DE60217610T2 - Elektronische Anordnung mit einer Elektrode und ihre Herstellung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung mit einer ferroelektrischen Schicht und ein Verfahren zum Herstellen derselben, genauer eine elektronische Vorrichtung mit einer kristallographisch orientierten, ferroelektrischen Schicht und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
  • Vorrichtungen mit kristallographisch orientierten, ferroelektrischen Schichten sind bekannt. Zum Beispiel offenbart US 5,514,484 eine Vorrichtung mit einer ferroelektrischen Schicht vom ABO3-Perovskittyp, die auf einer orientierten Pufferschicht ausgebildet ist, die auch eine Perovskitstruktur aufweist.
  • Im Stand der Technik ist ein Halbleiterspeicher bekannt, bei dem eine Speicherzelle einen Transistor und einen Kondensator enthält. Ein Kondensator eines dynamischen Direktzugriffspeichers [Dynamic Random Access Memory (DRAM)] enthält eine dielektrische Kondensatorschicht, die aus einem paraelektrischen Material ausgebildet ist. Elektrische Ladungen, die in dem Kondensator gespeichert sind, nehmen aufgrund von Entladung allmählich ab, selbst wenn der Transistor ausgeschaltet ist. Folglich verursacht ein Entfernen einer an die Speicherzelle angelegten Spannung, dass darin gespeicherte Information sich auf Dauer vermindert und verschwindet.
  • Eine Speichervorrichtung, die in der Lage ist, darin gespeicherte Information zu bewahren, selbst nachdem der Strom abgeschaltet ist, wird nicht-flüchtiger Speicher genannt. Ein bekannter Typ eines nicht-flüchtigen Speichers, ein Speicher vom ein-Transistor/ein-Kondensator-Typ weist eine dielektrische Kondensatorschicht auf, die aus einem ferroelektrischen Material ausgebildet ist und wird als ein ferroelektrischer Direktzugriffspeicher [Ferroelectric Random Access Memory (FeRAM)] bezeichnet.
  • Der FeRAM nutzt verbleibende Polarisierung des ferroelektrischen Materials, um Information darin zu speichern. Der FeRAM steuert die Polarität einer zwischen einem Elektrodenpaar des ferroelektrischen Kondensators angelegten Spannung, wodurch die Richtung der verbleibenden Polarisierung gesteuert wird. Wenn man annimmt, dass eine Polarisierungsrichtung "1" ist und die andere "0", kann binäre Information gespeichert werden. Da die verbleibende Polarisierung in dem ferroelektrischen Kondensator verbleibt, selbst nachdem die angelegte Spannung davon entfernt ist, kann auf den nichtflüchtigen Speicher erneut zugegriffen werden. Der nichtflüchtige Speicher ermöglicht es, dass Information sehr oft wieder beschrieben werden kann, d. h. 1010 bis 1012 Mal. Der nicht-flüchtige Speicher weist auch eine Wiederbeschreibgeschwindigkeit in einer Größenordnung von einigen Zehn Nanosekunden auf und bietet eine Funktionsfähigkeit mit hoher Geschwindigkeit.
  • Ferroelektrische Materialien, wie beispielsweise auf Blei beruhende ferroelektrische Oxidmaterialien mit einer Perovskitstruktur und auf Wismut beruhende ferroelektrische Oxidmaterialien mit einer Wismut-Schichtstruktur, sind bekannt. Typische Beispiele der auf Blei beruhenden ferroelektrischen Materialien sind PbZrxTi1-xO3 (PZT), PbyLa1-yZrxTi1-xO3 (PLZT) und dergleichen. Ein typisches Beispiel eines auf Wismut beruhenden ferroelektrischen Materials ist SrBi2Ta2O9 (BST).
  • Der ferroelektrische Kondensator bietet eine größere Ladungserhaltungsfähigkeit wenn die Polarisierung des ferroelektrischen Materials größer ist, und kann das elektrische Potential mit weniger Kapazität aufrechterhalten. Speziell der FeRAM kann mit einer hohen Integration hergestellt wer den. Des Weiteren können, wenn das Niveau der Polarisierung des ferroelektrischen Materials größer ist, die Polarisierungsrichtungen selbst bei einer niedrigen Auslesespannung klarer unterschieden werden, was es ermöglicht, dass der ferroelektrische Speicher bei einer niedrigen Spannung betrieben wird.
  • Es ist effektiv, die Orientierungen von ferroelektrischen Kristallen einheitlich auszurichten, um einen Polarisationswert des ferroelektrischen Materials zu erhöhen. Zum Beispiel offenbart das Journal of Applied Physics 1991, Band 70, Nr. 1 auf Seiten 382 bis 388 ein Verfahren zum Erhalten eines (111)-orientierten ferroelektrischen Dünnfilms, bei dem Metalldünnfilme, die aus Metallen wie beispielsweise Platin (Pt) und Iridium (Ir) ausgebildet sind, bei 500°C abgeschieden werden, um einen (111)-orientierten Metalldünnfilm zu erhalten, und darauf wird ein ferroelektrischer Dünnfilm, wie beispielsweise PZT, bei Raumtemperatur abgeschieden, gefolgt von Erwärmen des abgeschiedenen ferroelektrischen Dünnfilms auf einen Bereich von 650°C bis 700°C. Die für ein Verfahren zum Herstellen des FeRAM zulässige Höchsttemperatur beträgt jedoch üblicherweise 620°C.
  • Ein ferroelektrisches Material, wie beispielsweise PZT, mit einer einfachen tetragonalen Perovskitstruktur, weist eine Polarisierungsachse entlang der C-Achse auf, <100>-Richtung. Infolgedessen liegt der Polarisationswert bei einem Maximum, wenn die ferroelektrische Schicht annähernd entlang einer (001)-Ebene orientiert ist (nachfolgend als (001)-orientiert bezeichnet). Wenn die ferroelektrische Schicht (111)-orientiert ist, beträgt eine Komponente der in der <100>-Richtung erzeugten Polarisierung nur etwa 1/1,73 von jener in <111>-Richtung, der Dickenrichtung der ferroelektrischen Schicht. Obwohl die Polarisierung durch Ausrichten der Orien tierung vergrößert werden kann, ist es unmöglich, die Polarisierung zu dem Maximum zu vergrößern.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Vorrichtung mit einer ferroelektrischen Schicht zur Verfügung zu stellen, die ein großes Ausmaß an Polarisierung aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die enthält: einen Grundkörper, der eine amorphe Schicht und eine MgO-Schicht enthält, wobei die MgO-Schicht auf der amorphen Schicht ausgebildet ist und eine (001)-orientierte Oberfläche aufweist; eine ReO3-Schicht, die auf der MgO-Schicht ausgebildet ist und eine (001)-Orientierung aufweist; und eine ferroelektrische Oxidschicht mit einer Perovskitstruktur, wobei die ferroelektrische Oxidschicht auf der ReO3-Schicht ausgebildet ist und eine (001)-Orientierung aufweist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Vorrichtung zur Verfügung gestellt, das die aufeinanderfolgenden Schritte enthält: (1) Herstellen einer amorphen Schicht; (2) Ausbilden einer MgO-Schicht mit einer (001)-Orientierung auf der amorphen Schicht; (3) Ausbilden einer ReO3-Schicht mit einer (001)-Orientierung auf der MgO-Schicht; und (4) Ausbilden einer ferroelektrischen Oxidschicht mit einer Perovskitstruktur und einer (001)-Orientierung auf der ReO3-Schicht.
  • Gitteranpassung kann für die (001)-orientierte ReO3-Schicht und die (001)-orientierte ferroelektrische Oxidschicht mit einer Perovskitstruktur durchgeführt werden; folglich kann die (001)-orientierte ferroelektrische Oxidschicht mit einer Perovskitstruktur auf der (001)-orientierten ReO3-Schicht ausgebildet werden.
  • Die MgO-Schicht kann mit Leichtigkeit (001)-orientiert sein. Gitteranpassung kann sowohl für die (001)-orientierte MgO-Schicht als auch die (001)-orientierte ReO3-Schicht durchgeführt werden. Folglich können die (001)-orientierte ReO3-Schicht und die (001)-orientierte ferroelektrische Oxidschicht mit einer Perovskitstruktur nacheinander auf der (001)-orientierten MgO-Schicht ausgebildet werden.
  • Der hier verwendete Ausdruck "ReO3-Schicht" schließt ReO3 ein, zu dem von Re verschiedenes Metall zugegeben ist, zum Beispiel zum Steuern ihre Gitterkonstante.
  • Auf eine solche, wie oben beschriebene Weise ist es möglich, einen ferroelektrischen Kondensator mit größeren Niveaus an Polarisierung auszubilden.
  • Nachfolgend wird Bezug genommen auf die Zeichnungen, bei denen:
  • 1A eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung ist; 1B ein schematisches Blockdiagramm ist, das eine Anordnung einer Vorrichtung für metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) zeigt; 1C eine schematische Querschnittsdarstellung ist, die eine obere Elektrode der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung zeigt, wenn eine Schichtstruktur angewandt wird; und 1D eine schematische Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung ist, wenn eine MgO-Einkristallschicht verwendet wird;
  • 2A und 2B Strukturdarstellungen sind, die die chemischen Formeln von Mg(DPM)2 und i-PrO zeigen.
  • 3A und 3B Querschnittsdarstellungen einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung mit einem ferroelektrischen Kondensator sind.
  • 1A zeigt die Struktur eines ferroelektrischen Kondensators gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Siliciumoxidschicht 11 ist auf einem Si-Sub strat 10 ausgebildet. Die Siliciumoxidschicht 11 kann zum Beispiel durch thermische Oxidation von Silicium oder chemische Dampfabscheidung (CVD) ausgebildet sein. Die Siliciumoxidschicht 11 weist einen amorphen Charakter auf. Eine (001)-orientierte MgO-Schicht 12 ist auf der Siliciumoxidschicht 11 ausgebildet, eine (001)-orientierte ReO3-Schicht 13 ist auf der MgO-Schicht 12 ausgebildet, eine (001)-orientierte PZT-Schicht 14 ist auf der ReO3-Schicht 13 ausgebildet. Alle vorerwähnten Schichten 12, 13 und 14 können durch metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) unter Verwenden eines metallorganischen Materials abgeschieden sein.
  • 1B zeigt schematisch eine Anordnung einer Vorrichtung zum Abscheiden eines Films mittels MOCVD. Ein Flüssigkeitsbehälter 21-1 enthält eine Lösung des abzuscheidenden metallorganischen Materials. Unter Druck stehendes He-Gas wird über eine Leitung, die oberhalb der Lösung endet, dem Flüssigkeitsbehälter 21-1 zugeführt. Eine zweite Leitung 22-1 weist einen Endabschnitt auf, der in die Lösung eintaucht, um es der der Lösung zu ermöglichen, in den Behälter 21-1 zu fließen. Die Fließgeschwindigkeit der zugeführten Lösung wird durch einen Massendurchflussregler (MDR) 24-1 gesteuert, und die Lösung wird durch eine Leitung 25-1 einem Verdampfer 27-1 zugeführt.
  • Eine Trägergasleitung 26 ist mit dem Verdampfer 27-1 verbunden. Die Ausgangsmateriallösung, die zusammen mit N2-Trägergas dem Verdampfer 27-1 zugeführt wird, wird durch den Verdampfer 27-1 verdampft und einer Leitung 28-1 zugeführt.
  • Ein Flüssigkeitsbehälter 21-2, eine Leitung 22-2, ein Massendurchflussregler 24-2, eine Leitung 25-2, ein Verdampfer 27-2 und eine Leitung 28-2 weisen ähnliche Strukturen auf wie jene des Flüssigkeitsbehälters 21-1, der Leitung 22-1, des Massendurchflussreglers 24-1, der Leitung 25-1, des Ver dampfers 27-1 bzw. der Leitung 28-1, die oben beschrieben sind. Des Weiteren kann irgendeine Anzahl an ähnlichen Ausgangsmaterialzufuhrsystemen vorgesehen sein.
  • Der Verdampfer 27-1 kann mit weiteren Flüssigkeitssystemen verbunden sein, die Ausgangsmaterial enthalten und die ähnliche Strukturen aufweisen können wie jene des Flüssigkeitsbehälters 21-1, der Leitung 22-1, des Massendurchflussreglers 24-1 und der Leitung 25-1. Es können auch weitere Verdampfer mit irgendeiner Anzahl von den Ausgangsmaterialflüssigkeitszufuhrsystemen vorgesehen sein.
  • Eine Reaktionskammer 30 weist Ausgangsmaterialleitungen, wie beispielsweise eine Gasleitung 29 und Ausgangsmaterialflüssigkeitsleitungen 28-1, 28-2 ... auf, und kann Ausgangsmaterialgas von einem Duschkopf 32 zuführen. Ein Suszeptor 34, der die Temperatur steuern kann, ist bei einem unteren Abschnitt der Reaktionskammer 30 angeordnet. Ein Substrat 35, das zum Beispiel aus einer Siliciumbasisschicht gebildet ist, die mit einer Siliciumoxidschicht versehen ist, ist auf dem Suszeptor 34 angeordnet.
  • Die oben beschriebene Ausführungsform ist nicht auf Mehrfachzufuhrsysteme beschränkt und es kann ein Einfachsystem angewandt werden. Des Weiteren kann auch eine Mehrzahl an Reaktionskammern vorgesehen sein.
  • In Bezug auf ein in den Flüssigkeitsbehältern enthaltenes metallorganisches Material, zum Beispiel ein Mg-Ausgangsmaterial, kann durch Lösen von Mg(DPM)2 (wobei DPM Dipivaloilmethanat ist) in Tetrahydrofuran (THF) eine Lösung erhalten werden.
  • 2A ist eine chemische Formel, die die chemische Struktur von Mg(DPM)2 zeigt. Dipivaloilmethanat (DPM) ist über ein Sauerstoffatom an jede Seite eines Mg-Atoms gebunden. DPM ist monovalent, bildet aber eine Koordinationsbin dung über seine Carbonylgruppe aus, um ein Chelat mit dem Mg-Atom auszubilden.
  • n DPMs können an ein n-bindiges Atom gebunden sein, so dass in diesem Fall an jedes Mg zwei DPMs gebunden sind. Wenn ein Re-Material verwendet wird, dann kann eine Lösung erhalten werden durch Lösen von Re(DPM)2 in THF. Die chemische Struktur von Re(DPM)2 entspricht jener von Mg(DPM)2, wie sie in 2A gezeigt ist.
  • Wenn ein Pb-Material verwendet wird, dann kann eine Lösung erhalten werden durch Lösen von Pb(DPM)2 in THF. Die Struktur von Pb(DPM)2 entspricht jener von Mg(DPM)2, wie sie in 2A gezeigt ist.
  • Wenn ein Zr-Material verwendet wird, dann kann eine Lösung erhalten werden durch Lösen von Zr(DPM)4 in THF. Zr(DPM)4 weist im Vergleich zu den vorerwähnten Chelaten eine andere Struktur auf, bei der vier DPMs um ein Zr-Atom gebunden sind.
  • Wenn ein Ti-Material verwendet wird, dann kann eine Lösung erhalten werden durch Lösen von Ti(i-PrO)2(DPM)2 (wobei i-PrO eine iso-Propoxygruppe ist) in THF. Die Struktur von Ti(i-PrO)2(DPM)2 entspricht jener von Mg(DPM)2, wie sie in 2A gezeigt ist, wobei aber auch zwei iso-Propoxygruppen an Ti gebunden sind, wie in 2B gezeigt ist. Es ist zu beachten, dass das metallorganische Material nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
  • Um die in 1A gezeigte MgO-Schicht 12 abzuscheiden, wird unter Druck stehendes Heliumgas (He) den Flüssigkeitsbehältern 21 zugeführt, die die Lösung enthalten, die durch Lösen von Mg(DPM)2 in THF erhalten wird. Die Lösung wird durch ihr Leiten durch den Verdampfer 27 bei 260°C verdampft und in das Trägergas N2 eingetragen.
  • Das Mg-Ausgangsmaterial wird durch die Leitungen 28 zu dem Duschkopf 32 mittels eines N2-Trägergases geführt und über den Siliciumoxidfilm des Substrats 35 befördert, zusammen mit aus der Leitung 29 zugeführtem O2-Gas. Der Siliciumoxidfilm wird dann auf 560°C erwärmt, wodurch er das vorhandene metallorganische Gas zersetzt. Das zersetzte Gas verbindet sich mit dem Sauerstoff, wodurch sich MgO niederschlägt und eine (001)-orientierte MgO-Schicht ausbildet, die auf dem Siliciumoxidfilm abgeschieden ist. Die Dicke der (001)-orientierten MgO-Schicht wird zum Beispiel in einem Bereich von 50 bis 100 nm eingestellt.
  • Die Temperatur ist nicht auf 560°C beschränkt. Die Zersetzung des metallorganischen Gases wird bevorzugt mit einer Substrattemperatur von 620°C oder niedriger ausgeführt, die Temperaturkompatibilitäten mit anderen Herstellungsschritten bei der Herstellung der FeRAM-Vorrichtung ermöglichen kann.
  • Um die ReO3-Schicht 13 auf der (001)-orientierten MgO-Schicht 12 abzuscheiden, wird das flüssige Ausgangsmaterial, das durch Lösen von Re(DPM)2 in THF erhältlich ist, das in den Flüssigkeitsbehältern 21 enthalten ist, auf die gleiche Weise wie bei dem oben beschriebenen Vorgang mittels eines Trägergases dem Duschkopf 32 zugeführt. Dem Duschkopf 32 wird O2-Gas, Mischgas aus O2-Gas und N2-Gas oder dergleichen zugeführt. Weitere gemischte O2-Gase können O2/Ar, O2/He und O2/N2O einschließen.
  • Das Substrat 35 mit der darauf ausgebildeten (001)-orientierten MgO-Schicht 12 wird mittels des Suszeptors 34 bei einer konstanten Temperatur von 560°C gehalten. Das Ausgangsmaterialgas wird zu der erwärmten (001)-orientierten MgO-Schicht 12 geführt, wodurch eine (001)-orientierte ReO3-Schicht 13 darauf abgeschieden wird. Die Dicke der (001)-orientierten ReO3-Schicht kann zum Beispiel in einem Bereich von 20 bis 50 nm eingestellt werden.
  • Nachdem die (001)-orientierte ReO3-Schicht 13 abgeschieden ist, wird darauf die PZT-Schicht 14 abgeschieden. In Bezug auf das PZT wird die Pb-Lösung durch Lösen von Pb(DPM)2 in THF erhalten, wird die Zr-Lösung durch Lösen von Zr(DPM)4 in THF erhalten, und wird die Ti-Lösung durch Lösen von Ti(i-PrO)2(DPM)2 in THF erhalten. Unter Druck stehendes Heliumgas wird in drei Flüssigkeitsbehälter geleitet, die diese flüssigen Ausgangsmaterialien enthalten, und die flüssigen Ausgangsmaterialien werden durch einen oder drei Verdampfer verdampft und dem Duschkopf 32 zugeführt.
  • Die Substrattemperatur wird bei 560°C gehalten und gasförmiges Pb(DPM)2, Zr(DPM)4 und Ti(i-PrO)2(DPM)2 werden zusammen mit Sauerstoff gleichzeitig über das Substrat geblasen; als ein Ergebnis davon wird die Pb(Zr,Ti)O3-Schicht [(PZT)-Schicht] 14 auf der (001)-orientierten ReO3-Schicht 13 abgeschieden. Auch die abgeschiedene PZT-Schicht 14 weist eine (001)-Orientierung auf. Die Dicke der (001)-orientierten PZT-Schicht 14 kann zum Beispiel in einem Bereich von 80 bis 150 nm eingestellt werden.
  • Es können auch andere ferroelektrische Oxidmaterialien mit einer Perovskitstruktur verwendet werden. Es können zum Beispiel PbyLa1-yZrxTi1-xO3 (PLZT), Pb1-a-b-cLaaSrbCacZr1-xTixO3 (PLSCZT) und dergleichen verwendet werden.
  • Wie oben beschrieben ist, wird eine MgO-Schicht auf einer amorphen Siliciumoxidschicht 11 durch MOCVD abgeschieden, um eine (001)-orientierte MgO-Schicht 12 zu erhalten. Auf der (001)-orientierten MgO-Schicht 12 kann eine ReO3-Schicht 13 abgeschieden werden, die in Übereinstimmung mit der Orientierung der darunter liegenden Schicht, d. h. der MgO-Schicht 12, (001)-orientiert ist. Des Weiteren kann die PZT-Schicht 14 auf der (001)-orientierten ReO3-Schicht 13 abgeschieden werden, wobei die PZT-Schicht 14 in Übereinstimmung mit der Orientierung der darunterliegenden Schichten, d. h. der MgO-Schicht 12 und der ReO3-Schicht 13, (001)-orientiert ist.
  • Es wird eine obere Elektrode 15 auf der PZT-Schicht 14 ausgebildet. Die obere Elektrode 15 braucht nicht (001)-orientiert zu sein und kann aus einem der verschiedenen bekannten Elektrodenmaterialien ausgebildet sein, unabhängig von der Orientierung der ferroelektrischen Schicht. Zum Beispiel kann eine IrO2-Schicht durch MOCVD abgeschieden werden, wobei in diesem Fall eine Ir-Lösung verwendet wird, die durch Lösen von Ir(DPM)3 in THF erhalten wird. Das Verfahren zum Verdampfen des Materials ist ähnlich wie jenes oben beschriebene. Die Substrattemperatur wird bei 560°C gehalten, und es wird z. B. Ir(DPM)3-Gas und Sauerstoff gleichzeitig darüber geblasen, was es ermöglicht, dass die obere IrO2-Elektrode 15 oder die IrO2-Schicht auf der PZT-Schicht 14 abgeschieden wird. Die Dicke der IrO2-Schicht 15 kann zum Beispiel in einem Bereich von 100 bis 150 nm eingestellt werden.
  • Wie in 1C gezeigt ist, kann für die obere Elektrode eine übereinander angeordnete Schicht 15 verwendet werden, die durch übereinander Anordnen einer IrO2-Schicht 15-1 und einer SrRuO3-Schicht 15-2 erhalten wird. Es können auch von MOCVD verschiedene Abscheidungsverfahren verwendet werden. Zum Beispiel kann die IrO2-Schicht 15-1 durch Sputtern unter Verwenden eines IrO2-Targets abgeschieden werden. In diesem Fall wird das Substrat bei einer Raumtemperatur gehalten, und das Target wird durch Verwendung von Ar-Gas unter einem Vakuum von 3 × 10–4 Torr gesputtert. Die Dicke der IrO2-Schicht 15-1 kann zum Beispiel in einen Bereich von 100 bis 150 nm eingestellt werden.
  • Die SrRuO3-Schicht 15-2, die auf der IrO2-Schicht 15-1 abgeschieden ist, kann ebenfalls durch Sputtern abgeschieden werden. SrRuO3 wird als ein Target verwendet, das Substrat wird bei einer Raumtemperatur gehalten, das Vakuum wird auf 3 × 10–4 Torr unter Ar-Gas eingestellt. Das Target wird unter den oben beschriebenen Bedingungen gesputtert und somit wird die SrRuO3-Schicht 15-2 abgeschieden. Die Dicke der SrRuO3-Schicht 15-2 kann zum Beispiel in einem Bereich von 10 bis 30 nm eingestellt werden.
  • Ein als eine Elektrode verwendete Metallschicht kann effektiv verwendet werden, so lange ihr elektrischer Widerstand 10–5 Ω·m oder kleiner ist. ReO3 zeigt in Anwesenheit einer kleinen Menge eines weiteren Metalls einen elektrischen Widerstand in einer Größenordnung von 10–6 Ω·m bei 300°K. Folglich kann ReO3 mit weiteren Metallverunreinigungen noch effektiv als eine solche Elektrode für den ferroelektrischen Kondensator verwendet werden.
  • 1D zeigt den Fall, bei dem eine ReO3-Schicht 13 und eine ferroelektrische Schicht 14 mit einer Perovskitstruktur in dieser Reihenfolge epitaktisch auf einer MgO-Einkristallschicht 12 mit einer (001)-Ebene gewachsen sind, wobei eine obere Elektrode 15 auf der ferroelektrischen Schicht 14 ausgebildet ist.
  • Des Weiteren ist es möglich, die (001)-orientierte MgO-Schicht 12, ReO3-Schicht 13 bzw. ferroelektrische Schicht 14 an Stelle der Verwendung von chemischer Dampfabscheidung (CVD) unter Verwendung der metallorganischen Ausgangsmaterialien, mit CVD unter Verwendung anderer Ausgangsmaterialien abzuscheiden. In ähnlicher Weise ist es möglich, die oben erwähnten (001)-orientierten Schichten durch Sputtern abzuscheiden.
  • Die ferroelektrische Schicht 14 ist (001)-orientiert, was es ermöglicht, dass die durch eine angelegte Spannung verursachte Polarisierung senkrecht zu der Elektrodenoberfläche angeordnet ist, wodurch die Polarisierung der ferroelektrischen Schicht auf eine effiziente Weise verwendet wird.
  • 3A und 3B zeigen Beispiele von Anordnungen elektronischer Vorrichtungen, die jeweils den vorstehend beschriebenen ferroelektrischen Kondensator verwenden.
  • 3A zeigt ein Beispiel, bei dem Elektroden (nachfolgend als Verlängerungselektroden bezeichnet) sich aus der oberen und unteren Oberfläche eines ferroelektrischen Kondensators erstrecken. Ein Elementisolierbereich 40 ist auf einer Oberfläche eines Si-Substrats 10 durch Shallow Trench Isolierung (STI) ausgebildet. Zwei Metalloxidhalbleiter-Transistoren (MOS-Transistoren) sind in einem aktiven Bereich ausgebildet, der durch den Elementisolierbereich 40 definiert ist. Die zwei MOS-Transistoren haben einen gemeinsamen Source/Drain-Bereich 46 und weitere getrennte Source/Drain-Bereiche 45 auf beiden Seiten, die mit den jeweiligen ferroelektrischen Kondensatoren verbunden sind.
  • Eine isolierte Gate-Elektrode, die aus einem Gate-Isolierfilm 41, einer polykristallinen Gate-Elektrode 42 und einer Silicid-Gate-Elektrode 43 ausgebildet ist, ist entlang von Verbindungskanälen zwischen den Source/Drain-Bereichen angeordnet. Ein Seitenabstandsstück 44 ist auf einer Seitenwand der isolierten Gate-Elektrode 43 ausgebildet. Eine amorphe Isolierschicht 11 aus Siliciumoxid oder dergleichen ist über Oberflächen ausgebildet, bei denen die Halbleitervorrichtungen angeordnet sind. Des Weiteren ist eine (001)-orientierte MgO-Schicht 12 auf einer Oberfläche der amorphen Isolierschicht 11 ausgebildet.
  • Um eine Verlängerungselektrode für jeden der Source/Drain-Bereiche 45 auszubilden, ist ein Kontaktloch durch die MgO-Schicht 12 und durch die amorphe Isolierschicht 11 ausgebildet. Ein Verlängerungsstecker, der zum Beispiel aus einem Sperrmetall 48 und einem Wolframstecker 49 (Wolfram = W) gebildet ist, ist in dem Kontaktloch ausgebildet. Dann werden die Elektrodenschichten auf der MgO-Schicht 12, die nicht länger erforderlich sind, durch zum Beispiel chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt.
  • Danach wird auf der MgO-Schicht 12 ein ferroelektrischer Kondensator ausgebildet, der aus der unteren ReO3-Schicht 13, der ferroelektrischen Schicht 14 mit einer Perovskitstruktur 14 und schließlich der oberen Elektrode 15 gebildet ist.
  • Die MgO-Schicht 12 ist (001)-orientiert, was es möglich macht, die (001)-orientierte untere ReO3-Schicht 13 und die (001)-orientierte ferroelektrische Schicht 14 mit einer Perovskitstruktur auszubilden.
  • Nach dem Ausbilden des ferroelektrischen Kondensators wird eine Isolierschicht 50 aus Siliciumoxid oder dergleichen abgeschieden, um seine äußere Oberfläche zu bedecken. Ein Kontaktloch wird durch die Isolierschicht 50 ausgebildet, und dann wird darin eine Sperrmetallschicht 51 und eine leitfähige Metallschicht 52 aus W oder dergleichen eingebracht und somit wird die Verlängerungselektrode ausgebildet. Nach dem Ausbilden der Verlängerungselektrode werden nicht benötigte Elektrodenschichten auf der Isolierschicht 50 entfernt und obere Verdrahtungen 54 und 55 ausgebildet. Oberflächen der oberen Verdrahtungen 54 und 55 werden mit einer Isolierschicht 60 bedeckt.
  • 3B zeigt eine Anordnung, bei der sich zwei Elektroden aus der oberen Oberfläche des ferroelektrischen Kondensators erstrecken. Ein Elementisolierbereich 40 aus Siliciumoxidfilm ist auf der Oberfläche des Si-Substrats 10 durch die örtliche Oxidation von Silicium ausgebildet. Ein MOS-Transistor ist in einem aktiven Bereich ausgebildet, der durch den Elementisolierbereich 40 definiert ist. Eine isolierte Gate-Elektrode, die aus einem Gate-Isolierfilm 41, einer polykristallinen Gate-Elektrode 42 und einer polykristallinen Silicid-Gate-Elektrode 43 ausgebildet ist, ist in einem Kanalbereich der Anordnung angeordnet. Ein Seitenabstandsstück 44 ist auf einer Seitenwand der isolierten Gate-Elektrode ausgebildet. Source/Drain-Bereiche 45 und 46 sind auf beiden Sei ten der Gate-Elektrode durch Ionenimplantation und dergleichen ausgebildet.
  • Eine amorphe Isolierschicht 48 aus Siliciumoxid oder dergleichen ist zum Bedecken des MOS-Transistors ausgebildet. Stecker 49 zum Versorgen der Source/Drain-Bereiche 45 und 46 sind ausgebildet. Eine Schicht 59, zum Beispiel Siliciumnitrid, mit einer amorphen Phase ist auf einer Oberfläche der amorphen Isolierschicht 48 ausgebildet, durch die die Stecker 49 ragen, und bildet so eine Sauerstoffschutzschicht aus.
  • Auf der amorphen Siliciumnitridschicht 59 ist eine (001)-orientierte MgO-Schicht 12 ausgebildet. Es ist möglich, dass die (001)-orientierte MgO-Schicht 12 nur auf einer darunter liegenden amorphen Schicht abgeschieden sein kann. Ein ferroelektrischer Kondensator, der aus einer (001)-orientierten ReO3-Schicht 13, einer (001)-orientierten ferroelektrischen Schicht 14 mit einer Perovskitstruktur und einer oberen Elektrode 15 gebildet ist, ist auf der (001)-orientierten MgO-Schicht 12 ausgebildet. Die untere ReO3-Elektrode 13 ist entlang einer Richtung senkrecht zu der Elektrodenoberfläche extrapoliert. Eine Isolierschicht 18 aus Siliciumoxid oder dergleichen ist zum Bedecken des ferroelektrischen Kondensators ausgebildet.
  • Erwünschte Abschnitte der Isolierschicht 18, MgO-Schicht 12 und Siliciumnitridschicht 59 werden durch Ätzen entfernt, um Kontaktlöcher auszubilden, in denen eine Verdrahtung 19 den Stecker 49, der in dem Kontaktloch freiliegt, mit der oberen Elektrode 15 zu verbinden. Weiter ist eine Isolierschicht 50 ausgebildet, um die örtliche Verdrahtung 19 zu bedecken. Durch die Isolierschicht 50 ist eine zweite Öffnung zum Freilegen des Steckers 49 auf dem Source/Drain-Bereich 46 ausgebildet, in der eine zweite Verdrahtung 55 angeordnet ist.
  • Die in den 3A und 3B gezeigten Anordnungen sind nicht beschränkende Beispiele. Es können verschiedene Alternativen und Auswechslungen angewandt werden. Mehrschichtige Verdrahtungsstrukturen können durch andere öffentlich bekannte Techniken ausgebildet werden. Wie oben beschrieben ist, kann eine elektronische Vorrichtung, zum Beispiel eine integrierte Halbleiterschaltungsvorrichtung mit dem ferroelektrischen Kondensator hergestellt werden.

Claims (19)

  1. Eine elektronische Vorrichtung enthaltend: einen Grundkörper (11, 12), der eine amorphe Schicht (11) und eine MgO-Schicht (12) enthält, wobei die MgO-Schicht (12) auf der amorphen Schicht (11) ausgebildet ist und eine (001)-orientierte Oberfläche aufweist; eine ReO3-Schicht (13), die auf der MgO-Schicht (12) ausgebildet ist und eine (001)-Orientierung aufweist; und eine ferroelektrische Oxidschicht (14) mit einer Perovskitstruktur, wobei die ferroelektrische Oxidschicht (14) auf der ReO3-Schicht (13) ausgebildet ist und eine (001)-Orientierung aufweist.
  2. Die elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die amorphe Schicht (11) Siliciumoxid enthält.
  3. Die elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter enthaltend: eine obere Elektrode (15), die auf der ferroelektrischen Oxidschicht (14) ausgebildet ist.
  4. Die elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die amorphe Schicht (11) eine Isolierschicht ausbildet, wobei die amorphe Schicht (11) ein Halbleiterelement verkapselt, das auf einem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet ist, und wobei ein leitender Stecker (49) bereitgestellt ist, um das Halbleiterelement elektrisch anzuschließen, wobei der leitfähige Stecker (49) durch die Isolierschicht (11) hindurchreicht.
  5. Die elektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei ein ferroelektrischer Kondensator über dem leitenden Stecker (49) ausgebildet ist, wobei der ferroelektrische Kondensator eine untere ReO3-Schicht (13), eine ferroelektrische Schicht (14) und eine obere Elektrode (15) enthält.
  6. Die elektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, weiter enthaltend: eine zweite Isolierschicht (50), die den ferroelektrischen Kondensator (13, 14, 15) bedeckt; eine Mehrzahl an Öffnungen, die durch die zweite Isolierschicht (50) hindurchreichen und den leitenden Stecker (49) und die obere Elektrode (15) freilegen; und wobei der leitende Stecker (49) und die obere Elektrode (15) über die Öffnungen durch eine lokale Verdrahtung (54) angeschlossen sind.
  7. Die elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ReO3-Schicht (13) ein von Re verschiedenes Metall hinzugefügt ist.
  8. Die elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die obere Elektrode (15) aus einer IrO2-Schicht ausgebildet ist, oder einem Stapel aus einer IrO2-Schicht und einer SrRuO3-Schicht.
  9. Die elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ferroelektrische Schicht (14) PZT ist.
  10. Die elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei der leitende Stecker (49) Wolfram ist.
  11. Ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Vorrichtung, das die aufeinander folgenden Schritte enthält: (1) Herstellen einer amorphen Schicht (11); (2) Ausbilden einer MgO-Schicht (12) mit einer (001)-Orientierung auf der amorphen Schicht (11); (3) Ausbilden einer ReO3-Schicht (13) mit einer (001)-Orientierung auf der MgO-Schicht (12); und (4) Ausbilden einer ferroelektrischen Oxidschicht (14) mit einer Perovskitstruktur und einer (001)-Orientierung auf der ReO3-Schicht (13).
  12. Das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die amorphe Schicht (11) Siliciumoxid enthält.
  13. Das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei wenigstens einer der Schritte (2), (3) und (4) durch metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) durchgeführt wird.
  14. Das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei alle Schritte (2), (3) und (4) durch MOCVD durchgeführt werden.
  15. Das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die MOCVD bei einer Substrattemperatur von 620°C oder niedriger durchgeführt wird.
  16. Das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei ein metallorganisches Ausgangsmaterial zur Verwendung in der MOCVD ein Dipivaloilmethanat-Metallchelat (Dipivaloilmethanat = DPM) oder ein iso-Propoxy (i-PrO) gebundenes Metall enthält.
  17. Das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei wenigstens einer der Schritte (2), (3) und (4) durch Sputtern durchgeführt wird.
  18. Das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, das weiter den Schritt enthält: (5) Ausbilden von wenigstens einer oberen Elektrodenschicht (15) auf der ferroelektrischen Oxidschicht (14).
  19. Das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, weiter enthaltend den Schritt des Ausbildens eines leitenden Steckers (49) durch die amorphe Schicht (11).
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