DE10131716B4

DE10131716B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung durch eine zweistufige Thermalbehandlung

Info

Publication number: DE10131716B4
Application number: DE10131716A
Authority: DE
Inventors: Seok-Jun Won; Yun-Jung Lee; Soon-Yeon Park; Cha-Young Yoo; Doo-Sup Hwang; Eun-Ae Chung; Wan-Don Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: TW495923B; KR100360413B1; GB2370412B; US20020076878A1; KR20020049389A; JP3989195B2; DE10131716A1; FR2818440B1; FR2818440A1; US6472319B2; GB2370412A; GB0115702D0; JP2002203914A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung umfassend:
Ausbilden einer unteren Elektrode auf einem Halbleitersubstrat;
Ausbilden einer dielektrischen Schicht über der unteren Elektrode;
Ausbilden einer oberen Elektrode aus einem Edelmetall über der dielektrischen Schicht;
Durchführen einer ersten Thermalbehandlung auf der sich ergebenden Struktur mit der oberen Elektrode bei einer ersten Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, und bei einer ersten Temperatur, welche aus dem Bereich von 200–600°C und niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode ausgewählt ist; und
Durchführen einer zweiten Thermalbehandlung auf der sich nach der ersten Thermalbehandlung ergebenden Struktur bei einer zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff und bei einer zweiten Temperatur, welche aus einen Bereich von 300–900°C und höher als die erste Temperatur ausgewählt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterspeichervorrichtung, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, das ein Thermalbehandlungsverfahren zum Verbessern der elektrischen Eigenschaften eines Kondensators enthält.
Da die Integrationsdichte von Halbleiterspeichervorrichtungen immer weiter wächst, nimmt der von den Speicherzellenbereich beanspruchte Raum immer weiter ab. Eine Verringerung der Zellenkapazität ist typischerweise ein ernsthaftes Hindernis, um die Integration einer dynamischen Speichervorrichtung mit wahlfreien Zugriff (DRAM) mit Speicherkondensatoren zur erhöhen. Eine Verringerung der Zellkapazität verringert nicht nur die Fähigkeit eine Speicherzelle zu lesen und erhöht eine Soft-Error-Rate, sondern macht ebenso den Betrieb der Vorrichtung bei niedriger Spannung schwierig und erhöht den Leistungsverbrauch während des Betriebs einer Vorrichtung. Daher sollte ein Verfahren zur Herstellung einer hochintegrierten Halbleiterspeichervorrichtung entwickelt werden, welches eine Zellkapazität erhöhen kann.
Im Allgemeinen werden die dielektrischen Eigenschaften der Zellkapazität anhand der äquivalenten Oxiddicke (Toxeq) und der Leckstromdichte beurteilt. Die Toxeq ist ein Wert, der durch ein Umwandeln der Dicke einer dielektrischen Schicht, die aus einem anderen Material als einer Siliziumoxidsubstanz ausgebildet ist, in die Dicke einer aus einer Siliziumoxidsubstanz ausgebildeten dielektrischen Schicht erzielt wird. Je kleiner der Wert der Toxeq wird, desto größer ist die Kapazität. Um die elektrischen Eigenschaften des Kondensators zu verbessern, wird ebenso ein kleiner Wert für die Leckstromdichte bevorzugt.
Zum Erhöhen der Zellkapazität wurden Verfahren untersucht, bei welchen eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumoxidschicht durch eine hoch dielektrische Schicht mit einer großen Dielektrizitätskonstanten als eine dielektrische Schicht eines Kondensators ersetzt worden ist. Dementsprechend wurde ein dielektrisches Metalloxid, wie beispielsweise Ta₂O₅, (Ba, Sr)TiO₃(BST), Pb(Zr, Ti)O₃(PZT) als geeigneter Kandidat für ein dielektrisches Schichtmaterial bei einem Kondensator für eine Halbleiterspeichervorrichtung, das eine große Kapazität verleiht, festgestellt.
Zur Herstellung eines Kondensators, welcher eine dielektrische Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten aufweist, wird im Allgemeinen eine Thermalbehandlung bei einer Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, bzw. einer Atmosphäre mit Sauerstoff durchgeführt, nachdem die obere Elektrode ausgebildet worden ist, um die Leckstromeigenschaften und dielektrischen Eigenschaften des Kondensators zu verbessern. Die Thermalbehandlung verbessert die Leckstromeigenschaften des Kondensators, aber die Temperatur der Thermalbehandlung muß hoch sein, um einen zufriedenstellenden Effekt für eine Verbesserung der Leckstromeigenschaften zu erzielen. Um ebenso bei den elektrischen Eigenschaften einen zufriedenstellenden Wert zu erreichen, hängt die Temperatur der Thermalbehandlung nach der Ausbildung einer oberen Elektrode von der Art der dielektrischen Schicht ab, die verwendet wird, und dem Thermalbehandlungzustand der dielektrischen Schicht.
Um eine Kapazität mit einem vernünftigen Wert bei einer Halbleitervorrichtung zu erzielen, welche immer weiter integriert wird, ist ein Verfahren entwickelt worden, das ein kostbares Material wie beispielsweise Ru und Pt als Elektrodenmaterial verwendet. Beispielsweise können für den Fall, bei dem eine Ta₂O₅-Schicht unter einer Stickstoffatmosphäre als eine dielektrische Schicht kristallisiert, die Leckstromeigenschaften nur bei einer Thermalbehandlung bei einer Temperatur, die 500°C oder mehr beträgt, und bei einer Sauerstoffatmosphäre nach einem Ausbilden einer oberen Elektrode verbessert werden. Für den Fall jedoch, bei dem eine Ru-Schicht durch ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) über der Ta₂O₅-Schicht als eine obere Elektrode ausgebildet wird, wird die aus Ru ausgebildete obere Elektrode oxidiert, falls nach dem Ausbilden der oberen Elektrode die Temperatur der Thermalbehandlung bei einer Sauerstoffatmosphäre 450°C oder mehr beträgt, so daß es schwierig ist, eine Thermalbehandlung bei einer Temperatur von 450°C oder mehr durchzuführen. Für den Fall, bei dem die Ta₂O₅-Schicht als eine dielektrische Schicht ausgebildet wird, ist eine Verbesserungswirkung für den Leckstrom bei einer Thermalbehandlung von 400°C sehr gering.
Auch für den Fall, bei dem eine BST-Schicht, die durch das CVD-Verfahren ausgebildet worden ist, als eine dielektrische Schicht verwendet wird, können zufriedenstellende elektrische Eigenschaften nach dem Ausbilden einer oberen Elektrode nur durch eine Thermalbehandlung bei einer Sauerstoffatmosphäre und einer Temperatur von 500°C oder mehr erzielt werden. Für den Fall jedoch, bei dem eine Ru-Schicht als eine obere Elektrode ausgebildet worden ist, beginnt die Ru-Schicht bei einer Temperatur von 450°C oder mehr rasch zu oxidieren, so daß es unmöglich ist, eine Thermalbehandlung bei einer Temperatur von 500°C oder mehr durchzuführen.

Byoung Taek Lee et al.: IEDM '98, S. 815–818, offenbart ein zweistufiges, dem Tempern nachgeordnetes Verfahren, um eine Degradation von integrierten BST Kondensatoren zu verhindern. Durch dieses Verfahren wird die schrittweise Erhöhung der Kapazität und die Verringerung des Leckstroms ohne eine Oxydierung der Barriereschicht erreicht. Ein konkaver Kondensatoranordnung mit vergrabener Barriere, welche Pt Elektroden sowie MOCVD Schichten verwendet wurde demonstriert, um die Integrationsprobleme wie z.B: Pt Ätzen als auch den Kontakt zwischen dem BST Kondensator und der Barriere. Es wurden zudem die elektrischen Eigenschaften von MOCVD BST Kondensatoren in 3-dimensionaler Struktur untersucht.

GB 2 335 790 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators. Eine Speicherelektrode 11a, eine hoch dielektrische Schicht 15, eine Plattenelektrode 17 und eine dielektrische Zwischenschicht 19 werden aufeinanderfolgend auf einem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet, und nach Abscheiden der hoch dielektrischen Schicht 15 oder nach Ausbilden der Plattenelektrode 17 oder nach Ausbilden der dielektrischen Zwischenschicht 19 wird das Halbleitersubstrat in einer Inertgasatmosphäre bei einer ersten Temperatur getempert. Nachfolgend wird entweder unmittelbar oder nach Ausbilden einer oder sämtlicher der verbleibenden Schichten, das Substrat bei einer zweiten, geringeren Temperatur nachgetempert. Das erste Tempern wird vorzugsweise bei 600 bis 900°C in einer N₂-Atmosphäre und das zweite Tempern wird vorzugsweise bei 100 bis 600°C in einer O₂-Atmosphäre durchgeführt. Die hoch dielektrische Schicht kann eine Perowskitstruktur, wie z. B. (Sr, Ti)O₃, (Ba, Sr)TiO₃, Pb(Zr, Ti)O₃ oder (Pb, La) (Zr, Ti)O₃ aufweisen. Die Plattenelektrode und die Speicherelektrode kann aus Pt, Ru, Ir, IrO₂, RuO₂, einem Leitungsmaterial mit einer Perowskitstruktur wie z. B. SrRuO₃, CaSrRuO₃, BaFrRuO₃, einer Pt-Legierung, einer Ru-Legierung oder einer Ir-Legierung bestehen.

Um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung zu schaffen, welche die elektrischen Eigenschaften eines Kondensators durch Beschränken der Oxidation einer oberen Elektrode, ohne die Temperatur einer Thermalbehandlung zu verringern, wirksam verbessern kann, um die Leckstromeigenschaft und die elektrischen Eigenschaften eines Kondensators zu verbessern.

Um diese Aufgabe zu lösen wird demgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung vorgesehen, bei dem die untere Elektrode auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Eine dielektrische Schicht wird über der unteren Elektrode ausge bildet. Eine obere Elektrode, die aus einem Edelmaterial bzw. Edelmetall ausgebildet ist, wird über der dielektrischen Schicht ausgebildet. Die sich ergebende Struktur mit der oberen Elektrode erfährt anschließend eine erste Thermalbehandlung bei einer ersten Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, wobei die erste Temperatur aus einem Bereich von 200–600°C auszuwählen ist und die niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode sein muß. Die sich nach der ersten Thermalbehandlung ergebende Struktur erfährt eine zweite Thermalbehandlung bei einer zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff und bei einer zweiten Temperatur, welche aus einem Bereich von 300–900°C auszuwählen ist und die höher als die erste Temperatur ist.

Die unter Elektrode kann aus einer einzigen Schicht aus dotiertem Polysilizium, TiN, TaN, WN, W, Pt, Ru, Ir, RuO₂ oder IrO₂ oder einer komplexen Schicht daraus ausgebildet werden. Die dielektrische Schicht kann aus einer einzigen Schicht aus Ta₂O₅, TiO₂, (Ba, Sr)TiO₃(BST), StTiO₃(ST), SiO₂, Si₃N₄, oder PbZrTiO₃(PZT) oder einer komplexen Schicht daraus ausgebildet werden. Die obere Elektrode kann aus Ru, Pt oder Ir ausgebildet sein. Bei dem ersten Thermalbehandlungsschritt enthält die erste Atmosphäre Sauerstoff mit eine Konzentration von 0,0–100 Vol.-%. Hierbei kann die erste Atmosphäre O₂-, N₂O-, oder O₃-Gas enthalten. Die zweite Atmosphäre bei dem zweiten Thermalbehandlungsschritt ist eine Edelgasatmosphäre oder eine Hochvakuumatmosphäre. Die ersten und zweiten Thermalbehandlungsschritte können in-situ in der gleichen Kammer durchgeführt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung enthält ferner einen Schritt eines Ausbildens einer Siliziumnitridschicht, welche die untere Elektrode nach deren Ausbildung abdeckt. Ebenso enthält ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Schritt einer Thermalbehandlung der dielektrischen Schicht nach deren Ausbildung. Falls die dielektrische Schicht bei einer Atmosphäre mit Sauerstoff thermisch behandelt worden ist, wird sie bei einer Temperatur von 200–800°C thermisch behandelt. Falls die dielektrische Schicht bei einer Atmosphäre ohne Sauerstoff ther misch behandelt worden ist, wird sie bei einer Temperatur von 500–800°C thermisch behandelt.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine untere Elektrode auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet. Eine dielektrische Schicht, die aus einer Ta₂O₅-Schicht ausgebildet ist, wird über der unteren Elektrode ausgebildet. Die dielektrische Schicht wird thermisch behandelt. Eine obere Elektrode, die aus Ru ausgebildet ist, wird über der thermisch behandelten dielektrischen Schicht ausgebildet. Die sich ergebende Struktur mit der oberen Elektrode erfährt eine erste Thermalbehandlung bei einer ersten Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, und bei einer ersten Temperatur, welche aus einem Bereich von 300–500°C ausgewählt wird und niedriger als die Oxidationstemperatur der unteren Elektrode ist. Die sich nach der ersten Thermalbehandlung ergebende Struktur erfährt eine zweite Thermalbehandlung bei einer zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff und bei einer zweiten Temperatur, welche aus einem Bereich von 500–700°C ausgewählt ist und höher als die erste Temperatur ist.

Um die elektrischen Eigenschaften eines Kondensators zu verbessern, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Oberfläche einer oberen Elektrode nicht oxidiert und ein ausreichender Heilungseffekt (effect of curing) einer dielektrischen Schicht kann, nachdem die obere Elektrode ausgebildet worden ist, durch eine zweistufige Thermalbehandlung erzielt werden, so daß Leckstromeigenschaften und dielektrische Eigenschaften eines Kondensators verbessert sind und verbesserte elektrische Eigenschaften erzielt werden können.

1A bis 1G sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Reihenfolge ihrer Verarbeitung zeigen.
2A und 2B sind Graphen, die die Auswertungsergebnisse der Leckstromeigenschaften eines Kondensators darstellen, der durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, in welcher bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt sind, detaillierter beschrieben. Bei der Zeichnung ist die Dicke der Schichten und der Bereiche der Übersichtlichkeit halber stark vergrößert dargestellt. Wenn eine Schicht als „auf" auf einer anderen Schicht oder einem Substrat bezeichnet Wird, ist darunter zu verstehen, daß sie direkt auf einer anderen Schicht oder einem anderen Substrat sein kann oder dazwischenliegende Schichten vorhanden sein können. Gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren repräsentieren das gleiche Element und daher wird ihre wiederholte Beschreibung weggelassen.
1A bis 1G sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Reihenfolge einer Verarbeitung darstellen.
Gemäß 1A ist eine untere Elektrode 20 auf einem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet. Die untere Elektrode 20 kann als eine einzige Schicht aus einem leitenden Material wie beispielsweise dotiertem Polysilizium, W, Pt, Ru, Ir, einem leitenden Metallnitrid wie beispielsweise TiN, TaN, WN oder einem leitenden Metalloxid wie beispielsweise RuO₂ oder IrO₂, oder einer komplexen Schicht daraus ausgebildet sein.
Gemäß 1B wird eine Siliziumnitridschicht 30, welche die untere Elektrode 20 abdeckt, ausgebildet. Der Grund für die Ausbildung der Siliziumnitridschicht 30 ist zu verhindern, daß die äquivalente Oxiddicke (Toxeq) aufgrund einer Oxidation einer unte ren Elektrode 20 während des folgenden Verfahrens höher wird. Die Siliziumnitridschicht ist besonders effektiv, wenn die untere Elektrode 20 aus dotiertem Polysilizium ausgebildet ist. Um die Siliziumnitridschicht 30 auszubilden, kann die sich ergebende Struktur mit der unteren Elektrode 20 durch Freilegen der unteren Elektrode für eine NH₃-Atmosphäre thermisch behandelt werden. Alternativ ist es möglich, ein Verfahren zum Abscheiden einer Si₃N₄-Schicht unter Verwendung von CVD zu anzuwenden. Die Siliziumnitridschicht 30 wird vorzugsweise bis zu einer Dicke im Bereich von 0,5–3 nm (5–30 Å) ausgebildet. Der Schritt des Ausbildens der Siliziumnitridschicht 30 kann auch weggelassen werden, falls die Umstände dies erfordern.
Gemäß 1C wird auf der gesamten Oberfläche der resultierenden Struktur mit der Siliziumnitridschicht 30 eine dielektrische Schicht 40 ausgebildet. Die dielektrische Schicht 40 kann aus einer einzigen Schicht aus Ta₂O₅, TiO₂, (Ba, Sr)TiO₃(BST), StTiO₃(ST), SiO₂, Si₃N₄, oder PbZrTiO₃(PZT) oder einer komplexen Schicht daraus, ausgebildet sein. Falls eine Ta₂O₅-Schicht als dielektrische Schicht 40 verwendet wird, wird es bevorzugt, daß die Dicke innerhalb eines Bereichs von ungefähr 4–10 nm (40–100 Å) ist.
Gemäß 1D erfährt die dielektrische Schicht 40 eine Thermalbehandlung 42. Falls eine Ta₂O₅-Schicht als die dielektrische Schicht 40 ausgebildet ist, kann die Wärmehandlung 42 bei einer Temperatur von 200–900°C durchgeführt werden. Die Thermalbehandlung 42 kann bei einer Inertgas-Atmosphäre ohne Sauerstoff oder einer Atmospähre, die Sauerstoff enthält, durchgeführt werden. Falls die Thermalbehandlung 42 der dielektrischen Schicht 40 bei einer Inertgas-Atmospäre durchgeführt worden ist, kann die Temperatur der thermischen Behandlung 42 aus einem Bereich von 500–800°C ausgewählt werden. Falls die Thermalbehandlung 42 der dielektrischen Schicht 40 bei einer Atmosphäre mit Sauerstoff durchgeführt worden ist, kann die Temperatur der Thermalbehandlung 42 aus einem Bereich von 200–800°C ausgewählt werden. O₂-N₂O- oder O₃-Gas kann zum Durchführen der thermischen Behandlung der dielektrischen Schicht 40 bei der Atmosphäre mit Sauerstoff verwendet werden. Die Thermalbehandlung 42 führt zur Kristallisation der dielektrischen Schicht 40, und verringert einen Einfluß des darauffolgenden Hochtemperatur-Thermalbehandlungsverfahrens, so daß die elektrischen Eigenschaften verbessert werden können.
Gemäß 1E wird eine obere Elektrode 50 über der dielektrischen Schicht 40 ausgebildet, welche eine Thermalbehandlung 42 erfährt. Die obere Elektrode 50 kann aus einem Gruppe-VIII-Edelmetalle, z.B. Ru, Pt und Ir, ausgebildet sein.
Gemäß 1F erfährt die resultierende Struktur mit der oberen Elektrode 50 eine erste Thermalbehandlung 52 bei einer ersten Atmosphäre mit Sauerstoff und bei einer ersten Temperatur (T₁), welche aus einem Bereich von 200–600°C ausgewählt worden ist und welche niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode 50 ist. Hierbei enthält die erste Atmosphäre Sauerstoff in einer Konzentration von 0,01–100 Vol.-%, vorzugsweise ungefähr 5 Vol.-%. Um dies zu erreichen, kann die erste Atmosphäre O₂-, N₂O- oder O₃-Gas enthalten. Hierbei besteht das andere bzw. restliche Gas der ersten Atmosphäre aus einem Inertgas, wie beispielsweise N₂ oder Ar. Falls die dielektrische Schicht 40 beispielsweise aus einer Ta₂O₅-Schicht ausgebildet worden ist, und die untere Elektrode 50 aus einer Ru Schicht durch Abscheiden mittels dem GVD Verfahren ausgebildet worden ist, kann die erste Temperatur (T₁) der ersten Thermalbehandlung 52 300–500°C betragen, vorzugsweise 350–450°C. Da die erste Thermalbehandlung 52, die bei der ersten Atmosphäre mit Sauerstoff durchgeführt worden ist, bei der ersten Temperatur (T₁), die niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode ist, durchgeführt worden ist, wird die freigelegte Oberfläche der oberen Elektrode 50 nicht oxidiert, und ein in der ersten Atmosphäre enthaltener Sauerstoff penetriert die untere Elektrode 50. Folglich stapeln bzw. sammeln sich die Sauerstoffatome nahe der Schnittstelle bzw. Grenzfläche zwischen der oberen Elektrode 50 und der dielektrischen Schicht 40 an. Die nahe der Schnittstelle angesammelten Sauerstoffatome heilen die dielektrische Schicht 40 aufgrund der niedrigen Reaktionstemperatur nicht und verbleiben um die Schnittstelle herum in ihrem nicht-reagierten Zustand. Für die erste Ther malbehandlung 52 ist es möglich, einen Ofen oder eine Thermalverarbeitungsvorrichtung vom Single-Wafer-Typ zu verwenden. Vorzugsweise wird die erste Thermalbehandlung 52 in einem Schmelzofen für eine thermische Schnellverarbeitung (Rapid Thermal Processing = RTP) durchgeführt.
Gemäß 1G erfährt die resultierende Struktur, welche die erste Thermalbehandlung 52 erfahren hat, eine zweite Thermalbehandlung 54 bei einer zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff. Die zweite Thermalbehandlung 54 wird bei der zweiten Temperatur (T₁) durchgeführt, die aus einem Bereich von 300 bis 900°C ausgewählt worden ist und die höher als die erste Temperatur (T₁) ist. Für die zweite Thermalbehandlung 54 ist es möglich, einen Schmelzofen oder eine Thermalverarbeitungsvorrichtung vom Single-Wafer-Typs zu verwenden. Vorzugsweise wird die erste Thermalbehandlung 52 und die zweite Thermalbehandlung 54 in der gleichen Kammer in-situ durchgeführt. Bei der zweiten Thermalbehandlung 54 kann die zweite Atmosphäre eine Inertgas-Atmosphäre, beispielsweise aus N₂ oder Ar, oder eine Hochvakuum-Atmosphäre sein.
Falls die dielektrische Schicht 40 beispielsweise aus einer Ta₂O₅-Schicht ausgebildet ist und die obere Elektrode 50 aus einer Ru-Schicht, die mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden worden ist, ausgebildet ist, kann die zweite Temperatur (T₂) der zweiten Thermalbehandlung 54 500–700°C betragen, vorzugsweise 600–650°C. Die zweite Temperatur (T₂), die während der zweiten Thermalbehandlung 54 angewendet wird, ist so gewählt, das sie ausreicht, die Sauerstofflücke (vacancy) innerhalb der dielektrischen Schicht zu heilen, und baumelnde Bindungen (dangling bonds), die auf der Schnittstelle zwischen der oberen Elektrode 50 und der dielektrischen Schicht vorhanden sind, zu entfernen. Um bei der Thermalbehandlung die dielektrischen Eigenschaften eines Kondensators zu verbessern, wird bei einer zweistufigen Thermalbehandlung die erste Thermalbehandlung 52, welche auf der resultierenden Struktur mit der oberen Elektrode 50 bei der ersten Atmosphäre mit Sauerstoff und der ersten Temperatur (T₁), die niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode 50 ist, und die zweite Thermalbehandlung 54, welche bei der zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff und bei der zweiten Temperatur (T₂), die höher als die erste Temperatur (T₁) ist, sukzessive durchgeführt, so daß die Oberfläche der oberen Elektrode nicht oxidiert wird und ein ausreichender Heilungseffekt der dielektrischen Schicht 40 erzielt werden kann. Daher können Leckstromeigenschaften und dielektrische Eigenschaften eines Kondensators ohne Oxidation der oberen Elektrode 50 verbessert werden.
2A und 2B sind Graphen, die Auswertungsergebnisse der Leckstromeigenschaften eines Kondensators darstellen, der durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. 2A zeigt die Auswertungsergebnisse eines Vergleichsbeispiels und 2B zeigt ein Auswertungsergebnis eines Kondensators, der durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. Für die Auswertung von 2A und 2B wurde, nachdem eine untere Elektrode aus dotiertem Polysilizium auf dem Halbleitersubstrat mit einer Dicke von 40 mit (400 Å) ausgebildet worden ist, eine schnelle Thermal-Nitridation (rapid thermal nitridation = RTN) durchgeführt und eine Siliziumnitridschicht auf der unteren Elektrode ausgebildet. Als nächstes wurde eine dielektrische Schicht aus Ta₂O₅ auf der Siliziumnitridschicht unter Verwendung des CVD-Verfahrens mit einer Dicke von nm (90 Å) ausgebildet Nachdem die dielektrische Schicht in der N₂-Atmosphäre bei der Temperatur von 700°C thermisch behandelt worden ist und kristallisiert hat, ist auf der dielektrischen Schicht unter Verwendung des CVD-Verfahrens eine Ru-Schicht mit einer Dicke von 80 nm (800 Å) ausgebildet worden, und ist zum Ausbilden einer oberen Elektrode maskiert worden. Als nächstes erfuhr die sich ergebende Struktur mit der oberen Elektrode bei einer Atmosphäre mit 5 Vol.-% 0₂ und dem verbleibenden N₂-Gas eine erste Thermalbehandlung bei einer Temperatur von 400°C, bei welcher die obere Elektrode nicht oxidiert worden ist, und anschließend das in 2A dargestellte Ergebnis der Auswertung eines Leckstrom erzielt. Bei 2A stellt die (- • -) Linie das Ergebnis eines gemessenen Leckstroms unmittelbar nach Ausbildung der oberen Elektrode dar und die (- ☐ -) Linie das Ergebnis des gemessenen Leckstroms nach der ersten Thermalbehandlung der entstandenen Struktur mit der oberen Elektrode bei den zuvor erwähnten Bedingungen dar. Aus dem Ergebnis in 2A läßt sich ablesen, daß ein Verbesserungseffekt beim Leckstrom bei dem Ergebnis für die obere Elektrode, die eine erste Thermalbehandlung unter vorstehenden Bedingungen erfahren hat, nicht groß ist, verglichen mit dem Leckstrom vor der ersten Thermalbehandlung. Dies kommt daher, daß die Heilung der dielektrischen Schicht nicht ausreichend durchgeführt worden ist.
2B zeigt ein Ergebnis der Auswertung des Leckstroms, das erzielt worden ist, nachdem die nach der ersten Thermalbehandlung entstandene Struktur eine zusätzliche zweite Thermalbehandlung bei einer Atmosphäre von 100 Vol.-% N2 und bei einer Temperatur von 600°C gemäß den oben stehenden Bedingungen erfahren hat. Falls die zweite Thermalbehandlung gemäß den oben stehenden Bedingungen durchgeführt worden ist, zeigt das Ergebnis in 2B deutlich, daß Leckstromeigenschaften in einem unteren Spannungsbereich stark verbessert sind.
Der Grund, warum die obigen Ergebnisse erzielt worden sind, ist der Folgende: Sauerstoff, der in der Atmosphäre der ersten Thermalbehandlung enthalten ist, oxidiert nicht die Oberfläche der oberen Elektroden und penetriert in die obere Elektrode. Bei der ersten Thermalbehandlungstemperatur von 400°C ist jedoch die Reaktionstemperatur nicht ausreichend, so daß Defekte, die innerhalb der dielektrischen Schicht vorhanden sind, nicht ausheilen (cure), und der Sauerstoff sammelt sich in der Nähe der Grenzfläche zwischen der oberen Elektrode und der dielektrischen Schicht an. Die in der Nähe der Schnittstelle angesammelten Sauerstoffatome erfahren die zweite Thermalbehandlung und die Defekte innerhalb der dielektrischen Schicht werden geheilt. D.h., der Grund, warum die Wirksamkeit einer Verbesserung bei den Leckstromeigenschaften nach der ersten Thermalbehandlung bei der Atmosphäre mit Sauerstoff bei 400°C nicht ausreichend ist, ist nicht aufgrund einer ungenügenden Zufuhr von Sauerstoff, sondern wegen eines Reaktionsgrades zwischen dem zugeführten Sauerstoff und den Defekten innerhalb der dielektrischen Schicht.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nach dem Ausbilden einer oberen Elektrode für eine Thermalbehandlung zum Verbessern der elektrischen Eigenschaften des Kondensators eine erste Thermalbehandlung auf der sich ergebenden Struktur mit der oberen Elektrode bei der ersten Atmosphäre mit Sauerstoff und der ersten Temperatur, die niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode ist, durchgeführt, und anschließend die zweite Thermalbehandlung in der zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff bei der zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, durchgeführt. Durch eine zweistufige Thermalbehandlung, die aus der ersten und zweiten Thermalbehandlung besteht, wird die Oberfläche der oberen Elektrode nicht oxidiert, und ein ausreichender Heilungseffekt einer dielektrischen Schicht kann erzielt werden. Daher sind die Leckstromeigenschaften und die Elektrizitätseigenschaften eines Kondensators verbessert und verbesserte elektrische Eigenschaften können erzielt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für eine Halbleiterspeichervorrichtung umfassend: Ausbilden einer unteren Elektrode auf einem Halbleitersubstrat; Ausbilden einer dielektrischen Schicht über der unteren Elektrode; Ausbilden einer oberen Elektrode aus einem Edelmetall über der dielektrischen Schicht; Durchführen einer ersten Thermalbehandlung auf der sich ergebenden Struktur mit der oberen Elektrode bei einer ersten Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, und bei einer ersten Temperatur, welche aus dem Bereich von 200–600°C und niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode ausgewählt ist; und Durchführen einer zweiten Thermalbehandlung auf der sich nach der ersten Thermalbehandlung ergebenden Struktur bei einer zweiten Atmosphäre ohne Sauerstoff und bei einer zweiten Temperatur, welche aus einen Bereich von 300–900°C und höher als die erste Temperatur ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die dielektrische Schicht, aus einer Ta₂O₅-Schicht ausgebildet wird, eine Thermalbehandlung der dielektrischen Schicht durchgeführt wird, die obere Elektrode aus Ru über der thermisch behandelten dielektrischen Schicht ausgebildet wird, die erste Temperatur, aus dem Bereich von 300–500°C und niedriger als die Oxidationstemperatur der oberen Elektrode ausgewählt ist; und die zweite Temperatur, aus einem Bereich von 500–700°C und höher als die erste Temperatur ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die untere Elektrode aus dotiertem Polysilizium, einem Metall, einem leitenden Metallnitrid oder einem leitenden Metalloxid ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die untere Elektrode aus einer einzigen Schicht aus dotiertem Polysilizium, TiN, TaN, WN, W, Pt, Ru, Ir, RuO₂ oder IrO₂, oder aus einer komplexen Schicht daraus ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht aus einer einzigen Schicht aus Ta₂O₅, TiO₂, (Ba, Sr)TiO₃(BST), StTiO₃ (ST), SiO₂, Si₃N₄ oder PbZrTiO₃(PZT), oder einer komplexen Schicht darauf ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die obere Elektrode aus Ru, Pt oder Ir ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Atmosphäre des ersten Thermalbehandlungsschritt Sauerstoff mit einer Konzentration von 0,01–100 Vol.-% enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Atmosphäre des ersten Thermalbehandlungsschritts O₂-, N₂O- oder O₃-Gas enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Atmosphäre des ersten Thermalbehandlungsschritts ferner ein Inertgas enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Atmosphäre des zweiten Thermalbehandlungsschritts eine Inertgas-Atmosphäre ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Atmosphäre des zweiten Thermalbehandlungsschritts eine Hochvakuum-Atmosphäre ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Thermalbehandlungsschritt in einem RTP (rapid thermal processing)-Ofen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Thermalbehandlungsschritte in der gleichen Kammer in-situ durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das nach dem Ausbilden der unteren Elektrode ferner ein Ausbilden einer Siliziumnitridschicht, die die untere Elektrode abdeckt, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Ausbildens der Siliziumnitridschicht eine Thermalbehandlung der unteren Elektrode in einer NH₃-Atmosphäre enthält.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Siliziumnitridschicht mittels eines chemischen Dampfabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Siliziumnitridschicht mit einer Dicke von 0,5–3 mm (5–30 Å) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das nach dem Schritt des Ausbildens einer dielektrischen Schicht ferner eine Thermalbehandlung der dielektrische Schicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Ausbildens der dielektrischen Schicht bei einer Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der dielektrischen Schicht bei einer Temperatur von 200–800°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 17, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der dielektrischen Schicht bei einer Atmosphäre ohne Sauerstoff durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der dielektrischen Schicht bei einer Temperatur von 500–800°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der dielektrischen Schicht bei einer Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Schritt der Thermalbehandlung der dielektrischen Schicht bei einer Temperatur von 200–800°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Thermalbehandlungsschritt bei einer Temperatur von 350–450°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zweite Thermalbehandlungsschritt bei einer Temperatur von 600–650°C durchgeführt wird.