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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abscheideverfahren für ein übergangsmetalloxidhaltiges
Dielektrikum, ferner auf eine Kondensator- oder Transistorstruktur
mit einem Dielektrikum auf Übergangsmetalloxidbasis
sowie auf eine Speichervorrichtung mit einer derartigen Struktur.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Obwohl
die vorliegende Erfindung grundsätzlich
auf beliebige integrierte Halbleiterstrukturen anwendbar ist, werden
sie und die zugrundeliegenden Probleme mit Bezug auf integrierte
DRAM-Speicherschaltkreise in Siliziumtechnologie erläutert.
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Speicherzellen
einer DRAM-Vorrichtung beinhalten jeweils einen Kondensator zum
Speichern von Informationen, kodiert als im Kondensator gehaltene
elektrische Ladung. Eine Mindestkapazität der Kondensatoren und eine
hinreichend lange Haltezeit der Ladung in den Kondensatoren sind
Voraussetzung für
einen zuverlässigen
Betrieb der Speicherzellen.
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Es
gibt einen erheblichen Bedarf, die seitlichen Abmessungen von Strukturen
eines DRAM bis zu einer Mindeststrukturgröße von 40 nm und weniger zu
reduzieren. Um die Kapazität
der DRAM-Kondensatoren nicht zu verkleinern, ist es daher wünschenswert,
schrumpfende seitliche Abmessungen der Kondensatoren dadurch zu
kompensieren, dass man eine Dielektrikumsschicht mit einer hohen
spezifischen Dielektrizitätskonstante,
dem k-Wert, bereitstellt. Gleichzeitig muss darauf geachtet werden, Leckströme nicht
zu erhöhen,
die zu einer kurzen Haltezeit der DRAM Speicherzelle führen und
beeinflusst werden durch die Bandlü cke des Dielektrikumswerkstoffs,
und insbesondere durch die Anpassung zwischen der Bandstruktur des
Dielektrikums und der Bandstruktur der Kondensatorelektroden.
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Für DRAM-Kondensatoren
einer Strukturgröße von unter
40 nm werden Zirkoniumoxid (ZrO2) und Hafniumoxid
(HfO2) als wahrscheinliche Kandidaten dafür angesehen,
einen Grundwerkstoff des Kondensatordielektikums bereitzustellen.
In der kubischen oder tetragonalen Kristallisationsphase erreichen
reines ZrO2 und HfO2 jeweils
eine spezifische Dielektrizitätskonstante
von k = 35 bis 40. Die Dielektrizitätskonstante wie auch die Leckstromdichte
von ZrO2 und HfO2-Schichten
können
beeinflusst werden durch Beigeben eines oder mehrerer zusätzlicher Oxidwerkstoffe
als Dotierstoffe in die Dielektrikumsschicht. Allerdings führt in vielen
Fällen
die Beigabe eines gegebenen Dotierstoffs, der die spezifische Dielektrizitätskonstante
erhöht,
auch zu einer Erhöhung
von Leckströmen.
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Es
wäre daher
vorteilhaft, wenn sich ein Abscheideverfahren für eine Dielektrikumsschicht
auf Zirkonium- oder Hafniumoxidbasis angeben ließe, welches erreicht, die spezifische
Dielektrizitätskonstante über diejenige
von reinem ZrO2 bzw. HfO2 zu
erhöhen
und gleichzeitig die Leckstromdichte niedrig zu halten. Es wäre ferner
vorteilhaft, wenn sich ein Abscheideverfahren angeben ließe, welches
ermöglicht,
die Schicht mit genau definierter Dicke, Zusammensetzung und Kristallisationsphase über einer Struktur
mit hohem Aspektverhältnis
abzuscheiden.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst ein Abscheideverfahren
für ein
Dielektrikum mit einem Übergangsmetalloxid
die Verfahrensschritte:
- – Bereitstellen eines Substrats;
- – Sequenzielles
Anwenden eines ersten Präkursors,
der eine übergangsmetallhaltige
Verbindung aufweist, und eines zweiten Präkursors, der überwiegend
wenigstens eines von Wasserdampf, Ozon, Sauerstoff und Sauerstoffplasma
aufweist, zum Abscheiden einer Schicht eines übergangsmetallhaltigen Werkstoffs über dem
Substrat; und
- – Sequenzielles
Anwenden eines dritten Präkursors,
der eine dotierstoffhaltige Verbindung aufweist, und eines vierten
Präkursors,
der überwiegend
wenigstens eines von Wasserdampf, Ozon, Sauerstoff und Sauerstoffplasma
aufweist, zum Abscheiden einer Schicht eines dotierstoffhaltigen Werkstoffs über dem
Substrat.
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Das
hierin verwendete Übergangsmetall weist
Zirkonium und/oder Hafnium auf. Der hierin verwendete Dotierstoff
weist mindestens eins von Barium, Strontium, Calcium, Niob, Wismut,
Magnesium und Cer auf.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
verwendet zwei Gruppen von Präkursoren,
um den Werkstoff auf Übergangsmetalloxidbasis
auf dem Substrat abzuscheiden. Durch die erste Gruppe von Präkursoren
wird eine Schicht von übergangsmetallhaltigen Werkstoff
abgeschieden, während
durch die zweite Gruppe von Präkursoren
eine Schicht von dotierstoffhaltigen Werkstoff abgeschieden wird.
Jede der Gruppen von Präkursoren
enthält
Wasserdampf, Ozon, Sauerstoff oder Sauerstoffplasma als einen der
Präkursoren,
der bezüglich
des jeweils anderen Präkursors
jedes Paares als oxidierender Reaktionspartner wirkt. Der Wasserdampf,
das Ozon, der Sauerstoff bzw. das Sauerstoffplasma setzen das Übergangsmetall
des ersten Präkursors
bzw. den Dotierstoff des dritten Präkursors frei. Ein möglicher
Vorteil von Ozon ist sein größerer Reinigungseffekt,
d. h. weniger Rückstände der
organischen Verbindungen des ersten bzw. dritten Präkursors
verbleiben in der Dielektrikumsschicht, da Ozon fähig ist,
organische Bestandteile des ersten bzw. dritten Präkursors
in flüchtige
Gase umzuwandeln. Wasserdampf andererseits ist potentiell vorteilhaft,
wo gewünscht
ist, die organischen Bestandteile der Präkursoren sauber abzutrennen,
ohne die organischen Bestandteile selbst zu fragmentieren.
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In
dem das Abscheideverfahren auf diese Weise von der als Atomlagenabscheidung
(ALD) Gebrauch macht, erreicht es eine gleichmäßige Verteilung sowohl des übergangsmetallhaltigen
Werkstoffs und des dotierstoffhaltigen Werkstoffs entlang der Oberfläche des
Substrats, selbst wenn das Substrat in Form einer Struktur mit hohem
Aspektverhältnis ausgebildet
ist, wie etwa eine Struktur mit tiefen Gräben zur Herstellung von Grabenkondensatoren
oder mit zylinder- oder tassenartigen Formationen zur Herstellung
von Stapelkondensatoren.
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Im
Ergebnis werden der übergangsmetallhaltige
Werkstoff und der dotierstoffhaltige Werkstoff in definierten Mengen
abgeschieden, die jeweils einer Monolage mit einer Dicke von einem
Molekül oder
weniger entsprechen, abhängig
vom Grad der sterischen Behinderung unter den gewählten Präkursormolekülen, die
die Bedeckung der Substratoberfläche
durch gleichzeitig aufgebrachte Präkursormoleküle beschränkt. Da alle Atome des Übergangsmetalls
auf hoch regulierte Weise in der unmittelbaren Umgebung eines Dotierstoffatoms
platziert werden, kann eine Temperatur des Substrats, entweder während eines
separaten Temperschrittes oder während des
Abscheidevorgangs selbst, derart gewählt werden, dass sie benachbarte
Atome des Übergangsmetalls
und des Dotierstoffs gemeinsam mit dem in beiden Monolagen abgeschiedenen
Sauerstoffatomen veranlasst, sich in eine gemeinsame Kristallisationsstruktur
und insbesondere die Perowskitstruktur umzuordnen, was zur Bildung
einer dünnen
und genau verteilten Schicht mit hoher spezifischer Dielektrizitätskonstante
und niedrigem Leckstrom führt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
des erfinderischen Abscheideverfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis
17 angegeben.
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Eine
mit dem erfinderischen Verfahren hergestellte Kondensatorstruktur
umfasst eine erste und eine zweite Elektrode aus einem leitenden
Werkstoff, wobei die erfindungsgemäße Dielektrikumsschicht zwischen
beiden Elektroden angeordnet ist. Die erste und zweite Elektrode
bestehen vorzugsweise jeweils aus einem von Niobnitrid, Titannitrid,
Titansiliziumnitrid, Tantalnitrid, Tantalsiliziumnitrid, Tantalcarbid, Kohlenstoff,
Wolfram, Wolframsilizid, Ruthenium, Rutheniumoxid, Iridium und Iridiumoxid.
Die Dielektrikumsschicht enthält
Zirkonium- oder Hafniumoxid und wenigstens eins von Barium, Strontium,
Calcium, Niob, Wismut, Magnesium und Cer. Vorzugsweise weist die
Dielektrikumsschicht eine Perowskitstruktur auf, die es vorteilhaft
ermöglicht,
sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante
und eine große Bandlücke bereitzustellen,
z. B. von 30 bis 50 bzw. 6 eV im Falle von SrZrO3.
Die gesamte Schicht oder nur ein Teil von ihr können diese Struktur aufweisen. Die
Ausrichtung der Struktur kann innerhalb der Schicht unterschiedlich
sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist die Dielektrikumsschicht einen Dotierstoffgehalt von zwischen
5 und 70 Atomprozent des Dielektrikumschichtwerkstoffs ausschließlich von
Sauerstoff auf. Um zu begünstigen,
dass sich eine Perowskitkristallstruktur bildet, weist die Die lektrikumsschicht
einen Dotierstoffgehalt von zwischen 50 und 70 Atomprozent des Dielektrikumschichtwerkstoffs
ausschließlich
von Sauerstoff auf.
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Eine
Halbleiterspeichervorrichtung kann eine Vielzahl von Speicherzellen
umfassen, die jeweils den erfindungsgemäßen Kondensator beinhalten.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Unter
den Figuren zeigen:
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1A und 1B schematische
Querschnitte eines Substrats, auf dem mittels eines Abscheideverfahrens
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung eine Dielektrikumsschicht abgeschieden wird;
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2A einen
schematischen Querschnitt eines Substrats, das eine gemischte Dielektrikumsschicht
trägt,
die mittels eines Verfahrens gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung abgeschieden wurde;
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2B einen
schematischen Querschnitt eines Substrats, das eine Nanolaminat-Dielektrikumsschicht
trägt,
die mittels eines Verfahrens gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung abgeschieden wurde; und
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3 einen
schematischen Querschnitt eines Grabenkondensators, der durch Gebrauch
einer Ausführungsform
des erfinderischen Verfahrens gebildet wurde.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines Stapelkondensators, der durch
eine andere Ausführungsform
des erfinderischen Verfahrens gebildet wurde.
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In
den Figuren beziehen sich gleiche Zahlzeichen auf dieselbe oder
eine ähnliche
Funktionsweise überall
in den einzelnen Ansichten.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Abscheideverfahren gemäß einer
ersten Ausführungsform
wird anhand von 1A und 1B veranschaulicht.
Zunächst
wird ein Substrat 100 bereitgestellt, das als die Grundlage
dienen soll, auf der eine Dielektrikumsschicht abzuscheiden ist. Das
Substrat 100 kann z. B. ein Siliziumwafer sein, oder ein
Siliziumwafer, der mit einer metallischen Elektrodenschicht bedeckt
ist, wie etwa einer Schicht aus Titannitrid oder Tantalnitridbasis,
die ferner Silizium oder eines von Kohlenstoff, Niob, Wolfram, Ruthenium
und Iridium enthalten kann. Das Sub strat 100 kann eine
strukturierte leitfähige
Schicht sein, wie sie etwa eine untere Elektrode eines Kondensators
bildet.
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Wie
in 1A gezeigt, wird nach dem anfänglichen Bereitstellen eines
Substrats 100 in einem ersten Schritt der vorliegenden
Ausführungsform eine
dünne Dielektrikumsschicht 102,
die Zirkoniumoxid (ZrO2) enthält, durch
ein Atomlagenabscheideverfahren (ALD-Verfahren) abgeschieden. Nach
geeigneter Vorbereitung des Substrats wird in eine Reaktionskammer,
in der das Substrat 100 angeordnet wird, ein erster Präkursor 110 eingebracht.
Der erste Präkursor 110 ist
eine Verbindung mit einem angekoppelten Zirkoniumatom. Wie allgemein
von Techniken der Atomlagenabscheidung bekannt, bedeckt der erste
Präkursor 110 die
Oberfläche
des Substrats 100 in Form eines Bruchteils einer einmolekühldicken
Lage. Nach Entfernen überschüssiger Mengen des
ersten Präkursors 110 mittels
einer Vakuumpumpe oder durch Spülen
mit einem Edelgas wird im Anschluss Wasser (H2O)
als ein zweiter Präkursor 112 in
die Reaktionskammer eingeleitet. Alternativ kann auch Ozon (O3) oder Sauerstoff oder Sauerstoffplasma
als zweiter Präkursor 112 verwendet
werden. Wasser, Ozon, Sauerstoff und Sauerstoffplasma wirken als
Reaktionspartner, die den Anteil des ersten Präkursors 117 oxidieren,
der an der Oberfläche
des Substrats 100 haftet und daher durch die Evakuierung
bzw. das Spülen
vor dem Einleiten des zweiten Präkursors 112 nicht
entfernt wurde. Aufgrund der Oxidation wird das Zirkonium von der
Präkursorverbindung
entkoppelt und durch den Wasserdampf, das Ozon, den Sauerstoff oder
das Sauerstoffplasma 112 oxidiert. Auf diese Weise wird
eine vollständige oder
fraktionale Monolage von Zirkoniumoxid auf dem Substrat 100 gebildet,
wobei der Bedeckungsgrad vom Betrag der sterischen Behinderung zwischen
den Molekülen
des ersten Präkursors
abhängt.
Die Dicke d der Monolage ist durch den Molekülradius von Zirkonium bestimmt
und liegt im Bereich von ca. 0,4 nm. Nach dem Einleiten des ersten Präkursors 110 werden
nun überschüssige Mengen des
zweiten Präkursors 112 aus
der Reaktionskammer entfernt. Alternativ können der erste und zweite Präkursor 110, 114 gleichzeitig
in die Reaktionskammer eingeleitet werden, um in einem einzigen
Schritt eine Schicht zu bilden, die Zirkoniummetall und Strontium
enthält.
Nach Evakuieren oder Spülen
werden Wasserdampf, Ozon, Sauerstoff oder Sauerstoffplasma 112, 116 eingeleitet,
um die zirkonium- und strontiumhaltige Schicht zu oxidieren.
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Wie
in 1B gezeigt, wird als nächstes ein dritter Präkursor 114 mit
einer strontiumhaltigen Verbindung in die Reaktionskammer eingeleitet.
Auf dieselbe Weise, auf die der erste Präkursor die Oberfläche des
Substrats 100 in der Form einer vollständigen oder fraktionalen Monolage
bedeckte, bedeckt nun der dritte Präkursor 114 die Oberfläche der
zirkoniumhaltigen Monolage 102 und bildet dabei eine weitere
vollständige
oder fraktionale Monolage 104 aus strontiumhaltigen Werkstoff.
Nachdem eine Überschussquantität des dritten
Präkursors 114 aus der
Reaktionskammer entfernt wurde, wird ein vierter Präkursor 116 als
ein Reaktionspartner zum Oxidieren des dritten Präkursors 114 eingeleitet,
wodurch sich eine Monolage 104 aus Strontiumoxid bildet,
gestapelt auf die Monolage 102 aus Zirkoniumoxid. Wenn
sowohl die Monolage 102 aus Zirkoniumoxid und die Monolage 104 aus
Strontiumoxid fraktional sind – z.
B. mit einer jeweils erreichten Deckung von 1/3 – wird im Wesentlichen eine
gemischte Monolage (nicht gezeigt) ausgebildet, mit einer Bedeckung
von ungefähr
2/3 für
das gegebene Beispiel. Der als vierter Präkursor 116 eingebrachte
Reaktionspartner kann wenigstens eines von Wasserdampf, Ozon, Sauerstoff
und Sauerstoffplasma enthalten. Vorzugsweise wird der gleiche Reaktionspartner,
der als zweiter Präkursor
verwendet wurde, auch als vierter Präkursor 116 verwendet,
wodurch das Abscheideverfahren durch Reduktion der Anzahl bereitzustellender
unterschiedlicher Präkursoren
vereinfacht wird.
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Führt man
das Abscheideverfahren wie beschrieben durch, wird im Ergebnis eine
Dielektrikumsschicht 106 auf dem Substrat 100 abgeschieden,
wobei die Dielektrikumsschicht 106 eine ungefähr gleiche
Menge von Zirkoniumoxid und Strontiumoxid enthält. Da sowohl das Zirkoniumoxid
als auch das Strontiumoxid in Form gestapelter Monolagen 102, 104 oder
wie oben beschrieben in der Form mindestens einer gemischten Monolage
abgeschieden wurden, kann die Dielektrikumsschicht 106 in
einer gegebenen gewünschten
Kristallisationsstruktur gebildet werden, welche sowohl Zirkonium
als auch Strontium in Verbindung mit Sauerstoff umfasst, und zwar
durch Wählen
der Temperatur des Substrats 100 während des Abscheidens aus einem
Temperaturbereich, der bekanntermaßen die Bildung der gewünschten
Kristallisationsstruktur induziert. Insbesondere kann die gemischte,
Zirkonium, Strontium und Sauerstoff enthaltende Dielektrikumsschicht 106 in
einer Kristallisationsstruktur wie der Perowskitstruktur bereitgestellt
werden, von der bekannt ist, dass sie mit einem gewünschten
Satz von Eigenschaften einhergeht, einschließlich einer hohen spezifischen
Dielektrizitätskonstante
und einer großen Bandlücke.
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Optional
wird nach dem Abscheiden der Dielektrikumsschicht ein separater
Temperschritt durchgeführt,
während
dessen das Substrat mit der abgeschiedenen Dielektrikumsschicht
auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, um ein Kristallisieren
in einer gewünschten
Kristallisationsstruktur zu induzieren. Auf diese Weise können zusätzlich zur Temper-Temperatur die
Dauer des Temperschritts und die Wahl der Atmosphäre, in der
der Temperschritt durchgeführt
werden soll, gesteuert werden. Vorzugsweise liegt die Tempertemperatur
zwischen 200°C
und 1200°C,
weiterhin bevorzugt zwischen 200°C
und 600°C.
Geeignete Atmosphärengase
umfassen N2, O2,
Ar, NH3 und N2O,
wobei der Temperschritt mehrere Sekunden dauert.
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2A zeigt
einen schematischen Querschnitt einer Dielektrikumsschicht 106,
die durch ein Abscheideverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung abgeschieden wurde, in dem die Schritte von 1A und 1B zur
Abscheidung von Monolagen abwechselnd in Folge ausgeführt werden.
Der einfachen Darstellung halber wurde angenommen, dass jeder Abscheideschritt
in einer vollständigen
Monolage resultiert, sodass sich ein Abscheiden einer gemischten
Dielektrikumsschicht 106 ergibt, in der Monolagen 102 von
Zirkoniumoxid und Monolagen 104 von Strontiumoxid einander
abwechseln. Wenn abhängig
von der Wahl des Präkursors
jeder Abscheideschritt in einer Monolage fraktionaler Bedeckung
resultiert, wird eine gemischte Dielektrikumsschicht 106 abgeschieden,
in der jede Monolage selbst sowohl Zirkonium- als auch Strontiumatome
in hoch gleichförmiger
Verteilung enthält.
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Durch
Auswählen
einer geeigneten Anzahl von Wiederholungen, in denen die Abscheideschritte aus 1A und 1B angewandt
werden, wird ermöglicht,
eine gemischte Dielektrikumsschicht 106 in einer gewünschten
Dicke d abzuscheiden. Beispielsweise kann bei Annahme einer Dicke
jeder Monolage 102, 104 von 0,4 nm die gemischte
Dielektrikumsschicht 106 bis zu einer Gesamtdicke d von
8 nm abgeschieden werden, indem die Abscheideschritte aus 1A und 1B abwechselnd
zehnfach wiederholt werden, wodurch sich ein Stapel von zehn alternierenden
Monolagen 102, 104 ergibt, wie in 2A gezeigt.
Wenn in jedem Abscheideschritt nur fraktionale Monolagen abgeschieden
werden, muss die Anzahl auszuführender
Abscheideschritte entsprechend erhöht werden, um zu einer Dielektrikumsschicht
der gleichen Dicke zu gelangen.
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Da
in Folge der abwechselnden Abscheidung vollständiger oder fraktionaler Monolagen 102, 104 Zirkoniumatome
und Strontiumatome in der ganzen Dielektrikumsschicht 106 in
geringem Abstand zueinander verteilt sind, ermöglicht die vorliegende Ausführungsform
durch Auswählen
der Temperatur des Substrats 100 während eines nachfolgenden Temperschritts
oder während
des Abscheidevorgangs selbst aus einem Bereich, der zu einer gewünschten
gemeinsamen Kristallisationsstruktur von Zirkonium, Strontium und
Sauerstoff wie etwa der Perowskitstruktur führt, eine Dielektrikumsschicht 106 gewünschter
Dicke d abzuscheiden, innerhalb derer Zirkonium, Strontium und Sauerstoff
in der gewünschten
gemeinsamen Struktur kristallisiert sind. Zum Beispiel wird in der
beschriebenen Weise ermöglicht,
eine gemischte Dielektrikumsschicht 106 aus Zirkonium-Strontium-Oxid
in einer gewünschten Dicke
d in der Perowskit-Kristallisationsstruktur abzuscheiden und damit
eine Dielektrikumsschicht 106 bereitzustellen, die eine
hohe Dielektrizitätskonstante
bei hohem Widerstand gegen Leckströme durch die Dielektrikumsschicht 106 aufweist.
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2B zeigt
in schematischer Querschnittsansicht eine Dielektrikumsschicht 106,
die durch ein Abscheideverfahren gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung abgeschieden wurde. Wie bei der Ausführungsform
von 2A wurden die Abscheideschritte von 1A und 1B aufeinanderfolgend
wiederholt, um die Dielektrikumsschicht 106 als Folge von
zehn separat abgeschiedenen Monolagen 102, 104 abzuscheiden.
Der einfachen Darstellung halber wurde wiederum angenommen, dass jeder
Abscheideschritt in einer vollständigen
Monolage resultiert.
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In
dieser Ausführungsform
werden die Abscheideschritte aus 1A und 1B jedoch
nicht abwechselnd nacheinander angewandt. Stattdessen wurde der
Abscheideschritt aus 1B dreimal nacheinander angewandt,
gefolgt von einer zweimalig aufeinanderfolgenden Anwendung des Abscheideschrittes
aus 1A. Anschließend
wurde der Abscheideschritt aus 1B wieder
dreimal nacheinander angewandt, gefolgt von der zweimalig aufeinanderfolgenden
Anwendung des Abscheideschritts aus 1A. Wie
in 2B gezeigt stellt die resultierende Dielektrikumsschicht 106 ein
Nanolaminat laminierter Einzelschichten da, von denen jede mehrere
Monolagen von Zirkoniumoxid bzw. Strontiumoxid umfasst. Wenn in
jedem Abscheideschritt nur fraktionale Monolagen abgeschieden werden,
ermöglicht es
eine entsprechende Erhöhung
der Anzahl von Abscheideschritten, die zur Bildung der jeweiligen
Einzelschichten zu wiederholen sind, zu einem Nanolaminat der gezeigten
Struktur zu gelangen.
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Durch
Auswählen
der Temperatur des Substrats 100, entweder während des
Abscheidevorgangs oder vorzugsweise während eines separaten Temperschritts,
aus einem Temperaturbereich, der jeweils die Bildung gewünschter
Kristallisationsstrukturen innerhalb der jeweiligen Einzelschichten
von Zirkoniumoxid bzw. Strontiumoxid sowie die Bildung gewünschter
gemischter Kristallisationsstrukturen in der Nähe der Granzflächen zwischen
den Einzelschich ten ermöglicht,
eine Dielektrikumsschicht 106 mit einer gewünschten
Dicke d abgeschieden werden, die eine hohe insgesamte Dielektrizitätskostante
mit einem hohen spezifischen Widerstand gegen Leckströme verbindet,
z. B. durch Bereitstellen der Einzelschichten eines der Oxidwerkstoffe
in einer Kristallisationsstruktur mit einer bekannten hohen Dielektrizitätskonstante
mit eingeschobenen Einzelschichten des jeweils anderen Oxidwerkstoffs
in einer Kristallisationsstruktur, die bekanntermaßen eine besonders
große
Bandlücke
bereitstellt und damit eine wirksame Barriere gegen Leckströme bildet.
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Weiterhin
kann durch Auswählen
einer bestimmten Abfolge von Monolagen, die entweder Zirkonium oder
Dotierstoff enthalten, eine gemischte Schicht mit einem gewünschten
Konzentrationsverhältnis
wie etwa 1:2, 2:3, 3:4 usw. abgeschieden werden. Beispielsweise
kann durch Wiederholen der Abfolge Sr-Zr-Sr-Sr-Zr, wobei Sr für einen
Abscheideschritt für
eine strontiumhaltige Monolage und Zr für einen Abscheideschritt für eine zirkoniumhaltige
Monolage steht, eine gemischte Dielektrikumsschicht mit einem Konzentrationsverhältnis von
3:2 zwischen Strontium und Zirkonium abgeschieden werden, was einen
Dotierstoffgehalt von ca. 60% der Atome des Dielektrikumsschichtwerkstoffs
ohne Berücksichtigung
von Sauerstoff entspricht. Vorzugsweise wird das Verhältnis derart
gewählt,
dass der Dotierstoffgehalt zwischen 5 und 70 Atomprozent des Dielektrikumsschichtwerkstoffs
ausschließlich
von Sauerstoff besteht, am meisten bevorzugt zwischen 50 und 70 Atomprozent.
Der am meisten bevorzugte Bereich ermöglicht es, eine vorteilhafte
Perowskitstruktur zu bilden, in der freie Zirkoniumatomstellen es
den Zirkoniumatomen ermöglichen,
sich in einer starren Struktur von Dotierstoffatomen – z. B.
Strontiumatomen – und
Sauerstoffatomen zu bewegen. Diese Struktur ist hochgradig polarisierbar
und führt
daher zu einer besonders hohen spezifischen Dielektrizitätskonstante.
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Der
Bezug auf Zirkonium in den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist rein beispielhaft. In alternativen Ausführungsformen kann Hafnium anstelle
von Zirkonium oder in Verbindung mit Zirkonium als Übergangsmetall
verwendet werden, wobei das Abscheideverfahren im Wesentlichen wie
beschrieben ausgeführt
wird. Ebenso ist die Verwendung von Strontium als Dotierstoff in
den obigen Ausführungsbeispielen
wie beschrieben rein beispielhaft. In alternativen Ausführungsformen
können
Barium, Calcium, Niob, Wismut, Magnesium oder Cer, sowie jedwede
Kombinationen derselben beim Ausführen des Abscheideverfahrens
im Wesentlichen wie beschrieben als ein Dotierstoff verwendet werden,
anstelle von oder in Verbindung mit Strontium.
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3 zeigt
einen Querschnitt einer Grabenkondensatorstruktur, die durch Verwendung
einer der obigen Ausführungsformen
gebildet wurden. Der Kondensator umfasst eine erste Elektrode 100,
eine durch ein Abscheideverfahren einer der obigen Ausführungsformen
abgeschiedene Dielektrikumsschicht 106 und eine zweite
Elektrode 302. Vorzugsweise enthält die erste Elektrode 100 Titan
oder/und Tantal. Das Dielektrikum 106 weist Zirkonium-
oder Hafniumoxid und ein Dotierstoffoxid auf, vorzugsweise in einer
gemeinsamen Kristallisationsstruktur kristallisiert. Die Dicke des
Dielektrikums 106 beträgt
in einer bevorzugten Ausführungsform
etwa 2–20
nm.
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Um
die gezeigte Kondensatorstruktur herzustellen, wird in einem Substrat 300 ein
Graben 304 ausgebildet. Die erste Elektrode 100 wird
durch ein herkömmliches
Abscheideverfahren auf die Oberfläche des Grabens 304 abgeschieden.
Das Dielektrikum 106 wird durch einen der zusammen mit
den obigen Ausführungsformen
offenbarten ALD-Prozesse direkt auf die erste Elektrode 100 abgeschieden.
Die zweite Elektrode 302 kann als polykristalline Silizium- oder eine metallische
Elektrode ausgebildet sein, wobei sie vorzugsweise aus Niobnitrid,
Titannitrid, Titansiliziumnitrid, Tantalnitrid, Tantalsiliziumnitrid,
Tantalcarbid, Kohlenstoff, Wolfram, Wolframsilizid, Ruthenium, Rutheniumoxid,
Iridium oder Iridiumoxid besteht. Diese Werkstoffe sind elektrische
Leiter und gut geeignet, die Funktion von Kondensatorelektroden
zu erfüllen.
Ihre jeweiligen Leitungsbänder
liegen vorteilhafter Weise derart, dass sie einen hohen spezifischen
Widerstand der Grenzfläche
von Elektrode und Dielektrikum gegenüber Leckströmen bieten. Eine Zwischenschicht
aus Siliziumnitrid (nicht gezeigt) ist optional zwischen der ersten
Elektrode 100 und dem Dielektrikum 106 und/oder
zwischen dem Dielektrikum 106 und der zweiten Elektrode
ausgebildet. Alternativ kann zur Ausbildung einer Metall-Isolator-Silizium-Struktur
(MIS-Struktur) anstelle einer Metall-Isolator-Metall-Struktur (MIM-Struktur) eine Zwischenschicht
aus z. B. Siliziumnitrid zwischen einem Siliziumsubstrat und dem
Dielektrikum 106 verwendet werden, wenn keine vom Substrat
getrennte erste Elektrode verwendet wird.
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4 zeigt
einen Querschnitt einer Stapelkondensatorstruktur 408,
die durch Verwendung einer der obigen Ausführungsformen des erfinderischen
Abscheideverfahrens gebildet wurde. Der Stapelkondensator 408 umfasst
eine zylinderförmige erste
Elektrode 100, ein Dielektrikum 106, das durch ein
Abscheideverfahren gemäß einer
der obigen Ausführungsformen
sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite der ersten Elektrode 100 abgeschieden wurde,
und eine zweite Elektrode 302. Das Dielektrikum 106 weist
ein Übergangsmetalloxid und
einen Dotierstoff auf. Die Dicke des Dielektrikums 106 beträgt in einer
bevorzugten Ausführungsform
etwa 2–20
nm.
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Ein
Kontaktstöpsel 400 ist
zum Anschließen der
ersten Elektrode 100 bereitgestellt. Der Kontaktstöpsel 400 wird
anfänglich
in einer von einer geeignet gestalteten Ätzstoppschicht 404 bedeckten
isolierenden Oxidschicht 402 durch Ätzen und Ausfüllen mit
einem leitfähigen
Werkstoff gebildet. Eine leitfähige Überzugschicht 406 bedeckt
die Kondensatorstruktur 408.
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Obwohl
die vorliegende Ausführungsform mit
Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt, sondern
kann auf verschiedene Weisen modifiziert werden, die für Fachleute
des Gebiets offensichtlich sind. Daher ist beabsichtigt, dass die
vorliegende Erfindung nur durch den Umfang der hiermit beigefügten Patentansprüche begrenzt
ist.
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Zum
Beispiel können
die in 1A und 1B veranschaulichten
ALD-Prozesse, die jeweils zum Abscheiden von Schichten übergangsmetallhaltigen
Werkstoffs bzw. dotierstoffhaltigen Werkstoffs verwendet werden,
durch Prozesse zur pulsierten chemischen Gasphasenabscheidung (pulsed CVD)
ersetzt werden, die jeweils die Reaktionskammer mit einem gesteuerten
Puls eines übergangsmetallhaltigen
Präkursors
bzw. eines dotierstoffhaltigen Präkursors beschicken. Zwischen
den Pulsen wird die Reaktionskammer gereinigt, z. B. durch Spülen mit
einem Edelgas. Die Dicke der durch jeden CVD-Puls gebildeten dünnen Schichten
ist möglicherweise
nicht so exakt definiert wie bei durch ALD-Prozesse abgeschiedenen
Monolagen, was ALD zur bevorzugten Wahl für das erfindungsgemäße Abscheideverfahren
macht.