DE10243468A1

DE10243468A1 - Verfahren zum Kristallisieren von Metalloxid-Dielektrikum-Schichten bei niedriger Temperatur

Info

Publication number: DE10243468A1
Application number: DE10243468A
Authority: DE
Inventors: Jingyu Lian; Chenting Lin; Katherine Saenger; Kwong Hon Wong
Original assignee: Infineon Technologies AG; International Business Machines Corp
Current assignee: Qimonda AG; International Business Machines Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2003-05-15
Also published as: US6432725B1

Abstract

Ein Verfahren zum Ausbilden einer kristallinen Dielektrikum-Schicht scheidet eine amorphe Metalloxid-Dielektrikum-Schicht auf einer Oberfläche ab (10). Die amorphe Metalloxid-Dielektrikum-Schicht wird mit einem Plasma bei einer Temperatur von höchstens 400 DEG C behandelt (12), um eine kristalline Schicht zu bilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Halbleiterverarbeitung und insbesondere auf ein Verfahren zum Kristallisieren einer Perowskit-Schicht, wie z. B. Barium-Strontium- Titan-Oxid (BSTO), unter Verwendung eines Niedertemperaturprozesses.
Damit Barium-Strontium-Titan-Oxid-Schichten (BSTO-Schichten) als Material mit hoher Dielektrizität in Halbleitervorrichtungen wie z. B. Schreib/Lese-Speichern (DRANs) verwendet werden können, müssen sie kristallisiert werden. Die hohe Kristallisationstemperatur von BSTO erzeugt Schwierigkeiten beim Integrieren von BSTO in derzeitige Halbleiterfertigungsprozesse. Die derzeitige BSTO-Verarbeitung umfaßt:

1. Abscheiden von BSTO bei hoher Temperatur, um kristallisierte Schichten zu bilden, wenn sie abgeschieden werden, genauer bei 450°C bis 500°C für das Sputtern und 580°C bis 640°C für die Metalloxid-Gasphasenabscheidung (MOCVD); oder
2. Tempern der amorphen Schichten, die bei niedriger Temperatur abgeschieden worden sind, durch Tempern bei hohen Temperaturen (z. B. 600°C oder höher).

Bei den meisten Abscheidungsverfahren wird mit höherer Abscheidungstemperatur die Kristallqualität der Schicht besser. In DRAMs mit gestapelten Kondensatoren treten jedoch Probleme bei hohen Temperaturen auf. Zum Beispiel findet eine Oxidation von Barrierenlagen statt, die ausgebildet worden sind, um eine Diffusion von Metallen zu verhindern. Die Oxidation aufgrund einer hohen Temperatur und der sauerstoffhaltigen Umgebung bewirken eine Erhöhung des Kontaktwiderstandes für elektrische Komponenten.
Es besteht folglich Bedarf an einem Verfahren zum Kristallisieren von Perowskit-Materialien bei niedrigen Temperaturen, um eine übermäßige Oxidation zu vermeiden und eine Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante zu schaffen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die obenerwähnten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein verbessertes Verfahren zur Ausbildung einer kristallinen Dielektrikum-Schicht zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach einem der unabhängigen Ansprüche 1 und 12. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die auf die Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
Fig. 1 einen Blockschaltplan, der ein Verfahren zur Ausbildung einer kristallinen Dielektrikum-Lage bei niedriger Temperatur aus einer amorphen Metalloxid-Dielektrikum-Lage gemäß der Erfindung erläutert; und
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtungsstruktur, die eine kristalline Metalloxid- Dielektrikum-Lage zeigt, die gemäß der Erfindung als ein Kondensator-Dielektrikum verwendet wird.
Die Erfindung schafft Verfahren zum Kristallisieren von Dielektrikum-Lagen, die ein Oxid eines Metalls enthalten. Die Erfindung schafft einen Prozeß, mit dem eine amorphe Schicht des Dielektrikums abgeschieden wird und anschließend mit einem Plasma behandelt wird, um das Dielektrikum zu kristallisieren. Der Prozeß hat den Vorteil, daß unerwünschte Oxidationen reduziert werden, und verbessert die dielektrischen Eigenschaften der Schicht. In einer Ausführungsform kann durch Verwenden einer Plasmabehandlung eine amorphe BSTO-Schicht bei einer sehr viel niedrigeren Temperatur und in einer kürzeren Prozeßzeit kristallisiert werden im Vergleich zu herkömmlichen Temper-Prozessen. Die Plasmatemperaturen, die von der Erfindung verwendet werden, sind ebenfalls niedriger als diejenigen bei Kristall bildenden chemischen Gasphasenabscheidungs-Prozessen (CVD-Prozessen). Die Erfindung wird beispielhaft mit Bezug auf BSTO-Schichten beschrieben; jedoch ist die Erfindung auf beliebige Metalloxid-Schichten anwendbar, die eine kristalline Form enthalten.
Mit Bezug auf spezifische Einzelheiten der Zeichnungen, in denen in allen Ansichten ähnliche Bezugszeichen ähnliche oder identische Elemente bezeichnen, und insbesondere mit Bezug auf Fig. 1, zeigt ein Flußdiagramm ein beispielhaftes Verfahren zum Kristallisieren einer Dielektrikum-Schicht gemäß der Erfindung. Im Block 10 wird eine amorphe Metalloxid-Dielektrikum-Lage ausgebildet. Ein amorphes Metalloxid kann Barium-Strontium-Titan-Oxid (BSTO), Strontium-Titan-Oxid (STO), Titanoxid (TiO₂), Barium-Titan-Oxid (BTO), Blei-Titan-Oxid, Blei-Zirkonium- Titan-Oxid, Dielektrika mit Perowskit-Strukturen oder andere Metalloxid-Dielektrika enthalten, vorzugsweise Titan-Oxide, die eine kristalline Struktur bilden können. In einer Ausführungsform enthält amorphes Metalloxid eine amorphe BSTO-Schicht. Die amorphe BSTO-Schicht kann gebildet werden durch einen Prozeß bei einer niedrigen Temperatur, vorzugsweise unterhalb von etwa 400°C, jedoch können auch Temperaturen von bis hinab zu etwa 520°C verwendet werden. Andere Prozesse können verwendet werden, um die amorphe BSTO-Schicht auszubilden; jedoch werden Niedertemperaturprozesse bevorzugt (z. B. 450°C oder niedriger).
Im Block 12 wird eine Plasmabehandlung gemäß der Erfindung durchgeführt. Eine Halbleitervorrichtung oder ein Substrat, das amorphes BSTO (oder eine andere Metalloxid- Dielektrikum-Schicht) enthält, wird in einem Plasmareaktor oder einem Fern-Plasmareaktor (z. B. mit Plasma, das von einer weiteren Kammer geliefert wird) plaziert. Die Plasmabehandlung umfaßt das Erzeugen eines Sauerstoffplasmas, eines Stickstoffplasmas oder eines Gemisches aus Sauerstoff- und Stickstoff-Plasma in der Plasmakammer und Behandeln der BSTO-Schicht mit dem Plasma. Die Vorbelastungsleistung, die während der Plasmabehandlung verwendet wird, beträgt vorzugsweise zwischen etwa 500 Watt und 1.200 Watt, besser etwa 750 Watt. Das Plasma wird vorzugsweise durch den Druck in der Kammer kontrolliert. Der Druck wird vorzugsweise im Bereich von etwa 1 mTorr bis etwa 5 Torr gehalten, besser bei etwa 1,3 Torr.
Die Plasmabehandlung wird bei niedrigen Temperaturen, vorzugsweise etwa 400°C oder niedriger (z. B. bis hinab zu etwa 200°C) für kurze Zeitspannen von z. B. weniger als einer Minute und vorzugsweise weniger als 30 Sekunden durchgeführt. Zum Beispiel wird bei einer Plasmabehandlungstemperatur von etwa 400°C eine Zeitspanne von etwa 35 Sekunden benötigt, um die BSTO-Schicht zu kristallisieren. Die Erfindung verwendet vorteilhaft deutlich niedrigere Temperaturen bei deutlich kürzeren Zeitspannen, um die amorphe BSTO-Schicht zu kristallisieren. Zum Beispiel kann das Plasmabehandlungsverfahren der Erfindung (400°C oder niedriger, 35 Sekunden oder kürzer) verglichen werden mit dem herkömmlichen Tempern einer amorphen Schicht mit Temper-Temperaturen von 600°C oder höher für 15 Minuten oder länger. Die Erfindung reduziert wesentlich die Zeit und die Temperatur, die zum Kristallisieren einer BSTO-Schicht (oder einer anderen Metalloxidschicht) benötigt werden. Durch Reduzieren der Temperatur und der Dauer ist es weniger wahrscheinlich, daß andere Komponenten der Halbleitervorrichtungsstruktur mit Umgebungsgasen oder Plasmen reagieren. Dies führt z. B. zu einer deutlichen Verringerung der unerwünschten Oxidation. Als Ergebnis werden der Kontaktwiderstand und andere Leistungsmerkmale einer Halbleitervorrichtung, die BSTO verwendet, verbessert.
BSTO-Schichten können in einer breiten Vielfalt von Anwendungen verwendet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung werden BSTO-Schichten in einer Halbleiterspeichervorrichtung als ein Kondensator-Dielektrikum- Material in z. B. gestapelten Kondensatoren verwendet. Halbleiterspeicher, wie z. B. Schreib/Lese-Speicher (DRAMs), mit einer Speicherdichte von 1 G oder höher, enthalten vorzugsweise Metalloxid-Dielektrikum-Lagen, die kristallisiert sind, um eine Schicht mit hoher Dielektrizität für Kondensatoren und dergleichen zur Verfügung zu stellen. Da BSTO-Schichten eine Perowskit-Struktur aufweisen, wird durch Kristallisation eine hohe Dielektrizitätskonstante erreicht. Hohe Dielektrizitätskonstanten bieten eine höhere Kapazität, während der gleiche oder weniger Raum beansprucht wird. Die Kristallisation zum Erreichen einer hohen Dielektrizitätskonstanten kann in bestimmten kristallographischen Ebenen wichtiger sein. Genauer, es werden Eigenschaften mit hoher Dielektrizität erreicht, wenn eine kristalline Form in der <111>-Ebene existiert.
In Fig. 2 ist eine Struktur eines gestapelten Kondensators 22 für eine Halbleitervorrichtung 20 gezeigt. Die Halbleitervorrichtung 22 kann eine DRAM-Vorrichtung, eine eingebettete DRAM-Vorrichtung, einen Prozessor oder irgendeine andere Halbleitervorrichtung umfassen, die Schichten mit hoher Dielektrizität verwendet. Der gestapelte Kondensator 22 enthält eine untere Elektrode 24, die über eine Barrierelage 28 mit einem Pfropfen 26 verbunden ist. Der Pfropfen 26 ist mit einem Diffusionsbereich 21 verbunden, der in einem Substrat 19 ausgebildet ist. Der Diffusionsbereich 21 ist Teil eines Zugrifftransistors 23, der verwendet wird, um den Kondensator 22 entsprechend der Aktivierung einer Wortleitung 25 (Gate des Transistors 23) und den Daten auf einer Bitleitung 27 zu laden oder zu entladen. Die Bitleitung 27 verbindet einen Diffusionsbereich 21 des Transistors 23 mit einem Bitleitungskontakt 29. Ein flacher Grabenisolationsbereich (STI) 17 ist ebenfalls gezeigt, wie im Stand der Technik bekannt ist.
Der Pfropfen 26 enthält ein leitendes Material, wie z. B. Polysilicium, während die Barrierelage 28 Materialien wie z. B. TaN, TaSiN, TiN oder Äquivalente enthält, um die Diffusion zwischen der unteren Elektrode 24 und dem Pfropfen 26 zu reduzieren. Die untere Elektrode 24 enthält vorzugsweise ein Edelmetall, wie z. B. Platin, Ruthenium und/oder Edelmetalloxide, wie z. B. Rutheniumoxid. Eine amorphe Metalloxid-Dielektrikum-Schicht wird bei einer niedrigen Temperatur abgeschieden und entsprechend der Erfindung mit Plasma behandelt, um eine Kondensator-Dielektrikum-Lage 30 zu kristallisieren. Da die Lage 30 bei niedrigen Temperaturen für kürzere Zeitspannen abgeschieden und behandelt wird, wird die Oxidation der Barrierenlage 28 und des Pfropfens 26 aufgrund der Umgebungsbedingungen reduziert. Bei herkömmlichen Prozessen tritt an der Barrierenlage 28 und am Pfropfen 26 eine Oxidation auf. Dies wird durch die Erfindung wesentlich reduziert, da Massentransportmechanismen, wie z. B. die Diffusion, reduziert werden durch Reduzieren der Konzentration, der Temperatur und der Verfügbarkeit (Dauer) von Sauerstoff.
Bei den meisten herkömmlichen Abscheidungsverfahren wird mit höherer Abscheidungstemperatur die Kristallqualität der Schicht besser. Es tritt jedoch eine Oxidation der Barrierelagen und ein erhöhter Kontaktwiderstand auf, weshalb die Sauerstoffumgebung die Abscheidungstemperatur beschränkt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren verwendet die Erfindung eine Plasmabehandlung bei niedrigen Temperaturen von z. B. 400°C oder weniger für kurze Zeitspannen von z. B. von 35 Sekunden oder weniger, um eine kristalline Dielektrikum-Schicht von wenigstens der gleichen Qualität wie bei den herkömmlichen Verfahren zu erhalten. Da weniger Oxidation auftritt, sind verringerte Dicken der Barrierelage 28 erforderlich.
Der gestapelte Kondensator 22 wird fertiggestellt durch Ausbilden einer oberen Elektrode 32. Die Verarbeitung wird fortgesetzt, wie im Stand der Technik bekannt ist. Es ist klar, daß die Erfindung nicht durch die in Fig. 2 gezeigte Struktur beschränkt ist. Statt dessen ist die Erfindung breiter angelegt, da sie mit anderen Kondensatorstrukturen oder irgendeiner anderen Halbleitervorrichtungsstruktur verwendet werden kann, die Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante benötigt. Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält ein optionaler Schritt in Block 14 die Verwendung der kristallinen Metalloxid-Dielektrikum- Schicht (WSTO) als eine Keimbildungslage oder eine Keimlage, um eine dickere Schicht mit einer Kristallstruktur zu züchten. Da eine dünne Lage (z. B. weniger als etwa 5 nm) anfangs als eine amorphe Lage abgeschieden werden kann, können nach der Kristallisierung dickere Lagen (z. B. 5-100 nm) gezüchtet werden, um den dielektrischen Schutz zu erhöhen, unter Verwendung des amorphen Abscheidungsprozesses bei niedrigen Temperaturen.
Rasterelektronenmikroskop-(SEM)-Bilder und Röntgenstrahlbeugungs-(XRD)-Intensitätsmessungen, die von den Erfindern durchgeführt wurden, haben die kristalline Eigenart der abgeschiedenen Schichten, die mit Plasma gemäß der Erfindung behandelt worden sind, bestätigt. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse von XRD-Intensitätsmessungen von: 1) einer herkömmlichen kristallinen BSTO-Schicht, wie abgeschieden (bei einer Abscheidungstemperatur von 520°C und mit einer Dicke von etwa 300 Ångström), 2) eine herkömmliche amorphe BSTO-Schicht, die bei einer Temperatur von 650°C für 15 Minuten getempert worden ist, und 3) eine bei 400°C für 35 Sekunden plasmabehandelte Schicht gemäß der Erfindung. Die Röntgenstrahlbeugungsintensitäten wurden für jede der in Tabelle 1 aufgelisteten kristallographischen Ebenen gemessen. Es ist zu beachten, daß die Erfindung eine starke Intensität in der <111>-Ebene schafft, die für die elektrische Eigenschaften wichtiger ist als die anderen Kristallebenen. Tabelle 1 XRD-Intensität für kristallographische Ebenen
Nach der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen für Verfahren zum Kristallisieren von Metalloxid-Dielektrikum-Schichten bei niedriger Temperatur (die erläuternd und nicht einschränkend sein sollen), ist zu beachten, daß von Fachleuten hinsichtlich der obigen Lehren Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden können. Es ist daher klar, daß an den bestimmten Ausführungsformen der Erfindung, die offenbart worden sind, Änderungen vorgenommen werden können, die in den Umfang und den Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, die durch die beigefügten Ansprüche dargelegt werden. Während somit die Erfindung mit Einzelheiten und einer mit Genauigkeit beschrieben worden ist, die von den Patentgesetzen gefordert wird, ist das, was durch die Patenturkunde beansprucht und geschützt werden soll, in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt.

Claims

1. Verfahren zum Ausbilden einer kristallinen Dielektrikum-Schicht,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Abscheiden einer amorphen Metalloxid-Dielektrikum-Schicht auf einer Oberfläche; und
Behandeln der amorphen Metalloxid-Dielektrikum- Schicht mit einem Plasma bei einer Temperatur von höchstens 400°C, um eine kristalline Schicht auszubilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Metalloxid-Dielektrikum-Schicht bei einer Temperatur gleich oder niedriger als etwa 450°C abgeschieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Metalloxid-Dielektrikum- Schicht ein Titan-Oxid enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Metalloxid- Dielektrikum-Schicht ein Barium-Strontium-Titan-Oxid enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Metalloxid- Dielektrikum-Schicht ein Perowskit-Dielektrikum enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxid-Dielektrikum- Schicht mit einem Plasma behandelt wird, das wenigstens Stickstoff und/oder Sauerstoff enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma auf einem Druck zwischen etwa 1 mTorr und 5 Torr gehalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Metalloxid- Dielektrikum-Schicht mit einem Plasma für weniger als eine Minute behandelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Titanoxid- Schicht mit einem Plasma für weniger als 30 Sekunden behandelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metalloxid-Dielektrikum- Material auf der kristallinen Schicht abgeschieden wird, um eine dickere kristalline Schicht zu bilden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kristalline Schicht eine Röntgenstrahlbeugungsintensität ungleich 0 bezogen auf eine <111>-Oberfläche liefert.

12. Verfahren zum Ausbilden einer kristallinen Dielektrikum-Schicht,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Abscheiden einer amorphen Metalloxid-Dielektrikum-Schicht auf einer ersten Elektrode (24) eines Kondensators; und
Behandeln der amorphen Metalloxid-Dielektrikum- Schicht mit einem Plasma bei einer Temperatur von höchstens 400°C, um eine kristallisierte Kondensator- Dielektrikum-Schicht (30) auszubilden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Metalloxid-Dielektrikum-Schicht bei einer Temperatur gleich oder niedriger als etwa 450°C abgeschieden wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Metalloxid-Dielektrikum- Schicht wenigstens Barium-Strontium-Titan-Oxid, Blei- Titan-Oxid, Blei-Zirkonium-Titan-Oxid, Titan-Oxid, Barium-Titan-Oxid und/oder Strontium-Titan-Oxid enthält.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Metalloxid- Dielektrikum-Schicht ein Perowskit-Dielektrikum enthält.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxid-Dielektrikum- Schicht mit einem Plasma behandelt wird, das wenigstens Stickstoff und/oder Sauerstoff enthält.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma auf einem Druck zwischen etwa 1 mTorr und 5 Torr gehalten wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxid-Dielektrikum- Schicht mit einem Plasma für weniger als eine Minute behandelt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metalloxid-Dielektrikum- Material auf der kristallisierten Kondensator- Dielektrikum-Schicht (30) abgeschieden wird, um eine dickere kristallisierte Kondensator-Dielektrikum-Schicht (30) zu bilden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Elektrode (32) auf der kristallisierten Kondensator-Dielektrikum-Schicht (30) abgeschieden wird, um einen gestapelten Kondensator zu bilden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die kristalline Schicht eine Röntgenstrahlbeugungsintensität ungleich 0 bezogen auf eine <111>-Oberfläche bietet.