DE10100695B4

DE10100695B4 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE10100695B4
Application number: DE10100695A
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Kawasaki Kondo; Jeffrey Scott Kawasaki Cross
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2021-01-10
Also published as: KR20010070422A; US6392265B2; KR100662829B1; DE10100695A1; TW473991B; JP2001196547A; US20010007364A1

Abstract

Halbleitervorrichtung mit:
einer ersten Elektrode;
einem ferroelektrischen Film, der auf der ersten Elektrode gebildet ist; und
einer zweiten Elektrode, die auf dem ferroelektrischen Film gebildet ist,
wobei die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode einen SrRuO_x-Film enthält, der mit Pb- und/oder Bi-Zusatz aufgebracht wurde.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, im besonderen eine Halbleitervorrichtung, die Kondensatoren umfaßt, die aus ferroelektrischem Film gebildet sind.
Ein FRAM [Ferro-electric Random Access Memory] (ferroelektrischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff) ist ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher, bei dem ferroelektrischer Film als Dielektrikum der Kondensatoren verwendet wird. Der FRAM findet auf Grund der hohen Operationsgeschwindigkeit und des niedrigen Verbrauchs an Elektroenergie viel Beachtung.

Eine Struktur der Kondensatoren von solch einem FRAM wird unter Bezugnahme auf 12 erläutert. 12 ist eine Konzeptansicht der Kondensatoren der herkömmlichen Halbleitervorrichtung.

Ein IrO₂-Film 130 und ein Pt-Film 134, wobei der letztere auf dem ersteren gebildet ist, wie in 12 gezeigt, bilden eine untere Elektrode 136.

Ein ferroelektrischer Film 138 aus einem PbZr_xTi_1-xO₃-(PZT)-Film oder einem SrBi₂Ta₂O₉-(SBT)-Film ist auf der unteren Elektrode 136 gebildet.

Ein IrO₂-Film 140 und ein Pt-Film 144 sind sequentiell auf dem ferroelektrischen Film 138 gebildet. Der IrO₂-Film 140 und der Pt-Film 144 bilden eine obere Elektrode 146.

Die untere Elektrode 13b, der ferroelektrische Film 138 und die obere Elektrode 146 bilden einen Kondensator 148.

Falls jedoch, wie in 12 gezeigt, die untere Elektrode 136 und die obere Elektrode 146 des Kondensators 148 aus Filmen der Ir-Familie gebildet sind, ist es schwierig, eine Niederspannungsoperation und eine Beständigkeit gegenüber einer Qualitätsminderung durch Wasserstoff zu realisie ren, die bei den Vorrichtungen der nächsten Generation erforderlich sind.

Als Elektrodenmaterial, durch das eine verbesserte Niederspannungsoperation und Beständigkeit gegenüber einer Qualitätsminderung durch Wasserstoff realisiert werden kann, wird ein SRO-(SrRuO_x)-Film genannt. Ein SRO-Film, der wie PZT und SBT eine Perovskit-Struktur hat, wird bei Halbleitervorrichtungsherstellungsprozessen nicht ohne weiteres beschädigt und soll eine Niederspannungsoperation realisieren können. Ein SRO-Film ist ein Material mit einer hohen Beständigkeit gegenüber Wasserstoff.

Falls jedoch ein Kondensator mit einem SRO-Film gebildet ist, der als Elektrodenmaterial verwendet wird, tendieren das in dem ferroelektrischen Film enthaltene Pb oder Bi dazu, in den SRO-Film zu diffundieren.

Angesichts dessen wird eine Technik erwartet, durch die unter Verwendung von SRO-Filmen eine Niederspannungsoperation und Beständigkeit gegenüber einer Qualitätsminderung durch Wasserstoff realisiert werden kann.

Aus der US 5 940 705 A sind Verfahren zur Bildung von FRAM-Vorrichtungen mit schwimmenden Gates und mit Schichtmustern aus SrRuO₃ bekannt. Aus der DE 44 21 007 A1 ist ein elektronisches Bauteil bekannt, welches eine Elektrodenschicht mit SrRuO₃ enthalten kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung vorzusehen, durch die unter Verwendung von SRO-Film eine Niederspannungsoperation und Beständigkeit gegenüber einer Qualitätsminderung durch Wasserstoff realisiert werden kann.

Die oben beschriebene Aufgabe wird durch eine Halblei tervorrichtung erfüllt, die umfaßt: eine erste Elektrode; einen ferroelektrischen Film, der auf der ersten Elektrode gebildet ist; und eine zweite Elektrode, die auf dem ferroelektrischen Film gebildet ist, wobei die erste Elektrode oder die zweite Elektrode SrRuO_x-Film umfaßt, zu dem Pb und/oder Bi hinzugefügt ist. Pb und Bi werden zu dem SRO-Film hinzugefügt, wodurch die Diffusion von Pb und Bi, die in dem ferroelektrischen Film enthalten sind, in den SRO- Film unterdrückt wird, wodurch eine Verbesserung der ferroelektrischen Eigenschaften des Kondensators herbeigeführt wird. Daher kann die Halbleitervorrichtung unter Verwendung des SRO-Films eine Niederspannungsoperation und Beständigkeit gegenüber einer Qualitätsminderung durch Wasserstoff realisieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A und 1B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

2 ist ein Graph von Röntgenstrahlbeugungsmustern von SRO-Filmen.

3A bis 3C sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung, die das Verfahren (Teil 1) zeigen.

4A und 4B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung, die das Verfahren (Teil 2) zeigen.

5A und 5B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung, die das Verfahren (Teil 3) zeigen.

6 ist eine Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während der Schritte des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung, die das Verfahren (Teil 4) zeigt.

7A und 7B sind Schnittansichten von Abwandlungen des Kondensators der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die Elektrodenstrukturen der Abwandlungen zeigen.

8A und 8B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

9A und 9B sind Schnittansichten von Abwandlungen der Elektrodenstruktur des Kondensators der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

10A und 10B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

11A und 11B sind Schnittansichten von Abwandlungen der Elektrodenstruktur des Kondensators der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

12 ist Graph, der einen Aufbau des Kondensators der herkömmlichen Halbleitervorrichtung zeigt.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[Erste Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf 1A bis 6 werden die Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung erläutert. 1A und 1B sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 1B ist eine Ansicht einer Struktur des Kondensators der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 2 ist ein Graph von Röntgenstrahlbeugungsmustern von SRO-Film. 3A bis 6 sind Schnittansichten der Halbleitervorrichtung bei den Schritten des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
(Halbleitervorrichtung)
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung auf einen ferroelektrischen RAM, d. h., einen FRAM angewendet.
Ein Vorrichtungsisolierfilm 14 zum Definieren einer Vorrichtungszone 12 ist, wie in 1A und 1B gezeigt, auf einem Siliziumsubstrat 10 gebildet. In der Vorrichtungszone 12, die durch den Vorrichtungsisolierfilm 14 definiert ist, ist ein Transistor gebildet, der eine Gateelektrode 18 enthält, die einen Seitenwandisolierfilm 16 hat, der an den Seitenwänden gebildet ist, und eine diffundierte Source-/Drainschicht 20.
Ein 600 nm dicker Zwischenschichtisolierfilm 22 ist auf der gesamten Oberfläche gebildet. Ein Kontaktloch 23, das an der diffundierten Source-/Drainschicht 20 ankommt, ist in dem Zwischenschichtisolierfilm 22 gebildet. Leiterstecker 24a, 24b sind in dem Kontaktloch 23 gebildet.
Auf dem Zwischenschichtisolierfilm 22 sind ein Stopperfilm 26 aus einem 100 nm dicken Siliziumoxidnitridfilm und ein 100 nm dicker Siliziumoxidfilm 28 sequentiell gebildet.
Auf dem Siliziumoxidfilm 28 ist eine untere Elektrode 36 aus einer Pt/SRO-Struktur aus einem 50 bis 500 nm dicken SRO-Film (SrRuO_x) 30 mit Pb-Zusatz und einem 5 bis 200 nm dicken Pt-Film 34 gebildet. Eine Zusatz-Menge von Pb für den SRO-Film 30 liegt vorzugsweise z. B. unter 10 %, weil eine zu große Zusatz-Menge von Pb bei dem SRO-Film 30 die Kristallstruktur des SRO-Films, d. h., die Perovskit-Struktur stört.
Auf der unteren Elektrode 36 ist ein ferroelektrischer Film 38 aus einem 230 nm dicken PZT-(PbZr_xT_1-xO₃)-Film gebildet.
Auf dem ferroelektrischen Film 38 ist eine obere Elektrode 46 aus einer Pt/SRO-Struktur aus einem 50 bis 500 nm dicken SRO-Film 40 mit Pb-Zusatz und einem 5 bis 200 nm dicken Pt-Film 44 gebildet. Aus demselben Grund, wie oben beschrieben, liegt eine Pb-Zusatz-Menge bei dem SRO-Film 40 vorzugsweise z. B. unter 10 %.
Die untere Elektrode 36, der ferroelektrische Film 38 und die obere Elektrode 46 bilden einen Kondensator 48 für den Speicher.
Ferner ist auf der gesamten Oberfläche ein 300 nm dicker Siliziumoxidfilm 50 gebildet. In dem Siliziumoxidfilm 50 sind ein Kontaktloch 52, das an der oberen Elektrode 46 ankommt, und ein Kontaktloch 54, das an dem Leiterstecker 24a ankommt, gebildet. Auf dem Siliziumoxidfilm 50 wird durch die Kontaktlöcher 52, 54 eine lokale Zwischenverbindung zum Verbinden der oberen Elektrode 46 und des Leitersteckers 24a gebildet.
Ferner ist ein Zwischenschichtisolierfilm 58 aus einem 300 nm dicken Siliziumoxidfilm auf der gesamten Oberfläche gebildet. Ein Kontaktloch 60, das an dem Leiterstecker 24b ankommt, ist in dem Zwischenschichtisolierfilm 58, den Siliziumoxidfilmen 50, 28 und dem Stopperfilm 26 gebildet. Eine Bitleitung 62 ist mit dem Leiterstecker 24b durch das Kontaktloch 60 verbunden. Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat solch eine Struktur.
Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die untere Elektrode 36 und die obere Elektrode 46 die SRO-Filme 30, 40 mit Pb-Zusatz umfassen. In dem Fall, wenn die obere Elektrode und die untere Elektrode reine SRO-Filme umfassen, tendiert Pb, das in dem ferroelektrischen Film aus PZT-Film enthalten ist, dazu, in die SRO-Filme zu diffundieren. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch Pb den SRO-Filmen zugesetzt, wodurch die Diffusion des Pb, das in dem ferroelektrischen Film 38 enthalten ist, in den SRO-Film unterdrückt werden kann, wodurch eine Verbesserung der ferroelektrischen Eigenschaften des Kondensators herbeigeführt wird. Somit kann durch die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung des SRO- Films eine Niederspannungsoperation und Beständigkeit gegenüber einer Qualitätsminderung durch Wasserstoff realisiert werden.
(Kristallstruktur des SRO-Films)
Nun wird unter Bezugnahme auf 2 eine Kristallstruktur des SRO-Films mit Pb-Zusatz erläutert. 2 ist ein Graph von Röntgenstrahlbeugungsmustern des SRO-Films. Die Röntgenstrahlbeugungsmuster, die in 2 gezeigt sind, ergaben sich durch Röntgenstrahlbeugung [X-ray diffraction] (XRD) beim Anwenden von Röntgenstrahlen auf eine Probe und Aufzeichnen von Beugungsbildern von gestreuten Röntgenstrahlen, um eine Kristallstruktur der Probe zu analysieren.
Beispiel 1 zeigt Röntgenstrahlbeugungsmuster des SRO-Films mit einem Pb-Zusatz von 1 %. Beispiel 2 zeigt Röntgenstrahlmuster des SRO-Films mit einem Pb-Zusatz von 3 %.
Selbst bei einer Vergrößerung und Verringerung der Pb-Zusatz-Menge sind die Röntgenstrahlbeugungsmuster des SRO-Films im wesentlichen dieselben, wie in 2 gezeigt. Auf der Basis dessen wird eingeschätzt, daß das Hinzufügen von Pb zu dem SRO-Film die Kristallstruktur des SRO-Films, d. h., die Perovskit-Struktur, nicht besonders beeinträchtigt.
Demzufolge kann durch die Halbleitervorrichtung unter Verwendung der SRO-Filme gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Niederspannungsoperation und verbesserte Beständigkeit gegenüber einer Qualitätsminderung durch Wasserstoff realisiert werden.
(Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung)
Unter Bezugnahme auf 3A bis 6 wird das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Zuerst wird, wie in 3A gezeigt, der Vorrichtungsisolierfilm 14 zum Definieren einer Vorrichtungszone 12 auf der Oberfläche eines Siliziumsubstrates 10 durch LOCOS [LOCal Oxidation of Silicon] (lokale Siliziumoxidation) gebildet.
Als nächstes wird ein Transistor, der eine Gateelektrode 18 mit dem Seitenwandisolierfilm 16, der an den Seitenwänden gebildet ist, und die diffundierte Source-/Drainschicht 20 enthält, in der Vorrichtungszone 12 gebildet.
Danach wird der 600 nm dicke Zwischenschichtisolierfilm 22 aus Siliziumoxidfilm auf der gesamten Oberfläche durch CVD [Chemical Vapor Deposition] (chemische Dampfabscheidung) gebildet, und dann wird die Oberfläche des Zwischenschichtisolierfilms 22 durch CMP [Chemical Mechanical Polishing] (chemisch-mechanisches Polieren) planarisiert.
Kontaktlöcher 23 werden in dem Zwischenschichtisolierfilm 22 durch Photolithographie bis hinab zu der diffundierten Source-/Drainschicht 20 gebildet.
Dann werden der 20 nm dicke Ti-Film und der 50 nm dicke TiN-Film auf der gesamten Oberfläche durch Sputtern sequentiell gebildet, um dadurch eine Adhäsionsschicht aus dem Ti-Film und TiN-Film zu bilden. Dann wird die 600 nm dicke Wolframschicht auf der gesamten Oberfläche durch CVD gebildet.
Als nächstes werden die Wolframschicht und die Adhäsionsschicht durch CMP poliert, bis die Oberfläche des Zwischenschichtisolierfilms 22 exponiert ist. Damit sind die Leiterstecker 24a, 24b der Adhäsionsschicht und der Wolframschicht in den Kontaktlöchern 23 gebildet (siehe 3B).
Danach werden der Stopperfilm 26 aus einem 100 nm dicken Siliziumoxidnitridfilm und der 100 nm dicke Siliziumoxidfilm 28 auf der gesamten Oberfläche durch CVD sequentiell gebildet (siehe 3C).
Als nächstes wird der 50 bis 500 nm dicke SRO-Film 30 mit Pb-Zusatz durch Sputtern gebildet. Als Filmbildungsbedingung für den SRO-Film 30 kann zum Beispiel ein Target aus SRO mit Pb-Zusatz verwendet werden. Als Sputterenergie kann entweder Gleichstrom oder Hochfrequenz verwendet werden und zweckmäßigerweise z. B. auf 0,3 bis 3,0 Wcm^–2 festgelegt werden. Ein Flußratenverhältnis zwischen Ar-Gas und O₂-Gas kann zweckmäßigerweise z. B. zwischen 99:1 und 50:50 liegen. Ein Druck in der Filmbildungskammer kann zweckmäßigerweise z. B. zwischen 0,5 und 4,0 Pa liegen. Eine Substrattemperatur kann zweckmäßigerweise z. B. zwischen Raumtemperatur und 700 °C liegen.
Der 5 bis 200 nm dicke Pt-Film 34 wird auf der gesamten Oberfläche in einer Ar-Atmosphäre durch Sputtern gebildet. Filmbildungsbedingungen können zum Beispiel ein Target aus Pt, eine Energie von 0,5 bis 5,0 W, eine Ar-Flußrate von 50 bis 200 sccm und eine Substrattemperatur von Raumtemperatur bis zu 500 °C sein.
Als nächstes wird der 230 nm dicke PbZr_xTi_1-xO₃-(PZT)-Film auf der gesamten Oberfläche durch Sputtern oder CSD (Chemical Solution Decomposition) gebildet. Dann erfolgt eine Wärmebehandlung bei 550 bis 750 °C, um den PZT-Film zu der Perovskit-Struktur zu kristallisieren. Damit ist der ferroelektrische Film 38 aus dem PZT-Film gebildet (siehe 4A).
Als nächstes wird auf dieselbe Weise wie der SRO-Film 30 der 50 bis 500 nm dicke SRO-Film 40 auf der gesamten Oberfläche gebildet.
Danach wird auf dieselbe Weise wie der Pt-Film 34 der 5 bis 200 nm dicke Pt-Film 44 auf der gesamten Oberfläche gebildet.
Als nächstes erfolgt eine Wärmebehandlung zum Verbessern der Kondensatorcharakteristiken bei 550 bis 700 °C (siehe 4B).
Dann werden der Pt-Film 44, der SRO-Film 40, der ferroelektrische Film 38, der Pt-Film 34 und der SRO-Film 30 durch Photolithographie gemustert. Somit bilden der SRO-Film 30 und der Pt-Film 34 die untere Elektrode 36 der Pt/SRO-Struktur, bilden der SRO-Film 40 und der Pt-Film 44 die obere Elektrode 46 der Pt/SRO-Struktur und bilden die untere Elektrode 36, der ferroelektrische Film 38 und die obere Elektrode 46 den Kondensator 48 (siehe 5A). Für das Mustern kann ein Trockenätzen eingesetzt werden, und Ätzgas kann ein Gas sein, das z. B. Cl₂, O₂ und Ar enthält.
Danach wird der 300 nm dicke Siliziumoxidfilm auf der gesamten Oberfläche gebildet.
Als nächstes wird das Kontaktloch 52 in dem Siliziumoxidfilm 50 bis hinab zu der oberen Elektrode 46 durch Photolithographie gebildet. Das Kontaktloch 54 wird bis hinab zu dem Leiterstecker 24a in den Siliziumoxidfilmen 50, 28 und dem Stopperfilm 26 gebildet.
Als nächstes wird ein TiN-Film auf der gesamten Ober fläche gebildet. Dann wird der TiN-Film durch Photolithographie gemustert, um die lokale Zwischenverbindung 56 zu bilden, die die obere Elektrode 46 und den Leiterstecker 24a durch die Kontaktlöcher 52, 54 miteinander verbindet (siehe 5B).
Danach wird der Zwischenschichtisolierfilm 58 aus einem 300 nm dicken Siliziumoxidfilm auf der gesamten Oberfläche gebildet.
Dann wird das Kontaktloch 60 durch Photolithographie in dem Zwischenschichtisolierfilm 58, den Siliziumoxidfilmen 50, 28 und dem Stopperfilm 26 bis hinab zu dem Leiterstecker 24b gebildet.
Als nächstes wird ein 600 nm dicker Al-Film auf der gesamten Oberfläche gebildet. Dann wird der Al-Film gemustert, um die Bitleitung 62 zu bilden, die durch das Kontaktloch 60 mit dem Leiterstecker 24b verbunden ist (siehe 6).
Damit ist die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt.
(Abwandlungen)
Nun werden unter Bezugnahme auf 7A und 7B Abwandlungen der Struktur des Kondensators erläutert. 7A ist eine Schnittansicht des Kondensators einer Abwandlung (Abwandlung 1), die eine Struktur des Kondensators zeigt. 7B ist eine Schnittansicht des Kondensators einer Abwandlung (Abwandlung 2), die eine Struktur des Kondensa tors zeigt. In 7A und 7B sind die Bildungsglieder außer dem Kondensator nicht gezeigt.
In dem in 7A gezeigten Kondensator ist die untere Elektrode 36a z. B. lediglich aus dem SRO-Film 30 mit einer Dicke von 60 nm mit Pb-Zusatz gebildet, und die obere Elektrode 46a ist z. B. lediglich aus dem SRO-Film 40 mit einer Dicke von 60 nm mit Pb-Zusatz gebildet. Der ferroelektrische Film 38 ist zwischen der unteren Elektrode 36a und der oberen Elektrode 46a gebildet. Die untere Elektrode 36a, der ferroelektrische Film 38 und die obere Elektrode 46a bilden den Kondensator 48a. In dem Kondensator von 7A sind die SRO-Filme 30, 40 mit Pb-Zusatz mit dem ferroelektrischen Film 38 aus PZT-Film in direktem Kontakt, wodurch die Diffusion von Pb verglichen mit der Diffusion in dem Fall, wenn der Pt-Film oder andere zwischen dem ferroelektrischen Film und dem SRO-Film gebildet sind, weiter unterdrückt werden kann. Da ferner in dem Kondensator 48a von 7A kein Pt-Film in der unteren Elektrode 36a und der oberen Elektrode 46a verwendet wird, reagieren die untere Elektrode 36a und die obere Elektrode 46a nicht ohne weiteres mit Wasserstoff, auch wenn die untere Elektrode 36a und die obere Elektrode 46a bei dem Herstellungsprozeß einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt werden, und daher kann die Qualitätsminderung des Kondensators 48a unterdrückt werden. Die SRO-Filme 30, 40 mit einer Perovskit-Struktur und der ferroelektrische Film 38 mit einer Perovskit-Struktur sind in direktem Kontakt miteinander, wodurch der Kondensator gute elektrische Charakteristiken realisieren kann.
In dem Kondensator von 7B ist die untere Elektrode 36b aus der IrO₂/SRO-Struktur aus dem SRO-Film 30 mit einer Dicke von 60 nm mit Pb-Zusatz und einem 50 nm dicken IrO₂-Film 31 gebildet, und die obere Elektrode 46b der IrO₂/SRO-Struktur ist aus dem SRO-Film 40 mit einer Dicke von 15 nm mit Pb-Zusatz und einem 50 nm dicken IrO₂-Film 41 gebildet. Der ferroelektrische Film 38 ist zwischen der unteren Elek trode 36b und der oberen Elektrode 46b gebildet. Die untere Elektrode 36b, der ferroelektrische Film 38 und die obere Elektrode 46b bilden den Kondensator 48b. Das heißt, in dem Kondensator von 7B wird die IrO₂/SRO-Struktur auf die untere Elektrode 36b und die obere Elektrode 46b angewendet. Der IrO₂-Film hat den Effekt zum Unterdrücken der Diffusion von Sr und weist eine gute Haftung an dem SRO-Film auf. Daher können durch diese Abwandlungen verbesserte Eigenschaften des ferroelektrischen Kondensators realisiert werden.
Strukturen der Elektroden, die Filmdicke, etc., können in Anbetracht von Strukturen, die für die Halbleitervorrichtung charakteristisch sind, und beabsichtigter elektrischer Charakteristiken angemessen festgelegt werden, wie oben beschrieben.
[Zweite Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf 8A und 8B werden die Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung erläutert. 8A ist eine Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 8B ist eine Ansicht einer Struktur des Kondensators der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Dieselben Glieder der vorliegenden Ausführungsform wie jene der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform und des Verfahrens zum Herstellen derselben, die in 1A bis 7B gezeigt sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen, um deren Erläuterung nicht zu wiederholen oder diese zu vereinfachen.
(Halbleitervorrichtung)
Auf einem Siliziumoxidfilm 28 ist, wie in 8A und 8B gezeigt, eine untere Elektrode 64 der Pt/SRO-Struktur aus einem 50 bis 500 nm dicken SRO-Film 30a mit Bi-Zusatz und einem 5 bis 200 nm dicken Pt-Film 34 gebildet. Eine Bi-Zusatz-Menge für den SRO-Film 30a liegt vorzugsweise z. B. unter 10 %, da eine übermäßige Zusatz-Menge von Bi bei dem SRO-Film 30a die Kristallstruktur, d. h., die Perovskit-Struktur stört.
Auf der unteren Elektrode 64 ist ein ferroelektrischer Film 66 aus einem 230 nm dicken SBT-(SrBi₂Ta₂O₉)-Film gebildet.
Auf dem ferroelektrischen Film 66 ist eine obere Elektrode 68 der Pt/SRO-Struktur aus einem 50 bis 500 nm dicken SRO-Film 40a mit Bi-Zusatz und einem 5 bis 200 nm dicken Pt-Film 44 gebildet. Aus dem oben beschriebenen Grund liegt eine Bi-Zusatz-Menge für den SRO-Film 40a vorzugsweise z. B. unter 10 %.
Die untere Elektrode 64, der ferroelektrische Film 66 und die obere Elektrode 68 bilden einen Kondensator 70 für den Speicher.
Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß der ferroelektrische Film 66 des Kondensators ein SBT-Film ist und die untere Elektrode 64 und die obere Elektrode 68 die SRO-Filme 30a, 40a mit Bi-Zusatz enthalten. In dem Fall, wenn die untere Elektrode und die obere Elektrode reine SRO-Filme umfassen, diffundiert das Bi, das in dem ferroelektrischen Film aus SBT-Film enthalten ist, in die SRO-Filme, wodurch ein großer Kriechstrom herbeigeführt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch den SRO-Filmen 30a, 40a Bi zugesetzt, wodurch die Diffusion des Bi, das in dem ferroelektrischen Film 66 enthalten ist, unterdrückt werden kann. Daher kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform, bei der die obere Elektrode und die untere Elektrode des Kondensators SRO-Film umfassen, der Kriechstrom herabgesetzt werden.
(Kristallstruktur des SRO-Films)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 2 eine Kristallstruktur des SRO-Films mit Bi-Zusatz erläutert.
In 2 zeigt Beispiel 3 ein Röntgenstrahlbeugungsmuster des SRO-Films mit einem Bi-Zusatz von 3 %. Das Röntgenstrahlbeugungsmuster von Beispiel 3 ist, wie in 2 gezeigt, im wesentlichen dasselbe wie die Röntgenstrahlbeugungsmuster der Beispiele 1 und 2.
Auf der Basis dessen wird eingeschätzt, daß auch durch den Zusatz von Bi zu dem SRO-Film die Kristallstruktur des SRO-Films sehr beeinträchtigt wird.
Daher kann die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Niederspannungsoperation und verbesserte Beständigkeit gegenüber einer Qualitätsminderung durch Wasserstoff realisieren.
(Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung)
Als nächstes wird das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Die Schritte des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung bis zu dem Schritt zum Bilden eines Siliziumoxidfilms 28 einschließlich des Siliziumoxidfilmbildungsschrittes sind dieselben wie jene des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 3A bis 3C gezeigt sind, und ihre Erläuterung wird nicht wiederholt.
Dann wird ein 10 bis 200 nm dicker SRO-Film 30a mit Bi-Zusatz durch Sputtern gebildet. Als Bedingung zum Bilden des SRO-Films 30a kann zum Beispiel ein Target aus SRO mit Bi-Zusatz verwendet werden. Als Sputterenergie kann entweder Gleichstrom oder Hochfrequenz verwendet werden und zweckmäßigerweise auf einen Bereich z. B. zwischen 0,3 und 3,0 Wcm^–2 festgelegt werden. Ein Flußratenverhältnis zwischen Ar-Gas und O₂-Gas kann zweckmäßigerweise in einem Bereich z. B. zwischen 99:1 und 50:50 liegen. Ein Druck in der Filmbildungskammer kann zweckmäßigerweise innerhalb eines Bereiches zwischen 0,5 und 4,0 Pa liegen. Eine Substrattemperatur kann zweckmäßigerweise auf einen Bereich z. B. zwischen Raumtemperatur und 700 °C festgelegt werden.
Als nächstes wird auf dieselbe Weise wie bei der ersten Ausführungsform ein 100 bis 200 nm dicker Pt-Film 34 gebildet.
Dann wird ein ferroelektrischer Film 66 aus SBT-Film, der ein ferroelektrischer Film ist, auf der gesamten Oberfläche durch CVD gebildet. Als Filmbildungsbedingungen beträgt zum Beispiel eine Substrattemperatur 400 °C, beträgt ein Druck in der Filmbildungskammer 7 Torr, beträgt eine Flußrate von Lösungsmaterialien 0,1 cm³/min, ist ein Lösungsmaterialzusammensetzungsverhältnis von Sr:Bi:Ta = 1,5:7,3:2, beträgt eine Gesamtträgergasflußrate 1,5 slm und ein Trägergas-O₂/N₂-Flußratenverhältnis 50 %. Lösungsmaterialien sind Sr(DPM) ₂ (Strontium-bis-dipivaloylmethanat), Bi(Ph)₃ (Triphenylwismut) und Ta(OiPr)₄(DPM) (Tantal-tetrakis-isopropoxy-dipivaloylmethanat), die durch THF (Tetrahydrofuran) gelöst werden.
Dann erfolgt eine Wärmebehandlung bei 700 °C, um den SBT-Film zu der Perovskit-Struktur zu kristallisieren. Damit ist der ferroelektrische Film 66 aus SBT-Film gebildet.
Dann wird durch denselben Prozeß wie zum Bilden des SRO-Films 30a der 10 bis 200 nm dicke SRO-Film 40a mit Bi-Zusatz auf der gesamten Oberfläche gebildet.
Als nächstes wird auf dieselbe Weise wie bei der ersten Ausführungsform der 50 bis 150 nm dicke Pt-Film 44 auf der gesamten Oberfläche gebildet.
Danach erfolgt eine Wärmebehandlung bei 550 bis 700 °C zum Verbessern von Kondensatorcharakteristiken.
Danach folgen die Schritte, die dieselben wie jene des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform sind, die in 5A bis 6 gezeigt sind, und ihre Erläuterung wird nicht wiederholt. Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist damit hergestellt.
(Abwandlungen)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 9A und 9B eine Abwandlung der Elektrodenstruktur des Kondensators erläutert. 9A ist eine Schnittansicht einer Abwandlung (Abwandlung 1) der Elektrodenstruktur des Kondensators. 9B ist eine Schnittansicht einer Abwandlung (Abwandlung 2) der Elektrodenstruktur des Kondensators. In 9A und 9B sind die Bildungsglieder außer dem Kondensator nicht gezeigt.
Der Kondensator 70a von 9A umfaßt, wie auch der Kondensator 48a, der in 7A gezeigt ist, die untere Elektrode 64a lediglich aus einer Schicht aus SRO-Film und die obere Elektrode 68a lediglich aus einer Schicht aus SRO-Film. Daher kann die vorliegende Abwandlung dieselben Effekte wie der Kondensator von 7A ergeben.
Der Kondensator von 9B umfaßt die untere Elektrode 64b und die obere Elektrode 68b aus einer IrO₂/SRO-Struktur, wie auch der Kondensator 48b, der in 7B gezeigt ist. Demzufolge kann die Abwandlung 2 dieselben Effekte wie der Kondensator von 7B ergeben.
Eine Elektrodenstruktur, die Filmdicke, etc., können in Anbetracht einer Struktur, die für eine Halbleitervorrichtung charakteristisch ist, beabsichtigter elektrischer Charakteristiken, etc., auf geeignete Weise festgelegt werden, wie oben beschrieben.
[Dritte Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf 10A und 10B werden die Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung erläutert. 10A ist eine Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 10B ist eine Ansicht einer Struktur des Kondensators der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Dieselben Glieder der vorliegenden Ausführungsform wie jene der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform und des Verfahrens zum Herstellen derselben, die in 1A bis 9B gezeigt sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen, um deren Erläuterung nicht zu wiederholen oder diese zu vereinfachen.
(Halbleitervorrichtung)
Auf einem Siliziumoxidfilm 28 ist, wie in 10A und 10B gezeigt, eine untere Elektrode 72 der Pt/SRO-Struktur aus einem 50 bis 500 nm dicken SRO-Film 30b mit Pb- und Bi-Zusatz und einem 5 bis 200 nm dicken Pt-Film 34 gebildet. Eine Pb-Zusatz-Menge und eine Bi-Zusatz-Menge für den SRO-Film 30b liegen z. B. unter 10 %.
Ein ferroelektrischer Film 74 mit einer Dicke von 230 nm aus PZT- oder SBT-Film ist auf der unteren Elektrode 72 gebildet.
Auf dem ferroelektrischen Film 74 ist eine obere Elektrode der Pt/SRO-Struktur aus einem 50 bis 500 nm dicken SRO-Film 40b mit Pb- und Bi-Zusatz und einem 5 bis 200 nm dicken Pt-Film 44 gebildet. Eine Pb-Zusatz-Menge und eine Bi-Zusatz-Menge für den SRO-Film liegen z. B. unter 10 %.
Die untere Elektrode 72, der ferroelektrische Film 74 und die obere Elektrode 76 bilden einen Kondensator 78 des Speichers.
Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß die untere Elektrode 72 und die obere Elektrode 76 des Kondensators die SRO-Filme 30b, 40b mit Pb- und Bi-Zusatz umfassen. Die SRO-Filme 30b, 40b enthalten Pb und Bi, wodurch in jedem Fall, wenn der ferroelektrische Film 74 aus PZT-Film oder SBT-Film gebildet ist, die Diffusion des Pb und Bi in die SRO-Filme 30b, 40b unterdrückt werden kann. Das heißt, gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der ferroelektrische Film des Kondensators entweder aus PZT-Film oder aus SBT-Film gebildet, wodurch die ferroelektrischen Eigenschaften des Kondensators verbessert werden können.
(Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung)
Nun wird das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Die Schritte des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung bis zu dem Schritt zum Bilden eines Siliziumoxidfilms 28 einschließlich des Siliziumoxidfilmbildungsschrittes sind dieselben wie jene des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 3A bis 3C gezeigt sind, und ihre Erläuterung wird nicht wiederholt.
Dann wird ein 10 bis 200 nm dicker SRO-Film 30b mit Pb- und Bi-Zusatz durch Sputtern gebildet. Als Bedingung zum Bilden des SRO-Films 30b kann zum Beispiel ein Target aus SRO mit Pb- und Bi-Zusatz verwendet werden. Als Sputterenergie kann entweder Gleichstrom oder Hochfrequenz verwendet werden und zweckmäßigerweise auf einen Bereich z. B. zwischen 0,3 und 3,0 Wcm^–2 festgelegt werden. Ein Flußratenverhältnis zwischen Ar-Gas und O₂-Gas kann zweckmäßigerweise in einem Bereich z. B. zwischen 99:1 und 50:50 liegen. Ein Druck in der Filmbildungskammer kann zweckmäßigerweise innerhalb eines Bereiches z. B. zwischen 0,5 und 4,0 Pa liegen. Eine Substrattemperatur kann zweckmäßigerweise auf einen Bereich z. B. zwischen Raumtemperatur und 700 °C festgelegt werden.
Als nächstes wird auf dieselbe Weise wie bei der ersten Ausführungsform ein 100 bis 200 nm dicker Pt-Film 34 gebildet.
Danach wird auf dieselbe Weise wie bei der ersten oder der zweiten Ausführungsform der ferroelektrische Film 74 aus PZT-Film oder SBT-Film gebildet.
Als nächstes erfolgt eine Wärmebehandlung bei 700 °C, um den ferroelektrischen Film 74 zu der Perovskit-Struktur zu kristallisieren. Damit ist der ferroelektrische Film 74 aus PZT-Film oder SBT-Film gebildet.
Dann wird durch denselben Prozeß wie zum Bilden des SRO-Films 30b der 10 bis 200 nm dicke SRO-Film 40b mit Pb- und Bi-Zusatz gebildet.
Anschließend wird auf dieselbe Weise wie bei der ersten Ausführungsform der 50 bis 150 nm dicke Pt-Film 44 auf der gesamten Oberfläche gebildet.
Als nächstes erfolgt eine Wärmebehandlung bei 550 bis 700 °C zum Verbessern von Charakteristiken des Kondensators.
Diesem Schritt folgen dieselben Schritte wie bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 5A bis 6 gezeigt sind, und die Erläuterung der Schritte wird nicht wiederholt. Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist damit hergestellt.
(Abwandlungen)
Nun werden unter Bezugnahme auf 11A und 11B Abwandlungen der Elektrodenstruktur des Kondensators erläutert. 11A ist eine Schnittansicht einer Abwandlung (Abwandlung 1) der Elektrodenstruktur des Kondensators. 11B ist eine Schnittansicht einer Abwandlung (Abwandlung 2) der Elektrodenstruktur des Kondensators. In 11A und 11B sind die Bildungsglieder außer dem Kondensator nicht gezeigt.
Der Kondensator 78a, der in 11A gezeigt ist, umfaßt eine untere Elektrode 72a und eine obere Elektrode 76a, die jeweils aus einer einzelnen Schicht nur aus SRO-Film gebildet sind, wie auch der Kondensator 48a, der in 7A gezeigt ist. Daher können durch die Abwandlung 1 dieselben Effekte wie bei dem Kondensator von 7A erreicht werden.
Der Kondensator 78b, der in 11B gezeigt ist, umfaßt eine untere Elektrode 72b und eine obere Elektrode 76b der IrO₂/SRO-Struktur, wie der Kondensator 48b von 7B. Daher können durch die Abwandlung 2 dieselben Effekte wie bei dem Kondensator von 7B erreicht werden.
Eine Elektrodenstruktur, die Filmdicke, etc., können in Anbetracht einer Struktur, die für eine Halbleitervorrichtung charakteristisch ist, beabsichtigter elektrischer Charakteristiken, etc., auf geeignete Weise festgelegt werden, wie oben beschrieben.
[Abgewandelte Ausführungsformen].
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform begrenzt und kann verschiedene andere Abwandlungen umfassen.
Zum Beispiel wird die vorliegende Erfindung in den ersten bis dritten Ausführungsformen auf einen FRAM angewendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf einen FRAM begrenzt und ist auf alle Halbleitervorrichtungen anwendbar, die Kondensatoren haben, die einen ferroelektrischen Film umfassen.
In den ersten bis dritten Ausführungsformen umfaßt sowohl die obere Elektrode als auch die untere Elektrode einen SRO-Film. Es ist jedoch möglich, daß nur eine von den oberen und unteren Elektroden einen SRO-Film umfaßt.
In den ersten bis dritten Ausführungsformen haben die obere Elektrode und die untere Elektrode die Pt/SRO-Struktur. Die obere Elektrode und die untere Elektrode müssen jedoch nicht unbedingt die Pt/SRO-Struktur haben und können z. B. eine Pt/IrO_x/SRO-Struktur haben.
In den ersten bis dritten Ausführungsformen umfassen die obere Elektrode und die untere Elektrode einen Pt-Film. Der Pt-Film ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und die obere Elektrode und die untere Elektrode können zum Beispiel Legierungsfilme mit Pt-Gehalt umfassen.
In den ersten bis dritten Ausführungsformen wird ein SRO- Film mit Pb- und Bi-Zusatz verwendet.
In den ersten bis dritten Ausführungsformen ist der ferroelektrische Film als PZT-Film oder SBT-Film gebildet. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, daß der ferroelektrische Film als PZT-Film oder SBT-Film gebildet ist. Jeder ferroelektrische Film kann verwendet werden. Zum Beispiel kann ein SrBi₂ (Ta, Nb)₂O₉-Film, (Ba, Sr) TiO₃-Film, PbTiO₃-Film, BiTiO₃-Film, Film der Y1-Gruppe, etc., verwendet werden. Ein PbTiO₃-Film, der mit Ca, La, Nb oder Sr dotiert ist, oder andere Filme können verwendet werden.
In den ersten bis dritten Ausführungsformen ist der ferroelektrische Film als PZT-Film gebildet, kann aber als PZT-(PLZT)-Film gebildet sein, der mit mehr als 0,1 % La dotiert ist. Das La wird dotiert, wodurch Charakteristiken und eine Gitterkonstante des Ferroelektrikums zweckmäßig festgelegt werden können.
In den ersten bis dritten Ausführungsformen ist ein Target gesintertes SRO. Jedoch ist ein Target nicht auf gesintertes SRO begrenzt und kann z. B. SRO sein, das durch isostatisches Heißpressen [hot isostatic press] (HIP) gebildet ist, oder SRO, das durch Heißpressen gebildet ist.
In den ersten bis dritten Ausführungsformen ist der SRO-Film durch Sputtern gebildet. Der SRO-Film kann jedoch durch CSD aufgeschleudert sein, wodurch Filme unter Verwendung einer SRO-Lösung gebildet werden.
In den ersten bis dritten Ausführungsformen ist der SRO-Film durch Sputtern gebildet. Der SRO-Film kann jedoch durch Sputtern, CVD oder PLD [Pulse Laser Deposition] (Laserimpulsabscheidung) gebildet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Pb und Bi dem SRO-Film zugesetzt, wie oben beschrieben, wodurch die Diffusion des Pb und Bi, die in dem ferroelektrischen Film enthalten sind, in den SRO-Film unterdrückt werden kann. Daher kann die vorliegende Erfindung eine Halbleitervorrichtung vorsehen, durch die unter Verwendung von SRO-Filmen eine Niederspannungsoperation und eine verbesserte Beständigkeit gegenüber einer Qualitätsminderung durch Wasserstoff realisiert werden kann.

Claims

Halbleitervorrichtung mit: einer ersten Elektrode; einem ferroelektrischen Film, der auf der ersten Elektrode gebildet ist; und einer zweiten Elektrode, die auf dem ferroelektrischen Film gebildet ist, wobei die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode einen SrRuO_x-Film enthält, der mit Pb- und/oder Bi-Zusatz aufgebracht wurde.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der SrRuO_x-Film mit dem ferroelektrischen Film in Kontakt ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der ferroelektrische Film ein PbZr_xTi_1-xO₃-Film oder ein SrBi₂Ta₂O₉-Film ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Menge von Pb- oder Bi-Zusatz für den SrRuO_x-Film unter 10 % liegt.