DE10010283A1 - Verfahren zur Herstellung einer metalloxidhaltigen Schicht mit reduzierter Oberflächenrauhigkeit - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer metalloxidhaltigen Schicht mit reduzierter OberflächenrauhigkeitInfo
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Abstract
Das Verfahren kann dazu dienen, einen Speicherkondensator eines Halbleiterbauelements mit ferro- oder paraelektrischem Dielektrikum in seinen Eigenschaften zu verbessern, wobei nach Abschneiden der metalloxidhaltigen, insbesondere ferroelektrischen Schicht (2), deren Oberflächenrauhigkeit durch einen Polierschritt, insbesondere durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP), herabgesetzt wird. Eine nachfolgend abgeschiedene obere Elektrodenschicht (3) weist damit eine vergrößerte Kontaktfläche zu der metalloxidhaltigen Schicht (2) auf.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
polykristallinen metalloxidhaltigen Schicht nach den Merkma
len des Patentanspruchs 1. Ein Verfahren zur Herstellung ei
nes Speicherkondensators nach den Merkmalen des Patentan
spruchs 2 und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter
bauelements nach den Merkmalen des Patentanspruchs 3. Die Er
findung betrifft somit insbesondere die Herstellung einer po
lykristallinen metalloxidhaltigen Schicht, die als ferro
elektrisches oder paraelektrisches Dielektrikum in einem
Speicherkondensator eines Halbleiterbauelements, wie einer
DRAM-Speicherzelle, Verwendung findet.
Die in der Mikroelektronik hergestellten dynamischen Halblei
terspeicher-Bauelemente (DRAMs) bestehen im wesentlichen aus
einem Auswahl- oder Schalttransistor und einem Speicherkon
densator, in welchem zwischen zwei Kondensatorplatten ein
dielektrisches Material eingefügt ist. Als Dielektrikum wer
den üblicherweise zumeist Oxid- oder Nitridschichten verwen
det, die eine Dielektrizitätskonstante von maximal etwa 8
aufweisen. Zur Verkleinerung des Speicherkondensators sowie
zur Herstellung von nicht-flüchtigen Speichern werden "neuar
tige" Kondensatormaterialien, wie beispielsweise ferroelekt
rische oder paraelektrische Materialien mit deutlich höheren
Dielektrizitätskonstanten, benötigt. Ein paar dieser Materia
lien sind in der Publikation "Neue Dielektrika für Gbit-
Speicherchips" von W. Hönlein, Phys. Bl. 55 (1999), genannt.
Zur Herstellung von ferroelektrischen Kondensatoren für An
wendungen in derartigen nicht-flüchtigen Halbleiterspeicher-
Bauelementen hoher Integrationsdichte können z. B. ferroelekt
rische Materialien, wie SrBi2 (Ta, Nb)2O9 (SBT oder SBTN), Pb
(Zr, Ti)O3 (PZT), oder Bi4Ti3O12 (BTO) als Dielektrikum zwi
schen den Kondensatorplatten eingesetzt werden. Es kann aber
auch ein paraelektrisches Material, wie beispielsweise (BaSr)
TiO3 (BST), zum Einsatz kommen.
Die Verwendung dieser neuartigen ferroelektrischen oder pa
raelektrischen Dielektrika stellt jedoch die Halbleiterpro
zesstechnologie vor neue Herausforderungen. Zunächst lassen
sich diese neuartigen Materialien nämlich nicht mehr mit dem
traditionellen Elektrodenmaterial Polysilizium kombinieren.
Deshalb müssen inerte Elektrodenmaterialien, wie beispiels
weise Platinmetalle, d. h. Pt, Pd, Ir, Rh, Ru oder Os, oder
deren leitfähige Oxide (z. B. RuO2), eingesetzt werden. Es
können auch allgemein leitfähige Oxide, wie LaSrCoOx oder
SrRuO3, verwendet werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass
nach dem Abscheiden des ferroelektrischen Dielektrikums die
ses in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei Temperaturen
von etwa 550-800°C gegebenenfalls mehrfach getempert ("kon
ditioniert") werden muss. Zur Vermeidung von unerwünschten
chemischen Reaktionen des ferroelektrischen Dielektrikums mit
den Elektroden werden diese daher zumeist aus Platin oder ei
nem anderen ausreichend temperaturstabilen und inerten Mate
rial, wie einem anderen Platinmetall oder einem leitfähigen
Oxid, gefertigt.
In ferroelektrischen Speicherbauelementen wird das aus einer
ersten, unteren Elektrode, der ferro- oder paraelektrischen
Schicht und einer zweiten, oberen Elektrode bestehende Kon
densatormodul entweder als "stacked capacitor" oder als
"off-set capacitor" integriert. Bei dem "stacked capacitor"-
Konzept wird die untere Elektrode über einen Metallisierungsstopfen
("plug") durch eine Isolationsschicht an das Drain-
Gebiet des zugeordneten Auswahltransistors angeschlossen. Bei
dem "off-set capacitor"-Konzept wird dagegen die obere Elekt
rode über die erste Metallisierungsebene und einen durch zwei
Isolationsschichten verlaufenden Metallisierungsstopfen an
das Drain-Gebiet des zugeordneten Auswahltransistors ange
schlossen. In beiden Fällen wird das Kondensatormodul auf
vergleichbare Weise prozessiert. Vereinfacht dargestellt
kommt es dabei zu folgender Prozessreihenfolge: zuerst wird
die untere Elektrode aufgebracht und strukturiert und gegebe
nenfalls getempert. Danach wird die ferro- oder paraelektri
sche Dielektrikumsschicht aus einem metalloxidhaltigen Mate
rial aufgebracht und gegebenenfalls - abhängig von dem Ver
fahren der Schichterzeugung - anschließend einer Temperatur
behandlung unterzogen (Ferro-Anneal). Die metalloxidhaltige
Schicht liegt dann in polykristalliner Form vor. Danach wird
die obere Elektrodenschicht aufgebracht und strukturiert. Zur
weiteren Verbesserung der Kondensatoreigenschaften wird da
nach im allgemeinen eine weitere Temperaturbehandlung ange
schlossen (Post-Anneal).
Es haben jedoch Messungen an Pt/SrBi2 (Ta, Nb)2O9/CeO2/Si-
Schichtaufbauten gezeigt, dass Strukturen, die ohne einen
Post-Anneal durchgeführt wurden, um etwa 50% höhere spezifi
sche Kapazitäten aufweisen, als Strukturen, die einem Post-
Anneal (bei 800°C und 30 Minuten in sauerstoffhaltiger Atmo
sphäre) unterzogen wurden. Zur Erläuterung dieses Verhaltens
dienen die nachfolgend beschriebenen Fig. 1a) und b). Die
se zeigen jeweils die Morphologie einer metalloxidhaltigen
Schicht, beispielsweise einer SrBi2Ta2O9-(SBT)Schicht, und ei
ner auf dieser abgeschiedenen oberen Elektrodenschicht. Die
Fig. 1a) zeigt den morphologischen Zustand nach Abscheiden
der oberen Elektrodenschicht und die Fig. 1b) zeigt den morphologischen
Zustand nach Durchführung eines Post-Anneals der
Schichtstruktur.
Nach dem Ferro-Anneal liegt die SBT-Schicht in polykristalli
ner Form vor und besitzt eine relativ große Oberflächenrau
higkeit mit einer Rauhtiefe von Rt < 10 nm. Wird nachfolgend
die obere Elektrodenschicht, beispielsweise eine Platin
schicht, aufgebracht, werden die Gräben zwischen den einzel
nen SBT-Körnern an der Oberfläche mit kleinem Pt-Körnern auf
gefüllt (Fig. 1a)). Wird das gesamte System daraufhin einem
Post-Anneal unterzogen, wachsen einige kleine Pt-Körner auf
Kosten der anderen zu größeren Körnern heran, wobei die Un
terseite der oberen Elektrode eine relativ glatte Oberfläche
bildet. An der Grenzfläche zwischen der SBT-Schicht und der
oberen Elektrodenschicht entstehen kleine Hohlräume (Fig.
1b)) und die effektive Kontaktfläche zwischen beiden Schich
ten geht zurück.
Man behandelt die nach einem Post-Anneal erhaltene Struktur
der Fig. 1b) als Reihenschaltung zweier Kondensatoren, wobei
das System SBT/Hohlraum an der Grenzfläche zur oberen Elekt
rode als der eine Kondensator (mit niedrigerer relativer Die
lektrizitätskonstanten verglichen mit SBT) und der SBT-Film
darunter als der zweite Kondensator angesehen wird. Die Ge
samtkapazität sinkt gegenüber der SBT-Schicht vor dem Post-
Anneal. Wird die obere Elektrode jedoch keinem Post-Anneal
unterzogen, die in Fig. 1a) erhaltene Struktur demnach nicht
verändert, kommt es in den mit kleinen Pt-Körnern gefüllten
Gräben zwischen den einzelnen SBT-Körnern zu lokal erhöhten
elektrischen Feldstärken, die wiederum zu einem wesentlich
erhöhten Leckstrom und niedrigerer Durchbruchsspannung füh
ren.
Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer polykristalli
nen metalloxidhaltigen Schicht anzugeben, welches dazu geeig
net ist, einen Speicherkondensator mit guten Bauelementeigen
schaften herzustellen. Insbesondere soll ein derartiger Spei
cherkondensator eine relativ hohe Speicherkapazität, eine re
lativ hohe Durchbruchsspannung und einen relativ niedrigen
Leckstrom im Betrieb aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche gelöst.
Dementsprechend beschreibt die Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung einer polykristallinen metalloxidhaltigen Schicht
mit den Schritten:
- - Bereitstellen eines Trägers;
- - Bilden einer polykristallinen metalloxidhaltigen Schicht auf dem Träger;
- - Verringern der Oberflächenrauhigkeit der polykristalli nen metalloxidhaltigen Schicht.
Dabei wird die metalloxidhaltige Schicht als im wesentlichen
amorphe Schicht abgeschieden und nach der Abscheidung wird
eine Temperaturbehandlung, insbesondere bei einer Temperatur
zwischen 700° und 800°C, durchgeführt, bei der die im wesent
lichen amorphe metalloxidhaltige Schicht kristallisiert.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass eine durch die polykristalline Morphologie der
metalloxidhaltigen Schicht bedingte Oberflächenrauhigkeit
verringert wird. Dies kann durch einen Polierschritt, insbe
sondere durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erreicht
werden.
Dieses Verfahren kann dazu verwendet werden, einen Speicher
kondensator herzustellen, wobei als Substrat eine erste E
lektrode bereitgestellt wird, auf der ersten Elektrode eine
polykristalline metalloxidhaltige Schicht, wie oben beschrie
ben, hergestellt wird, und auf der metalloxidhaltigen Schicht
eine zweite Elektrode aufgebracht wird. Infolge der verrin
gerten Oberflächenrauhigkeit der metalloxidhaltigen Schicht
kann eine um bis zu 50% höhere spezifische Kapazität des
Speicherkondensators und damit um bis zu 50% höhere remanen
te Polarisationswerte erwartet werden.
Die metalloxidhaltige Schicht kann dabei insbesondere aus ei
nem ferro- oder paraelektrischen Material, wie SrBi2Ta2O9
(SBT), SrBi2 (Ta, Nb)2O9 (SBTN), Pb (Zr, Ti)O3 (PZT), (BaSr)
TiO3 (BST) oder SrTiO3, hergestellt sein.
Die Elektrodenschichten können aus einem Platinmetall, insbe
sondere Platin, einem leitfähigen Oxid eines Platinmetalls
oder einem anderen leitfähigen Oxid hergestellt sein.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a, b die Morphologie einer Schichtstruktur aus ei
ner metalloxidhaltigen Schicht und einer obe
ren Elektrodenschicht nach einem konventionel
len Herstellungsverfahren;
Fig. 2a bis c die Herstellung eines Speicherkondensators
nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Gemäß Fig. 2a wird zuerst auf ein nicht dargestelltes Sub
strat eine erste, untere Elektrodenschicht 1 aufgebracht. Das
Substrat kann beispielsweise eine Isolationsschicht sein, mit
der ein auf einem Halbleitersubstrat geformter Schalttransis
tor bedeckt und planarisiert wurde. In diese Isolations
schicht kann ein durchgängiger Metallisierungsstopfen
("plug") eingeformt sein, um die erste, untere Elektroden
schicht mit einem Drain-Gebiet des Schalttransistors zu ver
binden. Für den hier vorgesehenen Anwendungsfall der Herstel
lung eines ferro- oder paraelektrischen Speicherkondensators
wird für die erste, untere Elektrodenschicht 1 ein inertes
Elektrodenmaterial, nämlich ein Platinmetall, insbesondere
Platin, ein Oxid eines Platinmetalls oder ein anderes leitfä
higes Oxid verwendet. Nach Abscheiden der ersten Elektroden
schicht 1 kann gegebenenfalls ein Temperaturbehandlungs
schritt durchgeführt werden, um die Struktureigenschaften des
Platins und somit auch seine elektrischen Eigenschaften zu
verbessern. Vor oder nach einem Temperaturbehandlungsschritt
wird eine Strukturierung der ersten Elektrodenschicht 1 vor
genommen.
Auf die erste Elektrodenschicht 1 wird dann eine metalloxid
haltige Schicht 2 abgeschieden. Insbesondere für die Zwecke
der Herstellung eines Speicherkondensators für eine DRAM-
Speicherzelle wird die metalloxidhaltige Schicht durch ein
ferroelektrisches oder ein paraelektrisches Material gebil
det. Demgemäß enthält die metalloxidhaltige Schicht vorzugs
weise eines der Materialien SrBi2Ta2O9 (SBT), SrBi2 (Ta, Nb)2O9
(SBTN), Pb (Zr, Ti)O3 (PZT), (BaSr) TiO3 (BST) oder SrTiO3.
Die metalloxidhaltige Schicht und die Elektrodenschichten
können beispielsweise entweder durch ein Sputter-Verfahren,
durch metallorganische Abscheidung (MOD) oder durch metallor
ganische Gasphasenabscheidung (MOCVD) abgeschieden werden.
Die Kristalline oder morphologische Struktur der abgeschiedenen
metalloxidhaltigen Schicht wird im wesentlichen durch das
gewählte Abscheideverfahren bestimmt. Während durch ein Sput
ter-Verfahren das Material im allgemeinen im amorphen Zustand
abgeschieden wird, kann durch MOD oder MOCVD bei geeigneter
Verfahrensführung eine Abscheidung in kristallinem oder poly
kristallinem Zustand ermöglicht werden. Von dem Zustand der
abgeschiedenen Schicht hängt es ab, ob nach der Abscheidung
ein Temperaturbehandlungsschritt durchgeführt werden muss.
Nach der Abscheidung einer im wesentlichen amorphen metall
oxidhaltigen Schicht wird eine Temperaturbehandlung bei einer
Temperatur vorzugsweise zwischen 700° und 800°C durchgeführt,
um die in abgeschiedenem Zustand amorphe metalloxidhaltige
Schicht zumindest teilweise zu kristallisieren, d. h. in eine
polykristalline metalloxidhaltige Schicht umzuwandeln. Da
durch entstehen relativ große Kristallite 2A, durch die in
folge der zwischen ihnen vorhandenen Zwischenräume eine Ober
fläche mit relativ großer Rauhigkeit entsteht. Diese Oberflä
chenrauhigkeit weist eine Rauhtiefe von Rt < 10 nm auf. Die
Oberflächenrauhigkeit wird vorzugsweise durch einen Polier
vorgang verringert, wobei insbesondere ein chemisch-
mechanisches Polieren (CMP) zum Einsatz kommt, wodurch eine
metalloxidhaltige Schicht mit einer sehr glatten Oberfläche
2B erzeugt wird. Wie in der Fig. 2b dargestellt ist, geht es
darum, die Oberflächenrauhigkeit der metalloxidhaltigen
Schicht entscheidend zu verringern, um beste Voraussetzungen
dafür zu schaffen, dass eine nachfolgend abgeschiedene zweite
Elektrodenschicht einen guten elektrischen Kontakt mit der
metalloxidhaltigen Schicht aufweist.
Gemäß Fig. 2c wird nach dem Poliervorgang eine zweite, obere
Elektrodenschicht 3 auf die metalloxidhaltige Schicht durch
eines der bekannten Abscheideverfahren aufgebracht, die beispielshalber
weiter oben genannt worden sind. Unmittelbar
nach der Abscheidung ist die zweite Elektrodenschicht 3 durch
relativ kleine Kristallite gebildet. Wie bereits in Verbin
dung mit Fig. 1b dargestellt, kann anschließend ein sogenann
ter Post-Anneal durchgeführt werden, mit welchem die Kristal
lite vergrößert werden können. Dieser Post-Anneal kann bei
spielsweise bei 800°C und 30 Minuten Dauer in sauerstoffhal
tiger Atmosphäre durchgeführt werden. Dadurch dass die Ober
flächenrauhigkeit der metalloxidhaltigen Schicht 2 stark ver
ringert ist, bleibt auch bei thermisch bedingter Vergrößerung
der Kristallite der zweiten Elektrodenschicht 3 eine relativ
große Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrodenschicht 3
und der metalloxidhaltigen Schicht 2 erhalten. Demnach ist
eine um bis zu 50% höhere spezifische Kapazität des herge
stellten Speicherkondensators und damit um bis zu 50% höhere
remanente Polarisationswerte zu erwarten.
Zumeist werden die metalloxidhaltige Schicht und die zweite
Elektrodenschicht 3 derart hergestellt, dass sie sich in la
teraler Richtung über die erste Elektrodenschicht 1 hinaus
erstrecken. Üblicherweise werden die metalloxidhaltige
Schicht 2 und die zweite Elektrodenschicht 3 nach deren Fer
tigstellung gemeinsam strukturiert.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen metall
oxidhaltigen Schicht (2) mit den Schritten:
- - Bereitstellen eines Trägers;
- - Bilden einer polykristallinen metalloxidhaltigen Schicht (2) auf dem Träger;
- - Verringern der Oberflächenrauhigkeit der polykristalli nen metalloxidhaltigen Schicht (2).
2. Verfahren zur Herstellung eines Speicherkondensators mit
den Schritten:
- - Bereitstellen einer ersten Elektrode (1);
- - Herstellen einer polykristallinen metalloxidhaltigen Schicht (2) gemäß Anspruch 1 auf der als Träger dienen den ersten Elektrode (1);
- - Aufbringen einer zweiten Elektrode (3) auf die polykri stalline metalloxidhaltige Schicht (2)
3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements,
bei welchem
- - auf einem Halbleitersubstrat ein Schalttransistor ge formt wird, und
- - auf dem Schalttransistor ein Speicherkondensator gemäß Anspruch 2 geformt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
- - die metalloxidhaltige Schicht (2) als im wesentlichen amorphe Schicht abgeschieden wird, und
- - nach der Abscheidung eine Temperaturbehandlung, insbe sondere bei einer Temperatur zwischen 700° und 800°C, durchgeführt wird, bei der die im wesentlichen amorphe metalloxidhaltige Schicht kristallisiert.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Oberflächenrauhigkeit der polykristallinen metall oxidhaltigen Schicht durch Polieren, insbesondere durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP), verringert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
- - die metalloxidhaltige Schicht aus einem ferro- oder pa raelektrischen Material, wie SrBi2Ta2O9 (SBT), SrBi2 (Ta, Nb)2O9 (SBTN), Pb (Zr, Ti)O3 (PZT), (BaSr) TiO3 (BST) o der SrTiO3, hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Elektroden (1, 3) aus einem Platinmetall, einem leitfähigen Oxid eines Platinmetalls oder einem anderen leit fähigen Oxid hergestellt sind.
8. Schichtstruktur, mit
- - einem Träger, und
- - einer auf dem Träger gebildeten polykristallinen metall oxidhaltigen Schicht (2), deren Oberflächenrauhigkeit nach ihrer Bildung verringert wurde.
9. Speicherkondensator, welcher aufweist
- - eine Schichtstruktur nach Anspruch 8, wobei eine erste Elektrode (1) als Träger dient, und
- - eine auf die polykristalline metalloxidhaltige Schicht (2) aufgebrachte zweite Elektrode (3).
10. Halbleiterbauelement, bei welchem
- - auf einem Halbleitersubstrat ein Schalttransistor ge formt ist, und
- - auf dem Schalttransistor ein Speicherkondensator nach Anspruch 9 geformt ist.
11. Gegenstand nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei wel
chem
- - die Oberflächenrauhigkeit der polykristallinen, metall oxidhaltigen Schicht (2) durch Polieren, insbesondere durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP), verringert ist.
12. Gegenstand nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei wel
chem die metalloxidhaltige Schicht (2) aus einem ferro-
oder paraelektrischen Material, wie SrBi2Ta2O9 (SBT),
SrBi2 (Ta, Nb)2O9 (SBTN), Pb (Zr, Ti)O3 (PZT), (BaSr)
TiO3 (BST) oder SrTiO3, hergestellt ist.
13. Gegenstand nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei wel
chem die Elektroden (1, 3) aus einem Platinmetall, einem
leitfähigen Oxid eines Platinmetalls oder einem anderen
leitfähigen Oxid hergestellt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10010283A DE10010283A1 (de) | 2000-02-25 | 2000-02-25 | Verfahren zur Herstellung einer metalloxidhaltigen Schicht mit reduzierter Oberflächenrauhigkeit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10010283A DE10010283A1 (de) | 2000-02-25 | 2000-02-25 | Verfahren zur Herstellung einer metalloxidhaltigen Schicht mit reduzierter Oberflächenrauhigkeit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10010283A1 true DE10010283A1 (de) | 2001-09-13 |
Family
ID=7633314
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10010283A Withdrawn DE10010283A1 (de) | 2000-02-25 | 2000-02-25 | Verfahren zur Herstellung einer metalloxidhaltigen Schicht mit reduzierter Oberflächenrauhigkeit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10010283A1 (de) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5330931A (en) * | 1993-09-22 | 1994-07-19 | Northern Telecom Limited | Method of making a capacitor for an integrated circuit |
-
2000
- 2000-02-25 DE DE10010283A patent/DE10010283A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5330931A (en) * | 1993-09-22 | 1994-07-19 | Northern Telecom Limited | Method of making a capacitor for an integrated circuit |
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8130 | Withdrawal |