DE112005002160T5 - Dünnfilmkondensator und Verfahren zum Bilden desselben sowie computerlesbares Speichermedium - Google Patents

Dünnfilmkondensator und Verfahren zum Bilden desselben sowie computerlesbares Speichermedium Download PDF

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Abstract

Dünnfilmkondensator, der mit einem Zirkoniumoxid oder einem Hafniumoxid als ein dielektrisches Material gebildet wird, mit:
einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist;
einer ersten dielektrischen Schicht, die an der unteren Elektrode gebildet wird;
einer Pufferschicht, die an der ersten dielektrischen Schicht gebildet wird;
einer zweiten dielektrischen Schicht, die an der Pufferschicht gebildet wird; und
einer oberen Schicht, die an der zweiten dielektrischen Schicht gebildet wird und aus einem leitfähigen Material hergestellt ist,
wobei die erste und die zweite dielektrische Schicht durch entweder Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid gebildet werden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dünnfilmkondensatoren und insbesondere auf eine Struktur eines Dünnfilmkondensators, die ein Zirkoniumoxid oder ein Hafniumoxid, das an einem Halbleitersubstrat gebildet ist, verwendet.
  • HINTERGRUNDTECHNIK
  • Wenn ein Dünnfilmkondensator als ein passives Element in einer Halbleitervorrichtung gebildet wird, werden Siliziumoxid (SiO), Siliziumnitrid (SiN), Aluminiumoxid (AlO), Zirkoniumoxid (ZrO), Hafniumoxid (HfO) etc. als dielektrische Materialien verwendet. Unter diesen dielektrischen Materialien haben insbesondere ein Oxid von Zirkonium (Zirkoniumoxid) und ein Oxid von Hafnium (Hafniumoxid) eine große Dielektrizitätskonstante und sind zum Bilden eines kleinen und dünnen Filmkondensators einer großen Kapazität geeignet.
  • Der Dünnfilmkondensator, der durch ein Zirkoniumoxid gebildet ist (auf den im Folgenden als ein ZrO-Dünnfilmkondensator Bezug genommen ist), wird in einer mehrschichtigen Struktur einer Halbleitervorrichtung durch Abscheiden eines ZrO-Films einer Dicke von etwa 10 nm unter Verwendung eines ALD-(Atomarschichtabscheidungs-)Verfahrens und dann Bilden einer oberen Elektrode von TiN an demselben gebildet.
  • Der Dünnfilmkondensator, der durch ein Hafniumoxid gebildet ist (auf dem im Folgenden als HfO- Dünnfilmkondensator Bezug genommen ist), wird durch Abscheiden eines HfO-Films einer Dicke von etwa 10 nm unter Verwendung eines ALD-Verfahrens und dann Bilden einer oberen Elektrode von TiN an demselben gebildet.
  • Wie im Vorhergehenden erwähnt ist, werden Zirkonium und Hafnium bei vielen Fällen als ein Kondensatormaterial oder als ein Isolationsmaterial verwendet. Es ist beispielsweise vorgeschlagen, einen ZrO2-Film einer hohen Dielektrizitätskonstante als eine Gate-Isolationsschicht eines MOSFET (beispielsweise Bezug nehmend auf das Patentdokument 1) zu verwenden.
    • Patentdokument 1: Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2003-151976 .
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
  • Da das Zirkoniumoxid ZrO2 eine besonders hohe Dielektrizitätskonstante in Zirkonium hat und eine Filmabscheidung bei einer niedrigen Temperatur von etwa 250°C durchgeführt werden kann, ist dasselbe für ein Material eines Dünnfilmkondensators geeignet. Ein ZrO2-Film erhöht jedoch eine Oberflächenrauheit (Oberflächenmorphologie), wenn eine Kristallisation fortschreitet, und es besteht ein Problem darin, dass sich ein Leckstrom erhöht, wenn derselbe als ein Kondensator funktioniert. Das heißt, wenn sich eine Oberflächenrauheit eines ZrO2-Films erhöht, erhöht sich eine Konzentration eines elektrischen Feldes in einer Grenzfläche zwischen einer Elektrodenschicht und dem ZrO2-Film (das heißt eine Oberfläche des ZrO2-Films hat eine große Oberflächenrauheit), wodurch sich ein Leckstrom erhöht.
  • Das Gleiche tritt zusätzlich bei Hafniumoxid HfO2 auf, das ein Oxid von Hafnium ist, und wenn die Kristallisation fortschreitet erhöht sich eine Oberflächenrauheit (Oberflächenmorphologie) und es besteht ein Problem darin, dass sich ein Leckstrom erhöht, wenn dasselbe als ein Kondensator funktioniert.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorhergehenden Probleme gemacht und eine Aufgabe besteht darin, einen Dünnfilmkondensator unter Verwendung eines Zirkoniumoxids oder eines Hafniumoxids zu schaffen, bei dem eine Konzentration eines elektrischen Feldes unterdrückt ist und ein Leckstrom reduziert ist.
  • EINRICHTUNG ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
  • Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Dünnfilmkondensator geschaffen, der mit einem Zirkoniumoxid oder einem Hafniumoxid als ein dielektrisches Material gebildet ist, mit: einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; einer ersten dielektrischen Schicht, die an der unteren Elektrode gebildet ist; einer Pufferschicht, die an der ersten dielektrischen Schicht gebildet ist; einer zweiten dielektrischen Schicht, die an der Pufferschicht gebildet ist; und einer oberen Schicht, die an der zweiten dielektrischen Schicht gebildet ist und aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, wobei die erste und die zweite dielektrische Schicht durch entweder Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid gebildet sind.
  • Bei dem Dünnfilmkondensator gemäß der im Vorhergehenden erwähnten Erfindung ist die Pufferschicht vorzugsweise durch ein amorphes Material gebildet. Die Pufferschicht ist vorzugsweise durch ein Material, das aus Al2O3, HfO2, Ta2O5 und amorphem ZrO2 ausgewählt ist, gebildet. Es wird zusätzlich bevorzugt, dass die erste und die zweite dielektrische Schicht die gleiche Dicke haben und dass die Pufferschicht dünner als die erste und die zweite dielektrische Schicht ist. Die erste und die zweite dielektrische Schicht können durch ein Zirkoniumoxid gebildet sein, eine Dicke von sowohl der ersten als auch der zweiten dielektrischen Schicht kann 1 bis 70 Å sein, und eine Dicke der Pufferschicht ist 1 bis 20 Å. Die erste dielektrische Schicht, die Pufferschicht und die zweite dielektrische Schicht können bei aufeinander folgenden Prozessen gebildet werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich ein Dünnfilmkondensator, der mit einem Zirkoniumoxid oder einem Hafniumoxid als ein dielektrisches Material gebildet ist, geschaffen, mit: einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; einer oberen Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten, die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode gebildet sind; und einer Pufferschicht, die aus einem amorphen Material hergestellt ist und die zwischen benachbarten unteren und oberen Schichten unter der Mehrzahl von dielektrischen Schichten gebildet ist, wobei die Mehrzahl von dielektrischen Schichten durch entweder Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid gebildet ist.
  • Bei dem im Vorhergehenden erwähnten Dünnfilmkondensator ist die Pufferschicht vorzugsweise aus einem Material, das aus Al2O3, HfO2, Ta2O5 und amorphem ZrO2 ausgewählt ist, hergestellt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators unter Verwendung eines Zirkoniumoxids oder eines Hafniumoxids als ein dielektrisches Material geschaffen, mit: einem Bilden einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; einem Bilden einer ersten dielektrischen Schicht durch entweder das Zirkoniumoxid oder das Hafniumoxid an der unteren Elektrode; einem Bilden einer Pufferschicht einer vorbestimmten Dicke an der ersten dielektrischen Schicht; einem Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht einer vorbestimmten Dicke an der Pufferschicht unter Verwendung eines gleichen Materials wie dasselbe der ersten dielektrischen Schicht; und einem Bilden einer oberen Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, an der zweiten dielektrischen Schicht.
  • Bei dem Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators gemäß der im Vorhergehenden erwähnten Erfindung, werden die Bildung der ersten dielektrischen Schicht, die Bildung der Pufferschicht und die Bildung der zweiten dielektrischen Schicht vorzugsweise bei einem Filmabscheidungsprozess gemäß einem ALD-Verfahren aufeinander folgend durchgeführt.
  • Es ist zusätzlich gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein computerlesbares Speichermedium geschaffen, das ein Programm speichert, das bewirkt, dass ein Computer ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators durchführt, mit: einem Bilden einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; einem Bilden einer ersten dielektrischen Schicht durch entweder ein Zirkoniumoxid oder ein Hafniumoxid an der unteren Elektrode; einem Bilden einer Pufferschicht einer vorbestimmten Dicke an der ersten dielektrischen Schicht; einem Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht einer vorbestimmten Dicke an der Pufferschicht unter Verwendung eines gleichen Materials wie dasselbe der ersten dielektrischen Schicht; und einem Bilden einer oberen elektrischen Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, an der zweiten dielektrischen Schicht.
  • Bei dem computerlesbaren Speichermedium gemäß der im Vorhergehenden erwähnten Erfindung bewirkt das Programm vorzugsweise, die Bildung der ersten dielektrischen Schicht, die Bildung der Pufferschicht und die Bildung der zweiten dielektrischen Schicht aufeinander folgend bei einem Filmabscheidungsprozess gemäß einem ALD-Verfahren durchzuführen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators unter Verwendung eines Zirkoniumoxids oder eines Hafniumoxids als ein dielektrisches Material geschaffen, mit: einem Bilden einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; einem Bilden einer dielektrischen Schicht durch entweder ein Zirkoniumoxid oder ein Hafniumoxid an der unteren Elektrode; einem Bilden einer Pufferschicht einer vorbestimmten Dicke an der dielektrischen Schicht; einem Bilden einer mehrschichtigen dielektrischen Schicht einer vorbestimmten Dicke durch Wiederholen des Schritts des Bildens der dielektrischen Schicht und des Schritts des Bildens der Pufferschicht für eine vorbestimmte Zahl von Malen; und einem Bilden einer oberen Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, an der mehrschichtigen dielektrischen Schicht.
  • Bei den Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators gemäß der im Vorhergehenden erwähnten Erfindung wird bevorzugt, dass die Bildung der dielektrischen Schicht und die Bildung der Pufferschicht bei einem Filmabscheidungsprozess gemäß einem ALD-Verfahren aufeinander folgend durchgeführt werden.
  • Es ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zusätzlich ein computerlesbares Speichermedium geschaffen, das ein Programm speichert, zum Bewirken, dass ein Computer ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators durchführt, mit: einem Bilden einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; einem Bilden einer dielektrischen Schicht durch entweder ein Zirkoniumoxid oder ein Hafniumoxid an der unteren Elektrode; einem Bilden einer Pufferschicht einer vorbestimmten Dicke an der dielektrischen Schicht; einem Bilden einer mehrschichtigen dielektrischen Schicht einer vorbestimmten Dicke durch Wiederholen des Schritts des Bildens der dielektrischen Schicht und des Schritts des Bildens der Pufferschicht für eine vorbestimmte Zahl von Malen; und einem Bilden einer oberen Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, an der mehrschichtigen dielektrischen Schicht.
  • Bei dem computerlesbaren Speichermedium gemäß der im Vorhergehenden erwähnten Erfindung bewirkt das Programm vorzugsweise, dass die Bildung der dielektrischen Schicht und die Bildung der Pufferschicht aufeinander folgend bei einem Filmabscheidungsprozess gemäß einem ALD-Verfahren durchgeführt werden.
  • WIRKUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Zirkoniumoxidschicht oder die Hafniumoxidschicht in eine Mehrzahl von Schichten geteilt, um zu bewirken, dass jede Schicht eine Dicke aufweist, die kleiner als eine vorbestimmte Schicht ist, und eine Pufferschicht ist ferner zwischen den Zirkoniumoxidschichten oder den Hafniumoxidschichten gebildet. Die Oberflächenrauheit der Zirkoniumoxidschicht oder der Hafniumoxidschicht wird dadurch klein. Als ein Resultat wird eine Konzentration eines elektrischen Felds, die durch die Oberflächenrauheit bewirkt wird, klein, und ein Leckstrom kann reduziert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • [1] ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Dicke und einer Oberflächenrauheit eines ZrO2-Films zeigt.
  • [2] ist eine Ansicht, die eine Vorrichtungsstruktur zeigt, bei der ein Dünnfilmkondensator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
  • [3] ist eine Darstellung einer Verarbeitungsvorrichtung zum Durchführen eines Dünnfilmbildungsprozesses gemäß einem ALD-Verfahren.
  • [4] ist ein Flussdiagramm f eines Dünnfilmkondensatorerzeugungsprozesses gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • [5] ist ein Flussdiagramm eines Dünnfilmabscheidungsprozesses, wenn ZrO2-Schichten, die in 2 gezeigt sind, gebildet werden.
  • [6] ist ein Flussdiagramm eines Filmabscheidungsprozesses, wenn ein Al2O3-Film als eine Pufferschicht, die in 2 gezeigt ist, gebildet wird.
  • [7] ist ein Flussdiagramm eines Filmabscheidungsprozesses, wenn ein HfO2-Film als eine Pufferschicht, die in 2 gezeigt ist, gebildet wird.
  • [8] ist ein Umrissstrukturdiagramm, das ein Beispiel eines Cluster-Werkzeugs zum Bilden eines Dünnfilmkondensators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • [9] ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Dicke und einer Oberflächenrauheit eines HfO2-Films zeigt.
  • [10] ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Dünnfilmkondensators einer mehrschichtigen Struktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • [11] ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Dünnfilmkondensators einer mehrschichtigen Struktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • [12] ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Dünnfilmkondensators einer mehrschichtigen Struktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • [13] ist ein Flussdiagramm eines Erzeugungsverfahrens für einen Dünnfilmkondensator mit einer mehrschichtigen Struktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • [14] ist ein Flussdiagramm eines Dünnfilmabscheidungsprozesses, wenn die in 10 bis 12 gezeigte HfO2-Schicht gebildet wird.
  • [15] ist ein Flussdiagramm eines Dünnfilmabscheidungsprozesses, wenn die in 10 bis 12 gezeigte Al2O3-Schicht gebildet wird.
  • [16] ist eine Ansicht, die eine Transistorstruktur, bei der ein Stapelschichtfilm-HfAlO gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Gate-Elektrode verwendet ist, zeigt.
  • BESTE WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Als nächstes ist unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Beschreibung eines Dünnfilmkondensators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angegeben.
  • Zunächst ist eine Beschreibung einer Oberflächenrauheit eine Zirkoniumoxid-Films angegeben. 1 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Dicke und einer Oberflächerauheit (Oberflächenmorphologie) des Zirkoniumoxidfilms (auf den als ZrO2-Film Bezug genommen werden kann) zeigt. Es sei bemerkt, dass das Zirkoniumoxid andere Oxide von Zirkonium als ZrO2 einschließt.
  • Die graphische Darstellung von 1 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke und der Oberflächenrauheit des ZrO2-Films, wenn der ZrO2-Film an einem Si-Substrat gemäß einem ALD-(Atomarschichtabscheidungs-)Verfahren erzeugt wird. Wie aus 1 interpretiert werden kann, ist die Oberflächenrauheit gleich oder kleiner als 0,3 nm im quadratischen Mittel bis zu einer Dicke des ZrO2 von 60 Å, die Oberflächenrauheit erhöht sich jedoch scharf, wenn die Dicke 60 Å überschreitet.
  • Hier ist beispielsweise erforderlich, dass die Filmdicke, wenn ein Kondensator mit einem ZrO2-Film als ein dielektrisches Material gebildet wird, gleich oder größer als 60 Å ist, wenn die Dielektrizitätskonstante von ZrO2 ε = 21 bis 30 ist. Wenn beispielsweise die Dicke 100 Å ist, erhöht sich die Oberflächenrauheit und reicht nahe zu 1,00 nm im Quadratischen Mittel, was bewirkt, dass die Oberfläche des ZrO2-Films eine konvex-konkave Oberfläche ist, in der sich ein elektrisches Feld konzentriert. Als ein Resultat kann die Zuverlässigkeit des Dünnfilmkondensators verschlechtert sein. Es wird in Betracht gezogen, dass die Erhöhung der Oberflächenrauheit des ZrO2-Films von der Kristallinität abhängt. Das heißt, es wird in Betracht gezogen, dass, wenn ein ZrO2-Film einer großen Dicke gebildet wird, eine Bildungsprozesszeit lang ist, und so wie die Kristallisation in dem ZrO2-Film fortschreitet und der Kristall wächst, wachsen Kristallkörner nahe der Oberfläche und erscheinen konvex-konkav. Aus dieser Figur ist eine bevorzugte Kondensatorfilmdicke gleich oder kleiner als 70 Å und eine Rauheit ist gleich oder kleiner als 0,4 nm.
  • Der vorliegende Erfinder stellt sich vor, die Oberflächenrauheit klein zu halten, indem eine amorphe Schicht zwischen ZrO2-Filmen angeordnet wird. 2 ist eine Darstellung einer Vorrichtungsstruktur, die einen Dünnfilmkondensator unter Verwendung eines ZrO2-Films gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst.
  • Der Dünnfilmkondensator 2, der den ZrO2-Film gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet, ist beispielsweise als eine Speicherzelle gebildet, die mit einer Transistorstruktur 6, die an einem Siliziumsubstrat 4 gebildet ist, verbunden ist. Die Transistorstruktur 6 ist ein Feldeffekttransistor (FET), der eine Source-Region 8, eine Drain-Region 10 und eine Gate-Elektrode 12 hat. Der Dünnfilmkondensator 12 ist mit einer Source-Elektrode 16 in der Transistorstruktur 6 durch einen Verdrahtungskontakt 14, der aus Wolfram (W) oder dergleichen gebildet ist, verbunden.
  • Der Dünnfilmkondensator 2 hat eine untere Elektrode 22 und eine obere Elektrode 24, die durch ein elektrisch leitfähiges Material, wie z. B. TiN, gebildet sind, und funktioniert als ein Dünnfilmkondensator durch einen ZrO2-Film 26, der zwischen denselben als eine dielektrische Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante gebildet ist. Der ZrO2-Dünnfilm 26 ist in eine ZrO2-Schicht 26A als eine erste dielektrische Schicht auf der Seite der unteren Elektrode 22 und eine ZrO2-Schicht 26 als eine zweite dielektrische Schicht auf der Seite der oberen Elektrode geteilt, und ist so gebildet, dass eine Pufferschicht 28 zwischen der ZrO2-Schicht 26A und der ZrO2-Schicht 26B angeordnet ist.
  • Jede der ZrO2-Schichten 26A und 26B ist von einer Dicke von etwa 30 bis 50 Å (3 bis 5 nm), und die ZrO2-Schicht 26A ist hinsichtlich der Oberflächenrauheit in einem guten Zustand. Die Pufferschicht 28 ist gebildet, um eine Dicke von etwa 1 bis 2 nm zu haben. Die ZrO2-Schichten 26A und 26B sind dementsprechend laminiert, und der ZrO2-Dünnfilm mit einer Filmdicke von etwa 60 bis 100 Å ist als ein Ganzes gebildet.
  • Die Pufferschicht 28 ist aus einem amorphen Material, wie z. B. Al2O3, HfO2, Ta2O5, amorphem ZrO etc., gebildet, und ist vorzugsweise ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante. Die Pufferschicht 28 erreicht eine Funktion des Unterdrückens einer Kristallisation der ZrO2-Schicht 26B.
  • Wenn die in 2 gezeigte Vorrichtungsstruktur gebildet wird, wird der Dünnfilmkondensator 2 nach dem Bilden der Transistorstruktur 6 mit einer mehrschichtigen Struktur gebildet. Bei dem Schritt des Bildens des Dünnfilmkondensators 2 wurde die Transistorstruktur 6 bereits gebildet, und um den Dünnfilmkondensator 2, während die Transistorstruktur 6 beibehalten wird, zu bilden, ist es notwendig, einen Film mit einer hohen Dielektrizitätskonstante bei einer relativ niedrigen Temperatur zu bilden. Der ZrO2-Film, der eine hohe Dielektrizitätskonstante hat und bei einer Temperaturbedingung von etwa 250°C gebildet werden kann, wird daher als ein Dünnfilmkondensator verwendet.
  • Der ZrO2-Dünnfilm 26 wird durch ein ALD-Verfahren an der unteren Elektrode 22, die beispielsweise aus TiN gebildet ist, gebildet. Wenn dann die Filmdicke des ZrO2-Dünnfilms 26 bei einem einzigen Dünnfilmbildungsprozess zum Wachsen auf 100 Å gebracht wird, wird eine Oberflächenrauheit des ZrO2-Dünnfilms 26, wie im Vorhergehenden erwähnt ist, groß, was in einer Erhöhung eines Leckstroms aufgrund einer Konzentration eines elektrischen Feldes durch das Konvex-Konkave (Konvex-Konkave einer Grenzfläche zwischen der ZrO2-Schicht und der oberen Elektrode 24) der Oberfläche des ZrO2-Films resultiert, wenn eine Spannung über die obere und untere Elektrode 22 und 24 angelegt ist, wodurch die Zuverlässigkeit des Kondensators verringert wird.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird daher der ZrO2-Dünnfilm durch Trennen in die ZrO2-Schichten 26A und 26B erzeugt, und die Filmdicke von jeder der ZrO2-Schichten 26A und 26B wird hergestellt, um 30 bis 70 Å zu sein, so dass die ZrO2-Schicht 26A in einem guten Zustand hinsichtlich der Oberflächenrauheit gebildet wird, und eine Kristallisation der ZrO2-Schicht 26B wird durch Bilden der Pufferschicht 28 an der ZrO2-Schicht 26A und durch Bilden der ZrO2-Schicht 26B an der Pufferschicht 28 unterdrückt, und als ein Resultat wird die Oberflächenrauheit der ZrO2-Schicht 26B unterdrückt, um klein zu sein.
  • Wenn die Pufferschicht 28 eines amorphen Materials bei einer Temperatur gleich oder niedriger als 250°C, nachdem die untere ZrO2-Schicht 26A gebildet ist, gebildet wird, wird die Oberflächenrauheit der ZrO2-Schicht 26A bei einer kleinen Oberflächenrauheit zu einer Zeit gehalten, wenn die Filmdicke 50 Å ist, und die Oberfläche der Pufferschicht 28 wandelt sich, um eine glatte Oberfläche zu sein. Wenn dementsprechend die obere ZrO2-Schicht 26B an der Pufferschicht 28 gebildet wird, wird die ZrO2-Schicht an der Oberfläche der Pufferschicht mit einer kleinen Rauheit gebildet, und die Oberflächenrauheit der ZrO2-Schicht 26B ist im Wesentlichen gleich derselben der Filmdicke bei dem Fall, bei dem dieselbe mit einer Filmdicke von 50 Å gebildet wird. Das heißt, die Oberflächenrauheit der Oberfläche von jeder der ZrO2-Schichten 26A und 26B ist gleich der Oberflächenrauheit, wenn dieselben mit einer Filmdicke von 50 Å gebildet werden, was eine kleine Rauheit ist, und dadurch tritt eine große Konzentration eines elektrischen Felds, um einen Leckstrom zu erhöhen, nicht auf.
  • Es sei bemerkt, dass ein amorphes Material, in dem Kristallkörner nicht wachsen, als ein Material der Pufferschicht 28 wegen des Bildens der oberen ZrO2-Schicht aus einem Zustand, bei dem eine Rauheit klein ist, nach dem Zurücksetzen des Oberflächenzustands der unteren ZrO2-Schicht 26A geeignet ist, und ein hochdielektrisches Material, wie z. B. dasselbe, das als ein Kondensatormaterial funktioniert, ist ebenfalls geeignet. Als ein solches Material gibt es Al2O3, HfO2, Ta2O5, amorphes ZrO2 etc.
  • Wie im Vorhergehenden erwähnt ist, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Oberflächenrauheit durch Bilden der Pufferschicht 28 aus einem amorphen Material zwischen den zwei ZrO2-Schichten 26A und 26B reduziert, um eine Konzentration eines elektrischen Felds an der Oberfläche der ZrO2-Schicht zu unterdrücken, was eine Bildung des Dünnfilmkondensators, bei dem ein Leckstrom reduziert ist, ermöglicht.
  • Als nächstes ist eine Beschreibung eines Verfahrens zum Erzeugen des Dünnfilmkondensators 2 angegeben.
  • Die im Vorhergehenden erwähnten ZrO2-Schichten 26A und 26B und die Pufferschicht 28 können durch ein ALD-Verfahren gebildet werden. 3 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Verarbeitungsvorrichtung zum Bilden eines Dünnfilms durch ein ALD-Verfahren zeigt, wobei (A) einen Zustand zeigt, bei dem ein Quellgas zugeführt wird, (B) einen Zustand zeigt, bei dem ein Oxidationsgas zugeführt wird. Es sei bemerkt, dass, obwohl ein Steuersystem zum Steuern eines Betriebs der Verarbeitungsvorrichtung in 3(B) gezeigt ist, die Darstellung in 3(A) weggelassen ist.
  • Bei einem Erzeugungsprozess eines Dünnfilmkondensators, wie in einem Flussdiagramm von 4 gezeigt ist, wird zunächst die untere Elektrode 22 an einem Substrat gebildet (Schritt S1), die ZrO2-Schicht 26A wird an der unteren Elektrode 22 durch ein ALD-Verfahren gebildet (Schritt S2), eine Pufferschicht 28 wird an derselben gebildet (Schritt S3), anschließend wird die ZrO2-Schicht 26B gebildet (Schritt S4) und die obere Elektrode 24 wird an derselben gebildet (Schritt S5). Die Serie von Prozessen von den Schritten S1 bis S5 kann durch die Verarbeitungsvorrichtung, wie in 3 gezeigt ist, oder ein im Folgenden erwähntes Cluster- bzw. Gruppen-Werkzeug durchgeführt werden. Der Prozess der Schritte S3 bis S5 kann alternativ durch eine einzige Verarbeitungsvorrichtung oder ein Cluster-Werkzeug aufeinander folgend durchgeführt werden.
  • Bei der in 3 gezeigten Verarbeitungsvorrichtung ist eine erste Prozessgaszuführöffnung 33A an einem Prozessbehälter 31 vorgesehen, in dem ein Substrat 32, das ein zu verarbeitendes Objekt ist, auf einer ersten Seite hinsichtlich des Substrats 32 gehalten wird, und eine erste Auslassöffnung 34A ist auf einer Seite gegenüber der ersten Seite vorgesehen. Der Prozessbehälter 31 ist ferner mit einer zweiten Prozessgaszuführöffnung 33B auf einer zweiten Seite versehen, und ist mit einer zweiten Auslassöffnung 34B auf der ersten Seite versehen. Ein erstes Prozessgas A wird über die erste Prozessgaszuführöffnung 33A über ein erstes Einsatzstoffschaltventil 35A zugeführt, und ein zweites Prozessgas B wird der zweiten Prozessgaszuführöffnung 33B über ein zweites Einsatzstoffschaltventil 35B zugeführt. Die erste Auslassöffnung 34A wird ferner durch ein erstes Auslassmengenanpassventil 36A evakuiert, und die zweite Auslassöffnung 34B wird durch ein zweites Auslassmengenanpassventil 36B evakuiert.
  • Eine Flüssigeinsatzstoffquelle (beispielsweise TEMAZ) wird einem Verdampfer (VU) zusammen mit einem inerten Gas, wie z. B. Argon oder dergleichen, zugeführt, während dieselbe hinsichtlich einer Strömungsmenge durch eine Flüssigkeitsmassenströmungssteuerung (LMFC) auf der Seite der ersten Prozessgaszuführöffnung 33A gesteuert wird und verdampft und in ein Gas gewandelt und dem der ersten Prozessgaszuführöffnung 33A über ein Schaltventil 35A zugeführt wird.
  • O3, das durch eine O3-Erzeugungsvorrichtung erzeugt wird, wird andererseits der zweiten Prozessgaszuführöffnung 33B durch ein Schaltventil 35B zusammen mit einem inerten Gas, wie z. B. Argon oder dergleichen, auf der Seite der zweiten Prozessgaszuführöffnung zugeführt. Argongas als ein Spülgas wird zusätzlich von einer Ar-Spülgasquelle der zweiten Prozessgaszuführöffnung 33B durch das Schaltventil 35B zugeführt.
  • Es sei bemerkt, dass das Schaltventil 35A mit einer Stromabwärtsseite des zweiten Auslassmengenanpassventils 36B durch eine Entlüftung verbunden ist. Das Schaltventil 35B ist zusätzlich mit einer Stromabwärtsseite des ersten Auslassmengenanpassventils 36A durch eine Entlüftung verbunden.
  • Das Substrat 32 ist außerdem auf einem Platzierungstisch 31A platziert und wird durch einen Heizer H erhitzt, der eine Wärmequelle ist, die in dem Platzierungstisch 31A eingebaut ist. Obwohl der Heizer H ein Heizer für ein Widerstandsheizen ist, kann eine Lampe als die Wärmequelle verwendet sein.
  • Das erste Prozessgas A (eine metallorganische Verbindung aus hochdielektrischem Material) wird der ersten Prozessgaszuführöffnung 33A durch das erste Einsatzstoffschaltventil 35A bei dem Prozess von 3(A) zugeführt, um zu bewirken, das das erste Prozessgas A auf einer Substratoberfläche in dem Prozessbehälter 31 adsorbiert wird. Zu dieser Zeit strömt das erste Prozessgas in einer ersten Richtung entlang der Substratoberfläche von der ersten Prozessgaszuführöffnung 33A zu der ersten Auslassöffnung 34A durch Treiben der ersten Auslassöffnung 34A entgegengesetzt zu der ersten Prozessgaszuführöffnung 33A.
  • Ein zweites Prozessgas B (Oxidationsmittel) wird der zweiten Prozessgaszuführöffnung 33B durch das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B bei dem Prozess von 3(B) zugeführt, um zu bewirken, dass das zweite Prozessgas B entlang der Oberfläche des Substrats 32 in den Prozessbehälter 31 strömt. Als ein Resultat wirkt das zweite Prozessgas B (Oxidationswirkung) auf die Moleküle des ersten Prozessgases, die vorher an der Substratoberfläche adsorbiert wurden, und eine Molekülschicht aus hochdielektrischem Material (Metalloxid aus hochdielektrischem Material) wird an der Substratoberfläche gebildet. Zu dieser Zeit strömt das zweite Prozessgas in einer zweiten Richtung entlang der Substratoberfläche von der zweiten Prozessgaszuführöffnung 33B zu der zweiten Auslassöffnung 34B durch Treiben der zweiten Auslassöffnung 34B entgegengesetzt zu der zweiten Prozessgaszuführöffnung 33B.
  • Durch Wiederholen der Prozesse von 3(A) und 3(B) wird ein gewünschter Film aus hochdielektrischem Material an dem Substrat 32 gebildet. Obwohl die Zufuhr des zweiten Prozessgases B von dem zweitem Einsatzstoffschaltventil 35B zu der zweiten Prozessgaszuführöffnung 33B bei dem Prozess von 3(A) unterbrochen wird, und die Zufuhr des ersten Prozessgases A von dem ersten Einsatzstoffschaltventil 35A zu der ersten Prozessgaszuführöffnung 33A bei dem Prozess von 3(B) unterbrochen wird, wird bevorzugt, eine Spülung durch Zuführen eines inerten Gases von dem zweiten Einsatzstoffschaltventil 35B zu der zweiten Prozessgaszuführöffnung 33B bei dem Prozess von 3(A) durchzuführen, um ein Auftreten einer Trennung aufgrund dessen, dass das erste Prozessgas A, das von der ersten Prozessgaszuführöffnung 33A bei dem Prozess von 3(A) eingeführt wird, in die gegenüberliegende zweite Prozessgaszuführöffnung 33B eintritt, zu vermeiden. Es ist ähnlich vorzuziehen, eine Spülung durch Zuführen eines inerten Gases von dem ersten Einsatzstoffschaltventil 35A zu der ersten Prozessgaszuführöffnung 33A bei dem Prozess von 3(B) durchzuführen. Obwohl das erste Auslassmengenanpassventil 36A eingestellt ist, um einen großen Ventilöffnungsgrad zu haben, um das erste Prozessgas, das durch die Oberfläche des Substrats 32 bei dem Prozess von 3(A) gegangen ist, abzulassen, ist es ferner in Anbetracht eines Ventilöffnungs- und Schließbetriebs bei einer hohen Temperatur vorzuziehen, dass das zweite Auslassmengenanpassventil 36B nicht vollständig geschlossen wird, sondern auf einen kleinen Ventilöffnungsgrad beispielsweise gleich oder kleiner als 3% eingestellt wird. Obwohl das zweite Auslassmengenanpassventil 36B ähnlich eingestellt ist, um einen großen Ventilöffnungsgrad bei dem Prozess von 3(B) zu haben, wird bevorzugt, dass das erste Auslassmengenanpassventil 36A ebenfalls nicht vollständig geschlossen ist, sondern ferner auf einen kleinen Ventilöffnungsgrad von beispielsweise gleich oder kleiner als 3% eingestellt ist.
  • Der Prozessbehälter 31 ist in einer flachen Form gebildet, so dass das erste und das zweite Prozessgas in einer Strömung entlang des zu verarbeitenden blattförmigen Objekts an der Oberfläche des Substrats 32 strömen, und die erste und die zweite Prozessgaszuführöffnung 33A und 33B sind ebenfalls mit entsprechenden flachen, schlitzähnlichen Öffnungsteilen gebildet. Die erste und die zweite Auslassöffnung 34A und 34B sind ferner ebenfalls in einer Schlitzform gebildet, die sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten oder zweiten Prozessgases erstreckt. Ein Auslass wird zusätzlich nach unten und gleichmäßig von den Schlitzen senkrecht zu der Strömungsrichtung des Prozessgases durchgeführt, und dadurch ist die blattähnliche Prozessgasströmung nicht gestört.
  • Es sei bemerkt, dass der Betrieb der Verarbeitungsvorrichtung durch eine Steuereinheit 40, wie in 3(B) gezeigt ist, gesteuert ist. Die Steuereinheit 40 steuert insbesondere eine Energiezufuhr zu einem Heizer 38, der an einem Suszeptor 37, auf dem das Substrat 32 platziert ist, vorgesehen ist, um eine Prozesstemperatur des Substrats 32 zu steuern. Die Steuereinheit 40 steuert zusätzlich das Gaszuführsystem 42 und 44 und ein Auslasssystem 46, um eine Strömung des Prozessgases in dem Prozessbehälter 31, wie im Vorhergehenden erwähnt ist, zu steuern.
  • Um die im Vorhergehenden erwähnte Steuerung durchzuführen, weist die Steuereinheit 40 eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU), einen Speicher (M) zum Speichern von Daten und Programmen, eine Peripherieschaltung (C) etc. auf, und kann durch beispielsweise einen Allgemeinzweckcomputer aufgebaut sein. Durch die Steuereinheit 40, die die Verarbeitungsvorrichtung gemäß vorbestimmter Programme betreibt, wird der im Vorhergehenden erwähnte Dünnfilmkondensator-Erzeugungsprozess durchgeführt, um einen Dünnfilmkondensator zu bilden. Das Programm für den Dünnfilmkondensator-Erzeugungsprozess kann in dem Speicher (M) in der Steuereinheit 40 gespeichert sein oder kann in einem computerlesbaren Speichermedium, wie z. B. einer CD-ROM, einer flexiblen Magnetplatte oder einer magnetooptischen Platte, gespeichert sein, um durch eine Laufwerksvorrichtung (D), mit der die Steuereinheit 40 versehen ist, gelesen zu werden.
  • Bei der im Vorhergehenden erwähnten Verarbeitungsvorrichtung können die ZrO2-Schichten an dem Substrat unter Verwendung eines einen Einsatzstoff aufweisenden Zr als das erste Prozessgas und unter Verwendung eines Oxidationsgases O3 als das zweite Prozessgas gebildet werden. Durch Schalten des ersten Prozessgases zu einer metallorganischen Verbindung eines hochdielektrischen Materials, die Al oder Hf aufweist, kann eine Metalloxidschicht aus einem hochdielektrischen Material, wie z. B. eine Al2O3-Schicht, eine HfO2-Schicht oder dergleichen, als die Pufferschicht gebildet werden.
  • Wie in 5 gezeigt ist, wird zunächst das Substrat, in dem die Transistorstruktur 6 und die untere Elektrode gebildet sind, in dem Prozessbehälter 31 platziert, und das Substrat wird bei 200 bis 350°C erhitzt (Schritt S11). Als nächstes wird das erste Einsatzstoffschaltventil 35A geöffnet, um eine organische Zirkoniumverbindung, wie z. B. Tetrakis-Ethyl-Methyl-Amino-Zirkonium (TEMAZ), das organisches Zirkonium aufweist, als das erste Prozessgas A in den Prozessbehälter 31 einzuführen. Ein Einsatzstoff, der zum Abscheiden von ZrO2 verwendet wird, eine Zirkonium-Amino-Base oder ein Zirkonium-Alkoxid können außer TEMAZ verwendet sein. Zu dieser Zeit ist das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B geschlossen und eingestellt, um in dem in 3(A) gezeigten Zustand zu sein. Das TEMAZ strömt dementsprechend auf das Substrat, und das TEMAZ wird thermisch zerlegt, was organische Materialien, wie z. B. eine Alkyl-Base entfernt, und Zr wird an dem Substrat (untere Elektrode 22) adsorbiert (Schritt S12). Derzeit ist bevorzugt, dass eine Strömungsrate des TEMAZ an 50 bis 200 mg/min angepasst ist und eine Zeit, um das TEMAZ zuzuführen, auf 0,1 bis 10 Sekunden eingestellt ist. Zusätzlich zu dem TEMAZ können ein Einsatzstoff, der organisches Zr einer Alkoxid-Base oder Tetrakis-Base, wie z. B. Tetrakis-Dimethyl-Zirkonium, Tetratertial-Butoxid-Zirkonium etc., aufweist, verwendet sein.
  • Nachdem die Zufuhr des TEMAZ bei dem Schritt S12 beendet ist, wird ein Prozess zum Spülen des TEMAZ in dem Prozessbehälter 31 anschließend durchgeführt (Schritt S13). Bei diesem Prozess wird, um das TEMAZ zu eliminieren, Ar dem Prozessbehälter 31 als ein inertes Gas zugeführt und von den Auslassöffnungen 34A und 34B ausgelassen. Es wird bevorzugt, dass die Strömungsrate von Ar 0,3 bis 5 slm ist und eine Spülzeit 0,1 bis 10 Sekunden ist. Eine Filmdicke kann dadurch mit einer guten Genauigkeit gesteuert werden.
  • Nachdem die Spülung durch Ar beendet ist, wird dann das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B geöffnet, um O3 als das zweite Prozessgas B in den Prozessbehälter 31 einzuführen. Zu dieser Zeit ist das erste Einsatzstoffschaltventil 35A geschlossen und eingestellt, um in dem in 3(B) gezeigten Zustand zu sein. O3 strömt dementsprechend auf das Substrat, und Zr, das an dem Substrat adsorbiert wird, und O3 reagieren miteinander, was ZrO2 an dem Substrat erzeugt (Schritt S14). Derzeit ist bevorzugt, dass die Strömungsrate von O3 an 100 bis 300 g/Nm3 angepasst ist und die Zeit des Zuführens von O3 auf 0,1 bis 10 Sekunden eingestellt ist.
  • Nachdem die Zufuhr von O3 bei dem Schritt S14 beendet ist, wird ein Prozess zum Spülen und Entfernen von O3 und Reaktionsnebenerzeugnissen in dem Prozessbehälter durchgeführt (Schritt S15). Bei diesem Prozess wird Ar dem Prozessbehälter 31 als ein inaktives Gas zugeführt und aus den Auslassöffnungen 34A und 34B ausgelassen. Es wird bevorzugt, dass die Strömungsrate 0,3 bis 5 slm und die Spülzeit 0,1 bis 10 Sekunden ist.
  • Der im Vorhergehenden erwähnte Prozess wird wiederholt, bis die Dicke der ZrO2-Schicht an dem Substrat etwa 50 Å erreicht. Da die Dicke der ZrO2-Schicht, die durch einen Zyklus der im Vorhergehenden erwähnten Schritte S11 bis S15 erzeugt wird, etwa 1 Å ist, wird der im Vorhergehenden erwähnte Prozess 50 Mal wiederholt, um die ZrO2-Schicht einer Dicke von 50 Å. zu bilden. Diese ZrO2-Schicht entspricht der ZrO2-Schicht 26A in 2.
  • Nachdem die ZrO2-Schicht 26A der Dicke von 50 Å gebildet ist, fährt derselbe zu einem Bildungsprozess der Pufferschicht 28 fort. Bei dem Bildungsprozess der Pufferschicht 28 wird eine Al2O3-Schicht (ε = 9) eines amorphen Zustands oder eine HfO2-Schicht (ε = 20 bis 30) als die Pufferschicht durch ein ALD-Verfahren an der im Vorhergehenden gebildeten ZrO2-Schicht auf die gleiche Art und Weise gebildet.
  • Eine Beschreibung ist unter Bezugnahme auf 6 von einem Prozess bei einem Fall angegeben, bei dem beispielsweise eine Al2O3-Schicht als eine Pufferschicht gebildet wird.
  • Das Substrat in dem Prozessbehälter 31 wird zunächst bei 300 bis 400°C erhitzt (Schritt S21). Das erste Einsatzstoffschaltventil 35A wird als nächstes geöffnet, um beispielsweise Trimethyl-Aluminium (TMA), das Al als das erste Prozessgas aufweist, dem Prozessbehälter 31 zuzuführen. Zu dieser Zeit ist das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B geschlossen und eingestellt, um in dem in 3(A) gezeigten Zustand zu sein. Das TMA strömt dementsprechend auf das Substrat und Al wird an dem Substrat (ZrO2-Schicht) adsorbiert (Schritt S22). Derzeit ist bevorzugt, dass eine Strömungsrate des TMA an 90 sccm angepasst ist und eine Zeit zum Zuführen des TMA auf 0,1 bis 10 Sekunden eingestellt ist. Außer dem TMA kann ein Einsatzstoff, der organisches Al aufweist, als das erste Prozessgas A verwendet sein.
  • Nachdem die Zufuhr des TMA bei dem Schritt S22 beendet ist, wird ein Prozess des Spülens des TMA in dem Prozessbehälter 31 anschließend durchgeführt (Schritt S23). Bei diesem Prozess wird Ar dem Prozessbehälter 31 als ein inertes Gas zugeführt und aus den Auslassöffnungen 34A und 34B ausgelassen. Es wird bevorzugt, dass die Strömungsrate von Ar 0,3 bis 5 slm ist und eine Spülzeit 0,1 bis 10 Sekunden ist.
  • Nachdem die Spülung durch Ar beendet ist, wird das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B dann geöffnet, um O3 als das zweite Prozessgas B in den Prozessbehälter 31 einzuführen. Zu dieser Zeit ist das erste Einsatzstoffschaltventil 35A geschlossen und eingestellt, um in dem in 3(B) gezeigten Zustand zu sein. O3 strömt dementsprechend auf das Substrat, und Al, das auf dem Substrat adsorbiert wird, und O3 reagieren miteinander, was Al2O3 an dem Substrat erzeugt (Schritt S24). Derzeit ist bevorzugt, dass die Strömungsrate von O3 an 100 bis 300 g/Nm3 angepasst ist, und die Zeit zum Zuführen von O3 auf 0,1 bis 10 Sekunden eingestellt ist. Ein aktives Radikal, wie z. B. ein Sauerstoffradikal, kann anstatt O3 verwendet sein.
  • Nachdem die Zufuhr von O3 bei dem Schritt S24 beendet ist, wird ein Prozess zum Spülen und Entfernen von O3 und von Reaktionsnebenerzeugnissen in dem Prozessbehälter 31 durchgeführt (Schritt S25). Bei diesem Prozess wird Ar dem Prozessbehälter 31 als ein inaktives Gas zugeführt und aus den Auslassöffnungen 34A und 34B ausgelassen. Es wird bevorzugt, dass die Strömungsrate von Ar 0,3 bis 5 slm und die Spülzeit 0,1 bis 10 Sekunden ist.
  • Der im Vorhergehenden erwähnte Prozess wird wiederholt, bis die Dicke der Al2O3-Pufferschicht an dem Substrat etwa 10 Å erreicht. Da die Dicke der Al2O3-Schicht, die durch einen Zyklus der im Vorhergehenden erwähnten Schritte S21 bis S25 erzeugt wird, etwa 1 Å ist, wird der im Vorhergehenden erwähnte Prozess 10 Mal wiederholt, um die Al2O3-Schicht einer Dicke von 10 Å zu bilden. Diese Al2O3-Schicht entspricht der Pufferschicht 28 in 2. Die bevorzugte Dicke ist 1 bis 20 Å und die Filmdicke ist in Anbetracht der Dielektrizitätskonstante ε = 9 von Al2O3 bevorzugt 1 bis 10 Å.
  • Eine Beschreibung ist unter Bezugnahme auf 7 von einem Prozess bei einem Fall, bei dem eine HfO2-Schicht als eine Pufferschicht gebildet wird, zusätzlich angegeben.
  • Das Substrat in dem Prozessbehälter 31 wird zunächst bei 200 bis 350°C erhitzt (Schritt S31). Das erste Einsatzstoffschaltventil 35A wird als nächstes geöffnet, um beispielsweise Triethylmethyl-Amino-Hafnium (TEMAH) als das erste Prozessgas A dem Prozessbehälter 31 zuzuführen. Zu dieser Zeit ist das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B geschlossen und eingestellt, um in dem in 3(A) gezeigten Zustand zu sein. Das TEMAH strömt dementsprechend auf das Substrat, und das TEMAH wird thermisch zerlegt, was organische Materialien, wie z. B. eine Alkyl-Base, entfernt, und Hf wird an dem Substrat (an der ZrO2-Schicht) adsorbiert (Schritt S32). Derzeit ist bevorzugt, dass eine Flussrate des TEMAH an 50 bis 200 mg/min angepasst ist und eine Zeit, um das TEMAH zuzuführen, ist auf 0,1 bis 10 Sekunden eingestellt. Außer dem TEMAH kann ein Einsatzstoff, der organisches Hf einer Alkoxid-Base oder Tetrakis-Base, wie z. B. Tetrakis-Dimethyl-Hafnium, Tetratertial-Gutoxid-Hafnium etc., aufweist, als das erste Prozessgas verwendet sein.
  • Nachdem die Zufuhr des TEMAH bei dem Schritt S32 beendet ist, wird ein Prozess eines Spülens des TEMAH in dem Prozessbehälter 31 anschließend durchgeführt (Schritt S33). Bei diesem Prozess wird Ar dem Prozessbehälter 31 als ein inertes Gas zugeführt und aus den Auslassöffnungen 34A und 34B ausgelassen. Es wird bevorzugt, dass die Flussrate von Ar 0,3 bis 5 slm ist und eine Spülzeit 0,1 bis 10 Sekunden ist.
  • Nachdem die Spülung durch Ar beendet ist, wird dann das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B geöffnet, um O3 als das zweite Prozessgas B in den Prozessbehälter 31 einzuführen. Zu dieser Zeit ist das erste Einsatzstoffschaltventil 35A geschlossen und eingestellt, um in dem in 3(B) gezeigten Zustand zu sein. O3 strömt dementsprechend auf das Substrat, und Hf, das an dem Substrat adsorbiert wird, und O3 reagieren miteinander, was HfO2 an dem Substrat erzeugt (Schritt S34). Derzeit ist bevorzugt, dass die Strömungsrate von O3 an 100 bis 300 g/Nm3 angepasst ist und die Zeit zum Zuführen von O3 auf 0,1 bis 10 Sekunden eingestellt ist.
  • Nachdem die Zufuhr von O3 bei dem Schritt S34 beendet ist, wird ein Prozess eines Spülens von O3 und von Reaktionsnebenerzeugnissen in dem Prozessbehälter 31 durchgeführt (Schritt S35). Bei diesem Prozess wird Ar dem Prozessbehälter 31 als ein inaktives Gas zugeführt und aus den Auslassöffnungen 34A und 34B ausgelassen. Es wird bevorzugt, dass die Strömungsrate von Ar 0,3 bis 5 slm ist und die Spülzeit 0,1 bis 10 Sekunden ist.
  • Der im Vorhergehenden erwähnte Prozess wird wiederholt, bis die Dicke der HfO2-Schicht an dem Substrat etwa 10 Å erreicht. Da die Dicke der HfO2-Schicht, die durch einen Zyklus der im Vorhergehenden erwähnten Schritte S31 bis S35 erzeugt wird, etwa 1 Å ist, wird der im Vorhergehenden erwähnte Prozess 10 Mal wiederholt, um die HfO2-Schicht einer Dicke von 10 Å zu bilden. Diese HfO2-Schicht entspricht der Pufferschicht 28 in 2. Die bevorzugte Filmdicke ist 1 bis 70 Å, und die Filmdicke ist bevorzugt 1 bis 10 Å.
  • Wie im Vorhergehenden erwähnt ist, wird, nachdem die Bildung der Pufferschicht 28 an der ZrO2-Schicht 26A beendet ist, der Zyklus der Schritte S11 bis S15, die in 5 gezeigt sind, wieder wiederholt, um eine ZrO2- Schicht einer Dicke von etwa 50 Å an der Pufferschicht 28 zu bilden. Diese ZrO2-Schicht, die an der Pufferschicht 28 gebildet ist, entspricht der ZrO2-Schicht 26B, die in 2 gezeigt ist.
  • Nachdem die Bildung der ZrO2-Schicht 26B beendet ist, wird die obere Elektrode 24 an der ZrO2-Schicht 26B gebildet, und der Dünnfilmkondensator 2 ist beendet. Es sei bemerkt, dass die untere Elektrode 22 und die obere Elektrode 24 nicht auf einen TiN-Film begrenzt sind, und dieselben können durch verschiedene leitfähige Materialien gebildet sein. Für die untere Elektrode kann beispielsweise PolySi, Ru, etc. verwendet sein.
  • Obwohl außerdem der Bildungsprozess der im Vorhergehenden erwähnten ZrO2-Schicht und der Bildungsprozess der Pufferschicht entsprechend einem Filmabscheidungsprozess unter Verwendung eines ALD-Verfahrens durchgeführt werden, können dieselben entsprechend einem Filmabscheidungsprozess unter Verwendung eines anderen CVD-Verfahrens als das ALD-Verfahren durchgeführt werden.
  • Obwohl der Dünnfilmkondensator, der zwei ZrO2-Schichten und die Pufferschicht, die dazwischen vorgesehen ist, aufweist, außerdem bei dem im Vorhergehenden erwähnten Ausführungsbeispiel erklärt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf zwei ZrO2-Schichten begrenzt, und ein Dünnfilmkondensator, der eine Mehrzahl von ZrO2-Schichten, drei oder mehr, hat, kann hergestellt werden. Das heißt, eine Mehrzahl von ZrO2-Schichten wird zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode gebildet, und eine Pufferschicht, die aus einem amorphen Material hergestellt ist, kann zwischen benachbarten oberen und unteren Schichten unter der Mehrzahl von ZrO2-Schichten gebildet werden.
  • Als eine Verarbeitungsvorrichtung zum Bilden des im Vorhergehenden erwähnten Zirkoniumoxid-Dünnfilmkondensators 2 kann ein Cluster-Werkzeug, wie z. B. dasselbe, das in 8 gezeigt ist, verwendet sein. Das in 8 gezeigte Cluster-Werkzeug ist durch Anordnen von vier Prozesskammern 52-1 bis 52-4 und einer Ladeschleusenkammer um eine Vakuumbeförderungskammer, die einen Beförderungsarm hat, gebildet. Es ist beispielsweise angenommen, dass die Prozesskammern 52-1 bis 52-3 Kammern zum Bilden der ZrO2-Schichten 26A und 26B an einem Substrat sind, und dass die Prozesskammer 52-4 eine Kammer zum Bilden der Pufferschicht 28 ist.
  • Der Betrieb des Cluster-Werkzeugs ist durch einen Steuerteil 55, der durch einen Allgemeinzweckcomputer etc. gebildet ist, gesteuert. Der Steuerteil 55 weist eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU), einen Speicher (M) zum Speichern von Daten und Programmen, eine Peripherieschaltung (C), eine Laufwerksvorrichtung (D) zum Lesen eines Aufzeichnungsmediums etc. auf. Der Steuerteil 55 bewirkt, dass jede Vorrichtung des Cluster-Werkzeugs gemäß einem vorbestimmten Programm den im Vorhergehenden erwähnten Dünnfilmkondensator-Erzeugungsprozess aufweist, wodurch der Dünnfilmkondensator gebildet wird. Das Programm zum Erzeugen eines Dünnfilmkondensators kann in dem Speicher (M) in dem Steuerteil 55 gespeichert sein, oder kann in einem computerlesbaren Speichermedium, wie z. B. einer CD-ROM, einer flexiblen Magnetplatte, einer magnetooptischen Platte etc., gespeichert sein, um durch die Laufwerksvorrichtung (D), die in dem Steuerteil 55 vorgesehen ist, gelesen zu werden.
  • Es sei bemerkt, dass die Anordnung und die Zahl der Kammern nicht auf die in 8 gezeigten begrenzt sind und beliebig, wenn notwendig, ausgewählt sein können.
  • Als nächstes ist eine Beschreibung einer Serie von Bildungsprozessen des Dünnfilmkondensators angegeben.
  • Eine ZrO2-Schicht wird an einem Substrat durch die ZrO2-Filmabscheidungskammer 52-1 abgeschieden, und nach der Beendigung wird das Substrat in die Pufferschichtkammer 52-4 befördert, um eine Al2O3-Pufferschicht zu bilden. Das Substrat wird dann wieder in die ZrO2-Filmabscheidungskammer 52-1 befördert, um eine ZrO2-Schicht an der Pufferschicht zu bilden, und dadurch wird ein Dünnfilmkondensator gebildet. Nach der Beendigung wird das Substrat aus der ZrO2-Filmabscheidungskammer 52-1 durch den Beförderungsarm genommen und zu einer Kassette (in der Fig. nicht gezeigt) durch die Ladeschleusenkammer 54 zurückgeführt. Dünnfilmkondensatoren werden in ähnlicher Weise an Substraten unter Verwendung der ZrO2-Filmabscheidungskammern 52-2 und 52-3 gebildet.
  • Obwohl die ZrO2-Schicht eine relativ lange Prozesszeit erfordert, da dieselbe durch ein ALD-Verfahren gebildet wird, erfordert die Pufferschicht eine Prozesszeit, die kürzer als dieselbe der ZrO2-Schicht ist, da die Filmdicke klein ist. Um die Zeit für die Serie der Prozesse anzugleichen, sind daher drei Prozesskammern 52-1 bis 52-3 dem Filmabscheidungsprozess der ZrO2-Schicht zugewiesen, und eine Prozesskammer 52-4 ist dem Filmabscheidungsprozess der Pufferschicht zugewiesen. Die Serie von Prozessen zum Bilden des Dünnfilmkondensators gemäß der vorliegenden Erfindung deren Prozesse zum Bilden der ZrO2-Schicht 26A, zum Bilden der Pufferschicht 28 an derselben und zum Bilden der ZrO2-Schicht 26B an derselben dienen, kann dadurch effizient durchgeführt werden.
  • Es sei bemerkt, dass die Struktur des Cluster-Werkzeugs und die Prozessfolge nicht darauf begrenzt sind und verschiedene andere Strukturen als die in der Fig. gezeigte Struktur in Betracht gezogen werden können.
  • Wie im Vorhergehenden erwähnt ist, kann, obwohl die ZrO2-Schicht als eine dielektrische Schicht bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet ist, die gleiche Wirkung bei einem Fall erhalten werden, bei dem eine HfO2-Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante als auch die ZrO2-Schicht als eine dielektrische Schicht verwendet sind.
  • Als nächstes ist eine Beschreibung eines Dünnfilmkondensators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angegeben.
  • Eine Oberflächenrauheit eines Hafniumoxid-Films ist zunächst erklärt. 9 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Dicke und einer Oberflächenrauheit (Oberflächenmorphologie) eines Hafniumoxid-Films (auf den als HfO2-Film Bezug genommen sein kann) zeigt.
  • Die graphische Darstellung von 9 zeigt eine Beziehung zwischen einer Dicke und einer Oberflächenrauheit eines HfO2-Films, wenn der HfO2-Film an einem Si-Substrat durch ein ALD-Verfahren erzeugt wird. Es ist aus 9 offensichtlich, dass, wenn sich die Dicke des HfO2-Films erhöht, sich die Oberflächenrauheit ebenfalls erhöht.
  • Der vorliegende Erfinder hat daher in Betracht gezogen, die Oberflächenrauheit durch dazwischen Anordnen einer amorphen Schicht in dem ZrO2-Film oder dem HfO2-Film klein zu halten. 10 ist eine Darstellung, die eine Struktur eines Dünnfilmkondensators unter Verwendung eins HfO2-Films gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Es sei bemerkt, dass der Dünnfilmkondensator 2A den HfO2-Film gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet. Es sei bemerkt, dass ähnlich zu dem Dünnfilmkondensator, der den ZrO2-Film gemäß dem im Vorhergehenden erwähnten ersten Ausführungsbeispiel verwendet, der Dünnfilmkondensator 2A, der den HfO2-Film gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet, als eine Speicherzelle gebildet ist, die mit einer Transistorstruktur, die beispielsweise an einem Siliziumsubstrat, wie in 2 gezeigt ist, gebildet ist, verbunden ist.
  • Der Dünnfilmkondensator 2A hat die untere Elektrode 22 und die obere Elektrode 24, die durch ein leitfähiges Material, wie z. B. TiN, gebildet sind, und ein HfO2-Dünnfilm 36 als eine dielektrische Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ist zwischen denselben gebildet, wodurch derselbe als ein Dünnfilmkondensator funktioniert. Der HfO2-Dünnfilm ist in eine Mehrzahl von HfO2-Schichten 36A als eine dielektrische Schicht geteilt und hat eine mehrschichtige Struktur, bei der die Pufferschicht 38 zwischen benachbarten oberen und unteren HfO2-Schichten 36A angeordnet ist.
  • Die Pufferschicht 38 kann durch ein amorphes Material, wie z. B. Al2O3, Ta2O5, amorphem ZrO2, etc. gebildet sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist Al2O3 als ein Material zum Bilden der Pufferschicht 38 verwendet. Die Pufferschicht 38 erreicht eine Funktion zum Unterdrücken einer Kristallisation der HfO2-Schicht 36A. Das heißt, eine Temperatur der Kristallisation von HfO2 kann angehoben werden.
  • Der Dünnfilmkondensator, der den HfO2-Film, der in 10 gezeigt ist, verwendet, wird durch Bilden von jeder Schicht der Mehrzahl von HfO2-Schichten 26A und jeder Schicht der Mehrzahl von Al2O3-Pufferschichten durch ein ALD-Verfahren gebildet. Obwohl das Verhältnis der Dicke der HfO2-Schicht zu der Dicke der Al2O3-Pufferschicht 38 1:1 in 10 ist, wird die HfO2-Schicht 36A tatsächlich durch das ALD-Verfahren, das zwei Zyklen entspricht, gebildet, die Al2O3-Pufferschicht 38 wird durch das ALD-Verfahren, das zwei Zyklen entspricht, gebildet, und dieselben werden wiederholt, um der HfO2-Film einer vorbestimmten Dicke zu sein.
  • Da die Dicke (etwa 1 Å) der HfO2-Schicht, die durch einen Zyklus des ALD-Verfahrens gebildet wird, nahezu gleich der Dicke (etwa 1 Å) der Al2O3-Schicht, die durch einen Zyklus des ALD-Verfahrens gebildet wird, ist, ist das Verhältnis der Dicke der HfO2-Schicht 36A zu der Dicke der HfO2-Schicht 38 1:1 in 10. In 10 zeigen gestrichelte Linien, die in jeder Schicht der HfO2-Schichten 28A und jeder Schicht der Al2O3-Pufferschichten 38 gezeichnet sind, eine Dicke einer Schicht, die durch einen Zyklus eines ALD-Verfahrens gebildet wird. Das heißt, es ist offensichtlich, dass die in 10 gezeigte mehrschichtige Struktur durch Bilden der HfO2-Schicht 26A durch zwei Zyklen des ALD-Verfahrens und durch Bilden der Al2O3-Pufferschicht 38 an derselben durch zwei Zyklen des ALD-Verfahrens und durch Wiederholen derselben, um die mehrschichtige Struktur herzustellen, hergestellt wird. Es sei bemerkt, dass die Zahl der Wiederholungen nicht die in 10 gezeigte ist, und dass, wenn ein HfO2-Film einer Dicke von beispielsweise etwa 10 μm (100 Å) praktisch gebildet werden soll, eine Wiederholung 49 Mal durchgeführt wird.
  • Es sei bemerkt, dass in der folgenden Erklärung das Verhältnis der Dicke der HfO2-Schicht 36A zu der Dicke der Al2O3-Pufferschicht 38 durch ein Verhältnis (m:n) von Zykluszahlen des ALD-Verfahrens dargestellt ist. Bei der in 10 gezeigten Struktur ist dasselbe, da die HfO2-Schicht 36A durch m = 2 Zyklen des ALD-Verfahrens gebildet wird und die Al2O3-Pufferschicht 39 durch n = 2 Zyklen des ALD-Verfahrens gebildet wird, durch das Verhältnis der Dicken m:n = 2:2 dargestellt.
  • Das Verhältnis der Dicke der HfO2-Schicht 36A und der Dicke der Al2O3-Pufferschicht 38 ist nicht auf 2:2 begrenzt und dasselbe kann abhängig von einer Charakteristik, die für einen zu bildenden Dünnfilmkondensator erforderlich ist, beliebig geändert sein. Ein in 11 gezeigter Dünnfilmkondensator ist mit einem Verhältnis der Dicke der HfO2-Schicht 36A zu der Dicke der Al2O3-Pufferschicht 38, das auf 7:3 eingestellt ist, gebildet. Ein Dünnfilmkondensator, der in 12 gezeigt ist, ist zusätzlich mit einem Verhältnis der Dicke der HfO2-Schicht 36A zu der Dicke der Al2O3-Pufferschicht 38, das auf 5:1 eingestellt ist, gebildet.
  • Im Folgenden ist das quadratische Mittel von Resultaten von Messungen der Oberflächenrauheit von HfO2-Dünnfilmkondensatoren mit den in 10 bis 12 gezeigten Strukturen, die gebildet wurden, um eine Dicke von etwa 90 Å zu haben, gezeigt.
    Hf:Al Dicke (Å) Quadratisches
    Mittel (mm)
    5:1 90 0,184
    7:3 84 0,225
    2:2 90 0,194
  • Es ist aus den im Vorhergehenden erwähnten Resultaten von Messungen offensichtlich, dass die quadratischen Mittelwerte den Leckstrom selbst dann ausreichend unterdrücken können, wenn das Verhältnis der Dicke der HfO2-Schicht und der Dicke der Al2O3-Pufferschicht 38 variiert ist. Die in 10 bis 12 gezeigten mehrschichtigen Strukturen sind auf den bei dem Vorhergehenden erwähnten ersten Ausführungsbeispiel erklärten ZrO2-Dünnfilmkondensator anwendbar. Im Folgenden sind Resultate eines quadratischen Mittels von Messungen einer Oberflächenrauheit von ZrO2-Dünnfilmkondensatoren mit den in 10 bis 12 gezeigten Strukturen, die gebildet wurden, um eine Dicke von etwa 90 Å zu haben, gezeigt.
    Zr:Al Dicke (Å) Quadratisches
    Mittel (mm)
    5:1 95 0,36
    7:3 93 0,32
    2:2 96 0,34
  • Es ist aus dem im Vorhergehenden erwähnten Resultaten von Messungen offensichtlich, dass die quadratischen Mittelwerte den Leckstrom selbst dann ausreichend unterdrücken können, wenn das Verhältnis der Dicke der HfO2-Schicht 36A und der Dicke der Al2O3-Pufferschicht 38 variiert ist.
  • Wie im Vorhergehenden erwähnt ist, kann gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Bilden einer Mehrzahl von HfO2-Schichten 36A und der Pufferschichten 28 aus einem amorphen Material ein Dünnfilmkondensator erhalten werden, bei dem die Oberflächenrauheit reduziert ist, um eine Konzentration eines elektrischen Felds in der Oberfläche der HfO2-Schicht zu unterdrücken. Die gleiche Wirkung kann zusätzlich unter Verwendung einer ZrO2-Schicht anstatt der HfO2-Schicht erhalten werden.
  • Als nächstes ist eine Beschreibung eines Prozesses zum Erzeugen des Dünnfilmkondensators 2A der im Vorhergehenden erwähnten mehrschichtigen Struktur mit einem HfO2-Dünnfilmkondensator als ein Beispiel angegeben.
  • Die im Vorhergehenden erwähnten HfO2-Schichten 36A und die Pufferschichten 38 können durch ein ALD-Verfahren gebildet werden. Eine Verarbeitungsvorrichtung zum Bilden eines Dünnfilms durch ein ALD-Verfahren ist gleich der Verarbeitungsvorrichtung, die bei dem unter Bezugnahme auf 3 im Vorhergehenden erwähnten ersten Ausführungsbeispiel erklärt ist, und eine Beschreibung derselben ist weggelassen.
  • Bei dem Erzeugungsprozess des HfO2-Dünnfilmkondensators einer mehrschichtigen Struktur wird zunächst, wie in dem Flussdiagramm von 13 gezeigt ist, die untere Elektrode 22 an einem Substrat gebildet (Schritt S51), die HfO2-Schicht 36A wird an der unteren Elektrode 22 durch ein ALD-Verfahren gebildet (Schritt S52), die Pufferschicht 38 wird an derselben gebildet (Schritt S53) und die HfO2-Schicht 36A wird anschließend gebildet (Schritt S54). Der Prozess kehrt hier zu dem Schritt S53 zurück, und nach dem Wiederholen des Prozesses von dem Schritt S53 und dem Schritt S54 wird die obere Elektrode 24 an der zuletzt gebildeten HfO2-Schicht gebildet (Schritt S55). Hier ist die Zahl von Malen X der Wiederholungen ein Wert, der so eingestellt ist, dass die Dicke der gebildeten HfO2-Schichten 36A und die Dicke der Pufferschichten 38 eine vorbestimmte Dicke werden.
  • Die Serie von Prozessen von dem Schritt S51 bis S55 kann aufeinander folgend durch die Verarbeitungsvorrichtung, wie in 3 gezeigt ist, oder das Cluster-Werkzeug, wie in 8 gezeigt ist, durchgeführt werden. Oder der Prozess der Schritte S52 bis S54 kann durch ein Cluster-Werkzeug, das mit einer Verarbeitungsvorrichtung oder einer Mehrzahl von Vorrichtungen versehen ist, durch jede Vorrichtung aufeinander folgend durchgeführt werden.
  • Bei der in 3 gezeigten Verarbeitungsvorrichtung kann die HfO2-Schicht an einem Substrat unter Verwendung eines Einsatzstoffes, der Hf als das erste Prozessgas aufweist, und unter Verwendung eines Oxidationsgases, das O3 als das zweite Prozessgas aufweist, gebildet werden. Das Al2O3 kann zusätzlich als die Pufferschicht durch Schalten des ersten Gases zu einem Einsatzstoff, der Al aufweist, gebildet werden. Der gestapelte Film bildet eine HfAlO-Zusammensetzung.
  • Wie in 14 gezeigt ist, wird das Substrat, an dem die Transistorstruktur 6 und die untere Elektrode 22 gebildet sind, in dem Prozessbehälter 31 platziert, und das Substrat wird bei 200 bis 350°C erhitzt (Schritt S61). Als nächstes wird das erste Einsatzstoffschaltventil 35A geöffnet, um Tetrakis-Ethyl-Methyl-Amino-Hafnium (TEMAH), das Hf aufweist, als das erste Prozessgas in den Prozessbehälter 31 einzuführen. Zu dieser Zeit ist das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B geschlossen, um in dem in 3(A) gezeigten Zustand zu sein. Das TEMAH strömt dementsprechend auf das Substrat, und Hf wird an dem Substrat (der unteren Elektrode 22) adsorbiert (Schritt S62). Derzeit ist bevorzugt, dass die Strömungsrate des TEMAH an 50 bis 200 mg/min angepasst ist und die Zeit des Zuführens des TEMAH auf 0,1 bis 10 Sekunden eingestellt ist.
  • Wenn die Zufuhr des TEMAH bei dem Schritt S62 beendet ist, wird anschließend ein Prozess eines Spülens des TEMAH in dem Prozessbehälter 31 durchgeführt (Schritt S63). Bei diesem Prozess wird Ar als ein inertes Gas dem Prozessbehälter 31 zugeführt und aus den Auslassöffnungen 34A und 34B ausgelassen, um das TEMAH zu evakuieren. Es wird bevorzugt, dass die Strömungsrate von Ar 0,3 bis 5 slm und die Spülzeit 0,1 bis 10 Sekunden sind. Die Filmdicke kann dadurch mit einer guten Genauigkeit gesteuert werden.
  • Nachdem die Spülung durch Ar beendet ist, wird als nächstes das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B geöffnet, um O3 als das zweite Prozessgas B in den Prozessbehälter 31 einzuführen. In dieser Zeit ist das erste Einsatzstoffschaltventil 35A geschlossen, um in dem in 3(B) gezeigten Zustand zu sein. O3 strömt dementsprechend auf das Substrat, und Hf, das an dem Substrat adsorbiert wird, und O3 reagieren miteinander, wodurch HfO an dem Substrat erzeugt wird (Schritt S64). Derzeit ist bevorzugt, dass die Strömungsrate von O3 an 100 bis 300 g/Nm3 angepasst ist und eine Zeit zum Zuführen von O3 0,1 bis 10 Sekunden ist.
  • Nachdem die Zufuhr von O3 bei dem Schritt S64 beendet ist, wird ein Prozess eines Spülens von O3 und Reaktionsnebenerzeugnissen in dem Prozessbehälter 31 durchgeführt (Schritt S65). Bei diesem Prozess wird Ar dem Prozessbehälter 31 als ein inaktives Gas zugeführt und aus den Auslassöffnungen 34A und 34B ausgelassen. Es wird bevorzugt, dass die Strömungsrate von Ar 1 bis 5 slm und die Spülzeit 0,1 bis 10 Sekunden ist.
  • Der Prozess von Schritt S62 bis Schritt S65 entspricht hier einem Zyklus des ALD-Verfahrens. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Prozess von Schritt S62 bis S65 m Mal wiederholt. Insbesondere zwei Mal, um die in 10 gezeigte mehrschichtige Struktur zu bilden, sieben Mal, um die in 11 gezeigte mehrschichtige Struktur zu bilden, und fünf Mal, um die in 12 gezeigte mehrschichtige Struktur zu bilden.
  • Nach dem Wiederholen des Bildungsprozesses von HfO2 für vorbestimmte Zyklen fährt derselbe zu einem Bildungsprozess der Pufferschicht 38 fort. Bei dem Bildungsprozess der Pufferschicht 38 wird eine Al2O3-Schicht eines amorphen Zustands als eine Pufferschicht an der im Vorhergehenden gebildeten HfO2-Schicht gebildet. 15 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Bilden der Al2O3-Schicht als eine Pufferschicht.
  • Ein Substrat in dem Prozessbehälter 31 wird zunächst bei 300 bis 400°C erhitzt (Schritt S71). Das erste Einsatzstoffschaltventil 35A wird als nächstes geöffnet, um Trimethyl-Aluminium (TMA), das Al aufweist, als das erste Prozessgas A in den Prozessbehälter 31 einzuführen. Zu dieser Zeit ist das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B geschlossen, um in dem in 3(A) gezeigten Zustand zu sein. Das TMA strömt dementsprechend auf das Substrat, und Al wird an dem Substrat (an der HfO2-Schicht) adsorbiert (Schritt S72). Derzeit ist bevorzugt, dass die Strömungsrate des TMA an 90 sccm angepasst ist und die Zeit zum Zuführen des TMA auf 0,1 bis 10 Sekunden eingestellt ist. Ein anderer Einsatzstoff als TMA, der organisches Al aufweist, kann als das erste Prozessgas A verwendet sein.
  • Wenn die Zufuhr des TMA bei dem Schritt S72 beendet ist, wird anschließend ein Prozess zum Spülen des TMA in dem Prozessbehälter 31 durchgeführt (Schritt S73). Bei diesem Prozess wird Ar als ein inertes Gas dem Prozessbehälter 31 zugeführt und aus den Auslassöffnungen 34A und 34B mit einer hohen Geschwindigkeit ausgelassen. Es wird bevorzugt, dass die Strömungsrate von Ar 0,3 bis 5 slm ist und die Spülzeit 0,1 bis 10 Sekunden ist.
  • Nachdem die Spülung durch Ar beendet ist, wird als nächstes das zweite Einsatzstoffschaltventil 35B geöffnet, um O3 als das zweite Prozessgas B in den Prozessbehälter 31 einzuführen. Zu dieser Zeit ist das erste Einsatzstoffschaltventil 35A geschlossen, um in dem in 3(B) gezeigten Zustand zu sein. O3 strömt dementsprechend auf das Substrat und Al, das an dem Substrat adsorbiert wird, und O3 reagieren miteinander, wodurch Al2O3 an dem Substrat erzeugt wird (Schritt S74). Derzeit ist bevorzugt, dass die Strömungsrate von O3 an 100 bis 300 g/Nm3 angepasst ist und eine Zeit eines Zuführens von O3 0,1 bis 10 Sekunden ist.
  • Nachdem die Zufuhr von O3 bei dem Schritt S74 beendet ist, wird ein Prozess eines Spülens von O3 und von Reaktionsnebenerzeugnissen in dem Prozessbehälter 31 durchgeführt (Schritt S75). Bei diesem Prozess wird Ar dem Prozessbehälter 31 als ein inaktives Gas zugeführt und aus den Auslassöffnungen 34A und 34B mit hoher Geschwindigkeit ausgelassen. Es wird bevorzugt, dass die Strömungsrate von Ar 0,3 bis 5 slm und die Spülzeit 0,1 bis 10 Sekunden ist.
  • Der Prozess von Schritt S72 bis S75 entspricht hier einem Zyklus eines ALD-Verfahrens. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird entsprechend der Prozess von Schritt S72 bis Schritt S75 n Mal wiederholt. Insbesondere zwei Mal, um die in 10 gezeigte mehrschichtige Struktur zu bilden, drei Mal, um die in 11 gezeigte mehrschichtige Struktur zu bilden, und ein Mal, um die in 12 gezeigte mehrschichtige Struktur zu bilden.
  • Wie im Vorhergehenden erwähnt ist, wird, wenn die Bildung der Al2O3-Pufferschicht 38 beendet ist, der Prozess von Schritt S61 bis S65, der in 14 gezeigt ist, m Mal wieder wiederholt. Die Pufferschicht 38 wird anschließend durch n Mal Durchführen des Prozesses der Schritte S71 bis S75 gebildet. Durch X Mal Wiederholen des im Vorhergehenden erwähnten Prozesses wird der HfO2-Dünnfilm 36 einer vorbestimmten Dicke 36 durch X Mal Wiederholen des im Vorhergehenden erwähnten Prozesses gebildet.
  • Nach der Beendigung der Bildung des HfO2-Dünnfilms 36 ist der HfO2-Dünnfilmkondensator durch Bilden der oberen Elektrode 24 an der zuletzt gebildeten HfO2-Schicht 36B beendet. Es sei bemerkt, dass die untere Elektrode 22 und die obere Elektrode 24 nicht auf einen TiN-Film begrenzt sind und durch verschiedene elektrisch leitfähige Materialien gebildet sein können.
  • Es sei bemerkt, dass das Stapelfilm-HfAlO (HfO2/Al2O3) das durch die vorliegende Erfindung erzeugt wird, als ein Gate-Isolationsfilm eines CMOS-Transistors verwendet sein kann. Wenn dasselbe in einer Gate-Elektrode verwendet ist, wird die Grenzfläche Si/SiO durch Bilden einer dazwischen liegenden Schicht (Zwischenschicht) von 3 bis 10 Å durch einen extrem dünnen Siliziumoxidfilm direkt an einer Substratoberfläche glatt gesteuert. Der gestapelte Film (HfO2/Al2O3) gemäß der vorliegenden Erfindung ist an derselben mit 10 bis 50 Å gebildet, um denselben als eine Gate-Elektrode zu verwenden. Ein niedriger Leckstrom kann dadurch erreicht werden, und eine Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen kann erhöht sein.
  • 16 ist eine Darstellung, die eine Umrissstruktur eines Transistors zeigt, bei dem die im Vorhergehenden erwähnte Gate-Elektrode gebildet ist. Eine dazwischen liegende Schicht (Zwischenschicht) 51, die ein extrem dünner Oxidfilm ist, ist an dem Silizium-(Si-)Substrat 50 gebildet, und der gestapelte Film (HfAlO) 52 gemäß der vorliegenden Erfindung ist an derselben als ein Film mit hoher Dielektrizitätskonstante gebildet. Die Oberfläche des gestapelten Films (HfAlO) 52 ist nitriert, um einen Nitridfilm 53 zu bilden, und ein Polysilizium (PolySi) oder ein Polysilizium/W (Polymetall) ist als eine Gate-Elektrode 54 an demselben erzeugt. Oxidsiliziumschichten (SiO2) 55 sind als Abstandshalter an Seitenabschnitten dieser Filme gebildet, und Quellen 56 (Diffusionsbereiche) sind als ein Source-Bereich und eine Drain-Schicht in dem Si-Substrat 50 darunter gebildet.
  • Der Oxidfilm 51 der dazwischen liegenden Schicht (Zwischenschicht) kann durch eine Verarbeitungsvorrichtung (UV-RF), die in der im Vorhergehenden eingereichten internationalen Patenanmeldung ( internationale Veröffentlichungsnummer WO3/063220 ), die durch den vorliegenden Anmelder eingereicht wurde, offenbart ist, gebildet werden.
  • Eine Störstellenkonzentration von Kohlenstoff in dem hochdielektrischen Metalloxidfilm, der durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wurde, war E + 21 Atome/cm3, und es wurde eine sehr niedrige Störstellenkonzentration erreicht.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die im Vorhergehenden erwähnten besonders offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt, und verschiedene Variationen und Modifikationen können vorgenommen sein, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung ist auf einen Dünnfilmkondensator anwendbar, der in einer Schaltung, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, vorgesehen ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Bei einem Dünnfilmkondensator wird ein Leckstrom durch Unterdrücken einer Konzentration eines elektrischen Felds reduziert. Bilden einer Zirkoniumoxidschicht (26A) an einer unteren Elektrode (22), die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist. Bilden einer Pufferschicht (28), die aus einem amorphen Material hergestellt ist, an der ersten Zirkoniumoxidschicht (26A). Bilden einer zweiten Zirkoniumoxidschicht (26B) an der Pufferschicht (28), und Bilden einer oberen Elektrode (24), die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, an der zweiten Zirkoniumoxidschicht (26B).
    • 2
    Dünnfilmkondensator
    4
    Si-Substrat
    6
    Transistorstruktur
    8
    Source-Bereich
    10
    Drain-Bereich
    12
    Gate-Elektrode
    14
    Drahtkontakt
    16
    Source-Elektrode
    22
    Untere Elektrode
    24
    Obere Elektrode
    26A, 26B
    ZrO2-Schicht
    28
    Pufferschicht
    36A
    HfO2-Schicht
    38
    Al2O3-Pufferschicht
    52
    Laminatschicht (HfAlO)
    54
    Gate-Elektrode
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2003-151976 [0005]
    • - WO 3/063220 [0132]

Claims (16)

  1. Dünnfilmkondensator, der mit einem Zirkoniumoxid oder einem Hafniumoxid als ein dielektrisches Material gebildet wird, mit: einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; einer ersten dielektrischen Schicht, die an der unteren Elektrode gebildet wird; einer Pufferschicht, die an der ersten dielektrischen Schicht gebildet wird; einer zweiten dielektrischen Schicht, die an der Pufferschicht gebildet wird; und einer oberen Schicht, die an der zweiten dielektrischen Schicht gebildet wird und aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, wobei die erste und die zweite dielektrische Schicht durch entweder Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid gebildet werden.
  2. Dünnfilmkondensator nach Anspruch 1, bei dem die Pufferschicht durch ein amorphes Material gebildet wird.
  3. Dünnfilmkondensator nach Anspruch 2, bei dem die Pufferschicht durch ein Material, das aus Al2O3, HfO2, Ta2O5 und amorphem ZrO2 ausgewählt ist, gebildet wird.
  4. Dünnfilmkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste und die zweite dielektrische Schicht die gleiche Dicke haben, und die Pufferschicht dünner als die erste und die zweite dielektrische Schicht ist.
  5. Dünnfilmkondensator nach Anspruch 4, bei dem die erste und die zweite dielektrische Schicht durch ein Zirkoniumoxid gebildet werden, eine Dicke von sowohl der ersten als auch der zweiten dielektrische Schicht 1 bis 70 Å ist, und eine Dicke der Pufferschicht 1 bis 20 Å ist.
  6. Dünnfilmkondensator nach Anspruch 1, bei dem die erste dielektrische Schicht, die Pufferschicht und die zweite dielektrische Schicht bei aufeinander folgenden Prozessen gebildet werden.
  7. Dünnfilmkondensator, der mit einem Zirkoniumoxid oder einem Hafniumoxid als ein dielektrisches Material gebildet wird, mit: einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, einer oberen Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten, die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode gebildet werden; und einer Pufferschicht, die aus einem amorphen Material hergestellt ist und zwischen benachbarten oberen und unteren Schichten in der Mehrzahl von dielektrischen Schichten gebildet wird, wobei die Mehrzahl von dielektrischen Schichten durch entweder Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid gebildet wird.
  8. Dünnfilmkondensator nach Anspruch 7, bei dem die Pufferschicht durch ein Material, das aus Al2O3, HfO2, Ta2O5 und amorphem ZrO2 ausgewählt ist, gebildet wird.
  9. Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators unter Verwendung eines Zirkoniumoxids oder eines Hafniumoxids als ein dielektrisches Material, mit folgenden Schritten: Bilden einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, Bilden einer ersten dielektrischen Schicht durch entweder Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid an der unteren Elektrode; Bilden einer Pufferschicht einer vorbestimmten Dicke an der ersten dielektrischen Schicht; Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht einer vorbestimmten Dicke an der Pufferschicht unter Verwendung eines Materials gleich demselben der ersten dielektrischen Schicht; und Bilden einer oberen Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, an der zweiten dielektrischen Schicht.
  10. Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators nach Anspruch 9, bei dem die Bildung der ersten dielektrischen Schicht, die Bildung der Pufferschicht und die Bildung der zweiten dielektrischen Schicht aufeinander folgend bei einem Filmabscheidungsprozess gemäß einem ALD-Verfahren durchgeführt werden.
  11. Computerlesbares Speichermedium, das ein Programm speichert, das bewirkt, dass ein Computer ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators durchführt, mit folgenden Schritten: Bilden einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; Bilden einer ersten dielektrischen Schicht durch entweder ein Zirkoniumoxid oder ein Hafniumoxid an der unteren Elektrode; Bilden einer Pufferschicht einer vorbestimmten Dicke an der ersten dielektrischen Schicht; Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht einer vorbestimmten Dicke an der Pufferschicht durch Verwenden eines Materials gleich demselben der ersten dielektrischen Schicht; und Bilden einer oberen Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, an der zweiten dielektrischen Schicht.
  12. Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 11, bei dem das Programm bewirkt, die Bildung der ersten dielektrischen Schicht, die Bildung der Pufferschicht und die Bildung der zweiten dielektrischen Schicht aufeinander folgend bei einem Filmabscheidungsprozess gemäß einem ALD-Verfahren durchzuführen.
  13. Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators unter Verwendung eines Zirkoniumoxids oder eines Hafniumoxids als ein dielektrisches Material, mit folgenden Schritten: Bilden einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; Bilden einer dielektrischen Schicht durch entweder ein Zirkoniumoxid oder ein Hafniumoxid an der unteren Elektrode; Bilden einer Pufferschicht einer vorbestimmten Dicke an der dielektrischen Schicht; Bilden einer mehrschichtigen dielektrischen Schicht einer vorbestimmten Dicke durch Wiederholen des Schritts des Bildens der dielektrischen Schicht und des Schritts des Bildens der Pufferschicht für eine vorbestimmte Zahl von Malen; und Bilden einer oberen Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, an der mehrschichtigen dielektrischen Schicht.
  14. Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators nach Anspruch 13, bei dem die Bildung der dielektrischen Schicht und die Bildung der Pufferschicht aufeinander folgend bei einem Filmabscheidungsprozess gemäß einem ALD-Verfahren durchgeführt werden.
  15. Computerlesbares Speichermedium, das ein Programm speichert, zum Bewirken, dass ein Computer ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilmkondensators durchführt, mit folgenden Schritten: Bilden einer unteren Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; Bilden einer dielektrischen Schicht durch entweder ein Zirkoniumoxid oder ein Hafniumoxid an der unteren Elektrode; Bilden einer Pufferschicht einer vorbestimmten Dicke an der dielektrischen Schicht; Bilden einer mehrschichtigen dielektrischen Schicht einer vorbestimmten Dicke durch Wiederholen des Schritts des Bildens der dielektrischen Schicht und des Schritts des Bildens der Pufferschicht für eine vorbestimmte Zahl von Malen; und Bilden einer oberen Elektrode, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, an der mehrschichtigen dielektrischen Schicht.
  16. Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 15, bei dem das Programm die Bildung der dielektrischen Schicht und die Bildung der Pufferschicht bewirkt, um aufeinander folgend bei einem Filmabscheidungsprozess gemäß einem ALD-Verfahren durchgeführt zu werden.
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