EP1103067A1 - Dram-speicherkondensator und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Dram-speicherkondensator und verfahren zu dessen herstellung

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EP1103067A1
EP1103067A1 EP99944246A EP99944246A EP1103067A1 EP 1103067 A1 EP1103067 A1 EP 1103067A1 EP 99944246 A EP99944246 A EP 99944246A EP 99944246 A EP99944246 A EP 99944246A EP 1103067 A1 EP1103067 A1 EP 1103067A1
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EP
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dram memory
layer
memory capacitor
capacitor according
dielectric
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Ceased
Application number
EP99944246A
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English (en)
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Inventor
Hans Reisinger
Gerhard Beitel
Stephan Schlamminger
Hermann Wendt
Gerrit Lange
Thomas-Peter Haneder
Martin Franosch
Herbert Schäfer
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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    • H10D1/00—Resistors, capacitors or inductors
    • H10D1/60—Capacitors
    • H10D1/68—Capacitors having no potential barriers
    • H10D1/682—Capacitors having no potential barriers having dielectrics comprising perovskite structures
    • H10D1/684—Capacitors having no potential barriers having dielectrics comprising perovskite structures the dielectrics comprising multiple layers, e.g. comprising buffer layers, seed layers or gradient layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
    • H10P14/60—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials
    • H10P14/63—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials characterised by the formation processes
    • H10P14/6326—Deposition processes
    • H10P14/6328—Deposition from the gas or vapour phase
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    • H10P14/692—Inorganic materials composed of oxides, glassy oxides or oxide-based glasses
    • H10P14/6938—Inorganic materials composed of oxides, glassy oxides or oxide-based glasses the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal oxynitrides or metal oxycarbides
    • H10P14/69398—Inorganic materials composed of oxides, glassy oxides or oxide-based glasses the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal oxynitrides or metal oxycarbides the material having a perovskite structure, e.g. BaTiO3

Definitions

  • the present invention relates to a DRAM memory capacitor with a dielectric made of BaSrTi0 3 (BST) arranged between two electrodes, and to a method for producing such a DRAM memory capacitor.
  • BST BaSrTi0 3
  • BST is a "high- ⁇ material" which, due to its maximum possible density of the electrical charge, which is about ten times higher than that of silicon nitride, is considered to be particularly promising as a dielectric of DRAM storage capacitors.
  • Another advantage of BST is that its scaling in terms of layer thickness and operating voltage is far below that for silicon nitride.
  • BST (Ba 0 .7Sr 0 .3) Ti0 3 (BST) "it is known that the maximum density of the electrical charge on BST and thus its minimum layer thickness for a given operating voltage is not due to leakage currents, but rather due to the electrical breakdown voltage and the service life until a breakthrough and ultimately limited by the reliability of the BST.
  • the trapping of electrons plays an important role in the measurement of the service life of a dielectric under electrical stress.
  • the trapping of charge carriers is understood to mean the trapping of charge carriers in a potential well or in a potential well. In this sense, the term is also used here.
  • Electrodes which is inevitably the case with a DRAM memory capacitor, therefore lead to a considerable shortening of the service life of this capacitor.
  • dielectric DRAM memory capacitor which is characterized by a long life; a method for producing such a DRAM memory capacitor is also to be specified.
  • the dielectric has at least three layers, the middle layer representing a potential well for trapping electrons.
  • This potential well can be formed in that the dielectric is designed as a triple layer.
  • n layers (n> 4) can also be provided.
  • a triple layer is preferably symmetrical in its thickness direction.
  • the triple layer can have a layer thickness of approximately 50 nm, the individual layers having layer thicknesses of approximately 17 nm. In general, however, layer thicknesses of 5 ... 30 n are possible.
  • the thickness equivalent to silicon dioxide is only a few angstroms ( ⁇ ).
  • Pt can be used for the electrodes of the storage capacitor.
  • other materials are also possible.
  • the method according to the invention for producing the DRAM storage capacitor is distinguished in that the dielectric is produced by CVD (deposition from the gas phase) or sputtering and in that after deposition of a respective layer, a temperature treatment in the form of an annealing or annealing step m oxygen (0 2 ) is carried out.
  • CVD deposition from the gas phase
  • m oxygen m oxygen
  • the middle layer forms a potential well in which the trapped electrons are permanently held, so that they cannot be released even if the storage capacitor is reversed several times and is permanently released stay trapped. Due to the reduced current flow, the life of the storage capacitor can be increased considerably.
  • the storage capacitor shown can be produced in a simple manner by CVD or sputtering, the grain growth being interrupted after the production of each individual layer by the annealing or annealing step mentioned, so that the formation of current paths along grain boundaries is suppressed.

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  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen DRAM-Speicherkondensator mit einem Dielektrikum aus BaSrTiO3 (BST). Dieses Dielektrikum weist eine Dreischichtstruktur zur Bildung eines Potentialtopfes auf, in welchem Elektronen dauerhaft getrappt werden.

Description

Beschreibung
DRAM-Speicherkondensator und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen DRAM-Speicherkondensator mit einem zwischen zwei Elektroden angeordnetem Dielektrikum aus BaSrTi03 (BST) sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen DRAM-Speicherkondensators.
Bekanntlich ist BST ein "hoch-ε-Material" , das infolge seiner beispielsweise gegenüber Siliziumnitrid etwa zehnmal höheren maximal möglichen Dichte der elektrischen Ladung als Dielektrikum von DRAM-Speicherkondensatoren für besonders erfolgversprechend gehalten wird. Vorteilhaft an BST ist dabei zu- sätzlich, daß seine Skalierung hinsichtlich Schichtdicke und Betriebsspannung weit unterhalb von derjenigen für Siliziumnitrid liegt.
Aus VLSI Symposium 98, H. Reisinger et al . , "Dielectric Bre- akdown, Reliability and Defect Density of
(Ba0.7Sr0.3) Ti03 (BST) " ist bekannt, daß die maximale Dichte der elektrischen Ladung auf BST und damit dessen minimale Schichtdicke bei vorgegebener Betriebsspannung nicht durch Leckströme, sondern vielmehr durch die elektrische Durch- bruchspannung und die Lebensdauer bis zu einem Durchbruch und damit letztlich durch die Zuverlässigkeit des BST begrenzt werden.
Bei der Bemessung der Lebensdauer eines Dielektrikums unter elektrischer Beanspruchung spielt das Trappen von Elektronen eine bedeutsame Rolle. So ist aus Applied Surface Science 39 (1989), S. 178-191, W. Hönlein et al . "ONO Technology", bekannt, daß bei ONO- (Oxyd-Nitrid-Oxyd-) Strukturen mit Schichtdicken von beispielsweise 5 nm, 8 nm, 5 nm Elektronen mög- liehst permanent getrappt werden sollten, was zu einem geringeren Strom und damit zu einer erhöhten Lebensdauer und zu einer niedrigeren Defektdichte infolge eines Selbstheilungsmechanismus von Schwachstellen führt. Unter dem Trappen von Ladungsträgern wird m der Fachwelt das Einfangen von Ladungsträgern m einer Potentialmulde oder in einem Potentialtopf verstanden. In diesem Sinne wird der Begriff auch hier verwendet.
Die Bedeutung des Trappens laßt sich wie folgt erklaren: Nach Anlegen einer Spannung mittels Elektroden an eine BST-Schicht werden m dieser Elektronen getrappt, was den Strom als Funktion der Zeit abnehmen laßt. Getrappte Elektronen wirken sich also infolge des verminderten Stromes gunstig auf die Lebensdauer aus. Bei Umpolen der elektrischen Spannung an den Elektroden werden jedoch die getrappten Elektronen "de-trappt" (bzw. aus den Trappstellen freigesetzt) , was die Schicht wieder m ihren Ausgangszustand zurückbringt und den Strom er- höht. Ein standiges Hm- und Herpolen der Spannung an den
Elektroden, was bei einem DRAM-Speicherkondensator zwangsläufig der Fall ist, fuhrt somit zu einer beträchtlichen Verkürzung der Lebensdauer dieses Kondensators.
Schließlich ist aus Thm Solid Films 299 (1997) 14-17, F.
Tcheliebon et al . "On the microstructure and optical proper- ties of Ba05Sr05T1O3 fil s", bekannt, daß d e Bandlucke von BST eine Funktion des Bariumgehaltes ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen ein BST-
Dielektrikum aufweisenden DRAM-Speicherkondensator zu schaffen, der sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnet; außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen eines solchen DRAM- Speicherkondensators angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bei einem DRAM-Speicherkondensator der eingangs genannten Art erfmdungsgemaß dadurch gelost, daß das Dielektrikum mindestens drei Schichten aufweist, wobei die mittlere Schicht einen Potentialtopf zum Trappen von Elektronen darstellt.
Im Betrieb des Speicherkondensators werden m dem Potential- topf, das heißt m der mittleren Schicht, getrappte Ladungsträger, insbesondere Elektronen, permanent festgehalten, so daß sie selbst bei mehrfachem Umpolen des Speicherkondensators nicht freigesetzt werden. Dadurch wird die Lebensdauer des Speicherkondensators erheblich gesteigert.
Dieser Potentialtopf kann dadurch gebildet werden, daß das Dielektrikum als Dreifachschicht ausgebildet ist. Anstelle von drei Schichten können aber auch n Schichten (n > 4) vorgesehen werden. Eine Dreifachschicht ist m ihrer Dickenrichtung in bevorzugter Weise symmetrisch gestaltet. Dabei können zwei Randschichten aus BaSrTι03 und eine mittlere Schicht aus BaSrTι03 mit einem gegenüber den Randschichten verminderten Gehalt an Ba und/oder Ti bestehen. Der Potentialtopf wird also durch Variation des Ba- bzw. Ti-Gehaltes der mittleren Schicht m bezug auf die Randschichten geschaffen.
Die Dreifachschicht kann eine Schichtdicke von etwa 50 nm aufweisen, wobei auf die einzelnen Schichten Schichtdicken von etwa 17 nm entfallen. Generell sind aber Schichtdicken von 5 ... 30 n möglich.
Bei dem erfmdungsgemaßen DRAM-Speicherkondensator mit einer nur wenig von Ba/Sr bzw. Ti abhangigen Dielektrizitätskonstanten ε (200 < ε < 500) betragt die zu Siliziumdioxid äquivalente Dicke nur wenige Angstrom (Ä) .
Für die Elektroden des Speicherkondensators kann beispielsweise Pt verwendet werden. Andere Materialien sind aber auch möglich.
Das erfmdungsgemaße Verfahren zum Herstellen des DRAM-Spei- cherkondensators zeichnet sich dadurch aus, daß das Dielektrikum durch CVD (Abscheidung aus der Gasphase) oder Sputtern erzeugt wird und daß nach Abscheiden einer jeweiligen Schicht eine Temperaturbehandlung in der Form eines Glüh- bzw. Anne- alschrittes m Sauerstoff (02) vorgenommen wird. Wahrend einer CVD werden so beispielsweise die Ba/Sr- bzw. Ti-Gehalte der Precursoren verändert, wahrend beim Sputtern das Target umgeschaltet wird. Damit ist die gewünschte Änderung der Schichtstochiometrie auf einfache Weise möglich. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur schematisch die Schichtenfolge des erfindungsgemäßen DRAM-Speicherkondensators und dessen Energieniveaus gezeigt sind.
Zwischen zwei Elektroden aus Pt mit einem Fermi-Niveau EF befindet sich eine Dreifachschicht aus zwei Randschichten aus BaSrTi03 mit einem unteren Rand Ec des Leitungsbandes und ei- nem oberen Rand Ev des Valenzbandes und einer mittleren
Schicht aus SrTi03 (ggf. mit geringem Ba-Anteil) . Die mittlere Schicht bildet infolge ihrer Stöchiometrie mit im Vergleich zu den Randschichten geringem Ba- (oder Ti) nteil einen Potentialtopf, in welchem die getrappten Elektronen per- manent festgehalten sind, so daß sie selbst bei mehrfachem Umpolen des Speicherkondensators nicht freigesetzt werden können und dauerhaft getrappt bleiben. Durch den dadurch verminderten Stromfluß kann die Lebensdauer des Speicherkondensators erheblich gesteigert werden.
Die Herstellung des dargestellten Speicherkondensators ist durch CVD oder Sputtern auf einfache Weise möglich, wobei durch den erwähnten Glüh- bzw. Annealschritt das Kornwachstum nach Herstellung jeder einzelnen Schicht unterbrochen wird, so daß die Entstehung von Strompfaden entlang von Korngrenzen unterdrückt wird.

Claims

Patentansprüche
1. DRAM-Speicherkondensator mit einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Dielektrikum, das BaSrTi03 (BST) enthält, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Dielektrikum mindestens drei Schichten aufweist, wobei die mittlere Schicht einen Potentialtopf zum Trappen von Elektronen darstellt.
2. DRAM-Speicherkondensator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Dielektrikum als Dreifachschicht ausgebildet ist, die den Potentialtopf bildet.
3. DRAM-Speicherkondensator nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , die Dreifachschicht in ihrer Dickenrichtung symmetrisch ausgebildet ist.
4. DRAM-Speicherkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dreifachschicht aus zwei Randschichten aus BaSrTi03 und einer mittleren Schicht aus BaSrTi03 mit einem gegenüber den Randschichten verminderten Gehalt an Ba und/oder Ti besteht.
5. DRAM-Speicherkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektroden aus Pt bestehen.
6. DRAM-Speicherkondensator nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dreifachschicht eine Schichtdicke von etwa 50 nm aufweist.
7. DRAM-Speicherkondensator nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schichtdicke jeder Schicht der Dreifachschicht etwa 17 nm beträgt.
8. DRAM-Speicherkondensator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Dielektrikum aus n Schichten (n > 4) besteht.
9. DRAM-Speicherkondensator nach Anspruch 2 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jede Schicht der Dreifachschicht bzw. der n Schichten eine Schichtdicke zwischen 5 ... 30 nm aufweist.
10. Verfahren zum Herstellen des DRAM-Speicherkondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Dielektrikum durch CVD oder Sputtern erzeugt wird und daß nach Abscheiden einer jeweiligen Schicht eine Temperaturbehandlung (Annealschritt) in Sauerstoff vorgenommen wird.
EP99944246A 1998-07-06 1999-07-01 Dram-speicherkondensator und verfahren zu dessen herstellung Ceased EP1103067A1 (de)

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