DE10105997C1 - Verfahren zur Herstellung ferroelektrischer Kondensatoren und integrierter Halbleiterspeicherbausteine - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von im Stackprinzip aufgebauten ferroelektrischen Kondensatoren zur Anwendung in integrierten, Halbleiterspeicherbausteinen weisen die einzelnen Kondensatormodule (10, 11) eine Sauerstoffbarriere (4a, 4b) zwischen einer unteren Kondensatorelektrode (5a, 5b) und einem elektrisch leitenden Plug (1a, 1b) auf. Eine unstrukturierte Haftschicht (3) wird dort wo sie nicht von der jeweiligen Sauerstoffbarriere (4a, 4b) bedeckt ist, von dem Sauerstoff, der beim Temperungsvorgang des Ferroelektrikums (6a, 6b) entsteht, aufoxidiert und bildet dort isolierende Abschnitte, so dass die unteren Kondensatorelektroden (5a, 5b) der ferroelektrischen Kondensatoren (10, 11) elektrisch voneinander isoliert sind. Dadurch entfällt der Strukturierungsschritt für die Haftschicht (3) und außerdem kann diese Schicht (3) zum Gettern von Sauerstoff und zur Hemmung von Sauerstoffdiffusion zum Plug dienen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ferroe­ lektrischer Kondensatoren in integrierten Halbleiterspei­ cherchips, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist aus DE 199 26 501 A1 bekannt.

Zur Herstellung von ferroelektrischen Kondensatoren zur An­ wendung in Halbleiterspeichern hoher Integrationsdichte wird ein ferroelektrisches Material (zum Beispiel SrBi₂(Ta,Nb)₂O₉ (abgekürzt SBT oder SBTN), Pb(Zr,Ti)O₃ (abgekürzt PZT) oder Bi₄Ti₃O₁₂ (abgekürzt BTO) als Dielektrikum zwischen den Elek­ troden eines Kondensators eingesetzt. Das Kondensatorelek­ trodenmaterial ist ein Edelmetall oder Edelmetalloxid, das hohen Temperaturen in O₂ widersteht. Als Materialien hierfür kommen in Frage Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, RuOx, IrO_x, RhO_x, SrRuO₃, SaSrCoO_x (abgekürzt LSCO), HT-Supraleiter (YBa₂Cu₂O₇) und an­ dere. Im allgemeinen wird beim Kondensatoraufbau entweder das technologisch anspruchsvollere Stackprinzip verfolgt oder nach dem eine viel größere Chipfläche beanspruchenden Offsetzellenprinzip vorgegangen (siehe "Integrated Ferroe­ lectrics", 1999, 26, 197 von W. Hartner et al.).

Die oben zum Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zitierte DE 199 26 501 A1 beschreibt, dass eine Sauerstoffbarriere benö­ tigt wird, um eine Oxidation des aus Polysilizium oder Wolf­ ram bestehenden, die untere Kondensatorelektrode mit einer Halbleiterelektrode oder mit einer Metallisierungsbahn ver­ bindenden leitenden Plugs bei dem nach dem Stackprinzip auf­ gebauten ferroelektrischen Kondensator zu verhindern. Zwi­ schen der Sauerstoffbarriere, die z. B. aus Ir/IrOx besteht, und dem Plug wird eine Haftschicht gebildet, die erforderlich ist, um den Übergangswiderstand zwischen dem Plug und der Sauerstoffbarriere gering zu halten und um eine mögliche Silizidierung von Ir zu verhindern. Bisherige Versuche haben gezeigt, dass bei einer stufenweisen Strukturierung des Kon­ densatormoduls (d. h. einer getrennt erfolgenden Strukturie­ rung von Sauerstoffbarriere, unterer Elektrode, Ferroelek­ trikum und oberer Elektrode des Kondensators) diese Haft­ schicht von der Seite her beim Tempern in einer Sauerstof­ fatmosphäre aufoxidiert wird und damit der Anschluss der un­ teren Kondensatorelektrode durch den Plug unterbrochen wird. Die Sauerstoffbarriere kann die Haftschicht und den Plug nur vor einer Sauerstoffdiffusion in vertikaler Richtung nicht jedoch in horizontaler Richtung schützen.

Es hat sich ebenfalls gezeigt, dass der Überlapp der unteren Kondensatorelektrode über die darunterliegende Sauerstoff­ barriere von großer Bedeutung ist. Je größer dieser Überlapp ist, desto geringer ist die Sauerstoffdiffusion von der Sei­ te her, so dass um so mehr Kondensatoren funktionieren. Dies liegt daran, dass die horizontale Oxidation von Haftschicht und Plug nur langsam fortschreitet. Da die Haftschicht aus einem leitfähigen Material bestehen muss, ist es erforder­ lich, diese zu strukturieren, da sonst die Haftschicht einen Kurzschluss zwischen allen ferroelektrischen Kondensatoren des Chips erzeugen würde.

Alle zur Zeit kommerziell erhältlichen Produkte mit ferroe­ lektrischen Schichten sind nach dem Offsetzellenprinzip auf­ gebaut und haben eine Integrationsdichte von nur wenigen Ki­ lobyte bis hin zu einem Megabyte. Beim Offsetzellenprinzip benötigt man keine Sauerstoffbarriere. Beim Stackprinzip wird üblicherweise das Kondensatormodul stufenweise mit Chlorätzungen strukturiert. Das heißt die Sauerstoffbarrie­ re, die untere Kondensatorelektrode, das Ferroelektrikum und die obere Kondensatorelektrode werden getrennt durch Chlo­ rätzung strukturiert.

Bei dem nach dem Stackprinzip aufgebauten ferroelektrischen Kondensator ist, wie erwähnt, eine leitfähige Sauerstoffbar­ riere erforderlich. Als Material für die Sauerstoffbarriere wird typischerweise Ir/IrOx verwendet. Für die leitende Haftschicht zum Wolfram- oder Polysiliziumplug kann zum Bei­ spiel Ti, TiN, TaSiN, Ta oder TaN verwendet werden. Da diese Haftschicht leitfähig sein muss, ist es erforderlich, sie zu strukturieren, da sie sonst sämtliche Kondensatormodule elektrisch kurzschließen würde.

US 5,811,181 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Kondensators, bei dem eine Tantal enthal­ tende Haftschicht abgeschieden ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das eingangs erwähnte Herstel­ lungsverfahren für ferroelektrische Kondensatoren in inte­ grierten Halbleiterspeicherbausteinen so auszubilden, dass auf die Strukturierung der Haftschicht verzichtet und gleichzeitig ihre vorzeitige Oxidation verlangsamt werden kann.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei dem Fer­ roanneal bzw. Temperungsvorgang in Sauerstoff, der nach Ab­ scheidung des Ferroelektrikums des ferroelektrischen Konden­ satormoduls durchgeführt wird, die Haftschicht aufoxidiert. Dabei hat sich experimentell gezeigt, dass die Haftschicht um so schneller oxidiert, je länger der Temperungsvorgang dauert und je höher die Temperatur beim Tempern ist. Bei solchen experimentellen Untersuchungen hat sich auch ge­ zeigt, dass die laterale Oxidation unter die Sauerstoffbar­ riere langsamer stattfindet.

Die oben angegebene Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Erfindungsgemäß braucht die Haftschicht nicht strukturiert zu werden, da sie im Bereich zwischen den Kondensatormodu­ len, wo sie zunächst einen Kurzschluss erzeugt, als erstes beim Tempern des Ferroelektrikums aufoxidiert und dadurch elektrisch isolierend wirkt.

Dadurch erspart man sich zum einen die Strukturierung dieser Haftschicht und zum anderen kann diese Schicht sogar zum "Gettern" von Sauerstoff dienen. Die unstrukturierte Haft­ schicht behindert außerdem die weitere Sauerstoffdiffusion unter die Sauerstoffbarriere.

Wenn, wie bevorzugt, als Material für die Haftschicht TaSiN oder TaN verwendet wird, kann bei einer Strukturierung des ferroelektrischen Kondensatormoduls durch reaktives Ionenät­ zen von Sauerstoffbarriere/unterer Kondensatorelektrode Tan­ tal als Endpunktsignal zum Beispiel verwendet werden.

Alternativ kann auch selektiv geätzt werden, so dass das Ma­ terial der Haftschicht als Ätzstopp dient. Dadurch wird eine zusätzliche Erhöhung der Topographie durch Überätzung in das Zwischenoxid vermieden.

Nachstehend wird ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens bezogen auf die Zeichnung näher erläutert.

Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Ab­ schnitt eines integrierten Halbleiterspeichers, der Strukturen von im Stackprinzip aufgebauten ferroelektrischen Kondensatormodulen mit einer unstrukturierten durchgehenden Haftschicht veran­ schaulicht;

Fig. 2 ebenfalls einen schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Halbleiterspeichers zur Veranschaulichung eines nach der Abscheidung des Ferroelektrikums ausgeführten Temperungsschritts, bei dem die freiliegenden Bereiche der Haft­ schicht aufoxidiert werden und

Fig. 3 eine Detailansicht eines in einem Kreis III in Fig. 2 gezeigten Abschnitts eines ferroelektri­ schen Kondensatormoduls.

Die Querschnittsdarstellung in Fig. 1 zeigt jeweils Sauer­ stoffbarrieren 4a, 4b und darüber untere Elektrodenabschnit­ te 5a, 5b zweier ferroelektrischer Kondensatormodule 10 und 11. Zwischen den Sauerstoffbarrieren 4a, 4b und leitenden Plugs 1a, 1b, die aus Wolfram oder Polysilizium bestehen können, ist durchgängig, das heißt über dem gesamten ferroe­ lektrische Kondensatoren aufweisenden Bereich eines inte­ grierten Halbleiterspeicherbausteins, eine unstrukturierte Haftschicht 3 gebildet, die zum Beispiel aus TaSiN, TaN, Ta, TiN, Ti besteht. Die Haftschicht 3 liegt somit zwischen den Sauerstoffbarrieren 4a, 4b, die eine Oxidation des Polysili­ zium- oder Wolframplugs 1a, 1b beim Stackaufbau der ferroe­ lektrischen Kondensatoren verhindern sollen, und den Plugs 1a, 1b und ganzflächig über einer Zwischenoxidschicht 2, die die Zwischenabschnitte zwischen den leitenden Plugs 1a, 1b füllt.

Es ist zu erwähnen, dass die Haftschicht 3, abgesehen von ihrer Funktion als Haftvermittler, erforderlich ist, um den Übergangswiderstand zwischen den Plugs 1a, 1b und der zugehörigen Sauerstoffbarriere 4a, 4b gering zu halten und um eine mögliche Silizidierung von Ir zu verhindern.

Erfindungsgemäß bleibt somit die Haftschicht 3 unstruktu­ riert, das heißt, sie wird nicht selektiv dort, wo sie von den Sauerstoffbarrieren 4a, 4b freiliegt, entfernt.

Statt dessen wird die Haftschicht 3, wie Fig. 2 zeigt, auf­ oxidiert und zwar durch Sauerstoff O₂ (siehe die stark schraffierten Pfeile in Fig. 2), wie er bei einem ohnehin stattfindenden Temperungsvorgang für die ferroelektrische Schicht 6a, 6b freigesetzt wird. Es ist hier zu erwähnen, dass die unteren Kondensatorelektroden 5a, 5b aus einem Edelmetall oder Metalloxid bestehen, das hohen Temperaturen in O₂ widersteht. Dafür kommen zum Beispiel in Frage die Stoffe: Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, RuO_x, IrO_x, RhO_x, SrRuO₃, LaSrCoO_x (kurz LSCO), HAT-Supraleiter wie YBa₂Cu₃O₇ und andere geeig­ nete Materialien. Durch die Aufoxidierung wird die Haft­ schicht 3 dort, wo sie von den Sauerstoffbarrieren 4a, 4b nicht bedeckt ist, in eine Oxidschicht 13 umgewandelt, die elektrisch isolierende Eigenschaft hat, so dass die unteren Kondensatorelektroden elektrisch voneinander isoliert sind.

Die in Fig. 3 dargestellte Detailansicht III zeigt deutlich, dass sich der Oxidationsvorgang der Haftschicht 3 bis unter die Sauerstoffbarrieren 4a, 4b fortsetzt, so dass die Ränder der Sauerstoffbarrieren 4a, 4b etwas mit den aufoxidierten Bereichen überlappen.

Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird ein ferroelektrischer Halbleiterspeicher mit nach dem Stackprin­ zip aufgebauten ferroelektrischen Kondensatoren erreicht, wobei man sich einerseits die Strukturierung der Haftschicht 3 erspart und andererseits diese Schicht sogar zum Gettern von Sauerstoff dienen kann. Außerdem behindert die unstrukturierte Haftschicht 3 die Sauerstoffdiffusion unter die Sauerstoffbarrieren 4a, 4b durch die Haftschicht.

Bei der Strukturierung durch reaktives Ionenätzen der Sauer­ stoffbarrieren 4a, 4b und/oder der unteren Kondensatorelek­ troden 5a, 5b kann als Endpunktsignal zum Beispiel Tantal verwendet werden, wenn die Haftschicht 3 aus TaSiN oder TaN besteht.

Bei einer selektiven Ätzung der Sauerstoffbarrieren 4a, 4b und/oder der unteren Kondensatorelektroden 5a, 5b kann das unstrukturierte Material der Haftschicht 3 als Ätzstopp die­ nen. Dadurch wird eine zusätzliche Erhöhung der Topographie durch schwer vermeidbare Überätzung in das Zwischenoxid 2 vermieden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung ferroelektrischer Kondensatoren in integrierten Halbleiterspeicherchips, wobei die ferroe­ lektrischen Kondensatoren nach dem Stack-Prinzip aufgebaut werden, zwischen einer metallischen unteren Kondensatorelek­ trode (5a, 5b) des ferroelektrischen Kondensators (10, 11) und einem diese untere Kondensatorelektrode (5a, 5b) mit ei­ ner unterhalb des ferroelektrischen Kondensators (10, 11) liegenden Halbleiterelektrode oder einer Metallisierungsbahn verbindenden leitenden Plug (1a, 1b) eine Sauerstoffbarriere (4a, 4b) und zwischen dem Plug (1a, 1b) und der Sauerstoff­ barriere (4a, 4b) eine Haftschicht (3) aus leitendem Materi­ al gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (3) unstrukturiert in einem die ferroe­ lektrischen Kondensatoren (10, 11) aufweisenden Bereich ge­ bildet wird und dass die Haftschicht (3) in Abschnitten, wo sie von der Sauerstoffbarriere (4a, 4b) freiliegt durch ei­ nen Temperungsschritt aufoxidiert und dadurch in eine Iso­ lierschicht (13) umgewandelt wird.

2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperungsschritt der für ein abgeschiedenes Ferro­ elektrikum (6a, 6b) der ferroelektrischen Kondensatoren (10, 11) ausgeführte Temperungsschritt ist.

3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (3) Ta enthält.

4. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der leitende Plug aus Polysilizium oder Wolfram be­ steht.

5. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aufoxidierten Abschnitte (13) der Haftschicht (3) etwas unter die Randbereiche der Sauerstoffbarriere (4a, 4b) reichen.