DE10056295A1 - Production of a ferroelectric capacitor used in the production of highly integrated non-volatile storage capacitors, especially FeRAMs, comprises inserting a dielectric between precious metal electrodes - Google Patents
Production of a ferroelectric capacitor used in the production of highly integrated non-volatile storage capacitors, especially FeRAMs, comprises inserting a dielectric between precious metal electrodesInfo
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Abstract
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.The invention relates to a method for producing a ferroelectric capacitor especially in highly integrated ten non-volatile semiconductor memories, a ferroelek trical or paraelectric material as dielectric between electrodes made of precious metal of the capacitor is used and with a water above the condenser fabric diffusion barrier to protect the ferro- or paraelek tricum before hydrogen used in the integration process is deposited.
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.In the manufacture of ferroelectric capacitors for applications in non-volatile semiconductor memories with high integration density, a ferroelectric material, e.g. B. SrBi 2 (Ta, Nb) 2 O 9 (SBT or SBTN), Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) or Bi 4 Ti 3 O 12 (BTO) are used as dielectric between the plates of a capacitor. Paraelectric materials, such as. B. (Ba, Sr) TiO 3 (BST) can be used. The plate material is a precious metal that can withstand high temperatures in O 2 . As plate materials such. B. Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Os in question. In general, either the stack principle or the offset cell principle is pursued in the construction of the capacitor, which is not technologically so demanding, but still requires more space.
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.Both methods are used to integrate the capacitors Process steps necessary in a hydrogen-containing environment exercise take place. These lead to reduction reactions degradation of the ferroelectric layer. So z. B. for conditioning the metallization and the transistors of a ferroelectric memory chip Forming gas necessary (95% N2, 5% H2), which is proven to deterioration in electrical properties increased leakage current, short circuits, lower polarization and for the deterioration of the structural properties (Pee ling) of the storage capacitors. Further z. B. the Deposition of intermediate oxides, silicon nitride passivation, Tungsten plugs due to their high hydrogen content Deposition as well as damage in the layer itself of the ferroelectric or paraelectric.
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.To protect the ferroelectric or paraelectric from hydrogen zen, is therefore usually above the capacitor module Hydrogen diffusion barrier (English encapsulation barrier layer, abbreviated EBL). Here come mainly materials that contain hydrogen themselves ten (SiOxNy: H, SiNy: H,...) or at least during the Ab damage caused by hydrogen in the process gas cause (silane, ammonia,...).
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.All currently commercially available products with ferroelectric layers and a storage density of just a few kb have a pure Al metallization. Such an Al metallization is unsuitable for higher storage densities, which necessitate metallization with tungsten in the contact holes or vias. Furthermore, an AlOx layer or a TiOx or TiON layer or a layer of ZrOx is known as the H 2 barrier above the capacitor. However, all of these materials have the disadvantage that they are difficult to etch.
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. It is therefore an object of the invention, a generic Process for producing a ferroelectric condenser tors especially in highly integrated non-volatile half ladder storage to indicate which damage to the Fer can prevent roelektrikums by hydrogen and the same good etchability of the hydrogen diffusion used barrier achieved. Another task is a ferroe Specify dielectric semiconductor memory device that with the The method according to the invention can be produced.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.This task is solved according to the requirements.
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.According to an essential aspect of the invention, a TaSi x N y layer is deposited either directly on the capacitor module or first a buffer layer or a buffer layer system and then the TaSi x N y layer thereon. Since TaSi x N y has barrier properties against hydrogen diffusion, it is very well suited to prevent damage to the ferroelectric or paraelectric during or after the deposition. Such TaSi x N y barrier layer is good to be etched.
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.TaSi x N y is usually reactively sputtered from a TaSi target into N2. So there is no hydrogen pollution during or after the deposition through the barrier layer.
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.Many known hydrogen barriers must e.g. B. are annealed in oxygen to fully develop their barrier properties. This increases the thermal budget. B. may cause undesirable effects in the previously manufactured transistors of a ferroelectric semiconductor memory. In addition, oxygen tempering can lead to an additional load for a possibly used oxygen barrier under the capacitor module. If, as proposed in the present invention, only TaSi x N y as a barrier, this tempering is completely eliminated.
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.Since TaSi x N y has a thermal expansion coefficient similar to that of silicon, only a bearable stress is generated when exposed to temperature. This means the mechanical stress, which is temperature-dependent.
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.Since the TaSi x N y is conductive, it must e.g. B. around vias and Kon contact holes and where it was deposited on the substrate, recessed or removed. Otherwise the TaSi x N y barrier would be a possibly unwanted electrical connection e.g. B. between vias and contact holes or between rule's top electrode and bottom electrode.
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.In a first method, the TaSi x N y barrier layer can be structured by introducing an additional lithography layer. Alternatively, the TaSi x N y barrier layer can also be structured simultaneously with the ferroelectric or paraelectric and the top electrode of the capacitor.
Eine weitere alternative Möglichkeit ist die Strukturierung der TaSixNy-Barriereschicht mit einem planaren Ätzprozess, wie CMP.Another alternative possibility is the structuring of TaSi x N y barrier layer with a planar etch, such as 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.A further advantage of the material used for the hydrogen barrier layer TaSi x N y is its barrier property to Ti-diffusion. The vias to the top and bottom electrodes are usually filled with tungsten. Since the adjacent SiO 2 is heavily attacked by WF 6 during the deposition of the W plugs, a Ti / TiN barrier layer (liner) is usually applied before the deposition of tungsten. Parts of the Ti / TiN barrier layer serving as a liner can diffuse into the top or bottom electrode, where the barrier properties deteriorate and efflorescence can result from the reaction of WF 6 with SiO 2 z. B. come through a leaky liner on such a via.
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.If the TaSi x N y , which primarily serves as a hydrogen barrier, is also separated between the electrode and liner, the Ti diffusion into the electrode is prevented and the barrier properties of the Ti / TiN liner and efflorescence are prevented. However, it should be mentioned that this advantage can be achieved not only by a TaSi x N y layer but also by other layers or layer systems which are conductive and have barrier properties with respect to Ti.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Bezug auf die bei liegenden Zeichnungsfiguren nehmenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will now be described with reference to the lying drawing figures embodiments explained in more detail.
Fig. 1A zeigt schematisch eine Ausführungsform eines im dreidimensionalen Aufbauprozess realisierten er findungsgemäßen ferroelektrischen Kondensators 1 und Fig. 1A schematically shows an embodiment of a three-dimensional structure in the process he realized inventive ferroelectric capacitor 1 and
Fig. 1B zeigt Details innerhalb des in Fig. 1a durch ei nen Kreis umrahmten Bereichs B. FIG. 1B shows details within the area B framed by a circle in FIG. 1a .
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.Referring to Fig. 1A consists of ferroelek tric capacitor 1 of the invention from a top electrode 3, z. B. from tin and a bottom electrode 4 and an intermediate ferroelectric or paraelectric 6 (z. B. from SBT). The bottom electrode 4 can be buffered with a buffer layer 5 or a buffer layer system made of Ti / TiN with respect to an underlying layer.
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.According to the invention for the protection of ferrous or Paraelektri Kums 7 from TaSi x N y is 6 abge before used in the integration process hydrogen across the capacitor 1, a hydrogen diffusion barrier (EBL engl. Encapsulation barrier layer,) secreted. As a result, there is no hydrogen load on the ferroelectric capacitor during or after the deposition through the barrier layer. In addition, the temperature is completely eliminated if only TaSi x N y is used as the barrier material. The fact that TaSi x N y has a thermal expansion coefficient similar to that of silicon creates only a tolerable stress.
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.TaSi x N y is conductive. The TaSi x N y layer 7 is therefore structured after its deposition in such a way that it either remains recessed around vias 8 or contact holes and around exposed regions of the substrate 10 or is removed. Fig. 1A clearly shows that the TaSi x N y layer 7 is pulled down so far that it also covers the side edges of the top electrode 3 and the ferroelectric or paraelectric 6 .
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.The vias 8 ( FIG. 1A shows a via 8 to the top electrode 3 and a via to a transistor electrode in a lower-lying metallization) are usually filled up with tungsten W. Since the adjacent SiO 2 is strongly attacked by WF 6 during the deposition of the tungsten plugs, a Ti / TiN barrier layer (Liner L) is applied before the tungsten deposition. Fig. 1B shows the details in the bottom area of the via 8, ie in the vicinity of the top electrode. 3 In usual Lich construction parts of the liner 9 could diffuse into the top electrode 3 . This would deteriorate the barrier properties of the liner 9 , which can lead to efflorescence. However, this is avoided by the hydrogen diffusion barrier layer 7 consisting of TaSi x N y . Since this TaSi x N y barrier layer 7 is deposited between the top electrode 3 and the liner 9 , the Ti diffusion into the electrode is prevented. Furthermore, since the TaSi x N y layer 7 is conductive, good electrical contact between the wolf ramplug 8 and the top electrode 3 is achieved. Fig. 1B clearly shows that the thickness of the deposited liner 9 a on the Bo of the vias is relatively thin. However, this is not harmful since the conductive TaSi x N y layer 7 with Ti barrier property is already deposited on the bottom of the via 8 . Therefore, the Ti / TiN liner layer 9 is not required at all. Against the dilution of the liner 9 to the side walls of the vias 8, TaSi x N y layer 7 does not help unfortunately.
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. In the manufacture of such a ferroelectric Kon densators the inventively provided TaSi x N y can - barrier layer 7 are patterned with an additional lithography step. Alternatively, the structuring of the TaSi x N y barrier layer 7 can also be carried out simultaneously with the structuring of the ferro- or paraelectric 6 and the top electrode 3 of the ferroelectric capacitor 1 .
11
Ferroelektrischer Kondensator
Ferroelectric capacitor
33
, .
44
Elektrodenplatten
electrode plates
55
Schutzschicht
protective layer
66
Ferro- oder Paraelektrikum
Ferro or paraelectric
77
TaSix TaSi x
Ny Ny
-Schicht
-Layer
88th
Wolframplug
tungsten plug
99
Ti, TiN-Liner
Ti, TiN liner
1010
Substrat
L Liner
W Wolfram
substratum
L liner
W tungsten
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