DE10121657B4

DE10121657B4 - Mikroelektronische Struktur mit Wasserstoffbarrierenschicht

Info

Publication number: DE10121657B4
Application number: DE10121657A
Authority: DE
Inventors: Walter Hartner; Zvonimir Gabric; Matthias Krönke; Günther SCHINDLER
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2021-05-04
Also published as: WO2002091432A2; US7276300B2; JP2004525525A; WO2002091432A3; KR20040000449A; KR100614291B1; DE10121657A1; US20040191532A1; CN100429762C; CN1513203A

Abstract

Mikroelektronische Struktur mit einem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum (14), das von einer Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) aus einem elektrisch isolierenden Material bedeckt ist, wobei zwischen dem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum (14) und der Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) zumindest ein Zwischenoxid (18) angeordnet ist, das mindestens fünfmal so dick wie das wasserstoffempfindliche Dielektrikum (14) ist, wobei im Zwischenoxid (18) mit leitfähigem Material (24) gefüllte Kontaktlöcher (20) angeordnet sind und die Wasserstoffbarrierenschicht (22) die Seitenwände der Kontaktlöcher (20) auskleidet.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie und betrifft eine mikroelektronische Struktur mit einem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum, das von einer Wasserstoffbarrierenschicht bedeckt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zu Herstellung einer derartigen mikroelektronischen Struktur.
Bei einer Vielzahl von mikroelektronischen Strukturen werden dieelektrische oder ferroelektrische Schichten verwendet, die empfindlich auf Wasserstoff reagieren. So kann es zum Beispiel bei metalloxidhaltigen ferroelektrischen Schichten dazu kommen, daß die Polarisierbarkeit reduziert und damit die ferroelektrische Schicht in ihrer Funktion eingeschränkt wird.
Die Einwirkung von Wasserstoff läßt sich jedoch bei der Herstellung von Halbleiterprodukten in Form von mikroelektronischen Strukturen kaum verhindern. So sind beispielsweise bei der Konditionierung der Metallisierung und der Transistoren Ausheilschritte in Formiergas (95% N₂, 5% H₂) erforderlich. Weiterhin werden viele Schichten in wasserstoffhaltiger Atmosphäre abgeschieden, so z. B. Wolfram und Siliziumnitrid. Im Falle von ferroelektrischen Schichten führt die Einwirkung von Wasserstoff nachweislich zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften, insbesondere zu einem erhöhten Leckstrom, Kurzschlüssen und geringerer Polarisation. Sofern die ferroelektrischen Schichten als Kondensatordielektrikum eines Speicherkondensators verwendet werden, kann die Einwirkung von Wasserstoff auch zu einer Verringerung der Haftung der ferroelektrischen Schichten und damit der Speicherkondensatoren auf dem Substrat führen.
Um die Einwirkung von Wasserstoff auf wasserstoffempfindliche Schichten zu verringern wurde vorgeschlagen, sogenannte Wasserstoffbarrierenschichten auf die wasserstoffempfindlichen Schichten aufzubringen, um letztere bei nachfolgenden Prozeßschritten in wasserstoffhaltiger Atmosphäre zu schützen. Im Falle von Speicherkondensatoren wird üblicherweise das Kondensatormodul von einer Wasserstoffbarrierenschicht (encapsulation barrier layer, EBL) bedeckt.
So ist es zum Beispiel aus der DE 199 04 379 A1 bekannt, die obere Elektroden eines Speicherkondensators mit einer Passivierungsschicht und anschließend mit einer Wasserstoffbarrierenschicht zu bedecken. Die Passivierungsschicht soll dabei die katalytische Spaltung von Ammoniak durch die metallhaltige obere Elektrode verhindern, der zur Abscheidung der Passivierungsschicht erforderlich ist. Die katalytische Spaltung von Ammoniak führt zur unmittelbareb Freisetzung von Wasserstoff, der bei unbedeckter oberer Elektrode durch diese bis zum Kondensatordielektrikum hindurch diffundieren kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Passivierungsschicht zwar eine katalytische Spaltung von Ammoniak weitgehend ausschließt, ansonsten jedoch keinen ausreichenden Schutz vor dem durch die Abscheidungsreaktion an sich freiwerdendem Wasserstoff bietet.
Aus der EP 0 513 894 A2 ist ebenfalls bekannt, eine Wasserstoffbarrierenschicht unmittelbar auf das Kondensatormodul und insbesondere auf die von der ferroelektrische Schicht nicht bedeckten Randbereiche der Kondensatorelektroden auf zubringen. Sofern die Wasserstoffbarrierenschicht aus einem elektrisch leitenden Material besteht, muß gemäß EP 0 513 894 A2 zwischen der Wasserstoffbarrierenschicht und dem Kondensatormodul eine isolierende Schicht vorgesehen werden.
Das Problem der Wasserstoffdiffusion soll dagegen gemäß US 6,027,947 durch Einkapselung der oberen Kondensatorelektrode mittels des Ferroelektrikums vermindert werden.
Aus JP 2001-015696 A ist ein Halbleiterbauelement mit ferroelektrischem Speicherkondensator bekannt, bei dem zwischen einer Wasserstoffbarriere und der oberen Elektrode des ferroelektrischen Speicherkondensators eine Oxidschicht angeordnet ist, welche das Ferroelektrikum bei der Abscheidung der Wasserstoffbarriere schützen soll.
In der US 6 060 766 wird ein MOSFET beschrieben, der eine p-dotierte Glasschicht aufweist, die als Wasserstoffgetterschicht dient.
Die Verkapselung eines ferroelektrischen Speicherkondensators in einer Wasserstoffbarrierenschicht ist in der WO 01/24237 A1 beschrieben.
Die Verwendung von TiN als Wasserstoffbarriere wird in der US 5 523 595 und der EP 1 006 580 A2 beschrieben. TiN wird dabei gesputtert.
Um einen temporären Schutz einer ferroelektrischen Schicht bei der CVD-Abscheidung einer Aluminium-Metallisierung zu erreichen, wird gemäß der JP 11-087633 A vor der Aluminium-Abscheidung eine Palladiumschicht abgeschieden, die als Wasserstoffgetterschicht wirkt.
In der US 5 624 864 wird eine mikroelektronische Struktur mit einem ferroelektrischem Speicherkondensator beschrieben, der mit einer Isolationsschicht bedeckt ist, auf der eine PSG-Schicht sitzt, die als Wasserdampfsperre dient. In der Isolationsschicht sind Kontaktlöcher ausgebildet.
In der US 6 177 351 B1 wird eine mikroelektronische Struktur mit einem ferroelektrischen Speicherkondensator beschrieben, der unmiittelbar mit eine Ti-Al-Ni-Schicht bedeckt ist. Der Speicherkondensator ist mit einem Intermetalldielektrikum bedeckt, auf dem eine Metallisierung angeordnet ist.
Es hat sich weiter gezeigt, daß bei der Abscheidung der Wasserstoffbarrierenschichten neben der Gefahr der Kontamination der ferroelektrischen Schicht durch Wasserstoff auch eine Belastung durch das bei der Abscheidung nachfolgender Schichten (z. B. Wasserstoffdiffusionsbarriere, Oxidschichten) verwendete Plasma zu beobachten ist. Dabei kann es insbesondere zu elektrostatischen Aufladungen der Kondensatorelektrode und in deren Folge zu einer Schädigung der ferroelektrische Schicht kommen.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine mikroelektronische Struktur anzugeben, bei der diese Schädigungen weitgehend ausgeschlossen sind.
Diese Aufgabe wird durch eine mikroelektronische Struktur gemäß Anspruch 1 bzw. 4 gelöst.
Das Zwischenoxid besitzt erfindungsgemäß eine Mindestdicke, die fünfmal, bevorzugt sogar zehnmal größer als die Dicke des wasserstoffempfindlichen Dielektrikums sein soll. Die Wasserstoffbarrierenschicht liegt somit nicht direkt auf dem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum bzw. in dessen unmittelbarer Nähe, sondern ist zumindest durch das Zwischenoxid von diesem getrennt. Die vergleichsweise große Dicke des Zwischenoxids sichert, daß der eventuell bei der Abscheidung der Wasserstoffbarrierenschicht entstehende Wasserstoff nicht bis zum wasserstoffempfindlichen Dielektrikum diffundieren kann. Das Zwischenoxid absorbiert einen vergleichsweise hohen Anteil des eindiffundierten Wasserstoffs. Die Absorptionsfähigkeit des Zwischenoxids nimmt mit seiner Dicke zu. Daher ist es bevorzugt, wenn die Dicke des Zwischenoxids deutlich grö ßer als das Fünffache der Dicke der wasserstoffempfindlichen Schicht ist.
Bevorzugt übernimmt das Zwischenoxid gleichzeitig die Funktion eines so genannten Intermetalldielektrikums, d. h., daß auf dem Zwischenoxid eine Metallisierungsschicht angeordnet und in dem Zwischenoxid Kontaktlöcher ausgebildet sind, welche die Metallisierungsschicht mit Funktionselementen unterhalb des Zwischenoxids verbinden. Die Kontaktlöcher sind dabei bevorzugt mit einem leitfähigen Material gefüllt. Die Wasserstoffbarrierenschicht wird somit aus dem Bereich des wasserstoffempfindlichen Dielektrikums in dem Bereich oberhalb des Zwischenoxids verlagert. Da das Zwischenoxid gleichzeitig die Funktion eines Intermetalldielektrikums übernimmt, kann hier auf die Abscheidung einer zusätzlichen Schicht, wie es der eingangs genannte Stand der Technik verlangt, verzichtet werden, sofern prinzipiell ein Intermetalldielektrikum bei der mikroelektronischen Struktur vorgesehen ist. Dies soll im folgenden am Beispiel eines ferroelektrischen Kondensators einer Speicherzelle eines Halbleiterbauelements näher erläutert werden.
Ein derartiger ferroelektrischer Kondensator sitzt in der Regel auf einer Isolationsschicht, die ihn von dem eigentlichen Halbleitersubstrat trennt. Der Kondensator besteht dabei aus einer unteren und einer oberen Elektrode und einem dazwischen liegenden ferroelektrischen Dielektrikum. Die untere Elektrode wird über eine in der Isolationsschicht ausgebildete leitfähigen Verbindung mit dem Halbleitersubstrat verbunden. Die obere Elektroden ist dagegen mit einer Metallisierung elektrisch leitend verbunden, die auf einem den Kondensator planarisierend bedeckenden Intermetalldielektrikum angeordnet ist. Die Verbindung zwischen der Metallisierung und der oberen Elektrode wird durch mit leitfähigem Material gefüllte Kontaktlöcher hergestellt.
Auf ein derartiges Intermetalldielektrikum, das gleichzeitig als Zwischenoxid dient, wird erfindungsgemäß die Wasserstoffbarrierenschicht aufgebracht, so daß diese nicht mehr wie im Stand der Technik unterhalb, sondern oberhalb des Intermetalldielektrikums angeordnet ist. Die damit verbundenen Vorteile sind einerseits eine verbesserte Wasserstoffabsorption und andererseits ein verbesserter Schutz gegenüber von einem Plasma induzierte Schädigungen. Insbesondere bietet die ausreichende Dicke des Intermetalldielektrikums bzw. des Zwischenoxids eine ausreichenden Schutz vor Wasserstoff. Darüber hinaus schützt das Intermetalldielektrikum bzw. das Zwischenoxid die Kondensatorelektroden vor einer elektrostatischen Aufladung bei der Plasmaabscheidung der Wasserstoffbarrierenschicht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei der erfindungsgemäßen mikroelektronischen Struktur ein so genannte Recovery-Anneal nach der Abscheidung des Zwischenoxids durchgeführt werden kann, um vor Abscheidung der Wasserstoffbarrierenschicht eventuell entstandene Schädigungen in der wasserstoffempfindlichen Schicht zu beseitigen. Eine so ausgeheilte wasserstoffempfindliche Schicht ist bei der nachfolgenden Abscheidung der Wasserstoffbarrierenschicht durch das relativ dicke Zwischenoxid ausreichend geschützt.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Zwischenoxid um eine Siliziumoxidschicht, die mittels eines TEOS-Verfahrens oder mit einem SOG-(Spin-on-glas)Verfahren aufgebracht wird. Der Vorteil dieser Verfahren besteht darin, daß sie in ammoniakfreier Atmosphäre durchgeführt werden. So kann zum Beispiel das TEOS-Verfahren lediglich ozonaktiviert erfolgen. Ein weiterer Vorteil besteht in einer Planarisierung der Oberfläche der mikroelektronischen Struktur durch das Zwischenoxid. Die Planarisierung erleichtert die nachfolgenden Prozeßschritte. Daher ist das Zwischenoxid bevorzugt eine planarisierende Schicht.
Bevorzugt kleidet die Wasserstoffbarrierenschicht auch die Seitenwände der Kontaktlöcher aus, um ein seitliches Eindringen von Wasserstoff in das Zwischenoxid zu verhindern. Die Wasserstoffbarrierenschicht kann sowohl aus einem isolierenden als auch aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Sofern ein elektrisch leitendes Material verwendet wird, sollte dieses bevorzugt von einer isolierenden Schicht bedeckt werden, um eventuelle Kurzschlüsse zur Metallisierung zu vermeiden. Zur weiteren Verbesserung der elektrischen Isolation der aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellten Wasserstoffbarrierenschicht gegenüber kann die Wasserstoffbarrierenschicht von den Rändern der Kontaktlöcher zurückgezogen sein.
Bevorzugt ist das wasserstoffempfindliche Dielektrikum eine metalloxidhaltige Schicht, die ein Paraelektrikum oder ein Ferroelektrikum darstellt. Die metalloxidhaltige Schicht weist dabei bevorzugt die allgemeine Form ABO_x auf, wobei A für wenigstens ein Metall aus der Gruppe Barium (Ba), Strontium (Sr), Wismut (Bi), Blei (Pb), Zirkon (Zr), Lanthan (La), Niob (Nb), Kalium (K) oder Kalzium (Ca), B für Titan (Ti), Tantal (Ta), Niob (Nb) oder Ruthenium (Ru) und O für Sauerstoff (O) steht.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn das wasserstoffempfindliche Dielektrikum als Kondensatordielektrikum dient und zwischen zwei metallhaltigen Elektroden angeordnet ist, wobei eine der beiden Elektroden zwischen dem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum und dem Zwischenoxid angeordnet ist. Die Kondensatorelektroden bestehen dabei bevorzugt aus Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhenium (Re), Rhodium (Rh), Palladium (Pa), Iridium (Ir), Iridiumoxid, Rutheniumoxid, Strontium-Rutheniumoxid oder einer Legierung dieser Materialien.
Die Dicke des Zwischenoxids hängt stark von der bei der Herstellung der mikroelektronischen Struktur verwendeten Strukturgröße ab. Je kleiner die Strukturgröße (die minimal er reichbare lithografische Auflösung) ist, desto geringer wird in der Regel die Schichtdicke der einzelnen Funktionsschichten sein. Im Falle von dynamischen Halbleiterspeichern liegt dies daran, daß ein Speicherkondensatoren stets eine Mindestladung speichern muß, und dies bei verkleinerten Strukturen und damit verkleinerter Oberfläche nur durch eine Verringerung der Schichtdicke des Kondensatordielektrikums erreichbar ist. Mit der Verkleinerung der Strukturen müssen in der Regel grundsätzlich auch alle anderen Schichten dünner ausgeführt werden. Bei den derzeit gängigen Strukturgrößen zwischen 0,25 und 0,17 μm sollte das Zwischenoxid eine Schichtdicke von größer 200 nm haben. Bevorzugt ist das Zwischenoxid sogar dicker als 400 nm. Je dicker das Zwischenoxid ausgebildet wird, desto stärker tritt dessen schützende Wirkung in den Vordergrund. Bei zukünftigen Strukturgröße von 0,1 μm und darunter kann das Zwischenoxid eine geringere Schichtdicke als 200 nm aufweisen, da die Wasserstoffbarrierenschicht selbst ebenfalls dünner ausgebildet wird und damit sich die Abscheidungszeit in wasserstoffhaltiger Atmosphäre verringert.
Als weiterer Vorteil zeigte sich, daß die Haftung des wasserstoffempfindlichen Dielektrikums aufgrund der schützenden Wirkung des dicken Zwischenoxids in Verbindung mit der Wasserstoffdiffusionsbarriere auch nach einem Formiergas-Anneal gleichbleibend gut bleibt. Ein Ablösen einzelner Schichten konnte nicht beobachtet werden. Darüber hinaus schützt das dicke Zwischenoxid das darunter liegende wasserstoffempfindliche Dielektrikum auch vor den mechanischen Auswirkungen von Plasmaabscheideprozesse, die z. B. durch auftreffende Ionen hervorgerufen werden können.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu Herstellung einer mikroelektronischen Struktur mit einem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum anzugeben, bei dem der Schutz des wasserstoffempfindlichen Dielektrikums verbessert ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 bzw. 12 gelöst.
Bevorzugt wird das Zwischenoxid mittels Spin-on-glas oder einem TEOS-Verfahren aufgebracht. Weiterhin ist bevorzugt, wenn nach Aufbringen der Wasserstoffbarrierenschicht in das Zwischenoxid Kontaktlöcher geätzt und die Seitenwände der Kontaktlöcher mit einer isolierenden Schicht ausgekleidet werden. Die isolierende Schicht kann dabei aus demselben Material wie die Wasserstoffbarrierenschicht bestehen, so daß beide zusammen die Funktion der Wasserstoffbarrierenschicht übernehmen. Die Wasserstoffbarrierenschicht kann dagegen auch aus einem leitfähigen Material bestehen, wobei in diesem Fall die Wasserstoffbarrierenschicht von der isolierenden Schicht bedeckt sein sollte.
Grundsätzlich kann die isolierende Schicht aus zwei Teilschichten hergestellt werden, wobei die erste Teilschicht auf das Zwischenoxid bzw. auf die Wasserstoffbarrierenschicht vor der Ätzung der Kontaktlöcher, die zweite Teilschicht jedoch nach der Ätzung der Kontaktlöcher konform auf das Zwischenoxid aufgebracht wird, wobei die zweite Teilschicht anschließend anisotrop zur Bildung von die Seitenwände der Kontaktlöcher auskleidende Randstege zurückgeätzt wird. In diesem Fall wird die isolierende Schicht von der auf der Oberfläche des Zwischenoxids bzw. der Wasserstoffbarrierenschicht liegenden ersten Teilschicht und der die Seitenwände der Kon taktlöcher auskleidenden zweiten Teilschicht gebildet. Bevorzugt besteht die isolierende Schicht aus Siliziumnitrid.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand eines zeichnerisch in Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden.
Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße mikroelektronische Struktur,
2A–2C einzelne Verfahrensschritte zu Herstellung einer erfindungsgemäßen mikroelektronischen Struktur,
3 eine erfindungsgemäße mikroelektronische Struktur mit von den Rändern der Kontaktlöcher zurückgezogener Wasserstoffbarrierenschicht und einer isolierenden Schicht, und
4 eine erfindungsgemäße mikroelektronische Struktur mit aufgebrachter Metallisierung.
1 zeigt ein Halbleitersubstrat 2 das von einer mit Kontaktlöchern 4 durchsetzten Isolationsschicht 6 bedeckt ist. Auf der Isolationsschicht 6 oberhalb der jeweiligen Kontaktlöcher 4 befinden sich die unteren Elektroden 8 der einzelnen Speicherkondensatoren. Die Elektroden 8 bestehen dabei aus einer Metallelektrode 10 und einer zwischen der Metallelektrode 10 und dem jeweiligen Kontaktloch 4 befindlichen Sauerstoffbarrierenschicht 12. Die Sauerstoffbarrierenschicht 12 soll eine Diffusion von Sauerstoff durch die mit leitfähigen Material gefüllten Kontaktlöcher 4 zum Halbleitersubstrat 2 verhindern. Sofern die Kontaktlöcher 4 mit Polysilizium gefüllt sind, verhindert die Sauerstoffbarrierenschicht 12 die Oxidation von Polysilizium und sichert daher, daß die Kontaktlöcher 4 nicht von einer isolierenden Siliziumoxidschicht bedeckt sind. Die Sauerstoffbarrierenschicht kann auch mehrlagig aufgebaut sein. Ein geeignetes Material zur Herstellung der Sauerstoffbarrierenschicht ist zum Beispiel teilweise oxidiertes Iridiumoxid. Gegebenenfalls können sich zwischen Sauerstoffbarrierenschicht und der Isolationsschicht 6 Haftvermittlungsschichten befinden.
Die unteren Elektroden 8 sind jeweils mit einer ferroelektrische Schicht 14 und einer oberen Elektrode 16 in Form einer Metallschicht bedeckt. Die ferroelektrische Schicht und die Metallschicht werden jeweils konform abgeschieden und bevorzugt gemeinsam mittels anisotroper Ätzverfahren strukturiert. Aus der so strukturierten Metallschicht entstehen dann die oberen Elektroden 16.
Bevorzugt bestehen die Metallelektroden 10 und die oberen Elektroden 16 aus einem Edelmetall, wie zum Beispiel Platin, oder aus Palladium, Iridium, Rhenium, Osmium oder Ruthenium. Bevorzugte Materialien für die ferroelektrische Schicht 14 sind Strontium-Wismut-Tantalat (SBT, SrBi₂Ta₂O₉), Niobium dotiertes Strontium-Wismut-Tantalat (SBTN, SrBi₂(Ta,Nb)₂O₉), Blei-Zirkon-Titanat (Pb(Zr,Ti)O₃) oder Wismut-Titanat (BTO, Bi₄Ti₃O₁₂). Anstelle einer ferroelektrischen Schicht kann auch eine paraelektrische Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante (z. B. größer als 20, bevorzugt größer als 50) verwendet werden. Ein derartiges Material ist zum Beispiel Barium-Strontium-Titanat (BST, (Ba,Sr)TiO₃). Bei den vorstehend genannten Materialien handelt es sich durchweg um metalloxidhaltigen Materialien der allgemeinen Form ABO_x.
Die unteren Elektroden, die ferroelektrische Schicht und die oberen Elektroden bilden zusammen jeweils einen Speicherkondensator. Die Speicherkondensatoren sind mit einer planarisierenden Schicht 18 bedeckt, die hier das Zwischenoxid darstellt. Das Zwischenoxid 18 kann zur Vermeidung von Wasserstoff- und Plasmaschäden zum Beispiel mit einem SOG-Verfahren oder mit einem ozonaktivierten TEOS-Verfahren abgeschieden werden. Das SOG-Verfahren ist ein Niedertemperatur-Verfahren, bei dem es weder zu Plasma- nach zu Wasserstoffschädigungen kommen kann. Ein weiterer Vorteil des SOG-Verfahrens liegt in seiner hohen Planarisierung der Oberfläche. Bei einem ozonak tivierten TEOS-Verfahren wird ebenfalls in einer wasserstofffreien Atmosphäre gearbeitet. Grundsätzlich eignet sich jedes Oxid als Material für das Zwischenoxid 18, auch wenn es in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre abgeschieden wird. Ein derartiges Oxid sollte jedoch eine ausreichende Durchlässigkeit für Sauerstoff bieten, damit nach Abscheidung ein Recovery-Anneal in sauerstoffhaltiger Atmosphäre zur Beseitigung der Wasserstoffschäden in der ferroelektrischen Schicht durchgeführt werden kann.
Das Zwischenoxid 18 weist Kontaktlöcher 20 auf, die sich entweder bis zu den oberen Elektroden 16 oder bis zum Halbleitersubstrat 2 erstrecken. Die Kontaktlöcher sind mit einer isolierenden Schicht 22 ausgekleidet und mit einem leitfähigen Material 24 gefüllt. Die isolierende Schicht 22 bedeckt gleichzeitig auch die Oberfläche des Zwischenoxids 18. Die isolierende Schicht 22 bildet gleichzeitig die Wasserstoffbarrierenschicht. Die Auskleidung der Kontaktlöcher mit der als Wasserstoffbarrierenschicht dienenden isolierenden Schicht 22 vermindert eine seitliche Eindiffusion von Wasserstoff. Dadurch können die Kontaktlöcher 20 zum Beispiel auch mit Wolfram gefüllt werden, das üblicherweise in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre abgeschieden wird, bzw. bei dessen Abscheidung große Mengen an Wasserstoff freigesetzt werden.
Bevorzugt weist die ferroelektrische Schicht eine Dicke von 50–100 nm auf. Dagegen sollte die Dicke des Zwischenoxids mindestens 300–800 nm betragen. Diese Werte sind beispielhaft für eine Technologie mit einer Strukturbreite von 0,25 μm.
Die als Wasserstoffdiffusionsbarriere dienende isolierende Schicht 22 besteht bevorzugt aus Siliziumnitrid, daß mittels eines LP-CVD(low pressure chemical vapour deposition)-Verfahrens abgeschieden wird. Siliziumnitrid sollte dabei möglichst stöchiometrisch vorliegen.
Nachfolgend sollen einzelne Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens näher erläutert werden. In 2A ist ein Halbleitersubstrat 2 mit darüber befindlichem Zwischenoxid 18 dargestellt. Auf der Oberfläche des Zwischenoxids 18 ist eine Wasserstoffbarrierenschicht in einer ersten Teilschicht 28 angeordnet. Die erste Teilschicht 28 und das Zwischenoxid 18 wurden gemeinsam strukturiert. Alternativ kann auch die die erste Teilschicht 28 zuerst und nachfolgend das Zwischenoxid 18 unter Verwendung der strukturierten Teilschicht 28 als Maske geätzt werden. Mit der Ätzung werden Kontaktlöcher 20 in dem Zwischenoxid 18 geschaffen.
Nach erfolgter Ätzung wird konform eine zweite Teilschicht 30 aufgebracht, welche insbesondere die Seitenwände der Kontaktlöcher 20 bedeckt. Das Ergebnis dieses Prozeßschritts ist in 2B dargestellt.
Nachfolgend wird die zweite Teilschicht 30 anisotrop zurückgeätzt, so daß lediglich Randstege an den Seitenwänden der Kontaktlöcher verbleiben. Schließlich werden die Kontaktlöcher 20 mit einem leitfähigen Material 24 gefüllt. Die so erhaltene Struktur zeigt 2C. Die erste Teilschicht 28 und die zweite Teilschicht 30 bilden zusammen die Wasserstoffbarrierenschicht 22. Das zweistufige Verfahren zu Herstellung der Wasserstoffbarrierenschicht 22 dient insbesondere dazu, das Zwischenoxid 18 bis auf die Bodenbereiche vollständig mit der Wasserstoffbarrierenschicht zu bedecken.
Sofern die Wasserstoffbarrierenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, muß diese zur Vermeidung von Kurzschlüssen von einer isolierenden Schicht bedeckt werden. In diesem Fall wird auf das Zwischenoxid 18 zunächst die Wasserstoffbarrierenschicht und anschließend die isolierende Schicht bevorzugt in Form einer ersten Teilschicht aufgebracht. Anschließend werden die erste Teilschicht der isolie renden Schicht, die Wasserstoffbarrierenschicht und das Zwischenoxid geätzt, eine zweite Teilschicht konform abgeschieden und anisotrop zurückgeätzt. Dieser Verfahrensablauf unterschiedet sich von dem in den 2A–2B gezeigten lediglich dahingehend, daß die Wasserstoffbarrierenschicht unterhalb der nunmehr als isolierende Schicht 22 dienenden Teilschichten 28, 30 liegt.
Eine diesbezügliche Struktur zeigt 3. Dort ist die aus einem leitfähigen Material bestehende Wasserstoffdiffusionsbarriere 26 zusätzlich seitlich von den Rändern der Kontaktlöcher 20 zurückgesetzt. Damit soll die Isolation der leitfähigen Wasserstoffdiffusionsbarriere gegenüber den Kontaktlöchern verbessert werden.
Schließlich zeigt 4 eine ebenfalls von den Seitenrändern der Kontaktlöcher zurückgesetzte Wasserstoffdiffusionsbarriere aus einem leitfähigen Material. Oberhalb der Kontaktlöcher 20 sitzt die Metallisierung 32, die bevorzugt aus Aluminium, Kupfer, einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung besteht. Sofern die Wasserstoffbarrierenschicht 26 bzw. die isolierende Schicht 22 bis zu den Seitenrändern der Kontaktlöcher 20 und sogar in die Kontaktlöcher 20 hineinragt sitzt die Metallisierung 32 auch oberhalb dieser Schichten.
Als Materialien für die Wasserstoffdiffusionsbarriere kommen als elektrisch isolierende Materialien z. B. Siliziumnitrid uns Siliziumoxynitrid, und als elektrisch leitenden Materialien z. B. TiN, TiSiN, TaN, TaSiN (siehe z. B. deutsche Patentanmeldung 100 56 295.7 der gleichen Anmelderin, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird) in Frage.

2: Halbleitersubstrat
4: Kontaktloch
6: Isolationsschicht
8: untere Elektrode
10: Metallelektrode
12: Sauerstoffbarrierenschicht
14: ferroelektrische Schicht/paraelektrische Schicht/metalloxidhaltige Schicht
16: obere Elektrode
18: Zwischenoxid
20: Kontaktloch
22: isolierende Schicht/Wasserstoffbarrierenschicht
24: leitfähiges Material
26: Wasserstoffbarrierenschicht
28: erste Teilschicht
30: zweite Teilschicht/Randstege
32: Metallisierung

Claims

Mikroelektronische Struktur mit einem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum (14), das von einer Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) aus einem elektrisch isolierenden Material bedeckt ist, wobei zwischen dem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum (14) und der Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) zumindest ein Zwischenoxid (18) angeordnet ist, das mindestens fünfmal so dick wie das wasserstoffempfindliche Dielektrikum (14) ist, wobei im Zwischenoxid (18) mit leitfähigem Material (24) gefüllte Kontaktlöcher (20) angeordnet sind und die Wasserstoffbarrierenschicht (22) die Seitenwände der Kontaktlöcher (20) auskleidet.
Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenoxid (18) eine Spin-on-glas oder eine TEOS-Schicht ist.
Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) aus Siliziumnitrid besteht.
Mikroelektronische Struktur mit einem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum (14), das von einer Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) aus einem elektrisch leitenden Material bedeckt ist, wobei zwischen dem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum (14) und der Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) zumindest ein Zwischenoxid (18) angeordnet ist, das mindestens fünfmal so dick wie das wasserstoffempfindliche Dielektrikum (14) ist, wobei im Zwischenoxid (18) mit leitfähigem Material (24) gefüllte Kontaktlöcher (20) angeordnet sind und die Wasserstoffbarrierenschicht (26) von einer isolierenden Schicht (22, 28, 30) bedeckt ist, die die Seitenwände der Kontaktlöcher (20) auskleidet.
Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffbarrierenschicht (26) von den Rändern der Kontaktlöcher (20) beabstandet ist.
Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffempfindliche Dielektrikum (14) eine metalloxidhaltige Schicht ist.
Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metalloxidhaltige Schicht (14) ein Ferroelektrikum oder ein Paraelektrikum ist.
Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die metalloxidhaltige Schicht (14) die allgemeine Form ABO_x aufweist, wobei A für wenigstens ein Metall aus der Gruppe Barium (Ba), Strontium (Sr), Wismut (Bi), Blei (Pb), Zirkon (Zr), Lanthan (La), Niob (Nb), Kalium (K) oder Kalzium (Ca), B für Titan (Ti), Tantal (Ta), Niob (Nb) oder Ruthenium (Ru) und O für Sauerstoff (O) steht.
Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffempfindliche Dielektrikum (14) als Kondensatordielektrikum dient und zwischen zwei metallhaltigen Elektroden (8, 16) angeordnet ist, wobei eine der beiden Elektroden (8, 16) zwischen dem wasserstoffempfindlichen Dielektrikum (14) und dem Zwischenoxid (18) angeordnet ist.
Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die metallhaltigen Elektroden (8, 16) aus Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhenium (Re), Rhodium (Rh), Palladium (Pa), Iridium (Ir), Iridiumoxid, Rutheniumoxid, Strontium-Rutheniumoxid oder einer Legierung dieser Materialien besteht.
Verfahren zu Herstellung einer mikroelektronischen Struktur, die ein von einer Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) bedecktes wasserstoffempfindliches Dielektrikum (14) aufweist, mit den Schritten: – ein wasserstoffempfindliches Dielektrikum (14) wird auf ein Substrat (2, 6) aufgebracht; – auf das wasserstoffempfindliche Dielektrikum (14) wird zumindest ein Zwischenoxid (18) in einer Dicke aufgebracht, die mindestens das fünffache der Dicke des wasserstoffempfindlichen Dielektrikums (14) beträgt; – das Zwischenoxid (18) wird mit einer Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) aus einem isolierendem Material bedeckt, und – nach Aufbringen der Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) werden in das Zwischenoxid (18) Kontaktlöcher (20) geätzt und die Seitenwände der Kontaktlöcher (20) mit einer isolierenden Schicht (22, 30) ausgekleidet, wobei die isolierende Schicht (22, 28, 30) aus dem gleichen Material wie die Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) besteht und beide zusammen die Wasserstoffbarrierenschicht bilden.
Verfahren zu Herstellung einer mikroelektronischen Struktur, die ein von einer Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) bedecktes wasserstoffempfindliches Dielektrikum (14) aufweist, mit den Schritten: – ein wasserstoffempfindliches Dielektrikum (14) wird auf ein Substrat (2, 6) aufgebracht; – auf das wasserstoffempfindliche Dielektrikum (14) wird zumindest ein Zwischenoxid (18) in einer Dicke aufgebracht, die mindestens das fünffache der Dicke des wasserstoffempfindlichen Dielektrikums (14) beträgt; – das Zwischenoxid (18) wird mit einer Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) aus einem elektrisch leitendem Material bedeckt, und – nach Aufbringen der Wasserstoffbarrierenschicht (22, 26) werden in das Zwischenoxid (18) Kontaktlöcher (20) geätzt und die Seitenwände der Kontaktlöcher (20) mit einer isolierenden Schicht (22, 30) ausgekleidet, wobei die Wasserstoffbarrierenschicht (26) von der isolierenden Schicht (22, 28, 30) bedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenoxid (18) mittels Spin-on-glas oder einem TEOS-Verfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (22) aus zwei Teilschichten (28, 30) hergestellt wird, wobei die erste Teilschicht (28) auf das Zwischenoxid (18) bzw. auf die Wasserstoffbarrierenschicht (26) vor der Ätzung der Kontaktlöcher (20) und die zweite Teilschicht (30) nach der Ätzung der Kontaktlöcher (20) konform auf das Zwischenoxid (18) und die erste Teilschicht (28) aufgebracht wird, wobei die zweite Teilschicht (30) anschließend anisotrop zur Bildung von die Seitenwände der Kontaktlöcher (20) auskleidende Randstege (30) zurück geätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (22, 28, 30) aus Siliziumnitrid besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffempfindliche Dielektrikum (14) von einer metalloxidhaltige Schicht der allgemeine Form ABO_x gebildet wird, wobei A für wenigstens ein Metall aus der Gruppe Barium (Ba), Strontium (Sr), Wismut (Bi), Blei (Pb), Zirkon (Zr), Lanthan (La), Niob (Nb), Kalium (K) oder Kalzium (Ca), B für Titan (Ti), Tantal (Ta), Niob (Nb) oder Ruthenium (Ru) und O für Sauerstoff (O) steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf das wasserstoffempfindliche Dielektrikum (14) eine metallhaltige Elektrode (16) aufgebracht wird, die von dem Zwischenoxid (18) bedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die metallhaltige Elektrode (16) aus Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhenium (Re), Rhodium (Rh), Palladium (Pa), Iridium (Ir), Iridiumoxid, Rutheniumoxid, Strontium-Rutheniumoxid oder einer Legierung dieser Materialien besteht.