DE19649670C2 - Verfahren zur Herstellung eines Kondensators einer Halbleitervorrichtung und auf diese Weise hergestellter Kondensator - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Kondensators einer Halbleitervorrichtung und auf diese Weise hergestellter KondensatorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Kondensator einer Halbleitervor
richtung, und insbesondere einen derartigen Kondensator, der für die Hochintegration
einer Halbleitervorrichtung geeignet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zur Herstellung der Kondensatoranordnung.
Aus den Druckschriften EP 0 737 364 B1 und WO 96/10845 A2 ist bereits ein Verfah
ren zur Herstellung eines Kondensators einer Halbleitervorrichtung bekannt, beidem
ein Halbleitersubstrat bereitgestellt wird, auf dem ein Ruthenium/Platin-Film ausgebil
det wird, auf dem ein thermisches Ruthenium/Platin-Oxid aufgewachsen wird. Ein
dielektrischer Film und eine leitfähige Schicht werden hintereinander auf dem Ruthe
nium/Platin-Oxid ausgebildet. Diese Druckschriften zeigen nicht, dass zwischen dem
Halbleitersubstrat und dem Ruthenium/Platin-Film nacheinander ein Titanfilm und ein
Titannitridfilm ausgebildet werden.
Bei hoher Integration von Halbleitervorrichtungen werden die Zellen im Allgemeinen
kleiner, wodurch es schwieriger wird, ausreichend Speicherkapazität entsprechend
der Oberfläche einer Speicherelektrode zur Verfügung zu stellen, insbesondere im
Falle einer DRAM-Vorrichtung, deren Einheitszelle aus einem MOS-Transistor und
einem Kondensator besteht, besteht der wesentliche Punkt bei der Hochintegration
darin, die Speicherkapazität des Kondensators zu vergrößern, der auf dem Chip eine
große Fläche einnimmt, und hierbei die von dem Kondensator eingenommene Fläche
zu verringern.
Es wurden verschiedene Vorgehensweisen zur Erhöhung der Speicherkapazität eines
Kondensators vorgeschlagen, die durch folgende Gleichung gegeben ist:
wobei C die Speicherkapazität des Kondensators, Eo die Vakuum-
Dielektrizitätskonstante, Er die Dielektrizitätskonstante eines dielektrischen Films, A
die Fläche des Kondensators und T die Dicke des Kondensators bezeichnet.
Beispielsweise wurde ein dielektrischer Film mit einer hohen Dielektrizitätskonstante
aus einem dünnen BST-Film ((Ba, Sr)TiO3) oder einem dünnen PZT-Film
(Pb(ZryTix)O3) hergestellt, die jeweils eine hohe Dielektrizitätskonstante Er aufwei
sen, so daß eine Halbleitervorrichtung hochintegriert ausgebildet werden konnte. Al
lerdings ist diese Vorgehensweise in der Hinsicht nachteilig, daß Hügel und Nadellö
cher auf der Oberfläche der unteren Elektrode gebildet werden, welche zum Konden
sator gehört, wodurch die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung instabil werden,
und die Reproduzierbarkeit beeinträchtigt wird.
Um diese Schwierigkeit zu überwinden, besteht ein weiteres Verfahren darin, einen
Kondensator aus einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrode auszubilden,
die beide aus Rutheniumoxid (RuO2) oder Platin (Pt) bestehen und durch eine Wär
mebehandlung stabilisiert werden.
Bei der Verwendung von Rutheniumoxid für die Elektroden treten mechanische Span
nungen zwischen dem dielektrischen Film und der oberen Elektrode nach der Wär
mebehandlung auf. Darüber hinaus werden die Eigenschaften des dielektrischen
Films beeinträchtigt, da Sauerstoff oder Silizium von der oberen und/oder unteren
Elektrode in den dielektrischen Film eindiffundiert. Ein weiterer Nachteil besteht in der
langsamen Ausbildung des Rutheniumoxidfilms.
Wenn die obere und untere Elektrode aus Platin hergestellt werden, bilden sich nach
der Wärmebehandlung Silizium und Silicid auf der Oberfläche des Platins bei 200°C
bis 300°C, was zu einer wesentlichen Erhöhung des Kriechstroms führt. Daher erge
ben sich nicht nur schlechte elektrische Eigenschaften der Elektroden, sondern es
verschlechtert sich auch das Haftvermögen an einem Isolierfilm. Darüber hinaus wer
den beim Platin infolge von Spannungen leicht Hügel hervorgerufen, und es ver
schlechtern sich die Eigenschaften des Dünnfilms im Verlauf der Zeit.
Um die Vorteile des Rutheniumoxids und des Platins zu nutzen wurde ein Verfahren
zur Herstellung einer Elektrode vorgeschlagen, um die vorstehend geschilderten
Schwierigkeiten zu lösen, wie geschildert in Integrated Ferroelectrics, 1995, Bd. 8,
Seiten 151-163, von H. N. Al-Shareef. Auch dieses konventionelle Verfahren ist aller
dings in der Hinsicht nachteilig, dass das Herstellungsverfahren für den Kondensator
sehr kompliziert ist, so dass die Zuverlässigkeit einer Halbleitervorrichtung verringert
wird. Darüber hinaus führt das komplizierte Verfahren zu einer Erhöhung der Herstel
lungskosten, wodurch der Herstellungswirkungsgrad absinkt.
Die vorstehend geschilderten Herstellungsverfahren für einen Kondensator einer
Halbleitervorrichtung sind daher nicht für eine hohe Integration einer Halbleitervor
richtung geeignet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Überwindung vorste
hend geschilderten, beim Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten und in der
Bereitstellung einer Kondensatoranordnung einer Halbleitervorrichtung, welche eine
ausreichend hohe Kapazität für die Hochintegration einer Halbleitervorrichtung auf
weist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Verfahrens zur Herstellung der Kondensatoranordnung.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12
gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den jeweiligen Unteransprüchen ge
zeigt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbei
spiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es
zeigen:
Fig. 1 bis 7 schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur
Herstellung eines Kondensators einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
Der Einsatz der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lässt sich
am besten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verstehen, bei wel
chen gleiche Bezugszeichen für gleiche und entsprechende Teile verwendet werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird zuerst eine untere Isolierschicht 13 auf einem Halbleiter
substrat 11 hergestellt, die einen Elementisolierfilm (nicht gezeigt), einen Gate-
Oxidfilm (nicht gezeigt) und eine Gate-Elektrode (nicht gezeigt) aufweist. Nach Her
stellung der Gate-Elektrode kann eine Bitleitung ausgebildet werden. Die untere Iso
lierschicht 13 wird aus einem Isoliermaterial hergestellt, welches gute Fließeigen
schaften zeigt, beispielsweise Borophosphorsilikatglas (nachstehend als "BPSG" be
zeichnet).
Dann wird unter Verwendung einer (nicht dargestellten) Kontaktmaske ein Ätzvorgang
durchgeführt, durch welchen die untere Isolierschicht 13 selektiv so geöffnet wird,
dass ein Kontaktloch 15 ausgebildet wird, durch welches eine vorbestimmte Fläche
des Halbleitersubstrats 11, nämlich eine Fläche, in welche Verunreinigungen implan
tiert werden, freigelegt wird.
Daraufhin wird auf der sich ergebenden Anordnung einschließlich der unteren Isolier
schicht 13 und des Kontaktlochs 15 eine Schicht aus Polysilizium abgelagert und
dann einem Rückätzvorgang unterzogen, um einen Kontaktstopfen-Polysiliziumfilm 17
in dem Kontaktloch 15 auszubilden.
Fig. 2 ist ein Querschnitt und zeigt den Zustand, nachdem ein Titanfilm 19 und ein
Titannitridfilm 21 hintereinander über der sich ergebenden Anordnung ausgebildet
wurden, gefolgt von der Ablagerung eines Ruthenium/Platin-Films 23 über dem Titannitridfilm
21. Der Titanfilm 19 weist eine Dicke von etwa 10 bis 30 nm auf, wobei
der Titannitridfilm 21 eine Dicke von etwa 20 bis 40 nm aufweist. Die Dicke des Rut
henium/Platin-Films 23 liegt im Bereich zwischen etwa 200 und 500 nm. Für die Abla
gerung des Ruthenium/Platin-Films 23 wird ein Sputter-Verfahren eingesetzt, bei wel
chem Ruthenium und Platin gleichzeitig als Targets verwendet werden. Bei diesem
Ablagerungsvorgang für den Ruthenium/Platin-Film 23 wird eine Sputter-Vorrichtung
eingesetzt, welche eine Gleichspannungs- oder Radiofrequenz-Magnetquelle aufweist.
Der Ablagerungsvorgang wird vorzugsweise bei einer Substrattemperatur, die zwi
schen Zimmertemperatur und 700°C liegt, bei einer Leistung von 50 Watt bis 5000 Watt,
einem Druck von 0,133 bis 0,133 × 105 Pascal und über einen Zeitraum von 1
bis 10 Minuten durchgeführt. Als Atmosphäre wird Stickstoff-, Argon- oder Sauerstoff
gas verwendet.
Dann wird ein Wärmebehandlungsvorgang in einer Sauerstoff
atmosphäre etwa 0,5 bis 2 Stunden lang durchgeführt, damit
ein Oxid 25 auf der Oberfläche des Ruthenium/Platin-Films 23
aufwächst, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Dieses Ruthenium/Pla
tin-Oxid 25 wird durch RuxOyPtz bezeichnet (x, y und z
bezeichnen jeweils Zusammensetzungsverhältnisse, wobei gilt:
x + y + z = 1). Diese Wärmebehandlung wird bei einer Tempera
tur von etwa 500°C bis 850°C durchgeführt.
Fig. 4 ist ein Querschnitt des Zustands, nachdem ein Muster
27 aus einem lichtempfindlichen Film über der sich ergebenden
Anordnung ausgebildet wurde. Zu diesem Zweck wird ein licht
empfindlicher Film (nicht gezeigt) über der sich ergebenden
Anordnung hergestellt und unter Verwendung einer Speicher
elektrodenmaske (nicht gezeigt) geätzt.
Fig. 5 ist ein Querschnitt des Zustands, der sich ergibt,
nachdem unter Verwendung des Musters 27 aus dem lichtempfind
lichen Film als Maske das Ruthenium/Platin-Oxid 25, der Ru
thenium/Platin-Film 23, der Titannitridfilm 21 und der Titan
film 19 hintereinander geätzt wurden, um ein Ruthenium/Pla
tin-Oxidmuster 25a, ein Ruthenium/Platin-Muster 23a, ein
Titannitridmuster 21a bzw. ein Titanfilmmuster 19a auszubil
den, gefolgt von der Entfernung des Musters 27 aus dem licht
empfindlichen Film.
Daraufhin wird ein dielektrischer Film 29 mit einer hohen
Dielektrizitätskonstanten in bestimmter Dicke über der sich
ergebenden Anordnung hergestellt, wie in Fig. 6 gezeigt ist.
Als dielektrischer Film (29) wird ein Isolierfilm mit einer
hohen Dielektrizitätskonstante verwendet, beispielsweise
BST oder PZT. Bevorzugt weist der dielektrische Film 29 eine
Dicke von etwa 300 nm bis 600 nm auf.
Schließlich wird, wie in Fig. 7 gezeigt ist, eine leitfähige Schicht über dem dielektri
schen Film 29 abgelagert, um eine Plattenelektrode 31 auszubilden, wodurch ein
Kondensator geschaffen wird, dessen Kapazität hoch genug für die Hochintegration
einer Halbleitervorrichtung ist.
Wie vorstehend geschildert, kann das Verfahren dadurch vereinfacht werden, dass
Ruthenium und Platin keine komplizierte Kombinationsanordnung bilden, sondern
gleichzeitig als Target für die Ablagerung verwendet werden. Da die Zusammenset
zung an Ruthenium und Platin gemäß der vorliegenden Erfindung einfach gesteuert
werden kann, kann sie an die Eigenschaften des dielektrischen Films angepasst wer
den. Die Verwendung des Ruthenium/Platin-Targets ermöglicht es darüber hinaus,
eine Sauerstoffatmosphäre dazu einzusetzen, die untere Elektrode aus Rutheni
um/Platin-Oxid herzustellen, also die Speicherelektrode.
Daher ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der elektrischen Eigenschaften
und der Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung, was schließlich die Grundlage für
die Hochintegration einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
bildet.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators einer Halbleitervorrichtung mit
folgenden Schritten:
- a) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (11),
- b) Ausbilden eines Titanfilms (19) und eines Titannitridfilms (21) hintereinander auf dem Halbleitersubstrat (11),
- c) Ausbilden eines Ruthenium/Platin-Films (23) auf dem Titannitridfilm (21),
- d) Wärmebehandlung des Ruthenium/Platin-Films (22), damit Ruthenium/Platin-Oxid (25) auf dem Ruthenium/Platin-Film (23) aufwächst, und
- e) Ausbilden eines dielektrischen Films (29) und einer leitfähigen Schicht (31) hintereinander auf dem Ruthenium/Platin-Oxid (25).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ruthenium/Platin-Film (23) in einem Sputter-Vorgang hergestellt wird, in welchem
Ruthenium und Platin gleichzeitig als Target eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ruthenium/Platin-Film (23) zwischen Zimmertemperatur und 700°C bei einer
Leistung von 50 Watt bis 5000 Watt, unter einem Ablagerungsdruck von etwa 0,133 bis
0,133 × 105 Pascal und über einen Zeitraum von 1 bis 10 Minute(n) in einem
Gleichspannungs-Sputter-Vorgang erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ruthenium/Platin-Film (23) zwischen Zimmertemperatur und 700°C bei einer
Leistung von 50 Watt bis 5000 Watt, unter einem Ablagerungsdruck von etwa 0,133 bis
0,133 × 105 Pascal und über einen Zeitraum von 1 bis 10 Minute(n) in einem
Radiofrequenz-Sputter-Vorgang hergestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmebehandlungsschritt d) bei etwa 500°C bis 850°C über einen Zeitraum von
etwa 0,5 bis 2 Stunden durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor Schritt b) das Verfahren die weiteren Schritte umfasst:
- - Ausbilden einer unteren Isolierschicht (13) über dem Halbleitersubstrat (11), wobei die untere Isolierschicht (13) ein Kontaktloch (15) aufweist, durch welches eine vorbestimmte Fläche des Halbleitersubstrats (11) freigelegt wird; und
- - Ausbilden eines Kontaktstopfens (17) in dem Kontaktloch der unteren Isolierschicht.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die untere Isolierschicht (13) aus einem Isoliermaterial hergestellt wird, welches gute
Fließeigenschaften aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kontaktstopfen (17) aus Polysilizium hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Titanfilm (19) in einer Dicke von etwa 10 nm bis 30 nm ausgebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Titannitridfilm (21) in einer Dicke von etwa 20 nm bis 40 nm ausgebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der dielektrische Film (29) in einer Dicke von 30 nm bis 60 nm ausgebildet wird.
12. Kondensator einer Halbleitervorrichtung, umfassend:
eine untere Elektrode auf einem Halbleitersubstrat (11), wobei die untere Elektrode aus einer Doppelschicht aus einem Ruthenium/Platin-Film (23) und einem Ruthenium/Platin-Oxid (25) auf dem Ruthenium/Platin-Film gebildet ist,
einen dielektrischen Film (29), der auf dem Ruthenium/Platin-Oxid (25) gebildet ist, und
eine obere Elektrode (31), die auf dem dielektrischen Film (29) gebildet ist,
wobei unter der unteren Elektrode ein Titannitridfilm (21) angeordnet ist, unter dem ein Titanfilm (19) liegt.
eine untere Elektrode auf einem Halbleitersubstrat (11), wobei die untere Elektrode aus einer Doppelschicht aus einem Ruthenium/Platin-Film (23) und einem Ruthenium/Platin-Oxid (25) auf dem Ruthenium/Platin-Film gebildet ist,
einen dielektrischen Film (29), der auf dem Ruthenium/Platin-Oxid (25) gebildet ist, und
eine obere Elektrode (31), die auf dem dielektrischen Film (29) gebildet ist,
wobei unter der unteren Elektrode ein Titannitridfilm (21) angeordnet ist, unter dem ein Titanfilm (19) liegt.
13. Kondensator nach Anspruch 12, der weiter umfasst:
eine untere isolierende Schicht (13) über dem Halbleitersubstrat (11), wobei die untere isolierende Schicht (13) ein Kontaktloch (15) aufweist, durch das ein vorbestimmter Bereich des Halbleitersubstrats (11) freigelegt ist, und
einen Kontaktstopfen (17) in dem Kontaktloch (15) der unteren isolierenden Schicht (13), wobei die untere Elektrode über den Kontaktstopfen (17) in elektrischem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat (11) steht.
eine untere isolierende Schicht (13) über dem Halbleitersubstrat (11), wobei die untere isolierende Schicht (13) ein Kontaktloch (15) aufweist, durch das ein vorbestimmter Bereich des Halbleitersubstrats (11) freigelegt ist, und
einen Kontaktstopfen (17) in dem Kontaktloch (15) der unteren isolierenden Schicht (13), wobei die untere Elektrode über den Kontaktstopfen (17) in elektrischem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat (11) steht.
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