DE102004047305B4 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit vertikalen Kondensatoren mit mehreren voneinander getrennten Dielektrikumsblöcken - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Herstellen eines Bauteils mit vertikalen Kondensatoren mit mehreren
voneinander getrennten Dielektrikumblöcken,
bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden:
– Ausbilden einer strukturierten Nukleationsschicht (18) aus TiO2,
– Aufwachsen einer Pb(Zr, Ti)O3-Schicht (4) auf der strukturierten Nukleationsschicht (18), und
– Vereinzeln der Pb(Zr, Ti)O3-Schicht (4) in mehrere Dielektrikumblöcke, und
– Ausbilden von Elektroden in den Freiräumen zwischen den Dielektrikumblöcken.
bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden:
– Ausbilden einer strukturierten Nukleationsschicht (18) aus TiO2,
– Aufwachsen einer Pb(Zr, Ti)O3-Schicht (4) auf der strukturierten Nukleationsschicht (18), und
– Vereinzeln der Pb(Zr, Ti)O3-Schicht (4) in mehrere Dielektrikumblöcke, und
– Ausbilden von Elektroden in den Freiräumen zwischen den Dielektrikumblöcken.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit vertikalen Kondensatoren mit mehreren voneinander getrennten Dielektrikumsblöcken und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Pb(Zr, Ti)O3-Schicht sowie insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines aus Pb(Zr, Ti)O3 bestehenden Dielektrikums eines Kondensators.
- FeRAM-Bauteile (ferroelektrische Speicherbausteine mit wahlfreiem Zugriff) sind bekannt. In der folgenden Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die
1A bis1C ein Teil eines herkömmlichen Herstellungsprozesses eines derartigen Bauteils näher erläutert. Dieser Herstellungsprozess entspricht im Wesentlichen dem aus derDE 101 52 636 A1 bekannten Verfahren. - Ausgangspunkt ist hierbei das in
1A gezeigte Prozessstadium100 . Zu sehen sind eine Anordnung1 mit mehreren Transistoren2 , die miteinander verkettet sind, eine auf der Anordnung1 vorgesehene Al2O3-Schicht3 sowie eine auf der Al2O3-Schicht3 angeordnete Pb(Zr, Ti)O3-Schicht4 (genauer gesagt: eine Pb(Zrx, Ti1-x)O3-Schicht, wobei x ∈ [0 bis 1] (stöchiometrisches Verhältnis variabel); im Folgenden als „PZT-Schicht" bezeichnet). - Die Anordnung
1 weist ein p-dotiertes Substrat5 auf, in dem n+-dotierte Sourcegebiete6 sowie n+-dotierte Draingebiete7 eingebettet sind. Die Anordnung1 hat ferner Gateelektroden8 , die durch Isolationsschichten9 gegenüber den Sourcegebie ten/Draingebieten6 ,7 elektrisch isoliert sind. Weiterhin sind die Gateelektroden8 nach oben hin durch Isolationsschichten10 isoliert. In der Anordnung1 sind ferner leitfähige Verbindungen („flugs")11 vorgesehen, die jeweils ein Sourcegebiet6 sowie ein Draingebiet7 kontaktieren und an die Al2O3-Schicht3 angrenzen. Der obere Teil jedes flugs11 besteht in dieser Ausführungsform aus Iridium, wohingegen der untere Teil jedes flugs11 aus Polysilizium oder Wolfram gebildet ist. Die verbleibenden Freiräume zwischen den flugs11 und den Isolationsschichten10 sind mit einem geeigneten Isolator12 aufgefüllt. - Nun wird, wie in dem in
1B gezeigten Prozessstadium200 angedeutet ist, ein Ätzprozess (vorzugsweise ein Reactive-Ion-Etching-Verfahren) durchgeführt, wobei die Ätztiefe so gewählt wird, dass sowohl die PZT-Schicht4 als auch die Al2O3-Schicht3 strukturiert werden. So verbleibende PZT-Blöcke13 der PZT-Schicht4 bilden die Dielektrika von Kondensatoren, wobei jeder PZT-Block13 zusammen mit entsprechenden, in1B noch nicht gezeigten Elektroden, eine Speicherzelleneinheit des FeRAM-Bauteils darstellt. - Im linken Teil von
1B ist eine Draufsicht auf einen Teil der im rechten Teil von1B gezeigten Querschnittsdarstellung des FeRAM-Bauteils dargestellt. - Nun werden in einem weiteren Prozessstadium
300 , das in1C gezeigt ist, die durch den Ätzprozess erzeugten Freiräume zwischen den PZT-Blöcken13 mit einem leitfähigen Material gefüllt, womit Elektroden14 ausgebildet werden. Des Weiteren wird oberhalb der Elektroden14 der PZT-Blöcke13 eine Passivierungsschicht15 abgeschieden. - Jeder Kondensator wird aus einem PZT-Block
13 sowie zwei Elektroden14 , die den PZT-Block13 einfassen, gebildet, wobei jeder Kondensator eine Speicherzelle des FeRAM-Bauteils darstellt. - Im linken Teil von
1C ist wiederum eine Draufsicht auf die im rechten Teil von1C gezeigte Querschnittsdarstellung des FeRAM-Bauteils abgebildet. Zu sehen ist, dass die Kondensatoren (d.h. die Speicherzellen) durch Isolationsschichten16 voneinander isoliert sind. - Durch Ansteuern der unter einem PZT-Block liegenden Gateelektrode
8 kann der in dem PZT-Block gespeicherte Wert ausgelesen bzw. geändert werden. - Das in
1A bis1C gezeigte Herstellungsverfahren ist ein Ausschnitt aus dem Prozessablauf für die Herstellung von FeRAMs mit vertikalem Kondensator. Die vertikale Anordnung in Kombination mit der sogenannten „Chain Architektur" erlaubt die Herstellung besonders kleiner Speicherzellen mit einem Flächenverbrauch von minimal 4F2 (F = minimale Strukturbreite der verwendeten Prozesstechnologie). Wird die vertikale Anordnung des Kondensators in extrem kleinen Speicherzellen (z. B. für F = 70 nm) eingesetzt, wie dies in2 gezeigt ist, so treten Probleme auf, die im Folgenden in Zusammenhang mit3 erläutert werden. - Das Aufwachsen der PZT-Schicht
14 erfolgt in Form von Körnern, d. h., die PZT-Schicht4 setzt sich aus einer Vielzahl von Körnern unterschiedlicher Korngröße zusammen. Die Korngrößen hängen hierbei von den Abscheidebedingungen ab und schwanken in der Regel zwischen 50 und 200 nm. Wenn, wie in2 gezeigt ist, die Grundfläche des PZT-Blocks13 70 nm betragen soll, kann in der Regel nicht vorhergesagt werden, ob nach Ausbilden der PZT-Blöcke13 innerhalb eines bestimmten PZT-Blocks13 eine Korngrenze verläuft oder nicht. Liegt, wie im linken Teil von3 gezeigt ist, der PZT-Block13 vollständig innerhalb eines Korns17 , so verläuft innerhalb des PZT-Blocks13 keine Korngrenze. Liegt der PZT-Block13 jedoch in einem Gebiet, in dem zwei Körner17 aneinander stoßen, wie im rechten Teil in3 gezeigt ist, so verläuft innerhalb des PZT-Blocks13 eine Korngrenze18' . - Problematisch hierbei ist, dass sich die ferroelektrischen Eigenschaften der PZT-Blöcke
13 (d. h. der Kondensatoren) voneinander unterscheiden, je nachdem, ob innerhalb des PZT-Blocks13 eine Korngrenze18 verläuft oder nicht. Wenn daher eine Speicherzelle ausgelesen wird, in der eine Korngrenze verläuft, so wird sich das entsprechende Auslesesignal in der Regel von einem Auslesesignal für eine Speicherzelle, in der keine Korngrenze verläuft, unterscheiden. Die Auslesesignal-Toleranzbereiche für die binären Werte „0" und „1", die in den Speicherzellen gespeichert sind, fallen demnach sehr hoch aus. - Im einzelnen ist aus der
DE 102 42 033 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem eine Hartmaskenschicht, die aus Titanoxid bestehen kann, strukturiert wird, bevor eine dielektrische Schicht, die beispielsweise aus PZT besteht, auf diese aufgebracht wird. - Weiterhin ist aus der
US 2002/0182754 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem eine Nukleationsschicht aus beispielsweise Titanoxid nur selektiv auf einer bereits strukturierten unteren Elektrode gebildet wird, also selbst strukturiert ist, wenn anschließend eine ferroelektrische PZT-Schicht aufgebracht wird. - Schließlich ist aus der
US 6 340 600 B1 ein Verfahren bekannt, bei dem mittels einer strukturierten Nukleationsschicht erreicht wird, dass in vereinzelten Dielektrikumsblöcken eine einkristalline PZT-Schicht gebildet wird. Als Nukleationskeim wird dabei eine PZT-Schicht verwendet. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannte Art anzugeben, mit dem einerseits Speicherzellen mit sehr geringen Abmessungen hergestellt werden können, bei dem aber andererseits die oben beschriebene Korngrenzenproblematik vermieden werden kann.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
- Die Erfindung ermöglicht ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Pb(Zr, Ti)O3-Schicht, bei dem eine strukturierte Nukleationsschicht aus TiO2 ausgebildet wird, wobei auf der strukturierten Nukleationsschicht anschließend eine Pb(Zr, Ti)O3-Schicht aufgewachsen wird.
- Dieses Grundprinzip kann insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen eines aus Pb(Zr, Ti)O3 bestehenden Dielektrikums eines Kondensators angewandt werden, wobei zunächst eine Nukleationsschicht aus TiO2 ausgebildet wird, deren Grundfläche im Wesentlichen (kann etwas kleiner oder größer sein) der Grundfläche des auszubildenden Dielektrikums entspricht, oder deren Grundfläche ein Teil der Grundfläche des auszubildenden Dielektrikums ist, und wobei anschließend eine das Dielektrikum bildende Pb(Zr, Ti)O3-Schicht auf der Nukleationsschicht aufgewachsen wird.
- Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist es, durch die Verwendung der aus TiO2 bestehenden Nukleationsschicht zu steuern, an welchen Positionen bzw. in welchen Bereichen sich PZT-Körner ausbilden (genauer gesagt: an welchen Punkten das Wachstum der PZT-Körner beginnt), womit auch automatisch die Lage der Korngrenzen zwischen den PZT-Körnern gesteuert wer den kann. Wichtig ist es, dass sich die TiO2-Nukleationsschicht innerhalb der Grundfläche des auszubildenden Dielektrikums befindet, um die Startposition des Kristallwachstums innerhalb die Grundfläche zu legen. Die TiO2-Nukleationsschicht muss jedoch die Grundfläche des auszubildenden Dielektrikums nicht vollständig abdecken, da bereits ein Teil ausreichend ist.
- Wenn die Nukleationsschicht so ausgebildet wird, dass die Länge und Breite von deren Grundfläche jeweils weniger als 200 nm betragen, so können Korngrenzen innerhalb der PZT-Blöcke bereits mit einer hohen Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Werden die Ausmaße der Nukleationsschicht so gewählt, dass die Länge und Breite der Nukleationsschicht-Grundfläche jeweils weniger als 50 nm beträgt, so können Korngrenzen innerhalb der PZT-Blöcke mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden.
- Die Herstellung der Nukleationsschicht kann beispielsweise erfolgen, indem in eine Basisschicht eine Aussparung eingebracht wird, deren Grundfläche im Wesentlichen der Grundfläche des auszubildenden Dieelektrikums entspricht, und anschließend die Aussparung mit TiO2 gefüllt wird. Die Nukleationsschicht kann hierbei vor Ausbilden der PZT-Schicht planarisiert werden, sodass die Oberfläche der Nukleationsschicht mit der Oberfläche der Al2O3-Schicht eine gemeinsame Oberfläche bildet.
- Alternativ hierzu kann die Herstellung der Nukleationsschicht erfolgen, indem die Nukleationsschicht auf eine Basisschicht aufgebracht wird, und anschließend so strukturiert wird, dass die Grundfläche der verbleibenden Nukleationsschicht der Grundfläche des auszubildenden Dielektrikums entspricht.
- Die Basisschicht besteht vorzugsweise aus einem isolierenden Material, beispielweise Al2O3, kann jedoch auch aus anderen Materialien bestehen.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist der oben beschriebene Kondensator Bestandteil einer Speicherzelle eines FeRAM-Bauteils.
- Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
-
1A ein erstes Prozessstadium eines bekannten Herstellungsverfahrens eines FeRAM-Bauteils. -
1B ein zweites Prozessstadium eines bekannten Herstellungsverfahrens eines FeRAM-Bauteils. -
1C ein drittes Prozessstadium eines bekannten Herstellungsverfahrens eines FeRAM-Bauteils. -
2 eine schematische Darstellung der Abmessungen eines Teils eines erfindungsgemäß hergestellten FeRAM-Bauteils. -
3 eine schematische Darstellung eines Bereichs einer PZT-Schicht mit den Positionen der Korngrenzen innerhalb der PZT-Schicht. -
4 eine erste bevorzugte Ausführungsform der im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren eingesetzten Nukleationsschicht. -
5 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren eingesetzten Nukleationsschicht. - In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile oder Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Sämtliche Ausführungsformen können invers dotiert sein, d. h. p-Gebiete und n-Gebiete können miteinander vertauscht sein.
- In
4 ist ein Prozessstadium einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gezeigt. In dieser Ausführungsform wurde eine isolierende Schicht (Al2O3)3 mit Aussparungen durchsetzt, in die anschließend TiO2 gefüllt wurden. Die mit TiO2 gefüllten Bereiche bilden Nukleationsschichtbereiche18 aus, die dafür sorgen, dass das Wachstum der PZT-Körner, die auf der Oberfläche20 aufgewachsen werden, innerhalb der Grundflächen G beginnt, die die Oberflächen der Nukleationsschichtbereiche18 darstellen. In4 ist hierbei nur eine Dimension der Grundfläche G der Nukleationsschichtbereiche18 angedeutet. - Nach Aufwachsen einer PZT-Schicht
4 auf der Oberfläche20 wird die PZT-Schicht4 dann zusammen mit den Al2O3-Schichtbereichen3 sowie den Nukleationsschichtbereichen18 in gewohnter Weise mittels eines Reactive-Ion-Etching-Prozesses geätzt, wie bereits im Zusammenhang mit1B beschrieben wurde. Anschließend wird leitfähiges Material zum Ausbilden der Elektroden14 in die durch den Ätzprozess erzeugten Freiräume (d.h. zwischen PZT-Blöcke13 , die durch den Ätzprozess erzeugt wurden) eingebracht. - Das in
5 angedeutete Herstellungsverfahren unterscheidet sich von dem in4 gezeigten Herstellungsverfahren lediglich dadurch, dass anstelle einer Strukturierung der Al2O3- Schicht3 eine Strukturierung einer auf der Al2O3-Schicht3 abgeschiedenen Nukleationsschicht in verschiedene Nukleationsschichtbereiche18 erfolgt. Anschließend wird, wie bereits im Zusammenhang mit1B beschrieben wurde, eine PZT-Schicht4 auf der Oberfläche20 aufgebracht und anschließend durch entsprechende Ätzprozesse in unterschiedliche PZT-Blöcke13 strukturiert. - In
4 und5 sind der Einfachheit halber lediglich Teile der in1A bis1C gezeigten Anordnung1 gezeigt. - Im folgenden werden weitere Aspekte der Erfindung erläutert.
- Erfindungsgemäß sollen ferroelektrische Pb(Zr, Ti)O3-(PZT)-Kondensatoren ohne Korngrenzen strukturiert werden. FeRAMs hoher Speicherdichte sind beispielsweise mit vertikalen Kondensatoren und "Chain-Architektur" realisierbar. Zur Herstellung eines vertikalen ferroelektrischen PZT-Kondensators wird eine PZT-Schicht auf einer isolierenden Unterlagen (z. B. Al2O3) abgeschieden, geätzt und an den Seitenwänden der Ätzstruktur Elektroden angebracht.
- Die Korngröße der PZT-Schicht liegt dabei je nach Abscheidebedingungen zwischen 50 und 200 nm. Auf der Al2O3-Schicht wachsen die PZT-Körner an nicht kontrollierbaren Stellen auf. Als Ergebnis erhält man nach dem Strukturieren der PZT-Schicht Kondensatoren (PZT-Blöcke) mit und ohne Korngrenzen, je nachdem, ob der Kondensator nur aus einem Korn besteht, oder mehrere Körner umfasst. Die Richtung des elektrischen Feldes zum Umschalten der ferroelektrischen Polarisation der PZT-Blöcke liegt im vertikalen Kondensator senkrecht zu den Korngrenzen. Die ferroelektrischen Eigenschaften dieser beiden Kondensatortypen (mit und ohne Korngrenze) unterscheiden sich deutlich voneinander. Da ein Kondensator zusammen mit dem Auswahltransistor immer eine Speicherzelle darstellt, wird als Ergebnis eine sehr breite Signalverteilung für „0" und „1" erwartet.
- In bekannten FeRAMs verläuft der Kondensator parallel zur Substratoberfläche, und das elektrische Feld verläuft parallel zu den Korngrenzen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt eine Möglichkeit auf, durch Strukturierung einer Nukleationsschicht das Kristallitwachstum der PZT-Schicht an definierten Stellen zu starten und so die Korngrenzen aus dem Kondensatorbereich fernzuhalten. Es wird also eine Nukleationsschicht genau an der Stelle strukturiert, an der nach der Strukturierung des Kondensators das ferroelekrische Material verbleibt.
- In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird auf der isolierenden Al2O3-Schicht eine dünne TiO2-Schicht genau an den Stellen strukturiert, an denen im weiteren Prozessablauf das Ferroelektrikum des Kondensators verbleibt. In einer zweiten Ausführungsform wird eine TiO2-Schicht an den relevanten Stellen im Al2O3 vergraben.
-
- 100, 200, 300
- Prozessstadium
- 1
- Anordnung
- 2
- Transistor
- 3
- Al2O3-Schicht
- 4
- PZT-Schicht
- 5
- Substrat
- 6
- Sourcegebiet
- 7
- Draingebiet
- 8
- Gateelektrode
- 9, 10
- Isolationsschicht
- 11
- Plug
- 12
- Isolator
- 13
- PZT-Block
- 14
- Elektrode
- 15
- Passivierungsschicht
- 16
- Isolationsschicht
- 17
- Korn
- 18
- Nukleationsschicht
- 19
- Iridium-Schicht
- 20
- Oberfläche
- G
- Nukleationsschicht-Grundfläche
- 18
- Korngrenze
Claims (9)
- Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit vertikalen Kondensatoren mit mehreren voneinander getrennten Dielektrikumblöcken, bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden: – Ausbilden einer strukturierten Nukleationsschicht (
18 ) aus TiO2, – Aufwachsen einer Pb(Zr, Ti)O3-Schicht (4 ) auf der strukturierten Nukleationsschicht (18 ), und – Vereinzeln der Pb(Zr, Ti)O3-Schicht (4 ) in mehrere Dielektrikumblöcke, und – Ausbilden von Elektroden in den Freiräumen zwischen den Dielektrikumblöcken. - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Nukleationsschicht mehrere Nukleationsschichtbereiche (G) aufweist, wobei die Längen und Breiten der Nukleationsschichtbereiche (G) jeweils weniger als 200 nm betragen.
- Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Längen und Breiten der Nukleationsschichtbereiche (G) jeweils weniger als 50 nm betragen.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Ausbilden der strukturierten Nukleationsschicht (
18 ) erfolgt, indem in eine Basisschicht (3 ) Aussparungen eingebracht werden, deren Positionen den Positionen der auszubildenden Dieelektrikumblöcke (13 ) entsprechen, und anschließend die Aussparungen mit TiO2 gefüllt werden. - Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Nukleationsschicht (
18 ) vor Ausbilden der Pb(Zr, Ti)O3-Schicht (4 ) planarisiert wird, derart, dass die Oberfläche der Nukleationsschicht (18 ) mit der Oberfläche der Basisschicht (3 ) eine planare Oberfläche (20 ) bildet. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Ausbilden der strukturierten Nukleationsschicht (
18 ) erfolgt, indem die Nukleationsschicht (18 ) auf eine Basisschicht (3 ) aufgebracht wird, und anschließend so strukturiert wird, dass die Positionen der verbleibenden Nukleationsschichtbereiche (G) den Positionen der auszubildenden Dieelektrikumblöcke (13 ) entsprechen. - Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Basisschicht (
3 ) aus einem isolierenden Material besteht. - Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die Basisschicht (
3 ) aus Al2O3 besteht. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Bauteil ein FeRAM-Bauteil ist.
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