DE10393850T5

DE10393850T5 - Ferroelektrischer Kondensator und Prozeß zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10393850T5
Application number: DE10393850T
Authority: DE
Inventors: Bum-Ki Moon; Gerhard Beitel; Osamu Yokohama Arisumi; Hiroshi Yokohama Itokawa
Original assignee: Infineon Technologies AG; Toshiba Corp
Current assignee: Qimonda AG; Toshiba Corp
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2005-10-13
Also published as: WO2004053949A1; AU2003282769A8; AU2003282769A1; US7031138B2; US20040109280A1

Abstract

Kondensator, der folgendes umfaßt:
eine erste Elektrodenschicht;
eine zweite Elektrodenschicht;
eine ferroelektrische Schicht, die sich zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht befindet, und
einer ersten mehrschichtigen Keimstruktur, die zwischen der ferroelektrischen Schicht und entweder der ersten Elektrodenschicht oder der zweiten Elektrodenschicht liegt.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren, insbesondere für ferroelektrische Anwendungen mit nichtflüchtigen Speichern, bekannt als FeRAM und für einen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) mit hohem k-Wert. Sie betrifft außerdem durch dieses Verfahren herstellbare Kondensatoren.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ferroelektrische Kondensatoren weisen den Vorteil auf, daß sie schnell schalten können und auf einem einzelnen VLSI-Chip hergestellt werden können.
FeRAMs sind deshalb vorteilhaft, weil sie die Ausdauer eines DRAM, die schnellen Lese-/Schreibzeiten eines SRAM und die Nichtflüchtigkeit eines Flash-Speichers aufweisen.
Herkömmlicherweise wird ein FeRAM hergestellt durch Abscheiden eines ferroelektrischen Films wie etwa Bleizirkonattitanat (PZT), Strontium-Bismut-Tantal-Oxid (SBT), Bismut-Lanthan-Titan-Oxid (BLT) auf einem ersten planaren Elektrodenfilm und Ausbilden eines zweiten Elektrodenfilms über der ferroelektrischen Schicht. Die zweite Elektrodenschicht und der ferroelektrische Film werden dann über ein reaktives Ionenätzverfahren geätzt, wonach der erste Elektrodenfilm über ein ähnliches Verfahren geätzt wird. Das Ergebnis ist eine Reihe von Stapeln, die einen ersten und zweiten Elektrodenfilm umfassen, zwischen denen der ferroelektrische Film geschichtet ist.
Bei solchen herkömmlichen Herstellungsverfahren werden ferroelektrische Filme auf der Elektrode abgeschieden, indem Abscheidungsparameter mit dem Ziel geändert werden, Morphologien so gut wie möglich aneinander anzupassen oder in jedem Fall die Berechenbarkeit benachbarter Schichten zu fördern. Durch dieses Verfahren hergestellte ferroelektrische Kondensatoren weisen jedoch im allgemeinen immer noch schlechte Kennlinien auf, was die Optimierung des Herstellungsverfahrens erforderlich macht, damit diese Probleme auf ein Minimum reduziert werden. Zur Verbesserung ferroelektrischer Eigenschaften wurde in IFFF, 2002, Abstracts, 29B-FDI-5C, (2002), S. 49 über die Einführung eines einschichtigen Films vor der Abscheidung des ferroelektrischen Hauptfilms berichtet. Es wurde gezeigt, daß eine PbTiO₃-Keimschicht als ein guter Kristallpuffer für PZT dienen kann.
Weil jedoch die Zusammenfassung und die ferroelektrischen Eigenschaften der Keimschicht von denen der PZT-Hauptschicht verschieden sind, ist es schwierig, die Ausbildung einer Grenzschicht auszuschließen, die aufgrund einer parasitären Ferroelektrizität und Kapazität an der Grenzfläche unerwünschte Eigenschaften hervorrufen kann. Tatsächlich kann sich eine PbTiO₃-Keimschicht auf dem PZT-Hauptfilm nur mit einer tetragonalen Kristallstruktur ausbilden. Sie kann die Erhöhung von Vc (Koerzitivspannung) und eine große Sättigungsspannung für die Ferroelektrizität verursachen. Außerdem können weitere negative Grenzschichteffekte erwartet werden, da sich das Herstellungsverfahren (Abscheidung aus einer chemischen Lösung) für die PbTiO₃-Keimschicht von der durch Sputtern ausgebildeten PZT-Hauptschicht unterscheidet.
1 zeigt die Hysteresekennlinien eines über das herkömmliche Verfahren hergestellten PZT-Kondensators. Die Kondensatorstruktur ist TEOS- Substrat/Ti/Ir/IrO₂/Pt/PZT/SRO/Pt. In diesem Fall wurde vor der Abscheidung der PZT-Schicht keine Keimschicht verwendet. Die schlechten ferroelektrischen Eigenschaften sind auf die schlechte Kristallinität und die schlechte Zusammensetzung der PZT-Filme zurückzuführen, die auf Pt-Bodenelektrode (BE) aufgewachsen wurden. Der PZT-Film zeigt eine Verarmung an Pb in der Nähe der Grenzschicht zwischen dem PZT-Film und dem BE-Pt, da das Element Pb leicht in die Pt-Bodenelektrode während des Kristallisationsglühens diffundieren kann. Dies beeinflußt stark die Kristallinität des PZT-Films und verschlechtert die elektrischen Eigenschaften von PZT-Kondensatoren.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Zur Steuerung der Zusammensetzung an der Grenzfläche und um gute ferroelektrische Eigenschaften des Kondensators zu erhalten, verwendet die vorliegende Erfindung eine zweischichtige oder mehrschichtige Keimstruktur. Dies löst die oben erwähnten Probleme, die an der Elektrodengrenzfläche auftreten, und liefert eine gute Kristallschablone, Optimierung der Gesamtzusammensetzung der ferroelektrischen Kondensatorschicht, einschließlich Grenzschichtzusammensetzung, und führt zu guten elektrischen Eigenschaften des entstehenden Kondensators.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Kondensator bereit, der folgendes umfaßt:
eine erste Elektrodenschicht;
eine zweite Elektrodenschicht;
eine ferroelektrische Schicht, die sich zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht befindet, und einer ersten doppelschichtigen oder mehrschichtigen Keimstruktur, die zwischen der ferroelektrischen Schicht und entweder der ersten Elektrodenschicht oder der zweiten Elektrodenschicht liegt.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren bereit zum Ausbilden eines Kondensators, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Ausbilden einer ersten Elektrodenschicht;
Ausbilden einer zweiten Elektrodenschicht;
Ausbilden einer ferroelektrischen Schicht zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht und
Ausbilden einer ersten doppelschichtigen oder mehrschichtigen Keimstruktur zwischen der ferroelektrischen Schicht und entweder der ersten oder zweiten Elektrodenschicht.
Zur Vermeidung von Zweifeln beinhaltet die Bezugnahme hier auf mehrere Keimschichten in der Keimschichtstruktur sowohl separate Schichten als auch eine zusammensetzungsmäßige Abstufung innerhalb einer einzelnen Schicht.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die vorliegende Erfindung wird nun durch die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser erläutert. Es zeigen:
1 Hysteresekurven eines über das herkömmliche Verfahren hergestellten PZT-Kondensators;
2A und 2B einen Kondensator gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die doppelschichtige Keimstruktur davon;
3A–3C doppelschichtige Keimstrukturen jeweils von PZT-, SBT- und BLT-Kondensatoren;
3D eine doppelschichtige Keimstruktur zusammen mit einer Bodenelektrode unter Verwendung eines leitenden Perowskittoxids;
4A und 4B alternative Konfigurationen für doppelschichtige bzw. mehrschichtige Keimstrukturen zwischen der Deckelektrode und/oder der Bodenelektrode und der ferroelektrischen Hauptschicht und
5A und 5B Kurven, die elektrische Kennlinien für einen PZT-Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
2B zeigt ein Beispiel für eine doppelschichtige Keimstruktur, die in einem Kondensator wie in 2A gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bei diesem Kondensator ist auf einer Bodenelektroden-(BE)-Schicht 1 eine doppelschichtige Keimstruktur 3 ausgebildet, auf der eine ferroelektrische Schicht 5 ausgebildet ist. Eine letzte Deckelektroden-(TE)-Schicht 7 ist auf der ferroelektrischen Schicht 5 ausgebildet. Die doppelschichtige Keimstruktur besteht aus einer ersten Schicht 9, die mindestens ein Bestandteilselement des ferroelektrischen Hauptfilms umfaßt, und einer zweiten Schicht 11, die mit der ferroelektrischen Hauptschicht 5 identisch ist. Materialien der BE- und TE-Schichten können Metallfilme (Pt, Ir, Ru, Pd, Rh usw.) oder leitende Oxidfilme (SrRuO₃, SrVO₃, LaSrCoOx, LiNbO₃, IrO₂, RuO₂ usw.) sein, die über PVD (physikalische Dampfabscheidung), CVD (chemische Dampfabscheidung), CSD (Abscheidung aus einer chemischen Lösung), Aufschleudern oder anderen bekannten Techniken abgeschieden worden sind.
Bei ferroelektrischen PZT-(Pb_x(Zr_yTi_1–y)O₃)-Kondensatoren kann die erste Schicht 9 ein Ti- oder Zr- oder Pb-Film mit einer Dicke 0,1–10 nm sein, und die zweite Schicht kann selbst eine PZT-Schicht mit der Dicke von 0,1–50 nm Dicke sein, wie in 3A gezeigt. Die Zusammensetzung kann gesteuert werden durch Ändern der Dicke jeder der ersten und zweiten Schicht, was die Grenzschichtzusammensetzung der resultierenden ferroelektrischen Kondensatoren steuern kann. Der Zusammensetzungsbereich der doppelschichtigen Keimschicht kann im Bereich (Pb_x(Zr_yTi_1–y)O₃(0 < y < 1, 0 < x < 1) liegen. Im Vergleich zu dem bekannten Verfahren unter Verwendung einer PbTiO₃-Monoschicht als Keim kann die doppelschichtige Keimstruktur bei der vorliegenden Erfindung einen großen Bereich möglicher Zusammensetzungen aufweisen, was es ermöglicht, den ferroelektrischen Bezirk von tetragonal zu rhomboedrisch zu ändern. Wenn an der Grenzschicht eine andere Zusammensetzung erforderlich ist, kann die Art des Materials der ersten Schicht zu beispielsweise Zr oder Pb geändert werden. Die Änderung des Materials und der Dicke jeder Schicht in eine Doppelschicht kann den Grenzschichtstatus optimieren. Wenn beispielsweise die an Ti-reiche PZT-Grenzschicht benötigt wird, kann die Doppelschicht-Struktur durch dickes Ti und dünnes PZT mit einer normalen Zusammensetzung hergestellt werden (wobei normal bedeutet, daß die Zusammensetzungsration von Ti/Zr etwa 60/40 bis 70/30 beträgt), die kristallisiert werden. Während des Kristallationsglühens entstehen durch die gegenseitige Diffusion zwischen der ersten und zweiten Schicht Ti-reiche tetragonale PZT-Phasen. Außerdem kann die Zusammensetzung der Grenzschicht gesteuert werden, indem das Material der ersten Schicht geändert wird, indem beispielsweise Pb oder Zr anstelle von Ti verwendet wird. Außerdem ist es möglich, eine doppelschichtige Keimstruktur mit einer Zusammensetzung abzuscheiden, die absichtlich durch die Dicke der Schicht abgestuft ist. Dadurch kann manchmal die Ausbildung von einfangenden Ionen und/oder Elektronen zwischen der Keimschichtstruktur und der ferroelektrischen Kondensatorhauptschicht vermieden werden. Nach der Ausbildung der Keimstrukturschichten kann auch ein Kristallisationsprozeß angewendet werden, beispielsweise unter Verwendung einer RTA-Behandlung (schnelles thermisches Glühen), um aus den amorphen Phase eine Kristallstruktur zu erzeugen. Bei dem oben erwähnten bekannten Verfahren ist es schwierig, die Zusammensetzung in der Nähe der Grenzschicht zu steuern, da die Keimschichtstruktur eine Zusammensetzung aufweist, die als die des PbTiO₃-Films festgelegt ist, in der die Keimschicht nur mit der tetragonalen Struktur der PZT-Hauptschicht entstehen kann.
In den 3 und 4 sind gleiche Schichten mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, wie sie in den 2A und 2B verwendet werden.
Wie in 3A gezeigt, kann die Doppelschicht-Struktur eine erste (untere) Schicht 9 aus Ti, Zr oder Pb aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 3B kann die erste Schicht 9 für ferroelektrische SBT-(SrBi₂Ta₂O₉)-Kondensatoren eine aus Bi-, Sr- oder Ta-Film mit 0,1–10 nm Dicke sein, und die zweite Schicht 11 kann selbst eine SBT-Schicht mit der Dicke von 1–50 nm Dicke sein. Im Fall eines SBT-Films ist die Diffusion des Bi-Elements während der Kristallisation sehr stark. Wenn beispielsweise Bi als die erste Schicht gewählt wird, kann Bi als Lieferant von flüchtigem Bi dienen und wiederum die Kristallisation des SBT-Films 11 der zweiten Schicht während der Kristallisation dieser doppelschichtigen Keimstruktur 3 fördern. Die Zusammensetzung von Bi und den mehrschichtigen Keimstrukturen kann auf die gleiche Weise gesteuert werden, wie sie für den doppel schichtigen Keim für PZT-Kondensatoren beschrieben wird. Der Zusammensetzungsbereich der doppelschichtigen Keimschicht 3 kann eine im Bereich von SR_aBi_bTa_cO₉(0 < a < 1, 0 < b < 1, 0 < c < 1) sein.
Bei ferroelektrischen BLT-((BiLa)₄TiO₁₂)-Kondensatoren (3C) kann die erste Schicht ein Bi- oder La- oder Ti-Film mit 0,1–10 nm Dicke sein, und die zweite Schicht kann eine BLT-Schicht mit der Dicke von 1–50 nm Dicke sein. Der Zusammensetzungsbereich der doppelschichtigen Keimschicht kann einer im Bereich von (Bi_ZLa_1–z)₄ Ti_wO₁₂ (0 < z < 1, 0 < w < 1) sein.
Die Kristallinität der doppelschichtigen Keimstruktur kann verbessert werden, indem kristallines leitendes Oxid mit einer Perowskitstruktur (z. B. SrRuO3, LaNiO3, SrVO3, usw.) als erste Elektrode 1 verwendet wird, wie in 3D gezeigt. Dies ist deshalb so, weil leitendes Oxid vom Perowskittyp gute Kristallisationskeime für ferroelektrische Perowskitschichten wie PZT, SBT und BLT liefern kann.
Es ist wichtig anzumerken, daß es für die erste und zweite Schicht der Keimstrukturen keine Dickenbegrenzungen gibt, und die obigen Dickenwerte werden nur als Beispiel angegeben.
Wenn die Zusammensetzung an der Grenzfläche zwischen dem Kondensatorfilm und der Deckelektrode (TE) gesteuert werden muß, kann eine doppelschichtige Keimstruktur 3' nach der Ausbildung des ferroelektrischen Hauptfilms aufgebracht werden, wie in 4A gezeigt. Über diesen Vorgang kann die Zusammensetzung an der Grenzfläche zwischen der ferroelektrischen Filmschicht 5 und der TE-Schicht 7 mit oder ohne Kombination aus Aufbringen einer doppelschichtigen Saat 3 an der Grenzfläche zwischen der BE-Schicht 1 und der ferroelektrischen Hauptfilmschicht 5 optimiert werden, was zu guten elektrischen Eigenschaften des Kondensators führt. Durch den Einsatz einer doppelschichtigen Keimstruktur (3 oder 3') an der Grenzfläche zwischen der ferroelektrischen Schicht und der BE-Schicht 1 oder der TE-Schicht 7 wird die Grenzflächenzusammensetzung gesteuert und erhält man ein gutes Kristallmuster, wodurch man verbesserte elektrische Kennlinien erhält.
Weiterhin kann die Zusammensetzung durch die Ausbildung einer mehrschichtigen Keimstruktur gesteuert werden, die aus zwei oder drei Schichten besteht, die gestapelt sind, beispielsweise aus Ti und Zr und Pb, auf der PZT-Schicht selbst, wie in 4B gezeigt. Doppelschichtige Keimschichten können über PVD (physikalische Dampfabscheidung), CVD (chemische Dampfabscheidung), CSD (Abscheidung aus einer chemischen Lösung), Aufschleuderabscheidung oder andere bekannte Techniken ausgebildet werden.
5 zeigt die sich ergebenden elektrischen Eigenschaften eines PZT-Kondensators mit einer doppelschichtigen Keimstruktur der vorliegenden Erfindung. Die doppelschichtige Keimstruktur besteht in diesem Fall aus einer ersten Schicht aus einem 2,5 nm dicken Ti-Film und einer zweiten Schicht aus einem PZT- [Pb(Zr₄₀Ti₆₀)O₃]-Film mit einer Dicke von 7, 5 nm. Nach der Ausbildung der doppelschichtigen Keimstruktur durch Sputtern wurde die Doppelschicht 30 Sekunden lang in einer O₂-Umgebung unter Verwendung eines RTA (schneller thermischer Prozeß) bei 650°C geglüht. Im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren (ohne doppelschichtigen Keim) (siehe 1), zeigt der PZT-Kondensator Hysteresekennlinien mit guter Rechteckigkeit (5A). Die Kondensatorstruktur war ein TEOS-Substrat/Ti/Ir/IrO2/PT (10 nm)/ doppelschichtiger Keim/PZT/SRO (10 nm)/Pt (50 nm). Der Vc-Wert des Kondensators liegt relativ niedrig und die Sättigungseigenschaft ist sehr gut, was Parameter sind, die einer guten PZT-Eigenschaft zugeschrieben werden, einschließlich guter Grenzschichteigenschaften. Zudem zeigt dieser Kondensator ermüdungsfreie Kennlinien, selbst nach einem Ermüdungstest von 10¹⁰ Zyklen
(5B).
ZUSAMMENFASSUNG
Bei einem Kondensator und einem Verfahren zu seiner Herstellung werden eine erste Elektrodenschicht und eine zweite Elektrodenschicht derart ausgebildet, daß sich eine ferroelektrische Schicht zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht befindet. Eine erste doppelschichtige oder mehrschichtige Keimstruktur wird zwischen der ferroelektrischen Schicht und entweder der ersten Elektrodenschicht oder der zweiten Elektrodenschicht ausgebildet.

Claims

Kondensator, der folgendes umfaßt: eine erste Elektrodenschicht; eine zweite Elektrodenschicht; eine ferroelektrische Schicht, die sich zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht befindet, und einer ersten mehrschichtigen Keimstruktur, die zwischen der ferroelektrischen Schicht und entweder der ersten Elektrodenschicht oder der zweiten Elektrodenschicht liegt.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Keimstruktur eine mehrschichtige Keimstruktur ist und eine erste Keimschicht mit im wesentlichen identischer Zusammensetzung wie der ferroelektrischen Schicht und mit dieser in Kontakt und eine zweite Keimschicht mit einer oder mehreren Komponenten der ferroelektrischen Schicht und in Kontakt mit der benachbarten Elektrodenschicht umfaßt.
Kondensator nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Keimschicht einen Zusammensetzungsgradienten zwischen der ferroelektrischen Schicht und der benachbarten Elektrodenschicht aufweisen.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei eine zweite mehrschichtige Keimstruktur zwischen der ferroelektrischen Schicht und der anderen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht liegt.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrodenschicht ein kristallines leitendes Oxid zum Verbessern der Kristallinität der mehrschichtigen Keimstruktur enthält.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei die ferroelektrische Schicht ein Material aus der Menge bestehend aus PZT, SBT und BLT enthält.
Kondensator nach Anspruch 6, wobei die erste mehrschichtige Keimstruktur ein Material der Menge bestehend aus Ti, Zr, Pb, Bi, La, Ta, Sr enthält.
Verfahren zum Ausbilden eines Kondensators, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Ausbilden einer ersten Elektrodenschicht; Ausbilden einer zweiten Elektrodenschicht; Ausbilden einer ferroelektrischen Schicht zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht und Ausbilden einer ersten mehrschichtigen Keimstruktur zwischen der ferroelektrischen Schicht und entweder der ersten oder zweiten Elektrodenschicht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Keimstruktur eine doppelschichtige Keimstruktur ist und eine erste Keimschicht mit im wesentlichen identischer Zusammensetzung wie der ferroelektrischen Schicht und mit dieser in Kontakt und eine zweite Keimschicht enthaltend eine oder mehrere Komponenten der ferroelektrischen Schicht und in Kontakt mit der benachbarten Elektrodenschicht umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erste Elektrodenschicht ein kristallines leitendes Oxid zum Verbessern der Kristallinität der mehrschichtigen Keimstruktur enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die ferroelektrische Schicht ein Material aus der Menge bestehend aus PZT, SBT und BLT enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste mehrschichtige Keimstruktur ein Material der Menge bestehend aus Ti, Zr, Pb, Bi, La, Ta, Sr enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erste und zweite Keimschicht mit einem Zusammensetzungsgradienten zwischen der ferroelektrischen Schicht und der benachbarten Elektrodenschicht ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine zweite mehrschichtige Keimstruktur zwischen der ferroelektrischen und der anderen der ersten und zweiten Elektrodenschicht ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: (a) Ausbilden einer Kondensatorschichtstruktur auf einem Substrat durch: Ausbilden einer ersten Elektrodenschicht; Ausbilden einer zweiten Elektrodenschicht; Ausbilden einer ferroelektrischen Schicht zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht und Ausbilden einer ersten mehrschichtigen Keimstruktur zwischen der ferroelektrischen Schicht und entweder der ersten oder zweiten Elektrodenschicht; und (b) Strukturieren der Kondensatorschichtstruktur zum Ausbilden individueller Kondensatoren während oder nach der Ausbildung der Schichten, die die Kondensatorschichtstruktur umfassen.