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DE102008015270A1 - Herstellungsverfahren einer leitfähigen Schicht für eine integrierte Schaltung - Google Patents

Herstellungsverfahren einer leitfähigen Schicht für eine integrierte Schaltung Download PDF

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DE102008015270A1
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Uwe Schröder
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer leitfähigen Schicht für eine integrierte Schaltung, bei dem ein Oxid, ein Nitrid oder ein Oxinitrid eines ersten Metalls mittels eines ersten Gasphasenabscheideverfahrens auf einer Oberfläche und ein zweites Metall mittels eines zweiten Gasphasenabscheideverfahrens auf der Oberfläche abgeschieden werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer leitfähigen Schicht für eine integrierte Schaltung.
  • Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problematik wird anhand von Kondensatoren für Speicherbauelemente erläutert.
  • Im Bestreben die Integrationsdichte von Speicherbauelementen zu erhöhen, werden deren laterale Abmessungen zunehmend verringert. Kondensatoren für die Speicherbauelemente werden unter Anderem als Grabenkondensatoren ausgebildet. Die Dicke derer Elektroden trägt mit zu lateralen Abmessungen bei. Folglich ist man bestrebt, dünne Elektrode herzustellen, die dennoch den schaltungsbedingten Anforderungen eines geringen elektrischen Widerstandes gerecht werden.
  • Bei der Herstellung von dünnen leitfähigen Schichten können auch geringfügige Variationen der Dicke der Schichten die elektrischen Eigenschaften beeinflussen. Insbesondere kann in einzelnen Bereichen die Dicke der leitfähigen Schicht durch Aufplatzen der leitfähigen Schicht, einem Lösen von der Oberfläche oder durch ungleichmäßige Abscheidung von leitfähigem Material beeinflusst werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer leitfähigen Schicht für eine integrierte Schaltung, wobei folgende Verfahrensschritte angewandt werden: Abscheiden eines Oxids, Nitrids oder Oxinitrids eines ersten Metalls wie z. B. Titan, Tantal, Strontium, Niob, Wolfram, Molybdän, Indium, Zinn oder Zink mittels eines ersten Gasphasenabscheideverfahrens auf einer Oberfläche und Abscheiden eines zweiten Metalls wie z. B. Ruthenium, Iridium, Rhodium, Palladium, Osmium, Platin, Wolfram, Silber, Gold oder Nickel oder des entsprechenden Metalloxids mittels eines zweiten Gasphasenabscheideverfahrens auf der Oberfläche. Das erste und zweite Gasphasenabscheideverfahren werden alternierend oder zusammen angewandt.
  • Das Einbringen des Metalloxinitrids in die Schicht bestehend aus dem zweiten Metall oder Metalloxid kann das Ausbilden einer gleichförmig dicken Schicht begünstigen. Innere Verspannungen, die ein Abplatzen der Schicht aus dem zweiten Metall oder Metalloxid verursachen könnten, können durch das Metalloxinitrid verringert werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Zeichnungen illustriert und detaillierter in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1a und 1b illustrieren Teilschritte einer Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens;
  • 2 Flussdiagramm einer Abscheidung einer leitfähigen Schicht;
  • 3a bis 3c illustrieren Teilschritte einer weiteren Ausführungsform;
  • 4 Flussdiagramm einer Abscheidung einer leitfähigen Schicht;
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Identische Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder funktionsgleiche Elemente in den Figuren.
  • 1a und 1b erläutern eine erste Ausführungsform, der eine Herstellung eines Grabenkondensators 1 betrifft.
  • 1a zeigt einen Graben 2, der in ein Substrat 3, typischerweise ein Halbleitersubstrat, geätzt ist. Der Graben 2 kann ein hohes Aspektverhältnis in der Größenordnung von 10 oder mehr aufweisen.
  • Eine erste Elektrode 4 in Form einer leitfähigen Schicht, wird auf den Seitenflächen des Grabens 2 abgeschieden.
  • Das Abscheiden der leitfähigen Schicht 4 erfolgt unter gleichzeitiger Anwendung zweier Gasphasenabscheideverfahren 10, 20. Die Gasphasenabscheideverfahren können CVD oder Atomlagenabscheideverfahren (ALD) umfassen.
  • Das erste Gasphasenabscheideverfahren 10 scheidet Titanoxid ab. Der verwendete Precursor ist Titan-alkylamid und als Oxidationsmittel wird Sauerstoff verwendet.
  • Das zweite Gasphasenabscheideverfahren 20 scheidet Ruthenium ab. Der verwendete Precursor ist ein Cyclopentadienyl-Derivat von Ruthenium. Das Oxidationsmittel Sauerstoff des ersten Gasphasenabscheideverfahrens 10 wird auch auf den Precursor des zweiten Gasphasenabscheideverfahrens 20 angewandt.
  • Da die beiden Gasphasenabscheideverfahren 10, 20 gleichzeitig angewandt werden, ergibt sich im Wesentlichen eine durchmischte Schicht aus Titanoxid und Ruthenium. Die durchmischte Schicht kann eine sehr homogene Schichtdicke 4 aufweisen. Ferner kann die durchmischte Schicht 4 eine hohe Haftung an dem Substrat aufweisen.
  • Die leitfähige Schicht 4 kann zum größten Teil aus Ruthenium bestehen. In einer Ausgestaltung ist das atomare Verhältnis von Ruthenium zu Titan größer als 3.
  • 1b zeigt, dass nach dem Abscheiden einer ersten leitfähigen Schicht 4 aus dem Gemisch von Ruthenium und Titanoxid eine dielektrische Schicht 5 aufgebracht werden kann. Die dielektrische Schicht 5 kann ein Dielektrikum mit einer großen Dielektrizi tätskonstante enthalten. Beispiele für solche Dielektrika sind Strontiumtitanat, Bariumstrontiumtitanat (BST), Hafniumoxid, Zirkoniumoxid.
  • Der Kondensator 1 wird durch Abscheiden einer zweiten Elektrode 6 vervollständigt. Das Abscheiden der entsprechenden zweiten leitfähigen Schicht 6, kann entsprechend den obig beschriebenen Verfahren durchgeführt werden. Das Abscheiden der leitfähigen Schicht 6 erfolgt unter gleichzeitiger Anwendung der zwei Gasphasenabscheideverfahren 10, 20.
  • Das erste Gasphasenabscheideverfahren 10 scheidet Titanoxid ab. Der verwendete Precursor ist Titan-alkylamid und als Oxidationsmittel wird Sauerstoff verwendet.
  • Das zweite Gasphasenabscheideverfahren 20 scheidet Ruthenium ab. Der verwendete Precursor ist ein Cyclopentadienyl-Derivat von Ruthenium. Das Oxidationsmittel Sauerstoff des ersten Gasphasenabscheideverfahrens 10 wird auch auf den Precursor des zweiten Gasphasenabscheideverfahrens 20 angewandt.
  • Die gleichzeitige Anwendung der beiden Gasphasenabscheideverfahren 10, 20 führt zu einer im Wesentlichen durchmischten Schicht 6 aus Titanoxid und Ruthenium. Die durchmischte Schicht kann eine sehr homogene Schichtdicke aufweisen. Ferner kann die durchmischte Schicht 6 eine hohe Haftung an der dielektrischen Schicht 5 aufweisen.
  • Die leitfähige Schicht 6 kann zum größten Teil aus Ruthenium bestehen. In einer Ausgestaltung ist das atomare Verhältnis von Ruthenium zu Titan größer als 3.
  • In der vorhergehenden Ausführungsform werden die beiden Gasphasenabscheideverfahren gleichzeitig angewandt.
  • 2 zeigt als Flussdiagramm eine weitere Ausführungsform, die die beiden Gasphasenabscheideverfahren alternierend anwendet, um eine leitfähige Schicht abzuscheiden.
  • Das erste 10 und das zweite Gasphasenabscheideverfahren 20 können alternierend angewandt werden. Eine durchmischte leitfähige Schicht 4 oder Schicht 6 aus Ruthenium und Titanoxid kann hierbei mittels eines Atomlagenabscheideverfahrens erreicht werden.
  • Beim Atomlagenabscheideverfahren werden in einem Zyklus der Koreaktant und der Precursor abwechselnd in eine Reaktionskammer eingebracht. Der Precursor reagiert nun in Bereichen einer Oberfläche, die zuvor durch den Koreaktanten aktiviert wurden. Hierdurch können gezielt einzelne Monolagen aus Metallen, Metalloxiden, -nitriden oder -oxinitriden abgeschieden werden.
  • Die Moleküle des Precursors sind wesentlich größer als der Gitterabstand der Metallatome in ihren entsprechenden Kristallstrukturen. In Folge lagern sich die Precursoren nicht an benachbarten Gitterplätzen an. Für eine vollständige Monolage aus Metall, Metalloxid, -nitrid, oder -oxinitrid werden daher mehrere Zyklen angewandt. Bei jedem Zyklus wird der Precursor in die Reaktionskammer eingebracht und nachfolgend werden die Kohlenwasserstoff-Verbindungen von der Oberfläche entfernt.
  • Ein Verfahren, um eine leitfähige Schicht 4 abzuscheiden, sieht folgende Schritte vor.
  • Zunächst wird bestimmt, wie viele Zyklen zum Abscheiden einer vollständigen Monolage aus Ruthenium bzw. Iridium notwendig sind (S1). Die notwendige Anzahl der Zyklen wird in Abhängigkeit der verwendeten Precursoren und gegebenenfalls weiteren Abscheidungsbedingungen bestimmt. Typischerweise werden etwa 2 bis 5 Subzyklen benötigt, um eine vollständige Monolage abzuscheiden.
  • Eine vorbestimmte Anzahl von vollständigen Monolagen aus Ruthenium wird abgeschieden, indem eine entsprechende Anzahl von Zyklen angewandt wird (S2). Falls keine geschlossenen Monolagen aus Ruthenium gewünscht sind, kann dieser Schritt S2 ausgelassen werden.
  • Nachfolgend wird ein Zyklus nicht vollständig durchgeführt, indem die Anzahl der durchgeführten Subzyklen geringer als die notwendige Anzahl für das Abscheiden einer vollständigen Monolage ist (S3).
  • Das erste Gasphasenabscheideverfahren 10, bevorzugt ein Atomlagenabscheideverfahren, wird angewandt, um die Fehlstellen mit dem Titanoxid zu füllen (S4).
  • Falls gewünscht kann eine geschlossene Monolage aus Titanoxid abgeschieden werden (S5).
  • Anschließend kann das Verfahren beginnend mit der Abscheidung von Ruthenium zyklisch wiederholt werden (S6). Auf diese Weise entsteht ein gemischter Film aus Ruthenium und Titanoxid.
  • Nach dem Abscheiden von Ruthenium und Titanoxid kann ein Hochtemperaturschritt ausgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt eine Behandlung bis zu 1000°C (S7). Der Hochtemperaturschritt kann die Leitfähigkeit des Gemisches aus Titanoxid und Ruthenium erhöhen. Der Hochtemperaturschritt kann in einer Atmosphäre aus Helium, Argon, Stickstoff, Ammoniak, Sauerstoff, Ozon, Wasserstoff oder Mischungen hiervon durchgeführt werden. Des Weiteren kann der Hochtemperaturschritt in einem Plasma oder unter Vakuum durchgeführt werden.
  • 3a bis 3c zeigen als Querschnitte eine weitere Ausführungsform. Diese sieht vor, alternierend vollständige oder geschlossene Monolagen aus Ruthenium und vollständige oder geschlossene Monolagen aus Titanoxid abzuscheiden, um Nanolaminatschichten herzustellen. 4 ist ein zugehöriges Flussdiagramm.
  • Ein Graben 2 wird in einem Substrat 3 gebildet (S9).
  • Mehrere Monolagen 21 aus Ruthenium werden mittels des zweiten Gasphasenabscheideverfahrens 20 auf den Seitenwänden des Grabens abgeschieden (S10). Auf dem Ruthenium werden ein oder mehrere Monolagen 22 aus dem Titanoxid abgeschieden (S11). Das Verfahren kann zyklisch wiederholt werden, bis eine gewünschte Dicke der Schichtenfolge 21, 22 für eine Elektrode erreicht ist (S12).
  • Nach dem Abscheiden von Ruthenium und Titanoxid kann ein Hochtemperaturschritt ausgeführt werden (S13). Vorzugsweise erfolgt eine Behandlung bis zu 1000°C. Der Hochtemperaturschritt kann in einer Atmosphäre aus Helium, Argon, Stickstoff, Ammoniak, Sauerstoff, Ozon, Wasserstoff oder Mischungen hiervon durchgeführt werden. Des Weiteren kann der Hochtemperaturschritt in einem Plasma oder unter Vakuum durchgeführt werden.
  • Nachfolgend kann ein Dielektrikum 5 auf der Elektrode abgeschieden werden (S14).
  • Auf das Dielektrikum 5 wird eine weitere leitfähige Schicht 6 abschieden (für die Darstellung wird auf 1b verwiesen). Mehrere Monolagen aus Ruthenium werden mittels des zweiten Gasphasenabscheideverfahrens 20 abgeschieden (S15). Auf dem Ruthenium werden ein oder mehrere Monolagen aus dem Titanoxid abgeschieden (S16). Das Verfahren kann zyklisch wiederholt werden, bis eine gewünschte Dicke der Schichtenfolge für eine Elektrode erreicht ist (S17).
  • Ein Hochtemperaturschritt kann noch angewandt werden (S18).
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Herstellung von Graben-Kondensatoren beschränkt, insbesondere können die leitfähigen Schichten auch bei Stapelkondensatoren oder als Elektroden für Transistoren verwendet werden.
  • Ferner sind die vorgenannten Materialien Ruthenium und Titanoxid nur Beispiele für eine größere Gruppe von Materialien.
  • Anstatt von Titanoxid können auch andere Metalloxide, ein Metallnitrid oder ein Metalloxidnitrid verwendet werden. Das Metall kann aus der Gruppe Titan, Tantal, Strontium, Niob, Wolfram, Molybdän, Indium, Zinn oder Zink ausgewählt werden.
  • Als Precursor für das erste Gasphasenabscheideverfahren 10 können anstelle oder zusätzlich zu Alkylamiden auch Halogenide, Alkoxide, Cyclopentadienyl Derivate und Betadiketonate verwendet werden. Die Precursoren weisen entsprechend dem abzuscheidenden Metalloxid, Metallnitrid, Metalloxidnitrid einen Liganden aus Titan, Tantal, Strontium, Niob, Wolfram, Molybdän, Indium, Zinn oder Zink auf. Insbesondere sind beispielsweise geeignet: Titanalkylamid, Tantalalkylamid, Titanhalogenid, Tantalhalogenid, Titanalkoxid, Cyclopentadienyltitan, Cyclopentadienylstrontium, Betadiketonatstrontium. Als Koreaktant zum Entfernen der Kohlenwasserstoffverbindungen kann Sauerstoff, Ozon, Sauerstoffplasma, Wasser oder Wasserstoffperoxid in die Reaktionskammer eingeführt werden.
  • Der Precursor und der Koreaktant werden beim Atomlagenabscheideverfahren alternierend angewandt.
  • Anstelle von Ruthenium kann ein anderes Edelmetall abgeschieden werden. Die Edelmetalle können insbesondere Ruthenium, Iridium, Rhodium, Palladium, Osmium, Platin, Wolfram, Silber, Gold oder Nickel umfassen.
  • Als Precursor für das zweite Gasphasenabscheideverfahren 20 können z. B. Cyclopentadienyl-Derivate von Ruthenium bzw. Iridium oder Rhodium, Palladium, Osmium, Platin, Wolfram, Silber, Gold oder Nickel verwendet werden. Der Ligand aus dem Edelmetall wird entsprechend dem Edelmetall ausgewählt, das abgeschieden werden soll. Insbesondere sind folgende Verbindungen oder Gruppen geeignet:
    Bis(ethylcyclopentadienyl)ruthenium,
    Bis(ethylcyclopentadienyl)iridium,
    Bis(cyclopentadienyl)ruthenium,
    Bis(cyclopentadienyl)iridium,
    Tris(tetrametyhl-3,5-heptanedion)ruthenium,
    Tris(tetrametyhl-3,5-heptanedion)iridium,
    Dodecacarbonyltriruthenium,
    Dodecacarbonyltriiridium,
    Ethylcyclopentadienylpyrrolylruthenium,
    Ethylcyclopentadienylpyrrolylirdium,
    2,4-(Dimethylcyclopentadienyl)(etyhlcyclopentadienyl)ruthenium
    2,4-(Dimethylcyclopentadienyl)(etyhlcyclopentadienyl)irdidium.
    Als Koreaktant zum Entfernen der Kohlenwasserstoffverbindungen kann Sauerstoff, Ammoniak, Ozon, Wasserstoffplasma (H+) oder Sauerstoffplasma verwendet werden.
  • Die gemischte Schicht kann einen größeren Anteil des Edelmetalls aufweisen als Metalloxid, Metallnitrid bzw. Metalloxidnitrid. In einer Ausgestaltung ist das atomare Verhältnis des Edelmetalls zu Titan, Tantal, Strontium, Niob, Wolfram, Molybdän, Indium, Zinn oder Zink größer als 3.

Claims (10)

  1. Herstellungsverfahren einer leitfähigen Schicht für eine integrierte Schaltung, mit den Verfahrensschritten: Abscheiden eines Oxids, Nitrids oder Oxinitrids eines ersten Metalls mittels eines ersten Gasphasenabscheideverfahrens auf einer Oberfläche und Abscheiden eines zweiten Metalls oder eines Oxids des zweiten Metalls mittels eines zweiten Gasphasenabscheideverfahrens auf der Oberfläche, wobei das erste und zweite Gasphasenabscheideverfahren alternierend oder zusammen angewandt werden.
  2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Metall ein Edelmetall ist, das Ruthenium, Iridium, Rhodium, Palladium, Osmium, Platin, Wolfram, Silber, Gold oder Nickel umfasst.
  3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei das erste Metall aus Titan, Tantal, Strontium, Niob, Wolfram, Molybdän, Indium, Zinn oder Zink ausgewählt wird.
  4. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und zweite Gasphasenabscheideverfahren mehrfach alternierend, unmittelbar aufeinander folgend auf die Oberfläche angewandt werden.
  5. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das zweite Gasphasenabscheideverfahren ein Precursor aus Verbindungen des zweiten Metalls mit einer Cyclopentadienylgruppe ausgewählt wird.
  6. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Precursor für das erste Gasphasenabscheideverfahren aus der Gruppe der Alkylamide, der Halogenide, der Alkoxide, der Cyclopentadienyl Derivate und der Betadiketonate des ersten Metalls ausgewählt werden.
  7. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Abscheiden mit dem ersten und zweiten Gasphasenabscheideverfahren ein Hochtemperaturschritt ausgeführt wird.
  8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, wobei der Hochtemperaturschritt in einer Atmosphäre aus Helium, Argon, Stickstoff, Ammoniak, Sauerstoff, Ozon, Wasserstoff oder Mischungen hiervon durchgeführt wird.
  9. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Hochtemperaturschritt bei einer Temperatur von bis zu 1000°C ausgeführt wird.
  10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei der Hochtemperaturschritt in einem Plasma oder unter Vakuum ausgeführt wird.
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