DE10056295A1 - Verfahren zur Herstellung ferroelektrischer Kondensatoren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung ferroelektrischer KondensatorenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Kondensators insbesondere in hochintegrierten nichtflüchtigen Halbleiterspeichern. Um eine Schädigung des Ferro- bzw. Paraelektrikums (6) zu vermeiden, wird eine TaSi¶x¶N¶y¶-Barriereschicht (7) über dem Kondensatormodul (1) abgeschieden. Das TaSi¶x¶N¶y¶-Material besitzt Barriereeigenschaften gegenüber Wasserstoffdiffusion und Ti-Diffusion.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
ferroelektrischen Kondensators insbesondere in hochintegrier
ten nichtflüchtigen Halbleiterspeichern, wobei ein ferroelek
trisches oder paraelektrisches Material als Dielektrikum zwi
schen aus Edelmetall bestehenden Elektroden des Kondensators
eingesetzt wird und wobei über dem Kondensator eine Wasser
stoffdiffusionsbarriere zum Schutz des Ferro- oder Paraelek
trikums vor beim Integrationsprozess verwendeten Wasserstoff
abgeschieden wird.
Bei einer Herstellung ferroelektrischer Kondensatoren für An
wendungen in nichtflüchtigen Halbleiterspeichern hoher Inte
grationsdichte wird ein ferroelektrisches Material, z. B.
SrBi2(Ta, Nb)2O9 (SBT oder SBTN), Pb(Zr, Ti)O3 (PZT) oder
Bi4Ti3O12 (BTO) als Dielektrikum zwischen den Platten eines
Kondensators eingesetzt. Auch paraelektrische Materialien,
wie z. B. (Ba, Sr)TiO3 (BST) können zum Einsatz kommen. Das
Plattenmaterial ist ein Edelmetall, das hohen Temperaturen in
O2 widersteht. Als Plattenmaterialien kommen z. B. Pt, Pd, Ir,
Rh, Ru, Os in Frage. Im allgemeinen wird beim Kondensatorauf
bau entweder das Stackprinzip oder das Offset-Zellenprinzip
verfolgt, das technologisch nicht so anspruchsvoll ist, je
doch mehr Platz braucht.
Bei beiden Verfahren sind zur Integration der Kondensatoren
Prozessschritte nötig, die in einer wasserstoffhaltigen Umge
bung stattfinden. Diese führen durch Reduktionsreaktionen zu
einer Degradation der ferroelektrischen Schicht. So ist z. B.
zur Konditionierung der Metallisierung und der Transistoren
eines ferroelektrischen Speicherbausteins eine Temperung in
Formiergas notwendig (95% N2, 5% H2), die nachweislich zu
einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften durch
erhöhten Leckstrom, Kurzschlüsse, geringere Polarisation und
zur Verschlechterung der strukturellen Eigenschaften (Pee
ling) der Speicherkondensatoren führt. Weiter können z. B. die
Abscheidungen von Zwischenoxiden, Siliziumnitridpassivierung,
Wolfram-Plugs aufgrund des hohen Wasserstoffgehalts bei deren
Abscheidung als auch in der Schicht selbst eine Schädigung
des Ferroelektrikums bzw. Paraelektrikums bewirken.
Um das Ferro- bzw. Paraelektrikum vor Wasserstoff zu schüt
zen, wird daher üblicherweise über dem Kondensatormodul eine
Wasserstoffdiffusionsbarriere (engl. encapsulation barrier
layer, abgekürzt EBL) abgeschieden. Hierbei kommen hauptsäch
lich Materialien zum Einsatz, die selbst Wasserstoff enthal
ten (SiOxNy:H, SiNy:H, . . .) oder zumindest während der Ab
scheidung eine Schädigung durch Wasserstoff in den Prozessga
sen (Silan, Ammoniak, . . .) verursachen.
Alle zur Zeit kommerziell erwerblichen Produkte mit ferroe
lektrischen Schichten und einer Speicherdichte von nur weni
gen kb besitzen eine reine Al-Metallisierung. Eine derartige
Al-Metallisierung ist für höhere Speicherdichten, die eine
Metallisierung mit Wolfram in den Kontaktlöchern bzw. Vias
zwingend erforderlich machen, ungeeignet. Weiterhin sind als
H2-Barriere oberhalb des Kondensators eine AlOx-Schicht, oder
eine TiOx oder TiON-Schicht oder eine Schicht aus ZrOx be
kannt. Alle diese Materialien haben jedoch den Nachteil, dass
sie schwer zu ätzen sind.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes
Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Kondensa
tors insbesondere in hochintegrierten nichtflüchtigen Halb
leiterspeichern anzugeben, welches die Schädigungen des Fer
roelektrikums durch Wasserstoff verhindern kann und gleich
zeitig eine gute Ätzbarkeit der verwendeten Wasserstoffdiffu
sionsbarriere erzielt. Eine weitere Aufgabe ist eine ferroe
lektrische Halbleiterspeicheranordnung anzugeben, die mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird eine
TaSixNy-Schicht entweder direkt auf das Kondensatormodul oder
zunächst eine Pufferschicht oder ein Püfferschichtsystem und
dann darauf die TaSixNy-Schicht abgeschieden. Da TaSixNy Bar
riereeigenschaften gegenüber Wasserstoffdiffusion aufweist,
ist es sehr gut dazu geeignet, die Schädigungen des Ferroe
lektrikums bzw. Paraelektrikums während oder nach der Ab
scheidung zu verhindern. Eine solche TaSixNy-Barriereschicht
ist gut zu ätzen.
TaSixNy wird üblicherweise von einem TaSi-Target aus reaktiv
in N2 gesputtert. Es kommt also zu keiner Wasserstoffbela
stung während oder nach der Abscheidung durch die Bar
riereschicht.
Viele bekannte Wasserstoffbarrieren müssen z. B. in Sauerstoff
getempert werden, um ihre Barriereeigenschaften voll zu ent
wickeln. Dies erhöht das thermische Budget, was z. B. ungün
stige Effekte bei den vorher hergestellten Transistoren eines
ferroelektrischen Halbleiterspeichers hervorrufen kann. Au
ßerdem kann eine Sauerstofftemperung zu einer zusätzlichen
Belastung für eine möglicherweise verwendete Sauerstoffbar
riere unter dem Kondensatormodul führen. Verwendet man, wie
erfindungsgemäß vorgeschlagen, nur TaSixNy als Barriere, so
entfällt diese Temperung völlig.
Da TaSixNy einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizien
ten wie Silizium hat, wird bei Temperaturbelastung nur ein
erträglicher Stress erzeugt. Dabei ist der mechanische Stress
gemeint, der temperaturabhängig ist.
Da das TaSixNy leitfähig ist, muss es z. B. um Vias und Kon
taktlöcher herum und dort, wo es auf Substrat abgeschieden
wurde, ausgespart oder entfernt werden. Andernfalls würde die
TaSixNy-Barriere eine möglicherweise ungewollte elektrische
Verbindung z. B. zwischen Vias und Kontaktlöchern oder zwi
schen Topelektrode und Bottomelektrode herstellen.
In einer ersten Methode kann die TaSixNy-Barriereschicht
durch Einführen einer zusätzlichen Lithographieebene struktu
riert werden. Alternativ kann die TaSixNy-Barriereschicht
auch gleichzeitig mit dem Ferroelektrikum bzw. Paraelektrikum
und der Topelektrode des Kondensators strukturiert werden.
Eine weitere alternative Möglichkeit ist die Strukturierung
der TaSixNy-Barriereschicht mit einem planaren Ätzprozess,
wie CMP.
Ein weiterer Vorteil des für die Wasserstoffbarriereschicht
verwendeten Materials TaSixNy ist seine Barriereeigenschaft
gegenüber Ti-Diffusion. Die Vias zur Top- und gegebenenfalls
Bottomelektrode werden üblicherweise mit Wolfram aufgefüllt.
Da das angrenzende SiO2 von WF6 während der Abscheidung der
W-Plugs stark angegriffen wird, bringt man üblicherweise eine
Ti/TiN-Barriereschicht (Liner) vor der Abscheidung von Wolf
ram auf. Teile der als Liner dienenden Ti/TiN-Barriereschicht
können in die Top- bzw. Bottomelektrode eindiffundieren, wo
durch sich die Barriereeigenschaften verschlechtern und es
kann zu Ausblühungen durch Reaktion von WF6 mit SiO2 z. B.
durch einen undichten Liner an einem solchen Via kommen.
Scheidet man das primär als Wasserstoffbarriere dienende
TaSixNy auch zwischen Elektrode und Liner ab, so wird die Ti-
Diffusion in die Elektrode verhindern, und die Verschlechte
rung der Barriereeigenschaften des Ti/TiN-Liners und Ausblü
hungen sind verhindert. Es sei jedoch erwähnt, dass dieser
Vorteil nicht nur durch eine TaSixNy-Schicht sondern durch
andere Schichten oder Schichtsysteme die leitfähig sind und
Barriereeigenschaften gegenüber Ti aufweisen, erzielt werden
kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Bezug auf die bei
liegenden Zeichnungsfiguren nehmenden Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Fig. 1A zeigt schematisch eine Ausführungsform eines im
dreidimensionalen Aufbauprozess realisierten er
findungsgemäßen ferroelektrischen Kondensators 1
und
Fig. 1B zeigt Details innerhalb des in Fig. 1a durch ei
nen Kreis umrahmten Bereichs B.
Bezogen auf Fig. 1A besteht der erfindungsgemäße ferroelek
trische Kondensator 1 aus einer Topelektrode 3, z. B. aus Pla
tin und einer Bottomelektrode 4 und einem dazwischenliegenden
Ferroelektrikum oder Paraelektrikum 6 (z. B. aus SBT). Die
Bottomelektrode 4 kann mit einer Pufferschicht 5 oder einem
Pufferschichtsystem aus Ti/TiN gegenüber einer darunterlie
genden Schicht gepuffert sein.
Erfindungsgemäß ist zum Schutz des Ferro- oder Paraelektri
kums 6 vor beim Integrationsprozess verwendeten Wasserstoff
über dem Kondensator 1 eine Wasserstoffdiffusionsbarriere
(engl. encapsulation barrier layer, EBL) 7 aus TaSixNy abge
schieden. Dadurch kommt es zu keiner Wasserstoffbelastung des
ferroelektrischen Kondensators während oder nach der Abschei
dung durch die Barriereschicht. Außerdem entfällt die Tempe
rung völlig, wenn man nur TaSixNy als Barrierenmaterial ver
wendet. Dadurch dass TaSixNy einen ähnlich thermischen Aus
dehnungskoeffizienten wie Silizium hat, wird nur ein erträg
licher Stress erzeugt.
TaSixNy ist leitfähig. Deshalb wird die TaSixNy-Schicht 7 nach
ihrer Abscheidung so strukturiert, dass sie um Vias 8 bzw.
Kontaktlöcher und um freiliegende Bereiche des Substrats 10
herum entweder ausgespart bleibt oder entfernt wird. Fig. 1A
zeigt deutlich, dass die TaSixNy-Schicht 7 soweit nach unten
gezogen ist, dass sie auch die seitlichen Kanten der Topelek
trode 3 und des Ferro- bzw. Paraelektrikums 6 bedeckt.
Die Vias 8 (Fig. 1A zeigt ein Via 8 zur Topelektrode 3 und
ein Via zu einer Transistorelektrode in einer tieferliegenden
Metallisierung) werden üblicherweise mit Wolfram W aufge
füllt. Da das angrenzende SiO2 von WF6 während der Abschei
dung der Wolframplugs stark angegriffen wird, wird eine
Ti/TiN-Barriereschicht (Liner L) vor der Wolframabscheidung
aufgebracht. Fig. 1B zeigt Details im Bodenbereich des Vias
8, d. h. in der unmittelbaren Nähe der Topelektrode 3. Bei üb
lichem Aufbau könnten Teile des Liners 9 in die Topelektrode
3 eindiffundieren. Dadurch würden sich die Barriereeigen
schaften des Liners 9 verschlechtern, was zu Ausblühungen
führen kann. Durch die aus TaSixNy bestehende Wasserstoffdif
fusionsbarriereschicht 7 ist dies jedoch vermieden. Da diese
TaSixNy-Barriereschicht 7 zwischen der Topelektrode 3 und dem
Liner 9 abgeschieden ist, wird die Ti-Diffusion in die Elek
trode verhindert. Ferner ist, da die TaSixNy-Schicht 7 lei
tend ist, ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem Wolf
ramplug 8 und der Topelektrode 3 erreicht. Fig. 1B zeigt
deutlich, dass die Stärke des abgeschiedenen Liners 9a am Bo
den des Vias relativ dünn ist. Dies ist jedoch unschädlich,
da am Boden des Vias 8 bereits die leitende TaSixNy-Schicht 7
mit Ti-Barriereeigenschaft abgeschieden ist. Deshalb wird
dort die Ti/TiN-Linerschicht 9 gar nicht benötigt. Gegen die
Verdünnung des Liners 9 an den Seitenwänden des Vias 8 hilft
die TaSixNy-Schicht 7 leider nicht.
Bei der Herstellung eines derartigen ferroelektrischen Kon
densators kann die erfindungsgemäß vorgesehene TaSixNy-
Barriereschicht 7 mit einem zusätzlichen Lithographieschritt
strukturiert werden. Alternativ kann die Strukturierung der
TaSixNy-Barriereschicht 7 auch gleichzeitig mit der Struktu
rierung des Ferro- bzw. Paraelektrikums 6 und der Topelektro
de 3 des ferroelektrischen Kondensators 1 durchgeführt wer
den.
1
Ferroelektrischer Kondensator
3
,
4
Elektrodenplatten
5
Schutzschicht
6
Ferro- oder Paraelektrikum
7
TaSix
Ny
-Schicht
8
Wolframplug
9
Ti, TiN-Liner
10
Substrat
L Liner
W Wolfram
L Liner
W Wolfram
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Konden
sators, insbesondere in hochintegrierten, nichtflüchtigen
Halbleiterspeichern, wobei ein ferroelektrisches oder para
elektrisches Material als Dielektrikum (6) zwischen aus Edel
metall bestehenden Elektroden (3, 4) des Kondensators (1)
eingesetzt wird und wobei über dem Kondensator (1) eine Was
serstoffdiffusionsbarriere (7) zum Schutz des Ferro- oder Pa
raelektrikums (6) vor beim Integrationsprozess verwendetem
Wasserstoff abgeschieden wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Wasserstoffdiffusionsbarriere (EBL) eine TaSixNy-
Schicht (7) über dem Kondensator abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Strukturierungsschritt die TaSixNy-Schicht (7) so struk
turiert, dass sie um Vias und Kontaktlöcher herum und an
freiliegenden Substratbereichen ausgespart ist oder entfernt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Strukturierungsschritt die TaSixNy-Schicht (7) so
strukturiert, dass sie auch zwischen einer Elektrodenplatte
(3) des Kondensators (1) und einer Ti/TiN-Barriereschicht (9)
in benachbarten einer mit Wolfram gefüllten Durchkontaktie
rung liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, dass die TaSixNy-Schicht (7) von einem TaSi-
Target aus reaktiv in einer N2-Atmosphäre gesputtert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Strukturierungsschritt zur Strukturie
rung der TaSixNy-Schicht (7) ein zusätzlicher Lithographie
schritt ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Strukturierungsschritt die TaSixNy-
Schicht (7) gleichzeitig mit dem Ferro- bzw. Paraelektrikum
und der Topelektrode des ferroelektrischen Kondensators
strukturiert.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Strukturierungsschritt die TaSixNy-
Schicht (7) durch einen Planar-Ätzprozess, wie CMP, struktu
riert.
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7
für die Herstellung eines nichtflüchtigen Halbleiterspei
chers, insbesondere FeRAMs.
9. Integrierte ferroelektrische Halbleiterspeicheranordnung,
bei der ein ferroelektrisches oder paraelektrisches Material
als Dielektrikum (6) zwischen aus Edelmetall bestehenden
Elektroden (3, 4) eines Kondensators (1) jeder Speicherzelle
eingesetzt ist und über den Kondensator (1) einer Wasser
stoffdiffusionsbarriere (7) zum Schutz des Ferro- oder Parae
lektrikums (6) vor Wasserstoff aufgebracht ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wasserstoffdiffusionsbarriere (EBL) eine TaSixNy-
Schicht (7) ist.
10. Integrierte ferroelektrische Halbleiterspeicheranordnung
nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die TaSixNy-
Schicht (7) auch zwischen einer Elektrodenplatte (3) des Kon
densators (1) und einer Ti/TiN-Barriereschicht (9) in einer
benachbarten Durchkontaktierung liegt.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE10056295A DE10056295A1 (de) | 2000-11-14 | 2000-11-14 | Verfahren zur Herstellung ferroelektrischer Kondensatoren |
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