DE69531070T2 - Kondensator für einen integrierten Schaltkreis und sein Herstellungsverfahren - Google Patents
Kondensator für einen integrierten Schaltkreis und sein Herstellungsverfahren Download PDFInfo
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Description
- Hintergrund der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator für einen integrierten Schaltkreis und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
- Es ist ein Verfahren zum Aufbringen eines Kondensators mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, wie etwa eines ferroelektrischen Kondensators für einen SchreibLese-Speicher (RAM), entwickelt worden. In einer dielektrischen Dünnschicht des Kondensators werden Metalloxide, wie Bleizirconattitanat (PZT), Bariumstrontiumtitanat (BST) und andere Oxide mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, verwendet. In der unteren und oberen Elektrode des Kondensators wird Platin, das schlecht mit Metalloxiden reagiert, verwendet. Zwischen der unteren Elektrode und einem Siliciumsubstrat werden eine dünne Titan-Haftschicht zur Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen beiden und eine dünne Titannitrid-Diffusionssperrschicht ausgebildet, um zu vermeiden dass die Haftschicht mit der unteren Elektrode reagiert.
- Ein ferroelektrischer Kondensator wird in der Regel nach dem nachstehend beschriebenen Verfahren hergestellt.
- Zunächst werden eine Titan-Dünnschicht, eine Titannitrid-Dünnschicht und eine Platin-Dünnschicht für eine untere Elektrode durch Zerstäuben unter Verwendung eines Titan-Targets, eines Titannitrid-Targets bzw. eines Platin-Targets in Schichten auf die isolierende Oberfläche eines Siliciumsubstrats abgeschieden.
- Dann wird eine ferroelektrische Metalloxid-Dünnschicht durch Zerstäuben oder mit einem Sol-Gel-Verfahren auf die Platin-Dünnschicht abgeschieden, und eine Platin-Dünnschicht für eine obere Elektrode wird auf die Metalloxid-Dünnschicht abgeschieden. Nach der Wärmebehandlung zur Verbesserung der Dielektrizitätskonstante der ferroelektrischen Metalloxid-Dünnschicht werden diese Schichten durch Ätzen auf eine bestimmte Form und Größe des Kondensators gebracht, um nichtbenötigte Teile der Schichten zu entfernen.
- Bei dem fertigen Kondensator werden Ablösungserscheinungen und Risse, die durch die Wärmebehandlung hervorgerufen werden, häufig zwischen dem Substrat und der unteren Elektrode beobachtet. Das scheint daran zu liegen, dass die Haftfestigkeit zwischen der Titan-Dünnschicht und der Titannitrid-Dünnschicht nicht groß ist, da die Titan-Dünnschicht und die Titannitrid-Dünnschicht nicht kontinuierlich, sondern in einzelnen Schritten ausgebildet werden.
- Ein weiterer Kondensator, der eine Titandioxid-Dünnschicht aufweist, die anstelle der Titan-Dünnschicht und der Titannitrid-Dünnschicht zwischen dem Substrat und der unteren Elektrode ausgebildet ist, ist auf dem Fachgebiet bekannt. Die Titandioxid-Dünnschicht wirkt sowohl als Haftschicht als auch als Diffusionssperrschicht. Bei der Herstellung dieses Kondensators werden eine Titan-Dünnschicht, eine Platin-Dünnschicht für die untere Elektrode, eine ferroelektrische Metalloxid-Dünnschicht und eine Platin-Dünnschicht für die obere Elektrode in Schichten auf ein Substrat abgeschieden und die resultierende Struktur wird in einer Sauerstoffgas-Atmosphäre erwärmt. Dadurch wird die Titan-Dünnschicht zu einer Titandioxid-Dünnschicht. Aber auch bei diesem Kondensator ist die Haftfestigkeit zwischen dem Substrat und der Titandioxid-Dünnschicht nicht hoch.
- Das Dokument EP-A-0.404.295 beschreibt einen Kondensator für einen integrierten Schaltkreis (IC) gemäß dem Oberbegriff der beigefügten Hauptansprüche. Nach diesem Dokument kann eine Titan-Haftschicht oxidiert werden, um eine Titanoxid-Diffusionssperrschicht zur Verbesserung der Haftung der Platin-Elektrode und zur Verringerung der Dünnschicht-Spannung zu erzeugen.
- Das Dokument EP-A-0.574.275 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Kondensators in einem IC, der weitere Halbleiteranordnungen aufweist. Durch Anwendung einer speziellen Wärmebehandlung kann eine Verschlechterung der anderen Anordnungen vermieden werden. Dieses Dokument zeigt außerdem, wie die anderen Schichten zu ätzen sind, um einen zuverlässigen Kondensator und integrierten Schaltkreis zu erhalten.
- Das Dokument JP-A-01.030.252 beschreibt eine Halbleiteranordnung, wie etwa einen Kondensator, die eine Titanoxid-Dünnschicht als dielektrische Schicht verwendet. Eine Titan-Dünnschicht kann durch thermische Oxidation, Lampen-Ausheilung oder Oxidationsionenimplantation in eine Titanoxid-Dünnschicht umgewandelt werden.
- Ebenso sei auf die den Stand der Technik beschreibenden Dokumente EP-A-503078, EP-A-415751 und US-A-5.723.362 verwiesen.
- Kurze Darstellung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für einen integrierten Schaltkreis, das im vorliegenden Anspruch 1 definiert ist. Wie nachstehend näher dargelegt wird, bieten Kondensatoren, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, den wichtigen Vorteil, dass sie an der Grenzfläche zwischen der Haftschicht und der Diffusionssperrschicht keine oder nur sehr geringe Ablösungserscheinungen haben, da die beiden Schichten kontinuierlich ausgebildet werden und die Haftfestigkeit zwischen beiden Schichten verbessert wird.
- Die Erfindung und weitere Vorzüge werden am besten unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt eine Schnittansicht einer Halbleiteranordnung, mit einem erfindungsgemäßen Kondensator. - Die
2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 und8 sind Schnittansichten zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens für den Kondensator. - Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
- Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die
1 bis8 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. - Wie in
1 gezeigt, werden eine Isolierschicht2 und ein MOS-Transistor5 mit einem Diffusionsbereich3 und einer Gate-Elektrode4 in bestimmten Bereichen auf einem Halbleiter-Substrat1 mit herkömmlichen Verfahren zum Ausbilden eines integrierten Schaltkreises ausgebildet. Eine Isolier-Zwischenschicht6 , die die Schicht2 und den MOS-Transistor5 bedeckt, wird auf dem Substrat1 ausgebildet, und eine Haftschicht7 aus Titan und eine Diffusionssperrschicht8 aus Titandioxid werden in Schichten auf der Isolier-Zwischenschicht6 ausgebildet. - Ein Kondensator mit einer unteren Elektrode
9 aus Platin, einer dielektrischen Schicht10 aus PZT und einer oberen Elektrode11 aus Platin wird auf der Diffusionssperrschicht8 ausgebildet, und der Kondensator und der MOS-Transistor5 werden mit einer Passivierungsschicht12 bedeckt. Bis zum Diffusionsbereich3 reichende Kontaktlöcher13a gehen durch die Isolier-Zwischenschicht6 und die Passivierungsschicht12 , und bis zur unteren Elektrode9 und oberen Elektrode11 reichende Kontaktlöcher13b gehen durch die Passivierungsschicht12 . Durch herkömmliche Verdrahtung sind eine Aluminiumverbindung14 über die Kontaktlöcher13a mit dem Diffusionsbereich3 und eine Aluminiumverbindung15 über die Kontaktlöcher13b mit der unteren Elektrode9 bzw. oberen Elektrode11 verbunden. Außerdem wird eine Schicht aus Titannitrid oder einer Titan-Wolfram-Legierung (nicht dargestellt) zwischen die Platin-Elektroden9 ,11 und die Aluminiumverbindung15 abgeschieden, um durch Vermeidung einer Reaktion zwischen Aluminium und Platin die Verbindungszuverlässigkeit zu verbessern. - Ein Verfahren zur Herstellung des Kondensators ist in den
2 bis8 gezeigt. Für die Haftschicht7 wird eine Titan-Dünnschicht7a mit einer Dicke von 50 nm durch Zerstäuben unter Verwendung eines Titan-Targets auf die Isolier-Zwischenschicht6 abgeschieden, wie in2 gezeigt. Im nächsten Schritt, der in3 gezeigt ist, werden mit einer Ionenimplantationsvorrichtung Sauerstoffionen in den Oberflächenbereich der Titan-Dünnschicht7a implantiert und dann wird die Struktur in einer inerten Atmosphäre aus Argongas bei einer Temperatur von 650°C ausgeheilt. Dadurch wird aus dem Oberflächenbereich der Titan-Dünnschicht7a eine Titandioxid-Dünnschicht8a . Dabei nimmt die Dicke der Titandioxid-Dünnschicht8a um etwa das Zweifache gegenüber der Dicke des Oberflächenbereichs der Titan-Dünnschicht7a zu. - sBei der Durchführung des Schritts der Sauerstoffionenimplantation werden die Implantationsbedingungen, wie etwa die Menge der implantierten Sauerstoffionen, die Beschleunigungsspannung und andere Faktoren, so gesteuert, dass eine Titandioxid-Dünnschicht
8a mit einer Dicke von 60 nm entsteht. Vorzugsweise liegt die Dicke der Titan-Dünnschicht7a nach dem Ausheilen in dem Bereich von 15 bis 25 nm und die Dicke der Titandioxid-Dünnschicht8a in dem Bereich von 50 bis 70 nm. Die Ausheilungstemperatur liegt vorzugsweise in dem Bereich von 500 bis 700°C. - Wie in den
4 bis6 gezeigt, werden eine Platin-Dünnschicht9a auf die Titandioxid-Dünnschicht8a , eine PZT-Dünnschicht10a auf die Platin-Dünnschicht9a und eine Platin-Dünnschicht11a auf die PZT-Dünnschicht10a durch Zerstäubung abgeschieden. Beim Abscheiden der Platin-Dünnschichten9a ,11a und der PZT-Dünnschicht10a wird ein Platin-Target bzw. ein PZT-Target verwendet. - Wie in
7 gezeigt, werden die Platin-Dünnschicht11a und die PZT-Dünnschicht10a selektiv geätzt, um eine obere Elektrode11 und eine dielektrische Schicht10 mit einer bestimmten Form und Größe auszubilden. Wie in8 gezeigt, werden die Platin-Dünnschicht9a , die Titandioxid-Dünnschicht8a und die Titan-Dünnschicht7a selektiv geätzt, um eine untere Elektrode9 , eine Diffusionssperrschicht8 und eine Haftschicht7 mit einer bestimmten Form und Größe auszubilden. Diese Ätzschritte werden nach herkömmlichen photolithographischen und Trockenätzverfahren durchgeführt. - Die Ausbildung der Diffusionssperrschicht
8 durch Ionenimplantation bietet mehrere wichtige Vorteile, beispielsweise eine hohe Haftfestigkeit zwischen der Haftschicht7 und der Diffusionssperrschicht8 , was dazu führt, dass die Ablösungserscheinungen zwischen beiden Schichten gering sind oder ganz fehlen. Außerdem wird die Titandioxid-Dünnschicht8a mit einer genauen Dicke ausgebildet, da der Umfang der Implantation und die Implantationstiefe der Sauerstoffionen genau gesteuert werden können. - Obwohl bei dem vorstehend für die erste Ausführungsform beschriebenen Verfahren der Schritt der Ionenimplantation vor dem Schritt der Abscheidung der Platin-Dünnschicht
9a für die untere Elektrode9 durchgeführt wird, kann der Schritt der Ionenimplantation auch nach dem Schritt der Abscheidung der Platin-Dünnschicht9a erfolgen. Und zwar kann zuerst eine Titan-Dünnschicht7a abgeschieden werden, und anschließend wird darauf eine Platin-Dünnschicht9a abgeschieden. Dann werden die Sauerstoffionen über die Platin-Dünnschicht9a in die Titan-Dünnschicht7a implantiert, und die Struktur wird in einer inerten Atmosphäre ausgeheilt. Dadurch wird aus dem Oberflächenbereich der Titan-Dünnschicht7a Titandioxid, und zwischen der Titan-Dünnschicht7a und der Platin-Dünnschicht9a entsteht eine Titandioxid-Dünnschicht8a . - Dieses Herstellungsverfahren hat die gleiche Wirkung der Vermeidung des Auftretens von Ablösungserscheinungen zwischen der Haftschicht
7 und der Diffusionssperrschicht8 wie die erste Ausführungsform. Außerdem hält das Verfahren die Grenzfläche zwischen der Titan-Dünnschicht7a und der Platin-Dünnschicht9a sauber, da diese Dünnschichten in der gleichen Zerstäubungskammer abgeschieden werden, ohne die Struktur beim Zerstäuben aus der Kammer zu nehmen. - Die vorgenannten Verfahren zum Ausbilden einer Diffusionssperrschicht
8a, a us Titandioxid durch Implantieren von Sauerstoffionen sind auch auf die Ausbildung der Schicht8a aus anderen Titanverbindungen durch Implantieren anderer Nichtmetallionen anwendbar. Beispielsweise können bei anderen bevorzugten Ausführungsformen eine Titannidrid-Dünnschicht und eine Titanoxynitrid-Dünnschicht durch Implantieren von Stickstoffionen bzw. eines Gemisches aus Sauerstoff- und Stickstoffionen ausgebildet werden. - Bei diesen alternativen Fällen wurden geringe oder gar keine Ablösungserscheinungen zwischen der Haftschicht
7 und der Diffusionssperrschicht8 beobachtet. Die Titannitrid-Dünnschicht induziert jedoch einen Sauerstoffdefekt in der dielektrischen Metalloxid-Dünnschicht, da Sauerstoff in der dielektrischen Dünnschicht in die Titannitrid-Dünnschicht gelangt. Dadurch nimmt der Leckstrom des Kondensators zu. - Von der Titandioxid-, Titannitrid- und Titanoxynitrid-Dünnschicht bewirkt die Titandioxid-Dünnschicht den geringsten Leckstrom und die Titannitrid-Dünnschicht den höchsten Leckstrom. Daher wird die Titandioxid-Dünnschicht als Diffusionssperrschicht in dem dielektrischen Kondensator am meisten bevorzugt.
- Außer der Kombination aus Titan und Titanverbindungen können auch Kombinationen aus anderen hochschmelzenden Metallen, wie Tantal, Wolfram, Molybdän, usw., und Verbindungen dieser hochschmelzenden Metalle für die Haftschicht
7 und die Diffusionssperrschicht8 verwendet werden. Insbesondere hat eine Kombination aus Tantal und Tantalverbindungen die gleiche Wirkung wie die aus Titan und Titanverbindungen und ist eine der am meisten bevorzugten Kombinationen. Von den Tantalverbindungen wird Tantaloxid als Diffusionssperrschicht8 bevorzugt. - Außer der Zerstäubung können auch die Aufdampfung und das CVD-Verfahren zur Herstellung der Metall-Haftschicht
7 verwendet werden. - Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform hinsichtlich der Schritte zur Ausbildung der Titan-Dünnschicht
7a und der Titandioxid-Dünnschicht8a . - Bei dieser Ausführungsform wird zunächst eine Titan-Dünnschicht
7a auf eine Isolier-Zwischenschicht6 durch Zerstäuben in einer Zerstäubungskammer unter Verwendung eines Titan-Targets abgeschieden. Während des Zerstäubens wird eine bestimmte Menge Sauerstoffgas in die Kammer eingeleitet, wenn die Dicke der resultierenden abgeschiedenen Titan-Dünnschicht7a 20 nm erreicht. Das Zerstäuben mit Sauerstoffgas wird so lange fortgesetzt, bis die Dicke der resultierenden abgeschiedenen Titandioxid-Dünnschicht8a , die durch die Reaktion von Titan und Sauerstoff entsteht, 60 nm erreicht. Somit werden eine 20 nm dicke Titan-Dünnschicht7a und eine darauf abgeschiedene 60 nm dicke Titandioxid-Dünnschicht8a durch kontinuierliches Zerstäuben ausgebildet. - Dann werden in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform die Platin-Dünnschicht
9a , die PZT-Dünnschicht10a und die Platin-Dünnschicht11a abgeschieden und die Ätzschritte zur Herstellung eines Kondensators durchgeführt. - Dabei ist die Haftfestigkeit zwischen der Haftschicht
7 und der Diffusionssperrschicht8 hoch, sodass es kaum zu Ablösungserscheinungen zwischen beiden Schichten kommt, da beide Schichten durch kontinuierliches Zerstäuben ausgebildet werden. - Wenn beim Zerstäuben die Menge an Sauerstoffgas mit der Zerstäubungsdauer erhöht wird, wird eine Titandioxid-Dünnschicht abgeschieden, die einen ansteigenden Aufbau hat, bei dem die Dicke mit zunehmenden Sauerstoffgehalt senkrecht zur Oberfläche der Dünnschicht zunimmt. Durch Verwenden von Titanoxid mit ansteigendem Aufbau als Diffusionssperrschicht
8a wird das Ausmaß des Auftretens von Ablösungserscheinungen und Rissen geringer, da die durch Wärmeausdehnung hervorgerufene Spannung durch den ansteigenden Aufbau verringert wird. - Außer Sauerstoffgas, das bei der zweiten Ausführungsform verwendet wird, können auch andere Nichtmetallgase verwendet werden. Besonders bevorzugt werden Stickstoffgas und ein Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff. Darüber hinaus können außer dem Titan-Target auch hochschmelzende Metall-Targets, wie Tantal, Wolfram, Molybdän usw., verwendet werden. Insbesondere wird eine Tantal-Dünnschicht als Haftschicht
7 bevorzugt. - Nachstehend wird eine dritte Ausführungsform beschrieben, deren Schritt der Ausbildung der Titandioxid-Dünnschichit
8a sich von dem der ersten Ausführungsform unterscheidet. - Zunächst wird in einer Zerstäubungskammer unter Verwendung eines Titan-Targets eine Titan-Dünnschicht
7a mit einer Dicke von 50 nm auf eine Isolier-Zwischenschicht6 abgeschieden. Dann wird eine bestimmte Menge Sauerstoffgas in die Zerstäubungskammer eingeleitet, und die Oberfläche der Titan-Dünnschicht7a wird mit Halogenlampen ausgeheilt, die in die Zerstäubungskammer eingebaut sind. Dadurch wird der Oberflächenbereich der Titan-Dünnschicht7a zu Titandioxid und es entsteht eine Titandioxid-Dünnschicht8a mit einer Dicke von 60 nm. - Dann werden in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform die Platin-Dünnschicht
9a , die PZT-Dünnschicht10a und die Platin-Dünnschicht11a abgeschieden und die Ätzschritte zur Herstellung eines Kondensators durchgeführt. - Dabei wird das Auftreten von Ablösungserscheinungen und Rissen zwischen der Haftschicht
7 und der Diffusionssperrschicht8 unterdrückt. Hinsichtlich der Steuerung der Genauigkeit der Dicke der Diffusionssperrschicht8 ist jedoch die Lampen-Ausheilung der Ionenimplantation unterlegen. Hinsichtlich der Kosten hingegen ist die Lampen-Ausheilung der Ionenimplantation überlegen, da eine Lampen-Ausheilungsvorrichtung nicht so teuer ist. Außer dem Sauerstoffgas, das bei der dritten Ausführungsform verwendet wird, können auch andere Nichtmetallgase verwendet werden. Besonders bevorzugt werden Stickstoffgas und ein Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff. Darüber hinaus können außer dem Titan-Target auch hochschmelzende Metall-Targets, wie Tantal, Wolfram, Molybdän usw., verwendet werden. Insbesondere wird eine Tantal-Dünnschicht als Haftschicht7 bevorzugt. - Die vorliegende Erfindung ist nicht unbedingt auf den Bereich der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beschränkt, sondern es sind natürlich zahlreiche Modifikationen dieser Ausführungsformen möglich. Beispielsweise können außer PZT auch andere dielektrische oder ferroelektrische Metalloxide mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, wie BST, PLZT, Bi2SrTa2O9, Bi2SrNb2O9 usw., sowie dielektrische Metalloxide, wie Tantaloxid, als dielektrische Dünnschicht eines Kondensators verwendet werden. Anstatt der Zerstäubung kann das Sol-Gel- oder das CVD-Verfahren zur Ausbildung der dielektrischen Schicht eingesetzt werden. Außer Platin können Edelmetalle, wie Gold, Palladium und Rhodium, und leitfähige Metalle, wie Aluminium und Nickel, als Elektrodenmaterial für die Kondensator-Elektroden verwendet werden.
- Die Lage des Kondensators mit einer Haftschicht und einer Diffusionssperrschicht ist nicht auf die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildete Isolierschicht begrenzt. Der Kondensator kann auch auf anderen Schichten ausgebildet werden, wie etwa einer Verbindungsleitungsschicht, einer anderen Sperrschicht, usw., die aus Polysilicium, einer Aluminiumlegierung, Wolfram, Wolframsilicid, Titannitrid usw. bestehen.
Claims (4)
- Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für einen integrierten Schaltkreis mit den Schritten Ausbilden einer Haftschicht (
7 ) aus Metall auf einem Substrat (1 ); Ausbilden einer Diffusionssperrschicht (8 ) auf der Haftschicht (7 ); Ausbilden einer unteren Elektrodenschicht (9 ) aus einem Edelmetall auf der Diffusionssperrschicht; Ausbilden einer dielektrischen Schicht (10 ) aus einem Metalloxid auf der unteren Elektrodenschicht; Ausbilden einer oberen Elektrodenschicht (11 ) aus einem leitfähigen Metall auf der dielektrischen Schicht; selektives Ätzen der oberen Elektrodenschicht (11 ) und der dielektrischen Schicht (10 ); selektives Ätzen der unteren Elektrodenschicht (9 ) und selektives Ätzen der Diffusionssperrschicht (8 ) und der Haftschicht (7 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (8 ), die eine Verbindung aus dem die Haftschicht (7 ) bildenden Metall und einem Nichtmetall aufweist, durch kontinuierliches Zerstäuben des die Haftschicht bildenden Metalls unter Verwendung eines einzigen Targets aus dem Metall erhalten wird, wobei ein Gas aus dem Nichtmetall zu dem Zeitpunkt eingeleitet wird, zu dem die Dicke der Haftschicht einen bestimmten Wert erreicht. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Zerstäubens die Menge des eingeleiteten Gases erhöht wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas ein Gas aus der aus Sauerstoffgas, Stickstoffgas und deren Gemisch bestehenden Gruppe aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (
7 ) Titan oder Tantal aufweist.
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