DE19608182A1

DE19608182A1 - Dielektrischer Dünnfilm und Kondensator mit diesem für Halbleitervorrichtung und deren Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE19608182A1
Application number: DE19608182A
Authority: DE
Inventors: Seung-Ki Joo; Jae-Hyun Joo
Original assignee: LG Semicon Co Ltd
Current assignee: SK Hynix Inc
Priority date: 1995-03-04
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2016-03-05
Also published as: US5874379A; KR960036056A; DE19608182C2; JPH08321585A; KR100190558B1

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen dielektri schen Dünnfilm und einen Kondensator mit diesem für eine Halbleitervorrichtung und deren Herstellungsverfahren und besonders einen verbesserten dielektrischen Dünnfilm und einen Kondensator mit diesem für eine Halbleitervorrichtung und deren Herstellungsverfahren, das in der Lage ist, durch Bereitstellen eines dielektrischen Dünnfilms einen Leck strom im Betrieb zu verhindern.

2. Beschreibung der herkömmlichen Technik

Wie Fachleuten für den Stand der Technik bekannt ist, besteht ein Bauelement eines dynamischen Direktzugriffs speichers (DRAM) aus einem Transistor und einem Information speichernden Kondensator. Die Speicherkapazität des Infor mation speichernden Kondensators beträgt mindestens 30 fF/Zelle, um so einen "Soft-Error" zu verhindern, der durch α-Teilchen verursacht wird.

Je weiter der Integrationsgrad der DRAM-Vorrichtung erhöht wird, desto stärker tritt das Problem der Erhöhung der Speicherkapazität in einem begrenzten Zellraum auf. Um das Problem zu überwinden, werden in der Industrie die fol genden Verfahren auf der Grundlage eines Ausdrucks (1) ein geführt.

C = ε₀ε_rA/d (1)

wobei C eine Speicherkapazität einer Batterie bezeich net, ε₀ eine Dielektrizitätskonstante im Vakuum bezeichnet, ε_r eine Dielektrizitätskonstante eines dielektrischen Dünn films bezeichnet, A eine Oberfläche einer Batterie bezeich net und d eine Dicke eines dielektrischen Dünnfilms be zeichnet.

Das erste Verfahren besteht darin, die Dicke eines dielektrischen Dünnfilms dünner zu machen, das zweite Ver fahren darin, die effektive Oberfläche eines Kondensators zu erhöhen und das dritte Verfahren darin, ein bestimmtes Material mit einer größeren Dielektrizitätskonstante zu verwenden.

Von diesen Verfahren hat das erste Verfahren den Nach teil, daß es schwierig auf eine hochintegrierte Speicher vorrichtung anzuwenden ist, da die Zuverlässigkeit des Dünnfilms verursacht durch den Fowler-Nordheim-Strom ver ringert wird, falls die Dicke einer dielektrischen Schicht unter 100 Å liegt.

Das zweite Verfahren hat die Nachteile, daß der Her stellungsprozeß komplex ist und die Herstellungskosten er höht werden. Das bedeutet, daß, obwohl bei 4 MB DRAM und 16 MB DRAM verschiedene Arten von Kondensatorzellen mit dreidimensionalem Aufbau wie beispielsweise ein Stapeltyp, ein Grabentyp, ein Flossentyp und ein Zylindertyp verwendet werden, die oben erwähnten Kondensatorzellen bei 64 MB DRAMs und 256 MB DRAMs nicht effektiv verwendet werden können.

Der Graben-Kondensator hat zusätzlich den Nachteil, daß verursacht durch einen Verkleinerungsvorgang ein Leck strom zwischen den Gräben auftritt, und da die Zellen vom Stapeltyp, Flossentyp und Zylindertyp viele gekrümmte Teile und stufenweise Überdeckung auf deren Oberflächen haben, um mehr Speicherkapazität zu erhalten, ist es schwierig, im nachfolgenden Prozeß einen Fotolithografieprozeß durchzu führen und die mechanische Festigkeit des dünnen Stifts und des zylindrischen Kondensators ist sehr gering.

Das dritte Verfahren ist auf die Verwendung eines Ma terials mit hoher Dielektrizitätskonstante wie beispiels weise Y₂O₃, Ta₂O₅, TiO₂, usw. gerichtet, und neuerdings wird ein ferroelektrisches Material wie beispielsweise ein PZT(PbZr_xTi_1-xO₃) oder ein BST(Ba_xSr_1-xTiO₃) verwendet. Das ferroelektrische Material besitzt im allgemeinen selbstpo larisierende Eigenschaften und eine Dielektrizitätskonstan te von einigen Hundert bis 1.000. Unter Verwendung dieses ferroelektrischen Materials ist es möglich, einen gewünsch ten Dünnfilm mit einer äquivalenten Oxiddicke von unter 10 Å herzustellen, auch wenn ein ferroelektrischer Film mit ei ner Dicke von einigen Hundert geformt wird.

Unter den ferroelektrischen Materialien ist besonders BST als Material mit hoher Dielektrizitätskonstante für einen DRAM-Kondensator geeignet, da es im Vergleich zu ei nem PZT auch bei hoher Frequenz eine hohe Dielektrizitäts konstante besitzt und Ermüdungs- und Alterungserscheinungen werden beseitigt, da es entsprechend dem Verhältnis Ba/Sr in ein paraelektrisches Material umgewandelt wird.

Zum Integrieren eines Materials mit hoher Dielektrizi tätskonstante in eine Halbleitervorrichtung wird gewöhnlich ein Sputterverfahren, ein metallorganisches Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (MOCVD), ein Schleuderbeschichtungsverfahren oder ein Aerosolverfahren verwendet.

Die während der Herstellung eines BST Dünnfilms zur Verwendung des DRAM-Kondensators auftretenden Probleme be stehen jedoch darin, daß eine Dielektrizitätskonstante ver ringert wird, da die Dicke eines dielektrischen Dünnfilms dünn wird und bei einem realen Pegel der Betriebsspannung mehr Leckstrom auftritt. In diesem Fall ist es möglich, die Verringerung der Dielektrizitätskonstante durch einen Her stellungsprozeß zu verhindern, da jedoch das Phänomen der Erniedrigung des Leckstroms und der Verringerung des Durch bruchmagnetfelds dem Material eigene Probleme sind, ist es das wichtigste Problem bei der tatsächlichen Verwendung des BST Dünnfilms in der Industrie.

Bei der Herstellung des Kondensator der Halbleitervor richtung unter Verwendung des BST Dünnfilms wird deshalb die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung verursacht durch eine charakteristische Verschlechterung des Kondensa tors verringert.

Um die oben erwähnten Probleme zu verbessern, wird in der Industrie ein Verfahren zur Verbesserung einer Dielek trizitätseigenschaft des BST Dünnfilms, der so umfangreich ist und in einer separaten Vorrichtung eines keramischen Kondensators verwendet wird, beschrieben, das dadurch ge kennzeichnet ist, daß zum BST Dünnfilm andere Materialien hinzugefügt werden.

Zum Beispiel beschreibt das United States Patent Nr. 4,058,404 ein Verfahren zum Erhöhen der Dielektrizitätskon stante und zum Verhindern einer dielektrischen Veränderung gemäß angelegter Spannung. Das obige Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es unter Verwendung von etwa 18-70% SrTiO₃, etwa 4-7% BaTiO₃, 2,5-17,5% Bi₂O₃ und einem von NiO, Al₂O₃ oder Cu₂O isoliert.

Zusätzlich beschreibt das United States Patent Nr. 4,888,246 ein weiters Verfahren zum Verbessern der Zuver lässigkeit des Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante und zum Erhöhen des elektrischen Durchbruchfeldes eines dielektrischen Dünnfilms mit einem stickstoffhaltigen BST durch Hinzufügen von Stickstoff zu einem Sputtergas beim Abscheiden eines Dünnfilms mit einem Sputterverfahren und der Perowskitstruktur von AMO₃.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist folglich ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen dielektrischen Dünnfilm und einen Kondensator mit diesem für eine Halbleitervorrichtung und deren Herstel lungsverfahren bereit zustellen, welches die bei einem her kömmlichen Kondensator für einen Halbleiter und dessen Her stellungsverfahren vorgefundenen Probleme überwindet.

Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten dielektrischen Dünnfilm und dessen Her stellungsverfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, beim Herstellen eines dielektrischen Dünnfilms Leckstrom bei einer realen Betriebstemperatur zu verringern und eine Frequenzeigenschaft eines dielektrischen Dünnfilms durch Verändern einer dem Material des dielektrischen Dünnfilms eigenen physikalischen Eigenschaft zu verbessern.

Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kondensator und dessen Herstellung für eine Halblei tervorrichtung bereitzustellen, der einen dielektrischen Dünnfilm mit einer Eigenschaft, einen Leckstrom zu verrin gern, anwendet.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein dielektrischer Dünnfilm bereitgestellt, der Ta-haltiges (Ba, Sr)TiO₃ ent hält.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Her stellungsverfahren für einen dielektrischen Dünnfilm be reitgestellt, das auf das Formen eines aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden dielektrischen Dünnfilms auf einer un teren Schicht, die auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, durch gleichzeitiges Sputtern von mindestens mehr als einem hauptsächlich aus Ba, Sr, Ti und Ta bestehenden Tar get und ein Sputtergas gerichtet ist.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Her stellungsverfahren für einen dielektrischen Dünnfilm be reitgestellt, das auf das Formen eines aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden dielektrischen Dünnfilms auf einem Substrat mit einem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase hinsichtlich eines reaktiven Quellgases aus einer metallorganischen Verbindung oder einer Metallhalo genverbindung, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, das in einen Reaktionsbehälter mit einer unteren Schicht, die auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, eingebracht wird, gerichtet ist.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Kon densator für eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, der ein Substrat; eine auf einem Substrat geformte Zwischen schicht-Isolierschicht, wodurch ein vorbestimmter Teil des Substrats nach außen freigelegt wird; eine auf einem vorbe stimmten Teil der Zwischenschicht-Isolierschicht ein schließlich des freigelegten Teils des Substrats geformte untere Elektrode; einen aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ beste henden und auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm einschließ lich der unteren Elektrode geformten dielektrischen Dünn film; und eine auf dem dielektrischen Dünnfilm geformte obere Elektrode enthält.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird ein Herstel lungsverfahren für einen dielektrischen Dünnfilm für eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, das folgende Schritte enthält: ein erster Schritt, der auf einem Substrat einen Zwischenschicht-Isolierfilm formt und so einen vorbestimm ten Teil des Substrats freilegt; ein zweiter Schritt, der auf einem vorbestimmten Teil des Zwischenschicht-Isolier films einschließlich des freigelegten Teils des Substrats eine untere Elektrode formt; ein dritter Schritt, der auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm, der eine untere Elektrode enthält, einen aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden dielektrischen Dünnfilm formt; und ein vierter Schritt, der auf dem dielektrischen Dünnfilm eine obere Elektrode formt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Grafik einer Dielektrizitätskonstante und einer effektiven Dickenänderung gemäß einer Dickenände rung eines BST Dünnfilms, dem kein Ta hinzugefügt ist, ge mäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Grafik einer Dielektrizitätskonstante und eines dielektrischen Verlustfaktors eines BST Dünnfilms entsprechend der dem BST Dünnfilm hinzugefügten Menge von Ta gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 ist eine Grafik einer Leckstromänderung eines BST Dünnfilms gemäß der dem dünnen BST Film hinzugefügten Menge von Ta gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4A bis 4I sind Querschnittsansichten des Aufbaus eines Kondensators einer Halbleitervorrichtung, die einen aus einem BST, dem Ta hinzugefügt ist, bestehenden Dünnfilm gemäß der vorliegenden Erfindung anwendet.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Mit Bezug auf Fig. 4A bis 4I ähnelt das Herstellungs verfahren für einen BST (BA, SR)TiO₃ Dünnfilm einer bevor zugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dem herkömmlichen Herstellungsverfahren für einen BST Dünnfilm, abgesehen von einem Verfahren zum Ändern der dem Dünnfilm eigenen physikalischen Eigenschaft, um so einen gewünschten dielektrischen Dünnfilm herzustellen.

Das bedeutet, das Verfahren ist auf die Herstellung eines BST Dünnfilms, dem Ta hinzugefügt wird, in einer un teren Schicht gerichtet, indem einem Magnetron-Co-Sputterer mit 3 Kanonen BaTiO₃, SrTiO₃ und Ta oder Ta₂O₅ bereitge stellt wird, Gleich- oder Wechselstrom individuell daran angelegt wird und aus Argon, Sauerstoff oder Argon und Sau erstoff bestehendes Gas mit 3-10 mTorr gesputtert wird. Die untere Schicht bedeutet hier eine Substrat/Elektroden-Sta pelschicht, in der die Elektrodenschicht auf dem Substrat geformt wird.

Die Temperatur des Substrats liegt hier in einem Be reich von 400-700°C (vorzugsweise etwa 550°C), um so eine physikalische Eigenschaft und eine kristalline Eigenschaft eines zu formenden dielektrischen Dünnfilms zu verbessern.

Im BST Dünnfilm enthaltenes Ta kann mit 10 Atomprozent bezogen auf das Gesamtgewicht des BST Dünnfilms hinzugefügt werden. Die gesamte Dicke der Abscheidung des dielektri schen Dünnfilms liegt hier in einem Bereich von 200-2000 Å. Ein Bereich von 400-1000 Å ist optimal.

Das Verhältnis von Sauerstoff aus dem im obigen Prozeß verwendeten Sputtergas beträgt 10-90 Volumenprozent. In dieser Ausführungsform beträgt das Verhältnis von Sauer stoff 45-55 Volumenprozent.

Da das Substrat bei der Herstellung eines dielektri schen Dünnfilms in einer oxidierenden Umgebung des entspre chenden Prozesses freigelegt wird, wird die auf dem Sub strat geformte Elektrodenschicht oxidiert und die untere Schicht wird mit einem Material mit einem Grundbestandteil von Pt, Ir, Ru, IrO₂, RuO₂, usw. geformt, das gute anti oxidierende Eigenschaften hat oder eine leitende Schicht bildet, falls es oxidiert wird.

In diesem Fall können das Verhältnis von Ba/Sr und die Menge an Ta durch Steuern des an jede Sputterkanone ange legten Spannungspegels individuell gesteuert werden.

Für eine einfachere Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der dielektrische Dünnfilm unter Verwendung eines Ba, Sr, Ti und Ta enthaltenden Metalls oder eines Oxidtargets hergestellt werden.

In diesem Fall werden einzelne Komponententargets wie beispielsweise ein Ta-haltiges (Ba, Sr)TiO₃ Target oder ein Ta₂O₅ enthaltendes (Ba, Sr)TiO₃ Target verwendet, um ein bestimmtes Verhältnis der Komponenten zu erhalten.

Hier wird im Fall des Metalltargets oder des leitenden Oxidtargets Gleichspannung verwendet, und Gas, das eine Grundkomponente von Sauerstoff oder Sauerstoff und Argon enthält, wird als Sputtergas verwendet. Im Fall der Verwen dung eines Oxidtargets ohne leitende Eigenschaft wird Wech selstrom verwendet und Gas, das eine Grundkomponente von Sauerstoff, Argon oder Sauerstoff und Argon enthält, wird als Sputtergas verwendet.

Hier können beim Sputtern in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei Targets zum Verändern der Zusammensetzung eines Dünnfilms verwendet werden.

Beim Formen eines dielektrischen Dünnfilms unter Ver wendung einer Vielzahl von Targets mit einer Grundkomponen te wie beispielsweise Ba, Sr, Ti und Ta in diesem Fall sollte eine Vielzahl von Targets gleichzeitig gesputtert werden.

Die oben erwähnten zwei Targets können mit einem Me talltarget oder einem Oxidtarget kombiniert werden, die jeweils eine Grundkomponente von Ba, Sr und Ti besitzen, oder einem Target aus Ta oder Ta₂O₅, oder einem Target mit einer Grundkomponente von Sr, Ti und Ta und einem Target mit Ba, Ti und Ta. Zusätzlich ist es möglich, ein Target mit einer Grundkomponente von BaTiO₃ und ein Target mit einer Grundkomponente von Ta-haltigem SrTiO₃ zu kombinie ren, und ein Target mit einer Grundkomponente (Ba, Sr)TiO₃ und ein Target mit einer Grundkomponente von Ta oder Ta₂O₅ zu kombinieren.

Zusätzlich gibt es ein anderes Verfahren zur Durchfüh rung einer chemischen Abscheidung aus der Dampfphase, um so komplexe gekrümmte Oberflächen, enge Öffnungen oder verti kale Oberflächen von Elektroden effektiv zu nutzen.

Beim Durchführen einer chemischen Abscheidung aus der Dampfphase wird eine metallorganische Verbindung oder eine Metallhalogenverbindung hauptsächlich als eine Reaktions quelle verwendet. Als zum Herstellen eines Ta-haltigen BST Dünnfilms verwendete Reaktionsquellen können metallorgani sche Verbindungen wie beispielsweise Ba(thd)₂, Sr(thd)₂, Ba(dpm)₂, Sr(dpm)₂, Ti(i-OPr)₄, Ti(i-OPr)₂(thd)₂, Ti(t- OBu)₄, Ti(dpm)₄, Ti(OC₂H₅)₄, Ta(OC₂H₅)₅, usw. und Metallha logenmaterialien wie beispielsweise TiCl₄, TaCl₅, usw. ver wendet werden. Die in den oben erwähnten Erklärungen ver wendeten Ausdrücke in Klammern bezeichnen hier Namen von Liganden.

Das allgemeinste Reaktionsquellenverfahren besteht darin, die Zusammensetzungen des abzuscheidenden Dünnfilms durch individuelles Steuern der Menge von vier Reaktionsga sen, die jeweils eines der Elemente Ba, Sr, Ti und Ta ent halten, zu steuern.

In diesem Fall kann ein Verfahren zum Formen eines Ta haltigen BST Dünnfilms unter Verwendung einer metallorgani schen Verbindung als Reaktionsquelle im Vergleich zu einem Verfahren zum Formen eines Ta-haltigen BST Dünnfilms unter Verwendung einer Metallhalogen-Reaktionsquelle bessere Ei genschaften eines dielektrischen Dünnfilms erhalten.

Um jedoch einen vorbestimmten Wert eines Zusammenset zungsverhältnisses eines zu formenden dielektrischen Dünn films zu erhalten, ist es möglich, einen dielektrischen Dünnfilm unter Verwendung eines Reaktionsgases zu formen, das zwei Arten von Komponenten wie beispielsweise Ba und Sr, Ba und Ti, Sr und Ti, usw. enthält, und es ist eben falls möglich, einen dielektrischen Dünnfilm durch Kombi nieren einer Vielzahl von Reaktionsquellen in einem vorbe stimmten Verhältnis zu formen.

Nun wird das Verfahren zum Formen eines dielektrischen Dünnfilms auf einem Substrat, auf dem eine untere Schicht (Elektrodenschicht) geformt ist, unter Verwendung des oben erwähnten Reaktionsgases erläutert.

Das bedeutet, ein Ba, Sr, Ti und Ta enthaltendes reak tives Quellgas wird in einen Reaktionsbehälter eingebracht, der mit einer unteren Schicht ausgestattet ist, die auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, zum Beispiel auf 550-650°C, und das reaktive Quellgas wird darin in Zusam menarbeit mit dem erhitzten Substrat zersetzt und das Gas, das nicht auf dem Substrat abgeschieden wird, wird unter Verwendung einer Pumpe aus dem Reaktionsbehälter entfernt, so daß ein Ta-haltiger BST Dünnfilm geformt wird. Die unte re Schicht bezieht sich hier auf einen laminierten substrat/Elektrodenaufbau.

Das Erhöhen der Temperatur des Substrats auf 550-650°C ist darauf gerichtet, das reaktive Quellgas bei 100-200°C des Substrats zu zersetzen. Tatsächlich ist es jedoch nö tig, die Temperatur des Substrats von etwa 400-700°C auf rechtzuerhalten, um so eine gewünschte Abscheidung zu er reichen, und es ist nötig, das Substrat auf die Temperatur von über 550°C zu erhitzen, um so einen gewünschten dielek trischen Dünnfilm zu erreichen.

Zusätzlich kann das reaktive Quellgas sowohl durch eine aus Plasma, Infrarotstrahlung, Elektronenstrahlung, Ionenstrahlung, Röntgenstrahlung usw. erzeugte vorbestimmte Energie als auch durch die vom Substrat erzeugte Wärme zer setzt werden. Deshalb kann der Zweck des Verfahrens zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase der vorliegenden Erfindung durch die oben erwähnten Verfahren erreicht wer den. In diesem Fall ist es nötig, das Substrat auf eine Temperatur von 100-200°C zu erhitzen.

Nun werden die Eigenschaften des mit den obigen Ver fahren (dem Sputterverfahren oder dem Verfahren zur chemi schen Abscheidung aus der Dampfphase) hergestellten Ta haltigen BST Dünnfilms erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Verhältnis zwischen der Dielektrizi tätskonstante und der effektiven Dicke, das sich entspre chend der Änderung der Dicke des BST Dünnfilms ändert, der kein Ta enthält.

Die effektive Dicke bedeutet hier eine Eigenschaft des dielektrischen Dünnfilms hinsichtlich eines Siliziumoxids und kann folgendermaßen ausgedrückt werden.

Teff = (ε_SiO2/ε_BST)_*T_BST (2)

wobei Teff die effektive Dicke bezeichnet, ε_SiO2 eine Dielektrizitätskonstante des Siliziumoxids bezeichnet, ε_BST die Dielektrizitätskonstante des Dünnfilms bezeichnet und T_BST die Dicke des BST Dünnfilms bezeichnet.

Wenn die effektive Dicke des dielektrischen Dünnfilms hier 500 Å beträgt, ist die effektive Dicke minimal.

Fig. 2 zeigt ein Verhältnis zwischen der Dielektrizi tätskonstante und einem dielektrischen Verlustfaktor (tanδ) entsprechend einem Hinzufügen von Ta in den BST Dünnfilm mit einer minimalen effektiven Dicke von 500 Å.

Wie daraus ersichtlich ist, wird die Dielektrizitäts konstante beim Hinzufügen von Ta in den BST Dünnfilm er höht, bis die Menge an Ta 2% beträgt und die Dielektrizi tätskonstante maximal ist und dann wird sie verringert. Zusätzlich wird der dielektrische Verlustfaktor stark ver ringert, bis die Menge an Ta 2% beträgt.

Fig. 3 zeigt eine Variation des Leckstroms entspre chend einem Hinzufügen von Ta in den BST Dünnfilm. Wie dar aus ersichtlich ist, wird der Leckstrom beim Erhöhen der Menge an Ta stark verringert und dann erhöht. Wenn 3% Ta hinzugefügt wird, ist der Leckstrom minimal.

Mit Bezug auf Fig. 2 und 3 bedeutet das, daß die opti male hinzugefügten Menge von Ta bestimmt wird, wenn bezogen auf das Gesamtgewicht dem Gewicht nach 2-3 Atomprozent in den BST Dünnfilm hinzugefügt werden, um so eine hohe Di elektrizitätskonstante und einen kleineren Leckstrom zu er halten.

Bei der Herstellung eines Kondensators der Halbleiter vorrichtung unter Verwendung des Ta-haltigen BST Dünnfilms als dielektrischen Dünnfilm wird deshalb bevorzugt der BST Dünnfilm verwendet, der eine Menge an Ta enthält, die im oben erwähnten Bereich liegt.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 4A bis Fig. 41 das Verfah ren zur Herstellung eines Kondensators für die Halbleiter vorrichtung unter Verwendung eines BST Dünnfilms, der bezo gen auf sein Gesamtgewicht 2-3 Atomprozent Ta enthält, er läutert.

Das Verfahren ähnelt abgesehen vom Zusammensetzungs verhältnis eines zwischen der Speicherelektrode (der unte ren Schicht) und der Plattenelektrode (der oberen Elektro de) geformten dielektrischen Dünnfilms und einer Herstel lungsbedingung zur dessen Herstellung dem herkömmlichen Verfahren. Deshalb wird dessen Verfahren nun unter der An nahme erläutert, daß auf dem Substrat vorher ein Transistor geformt wird.

Wie in Fig. 4A gezeigt wird zunächst auf dem Silizium substrat 100, auf dem ein Transistor bereitgestellt wird, ein Zwischenschicht-Isolierfilm 102 geformt, und wie in Fig. 4B gezeigt wird ein vorbestimmter Teil des Zwischen schicht-Isolierfilms 102 nach außen freigelegt und ein Fo tolackmuster 104 wird auf dem Zwischenschicht-Film 102 ge formt.

Danach wird wie in Fig. 4C gezeigt ein vorbestimmter Teil des Siliziumsubstrats 100 durch Ätzen des Zwischen schicht-Isolierfilms 102 mit einer Maske aus dem Fotolack muster 104 nach außen freigelegt und ein Kontaktfenster "a" geformt und das Fotolackmuster 104 wird entfernt.

Wie in Fig. 4D gezeigt wird ein Polysiliziumfilm 106a, der ein Elektrodenmaterial ist, auf dem Zwischenschicht- Isolierfilm 102 einschließlich das Kontaktfensters "a" ab geschieden und der so abgeschiedene Polysiliziumfilm 106a wird um mehr als die Dicke der Abscheidung zurückgeätzt, so daß der Polysiliziumfilm 106a im Inneren des Kontaktfen sters "a" wie in Fig. 4E zurückbleibt.

Zusätzlich wird wie in Fig. 4F gezeigt auf dem Zwi schenschicht-Isolierfilm 102 und dem Polysiliziumfilm 106a ein TiN Film 106b als Metallbarriere abgeschieden und auf dem TiN Film 106a wird eine Pt Elektrode 106 geformt.

Danach wird wie in Fig. 4G gezeigt auf einem vorbe stimmten Teil der Pt Elektrode 106c ein Fotolackmuster 104 geformt, in das jeweils vorbestimmte Teile des Polysilizi umfilms 106a und des Zwischenschicht-Isolierfilms 102 ein geschlossen werden.

Die Pt Elektrode 106c und der TiN Film 106b werden wie in Fig. 4H gezeigt mit einer Maske aus dem Fotolackmuster 104 geätzt, um so einen vorbestimmten Teil des Zwischen schicht-Isolierfilms 102 freizulegen und bilden eine untere Elektrode 106, die aus dem Polysiliziumfilm 106a/dem TiN Film 106b/der Pt Elektrode 106c besteht, und das Fotolack muster 104 wird entfernt. In Fig. 4H und 41 erhält die un tere Elektrode als Aufbau aus einem einzelnen Film die Be zugsziffer 106.

Die untere Elektrode besteht hauptsächlich aus einem Grundmaterial von Pt, Ir, Ru, IrO₂, RuO₂, usw., das die Eigenschaft hat, daß es in einer stark oxidierenden Umge bung nicht gut oxidiert wird und zu einem leitenden Oxid oxidiert wird.

Wie in Fig. 41 gezeigt wird ein Ta-haltiger BST Dünn film, der ein dielektrischer Dünnfilm 108 ist, auf der un teren Elektrode 106 und dem Zwischenschicht-Isolierfilm 102 unter den oben erwähnten Bedingungen mit dem Sputterverfah ren oder dem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase geformt, so daß ein BST Dünnfilm mit einer Dicke von 400-1000 Å geformt wird.

Das bedeutet, beim Formen eines dielektrischen Dünn films auf der unteren Elektrode auf dem Substrat mit dem Sputterverfahren wird die untere Elektrode als erste ge formt und ein einzelnes Target oder eine Vielzahl von Tar gets mit einer Grundkomponente von Ba, Sr, Ti und Ta werden der Magnetron-Co-Sputtervorrichtung bereitgestellt. Die Targets werden gemeinsam mit den Sputtergasen wie bei spielsweise Sauerstoff oder Argon oder Sauerstoff und Argon gesputtert. Die Arten eines einzelnen Targets oder einer Vielzahl von Targets wurden vorher beschrieben.

Beim Formen eines dielektrischen Dünnfilms auf der unteren Elektrode auf dem Substrat mit einem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase wird zuerst eine untere Elektrode geformt und das Substrat, auf dem die un tere Elektrode bereitgestellt wird, wird im Reaktionsbehäl ter auf 400-700°C erhitzt und Reaktionsquellgas aus einer eine metallorganische Verbindung oder einem Metallhalogen, das Ba, Sr, Ti und Ta enthält, wird in den Reaktionsbehäl ter eingebracht und die Reaktionsgase werden durch das er hitzte Substrat zersetzt. Da die Arten der Reaktionsquell gase aus metallorganischen Verbindungen oder Metallhalogen hier vorher beschrieben wurden, wird deren Beschreibung unterlassen.

Der dielektrische Dünnfilm kann hier ohne Verwendung der Wärme des erhitzten Substrats geformt werden. In diesem Fall werden Gase einer Reaktionsquelle aus einer metallor ganischen Verbindung oder einem Metallhalogen, die Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, in den Reaktionsbehälter eingebracht. Danach wird zusätzlich eine von einer bestimmten Quelle wie beispielsweise Plasma, Infrarotstrahlung, Elektronenstrah lung, Ionenstrahlung und Röntgenstrahlung erzeugte Energie in den Reaktionsbehälter eingebracht und dann wird das Substrat auf 100-200°C erhitzt.

Danach wird auf dem dielektrischen Dünnfilm 108 eine obere Elektrode 110 geformt, so daß ein Kondensator erzeugt wird.

Wie oben beschrieben besitzt der unter Verwendung ei nes Ta-haltigen BST Dünnfilms hergestellte Kondensator für eine Halbleitervorrichtung im Vergleich zu dem herkömmli chen unter Verwendung eines herkömmlichen Isolierfilms oder anderer dielektrischer Dünnfilme hergestellten Kondensator eine verhältnismäßig hohe Dielektrizitätskonstante und ei nen niedrigeren dielektrischen Verlustfaktor. Zusätzlich ist es möglich, eine Speicherkapazität innerhalb einer be grenzten Zelloberfläche zu verbessern.

Da dem BST bei der Herstellung eines dielektrischen Dünnfilms außerdem Ta hinzugefügt wird, ist es möglich, eine hohe Dielektrizitätskonstante, einen niedrigeren die lektrischen Verlustfaktor und weniger Leckstrom zu errei chen und dadurch einen zuverlässigen dielektrischen Dünn film zu erhalten. Da zusätzlich bei der Herstellung eines Kondensators ein dielektrischer Dünnfilm verwendet wird, kann die Zuverlässigkeit von Halbleitervorrichtungen ver bessert werden.

Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorlie genden Erfindung zum Zweck der Darstellung beschrieben wur den, werden Fachleute erkennen, daß verschiedene Modifika tionen, Zusätze und Ersetzungen möglich sind, ohne vom Be reich und vom Geist der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen beschrieben ist.

Claims

1. Ein dielektrischer Dünnfilm, bestehend aus:
Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃.

2. Der dielektrische Dünnfilm von Anspruch 1, bei welchem dem (Ba, Sr)TiO₃ bezogen auf das Gesamtgewicht des (Ba, Sr)TiO₃ 10 Atomprozent Ta hinzugefügt wird.

3. Der dielektrische Dünnfilm von Anspruch 1, bei dem der dielektrische Dünnfilm eine Dicke von 200-2000 Å hat.

4. Ein Kondensator mit einem dielektrischen Dünnfilm für eine Halbleitervorrichtung, der folgendes umfaßt:
ein Substrat 100;
eine auf einem Substrat geformte Zwischenschicht Isolierschicht 102, wodurch ein vorbestimmter Teil des Substrats nach außen freigelegt wird;
eine auf einem vorbestimmten Teil der Zwischenschicht- Isolierschicht einschließlich des freigelegten Teils des Substrats geformte untere Elektrode 106;
einen aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden und auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm einschließlich der unteren Elektrode geformten dielektrischen Dünnfilm 108; und
eine auf dem dielektrischen Dünnfilm geformte obere Elektrode 110.

5. Der Kondensator von Anspruch 4, bei welchem dem (Ba, Sr)TiO₃ bezogen auf dessen Gesamtgewicht 10 Atompro zent Ta hinzugefügt wird.

6. Der Kondensator von Anspruch 4, bei dem der die lektrische Dünnfilm eine Dicke von 200-2000 Å hat.

7. Der Kondensator von Anspruch 4, bei dem die unte re Elektrode aus einem von Pt, Ir, Ru, IrO₂ oder RuO₂ be steht.

8. Ein Herstellungsverfahren für einen dielektri schen Dünnfilm ist darauf gerichtet, einen aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden dielektrischen Dünnfilm auf einer unteren Schicht, die auf eine vorbestimmte Temperatur er hitzt wird, durch gleichzeitiges Sputtern von mindestens mehr als einem hauptsächlich aus Ba, Sr, Ti und Ta beste henden Target und ein Sputtergas zu formen.

9. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem die untere Schicht von einer abwechselnden Substrat/Elektrodenschicht gebildet wird.

10. Das Verfahren von Anspruch 9, bei dem die Elek trodenschicht von einem aus einer Pt, Ir, Ru, IrO₂ und RuO₂ umfassenden Gruppe ausgewählten Element geformt wird.

11. Das Verfahren von Anspruch 8, bei welchem dem (Ba, Sr)TiO₃ bezogen auf dessen Gesamtgewicht 10 Atompro zent Ta hinzugefügt wird.

12. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem das Sput tergas hauptsächlich aus Sauerstoff, Argon oder einem Ge misch aus diesen besteht.

13. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem das Sput tergas bezogen auf das Gesamtgewicht des Sputtergases 10-90 Volumenprozent Sauerstoff enthält.

14. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem der dielek trische Dünnfilm eine Dicke von 200-2000 Å hat.

15. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem die untere Schicht auf eine Temperatur von 400-700°C erhitzt wird.

16. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem der dielek trische Dünnfilm durch Verwendung eines bestimmten Targets geformt wird, das hauptsächlich aus (Ba, Sr)TiO₃ und Ta oder (Ba, Sr)TiO₃ und Ta₂O₅ besteht.

17. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem der dielek trische Dünnfilm durch gleichzeitiges Sputtern eines haupt sächlich aus BaTiO₃ bestehenden Targets, eines hauptsäch lich aus SrTiO₃ bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta oder Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

18. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem der dielek trische Dünnfilm durch gleichzeitiges Sputtern eines haupt sächlich aus Sr, Ti und Ta bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ba, Ti und Ta bestehenden Targets geformt wird.

19. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem der dielek trische Dünnfilm durch gleichzeitiges Sputtern eines haupt sächlich aus Ba, Sr und Ti bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta oder Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

20. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem der dielek trische Dünnfilm durch gleichzeitiges Sputtern eines haupt sächlich aus (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta oder Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

21. Das Verfahren von Anspruch 8, bei dem der dielek trische Dünnfilm durch gleichzeitiges Sputtern eines haupt sächlich aus BaTiO₃ bestehenden Targets und eines haupt sächlich aus Ta und SrTiO₃ bestehenden Targets geformt wird.

22. Ein Herstellungsverfahren für einen dielektri schen Dünnfilm ist darauf gerichtet, einen aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden dielektrischen Dünnfilm auf einem Substrat mit einem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase hinsichtlich eines reaktiven Quellgases aus einer metallorganischen Verbindung oder einer Metall-Halo genverbindung, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthält, und in einen Reaktionsbehälter mit einer unteren Schicht, die auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, eingebracht wird, zu formen.

23. Das Verfahren von Anspruch 22, bei dem die untere Schicht von einer abwechselnden Substrat/Elektrodenschicht gebildet wird.

24. Das Verfahren von Anspruch 23, bei dem die Elek trodenschicht von einem aus einer Pt, Ir, Ru, IrO₂ und RuO₂ umfassenden Gruppe ausgewählten Element gebildet wird.

25. Das Verfahren von Anspruch 22, bei welchem dem (Ba, Sr)TiO₃ bezogen auf dessen Gesamtgewicht 10 Atompro zent Ta hinzugefügt wird.

26. Das Verfahren von Anspruch 22, bei dem der die lektrische Dünnfilm eine Dicke von 200-2000 Å hat.

27. Das Verfahren von Anspruch 22, bei dem die untere Schicht auf eine Temperatur von 400-700°C erhitzt wird.

28. Das Verfahren von Anspruch 22, bei dem der die lektrische Dünnfilm in einer Umgebung aus dem Einbringen von vier Arten von reaktiven Quellgasen aus metallorgani schen Verbindungen, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthal ten, oder in einer Umgebung aus dem Einbringen von vier Arten von reaktiven Metall-Halogen-Quellgasen, die jeweils daßelbe enthalten, geformt wird.

29. Das Verfahren von Anspruch 22, bei dem der die lektrische Dünnfilm in einer Umgebung aus dem Einbringen einer Vielzahl von reaktiven Quellgasen aus metallorgani schen Verbindungen, die jeweils mehr als eines der Elemente Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, oder in einer Umgebung aus dem Einbringen einer Vielzahl von reaktiven Metall-Halogen- Quellgasen, die jeweils dasselbe enthalten, geformt wird.

30. Das Verfahren von Anspruch 22, bei dem der die lektrische Dünnfilm weiter durch Bereitstellen einer aus Plasma, Infrarotstrahlung, Elektronenstrahlung, Ionenstrah lung oder Röntgenstrahlung erzeugten Energie im Reaktions behälter durch Einbringen eines reaktiven Quellgases aus einer metallorganischen Verbindung oder Metallhalogen, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, dort hinein geformt wird.

31. Das Verfahren von Anspruch 22, bei dem die untere Schicht beim Formen eines dielektrischen Dünnfilms unter Verwendung einer aus Plasma, Infrarotstrahlung, Elektronen strahlung, Ionenstrahlung oder Röntgenstrahlung erzeugten Energie, die selektiv auf den Reaktionsbehälter angewendet wird, auf eine Temperatur von 100-200°C erhitzt wird.

32. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators mit einem dielektrischen Dünnfilm für eine Halbleitervor richtung mit den Schritten:
ein erster Schritt, der auf einem Substrat einen Zwi schenschicht-Isolierfilm formt und so einen vorbestimmten Teil des Substrats freilegt;
ein zweiter Schritt, der auf einem vorbestimmten Teil des Zwischenschicht-Isolierfilms einschließlich des freige legten Teils des Substrats eine untere Elektrode formt;
ein dritter Schritt, der auf dem eine untere Elektrode enthaltenden Zwischenschicht-Isolierfilm einen aus Ta haltigem (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden dielektrischen Dünnfilm formt;
ein vierter Schritt, der auf dem dielektrischen Dünn film eine obere Elektrode formt.

33. Das Verfahren von Anspruch 32, bei dem die untere Elektrode von einem aus einer Pt, Ir, Ru, IrO₂ und RuO₂ enthaltenden Gruppe ausgewählten Element gebildet wird.

34. Das Verfahren von Anspruch 32, bei dem der zweite Schritt einen Unterschritt enthält, der das Substrat auf eine Temperatur von 400-700°C erhitzt.

35. Das Verfahren von Anspruch 32, bei dem der die lektrische Dünnfilm eine Dicke von 200-2000 Å hat.

36. Das Verfahren von Anspruch 32, bei welchem dem (Ba, Sr)TiO₃ bezogen auf dessen Gesamtgewicht 10 Atompro zent Ta hinzugefügt wird.

37. Das Verfahren von Anspruch 32, bei dem der die lektrische Dünnfilm durch Anbringen von mindestens mehr als einem hauptsächlich aus Ba, Sr, Ti und Ta bestehenden Tar get an eine Magnetron-Co-Sputtervorrichtung nach dem Formen einer unteren Elektrode und durch gleichzeitiges Sputtern der so angebrachten Targets und ein Sputtergas an der unte ren Elektrode des Substrats geformt wird.

38. Das Verfahren von Anspruch 37, bei dem das Sput tergas eines von Sauerstoff, Argon oder Sauerstoff und Ar gon ist.

39. Das Verfahren von Anspruch 37, bei dem das Sput tergas auf bezogen auf dessen Gesamtvolumen zu 10-90 Volu menprozent aus Sauerstoff besteht.

40. Das Verfahren von Anspruch 37, bei dem der die lektrische Dünnfilm durch Verwendung eines hauptsächlich aus (Ba, Sr)TiO₃ und Ta oder (Ba, Sr)TiO₃ und Ta₂O₅ beste henden Targets geformt wird.

41. Das Verfahren von Anspruch 37, bei dem der die lektrische Dünnfilm durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus BaTiO₃ bestehenden Targets, eines haupt sächlich aus SrTiO₃ bestehenden Targets und eines haupt sächlich aus Ta oder Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

42. Das Verfahren von Anspruch 37, bei dem der die lektrische Dünnfilm durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus Sr, Ti und Ta bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ba, Ti und Ta bestehenden Targets geformt wird.

43. Das Verfahren von Anspruch 37, bei dem der die lektrische Dünnfilm durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus Ba, Sr und Ti bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta und Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

44. Das Verfahren von Anspruch 37, bei dem der di elektrische Dünnfilm durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden Targets und ei nes hauptsächlich aus Ta oder Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

45. Das Verfahren von Anspruch 37, bei dem der die lektrische Dünnfilm durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus BaTiO₃ bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta und SrTiO₃ bestehenden Targets geformt wird.

46. Das Verfahren von Anspruch 32, bei dem der die lektrische Dünnfilm mit einem Verfahren zur chemischen Ab scheidung aus der Dampfphase geformt wird, das darauf ge richtet ist, ein Substrat mit einer unteren Elektrode an einem vorbestimmten Teil des Reaktionsbehälters nach dem Formen der unteren Elektrode anzubringen und ein reaktives Quellgas aus einer metallorganische Verbindung oder einem Metallhalogen, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, in den Reaktionsbehälter einzubringen.

47. Das Verfahren von Anspruch 46, bei dem der die lektrische Dünnfilm in einer Umgebung aus dem Einbringen von vier Arten von reaktiven Quellgasen aus metallorgani schen Verbindungen, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthal ten, oder in einer Umgebung aus dem Einbringen von vier Arten von reaktiven Metallhalogen-Quellgasen, die jeweils daßelbe enthalten, geformt wird.

48. Das Verfahren von Anspruch 46, bei dem der die lektrische Dünnfilm in einer Umgebung aus dem Einbringen einer Vielzahl von reaktiven Quellgasen aus metallorgani schen Verbindungen, die jeweils mindestens mehr als eines der Elemente Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, und in einer Um gebung aus dem Einbringen einer Vielzahl von reaktiven Me tallhalogen-Quellgasen, die jeweils dasselbe enthalten, geformt wird.

49. Das Verfahren von Anspruch 46, bei dem der die lektrische Dünnfilm weiter durch Bereitstellen einer aus Plasma, Infrarotstrahlung, Elektronenstrahlung, Ionenstrah lung oder Röntgenstrahlung erzeugten Energie nach Einbrin gen eines reaktiven Quellgases aus einer metallorganischen Verbindung oder eines reaktiven Metallhalogen-Quellgases, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, in den Reaktions behälter geformt wird.

50. Das Verfahren von Anspruch 46, bei dem das Substrat beim Formen eines dielektrischen Dünnfilms unter Verwendung einer aus Plasma, Infrarotstrahlung, Elektronen strahlung, Ionenstrahlung oder Röntgenstrahlung erzeugten Energie, die selektiv auf den Reaktionsbehälter angewendet wird, auf eine Temperatur von 100-200°C erhitzt wird.