DE19608182C2

DE19608182C2 - Dielektrischer Dünnfilm und Kondensator mit diesem für Halbleitervorrichtung und deren Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE19608182C2
Application number: DE19608182A
Authority: DE
Inventors: Seung-Ki Joo; Jae-Hyun Joo
Original assignee: LG Semicon Co Ltd
Current assignee: SK Hynix Inc
Priority date: 1995-03-04
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2016-03-05
Also published as: JPH08321585A; KR960036056A; KR100190558B1; US5874379A; DE19608182A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen dielektrischen Dünnfilm und einen Kondensa tor mit diesem für eine Halbleitervorrichtung und deren Herstellungsverfahren und beson ders einen verbesserten dielektrischen Dünnfilm und einen Kondensator mit diesem für eine Halbleitervorrichtung und deren Herstellungsverfahren, das in der Lage ist, durch Bereitstel len eines dielektrischen Dünnfilms einen Leckstrom im Betrieb zu verhindern.

2. Beschreibung der herkömmlichen Technik

Wie Fachleuten für den Stand der Technik bekannt ist, besteht ein Bauelement eines dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM) aus einem Transistor und einem Information speichernden Kondensator. Die Speicherkapazität des Information speichernden Kondensa tors beträgt mindestens 30 fF/Zelle, um so einen "Soft-Error" zu verhindern, der durch α- Teilchen verursacht wird.

Je weiter der Integrationsgrad der DRAM-Vorrichtung erhöht wird, desto stärker tritt das Problem der Erhöhung der Speicherkapazität in einem begrenzten Zeltraum auf. Um das Problem zu überwinden, werden in der Industrie die folgenden Verfahren auf der Grundlage eines Ausdrucks (1) eingeführt.

C = ε₀ε_rA/d (1)

wobei C eine Speicherkapazität einer Batterie bezeichnet, ε₀ eine Dielektrizi tätskonstante im Vakuum bezeichnet, ε_r eine Dielektrizitätskonstante eines dielektrischen Dünnfilms bezeichnet, A eine Oberfläche einer Batterie bezeichnet und d eine Dicke eines dielektrischen Dünnfilms bezeichnet.

Das erste Verfahren besteht darin, die Dicke eines dielektrischen Dünnfilms dünner zu machen, das zweite Verfahren darin, die effektive Oberfläche eines Kondensators zu erhöhen und das dritte Verfahren darin, ein bestimmtes Material mit einer größeren Die lektrizitätskonstante zu verwenden.

Von diesen Verfahren hat das erste Verfahren den Nachteil, daß es schwierig auf eine hochintegrierte Speichervorrichtung anzuwenden ist, da die Zuverlässigkeit des Dünnfilms verursacht durch den Fowler-Nordheim-Strom verringert wird, falls die Dicke einer dielektri schen Schicht unter 100 Å liegt.

Das zweite Verfahren hat die Nachteile, daß der Herstellungsprozeß komplex ist und die Herstellungskosten erhöht werden. Das bedeutet, daß, obwohl bei 4 MB DRAM und 16 MB DRAM verschiedene Arten von Kondensatorzellen mit dreidimensionalem Aufbau wie bei spielsweise ein Stapeltyp, ein Grabentyp, ein Flossentyp und ein Zylindertyp verwendet werden, die oben erwähnten Kondensatorzellen bei 64 MB DRAMs und 256 MB DRAMs nicht effektiv verwendet werden können.

Der Graben-Kondensator hat zusätzlich den Nachteil, daß verursacht durch einen Verkleinerungsvorgang ein Leckstrom zwischen den Gräben auftritt, und da die Zellen vom Stapeltyp, Flossentyp und Zylindertyp viele gekrümmte Teile und stufenweise Überdeckung auf deren Oberflächen haben, um mehr Speicherkapazität zu erhalten, ist es schwierig, im nachfolgenden Prozeß einen Fotolithografieprozeß durchzuführen und die mechanische Festigkeit des dünnen Stifts und des zylindrischen Kondensators ist sehr gering.

Das dritte Verfahren ist auf die Verwendung eines Materials mit hoher Dielektrizi tätskonstante wie beispielsweise Y₂O₃, Ta₂O₅, TiO₂, usw. gerichtet, und neuerdings wird ein ferroelektrisches Material wie beispielsweise ein PZT(PbZr_xTi_1-xO₃) oder ein BST(Ba_xSr_1-xTiO₃) verwendet. Das ferroelektrische Material besitzt im allgemeinen selbstpolarisierende Eigenschaften und eine Dielektrizitätskonstante von einigen Hundert bis 1.000. Unter Verwendung dieses ferroelektrischen Materials ist es möglich, einen gewünschten Dünnfilm mit einer äquivalenten Oxiddicke von unter 10 Å herzustellen, auch wenn ein ferroelektrischer Film mit einer Dicke von einigen Hundert geformt wird.

Unter den ferroelektrischen Materialien ist besonders BST als Material mit hoher Dielektrizitätskonstante für einen DRAM-Kondensator geeignet, da es im Vergleich zu einem PZT auch bei hoher Frequenz eine hohe Dielektrizitätskonstante besitzt und Ermüdungs- und Alterungserscheinungen werden beseitigt, da es entsprechend dem Verhältnis Ba/Sr in ein paraelektrisches Material umgewandelt wird.

Zum Integrieren eines Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante in eine Halbleiter vorrichtung wird gewöhnlich ein Sputterverfahren, ein metallorganisches Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (MOCVD), ein Schleuderbeschichtungsverfah ren oder ein Aerosolverfahren verwendet.

Die während der Herstellung eines BST Dünnfilms zur Verwendung des DRAM- Kondensators auftretenden Probleme bestehen jedoch darin, daß eine Dielektrizitätskonstan te verringert wird, da die Dicke eines dielektrischen Dünnfilms dünn wird und bei einem realen Pegel der Betriebsspannung mehr Leckstrom auftritt. In diesem Fall ist es möglich, die Verringerung der Dielektrizitätskonstante durch einen Herstellungsprozeß zu verhindern, da jedoch das Phänomen der Erniedrigung des Leckstroms und der Verringerung des Durch bruchmagnetfelds dem Material eigene Probleme sind, ist es das wichtigste Problem bei der tatsächlichen Verwendung des BST Dünnfilms in der Industrie.

Bei der Herstellung des Kondensator der Halbleitervorrichtung unter Verwendung des BST Dünnfilms wird deshalb die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung verursacht durch eine charakteristische Verschlechterung des Kondensators verringert.

Um die oben erwähnten Probleme zu verbessern, wird in der Industrie ein Verfahren zur Verbesserung einer Dielektrizitätseigenschaft des BST Dünnfilms, der so umfangreich ist und in einer separaten Vorrichtung eines keramischen Kondensators verwendet wird, beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zum BST Dünnfilm andere Materialien hinzugefügt werden.

Zum Beispiel beschreibt das US Patent Nr. 4,058,404 ein Verfahren zum Erhöhen der Dielektrizitätskonstante und zum Verhindern einer dielektrischen Veränderung gemäß angelegter Spannung. Das obige Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es unter Verwendung von etwa 18-70% SrTiO₃, etwa 4-7% BaTiO₃, 2,5-17,5% Bi₂O₃ und einem von NiO, Al₂O₃ oder Cu₂O isoliert.

Zusätzlich beschreibt das US Patent Nr. 4,888,246 ein weiters Verfahren zum Verbes sern der Zuverlässigkeit des Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante und zum Erhöhen des elektrischen Durchbruchfeldes eines dielektrischen Dünnfilms mit einem stickstoffhalti gen BST durch Hinzufügen von Stickstoff zu einem Sputtergas beim Abscheiden eines Dünnfilms mit einem Sputterverfahren und der Perowskitstruktur von AMO₃.

EP 0 571 948 A1 zeigt ein Verfahren zum Bilden eines dielektrischen Materials, bei dem Ta- haltiger dielektrischer (Ba, Sr)TiO₃-Dünnfilm verwendet wird.

U.S. 5,314,651 offenbart ein pyroelektrisches Material, das mit mindestens einem Donorele ment dotiert ist. Das polykristalline Material kann (Ba, Sr)TiO₃ sein. Das Donorelement kann Ta sein.

U.S. 5,381,302 und U.S. 5,406,447 zeigen Beispiele für den Aufbau von Dünnschichtkonden satoren.

U.S. 4,982,309 offenbart Elektroden, die aus Ruthenium, Iridium, Osmium, Rhodium oder einem elektrisch leitfähigen Oxid eines solchen Metalls gebildet sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist folglich ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen dielektrischen Dünnfilm und einen Kondensator mit diesem für eine Halbleitervorrichtung und deren Herstellungsverfah ren bereitzustellen, welches die bei einem herkömmlichen Kondensator für einen Halbleiter und dessen Herstellungsverfahren vorgefundenen Probleme überwindet.

Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten dielektrischen Dünnfilm und dessen Herstellungsverfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, beim Herstellen eines dielektrischen Dünnfilms Leckstrom bei einer realen Betriebstemperatur zu verringern und eine Frequenzeigenschaft eines dielektrischen Dünnfilms durch Verändern einer dem Material des dielektrischen Dünnfilms eigenen physikalischen Eigenschaft zu verbessern.

Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kondensator und dessen Herstellung für eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, der einen dielektrischen Dünnfilm mit einer Eigenschaft, einen Leckstrom zu verringern, anwendet.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein dielektrischer Dünnfilm bereitgestellt, der Ta-haltiges (Ba, Sr)TiO₃ gemäß Anspruch 1 enthält.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen dielektrischen Dünnfilm gemäß Anspruch 6 bereitgestellt, das auf das Formen eines aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ bestehen den dielektrischen Dünnfilms auf einer unteren Schicht, die auf eine vorbestimmte Tempera tur erhitzt wird, durch gleichzeitiges Sputtern von mindestens mehr als einem hauptsächlich aus Ba, Sr, Ti und Ta bestehenden Target und ein Sputtergas gerichtet ist.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen dielektrischen Dünnfilm gemäß Anspruch 19 bereitgestellt, das auf das Formen eines aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ beste henden dielektrischen Dünnfilms auf einem Substrat mit einem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase hinsichtlich eines reaktiven Quellgases aus einer metallor ganischen Verbindung oder einer Metallhalogenverbindung, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, das in einen Reaktionsbehälter mit einer unteren Schicht, die auf eine vorbe stimmte Temperatur erhitzt wird, eingebracht wird, gerichtet ist.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Kondensator gemäß Anspruch 3 für eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, der ein Substrat; eine auf einem Substrat geformte Zwischenschicht- Isolierschicht, wodurch ein vorbestimmter Teil des Substrats nach außen freigelegt wird; eine auf einem vorbestimmten Teil der Zwischenschicht-Isolierschicht einschließlich des freigelegten Teils des Substrats geformte untere Elektrode; einen aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden und auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm einschließlich der unteren Elektrode geformten dielektrischen Dünnfilm; und eine auf dem dielektrischen Dünnfilm geformte obere Elektrode enthält.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß Anspruch 29 ein Herstellungsverfahren für einen dielektrischen Dünnfilm für eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, das folgende Schritte enthält: ein erster Schritt, der auf einem Substrat einen Zwischenschicht-Isolierfilm formt und so einen vorbestimmten Teil des Substrats freilegt; ein zweiter Schritt, der auf einem vorbestimmten Teil des Zwischenschicht-Isolierfilms einschließlich des freigelegten Teils des Substrats eine untere Elektrode formt; ein dritter Schritt, der auf dem Zwischen schicht-Isolierfilm, der eine untere Elektrode enthält, einen aus Ta-haltigem (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden dielektrischen Dünnfilm formt; und ein vierter Schritt, der auf dem dielektri schen Dünnfilm eine obere Elektrode formt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Grafik einer Dielektrizitätskonstante und einer effektiven Dickenände rung gemäß einer Dickenänderung eines BST Dünnfilms, dem kein Ta hinzugefügt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Grafik einer Dielektrizitätskonstante und eines dielektrischen Verlustfak tors eines BST Dünnfilms entsprechend der dem BST Dünnfilm hinzugefügten Menge von Ta gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 ist eine Grafik einer Leckstromänderung eines BST Dünnfilms gemäß der dem dünnen BST Film hinzugefügten Menge von Ta gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4A bis 4I sind Querschnittsansichten des Aufbaus eines Kondensators einer Halbleitervorrichtung, die einen aus einem BST, dem Ta hinzugefügt ist, bestehenden Dünnfilm gemäß der vorliegenden Erfindung anwendet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Mit Bezug auf Fig. 4A bis 4I ähnelt das Herstellungsverfahren für einen BST (BA, SR)TiO₃ Dünnfilm einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dem herkömmlichen Herstellungsverfahren für einen BST Dünnfilm, abgesehen von einem Verfahren zum Ändern der dem Dünnfilm eigenen physikalischen Eigenschaft, um so einen gewünschten dielektrischen Dünnfilm herzustellen.

Das bedeutet, das Verfahren ist auf die Herstellung eines BST Dünnfilms, dem Ta hinzugefügt wird, in einer unteren Schicht gerichtet, indem einem Magnetron-Co-Sputterer mit 3 Kanonen BaTiO₃, SrTiO₃ und Ta oder Ta₂O₅ bereitgestellt wird, Gleich- oder Wechsel strom individuell daran angelegt wird und aus Argon, Sauerstoff oder Argon und Sauerstoff bestehendes Gas mit 3-10 mTorr gesputtert wird. Die untere Schicht bedeutet hier eine Substrat/Elektroden-Stapelschicht, in der die Elektrodenschicht auf dem Substrat geformt wird.

Die Temperatur des Substrats liegt hier in einem Bereich von 400-700°C (vorzugs weise etwa 550°C), um so eine physikalische Eigenschaft und eine kristalline Eigenschaft eines zu formenden dielektrischen Dünnfilms zu verbessern.

Im BST Dünnfilm enthaltenes Ta kann mit 10 Atomprozent bezogen auf das Gesamt gewicht des BST Dünnfilms hinzugefügt werden. Die gesamte Dicke der Abscheidung des dielektrischen Dünnfilms liegt hier in einem Bereich von 200-2000 Å. Ein Bereich von 400-1000 Å ist optimal.

Das Verhältnis von Sauerstoff aus dem im obigen Prozeß verwendeten Sputtergas beträgt 10-90 Volumenprozent. In dieser Ausführungsform beträgt das Verhältnis von Sauerstoff 45-55 Volumenprozent.

Da das Substrat bei der Herstellung eines dielektrischen Dünnfilms in einer oxidieren den Umgebung des entsprechenden Prozesses freigelegt wird, wird die auf dem Substrat geformte Elektrodenschicht oxidiert und die untere Schicht wird mit einem Material mit einem Grundbestandteil von Pt, Ir, Ru, IrO₂, RuO₂, usw. geformt, das gute anti-oxidierende Eigenschaften hat oder eine leitende Schicht bildet, falls es oxidiert wird.

In diesem Fall können das Verhältnis von Ba/Sr und die Menge an Ta durch Steuern des an jede Sputterkanone angelegten Spannungspegels individuell gesteuert werden.

Für eine einfachere Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der dielektri sche Dünnfilm unter Verwendung eines Ba, Sr, Ti und Ta enthaltenden Metalls oder eines Oxidtargets hergestellt werden.

In diesem Fall werden einzelne Komponententargets wie beispielsweise ein Ta- haltiges (Ba, Sr)TiO₃ Target oder ein Ta₂O₅ enthaltendes (Ba, Sr)TiO₃ Target verwendet, um ein bestimmtes Verhältnis der Komponenten zu erhalten.

Hier wird im Fall des Metalltargets oder des leitenden Oxidtargets Gleichspannung verwendet, und Gas, das eine Grundkomponente von Sauerstoff oder Sauerstoff und Argon enthält, wird als Sputtergas verwendet. Im Fall der Verwendung eines Oxidtargets ohne leitende Eigenschaft wird Wechselstrom verwendet und Gas, das eine Grundkomponente von Sauerstoff, Argon oder Sauerstoff und Argon enthält, wird als Sputtergas verwendet.

Hier können beim Sputtern in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei Targets zum Verändern der Zusammensetzung eines Dünnfilms verwendet werden.

Beim Formen eines dielektrischen Dünnfilms unter Verwendung einer Vielzahl von Targets mit einer Grundkomponente wie beispielsweise Ba, Sr, Ti und Ta in diesem Fall sollte eine Vielzahl von Targets gleichzeitig gesputtert werden.

Die oben erwähnten zwei Targets können mit einem Metalltarget oder einem Oxid target kombiniert werden, die jeweils eine Grundkomponente von Ba, Sr und Ti besitzen, oder einem Target aus Ta oder Ta₂O₅, oder einem Target mit einer Grundkomponente von Sr, Ti und Ta und einem Target mit Ba, Ti und Ta. Zusätzlich ist es möglich, ein Target mit einer Grundkomponente von BaTiO₃ und ein Target mit einer Grundkomponente von Ta- haltigem SrTiO₃ zu kombinieren, und ein Target mit einer Grundkomponente (Ba, Sr)TiO₃ und ein Target mit einer Grundkomponente von Ta oder Ta₂O₅ zu kombinieren.

Zusätzlich gibt es ein anderes Verfahren zur Durchführung einer chemischen Ab scheidung aus der Dampfphase, um so komplexe gekrümmte Oberflächen, enge Öffnungen oder vertikale Oberflächen von Elektroden effektiv zu nutzen.

Beim Durchführen einer chemischen Abscheidung aus der Dampfphase wird eine metallorganische Verbindung oder eine Metallhalogenverbindung hauptsächlich als eine Reaktionsquelle verwendet. Als zum Herstellen eines Ta-haltigen BST Dünnfilms verwendete Reaktionsquellen können metallorganische Verbindungen wie beispielsweise Ba(thd)₂, Sr(thd)₂, Ba(dpm)₂, Sr(dpm)₂, Ti(i-OPr)₄, Ti(i-OPr)₂(thd)₂, Ti(t-OBu)₄, Ti(dpm)₄, Ti(OC₂H₅)₄, Ta(OC₂H₅)₅, usw. und Metallhalogenmaterialien wie beispielsweise TiCl₄, TaCl₅, usw. verwendet werden. Die in den oben erwähnten Erklärungen verwendeten Ausdrücke in Klammern bezeichnen hier Namen von Liganden.

Das allgemeinste Reaktionsquellenverfahren besteht darin, die Zusammensetzungen des abzuscheidenden Dünnfilms durch individuelles Steuern der Menge von vier Reaktions gasen, die jeweils eines der Elemente Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, zu steuern.

In diesem Fall kann ein Verfahren zum Formen eines Ta-haltigen BST Dünnfilms unter Verwendung einer metallorganischen Verbindung als Reaktionsquelle im Vergleich zu einem Verfahren zum Formen eines Ta-haltigen BST Dünnfilms unter Verwendung einer Metallhalogen-Reaktionsquelle bessere Eigenschaften eines dielektrischen Dünnfilms erhal ten.

Um jedoch einen vorbestimmten Wert eines Zusammensetzungsverhältnisses eines zu formenden dielektrischen Dünnfilms zu erhalten, ist es möglich, einen dielektrischen Dünnfilm unter Verwendung eines Reaktionsgases zu formen, das zwei Arten von Kompo nenten wie beispielsweise Ba und Sr, Ba und Ti, Sr und Ti, usw. enthält, und es ist ebenfalls möglich, einen dielektrischen Dünnfilm durch Kombinieren einer Vielzahl von Reaktionsquel len in einem vorbestimmten Verhältnis zu formen.

Nun wird das Verfahren zum Formen eines dielektrischen Dünnfilms auf einem Substrat, auf dem eine untere Schicht (Elektrodenschicht) geformt ist, unter Verwendung des oben erwähnten Reaktionsgases erläutert.

Das bedeutet, ein Ba, Sr, Ti und Ta enthaltendes reaktives Quellgas wird in einen Reaktionsbehälter eingebracht, der mit einer unteren Schicht ausgestattet ist, die auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, zum Beispiel auf 550-650°C, und das reaktive Quellgas wird darin in Zusammenarbeit mit dem erhitzten Substrat zersetzt und das Gas, das nicht auf dem Substrat abgeschieden wird, wird unter Verwendung einer Pumpe aus dem Reaktionsbehälter entfernt, so daß ein Ta-haltiger BST Dünnfilm geformt wird. Die untere Schicht bezieht sich hier auf einen laminierten Substrat/Elektrodenaufbau.

Das Erhöhen der Temperatur des Substrats auf 550-650°C ist darauf gerichtet, das reaktive Quellgas bei 100-200°C des Substrats zu zersetzen. Tatsächlich ist es jedoch nötig, die Temperatur des Substrats von etwa 400-700°C aufrechtzuerhalten, um so eine gewünschte Abscheidung zu erreichen, und es ist nötig, das Substrat auf die Temperatur von über 550°C zu erhitzen, um so einen gewünschten dielektrischen Dünnfilm zu erreichen.

Zusätzlich kann das reaktive Quellgas sowohl durch eine aus Plasma, Infrarotstrah lung, Elektronenstrahlung, Ionenstrahlung, Röntgenstrahlung usw. erzeugte vorbestimmte Energie als auch durch die vom Substrat erzeugte Wärme zersetzt werden. Deshalb kann der Zweck des Verfahrens zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase der vorliegenden Erfindung durch die oben erwähnten Verfahren erreicht werden. In diesem Fall ist es nötig, das Substrat auf eine Temperatur von 100-200°C zu erhitzen.

Nun werden die Eigenschaften des mit den obigen Verfahren (dem Sputterverfahren oder dem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase) hergestellten Ta- haltigen BST Dünnfilms erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Verhältnis zwischen der Dielektrizitätskonstante und der effektiven Dicke, das sich entsprechend der Änderung der Dicke des BST Dünnfilms ändert, der kein Ta enthält.

Die effektive Dicke bedeutet hier eine Eigenschaft des dielektrischen Dünnfilms hinsichtlich eines Siliziumoxids und kann folgendermaßen ausgedrückt werden.

Teff = (ε_SiO2/ε_BST).T_BST (2)

wobei Teff die effektive Dicke bezeichnet, ε_SiO2 eine Dielektrizitätskonstante des Siliziumoxids bezeichnet, ε_BST die Dielektrizitätskonstante des Dünnfilms bezeichnet und T_BST die Dicke des BST Dünnfilms bezeichnet.

Wenn die effektive Dicke des dielektrischen Dünnfilms hier 500 Å beträgt, ist die effektive Dicke minimal.

Fig. 2 zeigt ein Verhältnis zwischen der Dielektrizitätskonstante und einem dielektri schen Verlustfaktor (tanδ) entsprechend einem Hinzufügen von Ta in den BST Dünnfilm mit einer minimalen effektiven Dicke von 500 Å.

Wie daraus ersichtlich ist, wird die Dielektrizitätskonstante beim Hinzufügen von Ta in den BST Dünnfilm erhöht, bis die Menge an Ta 2% beträgt und die Dielektrizitätskonstante maximal ist und dann wird sie verringert. Zusätzlich wird der dielektrische Verlustfaktor stark verringert, bis die Menge an Ta 2% beträgt.

Fig. 3 zeigt eine Variation des Leckstroms entsprechend einem Hinzufügen von Ta in den BST Dünnfilm. Wie daraus ersichtlich ist, wird der Leckstrom beim Erhöhen der Menge an Ta stark verringert und dann erhöht. Wenn 3% Ta hinzugefügt wird, ist der Leckstrom minimal.

Mit Bezug auf Fig. 2 und 3 bedeutet das, daß die optimale hinzugefügten Menge von Ta bestimmt wird, wenn bezogen auf das Gesamtgewicht dem Gewicht nach 2-3 Atompro zent in den BST Dünnfilm hinzugefügt werden, um so eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen kleineren Leckstrom zu erhalten. Erfindungsgemäß werden 2-3 Atomprozent Ta hinzugefügt, um die Dielektrizitätskonstante zu maximieren und den Leckstrom zu minimie ren.

Bei der Herstellung eines Kondensators der Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Ta-haltigen BST Dünnfilms als dielektrischen Dünnfilm wird deshalb bevorzugt der BST Dünnfilm verwendet, der eine Menge an Ta enthält, die im oben erwähnten Bereich liegt.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 4A bis Fig. 4I das Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für die Halbleitervorrichtung unter Verwendung eines BST Dünnfilms, der bezogen auf sein Gesamtgewicht 2-3 Atomprozent Ta enthält, erläutert.

Das Verfahren ähnelt abgesehen vom Zusammensetzungsverhältnis eines zwischen der Speicherelektrode (der unteren Schicht) und der Plattenelektrode (der oberen Elektrode) geformten dielektrischen Dünnfilms und einer Herstellungsbedingung zur dessen Herstellung dem herkömmlichen Verfahren. Deshalb wird dessen Verfahren nun unter der Annahme erläutert, daß auf dem Substrat vorher ein Transistor geformt wird.

Wie in Fig. 4A gezeigt wird zunächst auf dem Siliziumsubstrat 100, auf dem ein Transistor bereitgestellt wird, ein Zwischenschicht-Isolierfilm 102 geformt, und wie in Fig. 4B gezeigt wird ein vorbestimmter Teil des Zwischenschicht-Isolierfilms 102 nach außen freigelegt und ein Fotolackmuster 104 wird auf dem Zwischenschicht-Film 102 geformt.

Danach wird wie in Fig. 4C gezeigt ein vorbestimmter Teil des Siliziumsubstrats 100 durch Ätzen des Zwischenschicht-Isolierfilms 102 mit einer Maske aus dem Fotolackmuster 104 nach außen freigelegt und ein Kontaktfenster "a" geformt und das Fotolackmuster 104 wird entfernt.

Wie in Fig. 4D gezeigt wird ein Polysiliziumfilm 106a, der ein Elektrodenmaterial ist, auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm 102 einschließlich das Kontaktfensters "a" abgeschieden und der so abgeschiedene Polysiliziumfilm 106a wird um mehr als die Dicke der Abscheidung zurückgeätzt, so daß der Polysiliziumfilm 106a im Inneren des Kontaktfensters "a" wie in Fig. 4E zurückbleibt.

Zusätzlich wird wie in Fig. 4F gezeigt auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm 102 und dem Polysiliziumfilm 106a ein TiN Film 106b als Metallbarriere abgeschieden und auf dem TiN Film 106a wird eine Pt Elektrode 106 geformt.

Danach wird wie in Fig. 4G gezeigt auf einem vorbestimmten Teil der Pt Elektrode 106c ein Fotolackmuster 104 geformt, in das jeweils vorbestimmte Teile des Polysiliziumfilms 106a und des Zwischenschicht-Isolierfilms 102 eingeschlossen werden.

Die Pt Elektrode 106c und der TiN Film 106b werden wie in Fig. 4H gezeigt mit einer Maske aus dem Fotolackmuster 104 geätzt, um so einen vorbestimmten Teil des Zwischen schicht-Isolierfilms 102 freizulegen und bilden eine untere Elektrode 106, die aus dem Polysiliziumfilm 106a/dem TiN Film 106b/der Pt Elektrode 106c besteht, und das Fotolack muster 104 wird entfernt. In Fig. 4H und 4I erhält die untere Elektrode als Aufbau aus einem einzelnen Film die Bezugsziffer 106.

Die untere Elektrode besteht hauptsächlich aus einem Grundmaterial von Pt, Ir, Ru, IrO₂, RuO₂, usw., das die Eigenschaft hat, daß es in einer stark oxidierenden Umgebung nicht gut oxidiert wird und zu einem leitenden Oxid oxidiert wird.

Wie in Fig. 4I gezeigt wird ein Ta-haltiger BST Dünnfilm, der ein dielektrischer Dünnfilm 108 ist, auf der unteren Elektrode 106 und dem Zwischenschicht-Isolierfilm 102 unter den oben erwähnten Bedingungen mit dem Sputterverfahren oder dem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase geformt, so daß ein BST Dünnfilm mit einer Dicke von 400-1000 Å geformt wird.

Das bedeutet, beim Formen eines dielektrischen Dünnfilms auf der unteren Elektrode auf dem Substrat mit dem Sputterverfahren wird die untere Elektrode als erste geformt und ein einzelnes Target oder eine Vielzahl von Targets mit einer Grundkomponente von Ba, Sr, Ti und Ta werden der Magnetron-Co-Sputtervorrichtung bereitgestellt. Die Targets werden gemeinsam mit den Sputtergasen wie beispielsweise Sauerstoff oder Argon oder Sauerstoff und Argon gesputtert. Die Arten eines einzelnen Targets oder einer Vielzahl von Targets wurden vorher beschrieben.

Beim Formen eines dielektrischen Dünnfilms auf der unteren Elektrode auf dem Substrat mit einem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase wird zuerst eine untere Elektrode geformt und das Substrat, auf dem die untere Elektrode bereitgestellt wird, wird im Reaktionsbehälter auf 400-700°C erhitzt und Reaktionsquellgas aus einer eine metallorganische Verbindung oder einem Metallhalogen, das Ba, Sr, Ti und Ta enthält, wird in den Reaktionsbehälter eingebracht und die Reaktionsgase werden durch das erhitzte Substrat zersetzt. Da die Arten der Reaktionsquellgase aus metallorganischen Verbindungen oder Metallhalogen hier vorher beschrieben wurden, wird deren Beschreibung unterlassen.

Der dielektrische Dünnfilm kann hier ohne Verwendung der Wärme des erhitzten Substrats geformt werden. In diesem Fall werden Gase einer Reaktionsquelle aus einer metallorganischen Verbindung oder einem Metallhalogen, die Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, in den Reaktionsbehälter eingebracht. Danach wird zusätzlich eine von einer bestimmten Quelle wie beispielsweise Plasma, Infrarotstrahlung, Elektronenstrahlung, Ionenstrahlung und Röntgenstrahlung erzeugte Energie in den Reaktionsbehälter eingebracht und dann wird das Substrat auf 100-200°C erhitzt.

Danach wird auf dem dielektrischen Dünnfilm 108 eine obere Elektrode 110 geformt, so daß ein Kondensator erzeugt wird.

Wie oben beschrieben besitzt der unter Verwendung eines Ta-haltigen BST Dünnfilms hergestellte Kondensator für eine Halbleitervorrichtung im Vergleich zu dem herkömmlichen unter Verwendung eines herkömmlichen Isolierfilms oder anderer dielektrischer Dünnfilme hergestellten Kondensator eine verhältnismäßig hohe Dielektrizitätskonstante und einen niedrigeren dielektrischen Verlustfaktor. Zusätzlich ist es möglich, eine Speicherkapazität innerhalb einer begrenzten Zelloberfläche zu verbessern.

Da dem BST bei der Herstellung eines dielektrischen Dünnfilms außerdem Ta hinzu gefügt wird, ist es möglich, eine hohe Dielektrizitätskonstante, einen niedrigeren dielektri schen Verlustfaktor und weniger Leckstrom zu erreichen und dadurch einen zuverlässigen dielektrischen Dünnfilm zu erhalten. Da zusätzlich bei der Herstellung eines Kondensators ein dielektrischer Dünnfilm verwendet wird, kann die Zuverlässigkeit von Halbleitervorrichtungen verbessert werden.

Claims

1. Ein dielektrischer Dünnfilm (108), bestehend aus:
(Ba, Sr)TiO₃, dem 2-3 Atomprozent Ta bezüglich der Gesamtzusammenset zung hinzugefügt sind, um die Dielektrizitätskonstante zu maximieren und den Leckstrom zu minimieren.

2. Der dielektrische Dünnfilm von Anspruch 1, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) eine Dicke von 200-2000 Å hat.

3. Ein Kondensator mit einem dielektrischen Dünnfilm für eine Halbleiter vorrichtung, der folgendes umfaßt:
ein Substrat (100);
eine auf einem Substrat geformte Zwischenschicht-Isolierschicht (102), wo durch ein vorbestimmter Teil des Substrats nach außen freigelegt wird;
eine auf einem vorbestimmten Teil der Zwischenschicht-Isolierschicht ein schließlich des freigelegten Teils des Substrats geformte untere Elektrode (106);
einen dielektrischen Dünnfilm (108), der aus (Ba, Sr)TiO₃ besteht, dem 2-3 Atomprozent Ta bezüglich der Gesamtzusammensetzung hinzugefügt sind, um die Dielektri zitätskonstante zu maximieren und den Leckstrom zu minimieren, und der auf dem Zwi schenschicht-Isolierfilm einschließlich der unteren Elektrode geformt ist; und
eine auf dem dielektrischen Dünnfilm geformte obere Elektrode (110).

4. Der Kondensator von Anspruch 3, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) eine Dicke von 200-2000 Å hat.

5. Der Kondensator von Anspruch 3, bei dem die untere Elektrode aus ei nem von Pt, Ir, Ru, IrO₂ oder RuO₂ besteht.

6. Ein Herstellungsverfahren für einen dielektrischen Dünnfilm (108) ist darauf gerichtet, einen dielektrischen Dünnfilm, der aus (Ba, Sr)TiO₃ mit Ta besteht, wobei 2-3 Atomprozent Ta bezüglich der Gesamtzusammensetzung hinzugefügt sind, auf einer unteren Schicht (106), die auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, durch gleichzeiti ges Sputtern von mindestens mehr als einem hauptsächlich aus Ba, Sr, Ti und Ta bestehen den Target und ein Sputtergas zu formen.

7. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem die untere Schicht (106) von einer abwechselnden Substrat/Elektrodenschicht gebildet wird.

8. Das Verfahren von Anspruch 7, bei dem die Elektrodenschicht von ei nem aus einer Pt, Ir, Ru, IrO₂ und RuO₂ umfassenden Gruppe ausgewählten Element geformt wird.

9. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem das Sputtergas hauptsächlich aus Sauerstoff, Argon oder einem Gemisch aus diesen besteht.

10. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem das Sputtergas bezogen auf das Gesamtgewicht des Sputtergases 10-90 Volumenprozent Sauerstoff enthält.

11. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) eine Dicke von 200-2000 Å hat.

12. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem die untere Schicht auf eine Temperatur von 400-700°C erhitzt wird.

13. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch Verwendung eines bestimmten Targets geformt wird, das hauptsächlich aus (Ba, Sr)TiO₃ und Ta oder (Ba, Sr)TiO₃ und Ta₂O₅ besteht.

14. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus BaTiO₃ bestehenden Targets, eines hauptsächlich aus SrTiO₃ bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta oder Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

15. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus Sr, Ti und Ta bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ba, Ti und Ta bestehenden Targets geformt wird.

16. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus Ba, Sr und Ti bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta oder Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

17. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta oder Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

18. Das Verfahren von Anspruch 6, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus BaTiO₃ bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta und SrTiO₃ bestehenden Targets geformt wird.

19. Ein Herstellungsverfahren für einen dielektrischen Dünnfilm (108) ist darauf gerichtet, einen dielektrischen Dünnfilm, der aus (Ba, Sr)TiO₃ mit Ta besteht, wobei 2-3 Atomprozent Ta bezüglich der Gesamtzusammensetzung hinzugefügt sind, auf einem Substrat mit einem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase hinsichtlich eines reaktiven Quellgases aus einer metallorganischen Verbindung oder einer Metall-Halo genverbindung, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthält, und in einen Reaktionsbehälter mit einer unteren Schicht (106), die auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, eingebracht wird, zu formen.

20. Das Verfahren von Anspruch 19, bei dem die untere Schicht von einer abwechselnden Substrat/Elektrodenschicht (106) gebildet wird.

21. Das Verfahren von Anspruch 20, bei dem die Elektrodenschicht von ei nem aus einer Pt, Ir, Ru, IrO₂ und RuO₂ umfassenden Gruppe ausgewählten Element gebildet wird.

22. Das Verfahren von Anspruch 19, bei welchem dem (Ba, Sr)TiO₃ bezo gen auf dessen Gesamtgewicht 10 Atomprozent Ta hinzugefügt wird.

23. Das Verfahren von Anspruch 19, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) eine Dicke von 200-2000 hat.

24. Das Verfahren von Anspruch 19, bei dem die untere Schicht (106) auf eine Temperatur von 400-700°C erhitzt wird.

25. Das Verfahren von Anspruch 19, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) in einer Umgebung aus dem Einbringen von vier Arten von reaktiven Quellgasen aus metallorganischen Verbindungen, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, oder in einer Umgebung aus dem Einbringen von vier Arten von reaktiven Metall-Halogen-Quellgasen, die jeweils dasselbe enthalten, geformt wird.

26. Das Verfahren von Anspruch 19, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) in einer Umgebung aus dem Einbringen einer Vielzahl von reaktiven Quellgasen aus metallorganischen Verbindungen, die jeweils mehr als eines der Elemente Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, oder in einer Umgebung aus dem Einbringen einer Vielzahl von reaktiven Metall- Halogen-Quellgasen, die jeweils dasselbe enthalten, geformt wird.

27. Das Verfahren von Anspruch 19, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) weiter durch Bereitstellen einer aus Plasma, Infrarotstrahlung, Elektronenstrahlung, Ionenstrahlung oder Röntgenstrahlung erzeugten Energie im Reaktionsbehälter durch Einbringen eines reaktiven Quellgases aus einer metallorganischen Verbindung oder Metall halogen, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, dort hinein geformt wird.

28. Das Verfahren von Anspruch 19, bei dem die untere Schicht (106) beim Formen eines dielektrischen Dünnfilms unter Verwendung einer aus Plasma, Infrarot strahlung, Elektronenstrahlung, Ionenstrahlung oder Röntgenstrahlung erzeugten Energie, die selektiv auf den Reaktionsbehälter angewendet wird, auf eine Temperatur von 100-200°C erhitzt wird.

29. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators mit einem dielektri schen Dünnfilm (108) für eine Halbleitervorrichtung mit den Schritten:
ein erster Schritt, der auf einem Substrat (100) einen Zwischenschicht- Isolierfilm (102) formt und so einen vorbestimmten Teil des Substrats (100) freilegt;
ein zweiter Schritt, der auf einem vorbestimmten Teil des Zwischenschicht- Isolierfilms (102) einschließlich des freigelegten Teils des Substrats (100) eine untere Elektrode formt;
ein dritter Schritt, der auf dem eine untere Elektrode enthaltenden Zwischen schicht-Isolierfilm (102) einen dielektrischen Dünnfilm, der aus (Ba, Sr)TiO₃ mit Ta besteht, wobei 2-3 Atomprozent Ta bezüglich der Gesamtzusammensetzung hinzugefügt sind, formt;
ein vierter Schritt, der auf dem dielektrischen Dünnfilm eine obere Elektrode (110) formt.

30. Das Verfahren von Anspruch 29, bei dem die untere Elektrode (106) von einem aus einer Pt, Ir, Ru, IrO₂ und RuO₂ enthaltenden Gruppe ausgewählten Element gebildet wird.

31. Das Verfahren von Anspruch 29, bei dem der zweite Schritt einen Un terschritt enthält, der das Substrat auf eine Temperatur von 400-700°C erhitzt.

32. Das Verfahren von Anspruch 29, bei dem der dielektrische Dünnfilm eine Dicke von 200-2000 Å hat.

33. Das Verfahren von Anspruch 29, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch Anbringen von mindestens mehr als einem hauptsächlich aus Ba, Sr, Ti und Ta bestehenden Target an eine Magnetron-Co-Sputtervorrichtung nach dem Formen einer unteren Elektrode (106) und durch gleichzeitiges Sputtern der so angebrachten Targets und ein Sputtergas an der unteren Elektrode (106) des Substrats geformt wird.

34. Das Verfahren von Anspruch 33, bei dem das Sputtergas eines von Sauerstoff, Argon oder Sauerstoff und Argon ist.

35. Das Verfahren von Anspruch 33, bei dem das Sputtergas auf bezogen auf dessen Gesamtvolumen zu 10-90 Volumenprozent aus Sauerstoff besteht.

36. Das Verfahren von Anspruch 33, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch Verwendung eines hauptsächlich aus (Ba, Sr)TiO₃ und Ta oder (Ba, Sr)TiO₃ und Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

37. Das Verfahren von Anspruch 33, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus BaTiO₃ bestehenden Targets, eines hauptsächlich aus SrTiO₃ bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta oder Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

38. Das Verfahren von Anspruch 33, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus Sr, Ti und Ta bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ba, Ti und Ta bestehenden Targets geformt wird.

39. Das Verfahren von Anspruch 33, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus Ba, Sr und Ti bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta und Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

40. Das Verfahren von Anspruch 33, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus (Ba, Sr)TiO₃ bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta oder Ta₂O₅ bestehenden Targets geformt wird.

41. Das Verfahren von Anspruch 33, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) durch gleichzeitiges Sputtern eines hauptsächlich aus BaTiO₃ bestehenden Targets und eines hauptsächlich aus Ta und SrTiO₃ bestehenden Targets geformt wird.

42. Das Verfahren von Anspruch 29, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) mit einem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase geformt wird, das darauf gerichtet ist, ein Substrat (100) mit einer unteren Elektrode (106) an einem vorbestimmten Teil des Reaktionsbehälters nach dem Formen der unteren Elektrode anzu bringen und ein reaktives Quellgas aus einer metallorganische Verbindung oder einem Metallhalogen, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, in den Reaktionsbehälter einzubrin gen.

43. Das Verfahren von Anspruch 42, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) in einer Umgebung aus dem Einbringen von vier Arten von reaktiven Quellgasen aus metallorganischen Verbindungen, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, oder in einer Umgebung aus dem Einbringen von vier Arten von reaktiven Metallhalogen-Quellgasen, die jeweils dasselbe enthalten, geformt wird.

44. Das Verfahren von Anspruch 42, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) in einer Umgebung aus dem Einbringen einer Vielzahl von reaktiven Quellgasen aus metallorganischen Verbindungen, die jeweils mindestens mehr als eines der Elemente Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, und in einer Umgebung aus dem Einbringen einer Vielzahl von reakti ven Metallhalogen-Quellgasen, die jeweils dasselbe enthalten, geformt wird.

45. Das Verfahren von Anspruch 42, bei dem der dielektrische Dünnfilm (108) weiter durch Bereitstellen einer aus Plasma, Infrarotstrahlung, Elektronenstrahlung, Ionenstrahlung oder Röntgenstrahlung erzeugten Energie nach Einbringen eines reaktiven Quellgases aus einer metallorganischen Verbindung oder eines reaktiven Metallhalogen- Quellgases, die jeweils Ba, Sr, Ti und Ta enthalten, in den Reaktionsbehälter geformt wird.

46. Das Verfahren von Anspruch 42, bei dem das Substrat (100) beim Formen eines dielektrischen Dünnfilms (108) unter Verwendung einer aus Plasma, Infrarot strahlung, Elektronenstrahlung, Ionenstrahlung oder Röntgenstrahlung erzeugten Energie, die selektiv auf den Reaktionsbehälter angewendet wird, auf eine Temperatur von 100-200°C erhitzt wird.