DE10131716A1

DE10131716A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung durch eine zweistufige Thermalbehandlung

Info

Publication number: DE10131716A1
Application number: DE10131716A
Authority: DE
Inventors: Seok-Jun Won; Yun-Jung Lee; Soon-Yeon Park; Cha-Young Yoo; Doo-Sup Hwang; Eun-Ae Chung; Wan-Don Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: GB0115702D0; JP2002203914A; KR20020049389A; JP3989195B2; FR2818440B1; KR100360413B1; GB2370412B; FR2818440A1; US6472319B2; GB2370412A; TW495923B; US20020076878A1; DE10131716B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung durch eine zweistufige Thermalbehandlung vorgesehen. Eine untere Elektrode wird auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet. Eine dielektrische Schicht ist über der unteren Elektrode ausgebildet. Eine obere Elektrode aus Edelmetall wird über der dielektrischen Schicht ausgebildet. Die resultierende Struktur mit der oberen Eleketrode erfährt eine erste Thermalbehandlung bei einer ersten Atmosphäre mit Sauerstoff und bei einer ersten Temperatur, welche aus dem Bereich von 200-600 DEG C auszuwählen ist und welche niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode ist. Die sich nach der ersten Thermalbehandlung ergebende Struktur erfährt eine zweite Thermalbehandlung bei einer zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff und bei einer zweiten Temperatur, welche aus einem Bereich von 300-900 DEG C auszuwählen ist und welche höher als die erste Temperatur ist.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der Koreanischen Anmeldung Nr. 2000-7847, die am 19. Dezember 2000 angemeldet worden ist, und auf deren Offenba rung im Folgenden vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter speichervorrichtung, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensa tors, das ein Thermalbehandlungsverfahren zum Verbessern der elektrischen Eigen schaften eines Kondensators enthält.

Da die Integrationsdichte von Halbleiterspeichervorrichtungen immer weiter wächst, nimmt der von den Speicherzellenbereich beanspruchte Raum immer weiter ab. Eine Verringerung der Zellenkapazität ist typischerweise ein ernsthaftes Hindernis, um die Integration einer dynamischen Speichervorrichtung mit wahlfreien Zugriff (DRAM) mit Speicherkondensatoren zur erhöhen. Eine Verringerung der Zellkapazität verringert nicht nur die Fähigkeit eine Speicherzelle zu lesen und erhöht eine Soft-Error-Rate, sondern macht ebenso den Betrieb der Vorrichtung bei niedriger Spannung schwierig und erhöht den Leistungsverbrauch während des Betriebs einer Vorrichtung. Daher sollte ein Verfahren zur Herstellung einer hochintegrierten Halbleiterspeichervorrich tung entwickelt werden, welches eine Zellkapazität erhöhen kann.

Im Allgemeinen werden die dielektrischen Eigenschaften der Zellkapazität anhand der äquivalenten Oxiddicke (Toxeq) und der Leckstromdichte beurteilt. Die Toxeq ist ein Wert, der durch ein Umwandeln der Dicke einer dielektrischen Schicht, die aus ei nem anderen Material als einer Siliziumoxidsubstanz ausgebildet ist, in die Dicke einer aus einer Siliziumoxidsubstanz ausgebildeten dielektrischen Schicht erzielt wird. Je kleiner der Wert der Toxeq wird, desto größer ist die Kapazität. Um die elektrischen Eigenschaften des Kondensators zu verbessern, wird ebenso ein kleiner Wert für die Leckstromdichte bevorzugt.

Zum Erhöhen der Zellkapazität wurden Verfahren untersucht, bei welchen eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumoxidschicht durch eine hoch dielektrische Schicht mit einer großen Dielektrizitätskonstanten als eine dielektrische Schicht eines Kondensators ersetzt worden ist. Dementsprechend wurde ein dielektrisches Metalloxid, wie beispielsweise Ta₂O₅, (Ba,Sr)TiO₃(BST), Pb(Zr,Ti)O₃(PZT) als geeigneter Kandi dat für ein dielektrisches Schichtmaterial bei einem Kondensator für eine Halbleiter speichervorrichtung, das eine große Kapazität verleiht, festgestellt.

Zur Herstellung eines Kondensators, welcher eine dielektrische Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten aufweist, wird im Allgemeinen eine Thermalbehand lung bei einer Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, bzw. einer Atmosphäre mit Sauerstoff durchgeführt, nachdem die obere Elektrode ausgebildet worden ist, um die Leck stromeigenschaften und dielektrischen Eigenschaften des Kondensators zu verbessern. Die Thermalbehandlung verbessert die Leckstromeigenschaften des Kondensators, aber die Temperatur der Thermalbehandlung muß hoch sein, um einen zufriedenstellenden Effekt für eine Verbesserung der Leckstromeigenschaften zu erzielen. Um ebenso bei den elektrischen Eigenschaften einen zufriedenstellenden Wert zu erreichen, hängt die Temperatur der Thermalbehandlung nach der Ausbildung einer oberen Elektrode von der Art der dielektrischen Schicht ab, die verwendet wird, und dem Thermalbehand lungzustand der dielektrischen Schicht.

Um eine Kapazität mit einem vernünftigen Wert bei einer Halbleitervorrichtung zu erzielen, welche immer weiter integriert wird, ist ein Verfahren entwickelt worden, das ein kostbares Material wie beispielsweise Ru und Pt als Elektrodenmaterial verwen det. Beispielsweise können für den Fall, bei dem eine Ta₂O₅-Schicht unter einer Stick stoffatmosphäre als eine dielektrische Schicht kristallisiert, die Leckstromeigenschaften nur bei einer Thermalbehandlung bei einer Temperatur, die 500°C oder mehr beträgt, und bei einer Sauerstoffatmosphäre nach einem Ausbilden einer oberen Elektrode ver bessert werden. Für den Fall jedoch, bei dem eine Ru-Schicht durch ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) über der Ta₂O₅-Schicht als eine obere Elektrode ausgebildet wird, wird die aus Ru ausgebildete obere Elektrode oxidiert, falls nach dem Ausbilden der oberen Elektrode die Temperatur der Thermalbehandlung bei einer Sauerstoffatmosphäre 450°C oder mehr beträgt, so daß es schwierig ist, eine Thermalbehandlung bei einer Temperatur von 450°C oder mehr durchzuführen. Für den Fall, bei dem die Ta₂O₅-Schicht als eine dielektrische Schicht ausgebildet wird, ist eine Verbesserungswirkung für den Leckstrom bei einer Thermalbehandlung von 400°C sehr gering.

Auch für den Fall, bei dem eine BST-Schicht, die durch das CVD-Verfahren aus gebildet worden ist, als eine dielektrische Schicht verwendet wird, können zufrieden stellende elektrische Eigenschaften nach dem Ausbilden einer oberen Elektrode nur durch eine Thermalbehandlung bei einer Sauerstoffatmosphäre und einer Temperatur von 500°C oder mehr erzielt werden. Für den Fall jedoch, bei dem eine Ru-Schicht als eine obere Elektrode ausgebildet worden ist, beginnt die Ru-Schicht bei einer Tempe ratur von 450°C oder mehr rasch zu oxidieren, so daß es unmöglich ist, eine Thermal behandlung bei einer Temperatur von 500°C oder mehr durchzuführen.

Um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorlie genden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halblei terspeichervorrichtung zu schaffen, welche die elektrischen Eigenschaften eines Kon densators durch Beschränken der Oxidation einer oberen Elektrode, ohne die Tempera tur einer Thermalbehandlung zu verringern, wirksam verbessern kann, um die Leck stromeigenschaft und die elektrischen Eigenschaften eines Kondensators zu verbessern.

Um diese Aufgabe zu lösen wird demgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß eines Aspekts der vorlie genden Erfindung vorgesehen, bei dem die untere Elektrode auf einem Halbleitersub strat ausgebildet ist. Eine dielektrische Schicht wird über der unteren Elektrode ausge bildet. Eine obere Elektrode, die aus einem Edelmaterial bzw. Edelmetall ausgebildet ist, wird über der dielektrischen Schicht ausgebildet. Die sich ergebende Struktur mit der oberen Elektrode erfährt anschließend eine erste Thermalbehandlung bei einer ersten Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, wobei die erste Temperatur aus einem Bereich von 200-600°C auszuwählen ist und die niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode sein muß. Die sich nach der ersten Thermalbehandlung ergebende Struktur erfährt eine zweite Thermalbehandlung bei einer zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff und bei einer zweiten Temperatur, welche aus einem Bereich von 300-900°C auszu wählen ist und die höher als die erste Temperatur ist.

Die unter Elektrode kann aus einer einzigen Schicht aus dotiertem Polysilizium, TiN, TaN, WN, W, Pt, Ru, Ir, RuO, oder IrO₂ oder einer komplexen Schicht daraus aus gebildet werden. Die dielektrische Schicht kann aus einer einzigen Schicht aus Ta₂O₅, TiO₂, (Ba, Sr)TiO₃(BST), StTiO₃(ST), SiO₂, Si₃N₄, oder PbZrTiO₃(PZT) oder einer komplexen Schicht daraus ausgebildet werden. Die obere Elektrode kann aus Ru, Pt, Ir, RuO₂ oder IrO₂ ausgebildet sein. Bei dem ersten Thermalbehandlungsschritt enthält die erste Atmosphäre Sauerstoff mit einer Konzentration von 0,01-100 Vol.-%. Hierbei kann die erste Atmosphäre O₂-, N₂O-, oder O₃-Gas enthalten. Die zweite Atmosphäre bei dem zweiten Thermalbehandlungsschritt ist eine Edelgasatmosphäre oder eine Hochvakuumatmosphäre. Die ersten und zweiten Thermalbehandlungsschritte können in-situ in der gleichen Kammer durchgeführt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervor richtung gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung enthält ferner einen Schritt eines Ausbildens einer Siliziumnitridschicht, welche die untere Elektrode nach deren Ausbildung abdeckt. Ebenso enthält ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Konden sators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß dem Aspekt der vorliegenden Er findung einen Schritt einer Thermalbehandlung der dielektrischen Schicht nach deren Ausbildung. Falls die dielektrische Schicht bei einer Atmosphäre mit Sauerstoff ther misch behandelt worden ist, wird sie bei einer Temperatur von 200-800°C thermisch behandelt. Falls die dielektrische Schicht bei einer Atmosphäre ohne Sauerstoff ther misch behandelt worden ist, wird sie bei einer Temperatur von 500-800°C thermisch behandelt.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiter speichervorrichtung gemäß eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine untere Elektrode auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet. Eine dielektrische Schicht, die aus einer Ta₂O₅-Schicht ausgebildet ist, wird über der unteren Elektrode ausgebildet. Die dielektrische Schicht wird thermisch behandelt. Eine obere Elektrode, die aus Ru ausgebildet ist, wird über der thermisch behandelten dielektrischen Schicht ausgebildet. Die sich ergebende Struktur mit der oberen Elektrode erfährt eine erste Thermalbe handlung bei einer ersten Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, und bei einer ersten Tem peratur, welche aus einem Bereich von 300-500°C ausgewählt wird und niedriger als die Oxidationstemperatur der unteren Elektrode ist. Die sich nach der ersten Thermalbe handlung ergebende Struktur erfährt eine zweite Thermalbehandlung bei einer zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff und bei einer zweiten Temperatur, welche aus einem Be reich von 500-700°C ausgewählt ist und höher als die erste Temperatur ist.

Um die elektrischen Eigenschaften eines Kondensators zu verbessern, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Oberfläche einer oberen Elektrode nicht oxidiert und ein ausreichender Heilungseffekt (effect of curing) einer dielektrischen Schicht kann, nach dem die obere Elektrode ausgebildet worden ist, durch eine zweistufige Thermalbe handlung erzielt werden, so daß Leckstromeigenschaften und dielektrische Eigenschaf ten eines Kondensators verbessert sind und verbesserte elektrische Eigenschaften erzielt werden können.

Fig. 1A bis 1G sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung in der Reihenfolge ihrer Verarbeitung zeigen.

Fig. 2A und 2B sind Graphen, die die Auswertungsergebnisse der Leckstromei genschaften eines Kondensators darstellen, der durch das Verfahren gemäß der vorlie genden Erfindung hergestellt worden ist.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beilie gende Zeichnung, in welcher bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung gezeigt sind, detaillierter beschrieben. Die Erfindung kann jedoch zahlreiche un terschiedliche Formen enthalten und sollte nicht als auf die darin gezeigten Ausfüh rungsformen beschränkt ausgelegt werden; vielmehr sind diese Ausführungsformen vorgesehen, um die Offenbarung genau und vollständig zu machen und dem Fachmann das Konzept der Erfindung vollständig zu vermitteln. Bei der Zeichnung ist die Dicke der Schichten und der Bereiche der Übersichtlichkeit halber stark vergrößert dargestellt. Wenn eine Schicht als "auf" auf einer anderen Schicht oder einem Substrat bezeichnet wird, ist darunter zu verstehen, daß sie direkt auf einer anderen Schicht oder einem an deren Substrat sein kann oder dazwischenliegende Schichten vorhanden sein können. Gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren repräsentieren das gleiche Element und daher wird ihre wiederholte Beschreibung weggelassen.

Fig. 1A bis 1G sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung in der Reihenfolge einer Verarbeitung darstellen.

Gemäß Fig. 1A ist eine untere Elektrode 20 auf einem Halbleitersubstrat 10 aus gebildet. Die untere Elektrode 20 kann als eine einzige Schicht aus einem leitenden Material wie beispielsweise dotiertem Polysilizium, W, Pt, Ru, Ir, einem leitenden Me tallnitrid wie beispielsweise TiN, TaN, WN oder einem leitenden Metalloxid wie bei spielsweise RuO₂ oder IrO₂, oder einer komplexen Schicht daraus ausgebildet sein.

Gemäß Fig. 1B wird eine Siliziumnitridschicht 30, welche die untere Elektrode 20 abdeckt, ausgebildet. Der Grund für die Ausbildung der Siliziumnitridschicht 30 ist zu verhindern, daß die äquivalente Oxiddicke (Toxeq) aufgrund einer Oxidation einer unte ren Elektrode 20 während des folgenden Verfahrens höher wird. Die Siliziumnitrid schicht ist besonders effektiv, wenn die untere Elektrode 20 aus dotiertem Polysilizium ausgebildet ist. Um die Siliziumnitridschicht 30 auszubilden, kann die sich ergebende Struktur mit der unteren Elektrode 20 durch Freilegen der unteren Elektrode für eine NH₂-Atmosphäre thermisch behandelt werden. Alternativ ist es möglich, ein Verfahren zum Abscheiden einer Si₃N₄-Schicht unter Verwendung von CVD zu anzuwenden. Die Siliziumnitridschicht 30 wird vorzugsweise bis zu einer Dicke im Bereich von 5-30 Å ausgebildet. Der Schritt des Ausbildens der Siliziumnitridschicht 30 kann auch wegge lassen werden, falls die Umstände dies erfordern.

Gemäß Fig. 1C wird auf der gesamten Oberfläche der resultierenden Struktur mit der Siliziumnitridschicht 30 eine dielektrische Schicht 40 ausgebildet. Die dielektrische Schicht 40 kann aus einer einzigen Schicht aus Ta₂O₅, TiO₂, (Ba,Sr)TiO₃(BST), StTiO₂(ST), SiO₁, Si₃N₄, oder PbZrTiO₃(PZT) oder einer komplexen Schicht daraus, ausgebildet sein. Falls eine Ta₂O₅-Schicht als dielektrische Schicht 40 verwendet wird, wird es bevorzugt, daß die Dicke innerhalb eines Bereichs von ungefähr 40-100 Å ist.

Gemäß Fig. 1D erfährt die dielektrische Schicht 40 eine Thermalbehandlung 42. Falls eine Ta₂O₅-Schicht als die dielektrische Schicht 40 ausgebildet ist, kann die Wär mehandlung 42 bei einer Temperatur von 200-900°C durchgeführt werden. Die Ther malbehandlung 42 kann bei einer Inertgas-Atmosphäre ohne Sauerstoff oder einer At mospähre, die Sauerstoff enthält, durchgeführt werden. Falls die Thermalbehandlung 42 der dielektrischen Schicht 40 bei einer Inertgas-Atmospäre durchgeführt worden ist, kann die Temperatur der thermischen Behandlung 42 aus einem Bereich von 500-800°C ausgewählt werden. Falls die Thermalbehandlung 42 der dielektrischen Schicht 40 bei einer Atmosphäre mit Sauerstoff durchgeführt worden ist, kann die Temperatur der Thermalbehandlung 42 aus einem Bereich von 200-800°C ausgewählt werden. O₂- N₂O- oder O₃-Gas kann zum Durchführen der thermischen Behandlung der dielektri schen Schicht 40 bei der Atmosphäre mit Sauerstoff verwendet werden. Die Thermalbe handlung 42 führt zur Kristallisation der dielektrischen Schicht 40, und verringert einen Einfluß des darauffolgenden Hochtemperatur-Thermalbehandlungsverfahrens, so daß die elektrischen Eigenschaften verbessert werden können.

Gemäß Fig. 1E wird eine obere Elektrode 50 über der dielektrischen Schicht 40 ausgebildet, welche eine Thermalbehandlung 42 erfährt. Die obere Elektrode 50 kann aus einem Gruppe-VIII-Edelmetalle, z. B. Ru, Pt und Ir, ausgebildet sein und kann aus einem leitenden kostbaren Metalloxid, wie beispielsweise RuO, und IrO₂, ausgebildet sein, welche die Rolle eines Katalysators für ein Aufspalten von Sauerstoffmolekülen spielen, und weist die gleiche Permeabilität für Sauerstoff auf.

Gemäß Fig. 1F erfährt die resultierende Struktur mit der oberen Elektrode 50 eine erste Thermalbehandlung 52 bei einer ersten Atmosphäre mit Sauerstoff und bei einer ersten Temperatur (T₁), welche aus einem Bereich von 200-600°C ausgewählt worden ist und welche niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode 50 ist. Hier bei enthält die erste Atmosphäre Sauerstoff in einer Konzentration von 0,01-100 Vol.-%, vorzugsweise ungefähr 5 Vol.-%. Um dies zu erreichen, kann die erste Atmosphäre O₂-, N₂O- oder O₃-Gas enthalten. Hierbei besteht das andere bzw. restliche Gas der er sten Atmospäre aus einem Inertgas, wie beispielsweise N₂ oder Ar. Falls die dielektri sche Schicht 40 beispielsweise aus einer Ta₂O₅-Schicht ausgebildet worden ist, und die untere Elektrode 50 aus einer Ru-Schicht durch Abscheiden mittels dem CVD-Verfah ren ausgebildet worden ist, kann die erste Temperatur (T₁) der ersten Thermalbehand lung 52 300-500°C betragen, vorzugsweise 350-450°C. Da die erste Thermalbe handlung 52, die bei der ersten Atmosphäre mit Sauerstoff durchgeführt worden ist, bei der ersten Temperatur (T₁), die niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elek trode ist, durchgeführt worden ist, wird die freigelegte Oberfläche der oberen Elektrode 50 nicht oxidiert, und ein in der ersten Atmosphäre enthaltener Sauerstoff penetriert die untere Elektrode 50. Folglich stapeln bzw. sammeln sich die Sauerstoffatome nahe der Schnittstelle bzw. Grenzfläche zwischen der oberen Elektrode 50 und der dielektrischen Schicht 40 an. Die nahe der Schnittstelle angesammelten Sauerstoffatome heilen die dielektrische Schicht 40 aufgrund der niedrigen Reaktionstemperatur nicht und verblei ben um die Schnittstelle herum in ihrem nicht-reagierten Zustand. Für die erste Ther malbehandlung 52 ist es möglich, einen Ofen oder eine Thermalverarbeitungsvorrich tung vom Single-Wafer-Typ zu verwenden. Vorzugsweise wird die erste Thermalbe handlung 52 in einem Schmelzofen für eine thermische Schnellverarbeitung (Rapid Thermal Processing = RTP) durchgeführt.

Gemäß Fig. 1G erfährt die resultierende Struktur, welche die erste Thermalbe handlung 52 erfahren hat, eine zweite Thermalbehandlung 54 bei einer zweiten At mosphäre ohne Sauerstoff. Die zweite Thermalbehandlung 54 wird bei der zweiten Temperatur (T₂) durchgeführt, die aus einem Bereich von 300 bis 900°C ausgewählt worden ist und die höher als die erste Temperatur (T₁) ist. Für die zweite Thermalbe handlung 54 ist es möglich, einen Schmelzofen oder eine Thermalverarbeitungsvor richtung vom Single-Wafer-Typs zu verwenden. Vorzugsweise wird die erste Thermal behandlung 52 und die zweite Thermalbehandlung 54 in der gleichen Kammer in-situ durchgeführt. Bei der zweiten Thermalbehandlung 54 kann die zweite Atmosphäre eine Inertgas-Atmosphäre, beispielsweise aus N₂ oder Ar, oder eine Hochvakuum-At mosphäre sein.

Falls die dielektrische Schicht 40 beispielsweise aus einer Ta₂O₅-Schicht ausge bildet ist und die obere Elektrode 50 aus einer Ru-Schicht, die mittels eines CVD-Ver fahrens abgeschieden worden ist, ausgebildet ist, kann die zweite Temperatur (T₂) der zweiten Thermalbehandlung 54 500-700°C betragen, vorzugsweise 600-650°C. Die zweite Temperatur (T₂), die während der zweiten Thermalbehandlung 54 angewendet wird, ist so gewählt, das sie ausreicht, die Sauerstofflücke (vacancy) innerhalb der di elektrischen Schicht zu heilen, und baumelnde Bindungen (dangling bonds), die auf der Schnittstelle zwischen der oberen Elektrode 50 und der dielektrischen Schicht vorhan den sind, zu entfernen. Um bei der Thermalbehandlung die dielektrischen Eigenschaften eines Kondensators zu verbessern, wird bei einer zweistufigen Thermalbehandlung die erste Thermalbehandlung 52, welche auf der resultierenden Struktur mit der oberen Elektrode 50 bei der ersten Atmosphäre mit Sauerstoff und der ersten Temperatur (T₁), die niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode 50 ist, und die zweite Thermalbehandlung 54, welche bei der zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff und bei der zweiten Temperatur (T₂), die höher als die erste Temperatur (T₁) ist, sukzessive durch geführt, so daß die Oberfläche der oberen Elektrode nicht oxidiert wird und ein aus reichender Heilungseffekt der dielektrischen Schicht 40 erzielt werden kann. Daher können Leckstromeigenschaften und dielektrische Eigenschaften eines Kondensators ohne Oxidation der oberen Elektrode 50 verbessert werden.

Fig. 2A und 2B sind Graphen, die Auswertungsergebnisse der Leckstromeigen schaften eines Kondensators darstellen, der durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. Fig. 2A zeigt die Auswertungsergebnisse eines Ver gleichsbeispiels und Fig. 2B zeigt ein Auswertungsergebnis eines Kondensators, der durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. Für die Auswertung von Fig. 2A und 2b wurde, nachdem eine untere Elektrode aus dotiertem Polysilizium auf dem Halbleitersubstrat mit einer Dicke von 400 Å ausgebildet worden ist, eine schnelle Thermal-Nitridation (rapid thermal nitridation = RTN) durchgeführt und eine Siliziumnitridschicht auf der unteren Elektrode ausgebildet. Als nächstes wurde eine dielektrische Schicht aus Ta₂O₅ auf der Siliziumnitridschicht unter Verwen dung des CVD-Verfahrens mit einer Dicke von 90 Å ausgebildet. Nachdem die dielek trische Schicht in der N₂-Atmosphäre beider Temperatur von 700°C thermisch behan delt worden ist und kristallisiert hat, ist auf der dielektrischen Schicht unter Verwen dung des CVD-Verfahrens eine Ru-Schicht mit einer Dicke von 800 Å ausgebildet wor den, und ist zum Ausbilden einer oberen Elektrode maskiert worden. Als nächstes erfuhr die sich ergebende Struktur mit der oberen Elektrode bei einer Atmosphäre mit 5 Vol.-% O₂ und dem verbleibenden N₂-Gas eine erste Thermalbehandlung bei einer Tempe ratur von 400°C, bei welcher die obere Elektrode nicht oxidiert worden ist, und an schließend das in Fig. 2A dargestellte Ergebnis der Auswertung eines Leckstrom erzielt. Bei Fig. 2A stellt die (-•-) Linie das Ergebnis eines gemessenen Leckstroms unmit telbar nach Ausbildung der oberen Elektrode dar und die (--) Linie das Ergebnis des gemessenen Leckstroms nach der ersten Thermalbehandlung der entstandenen Struktur mit der oberen Elektrode bei den zuvor erwähnten Bedingungen dar. Aus dem Ergebnis in Fig. 2A läßt sich ablesen, daß ein Verbesserungseffekt beim Leckstrom bei dem Er gebnis für die obere Elektrode, die eine erste Thermalbehandlung unter vorstehenden Bedingungen erfahren hat, nicht groß ist, verglichen mit dem Leckstrom vor der ersten Thermalbehandlung. Dies kommt daher, daß die Heilung der dielektrischen Schicht nicht ausreichend durchgeführt worden ist.

Fig. 2B zeigt ein Ergebnis der Auswertung des Leckstroms, das erzielt worden ist, nachdem die nach der ersten Thermalbehandlung entstandene Struktur eine zusätz liche zweite Thermalbehandlung bei einer Atmosphäre von 100 Vol.-% N₂ und bei ei ner Temperatur von 600°C gemäß den oben stehenden Bedingungen erfahren hat. Falls die zweite Thermalbehandlung gemäß den oben stehenden Bedingungen durchgeführt worden ist, zeigt das Ergebnis in Fig. 2B deutlich, daß Leckstromeigenschaften in einem unteren Spannungsbereich stark verbessert sind.

Der Grund, warum die obigen Ergebnisse erzielt worden sind, ist der Folgende: Sauerstoff, der in der Atmosphäre der ersten Thermalbehandlung enthalten ist, oxidiert nicht die Oberfläche der oberen Elektroden und penetriert in die obere Elektrode. Bei der ersten Thermalbehandlungstemperatur von 400°C ist jedoch die Reaktionstempera tur nicht ausreichend, so daß Defekte, die innerhalb der dielektrischen Schicht vorhan den sind, nicht ausheilen (cure), und der Sauerstoff sammelt sich in der Nähe der Grenz fläche zwischen der oberen Elektrode und der dielektrischen Schicht an. Die in der Nähe der Schnittstelle angesammelten Sauerstoffatome erfahren die zweite Thermalbehand lung und die Defekte innerhalb der dielektrischen Schicht werden geheilt. D. h., der Grund, warum die Wirksamkeit einer Verbesserung bei den Leckstromeigenschaften nach der ersten Thermalbehandlung bei der Atmosphäre mit Sauerstoff bei 400°C nicht ausreichend ist, ist nicht aufgrund einer ungenügenden Zufuhr von Sauerstoff, sondern wegen eines Reaktionsgrades zwischen dem zugeführten Sauerstoff und den Defekten innerhalb der dielektrischen Schicht.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspei chervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nach dem Ausbilden einer obe ren Elektrode für eine Thermalbehandlung zum Verbessern der elektrischen Eigen schaften des Kondensators eine erste Thermalbehandlung auf der sich ergebenden Struktur mit der oberen Elektrode bei der ersten Atmosphäre mit Sauerstoff und der ersten Temperatur, die niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode ist, durchgeführt, und anschließend die zweite Thermalbehandlung in der zweiten Atmo sphäre ohne Sauerstoff bei der zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, durchgeführt. Durch eine zweistufige Thermalbehandlung, die aus der ersten und zweiten Thermalbehandlung besteht, wird die Oberfläche der oberen Elektrode nicht oxidiert, und ein ausreichender Heilungseffekt einer dielektrischen Schicht kann erzielt werden. Daher sind die Leckstromeigenschaften und die Elektrizitätseigenschaften eines Kondensators verbessert und verbesserte elektrische Eigenschaften können erzielt wer den.

Während diese Erfindung unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungs formen gezeigt und beschrieben worden ist, ist es jedoch dem Fachmann ersichtlich, daß zahlreiche Veränderungen in Form und Detail gemacht werden können, ohne den Inhalt und den Umfang der Erfindung, wie er durch die beiliegenden Ansprüche bestimmt ist, zu verlassen. In der Zeichnung und der Beschreibung sind typische, bevorzugte Ausfüh rungsformen der Erfindung offenbart worden, und obgleich bestimmte Ausdrücke ein gesetzt worden sind, wurden sie in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn ver wendet, und der Umfang der Erfindung ist in den beiliegenden Ansprüchen festgelegt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrich tung umfassend:
Ausbilden einer unteren Elektrode auf einem Halbleitersubstrat;
Ausbilden einer dielektrischen Schicht über der unteren Elektrode;
Ausbilden einer oberen Elektrode aus einem Edelmetall über der dielektrischen Schicht;
Durchführen einer ersten Thermalbehandlung auf der sich ergebenden Struktur mit der oberen Elektrode bei einer ersten Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, und bei einer ersten Temperatur, welche aus dem Bereich von 200-600°C und niedri ger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode auszuwählen ist; und
Durchführen einer zweiten Thermalbehandlung auf der sich nach der ersten Ther malbehandlung ergebenden Struktur bei einer zweiten Atmosphäre ohne Sauer stoff und bei einer zweiten Temperatur, welche aus einen Bereich von 300-900°C und höher als die erste Temperatur auszuwählen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die untere Elektrode aus dotiertem Polysili zium, einem Metall, einem leitenden Metallnitrid oder einem leitenden Metalloxid ausgebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die untere Elektrode aus einer einzigen Schicht aus dotiertem Polysilizium, TiN, TaN, WN, W, Pt, Ru, Ir, RuO₂ oder IrO₂, oder aus einer komplexen Schicht daraus ausgebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht aus einer einzigen Schicht aus Ta₂O₅, TiO₂, (Ba, Sr)TiO₃(BST), StTiO₃ (ST), SiO₂, Si₃N₄ oder PbZrTiO₃(PZT), oder einer komplexen Schicht darauf ausgebildet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die obere Elektrode aus Ru, Pt, Ir, RuO₂ oder IrO₂ ausgebildet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Atmosphäre des ersten Thermalbe handlungsschritt Sauerstoff mit einer Konzentration von 0,01-100 Vol.-% enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Atmosphäre des ersten Thermalbe handlungsschritts O₂-, N₂O- oder O₃-Gas enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Atmosphäre des ersten Thermalbe handlungsschritts ferner ein Inertgas enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Atmosphäre des zweiten Thermal behandlungsschritts eine Inertgas-Atmosphäre ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Atmosphäre des zweiten Thermal behandlungsschritts eine Hochvakuum-Atmosphäre ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Thermalbehandlungsschritt in einem RTP (rapid thermal processing)-Ofen durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Thermalbehandlungs schritte in der gleichen Kammer in-situ durchgeführt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1, das nach dem Ausbilden der unteren Elektrode ferner ein Ausbilden einer Siliziumnitridschicht, die die untere Elektrode abdeckt, auf weist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Ausbildens der Siliziumnitrid schicht eine Thermalbehandlung der unteren Elektrode in einer NH₃-Atmospähre enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Siliziumnitridschicht mittels eines chemi schen Dampfabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) ausgebildet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Siliziumnitridschicht mit einer Dicke von 5-30 Å ausgebildet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 1, das nach dem Schritt des Ausbildens einer dielektri schen Schicht ferner eine Thermalbehandlung der dielektrische Schicht aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Ausbildens der dielektrischen Schicht bei einer Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, ausgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der di elektrischen Schicht bei einer Temperatur von 200-800°C durchgeführt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der di elektrischen Schicht bei einer Atmosphäre ohne Sauerstoff durchgeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der di elektrischen Schicht bei einer Temperatur von 500-800°C durchgeführt wird.

22. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrich tung umfassend:
Ausbilden einer unteren Elektrode auf einem Halbleitersubstrat;
Ausbilden einer dielektrischen Schicht, die aus einer Ta₂O₅-Schicht ausgebildet ist, über der unteren Elektrode;
Thermalbehandlung der dielektrischen Schicht;
Ausbilden einer oberen Elektrode aus Ru über der thermisch behandelten di elektrischen Schicht;
Durchführen einer ersten Thermalbehandlung auf der sich ergebenden Struktur mit der oberen Elektrode bei einer ersten Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, und bei einer ersten Temperatur, welche aus dem Bereich von 300-500°C und niedri ger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode auszuwählen ist; und
Durchführen einer zweiten Thermalbehandlung auf der sich nach der ersten Ther malbehandlung ergebenden Struktur bei einer zweiten Atmosphäre ohne Sauer stoff und bei einer zweiten Temperatur, welche aus einem Bereich von 500-700°C und höher als die erste Temperatur auszuwählen ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die untere Elektrode aus dotiertem Polysili zium, einem Metall, einem leitenden Metallnitrid oder einem leitenden Metalloxid ausgebildet ist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die untere Elektrode aus einer einzigen Schicht aus dotiertem Polysilizium, TiN, TaN, WN, W, Pt, Ru, Ir, RuO₂ oder IrO₂, oder aus einer komplexen Schicht daraus ausgebildet ist.

25. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der di elektrischen Schicht bei einer Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, durchgeführt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der di elektrischen Schicht bei einer Temperatur von 200-800°C durchgeführt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der di elektrischen Schicht bei einer Atmosphäre ohne Sauerstoff durchgeführt wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der di elektrischen Schicht bei einer Temperatur von 500-800°C durchgeführt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die erste Atmosphäre der ersten Thermalbe handlung Sauerstoff mit einer Konzentration von 0,01-100 Vol.-% enthält.

30. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die erste Atmosphäre des ersten Thermalbe handlungsschritt O₂-, N₂O- oder O₃-Gas enthält.

31. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der erste Thermalbehandlungsschritt bei einer Temperatur von 350-450°C durchgeführt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die erste Atmosphäre der ersten Thermalbe handlung ferner Inertgas enthält.

33. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die zweite Atmosphäre des zweiten Thermal behandlungsschritts eine Inertgas-Atmosphäre ist.

34. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der zweite Thermalbehandlungsschritt bei einer Temperatur von 600-650°C durchgeführt wird.

35. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die ersten und zweiten Thermalbehandlungs schritte in der gleichen Kammer in-situ durchgeführt werden.

36. Verfahren nach Anspruch 22, das nach einem Ausbilden der unteren Elektrode ferner ein Ausbilden einer Siliziumnitridschicht, die die untere Elektrode abdeckt, aufweist.

37. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine integrierte Schaltung, das folgende Schritte aufweist:
Ausbilden einer unteren Kondensatorelektrode auf einem Halbleitersubstrat;
Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf der unteren Kondensatorelektrode;
Ausbilden einer oberen Kondensatorelektrode, die ein Edelmetall aufweist, auf der dielektrischen Schicht gegenüberliegend zu der unteren Kondensatorelektrode;
Freilegen der oberen Kondensatorelektrode für eine sauerstoffhaltige Atmosphäre mit einer ersten Temperatur in einem Bereich zwischen 200°C und einer ersten Temperaturgrenze, die niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Konden satorelektrode ist; und anschließend
Freilegen der oberen Kondensatorelektrode für eine Sauerstoffmangelatmosphäre mit einer zweiten Temperatur oberhalb der Oxidationstemperatur der oberen Kon densatorelektrode.

38. Verfahren nach Anspruch 37, wobei dem Schritt des Ausbildens einer oberen Kondensatorelektrode der Schritt eines Erhöhens der Kristallinität der dielektri schen Schicht durch eine Thermalbehandlung der dielektrischen Schicht in einer Sauerstoffmangelatmosphäre vorausgeht.

39. Verfahren nach Anspruch 37, wobei die Sauerstoffmangelatmosphäre ein Inertgas aufweist, das aus der Gruppe aus Argon und Stickstoff ausgewählt ist.

40. Verfahren nach Anspruch 37, wobei dem Schritt des Ausbildens einer dielektri schen Schicht der Schritt eines Ausbildens einer Siliziumnitridschicht auf der un teren Kondensatorelektrode vorausgeht.

41. Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Schritt des Freilegens der oberen Elek trode für eine sauerstoffhaltige Atmosphäre ein Freilegen der oberen Konden satorelektrode für eine sauerstoffhaltige Atmosphäre für eine Zeitdauer aufweist, die ausreicht, eine Migration von Sauerstoff durch die obere Kondensatorelek trode und in die Dielektrizitätsschicht zu bewirken.

42. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine integrierte Schaltung, die folgende Schritte aufweist:
Ausbilden einer unteren Kondensatorelektrode auf einem Halbleitersubstrat;
Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf der unteren Kondensatorelektrode;
Ausbilden einer oberen Kondensatorelektrode, die ein Metall oder ein Metalloxid aufweist, auf der die elektrische Schicht;
Freilegen der oberen Kondensatorelektrode für eine sauerstoffhaltige Atmosphäre mit einer ersten Temperatur im Bereich zwischen 200°C und einer ersten Tempe raturgrenze, die niedriger als eine Oxidationstemperatur der oberen Kondensa torelektrode ist; und anschließend
Freilegen der oberen Kondensatorelektrode für eine Sauerstoffmangelatmosphäre, die eine zweite Temperatur aufweist, die höher als die Oxidationstemperatur der oberen Kondensatorelektrode ist.

43. Verfahren nach Anspruch 42, wobei das Metall oder Metalloxid ein elektrisch leitfähiges Material ist, das aus der Gruppe aus Ru, Pt, Ir, RuO₂ oder IrO₂ ausge wählt worden ist.

44. Verfahren nach Anspruch 42, wobei die Sauerstoffmangelatmosphäre ein Inertgas aufweist, das aus der Gruppe aus Argon und Stickstoff ausgewählt worden ist.

45. Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Schritt des Ausbildens einer dielektri schen Schicht der Schritt eines Ausbildens einer Siliziumnitridschicht auf der un teren Kondensatorelektrode vorausgeht.

46. Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Schritt des Freilegens der oberen Kon densatorelektrode für eine sauerstoffhaltige Atmosphäre ein Freilegen der oberen Kondensatorelektrode für eine sauerstoffhaltige Atmosphäre für eine Zeitdauer aufweist, die ausreichend ist, um eine Migration von Sauerstoff durch die obere Kondensatorelektrode und in die dielektrische Schicht zu bewirken.

47. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine integrierte Schaltung, das folgende Schritte aufweist:
Ausbilden unteren Kondensatorelektrode auf einem Halbleitersubstrat;
Ausbilden dielektrischen Schicht auf der unteren Kondensatorelektrode;
Ausbilden einer oberen Kondensatorelektrode, die ein Metall oder ein Metalloxid aufweist, auf der dielektrischen Schichten;
Freilegen der oberen Kondensatorelektrode für eine sauerstoffhaltige Atmosphäre mit einer ersten Temperatur in einem Bereich zwischen 200°C und einer ersten Temperaturgrenze, die niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Konden satorelektrode ist, für eine Zeitdauer, die ausreichend ist, daß sich Sauerstoffatome an der Grenzfläche zwischen der oberen Kondensatorelektrode und der dielektri schen Schicht ansammeln; und anschließend
Freilegen der oberen Kondensatorelektrode für eine Sauerstoffmangelatmosphäre, die eine zweite Temperatur aufweist, die höher als die Oxidationstemperatur der oberen Kondensatorelektrode ist und ebenso ausreichend hoch ist, die dielektri sche Schicht durch eine Diffusion des angesammelten Sauerstoffs in Sauer stofflücken innerhalb der dielektrischen Schicht zu heilen.

48. Verfahren nach Anspruch 47, wobei dem Schritt des Ausbildens einer dielektri schen Schicht der Schritt eines Ausbildens einer Siliziumnitridschicht auf der un teren Kondensatorelektrode vorausgeht.