DE102004042071B3

DE102004042071B3 - Verfahren zum Herstellen einer Speichervorrichtung

Info

Publication number: DE102004042071B3
Application number: DE102004042071A
Authority: DE
Inventors: Martin Ulrich Gutsche; Rainer Bruchhaus
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: US7361549B2; US20060046317A1

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer Speichervorrichtung mit Speicherzellen, die auf einer mikrostrukturierten Ansteuereinheit (100) gebildet werden, wobei eine Formungsschicht (104) bereitgestellt ist, die derart strukturiert wird, dass vertikale Grabenstrukturen (105) senkrecht zu der Oberfläche der Ansteuereinheit (100) gebildet werden. Ein Abscheiden einer Keimschicht (106) an seitlichen Wänden (105a) der Grabenstrukturen (105) ermöglicht es, dass ein in die Grabenstrukturen (105) gefülltes Kristallisationsmittel (107) bei einer Kristallisation Korngrenzen senkrecht zu auszubildenden Elektrodenoberflächen aufweist. Somit werden Speicherzellen auf der Basis vertikaler ferroelektrischer Kondensatoren in einer Chain-FeRAM-Struktur bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Speichervorrichtung, welche Speicherzellen und Einrichtungen zum Ansprechen der Speicherzellen aufweist.

Aus der DE 198 34 649 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle bekannt, die wenigstens ein Auswahltransistor und einen Speicherkondensator mit einem ferroelektrischem Dielektrikum aufweist.

Die De 196 40 413 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung barrierefreier Halbleiterspeicheranordnungen, insbesondere geeignet zur Verwendung von ferroelektrischen Materialen als Speicherdielektrika, wobei eine leitende Verbindung zwischen einer Elektrode eines Speicherkondensators und einem Auswahltransistors nach Abscheidung des Speicherdielektrikums hergestellt wird.

Die DE 101 31 490 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellen einer Kondensatoranordnung für eine Halbleiterspeichereinrichtung, wobei eine Unterschicht einer Abfolge von Schichten durch einen zwischengeschalteten Ätzprozess im Bereich von Plugbereichen in ihrer Schichtdicke reduziert wird, um so bei konformer zweidimensionaler Abscheidung der nachfolgenden Schichten eine dreidimensionale Struktur erhalten.

Spezifisch betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Speichervorrichtung, welche Speicherzellen und Einrichtungen zum Ansprechen der Speicherzellen aufweist, wobei Grabenstrukturen mikrotechnisch ausgebildet werden, die mit einem Kristallisationsmittel füllbar sind, das nach einer Kristallisation Bereiche aufweist, welche eine ferroelektrische Speicherung einer Information erlauben.

Ferroelektrische Datenspeicher, auch als FeRAM (FeRAM = Ferro Electric Random Access Memory, Schreiblesespeicher) bezeichnet, basieren auf dem ferroelektrischen Effekt. Ferroelektrische Materialien sind solche Materialien, die eine spontane Polarisation aufweisen, welche sich in einem elektrischen Feld umschalten lässt. Ein Material, das in den ferroelektrischen Speicherkondensatoren bevorzugt verwendet wird, ist Blei-Zikonat-Titanat (kurz PZT, Pb(Zr,Ti)O₃).

Speichervorrichtungen auf der Basis ferroelektrischer Speicherzellen weisen den Vorteil auf, dass diese keinen Wiederauffrischungszyklus benötigen, der bei herkömmlichen Speicherzellen auf der Basis elektrischer Kondensatoren in typischer Weise 64 ms (Millisekunden) beträgt. Die spontane Polarisation bleibt auch nach Abschalten der Betriebsspannung erhalten, so dass die Information nicht flüchtig gespeichert wird und ein Wiederauffrischungszyklus entfallen kann.

Ein Nachteil heutiger herkömmlicher FeRAMs besteht darin, dass eine im Vergleich zu dielektrischen Datenspeichern, wie z.B. DRAMs, nur geringe Speicherdichte erreicht werden kann. Eine typische Speicherdichte für einen FeRAM beträgt beispielsweise 256 kBit. Somit ist es wichtig, die Speicherdichte von Speichervorrichtungen mit PZT-basierten Speicherzellen zu erhöhen.

Zur Lösung dieses Problems schlägt die DE 195 43 539 C1 ein Verfahren zur Herstellung einer Speicherzellenanordnung vor, bei der Stapelkondensatoren mit einem ferroelektrischen oder einem paraelektrischen Speicherdielektrikum verwendet werden. Die Stapelkondensatoren sind gemäß der in der DE 195 43 539 C1 offenbarten Vorrichtung als vertikale Speicherkondensatoren ausgebildet. Zur Herstellung eines derartigen Speicherkondensators wird eine dielektrische Schicht ganzflächig für das Speicherdielektrikum erzeugt. Anschließend wird die dielektrische Schicht strukturiert und es werden erste Elektroden und zweite Elektroden für die Speicherkondensatoren gebildet. Auswahltransistorpaare für entsprechende Speicherzellen, die zu benachbarten Wortleitungspaaren gehören, sind in dem Substrat in herkömmlicher Weise versetzt angeordnet.

Es ist somit ein Nachteil herkömmlicher Speichervorrichtungen mit PZT-basierten Speicherzellen, dass vertikal angeordnete ferroelektrische Kondensatoren als Speicherzellen nicht in einer Ketten-Architektur herstellbar sind, wenn die ferroelektrischen Kondensatoren geringe Schichtdicken aufweisen sollen. Ferner ist die Speicherdichte herkömmlicher Speichervorrichtungen mit PZT-basierten Speicherzellen in nachteiliger Weise zu gering.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Speichervorrichtung anzugeben, welche Speicherzellen auf der Basis ferroelektrischer Kondensatoren aufweist, die in einer Kettenstruktur derart angeordnet werden können, dass Auswahltransistoren und zugehörige Speicherkondensatoren effizient und platzsparend bei hoher Speicherdichte angeordnet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein im Patentanspruch 1 angegebenes Verfahren gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, Speicherzellen durch ein Befüllen von vorstrukturierten Öffnungen mit einer speziellen Seitenwandbehandlung in einer Formungsschicht herzustellen und anschließend eine thermische Behandlung und eine Überführung in eine kristalline Phase eines ferroelektrischen PZT in einer vertikalen Anordnung eines ferroelektrischen Kondensators vorzusehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren erzielt den Vorteil, dass Speicherzellen auf PZT-Basis mit großem Aspektverhältnis und hoher Packungsdichte hergestellt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet die Möglichkeit, die Wachstumsrichtung von PZT-Schichten, welche das Innere eines Speicherkondensators ausbilden, derart zu beeinflussen, dass die Korngrenzen der PZT-Kristallitte parallel zu dem Verlauf des inneren elektrischen Felds des Speicherkondensators ausgerichtet sind.

Ferner ist es ein Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowohl vertikale ferroelektrische Speicherkondensatoren als auch eine Kettenanordnung (Chain FeRAM-Struktur) bereitstellen kann, derart, dass eine hohe Speicherdichte erreicht werden kann.

Gemäß einem allgemeinen Aspekt weist das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Speichervorrichtung, welche Speicherzellen und Einrichtungen zum Ansprechen der Speicherzellen aufweist, im Wesentlichen die folgenden Schritte auf:

a) Bilden einer mikrostrukturierten Ansteuereinheit für Speicherzellen durch ein Bereitstellen eines Substrats mit einer darauf abgeschiedenen Isolationsschicht, in welche Auswahltransistoreinheiten mit jeweils darauf aufgebrachten Diffusionsbarrierenschichten eingebettet sind;
b) Abscheiden einer Stoppschicht auf der mikrostrukturierten Ansteuereinheit;
c) Abscheiden einer Formungsschicht auf der Stoppschicht; d) Strukturieren der abgeschiedenen Formungsschicht derart, dass vertikale Grabenstrukturen senkrecht zur Oberfläche der Ansteuereinheit gebildet werden;
e) Abscheiden einer Keimschicht auf der strukturierten Formungsschicht derart, dass die Keimschicht seitliche Wände und einem Boden der Grabenstrukturen bedeckt;
f) Befüllen der Grabenstrukturen mit einem Kristallisationsmittel;
g) Kristallisieren des Kristallisationsmittels, wobei Korngrenzen entstehen, die senkrecht zu den Seitenwänden der Grabenstrukturen ausgerichtet sind;
h) Ätzen der Kristallisationsfüllung an der Oberseite des in den Schritten a) bis g) gebildeten Schichtstapels derart, dass die Oberfläche der Formungsschicht freigelegt wird;
i) Abscheiden einer Abdeckungsschicht auf der geätzten Kristallisationsfüllung und den freigelegten Bereichen der Formungsschicht;
j) chemisch-mechanisches Polieren (CMP) der Abdeckungsschicht derart, dass auf der Oberfläche der Kristallisationsfüllung ein Bereich mit einem Teil der Abdeckungsschicht erhalten bleibt;
k) Entfernen der Formungsschicht und der seitlichen Bereiche der Keimschicht derart, dass Elektrodenlöcher gebildet werden; und
l) Abscheiden eines Elektrodenmaterials in die Elektrodenlöcher.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Gegenstandes der Erfindung.

Es ist vorteilhaft, als das Substrat ein Siliziummaterial Si vorzusehen. Somit kann die auf dem Substrat abgeschiedene Isolationsschicht in vorteilhafter Weise aus einem Siliziumdioxidmaterial SiO₂ ausgebildet werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfassen die Auswahltransistoren Anschlusselemente aus einem Wolframmaterial. Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung bestehen die jeweils auf den Auswahltransistoren aufgebrachten Diffusionsbarrierenschichten aus einem Iridium/Iridiumoxid-Schichtstapel.

Vorzugsweise ist hierbei das Iridiumoxidmaterial auf dem Iridiummaterial angeordnet. Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Stoppschicht aus einem Titanoxidmaterial TiO₂ oder einem Aluminiumoxidmaterial Al₂O₃ ausgebildet.

In einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Formungsschicht aus einem Isolationsmaterial bereitgestellt. Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Formungsschicht aus einem Metall oder einem metallischen Material bereitgestellt. Hierbei wird das Metall bzw. das metallische Material nach dem Schritt eines Strukturierens der Formungsschicht derart, dass die vertikalen Grabenstrukturen senkrecht zur Oberfläche der Ansteuereinheit gebildet werden, zwischen den Speicherelementen entfernt, wobei der entstehende Zwischenraum mit einem Isolationsmaterial aufgefüllt wird.

Das die Formungsschicht bildende Metall bzw. metallische Material wird vorzugsweise aus Ruthenium/Rutheniumdioxid (Ru/RuO₂) oder Polysilizium bereitgestellt.

Das Isolationsmaterial kann hierbei aus Siliziumdioxid SiO₂ bereitgestellt werden. Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden durch das Strukturieren der abgeschiedenen Formungsschicht derart, dass die vertikalen Grabenstrukturen senkrecht zur Oberfläche der Ansteuereinheit gebildet werden, die vertikalen Grabenstrukturen mit einem Aspektverhältnis von größer als 10 bereitgestellt.

Vorzugsweise sind durch das Strukturieren der abgeschiedenen Formungsschichten die vertikalen Grabenstrukturen in einer zu dem Substrat parallelen Richtung elongiert.

Vorzugsweise besteht die Keimschicht aus einem Titanoxidmaterial (TiO₂). Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Keimschicht mittels eines atomaren Schichtdepositionsprozesses (ALD, Atomic Layer Deposition) auf der strukturierten Formungsschicht abgeschieden. Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Keimschicht vor dem Schritt eines Befüllens der Grabenstrukturen mit einem Kristallisationsmittel von den Böden der Grabenstrukturen entfernt.

Vorzugsweise erfolgt ein derartiges Entfernen der Keimschicht von den Böden der Grabenstrukturen mittels eines anisotropen Ätzprozesses (RIE = Reactive Ion Etching, reaktives Ionenätzen).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird das Kristallisieren des Kristallisationsmittels bei einer Temperatur in einem Bereich von 500°C bis 750°C durchgeführt.

Hierbei ist das Kristallisationsmittel bevorzugt aus einem Bleizirkonattitanatmaterial (Pb(Zr, Ti)O₃; PZT) gebildet.

Vorzugsweise erfolgt das Entfernen der Formungsschicht und der seitlichen Bereiche der Keimschicht derart, dass Elektrodenlöcher gebildet werden, durch einen anisotropen Ätzprozess (RIE) selektiv zu der Kristallisationsfüllung.

Das Elektrodenmaterial, das in die Elektrodenlöcher abgeschieden wird, enthält vorzugsweise Iridiumoxid und/oder Rutheniumoxid.

Die Erfindung ermöglicht es somit, ein Verfahren anzugeben, bei dem PZT-basierte Speicherzellen effizient und platzsparend hergestellt werden, wobei die bei einer Kristallisation ausgebildeten Korngrenzen senkrecht zu der Elektrodenoberfläche des ausgebildeten Speicherkondensators, d.h. parallel zum Verlauf der Feldlinien in dem Speicherkondensator ausgerichtet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Substrat mit einer darauf aufgebrachten mikrostrukturierten Ansteuereinheit für Speicherzellen, wobei in eine auf dem Substrat abgeschiedene Isolationsschicht Auswahltransistoreinheiten mit jeweils darauf aufgebrachten Diffusionsbarrierenschichten eingebettet sind, und einer Stoppschicht sowie einer Formungsschicht;
2 die in 1 gezeigte Anordnung nach einem Strukturierungsprozess der Formungsschicht;
3 die in 2 gezeigte Anordnung nach einem Aufbringen einer Keimschicht auf der strukturierten Formungsschicht;
4 die in 3 gezeigte Anordnung nach einem anisotropen Ätzen der Keimschicht, derart, dass die Keimschicht an seitlichen Wänden der in der Formungsschicht gebildeten Grabenstrukturen erhalten bleibt;
5 die in 4 gezeigte Anordnung nach einem Befüllen der in 4 gezeigten Grabenstrukturen der Formungsschicht mit einem Kristallisationsmittel;
6 die in 5 gezeigte Anordnung nach einer Kristallisation des Kristallisationsmittels derart, dass Korngrenzen einer entstehenden Kristallisationsfüllung senkrecht zu den Seitenwänden der Grabenstrukturen ausgerichtet sind;
7 die in 6 gezeigte Anordnung nach einem Ätzen der Kristallisationsfüllung an der Oberseite derart, dass die Oberfläche der Formungsschicht freigelegt wird;
8 die in 7 gezeigte Anordnung nach einem Aufbringen einer Abdeckungsschicht 109 auf der geätzten Kristallisationsfüllung;
9 die in 8 gezeigte Anordnung nach einem chemisch -mechanischen Polierprozess der Abdeckungsschicht derart, dass auf der Oberfläche der Kristallisationsfüllung ein Bereich mit einem Teil der Abdeckungsschicht erhalten bleibt;
10 die in 9 gezeigte Anordnung nach einem Entfernen der Formungsschicht, derart, dass erhabene Strukturen der Kristallisationsfüllung erhalten bleiben;
11 die in 10 gezeigte Anordnung in einer Draufsicht;
12 die in 10 gezeigte Anordnung nach einem Abscheiden eines Elektrodenmaterials in Elektrodenlöchern, die durch ein Entfernen der Formungsschicht gebildet wurden;
13 eine Draufsicht, die jener der 11 entspricht, gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
14(a), (b) und (c) Ansichten eines Herstellungsprozesses aus alternierenden Streifen von Polysilizium und Siliziumdioxid gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
15(a), (b) und (c) weitere, auf die in 14 gezeigten Prozessschritte folgende Prozessschritte gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
1 zeigt einen Ausgangszustand zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Speichervorrichtung, welche Speicherzellen und Einrichtungen zum Ansprechen der Speicherzellen aufweist. Ein Bezugszeichen 100 bezeichnet eine Ansteuereinheit für Speicherzellen, welche Auswahltransistoreinheiten 101a und 101b mit darauf aufgebrachten Diffusionsbarrierenschichten 102a und 102b aufweist.
Es sei darauf hingewiesen, dass dem Fachmann der Aufbau derartiger Ansteuereinheiten für Speicherzellen bekannt ist, so dass die Funktionsweise derartiger Ansteuereinheiten im Folgenden nicht weiter erläutert wird. Die vorliegende Erfindung betrifft die Auslegung des Speicherkondensators einer Speicherzelle selbst, welche an Hand der in den 1 bis 15 dargestellten Prozessschritte erläutert werden wird.
Auf dem Substrat 101 ist ferner eine Isolationsschicht 102 aufgebracht, in welche die Auswahltransistoreinheiten 101a und 101b und die Diffusionsbarrierenschichten 102a und 102b eingebettet sind. Die Isolationsschicht 102 besteht vorzugsweise aus einem Siliziumdioxidmaterial (SiO₂). Auf die Ansteuereinheit 100 ist an deren oberer Fläche, d.h. der Fläche, die parallel zu der Substratoberfläche gegenüberliegend der Ansteuereinheit liegt, eine Stoppschicht 103 aufgebracht.
Die auf der Ansteuereinheit 100 aufgebrachte Stoppschicht 103 dient dazu, die darunterliegenden Auswahltransistoreinheiten vor den zu erzeugenden, darüberliegenden Elementen zu schützen. Vorzugsweise ist die Stoppschicht aus einem Titanoxidma terial (TiO₂) oder einem Aluminiumoxidmaterial (Al₂O₃) ausgebildet.
Vorzugsweise weisen die Auswahltransistoreinheiten 101a und 101b Anschlusselemente aus einem Wolframmaterial auf. Das Substrat 101 ist vorzugsweise aus Silizium (Si) ausgebildet. Die Diffusionsbarrierenschichten 102a und 102b werden vorzugsweise aus einem Iridium/Iridiumoxid-Schichtstapel ausgebildet, wobei das Iridiumoxid auf dem Iridium gebildet ist.
Wie in 1 ferner gezeigt, ist auf der Stoppschicht 103 eine Formungsschicht 104 abgeschieden, die einer Formung der auszubildenden Speicherkondensatoren dient. Die Formungsschicht ist vorzugsweise aus einem Isolationsmaterial bereitgestellt. Das Isolationsmaterial der Formungsschicht ist in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einem Siliziumdioxidmaterial (SiO₂) gebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Formungsschicht 104 aus einem Metall gebildet, wobei das Metall nach einem Strukturieren der Formungsschicht zwischen den Speicherelementen entfernt wird und der entstehende Zwischenraum mit einem Isolationsmaterial aufgefüllt wird.
Falls das Material der Formungsschicht 104 aus einem Metall oder einem metallischen Material gebildet wird, wird vorzugsweise Ruthenium/Rutheniumdioxid (Ru/RuO₂) oder Polysilizium eingesetzt.
2 zeigt die in 1 veranschaulichte Anordnung nach einem Strukturieren der Formungsschicht derart, dass vertikale Grabenstrukturen 105 senkrecht zu der Oberfläche der Ansteuereinheit gebildet werden. In diesen Grabenstrukturen werden in den nachfolgenden Prozessschritten die Speicherelemente mit ferroelektrischem Material gebildet.
Die Grabenstrukturen 105 weisen seitliche Wände 105a und einen Boden 105b auf, welcher der Oberseite der Stoppschicht 103 entspricht. Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Grabenstrukturen derart bereitgestellt werden können, dass eine Ketten FeRAM-Speicherzellenanordnung ermöglicht wird. Hierbei ist der Auswahltransistor parallel zu dem Speicherkondensator angeordnet.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Grabenstrukturen ein großes Aspektverhältnis aufweisen. In bevorzugter Weise beträgt das Aspektverhältnis größer 10.
3 zeigt die in 2 veranschaulichte Anordnung nach einem Abscheiden einer Keimschicht 106 auf der strukturierten Formungsschicht 104 derart, dass die Keimschicht 106 die seitlichen Wände 105a und die Böden 105b der Grabenstrukturen bedeckt. Ferner werden bei einer Abscheidung der Keimschicht 106 die vorstehenden Oberflächen der Formungsschicht 104 bedeckt. Die Keimschicht dient als eine Nukleationsschicht für ein nachfolgend aufzubringendes Kristallisationsmittel.
4 zeigt die in 3 veranschaulichte Anordnung nach einem Entfernen derjenigen Bereiche der Keimschicht 106, die in den Böden 105b (siehe 2) und den oberen Oberflächen der Formungsschicht 104 (3) abgeschieden wurden. Ein derartiger Ätzprozess beruht auf beispielsweise einem reaktiven Ionenätzen, welches eine anisotrope Ätzung von Schichten derart bereitstellt, dass die an den seitlichen Wänden 105a der Grabenstrukturen 105 (2) abgeschiedene Keimschicht 106 erhalten bleibt.
Somit ist nach dem in 4 veranschaulichten Prozessschritt sichergestellt, dass eine Kristallisationsschicht von den seitlichen Wänden her in horizontaler Richtung aufwächst. Die Kristallisationsschicht ist gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als eine PZT-Schicht bereitgestellt.
In 5 ist die Anordnung nach dem oben beschriebenen Schritt (f) gezeigt, d.h. nach einem Befüllen der Grabenstrukturen 105 mit dem Kristallisationsmittel 107. Hierbei sorgt die an den seitlichen Wänden 105a der Grabenstrukturen 105 vorhandene Keimschicht 106 dafür, dass eine Kristallisation schrittweise von den seitlichen Wänden her fortschreitet. Hierbei bilden sich die Korngrenzen bei einem Kristallisationsprozess parallel zu der Stoppschicht 103 bzw. senkrecht zu der Oberfläche der Keimschicht 106 aus. Somit ist es möglich, dass nach einer Aufbringung der Kondensatorelektroden (untenstehend beschrieben) das elektrische Feld in dem Speicherkondensator parallel zu den Korngrenzen ausgerichtet ist.
Auf diese Weise kann eine Umschaltung des elektrischen Dipols effizient erfolgen, ohne dass eine derartige Umschaltung über Korngrenzen hinweg durchgeführt werden müsste. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, Stapelkondensatoren auszubilden, deren Elektrodenoberflächen senkrecht zu der Oberfläche des Substrats 101 bzw. der Oberfläche der Stoppschicht 103 ausgerichtet sind. Durch eine derartige Anordnung wird es ermöglicht, eine sogenannte Speicherkondensator-Kettenarchitektur bereitzustellen (Chain-FeRAM), wodurch eine hohe Speicherdichte derartiger nicht-flüchtiger PZT-basierter Speichervorrichtungen erzielt wird.
6 zeigt die in 5 veranschaulichte Anordnung nach dem Kristallisationsprozess, d.h. nachdem das Kristallisationsmittel 107 (5) derart kristallisiert ist, dass Korngrenzen einer entstehenden Kristallisationsfüllung senkrecht zu den Seitenwänden 105a der Grabenstrukturen 105 ausgerichtet sind.
Erfindungsgemäß erfolgt der Kristallisationsprozess durch ein Tempern bei einer Temperatur in einem Bereich von 500°C bis 750°C. 7 zeigt die in 6 veranschaulichte Anordnung nach einem Ätzen der oberen Bereiche der Kristallisationsfüllung 108 derart, dass die obere Oberfläche der Formungsschicht 104 freigelegt wird. Ferner wird eine Aussparung in dem Bereich der Kristallisationsfüllung 108 zwischen den Bereichen der Formungsschicht 104 geätzt.
Anschließend wird, wie in 8 veranschaulicht, auf die geätzte Struktur eine Abdeckungsschicht 109 auf die geätzten Bereiche der Kristallisationsfüllung 108 und die freigelegten Bereiche der Formungsschicht 104 aufgebracht. Die Abdeckungsschicht besteht vorzugsweise aus einem Titanoxidmaterial (TiO₂) oder einem Aluminiumoxidmaterial (Al₂O₃), um eine Selektivität für ein anschließendes Ätzen von Elektrodenlöchern 110 (untenstehend unter Bezugnahme auf 10 beschrieben) bereitzustellen. Zur weiteren Verbesserung der Selektivität kann eine Doppelschicht aus Titanoxid oder Aluminiumoxid und amorphem Silizium verwendet werden, da amorphes Silizium eine sehr gute Maskenschicht zum Ätzen von Siliziumdioxid, aus welchem die Formungsschicht 104 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gebildet ist, darstellt.
9 zeigt die in 8 veranschaulichte Anordnung nach einem chemisch-mechanischen Polieren (CMP = Chemical Mechanical Polishing) der Abdeckungsschicht 109 derart, dass die Abdeckungsschicht auf den Oberflächen der Kristallisationsfüllung 108 zum Teil erhalten bleibt, während sie auf den Oberflächen der Formungsschicht vollständig entfernt ist. Somit ist in einem anschließenden Ätzprozess die Kristallisationsfüllung 108 geschützt, während die Formungsschicht 104 auf effiziente Weise entfernt werden kann.
10 den Zustand nach dem Entfernen der Formungsschicht 104, das vorzugsweise durch einen anisotropen Ätzprozess bereitgestellt wird. Der Ätzprozess wird beispielsweise durch einen RIE-Prozess (Reactive Ion Etching = reaktives Ionenätzen) selektiv zu der Kristallisationsfüllung 108 durchge führt. Auf diese Weise sind in der Anordnung der 10 Elektrodenlöcher 110 gebildet, welche zur Aufnahme der Elektrodenstrukturen dienen.
11 zeigt die in 10 veranschaulichte Anordnung in einer Draufsicht. Hierbei sind die Abmessungen in einer zu der Oberfläche der Stoppschicht parallelen Richtung der Speicherzellen ungefähr 1 bis 3 mal so groß wie die Breite der dazwischenliegenden Isolationsschicht 102. Beträgt die Breite der Isolationsschicht 102F, so beträgt die Breite der Speicherzellenelemente 1-3·F.
12 zeigt die in 10 veranschaulichte Anordnung nach einem Abscheiden eines Elektrodenmaterials 111 in die Elektrodenlöcher 110. Das Elektrodenmaterial 111 besteht gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus Rutheniumoxid oder Iridiumoxid. Nach einem Abscheiden des Elektrodenmaterials 111 in den Elektrodenlöchern muss ein chemisch-mechanischer Polierprozess durchgeführt werden, um die Elektroden der Kondensatoren voneinander zu trennen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die in der Draufsicht der 11 gezeigten Kondensatorelemente eine elongierte Form in der Formungsschicht 104 auf. Hierbei reicht der Bereich der Kristallisationsfüllung 108 in die Isolationsschichtbereiche 102 herein, derart, dass Rundungen R ausgebildet sind, wie in 13 veranschaulicht. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die seitlichen Flächen der Elektrodenlöcher 110 parallel zueinander sind, derart, dass nach einem Abscheiden des Elektrodenmaterials 111 in den Elektrodenlöchern 110 eine Parallelität der Elektroden bereitgestellt ist.
14 zeigt die Verwendung eines Metallmaterials wie beispielsweise Ruthenium oder Rutheniumdioxid als die Formungsschicht 104. In 14(a) sind die Bereiche der Isolations schicht 102 in einer Draufsicht dargestellt. Ferner zeigt 14(b) ein Abscheiden der Formungsschicht 104, die in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aus einem Polysiliziummaterial besteht. 14(b) zeigt eine Maske M, mit welcher es ermöglicht wird, Bereiche der Formungsschicht 104 zu entfernen, um eine Grabenstruktur 105 auszubilden.
15(a) zeigt einen Zustand nach einem Ätzen der Grabenstrukturen 105, wobei Bereiche der Formungsschicht 104 und der Isolationsschicht 102 gezeigt sind. Wie obenstehend unter Bezugnahme auf das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, wird ein Kristallisationsmittel 107 in die Grabenstruktur 105 eingebracht und kristallisiert, derart, dass eine Kristallisationsfüllung 108 erhalten wird, wie in 15(b) dargestellt. Anschließend wird die Formungsschicht 104 entfernt, derart, dass einzelne Bereiche der Kristallisationsfüllung 108, die eine Kettenstruktur der Speicherelemente bilden, erhalten bleiben, wie in 15(c) veranschaulicht. Hierbei betragen die Breitendimensionen der Bereiche der Kristallisationsfüllung 108 etwa 1-3·F, wobei F die Breite der Isolationsschicht 102 darstellt (15(c)).
Mit den in den 14 und 15 gezeigten Prozessschritten ist es somit möglich, zunächst abwechselnd Streifen von Polysilizium und Siliziumdioxid aufzubringen und die anschließend mit Hilfe der in 14(c) gezeigten Maske M derart zu ätzen, dass die Kettenstruktur der Speicherzellenanordnung erzeugt wird. Wie in dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Raum zwischen den freistehenden Bereichen der Kristallisationsfüllung 108, d.h. die Elektrodenlöcher 110 anschließend mit einem Elektrodenmaterial 111 befällt, obwohl dies in 15 nicht veranschaulicht ist.
Ferner ist es möglich, in dem in 14(b) gezeigten Prozessschritt abwechselnde Streifen aus Ruthenium/Rutheniumdioxid und Siliziumdioxid einzusetzen.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Speicherzellen bereit, die ein ferroelektrisches Material aufweisen. In vorteilhafter Weise werden mit derartigen Speicherzellen nicht-flüchtige Speichervorrichtungen ermöglicht, die eine hohe Speicherdichte aufweisen. Durch die Kombination der vertikalen ferroelektrischen Kondensatoren mit einer Chain-FeRAM-Anordnung werden Speichervorrichtungen mit einer hohen Speicherdichte bei einer kostengünstigen Herstellung der zugehörigen Speicherzellen ermöglicht.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Auch ist die Erfindung nicht auf die oben genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.

100: Ansteuereinheit
101: Substrat
101a, 101b: Auswahltransistoreinheiten mit Anschlusselementen
: aus Wolframmaterial
102: Isolationsschicht
102a, 102b: Diffusionsbarrierenschicht
103: Stoppschicht
104: Formungsschicht
105: Grabenstruktur
105a: Seitliche Wand
105b: Boden
106: Keimschicht
107: Kristallisationsmittel
108: Kristallisationsfüllung
109: Abdeckungsschicht
110: Elektrodenlöcher
111: Elektrodenmaterial

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Speichervorrichtung, welche Speicherzellen und Einrichtungen zum Ansprechen der Speicherzellen aufweist, mit den Schritten: a) Bilden einer mikrostrukturierten Ansteuereinheit (100) für Speicherzellen durch ein Bereitstellen eines Substrats (101) mit einer darauf abgeschiedenen Isolationsschicht (102), in welche Auswahltransistoreinheiten (101a, 101b) mit jeweils darauf aufgebrachten Diffusionsbarrierenschichten (102a, 102b) eingebettet sind; b) Abscheiden einer Stoppschicht (103) auf der mikrostrukturierten Ansteuereinheit (100); c) Abscheiden einer Formungsschicht (104) auf der Stoppschicht (103); d) Strukturieren der abgeschiedenen Formungsschicht (104) derart, dass vertikale Grabenstrukturen (105) senkrecht zur Oberfläche der Ansteuereinheit (100) gebildet werden; e) Abscheiden einer Keimschicht (106) auf der strukturierten Formungsschicht (104) derart, dass die Keimschicht (106) seitliche Wände (105a) und einen Boden (105b) der Grabenstrukturen (105) bedeckt; f) Befüllen der Grabenstrukturen (105) mit einem Kristallisationsmittel (107); g) Kristallisieren des Kristallisationsmittels (107), wobei Korngrenzen entstehen, die senkrecht zu den Seitenwänden (105a) der Grabenstrukturen (105) ausgerichtet sind; h) Ätzen der Kristallisationsfüllung (108) an der Oberseite des in den Schritten a) bis g) gebildeten Schichtstapels derart, dass die Oberfläche der Formungsschicht (104) freigelegt wird; i) Abscheiden einer Abdeckungsschicht (109) auf der geätzten Kristallisationsfüllung (108) und den freigelegten Bereichen der Formungsschicht (104); j) chemisch-mechanisches Polieren (CMP) der Abdeckungsschicht (109) derart, dass auf der Oberfläche der Kristallisationsfüllung (108) ein Bereich mit einem Teil der Abdeckungsschicht (109) erhalten bleibt; k) Entfernen der Formungsschicht (104) und der seitlichen Bereiche der Keimschicht (106) derart, dass Elektrodenlöcher (110) gebildet werden; und l) Abscheiden eines Elektrodenmaterials (111) in die Elektrodenlöcher (110).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (101) aus einem Siliziummaterial (Si) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (102) aus einem Siliziumdioxidmaterial (SiO₂) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahltransistoreinheiten (101a, 101b) Anschlusselemente aus einem Wolframmaterial umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils auf den Auswahltransistoreinheiten (101a, 101b) aufgebrachten Diffusionsbarrierenschichten (102a, 102b) aus einem Iridium/Iridiumoxid-Schichtstapel bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoppschicht (103) aus einem Titanoxidmaterial (TiO₂) oder einem Aluminiumoxidmaterial (Al₂O₃) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formungsschicht (104) aus einem Isolationsmaterial bereitgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial der Formungsschicht (104) aus Siliziumdioxid (SiO₂) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formungsschicht (104) aus einem Metall oder einem metallischen Material gebildet wird, wobei a) das Metall bzw. das metallische Material nach dem Schritt d) eines Strukturierens der Formungsschicht (104) zwischen den Speicherelementen entfernt wird; und b) der entstehende Zwischenraum mit einem Isolationsmaterial aufgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall bzw. das metallische Material aus Ruthenium/Rutheniumdioxid (Ru/RuO₂) oder Polysilizium besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial aus Siliziumdioxid (SiO₂) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt f) eines Befüllens der Grabenstrukturen (105) mit einem Kristallisationsmittel (107) organische Bestandteile ausgebrannt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Strukturieren der abgeschiedenen Formungsschicht (104) derart, dass die vertikalen Grabenstrukturen (105) senkrecht zur Oberfläche der Ansteuereinheit (100) gebildet werden, die vertikalen Grabenstrukturen (105) mit einem Aspektverhältnis von größer als 10 bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Strukturieren der abgeschiedenen Formungsschicht (104) die vertikalen Grabenstrukturen (105) eine in einer zu dem Substrat (101) parallelen Richtung elongiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimschicht (106) aus einem Titanoxidmaterial (TiO₂) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimschicht (106) mittels eines atomaren Schichtdepositionsprozesses (ALD) auf der strukturierten Formungsschicht (104) abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimschicht (106) vor dem Schritt f) eines Befüllens der Grabenstrukturen (105) mit einem Kristallisationsmittel (107) von den Böden (105b) der Grabenstrukturen (105) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kristallisieren des Kristallisationsmittels (107) bei einer Temperatur in einem Bereich von 500 °C bis 750 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimschicht (106) von den Böden (105b) der Grabenstrukturen (105) mittels eines anisotropen Ätzprozesses (RIE) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kristallisationsmittel (107) aus einem Bleizirkonattitanatmaterial (Pb(Zr,Ti)O₃; PZT) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Formungsschicht (104) in dem Schritt k) durch einen anisotropen Ätzprozess (RIE) selektiv zu der Kristallisationsfüllung (108) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial (111) Rutheniumoxid und/oder aus Iridiumoxid enthält.