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Dokumentenidentifikation DE102004062585A1 25.08.2005
Titel Verfahren zur Ausbildung eines ultradünnen Films und Halbleitereinrichtung, die einen derartigen Film enthält
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Moon, Bum-Ki, Poughkeepsie, N.Y., US
Vertreter Jannig & Repkow Patentanwälte, 86199 Augsburg
DE-Anmeldedatum 24.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004062585
Offenlegungstag 25.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.08.2005
IPC-Hauptklasse H01L 21/314
IPC-Nebenklasse H01L 21/8239   
Zusammenfassung Ein Verfahren zur Herstellung eines ultradünnen PZT-Pyrochlor-Films umfaßt die Bereitstellung einer Struktur mit einer Basisschicht und das Ausbilden einer Titanschicht und einer PZT-Schicht in gegenseitigem Kontakt auf der Basisschicht. Die Struktur wird geglüht, um auf der Basisschicht eine PZT-Pyrochlor-Schicht auszubilden. Es können dadurch neuartige Bauelemente mit einer ultradünnen PZT-Schicht hergestellt werden.

Beschreibung[de]
Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Ausbildung eines PZT-Pyrochlor-Ultradünnfilms. Ein derartiger Film kann dadurch mit einer sehr glatten Oberfläche und einer ausgezeichneten Kristallkorngleichförmigkeit hergestellt werden, wodurch er sich zum Einsatz als dielektrisches Material in einem Halbleiterbauelement eignet.

Herkömmliche, für den Einsatz in Kondensatoren oder als eine Gateisolierungsschicht in einer FET-Struktur verwendete herkömmliche dünne dielektrische Materialien sind beispielsweise Ta2O5, Al2O3, CeO2 und SiON. Eine typische Dielektrizitätskonstante für einen Al2O3-Film liegt im Bereich zwischen 10 und 15.

Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) ist ein wohlbekanntes Material, das bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen eine Reihe von verschiedenen Anwendungen finden kann, beispielsweise als ein ferroelektrisches Material. PZT kann mit einer Pyrochlor-Phase darin ausgebildet werden. Ein derartiges Material wird im folgenden als "PZT-Pyrochlor" bezeichnet. Auf diese Weise können Filme mit sehr hohen Dielektrizitätskonstanten, beispielsweise von 40 bis zu 100, bereitgestellt werden. Wenn ein PZT-Pyrochlor-Film hergestellt werden könnte, der extrem dünn ist und dabei eine sehr glatte Oberfläche und eine ausgezeichnete Korngleichförmigkeit aufweist, dann gäbe es eindeutige Vorteile hinsichtlich der Möglichkeit der Herstellung von qualitativ hochwertigen VLSI/ULSI-Bauelementen, wie etwa Kondensatoren, FETs und dergleichen mit hoher Integrationsdichte und guter Zuverlässigkeit.

Definition der Erfindung

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines ultradünnen PZT-Pyrochlor-Films, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Bereitstellen einer Struktur mit einer Basisschicht und Ausbilden einer Titanschicht und einer PZT-Schicht in gegenseitigem Kontakt auf der Basisschicht, wobei die Struktur geglüht wird, um dadurch die PZT-Pyrochlor-Schicht auf der Basisschicht auszubilden. Vorzugsweise umfaßt die Titanschicht elemantares Titan oder Titanoxid (TiOx).

Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt die Titanschicht zuerst über einem Substrat oder Wafer und die PZT-Schicht danach darauf vor dem Glühen ausgebildet. Die umgekehrte Situation (Abscheidung von PZT vor der Ti-Schicht) liegt jedoch ebenfalls innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung.

Für eine gute Glattheit beträgt optimalerweise das Verhältnis der Dicke der Titanschicht zu der der PZT-Schicht mindestens 1:3, bevorzugt mindestens 1:2, besonders bevorzugt mindestens 1:1, beispielsweise bis zu 1:0,1.

Typische Glühtemperaturen liegen zwischen 400°C und 800°C, bevorzugt zwischen 550°C und 750°C.

Die Abscheidung der zu glühenden Schichten kann durch herkömmliche Verfahren wie etwa physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder chemische Dampfabscheidung (CVD) oder Aufschleudern bewirkt werden. Das Glühverfahren kann auch durch herkömmliche Mittel bewirkt werden, beispielsweise die Verwendung von schnellem thermischem Glühen (RTA – rapid thermal annealing) oder in einem Ofen. Das Glühen kann in vielen geeigneten Atmosphären ausgeführt werden, wie etwa Sauerstoff, Luft oder Stickoxid.

Bevorzugt werden die Ti- und PZT-Schicht auf einer Metallschicht wie etwa Pt, Au oder W ausgebildet.

In der Praxis kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung dafür verwendet werden, einen großen Bereich von elektronischen Bauelementen herzustellen, beispielsweise Kondensatoren oder aktive Bauelemente wie etwa verschiedene Arten von FET.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt deshalb ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators bereit, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Ausbilden einer unteren Elektrodenschicht, Ausbilden einer Titanschicht und einer PZT-Schicht in gegenseitigem Kontakt, Durchführen eines Glühschritts, so daß aus der Titanschicht und der PZT-Schicht eine dielektrische PZT-Pyrochlor-Schicht ausgebildet wird, und Ausbilden einer oberen Elektrodenschicht über der dielektrischen PZT-Pyrochlor-Schicht. Vorzugsweise umfaßt die Titanschicht elemantares Titan oder Titanoxid (TiOx). Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors bereit, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Ausbilden eines Draingebiets und eines Sourcegebiets, die durch ein Gategebiet getrennt sind, Ausbilden einer Titanschicht und einer PZT-Schicht in gegenseitigem Kontakt und mindestens teilweise über dem Gategebiet liegend, Durchführen eines Glühschritts, so daß aus der Titanschicht und der PZT-Schicht eine isolierende PZT-Pyrochlor-Schicht ausgebildet wird, und Ausbilden einer Gateelektrode über der isolierenden PZT-Pyrochlor-Schicht.

Elektronische Bauelemente mit ultradünnen Pyrochlor-Schichten sind ebenfalls für sich neuartig. Deshalb stellt ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein elektronisches Bauelement bereit, das eine PZT-Pyrochlor-Schicht mit einer Dicke von höchstens 20 nm, bevorzugt höchstens 10 nm, umfaßt.

Die vorliegende Erfindung wird nun durch die folgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1A eine Struktur zum Bewirken des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;

1B die Struktur der Bauelementstruktur, die sich aus der Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung auf die in 1A gezeigte Struktur ergibt; und

2 eine Ausführungsform eines Bauelements, das sich aus der Ausnutzung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ergibt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 wird in 1A eine Struktur zum Bewirken eines anfänglichen Schritts des Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.

Wie in 1A gezeigt, ist auf einem Siliziumsubstrat 1 eine Metallschicht 3 wie etwa aus Platin ausgebildet.

Auf der metallisierten Schicht 3 ist durch PVD eine Titanschicht und dann durch CVD auf der Titanschicht 5 eine PZT-Schicht 7 ausgebildet.

Bevorzugt umfaßt die Titanschicht elementares Titan oder Titanoxid (TiOx). Elementares Titan bezieht sich auf Titan, das keine Verbindung eingegangen ist, um Teil einer Verbindung zu bilden.

Bei diesem Beispiel wird der Wafer in einer Sauerstoffumgebung 30 Sekunden lang bei 650°C geglüht.

Infolge des Glühprozesses bilden, wie in 1B gezeigt, die Titanschicht 5 und die PZT-Schicht 7 eine ultradünne PZT-Pyrochlor-Schicht 9.

Es wurden Tests durchgeführt, um eine PZT-Schicht mit einer Pyrochlor-Phase gemäß dem oben erwähnten Verfahren herzustellen, wobei eine 2,5 nm elementare Titanschicht und eine 7,5 nm PZT-Schicht auf einer Platinschicht 5 verwendet wurden. Bei experimentellen TEM-Messungen fand man im Querschnitt bis hinunter zum nm-Maßstab eine glatte Morphologie, und es wurden ausgezeichnete kleine Pyrochlor-Körner beobachtet. Um die Art der Pyrochlor-Phase zu bestätigen, wurde ein Nanometer-Strahl-Diffraktionsverfahren verwendet, und das Diffraktionsmuster zeigte ein typisches PZT-Pyrochlor-Kristallsystem.

Bei einer weiteren Untersuchung unter Verwendung von 2,5 nm elementarem Titan und 17,5 nm PZT fand man eine PZT-/Pyrochlor-Mischphase. Unter diesen Bedingungen ergab sich während des Glühens wegen der PZT-Rekristallisierung eine rauhere Oberfläche, was zu der Ausbildung einer PZT-{110}-Kristallstruktur führte. Daraus wurde hergeleitet, daß das Verhältnis Titan zu PZT gewöhlich mindestens 1:3 betragen sollte.

Wie in 2 gezeigt, ist ein typisches Bauelement, das vorteilhafterweise mit diesem Verfahren hergestellt werden kann, ein 3-D-Stapelkondensator.

Wie in 2 gezeigt, weist dieser Kondensator 11 eine Polysilizium- oder Metall- (z.B. W) -Insel oder Knoten 13 auf, der auf einem Plug 15 in einem dielektrischen Zwischenfilm 17 ausgebildet ist. Nach dem Ätzen einer Isolierung wird über dem Knoten 13 eine untere Platinschicht 19 ausgebildet, gefolgt von Titan und dann PZT in Dicken ähnlich den oben bezüglich der Ausführungsform der 1A und 1B erwähnten. Nach dem Glühen unter ähnlichen Bedingungen wie oben verschmelzen dann die Titan- und PZT-Schicht unter Ausbildung eines PZT-Films mit Pyrochlor-Phase 25 mit sehr geringer Dicke. Schließlich wird eine obere Platinschicht 27 abgeschieden.

Angesichts dieser Beschreibung fallen Modifikationen dieser beschriebenen Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen in den Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung eines ultradünnen PZT-Pyrochlor-Films, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Bereitstellen einer Struktur mit einer Basisschicht und Ausbilden einer Titanschicht und einer PZT-Schicht in gegenseitigem Kontakt auf der Basisschicht, wobei die Struktur geglüht wird, um dadurch die PZT-Pyrochlor-Schicht auf der Basisschicht auszubilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Titanschicht elementares Titan umfaßt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Titanschicht Titanoxid umfaßt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Dicke der Titanschicht zu der der PZT-Schicht mindestens 1:3 beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Struktur bei einer Temperatur von 400°C bis 800°C geglüht wird.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Ausbilden einer unteren Elektrodenschicht, Ausbilden einer Titanschicht und einer PZT-Schicht in gegenseitigem Kontakt, Durchführen eines Glühschritts, so daß aus der Titanschicht und der PZT-Schicht eine dielektrische PZT-Pyrochlor-Schicht ausgebildet wird, und Ausbilden einer oberen Elektrodenschicht über der dielektrischen PZT-Pyrochlor-Schicht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Titanschicht elementares Titan umfaßt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Titanschicht Titanoxid umfaßt.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Ausbilden eines Draingebiets und eines Sourcegebiets, die durch ein Gategebiet getrennt sind, Ausbilden einer Titanschicht und einer PZT-Schicht in gegenseitigem Kontakt und mindestens teilweise über dem Gategebiet liegend, Durchführen eines Glühschritts, so daß aus der Titanschicht und der PZT-Schicht eine isolierende PZT-Pyrochlor-Schicht ausgebildet wird, und Ausbilden einer Gateelektrode über der isolierenden PZT-Pyrochlor-Schicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Titanschicht elementares Titan umfaßt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Titanschicht Titanoxid umfaßt.
  12. Elektronisches Bauelement, das eine PZT-Pyrochlor-Schicht mit einer Dicke von höchstens 20 nm, bevorzugt höchstens 10 nm, umfaßt.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Struktur bei einer Temperatur zwischen 550°C bis 750°C geglüht wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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