DE10231192A1

DE10231192A1 - Verunreinigungssteuerung für Herstellungsverfahren eingebetteter ferroelektrischer Bauelemente

Info

Publication number: DE10231192A1
Application number: DE10231192A
Authority: DE
Inventors: Stephen R Gilbert; Trace Q Hurd; Laura W Mirkarimi; Scott Summerfelt; Luigi Colombo
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2003-03-06
Also published as: JP4285954B2; JP2003158115A; US6709875B2; US20030036209A1; KR100880109B1; KR20030014627A

Abstract

Ein Herstellungsverfahren eines ferroelektrischen Bauelements ist beschrieben, bei dem Verunreinigungssubstanzen des ferroelektrischen Bauelements (z. B. Pb, Zr, Ti und Ir), die nicht kompatibel mit Standard-CMOS-Herstellungsverfahren sind, streng gesteuert werden. Inbesondere wurden spezifische Ätzchemien entwickelt, um nicht kompatible Substanzen von der Rückseiten- und Kantenoberfläche des Subtrats zu entfernen, nachdem ein ferroelektrisches Bauelement gebildet wurde. Zusätzlich kann eine Opferschicht über der unteren und der Kantenoberfläche (und bei einigen Ausführungsbeispielen der Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche) des Substrats angebracht werden, um die Entfernung schwer zu ätzender Verunreinigungsstoffe (z. B. Ir) zu unterstützen. Auf diese Weise kann das Herstellungsverfahren des ferroelektrischen Bauelements in ein Standardhalbleiterherstellungsverfahren integriert werden, wodurch ferroelektrische Bauelemente ohne ein wesentliches Risiko einer gegenseitigen Verunreinigung durch gemeinschaftlich verwendete Ausrüstung (z. B. Schrittgeber, Meßgeräte und dergleichen) gemeinsam mit integrierten Halbleiterschaltungen gebildet werden können.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zur Steuerung einer Verunreinigung während der Herstellung eingebetteter, ferroelektrischer Bauelemente.
Heute gibt es in der Herstellungsindustrie von Halbleiterbauelementen und der Elektronikindustrie mehrere Trends, die die Entwicklung neuer Materialientechnologien vorantreiben. Erstens werden Vorrichtungen, wie z. B. tragbare Personalvorrichtungen (z. B. Mobiltelefone und Personaldigitalassistenten), immer kleiner und benötigen immer weniger Leistung. Zweitens erfordern derartige Vorrichtungen zusätzlich dazu, daß sie kleiner und besser tragbar werden, eine höhere Rechenleistung und einen chipinternen Speicher. Angesichts dieser Trends besteht in der Industrie ein Bedarf, ein Rechenbauelement zu schaffen, das eine beträchtliche Speichermenge und Logikfunktionen aufweist, die auf dem gleichen Halbleiterchip integriert sind. Vorzugsweise umfaßt dieses Rechenbauelement einen nichtflüchtigen Speicher, so daß, wenn die Batterie leer ist, der Inhalt des Speichers erhalten bleibt. Beispiele herkömmlicher, nicht- flüchtiger Speicher umfassen elektrisch löschbare, programmierbare Nur-Lese-Speicher ("EEPROM"; EEPROM = electrically erasable, programmable read only momory) und Flash-EEPROMs. Tabelle 1 zeigt die Unterschiede zwischen unterschiedlichen Speichertypen.
Ein ferroelektrischer Speicher (FeRAM) ist ein nichtflüchtiger Speicher, der ein ferroelektrisches Material (z. B. SrBi₂Ta₂O₉ (SBT) oder Pb(Zr, Ti)O₃ (PZT)) als ein Kondensatordielektrikum verwendet, das zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrode angeordnet ist. Allgemein sind ferroelektrische Speicherelemente aufgrund des bistabilen Polarisationszustands des Materials nichtflüchtig. Zusätzlich können ferroelektrische Speicherelemente mit relativ niedrigen Spannungen (z. B. weniger als 5 Volt) programmiert sein und sind durch relativ schnelle Zugriffszeiten (z. B. weniger als 40 Nanosekunden) und eine Betriebsrobustheit über eine große Anzahl von Lese- und Schreibzyklen gekennzeichnet. Diese Speicherelemente verbrauchen außerdem relativ wenig Leistung, können dicht gepackt sein und weisen eine Strahlungsbeständigkeit auf:
Um ferroelektrische Kondensatoren mit einer standardmäßigen, komplementären Metalloxidhalbleiter-(CMOS-: CMOS = complimentary metal oxide semiconductor)Bauelementtechnologie zu integrieren, müssen mehrere neue Materialien mit Nicht- Standard-Metallbestandteilen in die Si-Waferherstellungseinrichtung eingeführt werden. Unter diesen Materialien, die benötigt werden, um einen üblichen, ferroelektrischen Kondensatorstapel herzustellen, sind PZT- oder SBT- Dielektrika, gemeinsam mit einem oder mehreren der folgenden Elektrodenmaterialien: Ir, Ru oder Pt. Einige der Metalle, die in diesen Materialien vorhanden sind, wie z. B. Ti, Ta und Pt, werden bei normalen Si-Wafer- Fertigungsstraßen verwendet. Andere Metalle, wie z. B. Pb, Zr, Sr, Bi, Ru und Ir, werden herkömmlicherweise nicht in Si-Fertigungsstraßen eingeführt. Folglich ist hinsichtlich der Auswirkung dieser Materialien auf den Ertrag, die Zuverlässigkeit und das elektrische Verhalten CMOS-basierter Bauelemente wenig bekannt. Ferner wurden trotz der Tatsache, daß vorderen bzw. Eingangsanforderungen an die Technologie zur Waferoberflächenverarbeitung Konzentrationen von weniger als 9 × 10⁹ Atomen/cm² für bekannte, wesentliche Metalle, wie z. B. Cu, an dem 180-nm-Technologieknoten festlegen, noch keine genauen Grenzen für die FeRAM-bezogenen Metallverunreinigungen quantifiziert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Bilden eines ferroelektrischen Bauelements auf einem Substrat oder ein ferroelektrisches Bauelement-Verarbeitungsmodul mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 17 oder ein Verarbeitungsmodul gemäß Anspruch 20 gelöst.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auf die Erzeugung ferroelektrischer Kondensatoren in einem FeRAM- Verarbeitungsmodul, das zwischen einem Eingangsverarbeitungsmodul (das z. B. Logik- und Kontaktprozesse umfaßt) und einem Ausgangsverarbeitungsmodul (das z. B. hauptsächlich Metallisierungsprozesse umfaßt) vorkommt. Das FeRAM- Verarbeitungsmodul sollte mit dem Eingangsprozeßfluß, einschließlich der Verwendung von W-Kontakten, die gegenwärtig bei den meisten Logikflüssen der Standard sind, als dem unteren Kontakt des Kondensators kompatibel sein. Das FeRAM- Wärmebudget sollte auch ausreichend niedrig sein, daß es Strukturen mit niedrigem Widerstandswert an der Eingangsseite (wie z. B. Wolframstöpsel und siliziumbeschichtete Source/Drains und Gates) nicht beeinflußt, die bei den meisten Logikbauelementen verwendet werden. Zusätzlich sollte, da Transistoren und andere Eingangsbauelemente (z. B. Dioden) empfindlich gegenüber einer Verunreinigung sind, das FeRAM-Verarbeitungsmodul derartige Bauelemente weder direkt (z. B. durch Diffusion in dem Chip) noch indirekt (z. B. durch gegenseitige Verunreinigung durch gemeinschaftlich verwendete Ausrüstung) verunreinigen. Die FeRAM-Bauelemente und das Verarbeitungsmodul sollten ebenfalls mit Standardausgangsverarbeitungsflüssen kompatibel sein. Folglich sollte das FeRAM-Verarbeitungsmodul den Widerstandswert der Logikmetallisierung nicht erhöhen und sollte Störkapazitäten zwischen Metall und einem Transistor nicht erhöhen. Zusätzlich sollten die FeRAM-Bauelemente nicht durch Standardausgangsverarbeitungsflüsse verschlechtert werden. Dies ist eine wesentliche Herausforderung, da sich gezeigt hat, daß ferroelektrische Kondensatoren empfindlich gegenüber einer wasserstoffinduzierten Verschlechterung sind und die meisten Logikausgangsprozesse Wasserstoff oder Deuterium (z. B. SiO₂, Si₃N₄ und CVD-W-Aufbringung, SiO₂-Durchätzen und Bilden von Gasausheilungen) verwenden.

Hinsichtlich einer Verunreinigungssteuerung sollte der Verunreinigungspegel in Substraten, die durch gemeinschaftlich verwendete Ausrüstung (z. B. Schrittgeber oder Meßwerkzeuge) verarbeitet werden, nicht so hoch sein, daß die Bauelementleistung verschlechtert wird. Abgesehen von Verarbeitungsfehlern ist ein Hauptweg für eine gegenseitige Verunreinigung ein Kontakt zwischen Waferhandhabungssystemen bei gemeinschaftlich verwendeten Geräten und der Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche des Substrates. In dem Fall eines üblichen FeRAM-Verarbeitungsflusses führen zwei Verfahren erwartungsgemäß zu der schwerwiegendsten Verunreinigung der Waferrückseite und der Kante: 1. Aufbringung des PZT- oder SBT-Films und 2. Trockenätzen des ferroelektrischen Kondensatorstapels. So sollten, um Herstellungseffizienzen zu erzielen, die aus der Verwendung gemeinschaftlich verwendeter Ausrüstung und gemeinschaftlich verwendeter Verfahrenseinrichtungen resultieren, unerwünschte Elemente aus der Rückseite, Kante und Vorderseitenkantenausschlußzone des Substrates vor der Verwendung einer gemeinschaftlich verwendeten Verfahrensausrüstung entfernt werden.

Bei einem Aspekt weist die Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines ferroelektrischen Bauelements auf einem Substrat auf, das eine obere Oberfläche, eine untere Oberfläche, eine Kante und eine Vorderseitenkantenausschlußzone aufweist. Gemäß diesem Verfahren wird eine untere Elektrode über der oberen Oberfläche des Substrats gebildet. Eine ferroelektrisch, dielektrische Schicht wird über der unteren Elektrode gebildet. Eine obere Elektrode wird über der ferroelektrischen, dielektrischen Schicht gebildet. Um eine Verunreinigung zu steuern, wird Material des ferroelektrischen Bauelements (z. B. ferroelektrobezogene Verunreinigung, wie z. B. Pb, Zr, Ti, und elektrodenbezogene Verunreinigung, wie z. B. Ir) selektiv von der unteren Oberfläche und der Kante des Substrats geätzt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.

Material des ferroelektrischen Bauelements wird vorzugsweise selektiv mit einem Ätzmittel von der unteren Oberfläche und der Kante des Substrats geätzt, das ein säurehaltiges Fluor oder ein säurehaltiges Chlor oder beides aufweist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt das Ätzmittel eine Mischung aus NH₄F und Rd. Das Ätzmittel kann ein NH₄F : HCl- Volumenverhältnis von etwa 1,6 umfassen. Das Ätzmittel kann ferner ein Verdünnungsmittel (z. B. H₂O) umfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt das Ätzmittel ein NH₄F : HCl : H₂O-Volumenverhältnis von etwa 1 : 1,6 : x, wobei x vorzugsweise einen Wert aufweist, der von etwa 20 bis etwa 1.000 reicht, und noch bevorzugter einen Wert aufweist, der zwischen etwa 40 und etwa 100 liegt.

Bei anderen Ausführungsbeispielen wird Material des ferroelektrischen Bauelements selektiv mit einem Ätzmittel von der unteren Oberfläche, der Kante und der Vorderseitenkantenausschlußzone des Substrats geätzt, das eine Mischung aufweist, die aus folgendem ausgewählt ist: HCl und H₂O; HF und H₂O; HNO₃ und H₂O; HF, HCl und H₂O; NH₄F, HCl, HNO₃ und H₂O; HF, HCl, HNO₃ und H₂O; und HF, H₂O2, HNO₃ und H₂O.

Material des ferroelektrischen Bauelements kann auch selektiv von der Vorderseitenkantenausschlußzone des Substrates geätzt werden.

Bei einigen Ausführungsbeispielen weist das Substrat eine Opferschicht auf, die über der unteren Oberfläche und der Kante des Substrats angeordnet ist. Die Opferschicht kann Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid umfassen. Die Opferschicht kann mit einem Ätzmittel geätzt werden, das Fluor aufweist (z. B. HF). Die Opferschicht kann sich über die Vorderseitenkantenausschlußzone des Substrats erstrecken. Die Opferschicht wird vorzugsweise geätzt, nachdem eine ferroelektrische Kondensatorstruktur gebildet wurde.

Bei einem anderen Aspekt weist die Erfindung ein ferroelektrisches Bauelement-Verarbeitungsmodul auf, das eines oder mehrere, zweckgebundene Verarbeitungswerkzeuge, eines oder mehrere, gemeinschaftlich verwendete Verarbeitungswerkzeuge und eine oder mehrere Reinigungsstationen umfaßt. Die zweckgebundenen Verarbeitungswerkzeuge sind nur zur Verarbeitung des ferroelektrischen Bauelements zugeordnet. Die gemeinschaftlich verwendeten Verarbeitungswerkzeuge sind sowohl der Verarbeitung des ferroelektrischen Bauelements als auch der Verarbeitung des standardmäßigen Halbleiterbauelements zugewiesen. Die Reinigungsstationen sind zum Reinigen einer Verunreinigung des ferroelektrischen Bauelements von Substraten konfiguriert, bevor die Substrate von einem zweckgebundenen Verarbeitungswerkzeug zu einem gemeinschaftlich verwendeten Verarbeitungswerkzeug übertragen werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsseitenansicht eines FeRAM-Kondensators, der zwischen ein Paar leitfähiger Stöpsel, die durch jeweilige Zwischenschicht-Dielektrikum-Schichten angeordnet sind, gekoppelt ist;
Fig. 2A eine schematische Querschnittsseitenansicht eines FeRAM-Kondensatorschichtstapels, der über einem Substrat gebildet ist;
Fig. 2B eine schematische Querschnittsseitenansicht eines FeRAM-Kondensators, der durch ein Ätzen des Kondensatorschichtstapels aus Fig. 2A gebildet ist;
Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Bilden eines ferroelektrischen Bauelements;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsseitenansicht eines Substrats mit einer Opferschicht, die über der oberen, unteren und Kantenoberfläche des Substrats angeordnet ist;
Fig. 5 eine schematische Querschnittsseitenansicht eines Kondensatorschichtstapels, der über dem Substrat aus Fig. 4 gebildet ist;
Fig. 6 eine schematische Querschnittsseitenansicht einer Substratreinigungsvorrichtung, die ein Ätzmittel auf die Rückseite, die Kante und einen Abschnitt der Vorderseitenkantenausschlußzone des Substrats aus Fig. 5 aufbringt;
Fig. 7 eine schematische Querschnittsseitenansicht des Kondensatorschichtstapels aus Fig. 5, nachdem die Rückseite des Substrats durch Ätzen gereinigt wurde;
Fig. 8 einen Graphen einer PZT-Ätzrate für eine Ätzchemie aus NH₄F, HCl und H₂O, dargestellt als eine Funktion des Volumenprozentsatzes von Säure in Lösung;
Fig. 9 eine schematische Querschnittsseitenansicht einer Mehrzahl ferroelektrischer Kondensatoren, die durch ein Ätzen des Kondensatorschichtstapels aus Fig. 7 gebildet sind;
Fig. 10 eine schematische Querschnittsseitenansicht der ferroelektrischen Kondensatoren aus Fig. 9, nachdem eine Rückseitenverunreinigung durch ein Ätzen der Opferschicht von der unteren Oberfläche, der Kante und der Vorderseitenkantenausschlußzone des Substrats entfernt wurde;
Fig. 11 ein Flußdiagramm eines integrierten Herstellungsverfahrens eines ferroelektrischen Bauelements und einer integrierten Schaltung, und
Fig. 12 ein Blockdiagramm des Prozeßflusses durch FeRAM zweckgebundene und gemeinschaftlich verwendete Verarbeitungswerkzeuge eines FeRAM-Verarbeitungsmoduls.
In der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu identifizieren. Ferner sollen die Zeichnungen Hauptmerkmale exemplarischer Ausführungsbeispiele auf eine schematische Weise darstellen. Die Zeichnungen sollen weder jedes Merkmal tatsächlicher Ausführungsbeispiele noch relative Abmessungen der dargestellten Elemente darstellen und sind nicht maßstabsgetreu.
Bezugnehmend auf Fig. 1 umfaßt bei einem Ausführungsbeispiel ein ferroelektrischer Kondensator 10 einer integrierten Schaltung einen dielektrischen PZT-Film 12, der zwischen einer unteren Mehrschichtelektrode 14 und einer oberen Mehrschichtelektrode 16 gebildet ist. Der PZT-Film 12 kann durch das chemische Aufdampfungsverfahren gebildet sein, das in dem U.S.-Patent von Stephen R. Gilbert u. a. mit dem Titel "Bilden ferroelektrischer Pb(Zr, Ti)O₃-Filme" beschrieben ist. Die untere Elektrode 14 umfaßt leitfähige Ir/IrO_x-Schichten und eine leitfähige, oxidationsresistente TiAlN-Diffusionsbarriereschicht 20, wobei die obere Elektrode 16 leitfähige IrO_x/Ir-Schichten und eine TiAlN- Hartmasken/leitfähige Diffusionsbarriereschicht 24 umfaßt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die leitfähigen Ir/IrO_x-Schichten und die leitfähigen Diffusionsbarriereschichten 20, 24 aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Der ferroelektrische Kondensator 10 umfaßt außerdem eine Aluminiumoxid-(Al₂O₃-)Seitenwanddiffusionsbarriere 26 und eine darüberliegende Siliziumnitrid-Ätz-Stopp- Schicht 27. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der ferroelektrische Kondensator 10 zwischen ein Paar leitfähiger Stöpsel 28, 30 geschaltet, die in Durchgangslöchern gebildet sind, die sich durch ein Paar jeweiliger Zwischenschicht-Dielektrikum-Schichten 31, 32 erstrecken. Die leitfähigen Stöpsel 28, 30 können aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. Wolfram oder Polysilizium, gebildet sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der ferroelektrische Kondensator 10 auf einem Siliziumwafer, Galliumarsenid, Magnesiumoxid, Saphir oder der oberen Oberfläche einer Mehrschichtstruktur gebildet sein, die z. B. eine komplexe, integrierte Schaltung umfaßt, die auf einem Halbleiterwafer gebildet ist.
Wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, können während der Bildung des ferroelektrischen Kondensators 10 Bestandteilssubstanzen des ferroelektrischen Bauelements (z. B. eine ferroelektrobezogene Verunreinigung, wie z. B. Pb, Zr, Ti, und eine elektrodenbezogene Verunreinigung, wie z. B. Ir) migrieren oder sich anderweitig an einer Rückseitenoberfläche 33, einer Kantenoberfläche 34 oder einer Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche 35 eines Substrats 36 bilden. (Die Vorderseitenkantenausschlußzone ist ein Bereich um die Peripheriekante der Substratvorderseite, der entworfen ist, um frei von Filmablagerungen zu sein.) Das Substrat 36 kann eine Logikebene mit einem oder mehreren Halbleiterbauelementen und eine darüberliegende Zwischenebenen- Dielektrikum-Schicht mit einem oder mehreren Kontaktstöpseln umfassen, die sich durch dieselbe erstrecken. Während der CVD-Herstellung der dielektrischen PZT-Schicht 12 kann sich Material des ferroelektrischen Bauelements 38 auf der Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche 33-35 des Substrats 36 (Fig. 2A) bilden. Zusätzlich können, nachdem der Kondensator 10 gebildet wurde, Ätzrückstände 40 an der Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche 33-35 des Substrats (Fig. 2B) hängen bleiben. Die Bestandteilssubstanzen der Kondensatorschicht und Ätzrückstände sind allgemein nicht kompatibel mit Standardhalbleiterbauelementherstellungsverfahren (z. B. einem Industriestandard-CMOS-Bauelementherstellungsverfahren). Derartige Verunreinigungsstoffe können in wesentliche Bereiche von Halbleiterbauelementen diffundieren und die elektrischen Eigenschaften dieser wesentlichen Regionen verschlechtern. Zum Beispiel kann Ir in Siliziumsubstrate diffundieren und Minoritätsträgerlebenszeiten vermindern, wobei Pb in Gate-Oxid-Regionen diffundieren und die Gate-Oxid-Ladung bis zum Durchbruch verschlechtern kann.
Wie unten detailliert erläutert ist, wird der ferroelektrische Kondensator 10 durch ein Herstellungsverfahren (oder Verarbeitungsmodul) eines ferroelektrischen Bauelementes gebildet, bei denen Verunreinigungssubstanzen (z. B. Pb, Zr, Ti und Ir), die nicht kompatibel mit Standard-CMOS- Herstellungsverfahren sind, streng kontrolliert werden. Insbesondere wurden spezifische Ätzchemien entwickelt, um nicht kompatible Substanzen von der Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche des Substrats während der Bildung des ferroelektrischen Kondensators 10 zu entfernen. Zusätzlich kann eine Opferschicht über der unteren, oberen und Kantenoberfläche des Substrats angeordnet sein, um die Entfernung schwer zu ätzender Verunreinigungsstoffe (z. B. Ir) zu unterstützen. Prozeßsteuerungsmethodiken wurden ebenfalls entwickelt, um eine gegenseitige Verunreinigung zwischen dem ferroelektrischen Bauelement-Verarbeitungsmodul und dem Eingangs- und Ausgangshalbleiterbauelementverarbeitungsmodul zu reduzieren. Auf diese Weise kann das Ferroelektrisches-Bauelement- Herstellungsverfahren in ein Industriestandardhalbleiterherstellungsverfahren integriert werden, wodurch der Kondensator 10 ohne ein wesentliches Risiko einer gegenseitigen Verunreinigung durch gemeinschaftlich verwendete Ausrüstung (z. B. Schrittgeber, Meßgeräte und dergleichen) gemeinsam mit einer integrierten Halbleiterschaltung gebildet werden kann.
Bezug nehmend auf die Fig. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 und anfangs auf die Fig. 3 und 4 kann der ferroelektrische Kondensator 10 wie folgt gebildet werden.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist bei einem Ausführungsbeispiel ein Substrat 50 vorgesehen, das eine Opferschicht 52 aufweist, die über der oberen, unteren und Kantenoberfläche angeordnet ist (Schritt S4). Das Substrat 50 kann ein Halbleiterwafer (z. B. ein Siliziumwafer) sein, der eine Logikebene mit einem oder mehreren Halbleiterbauelementen und eine darüberliegende Zwischenebenen-Dielektrikum-Schicht mit einem oder mehreren Kontaktstöpseln umfaßt, die sich durch dieselbe erstrecken. Die Opferschicht 52 kann eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumdioxidschicht sein, die z. B. durch ein herkömmliches Ofenverfahren während der Herstellungsverfahren der Logikebene oder der Kontaktstöpsel gebildet wird. Allgemein sollte die Opferschicht 52 die Entfernung von Verunreinigungsstoffen (z. B. Pb, Zr, Ti und Ir) von der Kante und der Rückseite des Substrats 50 z. B. durch ein Abhebeverfahren unterstützen. Zusätzlich sollte die Opferschicht 52 eine Diffusion von Verunreinigungen in das Substrat 50 vermeiden, wo dieselben die elektrischen Eigenschaften wesentlicher Bauelementbereiche verschlechtern können.
Einige andere Ausführungsbeispiele umfassen unter Umständen keine Opferschicht.
Bezugnehmend auf Fig. 5 ist ein ferroelektrischer Kondensatorstapel 56 über der oberen Oberfläche des Substrats 50 aufgebracht (Schritt S8). Der ferroelektrische Kondensatorstapel 56 kann die gleichen Elektroden- und Dielektrikumschichten wie der ferroelektrische Kondensator 10 aufweisen.
Wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, können das Material 38 des ferroelektrischen Bauelements und andere Verunreinigungen von der Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenausschlußzonenoberfläche des Substrats 50 mittels eines Naßätzverfahrens gereinigt werden (Schritt 60). Insbesondere kann das Substrat 50 in eine automatisierte Reinigungsstation 62 plaziert werden (z. B. einen automatisierten Substratreiniger, der von der SEZ Semiconductor-Equipment Zubehör für die Halbleiterfertigung Gesellschaft m.b.H in Kärnten, Österreich, erhältlich ist). Die Reinigungsstation 62 umfaßt eine ringförmige Auflage 64, die konfiguriert ist, um das Substrat 50 zu halten. Ein Vakuum wird unter dem Substrat 50 durch den Abfluß eines unter Druck stehenden Gases (z. B. Stickstoffgas) durch eine Ringdüse 66 erzeugt. Das unter Druck stehende Gas wird durch eine Gasleitung, die in einer Welle 68 definiert ist, die konfiguriert ist, um sich um eine Achse 70 zu drehen, zu der Ringdüse 66 geliefert. Die Reinigungsstation 62 umfaßt auch eine Düse 72, die konfiguriert ist, um eine Ätzlösung 74 über der freiliegenden Oberfläche des Substrats 50 abzugeben. Die Dicke und die Einheitlichkeit der Ätzlösung, die sich über der freiliegenden Oberfläche des Substrats 50 bildet, wird zumindest teilweise durch die Ätzlösungsflußrate durch die Düse 72 und die Rate, mit der das Substrat 50 gedreht wird, bestimmt. In Betrieb wird das Substrat 50 mit der Oberseite nach unten auf die Auflage 64 plaziert, wobei unter Druck stehendes Gas aus der Ringdüse 66 herausgestoßen wird, um ein Vakuum zu erzeugen, das das Substrat 50 an seinem Ort hält. Während das Substrat 50 um die Achse 70 gedreht wird, wird die Ätzlösung 74 aus der Düse 72 abgegeben, um einen im wesentlichen einheitlichen Film über der freiliegenden Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche des Substrats 50 zu bilden. Nachdem die Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche des Substrats 50 gereinigt wurden, wird das Substrat durch Drehen getrocknet.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine Photoresistschutzschicht über dem ferroelektrischen Kondensatorstapel 56 angeordnet werden, bevor das Substrat 50 in der Reinigungsstation 62 plaziert wird. Zusätzlich kann bei einigen Ausführungsbeispielen Material des ferroelektrischen Bauelements durch ein Badätzverfahren von der Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche gereinigt werden.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, sind die resultierende Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche des Substrats 50 im wesentlichen frei von einer Verunreinigung, die sich unter Umständen während der Bildung des ferroelektrischen Kondensators 10 gebildet hat. Allgemein sollte die Ätzlösung 74 die gesamte Verunreinigung von Material des ferroelektrischen Bauelements (z. B. Pb, Zr, Ti und Ir) entfernen. Vorzugsweise sollte die Ätzlösung 74 auch eine Verunreinigung des ferroelektrischen Bauelements entfernen, derart, daß die verbleibenden Oberflächenkonzentrationen von z. B. Pb, Zr, Ti und Ir in der Größenordnung von 10¹⁰ cm^-2 oder weniger sind. Zusätzlich sollte die Ätzlösung 74 die Photoresistschutzschicht, die über dem Kondensatorstapel 56 angeordnet ist (falls vorhanden), nicht angreifen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wirkt die Ätzlösung 74 nur bei Raumtemperatur effektiv.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Ätzlösung 74 NH₄F, HCl und H₂O in einem Volumenverhältnis von 1 : 1,6 : x, wobei x einen Wert in dem Bereich von 1 bis 1.000 aufweist. Diese Ätzchemie ist sehr selektiv für PZT. Ein NH₄F : HCl : H₂O- Volumentverhältnis von 1 : 1,6 : 20 z. B. erzeugte die folgenden Ätzraten hinsichtlich der Bestandteilsmaterialien des Kondensatorstapels und der Opferschicht: Tabelle 2
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, nimmt die PZT-Ätzrate der NH₄F : HCl : H₂O : 1 : 1,6 : x-Ätzlösung mit dem Volumenprozentsatz von Säure in Lösung ab und folgt einer halblogarithmischen Darstellung. Basierend auf Ätzungen von 250 nm dicken PZT- Filmen z. B. ergibt ein Ätzverhältnis von 1 : 1,6 : 20 eine PZT-Ätzrate von 70 nm/sek, wobei eine Ätzrate von 1 : 1,6 : 40 eine PZT-Ätzrate von 10 nm/sek ergibt, wohingegen ein PZT- Ätzverhältnis von 1 : 1,6 : 100 eine Ätzrate von 5,5 nm/sek ergibt. Basierend auf diesen Daten werden Ätzverhältnisse zwischen etwa 1 : 1,6 : 40 und 1 : 1,6 : 100 für ein Erzielen steuerbarer PZT-Ätzraten bevorzugt. Innerhalb dieses Ätzverhältnisbereichs sind die Ätzraten von SiO₂ und Si₃N₄ wesentlich niedriger als 0,1 nm/sek bzw. 2,2 nm/sek.
Ohne auf eine bestimmte Theorie beschränkt zu sein, wird davon ausgegangen, daß die Selektivität der NH₄F-, HCl- und H₂O-Ätzchemie durch die kombinierte Wirkung des Fluors und des Chlors in der Ätzlösung erzielt wird. Insbesondere wird davon ausgegangen, daß der Fluorteil der Ätzlösung ZrO₂ und TiO₂ zersetzt, wobei der Chlorteil PbO₂ ätzt. So führt bei diesem Ausführungsbeispiel die Kombination von HCl und NH₄F zu einer aggressiven, selektiven PZT-Ätzung. Eine Verdünnung dieses Ätzmittels z. B. mit H₂O erzeugt ein Ätzmittel, das durch eine hohe Selektivität zwischen PZT und Si, SiO₂, Si₃N₄ und TiAlN gekennzeichnet ist.
Andere Ätzchemien, die Mischungen einer fluorbasierten Säure und einer chlorbasierten Säure enthalten, können ebenfalls für die Ätzlösung 74 verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Ätzlösung 74 durch eine oder eine Kombination von zwei oder mehreren der folgenden Ätzchemien implementiert sein:

a) HCl + H₂O
b) HF + H₂O
c) HNO₃ + H₂O
d) HF + HCl + H₂O
e) NH₄F + HCl + HNO₃ + H₂O
f) HF + HCl + HNO₃ + H₂O
g) HF + H₂O₂ + HNO₃ + H₂O

Jede dieser Ätzchemien ätzt selektiv PZT. Die Ätzchemie (i) z. B. mit einem HCl : H₂O-Ätzverhältnis von 1 : 1 ergibt eine PZT-Ätzrate von 2,9 nm/sek, wohingegen die Ätzchemie (ii) mit einem HF : H₂O-Ätzverhältnis von 1 : 10 eine PZT-Ätzrate von 8,4 nm/sek ergibt. Hinsichtlich der Ätzchemie (vii) geht man davon aus, daß H₂O₂ im wesentlichen ein erneutes Plattieren von Pb auf das Substrat 50 durch ein Fördern der Oxidation von Pb in Lösung verhindert.
Bezugnehmend auf Fig. 9 wird, nachdem die Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche des Substrats 50 gereinigt wurden (Schritt 60), der Kondensatorstapel 56 geätzt, um ein Array ferroelektrischer Kondensatoren 10 zu bilden (Schritt 80). Der Kondensatorstapel 56 kann unter Verwendung eines herkömmlichen Ätzverfahrens geätzt werden.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, kann, nachdem der Kondensatorstapel 50 geätzt wurde (Schritt 80), die Opferschicht 52 geätzt werden, um eine Ätzrückstandverunreinigung 40 zu entfernen, die sich unter Umständen während des Kondensatorstapelätzverfahrens auf der freiliegenden Opferschichtoberfläche gebildet hat (Schritt 80). Insbesondere können Ir-Verunreinigungen und andere Ätzrückstände (z. B. Pb, Zr, Ti und organische Substanzen) durch ein Abheben entfernt werden, wenn die Opferschicht 52 in der ausgewählten Ätzlösung gelöst ist. Allgemein sollte die Opferschichtätzchemie das Material, das die Opferschicht bildet (z. B. Si₃N₄ oder SiO₂), ätzen, ohne das darunterliegende Substratmaterial (z. B. Si) anzugreifen. Vorzugsweise sollte die Opferschichtätzlösung auch eine Ätzrückstandverunreinigung 40 entfernen, derart, daß die verbleibenden Oberflächenkonzentrationen von z. B. Pb, Zr, Ti und Ir in der Größenordnung von 10¹⁰ cm^-2 oder weniger sind. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wirkt die Opferschichtätzlösung bei Raumtemperatur effektiv. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Opferschichtätzchemie die gleiche wie die PZT-Ätzchemie. Eine Ätzchemie z. B., die eine Mischung aus HF und H₂O umfaßt, kann z. B. für sowohl das PZT-Ätzen als auch das Opferschichtätzen verwendet werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen jedoch können unterschiedliche Ätzchemien verwendet werden, um z. B. unterschiedliche Verunreinigungskonzentrationen oder unterschiedliche Ätzratenanforderungen unterzubringen. Andere Opferschichtätzchemien, die den oben beschriebenen, allgemeinen Richtlinien entsprechen, können ebenfalls verwendet werden. Dieser Opferschichtätzschritt kann in der Reinigungsstation 62 oder einer anderen, geeigneten Reinigungsvorrichtung durchgeführt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann nach dem Opferschichtätzschritt ein Teil der Ätzschicht 52 über der Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche des Substrats 50 verbleiben.
Wie in den Fig. 11 und 12 gezeigt ist, kann das oben beschriebene, ferroelektrische Bauelement-Herstellungsverarbeitungsmodul ohne weiteres in einen Standard-CMOS- Integrierte-Schaltung-Herstellungsprozeß integriert sein. Die Logik- und die darüberliegende Zwischenebenen- Dielektrikum-Schicht und -Kontakte können unter Verwendung herkömmlicher Industriestandard-Eingangshalbleiterprozesse 100 gebildet werden (Schritt 102). Eingangsprozesse können zu einer SiO₂- oder Si₃N₄-Schicht auf der Vorderseite, Rückseite und Kante des Wafers führen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann diese Schicht als die Opferschicht für nachfolgende Verunreinigungssteuerungsschritte verwendet werden. Als nächstes können die ferroelektrische Kondensator- und die darüberliegende Zwischenebenen-Dielektrikum- Schicht unter Verwendung des oben beschriebenen FeRAM- Verarbeitungsmoduls 104 gebildet werden, das FeRAMzweckgebundene Verarbeitungswerkzeuge 106, gemeinschaftlich verwendete FeRAM-Verfahrenswerkzeuge 108 und eine automatisierte Reinigungsstation 62 umfaßt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zuerst eine Oxidationsbarriere über den Standardkontakten gebildet. Als nächstes werden die untere Elektrode, das PZT-Dielektrikum, die obere Elektrode und die Hartmaske aufgebracht. Das PZT-Dielektrikum kann bei einem Werkzeug aufgebracht werden, wobei die Elektroden und Diffusionsbarrieren bei einem zweiten Werkzeug gebildet werden können. Schritt 112 wird vorzugsweise unter Verwendung der FeRAM-zweckgebundenen Werkzeuge 106 durchgeführt.
An diesem Punkt wird das Substrat zu der automatisierten Reinigungsstation 62 übertragen, so daß die Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche gereinigt werden können (Schritt 114). Der Kondensatorstapel wird bei einem gemeinschaftlich verwendeten FeRAM- Verfahrenswerkzeug 108 (z. B. einem lithographischen Schrittgeber) strukturiert, wobei der Kondensatorstapel bei einem zweckgebundenen Ätzwerkzeug geätzt wird (Schritt 116). Ein Nach-Ätz-Reinigen kann, falls nötig, durchgeführt werden (Schritt 118). Die Seitenwanddiffusionsbarriereschicht 26 kann über dem geätzten Kondensatorstapel, vorzugsweise bei einem FeRAM-zweckgebundenen Werkzeug 106, gebildet werden (Schritt 120). Das Substrat wird wieder zu der automatisierten Reinigungsstation 62 übertragen, so daß die Rückseiten-, Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche gereinigt werden können (Schritt 122). Die Siliziumnitridätzstoppschicht 27 und die Zwischenebenen- Dielektrikum-Schicht 32 werden unter Verwendung der gemeinschaftlich verwendeten FeRAM-Werkzeuge 108 über der Seitenwanddiffusionsbarriereschicht 26 aufgebracht (Schritt 124). Kontaktlöcher werden bei gemeinschaftlich verwendeten Fe-RAM-Werkzeugen 108 strukturiert, wobei die strukturierten Kontaktlöcher durch die Zwischenebenen-Dielektrikum-Schicht 32 bei zweckgebundenen FeRAM-Werkzeugen 106 geätzt werden (Schritt 126). Das Substrat wird dann zu der automatisierten Reinigungsstation 62 übertragen, so daß die Rückseiten- Kanten- und Vorderseitenkantenausschlußzonenoberfläche gereinigt werden können (Schritt 128). Ätzwiedergewinnungs- und Ausheilungsverfahren und Kontakt/Zwischenverbindungsbildungsverfahren werden bei gemeinschaftlich verwendeten FeRAM-Verfahrenswerkzeugen 108 durchgeführt (Schritte 130, 132). Diese Substrate können dann unter Verwendung von Industriestandard-Halbleiterausgangsprozessen 134 verarbeitet werden (Schritt 136).
Durch ein Zuweisen bestimmter Werkzeuge für Nur-FeRAM- Verfahren und anderer Werkzeuge für gemeinschaftlich verwendete Verfahren und durch ein Implementieren von Verunreinigungssteuerungsverfahrensschritten, bevor Substrate von zweckgebundenen FeRAM-Werkzeugen 106 zu gemeinschaftlich verwendeten Werkzeugen 108 übertragen werden, reduziert die oben beschriebene Verfahrenssteuerungsmethodik das Risiko einer gegenseitigen Verunreinigung durch die Einführung von Materialien ferroelektrischer Bauelemente, während es ermöglicht wird, daß die Herstellungseffizienzen der Integration von ferroelektrischen und Halbleiterbauelementprozessen realisiert werden können.
Bei einigen Ausführungsbeispielen z. B. können herkömmliche Meßschritte bei gemeinschaftlich verwendeten Meßwerkzeugen durchgeführt werden, wobei in diesem Fall zusätzliche Verunreinigungssteuerungsschritte durchgeführt werden sollten, bevor Substrate von zweckgebundenen FeRAM-Werkzeugen zu der gemeinschaftlich verwendeten Meßausrüstung übertragen werden.
Zusätzlich kann bei einigen Ausführungsbeispielen der Durchkontaktätzschritt (Schritt 126) in einem gemeinschaftlich verwendeten FeRAM-Werkzeug durchgeführt werden. Bei diesen Ausführungsbeispielen würde der nachfolgende Verunreinigungssteuerungsschritt (Schritt 128) nicht durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zum Bilden eines ferroelektrischen Bauelements (10) auf einem Substrat (36, 50), das eine obere Oberfläche, eine untere Oberfläche (33), eine Kante (34) und eine Vorderseitenkantenausschlußzone (35) aufweist, mit folgenden Schritten:
Bilden einer unteren Elektrode (14) über der oberen Oberfläche des Substrats;
Bilden einer ferroelektrischen, dielektrischen Schicht (12) über der unteren Elektrode;
Bilden einer oberen Elektrode (16) über der ferroelektrischen, dielektrischen Schicht, und
selektives Ätzen von Material (38, 40) des ferroelektrischen Bauelements von der unteren Oberfläche (33) und der Kante (34) des Substrats.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem Material (38, 40) des ferroelektrischen Bauelements selektiv mit einem Ätzmittel von der unteren Oberfläche (33) und der Kante (34) des Substrats geätzt wird, das eine Säure aufweist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem Material (38, 40) des ferroelektrischen Bauelements selektiv mit einem Ätzmittel von der unteren Oberfläche (33) und der Kante (34) des Substrats geätzt wird, das ein säurehaltiges Fluor oder ein säurehaltiges Chlor oder beides aufweist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem das Ätzmittel ferner ein Verdünnungsmittel aufweist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem Material (38, 40) des ferroelektrischen Bauelements selektiv mit einem Ätzmittel von der unteren Oberfläche (33) und der Kante (34) des Substrats geätzt wird, das eine Mischung aus NH₄F und HCl aufweist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Ätzmittel ein NH₄F : HCl-Volumenverhältnis von etwa 1, 6 aufweist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem das Ätzmittel ferner H₂O aufweist.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das Ätzmittel ein NH₄F : HCl : H₂O-Volumenverhältnis von etwa 1 : 1,6 : x aufweist, wobei x einen Wert in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 100 aufweist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem Material (38, 40) des ferroelektrischen Bauelements selektiv mit einem Ätzmittel von der unteren Oberfläche und der Kante (34) des Substrats geätzt wird, das HF und H₂O aufweist.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem Material (38, 40) des ferroelektrischen Bauelements selektiv mit einem Ätzmittel von der unteren Oberfläche (33) und der Kante (34) des Substrats geätzt wird, das eine Mischung aufweist, die aus folgendem ausgewählt ist: HCl und WO; HNO₃ und WO; HF, HCl und WO; NH₄F, HCl, HNO₃ und H₂O; HF, HCl, HNO₃ und WO, und HF, H₂O₂, HNO₃ und H₂O.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, das ferner ein selektives Ätzen von Material (38, 40) des ferroelektrischen Bauelements von der Substratvorderseitenkantenausschlußzone (35) aufweist.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Substrat (36, 50) eine Opferschicht (52) aufweist, die über zumindest der unteren Oberfläche und der Kante des Substrats angeordnet ist.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die Opferschicht (52) Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid aufweist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem die Opferschicht (52) mit einem Ätzmittel geätzt wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Ätzmittel Fluor oder HF oder beides aufweist.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem sich die Opferschicht (52) über die Vorderseitenkantenausschlußzone (35) des Substrats erstreckt.

17. Verfahren zum Bilden eines ferroelektrischen Bauelements (10), mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Substrats (36, 50), das eine obere Oberfläche, eine untere Oberfläche (33), eine Kante (34) und eine Vorderseitenkantenausschlußzone (35) aufweist, und einer Opferschicht (52), die über zumindest der Kante und der unteren Oberfläche angeordnet ist;
Bilden einer unteren Elektrode (14) über der oberen Oberfläche des Substrats (36, 50);
Bilden einer ferroelektrischen, dielektrischen Schicht (12) über der unteren Elektrode (14);
Bilden einer oberen Elektrode (16) über der ferroelektrischen, dielektrischen Schicht, und,
nachdem eine ferroelektrische Kondensatorstruktur (10) gebildet wurde,
Ätzen der Opferschicht (52), um eine Verunreinigung des ferroelektrischen Bauelements, die an demselben gebildet ist, zu entfernen.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem die Opferschicht (52) Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid aufweist.

19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, das ferner ein selektives Ätzen von Material (38, 40) des ferroelektrischen Bauelements von Regionen aufweist, die der unteren Oberfläche, der Kante und der Vorderseitenkantenausschlußzone entsprechen, bevor die Opferschicht (52) geätzt wird.

20. Ferroelektrisches Bauelement-Verarbeitungsmodul (104) mit folgenden Merkmalen:
einem oder mehreren, zweckgebundenen Verarbeitungswerkzeugen (106), die nur der Verarbeitung des ferroelektrischen Bauelements zugewiesen sind;
einem oder mehreren, gemeinschaftlich verwendeten Verarbeitungswerkzeugen (108), die sowohl der Verarbeitung des ferroelektrischen Bauelements als auch der Verarbeitung des Standardhalbleiterbauelements zugewiesen sind, und
einer oder mehreren Reinigungsstationen (62) zum Reinigen einer ferroelektrischen Bauelement-Verunreinigung von Substraten, bevor die Substrate von einem zweckgebundenen Verarbeitungswerkzeug (106) zu einem gemeinschaftlich verwendeten Verarbeitungswerkzeug (108) übertragen werden.