DE10242033A1 - Ferroelektrische Speichervorrichtung und Verfahren zum Ausbilden derselben - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine ferroelektrische Speichervorrichtung und ein Verfahren zum Ausbilden derselben. Die ferroelektrische Speichervorrichtung enthält ein Halbleitersubstrat, eine untere Kondensatorelektrode, eine ferroelektrische Schicht und eine obere Kondensatorelektrode. Das Halbleitersubstrat weist einen unteren Aufbau auf. Die untere Kondensatorelektrode weist eine zylindrische Form und eine bestimmte Höhe auf. Die ferroelektrische Schicht ist im wesentlichen über der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats einschließlich der unteren Kondensatorelektrode konform aufgebracht. Die obere Kondensatorelektrode weist eine Spacer-Form auf und ist um die Seitenwand der ferroelektrischen Schicht herum ausgebildet, die die untere Elektrode umgibt. Bei dem Verfahren des Ausbildens der ferroelektrischen Speichervorrichtung wird ein Halbleitersubstrat mit einer dielektrischen Zwischenschicht und einem unteren Elektrodenkontakt, der durch die dielektrische Zwischenschicht hindurch ausgebildet ist, vorbereitet. Eine zylindrische untere Kondensatorelektrode wird auf der dielektrischen Zwischenschicht zum Bedecken des Kontaktes ausgebildet. Eine ferroelektrische Schicht wird auf dem Halbleitersubstrat mit der unteren Kondensatorelektrode konform aufgebracht. Eine Spacer-förmige obere Elektrode wird um die Seitenwand der ferroelektrischen Schicht herum ausgebildet, die die untere Kondensatorelektrode umgibt.

Description

Verwandte Anmeldung
• Diese Anmeldung nimmt die Priorität der Koreanischen Patentanmeldung Nummer 2001-56392, angemeldet am 13. September 2001, in Anspruch und ihr Inhalt wird hierin durch Bezugnahme voll inhaltlich offenbart.
Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine ferroelektrische Speichervorrichtung mit einem ferroelektrischen Kondensator, der eine Speicherzelle in einem ferroelektrischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (FRAM) ausbildet, und ein Verfahren zum Ausbilden derselben.
Hintergrund der Erfindung
• Wenn an eine ferroelektrische Substanz ein externes elektrisches Feld angelegt wird, wird in der ferroelektrischen Substanz eine Polarisation erzeugt. Nachdem das äußere elektrische Feld abgeschaltet wird, bleibt ein großer Teil der Polarisation weiterhin bestehen. Die Richtung einer Selbstpolarisation darin kann durch ein Ändern des äußeren elektrischen Feldes gesteuert werden. Die ferroelektrische Substanz kann durch ein Verarbeiten einer hochdielektrischen Substanz wie beispielsweise PZT (Pb(Zi,Ti)O₃) oder SBT (SrBi₂Ta₂O₉) ausgebildet werden. Die ferroelektrische Substanz weist somit Eigenschaften auf, die ähnlich denen sind, auf deren Grundlage die herkömmlichen weitverbreiteten Binärspeicher arbeiten.
• Um eine ferroelektrische Zelle auszubilden, wird eine hochdielektrische Substanz wie beispielsweise PZT oder SBT verwendet, wobei die Substanz eine ferroelektrische kristalline Struktur aufweist, die als sogenannte "Perowskitstruktur" bezeichnet wird. Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Ausbilden der Perowskitstruktur wird eine hochdielektrische Substanz in einem amorphen Zustand aufgebracht, auf ungefähr 700°C in einer Sauerstoffumgebung erwärmt und kristallisiert. Falls jedoch, auch wenn die Perowskitstruktur ausgebildet ist, ein physikalischer Einfluß darauf durch ein anisotropes Ätzen in einem darauffolgenden Verfahren ausgeübt wird, oder falls ein bestimmtes Material wie beispielsweise Wasserstoff in die ferroelektrische Schicht durch die Fusion eindringt, kann dies zu einer ernsthaften Verschlechterung bzw. Minderwertigkeit bei den Eigenschaften der ferroelektrische Substanz führen. Glücklicherweise kann eine derartige Minderwertigkeit der sich ergebenden ferroelektrischen Schicht durch eine Tempern in einer Sauerstoffumgebung geheilt werden.
• Wenn die Perowskitstruktur ausgebildet wird oder wenn die darauffolgende Verschlechterung bzw. Minderwertigkeit der ferroelektrischen Schicht geheilt wird, erfordert die Verfahrensbedingung eine Sauerstoffumgebung und eine hohe Temperatur. Wenn ein Material wie beispielsweise Polysilizium zum Ausbilden der Kondensatorelektroden auf und unter der ferroelektrischen Schicht verwendet wird, wird zumindest die Oberfläche oder die Grenze bzw. Grenzschicht oxidiert, was die Leitungsfähigkeit und die Kapazität nachteilig beeinflußt. Daher wird herkömmlicherweise Platin, Iridium oder ein anderes Edelmetall verwendet, so daß der ferroelektrische Kondensator eine Isolationsoxidschicht an einer Kondensatorelektrode, die die ferroelektrische Schicht kontaktiert, bei einer Sauerstoffumgebung und einer hohen Temperatur ausbildet.
• Fig. 1 und 2 zeigen Querschnittsansichten, die das Verfahren zum Ausbilden von ferroelektrischen Kondensatoren mit planaren Strukturen darstellen, wie es häufig bei einer ferroelektrischen Speichervorrichtung benutzt wird.
• Gemäß Fig. 1 sind die Enden der unteren Elektrode 16, ein ferroelektrisches Muster 18 und eine obere Elektrode 20 treppenstufenförmig ausgebildet, und dies ist indikativ dafür, daß jede Schicht durch einen separaten Musterungsprozeß ausgebildet worden ist. Gemäß Fig. 1 sind die untere Elektrodenschicht, die ferroelektrische Schicht und die obere Elektrodenschicht aufeinanderfolgend auf der dielektrischen Zwischenschicht 12 aufgebracht, wo ein unterer Kondensatorelektrodenkontakt 14 ausgebildet ist. Diese drei Schichten sind durch Photolitographie- und Ätzprozesse bzw. -Verfahren zum Ausbilden der unteren Elektrode 16, dem ferroelektrischen Muster 18 und der oberen Elektrode 20 gemustert. Jedoch wird ein Photoresistmuster zum Mustern verwendet und die Edelmetallschichten, die jede der Elektrodenschichten ausbilden, weisen beinahe die gleiche Ätzrate auf. Somit sind sie nicht mit Hilfe eines einzigen photolitographischen Verfahrens ausgebildet, sondern durch drei aufeinanderfolgende photolitographische Verfahren ausgebildet.
• Fig. 2 zeigt ein ähnliches Muster wie Fig. 1. Gemäß Fig. 2 wird eine obere Elektrode 20 durch zusätzliche Photolitographie- und Ätzverfahren gemustert, und eine ferroelektrische Schicht 18 und eine untere Elektrode 16 werden durch Mustern unter durchgehender Verwendung des gleichen Photoresistmusters (nicht gezeigt) ausgebildet. Somit wird in jedem Fall das Photolitographieverfahren zweimal durchgeführt, um den Kondensator auszubilden.
• Wenn ein ferroelektrischer Kondensator mit einer herkömmlichen planaren Struktur ausgebildet wird, ist es schwierig, die gesamte Kondensatorstruktur durch ein einziges Photolitographieverfahren auszubilden. Somit wird das Verfahren zum Ausbilden eines ferroelektrischen Kondensators kompliziert und die Kosten sind erhöht. Überdies können während des Photolitographieverfahren Fehler auftreten. Da der ferroelektrische Kondensator eine einfache planare Struktur aufweist, ist eine Erhöhung der Kapazität pro Flächeneinheit schwierig.
• Fig. 3 und 4 stellen herkömmliche ferroelektrische Speichervorrichtungen zum Überwinden der Begrenzung bei der Kapazität von Kondensatoren mit einfachen planaren Strukturen dar, wie sie in dem US-Patent Nummer 6,043,526 bzw. 5,499,207 offenbart sind.
• Gemäß Fig. 3 wird eine dielektrische Zwischenschicht 12 auf einem Halbleitersubstrat 10 mit einer Bitleitung 23 und einem MOS-Transistor, der aus einer Gate-Elektrode 31 und Source-/Drain-Bereichen 15 aufgebaut ist, schichtweise aufgebracht und anschließend wird die dielektrische Schicht 12 planarisiert. Ein Kontakt 14 wird durch die dielektrische Schicht 12 hindurch ausgebildet, um die untere Kondensatorelektrode 35 mit einem Source-Bereich des Transistors zu verbinden. Eine zylindrische untere Elektrode 35 ist auf dem Kontakt 14 ausgebildet. Eine Barrierenschicht, eine ferroelektrische Schicht und eine obere Elektrodenschicht werden durch eine CVD- Technik auf dem Halbleitersubstrat dort aufgebracht, wo die untere Elektrode 35 ausgebildet ist. Diese Schichten werden zum Ausbilden einer oberen Elektrode 43, einem Ferroelektrischen Muster 41 und einem Barrierenmuster 38 gemustert. Somit wird ein dreidimensionaler ferroelektrischer Kondensator ausgebildet. Jedoch sind auch bei diesem Stand der Technik zwei Freilegungsverfahren erforderlich, eines zum Mustern der unteren Elektrodenschicht und ein anderes zum Mustern der oberen Elektrodenschicht und der ferroelektrischen Schicht. Da die unteren und oberen Elektroden ebenso aus Edelmetall bestehen, sind ihre Profile nicht gut, wenn sie gemeinsam geätzt werden.
• Gemäß Fig. 4 wird eine dielektrische Zwischenschicht 12 auf einem Halbleitersubstrat 10 mit einer unteren Struktur ausgebildet, und ein Kontakt-Plug 14 wird durch die dielektrische Zwischenschicht 12 hindurch ausgebildet. Eine zylindrische untere Elektrode 35 wird zum Bedecken des Kontakt-Plugs 14 ausgebildet. Obwohl dies nicht in Fig. 4 gezeigt wird, wird die untere Elektrode 35 während des Musterns überäzt und das obere Ende der dielektrischen Zwischenschicht 12 kann bis zu einer bestimmten Tiefe selektiv geätzt werden. Eine konforme ferroelektrische CVD-Schicht 41 und eine dicke obere CVD-Elektrode 43 werden über der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 aufgebracht. In diesem Fall ist die obere Elektrode 43 von einer breitplattenförmigen Art (wide-plate type) was zu einer parasitären Kapazität und einem unzuverlässigen Betrieb der Halbleitervorrichtung führen kann.
• Kurzfassung der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine ferroelektrische Speichervorrichtung zu schaffen, welche die Anzahl an Photolitographieverfahren verringert, um das Gesamtverfahren zu vereinfachen, wenn ein ferroelektrischer Kondensator ausgebildet wird, sowie ein Ausbildungsverfahren für die ferroelektrische Speichervorrichtung zu schaffen.
• Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine ferroelektrische Speichervorrichtung mit einem ferroelektrischen Kondensator zu schaffen, der eine größere Kapazität pro Flächeneinheit im Vergleich mit einem herkömmlichen ferroelektrischen Kondensator mit einer Planarstruktur aufweist.
• Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß jeweils durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.
• Die vorliegende Erfindung ist auf eine ferroelektrische Speichervorrichtung gerichtet, die ein Halbleitersubstrat, eine untere Kondensatorelektrode, eine ferroelektrische Schicht und eine obere Kondensatorelektrode enthält. Das Halbleitersubstrat weist eine untere Struktur auf und die untere Kondensatorelektrode ist mit einer Zylinder- oder Stabform ausgebildet, die eine bestimmte Höhe über dem Substrat mit der unteren Struktur besitzt. Die ferroelektrische Schicht ist über im wesentlichen der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats konform aufgebracht, einschließlich der unteren Kondensatorelektrode. Die obere Elektrode weist eine Spacer-Form auf und ist auf der ferroelektrischen Schicht rund um die Seitenwand der unteren Kondensatorelektrode ausgebildet.
• Ein Hartmaskenmuster kann zum Mustern der unteren Elektrode auf der unteren Kondensatorelektrode ausgebildet sein. Das Hartmaskenmuster besteht überwiegend aus Siliziumoxid und seine Dicke beträgt vorzugsweise weniger als die Hälfte der Höhe der unteren Elektrode.
• Plattenleitungen sind in einer Zeilen- oder Spaltenrichtung in einer Matrix, die die Speicherzellen enthält, ausgebildet, um Teile der ferroelektrischen Schicht zu bedecken, und die oberen Kondensatorelektroden können gemeinsam mit der Plattenleitung verbunden sein. Lücken zwischen den Kondensatoren werden vorzugsweise teilweise mit einem Isolationsmaterial aufgefüllt, bevor die Plattenleitung ausgebildet wird. Somit wird das Verhältnis Höhe zu Breite (aspect ratio) jeder Lücke verringert, um Blasen zu verhindern, welche verursacht werden könne, wenn die Plattenleitung ausgebildet wird.
• Eine leitende Sauerstoffbarrierenschicht wird vorzugsweise zwischen der dielektrischen Zwischenschicht einschließlich des unteren Kondensatorelektrodenkontakts und der unteren Kondensatorelektrode angeordnet, wodurch eine Oxidation des Kontaktes verhindert wird. Eine haftende Hilfsschicht wird vorzugsweise zwischen der dielektrischen Zwischenschicht und der unteren Elektrode angeordnet, wodurch die Haftkraft dazwischen erhöht wird. Bei der vorliegenden Erfindung können die Arten und Größen der Barrierenschicht, der ferroelektrischen Schicht und der Hauptmaterialschichten, die die unteren und oberen Elektroden ausbilden, die gleichen sein, wie bei der herkömmlichen Technologie. Ebenso kann die Ätzbedingung die gleiche sein.
• Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Ausbilden einer ferroelektrischen Speichervorrichtung gerichtet. Bei dem Verfahren wird ein Halbleitersubstrat mit einer dielektrischen Zwischenschicht und einem unteren Kondensatorelektrodenkontakt vorbereitet. Eine zylindrische untere Kondensatorelektrode wird über der dielektrischen Zwischenschicht und dem Kontakt ausgebildet, wodurch der Kontakt bedeckt wird. Eine ferroelektrische Schicht wird über der im wesentlichen gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats einschließlich der unteren Kondensatorelektrode konform aufgebracht. Eine obere Kondensatorelektrode mit einer Spacer-Form wird auf der ferroelektrischen Schicht an der Seitenwand der unteren Kondensatorelektrode ausgebildet.
• Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine Isolationsschicht auf dem Halbleitersubstrat dort aufgebracht, wo die obere Kondensatorelektrode ausgebildet ist, und die Isolationsschicht wird zum Freilegen eines Teils der oberen Kondensatorelektrode und zum Auffüllen eines Teils der Lücke zwischen den Kondensatoren und zum Auffüllen eines Teils der Lücke zwischen den Kondensatoren vertieft. Eine Leitungsschicht, wie beispielsweise Aluminium wird im wesentlichen über die gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrats mit der Isolationsschicht aufgebracht, und die Leitungsschicht ist zum Ausbilden einer Plattenleitung gemustert. Falls die Leitungsschicht aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium besteht, kann das schichtweise Aufbringen davon durch eine Sputter-Technik durchgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 und 2 zeigen Querschnittsansichten, die Verfahren zum Ausbilden von ferroelektrischen Kondensatoren mit planaren Strukturen darstellen, wie sie häufig bei herkömmlichen ferroelektrischen Speichervorrichtungen benutzt werden.
• Fig. 3 und 4 stellen herkömmliche Ansätze zum Überwinden der Begrenzungen bei der Kapazität von Kondensatoren mit einfachen planaren Strukturen dar.
• Fig. 5 bis 9 zeigen Querschnittsansichten, die wichtige Schritte eines Ausbildens eines ferroelektrischen Kondensators in einer ferroelektrischen Speichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
• Fig. 10 stellt eine Draufsicht auf einen Teil einer Speicherzelle entsprechend zu dem in Fig. 9 dargestellten Schritt dar.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnung, in welcher bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind, eingehender beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in verschiedenen Formen verkörpert sein und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen begrenzt ausgelegt werden. Vielmehr sind diese Ausführungsformen dazu vorgesehen, daß die Erfindung sorgfältig und vollständig offenbart ist und dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermitteln kann.
• Gemäß Fig. 5 sind ein Speicherzellentransistor (nicht gezeigt) und eine Bitleitung (nicht gezeigt) auf einem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet, und eine dielektrische Zwischenschicht 12 ist auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet. Die dielektrische Zwischenschicht 12 wird zum Ausbilden einer Kontaktöffnung, die einen leitenden Bereich des Halbleitersubstrats 10 freilegt, gemustert, und eine Leitungsschicht füllt die Kontaktöffnung bzw. das Kontaktloch zum Ausbilden eines Kontakt-Plugs 14 aus. Eine untere Elektrodenschicht wird zum Bedecken des Kontakt-Plugs 14, vorzugsweise mit einer Dicke von ungefähr 5000 Å, aufgebracht. Eine Hartmaskenschicht wird auf einer Siliziumoxidschicht auf der unteren Elektrodenschicht vorzugsweise mit einer Dicke von ungefähr 2000 Å ausgebildet. Anschließend wird die Hartmaskenschicht und die untere Elektrodenschicht durch herkömmliche Photolitographie- und Ätzverfahren sequentiell gemustert, um eine untere Elektrode auszubilden. Die untere Elektrodenschicht kann als eine Kombinationsschicht, die zumindest ein Material aus der Gruppe von Platin, Iridium, Ruthenium, Tantal, Osmium, Paladium und Rhodium enthält, und einem leitenden Oxid der Gruppe, zum Aufrechterhalten einer Leitungsfähigkeit in einem darauffolgenden thermischen Behandlungsverfahren einer ferroelektrischen Schicht ausgebildet sein.
• Vor einem Aufbringen der unteren Elektrodenschicht kann eine leitende haftende Hilfsschicht zusätzlich aufgebracht werden, um eine Haftkraft der unteren Elektrodenschicht bezüglich der dielektrischen Zwischenschicht zu erhöhen. Die haftende Hilfsschicht verringert eine Belastung zwischen einer unteren Elektrodenschicht und einer dielektrischen Zwischenschicht aufgrund des Wärmebehandlungsverfahrens. Die haftende Hilfsschicht kann aus einem Material ausgebildet sein, das aus der Gruppe bestehend aus Titan, Titannitrid, Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Titansilizid und Titansiliziumnitrid (TiSiN) ausgewählt ist. Alternativ kann die haftende Hilfsschicht ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt enthalten, wie beispielsweise Tantal, Iridium, Ruthenium, Wolfram; Silizide davon, Nitride davon; Oxide davon; Tantalsiliziumnitrid (TaSiN) und Tantalaluminiumnitrid (TaAlN).
• Wenn nach einem Ausbilden der unteren Elektrodenschicht eine hochdielektrische Schicht aufgebracht ist und ein ferroelektrisches Wärmeverfahren zum Ausbilden einer Perowskitstruktur der hochdielektrischen Schicht durchgeführt wird, kann der Kontakt- Plug an der Schnittstelle zwischen dem Kontakt-Plug und der unteren Elektrodenschicht oxidiert werden, wodurch ein Nichtleiter ausgebildet wird. Sauerstoff kann unerwünschterweise durch die untere Elektrodenschicht oder durch die Schnittstelle zwischen der unteren Elektrodenschicht und der dielektrischen Zwischenschicht einströmen, wodurch der Kontakt-Plug oxidiert wird. Daher kann eine zusätzliche leitende Barrierenschicht aufgebracht werden, um zu verhindern, daß Sauerstoff vor einem Aufbringen der unteren Elektrodenschicht eindringt. Vorzugsweise kann die Sauerstoffbarrierenschicht vor einem Ausbilden der haftenden Hilfsschicht ausgebildet werden. Die Sauerstoffbarrierenschicht besteht aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie beispielsweise Iridium, Ruthenium, einem Metalloxid oder einer Materialkombination daraus.
• Bei einem anisotropischen Ätzverfahren weist ein Photoresistmuster und die untere Elektrodenschicht typischerweise eine niedrige Ätzselektivität bezüglich der unteren Elektrodenschicht auf. Dies kann zu einer Schwierigkeit führen, bei der ein Polymer erzeugt wird, was zu einer Schiefätzungstendenz führen kann. Die Hartmaskenschicht wird verwendet, um dieses Problem zu verhindern und um eine vertikale Seitenwand auszubilden. Ein Damascene-Verfahren kann verwendet werden, um die untere Elektrode auszubilden. Somit wird eine Opferoxidschicht auf der dielektrischen Zwischenschicht ausgebildet, ein Knotenloch wird an einem Bereich ausgebildet, an dem die untere Elektrode ausgebildet werden wird und ein unteres Elektrodenmaterial füllt das Knotenloch unter Verwendung eines Elektroplattierungsverfahrens aus. Die Hartmaskenschicht kann eine einzige Schicht oder eine Mehrfachschicht sein, die zumindest ein Material enthält, das aus der Gruppe von Siliziumoxid, Titannitrid, Titan, Titanoxid und BST ausgewählt ist. Ein Photoresistmuster (nicht gezeigt) wird auf der Hartmaskenschicht ausgebildet und wird als eine Ätzmaske zum Ausbilden einer Hartmaskenschicht 137 verwendet, die einen unteren Elektrodenbereich abdeckt. Das Photoresistmuster wird durch Veraschung (ashing) entfernt. Die untere Elektrodenschicht wird unter Verwendung des Hartmaskenmusters 137 als eine Ätzmaske zum Ausbilden einer unteren Elektrode 135 in einer zylindrischen Form geätzt. Anschließend kann das Hartmaskenmuster 137 entfernt werden.
• Gemäß Fig. 6 wird eine ferroelektrische Schicht 141 durch ein CVD-Verfahren über der im wesentlichen gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats konform dort aufgebracht, wo mehrere unter Elektroden 135 mit einer zylindrischen Form ausgebildet worden sind. Die ferroelektrische Schicht 141 kann aus einem hochdielektrischen Material ausgebildet sein, wie beispielsweise PZT (Pb(Zr,Ti)O₃), SrTiO₃, BaTiO₃, BST (Ba,Sr)TiO₃), SBT (SrBi₂Ta₂O₉), (Pb,La)(Zr,Ti)O₃ und Bi₄Ti₃O₁₂. Wenn die ferroelektrische Schicht durch das CVD-Verfahren ausgebildet worden ist, sollte die ferroelektrische Schicht 141 eine gute Stufenabdeckung aufweisen. Als nächstes kann ein Wärmebehandlungsverfahren für eine ferroelektrische Struktur bei einer Temperatur zwischen annäherungsweise 500 und 600°C bei einer Sauerstoffumgebung durchgeführt werden. Diese Temperatur ist etwas niedriger als die Verfahrenstemperatur für eine Ferroelektrische Behandlung einer hochdielektrischen Schicht, die durch ein Sol-Gel-Änderungsverfahren ausgebildet worden ist. Um einen inneren Druck zwischen den Kondensatorelektroden zu erhöhen, kann nach Ausbilden der ferroelektrischen Schicht 141 ein Aluminiumoxid (Al₂O₃) dünn aufgebracht werden, um als eine Sauerstoffbarriere und eine Wasserstoffbarriere zu dienen.
• Gemäß Fig. 7 ist eine obere Elektrodenschicht über der ferroelektrischen Schicht 141 konform aufgebracht. Die obere Elektrodenschicht kann durch eine CVD-Technik, eine Atomschichtabscheidungstechnik (ALD-Technik) oder eine Sputter-Technik ausgebildet sein. Wie die untere Elektrode kann die obere Elektrode aus einer einzigen Schicht aus Edelmetall, wie beispielsweise Platin und Iridium, einer leitenden Oxidschicht oder ein Kombination daraus bestehen. Anschließend wird die obere Elektrodenschicht anisotrop geätzt. Bei diesem Atzverfahren wird Sauerstoff in Kombinationsgasen, die zumindest ein Mitglied, das aus der Gruppe aus CL₂, BCl₃ HBr und Ar ausgewählt ist, enthält, zugefügt, um zu bewirken, daß die obere Elektrodenschicht eine Ätzselektivität in Bezug auf die ferroelektrische Schicht 141 aufweist.
• Durch das anisotropische Ätzverfahren hinterläßt die obere Elektrodenschicht Spacer, d. h., eine obere Elektrode 143, die die Seitenwände der unteren Elektroden 135 mit zylindrischer Form (mit der dazwischen angeordneten ferroelektrischen Schicht) umgibt. Da die obere Elektrode 143 eine Spacer-Form aufweist, ist die Seitenwand der unteren Elektrode 135 vorzugsweise vertikal zu dem Halbleitersubstrat. Die ferroelektrische Schicht 141 wird teilweise auf der unteren Elektrode 135 freigelegt. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß die Kapazität eines Kondensators hauptsächlich mit der Höhe einer zylindrischen unteren Elektrode 135 zusammenhängt.
• Gemäß Fig. 8 wird eine nichtleitende Materialschicht über im wesentlichen der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 dort aufgebracht, wo die Spacer-förmige obere Elektrode 143 ausgebildet ist. Die Materialschicht ist vorzugsweise dicker als die Hälfte des Abstands zwischen den Kondensatorelektroden, wodurch die Lücken dazwischen aufgefüllt werden. Die Materialschicht wird anschließend zum Ausbilden eines Materialmusters 145, dessen oberes Ende vertieft ist, geätzt, wodurch die ferroelektrische Schicht 141 auf den Kondensator und dem oberen Teil der oberen Elektrode 143 freigelegt wird. Bei diesen Ätzverfahren wird ein Ätzkombinationsgas, das zumindest ein Mitglied, das aus der Gruppe von CHF₃, CF₄, Ar und N₂ ausgewählt ist, enthält, zugeführt, um der Materialschicht eine Ätzselektivität in Bezug auf die obere Elektrode 143 und die ferroelektrische Schicht 141 zu verleihen. Die Materialschicht wird herkömmlicherweise anisotrop geätzt, kann aber ebenso alternativ isotrop geätzt werden.
• Gemäß den Fig. 9 bis 10 wird eine Aluminiumschicht als eine Leitungsschicht auf dem Halbleitersubstrat 10 dort aufgebracht, wo die Lücken zwischen den Kondensatoren teilweise mit dem Materialmuster 145 aufgefüllt sind. Da die Lücke teilweise mit dem Materialmuster 145 aufgefüllt worden ist, ist ihr Breiten/Höhenverhältnis (aspect ratio) verringert, und die Aluminiumschicht kann durch ein Sputterverfahren, welches eine relativ minderwertige Stufenabdeckungseigenschaft aufweist, aufgebracht werden.
• Die Aluminiumschicht wird zum Ausbilden von Plattenleitungen 147 in Richtung einer Zeile oder Spalte in einer Matrix, die durch Speicherzellen aufgebaut wird, gemustert. Jede Plattenleitung 147 wird derart ausgebildet, daß die oberen Kondensatorelektroden 143 der Zellen, die eine Zeile oder Spalte der Speicherzellenmatrix aufbauen, verbunden sind. Falls die Mitten der Plattenleitungen 147 zwischen den Zeilen oder Spalten der Speicherzellenmatrix angeordnet sind und die Breite der Plattenleitung 147 breiter ist als die der Lücke zwischen den Kondensatoren, ist es möglich, die oberen Kondensatorelektroden 143 der Speicherzellen, die die Zeilen oder Spalten bilden, welche an beiden Seiten der Plattenleitungen 147 angeordnet sind, zu verbinden. Fig. 9 zeigt eine Querschnittsansicht, in welcher lediglich zwei Kondensatoren mit der Plattenleitung 147 verbunden sind, wohingegen Fig. 10 Beispiele von Reihen miteinander verbundenen Kondensatorpaaren zeigt.
• Wenn gemäß der vorliegenden Erfindung ein ferroelektrischer Kondensator ausgebildet ist, kann die Anzahl an Freilegungsschritten verringert werden, um das gesamte Verfahren zu vereinfachen, und eine ferroelektrische Schicht kann in einem dreidimensionalen Aufbau ausgebildet sein, um eine größere Kapazität pro Flächeneinheit im Vergleich mit einem herkömmlichen ferroelektrischen Kondensator mit einer planaren Struktur zu erzielen.
• Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bestimmte bevorzugte Ausführungsform davon gezeigt und beschrieben worden ist, ist es dem Fachmann offensichtlich, daß zahlreiche Veränderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne von dem gedanklichen Grundkonzept und dem Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims (18)

1. Ferroelektrische Speichervorrichtung mit einer Speicherzelle, die aufweist:
ein Halbleitersubstrat;
eine untere Kondensatorelektrode mit einer allgemein zylindrischen Form, die eine bestimmte Höhe aufweist, die über dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist;
eine ferroelektrische Schicht, die über der im wesentlichen gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats einschließlich der unteren Kondensatorelektrode konform aufgebracht wird; und
eine obere Kondensatorelektrode mit der Form eines Spacers, wobei die obere Elektrode die ferroelektrische Schicht, die an die Seitenwand der unteren Kondensatorelektrode grenzt, umgibt.

2. Ferroelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Hartmaskenmuster aufweist, das zwischen dem oberen Ende der unteren Kondensatorelektrode und der ferroelektrischen Schicht angeordnet ist und zum Mustern der unteren Kondensatorelektrode verwendet wird.

3. Ferroelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Hartmaskenmuster aus einem Material ausgebildet wird, das aus der Gruppe bestehend aus Siliziumoxid, Titannitrid, Titan, Titanoxid und BST ausgewählt worden ist, oder einer Kombination daraus, wobei das Hartmaskenmuster eine Dicke aufweist, die weniger als die Hälfte der Höhe der unteren Elektrode beträgt.

4. Ferroelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner mehrere Plattenleitungen parallel zueinander entlang von Zeilen oder Spalten in einer Matrix aus einer Vielzahl von derartigen Speicherzellen aufweist.

5. Ferroelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 4, die ferner ein Materialmuster aufweist, das einen Bereich zwischen den angrenzenden Kondensatoren auf- Füllt, während es einen oberen Abschnitt der oberen Elektrode freilegt, wobei die Plattenleitung auf dem Materialmuster ausgebildet ist.

6. Ferroelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Mittellinie der Plattenleitung zwischen zwei Zeilen der Matrix angeordnet ist, wobei die Plattenleitung breiter als ein Abstand zwischen den oberen Kondensatorelektroden innerhalb der zwei Reihen ist, wobei die Plattenleitung sich entlang von zwei Zeilen erstreckt, um alle oberen Kondensatorelektroden der Speicherzellen innerhalb der zwei Zeilen zu verbinden.

7. Ferroelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner aufweist:
ein Sauerstoffbarrierenmuster;
ein haftendes Hilfsmuster zwischen dem Halbleitersubstrat und der unteren Elektrode zum Erhöhen der Haftkraft der unteren Elektrode bezüglich dem Halbleitersubstrat;
wobei das haftende Hilfsmuster zumindest aus einem Metall aufgebaut ist, das aus der Gruppe bestehend aus Titan, Titannitrid, Titansilizid, Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Titansiliziumnitrid (TiSiN), Tantal, Iridium, Ruthenium, Wolfram, einem Silizid davon und einem Nitrid davon ausgewählt worden ist.

8. Ferroelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat eine dielektrische Zwischenschicht und einen unteren Kondensatorelektrodenkontakt enthält, der in und durch die dielektrische Zwischenschicht ausgebildet ist.

9. Ferroelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der oberen Elektroden und der unteren Elektroden aus einer einzigen Schicht oder einer Mehrfachschicht ausgebildet ist, das ein Metall, das aus der Gruppe bestehend aus Platin, Ruthenium, Iridium, Rhodium, Osmium und Palladium und einem leitenden Oxid davon ausgewählt ist oder einer Kombination davon enthält.

10. Verfahren zum Ausbilden einer ferroelektrischen Speichervorrichtung, die aufweist:
Vorbereiten eines Halbleitersubstrat, das eine dielektrische Zwischenschicht und eine untere Kondensatorelektrode aufweist, die durch die dielektrische Zwischenschicht hindurch ausgebildet ist;
Ausbilden einer zylindrischen unteren Kondensatorelektrode auf der dielektrischen Zwischenschicht, wodurch der Kontakt abgedeckt wird;
konformes Aufbringen einer ferroelektrischen Schicht unter Verwendung einer chemischen Dampfphasenabscheidung (CVD) über im wesentlichen der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats einschließlich der unteren Kondensatorelektrode; und
Ausbilden einer oberen Kondensatorelektrode in Form eines Spacers, der die Seitenwand der ferroelektrischen Schicht umgibt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, das ferner ein Ausbilden einer Plattenleitung über einem Bereich des Halbleitersubstrats dort aufweist, wo die obere Elektrode ausgebildet ist, wobei die Plattenleitung in elektrischem Kontakt mit der oberen Elektrode steht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem eine Vielzahl von derartigen Kondensatoren entlang der Substratoberfläche angeordnet sind, nachdem die obere Elektrode ausgebildet worden ist und bevor die Plattenleitung ausgebildet wird, das ferner aufweist:
Aufbringen einer Isolationsschicht über im wesentlichen der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats, um die Lücken zwischen den Kondensatoren teilweise zu füllen,
wobei die Isolationsschicht zumindest einen Teil der oberen Elektrode freilegt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei:
die Vertiefung der Isolationsschicht durch ein Ätzprozeß durchgeführt wird; und
das Ätzverfahren ein Ätzgas verwendet, das zumindest ein Gas enthält, das aus der Gruppe bestehend aus CHF₃, CF₄, Ar und N₂ ausgewählt ist, um der Isolationsschicht Ätzselektivitäten im Bezug auf die obere Elektrode und der ferroelektrischen Schicht zu verleihen.

14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ausbilden der unteren Elektrode ferner aufweist:
sequentielles Aufbringen einer unteren Elektrodenschicht und einer Hartmaskenschicht über im wesentlichen der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats;
Ausbilden eines Hartmaskenmusters durch Photolitographie- und Ätzverfahren bezüglich der Hartmaskenschicht; und
Ätzen der unteren Elektrodenschicht durch Verwendung des Hartmaskenmusters als eine Ätzmaske zum Ausbilden der unteren Elektrode.

15. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner aufweist:
Aufbringen einer leitenden haftenden Hilfsschicht vor einem Aufbringen der unteren Elektrodenschicht, wobei die haftende Hilfsschicht zusammen mit der unteren Elektrodenschicht gemustert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ausbilden der unteren Elektrode aufweist:
Ausbilden einer Opferschicht auf dem Halbleitersubstrat;
Ausbilden eines Kontaktlochs in dem unteren Elektrodenbereich der Opferschicht;
Auffüllen des Kontaktlochs mit einer Leitungsschicht; und
Entfernen des verbleibenden Teils der Opferschicht.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Auffüllen des Kontaktlochs mittels Elektroplattieren durchgeführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 10, wobei:
das Ausbilden der oberen Elektrode ferner ein Aufbringen einer oberen Elektrodenschicht auf der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats und ein anisotropes Ätzen der gesamten Oberfläche der oberen Elektrode zum Freilegen der ferroelektrischen Schicht aufweist; und
wobei das anisotrope Ätzen der oberen Elektrodenschicht ein Ätzgas verwendet, das Sauerstoff und ein Kombinationsgas enthält, das zumindest aus einem Gas besteht, das aus einer Gruppe bestehend aus Cl₂, BCl₃, HBr und Ar ausgewählt ist, um der oberen Elektrodenschicht eine Ätzselektivität in Bezug auf die ferroelektrische Schicht zu verleihen.