist, die Leistung des Kondensators zu verbessern, und die Herstellungskosten zu verringern.
Wenn die Ausbildung einer Mischoxidschicht zwischen dem Metallelement, welches die Elektrode des Kondensators bildet, und dem darunterliegenden Silizium zwischen der Elektrode des Kondensators und dem darunterliegenden Silizium (einem leitfähigen Bereich auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats oder des Siliziumstopfens) verursacht wird, kann eine Reaktion zwischen der Elektrode und dem darunterliegenden Silizium verhindert werden, wodurch es ermöglicht wird, einen Kondensator zu erzeugen, der eine hohe Kapazität aufweist und sehr verläßlich ist, und der bei einer integrierten Halbleiterschaltung und dergleichen eingesetzt werden kann. Als nächstes werden nachstehend die Auswirkungen eines derartigen Kondensators erläutert.
Wenn ein Film mit hoher Dielektrizitätskonstanten mit einem Perovskit-Kristallaufbau als dielektrischer Film eines Kondensators zur Erhöhung der Kapazität eingesetzt werden soll, ist offenbar die Verwendung eines metallischen Materials, welches zu den Edelmetallen gehört, beispielsweise Platin, und daher ein sehr geringes Reaktionsvermögen aufweist, oder eines Metalls, dessen Oxid leitfähig ist, beispielsweise Ruthenium, Rhenium, Platin oder Osmium, in der Hinsicht wirksam, daß verhindert wird, daß eine Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante an einer Grenfläche zwischen der Elektrode und dem dielektrischen Film des Kondensators gebildet wird. Wenn eines dieser Materialien auf dem darunterliegenden Silizium ausgebildet werden soll, muß eine Sperrmetallschicht (eine Diffusionsverhinderungsschicht) zwischen der Elektrode und dem Siliziumstopfen hergestellt werden, um das Auftreten einer Reaktion zu verhindern, bei welcher ein Silizid gebildet wird (Silizidbildung). Da Sauerstoff in diese Metalle bei hohen Temperaturen leicht eindiffundiert, kann TiN, das normalerweise als darunterliegende Sperre verwendet wird, während einer Hochtemperaturbehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre beim Schritt der Herstellung eines Körpers mit hoher Dielektrizitätskonstante oxidiert werden, wodurch die Eigenschaften des Kondensators beeinträchtigt werden.
Wenn im Gegensatz hierzu die Grenzfläche zwischen Elektrode und Silizium (polykristallinem Silizium) durch eine Mischoxidschicht getrennt wird, die aus einem Metallelement besteht, welches die Elektrode bildet, und aus Silizium, so wird offenbar die voranstehend geschilderte Reaktion verhindert, und kann gleichzeitig das voranstehend geschilderte Problem der Oxidation vermieden werden, da die Mischoxidschicht selbst aus Oxiden besteht. Da diese Metalloxide selbst leitfähig sind, weist die Mischoxidschicht ein hervorragendes Leitvermögen auf. Da die Mischoxidschicht mit Silizium gemischt ist, werden darüber hinaus ihre Diffusionssperreigenschaften verbessert. Obwohl die optimale Filmdicke eines derartigen Films in Abhängigkeit von dem Material auf geeignete Weise ausgewählt werden kann, lassen sich die voranstehenden Effekte selbst dann erwarten, wenn die Dicke des Films relativ gering ist.
Die Erfindung wird nachstehend weiter unter Bezugnahme auf verschiedene Beispiele erläutert.
(Beispiel 1)
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht, welche den Aufbau einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in Fig. 11 gezeigt weist ein MOS-Transistor einen Gateisolierfilm 3a auf, eine Gateelektrode (Wortleitung) 3b und einen Source/Draindiffusionsbereich 4; und ein Kondensator weist einen Ru-Film 8 als untere Elektrode auf, einen BaxSr1-xTiO3-Film 9 als Kondensatorisolierfilm, und einen WXx-Film als obere Elektrode, wobei diese Teile auf einem Siliziumsubstrat 1 des P-Typs vorgesehen sind, wodurch eine DRAM-Zelle ausgebildet wird. Mit dem Bezugszeichen 2 ist ein Elementenisolierbereich bezeichnet, mit 5a und 5b ein Zwischenschichtisolierfilm, mit 6 eine Bitleitung, und mit 7 ein polykristalliner Siliziumfilm des n+-Typs.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die Fig. 12A bis 12C ein Verfahren zur Herstellung der in Fig. 11 gezeigten Halbleitervorrichtung erläutert.
Wie aus Fig. 12A hervorgeht, wurde der Elementenisolierbereich 2 auf dem Siliziumsubstrat 1 des p- Typs hergestellt, und dann wurden nacheinander der Gateisolierfilm 3a, die Gateelektrode 3b und der Diffusionsbereich 4 des n+-Typs ausgebildet. Nach Ablagerung des Zwischenschichtisolierfilms 5a auf der gesamten Oberfläche des Substrats 1 wurde ein Kontaktloch in dem Zwischenschichtisolierfilm 5a ausgebildet, und wurde die Bitleitung 6 über dieses Kontaktloch hergestellt. Nach Ablagerung des Zwischenschichtisolierfilms 5b über den freiliegenden Oberflächen des Zwischenschichtisolierfilms 5a und der Bitleitung 6 wurde dann ein Kontaktloch ausgebildet, welches durch die Zwischenschichtisolierfilme 5a und 5b hindurchgeht und mit dem Diffusionsbereich 4 in Verbindung steht. Dann wurde der polykristalline Siliziumfilm 7 des n+-Typs auf der gesamten Oberfläche des Zwischenschichtisolierfilms 5b abgelagert, wodurch das Kontaktloch durch den polykristallinen Siliziumfilm 7 des n+-Typs vergraben wurde, und dann wurde der gesamte polykristalline Siliziumfilm 7 des n+-Typs, der auf dem Zwischenschichtisolierfilm 5b abgelagert wurde, mit Ausnahme des Kontaktlochs weggeätzt, so daß der polykristalline Siliziumfilm 7 des n+-Typs nur in dem Kontaktloch übrigblieb.
Gemäß Fig. 12B wurde dann ein Ru-Film 8 auf der gesamten Oberfläche des Zwischenschichtisolierfilms 5b einschließlich des Abschnitts des Kontaktloches durch Sputtern einer Argonatmosphäre abgelagert, die 1% bis 40% Sauerstoff enthielt. Daraufhin wurde der Ru-Film 8 so bearbeitet, daß er die Form einer Säule annahm, wie in Fig. 12C gezeigt ist.
Dann wurde ein BaxSr1-xTiO3-Film 9 auf der gesamten, freiliegenden Oberfläche abgelagert, und bei einer Temperatur von 550°C bis 800°C einer Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre unterzogen. Auch eine stickstoffhaltige Atmosphäre kann bei dieser Wärmebehandlung eingesetzt werden. Ein WNx-Film 10 wurde auf dem BaxSr1-xTiO3- Film 9 abgelagert. Dann wurde der WNx-Film 10 zur Ausbildung einer oberen Elektrode bearbeitet, wodurch die in Fig. 11 gezeigte Anordnung erhalten wurde.
Da bei diesem Beispiel der Ru-Film 8, der extrem kleine Anteile an Sauerstoff enthält, als Kondensatorelektrode verwendet wird, welche direkt an den polykristallinen Siliziumfilm 7 angeschlossen ist, ist es möglich zu verhindern, daß die Kondensatorelektrode in ein Silizid umgewandelt wird, ohne daß es hierbei erforderlich ist, eine Diffusionssperrschicht vorzusehen. Da keine Diffusionssperrschicht verwendet wird, besteht keine Gefahr der Erhöhung des Kontaktwiderstands infolge der Oxidation einer Diffusionssperrschicht.
(Beispiel 2)
Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht, welche den Aufbau einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Es wurden dieselben Maßnahmen wie beim Beispiel 1 bis zu dem Schritt der Ablagerung des Ru-Films 8 auf der gesamten, freiliegenden oberen Oberfläche der Vorrichtung eingesetzt. Dann wurde mit dem Ru-Film 8 eine Wärmebehandlung in einer N2-Atmosphäre bei einer Temperatur von 450 bis 800°C durchgeführt, und wurde der Ru-Film 8 so bearbeitet, daß er eine säulenartige Form annahm. Dann wurde ein SrTiO3-Film 11 abgelagert, und in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre einer Temperatur von 500 bis 800°C einer Wärmebehandlung unterzogen. Bei dieser Wärmebehandlung kann auch eine stickstoffhaltige Atmosphäre eingesetzt werden. Ein N1-Film 12 wurde über dem SrTiO3-Film 11 abgelagert. Daraufhin wurde der Ni-Film 12 zur Ausbildung einer oberen Elektrode bearbeitet.
Dieses Beispiel unterscheidet sich vom Beispiel 1 darin, daß ein Film mit hoher Dielektrizitätskonstante hergestellt wurde, nachdem die Wärmebehandlung des Ru-Films 8 erfolgte, der vorher in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre hergestellt wurde. Wenn mit dem Ru-Film 8 auf diese Weise eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, kann ein Film mit einer Orientierung <001< erhalten werden, so daß die Kristallinität nach der Wärmebehandlung des Films mit hoher Dielektrizitätskonstante verbessert werden kann, so daß man eine hohe Dielektrizitätskonstante erhalten kann.
(Beispiel 3)
Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht, welche den Aufbau einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Es wurden dieselben Maßnahmen wie beim Beispiel 1 bis zu dem Schritt der Ablagerung des Ru-Films 8 über der gesamten, freiliegenden oberen Oberfläche der Vorrichtung durchgeführt. Dann wurde der Ru-Film 8 so bearbeitet, daß er eine säulenartige Form annahm, und dann wurde der säulenförmige Ru-Film 8 einer Wärmebehandlung in einer N2-Atmosphäre bei einer Temperatur von 450 bis 800°C unterzogen. Dann wurde ein Ta2O5-Film 13, der als Kondensatorisolierfilm wirkt, abgelagert und in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 680 bis 800°C einer Wärmebehandlung unterzogen, gefolgt von einer weiteren Wärmebehandlung in einem Sauerstoffplasma bei einer Temperatur von 300 bi 450°C. Daraufhin wurde ein TiN-Film 14 auf dem Ta2O5-Film 13 abgelagert, und zur Ausbildung einer oberen Elektrode bearbeitet.
Dieses Beispiel unterscheidet sich von den Beispielen 1 und 2 darin, daß der Wärmebehandlung des Ru-Films 8, welcher in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre hergestellt wurde, die Bearbeitung des Ru-Films 8 zur Erzeugung einer säulenartigen Form vorausging. Wenn der Ru-Film 8 auf diese Weise einer Wärmebehandlung unterzogen wird, kann ein Film erhalten werden, dessen obere Oberfläche eine (001)-Kristallfläche aufweist, und dessen Seitenoberflächen durch eine (001)- Kristallfläche, eine (110)-Kristallfläche, eine (1-10)- Kristallfläche, eine (-110)-Kristallfläche und eine (-1-10)- Kristallfläche gebildet werden, und daß die Kristallinität nach der Wärmebehandlung des Films mit hoher Dielektrizitätskonstante an der oberen Oberfläche und den Seitenoberflächen des Speicherknotens verbessert werden können, wodurch es ermöglicht wird, eine hohe Kapazität zu erzielen.
(Beispiel 4)
Die Fig. 15A und 15B zeigen jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsfarm der vorliegenden Erfindung.
Es wurden dieselben Vorgänge wie im Beispiel 1 durchgeführt, bis zu dem Schritt des Vergrabens des polykristallinen Si- Films des n+-Typs in dem Kontaktloch. Dann wurde der Ru-Film 8 über der gesamten, freiliegenden oberen Oberfläche in einer Argonatmosphäre abgelagert, welche 1% bis 40% Sauerstoff enthielt, und dann bearbeitet, um den Ru-Film 8 säulenförmig auszubilden, wie in Fig. 15A gezeigt ist. Daraufhin wurde mit diesem säulenförmigen Ru-Film 8 eine Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 800°C durchgeführt, wodurch ein dünner RuO2-Film 15 ausgebildet wurde.
Dann wurde gemäß Fig. 15B ein BaxSr1-xTiO3-Film 9 auf der gesamten oberen Oberfläche der Vorrichtung einschließlich der Oberfläche des dünnen RuO2-Films 15 abgelagert, und daraufhin einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffgasatmosphäre oder einer Inertgasatmosphäre bei einer Temperatur von 650 bis 800°C unterzogen, woran sich eine weitere Wärmebehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 200 bis 600°C anschloß. Dann wurde ein weiterer Ru-Film 8 in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre abgelagert, und zur Ausbildung einer oberen Elektrode bearbeitet.
(Beispiel 5)
Die Fig. 16A und 16B zeigen jeweils Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es wurden dieselben Vorgänge wie bei dem Beispiel 1 bis zum Schritt des Vergrabens des polykristallinen Si-Films des n+-Typs in dem Kontaktloch durchgeführt. Dann wurde der Ru- Film 8 durch Sputtern auf der gesamten freiliegenden oberen Oberfläche in einer Argonatmosphäre abgelagert, welche 10% Sauerstoff enthielt, wie in Fig. 16A gezeigt ist. Nach der Wärmebehandlung des Ru-Films 8 in einer N2-Atmosphäre bei einer Temperatur von 405 bis 800°C wurde der Ru-Film 8 so bearbeitet, daß er säulenförmig ausgebildet wurde. Daraufhin wurde dieser säulenförmige Ru-Film 8 einer Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 800°C unterzogen, wodurch auf der Oberfläche des Ru- Films 8 ein RuO2-Film 15 hergestellt wurde.
Dann wurde gemäß Fig. 16B ein BaxSr1-xTiO3-Film 9 auf der gesamten oberen Oberfläche der Vorrichtung einschließlich der Vorrichtung des dünnen RuO2-Films 15 abgelagert, und erfuhr dann eine Wärmebehandlung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 550 bis 800°C, und schließlich wurde ein TiN-Film 14 abgelagert und bearbeitet, um eine aus dem TiN-Film 14 bestehende, obere Elektrode herzustellen.
(Beispiel 6)
Die Fig. 17A und 17B zeigen jeweils eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es wurden dieselben Vorgänge wie beim Beispiel 1 durchgeführt, bis zu dem Schritt des Vergrabens des polykristallinen Si-Films des n+-Typs in dem Kontaktloch. Dann wurde, wie in Fig. 17A gezeigt, der Ru-Film 8 durch Sputtern auf der gesamten freiliegenden oberen Oberfläche in einer Argonatmosphäre abgelagert, die 10% Sauerstoff enthielt. Nach der Wärmebehandlung des Ru-Films 8 in einer N2-Atmosphäre bei einer Temperatur von 450 bis 800°C, wurde der Ru-Film 8 so bearbeitet, daß sich eine säulenartige Form des Ru-Films 8 ergab. Daraufhin wurde ein BaxSr1-xTiO3-Film 9 auf der gesamten oberen Oberfläche der Vorrichtung abgelagert, und einer Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 800°C unterzogen, wodurch ein RuO2-Film 15 an einer Grenzfläche zwischen dem Ru-Film 8 und dem BaxSr1-xTiO3-Film 9 ausgebildet wurde.
Dann wurde gemäß Fig. 17B ein WNx-Film 10 abgelagert und bearbeitet, um eine aus dem WNx-Film 10 bestehende, obere Elektrode herzustellen.
(Beispiel 7)
Die Fig. 18A bis 18F zeigen jeweils Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 18A gezeigt, wurde der Elementisolierbereich 2 auf dem Siliziumsubstrat 1 des p-Typs ausgebildet, und dann wurden der Gateisolierfilm 3a, die Gateelektrode (Wortleitung) 3b und der Diffusionsbereich 4 des n+-Typs nacheinander hergestellt. Nach Ablagern des Zwischenschichtisolierfilms 5a auf der gesamten Oberfläche des Substrats 1 wurde in dem Zwischenschichtisolierfilm 5a ein Kontaktloch ausgebildet, und wurde die Bitleitung 6 durch dieses Kontaktloch hergestellt. Nach Ablagerung des Zwischenschichtisolierfilms 5b auf der gesamten freiliegenden Oberfläche des Zwischenschichtisolierfilms 5a und der Bitleitung 6 wurde dann ein Kontaktloch ausgebildet, das durch die Zwischenschichtisolierfilme 5a und 5b hindurchging und mit dem Diffusionsbereich 4 in Verbindung stand. Daraufhin wurde der polykristalline Siliziumfilm 7 des n+-Typs auf der gesamten Oberfläche des Zwischenschichtisolierfilms 5b abgelagert, wodurch das Kontaktloch durch den polykristallinen Siliziumfilm 7 des n+-Typs vergraben wurde, und dann wurde der gesamte polykristalline Siliziumfilm 7 des n+-Typs, der auf dem Zwischenschichtisolierfilm 5b abgelagert worden war, abgesehen von dem Kontaktloch weggeätzt, so daß der polykristalline Siliziumfilm 7 des n+-Typs nur in dem Kontaktloch übrigblieb. Hierbei wurde die Ätzung des polykristallinen Siliziumfilms 7 des n+-Typs so durchgeführt, daß das Kontaktloch nicht vollständig mit dem polykristallinen Siliziumfilm 7 des n+-Typs gefüllt wurde, sondern sich im oberen Abschnitt des Kontaktlochs kein polykristalliner Siliziumfilm 7 des n+-Typs befand.
Dann wurde, wie in Fig. 18B gezeigt, ein WNx-Film 10 auf der gesamten Oberfläche der Vorrichtung abgelagert, und dann einer Wärmebehandlung in einer NH3-Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 800°C unterzogen. Daraufhin wurde der WNx-Film zum Teil entfernt, durch mechanisches Polieren oder Rückätzen, so daß er nur in dem Kontaktloch übrigblieb. Dann wurde ein Ru-Film 8 auf der gesamten übrigen Vorrichtung durch Sputtern in einer Argonatmosphäre abgelagert, die 10% Sauerstoff enthielt, wie in Fig. 18C gezeigt. Hierbei wurde der einen Diffusionssperrfilm bildenden WNx-Film 10 nicht nach der Ausbildung des Ru-Films 8, der eine Kondensatorelektrode bildet, freigelegt, so daß der Diffusionsperrfilm nicht oxidiert wurde. Da die Sauerstoffmenge, die in dem Ru-Film 8 enthalten ist, wie bei den voranstehend geschilderten Beispielen sehr klein ist, kann der Anteil des WNx-Films 10, der oxidiert wurde, extrem stark auf extrem kleine Anteile beschränkt werden.
Da der extrem kleine Anteile an Sauerstoff enthaltende Ru- Film in diesem Fall auf dem WNxX-Film 10 hergestellt wurde, wird es ermöglicht, Spannungen zwischen dem WNx-Film 10 und dem Ru-Film 8 abzumildern, wodurch das Problem eines etwaigen Abschälens des Ru-Films 8 überwunden wird.
Nach einer Wärmebehandlung in einer N2-Atmosphäre bei einer Temperatur von 450 bis 800°C wurde der Ru-Film 8 so bearbeitet, daß ein säulenförmiger Ru-Film 8 ausgebildet wurde, wie er in Fig. 18D dargestellt ist. Wie in Fig. 18E gezeigt, wurde dann ein BaxSr1-xTiO3-Film 9 auf der gesamten, freiliegenden Oberfläche abgelagert und einer Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 800°C unterzogen, wodurch ein RuO2-Film 15 an einer Grenzfläche zwischen dem Ru-Film 8 und dem BaxSr1-xTiO3- Film 9 ausgebildet wurde.
Dann wurde, wie in Fig. 18F gezeigt, ein WNx-Film 10 abgelagert und so bearbeitet, daß eine obere Elektrode ausgebildet wurde, die aus dem WNx-Film 10 besteht.
(Beispiel 8)
Die Fig. 19A bis 19F zeigen jeweils Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 19A gezeigt ist, wurde der Elementenisolierbereich 2 auf dem p-Siliziumsubstrat 1 ausgebildet, und dann wurden nacheinander der Gateisolierfilm 3a, die Gateelektrode (Wortleitung) 3b und der Diffusionsbereich 4 des n+-Typs hergestellt. Nach Ablagerung des Zwischenschichtisolierfilms 5a auf der gesamten Oberfläche des Substrats 1 wurde ein Kontaktloch in dem Zwischenschichtisolierfilm 5a ausgebildet, und wurde die Bitleitung 6 durch dieses Kontaktloch hergestellt. Nach Ablagerung der Zwischenschichtisolierfilme 5b und 5c auf sämtlichen freiliegenden Oberflächen des Zwischenschichtisolierfilms 5a und der Bitleitung 6 wurde dann ein Kontaktloch ausgebildet, welches durch die Zwischenschichtisolierfilme 5a, 5b und 5c hindurchgeht und mit dem Diffusionsbereich 4 in Verbindung steht.
Daraufhin wurde, wie in Fig. 19B gezeigt, ein weiterer Ru- Film 8 durch ein CVD-Verfahren in einer H2-Atmosphäre abgelagert, die 40% Sauerstoff enthielt, und zwar auf der gesamten Oberfläche des Zwischenschichtisolierfilms 5c, wodurch das Kontaktloch durch den Ru-Film 8 vergraben wurde, und dann erfolte eine Wärmebehandlung in einer N2-Atmosphäre bei einer Temperatur von 450 bis 800°C. Daraufhin wurde der Ru-Film 8 auf dem Zwischenschichtisolierfilm 5c entfernt, wie in Fig. 19C gezeigt ist.
Dann wurde, wie in Fig. 19D dargestellt, der Zwischenschichtisolierfilm 5c entfernt. Daraufhin wurde gemäß Fig. 19E ein BaxSr1-xTiO3-Film 9 auf der gesamten, freiliegenden Oberfläche abgelagert, und einer Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 800°C unterzogen, wodurch ein RuO2-Film 15 an einer Grenzfläche zwischen dem Ru-Film 8 und dem BaxSr1-xTiO3-Film 9 hergestellt wurde.
Daraufhin wurde, wie in Fig. 19F gezeigt, ein anderer Ru- Film 8 erneut auf der gesamten Oberfläche des BaxSr1-xTiO3- Films 9 abgelagert und so bearbeitet, daß eine aus dem Ru- Film 8 bestehende, obere Elektrode ausgebildet wurde.
Bei diesem Beispiel wurde Ru3(CO)12 als Ausgangsmaterial für die chemische Dampfablagerung (CVD) des Ru-Films 8 verwendet. Allerdings können auch andere Arten eines organischen Materials, beispielsweise R(C5H5)2 oder R(C5H7O2)3 zur Ausbildung eines Ru-Films verwendet werden, der extrem kleine Anteile an Sauerstoff enthält.
(Beispiel 9)
Bei den voranstehenden Beispielen wurde die vorliegende Erfindung beim Einsatz zur Herstellung einer DRAM-Zelle erläutert. Allerdings läßt sich die vorliegende Erfindung auch bei einer Herstellung einer FRAM-Zelle einsetzen. Fig. 20A zeigt eine Querschnittsansicht des Aufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn diese bei der Herstellung einer FRAM-Zelle eingesetzt wird. Fig. 20B ist eine Äquivalenzschaltung des Aufbaus der Halbleitervorrichtung von Fig. 20A.
Wie aus Fig. 20A hervorgeht, weist ein MOS-Transistor eine Gateisolierfilm 3a auf, eine Gateelektrode (Wortleitung) 3b und einen Source/Draindiffusionsbereich 4; und besteht ein Kondensator aus einem WXx-Film 31 als unterer Elektrode, aus einem BaxSr1-xTiO3-Film 9 als Kondensatorisolierfilm, und einem Ru-Film 32 als oberer Elektrode, und diese voranstehend aufgeführten Teile wurden auf einem p-Siliziumsubstrat 1 hergestellt, wodurch eine FRAM-Zelle ausgebildet wurde.
Der Ru-Film 32, der die obere Elektrode bildet, enthielt extrem kleine Anteile an Sauerstoff und wurde durch ein Sputterverfahren in einer Argonatmosphäre hergestellt, die 1% bis 40% Sauerstoff enthielt, wie im Falle des Beispiels 1. Dieser Ru-Film 32 wurde mit einem Diffusionsbereich 4 über eine polykristalline Siliziumschicht 37 verbunden, die auf der Oberfläche eines Zwischenschichtisolierfilms 35 ausgebildet wurde, der sich über den Kondensatorabschnitt erstreckt.
Bei diesem Aufbau wird die untere Elektrode 31 des Kondensators über dem Isolierfilm 5 ausgebildet. Allerdings steht die obere Elektrode 32 in direktem Kontakt mit dem polykristallinen Silizium 37. Wenn der Ru-Film 32, der extrem kleine Anteile an Sauerstoff enthält, als obere Elektrode eines Kondensators verwendet wird, kann daher die Ausbildung eines Silizids der oberen Elektrode 32 wirksam vermieden werden, ohne daß es erforderlich ist, eine Diffusionssperrschicht vorzusehen.
Der Grund für die Verwendung eines Ru-Films mit extrem kleinen Anteilen an Sauerstoff als obere Elektrode besteht darin, daß die obere Elektrode im Kontakt mit einer polykristallinen Si-Schicht steht. Wenn die untere Elektrode im Kontakt mit der polykristallinen Si-Schicht steht, wird daher natürlich der Ru-Film, der extrem kleine Anteile an Sauerstoff enthält, als untere Elektrode verwendet.
Wie voranstehend unter Bezugnahme auf die genannten Beispiele geschildert ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen Kondensator und daher eine Halbleitervorrichtung auszubilden, die hervorragende Eigenschaften aufweisen, ohne daß ein Diffusionssperrfilm verwendet werden muß, da eine Silizidbildung eines leitfähigen Films durch Verwendung eines leitfähigen Films vermieden werden kann, der extrem kleine Anteile an Sauerstoff enthält, selbst wenn der leitfähige Film in direktem Kontakt mit Silizium steht, welches in einem Speicherknotenkontakt vergraben ist, oder mit einem Verunreinigungsdiffusionsbereich eines Si-Substrats. Hierbei lassen sich auch die Kosten zur Herstellung einer derartigen Halbleitervorrichtung verringern, da die Ausbildung und Bearbeitung eines Diffusionssperrfilms weggelassen werden können.
Die Erfindung ist nicht auf die voranstehend geschilderten Beispiele beschränkt. Zwar wurde ein polykristalliner Siliziumfilm des n+-Typs oder ein Diffusionsbereich des n+-Typs als darunterliegende Schicht bei den voranstehend geschilderten Beispielen verwendet, jedoch kann auch ein polykristalliner Siliziumfilm des p+-Typs als untere Schicht auf einem Diffusionsbereich des p+-Typs hergestellt werden, oder auf einem Diffusionsbereich des n+-Typs, der eine Diffusionssperrschicht aufweist. Weiterhin wurden ein BaxSr1-xTiO3-Film, ein Ta2O5-Film oder ein SrTiO3-Film als Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante bei den voranstehend geschilderten Beispielen verwendet, jedoch kann auch eine ferroelektrische Substanz wie ein Film aus PbZrxTi1-xO3-Film oder ein PbxLa1-xZryTi1-yO3-Film verwendet werden. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung nicht auf Speicher wie DRAM oder FRAM beschränkt, sondern läßt sich bei verschiedenen Halbleitervorrichtungen einsetzen, die einen Kondensator mit hoher Dielektrizitätskonstante aufweisen.
Bei den voranstehenden Beispielen wurde ein WNx-Film, ein N1- Film, ein TiN-Film oder ein Ru-Film als obere Elektrode verwendet. Allerdings ist es bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich, andere Arten eines Films als obere Elektrode einzusetzen. Weiterhin wurde bei den voranstehend geschilderten Beispielen nur die obere Elektrode bei der Herstellung eines Kondensators bearbeitet, jedoch kann auch der Isolierfilm mit hoher Elektrizitätskonstante gleichzeitig mit der Bearbeitung der oberen Elektrode bearbeitet werden.
Das grundlegende Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Silizidbildung einer Kondensatorelektrode verhindert wird, ohne einen Diffusionssperrfilm einzusetzen.
Allerdings läßt sich die vorliegende Erfindung selbst dann ausführen, wenn ein Diffusionssperrfilm im Inneren eines Kontaktlochs vorgesehen wird, wie anhand der voranstehend geschilderten, siebten Ausführungsform erläutert wurde. Bei der siebten Ausführungsform wurde ein WNx-Film als Diffusionssperrfilm verwendet. Allerdings läßt sich hierfür auch ein Metallnitridfilm wie ein TiN-Film einsetzen, ein Metallsilizidfilm wie WSix oder TiSi2, oder ein Nitridfilm eines Metallsilizids wie beispielsweise ein Film aus WSixNY oder TiSixNy.
Die folgenden Beispiele 10 bis 12 erläutern Fälle, in welchen ein Mischoxidfilm zwischen der Siliziumschicht und einem Film aus leitfähigem Material angeordnet ist, der eine Elektrode bildet.
(Beispiel 10)
Das Beispiel 10 erläutert den Einsatz der vorliegenden Erfindung bei einem DRAM. Die Fig. 21A bis 21D verdeutlichen die Vorgänge bei der Herstellung des DRAM, wobei Ru als untere Elektrode eines Kondensators in einer Speicherzelle verwendet wird, bei welcher ein Kondensator an einem höher gelegenen Ort angeordnet ist als ein Schalttransistor, eine Wortleitung und eine Bitleitung.
Wie in Fig. 21A gezeigt, wurde ein vorbestimmter Oberflächenabschnitt eines monokristallinen p- Siliziumsubstrats 101 mit einer (100) Kristalloberfläche und einem spezifischen Widerstand von 10 Ωcm durch uzen entfernt, wodurch ein Loch ausgebildet wurde, in welches daraufhin ein Elementenisolierfilm 102 eingefüllt wurde, um so einen Elementenisolierbereich auszubilden. Alternativ hierzu kann dieser Elementenisolierbereich auch unter Verwendung des konventionellen LOCOS-Verfahrens hergestellt werden.
Dann wurde ein Siliziumoxidfilm 103 mit einer Dicke von 10 nm zur Ausbildung eines Gateisolierfilms durch thermische Oxidation hergestellt, und wurde hierauf ein Wolframsilizidfilm 104 zur Ausbildung einer Gateelektrode abgelagert. Diese Filme wurden durch Photolithographie und reaktives Ionenätzen mit einem Muster versehen, um eine Gateisolierelektrode 103 und eine Gateelektrode 104 auszubilden. Daraufhin erfolgte eine Ionenimplantierung unter Verwendung der Gateelektrode 104 als Maske, wodurch unter Selbstausrichtung ein Source/Drainbereich gebildet wurde, der aus Diffusionsbereichen 105 und 106 des n--Typs besteht, wodurch ein MOSFET als Schalttransistor hergestellt wurde.
Dann wurde, wie in Fig. 21B gezeigt, ein Siliziumoxidfilm 107 mittels CVD in einer Dicke von 100 nm über der gesamten oberen Oberfläche des MOSFET abgelagert, und wurde ein Kontaktloch 108 durch Photolithographie und reaktives Ionenätzen erzeugt. Dann wurde selektiv ein Titansilizidfilm 109 auf dem Boden des Kontaktlochs 108 ausgebildet, und wurde ein W-Film 110 auf der gesamten oberen Oberfläche der Vorrichtung abgelagert. Daraufhin wurde durch Photolithographie und reaktives Ionenätzen der W-Film 110 mit einem Muster versehen, wodurch gleichzeitig eine Bitleitung ausgebildet wurde.
Dann wurde nach Ablagerung eines CVD-Oxidfilms 111 gemäß Fig. 21 die sich ergebende Oberfläche eingeebnet. Dann wurde photolithographisch ein Kontaktloch 112 erzeugt, worauf ein polykristalliner Siliziumfilm 113 des n+-Typs auf der gesamten, sich ergebenen oberen Oberfläche abgelagert wurde. Daraufhin wurde durch Einsatz eines Einebnungsverfahrens, beispielsweise Rückätzen, der polykristalline Siliziumfilm 113 des n+-Typs überall abgesehen vom Kontaktloch entfernt, wodurch der polykristalline Siliziumfilm 113 des n+-Typs ausgebildet wurde, der in Kontakt mit dem Diffusionsbereich 106 des n--Typs steht. Dann wurde ein Ru-Film 115, der extrem geringe Anteile an Sauerstoff enthält, mittels Sputtern in einer Atmosphäre erzeugt, die kleine Anteile an Sauerstoff enthielt. Im vorliegenden Fall sollte die Sauerstoffkonzentration in dem Ru-Film vorzugsweise 0,004% bis 5% betragen, besonders bevorzugt 0,01% bis 1,0%.
Mit der sich ergebenden Vorrichtung wurde dann eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 400°C oder höher durchgeführt, wodurch ein dünner Mischoxidfilm 114 erzeugt wurde, der Si und Ru enthält, an einer Grenzfläche zwischen dem polykristallinen Siliziumfilm 113 des n+-Typs und dem Ru- Film 115. Die Dicke des Mischoxidfilms 114 sollte im vorliegenden Fall vorzugsweise 1 nm bis 10 nm betragen. Daraufhin wurde der Ru-Film 115 durch reaktives Ionenätzen (RIE) in einer Atmosphäre behandelt, die ein Sauerstoffplasma aufwies. Dann wurde ein (BaSr)TiO3-Film 116 mit einer Filmdicke von 20 nm auf der gesamten, sich ergebenden Oberfläche durch ein CVD-Verfahren abgelagert.
Dann wurde, wie in Fig. 21D gezeigt, ein Ru-Film 117 zur Ausbildung einer oberen Elektrode (Plattenelektrode) hergestellt, um die Herstellung der Zelle des DRAM zu beenden. Dann wurden die üblichen Vorgänge zur Vervollständigung des DRAM durchgeführt, beispielsweise der Schritt der Ausbildung von Al-Verdrahtungen, obwohl diese Schritte hier nicht zeichnerisch dargestellt sind.
Bei diesem Beispiel wurde Ru als untere Elektrode für den Kondensator verwendet, jedoch lassen sich gemäß der vorliegenden Erfindung auch andere Materialien einsetzen. Beispielsweise können Pt, Pd, Ir und Re, die selbst in Form ihres Oxides leitfähig sind, wie im Falle von Ru, verwendet werden. Die Leitfähigkeit dieser Materialien kann selbst dann aufrechterhalten werden, wenn sie in Form eines Mischoxidfilms mit Si vorliegen, und daher ist diese Mischoxidschicht in der Hinsicht wirksam, daß sie eine Reaktion der Metallelektrode mit dem Si-Stopfen verhindert.
Zwar wurde bei diesem Beispiel ein (BaSr)TiO3-Film als dielektrischer Kondensatorfilm verwendet, jedoch lassen sich statt des (BaSr)TiO3-Films andere Materialien einsetzen, beispielsweise SrTiO3, BaTiO3, CaTiO3, PbTiO3, PZT, usw.
Zwar wurde Ru als obere Kondensatorelektrode verwendet, jedoch können auch andere Materialien für diese Elektrode verwendet werden. Beispielsweise können dieselben Materialien verwendet werden, die auch als untere Elektrode eingesetzt werden, sowie ein Metall mit hohem Schmelzpunkt wie etwa W, Mo oder Ta, oder ein Verbindungsleiter wie etwa WNx oder MoNx.
(Beispiel 11)
Als nächstes wird eine elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Auch dieses Beispiel betrifft den Einsatz der vorliegenden Erfindung bei einem DRAM, wie im Falle des Beispiels 10. Die Fig. 22A bis 22D erläutern die Vorgänge bei der Herstellung des DRAM, wobei Ru ebenfalls als untere Elektrode eines Kondensators in einer Speicherzelle verwendet wurde, wobei der Kondensator sich an einem höher gelegenen Ort befand als ein Schalttransistor, die Wortleitung und die Bitleitung.
Gemäß Fig. 22A wurde ein vorbestimmter Oberflächenabschnitt eines monokristallinen p-Siliziumsubtrats 201 mit einer (100)-Kristallfläche und einem spezifischen Widerstand von 10 Ωcm durch Ätzung entfernt, wodurch ein Loch ausgebildet wurde, in welches daraufhin ein Elementenisolierfilm 202 eingefüllt wurde, um einen Elementenisolierbereich auszubilden. Alternativ hierzu kann dieser Elementenisolierbereich auch unter Einsatz des konventionellen LOCOS-Verfahrens hergestellt werden.
Dann wurde ein Siliziumoxidfilm 203 mit einer Dicke von 20 nm zur Ausbildung eines Gateisolierfilms durch thermische Oxidation hergestellt, und hierauf ein Wolframsilizidfilm 204 zur Ausbildlung einer Gateelektrode abgelagert. Diese Filme wurden photolithographisch oder durch reaktives Ionenätzen mit einem Muster versehen, um eine Gateisolierelektrode 203 und eine Gateelektrode 204 auszubilden. Daraufhin erfolgte eine Ionenimplantierung unter Einsatz dieser Gateelektrode 204 als Maske, wodurch unter Selbstausrichtung ein Source/Drainbereich hergestellt wurde, der aus Diffusionsbereichen 205 und 206 des n--Typs besteht, wodurch ein MOSFET als Schalttransistor ausgebildet wurde.
Dann wurde, wie in Fig. 22B gezeigt, ein Siliziumoxidfilm 207 mittels CVD in einer Dicke von 100 nm auf der gesamten oberen Oberfläche des MOSFET abgelagert, und wurde ein Kontaktloch 208 durch Photolithographie und reaktives Ionenätzen hergestellt. Dann wurde selektiv ein Titansilizidfilm 209 auf dem Boden des Kontaktlochs 208 ausgebildet, und wurde ein W-Film 210 auf der gesamten oberen Oberfläche der Vorrichtung abgelagert. Dann wurde dieser W-Film 210 durch Photolithographie und reaktives Ionenätzen mit einem Muster versehen, wodurch gleichzeitig eine Bitleitung ausgebildet wurde.
Dann wurde nach Ablagerung eines CVD-Oxidfilms 211 gemäß Fig. 22C die sich ergebende Oberfläche eingeebnet. Daraufhin wurde ein Kontaktloch 212 photolithographisch ausgebildet, und es wurde ein polykristalliner Siliziumfilm 213 des n+-Typs auf der gesamten, sich ergebenden oberen Oberfläche abgelagert. Daraufhin wurde der polykristalline Siliziumfilm 213 des n+-Typs durch ein Einebnungsverfahren wie beispielsweise Rückätzen überall, mit Ausnahme des Kontaktlochs, entfernt, wodurch der polykristalline Siliziumfilm (Stopfen) 213 des n+-Typs hergestellt wurde, der in Kontakt mit dem Diffusionsbereich 206 des n--Typs steht.
Nach Ablagerung eines dünnen RuO2-Films 215 mit einer Dicke von 2 nm mit der gesamten, sich ergebenden oberen Oberfläche wurde dann eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 400°C oder mehr durchgeführt, so daß der polykristalline Siliziumfilm 213 des n+-Typs mit dem dünnen RuO2-Film 215 reagieren konnte, wodurch ein dünner Mischoxidfilm 214 ausgebildet wurde, der Si und Ru enthält. Nachdem ein Ru-Film 216 auf der gesamten, sich ergebenden oberen Oberfläche abgelagert wurde, erfolgte dann photolithographisch die Musterbildung bei dem dünnen Mischoxidfilm 214, dem dicken RuO2-Film 215 und dem Ru-Film 216. Dann wurde ein PZT-Film 217 mit einer Dicke von 20 nm mittels CVD auf der gesamten, sich ergebenden Oberfläche abgelagert.
Wie in Fig. 22D gezeigt ist, wurde ein TiN-Film 218 mit einer Dicke von 80 nm auf dem PZT-Film 217 als obere Elektrode (Plattenelektrode) abgelagert, wodurch die Zelle eines DRAM hergestellt wurde. Dann wurden die üblichen Vorgänge zur Vervollständigung des DRAM durchgeführt, beispielsweise ein Schritt der Ausbildung von Al- Verdrahtungen, obwohl diese Schritte hier nicht zeichnerisch dargestellt sind.
Beim vorliegenden Beispiel wurde Ru als untere Elektrode des Kondensators verwendet, jedoch lassen sich hierfür auch andere Materialien einsetzen. Beispielsweise können Pt, Pd, Ir und Re verwendet werden, die auch in Form ihres Oxids elektrisch leitfähig sind, wie dies bei Ru der Fall ist. Die Leitfähigkeit dieser Materialien kann selbst dann aufrechterhalten werden, wenn sie in Form eines Mischoxidfilms mit Si vorliegen, und daher wirkt sich diese Mischoxidschicht so aus, daß eine Reaktion der Metallelektrode mit dem Si-Stopfen vermieden wird. Wie voranstehend bereits im Zusammenhang mit der ersten bis achten Ausführungsform beschrieben wurde, ist allerdings die Verwendung von Ru, welches extrem kleine Anteile an Sauerstoff enthält, besonders bevorzugt, um die Silizidbildung der Kondensatorelektrode zu verhindern.
Zwar wurde beim vorliegenden Beispiel als dielektrischer Film eines Kondensators ein Film aus (Ba, Sr)TiO3 verwendet, jedoch lassen sich statt dieses Films andere Materialien einsetzen, beispielsweise SrTiO3, BaTiC3, CaTiO3, usw.
Zwar wurde TiN auch als obere Elektrode des Kondensators verwendet, jedoch lassen sich als Elektrodenmaterial andere Materialien verwenden. Beispielsweise können dieselben Materialien eingesetzt werden, die auch als untere Elektrode verwendet werden, und ebenso ein Metall mit hohem Schmelzpunkt wie etwa W, Mo oder Ta, oder ein Verbundleiter wie etwa WNx oder MoNx.
(Beispiel 12)
Als nächstes wird eine zwölfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Auch dieses Beispiel betrifft den Einsatz der vorliegenden Erfindung bei einem DRAM, wie im Falle der Beispiele 10 und 11. Die Fig. 23A bis 23D erläutern die Vorgänge bei der Herstellung des DRAM, wobei Ru ebenfalls als untere Elektrode eines Kondensators in einer Speicherzelle eingesetzt wurde, bei welcher ein Kondensator an einem höheren Ort angeordnet wurde als der Schalttransistor, die Wortleitung und die Bitleitung.
Wie in Fig. 23A gezeigt ist, wurde ein vorbestimmter Oberflächenabschnitt eines monokristallinen p- Siliziumsubstrats 301 mit einer (100)-Kristallfläche und einem spezifischen Widerstand von 10 Ωcm durch Ätzen entfernt, wodurch ein Loch ausgebildet wurde, in welches daraufhin ein Elementenisolierfilm 203 eingefüllt wurde, um einen Elementenisolierbereich auszubilden. Alternativ hierzu kann dieser Elementenisolierbereich auch unter Verwendung des konventionellen LOCOS-Verfahrens hergestellt werden.
Dann wurde ein Siliziumoxidfilm 303 mit einer Dicke von 10 nm zur Ausbildung eines Gateisolierfilms durch thermische Oxidation hergestellt, und darauf ein Wolframsilizidfilm 304 zur Ausbildung einer Gateelektrode abgelagert. Diese Filme wurden durch Photolithograhie und reaktives Ionenätzen mit einem Muster versehen, so daß eine Gateisolierelektrode 303 und eine Gateelektrode 304 hergestellt wurden. Daraufhin erfolgte eine Ionenimplantierung mit dieser Gateelektrode 304 als Maske, wodurch selbstausgerichtet ein Source/Drainbereich hergestellt wurde, der aus Diffusionsbereichen 305 und 306 des n+-Typs besteht, wodurch ein MOSFET als Schalttransistor hergestellt wurde.
Dann wurde, wie in Fig. 23B gezeigt, ein Siliziumoxidfilm 347 mittels CVD in einer Dicke von 100 nm auf der gesamten oberen Oberfläche des MOSFET abgelagert, und wurde ein Kontaktloch 308 durch Photolithographie und reaktives Ionenätzen ausgebildet. Dann wurde ein Titansilizidfilm 309 selektiv auf dem Boden des Kontaktlochs 308 hergestellt, worauf ein W-Film 310 auf der gesamten oberen Oberfläche der Vorrichtung abgelagert wurde. Daraufhin wurde der W-Film 310 mittels Photolithographie und reaktiver Ionenätzung mit einem Muster versehen, wodurch gleichzeitig eine Bitleitung ausgebildet wurde.
Nachdem dann, wie in Fig. 23C gezeigt, ein CVD-Oxidfilm 311 abgelagert wurde, wurde die sich ergebende Oberfläche eingeebnet. Dann wurde photolithographisch ein Kontaktloch 312 ausgebildet, und wurde auf der gesamten, sich ergebenden oberen Oberfläche ein polykristalliner Siliziumfilm 313 des n+-Typs abgelagert. Daraufhin wurde der polykristalline Siliziumfilm 313 des n+-Typs so entfernt, daß er nur in dem Kontaktloch übrigblieb, durch ein Einebnungsverfahren wie beispielsweise Rückätzen, wodurch der polykristalline Siliziumfilm 313 des n+-Typs ausgebildet wurde, der in Kontakt mit dem Diffusionsbereich 306 des n--Typs steht.
Dann wurde ein dünner Mischoxidfilm 314, der Si und Ru enthält, auf der gesamten, sich ergebenden oberen Oberfläche erzeugt, durch ein Sputterverfahren mit zwei Quellen, einer Ru-Quelle und einer Si-Quelle, oder durch ein reaktives Sputterverfahren, bei welcher als Target Rutheniumsilizid eingesetzt wird, in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Die Dicke des Mischoxidfilms 314 sollte vorzugsweise 10 nm oder weniger betragen. Nachdem ein Ru-Film 315 auf der gesamten, sich ergebenden oberen Oberfläche abgelagert wurde, erfolgte dann eine Musterbildung des dünnen Mischoxidfilms 314 und des Ru-Films 315 durch Photolithographie und reaktive Ionenätzung. Dann wurde ein (Ba, Sr)TiO3-Film 315 mit einer Dicke von 20 nm auf der gesamten, sich ergebenden Oberfläche mittels CVD abgelagert.
Wie in Fig. 23D gezeigt ist, wurde ein WNx-Film 317 mit einer Dicke von 80 nm auf der gesamten, sich ergebenden oberen Oberfläche als obere Elektrode (Plattenelektrode) abgelagert, wodurch die Herstellung der Zelle eines DRAM fertig war. Dann wurden die üglichen Vorgänge zur Vervollständigung des DRAM durchgeführt, einschließlich eines Schrittes, in welchem Al-Verdrahtungen hergestellt wurden, obwohl diese zusätzlichen Schritte hier nicht zeichnerisch dargestellt sind.
Bei diesem Beispiel wurde Ru als untere Elektrode für den Kondensator verwendet, jedoch lassen sich bei der vorliegenden Erfindung hierfür auch andere Materialien einsetzen. Beispielsweise können Pt, Pd, Ir und Re, die selbst in Form ihres Oxids leitfähig sind, wie im falle von Ru, verwendet werden. Die Leitfähigkeit dieser Materialien kann aufrechterhalten werden, selbst wenn sie in Form eines Mischoxidfilms mit Si vorliegen, und daher ist diese Mischoxidschicht dazu wirksam, eine Reaktion der Metallelektrode mit dem Si-Stopfen zu verhindern.
Zwar wurde ein Film aus (Ba, Sr)TiO3 als dielektrischer Film des Kondensators bei diesem Beispiel verwendet, jedoch lassen sich statt dieses Materials auch andere Materialien einsetzen, beispielsweise SrTiO3, BaTiO3, CaTiO3 usw.
Statt bei der unteren Elektrode eines Kondensators läßt sich die vorliegende Erfindung auch bei der oberen Elektrode einsetzen. So läßt sich beispielsweise die vorliegende Erfindung bei der oberen Elektrode des Kondensators bei dem in Fig. 19 gezeigten DRAM-Zellenaufbau einsetzen.
Als dielektrischer Film für den Kondensator können statt des (Ba, Sr)TiO3-Films auch andere Materialien eingesetzt werden, beispielsweise SrTiO3, BaTiO3, CaTiO3, eine Verbindung dieser Materialien, PbTiO3, PZT, und dergleichen.
Zwar wurde WN als obere Elektrode des Kondensators verwendet, jedoch können gemäß der vorliegenden Erfindung auch andere Materialien für diese Elektrode verwendet werden. Beispielsweise lassen sich dieselben Materialien einsetzen, die als untere Elektrode eingesetzt werden, und ebenso ein Metall mit hohem Schmelzpunkt wie etwa W, Mo oder Ta, oder ein Verbundleiter, wie etwa WNx oder MoNx.
Bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform wird, nachdem der dielektrische Film wie etwa ein BaxSr1-xTiO3-Film hergestellt wurde, wird die Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt, und kann die Wärmebehandlung auch in einer Atmosphäre durchgeführt werden, die keinen Sauerstoff enthält.
Wie voranstehend erläutert ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Kondensatorelektrode auszubilden, die einen niedrigen Widerstandswert aufweist, und bei der keine Silizidbildung erfolgt, unter Einsatz eines leitfähigen Materials, welches extrem kleine Anteile an Sauerstoff enthält, zur Ausbildung zumindest einer Elektrode eines Kondensators mit hoher Dielektrizitätskonstante. Wenn diese Kondensatorelektrode in direktem Kontakt mit einem Si-Stopfen oder einem Verunreinigungsdiffusionsbereich auf einem Si- Substrat steht, ist es daher möglich, einen Diffusionssperrfilm wegzulassen, und daher möglich, eine Halbleitervorrichtung mit hoher Verläßlichkeit kostengünstig herzustellen. Daher wird es ermöglicht, eine Halbleitervorrichtung mit einem Kondensatoraufbau unter Verwendung eines Metalloxids als Kondensatorisolierfilm zur Verfügung zu stellen, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleitervorrichtung, wobei ein Diffusionssperrfilm weggelassen werden kann, und die Silizidbildung der Kondensatorelektrode verhindert werden kann.
Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche eine Erhöhung des Kontaktwiderstands verhindern kann, die von der Oxidation eines Sperrmetalls herrührt, und zwar dadurch, daß eine Mischoxidschicht, die ein die Elektrode eines Kondensators bildendes Metallelement und Silizium enthält, an einer Grenzfläche zwischen der Elektrode des Kondensators und dem darunterliegenden Silizium vorgesehen wird, wobei die Elektrode des Kondensators durch ein Metallelement oder dessen Verbindung gebildet wird, welches bzw. welche selbst in Form des zugehörigen Oxids elektrisch leitfähig bleibt.

Claims (20)

1. Halbleitervorrichtung mit:
einem Halbleitersubstrat (1); und
einem auf dem Halbleitersubstrat (1) vorgesehenen Kondensator, der aus mehreren Schichten besteht, die eine erste Elektrode (8), eine zweite Elektrode (10), und einen dielektrischen Film (9) umfassen, der aus einem Metalloxid besteht und zwischen der ersten Elektrode (9) und der zweiten Elektrode (10) angeordnet ist, wobei zumindest entweder die erste oder die zweite Elektrode (8, 10) Sauerstoff enthält und durch zumindest ein Element gebildet wird, das aus den Elementen der Gruppe 7A und 8 des Periodensystems der Elemente ausgewählt ist, die entweder zur fünften oder sechsten Periode des Periodensystems der Elemente gehören, wobei der Sauerstoffgehalt kleiner als die stöchiometrische Sauerstoffmenge ist, die in Form eines Oxids dieses Elements vorhanden sein kann.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt in einem Bereich von 0,004 bis 5 Atom-% liegt.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt in einem Bereich von 0,1 bis 5 Atom-% liegt.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Elemente aus der Gruppe 7A und der Gruppe 8 zumindest eines der Elemente ist, die zu folgender Gruppe gehören: Platin, Ruthenium, Palladium, Rhenium, Osmium, Iridium und Rhodium.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der Elemente aus der Gruppe 7A und 8 Ruthenium ist.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (8) Sauerstoff enthält und in Kontakt mit einem leitfähigen Bereich des Halbleitersubstrats (1) steht, entweder direkt oder über eine polykristalline Siliziumschicht, die auf dem leitfähigen Bereich angeordnet ist.
7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oxidschicht aus einem leitfähigen Material, welches die erste Elektrode bildet, zwischen der ersten Elektrode und dem dielektrischen Film angeordnet ist.
8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung eine DRAM-Vorrichtung ist, welche einen MOS-Transistor aufweist, der auf dem Halbleitersubstrat (1) vorgesehen ist, und zusammen mit dem Kondensator eine Speicherzelle bildet.
9. Halbleitervorrichtung mit:
einem Siliziumsubstrat (1); und
einem auf dem Siliziumsubstrat (1) vorgesehenen Kondensator, der aus mehreren Schichten besteht, die eine erste Elektrode (8), eine zweite Elektrode (10) und einen dielektrischen Film (9) umfassen, der aus einem Metalloxid besteht und zwischen der ersten Elektrode (8) und der zweiten Elektrode (10) angeordnet ist, wobei zumindest entweder die erste oder die zweite Elektrode (8, 10) aus einem Metallelement besteht, dessen Oxid elektrisch leitfähig ist, oder aus einer Verbindung des Metallelements, und so angeordnet ist, daß ein Kontakt mit einem leitfähigen Bereich des Siliziumsubstrats (1) oder mit einer leitfähigen Schicht besteht, welche Silizium enthält, wobei eine Mischoxidschicht, die Silizium und das Metallelement enthält, zwischen der ersten oder zweiten Elektrode (8, 10) und dem leitfähigen Bereich oder zwischen der ersten oder zweiten Elektrode (8, 10) und der leitfähigen Schicht angeordnet ist, welche Silizium enthält.
10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallelement eines der Elemente aus folgender Gruppe ist: Platin, Ruthenium, Palladium, Rhenium, Osmium, Iridium und Rhodium.
11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallelement Ruthenium ist.
12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischoxidschicht eine Dicke im Bereich von 1 bis 10 nm aufweist.
13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallelement der Mischoxidschicht ein Element ist, welches entweder aus der Gruppe 7A oder der Gruppe 8 des Periodensystems der Elemente ausgewählt ist, die entweder zur fünften oder sechsten Periode des Periodensystems der Elemente gehören.
14. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung eine DRAM-Vorrichtung ist, welche einen MOS-Transistor aufweist, der auf dem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist, und zusammen mit dem Kondensator eine Speicherzelle bildet.
15. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, die einen Kondensator enthält, der eine erste Elektrode (8), einen dielektrischen Film (9) und eine zweite Elektrode (10) umfaßt, mit folgenden Schritten:
Ausbildung eines Metallfilms, der die erste Elektrode (8) wird, auf einem Halbleitersubstrat (1) durch Sputtern zumindest eines Elements, das entweder aus der Gruppe 7A oder 8 des Periodensystems der Elemente ausgewählt ist, die entweder zur fünften oder sechsten Periode des Periodensystems der Elemente gehören, in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wobei der Metallfilm Sauerstoff in einem Anteil enthält, der kleiner als die stöchiometrische Sauerstoffmenge ist, die bei einem Oxid des Elements vorhanden ist;
Ausbildung eines dielektrischen Films (9), der aus einem Metalloxid besteht, auf dem Metallfilm; und
Ausbildung einer zweiten Elektrode (10) auf dem dielektrischen Film.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffhaltige Atmosphäre eine Sauerstoffkonzentration von 1% bis 40% aufweist.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Element aus der Gruppe 7A oder 8 eines der Elemente aus folgender Gruppe ist: Platin, Ruthenium, Palladium, Rhenium, Osmium, Iridium und Rhodium.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Schritt einer Wärmebehandlung nach der Ausbildung des sauerstoffhaltigen Metallfilms vorgesehen ist.
19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Schritt einer Wärmebehandlung nach einer Mustererzeugung auf dem Metallfilm zur Ausbildung der ersten Elektrode (8) vorgesehen ist.
20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablagerung des Metallfilms, der die erste Elektrode (8) wird, durch chemisches Dampfphasenwachstum in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erfolgt.
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