-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Keramik, z. B. eines Oxidfilms, Nitridfilms und ferroelektrischen
Films.
-
STAND DER TECHNIK
-
Ein
Verfahren zur Abscheidung eines ferroelektrischen Produkts, ein
Verfahren zur Abscheidung aus einer Lösung, ein Sputtering-Verfahren,
ein Laser-Abtrageverfahren, ein MOCVD-Verfahren (Metal-Organic Chemical
Vapor Deposition), ein LSMCD-Verfahren (Liquid Source Misted Chemical
Deposition) und dergl. sind bekannt. Auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente,
wo eine hohe Integration erforderlich ist, sind das MOCVD-Verfahren
und das LSMCD-Verfahren auf Aufmerksamkeit gestoßen. Insbesondere hat man sich
für das
LSMCD-Verfahren als ein Verfahren zur Bildung eines ferroelektrischen
Films, der einen Kondensator aus ferroelektrischen Speicherbauelementen
bildet, interessiert. Der Grund hierfür ist, dass das LSMCD-Verfahren
eine einfache Kontrolle der Zusammensetzung des Films ermöglicht,
Ungleichmäßigkeiten
zwischen Wafern und Fertigungslosen verringert und im Vergleich
zum MOCVD-Verfahren stabil ist.
-
Da
jedoch im Fall der Bildung eines Halbleiterbauelements, einschließlich eines
ferroelektrischen Kondensators, durch das LSMCD-Verfahren ein Nebel
(feine Teilchen) des Rohmaterials im allgemeinen einen Teilchendurchmesser
von 0,1 μm
bis 0,3 μm
aufweist, kann dieses Verfahren nicht auf ein Design-Rule von 0,5 μm oder weniger
für Halbleiterbauelemente
angewandt werden. Im Fall der Abnahme des Teilchendurchmessers des
Nebels aus dem Ausgangsmaterial, das auf ein Design-Rule für Halbleiterbauelemente
aufzubringen ist, nimmt die Abscheidungsrate erheblich ab, wodurch
die Boden- oder Seitenbedeckung schlecht wird.
-
Im
Fall der Bildung von ferroelektrischen Materialien, wie PZT (Pb(Zr,Ti)O3) und SBT (SrBi2Ta2O9) ist eine hohe
Prozesstemperatur erforderlich. Beispielsweise erfordert die Abscheidung
von PZT im allgemeinen eine Temperatur von 600 bis 700°C und die
Abscheidung von SBT eine Temperatur von 650 bis 800°C. Die Eigenschaften
der ferroelektrischen Materialien hängen von ihrer Kristallinität ab. Im
allgemeinen weisen ferroelektrische Materialien eine höhere Kristallinität mit besseren
Eigenschaften auf.
-
In
Halbleiterbauelementen, die mit einem Kondensator unter Einschluss
eines ferroelektrischen Films (ferroelektrischer Kondensator) ausgerüstet sind,
wie ferroelektrische Speicherbauelemente, werden Eigenschaften,
wie Restpolarisationseigenschaften, Koerzitivfeldeigenschaften,
Ermüdungseigenschaften
und Aufdruckeigenschaften, in erheblichem Maße durch die Kristallinität der ferroelektrischen
Materialien beeinflusst. Da die ferroelektrischen Materialien mehratomig
sind und eine komplizierte Perovskit-Kristallstruktur aufweisen,
müssen die
Atome zum Zeitpunkt der Kristallisation mit einer großen Wanderungsenergie
versehen werden, um ferroelektrische Materialien mit guter Kristallinität zu erhalten.
Daher ist für
die Kristallisation der ferroelektrischen Materialien eine hohe
Prozesstemperatur erforderlich.
-
Wenn
jedoch die Prozesstemperatur für
den ferroelektrischen Film erhöht
wird, besteht bei ferroelektrischen Speicherbauelementen die Tendenz
zu einer Beschädigung.
Speziell erfordert die Kristallisation der ferroelektrischen Materialien
eine Hochtemperaturbehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre. Isolierschichten,
die während
der Hochtemperaturbehandlung aufgrund einer Oxidation von Polysilicium oder
Elektrodenmaterialien entstehen, bewirken eine Verschlechterung
der Eigenschaften des ferroelektrischen Kondensators. Pb und Bi,
die bei PZT und SBT Elementbestandteile darstellen, neigen leicht
zu einer Diffusion. Diese Elemente diffundieren in die Halbleiterbauelemente
und bewirken bei ihnen eine Beeinträchtigung. Derartige Beeinträchtigungen
entstehen in erheblichem Maße
bei steigender Prozesstemperatur für den ferroelektrischen Film
und bei einer stärkeren
Integration der Halbleiterbauelemente (beispielsweise Halbleiterbauelemente
mit einem Integrationsgrad von 1 Mbit oder mehr).
-
Daher
wurden ferroelektrische Kondensatoren auf Halbleiterbauelemente
angewandt, die in einem solchen Ausmaß integriert sind, dass die
Bauelemente auch bei einer Erhöhung
der Temperatur für den
ferroelektrischen Film weniger beeinträchtigt werden (beispielsweise
1 Kbit bis 256 Kbit). Jedoch ist ein Integrationsgrad von 16 Mbit
bis Gbit bereits für
ein DRAM, Flash-Memory und dergl. erforderlich, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten
für ferroelektrische
Speicherbauelemente begrenzt sind. Für den Fall, dass eine Beeinträchtigung
der Bauelemente aufgrund einer Sauerstoffatmosphäre von hoher Temperatur verhindert
wird, indem man die Prozesstemperatur für die ferroelektrischen Materialien senkt,
nimmt die Kristallinität
des ferroelektrischen Films ab. Infolgedessen nehmen die Restpolarisationseigenschaften
der ferroelektrischen Kondensatoren ab, wobei auch die Ermüdungseigenschaften,
die Aufdruckeigenschaften, die Retentionseigenschaften und dergl.
sich verschlechtern.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
von Keramikmaterialien mit hervorragenden Eigenschaften, wie Kristallinität, bereitzustellen,
wobei die Prozesstemperatur verringert wird.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen definiert.
-
Herstellungsverfahren
-
Gemäß diesem
Herstellungsverfahren können
die feinen Teilchen des Ausgangsmaterials auf dem Substrat abgeschieden
werden, während
sie mit kinetischer Energie versorgt werden, indem die aktive Spezies
mit hoher kinetischer Energie und die feinen Teilchen des Ausgangsmaterials
vermischt werden, bevor die aktive Spezies und die feinen Teilchen in
Kontakt mit dem Substrat kommen. Daher kann die Abscheidungsgeschwindigkeit
gesteuert werden, selbst wenn die feinen Teilchen des Ausgangsmaterials
einen geringen Teilchendurchmesser, der in geeigneter Weise 0,1 μm oder weniger
und in noch geeigneterer Weise 0,01 μm oder weniger beträgt, aufweisen,
wobei ein keramischer Film mit guter Boden- oder Seitenbedeckung
gebildet werden kann.
-
Außerdem kann
die Wanderungsenergie von Atomen im Film erhöht werden, indem man die feinen Teilchen
durch die aktive Spezies mit Energie versorgt. Als Ergebnis lassen
sich keramische Materialien mit hervorragenden Filmeigenschaften,
z. B. in Bezug auf Kristallinität,
bei einer geringeren Prozesstemperatur bilden, verglichen mit dem
Fall, bei dem keine aktive Spezies zugeführt wird.
-
Da
der durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
erhaltene Film gleichmäßig verteilte
winzige Leerstellen aufweist, können
die Atome leicht wandern. Daher kann der für die Kristallisation erforderliche
Energiebetrag verringert werden, was zu einer weiteren Senkung der
Prozesstemperatur führt.
-
Wie
vorstehend ausgeführt,
lassen sich bei der Bildung von ferroelektrischen Materialien durch Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ferroelektrische Materialien mit hoher Kristallinität bei einer
Prozesstemperatur von 500°C
oder weniger erhalten. Beispielsweise kann im Fall von SBT eine Kristallisation
bei einer Temperatur von vorzugsweise 600°C oder weniger und insbesondere
von 450°C oder
weniger vorgenommen werden. Im Fall von PZT kann eine Kristallisation
bei einer Temperatur von vorzugsweise 500°C oder weniger und insbesondere von
450°C oder
weniger vorgenommen werden. Im Fall von BST ((Ba,Sr)TiO3)
kann eine Kristallisation bei einer Temperatur von vorzugsweise
500°C oder weniger
und insbesondere von 450°C
oder weniger vorgenommen werden.
-
Nachstehend
finden sich weitere Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
-
Der
Durchmesser (beispielsweise der Durchmesser, der dem Maximum der
Durchmesserverteilung entspricht) des feinen Teilchens beträgt 0,1 μm oder weniger
und insbesondere 0,01 μm
oder weniger. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann
auf die Herstellung von Halbleiterbauelementen angewandt werden,
bei denen ein sehr feines Muster erforderlich ist, indem man beispielsweise
den Teilchendurchmesser des feinen Teilchens in diesem Bereich ansiedelt.
-
Das
feine Teilchen kann elektrisch geladen sein. Das feine Teilchen
kann durch eine elektrische Entladung (Glühentladung, Bogenentladung)
oder durch Reibung während
eines Verfahrens, bei dem es durch ein Zufuhrrohr fließt, elektrisch
geladen werden, wobei man die Größe des feinen
Teilchens beispielsweise innerhalb des oben spezifizierten Bereiches
ansiedelt.
-
Für den Fall,
dass die feinen Teilchen des Ausgangsmaterials auf diese Weise elektrisch
geladen werden, ermöglicht
die Verwendung von Ionen mit einer Polarität, die sich von der Polarität der feinen
Teilchen unterscheidet, als aktive Spezies, dass die feinen Teilchen
an diese Ionen gebunden werden. Infolgedessen wird das Ausgangsmaterial
durch die kinetische Energie der aktiven Spezies in sicherer Weise
dem Substrat zugeführt.
-
Bei
der aktiven Spezies kann es sich um ein Radikal oder ein Ion handeln.
Im Fall der Verwendung eines Ions als aktiver Spezies kann die kinetische
Energie der aktiven Spezies durch Erden des Substrats erhöht werden.
-
Bei
der aktiven Spezies kann es sich um ein Radikal oder ein Ion des
Ausgangsmaterials, das Bestandteil der Ausgangsmaterialien für die keramischen
Materialien wird, um ein durch Aktivieren von Inertgas erhaltenes
Ion oder um eine Kombination davon handeln. Bei der aktiven Spezies
kann es sich um ein Radikal oder um ein Ion von Sauerstoff oder Stickstoff
handeln, wenn diese als Ausgangsmaterialien für die keramischen Materialien
verwendet werden. Bei der aktiven Spezies kann es sich um ein Ion eines
Inertgases, wie Argon oder Xenon, handeln, wenn die aktive Spezies
nicht als Ausgangsmaterial für
die keramischen Materialien verwendet wird.
-
Als
Verfahren zur Erzeugung von Radikalen oder Ionen lassen sich herkömmliche
Verfahren angeben, z. B. Verfahren zur Bildung einer aktiven Spezies
unter Verwendung von Hochfrequenz, Mikrowellen, ECR (Elektronen-Zyklotronresonanz)
und dergl. Bei der aktiven Spezies kann es sich neben Radikalen
oder Ionen auch um Ozon handeln. Ozon lässt sich unter Verwendung eines
Ozonisators bilden.
-
Mindestens
die aktive Spezies kann dem Substrat in einem beschleunigten Zustand
zugeführt werden.
Die kinetische Energie des Ausgangsmaterials kann gesteuert werden,
indem auf diese Weise die aktive Spezies beschleunigt wird, wodurch
eine Steuerung der Filmbildungsgeschwindigkeit, eine Verbesserung
der Bedeckungseigenschaften des Films und eine weitere Verringerung
der Prozesstemperatur erreicht werden können. Als Verfahren zur Beschleunigung
der aktiven Spezies kann ein Verfahren unter Anlegen eines elektrischen
Felds oder dergl. angewandt werden.
-
Der
keramische Film kann auf einem Teil des Substrats ausgebildet werden.
Speziell wird bei diesem Herstellungsverfahren ein keramischer Film nicht
auf der gesamten Oberfläche
des Substrats, sondern nur in einem winzigen Teilbereich gebildet. Das
folgende Verfahren eignet sich für
dieses Herstellungsverfahren. Speziell kann das Herstellungsverfahren
eine Stufe der Bildung einer filmbildenden Region mit Affinität für zu bildende
keramische Materialien und einer nicht-filmbildenden Region ohne Affinität für die zu
bildenden keramischen Materialien umfassen, wodurch sich ein keramischer
Film in der filmbildenden Region selbständig anordnet.
-
Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhaltene keramische Materialien können für verschiedene Anwendungsarten
eingesetzt werden. Die folgenden Bauelemente stellen typische Anwendungsbeispiele
dar.
-
Ein
Halbleiterbauelement, das einen Kondensator umfasst, der einen dielektrischen
Film umfasst, der nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren gebildet
worden ist. Als Beispiele für ein
derartiges Halbleiterbauelement lassen sich ein DRAM unter Verwendung
von paraelektrischen Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhalten worden sind, als dielektrischer Film, ein Speicherbauelement unter
Verwendung von ferroelektrischen Materialien (FeRAM) und dergl.
erwähnen.
-
Ein
piezoelektrisches Bauelement, das einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
gebildeten Film umfasst. Dieses piezoelektrische Bauelement kann
auf Betätigungsvorrichtungen,
Tintenstrahlköpfe
für Tintenstrahldrucker
und dergl. angewandt werden.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens
und eines Bauelements gemäß einer
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
-
2A und 2B zeigen
in schematischer Weise ein Herstellungsverfahren und ein Bauelement gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei 2A einen
Grundriss eines Substrats zeigt und 2B einen
Querschnitt entlang der Linie A-A von 2A zeigt.
-
3 zeigt
eine schematische Querschnittansicht zur Erläuterung eines Halbleiterbauelements (ferroelektrisches
Speicherbauelement) gemäß einer dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUR DURCHFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
-
Erste Ausführungsform
-
1 zeigt
in schematischer Weise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von keramischen Materialien gemäß der vorliegenden
Ausführungsform.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform
wird eine zur Durchführung
von LSMCD geeignete Vorrichtung als Herstellungsvorrichtung 1000 für keramische
Materialien verwendet. Die Herstellungsvorrichtung 1000 umfasst
einen Zufuhrabschnitt 100 für eine aktive Spezies, einen
Zufuhrabschnitt 200 für
Ausgangsmaterial, einen Mischabschnitt 300 und einen Grundabschnitt
(Anordnungsabschnitt) 40 für ein Substrat.
-
Der
Zufuhrabschnitt 100 für
aktive Spezies bildet aktive Spezies, wie Radikale oder Ionen, nach einem
der vorstehend beschriebenen Verfahren. Die aktiven Spezies werden
in den Mischabschnitt 300 übertragen.
-
Im
Fall der Verwendung von Ionen als aktiven Spezies können Ar+, Kr+, Xe+, O+, O2 +, N+ und dergl.
verwendet werden. In diesem Fall kann die kinetische Energie dieser
aktiven Spezies durch Erden des Grundabschnitts 40 erhöht werden.
Im Fall der Bildung eins Oxids, wie SBT oder PZT, können O+ und O2+ als aktive
Spezies verwendet werden. Im Fall der Bildung eines Nitrids, kann
N+ als aktive Spezies verwendet werden.
Die gemeinsame Verwendung von Ionen eines Inertgases ermöglicht es,
Sauerstoff oder Stickstoff in wirksamer Weise in die Kristalle einzuführen, wodurch
ferroelektrische Materialien mit besserer Kristallinität erhalten
werden können.
-
Der
Zufuhrabschnitt 200 für
das Ausgangsmaterial umfasst einen Ausgangsmaterialbehälter 210 zur
Aufbewahrung von keramischen Materialien, wie Organometallverbindungen
oder Organometallkomplexen, und einen Nebelbildungsabschnitt 220 zur
Bildung eines Nebels der Ausgangsmaterialien. Die vernebelten Ausgangsmaterialien
werden in den Mischabschnitt 300 übertragen.
-
Hinsichtlich
des Mischabschnittes 300 gibt es keine speziellen Beschränkungen,
sofern das aus dem Zufuhrabschnitt 200 für das Ausgangsmaterial zugeführte Ausgangsmaterial
mit der aus dem Zufuhrabschnitt 100 für die aktiven Spezies zugeführten aktiven
Spezies vermischt werden kann. Ein Sieb 320 ist am Ende
des Mischabschnittes 300 vorgesehen.
-
Der
Grundabschnitt (Anordnungsabschnitt) 40 weist einen Heizabschnitt
zum Erwärmen
des Substrats 10 auf eine vorgegebene Temperatur auf. Der
Grundabschnitt 40 ist geerdet.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform
kann ein elektrisches Feld zwischen dem Mischabschnitt 300 und
dem Grundabschnitt 40 anstelle einer Erdung des Grundabschnittes 40 angelegt
werden, wodurch die Ionenspezies (die aktiven Spezies und das Ausgangsmaterial),
die dem Grundabschnitt 40 aus dem Mischabschnitt 300 zugeführt werden,
beschleunigt werden. Beispielsweise können die Ionenspezies mit positiven
und negativen Ladungen durch Anlegen einer Vorspannung an den Grundabschnitt 40 beschleunigt
werden. Ein elektrisches Feld kann angelegt werden, so dass das
Substrat entweder positiv oder negativ geladen wird. In diesem Fall
wird die Polarität
des Substrats in unterschiedlicher Weise zur Polarität der aktiven
Spezies eingestellt. Die feinen Teilchen des Ausgangsmaterials können in
sicherer Weise dem Substrat 10 zugeführt werden, indem auf diese
Weise mindestens die aktiven Spezies unter Anwendung eines elektrischen
Feldes beschleunigt werden. Daher kann die Prozesstemperatur, die
zur Steuerung der Abscheidungsgeschwindigkeit und für die Kristallisation
erforderlich sind, weiter gesenkt werden.
-
Mit
der Herstellungsvorrichtung 1000 wird ein keramischer Film 20 durch
die folgenden Stufen gebildet.
-
Im
Zufuhrabschnitt 200 für
das Ausgangsmaterial wird das dem Nebelbildungsabschnitt 220 aus
dem Ausgangsmaterialbehälter 210 zugeführte Ausgangsmaterial
beispielsweise unter Verwendung von Ultraschallwellen vernebelt,
um einen Nebel (feine Teilchen des Ausgangsmaterials ) mit einem
Teilchendurchmesser mit einem Verteilungspeak innerhalb von 0,1 μm oder weniger
und vorzugsweise von 0,01 μm
oder weniger zu bilden. Der Teilchendurchmesser des Nebels kann
durch die Frequenz der Ultraschallwellen, die Ausgangsleistung und
dergl. verändert
werden. Der im Nebelbil dungsabschnitt 220 gebildete Nebel
wird in den Mischabschnitt 300 übertragen. Die aktiven Spezies
werden aus dem Zufuhrabschnitt 100 für die aktive Spezies dem Mischabschnitt 300 zugeführt. Der
Nebel und die aktiven Spezies, die im Mischabschnitt 300 vermischt worden
sind, werden aus dem Mischabschnitt 300 dem Substrat 10 zugeführt, wodurch
der keramische Film 20 auf dem Substrat 10 gebildet
wird.
-
Erfindungsgemäß werden
die feinen Teilchen des Ausgangsmaterials auf dem Substrat 10 abgeschieden,
wobei eine Versorgung mit kinetischer Energie durch Vermischen der
aktiven Spezies mit hoher kinetischer Energie und des Nebels (feine Teilchen
des Ausgangsmaterials) im Mischabschnitt 300 vorgesehen
ist, bevor man die aktiven Spezies und den Nebel in Kontakt mit
dem Substrat 10 gelangen lässt. Daher kann die Abscheidungsgeschwindigkeit
gesteuert werden, selbst wenn die feinen Teilchen des Ausgangsmaterials
einen Teilchendurchmesser von 0,01 μm oder weniger aufweisen, wodurch
ein keramischer Film 20 mit guter Boden- oder Seitenbedeckung
gebildet werden kann.
-
Außerdem kann
die Wanderungsenergie von Atomen im Film erhöht werden, indem man die feinen Teilchen
des Ausgangsmaterials durch die aktiven Spezies mit Energie versorgt.
Infolgedessen lassen sich keramische Materialen mit hervorragenden
Filmbildungseigenschaften, z. B. in Bezug auf die Kristallinität, bei einer
niedrigeren Prozesstemperatur bilden, verglichen mit dem Fall, bei
dem keine aktiven Spezies zugeführt
werden.
-
Da
der gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
erhaltene Film durch ein LSMCD-Verfahren gebildet wird und gleichmäßig verteilte
winzige Leerstellen aufweist, können
die Atome leicht wandern. Daher kann der Energiebetrag, der für die Kristallisation
erforderlich ist, verringert werden, wodurch sich eine weitere Verringerung
der Prozesstemperatur ergibt.
-
Zweite Ausführungsform
-
Die 2A und 2B erläutern ein
modifiziertes Beispiel des erfindungsgemäßen Abscheidungsverfahrens. 2A ist
ein Grundriss zur Darstellung des Substrats 10. 2B ist
eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A von 2A.
-
Die
vorliegende Ausführungsform
erläutert ein
Beispiel der partiellen Abscheidung der keramischen Materialien
auf dem Substrat 10. Da die Fläche, bei der ein Aufheizen
erforderlich ist, in relativer Weise durch die partielle Abscheidung
der keramischen Materialien verringert wird, verglichen mit dem Fall,
bei dem die keramischen Materialien auf der gesamten Oberfläche ausgebildet
werden, lässt
sich der Energiebetrag, der für
die Aufheizbehandlung erforderlich ist, senken. Infolgedessen kann
die Temperatur des Aufheizverfahrens in relativer Weise verringert
werden. Daher lässt
sich erfindungsgemäß eine weitere
Verringerung der Prozesstemperatur erreichen, zusätzlich zu
einer Verringerung aufgrund der Verwendung der aktiven Spezies.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform
umfasst das Substrat 10 einen Körperbereich 12 und filmbildende
Abschnitte 14 und einen nicht-filmbildenden Abschnitt 16,
die im Körperbereich 12 ausgebil det
sind.
-
Die
filmbildenden Abschnitte 14 werden unter Verwendung eines
Materials mit hoher chemischer oder physikalischer Affinität für die auf
dem Substrat 10 ausgebildeten keramischen Materialien gebildet,
z. B. unter Verwendung eines Materials mit guter Benetzbarkeit durch
das Ausgangsmaterial der keramischen Materialien. Dagegen wird der nicht-filmbildende
Abschnitt 16 unter Verwendung eines Materials gebildet,
das eine schlechte chemische oder physikalische Affinität für die abzuscheidenden keramischen
Materialien aufweist, z. B. ein Material, das eine schlechte Benetzbarkeit
mit dem Ausgangsmaterial der keramischen Materialien aufweist. Der keramische
Film 20 wird mit einem speziellen Muster ausgebildet, indem
man auf diese Weise auf der Oberfläche des Substrats 10 in
spezieller Weise die filmbildenden Abschnitte 14 in den
Regionen ausbildet, in denen die Bildung eines keramischen Films 20 angestrebt
wird.
-
Im
Fall der Bildung eines ferroelektrischen Films als keramischer Film
kann beispielsweise Iridiumoxid als Material für die filmbildenden Abschnitte 14 verwendet
werden und eine Fluorverbindung kann als Material für den nicht-filmbildenden
Abschnitt 16 verwendet werden.
-
Das
Verfahren zur Herstellung von keramischen Materialien gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
kann auf verschiedene Typen von keramischen Materialien, wie ferroelektrischen
Materialien, angewandt werden. Das Verfahren kann in geeigneter
Weise insbesondere auf schichtförmigem
Perovskit angewandt werden. Bei schichtförmigem Perovskit besteht die
Tendenz, dass Sauerstoff, insbesondere Radikale (atomarer Sauerstoff),
einer Diffusion in einer Richtung, die die c-Achse rechtwinklig schneidet,
unterliegen. Daher unterliegen Radikale beim Aufheizverfahren für die Kristallisation
leicht einer Wanderung von der Seite des keramischen Films 20 aus.
Im Ergebnis wird der Sauerstoffverlust in Perovskit verringert und
die Polarisationseigenschaften werden verbessert, wodurch eine Beeinträchtigung der
Ermüdungseigenschaften,
der Aufdruckeigenschaften und dergl. vermieden wird.
-
Dritte Ausführungsform
-
3 erläutert ein
Beispiel für
ein Halbleiterbauelement (ferroelektrisches Speicherbauelement 5000)
unter Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erhaltenen
ferroelektrischen Materialien.
-
Das
ferroelektrische Speicherbauelement 5000 umfasst eine CMOS-Region
R1 und eine Kondensatorregion R2, die auf der CMOS-Region R1 ausgebildet
ist. Die CMOS-Region R1 weist eine herkömmliche Struktur auf. Speziell
umfasst die CMOS-Region R1 ein Halbleitersubstrat 1, eine
Bauteilisolierungsregion 2 und einen auf dem Halbleitersubstrat 1 gebildeten
MOS-Transistor 3 sowie eine dielektrische Zwischenschicht 4.
Die Kondensatorregion R2 umfasst einen Kondensator C100, der aus einer
unteren Elektrode 5, einem ferroelektrischen Film 6,
einer oberen Elektrode 7, einer Verbindungsschicht 8a,
die an die untere Elektrode 5 angeschlossen ist, eine Verbindungsschicht 8b,
die an die obere Elektrode 7 angeschlossen ist, und eine
Isolierschicht 9. Eine Dotierungsdiffusionsschicht 3a des MOS-Transistors 3 und
die untere Elektrode 5, die Bestandteile des Kondensators
C100 sind, sind über eine
Kontaktschicht 11, die aus Polysilicium oder einem Wolframstecker
gebildet sind, verbunden.
-
Im
ferroelektrischen Speicherbauelement 5000 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform kann
der ferroelektrische (PZT, SBT) Film 6, der Bestandteil
des Kondensators C100 ist, bei einer Temperatur gebildet werden,
die unter der Temperatur für herkömmliche
ferroelektrische Materialien ist. Beispielsweise kann im Fall von
PZT der ferroelektrische Film 6 bei 500°C oder weniger gebildet werden.
Im Fall von SBT kann der ferroelektrische Film 6 bei 600°C oder weniger
gebildet werden. Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
kann die Kristallisationstemperatur auf 450°C oder weniger gesenkt werden,
indem man die Restpolarisation auf etwa 10 μC/cm2 im
Fall von PZT festlegt, oder auf etwa 5 μC/cm2 im
Fall von SBT, wobei die Ermüdungseigenschaften,
die Aufdruckeigenschaften und die Retentionseigenschaften gleichwertig
wie bei herkömmlichen
ferroelektrischen Materialien sind.
-
Da
daher verhindert werden kann, dass die CMOS-Region R1 zum Zeitpunkt
der Bildung des ferroelektrischen Films 6 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
durch Wärmeeinwirkung
beschädigt wird,
kann der Kondensator C100 für
hochgradig integrierte ferroelektrische Speicherbauelemente eingesetzt
werden. Da außerdem
der ferroelektrische (PZT, SBT) Film 6 bei einer Temperatur
gebildet werden kann, die unter der Temperatur für herkömmliche ferroelektrische Materialien
liegt, kann eine Beeinträchtigung
der Verbindungsschichten oder Elektrodenabschnitte selbst dann verhindert
werden, wenn keine teuren Materialien, wie Iridium und Platin, als Materialien
für die
Verbindungsschichten (nicht dargestellt) in der CMOS-Region R1 und
den Elektrodenabschnitten 5 und 7, die Bestandteile
des Kondensators C100 sind, verwendet werden. Somit können billige
Aluminiumlegierungen als Materialien für die Verbindungsschicht und
die Elektrodenabschnitte verwendet werden, wodurch die Kosten gesenkt
werden können.
-
Bei
Halbleiterbauelementen, wie CMOS, werden im allgemeinen ein Halbleiterprozess
und ein Kondensatorprozess voneinander isoliert, um eine Verunreinigung
aufgrund von ferroelektrischen Materialien (PZT, SBT) zu verhindern.
Da jedoch beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
die Prozesstemperatur für
die ferroelektrischen Materialien verringert werden kann, können Kondensatoren
kontinuierlich nach Durchführung
einer Multilager-Verbindungsstufe, die die letzte Stufe bei einem
herkömmlichen
Halbleiterprozess darstellt, gebildet werden. Daher kann die Anzahl
an Prozessen, die voneinander isoliert werden müssen, verringert werden, wodurch
das Verfahren vereinfacht werden kann. Da außerdem das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
keine Isolierung des Halbleiterprozesses und des Kondensatorprozesses
erforderlich macht, erweist sich das Verfahren als vorteilhaft für die Herstellung eines
Halbleiterbauelements, einschließlich Logikschaltungen, analogen
Schaltungen und dergl. in Kombination miteinander.
-
Unter
Anwendung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
gebildete dielektrische Materialien können nicht nur auf das vorstehende
ferroelektrische Speicherbauelement angewandt werden, sondern auch
auf verschiedene Typen von Halbleiterbauelementen. Beispielsweise
kann im Fall eines DRAM die Kapazität eines Kondensators erhöht werden,
indem man paraelektrische Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten,
wie BST, verwendet.
-
Unter
Anwendung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
gebildete ferroelektrische Materialien können auf andere Anwendungen,
wie piezoelektrische Materialien von piezoelektrischen Vorrichtungen
für Betätigungsvorrichtungen
oder Tintenstrahlköpfe
für Tintenstrahldrucker,
angewandt werden.
-
Nitride
(Siliciumnitrid, Titannitrid), die beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
gebildet worden sind, können
zur Passivierung von Filmen und lokalen Verbindungsfilmen von Halbleiterbauelementen
und dergl. eingesetzt werden.