DE60035311T2 - Ferroelektrische Struktur aus Bleigermanat mit mehrschichtiger Elektrode - Google Patents

Ferroelektrische Struktur aus Bleigermanat mit mehrschichtiger Elektrode Download PDF

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Description

  • Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung von integrierten Schaltungen (ICs) und noch spezieller auf die Herstellung einer ferroelektrischen Bleigermanatstruktur mit einer Elektrode aus geschichteten Edelmetallen.
  • Platin (Pt) und andere Edelmetalle werden in ferroelektrischen IC-Kondensatoren verwendet. Die Verwendung von Edelmetallen wird durch ihren inneren chemischen Widerstand begründet. Diese Eigenschaft ist insbesondere unter Hochtemperatursauerstoffhärtungsbedingungen wie jenen, die bei der Herstellung von ferroelektrischen Kondensatoren zu sehen sind, erwünscht. Zusätzlich ist die chemische Wechselwirkung zwischen Edelmetallen und ferroelektrischen Materialien, wie Perovskitmetalloxiden, vernachlässigbar.
  • Die oben erwähnten Edelmetalle werden als leitende Elektrodenpaare, getrennt durch ein ferroelektrisches Material, verwendet. Eine oder beide der Elektroden werden häufig mit Transistorelektroden verbunden oder mit elektrisch leitenden Bahnen in ICs. Wie gut bekannt ist, können diese ferroelektrischen Anordnungen gemäß der an die Elektrode angelegte Spannung mit der Beziehung zwischen Ladung und Spannung, ausgedrückt in einer Hystereseschleife, polarisiert werden. Wenn in Speichervorrichtungen verwendet, kann die polarisierte ferroelektrische Vorrichtung verwendet werden, um eine „1" oder eine „0" darzustellen. Diese Speichervorrichtungen werden häufig als ferro-RAM oder FeRAM bezeichnet. Ferroelektrische Vorrichtungen sind nicht flüchtig. Das heißt, die Vorrichtung bleibt polarisiert, selbst nachdem der Strom vom IC genommen wurde, in den das Ferroelektrikum eingebettet ist.
  • Es gibt Probleme bei der Verwendung von Metall-, selbst Edelmetallelektroden. Pt, möglicherweise das am weitestgehend verwendete Edelmetall, erlaubt die Diffusion von Sauerstoff insbesondere während Hochtemperaturhärtungsverfahren. Die Diffusion von Sauerstoff durch Pt resultiert in der Oxidation der benachbarten Barriere und des Substratmaterials. Typischerweise ist das benachbarte Substratmaterial Silicium oder Siliciumdioxid. Eine Oxidation kann in geringer Adhäsion zwischen dem Pt und der benachbarten Schicht resultieren. Eine Oxidation kann ebenfalls die Leitfähigkeit zwischen benachbarten Substratschichten beeinträchtigen. Siliciumsubstrate unterliegen speziell den Problemen, die als Ergebnis der Sauerstoffdiffusion auftreten. Das Endergebnis kann eine ferroelektrische Vorrichtung mit verschlechterten Speichereigenschaften sein. Alternativ muss die Temperatur des IC-Härtungsverfahrens begrenzt werden, um die Degeneration der ferroelektrischen Vorrichtung zu verhindern.
  • Verschiedenartige Strategien wurden versucht, um die Interdiffusion, Adhäsion und Leitfähigkeitsprobleme im Zusammenhang mit der Verwendung von Edelmetallen als einem leitfähigen Film bei der IC-Herstellung zu verbessern. Titan-(Ti), Titanoxid-(TiO2) und Titannitrid(TiN)-Schichten wurden zwischen Edelmetall und Silicium(Si)-Substrat eingeschoben, um die Interdiffusion von Sauerstoff zu unterdrücken. Jedoch sind Ti-Schichten im Allgemeinen nur bei Härtungstemperaturen unterhalb 600°C effektiv. Nach einem Härten bei 600°C diffundiert Pt durch die Ti-Schicht, um mit Silicium zu reagieren und ein Silicidprodukt zu bilden. Weiterhin kann Pt die Sauerstoffdiffusion nicht stoppen. Nach einem Hochtemperaturhärten kann eine dünne Schicht aus Siliciumoxid auf der Siliciumoberfläche gebildet werden, welche den Kontakt zwischen Silicium und der Elektrode isoliert.
  • Andere Probleme in Zusammenhang mit dem Härten eines Pt-Metallfilms sind Abziehen und Hügelbildung. Diese beiden Probleme stehen mit dem Unterschied in der thermischen Expansion und Spannung von Pt mit benachbarten IC-Schichten während des Hochtemperaturhärtens in Zusammenhang. Eine Schicht von Ti, die über dem Pt-Film liegt, ist dafür bekannt, dass sie die Spannung des Pt-Films reduziert und die Hügelbildung unterdrückt.
  • Ir wurde ebenfalls in Versuchen verwendet, um das Problem der Sauerstoffinterdiffusion zu lösen. Ir ist chemisch stabil mit einer hohen Schmelztemperatur. Verglichen mit Pt ist Ir gegenüber einer Sauerstoffdiffusion resistenter. Weiterhin bleibt Iridiumoxid leitfähig, selbst wenn es oxidiert ist. Wenn am nächsten zu Ti aufgeschichtet, ist die Ir/Ti-Sperre gegenüber Sauerstoffinterdiffusion außerordentlich undurchlässig. Jedoch kann Ir durch Ti diffundieren. Wie Pt ist Ir sehr reaktiv mit Silicium oder Siliciumdioxid. Daher ist eine zweischichtige Ir/Ti- oder Ir/TiN-Barriere kein ideales Barrieremetall.
  • Pb5Ge3O11 ist ein viel versprechender ferroelektrischer Materialkandidat für nicht flüchtigen Speicher, wie Eintransistor(lT)-Anwendungen, aufgrund seiner moderaten Polarisation und der relativ geringen Dielektrizitätskonstante. Aber dieses Material ist ein ferroelektrisches Material geringer Symmetrie, und es wird weitgehend angenommen, dass nur entlang der c-Achse spontane Polarisation vorliegt. Weiterhin ist im PbO-GeO2-System der Stabilitätsbereich für die Pb5Ge3O11-Phase sehr begrenzt. Selbst eine relativ kleine Abweichung in der Zusammensetzung oder der Wachstumstemperatur kann zur Bildung von anderen Bleigermanat(PGO)-Verbindungen oder -Phasen führen. Daher ist die erfolgreiche Verwendung dieses ferroelektrischen Mate rials vom Abscheidungsverfahren und dem angrenzenden Elektrodenmaterial abhängig.
  • Eine geeignete Bodenelektrode ist zur Abscheidung verwendbarer ferroelektrischer Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilme erforderlich. Die Bodenelektrode muss mit dem Substrat gute Adhäsion, gute elektrische Leitfähigkeit sowie gute Sperreigenschaften im Hinblick auf Sauerstoff und Blei aufweisen. Eine gute Bodenelektrode muss ebenfalls die Erschöpfungsdegradation des ferroelektrischen Dünnfilms auf Bleibasis verbessern und den Leckstrom reduzieren. Vom Verarbeitungsgesichtspunkt her sollte die Bodenelektrode eine bevorzugte Nukleierung und Wachstumsoberfläche für den c-achsenorientierten Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilm bei relativ geringer MOCVD-Temperatur bereitstellen.
  • Einschichtiges Platin wird weitgehend als Bodenelektrode in nichtflüchtigen ferroelektrischen Speichern auf PZT- und SBT-Basis verwendet. Jedoch können Sauerstoff und Elemente, wie Blei, ohne weiteres durch Pt diffundieren und mit Sperrschichten (Ti, TiN) und/oder dem Substrat (Si oder SiO2) reagieren, die sämtlich für eine Oxidation anfällig sind. Eine schädliche Oxidation führt zu schlechter Adhäsion mit dem Substrat, einer schlechten Grenzfläche zwischen Platin und ferroelektrischen Schichten sowie einer schlechten Grenzfläche zwischen Platin und den Substratschichten.
  • Weiterhin ist schwere Erschöpfung ein inhärentes Problem im Zusammenhang mit ferroelektrischen Dünnfilmen, das durch Verwendung einer Einschichtplatinelektrode nicht verbessert wird. Erschöpfungsabbau soll aufgrund Bereichsanhaftung durch Raumladung, verursacht durch Lehrstelleneinbau von Sauerstoff an der Grenzfläche zwischen dem ferroelektrischen Film und der Elektrode, verursacht werden. Es wird angenommen, dass die Erschöpfungseigenschaften signifikant durch Verwendung einer leitenden Oxidelektrode verbessert werden können, um die Raumladungsbildung an der Grenzfläche zu verhindern. Schließlich werden typischerweise Hügel auf der Oberfläche von Einschichtplatinelektroden während der Abscheidung von ferroelektrischen Dünnfilmen gefunden. Die Hügel werden durch interne Spannungen im Platinfilm verursacht. Hügel resultieren in erhöhten Leckströmen oder sogar Vorrichtungskurzschlüssen.
  • Einschichtige Iridiumbodenelektroden werden ebenfalls in Vorrichtungen auf PZT- und SBT-Basis verwendet. Iridiumbodenelektroden haben überragende Sperreigenschaften im Hinblick auf Blei und Sauerstoff genauso wie gute Adhäsion mit dem Substrat. Jedoch werden höhere Verarbeitungstemperaturen für die c-Achsen orientierten MOCVD-Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilmabscheidungsverfahren, verglichen mit der Platinelektrode, erforderlich. Der MOCVD-Temperaturbereich, um einen c-Achsen orientierten Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilm auf der Ir-Elektrode abzu scheiden, beträgt 500 bis 600°C. Weiterhin verursacht eine kleinere Nukleierungsstellendichte eine sehr raue Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilmoberfläche verglichen mit einem auf einer Platinelektrode abgeschiedenen Film. Schließlich wird die Hügelbildung nach wie vor auf der Oberfläche der Iridiumelektrode während der MOCVD Verarbeitung beobachtet.
  • Metalloxidelektroden, wie RuO2, werden für nicht flüchtigen Speicher auf PZT-Basis verwendet, um den Erschöpfungsabbau zu verbessern. Aber RuO2-Elektroden verursachen einen Anstieg des Leckstroms. Eine Oxid/Platin-Zweischichtelektrode reduziert den Leckstrom und verbessert die Sperreigenschaften und das Hügelproblem. Jedoch ist der Leckstrom nach wie vor größer als derjenige bei Verwendung einer Einschichtplatinelektrode. Weiterhin wird ein dicker Oxidfilm gebildet, resultierend in einem höheren Flächenwiderstand.
  • Mehrere andere Sauerstoff-Sperrschichten existieren einschließlich leitfähiger exotischer Nitritschichten unter einer Platinschicht (Ti-Al-N), eine Edelmetall-Isolations-Legierungs-Sperrschicht (pd-Si-N) und ähnliche Variationen. Diese Oxidbarrieren erfordern kompliziertere Verfahrensschritte und eine Mehrschichtelektrode, um die Anforderungen für eine Bodenelektrode zu erfüllen. Eine Pt/IrO2-Elektrode wird in Vorrichtungen auf SBT-Basis verwendet. Jedoch ist die Pt/IrO2-Elektrode nicht sehr geeignet für Dünnfilme auf Bleibasis. Dies ist so, weil eine dünne Oxidschicht nach wie vor zwischen dem ferroelektrischen Film und der Platinelektrode benötigt wird, um die Erschöpfungsdegradation zu verbessern.
  • Die ebenfalls anhängige US-Anmeldung Serien-Nr. 09/263,595 mit dem Titel „Iridium Conductive Elektrode/Barrier Structure and Method for Same", erfunden von Zhang et al. und eingereicht am 5. März 1999, offenbart einen mehrschichtigen Ir/Ta-Film, der gegenüber der Interdiffusion resistent ist.
  • Die ebenfalls anhängige US-Anmeldung Serien-Nr. 09/263,970 mit dem Titel „Iridium Composite Barrier Structure and Method for Same", erfunden von Zhang et al. und eingereicht am 5. März 1999, offenbart einen Ir-Verbundfilm, der gegenüber Interdiffusion resistent und während Hochtemperaturhärten stabil ist.
  • Die ebenfalls anhängige US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/316,661 mit dem Titel „Composite Iridium-Metal-Oxygen-Barrier Structure with Oxidized Refractory Metal Companion Barrier and Method for Same", erfunden von Zhang et al. und eingereicht am 21. Mai 1999, offenbart einen Ir-Verbundfilm mit einer oxidierten Übergangsmetall-Sperrschicht, die Leitfähigkeit und strukturelle Stabilität nach Hochtemperaturhärten in einer Sauerstoffumgebung aufrechterhält.
  • Die ebenfalls anhängige US-Anmeldung Serien-Nr. 09/316,646 mit dem Titel „Composite Iridium Barriere Structure with Refractory Metal Companion Barrier and Method for Same", erfunden von Zhang et al. und eingereicht am 21. Mai 1999, offen bart einen Ir-Verbundfilm, der Leitfähigkeit und strukturelle Stabilität nach einem Hochtemperaturhärten in einer Sauerstoffatmosphäre aufrechterhält.
  • In der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/301,435 mit dem Titel „Multi-Phase Lead Germanate Film and Deposition Method", erfunden von Tingkai Li et al., eingereicht am 28. April 1999, wird eine zweite Phase aus Pb3GeO5 zu Pb5Ge3O11 unter Erhöhung der polykristallinen Korngrößen ohne c-Achsenorientierung zugegeben. Der resultierende Film hatte erhöhte Pr-Werte und Dielektrizitätskonstanten und verringerte Ec-Werte. Ein derartiger Film ist zur Herstellung mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), Hochgeschwindigkeitsmultichipmodulen (MCMs), DRAMs und FeRAMs verwendbar.
  • In der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/301,420 mit dem Titel „C-Axis Oriented Lead Germanate Film and Deposition Method", erfunden von Tingkai Li et al., eingereicht am 28. April 1999, wird ein PGO-Film offenbart. Dieser Film hat in erster Linie eine c-Achsenorientierung mit einem kleineren Pr-Wert, kleinerer Dielektrizitätskonstante und größerem Ec-Wert. Ein derartiger Film ist verwendbar zur Herstellung von IT-Speichern.
  • In der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/302,272 mit dem Titel: „Epitaxially Grown Lead Germanate Film and Deposition Method", erfunden von Tingkai Li et al., eingereicht am 28. April 1999, wird ein epitaxial gewachsener PGO-Film mit extrem hoher c-Achsenorientierung offenbart. Folglich werden hohe Pr- und Ec- Werte, genauso wie eine niedrigere Dielektrizitätskonstante erhalten. Ein derartiger Film ist in IT- sowie in Ein-Transistor/Ein-Kondensator (IT/IC)-FeRAM-Anwendungen verwendbar.
  • In der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/301,434 mit dem Titel: „Ferroelastic Lead Germanate Film and Deposition Method", erfunden von Tingkai Li et al., eingereicht am 28. April 1999, wird ein CVD-Pb3GeO5-Film mit verbesserten ferroelastischen Eigenschaften beschrieben, der zur Herstellung von MEMS und MCMs verwendbar ist. Die oben erwähnten ebenfalls anhängigen Patentanmeldungen werden durch Bezugnahme hiermit einbezogen.
  • Es wäre vorteilhaft, wenn eine ferroelektrische Elektrode hergestellt werden könnte, die die besten Eigenschaften von Ir und Pt einbezieht.
  • Es wäre vorteilhaft, wenn alternative Verfahren zur Verwendung von Ir und/oder Pt als Leitern, leitfähigen Barrieren oder Elektroden bei der IC-Herstellung entwickelt würden. Es wäre vorteilhaft, wenn Ir und Pt ohne Wechselwirkung mit einem darunter liegenden Si-Substrat verwendet werden könnten.
  • Es wäre vorteilhaft, wenn ein Ir- oder Pt-Film verändert werden könnte, um die Interdiffusionseigenschaften zu verbessern. Weiterhin wäre es vorteilhaft, wenn dieser verbesserte Typ von Ir- oder Pt-Film mit einem dazwischen geschobenen Film über schichtet werden könnte, um die Wechselwirkung von Ir oder Pt mit einem Siliciumsubstrat zu verhindern. Es wäre vorteilhaft, wenn ein dazwischen geschobener Film die Interdiffusion zwischen Elektrode und dem ferroelektrischen Material verhindern könnte.
  • Die US 5,790,366 offenbart einen Kondensator zur Verwendung auf Silicium oder einem anderem Substrat mit einer Mehrschichtelektrodenstruktur. In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Bodenelektrode, angeordnet auf dem Substrat, eine Bodenschicht aus Pt-Rh-Ox, eine Zwischenschicht aus Pt-Rh und eine Oberschicht aus Pt-Rh-Ox, auf. Ein ferroelektrisches Material, wie PZT (oder ein anderes Material), ist auf der Bodenelektrode angeordnet. Eine obere Elektrode, bevorzugt mit identischer Zusammensetzung wie die Bodenelektrode, ist auf der entgegengesetzten Seite des ferroelektrischen Materials der Bodenelektrode angeordnet.
  • Die US 5,807,774 offenbart eine ferroelektrische Kondensatorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung, worin ein Substrat eine Bodenelektrodenstruktur trägt mit einer dazwischen geschobenen Adhäsions-/Diffusions-Sperrschicht. Die Elektrodenschicht umfasst ein Metall oder eine Metalllegierung sowie ein Oxid des Metalls oder der Legierung. Die Adhäsions-/Diffusions-Sperrschicht ist ein ähnliches Oxid. Ein ferroelektrisches Material wird zwischen eine obere Elektrode sandwichartig dazwischen geschoben. Die obere Schicht umfasst ein Metall oder eine Metalllegierung sowie ein Oxid desselben; das Metall oder die Metalllegierung kann die gleiche sein, wie die Bodenelektrode, aber dies muss nicht sein. Die Metall- und die Metalloxidelektroden können durch bekannte Abscheidungstechniken abgeschieden werden oder das Metall kann abgeschieden und das Oxid durch Härten in Sauerstoffumgebungsbedingung gebildet werden.
  • Die EP 0 404 295 offenbart eine Mehrschichtkondensatorstruktur in einer integrierten Schaltung, enthaltend eine erste Elektrode, aufgebaut durch Bilden mindestens einer Schicht über einem Substrat und Bilden einer glatten Schicht über der (den) vorherigen Schicht(en). Eine dielektrische Schicht wird über dieser ersten Elektrode gebildet und eine zweite Elektrode wird über der dielektrischen Schicht durch Bilden einer Plattenschicht über der dielektrischen Schicht aufgebracht und bildet mindestens eine zusätzliche Schicht über der Plattenschicht. Jede Schicht kann für eine oder mehrere Funktionen dienen. Ebenfalls offenbart ist eine weitere Ausführungsform, enthaltend den Aufbau einer ersten Elektrode durch Bilden mindestens einer Schicht auf einem Substrat, Bilden einer Plattenschicht über der (den) vorhergehenden Schicht(en) und Bilden einer dielektrischen Schicht über der ersten Elektrode. Die resultierende Struktur wird dann erhitzt, bevorzugt in einer Sauerstoffumgebung, um die untere Schicht zu oxidieren. Eine zweite Elektrode kann dann über der dielektrischen Schicht gebildet werden.
  • Die EP 0 042 009 offenbart eine verbesserte polykristalline keramische Halbleiterzusammensetzung, umfassend ein Erdalkalimetalltitanat, dotiert mit einem sechswertigen Metalloxid, wie (MO3)(Bi2O3)x, worin M Wolfram oder Molybdän darstellt und X im Bereich von 0 bis 7 liegt, das mit Bleigermanat flüssigphasengesintert wird, um interne Isolationsgrenzen zu erzeugen. Die Zusammensetzung ist feinkörnig und liefert Dünnschicht-, Mehrschichtkondensatoren, die hohe Werte der Dielektrizitätskonstanten, geringe Verlustfaktoren und geringe Temperatur- und Spannungskoeffizienten oder Kapazität zeigen.
  • Erfindungsgemäß wird eine ferroelektrische Vorrichtung bereitgestellt, umfassend: ein Substrat; eine erste Elektrodenschicht, enthaltend Ir, die über dem Substrat liegt; eine zweite Elektrodenschicht, enthaltend Pt, die über der ersten Elektrodenschicht liegt; eine erste Sperrschicht, die über der zweiten Elektrodenschicht liegt, die sich zwischen der zweiten Elektrodenschicht und einem ferroelektrischen Film erstreckt, und eine zweite Sperrschicht, eingeschoben zwischen dem Substrat und der ersten Elektrodenschicht, wobei das Material der zweiten Sperrschicht ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ta, TaN und ternären Nitriden, enthaltend Stickstoff und ein feuerfestes Metall.
  • Demgemäß kann eine ferroelektrische Vorrichtung bereitgestellt werden, umfassend ein Siliciumsubstrat, eine erste Elektrodenschicht aus Ir, die über dem Substrat liegt, und eine zweite Elektrodenschicht aus Pt, die über der ersten Elektrodenschicht liegt. Die ersten und zweiten Elektrodenschichten können eine kombinierte Dicke von etwa 100 bis 400 nm aufweisen und werden verwendet, um die Adhäsion, die Sperreigenschaften und die Gleichmäßigkeit des PGO-Films zu verbessern.
  • Bevorzugt liegt eine erste Sperrschicht aus IrO2 über der zweiten Elektrodenschicht, um die Grenzfläche zum PGO-Film zu verbessern und die Diffusion von Sauerstoff in die erste und zweite Elektrodenschicht zu begrenzen. Ein Bleigermanat(PGO)-Film mit einer Pb5Ge3O11-Phase von etwa 10 bis 100% kann über der ersten Sperrschicht liegen. Gegebenfalls ist der PGO-Film eine epitaxial gewachsene Pb5Ge3O11-Phase. In dieser Art und Weise kann eine ferroelektrische Vorrichtung mit geringem Leckstrom und Beständigkeit gegenüber Erschöpfung gebildet werden.
  • Bevorzugt wird die zweite Sperrschicht eines Materials, wie Ta, TaN oder eines ternären Nitrids, enthaltend Stickstoff und ein feuerfestes Metall, wie TiSiN oder TaSiN, mit einer Dicke von etwa 10 bis 100 Nanometern (nm) zwischen das Substrat und die erste Elektrodenschicht dazwischen geschoben, um die Interdiffusion zwischen dem Substrat und den Elektrodenschichten zu minimieren. Weiterhin wird die Adhäsion zwischen dem Substrat und den Elektrodenschichten durch Verwendung der zweiten Sperre verbessert.
  • Schließlich bildet die ferroelektrische Vorrichtung einen Kondensator mit Zufügung einer leitenden oberen Filmelektrode, die über dem PGO-Film liegt. Die obere Elektrode umfasst optional eine dritte Pt-Elektrodenschicht, die über dem PGO-Film liegt, sowie eine vierte Ir-Elektrodenschicht, die über der dritten Elektrodenschicht liegt, um eine zweite Schichtelektrode zu bilden. Wenn eine obere Schichtelektrode verwendet wird, wird eine dritte Sperrschicht zwischen den PGO-Film und der dritten Elektrodenschicht dazwischen geschoben, um die Grenzfläche mit dem darunterliegenden PGO-Film zu verbessern.
  • Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Vorrichtung auf einem Substrat bereitgestellt, umfassend die Schritte: a) Bilden einer zweiten Sperrschicht, die über dem Substrat liegt; b) Bilden einer ersten Elektrodenschicht, enthaltend Ir, die über der zweiten Sperrschicht liegt; c) Bilden einer zweiten Elektrodenschicht, enthaltend Pt, die über der ersten Elektrodenschicht liegt; und d) Bilden einer ersten Sperrschicht, die über der zweiten Elektrodenschicht liegt, wobei die erste Sperrschicht die Grenzfläche zu nachfolgend abgeschiedenen Schichten verbessert und die Diffusion von Sauerstoff in die erste und zweite Elektrodenschicht begrenzt, wobei Schritt a) umfasst, dass das Material der zweiten Sperrschicht ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ta, TaN und ternären Nitriden, enthaltend Stickstoff und ein feuerfestes Metall.
  • Es gibt drei verschiedene Verfahren zur Herstellung der ersten Sperrschicht. In einem Verfahren enthält Schritt c1) das Härten der ersten und zweiten Elektrodenschichten, um ein erstes Sperrschichtoxid zu bilden, das über der zweiten Elektrodenschicht liegt. In einem zweiten Verfahren enthält Schritt c1) die Verwendung von Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus PVD, CVD und MOCVD, um eine erste Sperrschicht aus IrO2 abzuscheiden. In einem dritten Verfahren enthält Schritt c1) das Bilden von IrO2 bei Vorbereitung für ein MOCVD-Verfahren in Schritt d) durch Vorfließenlassen von Sauerstoff bei einer Flussgeschwindigkeit im Bereich von etwa 2000 bis 4000 sccm bei einem Wachstumskammerdruck von etwa 10 torr, einer Substrattemperatur im Bereich von etwa 400 bis 550°C für eine Dauer von etwa 10 bis 15 Minuten, wobei die erste Sperrschicht in situ gebildet wird.
  • Die Schritte a) und b) enthalten bevorzugt das Abscheiden der ersten und zweiten Elektrodenschichten durch Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Elektronenstrahlverdampfung, CVD, PVD und MOCVD, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 200 bis 300°C.
  • Wenn ein Kondensator gebildet wird, sind weitere bevorzugte Schritte, die Schritt d) folgen:
    • d1) Bilden einer dritten Sperrschicht aus IrO2, die über dem in Schritt d) gebildeten PGO-Film liegt, wobei die Grenzfläche zwischen dem PGO-Film und der dritten und vierten Elektrodenschicht verbessert wird;
    • e) Bilden einer dritten Elektrodenschicht, die über dem PGO-Film liegt; und
    • f) Bilden einer vierten Elektrodenschicht, die über der dritten Elektrodenschicht liegt, wobei ein ferroelektrischer Kondensator gebildet wird.
  • Um die vorliegende Erfindung besser zu verstehen, werden nun spezifische Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die 1(a)-1(c) veranschaulichen die Flächenwiderstandsänderungen der Pt-, TiN-, Ir/Ti- und Pt/Ir/Ti-Elektroden bei schnellem thermischem (rapid thermal process RTP)-Härtungsverfahren.
  • Die 2(a) und 2(b) veranschaulichen die AES-Analyse der Elektrodentiefenprofile der vorliegenden Erfindung, gehärtet bei verschiedenen Temperaturen.
  • Die 3(a)-3(c) veranschaulichen die Mikrostrukturen von PGO-Dünnfilmen, abgeschieden auf drei Elektroden, einschließlich einer Elektrode der vorliegenden Erfindung.
  • Die 4(a)-4(c) veranschaulichen die ferroelektrischen Eigenschaften von Pb5Ge3O11-Dünnfilmen auf den drei Elektroden der 3(a)-3(c) nach der Abscheidung von oberen Pt-Elektroden.
  • Die 5 veranschaulicht XRD-Daten von Emphasen-Pb5Ge3O11, gewachsen auf der Elektrode von 3(c), der Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung.
  • Die 6 bis 8 veranschaulichen Schritte zur Vervollständigung der ferroelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • 9 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte in einem Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Vorrichtung veranschaulicht.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Eine Pb5Ge3O11-Phase, PGO, hat eine relativ kleine Dielektrizitätskonstante von etwa 50 im Gegensatz zu 1000 für PZT und 300 für SBT. Eine kleine Dielektrizitätskonstante ist ein Schlüsselfaktor zum Absenken der Programmierspannung für Eintransistorspeicheranwendungen. Bleigermanat ist ein ferroelektrisches Material geringer Symmetrie. Spontane Polarisation tritt nur entlang einer Achse (c-Achse) bei einem Wert um 3 bis 5 μC/cm2 auf. Dessen Curie-Temperatur hegt um 177°C. Viele Verfahren wurden verwendet, um dicke Bleigermanatfilme wachsen zu lassen, wie schnelles Abschrecken, Drucken, thermische Verdampfung, Flash-Verdampfung, pulsierte Excimer Laser Ablation, gleichstromreaktives Sputtern und Sol-Gel.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart die Herstellung eines Bleigermanat-Dünnfilms durch metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) auf einer Pt/Ir-Bodenelektrode.
  • Experimentelle Daten
  • Der Bleigermanat-Dünnfilm wurde auf Pt/TiN/SiO2/Si-, Ir/Ti/SiO2/Si- und Pt/Ir/Ti/SiO2-Elektroden durch MOCVD-Verfahren wachsen gelassen. Ein flüssiges Freisetzungssystem wurde verwendet, um [Pb(thd)2]- und [Ge(ETO)4]-Vorläufer an die Wachstumskammer zu liefern. Die Temperatur des Verdampfers betrug etwa 150 bis 200°C. Das Mol-Verhältnis von [Pb(thd)2] zu [Ge(ETO)4] lag um 5:3 und die Substrattemperatur betrug etwa 400 bis 600°C. Der Wachstumskammerdruck wurde von 2 bis 20 Torr variiert. Die Ar- und O2-Flussraten waren 4.000 Standard-Kubikzentimeter pro Minute (sccm) bzw. 2.000 (sccm). Die Eigenschaften der Elektroden wurden durch Flächenwiderstandsmessung und Auger-Elektronenmikroskop(AES)-Analyse untersucht. Die Mikrostrukturen und Phasen der PGO-Dünnfilme wurden jeweils durch Rasterelektronenmikroskop (REM) und Röntgenbeugung (XRD) bestimmt. Die chemischen Zusammensetzungen der Filme wurden durch energiedispersive Röntgenbeugungsspektroskopie (EDX) bestimmt. Die Leckströme und die Dielektrizitätskonstanten der Filme wurden jeweils unter Verwendung eines HP 4155-6-Präzisionshalbleiterparameteranalysators und eines Keithley 182 CV-Analysators gemessen. Die ferroelektrischen Eigenschaften der Filme wurden durch ein Standard RT66A-Testgerät gemessen.
  • Die Ergebnisse zeigen, dass der PGO-Film, abgeschieden auf einer Pt-Bodenelektrode, dazu neigt gleichmäßiger zu sein, während die für den c-Achsen orientierten PGO-Dünnfilm erforderliche Temperatur geringer ist (450 bis 500°C). Jedoch sind sekundäre Phasen einfacher bei geringeren Temperaturen auf Pt-Substraten zu bilden. Andererseits ist ein PGO-Dünnfilm, abgeschieden auf einer Ir-Elektrode, aufgrund der geringen Nukleierungsdichte rauer und die Pb5Ge3O11-Phase neigt dazu, statistisch orientiert zu werden, wenn die Abscheidungstemperatur um 400 bis 500°C liegt. Durch Erhöhen der Abscheidungstemperatur kann der c-achsenorientierte PGO-Dünnfilm erhalten werden, aber eine sekundäre Pb3GeO5-Phase mit größeren Korngrößen wird ebenfalls gebildet.
  • Eine Ir/Ti-Elektrode hat eine bessere Adhäsion als Pt/Ti-, Pt/TiO2- oder Pt/TiN-Elektroden. Daher, um die Vorteile der Elektrodenoberflächenglätte, der PGO-Filmgleichmäßigkeit, den resistiven Sperreigenschaften und der Adhäsion zu kombinieren, wurde eine Schicht aus Pt auf dem Ir/Ti abgeschieden.
  • Die 1(a) bis 1(c) veranschaulichen die Flächenwiderstandsänderungen von Pt/TiN-, Ir/Ti- und Pt/Ir/Ti-Elektroden beim schnellen thermischen (RTP)-Härtungsverfahren. Der Flächenwiderstand der Pt/TiN-Elektrode nimmt geringfügig bei Temperaturen unter 550°C ab und dann bis 750°C zu, wobei die TiN-Schicht zu oxidieren beginnt. Ähnliche Ergebnisse werden mit einer Pt/Ti-Elektrode erhalten. Jedoch nimmt der Flächenwiderstand der Ir/Ti-Elektrode ab, bis Härtungstemperaturen von 800°C erreicht werden, was angibt, dass Körner von Ir-Kristallen wachsen und weitere Oxidation der Sperrschicht unterblieben ist. Im Hinblick auf die Pt/Ir/Ti-Elektrode nimmt der Flächenwiderstand bis 550°C ab und steigt dann an, was ein Anzeichen für eine weitere Oxidation der Sperrschicht darstellt.
  • Die 2(a) und 2(b) veranschaulichen die AES-Analyse der Elektrodentiefenprofile der vorliegenden Erfindung, gehärtet bei verschiedenen Temperaturen. Um den Oxidationsmechanismus der Pt/Ir/Ti-Elektrode zu untersuchen, wurden Proben bei 550 und 650°C gehärtet. Aus dem AES-Spektrum der 2(b) kann ersehen werden, dass nach dem Härten bei 650°C in O2 für 5 Minuten Interdiffusion zwischen Ir- und Pt-Schichten auftrat. Gleichzeitig wurde die Ti-Schicht oxidiert. Daher wird angenommen, dass die Interdiffusion von Pt und Ir die Sperreigenschaften der Ir-Schicht verschlechtern kann. Während eines Hochtemperaturhärtens diffundiert Ti durch die Pt/Ir-Schicht heraus, während Sauerstoff durch die Pt/Ir-Schicht hineindiffundiert, was die gesamte Oxidation der Ti-Schicht bewirkt.
  • Andererseits hatte die bei 550°C gehärtete Probe keine ersichtliche Interdiffusion zwischen sämtlichen Pt/Ir/Ti-Schichten, wie in 2(a) gezeigt. Dies gibt an, dass die Elektrode stabil bleibt, wenn bei Temperaturen unter 550°C gehärtet wird. Jedoch kann ersehen werden, dass kleine Mengen an IrO2 nach wie vor auf der Oberfläche der Pt-Schicht erscheinen. Das IrO2 ändert seinen Oberflächenzustand für das darauffolgende Abscheiden von PGO-Dünnfilmen.
  • Die 3(a) bis 3(c) veranschaulichen die Mikrostrukturen der PGO-Dünnfilme, abgeschieden auf drei Elektroden, enthaltend eine Elektrode der vorliegenden Erfindung. Es kann aus 3(a) ersehen werden, dass der PGO-Film, abgeschieden auf der Pt-Elektrode, sehr gleichmäßig ist und Schichtwachstum zeigt. Der Film ist kontinuierlich, was bedeutet, dass die Nukleirungsdichte hoch ist. Die XRD-Daten zeigen, dass der Film eine c-achsenorientierte Pb5Ge3O11-Phase darstellt, sowie einige Pb3GeO5-Sekundärphasen. Die Verarbeitungstemperatur zur Abscheidung des c-achsenorientierten PGO-Dünnfilms auf der Pt-Elektrode liegt typischerweise um 400 bis 500°C.
  • 3(b) veranschaulicht, dass der PGO-Dünnfilm, abgeschieden auf dem Ir-Substrat rauer ist. Die XRD-Daten geben an, dass es eine polykristalline Pb5Ge3O11-Phase mit bevorzugter c-Achsenorientierung und etwas Pb3GeO5-Sekundärphase dar stellt. Der raue PGO-Film auf der Ir-Elektrode wird durch geringe Nukleierungsdichte und hohe Verarbeitungstemperatur (500 bis 600°C) hervorgerufen. Um die PGO-Filmqualität auf dem Ir-Substrat zu verbessern, wurde ein Zweischritt-Abscheidungsverfahren entwickelt. Ein erster Schritt scheidet eine Dünnschicht des PGO-Films bei 400 bis 450°C ab, um hohe Nukleierungsdichte zu erhalten. Ein zweiter Schritt scheidet den PGO-Film kontinuierlich bei höherer Temperatur, etwa 500 bis 600°C ab, um einen c-achsenorientierten PGO-Film zu erhalten. Kontinuierliche und glattere Filme können durch die Zweischrittabscheidung erhalten werden. Da der zweite Schritt bei höheren Temperaturen durchgeführt wird, ist die Pb3GeO5-Sekundärphase mit größerer Korngröße kaum zu vermeiden.
  • 3(c) ist ein reiner c-achsenorientierter PGO-Dünnfilm, abgeschieden auf einem Pt/Ir-Substrat. Die Verfahrenstemperatur, die verwendet wird, um einen PGO-Film auf einer Pt/Ir-Elektrode abzuscheiden, liegt zwischen den Temperaturen, die verwendet werden, um einen PGO-Film auf entweder einer Pt- oder Ir-Elektrode abzuscheiden. In ähnlicher Weise liegt die Gleichmäßigkeit des PGO-Films, abgeschieden auf der Pt/Ir-Elektrode, zwischen denen der Filme, die auf Ir- und Pt-Elektroden abgeschieden werden. Dies ist aufgrund der Interdiffusion von Pt und Ir der Fall. Eine kleine Menge von IrO2 auf der Pt-Oberfläche ändert den Oberflächenzustand der Pt/Ir-Elektrode. Weiterhin wurde von der Adhäsion von Pt/Ir/Ti gefunden, dass sie besser ist, als bei Pt/Ti-, Pt/TiN- und PtT/TiO2-Elektroden.
  • Die 4(a) bis 4(c) veranschaulichen die ferroelektrischen Eigenschaften von Pb5Ge3O11-Dünnfilmen auf den drei Elektroden der 3(a) bis 3(c) nach der Abscheidung der oberen Pt-Elektroden. Der PGO-Film, abgeschieden auf der Pt-Bodenelektrode, hat eine 2Pr (Polarisationsfeld) von etwa 2,04 Mikrocoulomb pro Quadratzentimeter (μC/cm2) wie in 4(a) gezeigt mit einem Leckstrom um 4,5 × 10- Ampere pro Quadratzentimeter (A/cm2) bei 100 Kilovolt pro Zentimeter (kV/cm), und einer Dielektrizitätskonstante von etwa 50.
  • Die Korngröße des PGO-Films, abgeschieden auf dem Ir-Substrat bei höheren Temperaturen, ist größer als diejenige des PGO-Films, abgeschieden auf einer Pt-Elektrode. Deren 2Pr ist höher als etwa 5,67 μC/cm2 mit einem Leckstrom von 2 × 10–6 A/cm2 bei 100 kV/cm und einer Dielektrizitätskonstante von etwa 100. Jedoch, wie in 4(b) zu sehen, wurde die Hystereseschleife durch die Pb3GeO5-Sekundärphase gestört.
  • Der Film, abgeschieden auf der Pt/Ir-Elektrode, hat eine kleinere Korngröße als diejenige der PGO-Filme, die auf Pt- und Ir-Elektroden abgeschieden werden. Deren 2Pr beträgt etwa 1,38 μC/cm2 mit einem Leckstrom von 3,697 × 10–7 A/cm2 bei 100 kV/cm und einer Dielektrizitätskonstante nahe bei 45. 4(c) veranschaulicht, dass die verbleibende Polarisation der PGO-Dünnfilme stark von der Korngröße ab hängig ist. Andererseits hängt der Leckstrom sowohl von der PGO-Filmqualität als auch den Eigenschaften der Elektroden ab.
  • 5 veranschaulicht XRD-Daten der Pb5Ge3O11-Einzelphase, wachsen gelassen auf der Elektrode von 3(c), der Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung. Die XRD-Daten geben an, dass der Film ein reiner (Einzelphase) c-achsenorientierter Pb5Ge3O11-Film ist.
  • Die Pt/Ir-Elektrode kann auf dem Substrat unter Verwendung von Elektrodenstrahlverdampfungs-, CVD-, PVD- oder MOCVD-Verfahren abgeschieden werden. Der erste Schritt ist gegebenenfalls Abscheiden einer dünnen Schicht von Ti, bevorzugt 25 nm dick. Der zweite Schritt ist die aufeinanderfolgende Abscheidung der Iridium- und Platinschichten. Alle diese Abscheidungen werden in einem bevorzugten Temperaturbereich von 200 bis 300°C durchgeführt.
  • Die dünne IrO2-Schicht kann in situ mit dem MOCVD-Verfahren vor dem Abscheiden des PGO-Films gebildet werden. Die Kammer wird zunächst durch Vorfließenlassen von Sauerstoff in die MOCVD-Wachstumskammer bei einer Wafertemperatur von 400 bis 550°C mit einer Flussrate von 2.000 bis 4.000 sccm für wenige Minuten, gerade bevor der Vorläufer eingeführt wird, stabilisiert, um einen Bleigermanat-Dünnfilm abzuscheiden. Der c-achsenorientierte Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilm mit einer Dicke von etwa 100 bis 500 nm wird bei einer Wafertemperatur von 400 bis 550°C erhalten. Eine obere Platinelektrode, Iridiumelektrode oder IrO2-Elektrode wird abgeschieden, um einen ferroelektrischen Kondensator zu bilden.
  • Die Dicke des IrO2 kann bei einer Dicke von etwa 10 bis 80 nm gehalten werden. Diese Dicke ist ausreichend, um die Erschöpfungscharakteristika zu verbessern, wenn diese dünn genug ist, um einen sehr kleinen Leckstrom und eine leitfähige Bodenelektrode zu unterstützen.
  • Die 6 bis 8 veranschaulichen Schritte bei der Vervollständigung der ferroelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. 6 zeigt eine ferroelektrische Vorrichtung 10, die ein Substrat 12 enthält. Das Substrat 12 wird ausgewählt aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Silicium, Polysilicium, Siliciumdioxid und Siliciumgermaniumverbindungen. Eine erste Elektrodenschicht 14, enthaltend ein Edelmetall, liegt über dem Substrat 12. Typischerweise ist die erste Elektrodenschicht 14 Ir, mit einer Dicke 16 im Bereich von etwa 50 bis 200. Ein Dickenbereich von etwa 100 bis 200 nm ist bevorzugt, wobei 150 nm unter einigen Umständen optimal sind.
  • Eine zweite Elektrodenschicht 18, enthaltend ein Edelmetall, liegt über der ersten Elektrodenschicht 14. Die erste Elektrodenschicht 14 und zweite Elektrodenschicht 18 verbessern die Adhäsion, Sperreigenschaften und die Gleichmäßigkeit von darauf folgend abgeschiedenen Filmen. Typischerweise ist die zweite Elektroden schicht 18 Pt mit einer Dicke von 20 im Bereich von etwa 10 bis 200 Nanometer. Eine Dicke von etwa 10 bis 150 Nanometer ist bevorzugt, wobei 50 nm unter einigen Aspekten der Erfindung optimal sind. Die erste und zweite Elektrode 14/18 weisen eine kombinierte Dicke 22 im Bereich von etwa 100 bis 400 nm auf, wobei 200 nm unter einigen Aspekten der Erfindung optimal sind.
  • Eine erste Sperrschicht 24 liegt über der zweiten Elektrodenschicht 18. Eine erste Sperrschicht 24 verbessert die Grenzfläche zu nachfolgend abgeschiedenen Schichten und begrenzt die Diffusion von Sauerstoff in die ersten und zweiten Elektrodenschichten 14/18. Typischerweise ist die erste Sperrschicht IrO2 und weist eine Dicke 26 im Bereich von etwa 5 bis 50 nm auf, wobei der Bereich von 10 bis 30 nm bevorzugt ist und eine Dicke von etwa 15 nm optimal ist.
  • Eine zweite Sperrschicht 30 wird zwischen das Substrat 12 und die erste Elektrodenschicht 14 eingeschoben, um die Interdiffusion zwischen dem Substrat 12 und den Elektrodenschichten 14 und 18 zu minimieren. Eine zweite Sperrschicht 30 verbessert ebenfalls die Adhäsion zwischen dem Substrat 12 und den Elektrodenschichten 14 und 18. Die zweite Sperrschicht 30 weist eine Dicke 32 im Bereich von etwa 10 bis 100 nm auf. Bevorzugt liegt die Dicke 32 im Bereich von etwa 20 bis 50 nm und unter einigen Aspekten der Erfindung sind 25 nm optimal. Das Material der zweiten Sperrschicht 30 wird ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Ta, TiN, TaN und ternären Nitriden, enthaltend Stickstoff und ein feuerfestes Metall. Typischerweise enthält das ternäre Nitrid ein drittes Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si und Al. Beispielsweise TiSiN, TaSiN und TiAlN.
  • 7 veranschaulicht eine ferroelektrische Vorrichtung von 6 mit einem ferroelektrischen Film. Ein Bleigermanat(PGO)-Film 40 liegt über der ersten Sperrschicht 24. Die ferroelektrische Vorrichtung 10 wird mit geringem Leckstrom und einer Beständigkeit gegenüber Erschöpfung gebildet. Typischerweise liegt der PGO-Film 40 im Bereich von etwa 10 bis 100% Pb5Ge3O11-Phase, wobei die Bildung von kleineren PGO-Kristallkörnern unterstützt wird. Unter einigen Aspekten der Erfindung enthält der PGO-Film 40 eine zweite Pb3GeO5-Phase aus PGO-Material, wobei die Bildung von größeren PGO Kristallkörnern unterstützt wird. Unter einigen Aspekten der Erfindung wird der PGO-Film 40 epitaxial wachsen gelassen, ein c-Achsen Pb5Ge3O11-Phasen PGO-Material. Der PGO-Film 40 weist eine Dicke 42 im Bereich von etwa 50 bis 500 nm auf, wobei 50 bis 300 nm bevorzugt sind und 100 bis 200 nm optimal sind.
  • 8 veranschaulicht eine ferroelektrische Vorrichtung 10, von 7, worin ein Kondensator gebildet wird. Die ferroelektrische Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine leitfähige obere Filmelektrode 50, die über dem PGO-Film 40 liegt. Unter einigen Aspekten der Erfindung umfasst die obere Elektrode 50 weiterhin eine dritte Elektro denschicht 52, die über dem PGO-Film 40 liegt, sowie eine vierte Elektrodenschicht 54, die über der dritten Elektrodenschicht 52 liegt, wobei eine zweite Schichtelektrode gebildet wird zusätzlich zur Schichtelektrode, die durch die Elektrodenschichten 14 und 18 gebildet wird.
  • Wenn eine obere Schichtelektrode gebildet wird, umfasst die ferroelektrische Vorrichtung 10 typischerweise weiterhin eine dritte Sperrschicht 56, die zwischen dem PGO-Film 40 und der dritten Elektrodenschicht 52 eingeschoben wird. Die dritte Sperrschicht 56 verbessert die Grenzfläche zwischen dem PGO-Film 40 und den dritten und vierten Elektrodenschichten 52/54. Die vierte Elektrodenschicht 54 ist Ir, während die dritte Elektrodenschicht 52 Pt darstellt. Bevorzugt stellt die dritte Sperrschicht 56 IrO2 dar.
  • 9 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte in einem Verfahren zum Bilden einer ferroelektrischen Vorrichtung veranschaulicht. Schritt 100 stellt ein Substrat bereit. Schritt 101 bildet eine zweite Sperrschicht, die über dem Substrat liegt. Die zweite Sperre minimiert die Interdiffusion zwischen dem Substrat und den Elektrodenschichten, während die Adhäsion zwischen dem Substrat und den Elektrodenschichten verbessert wird. Das zweite Sperrschichtmaterial ist ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Ta, TiN, TaN und ternären Nitriden, enthaltend Stickstoff, sowie ein feuerfestes Metall. Typischerweise wird das dritte Element der ternären Gruppe ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si und Al. Die zweite Sperrendicke liegt im Bereich von etwa 10 bis 100 nm.
  • Schritt 102 bildet eine erste Elektrodenschicht, die über der zweiten Sperrschicht liegt. Schritt 102 umfasst die Abscheidung von Ir auf eine Dicke im Bereich von etwa 50 bis 200 nm. Schritt 104 bildet eine zweite Elektrodenschicht, die über der ersten Elektrodenschicht liegt. Schritt 104 umfasst die Abscheidung von Pt auf eine Dicke im Bereich von etwa 10 bis 200 nm. Die Schritte 102 und 104 umfassen Abscheiden von Ir und Pt auf eine kombinierte Dicke im Bereich von etwa 100 bis 400 nm. Die Schritte 102 und 104 umfassen die Abscheidung der ersten und zweiten Elektrodenschichten durch Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Elektrodenstrahlverdampfung, CVD, PVD und MOCVD bei einer Temperatur im Bereich von etwa Raumtemperatur bis 500°C.
  • Schritt 106 bildet eine erste Sperrschicht, die über der zweiten Elektrodenschicht liegt. Schritt 106 umfasst das Bilden der ersten Sperrschicht auf eine Dicke im Bereich von etwa 5 bis 50 nm. Schritt 108 ist ein Produkt, eine ferroelektrische Vorrichtung, worin die Sperrschichten die Grenzfläche für nachfolgend abgeschiedene Schichten verbessern und Diffusion von Sauerstoff in die erste und zweite Elektrodenschicht beschränken.
  • Unter einigen Aspekten der Erfindung enthält Schritt 106 das Härten der ersten und zweiten Elektrodenschicht in einer Sauerstoffumgebungsatmosphäre, um ein erstes Sperrschichtoxid zu bilden, das über der zweiten Elektrodenschicht liegt. Alternativ enthält Schritt 106 die Verwendung von Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PVD, CVD und MOCVD, um eine erste Sperrschicht aus IrO2 abzuscheiden.
  • Unter einigen Aspekten der Erfindung folgt Schritt 106 ein weiterer Schritt. Schritt 110 bildet eine PGO-Schicht, die über der ersten Sperrschicht liegt. Schritt 110 enthält die Abscheidung des PGO-Films durch MOCVD-Verfahren bei einer Temperatur im Bereich von etwa 400 bis 550°C sowie eine Dicke im Bereich von etwa 50 bis 500 nm. Unter einigen Aspekten der Erfindung umfasst Schritt 110 den PGO-Film, der im Bereich von etwa 10 bis 100% Pb5Ge3O11-Phase liegt, wobei die Bildung von kleineren PGO-Kristallkörnern unterstützt wird. Unter einigen Aspekten der Erfindung umfasst Schritt 110 den PGO-Film mit einer zweiten Pb3GeO5-Phase aus PGO-Material, wobei die Bildung von größeren PGO-Kristallkörnern unterstützt wird. Die erste und zweite Phase wird abhängig von gewünschten ferroelektrischen und ferroelastischen Charakteristika variiert. Eine große Menge an erster Phase im PGO-Film unterstützt kleinere Polarisationsfelder, so dass die resultierende Vorrichtung in Eintransistorspeichern verwendbar ist. Die Erhöhung der Menge an zweiter Phase lässt den Pr-Wert ansteigen. In einigen Aspekten der Erfindung enthält der Schritt 101 ein epitaxiales Wachsen eines c-Achsen Pb5Ge3O11-Phasen-PGO-Materials. Schritt 110 enthält das Bilden des PGO-Films auf eine Dicke im Bereich von etwa 50 bis 500 nm.
  • Alternative Verfahren liegen vor, um die erste Sperrschicht zu bilden. Schritt 106 umfasst das Bilden von IrO2 bei Vorbereitung auf ein MOCVD-Verfahren in Schritt 110. Das Stabilisierungsverfahren lässt Sauerstoff bei einer Flussgeschwindigkeit im Bereich von etwa 2.000 bis 4.000 sccm bei einem Wachstumskammerdruck von etwa 2,67 bis 26,7 mbar (2 bis 20 Torr) (10 ist bevorzugt) (1 Torr = 1,33 mbar), einer Substrattemperatur im Bereich von etwa 400 bis 550°C für eine Dauer von etwa 5 bis 15 Minuten vorfließen. In dieser Art und Weise wird die erste Sperrschicht in situ gebildet, gerade bevor der PGO-Film abgeschieden wird.
  • Unter einigen Aspekten der Erfindung, wobei ein Kondensator gebildet wird, folgen dem Schritt 110 weitere Schritte. Schritt 112 bildet eine leitfähige obere Filmelektrode, die über dem PGO-Film liegt. Schritt 112 umfasst optional Unterschritte. Schritt 112a bildet eine dritte Pt-Elektrodenschicht, die über dem PGO-Film liegt; und Schritt 112b bildet eine vierte Ir-Elektrodenschicht, die über der dritten Elektrodenschicht liegt, wobei ein ferroelektrischer Kondensator gebildet wird. Wenn eine obere Schichtelektrode in Schritt 112 gebildet wird, folgt Schritt 110 ein weiterer Schritt. Schritt 110a bildet eine dritte Sperrschicht aus IrO2, die über dem PGO-Film liegt, der in Schritt 110 gebildet wird, wobei die Grenzfläche zwischen dem PGO-Film und den dritten und vierten Elektrodenschichten verbessert wird.
  • Alternativ folgt Schritt 112b ein weiterer Schritt. Schritt 114 (nicht gezeigt) härtet die dritten und vierten Elektrodenschichten in einer Sauerstoffumgebungsatmosphäre. In dieser Art und Weise tritt Schritt 110a in situ gleichzeitig mit der Durchführung von Schritt 114 auf. In einer weiteren Alternative tritt Schritt 110a nach Schritt 110 und vor Schritt 112 auf. Dann enthält Schritt 110a das Abscheiden von IrO2 durch Abscheidungsverfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus PVD, CVD und MOCVD. Schritt 116 ist ein Produkt, ein Kondensator mit verbesserten Erschöpfungs- und Leckstromeigenschaften.
  • Die ferroelektrische Struktur der vorliegenden Erfindung ist einfach und ohne Weiteres herzustellen. Die Pt/Ir-Zweifachschicht wird vorteilhafterweise mit einem Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilm verwendet. Gute Adhäsion zum Substrat tritt auf und die Sperreigenschaften im Hinblick auf Sauerstoff und Blei sind gut. Die ferroelektrischen Eigenschaften werden ohne Nachteile für den Leckstrom unter Verwendung dieser Struktur verbessert, weil eine dünne IrO2-Schicht in situ während des MOCVD-Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilmverfahrens gebildet wird. Unter Verwendung einer Pt/Ir-Elektrode ist eine relativ niedrige MOCVD-Verarbeitungstemperatur erforderlich, um einen c-achsenorientierten Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilm zu erreichen. Der Temperaturbereich des c-achsenorientiertem MOCVD-Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilms auf Pt/Ir beträgt 400 bis 500°C. Weiterhin wird eine relativ große Nukleierungsdichte erhalten, verglichen mit der Verwendung einer einschichtigen Iridiumelektrode. Daher weist der Bleigermanat(Pb5Ge3O11)-Dünnfilm eine glatte Oberfläche, homogene Mikrostruktur und homogene ferroelektrische Eigenschaften auf.
  • Weiterhin kann Hügelbildung unterdrückt werden, wenn eine Pt/Ir-Elektrode mit einem PGO-Film verwendet wird. Der Flächenwiderstand ist relativ gering, verglichen mit Einoxidschichtbodenelektroden und Oxid/Platinelektroden. Schließlich ist die Flächenwiderstandsänderung für diese Mehrschichtelektrode während dem Härten relativ klein, verglichen mit einzelnen Platin- und einzelnen Iridiumelektroden.
  • Die oben erwähnte ferroelektrische Struktur ist zur Herstellung von nichtflüchtigen Speichern, wie Metall-ferroelektrisch-Metall-Oxid-Silicium (MFMOS), Metall-ferroelektrisch-Metallsilicium (MFMS), Metall-ferroelektrisch-Metall-Isolator-Silicium (MFMIS), Transistoren, Kondensatoren, pyroelektrischen Infrarotsensoren, optischen Anzeigen, optischen Schaltern, piezoelektrischen Transduktoren und oberflächenakustischen Wellen (surface acoustic wave, SAW)-Vorrichtungen verwendbar. Andere Variationen und Ausführungsformen sind dem Fachmann im Stand der Technik offensichtlich.

Claims (36)

  1. Ferroelektrische Vorrichtung (10), umfassend: ein Substrat (12); eine erste Elektrodenschicht (14), enthaltend Ir, die über dem Substrat (12) liegt; eine zweite Elektrodenschicht (18), enthaltend Pt, die über der ersten Elektrodenschicht (14) liegt; eine erste Sperrschicht (24), die über der zweiten Elektrodenschicht (18) liegt, die sich zwischen der zweiten Elektrodenschicht (18) und einem ferroelektrischen Film erstreckt; und eine zweite Sperrschicht (30), eingeschoben zwischen dem Substrat (12) und der ersten Elektrodenschicht (14), wobei das Material der zweiten Sperrschicht (30) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ta, TaN und ternären Nitriden, enthaltend Stickstoff und ein feuerfestes Metall.
  2. Ferroelektrische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Blei-Germanat-(PGO)-Film (40), der über der ersten Sperrschicht (24) liegt.
  3. Ferroelektrische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die zweite Sperrschicht (30) eine Dicke im Bereich von 10 bis 100 nm aufweist.
  4. Ferroelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, worin ein Kondensator gebildet wird, weiterhin umfassend: eine leitende obere Filmelektrode, die über dem PGO-Film liegt.
  5. Ferroelektrische Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die obere Elektrode weiterhin umfasst: eine dritte Elektrodenschicht aus Pt, die über dem PGO-Film liegt; und eine vierte Elektrodenschicht aus Ir, die über der dritten Elektrodenschicht liegt, wodurch eine zweite Schichtelektrode gebildet wird.
  6. Ferroelektrische Vorrichtung nach Anspruch 5, weiterhin umfassend: eine dritte Sperrschicht aus IrO2, eingeschoben zwischen den PGO-Film und die dritte Elektrodenschicht, wodurch die Grenzfläche zwischen dem PGO-Film und der dritten und vierten Elektrodenschicht verbessert wird.
  7. Ferroelektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das erste Sperrmaterial IrO2 darstellt.
  8. Ferroelektrische Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, worin der PGO-Film im Bereich von 10 bis 100% Pb5Ge3O11-Phase darstellt, wodurch die Bildung kleinerer PGO-Kristallkörnern gefördert wird.
  9. Ferroelektrische Vorrichtung nach Anspruch 8, worin der PGO-Film eine zweite Pb3GeO5-Phase des PGO-Materials enthält, wodurch die Bildung größerer PGO-Kristallkörner gefördert wird.
  10. Ferroelektrische Vorrichtung nach Anspruch 8, worin der PGO-Film epitaxial gewachsenes c-Achsen-Pb5Ge3O11-Phasen-PGO-Material darstellt.
  11. Ferroelektrische Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, worin der PGO-Film eine Dicke im Bereich von 50 bis 500 nm aufweist.
  12. Ferroelektrische Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe von Materialien, bestehend aus Silicium-, Polysilicium-, Siliciumdioxid- und Silicium-Germanium-Verbindungen.
  13. Ferroelektrische Vorrichtung (10) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die erste Elektrodenschicht (14) eine Dicke im Bereich von 50 bis 200 nm aufweist, und worin die zweite Elektrodenschicht (18) eine Dicke im Bereich von 10 bis 200 nm aufweist.
  14. Ferroelektrische Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, worin die erste Elektrode (14) und die zweite Elektrode (18) eine kombinierte Dicke im Bereich von 100 bis 400 nm aufweisen.
  15. Ferroelektrische Vorrichtung (10) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die erste Sperrschicht (24) eine Dicke im Bereich von 5 bis 50 nm aufweist.
  16. Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Vorrichtung (10) auf einem Substrat (12), umfassend die Schritte: a) Bilden einer zweiten Sperrschicht (30), die über dem Substrat (12) liegt; b) Bilden einer ersten Elektrodenschicht (14), enthaltend Ir, die über der zweiten Sperrschicht (30) liegt; c) Bilden einer zweiten Elektrodenschicht (18), enthaltend Pt, die über der ersten Elektrodenschicht (14) liegt; und d) Bilden einer ersten Sperrschicht (24), die über der zweiten Elektrodenschicht (18) liegt, wobei die erste Sperrschicht (24) die Grenzfläche zu nachfolgend abgeschiedenen Schichten verbessert und die Diffusion von Sauerstoff in die erste und zweite Elektrodenschicht begrenzt, wobei Schritt a) umfasst, dass das Material der zweiten Sperrschicht (30) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ta, TaN und ternären Nitriden, enthaltend Stickstoff und ein feuerfestes Metall.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, worin die Dicke der zweiten Sperre (30) im Bereich von 10 bis 100 nm liegt.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, worin Schritt d) das Härten der ersten und zweiten Elektrodenschicht in einer Sauerstoffumgebungsatmosphäre umfasst, um das erste Sperrschichtoxid, das über der zweiten Elektrodenschicht liegt, zu bilden.
  19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, worin Schritt d) die Verwendung von Verfahren umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus PVD, CVD und MOCVD, um die erste Sperrschicht aus IrO2 abzuscheiden.
  20. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 19, worin Schritt b) die Abscheidung von Ir bis zu einer Dicke im Bereich von 50 bis 200 nm umfasst.
  21. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 20, worin Schritt c) die Abscheidung von Pt bis zu einer Dicke im Bereich von 10 bis 200 nm umfasst.
  22. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 20, worin die Schritte b) und c) die Abscheidung von Ir und Pt bis zu einer kombinierten Dicke im Bereich von 100 bis 400 nm umfassen.
  23. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 22, worin die Schritte b) und c) die Abscheidung der ersten (14) und zweiten Elektrodenschicht (18) durch Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Elektronenstrahlverdampfung, CVD, PVD und MOCVD bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 500°C umfassen.
  24. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 23, worin Schritt d) die Bildung der ersten Sperrschicht bis zu einer Dicke im Bereich von 5 bis 50 nm umfasst.
  25. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 24, umfassend einen weiteren Schritt, folgend auf Schritt d): e) Bilden eines PGO-Films, der über der ersten Sperrschicht liegt.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, worin Schritt e) die Abscheidung eines PGO-Films (40) durch MOCVD-Verfahren bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 550°C und bis zu einer Dicke im Bereich von 50 bis 500 nm umfasst.
  27. Verfahren nach Anspruch 25, worin Schritt e) den PGO-Film (40) im Bereich von 10 bis 100% Pb5Ge3O11-Phase enthält, wodurch die Bildung kleinerer PGO-Kristallkörnern gefördert wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 25, worin Schritt e) den PGO-Film mit einer zweiten Pb3GeO5-Phase des PGO-Materials enthält, wodurch die Bildung größerer PGO-Kristallkörner gefördert wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 25, worin Schritt e) das epitaxiale Wachsenlassen von c-Achsen-Pb5Ge3O11-Phasen-PGO-Material umfasst.
  30. Verfahren nach Anspruch 25, worin Schritt e) die Bildung des PGO-Films mit einer Dicke im Bereich von 50 bis 500 nm umfasst.
  31. Verfahren nach Anspruch 25, worin Schritt d) die Bildung von IrO2 zur Vorbereitung des MOCVD-Verfahrens in Schritt e) umfasst, durch Vorfluten von Sauerstoff mit einer Flussrate im Bereich von 2000 bis 4000 sccm (Standardkubikzentimeter) bei einem Druck von 2 bis 20 torr (2,67-26,7 mbar), einer Substratemperatur im Bereich von 400 bis 550°C für eine Zeitdauer von 5 bis 15 Minuten, wodurch die erste Sperrschicht in situ gebildet wird.
  32. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 25 bis 31, worin ein Kondensator gebildet wird, umfassend einen weiteren Schritt, folgend auf Schritt e): f) Bilden einer leitfähigen oberen Filmelektrode, die über dem PGO-Film liegt.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, worin Schritt f) die Unterschritte umfasst: 1) Bilden einer dritten Pt-Elektrodenschicht, die über dem PGO-Film liegt; und 2) Bilden einer vierten Ir-Elektrodenschicht, die über der dritten Elektrodenschicht liegt, wodurch ein ferroelektrischer Kondensator gebildet wird.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, umfassend den weiteren Schritt, folgend auf Schritt e): e1) Bilden einer dritten Sperrschicht aus IrO2, die über dem in Schritt e) gebildeten PGO-Film liegt, wodurch die Grenzfläche zwischen dem PGO-Film und der dritten und vierten Elektrodenschicht verbessert wird.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, umfassend einen weiteren Schritt, folgend auf Schritt f): g) Härten der dritten und vierten Elektrodenschicht in einer Sauerstoffumgebungsatmosphäre; und worin Schritt e1) gleichzeitig, in situ, mit der Durchführung von Schritt g) auftritt.
  36. Verfahren nach Anspruch 34, worin Schritt e1) nach Schritt e) und vor Schritt f) auftritt, und worin Schritt e1) die Abscheidung von IrO2 durch Abscheidungsverfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus PVD, CVD und MOCVD, umfasst.
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