DE102005008391B3

DE102005008391B3 - FeRAM-Speicherzelle zum Speichern von mehr als zwei Zuständen und Verfahren zum Herstellen einer solchen

Info

Publication number: DE102005008391B3
Application number: DE102005008391A
Authority: DE
Inventors: Rainer Bruchhaus; Thomas RÖHR
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2025-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer FeRAM-Speicherzelle zum Speichern von mehr als zwei Zuständen, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Substrats;
- Aufbringen einer ersten ferroelektrischen Schicht mit einem ersten ferroelektrischen Material, das eine erste Koerzitivspannung aufweist, auf der Oberfläche des Substrats;
- Aufbringen einer zweiten ferroelektrischen Schicht mit einem zweiten ferroelektrischen Material, das eine zweite Koerzitivspannung aufweist, die von der ersten Koerzitivspannung verschieden ist;
- Aufbringen einer strukturierten Ätzmaske auf die zweite ferroelektrische Schicht, wobei mindestens zwei Elektrodenbereiche definiert werden, die Kondensatorelektroden der FeRAM-Speicherzelle bilden;
- Ätzen von Gräben durch die zweite ferroelektrische Schicht und durch die erste ferroelektrische Schicht;
- Auffüllen der Gräben mit einem leitfähigen Elektrodenmaterial, um die Kondensatorelektroden zu bilden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine FeRAM-Speicherzelle, die mit einem solchen Verfahren hergestellt werden kann.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer FeRAM-Speicherzelle. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer FeRAM-Speicherzelle zum Speichern von mehr als zwei Zuständen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine FeRAM-Speicherzelle, die mit einem solchen Verfahren hergestellt werden kann.

Ferroelektrische Speicher werden mit ferroelektrischen Speicherelementen aufgebaut, die im Wesentlichen einen Kondensator mit zwei Kondensatorelektroden aufweisen, zwischen denen ein ferroelektrisches Material eingebracht ist. Dem ferroelektrischen Material kann durch ein angelegtes elektrisches Feld eine Polarisation eingeprägt werden. Durch unterschiedliche Polarisationen werden verschiedene Zustände definiert, die jeweils einem Speicherzustand einer mit dem ferroelektrischen Speicherelement gebildeten Speicherzelle zugeordnet werden. Die Polarisation in dem ferroelektrischen Speicherelement lässt sich dauerhaft einstellen, so dass mithilfe eines solchen Speicherelements ein nicht-flüchtiger Speicher aufgebaut werden kann.

Im Vergleich zu anderen nicht-flüchtigen Speichern, beispielsweise EEPROM-Speicher und Flash-Speicher ist die Speicherdichte bei ferroelektrischen Speicher weniger als halb so groß, so dass die Leistungsfähigkeit und Kapazität von FeRAM-Speichern nicht an die von EEPROM-Speicher bzw. Flash-Speicher heranreicht.

Aus der Druckschrift DE 197 24 449 A1 ist implizit ein Verfahren zur Herstellung einer FeRAM-Speicherzelle zum Speichern von mehr als zwei Zuständen entnehmbar, wobei eine ers te ferroelektrische Schicht unmittelbar auf einer zweiten ferroelektrischen Schicht aufgebracht ist, die bezüglich seitlich angeordneter Kondensatorelektroden verschiedene Dicken aufweisen, um unterschiedliche Koerzitivspannungen zu realisieren.

Die Druckschrift US 2003/0053346 A1 offenbart eine horizontale Anordnung einer FeRAM-Speicherzelle mit mehreren ferroelektrischen Schichten.

Die Druckschrift DE 101 52 636 A1 offenbart eine FeRAM-Speicherzelle, die einen vertikalen Speicherkondensator aufweist, bei dem die Elektroden in Gräben in einem ferroelektrischen Material eingebracht werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer FeRAM-Speicherzelle zur Verfügung zu stellen, mit dem eine FeRAM-Speicherzelle mit einer höheren Speicherdichte aufgebaut werden kann. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine FeRAM-Speicherzelle mit einer erhöhten Speicherdichte zur Verfügung zu stellen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer FeRAM-Speicherzelle zum Speichern von mehr als zwei Zuständen vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Substrats; des Aufbringens einer ersten ferroelektrischen Schicht mit einem ersten ferroelektrischen Material, das eine erste Koerzitivfeldstärke aufweist, auf der Oberfläche des Substrats; des Aufbringens einer zweiten ferroelektrischen Schicht mit einem zweiten ferroelektrischen Material, das eine zweite Koerzitivfeldstärke aufweist, die von der ersten Koerzitivfeldstärke verschieden ist, auf die erste ferroelektrische Schicht des Aufbringens einer strukturierten Ätzmaske auf die zweite ferroelektrische Schicht, wobei mindestens zwei Elektrodenbereiche für Kondensatorelektroden freigelegt werden; des Ätzens von Gräben durch die zweite ferroelektrische Schicht und durch die erste ferroelektrische Schicht unter Verwendung der Ätzmaske und des Auffüllens der Gräben mit einem leitfähigen Elektrodenmaterial, um die Kondensatorelektroden zu bilden, so dass die zwei Kondensatorelektroden in den Gräben mit den zwischen den Gräben liegenden Bereichen der ersten und zweiten ferroelektrischen Schicht den ferroelektrischen Kondensator bilden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine FeRAM-Speicherzelle zum Speichern von mehr als zwei Zuständen zur Verfügung zu stellen. Dies wird erreicht, indem zwischen zwei Kondensatorelektroden zwei verschiedene ferroelektrische Materialien eingebracht werden, so dass sich diese in einer Richtung, die senkrecht zur Abstandsrichtung der Kondensatorelektroden verläuft, nebeneinander angeordnet sind. Dadurch wird eine stufenförmige Hysterese der Polarisations-Spannungs-Kennlinie des ferroelektrischen Bauelements erreicht, die es ermöglicht, mehr als zwei Zustände in Form einer Kombination der Werte für die remanente Polarisation der ferroelektrischen Materialien einzunehmen. Das erfindungsge mäße Verfahren ermöglicht es, auf einfache Weise, eine solche FeRAM-Speicherzelle herzustellen, wobei das ferroelektrische Speicherelement durch eine Kondensatorstruktur gebildet wird, deren Kondensatorelektroden senkrecht bezüglich der Substratoberfläche verlaufen, so dass eine möglichst kleine Bauform erreicht werden kann. Weiterhin ermöglicht der Aufbau mit zwei ferroelektrischen Materialien auf einer Fläche, die ansonsten von einem FeRAM-Speicherelement mit nur einem ferroelektrischen Bereich benötigt wird, die speicherbare Datenmenge zu erhöhen, so dass insgesamt die Speicherdichte erhöht werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in dem Substrat eine Auswahltransistorstruktur vorgesehen und das Substrat mit einer Isolationsschicht versehen wird, wobei ein Kontaktierungsbereich in der Isolationsschicht vorgesehen wird, um eine Kontaktierung der Auswahltransistorstruktur über die Oberfläche der Isolationsschicht bereitzustellen. Auf diese Weise ist es möglich, eine FeRAM-Speicherzelle mit einem Auswahltransistor und einem FeRAM-Speicherelement zur Verfügung zu stellen, bei dem der Auswahltransistor und das FeRAM-Speicherelement im wesentlichen übereinander angeordnet sind, so dass eine so gebildete FeRAM-Speicherzelle einen möglichst geringen Flächenbedarf aufweist.

Vorzugsweise ist der Kontaktierungsbereich mit Polysilizium gebildet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Kontaktierungsbereich mit einer Barrierenschicht versehen werden, um eine Vermischung des Elektrodenmaterials mit dem Material des Kontaktierungsbereiches durch Diffusion zu verhindern.

Vorzugsweise kann die strukturierte Ätzmaske so vorgesehen werden, dass beim nachfolgenden Ätzen des Kontaktierungsbereichs durch mindestens einen der Gräben freigelegt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vor dem Aufbringen der ersten ferroelektrischen Schicht eine Diffusionshemmschicht auf der Oberfläche des Substrats aufgebracht werden, die Diffusionshemmschicht kann vorzugsweise mit Al₂O₃ gebildet sein.

Insbesondere kann das erste und das zweite ferroelektrische Material aus der Gruppe der Materialien SrBi₂Tg₂O₉, Pb(Zr, Ti)O₃, LiNbO₃ und LiTaO₃ ausgewählt sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Ätzen mithilfe eines Trockenätzprozesses durchgeführt werden, um insbesondere ein großes Aspektverhältnis der Tiefenätzung zu erreichen.

Vorzugsweise enthält des Elektrodenmaterial, das in die Gräben eingebracht wird, IrO₂. Das Elektrodenmaterial kann insbesondere mithilfe eines MOCVD-Verfahrens aufgebracht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann zwischen die erste ferroelektrische Schicht und die zweite ferroelektrische Schicht eine Diffusionsbarrierenschicht aufgebracht werden, um die Diffusion von Material zwischen den ferroelektrischen Schichten zu verhindern. Auf diese Weise wird verhindert, dass die ferroelektrischen Schichten verunreinigt werden und degradieren, wenn die ferroelektrischen Schichten zum Auskristallisieren erhitzt werden.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass nach dem Aufbringen der ersten und/oder der zweiten ferroelektrischen Schicht ein Temperaturprozess durchgeführt wird, bei dem das erste und/oder das zweite ferroelektrische Material in einen kristallinen Zustand überführt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine FeRAM-Speicherzelle zum Speichern von mehr als zwei Zu ständen vorgesehen, die eine auf einem Substrat aufgebrachte erste ferroelektrische Schicht mit einem ersten ferroelektrische Material, das eine erste Koerzitivfeldstärke aufweist, umfasst. Weiterhin ist eine auf der ersten ferroelektrischen Schicht aufgebrachte zweite ferroelektrische Schicht mit einem zweiten ferroelektrischen Material vorgesehen, das eine zweite Koerzitivfeldstärke aufweist, die von der ersten Koerzitivfeldstärke verschieden ist. In Gräben durch die zweite ferroelektrische Schicht und durch die erste ferroelektrische Schicht sind zwei Kondensatorelektroden eingebracht, so dass die zwei Kondensatorelektroden in den Gräben mit den zwischen den Gräben liegenden Bereichen der ersten und zweiten ferroelektrischen Schicht den ferroelektrischen Kondensator bilden.

Das FeRAM-Speicherelement wird vorzugsweise in einer integrierten Form ausgeführt, wobei die Kondensatorstruktur so in dem Substrat angeordnet ist, dass sich die Elektroden senkrecht zur Oberfläche des Substrats erstrecken. Auf diese Weise lässt sich ein FeRAM-Speicherelement vorsehen, das einen geringen Flächenbedarf aufweist.

Vorzugsweise kann das Substrat mit der Auswahltransistorstruktur mit einer Isolationsschicht versehen sein, wobei ein Kontaktierungsbereich in der Isolationsschicht vorgesehen ist, um eine Kontaktierung der Auswahltransistorstruktur mit einer der Kondensatorelektroden bereitzustellen. Vorzugsweise sind die Auswahltransistorstruktur und das ferroelektrische Speicherelement bezüglich einer Substratoberfläche übereinander angeordnet.

Der Kontaktierungsbereich kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Barrierenschicht versehen sein, um eine Diffusion des Elektrodenmaterials in den Kontaktierungsbereich zu verhindern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen der Isolationsschicht und der ersten ferroelektrischen Schicht eine Diffusionshemmschicht vorgesehen sein.

Vorzugsweise kann zwischen der ersten ferroelektrischen Schicht und der zweiten ferroelektrischen eine Diffusionsbarrierenschicht angeordnet sein, um die Diffusion von Material zu verhindern. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die ferroelektrischen Schichten nach dem Aufbringen üblicherweise mit einem Temperaturprozess behandelt werden, um das entsprechende ferroelektrische Material in einen kristallinen Zustand überzuführen. Dabei kann es ohne Diffusionsbarrierenschicht dazu kommen, dass die ferroelektrischen Materialien ineinander diffundieren, wodurch der ferroelektrische Effekt degradiert.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Struktur eines ferroelektrischen Speicherelementes für eine FeRAM-Speicherzelle, die mehr als zwei Zustände speichern kann;
2 ein Verfahrensstand eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine FeRAM-Speicherzelle nach dem Aufbringen von zwei ferroelektrischen Schichen;
3 ein Verfahrensstand des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine FeRAM-Speicherzelle nach dem Aufbringen einer Maske zum Strukturieren der ferroelektrischen Schichten;
4 ein Verfahrensstand des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens nach dem Ätzen von Gräben durch die ferroelektrischen Schichten;
6 ein Verfahrensstand des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens nach dem Auffüllen der Gräben mit Elektrodenmaterial; und
7 ein Verfahrensstand des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens nach dem Aufbringen einer Deckschicht zum Einkapseln der derart hergestellten FeRAM-Speicherzellen.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines ferroelektrischen Speicherelementes dargestellt, das in der Lage ist, mehr als zwei verschiedene Polarisationszustände einzunehmen, und dadurch ein Datum mit mehr als zwei Zuständen zu speichern. Das ferroelektrische Speicherelement weist im Wesentlichen in einer Kondensatorstruktur eine erste Kondensatorelektrode 2 und eine zweite Kondensatorelektrode 3 auf. Zwischen den im Wesentlichen plattenförmig ausgebildeten Kondensatorelektroden 2, 3 befinden sich ein erster ferroelektrischer Bereich 4 und ein zweiter ferroelektrischer Bereich 5, die nebeneinander bezüglich der Kondensatorelektroden 2, 3 angeordnet sind. D.h., die ferroelektrischen Bereiche 4, 5 sind nebeneinander bezüglich einer Richtung angeordnet, die senkrecht zur Abstandsrichtung der beiden Kondensatorelektroden 2, 3 verläuft. Die ferroelektrischen Bereiche 4, 5 sind mit einem ersten bzw. einem zweiten ferroelektrischen Material gebildet.
Ferroelektrische Materialien können bei Anlegen eines elektrischen Feldes eine Polarisation annehmen, die auch ohne Anliegen eines elektrischen Feldes bestehen bleibt. Da beim Wechsel von einer negativen Polarisation -Pr zu einer positiven Polarisation +Pr oder umgekehrt ein relativ hoher Strom fließt, kann bei Anlegen einer Spannung, die größer ist als eine Koerzitivspannung anhand der Höhe des Stromflusses festgestellt werden, welcher Polarisationszustand des ferroelektrischen Materials zuvor vorgelegen hat. Bei dem in 1 gezeigten ferroelektrischen Speicherelement können der erste und der zweite ferroelektrische Bereich 4, 5 verschiedene remanente Polarisationen annehmen (d. h. Polarisation ohne Anliegen eines äußeren elektrischen Feldes). Für die gesamte Kondensatorstruktur addieren sich bei einer derartigen Anordnung des ferroelektrischen Bereiches die Dipolmomente, die die remanenten Polarisationen bewirken, so dass sich eine gesamte remanente Polarisation für die Kondensatorstruktur ergibt. Das erste bzw. zweite ferroelektrische Material des ersten bzw. zweiten ferroelektrischen Bereiches 4, 5 sind vorzugsweise so gewählt, dass sie unterschiedliche remanente Polarisationen aufweisen. Dadurch ist es möglich, dass die Kondensatorstruktur hinsichtlich ihrer gesamten remanenten Polarisation eine größtmögliche Anzahl verschiedener Zustände einnehmen kann.
Zudem sollen die ferroelektrischen Materialien der beiden ferroelektrischen Bereiche 4, 5 so gewählt sein, dass sie verschiedene Koerzitivfeldstärken aufweisen, um das Auslesen und Beschreiben der Speicherzelle zu ermöglichen. Unter einer Koerzitivfeldstärke versteht man die elektrische Feldstärke, bei der die Polarisation eines ferroelektrischen Materials in einer vorgegebenen Kondensatorstruktur umkippt. D. h. bei Anliegen einer positiven Spannung kippt die Polarisation von einer negativen Polarisation zu einer positiven Polarisation um, wenn die anliegende Spannung eine Feldstärke in dem ferroelektrischen Material bewirkt, die größer ist als die positive Koerzitivfeldstärke. Den umgekehrten Fall, nämlich dass eine positive Polarisationsladung zu einer negativen Polarisationsladung umschlägt, kann durch Anlegen einer Spannung erreicht werden, die eine Feldstärke bewirkt, die gleich oder kleiner als die negative Koerzitivfeldstärke ist. Die remanente Polarisation und die Koerzitivfeldstärke bilden eine Kennlinie, die eine Hysterese aufweist.
In den 2 bis 7 werden Verfahrensschritte zum Aufbau eines solchen ferroelektrischen Speicherelements für eine FeRAM-Speicherzelle beschrieben. In 2 ist ein Verfahrensstand gezeigt, der sich nach dem Abscheiden einer ersten ferroelektrischen Schicht 11 und dem anschließenden Abscheiden einer zweiten ferroelektrischen Schicht 12 auf ein Schaltungssubstrat 10 ergibt. Das Schaltungssubstrat 10 umfasst vorzugsweise elektronische Strukturen, wie beispielsweise Auswahltransistoren, die gemeinsam mit dem zu bildenden fer roelektrischen Speicherelement eine FeRAM-Speicherzelle bilden.
Das Schaltungssubstrat 10 ist auf einem Halbleitersubstrat, vorzugsweise einem Siliziumsubstrat 13 gebildet, in dem sich Source- und Drain-Bereiche 14 von Auswahltransistorstrukturen befinden. Die Source- und Drain-Bereiche weisen üblicherweise eine von dem Siliziumsubstrat 13 verschiedene Leitfähigkeit auf. Zwischen Source- und Drain-Bereich einer Auswahltransistorstruktur befindet sich ein Kanalbereich, über dem ein Gate-Oxid 15 aufgebracht ist. Oberhalb des Gate-Oxides 15 befindet sich eine Gate-Elektrode 16; die über eine Wortleitungsstruktur 17 kontaktiert ist. Die Wortleitungsstruktur 17 erstreckt sich auf dem Schaltungssubstrat senkrecht zur Zeichenebene der 2. Die Source- und Drain-Bereiche 14 von benachbarten Auswahltransistoren stehen in Verbindung über einen hochdotierten Kontaktierungsbereich 18, der vorzugsweise durch Einbringen einer hohen Dotierstoffkonzentration in das Siliziumsubstrat 13 gebildet wird. Auf die so gebildete Struktur mit Auswahltransistoren wird eine Isolationsschicht 19 aufgebracht, die vorzugsweise Siliziumdioxid und dergleichen aufweist.
In die Isolationsschicht 19 wird, mithilfe eines geeigneten Tiefenätzverfahrens ein Graben eingebracht, der bis zu dem Kontaktierungsbereich 18 reicht. Der Graben wird mit einem Kontaktierungsmaterial 20 gefüllt. Ein weiteres Kontaktierungsmaterial wird auf den so entstandenen Kontaktierungsstift aufgebracht, um eine Diffusionsbarriere zu den nachfolgend aufgebrachten Schichten zu bilden. Das Kontaktierungsmaterial ist beispielsweise Poly-Silizium und das weitere Kontaktierungsmaterial enthält vorzugsweise Iridium oder bevorzugter eine Doppelschicht aus Ir/IrO₂.
Die Isolationsschicht 19 wird anschließend planarisiert, z.B. mithilfe eines CMP-Verfahrens (Chemical Mechanical Polishing). Als Ergebnis liegt ein Schaltungssubstrat 10 vor, mit einer ebenen Oberfläche, auf der sich freiliegende Bereiche des weiteren Kontaktierungsmaterials 21 befinden. Diese freiliegenden Bereiche dienen dazu, das nachfolgend hergestellte ferroelektrische Speicherelement mit dem entsprechenden Auswahltransistor, der in dem Schaltungssubstrat 10 angeordnet ist, zu kontaktieren.
Auf das Schaltungssubstrat 10 wird eine Diffusionshemmschicht 22 aufgebracht, die eine Ausdiffusion von Atomen aus der Isolationsschicht 19 in darüber liegenden Schichten und umgekehrt verhindern soll. Die Diffusionshemmschicht 22 ist vorzugsweise aus Al₂O₃ gebildet, es ist jedoch auch möglich, andere Materialien für die Diffusionshemmschicht 22 zu verwenden, die in ausreichendem Maße eine Diffusion auch bei nachfolgenden Temperaturschritten verhindern und selbst keine Atome in benachbarte Schichten abgeben.
Auf die Diffusionshemmschicht 22 wird die erste ferroelektrische Schicht 11 und anschließend die zweite ferroelektrische Schicht 12 aufgebracht. Die erste und zweite ferroelektrische Schicht sind vorzugsweise aus der Gruppe der Materialien SrBi₂Ta₂O₉, Pb(Zr, Ti)O₃, LiNbO₃, LiTaO₃ ausgewählt. Die ferroelektrischen Materialien sind so gewählt, dass das erste ferroelektrische Material eine niedrige Koerzitivfeldstärke und das zweite ferroelektrische Material eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweist oder umgekehrt. Beispiele ferroelektrischer Materialien mit niedriger Koerzitivfeldstärke sind Strontium-Wismut-Tantalat (SrBi₂Ta₂O₉, SBT) und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Ferroelektrische Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke sind Lithium-Niobat (LiNbO₃) sowie Lithium-Tantalat (LiTaO₃).
Der Betrag der Koerzitivfeldstärke des ferroelektrischen Materials mit niedriger Koerzitivfeldstärke liegt vorzugsweise zwischen 10 und 50 kV/cm, vorzugsweise bei 25 kV/cm. Der Betrag der Koerzitivfeldstärke des ferroelektrischen Materials mit hoher Koerzitivfeldstärke beträgt beispielsweise zwischen 150 und 300 kV/cm, vorzugsweise ca. 200 kV/cm.
Wie in 3 zu sehen ist, wird nach dem Abscheiden der zweiten ferroelektrischen Schicht 12 eine Schutzschicht 23 mit einer Dicke von 10–100 nm auf die Oberfläche der zweiten ferroelektrischen Schicht 12 aufgebracht, die vorzugsweise auch mit Al₂O₃ gebildet ist. Darauf wird eine Maskenschicht 24 einer Dicke von 0,5–2 μm abgeschieden, die so strukturiert wird, dass sie die Position der in die ferroelektrischen Schichten 11, 12 einzubringenden Gräben definiert. Die Maskenschicht 24 ist vorzugsweise aus Siliziumoxid SiO₂ gebildet, insbesondere aber aus einem Material, das eine ausreichende Maskierung gegenüber einem nachfolgenden Ätzprozess gewährleisten kann.
4 zeigt einen Verfahrensstand nach dem Ätzen der durch die Maskierungsschicht 24 definierten Grabenbereiche. Die Gräben reichen durch die Schutzschicht 23, die erste und zweite ferroelektrische Schicht 11, 12 sowie durch die Diffusionshemmschicht 21 bis zu dem weiteren Kontaktierungsmaterial 21. Auf diese Weise werden Gräben gebildet, an deren Boden das weitere Kontaktierungsmaterial 21 frei liegt und somit, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Iridium-Oberfläche aufweist.
Die Abstände zwischen benachbarten Gräben, zwischen denen eine ferroelektrische Kondensatorstruktur gebildet werden soll, liegen im Bereich zwischen 100 bis 200 nm.
Anschließend werden die Gräben mit Elektrodenmaterial gefüllt, das vorzugsweise Iridiumoxid IrO₂ oder Rutheniumoxid RuO₂ enthält. So werden die Elektrodenbereiche 27 gebildet: Das Elektrodenmaterial steht dann elektrisch mit dem Kontaktierungsbereich 18 über das Kontaktierungsmaterial 20 und über das weitere Kontaktierungsmaterial 21 in Verbindung.
Das Elektrodenmaterial wird vorzugsweise mithilfe eines MOCVD-Verfahrens in die nach dem Ätzverfahren entstandenen Gräben abgeschieden. Alternativ kann auch RuO₂ als Elektrodenmaterial für den ferroelektrischen Kondensator verwendet werden.
Anschließend wird die Maskierungsschicht 24 mit bekannten Verfahren der Halbleitertechnik entfernt. Das Entfernen der Maskierungsschicht 24 und überstehender Reste des Elektrodenmaterials wird vorzugsweise mithilfe eines CMP-Verfahrens durchgeführt.
In 6 ist ein Verfahrensstand gezeigt, nachdem eine Kapselschicht 25 auf die bestehende Struktur aufgebracht ist, um die so gebildeten ferroelektrische Speicherelemente vor äußeren Einflüssen zu schützen, und um die Oberfläche der so entstandenen Struktur für das Aufbringen von Verdrahtungsleitungen und dergleichen zu planarisieren. Auf diese Weise kann eine FeRAM-Speicherzelle gebildet werden, bei der ein Auswahltransistor und ein FeRAM-Speicherelement übereinander angeordnet sind, wobei das FeRAM-Speicherelement im Wesentlichen vertikal angeordnet ist und zwei ferroelektrische Bereiche aufweist. Eine solche FeRAM-Speicherzelle ist in der Lage, mehr als zwei Zustände zu speichern, so dass sich die gesamte Speicherkapazität einer Feldanordnung solcher FeRAM-Speicherzellen deutlich erhöht.
Vor dem Abscheiden der Kapselschicht 25 erfolgt eine zweite Tiefenätzung von Gräben, die im Wesentlichen rechtwinklig zu den Gräben verlaufen, die bei der ersten Ätzung gebildet wurden. Dies dient dazu, die gebildeten ferroelektrischen Speicherelemente zu vereinzeln und elektrisch voneinander zu isolieren, so dass eine zweidimensionale Feldanordnung von FeRAM-Speicherzellen hergestellt werden kann. Die zweiten Gräben werden beim Aufbringen der Kapselschicht 25 mit dem Material der Kapselschicht, vorzugsweise Al₂O₃ gefüllt, so dass eine ausreichende Isolierung von benachbarten ferroelektri schen Kondensatoren in einer Richtung senkrecht zur Darstellungsebene, d.h. senkrecht zum Verlauf der Wortleitungen erreicht wird. Das Abscheiden der Kapselschicht sollte für eine ausreichende Isolation mit einer guten Kantenbedeckung erfolgen. Ein geeignetes Verfahren hierfür ist z. B. ALD (Atomic Layer Deposition).
Die Dicken der ersten und zweiten ferroelektrischen Schicht liegen vorzugsweise im Bereich zwischen 500 bis 1000 nm.
Nach dem Aufbringen der ersten und der zweiten ferroelektrischen Schicht 11, 12 ist es notwendig, die ferroelektrischen Materialien dieser Schichten in eine geeignete Kristallstruktur zu überführen, um den ferroelektrischen Effekt zu erhalten. Dies wird in der Regel durch Anwenden eines Temperaturprozesses bei Prozesstemperaturen von einigen 100°C, vorzugsweise zwischen 500 und 900 °C durchgeführt. Bei diesen Temperaturen kommt es jedoch zu schädlichen Diffusionsprozessen zwischen der ersten und zweiten ferroelektrischen Schicht 11, 12. Dies kann zur Folge haben, dass die ferroelektrischen Eigenschaften der ferroelektrischen Bereiche stark degradieren. Insbesondere kann daher vorgesehen werden, eine Diffusionsbarrierenschicht 26 nach dem Aufbringen der ersten ferroelektrischen Schicht 11 abzuscheiden, so dass die Diffusionsbarrierenschicht 26 zwischen der ersten und zweiten ferroelektrischen Schicht 11, 12 angeordnet ist. Es entsteht eine Struktur, die im Querschnitt in 7 dargestellt ist. Bei einem nachfolgenden Temperaturprozess zum Auskristallisieren kann eine Diffusion zwischen dem ersten und zweiten ferroelektrischen Material nicht stattfinden, so dass die Degradation der ferroelektrischen Eigenschaften stark reduziert oder verhindert wird. Die Diffusionsbarrierenschicht enthält vorzugsweise Al₂O₃, Ta₂O₅, Y₂O₃ und ZrO₂, Es sind jedoch andere Materialien möglich, die die Diffusion zwischen der ersten und zweiten ferroelektrischen Schicht 11, 12 unterbinden können.

1: ferroelektrisches Speicherelement
2: erste Kondensatorelektrode
3: zweite Kondensatorelektrode
4: erster ferroelektrischer Bereich
5: zweiter ferroelektrischer Bereich
10: Substrat
11: erste ferroelektrische Schicht
12: zweite ferroelektrische Schicht
13: Halbleitersubstrat
14: Source- Drain-Bereiche
15: Gate-Bereich
16: Gate-Elektrode
17: Wortleitung
18: Kontaktierungsbereich
19: Isolationsschicht
20: Kontaktierungsmaterial
21: weiteres Kontaktierungsmaterial
22: Diffusionshemmschicht
23: Schutzschicht
24: Maskierungsschicht
25: Kapselschicht
26: Diffusionsbarrierenschicht
27: Elektrodenbereich

Claims

Verfahren zur Herstellung einer FeRAM-Speicherzelle mit ferroelektrischem Kondensator zum Speichern von mehr als zwei Zuständen, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Substrats (10); – Aufbringen einer ersten ferroelektrischen Schicht (11) mit einem ersten ferroelektrischen Material, das eine erste Koerzitivfeldstärke aufweist, auf der Oberfläche des Substrats (10); – Aufbringen einer zweiten ferroelektrischen Schicht (12) mit einem zweiten ferroelektrischen Material auf die erste ferroelektrische Schicht, wobei das zweite ferroelektrische Material eine zweite Koerzitivfeldstärke aufweist, die von der ersten Koerzitivfeldstärke verschieden ist; – Aufbringen einer strukturierten Ätzmaske (24) auf die zweite ferroelektrische Schicht (12), wobei mindestens zwei Elektrodenbereiche für Kondensatorelektroden freigelegt werden; – Ätzen von Gräben durch die zweite ferroelektrische Schicht (12) und durch die erste ferroelektrische Schicht (11) unter Verwendung der Ätzmaske; – Auffüllen der Gräben mit einem leitfähigen Elektrodenmaterial, um die Kondensatorelektroden (27) zu bilden, so dass die zwei Kondensatorelektroden in den Gräben mit den zwischen den Gräben liegenden Bereichen der ersten und zweiten ferroelektrischen Schicht den ferroelektrischen Kondensator bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Substrat eine Auswahltransistorstruktur vorgesehen wird und das Substrat mit einer Isolationsschicht (19) versehen wird, wobei ein Kontaktierungsbereich (20, 21) in der Isolationsschicht (19) vorgesehen wird, um eine Kontaktierung der Auswahltransistorstruktur über die Oberfläche der Isolationsschicht (19) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Kontaktierungsbereich (20) mit Poly-Silizium gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Kontaktierungsbereich mit einer Barrierenschicht (21) versehen wird, um eine Diffusion des Elektrodenmaterial (8) in den Kontaktierungsbereich (20, 21) zu verhindern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die strukturierte Ätzmaske (24) so positioniert wird, dass beim nachfolgenden Ätzen der Kontaktierungsbereich durch mindestens einen der Gräben freigelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei vor dem Aufbringen der ersten ferroelektrischen Schicht (11) eine Diffussionshemmschicht (22) auf der Oberfläche des Substrats aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Diffussionshemmschicht (22) mit Al₂O₃ gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste und das zweite ferroelektrische Material aus der Gruppe der Materialien SrBi2Ta2O9, Pb(Zr,Ti)O3, LiNbO3 und LiTaO3 ausgewählt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Ätzen mit Hilfe eines Trockenätzprozesses durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Elektrodenmaterial IrO2 oder RuO2 enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Elektrodenmaterial mit Hilfe eines MOCVD-Verfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zwischen die erste ferroelektrische Schicht (11) und die zweite ferroelektrischen Schicht (12) eine Diffusionsbarrierenschicht (26) aufgebracht wird, um die Diffusion von Material zwischen der ersten und der zweiten ferroelektrischen Schicht (11, 12) zu verhindern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei nach dem Aufbringen der ersten und/oder zweiten ferroelektrischen Schicht (11, 12) ein Temperaturprozess durchgeführt wird, bei dem das erste und/oder das zweite ferroelektrische Material in einen kristallinen Zustand überführt wird.
FeRAM-Speicherzelle mit ferroelektrischem Kondensator zum Speichern von mehr als zwei Zuständen, umfassend: – eine auf einem Substrat (10) aufgebrachte erste ferroelektrische Schicht (11) mit einem ersten ferroelektrischen Material, das eine erste Koerzitivfeldstärke aufweist; – eine auf der ersten ferroelektrischen Schicht (11) aufgebrachte zweite ferroelektrische Schicht (12) mit einem zweiten ferroelektrischen Material, das eine zweite Koerzitivfeldstärke aufweist, die von der ersten Koerzitivfeldstärke verschieden ist; – zwei Kondensatorelektroden, (27) die jeweils in einem Graben durch die zweite und die erste ferroelektrische Schicht (12, 11) ausgebildet sind, so dass die zwei Kondensatorelektroden in den Gräben mit den zwischen den Gräben liegenden Bereichen der ersten und zweiten ferroelektrischen Schicht den ferroelektrischen Kondensator bilden.
FeRAM-Speicherzelle nach Anspruch 14, wobei in dem Substrat eine Auswahltransistorstruktur vorgesehen ist und das Substrat mit einer Isolationsschicht (19) versehen ist, wobei ein Kontaktierungsbereich in der Isolationsschicht (19) vorgesehen ist, der eine Kontaktierung der Auswahltransistorstruktur mit einer der Kondensatorelektroden (27) bereitstellt.
FeRAM-Speicherzelle nach Anspruch 15, wobei der Kontaktierungsbereich mit Poly-Silizium gebildet ist.
FeRAM-Speicherzelle nach Anspruch 16, wobei der Kontaktierungsbereich mit einer Barrierenschicht (21) versehen ist, um eine Diffusion des Elektrodenmaterial in den Kontaktierungsbereich zu verhindern.
FeRAM-Speicherzelle nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei zwischen der Isolationsschicht (19) und der ersten ferroelektrischen Schicht (11) eine Diffusionshemmschicht (22) vorgesehen ist.
FeRAM-Speicherzelle nach Anspruch 18, wobei die Diffusionshemmschicht (22) mit Al2O3 gebildet ist.
FeRAM-Speicherzelle nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei das erste und das zweite ferroelektrische Material aus der Gruppe der Materialien SrBi2Ta2O9, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO3 und LiTaO3 ausgewählt sind.
FeRAM-Speicherzelle nach einem der Ansprüche 14 bis 20, das Material der Kondensatorelektroden IrO2 oder RuO2 enthält.
FeRAM-Speicherzelle nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei zwischen die erste ferroelektrische Schicht (11) und die zweite ferroelektrischen Schicht (12) eine Diffusionsbarrierenschicht (26) angeordnet ist, um die Diffusion von Material zwischen der ersten und der zweiten ferroelektrischen Schicht (11, 12) zu verhindern.