DE69833168T2 - Halbleiter-Speicherbauteil mit ferroelektrischem Dünnfilm - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Speicherbauteil unter Verwendung eines stark dielektrischen Dünnfilms oder eines ferroelektrischen Dünnfilms.
  • In den letzten Jahren nahm das Speichervermögen von Halbleiter-Speicherbauteilen wie DRAMs (Dynamic Random Access Memory) auf Grund ihrer höherer Dichten und höherer Integration zu, und es wurden dielektrische Speicher unter Verwendung stark dielektrischer Dünnfilmmaterialien mit höheren Dielektrizitätskonstanten als derjenigen von Siliciumoxid untersucht. Unter stark dielektrischen Materialien befinden sich STO (SrTiO3; Strontiumtitanat), BST ((Ba,Sr)TiO3; Bariumstrontiumtitanat), Tantaloxid (Ta2O3) und dergleichen, die für Anwendungen bei hoch integrierten DRAMs oder dergleichen erörtert werden.
  • Andererseits werden ferroelektrische Materialien mit vielen Funktionen, wie Pyroelektrizität, Piezoelektrizität und elektrooptischen Effekten, bei einer großen Vielfalt von Bauteilentwicklungen angewandt, einschließlich Infrarotsensoren, piezoelektrischen Filtern, optischen Modulatoren und dergleichen. U.a. wurden nichtflüchtige Speicherbauteile (ferroelektrische Speicherbauteile) unter Ausnutzung der einzigartigen elektrischen Eigenschaften der spontanen Polarisation in weitem Umfang angesichts ihrer Möglichkeiten untersucht, die meisten herkömmlichen nichtflüchtigen Speicher von SRAMs (statischen RAMs) und DRAMs auf Grund ihrer schnellen Schreib/Lese-Operationen, des Betriebs bei niedriger Spannung und anderer Eigenschaften zu ersetzen.
  • Die Hauptströmung hinsichtlich ferroelektrischer Materialien ist diejenige entsprechend Oxiden vom Perovskittyp, wie typischerweise PZT (Pb(Zr,Ti)O3; Bleizirkoniumtitanat). Jedoch zogen in den letzten Jahren Bismut-Schichtstruktur-Verbundmaterialien wie SrBi2Ta2O9 wegen ihres Widerstands bei wiederholter Polarisationsumkehr Aufmerksamkeit auf sich, und sie werden zur praktischen Anwendung bei ferroelektrischen Speicherbauteilen untersucht.
  • Im Allgemeinen wird bei einem Halbleiter-Speicherbauteil unter Verwendung der oben genannten Dünnfilm-Oxidmaterialien als Kondensatorisolierschicht nach der Herstellung einer oberen Elektrode dieselbe mit einem Zwischenschichtisolierfilm aus BPSG (Borphosphorsilikatglas) oder dergleichen bedeckt, dessen Hauptzweck darin besteht, für elektrische Isolierung zwischen Halbleiter-Speicherbauteilen zu sorgen. In diesem Fall zeigt, unglücklicherweise, Wasserstoffgas, wie es als Reaktionsnebenprodukt erzeugt wird, einen Reduktionseffekt an der Oxiddünnfilm-Grenzfläche, so dass die Haftungseigenschaften zwischen der oberen Elektrode und dem Oxid-Dünnfilm verringert sind, was zum Problem führt, dass zwischen der oberen Elektrode und dem Oxid-Dünnfilm ein Abschälen auftritt. Es existiert ein weiteres Problem dahingehend, dass, unter dem Einfluss des Wasserstoffgases, die Dielektrizitätskonstante des Kondensators abnimmt, oder dass im Fall eines ferroelektrischen Dünnfilms eine Beeinträchtigung der Eigenschaften desselben auftritt. Dies bildete bei der praxisgerechten Realisierung von Bauteilen unter Verwendung von Halbleiter-Speicherbauteilen, bei denen die obigen Oxid-Dünnfilmmaterialien als Kondensatorisolierfilm verwendet werden, ein großes Hindernis.
  • Auch würden bei einem Halbleiter-Speicherbauteil unter Verwendung von MOS(Metal Oxide Semiconductor)-Transistoren als Schaltbauteil Gittereffekte, wie sie innerhalb eines einkristallinen Siliciumsubstrats während des Herstellprozesses auftreten, zu Beeinträchtigungen der Eigenschaften der MOS-Transistoren führen. Dies würde es erforderlich machen, die MOS-Eigenschaften durch eine Wärmebehandlung in einem mit Wasserstoff vermischten Stickstoffgas (Formiergas) im abschließenden Prozess wiederherzustellen. Jedoch ist die Konzentration von Wasserstoff bei diesem Prozess höher als die des Wasserstoffs, der während der Herstellung des oben genannten Zwischenschichtisolierfilms erzeugt wird, so dass ein sehr großer Effekt auf den Kondensator besteht.
  • Um diese Probleme zu lösen, erfolgten die folgenden Vorschläge. Erstens wird bei einem ferroelektrischen Speicher, wie er in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Hei 7-111318 beschrieben ist, der obere Teil eines Kondensators mit einem Dünnfilm aus einem Al-, Si- oder Ti-Nitrid bedeckt, der als Schutzfilm dient. Jedoch würde dieser Schutzfilm bei den Brenntemperaturen zur Kristallisation von SrBi2Ta2O9 kristallisieren, wenn dieses als ferroelektrische Substanz verwendet wird. Dann besteht bei diesem kristallisierten Schutzfilm in nachteiliger Weise eine Schwierigkeit beim Erzielen ausreichender Wasserstoffgas-Sperreigenschaften, da Korngrenzen als Pfade dienen. Dies würde in ähnliche Weise auch dann auftreten, wenn ein kristalliner Schutzfilm wie ein TiN-Film verwendet würde.
  • Auch wird bei einem ferroelektrischen Speicher, wie er in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung HEI 7-273297 beschrieben ist, eine Metalloxidschicht, die mit dem Feuchtigkeitsgehalt reagiert, der am Inneren eines ferroelektrischen Dünnfilms absorbiert wird, als erster Schutzfilm verwendet und eine ferroelektrische Schicht, die mit Wasserstoffgas reagiert, das beim Prozess des Herstellens eines Zwischenschichtisolierfilms erzeugt wird, wird als zweiter Schutzfilm verwendet. Wenn jedoch ein Isolator wie das Metalloxid, das den ersten Schutzfilm bildet, als Schutzfilm für den oberen Teil des Kondensators verwendet wird, ist es erforderlich, eine Öffnung als Herausführloch für die obere Elektrode auszubilden, wodurch kein ausreichender Effekt als Schutzfilm zu erwarten ist. Andernfalls wären, wegen des Fehlens elektrischer Leitfähigkeit, einige Strukturtricks erforderlich, was zum Problem führen würde, dass auch Kunstgriffe zur Filmabscheidung oder Filmverarbeitung kompliziert werden.
  • Ferner kann im Fall eines Speicherbauteils mit einer Struktur, bei der mehrere Arten von Elektroden und Metallleiterbahnen vorhanden sind, wobei sich der Schutzfilm dazwischen befindet, wie beim zweiten Schutzfilm, ein Problem beim Betrieb des Speicherbauteils auftreten, wenn der Schutzfilm selbst Ferroelektrizität erlangt. Daher ist es erforderlich, das Entstehen von Ferroelektrizität zu unterdrücken, z. B. durch fehlendes oder teilweises Nicht-Kristallisieren des Schutzfilms, was zu einem anderen Problem führt, dass nämlich der Herstellprozess kompliziert wird.
  • In jedem Fall verbleibt der obige Schutzfilm als Material, das die obere Elektrode bildet, problematisch.
  • Ferner wird, wenn eine stark dielektrisches Oxid wie Ta2O5 als Kondensatorisolierfilm für DRAMs oder dergleichen verwendet wird, im Allgemeinen ein TiN-Film als obere Elektrode verwendet. In diesem Fall besteht ein Problem dahingehend, dass Sauerstoff des Kondensatorisolierfilms während der Wärmebehandlung nach der Herstellung des Zwischenschichtisolierfilms zur oberen Elektrode entweicht, was zu einer Vergrößerung des Leckstroms führt.
  • US 5,481,490 offenbart einen ferroelektrischen Speicher mit einem ferroelektrischen Dünnfilmkondensator mit einer unteren Elektrode, einem ferro elektrischen Oxid-Dünnfilm und einer oberen Elektrode. Ein schützender Dünnfilm ist so ausgebildet, dass er zumindest die Oberseite des Kondensators bedeckt. Der schützende Dünnfilm kann aus einem Nitrid bestehen, das die elektrische Leitfähigkeit beibehält und den Wasserstoff-Abschirmungseffekt verbessert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiter-Speicherbauteil mit einer extrem geringen Beeinträchtigung von Eigenschaften, wie der Dielektrizitätskonstante, des dielektrischen Rest-Polarisationswerts, der Leckstromdichte, der dielektrischen Standhaltespannung und dergleichen eines dielektrischen Dünnfilms, und das eine hohe Stabilität aufweist, zu schaffen.
  • Um die obige Aufgabe zu lösen, ist durch die Erfindung ein Halbleiter-Speicherbauteil geschaffen, wie es im Anspruch 1 dargelegt ist.
  • Bei diesem Aufbau werden nach dem Herstellen der Barriereschicht die Ausbildung des Zwischenschichtisolierfilms und die Wiederherstellung der MOS-Eigenschaften ausgeführt, wobei Wasserstoffgas, das bei diesen Prozessen erzeugt oder verwendet wird, versucht, in die Seite des stark dielektrischen Oxid-Dünnfilms oder des ferroelektrischen Oxid-Dünnfilms einzudringen. Jedoch wird dieses Wasserstoffgas durch die Barriereschicht abgeblockt. So wird der Reduktionseffekt des Wasserstoffgases an der Grenzfläche des dielektrischen Oxid-Dünnfilms verhindert, und es werden das Abschälen zwischen der oberen Elektrode und dem dielektrischen, Oxid-Dünnfilm und auch die Eigenschaftsbeeinträchtigung des den dielektrische Oxid-Dünnfilm enthaltenden Kondensators vermieden.
  • Ferner ist es nicht erforderlich, ein Elektrodenherausführloch anzubringen, da die Barriereschicht über elektrische Leitfähigkeit verfügt. Demgemäß kann der erforderliche Kontakt zur Herausführ-Leiterbahn erzielt werden, während der dielektrische Oxid-Dünnfilm ausreichend geschützt ist.
  • Bei einer Ausführungsform verfügt die Barriereschicht über eine derartige amorphe Struktur, dass sie bei den Brenntemperaturen zum Kristallisieren des stark dielektrischen Oxid-Dünnfilms oder des ferroelektrischen Oxid-Dünnfilms nicht kristallisiert.
  • Bei diesem Aufbau behält die Barriereschicht den amorphen Zustand, ohne dass sie bei den Brenntemperaturen zum Kristallisieren des stark dielektrischen Oxid-Dünnfilms oder des ferroelektrischen Oxid-Dünnfilms kristallisieren würde. Daher werden keine Pfade an Korngrenzen gebildet, so dass die Barriereschicht den Wasserstoffgas-Blockiereffekt erfüllt.
  • Eine Ausführungsform verfügt ferner über einen mit dem Kondensator verbundenen MOS-Transistor.
  • Bei diesem Aufbau kann durch die Barriereschicht verhindert werden, dass Wasserstoffgas im zur Eigenschaftswiederherstellung der MOS-Transistoren verwendeten Formiergas in das stark dielektrische Oxid oder das ferroelektrische Oxid eindringt.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Barriereschicht eine Nitrid-Dünnfilm mit einer Kombination von Silicium und einem der Materialien Zirconium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal und Wolfram, oder ein Nitrid-Dünnfilm mit einer Kombination von Silicium und irgendeiner Kombination von Zirconium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal und Wolfram.
  • Bei einer Ausführungsform besteht die Barriereschicht aus einem Material, das als MxSi1–xNy ausgedrückt ist, wobei M Zirkonium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal oder Wolfram repräsentiert, Si Silicium repräsentiert und N Stickstoff repräsentiert, wobei 0,75 ≤ x ≤ 0,95 und 0 < y ≤ 1,3 erfüllt sind.
  • Bei diesem Aufbau kann eine Barriereschicht mit guter elektrischer Leitfähigkeit und Wasserstoffgasblockiereigenschaften und darüber hinaus mit einer amorphen Struktur, die im Hochtemperaturbereich stabil ist, erhalten werden.
  • Eine Ausführungsform verfügt ferner über einen mit dem Kondensator verbundenen MOS-Transistor.
  • Bei diesem Aufbau kann während des Wiederherstellens der Eigenschaften der MOS-Transistoren das Entweichen von Sauerstoffgas aus dem stark dielektrischen Oxid-Dünnfilm oder dem ferroelektrischen Oxid-Dünnfilm durch die obere Elektrode verhindert werden.
  • Bei einer Ausführungsform besteht die obere Elektrode aus einem Material, das als MxSi1–xNy ausgedrückt ist, wobei M Zirkonium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal oder Wolfram repräsentiert, Si Silicium repräsentiert und N Stickstoff repräsentiert, wobei 0,75 ≤ x ≤ 0,95 und 0 < y ≤ 1,3 erfüllt sind.
  • Bei diesem Aufbau wird eine obere Elektrode mit guter elektrischer Eigenschaft und Sauerstoffgas-Blockiereigenschaften und darüber hinaus mit einer amorphen Struktur, die einem Hochtemperaturbereich stabil ist, gebildet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung dienen und demgemäß für die Erfindung nicht beschränkend sind, deutlicher zu verstehen sein.
  • 1 ist eine Schnittansicht eines ferroelektrischen Speicherbauteils als Beispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Speicherbauteils;
  • 2A, 2B, 2C und 2D sind Ansichten, die die Herstellprozedur für den in der 1 dargestellten ferroelektrischen Speicherbauteils zeigen;
  • 3 ist eine Ansicht, die eine Hystereseschleife für das externe elektrische Feld und die Polarisation beim in der 1 dargestellten ferroelektrischen Speicherbauteil zeigt;
  • 4 ist eine Schnittansicht eines ferroelektrischen Speicherbauteils gemäß dem Stand der Technik;
  • 5A, 5B, 5C und 5D sind Ansichten zum Veranschaulichen der Herstellprozedur des in der 4 dargestellten bekannten ferroelektrischen Speicherbauteils;
  • 6 ist eine Ansicht, die eine Hystereseschleife für das externe elektrische Feld und die Polarisation beim in der 4 dargestellten ferroelektrischen Speicherbauteil zeigt;
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend wird die Erfindung mittels Ausführungsformen derselben, wie sie in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, detailliert beschrieben.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Bei dieser Ausführungsform ist eine Barrieremetallschicht mit elektrischer Leitfähigkeit und Wasserstoffgas-Blockiereigenschaften und darüber hinaus mit einer amorphen Struktur, die in einem Hochtemperaturbereich stabil ist, im oberen Teil eines Kondensators mit einer unteren Elektrode, einer ferroelektrischen Oxidschicht und einer oberen Elektrode ausgebildet.
  • Die 1 ist eine Schnittansicht eines ferroelektrischen Speicherbauteils gemäß dieser Ausführungsform. Dieses ferroelektrische Speicherbauteil verfügt über den folgenden Aufbau.
  • Ein MOS-Transistor 100, auf der ein einen CMOS(Complementary MOS)-Transistor bildender MOS-Transistor ist (wobei der andere MOS-Transistor nicht dargestellt ist) mit einem Gateoxidfilm 2, einem Fremdstoff-Diffusionsbereich 3 von zweitem Leitungstyp als Sourcebereich sowie einem Fremdstoff-Diffusionsbereich 4 vom zweiten Leitungstyp als Drainbereich ist auf einem Siliciumsubstrat 1 von erstem Leitungstyp ausgebildet und mit einem ersten Zwischenschichtisolierfilm 5 bedeckt. Die Bezugszahl 6 kennzeichnet einen Bauteileisolier-Oxidfilm und 7 kennzeichnet eine Wortleitung aus Polysilicium. Im ersten Zwischenschichtisolierfilm 5 ist ein Kontaktpfropfen 8 ausgebildet, um den CMOS-Transistor und den Kondensatorteil 200 miteinander zu verbinden.
  • An der Position des ersten Zwischenschichtisolierfilms 5, an der der Kontaktpfropfen 8 vorhanden ist, sind eine Ti-Schicht 19, eine TiN-Barrieremetallschicht 9, eine untere Pt-Elektrode 10, ein ferroelektrischer Oxid-Dünnfilm 1, eine obere Pt-Elektrode 12 und eine TaSiN-Barrieremetallschicht 13 aufeinanderfolgend vorhanden, um den Kondensatorteil 200 zu bilden. Der Kondensatorteil ist ferner durch einen isolierenden Ta205-Barrierefilm 14 und einen zweiten Zwischenschichtisolierfilm 15 bedeckt, wobei der isolierende Ta205-Barrierefilm 14 und der zweite Zwischenschichtisolierfilm 15 auf der TaSiN-Barrieremetallschicht 13 geöffnet sind, um eine Al-Plattenleitung 16 zu bilden.
  • Ferner ist der gesamte Aufbau mit einem dritten Zwischenschichtisolierfilm 17 bedeckt. Außerdem ist auf dem Sourcebereich 3 im dritten Zwischenschichtisolierfilm 17 ein Kontaktloch dort ausgebildet, wo eine Al-Bitlei tung 18 zum Realisieren eines Kontakts zum Sourcebereich 3 ausgebildet ist.
  • Bei dieser Anordnung verfügt die TaSiN-Barrieremetallschicht 13 über elektrische Leitfähigkeit und Wasserstoffgas-Blockiereigenschaften, und sie verfügt über eine amorphe Struktur, die in einem Hochtemperaturbereich stabil ist. Demgemäß wird Wasserstoffgas, wie es während der späteren Herstellung des zweiten Zwischenschichtisolierfilms 15 erzeugt wird, am Eindringen in die Seite des ferroelektrischen Oxid-Dünnfilms 11 gehindert. So werden eine Grenzflächenreduzierung und eine Eigenschaftsbeeinträchtigung des ferroelektrischen Oxid-Dünnfilms 11 auf Grund des Wasserstoffgases verhindert. Ferner ist das Erfordernis eines Öffnens des oberen Elektrodenherausführlochs durch die Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit beseitigt, und es kann ein guter Kontakt zur später hergestellten Al-Plattenleitung 16 erzielt werden, während der ferroelektrische Oxid-Dünnfilm 11 geschützt ist.
  • Das ferroelektrische Speicherbauteil mit dem obigen Aufbau wird durch die folgende Prozedur hergestellt.
  • Als Erstes wird, wie es in der 2A dargestellt ist, der Bauteilisolier-Oxidfilm 6 zum Isolieren von Bauteilen voneinander auf dem Siliciumsubstrat 1 vom ersten Leitungstyp hergestellt. Danach wird, durch einen üblichen MOSFET(MOS Field-Effect Transistor)-Herstellprozess ein MOSFET 100 mit dem Gateoxidfilm 2, dem Sourcebereich 3, dem Drainbereich 4 und der Polysilicium-Wortleitung 7 hergestellt. Dann wird, nach dem Bedecken des MOSFETs 100 mit dem ersten Zwischenschichtisolierfilm 5 aus BPSG, ein Kontaktloch nur in demjenigen Teil ausgehöhlt, in dem der Kondensatorteil 200 mit dem Drainbereich 4 in Kontakt steht, was unter Verwendung eines Fotolithografieprozesses und eines Trockenätzprozesses erfolgt, und Polysilicium mit eindiffundiertem Fremdstoff wird dort vergraben, um den Kontaktpfropfen 8 zu bilden. Dann werden die Oberflächen des ersten Zwischenschichtisolierfilms 5 und des Kontaktpfropfens 8 durch einen CMP(chemisch-mechanisches Polieren)-Prozess geglättet.
  • Als Nächstes werden, wie es in der 2B dargestellt ist, die Ti-Schicht 19 mit einer Filmdicke von 3000 Å (1 Å = 1 × 10–10 m) und die TiN-Barrieremetallschicht 9 mit einer Filmdicke von 2000 Å aufeinanderfolgend durch Sputtern abgeschieden, und anschließend wird ein Pt-Dünnfilm mit einer Filmdicke von ungefähr 1000 Å durch Sputtern abgeschieden, wodurch eine untere Pt-Elektrode 10 ausgebildet wird. Dann wird auf dieser unteren Pt- Elektrode 10 ein SrBi2Ta2O9-Dünnfilm (nachfolgend als SBT-Dünnfilm abgekürzt) mit einer Filmdicke von 2000 Ä als ferroelektrischer Oxid-Dünnfilm 11 abgeschieden. Außerdem erfolgt die Herstellung des SBT-Dünnfilms 11 durch einen Prozess, bei dem eine Vorläuferlösung, die mit einem geringfügigen Bi-Überschussverhältnis entsprechend Sr : Bi : Ta = 1 : 2,2 : 2 hergestellt wurde, in dreifacher Aufteilung durch Schleuderbeschichten aufgebracht und getrocknet, woraufhin das Erzeugnis gebrannt wird. Danach wird ein Pt-Film mit einer Filmdicke von 1000 Å durch Sputtern abgeschieden, um die obere Pt-Elektrode 12 herzustellen, und ferner wird darauf die TaSiN-Barrieremetallschicht 12 mit einer Filmdicke von 1000 Å abgeschieden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ti-Schicht 19 eine Schicht zum Verringern des Kontaktwiderstands zum Kontaktpfropfen 8 und zum Verbessern der Anhaftung zur unteren Pt-Elektrode 10 ist.
  • Zum Abscheiden der TaSiN-Barrieremetallschicht 13 wird ein reaktiver Sputterprozess verwendet. Dieses reaktive Sputtern wird durch eine HF(Hochfrequenz)-Sputteranlage unter Verwendung eines Mischgases von Ar und N2 realisiert. Diese HF-Sputteranlage ist für Ta und Si vorgesehen, und sie kann das Ta/Si/N-Zusammensetzungsverhältnis durch Ändern der Versorgungsleistung für jedes Target und den Anteil der N2-Gasflussrate ändern. Bei dieser Ausführungsform wurde die Versorgungsleistung für das Ta-Target auf 300 W eingestellt, während diejenige für das Si-Target auf 400 W eingestellt wurde, und der Anteil der N2-Gasflussrate im Mischgas betrug 10%, während der Filmabscheidungsdruck 4,0 mTorr betrug. Dann wurde geklärt, dass die Zusammensetzung des unter diesen Bedingungen abgeschiedenen TaSiN-Dünnfilms Ta0,80Si0,20N0,59 betrug, was durch eine RBS(Rutherford Backscattering Spectrometry)-Messung erfolgte.
  • Danach wurden die obere Pt-Elektrode 12 und die TaSiN-Barrieremetallschicht 13 unter Verwendung von Fotolithografie-und Trockenätzprozessen auf eine Größe von 1,7 μm im Quadrat bearbeitet, und dann erfolgte ein Brennen zum Kristallisieren des SBT-Dünnfilms (des ferroelektrischen Oxid-Dünnfilms) 11. Ferner wurden der SBT-Dünnfilm 11, die untere Pt-Elektrode 10, die TiN-Barrieremetallschicht 9 und die Ti-Schicht 19 unter Verwendung von Fotolithografie- und Trockenätzprozessen zu einer Größe von 2,0 μm im Quadrat bearbeitet, um so die Schichten mit der in der 2B dargestellten Konfiguration auszubilden. Zum Trockenätzen wurde eine ECR(Electron Cyclotron Resonance)-Ätzvorrichtung verwendet.
  • Die TaSiN-Barrieremetallschicht 13 kristallisiert während des Brennens zum Kristallisieren des SBT-Dünnfilms 11 nie, sondern sie behält ihre im Hochtemperaturbereich stabile amorphe Struktur. Demgemäß geschieht es nie, dass Korngrenzen Pfade bilden, die für ein unzureichendes Abblocken von Wasserstoffgas sorgen, wie dies auftreten würde, wenn es zu Kristallisation käme. Dies wurde durch die Tatsache klargestellt, dass dann, wenn nur der TaSiN-Dünnfilm abgeschieden wurde, das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung an einer unter denselben Bedingungen gebrannten Probe fehlende Kristallinität ergab.
  • Als Nächstes wurde, wie es in der 2C dargestellt ist, der isolierende Ta2O5-Barrierefilm 14 mit einer Filmdicke von 300 Å durch Sputtern abgeschieden, und anschließend wurde ein Ozon-TEOS(Tetraethoxysilan; Si(OC2H5)-Film mit einer Filmdicke von 2000 Å durch CVD (Chemical Vapor Deposition) hergestellt, um den zweiten Zwischenschichtisolierfilm 15 auszubilden. Danach wird in einem Gebiet auf dem SBT-Dünnfilm 11 im isolierenden Ta2O5-Barrierefilm 14 und im zweiten Zwischenschichtisolierfilm 15 ein Kontaktloch mit 1,2 μm im Quadrat durch Fotolithografie- und Trockenätzprozesse ausgebildet.
  • Bei diesem Prozess wird, wie oben beschrieben, während der Herstellung des zweiten Zwischenschichtisolierfilms (aus Ozon-TEOS) 15 Wasserstoffgas erzeugt. Da jedoch bei dieser Ausführungsform die TaSiN-Barrieremetallschicht 13 mit Wasserstoffgas-Blockiereigenschaften und einer im Hochtemperaturbereich stabilen amorphen Struktur auf der oberen Pt-Elektrode 12 hergestellt wird, ist das Eindringen dieses Wasserstoffgases in die Seite des ferroelektrischen Oxid-Dünnfilms 11 sicher verhindert.
  • Als Nächstes wird, wie es in der 2D dargestellt ist, die Al-Elektrode mit einer Filmdicke von 4000 Å hergestellt, und sie wird durch Fotolithografie- und Trockenätzprozesse so bearbeitet, dass sie zur Al-Plattenleitung 16 ausgebildet wird. Danach wird diese Al-Plattenleitung 16 bei 400°C für 30 Min. in einer Stickstoffatmosphäre auf Normaldruck wärmebehandelt, damit die Elektrodengrenzfläche stabilisiert wird.
  • Als Nächstes wird durch eine Plasma-CVD-Prozess ein Plasma-TEOS-Film mit einer Filmdicke von 5000 Å hergestellt, um den dritten Zwischenschichtisolierfilm 17 der 1 auszubilden. Dann wird durch Fotolithografie- und Trockenätzprozesse ein Kontaktloch zum Sourcebereich 3 ausgebildet, und die Al-Bitleitung 18 zum Ermöglichen eines Kontakts zum Sourcebereich 3 wird unter Verwendung einer bekannten Al-Leiterbahntechnik hergestellt. So wird das in der 1 dargestellte ferroelektrische Speicherbauteil hergestellt.
  • Danach wird, was jedoch nicht detailliert beschrieben wird, eine Wärmebehandlung in einem Stickstoffgas mit zugemischtem Wasserstoff (Formiergas) ausgeführt, um Eigenschaftsbeeinträchtigungen von MOS-Transistoren 100 auf Grund von Gitterdefekten, wie sie innerhalb des einkristallinen Siliciumsubstrats während der Herstellung des ferroelektrischen Speicherbauteils auftreten, wiederherzustellen. Obwohl die Wasserstoffkonzentration des in diesem Fall verwendeten Formiergases höher als die des Wasserstoffs ist, der während der Herstellung des zweiten Zwischenschichtisolierfilms 15 erzeugt wird, wird das Eindringen des Wasserstoffgases im Formiergas in die Seite des ferroelektrischen Oxid-Dünnfilms 11 durch die auf der oberen Pt-Elektrode 12 hergestellte TaSiN-Barrieremetallschicht 13 gesperrt.
  • Es wurden ferroelektrische Eigenschaften des auf diese Weise hergestellten ferroelektrischen Speicherbauteils durch die Soya-Turmbrückenschaltung gemessen. Die 3 zeigt die Hystereseschleife des externen elektrischen Felds und der Polarisation bei einer angelegten Spannung von 3 V. Aus der 3 wurde klargestellt, dass die dielektrische Restpolarisation Pr 8,5 μC/cm2 betrug und die elektrische Koerzitivfeldstärke Ec 40 kV/cm betrug, so dass ausreichende ferroelektrische Eigenschaften für einen ferroelektrischen Kondensator vorliegen. Auch wurde die Leckstromdichte des ferroelektrischen Speicherbauteils durch einen Strom-Spannung-Messprozess gemessen. Im Ergebnis wurde aus der Tatsache, dass der Leckstrom bei einer Anlegespannung von 3 V den Wert 5 × 10–8 A/cm2 hatte und selbst bei einer Anlegespannung von 10 V kein dielektrischer Durchschlag auftrat, klargestellt, dass das ferroelektrische Speicherbauteil über ausreichende Leckstromeigenschaften für einen ferroelektrischen Kondensator verfügte.
  • Als Nächstes werden Ergebnisse zu einem Vergleich zwischen dem ferroelektrischen Speicherbauteil gemäß dieser Ausführungsform und einem ferroelektrischen Speicherbauteil gemäß dem Stand der Technik (nachfolgend als Vergleichsprobe bezeichnet) beschrieben. Die 4 ist eine Schnittansicht der Vergleichsprobe.
  • Ein Siliciumsubstrat 21 vom ersten Leitungstyp, ein Gateoxidfilm 22, ein Sourcebereich (Fremdstoff-Diffusionsbereich vom zweiten Leitungstyp) 23, ein Sourcebereich (Fremdstoff-Diffusionsbereich vom zweiten Leitungstyp) 24, ein erster Zwischenschichtisolierfilm 25, ein Bauteilisolier-Oxidfilm 26, eine Polysilicium-Wortleitung 27, ein Kontaktpfropfen 28, eine Ti-Schicht 38, eine TiN-Barrieremetallschicht 29, eine untere Pt-Elektrode 30, ein ferroelektrischer Oxid-Dünnfilm 31, eine obere Pt-Elektrode 32, ein isolierender Ta2O5-Barrierefilm 33, ein zweiter Zwischenschichtisolierfilm 34, ein dritter Zwischenschichtisolierfilm 39 und eine Al-Bitleitung 40 verfügen über denselben Aufbau wie das Siliciumsubstrat 1 vom ersten Leitungstyp, der Gateoxidfilm 2, der Sourcebereich (Fremdstoff-Diffusionsbereich vom zweiten Leitungstyp) 3, der Drainbereich (Fremdstoff-Diffusionsbereich vom zweiten Leitungstyp) 4, der erste Zwischenschichtisolierfilm 5, der Bauteilisolier-Oxidfilm 6, die Polysilicium-Wortleitung 7, der Kontaktpfropfen 8, die Ti-Schicht 19, die TiN-Barrieremetallschicht 9, die untere Pt-Elektrode 10, der ferroelektrische Oxid-Dünnfilm 11, die obere Pt-Elektrode 12, der isolierende Ta2O5-Barrierefilm 14, der zweite Zwischenschichtisolierfilm 15, der dritte Zwischenschichtisolierfilm 17 bzw. die Al-Bitleitung 18 beim in der 1 dargestellten ferroelektrischen Speicherbauteil.
  • Ferner sind bei dieser Vergleichsprobe der isolierende Ta2O5-Barrierefilm 32 und der zweite Zwischenschichtisolierfilm 34, der auf der oberen Pt-Elektrode 32 ausgebildet ist, geöffnet, wobei eine Ti-Kontaktschicht 35, eine TiN-Barrieremetallschicht 36 und eine Al-Plattenleitung 37 ausgebildet sind. Es ist zu beachten, dass die TiN-Barrieremetallschicht 36 eine Wasserstoffgas-Blockierschicht ist. Auch ist die Ti-Kontaktschicht 35 eine Kontaktschicht für Kontakt zwischen dem zweiten Zwischenschichtisolierfilm 34 und der TiN-Barrieremetallschicht 36.
  • Die obige Vergleichsprobe wird durch die folgende Prozedur hergestellt.
  • Mittels derselben Prozedur wie derjenigen für das ferroelektrische Speicherbauteil dieser Ausführungsform werden, wie es durch die 5A und 5B veranschaulicht ist, auf einem Siliciumsubstrat 21 vom ersten Leitungstyp ein Gateoxidfilm 22, ein Sourcebereich 23, ein Drainbereich 24, ein erster Zwischenschichtisolierfilm 25, ein Bauteilisolation-Oxidfilm 26, eine Polysilicium-Wortleitung 27, ein Kontaktpfropfen 28, eine TiN-Barrieremetallschicht 29, eine untere Pt-Elektrode 30, ein ferroelektrischer Oxid-Dünnfilm (SBT-Dünnfilm) 31 und eine obere Pt-Elektrode 32 hergestellt. Dann wird die obere Pt-Elektrode 32 zu einer Größe von 1,7 μm im Quadrat bearbeitet, der SBT-Dünnfilm 31 wird gebrannt, und er sowie die untere Pt-Elektrode 30, die TiN-Barrieremetallschicht 29 und eine Ti-Schicht 38 werden zu einer Größe von 2,0 μm im Quadrat bearbeitet.
  • Als Nächstes werden, ferner zu diesen, durch dieselbe Herstellprozedur wie beim ferroelektrischen Speicherbauteil dieser Ausführungsform, wie es in der 5C dargestellt ist, der isolierende Ta2O5-Barrierefilm 33 und der zweite Zwischenschichtisolierfilm 34 hergestellt und im Bereich auf dem SBT-Dünnfilm 31 wird ein Kontaktloch von 1,2 μm im Quadrat ausgebildet.
  • Als Nächstes wird, wie es in der 5D dargestellt ist, Ti mit einer Filmdicke von 100 Å abgeschieden, um eine Ti-Kontaktschicht 35 auszubilden. Ferner wird TiN mit einer Filmdicke von 500 Å abgeschieden, um eine TiN-Barrieremetallschicht 36 auszubilden. Danach wird eine Al-Elektrode mit einer Filmdicke von 4000 Å hergestellt, und diese werden unter Verwendung der Fotolithografie- und Trockenätzprozesse so bearbeitet, dass sie zu einer Al-Plattenleitung 37 ausgebildet werden. Nach diesen Prozessen wird eine Wärmebehandlung bei 400°C für 30 Min. in einer Stickstoffatmosphäre von Normaldruck ausgeführt, damit die Elektrodengrenzfläche stabilisiert wird.
  • Als Nächstes werden, daran anschließend, durch dieselbe Herstellprozedur wie beim ferroelektrischen Speicherbauteil dieser Ausführungsform, ein dritter Zwischenschichtisolierfilm 39 und eine Al-Bitleitung 40 hergestellt, wodurch eine Vergleichsprobe fertiggestellt wird, wie sie in der 4 dargestellt ist.
  • Es wurden die ferroelektrischen Eigenschaften der auf diese Weise hergestellten Vergleichsprobe durch die Soya-Turmbrückenschaltung gemessen. Die 6 zeigt die Hystereseschleife für das äußere elektrische Feld und die Polarisation bei einer angelegten Spannung von 3 V. Aus dieser Figur ist es ersichtlich, dass die dielektrische Restpolarisation Pr 5,0 μC/cm2 betrug und die elektrische Koerzitivfeldstärke Ec 60 kV/cm betrug, wobei die dielektrische Restpolarisation Pr verringert war, während die elektrische Koerzitivfeldstärke Ec erhöht war, was zu einer gleichmäßigeren Hystereseschleife im Vergleich mit der in der 3 Dargestellten zum ferroelektrischen Speicherbauteil der vorliegenden Ausführungsform führte.
  • Die Tatsache, dass die Hystereseschleife betreffend das äußere elektrische Feld und die Polarisation gleichmäßiger ist, bedeutet, dass in einigen Fällen nicht einfach, und auch nicht korrekt, entschieden werden kann, ob die gespeicherte Information "0" oder "1" ist. Der Grund dafür liegt darin, dass, da die Wasserstoffgas-Blockierschicht der Vergleichsprobe durch die TiN-Barrieremetallschicht 36 mit säulenförmigen Kristallen realisiert ist, Korngrenzen oder Ähnliches Pfade bilden, so dass kein ausreichender Wasserstoffgas-Blockiereffekt erzielt werden kann, was zu einer Beeinträchtigung der Partialdruckeigenschaften des SBT-Dünnfilms (ferroelektrischer Oxid-Dünnfilm) 11 führt.
  • Auch wurde die Leckstromdichte der Vergleichsprobe durch einen Strom-Spannung-Messprozess gemessen. Im Ergebnis wurde klargestellt, dass der Leckstrom bei einer angelegten Spannung von 3 V den Wert 3 × 10–5 A/cm2 hatte, wobei bei ungefähr der angelegten Spannung von 3 V ein dielektrischer Durchbruch auftrat, so dass die zur Anwendung bei einem Kondensator erforderlichen Eigenschaften beeinträchtigt waren. Dies bedeutet, dass durch die TiN-Barrieremetallschicht 36 kein ausreichender Wasserstoffgas-Blockiereffekt erzielt wurde, während auch die Leckstromcharakteristik des ferroelektrischen Kondensators beeinträchtigt war.
  • Im Gegensatz hierzu besteht beim ferroelektrischen Speicherbauteil der vorliegenden Ausführungsform die Wasserstoffgas-Blockierschicht aus der TaSiN-Barrieremetallschicht 13 mit elektrischer Eigenschaft und Wasserstoffgas-Blockiereigenschaften. Außerdem behält diese TaSiN-Barrieremetallschicht 13 die im Hochtemperaturbereich stabile amorphe Struktur ohne Kristallisieren selbst während des Brennens zum Kristallisieren des SBT-Dünnfilms 11 aufrecht. Daher kann während der späteren Herstellung des zweiten Zwischenschichtisolierfilms 15 erzeugtes Wasserstoffgas zuverlässig ausgesperrt werden. Außerdem ist, da die TaSiN-Barrieremetallschicht 13 über elektrische Leitfähigkeit verfügt, das Erfordernis des Öffnens eines Elektrodenherausführlochs beseitigt, was es ermöglicht, guten Kontakt zur Al-Plattenleitung 16 zu erzielen, während der SBT-Dünnfilm 11 ausreichend geschützt ist.
  • Das heißt, dass, gemäß dieser Ausführungsform, eine Beeinträchtigung des SBT-Dünnfilms 11 auf Grund von während der Herstellung des zweiten Zwischenschichtisolierfilms 15 gebildetem Wasserstoffgas vermieden werden kann. Im Ergebnis kann eine sich abrupt ändernde Hystereseschleife für das äußere elektrische Feld und die Polarisation aufrechterhalten werden, so dass. ein erfolgreiches Speicherbauteil erzielt wird, das auf einfache und korrekte Weise unterscheiden kann, ob die abgespeicherte Information "0" oder "1" entspricht.
  • Außerdem wird zwar bei dieser Ausführungsform zur Herstellung der TaSiN- Barrieremetallschicht 13 ein Sputtervorgang verwendet, jedoch können auch andere Prozesse wie ein CVD-Prozess, ohne jede Einschränkungen verwendet werden.
  • Auch wird bei dieser Ausführungsform die TaSiN-Barrieremetallschicht 13 als Wasserstoffgas-Barrieremetallschicht verwendet, jedoch ist die Erfindung nicht hierauf eingeschränkt. Zum Beispiel können auch sogar Nitride in Kombination von Si und irgendeinem der Elemente Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W oder sogar Nitride in Kombination von Si und irgendeiner Kombination von Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ein diffundierendes Eindringen von Wasserstoffgas verhindern, und es können ähnliche Effekte wie diejenigen von TaSiN erwartet werden.
  • Auch wurde diese Ausführungsform für den Fall beschrieben, dass die TaSiN-Barrieremetallschicht 13 über die Zusammensetzung Ta0,80Si0,20N0,59 verfügt. Jedoch wurde als Ergebnis von versuchen, bei denen die Werte von x, y im Ausdruck MxSi1–xNy des Wasserstoffgas-Barrieremetalls variiert wurden geklärt, dass nur dann, wenn 0,75 ≤ x ≤ 0,95 und 0 < y ≤ 1,3 gelten, der Wasserstoffgas-Blockiereffekt erzielt werden kann, wobei M eines der Elemente Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W ist.
  • Ferner wird bei dieser Ausführungsform ein SBT-Dünnfilm als Material für den ferroelektrischen Oxid-Dünnfilm verwendet. Jedoch ist, ohne Einschränkung hierauf, die Erfindung bei Materialien wie PZT(Pb(Zr,Ti)O3), SrBi2Nb2O9, SrBi2(Ta,Nb)2O9, Bi4Ti3O12, SrBi4Ti4O15, SrBi4(Ti,Zr)4O15, CaBi2Ta2O9, BaBi2Ta2O9, BaBi2Nb2O9, PbBi2Ta2O9 und dergleichen anwendbar.
  • Auch wurde die obige Ausführungsform für ein Beispiel des Wasserstoffgas-Blockiereffekts an einem ferroelektrischen Oxid-Dünnfilm erläutert, jedoch kann dieser auch bei einem stark dielektrischen Oxid-Dünnfilm erwartet werden, was es ermöglicht, Abschälvorgänge zwischen der oberen Elektrode und dem stark dielektrischen Oxid-Dünnfilm auf Grund des Eindringens von Wasserstoffgas sowie Eigenschaftsbeeinträchtigungen eines stark dielektrischen Oxidkondensators zu verhindern.
  • Wie es aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann, beim erfindungsgemäßen Halbleiter-Speicherbauteil, da eine Barriereschicht mit elektrischer Leitfähigkeit und Wasserstoffgas-Blockiereigenschaften auf einem Kondensator vorhanden ist, der über eine untere Elektrode, einen stark dielektrischen Oxid-Dünnfilm oder einen ferroelektrischen Oxid-Dünnfilm verfügt, während der Herstellung des Zwischenschichtisolierfilms erzeugtes Wasserstoffgas, oder Wasserstoffgas, wie es während der Wiederherstellung der MOS-Eigenschaften verwendet wird, durch die Barriereschicht daran gehindert werden, in die Seite des stark ferroelektrischen Oxid-Dünnfilms oder des ferroelektrischen Oxid-Dünnfilms einzudringen.
  • Daher kann ein Reduktionseffekt des Wasserstoffgases an der Grenzfläche des dielektrischen Oxid-Dünnfilms verhindert werden, und es können das Abschälen zwischen der oberen Elektrode und dem dielektrischen Oxid-Dünnfilm sowie die Eigenschaftsbeeinträchtigungen des diesen dielektrischen Oxid-Dünnfilm enthaltenden Kondensators vermieden werden.
  • Ferner ist es, da die Barriereschicht über elektrische Leitfähigkeit verfügt, nicht erforderlich, eine Öffnung als Elektrodenherausführloch anzubringen. Demgemäß kann die Barriereschicht in gutem Kontakt mit der Herausführungs-Leiterbahn gebracht werden, während der dielektrische Oxid-Dünnfilm ausreichend geschützt ist.
  • Ferner werden, wenn die Barriereschicht nie kristallisiert sondern bei den Brenntemperaturen zum Kristallisieren des dielektrischen Oxid-Dünnfilms amorph bleibt, keine Pfade an Korngrenzen gebildet, so dass der Wasserstoffgas-Blockiereffekt effektiv erfüllt werden kann.
  • Auch kann beim erfindungsgemäßen Halbleiter-Speicherbauteil, da eine obere Elektrode mit elektrischer Leitfähigkeit und Sauerstoffgas-Blockiereigenschaften auf einem stark dielektrischen Oxid-Dünnfilm vorhanden ist, durch diesen Sauerstoffgas-Blockiereffekt der oberen Elektrode verhindert werden, dass Sauerstoffgas während des Brennens des stark dielektrischen Oxid-Dünnfilms aus diesen entweicht. Daher kann eine Beeinträchtigung der Leckstromeigenschaften des stark dielektrischen Oxid-Dünnfilms auf Grund eines Entweichens von Sauerstoffgas vermieden werden.
  • Ferner werden, wenn die obere Elektrode nie kristallisiert, sondern wenn sie bei den Brenntemperaturen für den stark dielektrischen Oxid-Dünnfilm amorph bleibt, keine Pfade an Korngrenzen gebildet, so dass das Verhindern des Entweichens von Sauerstoffgas aus dem stark dielektrischen Oxid-Dünnfilm effektiv erfüllt werden kann.
  • Nachdem die Erfindung auf diese Weise beschrieben wurde, ist es ersichtlich, dass sie auf viele Arten variiert werden kann. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung anzusehen, und alle Modifizierungen, wie sie für den Fachmann ersichtlich sind, sollen im Schutzumfang der folgenden Ansprüche enthalten sein.

Claims (4)

  1. Halbleiter-Speicherbauteil mit: – einem Kondensator (200) mit einer unteren Elektrode (10), einem hoch-dielektrischen Oxid-Dünnfilm oder einem ferroelektrischen Oxid-Dünnfilm (11) sowie einer oberen Elektrode (12); und – einer Barriereschicht (13), die die obere Elektrode (12) des Kondensators (200) bedeckt und über elektrische Leitfähigkeit und Sperreigenschaften gegen Wasserstoffgas verfügt; dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (13) ein Dünnfilm aus einem Nitrid von Silicium und einem oder mehreren der Elemente Zirkonium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal und Wolfram ist.
  2. Halbleiter-Speicherbauteil nach Anspruch 1, bei dem die Barriereschicht (13) über eine amorphe Struktur verfügt und sie bei Brenntemperaturen nicht kristallisiert, die dazu geeignet sind, den hoch-dielektrischen Oxid-Dünnfilm oder den ferroelektrischen Oxid-Dünnfilm (11) zu kristallisieren.
  3. Halbleiter-Speicherbauteil nach Anspruch 1, ferner mit einem mit dem Kondensator (200) verbundenen MOS-Transistor (100).
  4. Halbleiter-Speicherbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Barriereschicht (13) aus einem durch MxSi1–xNy repräsentierten Material besteht, wobei M Zirkonium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal oder Wolfram. repräsentiert, Si Silicium repräsentiert und N Stickstoff repräsentiert, wobei 0,75 ≤ x ≤ 0,95 und 0 < y ≤ 1,3 gelten.
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