DE112018006897T5

DE112018006897T5 - Dünnschicht-Kondensator und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE112018006897T5
Application number: DE112018006897.8T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Totsuka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2020-10-22
Also published as: KR102434565B1; KR20200092393A; CN111602216A; JP6529675B1; US20200243266A1; WO2019142317A1; US11276530B2; JPWO2019142317A1

Abstract

Ein MIM-Kondensator oder ein MIS-Kondensator in Halbleitervorrichtungen ist aus einer dünnen dielektrischen Schicht gebildet, die eine geringere Gesamtfilmdicke als 100 nm aufweist und einen amorphen Isolierfilm (6, 6a, 6b) mit hoher Dielektrizitätskonstante, amorphe Filme (3, 3a, 3c) mit hoher Durchbruchspannung wie etwa aus SiO₂ und amorphe Pufferfilme (5, 5a, 5b) mit hoher Dielektrizitätskonstante zwischen einer oberen Elektrode (1) und einer unteren Elektrode (2) umfasst. Der dünne amorphe Isolierfilm (6, 6a, 6b) mit hoher Dielektrizitätskonstante ist aus einem Material mit einer bruchfesten Eigenschaft ausgebildet, obgleich er Eigenschaften eines großen Leckstroms und einer niedrigen Durchbruchspannung aufweist, um eine Zuverlässigkeit der dünnen dielektrischen Schicht zu steigern und deren Grundfläche in der Halbleitervorrichtung zu reduzieren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf einen Dünnschicht-Kondensator, der ermöglicht, dass ein MIM-Kondensator oder ein MIS-Kondensator, der ein Bestandteil einer Halbleitervorrichtung ist, eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und seine Grundfläche in der Halbleitervorrichtung reduziert wird, und bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen des Dünnschicht-Kondensators.
Hintergrundtechnik
Ein Beispiel einer Querschnittsansicht einer herkömmlichen Struktur eines Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Kondensators, der eine Halbleitervorrichtung oder deren Bestandteil ist, ist in 10 dargestellt (siehe zum Beispiel Patentdokument 1). Ein MIM-Kondensator ist ein Bestandteil einer Halbleitervorrichtung wie etwa beispielsweise einer monolithischen Mikrowellen-IC (MMIC) und hat gewöhnlich solch eine große Grundfläche (die Fläche der dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Ebene), dass er 20% bis 30% der gesamten Fläche der Halbleitervorrichtung einnimmt. Die große Grundfläche des MIM-Kondensators führt dementsprechend zu einem Hindernis für eine Reduzierung der Gesamtfläche der Halbleitervorrichtung. Mit anderen Worten ist, da eine Reduzierung der Grundfläche des MIM-Kondensators signifikant zu einer Reduzierung der Herstellungskosten beiträgt, eine effektive Nutzung der vom MIM-Kondensator in der Halbleitervorrichtung eingenommenen Fläche eine große Herausforderung.
Dokumente nach dem Stand der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP H11-150246 A
Patentdokument 2: JP 2007-287856 A
Patentdokument 3: JP 2011-199062 A
Patentdokument 4: JP H06-077402 A

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Um die Fläche eines MIM-Kondensators zu reduzieren, ist es effektiv, die dielektrische Schicht dünner auszubilden, um eine elektrostatische Kapazität pro Flächeneinheit zu erhöhen. Beispielsweise ermöglicht ein Reduzieren der Dicke der dielektrischen Schicht auf 1/2, da die elektrostatische Kapazität verdoppelt wird, dass die Fläche des MIM-Kondensators auf 1/2 reduziert wird.
Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, das leicht in einen Kondensator mit einer hohen Durchbruchspannung und einer notwendigen Zuverlässigkeit ausgebildet werden kann, wird im Allgemeinen für ein dielektrisches Material verwendet. Falls eine Siliziumnitrid- oder eine Siliziumoxidschicht auf eine Dicke von weniger als 100 nm reduziert wird, verschlechtert sich jedoch ein daraus gebildeter MIM-Kondensator schnell hinsichtlich der Zuverlässigkeit (mittleren Betriebsdauer bis zum Ausfall (MTTF)), was somit ein Problem aufwirft, dass solch eine dünne Schicht für den Dünnschicht-Kondensator nicht verwendbar ist.
In einem herkömmlichen Dünnschicht-Kondensator ist es wahrscheinlich, dass ein Defekt, der aufgrund einer Anlegung einer Spannung über eine lange Zeit in einem Test eines zeitabhängigen dielektrischen Durchbruchs (TDDB), um dessen MTTF zu bestimmen, in einer Elektrodengrenzfläche auftritt, die dielektrische Schicht 30 von beiden Seiten der oberen Elektrode und der unteren Elektrode aus durchdringt, wie durch die in 10 dargestellten Pfeile angegeben ist (die Länge jedes Pfeils gibt eine Ausdehnung des Defekts an), und dies wird in kurzer Zeit zu einem Bruch und einem Ausfall des Dünnschicht-Kondensators führen.
Die vorliegende Anmeldung zielt darauf ab, einen Dünnschicht-Kondensator, der diese Probleme eliminiert, und ein Verfahren zum Herstellen des Dünnschicht-Kondensators bereitzustellen.
Mittel zum Lösen des Problems
Ein Dünnschicht-Kondensator in einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Anmeldung umfasst eine dielektrische Schicht, die aus einer Vielzahl gestapelter dielektrischer Filme mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften ausgebildet und zwischen einer oberen Elektrode und einer unteren Elektrode angeordnet ist, wobei die dielektrische Schicht aufweist: amorphe Pufferfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante, die aus einem dielektrischen Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die Dielektrizitätskonstante von Siliziumnitrid ausgebildet und in ganz außen gelegenen Teilen der dielektrischen Schicht und in Kontakt mit der oberen Elektrode und der unteren Elektrode jeweils angeordnet sind; und eine dazwischenliegende dielektrische Schicht, die in einem dazwischenliegenden Teil zwischen den amorphen Pufferfilmen mit hoher Dielektrizitätskonstante angeordnet ist, wobei die dazwischenliegende dielektrische Schicht umfasst: amorphe Filme mit hoher Durchbruchspannung, die aus einem dielektrischen Material mit einer Durchbruchspannung von 8 MV/cm oder höher ausgebildet und zwischen den amorphen Pufferfilmen mit hoher Dielektrizitätskonstante und in Kontakt mit diesen angeordnet sind; und einen amorphen Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante, der aus einem dielektrischen Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als eine Dielektrizitätskonstante von Siliziumnitrid ausgebildet und zwischen den amorphen Filmen mit hoher Durchbruchspannung und in Kontakt mit diesen ausgebildet ist.
Vorteilhafter Effekt der Erfindung
Ein Ausbilden eines amorphen Isolierfilms mit hoher Dielektrizitätskonstante zwischen Filmen mit hoher Durchbruchspannung wie etwa aus SiO₂ verhindert ein Durchdringen eines Defekts, wobei somit eine MTTF von praktischem Niveau (länger als 1E+06 Std., d.h. eine Million Std.) erreicht werden kann.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Anmeldung;
2 ist ein Prozessablauf, um ein Verfahren zum Herstellen des Dünnschicht-Kondensators gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Anmeldung zu erläutern;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Anmeldung;
4 ist eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Anmeldung;
5 ist eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Anmeldung;
6 ist eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Anmeldung;
7 ist eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 6 der vorliegenden Anmeldung;
8 ist eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 7 der vorliegenden Anmeldung;
9 ist eine Tabelle, die gemessene MTTF-Werte der Dünnschicht-Kondensatoren gemäß den Ausführungsformen 1 und 4 bis 7 der vorliegenden Anmeldung auflistet; und
10 ist ein Diagramm, um ein zu lösendes Problem zu erläutern.

Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung
Ausführungsform 1
Eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Der Dünnschicht-Kondensator ist ein Beispiel eines aus einer dielektrischen Schicht zwischen einer oberen Elektrode 1 und einer unteren Elektrode 2 gebildeten MIM-Kondensators. Genauer gesagt ist der Dünnschicht-Kondensator so ausgebildet, dass amorphe Isolierfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante mit der oberen Elektrode 1 bzw. der unteren Elektrode 2 in Kontakt sind. Dies verhält sich so aufgrund der Tatsache, dass, falls ein amorpher Film 3 mit hoher Durchbruchspannung mit der oberen Elektrode 1 oder der unteren Elektrode 2 in direktem Kontakt ist, aufgrund einer Konzentration eines elektrischen Feldes an der Grenzfläche 4 zwischen der dielektrischen Schicht und der Elektrodenoberfläche mit mikroskopischen Oberflächenunebenheiten (worauf auch als Oberflächenrauigkeit verwiesen wird) ein Defekt auftritt und sich dadurch wahrscheinlich ein Bruch in den amorphen Film 3 mit hoher Durchbruchspannung ausdehnt. Daher wird ein Bruch verhindert, indem die amorphen Isolierfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante, welche bruchfest sind, in Kontakt mit der oberen Elektrode 1 und der unteren Elektrode 2 ausgebildet werden, ohne den amorphen Film 3 mit hoher Durchbruchspannung in direktem Kontakt mit der oberen Elektrode 1 oder der unteren Elektrode 2 auszubilden. Man beachte, dass im Obigen der Begriff „hohe Dielektrizitätskonstante“ in den amorphen Isolierfilmen mit hoher Dielektrizitätskonstante eine höhere Dielektrizitätskonstante als diejenige von Siliziumnitrid (gewöhnlich etwa 7) bezeichnet.
Darüber hinaus wird ein amorpher Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante, der bruchfest ist, zwischen den amorphen Filmen 3 mit hoher Durchbruchspannung ausgebildet, so dass, wenn sich ein Bruch in einen der amorphen Filme 3 mit hoher Durchbruchspannung ausdehnt, der Defekt nicht über die obere Elektrode 1 und die untere Elektrode 2 durchdringt. Durch Ausbilden solch einer Schichtkonfiguration stoppt ein Bruch aufgrund eines Defekts eine Ausdehnung an einem Punkt, der durch das in 1 dargestellte Symbol „x“ angegeben ist, und dehnt sich nicht weiter aus, auch wenn er sich in der durch den in der Figur dargestellten Pfeil angegebenen Richtung erstreckt. Das heißt, selbst wenn der amorphe Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante ein Film mit niedriger Durchbruchspannung ist, dehnt sich der Bruch aufgrund des Defekts nicht in den amorphen Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante aus. Man beachte, dass hier im Folgenden auf die amorphen Isolierfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante, die in Kontakt mit der oberen Elektrode 1 bzw. der unteren Elektrode 2 ausgebildet sind, als „amorphe Pufferfilme 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante“ verwiesen wird. In der oben erwähnten dielektrischen Schicht wird auch auf einen Teil mit Ausnahme der amorphen Pufferfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante als „dazwischenliegender Teil“ verwiesen, und auf die im dazwischenliegenden Teil ausgebildeten Filme wird zusammenfassend als „dazwischenliegende dielektrische Schicht“ verwiesen.
Wie oben beschrieben wurde, durchdringt, auch wenn ein Defekt an der Grenzfläche auftritt, ein Bruch aufgrund des Defekts die dielektrische Schicht nicht, was somit eine Verbesserung der Zuverlässigkeit des Dünnschicht-Kondensators erreicht, während eine gute Durchbruchspannung und ein niedriger Leckstrom in dem amorphen Film 3 mit hoher Durchbruchspannung aufrechterhalten werden.
Dies gilt aufgrund der Tatsache, dass, obgleich ein amorpher Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante wie etwa aus Ta₂O₅ (der Begriff „hohe Dielektrizitätskonstante“ bezeichnet hier eine höhere Dielektrizitätskonstante in Bezug auf diejenige von Siliziumnitrid, d.h. einen Wert von 7 oder höher als Richtschnur, vorzugsweise 10 oder höher) einen großen Leckstrom hervorruft und dessen Durchbruchspannung aus diesem Grund als niedrig (niedriger als 3 MV/cm) abgeschätzt wird, der Isolierfilm eine Eigenschaft hat, dass ein Bruch weniger wahrscheinlich auftritt und ein Durchdringen eines Defekts verhindert wird, indem der amorphe Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante zwischen den Filmen mit hoher Durchbruchspannung wie etwa aus SiO₂ ausgebildet wird (der Begriff „hohe Durchbruchspannung“ bezieht sich hier gewöhnlich auf 8 MV/cm oder höher). Die Durchbruchspannung ist hier als eine angelegte Spannung mit einem Leckstrom von 0,1 A/cm² definiert. Man beachte, dass das dielektrische Material amorph sein muss, da ein polykristallines Material wahrscheinlich an Korngrenzen einen Bruch hervorruft. Außerdem muss die untere Elektrode 2 keine planare Oberfläche wie in 1 gezeigt aufweisen und kann eine unebene Oberfläche wie eine (nicht dargestellte) Grabenstruktur aufweisen.
Der Dünnschicht-Kondensator gemäß der Ausführungsform 1 wird wünschenswerterweise unter Verwendung eines Verfahrens gemäß dem in 2 gezeigten Prozessablauf hergestellt. Der Herstellungsprozess wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figur beschrieben.

(1) Zuerst wird ein halbisolierendes Halbleitersubstrat 100 wie etwa aus Galliumarsenid (GaAs) vorbereitet (der Prozess (a) in 2).
(2) Als Nächstes wird die untere Elektrode 2 auf dem halbisolierenden Halbleitersubstrat unter Verwendung einer Liftoff-Technik gebildet, indem ein mittels einer Gasphasenabscheidung oder eines Sputterns abgeschiedenes Metall wie etwa Titan (Ti), Gold (Au) oder Platin (Pt) strukturiert wird (der Prozess (b) in 2).
(3) Als Nächstes werden unter Verwendung einer Atomlagenabscheidung (ALD) der amorphe Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante, der amorphe Pufferfilm 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante und der amorphe Film 3 mit hoher Durchbruchspannung abgeschieden. Die Abscheidung auf der unteren Elektrode 2 wird kontinuierlich in der gleichen Abscheidungskammer ohne Aussetzung gegenüber der Atmosphäre in der Reihenfolge des amorphen Pufferfilms 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante, des amorphen Films 3 mit hoher Durchbruchspannung, des amorphen Isolierfilms 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante, des amorphen Films 3 mit hoher Durchbruchspannung und des amorphen Pufferfilms 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante durchgeführt (der Prozess (c) in 2). Eine Verwendung der ALD-Technik verbessert die Zuverlässigkeit des Dünnschicht-Kondensators, da ein Defekt und ein Eindringen von Störstellen an den Grenzflächen zwischen dem amorphen Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante und dem amorphen Pufferfilm 3 mit hoher Durchbruchspannung und zwischen dem amorphen Pufferfilm 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante und dem amorphen Film 3 mit hoher Durchbruchspannung weniger wahrscheinlich auftreten.
(4) Als Nächstes wird ein Kontaktloch 101 gebildet, wie etwa indem die im Prozess (3) ausgebildete dielektrische Schicht in der Reihenfolge des ersten Pufferfilms 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante, des amorphen Films 3 mit hoher Durchbruchspannung, des amorphen Isolierfilms 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante, des amorphen Films 3 mit hoher Durchbruchspannung und des amorphen Pufferfilms 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante trockengeätzt wird (der Prozess (d) in 2).
(5) Die obere Elektrode 1 und eine Zwischenverbindung 102 werden unter Verwendung einer Liftoff-Technik gebildet, indem ein mittels einer Gasphasenabscheidung oder eines Sputterns abgeschiedenes Metall wie etwa Titan (Ti), Gold (Au) oder Platin (Pt) strukturiert wird (der Prozess (e) in 2).

Ausführungsform 2
Eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Anmeldung ist in 3 dargestellt. Der Dünnschicht-Kondensator der Ausführungsform 2 ist ein MIM-Kondensator, der eine Konfiguration derart aufweist, dass der amorphe Pufferfilm 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante nur mit der unteren Elektrode 2 an der Grenzfläche 4, d.h. der Grenze zwischen der Oberfläche der Elektrode und der dielektrischen Schicht, in Kontakt ist. Mit Ausnahme davon ist die Konfiguration die Gleiche wie die in der Ausführungsform 1 Beschriebene.
Der Dünnschicht-Kondensator gemäß der Ausführungsform 2 weist, obgleich er nicht verhindern kann, dass ein Defekt an der Grenzfläche zwischen der oberen Elektrode 1 und dem amorphen Film 3 mit hoher Durchbruchspannung auftritt, einen Vorteil einer Reduzierung der Anzahl dielektrischer Filme auf. Man beachte, dass, während das Obige beschreibt, dass die Konfiguration des Dünnschicht-Kondensators derart ist, dass der amorphe Pufferfilm 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante mit allein der unteren Elektrode 2 in Kontakt ist, die Konfiguration nicht auf diese beschränkt ist, sondern derart sein kann, dass der amorphe Pufferfilm 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante mit allein der oberen Elektrode 1 in Kontakt ist.
Ausführungsform 3
Eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Anmeldung ist in 4 dargestellt. In der Ausführungsform 3 ist anstelle der unteren Elektrode 2 der Ausführungsform 1 ein Halbleiter 7 ausgebildet. Mit anderen Worten hat der Dünnschicht-Kondensator der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration eines Metall-Isolator-Halbleiter-(MIS)-Kondensators. Mit Ausnahme davon ist die Konfiguration die Gleiche wie diejenige des Dünnschicht-Kondensators der Ausführungsform 1. Eine Verwendung dieser Konfiguration ermöglicht auch, den gleichen, einen Bruch verhindernden Effekt wie derjenige der Ausführungsform 1 zu erhalten. Darüber hinaus bringt eine Verwendung der Konfiguration einen neuen Effekt mit sich, dass sie sich auch auf eine Gatestruktur eines MIS-Transistors anwenden lässt; daher kann ein MIS-Transistor mit hoher Zuverlässigkeit hergestellt werden.
Ausführungsform 4
Eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Anmeldung ist in 5 dargestellt. Um eine Vermeidung eines Defektwachstums von einer Grenzfläche der oberen und unteren Elektroden aus weiter sicherzustellen, weist der Dünnschicht-Kondensator der vorliegenden Ausführungsform insofern ein Merkmal auf, als er unter Einbeziehung einer kombinierten dielektrischen Schicht 8, die mit einem weiteren amorphen Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante und einem amorphen Film 3 mit hoher Durchbruchspannung, der ein dielektrischer Film mit einer Durchbruchspannung von 8 MV/cm oder höher ist, zusätzlich zu dem amorphen Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante ausgebildet ist, der zwischen den beiden oberen und unteren amorphen Filmen 3 mit hoher Durchbruchspannung in dem schon in der Ausführungsform 1 beschriebenen Dünnschicht-Kondensator ausgebildet ist. Während 5 den Dünnschicht-Kondensator zeigt, der gebildet wird, indem nur eine kombinierte dielektrische Schicht 8 demjenigen der Ausführungsform 1 hinzugefügt wird, ist die Konfiguration eines Dünnschicht-Kondensators nicht auf diese beschränkt. Ein Dünnschicht-Kondensator kann unter Einbeziehung von zwei oder mehr kombinierten dielektrischen Schichten 8 gebildet werden. Der Effekt einer Vermeidung eines Defektwachstums nimmt mit zunehmender Anzahl hinzugefügter Filme zu.
Die meisten, in dem gemäß der Ausführungsform 4 so ausgebildeten Dünnschicht-Kondensator aufgetretenen Defekte stoppen eine Ausdehnung an einem Punkt, der durch beispielsweise das Symbol „x“ an einer Spitze des in der Figur gezeigten gestrichelten Pfeils Q oder R angegeben ist, auf der Grenzfläche zwischen dem ganz oben gelegenen amorphen Film 3 mit hoher Durchbruchspannung und dessen benachbartem amorphem Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante oder zwischen dem ganz unten gelegenen amorphen Film 3 mit hoher Durchbruchspannung und dessen benachbartem amorphem Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante.
Selbst wenn sich in einigen seltenen Fällen ein Defekt ohne Stoppen an der Grenzfläche zwischen dem ganz oben gelegenen oder dem ganz unten gelegenen amorphen Film 3 mit hoher Durchbruchspannung und dessen benachbartem Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante weiter ausdehnt, stoppt der Defekt seine Ausdehnung an einem Punkt, der durch das Symbol „x“ an der Spitze des in der Figur gezeigten gestrichelten Pfeils P oder S angegeben ist, auf der nächsten Grenzfläche zwischen dem in der Mitte positionierten amorphen Film 3 mit hoher Durchbruchspannung und dessen unterem oder oberem benachbartem amorphem Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante.
Wie oben beschrieben wurde, ist es, je größer die Anzahl amorpher Isolierfilme 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante ist, umso schwieriger, dass ein Defekt über die obere Elektrode und die untere Elektrode durchdringt (beide Fälle, in denen sich ein Defekt von einer oberen Elektrode in Richtung der unteren Elektrode und von der unteren Elektrode in Richtung der oberen Elektrode ausdehnt). Dementsprechend kann die Zuverlässigkeit weiter gesteigert werden. Darüber hinaus fügt ein Ausbilden des amorphen Films 3 mit hoher Durchbruchspannung in der mittleren Position zwischen den beiden amorphen Isolierfilmen 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante einen Effekt, dass eine Durchbruchfestigkeit der dielektrischen Schicht als Ganzes zunimmt, hinzu.
Ausführungsform 5
Eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Anmeldung ist in 6 dargestellt. Der Dünnschicht-Kondensator der vorliegenden Ausführungsform ist von demjenigen der Ausführungsform 1 insofern verschieden, als amorphe Pufferschichten 5a mit hoher Dielektrizitätskonstante und ein amorpher Isolierfilm 6a mit hoher Dielektrizitätskonstante, die beide eine geringere Durchbruchspannung als 3 MV/cm aufweisen, als die amorphen Pufferfilme 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante und der amorphe Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante verwendet werden, und insofern, als amorphe Filme 3a mit hoher Durchbruchspannung mit einer Durchbruchspannung von 8 MV/cm oder höher als die amorphen Filme 3 mit hoher Durchbruchspannung verwendet werden.
Da der Dünnschicht-Kondensator der vorliegenden Ausführungsform, der unter Einbeziehung der amorphen Pufferfilme 5a mit hoher Dielektrizitätskonstante und des amorphen Isolierfilms 6a mit hoher Dielektrizitätskonstante, die beide eine geringere Durchbruchspannung als 3 MV/cm aufweisen, sehr bruchfest ist, hat der unter Einbeziehung der amorphen Filme mit hoher Durchbruchspannung mit einer Durchbruchspannung von 8 MV/cm oder höher ausgebildete Dünnschicht-Kondensator eine Struktur, die hinsichtlich einer hohen Zuverlässigkeit weiter vorteilhaft ist.
Ausführungsform 6
Eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung ist in 7 dargestellt. Der Dünnschicht-Kondensator der vorliegenden Ausführungsform weist ein Merkmal insofern auf, als amorphe Pufferfilme 5b mit hoher Dielektrizitätskonstante und ein amorpher Isolierfilm 6b mit hoher Dielektrizitätskonstante, welche den amorphen Isolierfilmen mit hoher Dielektrizitätskonstante in der Ausführungsform 1 entsprechen, aus einem Material gebildet sind, das unter jenen ausgewählt wird, die auf Tantaloxid (Ta_xO_y), Hafniumoxid (Hf_xO_y), Zirkoniumoxid (Zr_xO_y), Titanoxid (Ti_xO_y), Lanthanoxid (La_xO_y), Nioboxid (Nb_xO_y), Aluminiumoxid (Al_xO_y), Yttriumoxid (Y_xO_y), Strontiumtitanat (Sr_xTi_yO_z) und Bariumstrontiumtitanat (Ba_wSr_xTi_yO_z) beschränkt sind, und amorphe Filme 3c mit hoher Durchbruchspannung, welche die amorphen Filme mit hoher Durchbruchspannung in der Ausführungsform 1 sind, aus einem Material gebildet sind, das unter jenen ausgewählt wird, die auf Siliziumnitrid (Si_xN_y), Siliziumoxid (Si_xO_y) und Siliziumoxynitrid (Si_xO_yN_z) beschränkt sind. Hier bezeichnen w, x, y, z Zusammensetzungsverhältnisse, welche aus den Verhältnissen einer Zusammensetzung bestimmt werden, wenn der amorphe Film gebildet wird, und können beliebige Werte annehmen.
Die oben aufgelisteten Materialien für die amorphen Isolierfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante weisen eine hohe Bruchfestigkeit auf; daher steigert ein Ausbilden der kombinierten dielektrischen Schicht aus einer Kombination beliebiger von diesen Materialien und beliebiger der oben aufgelisteten Materialien für den amorphen Film mit hoher Durchbruchspannung die Zuverlässigkeit des Dünnschicht-Kondensators besonders. Man beachte, dass in einem Fall, in dem der Dünnschicht-Kondensator aus mehreren amorphen Pufferfilmen 5 mit hoher Dielektrizitätskonstante, amorphen Isolierfilmen 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante und amorphen Filmen 3 mit hoher Durchbruchspannung wie in der Ausführungsform 4 beschrieben gebildet wird, Materialien der gleichen Zusammensetzungen mit den gleichen Zusammensetzungsverhältnissen für diese Arten von Filmen oder ein Teil von ihnen jeweils ausgewählt werden können, oder Materialien unterschiedlicher Zusammensetzungen mit verschiedenen Zusammensetzungsverhältnissen für die Filme jeweils ausgewählt werden können.
Ausführungsform 7
Eine Querschnittsansicht eines Dünnschicht-Kondensators gemäß einer Ausführungsform 7 der vorliegenden Anmeldung ist in 8 dargestellt. Der Dünnschicht-Kondensator der vorliegenden Ausführungsform ist gleich demjenigen der Ausführungsform 1 konfiguriert und enthält einen amorphen Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante mit einer Filmdicke T₂ (siehe 8) von 4,5 nm oder mehr, und die gesamte Filmdicke Lt (siehe 8) der dielektrischen Schicht ist geringer als 100 nm.
Eine Messung von MTTF-Werten von Dünnschicht-Kondensatoren, die denjenigen der Ausführungsformen 1 und 4 bis 7 entsprechen, ist in 9 tabellarisch dargestellt. Eine Ausbildung des amorphen Isolierfilms 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante mit einer Filmdicke 4,5 nm oder mehr in einem Dünnschicht-Kondensator mit einer Schichtdicke von weniger als 100 nm kann eine praktische MTTF von über 1E+6 (eine Million) Std. erreichen. Die Zuverlässigkeit (MTTF) wird sogar noch höher, wenn der amorphe Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante noch dicker ausgebildet wird.
Dies ist aus 9 offensichtlich, welche zeigt, dass unter Dünnschicht-Kondensatoren mit dielektrischen Schichten einer Gesamtfilmdicke von 50 nm ein Dünnschicht-Kondensator der vorliegenden Anmeldung mit dem amorphen Isolierfilm 6 mit hoher Dielektrizitätskonstante mit einer Dicke von 9 nm eine sehr lange MTTF von 5E+11 (5×10¹¹) Std. erreicht.
In allen oben beschriebenen Ausführungsformen kann für die obere Elektrode 1 und die untere Elektrode 2 ein leitfähiges Material, das beispielsweise Titan (Ti), Gold (Au), Platin (Pt), Aluminium (AI), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Niob (Nb), Nickel (Ni), Wolfram (W), Ruthenium (Ru) oder Cobalt (Co) enthält, oder ein aus irgendwelchen dieser Materialien gebildeter Stapel verwendet werden.
Ein Material wie etwa Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphor (InP), Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumgalliumarsenid (AIGaAs), Aluminiumgalliumnitrid (AIGaN), Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumgermanium (SiGe) wird für den in der Ausführungsform 3 beschriebenen Halbleiter verwendet.
Außerdem ist die ALD als Abscheidungsverfahren für die dielektrische Schicht vorzuziehen; jedoch steht neben der ALD auch eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD), eine Gasphasenabscheidung oder ein Sputtern zur Verfügung. Ferner schließt die Trockenätzung für die dielektrische Schicht beispielsweise ein reaktives lonenätzen (RIE), ein induktiv gekoppeltes Plasma-RIE (ICP-RIE) ein.
Es sollte besonders erwähnt werden, dass jede Ausführungsform innerhalb des Umfangs der vorliegenden Anmeldung frei kombiniert oder geeignet modifiziert oder weggelassen werden kann.
Bezugszeichenliste

1:: obere Elektrode;
2:: untere Elektrode;
3, 3a, 3c:: amorpher Film mit hoher Durchbruchspannung;
4:: Grenzflächen zwischen einer Elektrodenoberfläche und einer dielektrischen Schicht
5, 5a, 5b:: amorpher Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante;
6, 6a, 6b:: amorpher Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante;
7:: Halbleiter;
8:: kombinierte dielektrische Schicht;
L_t:: Gesamtfilmdicke einer dielektrischen Schicht; und
T₂:: Dicke eines amorphen Isolierfilms mit hoher Dielektrizitätskonstante

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 H11150246 A [0002]
JP 2007287856 A [0002]
JP 2011199062 A [0002]
JP H06077402 A [0002]

Claims

Dünnschicht-Kondensator in einer Halbleitervorrichtung, aufweisend: eine dielektrische Schicht, die aus einer Vielzahl gestapelter dielektrischer Filme mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften ausgebildet und zwischen einer oberen Elektrode und einer unteren Elektrode angeordnet ist, wobei die dielektrische Schicht aufweist: amorphe Pufferfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante, die aus einem dielektrischen Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die Dielektrizitätskonstante von Siliziumnitrid ausgebildet und in ganz außen gelegenen Teilen der dielektrischen Schicht und in Kontakt mit einer der oberen Elektrode und der unteren Elektrode oder beiden jeweils angeordnet sind; und eine dazwischenliegende dielektrische Schicht, die in einem dazwischenliegenden Teil zwischen den amorphen Pufferfilmen mit hoher Dielektrizitätskonstante angeordnet ist, wobei die dazwischenliegende dielektrische Schicht umfasst: amorphe Filme mit hoher Durchbruchspannung, die aus einem dielektrischen Material mit einer Durchbruchspannung von 8 MV/cm oder höher ausgebildet und zwischen den amorphen Pufferfilmen mit hoher Dielektrizitätskonstante und in Kontakt mit diesen angeordnet sind; und einen amorphen Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante, der aus einem dielektrischen Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als eine Dielektrizitätskonstante von Siliziumnitrid ausgebildet und zwischen den amorphen Filmen mit hoher Durchbruchspannung und in Kontakt mit diesen angeordnet ist.
Dünnschicht-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht nur einen der amorphen Pufferfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante aufweist, der in Kontakt mit entweder der oberen Elektrode oder der unteren Elektrode ausgebildet ist.
Dünnschicht-Kondensator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die dazwischenliegende dielektrische Schicht ferner eine kombinierte dielektrische Schicht enthält, die mit dem amorphen Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante und dem amorphen Film mit hoher Durchbruchspannung ausgebildet ist, der ein dielektrischer Film mit einer Durchbruchspannung von 8 MV/cm oder höher ist und zwischen dem amorphen Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante und einem der amorphen Filme mit hoher Durchbruchspannung ausgebildet ist.
Dünnschicht-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die amorphen Pufferfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante und der amorphe Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante eine geringere Durchbruchspannung als 3 MV/cm aufweisen.
Dünnschicht-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der amorphe Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante und die amorphen Pufferfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante aus einem Material gebildet werden, das unter Tantaloxid (Ta_xO_y), Hafniumoxid (Hf_xO_y), Zirkoniumoxid (Zr_xO_y), Titanoxid (Ti_xO_y), Lanthanoxid (La_xO_y), Nioboxid (Nb_xO_y), Aluminiumoxid (Al_xO_y), Yttriumoxid (Y_xO_y), Strontiumtitanat (Sr_xTi_yO_z) und Bariumstrontiumtitanat (Ba_wSr_xTi_yO_z) ausgewählt wird, und die amorphen Filme mit hoher Durchbruchspannung aus einem Material gebildet sind, das unter Siliziumnitrid (Si_xN_y), Siliziumoxid (Si_xO_y) und Siliziumoxynitrid (Si_xO_yN_z) ausgewählt wird.
Dünnschicht-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die dielektrische Schicht eine geringere Gesamtfilmdicke als 100 nm aufweist und der amorphe Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante eine Dicke von 4,5 nm oder mehr aufweist.
Dünnschicht-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die untere Elektrode durch einen Halbleiter ersetzt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Dünnschicht-Kondensators, aufweisend: ein kontinuierliches Abscheiden einer dielektrischen Schicht, die den amorphen Isolierfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante, die amorphen Pufferfilme mit hoher Dielektrizitätskonstante und die amorphen Filme mit hoher Durchbruchspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält, unter Verwendung einer Atomlagenabscheidung (ALD) ohne Aussetzung gegenüber der Atmosphäre.