DE19957122C2 - Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Kondensators und ferroelektrischer Kondensator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Kondensators auf einem Halbleitersubstrat und einen derartigen Kondensator.

Eine gegenwärtig mit großem Aufwand in der Halbleitertechnik verfolgte Zielsetzung besteht darin, nichtflüchtige Speicher mit einem Ferroelektrikum als Kondensatormaterial, sogenannte FeRAMs, zu entwickeln.

Ferroelektrische Kondensatormaterialien wie beispielsweise SrBi₂Ta₂O₉ (SBT) oder SrBi₂Ta_2-xNb_xO₉ (SBTN) müssen bei hohen Prozeßtemperaturen von typischerweise etwa 800°C unter Ver­ wendung eines Sauerstoff-haltigen Prozeßgases auf der unteren Kondensatorelektrode (bottom-Elektrode) abgeschieden werden. Die untere Kondensatorelektrode muß dabei aus einem inerten Material wie beispielsweise Pt bestehen, da ansonsten (d. h. bei Verwendung einer beispielsweise aus Polysilizium oder Wolfram bestehenden Elektrode) die Elektrode oxidieren und eine nicht akzeptable Kapazitätserniedrigung des Kondensators bewirken würde.

Nach dem Abscheiden des Kondensator-Ferroelektrikums wird auf diesem die obere Kondensatorelektrode (top-Elektrode) abge­ schieden. Die obere Kondensatorelektrode muß ebenfalls aus einem inerten Material, beispielsweise Pt, bestehen. Ursache hierfür ist, daß nach der Erzeugung der oberen Elektrode ein weiterer Hochtemperaturprozeß (sog. "post anneal") bei eben­ falls etwa 800°C durchgeführt werden muß, um einen funktions­ fähigen Übergang zwischen dem Ferroelektrikum und dem Elek­ trodenmaterial zu schaffen. Wird diese Nachtemperung bei Tem­ peraturen von weniger als 700°C durchgeführt, ist der Konden­ sator unbrauchbar, da er kein zu Datenspeicherungszwecken nutzbares Hystereseverhalten zeigt und extrem hohe Verlust­ ströme aufweist.

Nachteilig ist, daß die bei der Nachtemperung erforderlichen hohen Temperaturen die Auswahlmöglichkeiten an geeigneten Ma­ terialien für die obere Kondensatorelektrode einschränken. So wäre es wünschenswert, auf eine Pt-Elektrode verzichten zu können, weil Pt aufgrund seiner hohen Diffusionsfähigkeit in Si und der damit verbundenen Kontaminationsgefahr im Herstel­ lungsablauf nur schwer zu handhaben ist.

Darüber hinaus ist es in der Halbleitertechnologie generell von Vorteil, den beim Herstellungsablauf zur Anwendung kom­ menden Wärmeeintrag in das zu fertigende System möglichst ge­ ring zu halten.

In dem U.S.-Patent 5,525,528 ist ein Verfahren zum Auffri­ schen eines ferroelektrischen Kondensators angegeben. Nach Herstellung mit einem Standard-Hochtemperatur-Nachtemperver­ fahren und Test wird an den Kondensator eine Wechselspannung von ±5 V über eine Dauer von 100 Zyklen angelegt. Dadurch kann eine durch die Tests hervorgerufene Verzerrung und/oder Verschiebung der Hystereseschleife entlang der Achse des elektrischen Feldes rückgängig gemacht werden.

In der US 5,696,018 ist ein ferroelektrischer Kondensator ge­ zeigt, der in einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Es wird eine erste Elektrode erzeugt, ferroelektrisches Konden­ satormaterial über dieser ersten Elektrode abgelagert und an­ schließend eine zweite Elektrode erzeugt. Als Material für die zweite Elektrode wird unter anderem vorgeschlagen: TiN, WN, TiSi, TaSi, WSi, Ti oder Al.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines ferroelektrischen Kondensators auf einem Halbleitersubstrat anzugeben, das einen möglichst geringen thermischen Eintrag im Herstellungsablauf erforderlich macht.

Ferner zielt die Erfindung darauf ab, einen ferroelektrischen Kondensator zu schaffen, für dessen obere Elektrode auch we­ niger temperaturstabile Materialien als z. B. Pt verwendet werden können.

Die Aufgabenstellung wird jeweils durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst.

Durch das Anlegen der Wechselspannung wird eine Verminderung des Verluststroms im Kondensator um mehr als den Faktor 10 verglichen mit dem identischen Prozeßablauf ohne Anlegen ei­ ner Wechselspannung erzielt. Dadurch kann die Nachtemperung bei erheblich reduzierten Temperaturen (sog. "low temperature post anneal") durchgeführt werden oder sogar vollständig ent­ fallen.

Eine nach der Erzeugung der zweiten Elektrode durchgeführte Nachtemperung erfolgt bei einer Temperatur von unter 600°C.

Es werden mehr als 10⁷, insbesondere mehr als 10⁸ Wech­ selspannungszyklen an den Kondensator angelegt.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnen sich dadurch, daß die Wechselspannung Rechteckform aufweist und eine Amplitude von etwa ±5 V und/oder eine Frequenz von etwa 0,5 MHz zeigt.

Zur Beschleunigung des erfindungsgemäßen Verfahrens können auf der Halbleiterscheibe aufgebaute Wechselspannungsgenera­ toren zur "vor-Ort"-Erzeugung der Wechselspannung verwendet werden.

Durch die erfindungsgemäß ermöglichte Temperaturerniedrigung des Nachtemperschritts oder den Wegfall desselben erweitert sich die Auswahl an möglichen Materialien für die obere Kon­ densatorelektrode beträchtlich, da auch weniger temperatur­ stabile Materialien, Cu, TaN_x oder TiWN_x zum Einsatz kommen können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 in schematischer Weise den Aufbau einer FeRAM-Spei­ cherzelle mit Schalttransistor und ferroelektrischem Stack-Kondensator;

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Polarisation des Kondensator­ materials gegen die an den Kondensator angelegte Span­ nung aufgetragen ist; und

Fig. 3 ein Diagramm, in dem die zweifache Remanenz-Polari­ sation des Kondensatormaterials bei 0 V gegen die An­ zahl der Wechselspannungszyklen aufgetragen ist.

Ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines ferroelektri­ schen Kondensators wird anhand von Fig. 1 erläutert. Auf ei­ nem beispielsweise p-dotierten Si-Halbleitersubstrat 1 wird mittels üblicher planartechnischer Verfahren (Schichtab­ scheidung, Schichtstrukturierung unter Verwendung von Litho­ graphie- und Ätztechniken, Schichtdotierung) ein N-Kanal MOS- Transistor aufgebaut. Ein n⁺-dotiertes Drain-Gebiet 2 ist von einem n⁺-dotierten Source-Gebiet 3 über einen zwischenliegen­ den Kanal 4 aus Substratmaterial getrennt. Oberhalb des Ka­ nals 4 liegt eine dünne Gate-Oxidschicht 5. Auf der Gate- Oxidschicht 5 wird eine Gate-Elektrode 6 angebracht.

Oberhalb des beschriebenen MOS-Transistors 2, 3, 4, 5, 6 wird eine Deckoxidschicht 7 abgelagert, welche ein Kontaktloch 8 umfaßt. Das Kontaktloch 8 wird mit einer elektrischen An­ schlußstruktur 9 (sog. "plug") bestehend z. B. aus Polysilizi­ um gefüllt.

Aufbau und Herstellungsweise der gezeigten Struktur sind be­ kannt. Satt des hier dargestellten MOS-Transistors 2, 3, 4, 5, 6 kann auch ein anderes monolithisches Halbleiter- Funktionselement vorgesehen sein.

Oberhalb der Deckoxidschicht 7 wird ein Kondensator 10 gebil­ det.

Der Kondensator 10 weist eine untere Elektrode 11 (bottom- Elektrode), eine obere Elektrode 12 (top-Elektrode) und zwi­ schenliegend ein ferroelektrisches Kondensatormaterial 13 auf. Die untere Elektrode 11 besteht aus einem inerten Mate­ rial wie beispielsweise Pt, Ir oder Ru. Bei dem Ferroelektri­ kum 13 kann es sich beispielsweise um SBT, SBTN, Pb(Zr, Ti)O, BiTiO, PZT, BTO, PLZT, BZTO usw. handeln. Zwischen der unte­ ren Elektrode 11 und der Anschlußstruktur 9 befindet sich ei­ ne Barriereschicht 14 (beispielsweise aus IrO₂), deren Aufga­ be es ist, zu verhindern, daß durch die chemisch stabile Elektrode 11 hindurch diffundierender Sauerstoff an der Si- Anschlußstruktur 9 eine hochohmige Sperr-Oxidschicht aufbaut.

Die Herstellung des Kondensators 10 ist wie folgt:
Nach dem Abscheiden und Strukturieren der Barriereschicht 14 und der unteren Elektrode 11 wird das Ferroelektrikum 13 ab­ gelagert. Die Ablagerung findet üblicherweise durch einen MOD (Metal Organic Decomposition), einen MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)-Prozeß oder einen Sputter-Prozeß statt.

Nach dem Abscheiden des ferroelektrischen Perowskitmaterials 13 muß dieses in einer Sauerstoff-haltigen Atmosphäre bei Temperaturen höher als 700°C, typischerweise etwa 800°C, ge­ tempert (kristallisiert) werden. Da die untere Elektrode 11 wie erwähnt aus einem temperaturstabilen und inerten Metall (z. B. Pt) besteht, wird vermieden, daß das ferroelektrische Material dabei mit der unteren Elektrode 11 chemisch rea­ giert.

Über dem kristallisierten ferroelektrischen Material 13 wird die obere Elektrode 12 durch einen Schichtablagerungsschritt gefolgt von einem Strukturierungsschritt erzeugt.

Der aus konstruktiver Sicht fertiggestellte Kondensator 10 ist zu diesem Zeitpunkt noch nicht einsatzfähig, da er viel zu hohe Verlustströme zuläßt und außerdem keine Hysterese­ schleife aufweist, die einen zur Speicherung von Daten geeig­ neten Verlauf mit zwei definierten Umladezuständen zeigt. Beide Bedingungen sind erforderlich, um die nichtflüchtige Speicherung von Daten realisieren zu können.

Im Stand der Technik wird wie bereits erwähnt zu diesem Zweck eine Nachtemperung ("post anneal") bei einer Temperatur höher als 700°C durchgeführt. Durch die Nachtemperung wird der gleichsam kurzgeschlossene Kondensator 10 intern isoliert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die bisher erforder­ liche Nachtemperung teilweise oder vollständig durch eine elektrische Wechselstrombeaufschlagung des Kondensators 10 ersetzt. Dadurch kann die Nachtemperung bei erheblich tiefe­ ren Temperaturen (beispielsweise 500°C) und/oder über eine kürzere Zeitdauer durchgeführt werden oder vollständig ent­ fallen. In jedem Fall wird eine wesentliche Reduzierung des Wärmeeintrags in das System nach der Erzeugung der oberen Kondensatorelektrode 12 erreicht.

Fig. 2 verdeutlicht das unterschiedliche Polarisationsverhal­ ten des Ferroelektrikums 13 ohne und mit Wechselstrombehand­ lung. Aufgetragen ist die Polarisation (in der Einheit µC/cm²) gegenüber der angelegten Spannung (in der Einheit V). Die Kurve A verbindet als gefüllte Rauten dargestellte Meß­ punkte, die mit einem Kondensator 10 aufgenommen wurden, wel­ cher nach der Fertigstellung seiner oberen Elektrode 12 einer Nachtemperung einer Dauer von etwa 30 Minuten bei 500°C aber zunächst noch keiner Wechselstrombehandlung unterzogen wurde. Die Polarisationswerte sind aus Darstellungsgründen um den Faktor 0,03 verkleinert. Die Kurve A weist annähernd Kreis­ form (sog. "ohmsche Auge") auf. Bei dem verwendeten Meßver­ fahren ("Virtuelle-Erde-Meßverfahren bei einer Meßfrequenz von 100 Hz) zeigt ein solcher kreisförmiger Verlauf (es han­ delt sich genauer gesagt um Parabeläste - denn P ist im ohm­ schen Fall proportional dem Quadrat der angelegten Spannung - welche um den Ursprung des Graphen zentriert sind) der Pola­ risations-Spannungs-Kurve an, daß der getestete Kondensator 10 einen hohen Verluststrom aufweist.

Nach Durchführung dieser Messung (Kurve A) wurde der gleiche Kondensator 10 einer Wechselstrombehandlung mit einer Recht­ eckspannung der Amplitude ±5 V und der Frequenz 0,5 MHz ei­ ner Dauer von 5 × 10¹⁰ Wechselstromzyklen unterzogen. Die Kurve B verbindet Meßpunkte (offene Rauten), die bei einer identi­ schen Messung an demselben Kondensator 10 nach der Wechsel­ strombehandlung erhalten wurden. Die Meßpunkte liegen auf ei­ ner für ferroelektrisches Verhalten charakteristischen Hyste­ resekurve bei weitaus niedrigeren Polarisationswerten, was bedeutet, daß der Verluststromanteil im Vergleich zu der Mes­ sung vor der Wechselstrombehandlung (Meßkurve A) um mehrere Größenordnungen reduziert ist.

In Fig. 3 ist die Größe 2Pr gegen die Anzahl der Wechselspan­ nungszyklen aufgetragen. Pr ist die Remanenz-Polarisation, mit welcher der Wert der Polarisation bei einer Spannung von 0 V bezeichnet wird. Bei einer symmetrischen Hystereseschlei­ fe entspricht 2Pr somit der Öffnungsweite der Schleife bei 0 V.

Als Wechselspannung wurde wiederum die Rechteckspannung mit einer Frequenz von 0,5 MHz und einer Amplitude von ±5 V ein­ gesetzt. Meßpunkte in Form von gefüllten Rauten (Kurve E) sind dem bei 500°C nachgetemperten Kondensator 10 zugeordnet, dessen Polarisations-Spannungs-Kurven A, B bereits anhand Fig. 2 erläutert wurden. Ein bei 600°C nachgetemperter Kon­ densator 10 wird durch Meßpunkte in Form von offenen Rauten (Kurve C) und ein bei 800°C nachgetemperter Kondensator 10 wird durch Meßpunkte in Form von offenen Kreisen (Kurve D) repräsentiert.

Die bei 800°C und 600°C nachgetemperten Kondensatoren 10 zei­ gen bereits vor Beginn der Wechselstrombehandlung ein Hyste­ reseverhalten ähnlich der Kurve B. Der Einfluß der Wechsel­ strombehandlung auf die Remanenz-Polarisation Pr ist gering. Das bei 600°C nachgetemperte Ferroelektrikum 13 zeigt eine niedrigere Remanenz-Polarisation Pr als das bei 800°C nachge­ temperte Ferroelektrikum 13. Bei den durchgeführten Versuchen war es nicht möglich, die Remanenz-Polarisation Pr des bei 600°C nachgetemperten Ferroelektrikums 13 durch die Wechsel­ strombehandlung wesentlich zu erhöhen.

Wie bereits anhand der Fig. 2 erläutert, zeigt der bei 500°C nachgetemperte Kondensator 10 vor dem Beginn der Wechsel­ strombehandlung kein Hystereseverhalten im Sinne der Kurve B. Stattdessen treten hohe Verlustströme auf, die sich in den durchgeführten Messungen in extrem hohen Werten der gemesse­ nen Remanenz-Polarisation Pr widerspiegeln.

Fig. 3 zeigt, daß die gemessenen Werte der Remanenz-Polarisa­ tion Pr mit Fortdauer der Wechselstrombehandlung bei dem bei 500°C nachgetemperten Kondensator 10 stetig sinken, d. h., daß sich der Verluststrom ständig erniedrigt. Nach etwa 2 × 10¹⁰ Wechselstromzyklen stellt sich, wie anhand der Meßpunkte E1, E2 ersichtlich, eine stabile Hysteresekurve mit stabiler Re­ manenz-Polarisation Pr ein. Die am Ende der Wechselstrombe­ handlung bei E1, E2 gemessene Remanenz-Polarisation Pr ist größer als die Remanenz-Polarisation Pr des bei 600°C nachge­ temperten Kondensators.

Bezugszeichenliste

1

Halbleitersubstrat

2

Drain-Gebiet

3

Source-Gebiet

4

Kanal

5

Gate-Oxidschicht

6

Gate-Elektrode

7

Deckoxidschicht

8

Kontaktloch

9

Anschlußstruktur

10

Kondensator

11

untere Kondensator-Elektrode

12

obere Kondensator-Elektrode

13

Ferroelektrikum

14

Barrierestruktur
A Polarisations-Spannungs-Kurve
B Polarisations-Spannungs-Kurve
C Polarisations-Zyklen-Kurve
D Polarisations-Zyklen-Kurve
E Polarisations-Zyklen-Kurve
E1 Meßpunkt
E2 Meßpunkt

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Konden­ sators (10) auf einem Halbleitersubstrat (1), mit den Schrit­ ten:

• - Erzeugen einer ersten Elektrode (11);
• - Ablagerung eines ferroelektrischen Kondensatormaterials (13) über der ersten Elektrode (11);
• - Erzeugen einer zweiten Elektrode (12) über dem ferroelek­ trischen Kondensatormaterial (13);

gekennzeichnet durch den nachfolgenden Schritt:

• - daß mehr als 10⁷ Wechselspannungszyklen an den Kondensator (10) angelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine nach der Erzeugung der zweiten Elektrode (12) durchgeführte Nachtemperung bei einer Temperatur von unter 600°C, insbesondere unter 500°C, erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß mehr als 10⁸ Wechselspannungszyklen an den Kondensator (10) angelegt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Wechselspannung Rechteckform aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Wechselspannung eine Amplitude von etwa ±5 V und/oder eine Frequenz von etwa 0,5 MHz aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Wechselspannung durch einen auf dem Halbleitersub­ strat (1) aufgebauten Wechselspannungsgenerator erzeugt wird.

7. Ferroelektrischer Kondensator auf einem Halbleitersubstrat (1), mit

• - einer ersten Elektrode (11);
• - einem über der ersten Elektrode (11) angeordneten Ferro­ elektrikum (13), und
• - einer nach der Ablagerung des Ferroelektrikums (13) gebil­ deten zweiten Elektrode (12);

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die zweite Elektrode (12) aus einem oder mehreren der Materialien Cu, TaN_x oder TiWN_x besteht.