DE10008617A1

DE10008617A1 - Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht

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Publication number: DE10008617A1
Application number: DE10008617A
Authority: DE
Inventors: Franz Winterauer; Frank Hintermaier; Walter Hartner; Guenther Schwindler; Volker Weinrich; Hans Cerva; Joachim Hoepfner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-09-06
Also published as: US6790676B2; EP1258036A1; TW525196B; WO2001063658A1; KR100533698B1; KR20020086568A; US20030138977A1

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht bereitgestellt, wobei durch das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes eine Kristallisation des Materials entsprechend einer vorgegebenen Richtung erleichtert wird. Auf diese Weise lassen sich ferroelektrische Schichten erzeugen, deren Domänen bevorzugt so ausgerichtet sind, daß ihre Polarisationsvektoren senkrecht zu den Elektroden des Speicherkondensators in einer Speicherzelle stehen. Dies hat zur Folge, daß während des Betriebs der Speicheranordnung der gesamte Polarisationsvektor der Domäne im wesentlichen parallel zu dem Feld des Speicherkondensators verläuft und eine dementsprechend hohe remanente Polarisation erzeugt wird. Entsprechend hoch ist das Signal, das aus den Speicherkondensatoren ausgelesen werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht für eine integrierte Speicheranordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Speicherkondensators.

Ferroelektrische Speicheranordnungen besitzen gegenüber herkömmlichen Speicheranordnungen, wie beispielsweise DRAMs und SRAMs, den Vorteil, daß die gespeicherte Information auch bei einer Unterbrechung der Spannungs- bzw. Stromversorgung nicht verloren geht sondern gespeichert bleibt. Dazu werden in der Regel auch bei ferroelektrischen Speicheranordnungen Speicherkondensatoren zur Speicherung der Informationen ver wendet. Zur Herstellung von derartigen Speicherkondensatoren wird ein ferroelektrisches Material zwischen den Elektroden des Kondensators eingesetzt (z. B. SrBi₂Ta₂O₉ (SBT) oder Pb(Zr, Ti)O₃ (PZT)). Die Nichtflüchtigkeit ferroelektrischer Spei cheranordnungen beruht auf der Tatsache, daß bei ferroelek trischen Materialien die durch ein äußeres elektrisches Feld eingeprägte Polarisation auch nach Abschalten des äußeren elektrischen Feldes im wesentlichen beibehalten wird. Dabei ist das Signal, das aus den Speicherkondensatoren ausgelesen werden kann, um so höher je höher die in das ferroelektri schen Material einprägbare Polarisation ist. Um also ein ge nügend hohes Signal beim Auslesen eines Speicherkondensators gewährleisten zu können, ist eine hohe remanente Polarisation zwischen den Elektroden des Kondensators erforderlich.

Ferroelektrische Materialien sind dadurch charakteri siert, daß sie über mikrostrukturelle Domänen verfügen, wel che eine elektrische Polarisation besitzen. Die Ausrichtung dieser Polarisation ist an die Orientierung des jeweiligen Kristallgitters gebunden. So ist z. B. beim PZT die Polarisa tion in Richtung der kristallographischen [001]-Achse ausge richtet. Beim SBT liegt der Vektor der elektrischen Polarisa tion hauptsächlich parallel der a-Achse ([100] Orientierung), oder der b-Achse ([010] Orientierung). Beide Achsen sind je doch nahezu äquivalent, da es sich um ein pseudotetragonales Gitter handelt.

Da in der Regel die Kristalle der ferroelektrischen Ma terialien zufallsorientiert vorliegen, sind auch die Domänen und damit die Vektoren der elektrischen Polarisation zufällig orientiert. Wenn nun von außen ein elektrisches Feld angelegt wird, so werden die Polarisationsvektoren der einzelnen Domä nen so ausgerichtet, daß sie möglichst parallel zum angeleg ten externen Feld stehen. Für Domänen, deren Kristall so aus gerichtet ist, daß die [100]-Achse senkrecht zu den Platten des Kondensators steht, bedeutet dies, daß der gesamte Pola risationsvektor der Domäne parallel zum externen Feld ver läuft. Bei anders orientierten Domänen ist nur die zum exter nen Feld parallele Komponente des Polarisationsvektors rele vant. Die makroskopisch meßbare Gesamtpolarisation, die senk recht zu den Elektroden des Kondensators steht, ist die Summe der Einzelpolarisationen der Domänen. Diese Summe wird um so höher sein, je bevorzugter die einzelnen Domänen senkrecht zu den Elektroden des Kondensators ausgerichtet sind, d. h. bei spielsweise im Falle von SBT, je größer der Anteil der Kri stalle ist, deren [100]-Achse senkrecht zu den Elektroden des Kondensators steht.

Eine hohe remanente Polarisation ist von entscheidender Bedeutung für den Einsatz von ferroelektrischen Dünnfilmen in hoch integrierten Bauelementen, wie z. B. in integrierten Speicheranordnungen mit Strukturgrößen kleiner als 0,25 µm, da hierbei nicht nur die Fläche des Kondensators sehr klein ist, sondern diese Strukturen bezogen auf ihr Volumen auch eine sehr große Oberfläche aufweisen. Die Oberfläche von ferroelektrischen Materialien weist jedoch immer Schäden auf, die durch die Strukturierung bedingt sind und die zu einer Verringerung der remanenten Polarisation führen. Neben der eigentlichen Strukturierung der ferroelektrischen Materialien führen noch weitere Prozesse, die bei der Herstellung von integrierten Bauelementen unabdingbar sind (z. B. Formiergas temperung, TEOS-Oxid/SiO₂-Abscheidung, etc.), zu einer Degradierung des ferroelektrischen Materials und dementsprechend zu einer Verringerung der remanenten Polarisation. Aufgrund dieser prozeßbedingten Verringerung der Polarisation ist es wichtig, ein Material mit einer möglichst hohen Polarisation vor Beginn der Strukturierung und der nachfolgenden Prozesse zu haben.

Es ist demnach bevorzugt, die Orientierung des ferro elektrischen Materials zu kontrollieren, d. h. beispielsweise im Falle von SBT möglichst viel [100]- oder [010]-orientier tes Material bzw. im Falle von PZT möglichst viel [001]- orientiertes Material zu erzeugen, dessen Polarisationsvek toren senkrecht zu den Elektroden des Speicherkondensators ausgerichtet sind. Im Falle von SBT sind auch andere Orien tierungen innerhalb der a,b-Ebene (z. B. [110]) noch nützlich. Diese zeigen zwar eine kleinere Polarisation, jedoch ist die Polarisation immer noch deutlich höher als wenn viele Domänen mit einer Ausrichtung entlang der c-Achse vorhanden sind. Falls es dementsprechend möglich wäre, ferroelektrischen Ma terialien eine bevorzugte Orientierung zu geben, würde dies eine sehr hohe remanente Polarisation zur Folge haben.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht an zugeben, das in Lage ist, die Mehrzahl der Domänen der Schicht entlang einer vorgegebenen Richtung auszurichten, bzw. ein Verfahren zur Herstellung von Speicherkondensatoren anzugeben, welche eine hohe remanente Polarisation aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von den Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht nach dem unabhän gigen Patentanspruch 1 sowie von dem Verfahren zur Herstel lung eines Speicherkondensators nach dem unabhängigen Patent anspruch 18 gelöst. Weiterhin werden eine so hergestellte ferroelektrische Schicht und eine so hergestellte Speicher anordnung zur Verfügung gestellt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht bereitgestellt, das folgende Schritte aufweist:

a) ein Substrat wird bereitgestellt,
b) auf das Substrat wird das Material der späteren ferroelektrischen Schicht aufgebracht,
c) eine Wärmebehandlung wird in Anwesenheit eines elektrischen Feldes, das entlang einer vorgegebenen Richtung ausgerichtet ist, durchgeführt, so daß das Material in eine ferroelektrische Phase überführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt den Vorteil, daß durch das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes eine Kristallisation des Materials entsprechend der vorgegebenen Richtung erleichtert wird. Ohne sich einschränken zu wollen sind die Erfinder der Auffassung, daß sich dies dadurch erklären läßt, daß die Kristallisation stets in die Richtung verlaufen wird, bei der ein Zustand mit der geringsten Gibb'schen Freien Energie erreicht wird. Im normalen Falle wird dies ein Material mit zufallsorientierten Kristallen sein, da sich so ein Zustand mit sehr großer Entropie erzeugen läßt. Legt man jedoch von außen ein elektrisches Feld an, so kommt ein zusätzlicher Energieterm hinzu, welcher die Wechselwirkung zwischen dem externen Feld und der ferroelektrischen Polarisation beschreibt. Dieser Energieterm wird in der Regel dann minimal, wenn die Polarisation des entstehenden ferroelektrischen Materials parallel zum externen Feld verläuft. Dies bedeutet auch, daß je höher das externe Feld ist, desto stärker wird das Material in die vorgegebene Richtung ausgerichtet. Dementsprechend läßt sich ein ferroelektrisches Material erzeugen, bei dem die Kristallisation beispielsweise im Fall von SBT bevorzugt in die [100]-, [010]- oder [110]-Richtung bzw. im Fall von PZT in die [001]-Richtung ausgerichtet ist.

Durch eine geeignete Wahl der Ausrichtung des bei der Kristallisation angelegten Feldes lassen sich ferroelektrische Schichten erzeugen, deren Domänen bevorzugt so ausgerichtet ist, daß ihre Polarisationsvektoren senkrecht zu den Elektroden des Speicherkondensators in einer Speicherzelle stehen. Dies hat zur Folge, daß während des Betriebs der Speicheranordnung der gesamte Polarisationsvektor der Domäne im wesentlichen parallel zu dem Feld des Speicherkondensators verläuft und eine dementsprechend hohe remanente Polarisation erzeugt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die ferroelektrische Schicht eine Strontiumwismuttantalatschicht (SBT, SrBi₂Ta₂O₉) und wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 500° und 820°C, bevorzugt zwischen 700° und 800°C, durchgeführt. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 700° und. 750°C durchgeführt wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die ferroelektrische Schicht eine Bleizirkonattitanatschicht (PZT, Pb(Zr, Ti)O₃) und wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 400° und 600°C durchgeführt. Bevorzugt wird die Wärmebehandlung über einen Zeitraum von 5 bis 90 min, bevorzugt 10 bis 30 min, durchgeführt.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Feldstärke des elektrischen Feldes zwischen 1 bis 100 kV/cm, bevorzugt zwischen 20 und 40 kV/cm beträgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Anlegen des elektrischen Feldes das Substrat als eine Elektrode verwendet. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn auf der Oberfläche des Substrats eine Edelmetallelektrode, insbesondere eine Platinelektrode, bereitgestellt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als zweite Elektrode eine leitfähige Platte verwendet, die oberhalb des Materials der späteren ferroelektrischen Schicht angeordnet ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als zweite Elektrode ein Plasma verwendet, das oberhalb des Materials der späteren ferroelektrischen Schicht erzeugt wird. Die Verwendung eines Plasmas oberhalb der späteren ferroelektrischen Schicht hat den Vorteil, daß das Plasma bis direkt an das Material heranreicht, so daß das angelegte elektrische Feld direkt an das Material angelegt werden kann. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Plasma durch eine Wechselfrequenz bzw. Spannungspulse erzeugt wird. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn das Substrat durch Spannungspulse in das Plasma eingetaucht wird. Bei der Verwendung einer zusätzlichen, leitfähigen Platte wird in der Regel zwischen der Platte und dem Material ein Abstand vorhanden sein, in dem ebenfalls ein elektrisches Feld vorhanden ist, was zur Folge hat, daß zum Aufbau des elektrischen Feldes eine höhere Spannung angelegt werden muß.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wärmebehandlung in einer N₂/O₂ Atmosphäre oder in einer He/O₂ Atmosphäre durchgeführt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Wärmebehandlung bei einem Druck zwischen 0,05 bis 10 Pa durchgeführt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Material der ferroelektrischen Schicht durch ein CVD- Verfahren auf das Substrat aufgebracht. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn das Material der späteren ferroelektrischen Schicht als im wesentlichen amorpher Film auf das Substrat aufgebracht wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-8 ein Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Rahmen der Herstellung einer ferroelektrischen Speicherzelle,

Fig. 9 ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 10 ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Siliziumsubstrat 1 mit bereits fertiggestellten Transistoren 4. Die Transistoren bilden mit den noch zu erzeugenden Speicherkondensatoren die Speicherzellen, die der Speicherung der binären Informationen dienen. Die Transistoren 4 weisen jeweils zwei Diffusionsgebiete 2 auf, welche an der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 angeordnet sind. Zwischen den Diffusionsgebieten 2 der Transistoren 4 sind die Kanalzonen angeordnet, die durch das Gateoxid von den Gateelektroden 3 auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 getrennt sind. Die Transistoren 4 werden nach den im Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt, die hier nicht näher erläutert werden.

Auf das Siliziumsubtrat 1 mit den Transistoren 4 wird eine isolierende Schicht 5, beispielsweise eine SiO₂-Schicht aufgebracht. In Abhängigkeit des für die Herstellung der Transistoren 4 verwendeten Verfahrens können auch mehrere isolierende Schichten aufgebracht werden. Die sich daraus ergebende Struktur ist in Fig. 1 gezeigt.

Anschließend werden durch eine Phototechnik die Kontaktlöcher 6 erzeugt. Diese Kontaktlöcher 6 stellen eine Verbindung zwischen den Transistoren 4 und den noch zu erzeugenden Speicherkondensatoren her. Die Kontaktlöcher 6 werden beispielsweise durch eine anisotrope Ätzung mit fluorhaltigen Gasen erzeugt. Die sich daraus ergebende Struktur ist in Fig. 2 gezeigt.

Nachfolgend wird ein leitfähiges Material 7, beispielsweise insitu dotiertes Polysilizium, auf die Struktur aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch ein CVD- Verfahren geschehen. Durch das Aufbringen des leitfähigen Materials 7 werden die Kontaktlöcher 6 vollständig ausgefüllt und es entsteht eine zusammenhängende leitfähige Schicht auf der isolierenden Schicht 5 (Fig. 3). Anschließend folgt ein CMP-Schritt ("Chemical Mechanical Polishing), der die zusammenhängende leitfähige Schicht auf der Oberfläche der isolierenden Schicht 5 entfernt und eine ebene Oberfläche erzeugt.

Im weiteren werden Vertiefungen in der isolierenden Schicht 5 überlappend zu den Kontaktlöchern 6 gebildet. Diese Vertiefungen werden nun mit Barrierematerial 8, beispielsweise Iridiumoxid, gefüllt. Dies geschieht, in dem das Barrierematerial 8 ganzflächig abgeschieden und nachfolgend ein weiterer CMP-Schritt durchgeführt wird. Geeignete CMP-Verfahren sind beispielsweise in der Anmeldung beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Die sich daraus ergebende Struktur ist in Fig. 4 gezeigt.

Anschließend wird die untere Elektrode der Speicherkondensatoren ganzflächig auf der in Fig. 4 gezeigten Struktur abgeschieden. Wegen ihrer guten Oxidationsbeständigkeit und/oder der Ausbildung elektrisch leitfähiger Oxide können 4d und 5d Übergangsmetalle, insbesondere Platinmetalle (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) und insbesondere Platin selbst, als Elektrodenmaterial eingesetzt werden. Die Edelmetallschicht 9, beispielsweise Platin, wird durch ein Sputterverfahren mit einer Sputtertemperatur von etwa 550°C aufgebracht. Die Dicke der Edelmetallschicht 9 beträgt dabei etwa 100 nm. Die sich daraus ergebende Struktur ist in Fig. 5 gezeigt.

Damit ist der erste Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens abgeschlossen. Ein Substrat, auf das nun im folgenden des Material der ferroelektrischen Schicht aufgebracht werden kann, wurde bereitgestellt.

Es folgt die Erzeugung einer ferroelektrischen Schicht. Ein SBT Film 10 wird mit Hilfe eines CVD Prozesses auf das so vorbereitete Substrat abgeschieden. Der CVD Prozeß wird bei einer Substrattemperatur von 385°C und einem Kammerdruck von etwa 1200 Pa durchgeführt. Der Sauerstoffanteil im Gasgemisch beträgt 60%. Dabei wird der SBT Film 10 als amorpher Film abgeschieden, der bei der Untersuchung mit Röntgen- oder Elektronenstrahlen im wesentlichen keine Kristallstrukturen erkennen läßt. Dementsprechend zeigt der SBT Film 10 im wesentlichen noch keine ferroelektrischen Eigenschaften. Die sich daraus ergebende Struktur ist in Fig. 6 gezeigt.

Anschließend wird das abgeschiedene, amorphe SBT 10 bei einer Temperatur zwischen 700 bis 750°C für 10 bis 30 min getempert. Während der Wärmehandlung (Temperung) wird ein externes elektrisches Feld 11 angelegt. Die Größenordnung des extern angelegten Feldes 11 sollte dabei bevorzugt der Koerzitivfeldstärke der späteren ferroelektrischen Schicht entsprechen, d. h. z. B. 30 kV/cm für SBT. Zur Erzeugung des externen elektrischen Feldes 11 wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche leitfähige Platte 12 direkt über dem SBT Film 10 angeordnet. Der Abstand zwischen der leitfähigen Platte 12 und dem SBT Film 10 beträgt dabei etwa 1 mm. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der leitfähige Platte 12 und der Platinschicht 9 wird nun ein elektrisches Feld erzeugt, das senkrecht zu der Platinschicht 9 und der Platte 12 ausgerichtet ist. Die zwischen der leitfähigen Platte 12 und der Platinschicht 9 angelegte Spannung beträgt dabei etwa 30 kV. Zur Vermeidung eines Spannungsdurchschlags wird der Druck der N₂/O₂ Atmosphäre, welche in diesem Ausführungsbeispiel zur Temperung verwendet wird, auf etwa 0,1 bis 10 Pa verringert. Wird anstatt einer N₂/O₂ Atmosphäre eine He/O₂ Atmosphäre verwendet, kann bei einem deutlich höherem Druck gearbeitet werden. Je nach Anwendungsfall kann die Temperung auch in einer reinen He Atmosphäre durchgeführt werden.

Durch die Anwesenheit des elektrischen Feldes 11 werden die sich bildenden Domänen der SBT Schicht 10 bevorzugt in die vorgegebene Richtung des elektrischen Feldes 11 ausgerichtet. Dementsprechend läßt sich eine ferroelektrische SBT Schicht erzeugen, bei der die Domänen bevorzugt in die [100]-, [010]- oder [110]-Richtung ausgerichtet sind. Die Domänen sind dabei so ausgerichtet, daß ihre Polarisationsvektoren senkrecht zu den Elektroden des noch zu erzeugenden Speicherkondensators stehen, was eine dementsprechend hohe remanente Polarisation zur Folge hat. Die sich daraus ergebende Struktur ist in Fig. 7 gezeigt.

Anschließend wird die obere Elektrode der Speicherkondensatoren ganzflächig auf die in Fig. 7 gezeigte Struktur abgeschieden. Wiederum werden wegen ihrer guten Oxidationsbeständigkeit und/oder der Ausbildung elektrisch leitfähiger Oxide 4d und 5d Übergangsmetalle, insbesondere Platinmetalle (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) und insbesondere Platin selbst, als Elektrodenmaterial eingesetzt. Die Edelmetallschicht 13, beispielsweise Platin, wird ebenfalls durch ein Sputterverfahren mit einer Sputtertemperatur von etwa 550°C aufgebracht. Nach dem Aufbringen der oberen Elektrode wird wiederum eine Temperung durchgeführt, um die Grenzschicht zwischen der ferroelektrischen Schicht 10 und der oberen Elektrode 13 auszuheilen. Die drei Schichten, Edelmetallschicht 13, ferroelektrische Schicht 10 und die Edelmetallschicht 9 werden anschließend mit Hilfe anisotroper Ätzverfahren strukturiert, so daß die in Fig. 8 gezeigte Struktur entsteht. Damit sind die Speicherzellen im wesentlichen fertiggestellt. Es folgenden weitere Schritte zur Isolierung der einzelnen Speicherzellen und zur Herstellung der Verdrahtung der Speicheranordnung. Die dabei verwendeten Verfahren gehören jedoch zum Stand der Technik und werden hier nicht näher erläutert.

Wird eine zusätzliche leitfähige Platte 12 zur Erzeugung des externen elektrischen Feldes verwendet, müssen zwischen der unteren Elektrode 9 und der leitfähigen Platte 12 relativ hohe Spannungen angelegt werden, um ein ausreichend hohes Feld 11 in der ferroelektrischen Schicht 10 zu erzeugen. Dies ist auf den Abstand zwischen der Platte 12 und ferroelektrischer Schicht 10 zurückzuführen, der sich in der Praxis nie ganz vermeiden läßt.

Um die bei Erzeugung des externen elektrischen Feldes notwendigen Spannungen reduzieren zu können, ist bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Plasma oberhalb der Schicht 10 vorgesehen. Der erste Schritt a) des Verfahrens gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht dabei dem, was in Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 6 erläutert wurde, so daß auf eine Wiederholung verzichtet werden kann. Die amorphe SBT Schicht 10 wird wiederum bei einer Temperatur zwischen 700 bis 750°C für 10 bis 30 min getempert. Während der Wärmehandlung (Temperung) wird ein externes elektrisches Feld 11 angelegt. Die Größenordnung des extern angelegten Feldes 11 sollte dabei bevorzugt der Koerzitivfeldstärke der späteren ferroelektrischen Schicht entsprechen, d. h. z. B. 30 kV/cm für SBT. Zur Erzeugung des externen elektrischen Feldes 11 wird in dieser Ausführungsform das Substrat in einen Parallelplattenreaktor 14 eingebracht.

Der Reaktor 14 umfaßt im wesentlichen eine Vakuumkammer mit einem Einlaß für das He/O₂ Gasgemisch und zwei parallele Elektroden 15 und 16. Das Substrat 1 wird auf der unteren Elektrode 15 positioniert. Durch eine an die Elektroden 15, 16 angelegte Hochfrequenzspannung wird das He/O₂ Gasgemisch zwischen den Elektroden 15, 16 zur Glimmentladung gebracht und es entsteht ein Plasma 17. Im Gegensatz zu den Ionen können die im Vergleich dazu viel leichteren Elektronen dem Hochfrequenzfeld zwischen den Elektroden 15, 16 folgen und die Elektroden 15, 16 viel schneller erreichen. Dementsprechend lädt sich das Plasma 17 gegenüber den Elektroden 15, 16 und gegenüber dem Substrat 1 positiv auf, so daß ein elektrischen Feld innerhalb der SBT Schicht erzeugt wird, das zur Ausrichtung der Domänen innerhalb der SBT Schicht dient. Durch eine geeignete Wahl der Prozeßparameter Druck, HF-Leistung, externer Bias, Gasfluß, Gaszusammensetzung kann das elektrische Potential des Plasmas 17 gezielt gesteuert werden, so daß ein hinreichend starkes elektrisches Feld erzeugt werden kann. Da das Plasma 17 bis direkt an die SBT Schicht heranreicht, kann mit moderaten Potentialen gearbeitet werden. Geeignete Parameter sind beispielsweise: Kathodentemperatur 450°C, HF-Leistung: 1200 W, Bias-Leistung: 450 W, He/O₂-Fluß: 80-150 sccm, Druck: 0,6-3,4 Pa.

Nach der Temperung wird die obere Elektrode der Speicherkondensatoren ganzflächig abgeschieden. Nach dem Aufbringen der oberen Elektrode wird eine Temperung durchgeführt, um die Grenzschicht zwischen der ferroelektrischen Schicht 10 und der oberen Elektrode 13 auszuheilen. Die drei Schichten, Edelmetallschicht 13, ferroelektrische Schicht 10 und die Edelmetallschicht 9 werden anschließend mit Hilfe anisotroper Ätzverfahren strukturiert, so daß wiederum die in Fig. 8 gezeigte Struktur entsteht.

Bei dem Verfahren nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Plasma durch eine kontinuierliche Zufuhr von HF-Leistung erzeugt. Beim dem Verfahren nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Plasma durch Spannungspulse erzeugt. Der erste Schritt a) des Verfahrens gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht dabei wiederum dem, was in Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 6 erläutert wurde, so daß auf eine Wiederholung verzichtet werden kann. Die amorphe SBT Schicht 10 wird bei einer Temperatur zwischen 700 bis 750°C für 10 bis 30 min getempert. Während der Wärmehandlung (Temperung) wird ein externes elektrisches Feld 11 angelegt. Zur Erzeugung des externen elektrischen Feldes 11 wird in dieser Ausführungsform das Substrat in einen Reaktor 18 eingebracht.

Der Reaktor 18 umfaßt dabei im wesentlichen eine Vakuumkammer mit einem Einlaß 19 für das He/O₂ Gasgemisch und einen Träger 20 für das Substrat 1. Der Einlaß 19 besitzt an seiner dem Träger 20 zugewandten Seite eine Scheibe 21, an die durch einen Modulator 22 Pulse positiver Spannung angelegt werden. Die Wände der Vakuumkammer, der Träger 20 und damit das Substrat 1 hingegen sind mit Masse verbunden. Die Pulse positiver Spannung ionisieren die Gasmoleküle und erzeugen so ein Plasma 17 in dem Raum oberhalb des Trägers 20. Gleichzeitig werden die positiven Ionen innerhalb des Plasma in Richtung des Substrats 1 beschleunigt und das Plasma dehnt sich in Richtung des Substrats aus. Dies hat zur Folge, daß das Substrat in das Plasma eingetaucht wird.

Das Plasma kann ausschließlich durch die Spannungspulse oder durch eine zusätzliche Plasmaquelle, beispielsweise eine ECR- oder Mikrowellenquelle (nicht gezeigt), erzeugt werden. Falls das Plasma durch eine zusätzliche Plasmaquelle erzeugt wird, dienen die Spannungspulse hauptsächlich dazu, das Substrat in das Plasma einzutauchen. Weitere Details zu diesen sogenannten "Plasma Immersion Implantation" Methoden sind beispielsweise in der US Patentschrift 5,911,832 (Denholm et al.) beschrieben.

Auf diese Weise kann ein sehr dichtes Sauerstoffplasma erzeugt werden, das ausreichend viele niederenergetische Sauerstoffionen für die Temperung der SBT Schicht zur Verfügung stellt. Gleichzeitig kann das Potential des Plasmas 17 über einen weiten Bereich eingestellt werden, so daß ein ausreichend großes elektrisches Feld zur Ausrichtung der Domänen der SBT Schicht erzeugt werden kann. Zur Heizung des Substrats 1 sind außerdem Heizlampen 23 vorgesehen, die oberhalb des Trägers 20 angeordnet sind. Die Prozeßparameter können dabei über weite Bereiche variiert werden: Kathodentemperatur 50-700°C, HF-Leistung 30-500 Watt, Gas-Fluß 100-700 sccm, Plasmadichte 3 10¹¹ Ionen/cm³, Ionen- Fluß < 10¹⁶ Ionen/(cm² min), Druck 0,1-3 Torr.

Nach der Temperung wird wiederum die obere Elektrode der Speicherkondensatoren ganzflächig abgeschieden. Nach dem Aufbringen der oberen Elektrode wird eine Temperung durchgeführt, um die Grenzschicht zwischen der ferroelektrischen Schicht 10 und der oberen Elektrode 13 auszuheilen. Die drei Schichten, Edelmetallschicht 13, ferroelektrische Schicht 10 und die Edelmetallschicht 9 werden anschließend mit Hilfe anisotroper Ätzverfahren strukturiert, so daß wiederum die in Fig. 8 gezeigte Struktur entsteht.

Die erfindungsgemäßen Verfahren besitzen den Vorteil, daß sich durch das bei der Kristallisation angelegte elektrische Feld ferroelektrische Schichten erzeugen lassen, deren Domänen bevorzugt so ausgerichtet ist, daß ihre Polarisationsvektoren senkrecht zu den Elektroden des Speicherkondensators in einer Speicherzelle stehen. Dies hat zur Folge, daß während des Betriebs der Speicheranordnung der gesamte Polarisationsvektor der Domäne im wesentlichen parallel zum dem Feld des Speicherkondensators verläuft und eine dementsprechend hohe remanente Polarisation erzeugt wird. Entsprechend hoch ist das Signal, das aus den Speicherkondensatoren ausgelesen werden kann.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden die untere Elektrode 9, die ferroelektrische Schicht 1 und die obere Elektrode 13 im wesentlichen gleichzeitig durch ein oder mehrere anisotrope Ätzverfahren strukturiert. Alternativ dazu kann jedoch die untere Elektrode 9 bereits vor dem Aufbringen des ferroelektrischen Materials durch ein Ätzverfahren und/oder ein CMP-Verfahren strukturiert werden. Weiterhin ist es möglich, die ferroelektrische Schicht 10 und die untere Elektrode 9 zu strukturieren bevor die obere Elektrode 13 erzeugt wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Schicht mit den Schritten:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Schicht eine Strontiumwismuttantalatschicht (SBT, SrBi₂Ta₂O₉) ist und daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 500° und 820°C, bevorzugt zwischen 700° und 800°C, durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 700° und 750°C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Schicht eine Bleizirkonattitanatschicht (PZT, Pb(Zr, Ti)O₃) ist und daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 400° und 600°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der voherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke des elektrischen Feldes zwischen 1 bis 100 kV/cm, bevorzugt zwischen 20 und 40 kV/cm beträgt.

6. Verfahren nach einem der voherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen des elektrischen Feldes das Substrat als eine Elektrode verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der voherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Substrats eine Edelmetall elektrode, insbesondere eine Platinelektrode, bereitgestellt wird.

8. Verfahren nach einem der voherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Elektrode eine leitfähige Platte verwendet wird, die oberhalb des Materials der späteren ferroelektrischen Schicht angeordnet ist.

9. Verfahren nach einem der voherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Elektrode ein Plasma verwendet wird, das oberhalb des Materials der späteren ferroelektrischen Schicht erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch Spannungspulse in das Plasma eingetaucht wird.

11. Verfahren nach einem der voherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer N₂/O₂ Atmosphäre durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer He/O₂ Atmosphäre durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der voherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einem Druck zwischen 0,05 bis 10 Pa durchgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der voherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der ferroelektrischen Schicht durch ein CVD-Verfahren auf das Substrat aufgebracht wird.

15. Verfahren nach einem der voherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der späteren ferroelektrischen Schicht als im wesentlicher amorpher Film auf das Substrat aufgebracht wird.

16. Verfahren nach einem der voherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmebehandlung über einen Zeitraum von 5 bis 90 min. bevorzugt 10 bis 30 min. durchgeführt wird.

17. Ferroelektrische Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Schicht nach einem der vorherstehenden Verfahren erhältlich ist.

18. Verfahren zur Herstellung eines ferroelektrischen Speicherkondensators mit den Schritten:

a) eine erste Edelmetallelektrode wird bereitgestellt,
b) auf der Edelmetallelektrode wird eine ferroelektrische Schicht nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 erzeugt,
c) eine zweite Edelmetallelektrode wird auf der ferroelektrische Schicht erzeugt.

19. Ferroelektrische Speicheranordnung mit einer Vielzahl von Speicherzellen, welche jeweils zumindest einen Transistor und zumindest einen ferroelektrischen Speicherkondensator aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der ferroelektrische Kondensator nach einem Verfahren gemäß Anspruch 18 erhältlich ist.