Der wirtschaftliche Erfolg in der
Halbleiterindustrie wird wesentlich von einer weiteren Reduzierung
der minimalen Strukturgröße beeinflusst,
die sich auf einem Mikrochip darstellen lässt. Eine Reduzierung der minimalen
Strukturgröße ermöglicht eine Erhöhung der
Integrationsdichte der elektronischen Bauelemente, wie Transistoren
oder Kondensatoren, auf dem Mikrochip und damit eine Steigerung
der Rechengeschwindigkeit von Prozessoren sowie eine Steigerung
der Speicherkapazität
von Speicherbausteinen. Um den Flächenbedarf der Bauelemente
auf der Chipoberfläche
gering zu halten, nutzt man bei Kondensatoren auch die Tiefe des
Substrats. Dazu wird zunächst
ein Graben in den Wafer eingebracht. Anschließend wird eine Bottomelektrode
erzeugt, indem beispielsweise die Bereiche des Wafers, welche sich
an die Wandung des Grabens anschließen, zur Erhöhung der
elektrischen Leitfähigkeit
dotiert werden. Auf die Bottomelektrode wird dann eine dünne Schicht
eines Dielektrikums aufgebracht. Zuletzt wird der Graben mit einem
elektrisch leitfähigen
Material aufgefüllt,
um eine Gegenelektrode zu erhalten. Diese Elektrode wird auch als
Topelektrode bezeichnet. Durch diese Anordnung von Elektroden und
Dielektrikum wird der Kondensator quasi gefaltet. Bei gleich bleibend
großen
Elektrodenflächen,
also gleicher Kapazität
kann die laterale Ausdehnung des Kondensators auf der Chipoberfläche minimiert
werden. Derartige Kondensatoren werden auch als Grabenkondensatoren
oder "Deep-Trech"-Kondensatoren bezeichnet.
In Speicherchips entspricht der geladene bzw.
entladene Zustand des Kondensators den beiden binären Zuständen 0 bzw.
1. Um den Ladungszustand des Kondensators und damit die im Kondensator
gespeicherte Information sicher bestimmen zu können, muss diese eine bestimmte
minimale Kapazität
aufweisen. Sinkt die Kapazität
bzw. bei teilentladenem Kondensator die Ladung unter diesen Wert, verschwindet
das Signal im Rauschen, das heißt
die Information über
den Ladungszustand des Kondensators geht verloren. Nach dem Beschreiben
entlädt sich
der Kondensator durch Leckströme,
welche einen Ladungsausgleich zwischen den beiden Elektroden des
Kondensators bewirken. Um einem Informationsverlust durch die Entladung
des Kondensators entgegenzuwirken, wird bei DRAMs der Ladungszustand
des Kondensators in regelmäßigen Abständen überprüft und gegebenenfalls
aufgefrischt, das heißt ein
teilweise entladener Kondensator wird wieder bis zu seinem ursprünglichen
Zustand aufgeladen. Diesen so genannten "Refreshing"-Zeiten sind jedoch technische Grenzen
gesetzt, das heißt,
sie können nicht
beliebig verkürzt
werden. Während
der Periode der Refreshing-Zeit darf die Ladung des Kondensators
daher nur so weit abnehmen, dass eine sichere Bestimmung des Ladungszustands
möglich
ist. Bei einem gegebenen Leckstrom muss der Kondensator zu Beginn
der Refreshing-Zeit daher eine bestimmte minimale Ladung aufweisen,
so dass zum Ende der Refreshing-Zeit der Ladungszustand noch ausreichend
hoch über
dem Rauschen liegt, um die im Kondensator gespeicherte Information
sicher auslesen zu können.
Mit abnehmenden Abmessungen nehmen die Leckströme zu, da Tunneleffekte an
Bedeutung gewinnen. Um auch bei fortschreitender Miniaturisierung
eine sichere Speicherung von Informationen gewährleisten zu können, muss
der Kondensator eine ausreichende Kapazität aufweisen. Um trotz abnehmender
Baugröße die gewünschte hohe
Kapazität
zu erhalten, werden eine Vielzahl von Lösungsansätzen verfolgt. So wird beispielsweise
die Oberfläche
der Elektroden mit einer Struktur versehen, um bei abnehmender Länge und
Breite der Elektroden deren Oberfläche möglichst groß zu gestalten. Ferner werden
neue Materialien verwendet. So versucht man, das bisher als Dielektrikum
verwendete Siliziumdioxid durch Materialien mit höherer Dielektrizitätskonstante
zu ersetzen.
Um bei einer gegebenen Größe eines
Kondensators eine möglichst
hohe Kapazität
zu erreichen, versucht man ferner, den unmittelbar an das Dielektrikum
anschließenden
Bereich des Halbleiters möglichst
hoch zu dotieren, um so in unmittelbarer Nachbarschaft zum Dielektrikum
eine möglichst
hohe Ladungsdichte in der Elektrode zu erzeugen. Die Dotierung kann
aus fester Phase erfolgen, wobei die zu dotierenden Abschnitte des
Halbleiters beispielsweise mit einem Arsenglas bedeckt werden. Durch
Tempern diffundieren die Arsenionen dann aus dem Arsenglas in den
Halbleiter. Es ist auch eine Dotierung aus der Gasphase möglich, beispielsweise
mit AsH3. Dazu müssen jedoch die Abschnitte
des Halbleiters, welche frei von einer Dotierung bleiben sollen,
durch eine entsprechende Deckschicht geschützt werden. Wird Silizium als
Halbleitermaterial verwendet, bildet sich auch bei hoher Dotierung
eine Raumladungszone aus, welche eine parasitäre Kapazität darstellt und somit die Flächenladungsdichte
des Kondensators weiter verringert. Um die Ausbildung einer Raumladungszone
zu unterdrücken,
geht man bei weiter abnehmenden Dimensionen der Kondensatoren dazu über, die
Elektroden aus Metallen oder anderen elektrisch hoch leitfähigen Materialien
auszubilden. Als Materialien kommen für die Elektrodenschichten beispielsweise
Al, TaSiN, WSiN, TiAlN, WSi, MoSi, CoSi, W, WN, Ta, TaN, Ti, TiN,
Hf, HfN, Zr, ZrN, Mo, MoN, Y, YN, La, LaN, Ce, CeN, TiSiN, WSiN,
oder ähnliche
Materialien in Frage. Bei der Strukturierung der Metallschichten
bzw. der Schichten aus elektrisch hoch leitfähigen Materialien werden übliche Trocken-
oder Nassätzprozesse
verwendet. Diese Ätzprozesse
müssen
selektiv zu anderen Materialien, insbesondere zu Silizium, Siliziumoxid
sowie Siliziumnitrid verlaufen. Diese Verfahren sind meist sehr
aufwändig
durchzuführen
und stehen auch nicht für
alle Metalle bzw. elektrisch hoch leitfähigen Materialien zur Verfügung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein Verfahren zur Herstellung und Strukturierung von Schichten zur
Verfügung
zu stellen, welche eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem
Verfahren zur Strukturierung von Schichten aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid,
mit den Schritten:
- – Bereitstellen eines Substrats
mit einer Substratoberfläche,
- – Abscheiden
einer Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid auf zumindest Abschnitten
der Substratoberfläche;
- – Abscheiden
einer gegen Sauerstoff inerten Deckschicht auf zumindest Abschnitten
der Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid, so dass von der Deckschicht
bedeckte Abschnitte, sowie frei liegende Abschnitte der Schicht
aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid erhalten werden;
- – Tempern
des Substrats in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wobei
die freiliegenden Abschnitte der Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid
entfernt werden.
Durch die Verwendung von Ruthen bzw.
Ruthen(IV)oxid (RuO2) steht ein Material
zur Verfügung, welches
eine hohe elektrische Leitfähigkeit
aufweist. Dies ermöglicht
die Herstellung sehr dünner
Elektroden, beispielsweise für
Kondensatoren, weshalb auch deren Abmessungen und damit die auf
der Oberseite eines Substrats benötigte Fläche weiter verringert werden
kann. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
lässt sich
die Strukturierung der Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid sehr
einfach ausführen,
da das Ruthen bzw. Ruthen(IV)oxid in eine sublimierbare Verbindung überführt wird.
Dies wird erreicht, indem die Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid
einer sauer stoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt
wird, so dass das Ruthen bzw, das Ruthen(IV)oxid in flüchtige Ruthenoxide
umgesetzt wird. Ruthen bildet verschiedene flüchtige Oxide. Ruthen(VIII)oxid
siedet bei einer Temperatur von etwa 100°C. Bei höherem Sauerstoffpartialdruck
entsteht bei Temperaturen oberhalb von etwa 800°C aus Ruthen bzw. Ruthen(IV)oxid
das Ruthen(VIII)oxid, während
bei höheren
Temperaturen im Bereich ab etwa 1200°C und niedrigem Sauerstoffpartialdruck
das flüchtige
Ruthen(VI)oxid entsteht. Die Reaktion wird bei einer Temperatur
und einem Sauerstoffpartialdruck durchgeführt, bei welchem einerseits
eine ausreichend hohe Umsetzungsrate des Ruthens bzw. Ruthen(IV)oxids
erreicht wird und andererseits das entstandene flüchtige Ruthenoxid
von der Substratoberfläche
absublimiert. Die Strukturierung der Ruthenschicht bzw. der Schicht
aus Ruthen(IV)oxid kann daher sehr einfach durchgeführt werden.
Um eine Strukturierung zu erreichen, müssen diejenigen Bereiche der
Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid, welche auf dem Substrat
verbleiben sollen, gegenüber
der sauerstoffhaltigen Atmosphäre geschützt werden.
Dazu werden diese Abschnitte mit einer Deckschicht abgedeckt, welche
inert gegenüber
Sauerstoff ist. Die Deckschicht kann geeignet aus einem Oxid gebildet
werden, welches unter Bedingungen, bei welchen das Ruthen(VIII)oxid
bzw. das Ruthen(VI)oxid absublimiert wird, stabil auf der Substratoberfläche verbleibt.
Ein geeignetes Oxid ist beispielsweise Siliziumdioxid. Die Deckschicht
muss dabei nicht durchgehend aus dem Oxid gebildet sein. Die Deckschicht
kann beispielsweise auch aus einem schwer flüchtigen Element, beispielsweise
einem Metall gebildet sein, das an seiner Oberfläche oxidiert ist. So ist es
beispielsweise auch möglich, eine
Deckschicht aus Polysilizium zu verwenden, das an seiner Oberfläche mit
einer Oxidschicht passiviert ist. Durch die Oxidschicht wird das
Polysilizium vor einer weiteren Oxidation in der sauerstoffhaltigen
Atmosphäre
geschützt.
Polysilizium eignet sich als Deckschicht besonders, wenn die Schicht
aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid auf Reliefstrukturen ausgebildet werden
soll. Sofern erforderlich, kann die Strukturierung der Deckschicht
mit üblichen
Verfahren durchgeführt
werden. Nachdem bestimmte Abschnitte der Schicht aus Ruthen oder
Ruthen(IV)oxid durch die Deckschicht geschützt wurden, wird das Substrat
in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre getempert, wobei sich das
freiliegende Ruthen bzw. Ruthen(IV)oxid in ein sublimierbares Ruthenoxid
umwandelt, so dass die freiliegenden Abschnitte der Schicht aus
Ruthen oder Ruthen(IV)oxid entfernt werden.
Je nachdem, ob die Deckschicht bereits
einen Bestandteil eines aufzubauenden mikroelektronischen Bauelements
bildet oder nicht, kann die Deckschicht nach der Strukturierung
auf der Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid verbleiben oder auch
entfernt werden. Zur Entfernung der Deckschicht werden übliche Verfahren
eingesetzt. Die genauen Bedingungen sind jeweils vom Material abhängig, das
für die
Deckschicht verwendet wurde. Bei Verwendung von Schichten aus Siliziumdioxid kann
die Deckschicht beispielsweise nasschemisch mit wässriger
Flusssäure
oder auch in einem fluorhaltigen Plasma entfernt werden.
Die Bedingungen für das Tempern das Substrats
werden bevorzugt so gewählt,
dass eine möglichst
geringe thermische Belastung verursacht wird. Andererseits muss
die Temperatur jedoch hoch genug gewählt werden, um sicherzustellen,
dass die Umsetzung zu flüchtigen
Ruthenoxiden innerhalb von für
eine industrielle Anwendung interessanten Zeiträumen erfolgt. Bevorzugt wird
zum Tempern das Substrat auf eine Temperatur von mehr als 800°C erhitzt.
Bei diesen Temperaturen bildet sich Ruthen(VIII)oxid, welches unter
diesen Bedingungen von der Substratoberfläche absublimiert werden kann.
Bei höheren
Temperaturen bzw. geringem Sauerstoffgehalt der sauerstoffhaltigen
Atmosphäre
kann sich bei Temperaturen oberhalb von 1200°C auch das flüchtige Ruthen(VI)oxid
(RuO3) ausbilden. Dies bedeutet eine hohe
thermische Belastung des Substrats, so dass die zum Tempern verwendete
Temperatur bevorzugt unterhalb von 1200°C gewählt wird.
Das leichter flüchtige Ruthen(VIII)oxid (RuO4) bildet sich bevorzugt bei einem hohen
Sauerstoffanteil der sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Bevorzugt ist daher die
sauerstoffhaltige Atmosphäre
im Wesentlichen aus Sauerstoff gebildet. Neben Sauerstoff können noch
Inertgase bzw. Spuren anderer Verbindungen enthalten sein. Nach
Möglichkeit
sollten diese jedoch die Ausbildung des leichter flüchtigen
RuO4 nicht behindern. Bevorzugt wird die
Umsetzung zum flüchtigen
Ruthenoxid bei Normaldruck durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere
für die
Herstellung von Elektroden von Grabenkondensatoren. Durch den geringen elektrischen
Widerstand kann zum einen eine hohe Flächenladungsdichte erreicht
werden, wodurch sich die Abmessungen des Kondensators weiter minimieren
lassen. Zum anderen ermöglicht
der geringe Widerstand eine Verkürzung
der Zugriffszeit auf den Kondensator bzw. das Speicherelement eines
Speicherchips. Für
die Herstellung von Grabenkondensatoren wird bevorzugt in der Weise
vorgegangen, dass ein Substrat verwendet wird, in welches Gräben eingebracht
sind. Diese Gräben
weisen Grabenwandungen auf, auf welchen zumindest in Abschnitten
die Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid abgeschieden wird. Nach
einer entsprechenden Strukturierung können diese Schichten aus Ruthen
oder Ruthen(IV)oxid dann beispielsweise die Elektrode eines Kondensators
bilden.
Im Allgemeinen wird dabei in der
Weise vorgegangen, dass auf dem Substrat zunächst eine erste Elektrodenplatte
mit hoher elektrischer Leitfähigkeit
bereitgestellt wird. Auf der ersten Elektrodenplatte wird dann eine
Schicht aus einem Dielektrikum abgeschieden, auf welche wiederum
die Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid abgeschieden wird. Diese
Schicht struktur eignet sich für
die Herstellung von Kondensatoren mit an sich beliebigem Design.
So können
die strukturierten Ruthen-Elektroden sowohl für Grabenkondensatoren wie auch
für Stacked-Kondensatoren
verwendet werden. Ebenso kann auch ein ebenes Design verwirklicht
werden, bei welchem jeweils planare Schichten übereinander gestapelt werden.
Die Herstellung der ersten Elektrodenplatte erfolgt
im Allgemeinen in der Weise, dass zunächst ein dotierter Abschnitt
im Halbleitersubstrat erzeugt wird. Dazu kann ein geeignetes Dotiermittel
in üblicher
Weise in das Halbleitersubstrat eingebracht werden. Zunächst werden
die zu dotierenden Abschnitte in geeigneter Weise definiert, indem
beispielsweise ein Graben bis zur gewünschten Tiefe mit einem Arsenglas
aufgefüllt
wird. Beim anschließenden
Tempern werden dann nur die unteren Abschnitte des Grabenkondensators
dotiert. Eine Dotierung aus der Gasphase ist ebenfalls möglich. Die
Bereiche des Substrats, welche frei von der Dotierung verbleiben
sollen, müssen
dazu zunächst
mit einer Diffusionsbarriere abgedeckt werden. Für die Herstellung der ersten
Elektrodenplatte werden also übliche,
dem Fachmann bekannte Verfahren verwendet. Es bestehen hier keine
besonderen Beschränkungen.
Um die Ausbildung von Raumladungszonen zu
vermeiden, wird in einer bevorzugten Ausführungsform auf den dotierten
Abschnitten des Halbleitersubstrats zusätzlich eine Schicht aus Metall
oder einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit abgeschieden. Das Metall
bzw. das Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit kann an sich in beliebiger
Weise gewählt
werden. Geeignet sind beispielsweise die in der Einleitung genannten
Materialien. Die Metallschicht kann aber auch beispielsweise aus Ruthen
bestehen oder aus Ruthen(IV)oxid als Material mit hoher elektrischer
Leitfähigkeit.
Bei Verwendung als Elektrode kann
auf der Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid auch noch eine Schicht
aus Polysilizium abgeschieden werden. Diese Anordnung wird bevorzugt
dann gewählt, wenn
die Elektrode als Topelektrode eines Grabenkondensators ausgebildet
wird. Über
die Füllung
mit Polysilizium kann dann der Anschluss der Elektrode z.B. an einen
Transistor erfolgen. Zur Erhöhung
der elektrischen Leitfähigkeit
kann die Schicht aus Polysilizium auch mit einer Dotierung versehen
werden.
Um eine Reaktion zwischen einzelnen Schichten
zu vermeiden, welche zu einer Zerstörung der Schichtstruktur führen würde, wird
bevorzugt zwischen erstem Elektrodenabschnitt und der Schicht aus
einem Dielektrikum und/oder zwischen der Schicht aus einem Dielektrikum
und der Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid und/oder zwischen
der Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid und der Schicht aus dotiertem
Polysilizium eine Barriereschicht abgeschieden. Es werden dazu übliche Materialien
verwendet. Geeignet sind beispielsweise TaN, TaSiN, dotiertes Silizium,
oder auch TiN. Besondere Beschränkungen
existieren nicht. Die Barriereschicht sollte ihre Barrierefunktion
auch bei höheren
Temperaturen nicht verlieren und sich beispielsweise bei den geforderten
hohen Temperaturen nicht zersetzen bzw. nicht mit Bestandteilen
benachbarter Schichten reagieren.
Der Temperschritt, in welchem die
freiliegenden Abschnitte der Schicht aus Ruthen bzw. Ruthen(IV)oxid
entfernt werden, kann sowohl in konventionellen Öfen wie auch in RTP-Anlagen
durchgeführt werden.
RTP-Anlagen (RTP = Rapid Thermal Processing) ist bevorzugt, da in
diesen Anlagen eine rasche Prozessierung möglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die
einfache Herstellung und Strukturierung von Schichten aus Ruthen
bzw. Ruthen(IV)oxid, welche eine hohe elektrische Leitfähigkeit
aufweisen. Derartige Schichten eignen sich insbesondere für eine Verwendung
als Elektrode in Kondensatoren. Gegenstand der Erfindung ist daher
auch ein Kondensator mit einer ersten Elektrodenplatte und einer
zweiten Elektrodenplatte, sowie einer zwischen erster Elektrodenplatte
und zweiter Elektrodenplatte ausgebildeten Schicht aus einem Dielektrikum,
wobei zumindest eine der Elektrodenplatten in zumindest Abschnitten
aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid ausgebildet ist.
Durch Verwenden von Ruthen bzw. Ruthen(IV)oxid
kann eine hohe Flächenladungsdichte auf
der Elektrodenoberfläche
erreicht werden. Die erfindungsgemäßen Kondensatoren lassen sich
daher in sehr geringen Abmessungen herstellen. Wegen des geringen
elektrischen Widerstandes können
bei Verwendung des Kondensators als Speicherelement auch sehr kurze
Schreib- bzw. Lesezeiten verwirklicht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist der Kondensator daher als Grabenkondensator in einem Halbleitersubstrat
ausgebildet, bei welchem die erste Elektrodenplatte als dotierter
Abschnitt des Halbleitersubstrats in einer Grabenwandung ausgebildet
ist und die zweite Elektrodenplatte zumindest abschnittsweise aus
Ruthen oder Ruthen(IV)oxid ausgebildet ist.
Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators
erfolgt der Aufbau in an sich üblicher
Weise, wobei jedoch die Topelektrode zumindest abschnittsweise aus
Ruthen oder Ruthen(IV)oxid ausgebildet ist. Der Grabenkondensator wird
dabei in üblichen
Dimensionen ausgebildet. Die Ausdehnung des Grabenkondensators in
die Tiefe des Substrats beträgt
im Allgemeinen zwischen 1 und 10 μm,
vorzugsweise zwischen 5 und 10 μm während der
Durchmesser des Grabens geringer als 300 nm, vorzugsweise geringer
als 200 nm gewählt wird.
Die zweite Elektrode muss nicht vollständig aus
Ruthen oder Ruthen(IV)oxid ausgebildet sein. Es ist auch möglich, die
Elektrode als einen Schichtstapel auszubilden, wobei eine erste
Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid ausgebildet wird und zumindest eine
zweite Schicht aus Polysilizium. Die Aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid
ausgebildete Schicht wird dabei benachbart zum Dielektrikum angeordnet.
Um auch auf der ersten Elektrodenplatte eine
möglichst
hohe Flächenladungsdichte
zu erreichen bzw. den elektrischen Widerstand der Elektrode möglichst
gering zu gestalten, kann auch die erste Elektrodenplatte durch
eine auf den dotierten Abschnitten angeordnete Schicht aus Metall
oder aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit
ergänzt
sein. Als Metall bzw. Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit
können
wiederum die oben beschriebenen Materialien verwendet werden.
Um Leckströme, die zu einer vorzeitigen
Entladung des Kondensators führen,
zu vermeiden, kann der Grabenkondensator in seinem oberen Abschnitt,
also in einem Bereich der Grabenwandung, welche sich an die Öffnung des
Grabenkondensators anschließt,
mit einem Isolationsabschnitt versehen sein. Ein solcher Isolationsabschnitt
wird geeignet als Kragen ausgeführt.
Der erfindungsgemäße Kondensator eignet sich
besonders für
eine Verwendung als Speicherelement in einem Speicherchip (DRAM).
Dazu wird der Kondensator geeignet durch einen Transistor zu einer
Speicherzelle ergänzt.
Durch den Transistor wird eine Elektrode des Speicherkondensators
mit der Bitleitung des Chips verbunden.
1 zeigt
eine schematische Darstellung der Arbeitsschritte, welche beim erfindungsgemäßen Verfahren
durchlaufen werden. In 1-1 ist
in seitlicher Ansicht ein Schnitt durch ein Substrat 1 dargestellt,
beispielsweise einen Siliziumwafer. Das Substrat 1 unterliegt
in seinem Aufbau keinen besonderen Einschränkungen. Beispielsweise kann
das Substrat 1 auch mehrere übereinander angeordnete Schichten
umfassen. So kann auf dem Siliziumwafer eine epitaktisch abgeschiedene
Schicht aus einkristallinem Silizium oder eine Schicht aus Siliziumdioxid
angeordnet sein. Ebenso können
auch bereits Bauelemente in den Wafer integriert sein, Beispielsweise Gräben. Der Übersichtlichkeit
wegen sind solche im Substrat 1 integrierte Strukturen
oder Schichten nicht dargestellt. Auf das Substrat 1 wird
zunächst
eine Schicht 2 aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid abgeschieden.
Die Abscheidung erfolgt mit üblichen
Verfahren, beispielsweise einem CVD-(CVD = Chemical Vapor Deposition)
oder einem ALD-Verfahren (ALD = Atomic Layer Deposition). Als gasförmige Vorläuferverbindung
kann für
das Ruthen beispielsweise ein Ruthenhalogenid verwendet werden,
das mit Wasserstoff zum Ruthenmetall oder mit einem sauerstoffhaltigen
Vorläuferverbindung
zum Ruthen(IV)oxid umgesetzt wird. Weitere geeignete Vorläuferverbindungen
sind beispielsweise metallorganische Verbindungen des Ruthens, wie
Ru(dpm)3 (Tris(dipivaloylmethanato)ruthenium).
Geeignete Vorläuferverbindungen
sind beispielsweise beschrieben bei M.-K. Kadoshima, T. Nabatame, M. Hiratani,
Y. Nakamura, I. Asano, T. Suzuki Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002), L347 – L350, Part
2, No. 3B, sowie K.-W. Kim, N.-S. Kim, Y.-S. Kim, I.-S. Choi, H.-J.
Kim, J.-C. Park, S.-Y. Lee Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) 820 – 825 Part
1, No. 2A. Für
die Abscheidung des Sauerstoffs des Ruthen(IV)oxids kann beispielsweise
Wasser oder Ozon verwendet werden. Man erhält den in 1-2 dargestellten Aufbau, bei welcher
auf dem Substrat 1 eine Schicht 2 aus Ruthen oder
Ruthen(IV)oxid angeordnet ist. Im nächsten Verfahrensschritt wird
auf die Schicht 2 aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid eine Deckschicht 3 abgeschieden.
Das Material der Deckschicht 3 wird so gewählt, dass
es einerseits inert gegenüber
Sauerstoff ist und es andererseits selektiv gegenüber Ruthen
oder Ruthen(IV)oxid entfernt werden kann, beispielsweise durch einen
selektiven Ätzschritt.
Die Deckschicht 3 muss dabei nicht homogen ausgeführt sein.
Es kann beispielsweise auch ein Schichtstapel verwendet werden,
bei welchem die zuoberst angeordnete Schicht die geforderten Eigenschaften
aufweist. Ein für
die Deckschicht 3 geeignetes Material ist beispielsweise
Siliziumdioxid. Sofern erforderlich, kann die Deckschicht 3 strukturiert
werden, um eine aus der Deckschicht 3 erhaltene Maske 4 darzustellen.
Dazu können übliche Verwenden
verwendet werden. Beispielsweise kann eine fotoempfindliche Maske
auf der Deckschicht 3 aufgetragen werden (nicht dargestellt).
Diese fotoempfindliche Schicht kann anschließend selektiv belichtet und
entwickelt werden. In einem selektiven Ätzschritt können dann freiliegende Bereiche
der Deckschicht 3 entfernt werden, so dass nach Entfernung
der aus der fotoempfindlichen Schicht hergestellten Maske der in 1-4 dargestellte Aufbau
erhalten wird. Auf dem Substrat 1 ist eine durchgehende
Schicht 2 aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid angeordnet. Auf
Abschnitten der Oberfläche
der Schicht 2 aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid ist eine die
Maske 4 bildende Deckschicht 3 angeordnet, so
dass von der Deckschicht 3 bedeckte Abschnitte 2a sowie
freiliegende Abschnitte 2b der Schicht 2 aus Ruthen
oder Ruthen(IV)oxid erhalten werden. Das in 1-4 dargestellte Substrat wird nun einer
Sauerstoffatmosphäre
auf eine Temperatur erhitzt, welche vorzugsweise größer als 800°C gewählt ist.
Dabei werden die durch die Deckschicht 3 geschützten Abschnitte 2a der
Schicht 2 aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid getempert, sodass durch
eine Umordnung von Atomen oder eine Eliminierung von nicht abreagierten
Gruppen der Vorläuferverbindungen
eine Verbesserung der Schichtqualität erreicht wird. In den freiliegenden
Abschnitten 2b reagiert das Ruthen bzw. Ruthen(IV)oxid
mit dem Sauerstoff der Sauerstoffatmosphäre, wobei sich flüchtiges
Ruth(VIII)oxid (RuO4) bildet. Dieses RuO4 sublimiert bei den gewählten Temperaturen oberhalb von
800°C ab,
so dass die freiliegenden Abschnitte 2b der Schicht 2 aus
Ruthen oder Ruthen(IV)oxid entfernt werden und man zum in 1-5 dargestellten Aufbau
gelangt. Auf dem Substrat 1 ist eine strukturierte Schicht 5 aus
Ruthen oder Ruthen(IV)oxid angeordnet, welche bei der in 1-5 dargestellten Anordnung
noch von der Deckschicht 3 (bzw. Maske 4) bedeckt
ist. Sofern erforderlich, kann die Deckschicht 3 in einem
abschließenden
Schritt selektiv zur strukturierten Schicht 5 aus Ruthen
oder Ruthen(IV)oxid entfernt werden.
2 zeigt
schematisch eine Abfolge der wesentlichen Arbeitsschritte, welche
bei der Herstellung eines Grabenkondensators durchlaufen werden. Dargestellt
ist jeweils ein Schnitt durch ein Substrat 6, beispielsweise
einen Siliziumwafer, so dass der Graben bzw. der Grabenkondensator
in seitlicher Ansicht gezeigt ist. Zunächst wird in üblicher
Weise in ein Siliziumsubstrat 6 ein Graben 7 eingebracht.
Dazu kann beispielsweise auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 6 zunächst eine
geeignete Maske erzeugt werden und anschließend der Graben 7 in
das Siliziumsubstrat 6 durch Ätzen mit einem fluorhaltigen Plasma
eingebracht werden. 2-1 zeigt
schematisch das Siliziumsubstrat 6 und den in dieses eingebrachten
Graben 7. Auf dem Siliziumsubstrat 6 können an
der Oberseite auch noch Deckschichten aufgebracht sein, beispielsweise
aus Siliziumnitrid. Aus Gründen
der Einfachheit ist jedoch auf die Darstellung dieser Details in 2 verzichtet wor den. Auf den
freiliegenden Flächen
des Siilziumsubstrats 6 wird nun zunächst eine Schicht 8 aus
Arsenglas abgeschieden. Bei der in 2-2 gezeigten
Darstellung bedeckt die Schicht 8 aus Arsenglas die Wandungen 7a des
Grabens 7. Je nach Durchmesser des Grabens ist es aber
auch möglich,
den Graben 7 vollständig
mit Arsenglas aufzufüllen,
so dass kein Hohlraum im Inneren des Grabens 7 verbleibt.
Um den Bereich einzugrenzen, in welchem eine Dotierung des Siliziumsubstrats 6 erfolgen
soll, wird zunächst, wie
in 2-3 dargestellt,
der im Graben 7 verbliebene Hohlraum mit einer Füllung 9 aus
beispielsweise einem Lack aufgefüllt.
Als nächstes
wird, wie in 2-4 dargestellt,
die Lackfüllung 9 isotrop
zurückgeätzt, bis
zu einer Tiefe, welche im Wesentlichen dem oberen Abschluss des
zu dotierenden Bereiches entspricht. Die freiliegenden Bereiche
der Schicht 8 aus Arsenglas können nun entfernt werden, beispielsweise
durch isotropes nasschemisches Ätzen.
Die Lackfüllung 9 wird
anschließend
entfernt, beispielsweise durch Trockenätzen mit einem sauerstoffhaltigen
Plasma, so dass man zu dem in 2-6 gezeigten
Aufbau gelangt. Die Abschnitte der Grabenwandung 7a, welche
den zu dotierenden Bereich abschließen, sind mit einer Schicht 8 aus
Arsenglas bedeckt, während
die Bereiche des Substrats 6, welche nicht dotiert werden
sollen, freiliegen bzw. nicht von der Schicht 8 aus Arsenglas
bedeckt sind. Um eine Verunreinigung des Substrats 6 zu
vermeiden und den zu dotierenden Bereich scharf abzugrenzen, wird
zunächst
eine Schicht 10 eines Deckoxids abgeschieden, durch welche
die freiliegenden Bereiche der Oberfläche des Substrats 6 sowie
die im Graben freiliegende Fläche
der Schicht 8 aus Arsenglas bedeckt werden. Dieser Aufbau
ist schematisch in 2-7 dargestellt.
Das in 2-7 dargestellte
Substrat wird nun getempert, wobei Arsenionen aus der Schicht 8 aus
Arsenglas in die angrenzenden Bereiche des Substrats 6 eindiffundieren.
Es bildet sich ein dotierter Bereich 11 aus, welcher im
fertig gestellten Grabenkondensator der ersten Elektrodenplatte
entspricht. Der dotierte Bereich 11 wird auch als "Buried Plate" bezeichnet. Für den weiteren
Aufbau des Grabenkondensators werden nun zunächst die für die Dotierung verwendete
Schicht 10 aus Deckoxid und die Schicht 8 aus
Arsenglas entfernt. Dies kann mit einem üblichen nasschemischen Ätzverfahren
erfolgen. Man erhält
den in 2-9 dargestellten
Zustand. Der Graben 7 ist wieder vollständig freigelegt. Im unteren
Abschnitt des Grabens 7 sind die an die Grabenwandung 7a angrenzenden
Bereiche 11 mit einer Dotierung versehen. Im nächsten Schritt
wird das Dielektrikum 12 als dünne Schicht abgeschieden. Dies
erfolgt üblicherweise
mit einem CVD- oder einem ALD-Verfahren. Als Dielektrikum können übliche Verbindungen
verwendet werden, wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Es ist aber
auch möglich,
Materialien zu verwenden, welche eine höhere Dielektrizitätskonstante
aufweisen. Beispielsweise für
solche Dielektrika sind Al2O3,
AlN, TiO2, Ta2O5, HfO2, ZrO2, WO3, MoO2, Y2O3,
La2O3, CeO2 oder auch MgO. Es können auch Kombinationen dieser
Verbindungen verwendet werden. Besondere Beschränkungen bestehen hier nicht.
Auf die Schicht des Dielektrikums 12 kann zunächst eine
leitfähige
Barriereschicht 13 abgeschieden werden. Als Materialien
für die
leitfähige
Barriereschicht 13 kann beispielsweise TaN, TaSiN oder
auch dotiertes Silizium verwendet werden. Die leitfähige Barriereschicht 13 kann
ebenfalls mit CVD- oder ALD-Verfahren aufgebracht werden. Der nun
erhaltene Aufbau ist in 2-11 dargestellt. Auf
der Grabenwandung 7a ist zunächst die Schicht des Dielektrikums 12 und
auf diesem wiederum eine leitfähige
Barriereschicht 13 angeordnet. Auf die leitfähige Barriereschicht 13 wird
nun eine Schicht 14 aus Ruthen aufgebracht. Das Verfahren
wird hier am Beispiel der Abscheidung einer Ruthenschicht erläutert. Eine
Strukturierung einer Schicht aus Ruthen(IV)oxid kann jedoch in analoger
Weise durchgeführt
werden. Wie in 2-12 dargestellt,
bedeckt die Schicht 14 aus Ruthen die gesamte Oberfläche der
leitfähigen
Barriereschicht 13, so dass der Graben 7 an seinen
Innenflächen
vollständig
mit der Schicht 14 aus Ruthen ausgekleidet ist. Um eine
Reaktion oder eine Diffusion des Ruthens (bzw. des Ruthen(IV)oxids)
mit dem bzw. in das später
in dem Graben 7 abgeschiedenen Polysilizium zu verhindern,
kann nun zunächst
eine weitere, zweite Barriereschicht 15 auf der Schicht 14 aus
Ruthen abgeschieden werden. Dazu können die bei der ersten leitfähigen Barriereschicht 13 genannten
Materialien oder beispielsweise auch TiN verwendet werden. Der verbleibende
Innenraum des Grabens 7 wird, wie in 2-14 dargestellt, zunächst vollständig mit Polysilizium 16 aufgefüllt, wobei
auch die Oberseite des Substrats 6 mit Polysilizium 16 bedeckt
wird. Das Polysilizium 16 wird nun, wie in 2-15 dargestellt, von der Oberfläche des
Substrats 6 sowie im oberen Abschnitt des Grabens 7 wieder
entfernt. Dies kann beispielsweise durch isotropes Ätzen mit
einem fluorhaltigen Plasma erreicht werden. Die im oberen Abschnitt
des Grabens 7 freigelegten Bereiche der zweiten Barriereschicht 15 können nun
entfernt werden. Da die unter der zweiten Barriereschicht 15 angeordnete
Schicht 14 aus Ruthen gegenüber Chemikalien weitgehend
inert ist, können
für die
Entfernung der zweiten Barriereschicht 15 vergleichsweise
aggressive Chemikalien verwendet werden. Wie in 2-16 dargestellt, ist nun die Schicht 14 aus
Ruthen in den oberen Abschnitten des Grabens 7 freigelegt
worden. Man erhält
also analog zu dem in 1 dargestellten
Verfahrensablauf freigelegte Abschnitte 14a der Schicht 14 aus
Ruthen sowie bedeckte Abschnitte 14b der Schicht 14 aus
Ruthen. Als Deckschicht wirken in diesem Fall die im unteren Bereich des
Grabens 7 angeordneten Abschnitte der zweiten Barriereschicht 15 sowie
der Füllung
aus Polysilizium 16. Erfindungsgemäß wird die in 2-16 dargestellte Anordnung nun in einer
Sauerstoffatmosphäre
auf eine Temperatur von mehr als 800°C erhitzt. Das Ruthen wird dabei
in den freiliegenden Abschnitten 14a in flüchtiges
RuO4 umgewandelt, so dass die freiliegenden
Abschnitte 14a der Schicht 14 aus Ruthen abgetragen
werden. Man gelangt zu einem in 2-17 dargestellten
Aufbau. Im oberen Bereich des Grabens 7 ist die Schicht 14 aus
Ruthen abgetragen worden, so dass die entsprechenden Ab schnitte der
inerten leitfähigen
Barriereschicht 13 wieder freigelegt worden sind. Diese
freigelegten Abschnitte der ersten leitfähigen Barriereschicht 13 können nun, zum
Beispiel durch ein nasschemisches Verfahren, ebenfalls abgetragen
werden. Man gelangt zum in 2-18 dargestellten
Aufbau. In seinem oberen Abschnitt ist der Graben 7 freigelegt
worden, während im
unteren Abschnitt die beiden Elektrodenplatten des Kondensators
erzeugt wurden. Der dotieret Bereich 11 bildet dabei die
Bottomelektrode, welche an das Dielektrikum 12 anschließt. Auf
der gegenüberliegenden
Seite des Dielektrikums 12 ist als Topelektrode die Schicht 14 aus
Ruthen angeordnet, welche beidseitig von einer ersten leitfähigen Barriereschicht 13 bzw.
einer zweiten leitfähigen
Barriereschicht 15 begrenzt wird. Diese Schichtfolge wird
schließlich durch
eine leitfähige
Füllung
aus Polysilizium 16 ergänzt.
Um den Graben 7 in seinem oberen Abschnitt gegenüber dem
Siliziumsubstrat 6 zu isolieren, wird nun mit Hilfe eines
CVD- oder ALD-Verfahrens ein Oxidkragen aufgebaut. Dazu wird, wie
in 2-19 dargestellt,
auf den freiliegenden Flächen
eine Oxidschicht 17 abgeschieden. Um eine elektrische Verbindung
zur Topelektrode herstellen zu können,
wird die Oxidschicht 17 anschließend mit einem geeigneten Plasma
anisotrop geätzt.
Wie in 2-20 dargestellt,
verbleibt dabei die Oxidschicht 17 auf den im oberen Bereich
des Grabens 7 angeordneten Abschnitten der Grabenwandung 7a und
die Oberfläche der
Topelektrode, das heißt
bei der in 2-20 gewählten Darstellung
die Oberfläche
der Füllung
aus Polysilizium 16, wird wieder freigelegt. Der obere
Abschnitt des Grabens 7 wird nun mit Polysilizium aufgefüllt. Dazu
wird zunächst
wieder Polysilizium 16 abgeschieden, wobei der Graben 7,
wie in 2-21 dargestellt, überfüllt wird. Überschüssiges Polysilizium 16 wird
anschließend
isotrop zurückgeätzt, so dass
man zu der in 2-22 gezeigten
Darstellung gelangt. Der Grabenkondensator umfasst mit dem dotierten
Bereich 11 eine Bottomelektrode, welche durch ein Dielektrikum 12 von
der Topelektrode getrennt wird. Die Topelektrode wird aus einer
Schicht
14 aus Ruthen sowie der Füllung 16 aus Polysilizium gebildet.
Um eine Reaktion zwischen einzelnen Komponenten der Topelektrode
bzw. mit dem Material des Dielektrikums zu vermeiden, wird die Schicht 14 aus Ruthen
zu beiden Seiten jeweils von einer ersten leitfähigen Barriereschicht 13 und
einer zweiten leitfähigen
Barriereschicht 15 begrenzt. Im oberen Bereich des Grabenkondensators
ist die Topelektrode durch einen Kragen 18 vom Substrat 6 isoliert,
so dass Leckströme
weitgehend unterdrückt
werden. Um eine Speicherzelle eines DRAMs aufzubauen, wird nun in üblicher
Weise weiter verfahren, das heißt
es wird ein Transistor aufgebaut, dessen Drainelektrode beispielsweise
mit der die Topelektrode bildenden Füllung 16 aus Polysilizium
verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde am Beispiel
eines Grabenkondensators erläutert,
bei welchem eine Elektrode aus einem Halbleiter und die andere Elektrode
aus einer Ruthenschicht gebildet ist. Es ist aber auch möglich, beide
Elektroden als Metallelektroden auszubilden. Dazu kann beispielsweise
ausgehend vom in 2-9 gezeigten
Aufbau zunächst
eine Metallschicht auf den Abschnitten der Wandung des Grabens 7 aufgebracht
werden, an welchen sich die dotierten Bereiche 11 anschließen. Hierfür kann beispielsweise
ebenfalls eine Schicht aus Ruthen oder Ruthen(IV)oxid verwendet
werden. Es können
aber auch andere Materialien verwendet werden, welche eine hohe
elektrische Leitfähigkeit aufweisen,
beispielsweise Al, W, Ta, Ti, Hf, Zr, Mo, Y, La, Ce sowie die elektrisch
leitfähigen
Nitride dieser Metalle, wie auch Legierungen dieser Metalle sowie deren
elektrisch leitfähige
Nitride, welche mehrere der oben genannten Metalle enthalten. Besondere Beschränkungen
bestehen hier nicht.