DE10022425A1

DE10022425A1 - Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung desselben

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Publication number: DE10022425A1
Application number: DE10022425A
Authority: DE
Inventors: Yeong-Kwan Kim; Heung-Soo Park; Young-Wook Park; Sang-In Lee; Yoon-Hee Chang; Jong-Ho Lee; Sung-Je Choi; Seung-Hwan Lee; Jae-Soon Lim; Joo-Won Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1999-08-14
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2001-03-01
Also published as: KR20010017820A; TW436907B; CN1284747A; GB2353404B; US20020195683A1; GB0010837D0; JP2001111000A; GB2353404A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einer ersten Schicht (33), die aus einem Material der Silicium-Familie gebildet ist, einer dielektrischen Schicht (37) und einer Elektrodenschicht (39) und ein Verfahren zur Herstellung desselben. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird auf der ersten Schicht, z. B. einer unteren Kondensatorelektrode oder einem Gate-Substrat, die dielektrische Schicht durch sequentielles Zuführen von Reaktanden erzeugt. Auf der dielektrischen Schicht wird eine Elektrodenschicht, z. B. eine obere Kondensatorelektrode oder eine Gate-Elektrode, mit einer Austrittsarbeit aufgebracht, die höher als jene der ersten Schicht ist. DOLLAR A Verwendung zum Beispiel zur Bereitstellung von Kondensatoren und Transistoren in Halbleiterbauelementen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbau element nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfah ren zur Herstellung desselben. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Halbleiterbauelement, bei dem es möglich ist, die Isolationseigenschaften einer stark di elektrischen Schicht, d. h. einer dielektrischen Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten, zu verbessern, wenn ein Halbleitermaterial als untere Elektrode verwendet wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Üblicherweise weisen solche Halbleiterbauelemente eine Struk tur auf, bei der die dielektrische Schicht zwischen einer un teren Elektrode als erster Schicht und einer oberen Elektrode als der Elektrodenschicht ausgebildet ist. Zum Beispiel kann dies eine Transistorstruktur, bei der eine dielektrische Schicht als isolierende Gate-Schicht und eine Gate-Elektrode sequentiell auf einem Siliciumsubstrat gebildet sind, das als die untere Elektrode fungiert, oder eine Kondensatorstruktur sein, bei welcher die dielektrische Schicht und eine obere Elektrode sequentiell auf einer unteren Elektrode gebildet sind.

Die Isolationseigenschaften der dielektrischen Schicht, die zwischen der oberen Elektrodenschicht und der unteren Schicht vorliegt, sind von großer Bedeutung. Zum Beispiel wird die Durchbruchspannungscharakteristik eines Transistors durch die Isolationseigenschaften der dielektrischen Schicht in der Transistorstruktur beeinflusst. In der Kondensatorstruktur variieren Kapazitätswerte entsprechend den Isolationseigen schaften der dielektrischen Schicht.

Insbesondere wird der Kapazitätswert groß, wenn das Oberflä chengebiet und die Dielektrizitätskonstante der dielektri schen Schicht in der Kondensatorstruktur groß sind. Daher wird eine Polysiliciumschicht, durch die eine dreidimensiona le Struktur leicht realisiert wird, als die untere Elektrode verwendet. Außerdem wird eine Tantaloxidschicht (Ta₂O₅) oder BST-Schicht (BaSrTiO₃) mit einer hohen Dielektrizitätskon stante als die stark dielektrische Schicht verwendet. Wenn jedoch die stark dielektrische Schicht, wie die Tantaloxid schicht (Ta₂O₅) oder die BST-Schicht (BaSrTiO₃), als die di elektrische Schicht verwendet wird, werden die Prozesse kom pliziert, da nachfolgende Prozesse notwendig sind, um einen stabilen Kondensator zu erhalten. Wenn die Ta₂O₅- oder die BST-Schicht als die dielektrische Schicht verwendet werden, muss das Material der oberen und der unteren Elektrode geän dert werden. Daher ist es wünschenswert, in der Kondensator struktur die Isolationseigenschaften der stark dielektrischen Schicht zu verbessern, wenn eine Polysiliciumschicht als die untere Elektrode verwendet wird.

Der Erfindung liegt daher als technisches Problem die Bereit stellung eines Halbleiterbauelementes der eingangs genannten Art und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens zu Grun de, die es ermöglichen, die Isolationseigenschaften einer dielektrischen Schicht auf einem Untergrund aus einem Materi al der Silicium-Familie zu verbessern.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Halbleiterbauelementes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines Verfahrens zur Herstellung desselben mit den Merkmalen des Anspruchs 11.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfol gend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in de nen zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittansicht, die ein Halbleiterbauele ment mit Kondensator gemäß einer ersten Ausführungs form der Erfindung zeigt,

Fig. 2 eine Querschnittansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 und 4 schematisch die Barrierenhöhen und Ersatzschalt bilder eines herkömmlichen Kondensators beziehungs weise des Kondensators gemäß der ersten Ausführungs form,

Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche Leckstromdichten in Abhängigkeit von einer Spannung für einen her kömmlichen Kondensator (SIS) und einen MIS- Kondensator der Erfindung zeigt,

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche Barrierenhöhen des herkömmlichen SIS-Kondensators und des MIS- Kondensators der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 7 und 8 graphische Darstellungen, welche die Leckstrom dichten als Funktion einer Spannung des MIS- Kondensators der Erfindung beziehungsweise des her kömmlichen SIS-Kondensators zeigen,

Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche Prozesse des Zu führens und Spülens der jeweiligen Reaktanden zeigt, während die dielektrische Schicht des in Fig. 1 ge zeigten Kondensators durch ein atomares Schichtdepo sitionsverfahren erzeugt wird,

Fig. 10 eine graphische Darstellung, welche die gleichmäßige Dicke der durch das atomare Schichtdepositionsver fahren der Erfindung erzeugten dielektrischen Schicht zeigt,

Fig. 11A und 11B den Spitzenwert einer Röntgenstrahl-Photo elektronenspektroskopie (XPS) der durch das atomare Schichtdepositionsverfahren gemäß der Erfindung er zeugten dielektrischen Schicht,

Fig. 12 und 13 Querschnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung des Kondensators des in Fig. 1 gezeigten Halbleiterbauelements darstellen, und

Fig. 14 eine graphische Darstellung, welche die Dicken einer Aluminiumoxidschicht in Abhängigkeit einer Anzahl von Zyklen in Fällen zeigt, in denen eine stabili sierende Schicht durch die Linie (a) repräsentiert wird und nicht auf der Oberfläche der unteren Elek trode in dem MIS-Kondensator der Erfindung gebildet wird.

Illustrative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben.

Fig. 1 ist eine Querschnittansicht, die ein Halbleiterbauele ment gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Er findung zeigt. Spezieller weist das erfindungsgemäße Halblei terbauelement eine Kondensatorstruktur auf. Das Halbleiter bauelement beinhaltet hierzu eine untere Elektrode 33 eines Kondensators, eine dielektrische Schicht 37 und eine obere Elektrode 39 des Kondensators, die als zweite Elektrode ver wendet wird. Alle Elemente, d. h. die untere Elektrode 33, die dielektrische Schicht 37 und die obere Elektrode 39, werden auf einem Halbleitersubstrat 31 erzeugt, das heißt auf einem Siliciumsubstrat, das als erste Elektrode verwendet wird. In Fig. 1 bezeichnet ein Bezugszeichen 32 eine dielektrische Zwischenebenenschicht.

Die untere Elektrode 33 wird aus einer Schicht gebildet, die aus einem Material der Silicium-Familie besteht, aus dem sich leicht eine dreidimensionale Struktur bilden lässt, z. B. eine Polysiliciumschicht, die mit Störstellen, wie Phosphor (P), dotiert ist. Die dielektrische Schicht 37 wird durch ein ato mares Schichtdepositionsverfahren erzeugt, bei dem Reaktanden sequentiell zugeführt werden. Da die dielektrische Schicht 37 durch ein atomares Schichtdepositionsverfahren erzeugt wird, weist sie eine ausgezeichnete Stufenbedeckungs-Charakteristik auf. Die dielektrische Schicht 37 wird aus einem Aluminium oxid, einem Aluminiumhydroxid, Ta₂O₅, BST (BaSrTiO₃), SrTiO₃, PbTiO₃, PZT (PbZr_xTi_1-xO₃), PLZT (PZT dotiert mit La), Y₂O₃, CeO₂, Nb₂O₅, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, SiO₂, SiN, Si₃N₄ oder jeglicher Kombination derselben gebildet. Die obere Elektrode 39 wird aus einer Schicht aus einem Material mit einer Austrittsar beit erzeugt, die größer als jene der unteren Elektrode 33 ist, die aus dem Material der Silicium-Familie gebildet wird. Die obere Elektrode 39 wird aus einer Metallschicht, wie Al, Ni, Co, Cu, Mo, Rh, Pd, Sn, Au, Pt, Ru und Ir, einer hoch schmelzenden Metallschicht, wie Ti, TiN, TiAlN, TaN, TiSiN, WN, WBN, CoSi und W, einer leitfähigen Oxidschicht, wie RuO₂, RhO₂ und IrO₂, Kombinationen derselben oder einer Doppel schicht gebildet, bei der eine Materialschicht mit einer Aus trittsarbeit, die höher als jene des Materials der Silicium- Familie ist, und eine mit Störstellen dotierte Polysilicium schicht sequentiell gebildet werden.

Wenn die obere Elektrode 39 eine Austrittsarbeit aufweist, die höher als jene der unteren Elektrode 33 ist, ist es mög lich, die Isolationseigenschaften der dielektrischen Schicht durch Reduzieren der Strommenge, die von der unteren Elektro de 33 zu der oberen Elektrode 39 fließt, zu verbessern, wie weiter unten erläutert.

Des weiteren erleichtert bei dem erfindungsgemäßen Halblei terbauelement eine stabilisierende Schicht 35, die z. B. aus einer Siliciumoxidschicht, einer Siliciumnitridschicht oder einer Kompositschicht aus der Siliciumoxid- und der Silicium nitridschicht besteht und auf der unteren Elektrode 33 des Kondensators erzeugt wird, die Bildung der dielektrischen Schicht 37. Wenn zum Beispiel die dielektrische Schicht unter Verwendung eines atomaren Schichtdepositionsverfahrens gebil det wird, ist die stabilisierende Schicht 35 eine hydrophile Schicht, welche die Oberfläche der unteren Elektrode 33 in dem Fall hydrophiliert, in welchem der zu der unteren Elek trode 33 zugeführte Reaktand ein hydrophiles Material ist.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht eines Halbleiterbauele ments gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Spe ziell weist das Halbleiterbauelement gemäß der zweiten Aus führungsform der Erfindung eine Transistorstruktur anstelle einer Kondensatorstruktur auf, wie in Fig. 1. Das erfindungs gemäße Halbleiterbauelement beinhaltet ein Silicumsubstrat 61, das mit Störstellen, wie Phosphor (P), Arsen (As), Bor (B) und Fluor (F), dotiert ist und als die erste Elektrode verwendet wird, eine Gate-Isolationsschicht 65, die als die dielektrische Schicht verwendet wird, und eine Gate-Elektrode 67, die als die zweite Elektrode verwendet wird.

In dem Halbleiterbauelement gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung entsprechen, verglichen mit dem Halbleiterbau element gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung das Siliciumsubstrat 61 beziehungsweise die Gate-Elektrode 67 der unteren und der oberen Elektrode. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 62, das einen störstellendotierten Bereich mar kiert, einen Source- oder Drain-Bereich.

Die Gate-Isolationsschicht 65 wird durch ein atomares Schichtdepositionsverfahren gebildet, das die sequentielle Zuführung von Reaktanden beinhaltet. Da die Gate-Isolations schicht 65 durch ein atomares Schichtdepositionsverfahren er zeugt wird, weist sie eine ausgezeichnete Stufenbedeckungs- Charakteristik auf. Die Gate-Isoationsschicht 65 wird aus ei nem Aluminiumoxid, einem Aluminiumhydroxid, Ta₂O₅, BST (BaSrTiO₃), SrTiO₃, PbTiO₃, PZT, PLZT, Y₂O₃, CeO₂, Nb₂O₅, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, SiO₂, SiN, Si₃N₄ oder jeglicher Kombination der selben gebildet.

Die Gate-Elektrode 67 wird aus einer Schicht aus einem Mate rial mit einer Austrittsarbeit gebildet, die höher als jene der unteren Elektrode 61 ist, die aus dem Material der Sili cium-Familie gebildet wird. Die Gate-Elektrode 67 wird aus einer Metallschicht, wie Al, Ni, Co, Cu, Mo, Rh, Pd, Sn, Au, Pt, Ru und Ir, einer hochschmelzenden Metallschicht, wie Ti, TiN, TiAlN, TaN, TiSiN, WN, WBN, CoSi und W, einer leitfähi gen Oxidschicht, wie RuO₂, RhO₂ und IrO₂, jeglicher Kombinati on derselben oder einer Doppelschicht gebildet, bei der eine Materialschicht mit einer Austrittsarbeit, die höher als jene des Materials der Silicium-Familie ist, und eine mit Stör stellen dotierte Polysiliciumschicht sequentiell gebildet werden.

Wenn die Gate-Elektrode 67 eine Austrittsarbeit aufweist, die höher als jene des Siliciumsubstrats 61 ist, ist es möglich, die Isolationseigenschaften der Gate-Isolationsschicht 65 zu verbessern, da es möglich ist, die Strommenge zu reduzieren, die von dem Siliciumsubstrat 61 zu der Gate-Elektrode 67 fließt.

Des weiteren wird in dem Halbleiterbauelement der Erfindung die stabilisierende Schicht 63, die z. B. aus einer Silicium oxidschicht, einer Siliciumnitridschicht oder einer Komposit schicht aus der Siliciumoxid- und der Siliciumnitridschicht besteht, auf dem Siliciumsubstrat 61 gebildet, um die Erzeu gung der Gate-Isolationsschicht 65 zu erleichtern. Wenn zum Beispiel die dielektrische Schicht unter Verwendung eines atomaren Schichtdepositionsverfahrens gebildet wird, ist die stabilisierende Schicht 63 eine hydrophile Schicht, welche die Oberfläche des Siliciumsubstrats 61 hydrophiliert, wenn der dem Siliciumsubstrat 61 zugeführte Reaktand ein hydrophi les Material ist.

Die Isolationseigenschaft der dielektrischen Schicht wird der Einfachheit halber unter Bezugnahme auf die erste Ausfüh rungsform, d. h. die Kondensatorstruktur, beschrieben. Die Be schreibung der isolierenden Eigenschaft der dielektrischen Schicht kann auch auf die Transistorstruktur in der zweiten Ausführungsform angewendet werden. Das heißt, die untere Elektrode des Kondensators entspricht dem Siliciumsubstrat des Transistors, und die obere Elektrode des Kondensators entspricht der Gate-Elektrode des Transistors.

Die Fig. 3 und 9 zeigen schematisch die Barrierenhöhen und Ersatzschaltbilder eines herkömmlichen Kondensators bezie hungsweise des Kondensators von Fig. 1.

Speziell stellen die Teilbilder von Fig. 3 die Barrierenhöhe und das Ersatzschaltbild des herkömmlichen Kondensators dar. Bei dem in Fig. 3 gezeigten herkömmlichen Kondensator sind die obere und die untere Elektrode aus einer Polysilicium schicht gebildet, die mit Störstellen dotiert ist, und die dielektrische Schicht ist aus einer Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von 6 nm unter Verwendung eines atomaren Schicht depositionsverfahrens gebildet (SIS-Kondensator). Fig. 4 stellt die Barrierenhöhe und das Ersatzschaltbild des Konden sators von Fig. 1 dar. Bei dem Kondensator der Fig. 4, der vorzugsweise ein Metall-Isolator-Halbleiter(MIS)-Kondensator ist, wird die untere Elektrode als die Schicht aus dem Mate rial der Silicium-Familie aus der mit Störstellen dotierten Polysiliciumschicht gebildet. Die dielektrische Schicht wird aus einer Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von 6 nm unter Verwendung eines atomaren Depositionsverfahrens gebildet, und die obere Elektrode wird aus einer TiN-Schicht mit einer Aus trittsarbeit gebildet, die höher als jene der unteren Elek trode ist. Bei dem MIS-Kondensator der Erfindung kann die obere Elektrode aus einer Doppelschicht gebildet sein, welche die TiN-Schicht und die mit Störstellen dotierte Polysilici umschicht beinhaltet. In diesem Fall steuert die mit Stör stellen dotierte Polysiliciumschicht unter dem Gesichtspunkt des Betriebs des Halbleiterbauelements den Oberflächenwider stand.

In Fig. 3 und 4 können Elektronen, die in der unteren Elek trode vorliegen, zu der oberen Elektrode wandern, indem sie durch eine erste Widerstandskomponente 41, die einer Anfangs barriere a entspricht, und eine zweite Widerstandskomponente 43 der dielektrischen Schicht laufen, wenn eine positive Vor spannung an die obere Elektrode angelegt wird, wie im mittle ren Teilbild von Fig. 3 illustriert.

In dem in Fig. 4 gezeigten Kondensator der Erfindung durch laufen die Elektronen die Anfangsbarriere a und wandern in Richtung der oberen Elektrode, die eine höhere Barriere als der Kondensator des Standes der Technik aufweist, wenn eine positive Vorspannung an die obere Elektrode angelegt wird, wie im mittleren Teilbild von Fig. 4 illustriert. Zu diesem Zeitpunkt wirkt, da durch die Differenz b2-a zwischen der Barriere b2 der oberen Elektrode und der Barriere a der unte ren Elektrode eine Steigung gebildet wird, diese Steigung als eine dritte Widerstandskomponente 45, die das Fließen der Elektronen verhindert, womit verhindert wird, dass die Elek tronen von der unteren Elektrode zu der oberen Elektrode fließen und womit folglich die Isolationseigenschaften der dielektrischen Schicht verbessert werden.

Wenn eine negative Vorspannung an die obere Elektrode ange legt wird, wie in den unteren Teilbildern der Fig. 3 und 4 illustriert, ist es auf Grund vierter Widerstandskomponenten 47a und 47b, die durch hohe Anfangsbarrieren b1 und b2 verur sacht werden, für die Elektronen schwierig, von der oberen Elektrode zu der unteren Elektrode zu wandern. Da insbesonde re die Anfangsbarrierenhöhe b2 des Kondensators der Erfindung in Fig. 4 höher als die Anfangsbarrierenhöhe b1 des Kondensa tors in Fig. 3 ist, ist die vierte Widerstandskomponente 47b der Erfindung höher als die herkömmliche vierte Widerstands komponente 47a.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, welche Leckstromdich ten in Abhängigkeit von einer Spannung des herkömmlichen SIS- Kondensators und des MIS-Kondensators der Erfindung zeigt. Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, welche die Barrieren höhen des herkömmlichen SIS-Kondensators und des MIS-Konden sators der Erfindung zeigt.

Speziell zeigt, wie in Fig. 5 dargestellt, wenn die Leck stromdichte 1 × 10^-7 A/cm² beträgt, was in einem allgemeinen Halbleiterbauelement tolerierbar ist, der MIS-Kondensator der Erfindung einen Einsatzpunkt, der um 0,9 V höher als jener des herkömmlichen SIS-Kondensators ist. Ein derartiges Phänomen wird durch die Differenz zwischen der Barrierenhöhe der unte ren Elektrode und der Barrierenhöhe der oberen Elektrode ver ursacht, wie in den Fig. 4 und 6 gezeigt. In Fig. 6 bedeutet die x-Achse die Energie entsprechend der Barrierenhöhe, und die y-Achse bedeutet die Barrierenhöhe. Jmax bezeichnet eine Stromdichte bei 125°C, und Jmin bezeichnet eine Stromdichte bei 25°C. Wie in Fig. 6 gezeigt, bezeichnet ein Spitzenwert punkt bei der positiven Vorspannung eine Energie entsprechend der Barrierenhöhe. Der Spitzenwertpunkt liegt in dem herkömm lichen SIS-Kondensator bei 1,42 eV und in dem MIS-Kondensator gemäß der Erfindung bei 2,35 eV.

Die Differenz zwischen der Barrierenhöhe des herkömmlichen SIS-Kondensators und der Barrierenhöhe des MIS-Kondensators gemäß der Erfindung beträgt 0,93 eV. Diese Differenz ist äqui valent zu der Differenz b2-a in Bezug auf Fig. 4. Daher weist der MIS-Kondensator gemäß der Erfindung einen um die Diffe renz b2-a höheren Einsatzpunkt auf als der herkömmliche SIS- Kondensator. Das heißt, da der MIS-Kondensator gemäß der Er findung einer Leckstromdichte entsprechend einer Spannungs differenz von etwa 0,9 V standhalten kann, ist es möglich, die Dicke der dielektrischen Schicht zu reduzieren und somit die Kapazität zu erhöhen.

Die Fig. 7 und 8 sind graphische Darstellungen, welche Leck stromdichten in Abhängigkeit von der Spannung des MIS-Konden sators beziehungsweise des herkömmlichen SIS-Kondensators zeigen.

Speziell ist es in einem allgemeinen Referenzwert, bei dem die Leckstromdichte etwa 1 × 10^-7 A/cm² beträgt und die Spannung 1,2 V ist, möglich, dass eine äquivalente Oxidschicht im Fall des MIS-Kondensators gemäß der Erfindung eine Dicke von 2,8 nm aufweist und dass im Fall des herkömmlichen SIS-Kondensators eine äquivalente Oxidschicht eine Dicke von 4,1 nm aufweist. Der Grund dafür liegt darin, dass der Einsatzpunkt des MIS- Kondensators gemäß der Erfindung um eine Spanne von etwa 0,9 V höher liegt als jener des SIS-Kondensators, wie vorstehend erwähnt.

Nunmehr wird das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbau elements gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben, d. h. der Kondensatorstruktur. Die Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterbauelements von Fig. 1, der Konden satorstruktur, kann auf die Struktur des Transistors der zweiten Ausführungsform angewendet werden. Die untere Elek trode des Kondensators entspricht nämlich dem Siliciumsub strat des Transistors, und die obere Elektrode des Kondensa tors entspricht der Gate-Elektrode des Transistors. Zuerst wird ein Verfahren zur Erzeugung der dielektrischen Schicht des Kondensators gemäß der Erfindung beschrieben.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, welche Prozesse des Zuführens und des Spülens der jeweiligen Reaktanden zeigt, wenn die dielektrische Schicht des in Fig. 1 gezeigten Kon densators durch ein atomares Schichtdepositionsverfahren ge bildet wird. Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, welche die gleichmäßige Dicke der durch das atomare Schichtdepositi onsverfahren gebildeten dielektrischen Schicht zeigt. Die Fig. 11A bis 11B stellen den Spitzenwert einer Röntgenstrahl- Photoelektronenspektroskopie (XPS) der durch das atomare Schichtdepositionsverfahren gebildeten dielektrischen Schicht dar.

Spezieller wird die dielektrische Schicht des Kondensators gemäß der Erfindung durch das atomare Schichtdepositionsver fahren gebildet, das eine ausgezeichnete Stufenbedeckungscha rakteristik aufweist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fall, bei dem die dielektrische Schicht aus einer Aluminiumoxidschicht gebildet wird, als Beispiel verwendet. Bei dem atomaren Schichtdepositionsverfahren wird ein Zyklus wiederholt, bei dem ein Reaktionsgas (ein Reaktand), das Alu minium enthält, einer Kammer zugeführt und dann durch ein inertes Gas aus dieser gespült wird, wonach ein oxidierendes Gas der Kammer zugeführt und dann durch ein inertes Gas aus dieser gespült wird. Daher beinhaltet das atomare Schichtde positionsverfahren gemäß der Erfindung eine atomare Schicht- Epitaxie (ALE), eine zyklische chemische Gasphasenabscheidung (CVD), eine digitale CVD und eine AlCVD.

Speziell wird, wie in Fig. 9 gezeigt, die Aluminiumoxid schicht auf dem Halbleitersubstrat, zum Beispiel dem Silici umsubstrat, durch mehrmaliges Wiederholen des Zyklus gebil det, bei dem der Reaktand, der Aluminium enthält, wie TMA[Al(CH₃)₃], Al(CH₃)Cl und AlCl₃, der Kammer zugeführt wird und dann durch das inerte Gas herausgespült wird, wonach ein oxidierendes Gas, wie H₂O, N₂O, NO₂ und O₃, der Kammer zuge führt wird und dann durch das inerte Gas herausgespült wird. Die Aluminiumoxidschicht wird dabei durch sequentielles Zu führen eines ersten Reaktanden, der Aluminium enthält, und eines zweiten Reaktanden gebildet, der aus einem oxidierenden Gas besteht. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird TMA als der Reaktand verwendet, der Aluminium enthält, und H₂O- Gas wird als das oxidierende Gas verwendet.

Die durch Verwenden dieser Gase erzielte Aluminiumoxidschicht weist eine außergewöhnlich gleichmäßige Dicke gemäß den in Fig. 10 gezeigten Messpositionen auf. In Fig. 10 befindet sich ein Punkt von den für die Messung verwendeten Punkten im Mittelpunkt eines Halbleiterwafers, vier Punkte sind um 90° auf dem Umfang eines Kreises mit einem Durchmesser von 1,75 Inch voneinander beabstandet, und die anderen vier Punkte sind um 90° auf dem Umfang eines Kreises mit einem Durchmes ser von 3,5 Inch voneinander beabstandet.

Wenn die Aluminiumoxidschicht mit XPS vermessen wird, wie in den Fig. 11A und 11B gezeigt, sind lediglich Al-O- und O-O- Spitzenwerte zu finden. Dies bestätigt, dass die Aluminium oxidschicht aus Sauerstoff und Aluminium gebildet wird. In den Fig. 11A und 11B bezeichnet die x-Achse die Bindungsener gie, und die y-Achse bezeichnet Zählwerte.

Die Fig. 12 und 13 sind Querschnittansichten, die ein Verfah ren zur Herstellung des Kondensators des in Fig. 1 gezeigten Halbleiterbauelements erläutern.

Fig. 12 zeigt die Schritte zur Erzeugung der unteren Elektro de 33 und der stabilisierenden Schicht 35. Es wird eine di elektrische Zwischenebenenschicht 32 auf dem Halbleitersub strat, zum Beispiel dem Siliciumsubstrat, gebildet, und darin wird eine Öffnung erzeugt. Die untere Elektrode 33, die das Halbleitersubstrat 31 durch die Kontaktöffnung hindurch kon taktiert, wird auf dem Halbleitersubstrat 31 gebildet, wobei die dielektrische Zwischenebenenschicht 32 ebenfalls auf dem Substrat 31 gebildet ist. Da die untere Elektrode 33 als eine Schicht aus einem Material der Silicium-Familie gebildet wird, wie als eine mit Störstellen dotierte Polysilicium schicht, kann sie insbesondere so gebildet werden, dass sie verschiedene dreidimensionale Strukturen aufweist.

Die stabilisierende Schicht 35 wird mit einer Dicke von 0,1 nm bis 4 nm gebildet, um die untere Elektrode 33 derart zu bedec ken, dass die später auf der Oberfläche der unteren Elektrode 33 erzeugte dielektrische Schicht stabil gebildet wird. Die stabilisierende Schicht 35 wird durch einen Prozess mit einer thermischen Hysterese, wie einen schnellen thermischen Pro zess (RTP), einen Temperprozess oder einen Plasmaprozess oder unter Verwendung eines Reaktanden, der Silicium und Stick stoff enthält, bei einer Temperatur von 900°C und während ei ner Zeitspanne von drei Stunden aus einer Silicium nitridschicht erzeugt, wobei ein Gas der Stickstoff-Familie verwendet wird. Außerdem kann die stabilisierende Schicht 35 durch einen Temperprozess, einen thermischen Ultravio lett(UV)-Prozess oder einen Plasmaprozess unter Verwendung eines Gases der Sauerstoff-Familie aus einer Siliciumoxid schicht gebildet werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird der RTP während etwa 60 Sekunden durchgeführt, oder der UV-Ozon-Prozess wird bei einer Temperatur von 450°C während drei Minuten unter Verwendung einer Stickstoffquelle, zum Beispiel NH₃-Gas, durchgeführt.

Die Rolle der stabilisierenden Schicht 35 wird unter Bezug nahme auf Fig. 14 beschrieben. Fig. 14 zeigt die Dicke in nm der Aluminiumoxidschicht als Funktion der Anzahl von Zyklen, wenn die stabilisierende Schicht auf der Oberfläche der unte ren Elektrode erzeugt wird (a) und wenn die stabilisierende Schicht nicht auf der Oberfläche der unteren Elektrode er zeugt wird (b), wie in dem MIS-Kondensator gemäß der Erfin dung.

Die stabilisierende Schicht 35 ermöglicht es, dass die di elektrische Schicht in einem nachfolgenden Prozess stabil er zeugt wird. Da die Oberfläche des Polysiliciums, welche die untere Elektrode 33 darstellt, mit Störstellen dotiert ist und sich im Allgemeinen in einem hydrophoben Zustand befin det, wenn die dielektrische Schicht unter Verwendung von Was serdampf als dem oxidierenden Gas gebildet wird, ist es nicht möglich, die Aluminiumoxidschicht stabil auf der hydrophoben unteren Elektrode 33 zu erzeugen. Das heißt, wenn die stabi lisierende Schicht 35 nicht erzeugt wird, wie in (b) von Fig. 14 gezeigt, beginnt die Aluminiumoxidschicht nach einer Inku bationszeitspanne von 10 Zyklen zu wachsen. Wenn jedoch die stabilisierende Schicht 35 gebildet wird, wird die Oberfläche der unteren Elektrode 33 so geändert, dass sie hydrophil ist. Demgemäß ist es möglich, die Aluminiumoxidschicht ohne die Inkubationszeitspanne stabil zu bilden, wie in (a) von Fig. 14 gezeigt. In der vorliegenden Ausführungsform wird die sta bilisierende Schicht 35 erzeugt. Die Bildung der stabilisie renden Schicht kann jedoch bei Bedarf weggelassen werden.

Fig. 13 zeigt Schritte zur Bildung einer dielektrischen Schicht 37. Die Aluminiumoxidschicht wird auf der unteren Elektrode 33 mit einer Dicke von etwa der Abmessung eines Atoms, zum Beispiel etwa 0,05 nm bis 10 nm, durch sequentielles Injizieren der Aluminiumquelle und des oxidierenden Gases in die Kammer erzeugt. Die dielektrische Schicht 37 wird aus ei ner Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von etwa 1 nm bis 30 nm durch wiederholtes Durchführen des Schrittes der Bildung der Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von etwa der Abmes sung eines Atoms erzeugt. Die wie vorstehend erwähnt gebilde te, dielektrische Schicht 37 weist aufgrund der Prozesseigen schaften des atomaren Schichtdepositionsverfahrens eine aus gezeichnete Stufenbedeckung auf. Zum Beispiel ist es möglich, eine Stufenbedeckung von mehr als 98% in einer Struktur mit einem Aspektverhältnis von 9 : 1 zu erzielen.

Nach der Bildung der dielektrischen Schicht 37 wird eine thermische Nachbehandlung durchgeführt, um zwecks Verdichtung der dielektrischen Schicht Störstellen zu entfernen und eine stöchiometrische dielektrische Schicht von hoher Qualität zu erzielen. Die thermische Nachbehandlung kann unter Verwendung eines UV-Ozon-Prozesses, einer Stickstofftemperung, einer Sauerstofftemperung, einer nassen Oxidation, eines RTP unter Verwendung eines Gases, das Sauerstoff oder Stickstoff bein haltet, wie N₂, NH₃, O₂ und N₂O, oder einer Vakuumtemperung mit einer thermischen Hysterese während einer Zeitspanne von drei Stunden bei der Temperatur von 900°C durchgeführt wer den. Resultate, die mittels Durchführen einiger der obigen Prozesse erzielt wurden, sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

In Tabelle 1 wird eine Sauerstofftemperung während 30 Minuten bei einer Temperatur von 750°C durchgeführt. Der UV-Ozon- Prozess wird während 10 Minuten mit einer Energie von 20 Mil liwatt durchgeführt. Der Sauerstoff-RTP wird während drei Mi nuten bei einer Temperatur von 750°C durchgeführt. Die Stick stofftemperung wird während drei Minuten bei einer Temperatur von 750°C durchgeführt. Die Werte von Tabelle 1 bedeuten Bre chungsindizes nach einer thermischen Nachbehandlung, und die Zahlen in Klammern bezeichnen die Dicken der dielektrischen Schicht in nm nach der thermischen Behandlung. Wie in Tabelle 1 gezeigt, erzeugen Proben, bei denen der UV-Ozon-Prozess und die Stickstofftemperung durchgeführt wurden, die besten Re sultate hinsichtlich der Dicke der dielektrischen Schicht und des Brechungsindexes. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird nach der Bildung der dielektrischen Schicht die thermi sche Nachbehandlung durchgeführt. Die Durchführung der ther mischen Nachbehandlung kann jedoch alternativ weggelassen werden.

Dann wird, wie in Fig. 1 gezeigt, die obere Elektrode 39 auf der dielektrischen Schicht 37 gebildet. Die obere Elektrode 39 wird aus der Materialschicht mit der Austrittsarbeit ge bildet, die höher als jene der unteren Elektrode ist, die aus dem Material der Silicium-Familie gebildet wird, wie vorste hend erwähnt. Die obere Elektrode 39 wird aus einer Metall schicht, wie Al, Ni, Co, Cu, Mo, Rh, Pd, Sn, Au, Pt, Ru und Ir, aus einer hochschmelzenden Metallschicht, wie Ti, TiN, TiAlN, TaN, TiSiN, WN, WBN, CoSi und W, einer leitfähigen Oxidschicht, wie RuO₂, RhO₂ und IrO₂, jeglicher Kombination der vorstehenden oder einer Doppelschicht gebildet, bei der eine Materialschicht, die eine Austrittsarbeit aufweist, die höher als jene des Materials der Silicium-Familie ist, und eine mit Störstellen dotierte Polysiliciumschicht sequentiell gebildet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die obere Elektrode aus einer Doppelschicht mit einer TiN- Schicht und einer mit Störstellen dotierten Polysilicium schicht gebildet.

Wie vorstehend erwähnt, wird in dem Halbleiterbauelement ge mäß der Erfindung die dielektrische Schicht durch ein atoma res Schichtdepositionsverfahren gebildet, und die obere Elek trode wird aus einer Materialschicht mit einer Austrittsar beit gebildet, die höher als jene der unteren Elektrode ist, wenn die normalerweise verwendete Materialschicht der Silici um-Familie, zum Beispiel die mit Störstellen dotierte Polysi liciumschicht, als die untere Elektrode verwendet wird. Da durch ist es möglich, die Isolationseigenschaften der dielek trischen Schicht zu verbessern und den Kapazitätswert in der Kondensatorstruktur zu erhöhen.

Claims

1. Halbleiterbauelement mit

- einer ersten Schicht (33), die aus einem Material der Silicium-Familie gebildet ist,
- einer dielektrischen Schicht (37), die auf der ersten Schicht gebildet ist, und
- einer Elektrodenschicht (39), die auf der dielektri schen Schicht gebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die dielektrische Schicht (37) durch sequentielles Zu führen von Reaktanden gebildet ist und die Elektroden schicht (39) mit einer Austrittsarbeit, die höher als jene der ersten Schicht ist, gebildet ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, weiter dadurch ge kennzeichnet, dass die dielektrische Schicht aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Aluminiumoxid, einem Aluminiumhydro xid, Ta₂O₅, BST (BaSrTiO₃), SrTiO₃, PbTiO₃, PZT, PLZT, Y₂O₃, CeO₂, Nb₂O₅, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, SiO₂, SiN, Si₃N₄ und Kombinationen derselben besteht.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, weiter da durch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschicht aus ei ner Metallschicht, einer hochschmelzenden Metallschicht, einer leitfähigen Oxidschicht, einer Kombination der obigen oder einer Doppelschicht gebildet ist, bei der eine Materialschicht mit einer Austrittsarbeit, die hö her als jene des Materials der Silicium-Familie ist, und eine mit Störstellen dotierte Polysiliciumschicht se quentiell gebildet sind.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, weiter dadurch ge kennzeichnet, dass die Metallschicht aus einem Metall gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Al, Ni, Co, Cu, Mo, Rh, Pd, Sn, Au, Pt, Ru und Ir be steht, die hochschmelzende Metallschicht aus einem Me tall gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ti, TiN, TiAlN, TaN, TiSiN, WN, WBN, CoSi und W besteht, und die leitfähige Oxidschicht aus einem Oxid gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus RuO₂, RhO₂ und IrO₂ besteht.

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass eine stabilisierende Schicht auf der ersten Schicht gebildet ist, um die Bil dung der dielektrischen Schicht durch Hydrophilieren der Oberfläche der ersten Schicht zu erleichtern.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, weiter dadurch ge kennzeichnet, dass die stabilisierende Schicht eine Si liciumoxidschicht, eine Siliciumnitridschicht oder eine zusammengesetzte Schicht aus der Siliciumoxidschicht und der Siliciumnitridschicht ist.

7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht durch ein atomares Schichtdepositionsverfahren gebildet ist.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, weiter dadurch ge kennzeichnet, dass in dem atomaren Schichtdepositions verfahren ein Reaktionsgas und ein Spülgas sequentiell einer Kammer zugeführt werden.

9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht eine untere Elektrode und die Elektrodenschicht eine obere Elektrode eines Kondensators sind.

10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht ein Siliciumsubstrat (61), die dielektrische Schicht ei ne Gate-Isolationsschicht (65) und die Elektrodenschicht eine Gate-Elektrodenschicht (67) sind.

11. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Bereitstellen einer ersten Schicht aus einem Material der Silicium-Familie,
- Bilden einer dielektrischen Schicht durch sequentiel les Zuführen von Reaktanden auf der ersten Schicht, und
- Bilden einer Elektrodenschicht mit einer Austrittsar beit, die höher als jene der ersten Schicht ist, auf der dielektrischen Schicht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, weiter dadurch gekennzeich net, dass der Schritt der Bildung der dielektrischen Schicht den Schritt der Verwendung eines Materials bein haltet, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus ei nem Aluminiumoxid, einem Aluminiumhydroxid, Ta₂O₅, BST (BaSrTiO₃), SrTiO₃, PbTiO₃, PZT, PLZT, Y₂O₃, CeO₂, Nb₂O₅, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, SiO₂, SiN, Si₃N₄ und Kombinationen der selben besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, weiter dadurch ge kennzeichnet, dass der Schritt der Bildung der Elektro denschicht den Schritt der Verwendung einer Metall schicht, einer hochschmelzenden Metallschicht, einer leitfähigen Oxidschicht, einer Kombination der obigen oder einer Doppelschicht beinhaltet, bei der eine Mate rialschicht mit einer Austrittsarbeit, die höher als je ne des Materials der Silicium-Familie ist, und eine mit Störstellen dotierte Polysiliciumschicht sequentiell ge bildet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, weiter dadurch gekennzeich net, dass der Schritt der Verwendung einer Metallschicht den Schritt der Verwendung eines Metalls beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Al, Ni, Co, Cu, Mo, Rh, Pd, Sn, Au, Pt, Ru und Ir besteht, der Schritt der Verwendung einer hochschmelzenden Metallschicht den Schritt der Verwendung eines hochschmelzenden Metalls beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ti, TiN, TiAlN, TaN, TiSiN, WN, WBN, CoSi und W besteht, und der Schritt der Verwendung der leitfähigen Oxid schicht den Schritt der Verwendung einer leitfähigen Schicht beinhaltet, die aus einem Oxid gebildet wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus RuO₂, RhO₂ und IrO₂ besteht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, das des weiteren einen Schritt der Bildung einer stabilisieren den Schicht beinhaltet, um die Bildung der dielektri schen Schicht auf der ersten Schicht nach dem Schritt der Bereitstellung der ersten Schicht zu erleichtern.

16. Verfahren nach Anspruch 15, weiter dadurch gekennzeich net, dass der Schritt der Bildung der stabilisierenden Schicht den Schritt des Auswählens der stabilisierenden Schicht aus einer Siliciumoxidschicht, einer Siliciumni tridschicht und einer zusammengesetzten Schicht aus der Siliciumoxidschicht und der Siliciumnitridschicht bein haltet.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, weiter dadurch ge kennzeichnet, dass der Schritt der Bildung der stabili sierenden Schicht derart erfolgt, dass die stabilisie rende Schicht durch Hydrophilierung der Oberfläche der ersten Schicht die Bildung der dielektrischen Schicht erleichtert.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, weiter da durch gekennzeichnet, dass der Schritt der Bildung der dielektrischen Schicht die Verwendung eines atomaren Schichtdepositionsverfahrens beinhaltet.

19. Verfahren nach Anspruch 18, weiter dadurch gekennzeich net, dass das atomare Schichtdepositionsverfahren die Schritte des sequentiellen Zuführens eines Reaktionsga ses und eines Spülgases in eine Kammer beinhaltet.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, das des weiteren einen Schritt des Durchführens einer thermi schen Nachbehandlung nach dem Schritt der Bildung der dielektrischen Schicht umfasst.