DE19909295A1 - Mikroelektronische Struktur - Google Patents

Abstract

Es wird eine mikroelektronische Struktur vorgeschlagen, bei der sich zwischen einer siliziumhaltigen Schicht 8, 20 und einer Sauerstoffbarrierenschicht 30 eine sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 befindet. Diese läßt sich insbesondere durch einen Sputterprozeß in sauerstoffhaltiger Atmosphäre mit geringem Sauerstoffanteil herstellen. Die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 ist bis zu Temperaturen von 800 DEG C stabil und widersteht der Bildung von Iridiumsilizid beim Kontakt mit der siliziumhaltigen Schicht 20. Derartige mikroelektronische Strukturen werden bevorzugt in Halbleiterspeichern verwendet.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie und betrifft eine mikroelektronische Struktur mit einem Grundsubstrat, einer siliziumhaltigen Schicht und einer Sau­ erstoffbarrierenschicht.

Zur weiteren Erhöhung der Speicherkapazität von Halbleiter­ speichern wird die Verwendung von Hoch-ε-Dielektrika (ε < 20) oder ferroelektrischen Dielektrika angestrebt. Die dafür bevorzugten Materialien erfordern bei ihrer Abscheidung und Konditionierung sauerstoffhaltige Atmosphären und Tempe­ raturen bis zu 800°C. Bei diesen Bedingungen ist jedoch mit einer raschen Oxidation der bisher verwendeten Materialien für Elektroden zu rechnen. Daher wurde ebenfalls die Verwen­ dung oxidationsresistenter Elektrodenmaterialien vorgeschla­ gen. Ein prominenter Vertreter ist beispielsweise Platin. Bei Verwendung von Platin tritt jedoch das Problem auf, daß bei unmittelbarem Kontakt von Platin mit Silizium bei den hohen Prozeßtemperaturen störendes Platinsilizid gebildet wird. Auch kann Sauerstoff relativ leicht durch Platin hindurch diffundieren und das darunter befindliche Silizium oxidieren. Aus diesen Gründen ist eine Barriere zwischen der Platinelek­ trode und einem mit Polysilizium gefüllten Kontaktloch, das die Elektrode mit einem Auswahltransistor verbindet, nötig.

An die Barriere werden insbesondere folgende Anforderungen gestellt. Sie muß einerseits die Siliziumdiffusion vom Kon­ taktloch zur Platinelektrode verhindern und andererseits eine Sauerstoffdiffusion vom Platin zum Kontaktloch unterbinden, um die elektrisch isolierende Oxidation von Silizium auszu­ schließen. Darüber hinaus muß die Barriere selbst bei den Prozeßbedingungen stabil bleiben.

Ein möglicher Aufbau einer eingangs genannten mikroelektroni­ schen Struktur in Form eines Elektrodenbarrierensystems ist beispielsweise in der US 5,581,439 beschrieben. Dort ist eine die Siliziumdiffusion behindernde Titannitridschicht in einer Siliziumnitridschicht vergraben, die zumindest die Titanni­ tridschicht seitlich vor einer Oxidation schützt. Auf dem Si­ liziumnitridkragen sitzt ein Palladiumgrundkörper mit einem Platinüberzug, die zusammen die Elektrode bilden. Gleichzei­ tig soll zumindest durch das Palladium die Titannitridschicht vor einer Oxidation bewahrt werden.

Der Aufbau eines weiteren Elektrodenbarrierensystems mit an­ deren Materialien wird dagegen in dem Fachartikel von J. Kudo et al., "A High Stability Electrode Technology for Stacked SrBi₂Ta₂O₉ Capacitors Applicable to Advanced Ferroelectric Memory", IEDM 1997, S. 609 bis 612 beschrieben. Der dort of­ fenbarte Aufbau bevorzugt eine Barriere aus Tantal-Silizium- Nitrid, die von einer reinen Iridiumschicht und einer Iridi­ umdioxidschicht überdeckt ist. Die Tantal-Silizium- Nitridbarriere verhindert die Siliziumdiffusion, muß jedoch selbst vor einer Oxidation geschützt werden. Diese Aufgabe übernehmen die Iridiumdioxidschicht und die reine Iridium­ schicht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei hohen Temperatu­ ren, insbesondere bei 800°C, die reine Iridiumschicht mit der Tantal-Silizium-Nitridbarriere elektrisch schlecht leitendes Iridiumsilizid bildet.

Die gleichen Probleme treten auch bei dem von Saenger et al., "Buried, self-aligned barrier layer structures for perovskite-based memory devices comprising Pt or Ir bottom electrodes on silicon-contributing substrates", J. Appl. Phys. 83(2), 1998, S. 802-813, favorisierten Aufbau auf. Aus diesem Fachartikel kann entnommen werden, daß sich aus reinem Iridium und Polysilizium während eines Ausheilschritts in Stickstoffatmosphäre ein störendes Iridiumsilizid bildet. Diese Silizierung soll daher durch einen vorherigen Ausheilschritt in sauerstoffhaltiger Atmosphäre durch vollständige Oxidation des Iridiums verhindert werden. Ungünstigerweise ist dieser Ausheilschritt in sauerstoffhaltiger Atmosphäre insbesondere hinsichtlich der Tiefenoxidation des Iridiums nur schwer kontrollierbar, so daß es bei ungleichmäßiger Schichtdicke der Iridiumschicht auch zu einer Oxidation des Polysiliziums kommen kann, wodurch der elektrische Kontakt zwischen dem Polysilizium und dem Iridium unterbrochen wird.

Die Verwendung einer abgeschiedenen reinen Iridiumschicht mit einer nachfolgenden Sauerstoffbehandlung ist ebenfalls in dem Fachartikel von Jeon et al., "Thermal stability of Ir/polycrystalline-Si structure for bottom electrode of inte­ grated ferroelectric capacitors", Appl. Phys. Lett. 71(4), 1997, S. 467-469, offenbart. Die Verwendung von Iridiumdioxid als Barriere ist dagegen in Cho et al., "Preparation and Cha­ racterization of Iridium Oxide Thin Films Grown by DC Reacti­ ve Sputtering", Jpn. J. Appl. Phys. 36, 1997, S. 1722-1727, beschrieben. Die Verwendung eines Mehrschichtsystems aus Pla­ tin, Ruthenium und Rhenium ist dagegen aus Onishi et al., "A New High Temperature Electrode-Barrier Technology On High Density Ferroelectric Capacitor Structure", IEDM 96, S. 699-702; Bhatt et al., "Novel high temperature multilayer elec­ trode-barrier structure for high-density ferroelectric memo­ ries", Appl. Phys. Lett. 71(5), 1997, S. 719-721; Onishi et al., "High Temperature Barrier Electrode Technology for High Density Ferroelectric Memories with Stacked Capacitor Struc­ ture", Electrochem. Soc. 145, 1998, S. 2563-2568; Aoyama et al., "Interfacial Layers between Si and Ru Films Deposited by Sputtering in Ar/O₂ Mixture Ambient", Jpn. J. Appl. Phys. 37, 1998, S. L242-L244 bekannt.

Ein weiterer Barrierenansatz wird in der US 5,852,307 vorge­ schlagen, der die Verwendung einer leicht oxidierten Rutheni­ umschicht und einer Rutheniumdioxidschicht beschreibt.

Bei all den vorbekannten Barrierenschichten besteht jedoch die Gefahr, daß diese bei den geforderten hohen Prozeßtempe­ raturen, insbesondere bei einem notwendigen Temperaturschritt zur Konditionierung der Hoch-ε-Materialien bzw. der fer­ roelektrischen Materialien, nicht mehr ausreichend stabil sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine mikroelektronische Struktur zu benennen, die auch bei Temperaturen bis zu 800°C ausreichend stabil ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Struktur anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer mikroelektroni­ schen Struktur der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sich zwischen der siliziumhaltigen Schicht und der Sauer­ stoffbarrierenschicht eine sauerstoffhaltige Iridiumschicht befindet, die mittels eines Zerstäubungsverfahren (Sputtern) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von mindestens 250°C herstellbar ist, wobei der Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre zwischen 2,5% und 15% liegt.

Die in der mikroelektronischen Struktur enthaltene sauer­ stoffhaltige Iridiumschicht verhindert eine Siliziumdiffusion aus der siliziumhaltigen Schicht in die Sauerstoffbarrieren­ schicht und in eventuell darüber angeordnete weitere Schich­ ten. Zu diesem Zweck weist die sauerstoffhaltige Iridium­ schicht einen gewissen Anteil an Sauerstoff auf, der die Bil­ dung von Iridiumsilizid und damit die Weiterdiffusion von Si­ lizium verhindert. Weiterhin bleibt die Grenzfläche zwischen der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht und der siliziumhalti­ gen Schicht auch bei Temperaturen zumindest bis 800°C wei­ testgehend frei von Iridiumsilizid. Dies läßt sich beispiels­ weise durch Widerstandsmessungen an der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht nachweisen. Die Abwesenheit von Iridiumsilizid kommt beispielsweise in einem sehr geringen spezifischen Wi­ derstand der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht von kleiner als 100 µOhm.cm, bevorzugt sogar kleiner als 30 µOhm.cm zum Ausdruck. Bei Anwesenheit von Iridiumsilizid, das einen sehr hohen spezifischen Widerstand von etwa 6 Ohm.cm aufweist, würde der spezifische Widerstand der aus der siliziumhaltigen Schicht und der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht gebildeten Struktur deutlich oberhalb von 100 µOhm.cm liegen. Der gerin­ ge elektrische Widerstand der mikroelektronischen Struktur ist insbesondere bei höchstintegrierten Halbleiterbauelemen­ ten, insbesondere bei Halbleiterspeichern mit Strukturgrößen von 0,25 µm und darunter, von großem Vorteil.

Darüber hinaus wird durch die sauerstoffhaltige Iridium­ schicht ein Kontakt zwischen der siliziumhaltigen Schicht und der Sauerstoffbarrierenschicht weitestgehend vermieden, um eine mögliche Reduktion der Sauerstoffbarrierenschicht durch die siliziumhaltige Schicht und die damit verbundenen Oxida­ tion der siliziumhaltigen Schicht zu unterbinden.

Eine sauerstoffhaltige Iridiumschicht mit den oben beschrie­ benen Eigenschaften läßt sich beispielsweise mittels eines Zerstäubungsverfahrens (Sputtern) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit geringem Sauerstoffanteil herstellen, wobei der Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre zwischen 2,5% und 15% liegt. Durch den begrenzten Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre wird Sauerstoff auch nur bis zu einem gewissen Grad in die Iridiumschicht eingebaut, so daß auch von einer anoxidierten Iridiumschicht gesprochen werden kann. Bevorzugt liegt der Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre bei etwa 5%.

Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß die bei einem Volumen­ anteil von etwa 2,5% Sauerstoff hergestellten sauerstoffhal­ tigen Iridiumschichten einer Silizierung noch weitestgehend widerstehen, während sauerstoffhaltige Iridiumschichten, die in einer Atmosphäre mit weniger als 2,5% Sauerstoff herge­ stellt wurden bereits deutlich zu einer Silizierung neigen. Andererseits führt eine sauerstoffhaltige Iridiumschicht, die bei einer Sauerstoffvolumenkonzentration von maximal 15% ab­ geschieden wurde, noch nicht zu einer störenden Oxidation der unter der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht befindlichen si­ liziumhaltigen Schicht.

Um die Haftfähigkeit der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht zu verbessern, ist es günstig, die sauerstoffhaltige Iridiumschicht bei einer Temperatur von mindestens 250°C abzuscheiden. Dadurch wird insbesondere die Haftfestigkeit zwischen der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht und siliziumhaltigen Isolationsschichten, die beispielsweise aus Siliziumnitrid und Siliziumoxid bestehen, verbessert. Da das Grundsubstrat selbst aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen kann, wird durch die Abscheidung der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht bei erhöhten Temperaturen auch eine gute Haftung der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht zum Grundsubstrat erreicht. Grundsätzlich sollte die Abscheidetemperatur so hoch gewählt werden, daß eine ausreichende Haftung zum Grundsubstrat gewährleistet ist, wobei dadurch eine Haftfestigkeit von wenigstens 100 Kg/cm² erreicht werden kann.

Ein weiterer Vorteil, die sauerstoffhaltige Iridiumschicht bei einer Temperatur von wenigstens 250°C abzuscheiden, besteht darin, daß ein weiterer Konditionierungsschritt zur Verbesserung der Haftung der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht nicht notwendig ist. Sofern die Abscheidetemperatur nicht zu hoch gewählt wird, beispielsweise zwischen 250°C und 400°C, werden bereits geschaffene Strukturen thermisch kaum belastet.

Vorteilhaft besteht die Sauerstoffbarriere aus einem leitfä­ higen Metalloxid, wobei sich insbesondere Iridiumdioxid und Rutheniumdioxid als Metalloxid bewährt haben. Durch Verwen­ dung dieser Metalloxide ist auch eine gute Haftung der Sauer­ stoffbarrierenschicht auf der sauerstoffhaltigen Iridium­ schicht gewährleistet.

Die sich in der Regel unterhalb der sauerstoffhaltigen Iridi­ umschicht befindliche siliziumhaltige Schicht besteht bevor­ zugt aus Polysilizium, aus einem Metallsilizid oder einem Schichtenstapel, der zumindest eine Polysiliziumschicht und eine zwischen der Polysiliziumschicht und der sauerstoffhal­ tigen Iridiumschicht befindliche Metallsilizidschicht umfaßt. Bevorzugt besteht das Metallsilizid aus wenigstens einem Si­ lizid aus der Gruppe Yttriumsilizid, Titansilizid, Zirkonsi­ lizid, Hafniumsilizid, Vanadiumsilizid, Niobsilizid, Tantal­ silizid, Chromsilizid, Molybdänsilizid, Wolframsilizid, Ei­ sensilizid, Cobaltsilizid, Nickelsilizid, Palladiumsilizid, Platinsilizid und Kupfersilizid. Das Metall und das Silizium können dabei in unterschiedlichen stöchiometrischen Verhält­ nissen vorliegen. Die verwendeten Metallsilizide können dar­ über hinaus auch ternärer Struktur sein und der allgemeinen Form MSiN genügen, wobei M für ein Metall und N für Stick­ stoff steht.

Es hat sich als günstig herausgestellt, zumindest die silizi­ umhaltige Schicht im Grundsubstrat zu vergraben und mit der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht vollständig zu bedecken. Dadurch wird die siliziumhaltige Schicht zumindest seitlich durch das Grundsubstrat vor einem Sauerstoffangriff geschützt und das in der siliziumhaltigen Schicht befindliche Silizium an einer Diffusion durch die sauerstoffhaltige Iridiumschicht hindurch gehindert. Die siliziumhaltige Schicht kann bei die­ ser Struktur beispielsweise in Form eines mit Polysilizium gefüllten Kontaktlochs vorliegen, das optional zur sauer­ stoffhaltigen Iridiumschicht hin von einer Metallsilizid­ schicht begrenzt ist.

Es ist jedoch auch günstig, die siliziumhaltige Schicht und die sauerstoffhaltige Iridiumschicht gemeinsam im Grundsub­ strat zu vergraben und vollständig von der Sauerstoffbarrie­ renschicht zu bedecken. Bei dieser Struktur werden eventuell auftretende Haftungsprobleme der sauerstoffhaltigen Iridium­ schicht auf dem Grundsubstrat dadurch vermieden, daß die sau­ erstoffhaltige Iridiumschicht nur an ihrer seitlichen Grenz­ fläche (Umrandung) in Kontakt mit dem Grundsubstrat tritt. Die Haftung der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht auf einer leitfähigen siliziumhaltigen Schicht, insbesondere auf Poly­ silizium oder auf einem Metallsilizid, ist dagegen in der Re­ gel ausreichend gut.

Die sauerstoffhaltige Iridiumschicht weist bevorzugt eine Dicke von etwa 100 nm, günstigerweise sogar von etwa 20 bis 50 nm, auf. Es wird angestrebt, die sauerstoffhaltige Iridiumschicht möglichst platzsparend und dünn auszubilden. Die in der mikroelektronischen Struktur enthaltenen Barrierenschichten (Sauerstoffbarrierenschicht, sauerstoffhaltige Iridiumschicht) sind vorteilhafterweise von einer metallhaltigen Elektrodenschicht bedeckt. Insbesondere die Sauerstoffbarrierenschicht sollte möglichst vollständig von dieser Schicht überzogen sein. Die metallhaltige Elektrodenschicht besteht bevorzugt aus einem Metall (z. B. Platin, Ruthenium, Iridium, Palladium, Rhodium, Rhenium, Osmium) oder aus einem leitfähigen Metalloxid (MO_x, z. B. Rutheniumoxid, Osmiumoxid, Rhodiumoxid, Iridiumoxid, Rheniumoxid oder leitfähige Perowskite, z. B. SrRuO₃ oder (La, Sr)CoO₃). Als Metall wird insbesondere Platin bevorzugt. Auf der metallhaltigen Elektrodenschicht befindet sich eine dielektrische metalloxidhaltige Schicht, die insbesondere bei einem Halbleiterspeicher das Hoch-ε-Dielektrikum bzw. das ferroelektrische Kondensatordielektrikum darstellt. Für die dielektrische metalloxidhaltige Schicht werden insbesondere Metalloxide der allgemeinen ABO_x oder DO_x verwendet, wobei A insbesondere für wenigstens ein Metall aus der Gruppe Strontium (Sr), Wismut (Bi), Niob (Nb), Blei (Pb), Zirkon (Zr), Lanthan (La), Lithium (Li), Kalium (K), Kalzium (Ca) und Barium (Ba), B insbesondere für wenigstens eine Metall aus der Gruppe Titan (Ti), Niob (Nb), Ruthenium (Ru), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Zirkon (Zr) oder Tantal (Ta), D für Titan (Ti) oder Tantal (Ta) und O für Sauerstoff steht. X kann zwischen 2 und 12 liegen. Diese Metalloxide weisen je nach Zusammensetzung dielektrische oder ferroelektrische Eigenschaften auf, wobei diese Eigenschaften gegebenenfalls erst nach einem Hochtemperaturschritt zur Kristallisation der Metalloxide nachweisbar sind. Unter Umständen liegen diese Materialien in polykristalliner Form vor, wobei häufig perowskitähnliche Kristallstrukturen, Mischkristalle oder Supergitter beobachtet werden können. Grundsätzlich eignen sich alle perowskitähnlichen Metalloxide der allgemeinen Form ABO_x zum Bilden der dielektrischen metalloxidhaltigen Schicht. Dielektrische Materialien mit hohem ε (ε < 20) bzw. Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften sind beispielsweise Barium-Strontium-Titanat (BST, Ba_1-xSr_xTiO₃), niobiumdotiertes Strontium-Wismut-Tantalat (SBTN, Sr_xBi_y (Ta_ZNb_1-Z)O₃), Strontium-Titanat (STO, SrTiO₃), Strontium-Wismut-Tantalat (SBT, Sr_xBi_yTa₂O₉), Wismut-Titanat (BTO, Bi₄Ti₃O₁₂), Blei-Zirkonat-Titanat (PZT, Pb (Zr_xTi_1-x)O₃) Strontium-Niobat (SNO, Sr₂Nb₂O₇, Kalium-Titanat-Niobat (KTN) sowie Blei-Lanthan-Titanat (PLTO, (Pb, La)TiO₃). Als Hoch-ε- Dielektrikum kommt darüber hinaus auch Tantaloxid (Ta₂O₅) zur Anwendung. Im folgenden soll unter dielektrisch sowohl eine dielektrische, paraelektrische oder ferroelektrische Schicht verstanden werden, so daß die dielektrische metalloxidhaltige Schicht dielektrische, paraelektrische oder ferroelektrische Eigenschaften aufweisen kann.

Bevorzugt wird die mikroelektronische Struktur in einer Halb­ leiterspeichervorrichtung verwendet, die zumindest eine erste und eine zweite Elektrode und dazwischen eine metalloxidhal­ tige Schicht aufweist, die zusammen einen Speicherkondensator bilden. Die erste Elektrode dieser Halbleiterspeichervorrich­ tung umfaßt dabei zumindest die sauerstoffhaltige Iridium­ schicht und die Sauerstoffbarrierenschicht, so daß die erste Elektrode neben einer optionalen Edelmetallschicht auch die notwendigen Diffusionsbarrieren enthält.

Bei einer bevorzugten mikroelektronischen Struktur besteht das Grundsubstrat insbesondere aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder aus einer Schichtkombination dieser Materialien. Das Grundsubstrat wird von zumindest einem Kontaktloch durchsetzt, das mit Polysilizium oder einem anderen leitfähigen Material gefüllt ist. Gegebenenfalls schließt das gefüllte Kontaktloch mit der Oberfläche des Grundsubstrats bündig mit einer im Kontaktloch angeordneten Metallsilizidschicht ab. Auf der Oberfläche des Grundsubstrats sitzt schließlich die sauerstoffhaltige Iridiumschicht, die das Kontaktloch vollständig bedeckt, seitlich über dieses hinausragt und dort in unmittelbaren Kontakt zum Grundsubstrat tritt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels beschrieben und in Zeichnungen schematisch darge­ stellt. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1e einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung einer mikroelektronischen Struktur,

Fig. 2a bis 2f weitere Verfahrensschritte zur Herstellung einer mikroelektronischen Struktur,

Fig. 3 eine mikroelektronische Struktur als Teil einer Halb­ leiterspeichervorrichtung,

Fig. 4 den spezifischen Widerstand einer sauerstoffhaltigen Iridiumschicht in Abhängigkeit von der Temperaturbe­ lastung und

Fig. 5 den spezifischen Widerstand einer sauerstoffhaltigen Iridiumschicht in Abhängigkeit vom Sauerstoffanteil in der Atmosphäre bei der Abscheidung,

Fig. 6 die Haftfestigkeit einer sauerstoffhaltigen Iridium­ schicht auf einer Siliziumoxidschicht in Abhängigkeit von der Abscheidetemperatur,

Fig. 7 die Haftfestigkeit einer sauerstoffhaltigen Iridium­ schicht auf einer Siliziumnitridschicht in Abhängig­ keit von der Abscheidetemperatur und

Fig. 8 und 9 Ergebnisse von Röntgenstruktuntersuchungen an abgeschiedenen sauerstoffhaltigen Iridiumschichten.

Bei der Herstellung der mikroelektronischen Struktur wird von einem Grundsubstrat 5 aus Siliziumdioxid (beispielsweise durch eine Abscheidung unter Verwendung von Tetra-Ethyl- Ortho-Silan (TEOS) hergestellt) oder Siliziumnitrid ausgegan­ gen, das von einem mit Polysilizium 8 gefüllten Kontaktloch 10 durchsetzt ist. Das gefüllte Kontaktloch 10 schließt bün­ dig mit der Oberfläche 15 des Grundsubstrats 5 ab. Dies wird beispielsweise durch einen geeigneten Polierschritt, bei­ spielsweise durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP), er­ reicht. Auf die Oberfläche 15 des Grundsubstrats 5 wird an­ schließend nach einer etwa einminütigen Reinigung des Polysi­ liziums mit einer 0,3%-igen Flußsäure (HF), durch die das natürliche Oxid von der Polysiliziumschicht 8 entfernt wird, eine Wolfram-Silizidschicht 20 mit einer Stärke zwischen 30 und 100 nm abgeschieden. Optional kann anstelle des Wolfram- Silizids auch eine Titanschicht gleicher Stärke aufgetragen werden, wobei jedoch das Titan in einem späteren Hochtempera­ turschritt weitestgehend vollständig durch das Polysilizium 8 im Kontaktloch 10 siliziert wird. Die Wolfram-Silizidschicht 20 stellt hier die siliziumhaltige Schicht dar. Es ist auch möglich, anstelle der Wolfram-Silizidschicht 20 eine Polysi­ liziumschicht aufzubringen, so daß sich zwischen der nachfol­ gend aufzutragenden sauerstoffhaltigen Iridiumschicht und dem Grundsubstrat eine Haftschicht (Polysilizium, Silizid) befin­ det.

Auf die Wolfram-Silizidschicht 20 wird anschließend eine sau­ erstoffhaltige Iridiumschicht 25 durch reaktives Sputtern von Iridium aufgetragen. Dies erfolgt bei einem Druck zwischen 0,005 und 0,02 mbar, bevorzugt bei 0,015 mbar sowie in einem Sauerstoff-Argon-Gemisch, wobei der Volumenanteil des Sauer­ stoffs zwischen 2,5% und 15%, bevorzugt bei 5% liegt (2,5% ≦ O₂/(O₂ + Ar) ≦ 15%). Nach einem Sputterprozeß von etwa 100 sec hat sich eine etwa 50 bis 150 nm Dicke sauer­ stoffhaltige Iridiumschicht 25 gebildet, die die Wolfram- Silizidschicht 20 vollständig bedeckt. Die abgeschiedene sau­ erstoffhaltige Iridiumschicht 25 widersteht auch bei sehr ho­ hen Temperaturen, die beispielsweise bei einem später erfol­ genden sogenannten Ferroaneal bis zu 800°C betragen können, einer Iridiumsilizidbildung bei Kontakt mit dem Wolfram- Silizid. Diese Widerstandsfähigkeit wird auch bei einer un­ mittelbar auf das Polysilizium abgeschiedenen sauerstoffhal­ tigen Iridiumschicht 25 beobachtet.

Bevorzugt werden die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 und die Wolfram-Silizidschicht 20 gemeinsam anisotrop geätzt, wo­ bei die beiden Schichten nach dem Ätzen das Kontaktloch 10 weiterhin seitlich leicht überragen sollen, um das darin be­ findliche Polysilizium vollständig zu überdecken. Die so er­ haltene Struktur ist in Fig. 1b gezeigt.

In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß Fig. 1c wird eine etwa 100 nm dicke Sauerstoffbarrierenschicht 30 aus Iridium­ dioxid auf die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 und das Grundsubstrat 5 aufgetragen und unter Verwendung einer Maske anisotrop geätzt. Dabei ist darauf zu achten, daß die Iridi­ umdioxidschicht 30 die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 sowie die Wolfram-Silizidschicht 20 auch an ihren Seitenbe­ reichen 32 vollständig überdeckt. Dadurch wird ein vollstän­ diger Schutz der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht 25 und der Wolfram-Silizidschicht 20 vor einem Sauerstoffangriff gewähr­ leistet sowie ein Kontakt zwischen der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht 25 und einer nachfolgend aufzubringenden Edel­ metallschicht 35 aus Platin unterbunden. Durch die Trennung der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht 25 von der Platin­ schicht 35 soll insbesondere die Ausbildung einer Platin- Iridium-Legierung unterbunden werden, die möglicherweise zu ungünstigen Grenzflächeneigenschaften der Platinschicht 35 führen könnte.

Auf die in Fig. 1d dargestellte Edelmetallschicht 35, die optional auch aus Ruthenium bestehen kann, wird eine Stronti­ um-Wismut-Tantalat-Schicht (SBT) 40 durch ein metallorgani­ sches CVD-Verfahren oder ein MOD-Verfahren (z. B. Spin-on Ver­ fahren) unter Verwendung von Beta-Diketonaten abgeschieden. Dies erfolgt bevorzugt bei Temperaturen zwischen 300 und 800°C sowie insbesondere beim MOCVD-Verfahren in sauerstoff­ haltiger Atmosphäre, um die Strontium- und Wismut-Beta- Diketonate zu oxidieren. Abschließend wird eine weitere Edel­ metallschicht 45 aus Platin ganzflächig aufgetragen. Die SBT- Schicht 40 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel die dielek­ trische metalloxidhaltige Schicht.

Verfahrensschritte zur Herstellung einer mikroelektronischen Struktur mit vergrabener sauerstoffhaltiger Iridiumschicht sind in den Fig. 2a bis 2f dargestellt. Auch hier wird von einem Grundsubstrat 5 ausgegangen, das optional auch aus zwei Schichten aufgebaut sein kann. Dazu besteht das Grundsubstrat 5 aus einer unteren Siliziumdioxidschicht 50 mit darüber be­ findlicher Siliziumnitrid oder TEOS-Schicht 55. Das Grundsub­ strat 5 weist weiterhin ein Kontaktloch 10 auf, das jedoch nicht bis zur Oberfläche 15 des Grundsubstrats 5 mit Polysi­ lizium gefüllt ist. Zu dieser Struktur gelangt man insbeson­ dere durch einen Rückätzschritt des Polysiliziums nach Auf­ füllen des Kontaktlochs. Auf diese in Fig. 2a dargestellte Struktur wird zunächst nach Reinigung mit Flußsäure eine Pla­ tin-, Titan- oder Kobaltschicht mit einer Dicke zwischen 30 und 100 nm aufgetragen und einer Silizidbildung unterworfen. Dabei entsteht ausschließlich im Bereich des mit Polysilizium befüllten Kontaktlochs 10 ein Metallsilizid. Durch unter­ schiedliche Ätzeigenschaften des gebildeten Metallsilizids gegenüber dem unsiliziertem Metall wird die Titan-, Platin- oder Kobaltschicht bis auf das gebildete selbstjustierte Me­ tallsilizid 65 wieder entfernt. Das gebildete Metallsilizid 65 aus Titan-, Platin- oder Kobaltsilizid reicht jedoch nicht bis zur Oberfläche 15 des Grundsubstrats 5, so daß das Kon­ taktloch 10 noch nicht vollständig gefüllt ist.

Dies erfolgt erst mit der nun auf das Grundsubstrat 5 aufge­ tragenen sauerstoffhaltigen Iridiumschicht 25 in einer Mate­ rialstärke zwischen 50 und 150 nm. Die sauerstoffhaltige Iri­ diumschicht 25 wird anschließend bis auf die TEOS-Schicht 55 zurückgeschliffen. Die so erhaltene Struktur, bei der die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 bündig mit der Oberfläche 15 des Grundsubstrats 5 abschließt, ist in Fig. 2d darge­ stellt.

Es ist auch möglich, die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 zumindest teilweise auf der Oberfläche 15 des Grundsubstrats 5 zu belassen. Um hierbei eventuell auftretende Haftungspro­ bleme zwischen der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht 25 und dem Grundsubstrat 5 zu vermeiden, empfiehlt es sich, das Grundsubstrat 5 bei der Abscheidung der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht 25 auf mindestens 250°C zu erwärmen. Günstig ist beispielsweise eine Temperatur bei etwa 300°C. Bei erhöh­ ter Temperatur verbessert sich darüber hinaus auch die Haf­ tung der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht auf dem Metallsi­ lizid.

Nachfolgend wird die Sauerstoffbarrierenschicht 30 aus Iridi­ umdioxid aufgetragen und strukturiert, wobei das Kontaktloch 10 vollständig von dieser Schicht bedeckt ist. Danach werden noch die Edelmetallschicht 35, die dielektrische metalloxid­ haltige Schicht 40 sowie die weitere Edelmetallschicht 45 aufgetragen und geeignet strukturiert.

Daran schließt sich ein Hochtemperaturausheilschritt (z. B. Ferroaneal) in sauerstoffhaltiger Atmosphäre zur Auskristal­ lisation der dielektrischen metalloxidhaltigen Schicht 40 an. Insbesondere bei der Verwendung von SBT als dielektrische me­ talloxidhaltige Schicht 40 muß diese Behandlung bei 800°C für etwa 1 Stunde durchgeführt werden. Während dieser Behandlung soll das SBT vollständig auskristallisieren, um somit eine möglichst hohe remanente Polarisation der SBT-Schicht 40 zu erreichen. Optional kann der Hochtemperaturausheilschritt auch vor Abscheidung der weiteren Edelmetallschicht 45 erfol­ gen.

Eine Halbleiterspeichervorrichtung, die die erfindungsgemäße mikroelektronische Struktur enthält, ist in Fig. 3 darge­ stellt. Diese Einrichtung umfaßt einen Auswahltransistor 70 und einen Speicherkondensator 75. Der Auswahltransistor 70 weist zwei voneinander getrennte dotierte Gebiete 80 und 85 in einem einkristallinen Siliziumsubstrat 90 auf, die ein Source- und ein Draingebiet (80, 85) des Auswahltransistors 70 darstellen. Auf dem Siliziumsubstrat 90 zwischen den bei­ den dotierten Gebieten 80 und 85 ist die Gateelektrode 95 mit untergelegtem Gatedielektrikum 100 angeordnet. Die Gateelek­ trode 95 und das Gatedielektrikum 100 sind von seitlichen Isolationsstegen 105 sowie oberen Isolationsschichten 110 um­ geben. Die gesamte Struktur ist vom Grundsubstrat 5 vollstän­ dig bedeckt. Durch das Grundsubstrat 5 reicht ein Kontaktloch 10 bis zu dem dotierten Gebiet 85, wodurch der auf dem Grund­ substrat 5 sitzende Speicherkondensator 75 mit dem Auswahl­ transistor verbunden ist.

Der Speicherkondensator 75 besteht seinerseits aus einer un­ teren Elektrode 115, einem Kondensatordielektrikum 40 sowie einer oberen Elektrode 45. Die untere Elektrode 115 umfaßt im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Platinschicht 35, eine Iridiumdioxidschicht 30 sowie eine sauerstoffhaltige Iridium­ schicht 25. Die untere Elektrode 115 ist somit mehrlagig auf­ gebaut und umfaßt auch alle notwendigen Barrierenschichten zum Schutz des im Kontaktloch 10 befindlichen Polysiliziums 8 vor einer Oxidation sowie zum Schutz vor einer ungewollten Siliziumdiffusion.

Die sauerstoffhaltige Iridiumschicht 25 ist durch einen sehr geringen spezifischen Widerstand charakterisierbar. Dies ist beispielsweise in Fig. 4 dargestellt, die Meßkurven von an­ oxidiertem Iridium (sauerstoffhaltige Iridiumschicht mit Ir(O) gekennzeichnet) auf unterschiedlichen siliziumhaltigen Schichten zeigt. Dazu wurde anoxidiertes Iridium auf Polysi­ lizium, Titansilizid bzw. Platinsilizid in einer 5%igen Sau­ erstoffatmosphäre abgeschieden und nachfolgend für etwa 1½ Stunden bei unterschiedlichen Temperaturen behandelt. Der spezifische Widerstand ist im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 800°C stets kleiner als 20 µOhm.cm, bei anoxidiertem Iridium auf Platinsilizid sogar deutlich unter 10 µOhm.cm.

Die Abhängigkeit des spezifischen Widerstands vom Sauerstoff­ gehalt der Atmosphäre beim Abscheiden der anoxidierten Iridi­ umschicht ist in Fig. 5 gezeigt. Deutlich erkennbar ist ein starker Abfall des spezifischen Widerstands zwischen 2 und 2­ ½% Volumenanteil des Sauerstoffs. Weiterhin ist erkennbar, daß bei einer nachträglichen Temperaturbehandlung bei relativ hohen Temperaturen zwischen 650 und 800°C sogar mit einem weiteren Rückgang des spezifischen Widerstands zu rechnen ist.

In Fig. 8 und 9 sind Ergebnisse von Röntgenstrukturanaly­ sen abgeschiedener sauerstoffhaltiger Iridiumschichten auf Polysilizium dargestellt. Fig. 8 zeigt Ergebnisse, die un­ mittelbar nach Abscheidung der sauerstoffhaltigen Iridium­ schicht gewonnen wurden, hingegen sind in Fig. 9 die nach Temperung bei 700°C in Stickstoffatmosphäre gewonnenen Ergeb­ nisse aufgetragen. Deutlich entnehmbar ist durch Vergleich der Fig. 8 und 9, daß bei sauerstoffhaltigen Iridium­ schichten, die bei einem Sauerstoffgehalt von mindestens 2,5% abgeschieden wurden, keine Silizidbildung während einer Hochtemperaturbehandlung auftritt.

Die sauerstoffhaltige Iridiumschicht ist weiterhin auch durch ihren relativ geringen Sauerstoffgehalt charakterisierbar. Die stöchiometrischen Verhältnisse der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht weichen deutlich von denen einer Iridiumdi­ oxidschicht (IrO₂) ab. Dies äußerst sich z. B. darin, daß in der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht mehr Iridium als Sauer­ stoff enthalten ist.

Eine weitere Charakterisierungsmöglichkeit für die sauer­ stoffhaltige Iridiumschicht besteht darin, daß diese Schicht auf einer leitfähigen siliziumhaltigen Schicht auch bei Tem­ peraturen bis zu 800°C keine zusammenhängende Iridiumsilizid­ schicht bildet, die zu einer Erhöhung des elektrischen Wider­ stands führen würde. Daher eignet sich die sauerstoffhaltige Iridiumschicht auch insbesondere als Barrierenschicht in ei­ nem Halbleiterspeicher, der als Kondensatordielektrikum fer­ roelektrisches SBT oder PZT verwendet.

Die Haftfestigkeit der anoxidierten Iridiumschicht (Ir(O)) in Abhängigkeit von der Abscheidetemperatur ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Fig. 6 zeigt die Haftfestigkeit von Ir(O) zu einer durch TEOS-Abscheidung gewonnenen Siliziumoxid­ schicht und Fig. 7 die Haftfestigkeit zu einer stöchiometri­ schen Siliziumnitridschicht (Si₃N₄). Für beide Untergründe gilt, daß die Haftfestigkeit nach einem Sprung bei etwa 250°C mit zunehmender Abscheidetemperatur steigt. Es ist daher gün­ stig, die Abscheidetemperatur ausreichend hoch zu wählen.

Die Haftfestigkeit läßt sich insbesondere mit einem sogenann­ ten "Pull-Test" ermitteln, der in der Literatur auch häufig mit "Abziehtest", "Stirn-Abzugstest" oder "Sebastian-five- Test" bezeichnet wird. Der Pull-Test erlaubt es, quantitative Aussagen über die Haftfestigkeiten von dünnen Schichten auf Substraten zu treffen. Bei dieser Prüfmethode wird in der Re­ gel ein zylinderförmiger Körper ("Stud") mit einer seiner Stirnflächen unter Verwendung einer Verbindungsschicht mit sehr guten Hafteigenschaften auf der auf dem Substrat befind­ lichen Schicht befestigt. Die Verbindungsschicht sollte dabei den zylinderförmigen Körper mit der Schicht ausreichend fest verbinden. Durch eine Meßvorrichtung wird nachfolgend festge­ stellt, welche Kraft zum Ablösen des zylinderförmigen Körpers vom Substrat nötig ist. Da das Ablösen sowohl zwischen dem zylinderförmigen Körper und der zu prüfenden Schicht, zwi­ schen der Schicht und dem Substrat oder auch innerhalb des Substrats oder der Schicht erfolgen kann, muß nachfolgend ei­ ne Untersuchung dahingehend durchgeführt werden. Bei Bestim­ mung der Haftfestigkeit sollte die Verbindungsschicht zum Be­ festigen des zylinderförmigen Körpers auf der Schicht (im vorliegenden Fall sauerstoffhaltige Iridiumschicht) eine aus­ reichend hohe Haftfestigkeit aufweisen, die oberhalb der zu erwartenden Haftfestigkeit der sauerstoffhaltigen Iridium­ schicht zum Substrat liegt.

Bezugszeichenliste

5

Grundsubstrat

8

Polysiliziumschicht

10

Kontaktloch

15

Oberfläche des Grundsubstrats

20

Wolfram-Silizidschicht/Metallsilizidschicht/­ siliziumhaltige Schicht

25

sauerstoffhaltige Iridiumschicht

30

Sauerstoffbarrierenschicht/Iridiumdioxidschicht

32

Seitenbereiche

35

Edelmetallschicht/Platinschicht/metallhaltige Elektrodenschicht

40

dielektrische metalloxidhaltige Schicht/SBT-Schicht

45

weitere Edelmetallschicht/Platinschicht

50

Siliziumoxidschicht

55

TEOS-Schicht/Siliziumnitridschicht

65

Metallsilizid

70

Auswahltransistor

75

Speicherkondensator

80

/

85

dotierte Gebiete

90

Siliziumsubstrat

95

Gateelektrode

100

Gatedielektrikum

105

seitliche Isolationsstege

110

Isolationsschicht

115

untere Elektrode

Claims (17)

1. Mikroelektronische Struktur mit

• - einem Grundsubstrat (5);
• - einer siliziumhaltigen Schicht (8, 20); und
• - einer Sauerstoffbarrierenschicht (30);

dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der siliziumhaltigen Schicht (8, 20) und der Sauerstoffbarrierenschicht (30) eine sauerstoffhaltige Iridi­ umschicht (25) befindet, die mittels eines Zerstäubungsver­ fahrens (Sputtern) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von mindestens 250°C herstellbar ist, wobei der Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre zwischen 2,5% und 15% liegt.

2. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre bei etwa 5% liegt.

3. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffbarriere (30) aus einem leitfähigen Metalloxid besteht.

4. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Metalloxid aus Iridiumdioxid oder Rutheniumdi­ oxid besteht.

5. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die siliziumhaltige Schicht (8, 20) aus Polysilizium oder aus zumindest einem Metallsilizid besteht.

6. Mikroelektronische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die siliziumhaltige Schicht (8, 20) aus einer Polysilizium­ schicht (8) und zumindest einer Metallsilizidschicht (20) be­ steht, wobei sich die Metallsilizidschicht (20) zwischen der Polysiliziumschicht (8) und sauerstoffhaltigen Iridiumschicht (25) befindet.

7. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsilizid wenigstens ein Silizid aus der Gruppe Yt­ triumsilizid, Titansilizid, Zirkonsilizid, Hafniumsilizid, Vanadiumsilizid, Niobsilizid, Tantalsilizid, Chromsilizid, Molybdänsilizid, Wolframsilizid, Eisensilizid, Cobaltsilizid, Nickelsilizid, Palladiumsilizid, Platinsilizid und Kupfersi­ lizid enthält.

8. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die siliziumhaltige Schicht (8, 20) im Grundsubstrat (5) ver­ graben und von der sauerstoffhaltigen Iridiumschicht (25) vollständig bedeckt ist.

9. Mikroelektronische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die siliziumhaltige Schicht (8, 20) und die sauerstoffhaltige Iridiumschicht (25) gemeinsam im Grundsubstrat (5) vergraben und vollständig von der Sauerstoffbarrierenschicht (30) be­ deckt sind.

10. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffhaltige Iridiumschicht (25) eine Dicke von etwa 10 bis 100 nm, bevorzugt von etwa 20 nm bis 50 nm aufweist.

11. Mikroelektronische Struktur nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallhaltige Elektrodenschicht (35) die Sauerstoffbar­ rierenschicht (30) überdeckt.

12. Mikroelektronische Struktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die metallhaltige Elektrodenschicht (35) von einer metal­ loxidhaltigen Schicht (40) bedeckt ist.

13. Mikroelektronische Struktur mit

• - einem Grundsubstrat (5);
• - einer siliziumhaltigen Schicht (8, 20);
• - einer Sauerstoffbarrierenschicht (30);
• - einer zwischen der siliziumhaltigen Schicht (8, 20) und der Sauerstoffbarrierenschicht (30) befindlichen sauerstoffhal­ tigen Iridiumschicht (25), wobei die sauerstoffhaltige Iri­ diumschicht (25) mittels eines Zerstäubungsverfahrens (Sputtern) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von mindestens 250°C herstellbar ist, und der Volumenanteil von Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen At­ mosphäre zwischen 2,5% und 15% liegt;
• - mit einer die sauerstoffhaltigen Iridiumschicht (25) voll­ ständig bedeckenden IrO₂-Schicht (30); und
• - einer auf der IrO₂-Schicht (30) angeordneten Platinschicht (35).

14. Verfahren zum Herstellen einer mikroelektronischen Struk­ tur, wobei die mikroelektronische Struktur ein Grundsubstrat (5) und eine sauerstoffhaltige Iridiumschicht (25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffhaltige Iridiumschicht (25) mittels eines Zer­ stäubungsverfahren (Sputtern) in einer sauerstoffhaltigen At­ mosphäre bei einer Temperatur von mindestens 250°C abgeschie­ den wird, wobei der Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmo­ sphäre zwischen 2,5% und 15% liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Volumenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre bei etwa 5% liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffhaltige Iridiumschicht (25) bei einem Druck zwischen 0,005 mbar und 0,02 mbar aufgebracht wird.

17. Verwendung einer mikroelektronischen Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Halbleiterspeichervorrich­ tung, die zumindest eine erste (115) und eine zweite Elektro­ de (45) und dazwischen eine metalloxidhaltige Schicht (40) aufweist, die zusammen einen Speicherkondensator (75) bilden, wobei die sauerstoffhaltige Iridiumschicht (25) zusammen mit der Sauerstoffbarrierenschicht (30) Teil der ersten Elektrode (115) der Halbleiterspeichervorrichtung sind.