WO2000002237A1

WO2000002237A1 - Dram-speicherkondensator und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: WO2000002237A1
Application number: PCT/DE1999/001977
Authority: WO
Inventors: Hans Reisinger; Gerhard Beitel; Stephan Schlamminger; Hermann Wendt; Gerrit Lange; Thomas-Peter Haneder; Martin Franosch; Herbert Schäfer
Original assignee: Infineon Technologies AG; Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Infineon Technologies AG; Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1998-07-06
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2001-01-06
Also published as: EP1103067A1; US6552385B2; US20010031526A1

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 E_F befindet sich eine Dreifachschicht aus zwei Randschichten aus BaSrTi0₃ mit einem unteren Rand E_c des Leitungsbandes und ei- nem oberen Rand E_v 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.