EP1138065A1 - Verfahren zum herstellen einer strukturierten metalloxidhaltigen schicht - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer strukturierten metalloxidhaltigen schicht

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EP1138065A1
EP1138065A1 EP98962218A EP98962218A EP1138065A1 EP 1138065 A1 EP1138065 A1 EP 1138065A1 EP 98962218 A EP98962218 A EP 98962218A EP 98962218 A EP98962218 A EP 98962218A EP 1138065 A1 EP1138065 A1 EP 1138065A1
Authority
EP
European Patent Office
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metal oxide
layer
sbt
containing layer
structuring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98962218A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Hartner
Frank Hintermaier
Günther SCHINDLER
Volker Weinrich
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Priority claimed from PCT/DE1998/003249 external-priority patent/WO2000028584A1/de
Publication of EP1138065A1 publication Critical patent/EP1138065A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10P14/60Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials
    • H10P14/69Inorganic materials
    • H10P14/692Inorganic materials composed of oxides, glassy oxides or oxide-based glasses
    • H10P14/6938Inorganic 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
    • H10P14/69398Inorganic 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
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    • H10D1/60Capacitors
    • H10D1/68Capacitors having no potential barriers
    • H10D1/682Capacitors having no potential barriers having dielectrics comprising perovskite structures
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    • H10P50/283Dry etching; Plasma etching; Reactive-ion etching of insulating materials of inorganic materials by chemical means
    • H10P50/285Dry etching; Plasma etching; Reactive-ion etching of insulating materials of inorganic materials by chemical means of materials not containing Si, e.g. PZT or Al2O3

Definitions

  • the invention is in the field of semiconductor technology and relates to a method for producing a structured layer containing metal oxide.
  • Such layers are to be used in the future, inter alia, as a capacitor dielectric in semiconductor memories, since these layers have high dielectric constants or are ferroelectric.
  • metal oxide-containing layer should therefore be understood in the further layers with a dielectric constant ⁇ > 10 and ferroelectric layers.
  • the latter are characterized in particular by their ability to maintain a remanent (permanent) polarization that can be polarized by an electric field.
  • the polarization of the metal oxide-containing layer follows a hysteresis characteristic of the respective layer.
  • these layers In order for these layers to have the desired dielectric or ferroelectric properties, they usually have to polycrystalline.
  • Layers containing metal oxide consist either of a metal oxide, such as tantalum oxide (Ta 2 0 3 ) or titanium oxide (Ti0 2 ), or of a mixture of at least two metal oxides.
  • the latter are also often referred to as the ABO class, with O for oxygen, A and B for metals from the group strontium, calcium, barium, bismuth, cadmium, lead, titanium, tantalum, hafnium, tungsten, niobium, zirconium, scandiu , Yttrium, lanthanum, antimony, chromium and talium.
  • These metal oxides or metal oxide mixtures form crystal or crystal superlattices, the latter being the successive change of several Sub-lattice is understood.
  • a typical crystal structure is, for example, the layered perovskite structure, which occurs, for example, in the case of strontium bismuth tantalate (SrBi 2 Ta 2 0 9 ).
  • a method for producing a structured metal oxide-containing and polycrystalline layer is described, for example, in US Pat. No. 5,434,102.
  • a layer containing metal oxide is first applied to a substrate.
  • the still amorphous layer is then briefly heated to induce crystallization nuclei and then subjected to a heat treatment.
  • the layer containing metal oxide crystallizes completely to form a polycrystalline layer which can be structured further.
  • layers produced and structured in this way show stoichiometric deviations, which can lead to impairment of the desired dielectric or ferroelectric properties, in particular in the case of very fine structuring in the micrometer and submicron range (structure width approximately equal to or less than 1 ⁇ m).
  • One consequence of these stoichiometric deviations is a lower electrical load capacity of the layer containing metal oxide.
  • this is undesirable in particular in the case of highly integrated semiconductor components, for example in the case of semiconductor memories.
  • This object is achieved according to the invention by a method for producing a structured metal oxide-containing layer with the following method steps: provision of a substrate;
  • the basic idea of the invention is to carry out the heat treatment, in which the applied and initially essentially amorphous metal oxide-containing layer is subjected to a crystallization process, only after the structuring of the metal oxide-containing layer.
  • This creates particularly robust layers containing metal oxide, which e.g. have a low leakage current. It is also characteristic of the layers created in this way that the stoichiometric conditions are only insignificantly influenced by the structuring and the heat treatment.
  • the layers produced in this way prove to be particularly stable in the case of electrical layers which reach the electrical breakdown
  • the mobile and diffusion-friendly metal oxides can diffuse relatively quickly to active areas of components and irreversibly influence them.
  • the layer containing metal oxide is structured before it crystallizes.
  • the layer containing metal oxide is essentially still amorphous, so that there are no diffusion paths formed by grain boundaries. Rather, the amorphous layer containing metal oxide is only removed in layers by the structuring, so that a possible evaporation of metal oxides can only take place from the uppermost and thus extremely thin layer. Possible disturbances can therefore only extend to a few atomic layers and do not extend relatively far into the layer itself, as is already the case with polycrystalline layers, due to the diffusion facilitated there.
  • the layer containing metal oxide is essentially amorphous. This state occurs immediately after the deposition of the metal oxide-containing layer and is due to a non-crystalline structure, which may already be a few, but relatively small May have crystallites.
  • essentially amorphous layers containing metal oxides do not yet have the desired dielectric or ferroelectric properties, ie the dielectric constant is relatively low or no or only a negligibly low remanent polarization can be brought about.
  • these layers In order to improve or bring about the dielectric or ferroelectric properties, these layers must therefore be subjected to crystallization, these layers then being essentially polycrystalline after crystallization.
  • the aim is to achieve as complete a crystallization as possible with the formation of relatively large crystal domains, since it is precisely these crystal domains that determine the desired properties.
  • the method according to the invention is preferably used for the production of semiconductor memory elements in which the memory element is formed by a dielectric or ferroelectric capacitor.
  • Layer serves as a capacitor dielectric, which is located between two electrodes.
  • an electrode layer is preferably deposited on the substantially amorphous metal oxide-containing layer and structured together with the latter.
  • the subsequently deposited electrode layer protects the relatively sensitive layer containing metal oxide during structuring.
  • the number of process steps is reduced by structuring the electrode layer and the layer containing metal oxide together.
  • This step is, for example, a so-called rapid thermal process (RTP), in which the first nuclei are formed in the metal oxide-containing layer by a relatively short heating, but there is still no complete crystallization. This takes place only subsequently during the heat treatment under optimal conditions.
  • RTP rapid thermal process
  • the nucleation process can either be carried out immediately after the essentially amorphous metal oxide-containing layer has been applied, or can follow the structuring of the metal oxide-containing layer.
  • the metal oxide-containing layer preferably consists of strontium bismuth tantalate (SBT), strontium bismuth niobate tantalate (SBTN), lead zirconium titanate (PZT), barium strontium titanate (SBT), lead lanthanum titanate ( PLT), lead-lanthanum-zirconium-titanate (PLZT), bismuth-titanate (BTO) or metal oxides protruding from a derivative.
  • SBT strontium bismuth tantalate
  • SBTN strontium bismuth niobate tantalate
  • PZT lead zirconium titanate
  • PLT barium strontium titanate
  • PLT lead lanthanum titanate
  • PLT lead-lanthanum-zirconium-titanate
  • BTO bismuth-titanate
  • Figure 5 shows the leakage current behavior of the metal oxide-containing layer
  • Figure 6 shows the polarization behavior of a metal oxide-containing layer.
  • Ferroelectric SBT (strontium bismuth tantalate) should preferably be close to the ideal stoichiometry of SrBi 2 Ta 2 0 9 and have a perovskite-like crystal structure.
  • a semiconductor body is provided (1).
  • This usually comprises a silicon base substrate, into which active components, for example field effect transistors, are integrated.
  • the silicon base substrate is covered by a planarizing insulation layer, which usually consists of Si0 2 . This insulation layer is intended to represent the substrate.
  • At least one first electrode which preferably consists of platinum and has a height of approximately 50 to 300 nm, is located on the substrate.
  • Other preferred electrode materials are ruthenium, iridium and their conductive oxides.
  • An SBT layer is subsequently deposited on the substrate (2). This is preferably done by means of metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) in a suitable CVD reactor. Before the deposition, the starting products are in
  • Beta-diketonates are preferably used as complexing agents.
  • the starting products are introduced into the CVD reactor and mixed with an oxidizing agent, for example 0 2 or N 2 0. This serves to oxidize the metal complexes, so that metal oxides can be deposited as an amorphous layer on the substrate and the electrode thereon.
  • a nucleation process 3 follows, in the form of a rapid thermal process
  • RTP is carried out. This step is relatively short and is only a few seconds, a temperature for nucleation being set between 500 to 800 ° C, preferably between 600 and 750 ° C. During the nucleation process (3), first crystal nuclei are formed, which, however, cannot continue to grow due to the relatively short treatment time, so that even after this step the SBT layer is still essentially amorphous.
  • the SBT layer is anisotropically etched using a mask (4).
  • etching processes with a high physical component.
  • Such etching processes use, for example, an argon plasma.
  • Chlorine ions can also be present in the plasma, which, in addition to the physical removal, also have a chemical component.
  • the SBT layer is crystallized or heat-treated (5) at about 750 ° C. for about 1 hour in an oxygen-containing atmosphere.
  • the crystallization nuclei already formed thereby grow at the expense of the amorphous portions of the SBT layer, which leads to an essentially polycrystalline layer.
  • the crystallization should preferably take place in such a way that the grain size is as uniform as possible, the individual grains not becoming too large, so that the relatively thin SBT layer (approx. 20 to 180 nm, preferably approx. 40 to 150 nm) does not become too thick has large surface roughness.
  • FIG. 2 A further process sequence is shown in FIG. 2, in which a platinum layer is additionally deposited to form a second electrode.
  • Process steps (1) and (2) are identical to those shown in FIG. 1.
  • a platinum layer is then applied over the entire surface (6), this preferably being done by a sputtering process.
  • the platinum layer obtained has a material thickness of approximately 50 to 200 nm.
  • FIG. 1 Another possible modification of the manufacturing method according to the invention is shown in FIG. This modification differs from the process sequence described in FIG. 2 in that the nucleation process (3) is only carried out after the etching or structuring (7) of the SBT and the platinum layer.
  • the nucleation process (3) can in principle be carried out at any time between the deposition of the SBT layer and the heat treatment (5), that is to say before or after
  • a substrate 20 is provided. This corresponds to process step (1).
  • the substrate 20 is an SiO 2 layer on which a first electrode 22 with a barrier layer 24 located below it is arranged.
  • the first electrode 22 consists of platinum, the barrier layer 24, for example, of a titanium / titanium nitride combination or of other suitable materials.
  • the barrier layer 24 is intended in particular to prevent diffusion of the platinum at elevated process temperatures into the substrate 20 and into the contact hole 26 located there and filled with a conductive material. Polycrystalline silicon is preferably used as the conductive material.
  • the contact hole 26 connects the first electrode 22 to a source or drain region of a selection transistor, not shown here.
  • An SBT layer 28 is subsequently applied to the substrate 20 thus provided.
  • the deposition takes place as described above, in which an amorphous SBT layer 28 is initially formed.
  • a platinum layer 30 is applied to the entire surface of the SBT layer by means of a sputtering process.
  • RTP step through which the first crystallization nuclei form within the SBT layer 28.
  • this RTP step can also be carried out after the subsequent structuring or before the deposition of the platinum layer 30.
  • the structure thus obtained is shown in Figure 4b.
  • the SBT layer 28 is etched anisotropically together with the platinum layer 30 in accordance with method step (7). This is indicated by the arrows shown in Figure 4c. The result is the structure shown in this figure.
  • the etching (4) is carried out in such a way that the side regions 32 of the lower electrode 22 continue to be completely covered by the SBT layer 28, since these should contribute to the storage capacity.
  • the steps shown in FIGS. 4a to 4d can be suitably changed in order to produce the SBT layer 28.
  • the SBT layers produced using the method according to the invention were further characterized in terms of their ferroelectric properties.
  • comb-like test structures with different structure widths of the comb teeth were created with the same total base area of the individual comb-like structures. With a comb-like structure with a smaller structure width, this increases the overall circumference.
  • the comb-like structures consist of a layer stack formed from a lower platinum electrode, an SBT layer and an upper platinum electrode.
  • the SBT layers produced according to the invention have a low leakage current even with small structural widths (less than 1 ⁇ m). This indicates layers that are relatively resistant to breakthrough.
  • a second important characterization variable is the amount of the remanent polarization, which is plotted in FIG. 6. Here, too, it can be clearly seen that the polarization remains relatively constant even with small structures. Such a result could not be determined for the SBT layers produced using previously known methods.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer SBT-Schicht vorgeschlagen. Bei diesem wird die SBT-Schicht nach ihrer Abscheidung (2) als noch amorphe Schicht strukturiert (4, 7) und erst nachfolgend einem Kristallisationsprozess (5) unterworfen. Die so hergestellten Schichten weisen eine relativ hohe Durchbruchsfestigkeit auf und zeigen an den Ätzkanten keine stöchiometrischen Abweichungen.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen einer strukturierten metalloxidhal- tigen Schicht
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleitertechnik und betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten metalloxidhaltigen Schicht.
Derartige Schichten sollen zukünftig unter anderem als Kondensatordielektrikum bei Halbleiterspeichern verwendet werden, da diese Schichten hohe Dielektrizitätskonstanten aufweisen bzw. ferroelektrisch sind.
Unter metalloxidhaltiger Schicht sollen daher im weiteren Schichten mit einer Dielektrizitätskonstante ε > 10 sowie ferroelektrische Schichten verstanden werden. Letztere sind insbesondere durch ihre Fähigkeit, eine durch ein elektrisches Feld umpolarisierbare remanente (dauerhafte) Polarisa- tion beizubehalten, gekennzeichnet. Bei der Umpolarisation folgt die Polarisation der metalloxidhaltigen Schicht dabei einer für die jeweilige Schicht charakteristischen Hysterese. Damit diese Schichten die angestrebten dielektrischen bzw. ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen, müssen sie i.d.R. polykristallin vorliegen.
Metalloxidhaltige Schichten bestehen entweder aus einem Me- talloxid, wie beispielsweise aus Tantaloxid (Ta203) oder Titanoxid (Ti02) , oder aus einem Gemisch mindestens zweier Metalloxide. Letztere werden auch häufig als ABO-Klasse bezeichnet, wobei O für Sauerstoff, A und B für Metalle aus der Gruppe Strontium, Kalzium, Barium, Wismut, Kadmium, Blei, Titan, Tantal, Hafnium, Wolfram, Niob, Zir- kon, Scandiu , Yttrium, Lanthan, Antimon, Chrom und Tal- lium stehen. Diese Metalloxide oder Metalloxidgemische bilden Kristall- oder Kristallsupergitter aus, wobei unter letzterem der auf-einanderfolgende Wechsel mehrerer Subgitter verstanden wird. Unter der allgemeinen ABO- Klasse werden auch Substitutionsmischkristalle und Isomorphe obiger Metalloxide subsumier . Eine typische Kristallstruktur ist beispielsweise die Schicht- PerovskitStruktur, die beispielsweise bei Strontium- Wismut -Tantalat (SrBi2Ta209) auftritt.
Ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten metalloxid- haltige und polykristalline Schicht ist beispielsweise in US 5,434,102 beschrieben. Dort wird zunächst eine metalloxidhal- tige Schicht auf ein Substrat aufgebracht. Die noch amorphe Schicht wird anschließend zur Induzierung von Kristallisationskeimen kurzzeitig erwärmt und nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen. Dabei kristallisiert die metalloxidhal- tige Schicht vollständig zu einer polykristallinen Schicht, die im weiteren strukturiert werden kann. Ungünstigerweise zeigen jedoch derart hergestellte und strukturierte Schichten stöchiometrische Abweichungen auf, die insbesondere bei einer sehr feinen Strukturierung im Mikro- und Submikrometerbereich (Struktur-breite etwa gleich oder kleiner 1 μm) zu einer Beeinträchtigung der angestrebten dielektrischen bzw. ferro- elektrischen Eigenschaften führen können. Eine Folge dieser stöchiometrischen Abweichungen ist eine geringere elektrische Belastbarkeit der metalloxidhaltigen Schicht. Dies ist jedoch insbesondere bei hochintegrierten Halbleiter-bauelementen, beispielsweise bei Halbleiterspeichern, unerwünscht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer haltbaren metalloxidhaltigen Schicht anzuge- ben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten metalloxidhaltigen Schicht mit folgenden Verfahrensschritten gelöst : - Bereitstellen eines Substrats;
- Aufbringen einer im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht auf das Substrat; - Strukturieren dieser im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht; und
- Durchführen einer Wärmebehandlung, bei der die im wesentlichen amorphe metalloxidhaltige Schicht kristallisiert und zu einer im wesentlichen polykristallinen metalloxidhaltigen Schicht umgewandelt wird.
Grundgedanke der Erfindung ist, die Wärmebehandlung, bei der die aufgebrachte und zunächst noch im wesentlichen amorphe metalloxidhaltige Schicht einem Kristallisationsprozeß unterworfen wird, erst nach dem Strukturieren der metalloxidhaltigen Schicht durchzuführen. Dadurch werden besonders robuste metalloxidhaltige Schichten geschaffen, die z.B. einen geringen Leckstrom aufweisen. Charakteristisch für die so geschaf- fenen Schichten ist weiterhin, daß die stöchiometrischen Verhältnisse durch die Strukturierung und die Wärmebehandlung nur unwesentlich beeinflußt werden.
Besonders stabil erweisen sich die so hergestellten Schichten bei bis zum elektrischen Durchbruch reichender elektrischer
Belastung. Dagegen werden bei den mit vorbekannten Verfahren hergestellten Schichten des öfteren makroskopisch beobachtbare Schäden festgestellt, die auf Veränderungen der metalloxidhaltigen Schicht während der Strukturierung zurückge- führt werden können. Die Schäden liegen bei diesen Schichten überwiegend im Randbereich und wirken sich daher insbesondere bei fein strukturierten Schichten (Mikrometer- und Submikro- meterbereich) deutlich aus.
Eine Ursache zur Erklärung dieser Schäden wird in der relativ hohen Mobilität einiger Metalloxide vermutet. Diese können relativ leicht entlang von Korngrenzen diffundieren, bzw. verdampfen beim Strukturieren der wärmebehandelten und damit polykristallinen metalloxidhaltigen Schicht von den geätzten Randbereichen der metalloxidhaltigen Schicht. Insbesondere die polykristalline Struktur der wärmebehandelten metalloxidhaltigen Schicht begünstigt eine Diffusion von hochmobilen und diffusionsfreundigen Metalloxiden. Da diese oftmals auch flüchtig sind und verdampfen, werden insbesondere die Randbereiche der metalloxidhaltigen Schicht gestört. Dort ändert sich aufgrund der Verdampfung das stδchiometrische Verhältnis der metalloxidhaltigen Schicht und damit die angestrebten dielektrischen oder ferroelektrischen Eigenschaften. Eine Folge ist z.B. eine verminderte Durchbruchsfestigkeit.
Darüber hinaus können die mobilen und diffusionsfreundlichen Metalloxide relativ schnell bis zu aktiven Bereiche von Bauelementen diffundieren und diese irreversibel beeinflussen.
Durch die Herstellung der metalloxidhaltigen Schicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden dagegen derartige Schäden vermieden. Der Grund liegt darin, daß die metalloxidhaltige Schicht vor ihrer Kristallisation strukturiert wird. Dabei liegt die metalloxidhaltige Schicht im wesentlichen noch amorph vor, so daß noch keine durch Korngrenzen gebildeten Diffusionspfade vorhanden sind. Vielmehr wird die amorphe me- talloxidhaltige Schicht durch die Strukturierung nur schichtweise abgetragen, so daß ein eventuelles Verdampfen von Metalloxiden nur aus der obersten und damit äußerst dünnen Schicht erfolgen kann. Eventuelle Störungen können sich daher nur auf wenige Atomlagen erstrecken und sich nicht wie bei bereits polykristallinen Schichten durch die dort erleichterte Diffusion relativ weit in die Schicht selbst hinein ausdehnen .
Im Ergebnis liegt somit nach dem Strukturieren eine weitge- hend ungestörte amorphe Schicht vor, die nachfolgend durch die Wärmebehandlung kristallisiert wird.
Vor der Strukturierung und der Wärmebehandlung ist die metalloxidhaltige Schicht im wesentlichen amorph. Dieser Zustand liegt unmittelbar nach der Abscheidung der metalloxidhaltigen Schicht vor und ist durch ein nichtkristallines Gefüge, das eventuell bereits wenige, aber relativ kleine Kristallite aufweisen kann, gekennzeichnet. Im wesentlichen amorphe metalloxidhaltige Schichten weisen weiterhin noch nicht die angestrebten dielektrischen oder ferroelektrischen Eigenschaften auf, d.h., daß die Dielektrizitätskonstante re- lativ gering ist, bzw. noch keine oder nur eine verschwindend geringe remanente Polarisation herbeiführbar ist.
Zur Verbesserung bzw. Herbeiführung der dielektrischen bzw. ferroelektrischen Eigenschaften müssen diese Schichten daher einer Kristallisation unterworfen werden, wobei diese Schichten nach der Kristallisation dann im wesentlichen polykristallin sind. Es wird dabei eine möglichst vollständige Kristallisation unter Bildung relativ großer Kristalldomänen angestrebt, da gerade diese Kristalldomänen die gewünschten Ei- genschaften bestimmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt zur Herstellung von Halbleiterspeicherelementen, bei denen das Speicherelement durch einen dielektrischen bzw. ferroelektrischen Kon- densator gebildet wird, verwendet. Die metalloxidhaltige
Schicht dient dabei als Kondensatordielektrikum, welches sich zwischen zwei Elektroden befindet.
Bevorzugt wird vor dem Strukturieren der im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht eine Elektrodenschicht auf die im wesentlichen amorphe metalloxidhaltige Schicht abgeschieden und zusammen mit dieser strukturiert .
Es hat sich gezeigt, daß die nachfolgend abgeschiedene Elek- trodenschicht beim Strukturieren die relativ empfindliche metalloxidhaltige Schicht schützt. Außerdem wird durch eine gemeinsame Strukturierung der Elektrodenschicht und der metalloxidhaltigen Schicht die Prozeßschrittzahl verringert.
Günstig ist weiterhin, vor der Wärmebehandlung einen Keimbildungsprozeß zur Bildung von Kristallisationskeimen in der im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht durchzuführen.
Dieser Schritt ist beispielsweise ein sogenannter Rapid Ther- mal Process (RTP) , beim dem durch eine relativ kurze Erwärmung der metalloxidhaltigen Schicht erste Keime in dieser gebildet werden, jedoch noch keine vollständige Kristallisation erfolgt . Diese erfolgt erst nachfolgend bei der Wärmebehandlung unter dafür optimalen Bedingungen.
Der Keimbildungsprozeß kann entweder unmittelbar nach dem Aufbringen der im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht durchgeführt werden, oder sich an die Strukturierung der metalloxidhaltigen Schicht anschließen.
Die metalloxidhaltige Schicht besteht bevorzugt aus Strontium-Wismut-Tantalat (SBT) , Strontium-Wismut -Niobat-Tantalat (SBTN) , Blei-Zirkon-Titanat (PZT) , Barium-Strontium-Titanat (SBT) , Blei-Lanthan-Titanat (PLT) , Blei-Lanthan-Zirkon- Titanat (PLZT) , Wismut -Titanat (BTO) oder aus einem Abkömmling vorstehender Metalloxide.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels erläutert und in einer Zeichnung dargestellt. Es zei- gen:
Figuren 1 bis 3 schematische Verfahrensabläufe, Figuren 4a bis 4d einzelne Prozeßschritte zur Herstellung einer polykristallinen metalloxidhaltigen
Schicht, Figur 5 das Leckstromverhalten der metalloxidhaltigen Schicht, und Figur 6 das Polarisationsverhalten einer metalloxidhaltigen Schicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll im folgenden anhand der Herstellung einer SBT-Schicht bei der Integration in einen Halbleiterspeicher erläutert werden. Das in Frage kommende ferroelektrische SBT (Strontium-Wismut-Tantalat) sollte bevorzugt nahe der idealen Stöchiometrie von SrBi2Ta209 liegen und eine Perovskit-ähnliche Kristallstruktur aufweisen.
Zunächst wird wie in Figur 1 angedeutet ein Halbleiterkörper bereitgestellt (1) . Dieser umfaßt üblicherweise ein Siliziumgrundsubstrat, in das aktive Bauelemente, beispielsweise Feldeffekttransistoren, integriert sind. Das Siliziumgrundsubstrat wird von einer planarisierenden Isolationsschicht überdeckt, die üblicherweise aus Si02 besteht. Diese Isolationsschicht soll im weiteren das Substrat darstellen.
Auf dem Substrat befindet sich zumindest eine erste Elektrode, die bevorzugt aus Platin besteht und eine Höhe von etwa 50 bis 300 nm aufweist. Andere bevorzugte Elektrodenmaterialien sind Ruthenium, Iridium sowie deren leitfähige Oxide. Auf das Substrat wird nachfolgend eine SBT-Schicht abgeschieden (2) . Dies erfolgt bevorzugt mittels Metall-Organic- Chemical-Vapour-Deposition (MOCVD) in einem geeigneten CVD- Reaktor. Vor der Abscheidung werden die Ausgangsprodukte in
Form von flüchtigen Metallkomplexen bereitgestellt. Bevorzugt kommen Beta-Diketonate als Komplexbildner zum Einsatz. Die Ausgangsprodukte werden in den CVD-Reaktor eingeleitet und dabei mit einem Oxidationsmittel , z.B. 02 oder N20, ver- mischt. Dieses dient der Oxidation der Metallkomplexe, so daß sich Metalloxide als amorphe Schicht auf das Substrat und die darauf befindliche Elektrode abscheiden können.
Nach der Abscheidung der SBT-Schicht schließt sich ein Keim- bildungsprozeß 3 an, der in Form eines Rapid-Thermal-Process
(RTP) durchgeführt wird. Dieser Schritt ist relativ kurz und beträgt nur wenige Sekunde, wobei eine Temperatur zur Keimbildung zwischen 500 bis 800°C, bevorzugt zwischen 600 und 750°C eingestellt wird. Während des Keimbildungsprozesses (3) werden erste Kristallkeime gebildet, die jedoch aufgrund der relativ kurzen Behandlungsdauer nicht weiterwachsen können, so daß auch nach diesem Schritt die SBT-Schicht weiterhin im wesentlichen amorph ist.
In einem darauffolgenden Prozeßschritt wird die SBT-Schicht unter Verwendung einer Maske anisotrop geätzt (4) . Günstige Ergebnisse lassen sich mit Ätzprozessen mit hoher physikalischer Komponente erreichen. Derartige Ätzprozesse verwenden beispielsweise ein Argonplasma. Unterstützend können auch Chlorionen im Plasma enthalten sein, die neben dem physikali- sehen Abtrag auch eine chemische Komponente aufweisen.
Abschließend erfolgt die Kristallisation bzw. Wärmebehandlung (5) der SBT-Schicht bei etwa 750°C für etwa 1 Stunde in sau- erstoffhaltiger Atmosphäre. Dabei wachsen die bereits gebil- deten Kristallisationskeime auf Kosten der amorphen Anteile der SBT-Schicht, was zu einer im wesentlchen polykristallinen Schicht führt. Bevorzugt sollte die Kristallisation so erfolgen, daß eine möglichst gleichmäßige Korngröße entsteht, wobei die einzelnen Körner nicht zu groß werden dürfen, damit die relativ dünne SBT-Schicht (ca. 20 bis 180 nm, bevorzugt ca. 40 bis 150 nm) eine nicht zu große Oberflächenrauhigkeit aufweist .
In Figur 2 ist ein weiterer Verfahrensablauf dargestellt, bei dem zusätzlich noch eine Platinschicht zur Bildung einer zweiten Elektrode abgeschieden wird. Die Verfahrensschritte (1) und (2) sind mit den in Figur 1 dargestellten identisch. Nach dem Abscheiden (2) der SBT-Schicht wird jetzt noch eine Platinschicht ganzflächig aufgetragen (6) , wobei dies bevor- zugt durch einen Sputterprozeß erfolgt. Die erhaltene Platinschicht weist eine Materialstärke von etwa 50 bis 200 nm auf.
Daran schließt sich der bereits in Figur 1 dargestellte Keimbildungsprozeß (3) an. Nachfolgend werden die Platinschicht und die SBT-Schicht gemeinsam anisotrop in einem Argonplasma geätzt. Die Anwesenheit von Chlor unterstützt auch bei diesem Ätzschritt die Ätzwirkung. Abschließend wird auch der bereits in Figur 1 dargestellte Kristallisationsschritt (5) durchgeführt.
Eine weitere mögliche Modifikation des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist in Figur 3 dargestellt. Diese Modifikation unterscheidet sich gegenüber dem in Figur 2 beschriebenen Verfahrensablauf dahingehend, daß der Keimbildungprozeß (3) erst nach dem Ätzen bzw. Strukturieren (7) der SBT- und der Platinschicht durchgeführt wird.
Allen vorstehend beschriebenen Verfahrensabläufen gemein ist jedoch, daß die Wärmebehandlung zum Kristallisieren der SBT- Schicht erst nach dem Strukturieren der SBT-Schicht erfolgt, so daß die SBT-Schicht noch als im wesentlichen amorphe Schicht geätzt wird.
Der Keimbildungsprozeß (3) kann prinzipiell zu jedem Zeitpunkt zwischen der Abscheidung der SBT-Schicht und der Wärme- behandlung (5) durchgeführt werden, also vor oder nach dem
Ätzen (4, 7) der SBT-Schicht, oder vor und nach dem Abscheiden (6) der Platinschicht.
Der Verfahrensablauf soll nun anhand der in den Figuren 4a bis 4d gezeigten Strukturen erläutert werden. Zunächst wird ein Substrat 20 bereitgestellt. Dies entspricht dem Verfahrensschritt (1) . Das Substrat 20 ist eine Si02-Schicht , auf der eine erste Elektrode 22 mit darunter befindlicher Barrierenschicht 24 angeordnet ist. Die erste Elektrode 22 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Platin, die Barrierenschicht 24 z.B. aus einer Titan/Titannitrid-Kombination oder aus anderen geeigneten Materialien. Die Barrierenschicht 24 soll insbesondere eine Diffusion des Platins bei erhöhten Prozeßtemperaturen in das Substrat 20 und in das sich dort befindliche und mit einem leitfähigen Material befüllte Kontaktloch 26 verhindern. Bevorzugt wird als leitfähiges Material polykristallines Silizium verwendet. Das Kontaktloch 26 verbindet die erste Elektrode 22 mit einem Source- oder Draingebiet eines hier nicht dargestellten Auswahltransi- stors .
Auf das so bereitgestellte Substrat 20 wird nachfolgend eine SBT-Schicht 28 aufgetragen. Die Abscheidung erfolgt wie vorstehend beschrieben, bei der zunächst eine amorphe SBT- Schicht 28 entsteht. Daran anschließend wird eine Platinschicht 30 ganzflächig auf die SBT-Schicht mittels eines Sputterprozesses aufgebracht.
Nachfolgend schließt sich ein RTP-Schritt an, durch den sich erste Kristallisationskeime innerhalb der SBT-Schicht 28 bilden. Optional kann dieser RTP-Schritt auch nach der nun fol- genden Strukturierung oder vor der Abscheidung der Platinschicht 30 durchgeführt werden. Die so erhaltene Struktur ist in Figur 4b dargestellt.
Im weiteren wird die SBT-Schicht 28 gemeinsam mit der Platin- schicht 30 gemäß Verfahrenschritt (7) anisotrop geätzt. Dies ist mit den in Figur 4c gezeigten Pfeilen angedeutet. Als Ergebnis entsteht die in dieser Figur dargestellte Struktur. Das Ätzen (4) wird so durchgeführt, daß die Seitenbereiche 32 der unteren Elektrode 22 weiterhin vollständig von der SBT- Schicht 28 bedeckt sind, da diese zur Speicherkapazität beitragen sollen.
Abschließend erfolgt die Wärmebehandlung (5) zur Kristallisation der SBT-Schicht 28, die in Figur 4d durch die Wellenli- nien 34 angedeutete ist.
Gemäß der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Verfahrensabläufen können die in Figuren 4a bis 4d gezeigten Schritte geeignet verändert werden, um die SBT-Schicht 28 herzustellen. Insbesondere ist es möglich, die zweite Elektrode 32 als ganzflächige Schicht nach dem separaten Strukturieren der SBT-Schicht 28 auf diese abzuscheiden. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SBT- Schichten wurden weiterhin hinsichtlich ihrer ferroelektrischen Eigenschaften charakterisiert. Dazu wurden kammartige Teststrukturen mit unterschiedlicher Strukturbreite der Kammzinken bei gleicher Gesamtgrundfläche der einzelnen kammartigen Strukturen geschaffen. Dadurch erhöht sich bei einer kammartigen Struktur mit kleinerer Strukturbreite der Gesamtumfang. Die kammartigen Strukturen bestehen aus einem aus einer unteren Platinelektrode, einer SBT-Schicht und einer oberen Platinelektrode gebildeten Schichtstapel .
Wie in Figur 5 gezeigt, weisen die erfindungsgemäß hergestellten SBT-Schichten auch bei kleinen Strukturbreiten (kleiner als 1 μm) einen geringen Leckstrom auf. Dies deutet auf relativ durchbruchsfeste Schichten hin. Eine zweite wichtige Chrakterisierungsgröße ist die Höhe der remanenten Polarisation, die in Figur 6 aufgetragen ist. Auch hier ist deutlich erkennbar, daß die Polarisation auch bei kleinen Struk- turen relativ konstant bleibt. Ein derartiges Ergebnis konnte bei den mit vorbekannten Verfahren hergestellten SBT- Schichten nicht ermittelt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer strukturierten metalloxidhaltigen Schicht mit folgenden Verfahrensschritten: - Bereitstellen (1) eines Substrats;
- Aufbringen (2) einer im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht auf das Substrat;
- Strukturieren (4, 7) dieser im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht; und - Durchführen einer Wärmebehandlung (5) , bei der die im wesentlichen amorphe metalloxidhaltige Schicht kristallisiert und zu einer im wesentlichen polykristallinen metalloxidhaltigen Schicht umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Strukturieren (4, 7) der im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht eine Elektrodenschicht auf die im wesentlichen amorphe metalloxidhaltige Schicht abgeschieden (6) und zusammen mit dieser strukturiert (7) wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wärmebehandlung (5) ein Keimbildungsprozeß (3) zur Bildung von Kristallisationskeimen in der im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Keimbildungsprozeß (3) unmittelbar nach dem Aufbringen
(2) der im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Keimbildungsprozeß (3) nach dem Strukturieren (4, 7) der im wesentlichen amorphen metalloxidhaltigen Schicht durchge- führt wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metalloxidhaltige Schicht aus Strontium-Wismut-Tantalat (SBT) , Strontium-Wismut-Niobat-Tantalat (SBTN) , Blei-Zirkon- Titanat (PZT) , Barium-Strontium-Titanat (SBT) , Blei-Lanthan- Titanat (PLT) , Blei-Lanthan-Zirkon-Titanat (PLZT) , Wismut- Titanat (BTO) oder aus einem Abkömmling vorstehender Metalloxide besteht .
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