PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE112004001321T5 01.06.2006
Titel Mehrschichtige Sperre, die Erholungstempern für ferroelektrische Kondensatoren zuläßt
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Hillinger, Andreas, Taipei, TW;
Lian, Jingyu, Wallkill, N.Y., US;
Nagel, Nicolas, 01109 Dresden, DE;
Bruchhaus, Rainer, 80636 München, DE;
Gernhardt, Stephan, Taipei, TW;
Wellhausen, Uwe, 01109 Dresden, DE;
Moon, Bum-Ki, Poughkeepsie, N.Y., US;
Hornik, Karl, Hopewell Junction, N.Y., US
Vertreter Jannig & Repkow Patentanwälte, 86199 Augsburg
DE-Aktenzeichen 112004001321
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, EP, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG
WO-Anmeldetag 02.07.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/SG2004/000192
WO-Veröffentlichungsnummer 2005008751
WO-Veröffentlichungsdatum 27.01.2005
Date of publication of WO application in German translation 01.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.06.2006
IPC-Hauptklasse H01L 21/02(2006.01)A, F, I, 20060306, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/8246(2006.01)A, L, I, 20060306, B, H, DE   H01L 27/115(2006.01)A, L, I, 20060306, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Sperrschichten in ferroelektrischen Geräten.

Allgemeiner Stand der Technik

Die ferroelektrischen Materialien in ferroelektrischen Arbeitsspeichern (FeRAM, Ferroelectric Random Access Memory,) und high-K Materialien in DRAMs werden im Allgemeinen bei hohen Temperaturen (500°C oder darüber) in Sauerstoff getempert, damit sie sich von Beschädigungen, z.B. Beschädigung durch das Reaktive Ionenätzen (RIE, Reactive Ion Etching) der Materialien, erholen. Während des Temperns diffundiert der Sauerstoff der Umgebung in das ferroelektrische Material und reagiert bei der hohen Temperatur, um die Erholung herbeizuführen. Für gewöhnlich wird vor dem Tempern eine Sperrschicht (z.B. Al2O3) aufgebracht, um zu verhindern, dass sich das Ferroelektrikum unter den erhöhten Temperaturen zersetzt. Wird PZT als Ferroelektrikum benutzt, so ist es wichtig, dass die Sperre die Ausdiffusion des Bleis aus dem PZT reduziert.

Die Sperrschichten nach bisherigem Stand der Technik müssen auch verhindern, dass Wasserstoff in das Ferroelektrikum eindiffundiert und es beschädigt, beispielsweise während der BEOL. Einige Beispiele für Vorgänge im BEOL-Bereich sind das Aufbringen der Isolatoren, Kupferverarbeitung und Formiergastempern. Die Sperrschicht kann optimiert werden, um die Eindiffusion von Wasserstoff in das Ferroelektrikum zu verhindern, doch führt diese optimierte Sperre auch zu einer Sperre gegen Sauerstoff. Diffundiert weniger Sauerstoff in das Ferroelektrikum, so ist das Ergebnis ein weniger effektives Erholungstempern.

Eine Möglichkeit besteht darin, das Erholungstempern für eine längere Zeit bei einer höheren Temperatur fortzuführen, doch verursacht dies Probleme, besonders bei Kondensatoren, die Capacitor-on-plug-Strukturen aufweisen. Polysilizium- und Wolfram-Kontakte (Kontakte) werden oft als vertikale Interkonnektoren verwendet, um die untere Elektrode des ferroelektrischen Kondensators mit den Transistoren zu verbinden. In ferroelektrischen Kondensatoren bilden solche Kontakte eine Capacitor-On-Plug(COP)-Struktur. In COP-Strukturen verhindert eine Sperre auf der Oberseite des Kontakts, dass Sauerstoff aus dem Ferroelektrikum zu dem Kontakt gelangt. Dauert das Erholungstempern bei hoher Temperatur zu lange an, so dringt Sauerstoff durch diese Sperre an der Oberseite des Kontakts und oxidiert das Kontaktmaterial, was zum Versagen des Kontaktes führt.

In Bezug auf das PZT wäre es wünschenswert, eine Sperre zu haben, die es zulässt, dass während eines Temperprozesses Sauerstoff in das Ferroelektrikum gelangt, und gleichzeitig verhindert, dass sich das Ferroelektrikum aufgrund der hohen Temperaturen des Temperns zersetzt. Es wäre außerdem wünschenswert, dass die Sperre verhindert, dass während der BEOL-Bearbeitung Wasserstoff in das Ferroelektrikum eindringt und es beschädigt.

Kurzdarstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine Sperre bereit, die es zulässt, dass während eines Temperprozesses Sauerstoff in ein Ferroelektrikum gelangt, und die gleichzeitig verhindert, dass sich das Ferroelektrikum aufgrund der hohen Temperaturen des Temperns zersetzt. Die Sperre verhindert auch, dass während der Bearbeitung nach dem Tempern Wasserstoff in das Ferroelektrikum eindringt und es beschädigt.

Allgemein formuliert umfasst die vorliegende Erfindung eine mehrschichtige Sperre für einen ferroelektrischen Kondensator, die eine Ausdiffusionssperrschicht aufweist, die sowohl für Wasserstoff als auch für Sauerstoff durchlässig ist. Die Ausdiffusionssperrschicht bedeckt das Ferroelektrikum des Kondensators. Sauerstoff gelangt während einer Sauerstofftemperung durch die Ausdiffusionssperrschicht in das Ferroelektrikum, um Beschädigungen an dem Ferroelektrikum, die während des Ätzens verursacht wurden, zu reparieren. Die Ausdiffusionssperrschicht vermindert den Zerfall des Ferroelektrikums, indem sie verhindert, dass Moleküle während des Sauerstofftemperns das Ferroelektrikum verlassen. Die mehrschichtige Sperre umfasst auch eine Wasserstoffsperrschicht, die nach der Reparatur des Ferroelektrikums durch das Sauerstofftempern auf die Ausdiffusionssperrschicht aufgebracht wird. Die Wasserstoffsperrschicht ermöglicht es der mehrschichtigen Sperre, das Eindringen von Sauerstoff in das Ferroelektrikum während der Back-End-Prozesse zu verhindern.

Das Verfahren zum Herstellen der mehrschichtigen Sperre umfasst die Schritte: des Aufbringens einer Ausdiffusionssperrschicht auf das Ferroelektrikum des Kondensators, die sowohl für Wasserstoff als auch für Sauerstoff durchlässig ist; des Durchführens einer Sauerstofftemperung, um Beschädigungen an dem Ferroelektrikum zu reparieren; des Zulassens, dass Sauerstoff durch die Ausdiffusionssperrschicht zu dem Ferroelektrikum gelangt, gleichzeitig des Benutzens der Ausdiffusionssperrschicht, um den Zerfall des Ferroelektrikums während des Sauerstofftemperns zu vermindern; das Aufbringen einer Wasserstoffsperrschicht auf die Ausdiffusionssperrschicht nach der Reparatur des Ferroelektrikums durch das Sauerstofftempern; und des Benutzens der mehrschichtigen Sperre mit der aufgebrachten Wasserstoffsperrschicht, um das Eindringen von Sauerstoff in das Ferroelektrikum während der Back-End-Prozesse zu verhindern.

Kurzbeschreibung der Figuren

Ferner bevorzugte Merkmale der Erfindung werden im Folgenden exemplarisch nur mit Verweis auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei:

1 ein Schnittbild eines ferroelektrischen Kondensators mit einer mehrschichtigen Sperre gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

2 eine vergrößerte schematische Abbildung der mehrschichtigen Sperre des Kondensators aus 1 nach Aufbringen einer Ausdiffusionssperrschicht zeigt.

3 eine vergrößerte schematische Abbildung der erfindungsmäßigen Sperrschicht des Kondensators aus 1 nach Aufbringen einer Wasserstoffsperrschicht zeigt.

4 ein Flussdiagramm ist, das das Verfahren zum Herstellen der mehrschichtigen Sperre der 13 illustriert.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen

1 zeigt einen ferroelektrischen Kondensator (Ferrokondensator) 101. Eine PZT-Schicht 103, die in anderen Ausführungsformen aus anderen ferroelektrischen Materialien sein kann, befindet sich zwischen einer oberen Elektrode 105 und einer unteren Elektrode 107. Ein Metallkontakt 106 ist elektrisch mit der oberen Elektrode 105 verbunden.

Getragen wird die untere Elektrode 107 von einem Unterbau 109, der beispielsweise aus TEOS besteht. Durch den Unterbau 109 hindurchführend und die untere Elektrode mit einer aktiven Silikonbasisschicht 113 elektrisch verbindend befindet sich ein Kontakt 111, der beispielsweise aus Polysilizium oder Wolfram besteht.

Die untere Elektrode 107 kann auch eine Sperrschicht umfassen, um die Diffusion von Sauerstoff aus dem Kontakt 111 in die ferroelektrische Schicht 103 zu verhindern.

Die obere Elektrode 105 wird bedeckt von einer ersten TEOS-Hartmaske 119, die zum Ätzen der oberen Elektrode 105 und des Ferroelektrikums 103 benutzt wird. Eine mehrschichtige Sperre 115 bedeckt die Hartmaske 119, die obere Elektrode 105 und die ferroelektrische Schicht 103. Die mehrschichtige Sperre 115 besteht aus mindestens zwei Schichten, obschon auch zusätzliche Schichten hinzugefügt sein können. Eine zweite TEOS-Hartmaske 121 bedeckt die mehrschichtige Sperre 115 und die untere Elektrode 107 und wird benutzt, um die untere Elektrode 107 zu ätzen. Eine äußere Sperrschicht 117 bedeckt die zweite TEOS-Hartmaske 121. Statt des TEOS können auch andere Hartmaskenmaterialien für die Bildung der Hartmasken 119, 121 benutzt werden. In einigen Ausführungsformen ist der Ferrokondensator unter Benutzung nur einer einzigen Hartmaske geätzt, aber die mehrschichtige Sperre 115 kann dennoch benutzt werden.

Das Verfahren zum Herstellen der mehrschichtigen Sperre 115 der 1 wird mit Verweis auf 4 beschrieben. Auch zeigen die 2 und 3 schematische Darstellungen eines Abschnitts 123 der mehrschichtigen Sperre 115 während der Verfahrensschritte.

Das Verfahren umfasst einen Schritt 401, wobei eine Ausdiffusionssperrschicht 115a auf das PZT 103 aufgetragen wird. 2 zeigt den Abschnitt 123 der mehrschichtigen Sperre 115 nach dem Durchführen des Schritts 401. Die Ausdiffusionssperrschicht 115a sollte sehr dünn sein (2–10 nm beispielsweise) und kann beispielsweise aus Al2O3 bestehen. Die Ausdiffusionssperrschicht kann auf das PZT 103 bei Raumtemperatur oder bei einer höheren Temperatur aufgespritzt werden.

Als Nächstes wird ein Temperungsschritt 403 durchgeführt. Der Kondensator 101 wird bei einer hohen Temperatur (500°C oder darüber) in Sauerstoff getempert, so dass das PZT 103 sich von Beschädigungen aus der Bearbeitung, z.B. Beschädigung durch das Reaktive Ionenätzen (RIE) der Materialien erholen kann. Mit erneutem Verweis auf 2 ist die Ausdiffusionssperrschicht 115a auf der Oberfläche des PZT 103 gezeigt. Die „X"-Zeichen 201 illustrieren schematisch die Beschädigungen aus der Bearbeitung, die an dem PZT 103 verursacht wurden. Während des Temperungsschritts 403 diffundiert Sauerstoff der Umgebung 203 durch die Ausdiffusionssperrschicht 115a und in das Ferroelektrikum, um bei hoher Temperatur zu reagieren und so die Erholung herbeizuführen. Obschon die Ausdiffusionssperrschicht 115a dünn genug ist, um das Eindringen des Sauerstoffs 203 zu ermöglichen, ist sie aufgrund der verschiedenen Diffusionskoeffizienten dennoch in der Lage, als eine Ausdiffusionssperrschicht zur Verminderung der Ausdiffusion von Blei 205 aus dem PZT 103 zu dienen.

Wie oben im Hinblick auf den bisherigen Stand der Technik erläutert, ist es wichtig zu verhindern, dass sich das PZT 103 bei den erhöhten Temperaturen des Temperungsschrittes 403 zersetzt. In der vorliegenden Erfindung vermindert die Sperrschicht 115a die Zersetzung des PZT 103, indem sie eine Sperre bereitstellt, um die Ausdiffusion von Molekülen aus dem PZT 103 zu vermindern und es gleichzeitig dem Sauerstoff 203 zu ermöglichen, durch die Sperre und in das PZT 103 zu gelangen, um die Erholung des PZT 103 durch Sauerstofftemperung herbeizuführen. Insbesondere verhindert in der vorliegenden Erfindung die Sperrschicht 115a, dass Blei(Pb)-Moleküle 205 das PZT-Ferroelektrikum verlassen. Der Sauerstofftemperungsschritt 403 wird so lange fortgeführt, bis das beschädigte PZT 103 rekristallisiert ist.

In Ausführungsformen, in denen andere Ferroelektrika als PZT benutzt werden, kann die Sperrschicht 115a optimiert sein, um zu verhindern, dass andere Moleküle als Pb das Ferroelektrikum verlassen, und sie kann zulassen, dass andere Moleküle als Sauerstoff in das Ferroelektrikum eindringen.

Nach Abschluss des Temperungsschrittes 403 (siehe 4) wird eine Wasserstoffsperrschicht 115b über der Ausdiffusionssperrschicht 115a aufgetragen (beispielsweise durch Aufspritzen oder Atomlagenabscheidung, ALD, bei Raumtemperatur), um die mehrschichtige Sperre 115 (siehe 3) zu bilden. Die Wasserstoffsperrschicht 115b kann dicker als die Ausdiffusionssperrschicht 115a sein (ca. 10–40 nm dick) und kann ebenfalls aus Al2O3 bestehen. Die Dicke und die relativ perfekte Struktur der Wasserstoffsperrschicht 115b machen sie zu einer guten Wasserstoffsperre.

Wie oben im Hinblick auf den bisherigen Stand der Technik erläutert, ist es wichtig zu verhindern, dass Wasserstoff in das PZT 103 oder andere Ferroelektrika diffundiert und sie beschädigt, beispielsweise während der BEOL-Bearbeitung. Ein Weg 125 für unerwünschten Wasserstoff aus dem Metallkontakt 106 durch die zweite TEOS-Hartmaske 121 hindurch und in das Ferroelektrikum 103 ist in 1 dargestellt. Die Ausdiffusionssperrschicht 115a ist sowohl für Wasserstoff als auch für Sauerstoff durchlässig und ermöglicht es unerwünschtem Wasserstoff wie auch dem erwünschten Sauerstoff, in das PZT 103 zu diffundieren. Die Wasserstoffsperrschicht 115b jedoch, wenn sie erst aufgetragen ist, verhindert in beträchtlichem Maße, dass Wasserstoffmoleküle durch die mehrschichtige Sperre 115 und in die PZT-Schicht 103 gelangen.

Wiederum können andere Materialien und Verfahrensschritte zu den oben beschriebenen hinzugefügt werden oder diese ersetzen. So sind, obschon die Erfindung oben unter Benutzung bestimmter Ausführungsformen beschrieben ist, viele Variationen innerhalb des Anwendungsbereichs der Ansprüche möglich, was dem fachmännischen Leser offenkundig sein wird.

Zusammenfassung

Eine mehrschichtige Sperre (115) für einen ferroelektrischen Kondensator (101) umfasst eine Ausdiffusionssperrschicht (115a), die sowohl für Wasserstoff als auch für Sauerstoff durchlässig ist. Die Ausdiffusionssperrschicht (115a) bedeckt das Ferroelektrikum (103) des Kondensators. Sauerstoff gelangt während einer Sauerstofftemperung durch die Ausdiffusionssperrschicht in das Ferroelektrikum, um Beschädigungen an dem Ferroelektrikum, die während des Ätzens verursacht wurden, zu reparieren. Die Ausdiffusionssperrschicht vermindert die Zersetzung des Ferroelektrikums, indem sie Moleküle daran hindert, während des Sauerstofftemperns das Ferroelektrikum zu verlassen. Die mehrschichtige Sperre umfasst auch eine Wasserstoffsperrschicht (115b), die nach der Reparatur des Ferroelektrikums durch das Sauerstofftempern auf die Ausdiffusionssperrschicht aufgebracht wird. Die Wasserstoffsperrschicht ermöglicht es der mehrschichtigen Sperre, das Eindringen von Wasserstoff in das Ferroelektrikum während der Back-End-Prozesse zu verhindern.


Anspruch[de]
  1. Mehrschichtige Sperre für einen ferroelektrischen Kondensator, die umfasst:

    eine Ausdiffusionssperrschicht, die sowohl für Wasserstoff als auch für Sauerstoff durchlässig ist und das Ferroelektrikum des Kondensators bedeckt, wobei die Ausdiffusionssperrschicht es zulässt, dass während einer Sauerstofftemperung Sauerstoff durch sie hindurch in das Ferroelektrikum gelangt, um Beschädigungen an dem Ferroelektrikum zu reparieren, wobei die Ausdiffusionssperrschicht die Zersetzung des Ferroelektrikum vermindert, indem sie Moleküle daran hindert, während des Sauerstofftemperns das Ferroelektrikum zu verlassen; und

    eine Wasserstoffsperrschicht, die nach der Reparatur des Ferroelektrikums durch das Sauerstofftempern auf die Ausdiffusionssperrschicht aufgetragen wird, wobei die Wasserstoffsperrschicht die mehrschichtige Sperre dazu veranlasst, das Eindringen von Wasserstoff in das Ferroelektrikum während der Back-End-Prozesse zu verhindern.
  2. Mehrschichtige Sperre nach Anspruch 1, wobei die Ausdiffusionssperrschicht aus Al2O3 besteht.
  3. Mehrschichtige Sperre nach Anspruch 1, wobei die Wasserstoffsperrschicht aus Al2O3 besteht.
  4. Mehrschichtige Sperre nach Anspruch 1, wobei die Wasserstoffsperrschicht dicker ist als die Ausdiffusionssperrschicht.
  5. Mehrschichtige Sperre nach Anspruch 1, wobei das Ferroelektrikum PZT enthält.
  6. Mehrschichtige Sperre nach Anspruch 1, wobei das Sauerstofftempern bei einer Temperatur von mindestens ca. 500°C durchgeführt wird.
  7. Mehrschichtige Sperre nach Anspruch 1, wobei die Ausdiffusionssperrschicht die Zersetzung des Ferroelektrikums vermindert, indem sie Bleimoleküle daran hindert, das Ferroelektrikum während des Sauerstofftemperns zu verlassen.
  8. Mehrschichtige Sperre nach Anspruch 1, wobei die Ausdiffusionssperrschicht die Zersetzung des Ferroelektrikums vermindert, indem sie Bleimoleküle daran hindert, das Ferroelektrikum während des Sauerstofftemperns zu verlassen.
  9. Mehrschichtige Sperre nach Anspruch 1, wobei die Ausdiffusionssperrschicht durch Aufspritzen aufgebracht wird.
  10. Mehrschichtige Sperre nach Anspruch 1, wobei die Wasserstoffsperrschicht durch Aufspritzen oder Atomlagenabscheidung aufgebracht wird.
  11. Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen Sperre für einen ferroelektrischen Kondensator, umfassend die Schritte:

    Aufbringen einer Ausdiffusionssperrschicht, die sowohl für Wasserstoff als auch für Sauerstoff durchlässig ist, auf das Ferroelektrikum des Kondensators;

    Durchführen einer Sauerstofftemperung, um Beschädigungen des Ferroelektrikums zu reparieren;

    Zulassen, dass Sauerstoff durch die Ausdiffusionssperrschicht zu dem Ferroelektrikum gelangt, und gleichzeitiges Benutzen der Ausdiffusionssperrschicht, um die Zersetzung des Ferroelektrikums während des Sauerstofftemperns zu vermindern;

    Aufbringen einer Wasserstoffsperrschicht auf die Ausdiffusionssperrschicht nach der Reparatur des Ferroelektrikums durch das Sauerstofftempern;

    und

    Benutzen der mehrschichtigen Sperre mit der aufgebrachten Wasserstoffsperrschicht, um das Eindringen von Wasserstoff in das Ferroelektrikum während der Back-End-Prozesse zu verhindern.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Ausdiffusionssperrschicht aus Al2O3 besteht.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Wasserstoffsperrschicht aus Al2O3 besteht.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Wasserstoffsperrschicht dicker ist als die Ausdiffusionssperrschicht.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ferroelektrikum PZT enthält.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Sauerstofftempern bei einer Temperatur von mindestens ca. 500°C durchgeführt wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com