DE10114406A1

DE10114406A1 - Verfahren zur Herstellung ferroelektrischer Speicherzellen

Info

Publication number: DE10114406A1
Application number: DE10114406A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kroenke; Igor Kasko
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2002-10-02
Also published as: US6806097B2; CN1331215C; CN1518766A; WO2002078084A3; KR100579337B1; JP2004526320A; EP1371093A2; US20040157345A1; WO2002078084A2; KR20030085034A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ferroelektrischer Speicherzellen nach dem Stackprinzip, wobei zwischen einer unteren Kondensatorelektrode (6) eines Speicherkondensators und einem darunter gebildeten leitenden Plug (1), der zur elektrischen Verbindung dieser Kondensatorelektrode (6) mit einer Transistorelektrode eines in oder auf einem Halbleiterwafer gebildeten Auswahltransistors dient, eine Haftschicht (2, 3) und über der Haftschicht eine Sauerstoffdiffusionsbarriere (4, 5) gebildet und nach der Abscheidung des Ferroelektrikums einem RTP-Schritt in einer Sauerstoffatmosphäre unterworfen werden, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: DOLLAR A (A) Ermittlung der Oxidationsgeschwindigkeit der Haftschicht (2, 3) und des Diffusionskoeffizienten (D¶Sauerstoff¶(T)) von Sauerstoff im Material der Haftschicht (2, 3) in Abhängigkeit von der Temperatur (T); DOLLAR A (B) Ermittlung des Diffusionskoeffizienten (D¶Silizium¶(T)) von Silizium in dem Material der Haftschicht (2, 3) in Abhängigkeit von der Temperatur und DOLLAR A (C) Berechnung eines optimalen Temperaturbereichs für den RTP-Schritt aus den zuvor ermittelten beiden Diffusionskoeffizienten (D¶Sauerstoff¶(T) und D¶Silizium¶(T)) für eine vorgegebene Schichtdicke (d¶BARR¶) des Schichtsystems aus Haftschicht (2, 3) und Sauerstoffdiffusionsbarriere, so dass während des RTP-Schritts die Silizidierung der Haftschicht schneller abläuft als ihre Oxidation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ferro elektrischer Speicherzellen nach dem Stack-Prinzip, wobei zwischen einer unteren Kondensatorelektrode eines Speicher kondensators und einem darunter gebildeten leitenden Plug, der zur elektrischen Verbindung dieser Kondensatorelektrode mit einer Transistorelektrode eines in oder auf einem Halb leiterwafer gebildeten Auswahltransistors dient, eine Haft schicht und über der Haftschicht eine Sauerstoffdiffusions barriere gebildet und, nachdem das Ferroelektrikum abgeschieden wurde, einem RTP-Schritt in einer Sauerstoff atmosphäre unterworfen werden. Bei nach dem Stack-Zellen- Prinzip aufgebauten ferroelektrischen Speicherzellen werden typischerweise Transistoren in oder auf einem Halbleiter wafer hergestellt. Anschließend wird ein Zwischenoxid abge schieden. Auf diesem Zwischenoxid werden die ferroelektri schen Kondensatormodule hergestellt. Die Verbindung zwischen den ferroelektrischen Kondensatormodulen und den Transistoren wird durch einen Plug erreicht, der sich beim Stack-Zellen-Prinzip unmittelbar unter dem Kondensatormodul befindet.

Zur Konditionierung der ferroelektrischen Schicht des ferro elektrischen Kondensatormoduls ist es erforderlich, eine Temperung (Ferro Anneal) in einer Sauerstoffatmosphäre bei Temperaturen von bis zu 800°C durchzuführen. Bei diesem Ferro Anneal muss der Plug, der meist aus Polysilizium oder Wolfram besteht, vor Oxidation geschützt werden, da andernfalls die elektrische Verbindung zwischen der unteren Kondensatorelektrode und dem Transistor irreversibel unterbrochen wird. Außerdem sollen Reaktionen zwischen den Elektroden, dem Ferroelektrikum und dem Plug vermieden werden, sofern sie die Funktionalität des Chips beeinträchtigen.

Alle zur Zeit kommerziell erwerblichen Produkte mit ferro elektrischen Schichten sind nach dem Offset-Zellen-Prinzip aufgebaut und haben eine Integrationsdichte von nur wenigen Kilobit bis hin zu einem Megabit.

Um den Plug bei einem nach dem Stack-Zellen-Prinzip aufgebauten ferroelektrischen Speicher vor Oxidation zu schützen, wurden Schichtsysteme eingeführt, die aus einer Sauerstoffdiffusionsbarriere und einer darunterliegenden Haftschicht bestehen. Allerdings bereitet es große Schwierigkeiten, die Oxidation dieser Sauerstoffdiffusionsbarriere und vor allem der darunterliegenden Haftschicht und des Plugs aus Poly- Silizium oder Wolfram bzw. deren Oberfläche von der Seite her bei dem Ferro Anneal zu verhindern.

Von den Erfindern durchgeführte Experimente bei Prototypen haben gezeigt, dass bei dem Ferro Anneal in der Haftschicht, die aus Titan bestand, konkurrierende Prozesse abliefen.

Die beiliegende Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt einer nach dem Stack-Zellen-Prinzip aufgebauten ferroelektrischen Speicherzelle. Gezeigt ist ein durch eine Zwischenoxidschicht 7 (TEOS) führender Plug 1 zum Beispiel aus Polysilizium, ein unmittelbar darüberliegender unterer Teil 2 einer Haftschicht zum Beispiel aus TiSi₂, ein darüberliegender oberer Teil 3 der Haftschicht, zum Beispiel aus Ti, ein unterer Teil 4 der Sauerstoffdiffusionsbarriere zum Beispiel aus Ir und darüber ein zweiter Teil 5 der Sauerstoffdiffusionsbarriere, zum Beispiel aus IrO₂. Über diesem oberen IrO₂-Abschnitt 5 der Sauerstoffdiffusionsbarriere liegt die untere Kondensatorelektrode 6, die zum Beispiel aus Pt besteht. In Fig. 1 sind durch stark gezeichnete, schwarz ausgefüllte Pfeile die beim Ferro Anneal von der Seite her stattfindende Oxidation und durch nicht ausgefüllte Pfeile die gleichzeitige TiSi-Ir-Bildung in der Haftschicht 2, 3 angedeutet. Ein mit II bezeichneter Kreis umrahmt einen Ausschnitt, von dem Details in den Fig. 2a und 2b dargestellt sind, um die es in der nachfolgenden Beschreibung geht. Die in den Fig. 2a und 2b schematisch dargestellten Prozesse und Ausbildungen resultieren aus von den Erfindern hergestellten TEM-Aufnahmen (TEM = Transmissions-Elektronenmikroskop). Fig. 2a zeigt wiederum mit einem stark gezeichneten Pfeil die von der Seite her stattfindende Oxidation der Haftschicht 2, 3. Dabei bildet sich von der Seite her ein isolierender TiSi-O-Bereich 10. Durch nicht geschwärzte Pfeile ist die von oben und unten her stattfindende Silizidierung, nämlich die TiSi-Ir-Bildung dargestellt. In Fig. 2a hat die Bildung der leitfähigen TiSi-Ir-Schicht schneller stattgefunden als die Bildung der isolierenden TiSi-O-Schicht 10 von der Seite her.

Dagegen hat sich in Fig. 2b der isolierende TiSi-O-Bereich 10 von der Seite her auf der ganzen Breite des Plugs 1 gebildet, und letzterer hat keine elektrische Verbindung mehr zur unteren Elektrode 6 des ferroelektrischen Kondensators.

Somit zeigt sich, dass es trotz der Ir/IrOx-Abdeckung der Ti-Haftschicht einen Sauerstoffdiffusionspfad entlang der Grenzfläche IrOx/TEOS gibt, der die Haftschicht 2 aufoxidieren kann.

Bei den von den Erfindern durchgeführten Experimenten hat sich herausgestellt, dass die Geschwindigkeit, in der die TiSi-O-Bildung von der Seite her vorgeht und die gleichzei tige TiSi-Ir-Bildung von oben und unten abhängig sind von der Temperatur, bei der diese Reaktionen erfolgen.

Mit Hilfe eines RTP-Schritts (RTP = Rapid Thermal Proces sing) in Sauerstoff ist es möglich, die TiSi-Ir-Bildung von oben und unten in der Haftschicht gegenüber der TiSi-O-Bil dung von der Seite her zu beschleunigen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von nach dem Stack-Prinzip aufgebauten ferroelektrischen Speicherzellen so anzugeben, dass zu einer vorgegebenen Dicke der Ti-Haftschicht eine zugehörige ideale RTP- Temperatur gefunden werden kann, bei der das Schichtsystem leitfähig bleibt.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte ausgeführt werden:

A) Ermittlung des Diffusionskoeffizienten von Sauerstoff im Material der Haftschicht in Abhängigkeit von der Tempera tur;
B) Ermittlung der Silizidierungsgeschwindigkeit und des Dif fusionskoeffizienten von Silizium in dem Material der Haftschicht in Abhängigkeit von der Temperatur, und
C) Berechnung eines optimalen Temperaturbereichs für den RTP-Schritt aus den zuvor ermittelten beiden Diffusions koeffizienten für eine vorgegebene Schichtdicke und Schichtbreite des Schichtsystems aus Haftschicht und Sau erstoffdiffusionsbarriere, so dass während des RTP- Schritts die Silizidierung der Haftschicht schneller ab läuft als ihre Oxidation.

Bei der Erfindung wird die Oxidationsgeschwindigkeit der Haftschicht und daraus der Diffusionskoeffizient von Sauer stoff im Material der Haftschicht, zum Beispiel Titan, abhängig von der Temperatur bestimmt. Ebenfalls wird die Geschwindigkeit bei der Bildung einer TiSi-Ir-Schicht aus einer Titanschicht und daraus der zugehörige Diffusionskoeffizient abhängig von der Temperatur bestimmt. Dann kann man bei einer vorgegebenen Titan-Schichtdicke mit Hilfe der temperaturabhängigen Diffusionskoeffizienten und der Oxidationsgeschwindigkeiten die optimale Temperatur be rechnen, die erforderlich ist, damit die TiSi-Ir-Bildung schnell genug abläuft, das heißt schneller als die gleichzeitige Bildung der isolierenden TiSi-O-Bereiche, um die Leitfähigkeit des Schichtsystems zu erhalten.

Die Erfindung gibt eine Formel an, mit der der optimale Tem peraturbereich bzw. die optimale Temperatur für den RTP- Schritt berechnet werden kann:

In der Beziehung (1) geben der linke Term die Zeitdauer bis zur Durchsilizidierung der Haftschicht und der rechte Term die Zeitdauer bis zur Durchoxidierung der Haftschicht,
d_BARR die Schichtdicke des Systems aus der Sauerstoffdiffu sionsbarriere und der Haftschicht derselben,
b_BARR die halbe Schichtbreite,
D_Silizium den temperaturabhängigen Diffusionskoeffizienten von Silizium und
D_Sauerstoff den temperaturabhängigen Diffusionskoeffizienten von Sauerstoff im Material der Haftschicht an.

In der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbei spiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens Bezug nehmend auf die Zeichnung näher beschrieben.

Die Zeichnungsfiguren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt einer nach dem Stack-Zellen-Prinzip aufgebauten ferroelektrischen Speicherzelle, die die beim RTP-Schritt ablaufenden konkur rierenden Vorgänge veranschaulicht (bereits beschrieben);

Fig. 2a und 2b Details des Ausschnitts II von Fig. 1 die je weils einen zu einer funktionierenden elek trischen Verbindung (a) und einen durch Oxidation der Haftschicht zu einer Unterbrechung der leitenden Verbindung führenden Prozess (b) veranschaulichen, und

Fig. 3 einen Abschnitt durch eine nach dem Stack- Zellen-Prinzip aufgebaute funktionierende ferroelektrische Speicherzelle ähnlich wie Fig. 1 zur Veranschaulichung des erfindungs gemäßen Verfahrens.

Während die Fig. 1, 2a und 2b bereits erläutert wurden, zeigt Fig. 3, die ähnlich wie Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Abschnitt einer nach dem Stack-Zellen-Prinzip aufgebauten ferroelektrischen Speicherzelle zeigt, die für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlichen Größen. Diese Größen sind die Dicke d_BARR des Schichtsystems aus Haftschicht 2, 3 und Sauerstoffdiffusionsbarriere 4, 5, b_BARR die halbe Breite dieses Schichtsystems, D_Sauerstoff (stark gezeichneter Pfeil) den (temperaturabhängigen) Diffusionskoeffizienten von Sauerstoff im Material der Haftschicht 2, 3 und D_Silizium (stark gezeichneter Pfeil von unten) den (temperatur abhängigen) Diffusionskoeffizienten von Silizium, der für die Silizidierung der Haftschicht 2, 3 maßgeblich ist.

In der Beziehung

gibt der linke Term die Zeit an bis zur Durchsilizidierung der Haftschicht und der rechte Term die Zeit bis zur Durchoxidierung derselben.

Wie erwähnt gibt D_Silizium den temperaturabhängigen Diffusions koeffizienten von Silizium und D_Sauerstoff den temperatur abhängigen Diffusionskoeffizienten von Sauerstoff entlang einer bestimmten Grenzfläche an. Die Quotienten d/D bzw. b/D ergeben einheitenmäßig Zeiten. Aus den bei einer bestimmten Spezies in einer bestimmten Matrix bei einer bestimmten Temperatur ermittelten Diffusionskoeffizienten und den in Fig. 3 angegebenen Abmessungen, d. h. der Schichtdicke d_BARR und der halben Schichtbreite b_BARR, gibt die obige Beziehung die Bedingung für das Herstellen einer funktionierenden Barriere an. Bei einer bestimmten Temperatur, wobei D eine Funktion der Temperatur ist, und gewählten Abmessungen b und d muss die Zeit für die Silizidierung (linker Term) kleiner sein als die Zeit für die Oxidation (rechter Term).

Bei einem beispielhaft durchgeführten Herstellungsprozess wurde zunächst ein RTP-Schritt (nach der Topelektrodenstruk turierung) bei 800°C 15 Sekunden in Sauerstoff und anschlie ßend der Ferro-Anneal in O₂ bei einer Temperatur von etwa 675°C 15 Minuten lang ausgeführt. Bei gemäß diesem Herstellungsverfahren hergestellten ferroelektrischen Speicherzellen vorgenommene TEM-Aufnahmen ergaben, dass die von der Seite her gebildeten TiSi-O-Bereiche so klein waren, dass sie die leitende Verbindung des Polysiliziumplugs mit der unteren Kondensatorelektrode über die Haftschicht und die Sauerstoffdiffusionsbarriere nicht unterbrechen konnten.

Bezugszeichenliste

1

Polysiliziumplug

2

TiSi₂

-Haftschicht

3

Ti-Haftschicht

4

Ir-Sauerstoffdiffusionsbarriere

5

IrO₂

-Sauerstoffdiffusionsbarriere

6

Bottomelektrode des ferroelektrischen Kondensators

7

TEOS-Schicht

10

TiSi-O-Bereich
d_BARR

Dicke des Schichtsystems

2-5

b_BARR

halbe Breite des Schichtsystems

2-5

D_Silizium

Diffusionskoeffizient von Silizium im Material der Schicht

2

,

3

D_Sauerstoff

Diffusionskoeffizient von Sauerstoff im Material der Schicht

2

,

3

Claims

1. Verfahren zur Herstellung ferroelektrischer Speicherzellen nach dem Stackprinzip, wobei zwischen einer unteren Kondensatorelektrode (6) eines ferroelektrischen Speicherkondensators und einem darunter gebildeten leitenden Plug (1), der zur elektrischen Verbindung dieser Kondensatorelektrode (6) mit einer Transistorelektrode eines in oder auf einem Halbleiterwafer gebildeten Auswahltransistors dient, eine Haftschicht (2, 3) und über der Haftschicht eine Sauerstoffdiffusionsbarriere (4, 5) ge bildet und nach der Bildung des Ferroelektrikums einem RTP- Schritt in einer Sauerstoffatmosphäre unterworfen werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

A) Ermittlung der Oxidationsgeschwindigkeit der Haftschicht (2, 3) und des Diffusionskoeffizienten (D_Sauerstoff(T)) von Sauerstoff im Material der Haftschicht (2, 3) in Abhängigkeit von der Temperatur (T);
B) Ermittlung des Diffusionskoeffizienten (D_Silizium(T)) von Silizium in dem Material der Haftschicht (2, 3) in Abhängigkeit von der Temperatur und
C) Berechnung eines optimalen Temperaturbereichs für den RTP-Schritt aus den zuvor ermittelten beiden Diffusions koeffizienten (D_Sauerstoff(T) und D_Silizium(T)) für eine vorgegebene Schichtdicke (d_BARR) und Schichtbreite (b_BARR) des Schichtsystems aus Haftschicht und Sauerstoffdiffusionsbarriere, so dass während des RTP- Schritts die Silizidierung der Haftschicht schneller abläuft als ihre Oxidation.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (2, 3) von dem RTP-Schritt aus einer unteren Schicht (2) aus TiSi₂ und einer unmittelbar darüberliegenden Schicht (3) aus Ti besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffdiffusionsbarriere (4, 5) vor dem RTP- Schritt aus einer unteren Schicht (4) aus Ir, die direkt über der oberen Ti-Schicht (3) der Haftschicht liegt und einer die untere Schicht (4) der Sauerstoffdiffusionsbarriere unmittelbar bedeckenden oberen Schicht (5) aus IrO₂ besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der optimale Temperaturbereich für den RTP-Schritt aus folgender Beziehung berechnet wird:
worin der linke Term eine Zeitdauer bis zur Durchsilizidie rung der Haftschicht und der rechte Term eine Zeitdauer bis zur Durchoxidierung der Haftschicht (2, 3),
d_BARR die Schichtdicke des Schichtsystems aus Haftschicht und Sauerstoffdiffusionsbarriere,
b_BARR die halbe Schichtbreite des Schichtsystems aus Haft schicht und Sauerstoffdiffusionsbarriere,
D_Silizium den temperaturabhängigen Diffusionskoeffizienten von Silizium und
D_Sauerstoff den temperaturabhängigen Diffusionskoeffizienten von Sauerstoff im Material der Haftschicht (2, 3) angeben.