CN114080697A - 具有介电层的半导体结构元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体结构元件(200)，所述半导体结构元件包括至少一个介电层(230)以及至少一个第一电极(202)和第二电极(201)。附加地，在所述介电层(230)中存在至少两种彼此不同的缺陷类型(212，215，217)。所述至少两种彼此不同的缺陷类型(212，215，217)根据在所述第一电极(202)与所述第二电极(201)之间施加的运行电压和当前的运行温度沿着分别具有平均有效间距a₀(210)的局部缺陷状态(235)向着所述两个电极(202，210)中的一个电极运动。在此，对于所述平均有效间距a₀(210)适用的是，所述平均有效间距大于3.2nm。

Description

具有介电层的半导体结构元件

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1所述的半导体结构元件。

背景技术

在C.A.Randall、R.Maier、W.Qu、K.Kobayashi、K.Morita、Y.Mizuno、N.Inoue和T.Oguni的在Journal of Applied Physics113，014101(2013)中的《Improvedreliability predictions in high permittivity dielectric oxide capacitorsunder high de electric fields with oxygen vacancy induced electromigration》中，存在于介电层中的缺陷类型(例如氧气缺陷处)的跳跃被描述为介电层中的击穿的原因。在此，在物理学上解释中心模型参数，但是根据经验在假设只有一种活性缺陷类型的情况下通过与停机时间(Ausfallzeit)拟合来求取所述中心模型参数。没有描述这些参数如何更准确地与材料关联。在此，不完全地或者根本没有映射复杂的停机机制，在所述复杂的停机机制的情况下，在半导体层中存在多种缺陷类型。只有当在当前的具有确定的温度和确定的电场的载荷情况下一种缺陷类型占主导地位并且也仅由于该种缺陷类型积累到边界层上才导致失灵时，在那里描述的使用寿命预测才适用。

本发明的任务在于，与半导体结构元件的应用情况(运行电压、运行温度)无关地优化具有多于一个的活性缺陷类型的半导体结构元件的使用寿命。

发明内容

为了解决该任务，提出一种根据权利要求1的半导体结构元件。该半导体结构元件借助薄层技术在硅衬底上制造，并且能够例如在MEMS构件(例如微镜)的情况下用作压电执行器。在此，半导体结构元件具有至少一个介电层。此外，半导体结构元件具有至少一个第一电极和第二电极，通过所述第一电极和所述第二电极将运行电压施加到介电层上。此外，在介电层中存在至少两种彼此不同的缺陷类型。这些缺陷类型能够是缺陷处(例如氧气缺陷处或者铅缺陷处)、由于占据的间隙位置(例如由于氢气)导致的晶格破坏、弗伦克尔(Frenkel)缺陷，但也能够是取代缺陷(例如通过有意地或者无意地引入的外来原子)。这些缺陷类型例如在其电荷数量方面彼此不同。所述至少两种彼此不同的缺陷类型构造用于根据在第一电极与第二电极之间施加的运行电压和当前的运行温度沿着分别具有相同的平均有效间距a₀的局部缺陷状态向着两个电极中的一个电极运动。缺陷类型的这种运动状态也被称为跳跃。在此，局部缺陷状态的平均有效间距a₀是有说服力的、可测量且可影响的材料性能，该材料性能在制造过程结束时在使用寿命方面表征半导体结构元件的质量。平均有效间距a₀与介电层中的缺陷的移动性相关。

与跳跃中心具有相对较大的间距的半导体结构元件导致，不同的缺陷类型可能在介电层中运动得更差，因此可能更缓慢地堆积在边界层上并且连续地导致介电击穿。在此，大于3.2nm的平均有效间距被证明为是如下值：尽管在介电层中有多种当前的缺陷类型，该值导致半导体结构元件的使用寿命优化，无论半导体结构元件的未来的应用情况和由此存在的运行状态如何。尤其是，在平均有效间距a₀＝3.2nm的情况下，得出在最大电压为10v和最大运行温度为100℃的情况下停机时间为大致12小时。对于PZT执行器的连续运行而言，该停机时间适合用于娱乐用电器的产品(例如微镜)。

根据权利要求1所述的结构元件示出在直至介电失灵为止的负载时间段内漏电流密度J_TED的时间曲线，该漏电流密度通过根据Crowell和Sze的热离子发射扩散理论的等式

来描述。在此，q代表单位电荷，N_C代表在导带中的有效状态密度，v_R代表有效重组速度，v_D代表有效扩散速度，φ_B ^eff代表有效肖特基势垒，k_B代表玻尔兹曼常数，T代表环境温度，U代表介电层上的电位差。即，U描述在半导体结构元件的两个电极上施加的运行电压。

由于有效肖特基势垒的变化φ_B ^eff(t)导致漏电流密度的时间曲线。这表征两个边界层对漏电流密度的影响，所述两个边界层位于两个电极与介电层之间。有效肖特基势垒在下文中被简称为φ(t)，并且包含半导体电极材料转变的所有部分、由于所施加的运行电压引起的变化和由于缺陷的积聚引起的变化。漏电流密度的对数将等式(1)减少为时间常数K和时间变化项。该时间变化项反映在材料内部的过程，所述过程由所有可移动的、包含在材料中的缺陷的运动所引起：

其中

名称“缺陷”在此同时也包含在构造方面的结构变化。

缺陷的移位在接近电极时导致介电层中的缺陷积累，所述缺陷积累导致有效势垒高度φ的改变。根据φ求解等式2.1，得出：

Φ(t)＝[ln(K)-ln(J_TED(t))]k_BT (2.2)

通过如下方法描述由于缺陷的积聚而引起的有效势垒高度的时间曲线：

其中，

在此，通常，积聚和有效肖特基势垒的与此有关的改变在两个边界层φ⁺(t)和φ^-(t)上发生。索引+和-在此分别标记边界层上的变化，所述边界层表征少数载流子或多数载流子到介电层中的过渡。边界层具有初始势垒高度φ₀并且经历势垒高度变化Δφ_i，该势垒高度变化由缺陷类型i所引起。由于必需的电荷中性，必须总是存在缺陷对或者说缺陷集群(Defektansammlungen)。这就是说，在出现具有负电荷的缺陷时，在材料中同样存在具有正电荷的缺陷。所述缺陷的相应的效果通过索引+和-标记。单个缺陷在运行电压的所施加的电场中根据其电荷沿着相反的方向运动。具有正电荷的缺陷迁移至具有负电位的电极，并且在该电极附近积聚在介电层中。具有负电荷的缺陷运动至具有正电位的电极，以便再次在该电极的附近积聚。

通过缺陷类型i产生的势垒高度变化Δφ_i的特征在于其最大高度δφ_i和表征性时间常数τ_i，在该表征性时间常数中，势垒高度变化改变得最强烈：

项

在此是用于在材料中给出的缺陷分布的统计积聚的近似值。在此，势垒变化的正的最大高度和负的最大高度δφ_i ⁺和δφ_i ^-和所属的时间常数τ_i ⁺和τ_i ^-具有不同的大小，因为这涉及到不同的缺陷和不同的边界层。这借助公式(3.2)得出：

并且对于势垒变化的时间变化部分得出：

时间常数τ_i ^+/-通过介电层中的缺陷的移动性和在该层中的待走过的路程定义。当在介电层内移位时，缺陷类型i必须走过其分布的重心与边界层的间距d_i。连同速度v_i一起得出用于缺陷类型i的积聚过程的表征性时间常数：

根据权利要求1所述的结构元件的突出之处在于缺陷通过跳跃在运行电压的所施加的电场中的移位。缺陷类型i沿着具有平均有效间距a_i的局部缺陷状态运动。这导致跳跃速度v_i，该跳跃速度通过已知的变程跳跃(Variable Range Hopping)方法来描述：

其中，

在此，C_0,i(a_i)代表如下函数：该函数表示局部缺陷分布的影响。在此，如在变程跳跃的情况下常见的那样，跳跃试验频率ν_i指的是缺陷碰到现有的势垒的频率。另外，缺陷的跳跃概率与二氢类局部缺陷的波函数的重叠积分

成比例，所述缺陷在局部缺陷状态的间距a_i中具有衰减长度α。随着运行温度增加的跳跃概率通过具有与材料和缺陷相关的真实活化能Ε_A,o,i的指数项来考虑。在此，真实活化能E_A,o,i指的是与运行电压和运行温度无关的活化能。双曲正弦函数描述在跳跃过程中的能量屏障(Energiebarriere)的定向降低，该双曲正弦函数包含由与缺陷i缔合的电荷N_q,_i、平均局部缺陷中心间距a_i和电场E组成的乘积。电场E由所施加的运行电压U和介电层的厚度d产生。如果平均局部缺陷中心间距a_i增加，则对于所描述的缺陷跳跃的情况而言，缺陷i的移动性通常降低。与具有较小的a_i的介电层相比，具有大的a_i的介电层的突出之处在于，在所述介电层中，在相同的运行条件(即相同的运行电压U和相同的运行温度T)的情况下，缺陷更缓慢地移位。这导致用于在介电层与电极之间的边界层上的缺陷的积聚的更大的时间常数τ_i，并且导致更缓慢的势垒高度变化Δφ_i。

根据权利要求1所述的结构元件的特征在于，包含在介电层中的n种缺陷类型在具有相同的平均间距a₀的局部缺陷状态上运动，并且因此适用的是：

a₁＝a₂…a_n＝a₀ (8)

局部缺陷状态的间距能够在了解先前描述的物理建模的情况下从漏电流测量数据J_TED中提取。对于在温度负载和电压负载下介电失灵来说，平均有效间距是核心的材料性能。该材料性能与运行电压和运行温度无关，并且能够通过制造过程来影响。该影响能够例如通过在沉积介电层时对原始材料的选择(例如对溅射目标的选择)和/或在材料沉积期间对工艺条件的改变(例如气体、功率、温度)和/或也通过后续工艺(例如热处理、气体的作用)来实现。例如，在沉积介电层期间温度的升高或者通过更低的等离子体功率引起的生长速度的降低导致更高的结晶质量。此外，在此出现缺陷中心密度的降低，这又导致a₀的增加。除此之外，能够通过改变作为工艺条件的目标组成来改变晶体构造。目标组成的从Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O₃Ni_0.005到Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O₃的改变，例如在介电层生长之后导致原始材料中的a₀的增加。作为在后续工艺(例如在含氢等离子体工艺中的钝化物的沉积)中的工艺条件的氢含量的减少同样导致a₀的增加。在这样的工艺中，能够例如通过使用氢含量更低的前驱体来减少氢含量，也就是说，例如通过在PECVD-SiN钝化物的沉积中将N₂、而不是NH₃用作氮源。在PECVD钝化物的沉积中减少氢气以增加a₀的另一种可能性是，减少含氢气体流或者使用低氢的前驱体。除此之外，通过使用屏障(例如经溅射的金属氧化物：RuO、TiO、AlOx等)能够保护介电层免受含氢的后续工艺的影响，以便增加a₀。

另外，原则上，通过减少作为工艺条件的温度负载，例如通过在时间上缩短温度负载和/或降低所使用的温度，能够在后续工艺中减少氢气从周围的层到介电层中的气体析出并且能够因此增大a₀。

在根据权利要求1所述的结构元件的情况下，对于两个边界层存在临界的势垒高度φ_krit ^+/-。如果由于临界的势垒高度变化Δφ_krit ^+/-中的一个临界的势垒高度变化局部地在时间点t_krit达到并且超过所述势垒高度中的一个势垒高度，则局部地发生介电击穿。这意味着，在达到φ_krit ⁺时，通过隧道式少数载流子(情况1)发生击穿：

φ_krit ⁺＝φ₀ ⁺+∑iΔφ_i ⁺(t_krit)＝φ₀ ⁺+Δφ_krit ⁺其中，Δφ_krit ⁺＝∑_iΔφ_i ⁺(t_krit) (9.1)

相反，在达到φ_krit ^-时，通过隧道式多数载流子(情况2)发生击穿：

φ_krit ^-＝φ₀ ^-+∑_iΔφ_i ^-(t_krit)＝φ₀ ^-+Δφ_krit ^-其中，Δφ_krit ^-＝∑_iΔφ_i ^-(t_krit) (9.2)

在局部地达到φ_krit时，发生电流密度的局部增加，直至半导体结构元件局部损坏。在漏电流密度J_TED的曲线中，在时间点t＝t_krit，能够要么通过短暂的上升、随后立即返回(在<1s中)为在上升之间的J_TED值、要么通过持久的跳跃识别出这一点。在第一种情况下，传导路径本身热损坏。在第二中情况下，所供给的电功率不足以完全损坏传导路径。在超过t_krit之后，剩余如下半导体结构元件：该半导体结构元件局部地在有限的平面上被损坏。在t>t_krit的情况下随着负载加重，越来越多的局部介电击穿随之而来，这最终导致半导体结构元件的完全损坏。因此，第一局部击穿是用于半导体结构元件的使用寿命的重要相关的量度。

因此，借助通过n种缺陷类型(6)和(7)的跳跃运输的势垒高度变化(5)的物理描述，能够从漏电流密度(1)的曲线中求取局部缺陷状态的平均有效间距a₀。通过测量在制造过程中的变化之前和之后的a₀，能够有针对性地改进根据权利要求1所述的半导体结构元件。为此，首先，在半导体结构元件上，在至少两个运行电压U₁和U₂和保持不变的温度的情况下记录直到在时间点t_krit的介电击穿为止的漏电流曲线J_TED。随后，将上文描述的等式(2.2)和(5)等价处理，并且由数值拟合随后由J_TED的时间曲线得出作为运行电压的函数的参量τ_i。根据上文描述的公式(6)、(7)和(8)，对于恒定的温度T＝T₀，得出τ_i的与电场E相关的函数：

由在恒定的温度T＝T₀和变化的电压U₁＝E₁/d、U₂＝E₂/d的情况下从漏电流测量中求取的表征性时间常数τ_i，在存在n>1种缺陷的情况下，能够通过数学拟合从等式(10.1)中确定参量N_q,i和a₀。在此，根据用于N_q,i的物理预期值获得基本电荷e的整数倍。测量出的J_TED曲线经受制造波动和公差，所述制造波动和公差由所使用的测量技术引起。因此，由所述测量确定的材料性能a₀、C_0,i(a₀)、N_q,i和Ε_A,0,i的准确性能够通过样品数量的增加以及还在多于两个的电压的情况下的附加的测量数据来改进。

在改变工艺条件之后，重复a₀的确定，以便示出工艺变化对材料性能a₀的物理影响，所述材料性能具有对缺陷移动性的核心影响。

当ln(τ_i(E；T₀))在电压上绘制时，产生直观的图形示意图。在此，从(10.1)变为：

借助

并且对于大的自变量x，能够借助

将用于大的电场E的等式(10.2)进一步简化为：

因此，在具有ln(τ_i(E；T₀/sek))作为用于i种缺陷类型的运行电压的函数的图形示意图中得出具有斜率m_i的直线。在保持不变的温度T₀的情况下，除了已知的常数k_BT₀之外，通过缺陷电荷N_q,i和局部缺陷中心的平均有效间距a₀定义所述斜率m_i。对于小的E，(10.2)仍然适用，但是，图形曲线然后明显偏离直线。在等式(10.3)中，所述直线明显沿着Y轴通过K_i(a₀)移位。K_i(a₀)指的是在(7.1)中描述的、局部缺陷中心的平均有效间距a₀对跳跃速度的与电压和温度无关的局部影响。

优选地，半导体结构元件的介电层的平均有效间距a₀具有大于3.24nm的值。与具有3.2nm的平均有效间距的材料相比，这样的材料具有更低的缺陷移动性。这又导致半导体结构元件的增加的使用寿命。

在实践中，更常出现如下介电层：在所述介电层中存在多于仅两种的缺陷类型。对于PZT层的示例性情况，至少存在原子Pb、Ti和Zr的局部的过剩或者不足。另外，在实践中存在如下运行状态(也就是说运行温度T和运行电压U的组合)：在所述运行状态中，多于两种的缺陷对介电层的电失灵做出重要相关的贡献。在此处描述的半导体结构元件中，能够相应地使用更高数量的介电层并且能够在更大的运行条件范围内运行。

优选地，介电层构造为多晶氧化高k电介质并且尤其构造为PZT层(PZT＝Pb[Zr_xTi_1-x]O₃)、经掺杂的PZT层(Pb[Zr_xTi_1-x-y]O₃Ni_y)、KNN层(KNN＝[K_xNa_1-x]NbO₃)、HfO₂、ZrO₂或者SrTiO₃。优选地，半导体结构元件的经溅射的PZT层具有Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O₃或者Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O₃Ni_0.005的组成。另外，优选地，附加的缺陷能够通过掺杂引入到高k电介质中，以便影响势垒高度变化ΔΦ。

优选地，介电层构造为经溅射的PZT层。在此，所谓的目标材料在等离子体中沉积在衬底上。例如，将PZT用作目标材料。优选地，在这种背景下，经溅射的PZT层具有小于500℃的沉积温度。在这样的介电层的情况下，可以证明出现如下效应：经溅射的PZT层中的当前的缺陷移动性越小，半导体结构元件的使用寿命就越高。

附图说明

图1a示出在三个不同的介电层的情况下漏电流测量的曲线。

图1b示出有效势垒高度的由漏电流测量得出的时间曲线和对当前的缺陷类型的贡献的细分。

图2a示出在相同的运行温度、但是不同的运行电压的情况下在介电层上求取的四个漏电流测量的曲线和相应匹配的模型曲线的曲线。

图2b示出参与的缺陷类型的时间常数的、与电场相关的曲线。

图3示出用于三个不同介电层的、参与的缺陷类型的时间常数的、与电场相关的曲线。

图4a至图4d示意性示出不同的缺陷类型在介电层中沿着分别具有平均有效间距a₀的局部缺陷状态的运动。

图5示出对于四个介电层和两种运行条件而言与局部缺陷中心的平均有效间距a₀相关的、停机时间t_krit的变化。

图6a示出在相同的运行温度、但是不同的运行电压的情况下在作为介电层的Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O₃Ni_0.005上求取的三个漏电流测量的曲线和相应匹配的模型曲线的曲线。

图6b示出参与的缺陷类型的时间常数的、与电场相关的曲线。

具体实施方式

图1a示出半导体结构元件的介电层的漏电流测量的曲线14，该半导体结构元件在下文中被称为实施例1。在此，在X轴12上以对数的方式以秒为单位绘制时间，在Y轴10上以对数的方式以安培每平方厘米为单位绘制漏电流密度。设置用于漏电流测量的实施例1具有硅衬底，该硅衬底具有介电的钝化层和沉积在该钝化层上的第一电极。该第一电极具有由110nm厚的PVD铂制成的双层，该双层由能够导电的110nm镧镍氧化物缓冲层(在下文中被称为LNO层)所覆盖。该LNO层同样通过PVD施加。位于第一电极上的介电层具有1μm的厚度，并且在RF-PVD工艺中在480℃的温度和Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O₃的目标组成的情况下沉积。如此选择先前描述的沉积的其余工艺参数，使得介电层多晶地且优选以具有(100)c轴取向的方式生长。半导体元件的第二电极通过PVD施加到介电层上，该第二电极是110nm厚的铂电极。根据实施例1的半导体结构元件被钝化，并且在电接触之后不经历热后处理。

此外，图1a示出另外的半导体结构元件的介电层的漏电流测量的曲线16，该另外的半导体结构元件在下文中被称为实施例2。

实施例2的制造与实施例1类似地进行，然而，结构元件在电接触之后经受热后处理。该热后处理在450℃的情况下在60mbar的氮气环境中进行40分钟。

此外，图1a示出另外的半导体结构元件的介电层的漏电流测量的曲线18，该另外的半导体结构元件在下文中被称为实施例3。实施例3的制造与实施例1类似地进行，然而，结构元件在电接触之后经受热后处理。该热后处理在500℃的情况下在60mbar的氮气环境中进行40分钟。

在测量漏电流曲线之前，所描述的所有实施例1、2和3都借助钝化层覆盖并且与铝导体电路电接触。

所有三个实施例都被测量直至相应的介电击穿15、17和19。如在此能够看出的那样，根据介电层的制造，得到具有不同的击穿时间15、17和19的非常不同的漏电流曲线14、16和18。

图1b示例性示出根据实施例2上的在图1a上测量出的漏电流曲线16对模型参量的提取。在此，在X轴32上再次以对数的方式以秒为单位绘制时间，在Y轴30上以对数的方式以电子伏特为单位绘制势垒高度变化Δφ。在此，曲线38示出从初始势垒高度φ₀34出发的势垒高度变化的根据时间求取的曲线Δφ(t)。

通过下述公式(参见上文公式2.2)求取势垒高度变化的这个曲线Δφ(t)38：

Φ(t)＝[ln(K)-ln(J_TED(t))]k_BT

随后，将平均有效势垒高度φ(t)的经求取的时间曲线数值地匹配于该公式(参见上文公式3.2)：

由这个数值拟合相应地获得不同的Δφ_i ^+/-(t)，Δφ_i ^+/-(t)描述Δφ(t)的曲线。如此，在示出的情况下，通过Δφ_a ^-(t)39的曲线、Δφ_b ^-(t)40的曲线和Δφ_c ^-(t)42的曲线连同和曲线Σ_iΔφ_i ⁺36一起描述Δφ(t)38。根据下述公式(参见上文公式5.1)

然后能够求取不同的τ_i ^+/-。在这种情况下，对于配属于多数载流子的势垒高度变化Δφ_i ^-39、40和42，获得所属的表征性时间常数τ_a、τ_b和τ_c。这些所属的表征性时间常数在图1b中分别通过47a、47b和47c标记，并且是如下时间点：在该时间点，相应的势垒高度变化改变得最强烈。为了改进概览，未明确地单独示出用于少数载流子的势垒高度变化Δφ_i ⁺。仅示出所述势垒高度变化的和曲线Σ_iΔφ_i ⁺36，该和曲线具有单个的时间常数τ_d、τ_e和τ_f49a、49b和49c。在此，相应的表征性时间常数配属于存在于层中的缺陷类型a、b、c、d、e和f，并且相应地，在该介电层中存在六种彼此不同的缺陷类型。

在图1b上所示出的情况下，介电层的介电击穿47通过隧道式多数载流子根据下述公式(参见上文公式9.2)进行：

φ_krit ^-＝φ₀ ^-+∑_iΔφ_i ^-(t_krit)＝φ₀ ^-+Δφ_krit ^-，其中，Δφ_krit ^-＝∑_iΔφ_i ^-(t_krit)

即，将Δφ_a ^-(t)39的、Δφ_b ^-(t)40的和Δφ_c ^-(t)42的先前所求取的曲线加和，并且根据其曲线导致势垒高度变化Σ_iΔφ_i ^-44。如果在此在时间点t_krit 48达到介电层的对于多数载流子而言临界的势垒高度变化46，则由于不同的存在的缺陷类型a、b和c而出现层的局部击穿，所述缺陷类型已经积聚在介电层与电极之间的边界层上。

图2a示出在不同的运行电压和恒定的为100℃的运行温度的情况下漏电流的在实施例2上测量出的曲线。在此也在X轴62上以对数的方式以秒为单位绘制时间并且在Y轴60上以对数的方式以安培为单位绘制漏电流密度。在运行电压为5伏的情况下测量漏电流曲线100，在运行电压为10伏的情况下测量曲线92，在运行电压为15伏的情况下测量曲线76，并且在运行电压为20伏的情况下测量曲线68。执行所述测量直至介电层的相应的介电击穿66、82、94和102。通过将测量出的电流曲线76、92和100与所属的模型曲线78、90和104进行比较，能够看出所应用的热离子发射扩散理论以及由于可移动的缺陷而在时间上能够改变的有效势垒高度与测量曲线的良好一致性。

在漏电流曲线100中标记的点106a、106b和106c表示根据图1a和图1b所描述的方法所求取的、用于该曲线的表征性时间常数τ_a、τ_b和τ_c。相应地，在漏电流曲线92中标记的点98a、98b和98c表示所求取的、用于该曲线的表征性时间常数τ_a、τ_b和τ_c。另外，在漏电流曲线76中标记的点80a和80b表示所求取的、用于该曲线的表征性时间常数τ_a和τ_b。在漏电流曲线68中标记的点72a和72b表示所求取的、用于该曲线的表征性时间常数τ_a和τ_b。每个表征性时间常数τ_a、τ_b和τ_c在当前的测量中分别配属于存在于介电层中的缺陷类型a、b和c中的一种缺陷类型。

图2b示出当前的缺陷类型的时间常数τ_i的除以秒的对数的、与电场相关的曲线。在此，在X轴112上以伏特每米为单位绘制电场，并且在Y轴110上以无单位的方式绘制表征性时间常数τ_i的自然对数。在此，X轴线区段140标记在运行电压为5伏的情况下施加在介电层上的电场。相应地，在穿过该轴线区段140的垂直线中重新找到漏电流曲线100的从图2a中识别出的表征性时间常数106a、106b和106c，该漏电流曲线具有测量数据107a、107b和107c的相应的散射宽度。X轴线区段142标记在运行电压为10伏的情况下施加在介电层上的电场。相应地，在穿过该轴线区段142的垂直线中重新找到漏电流曲线92的从图2a中识别出的表征性时间常数98a、98b和98c，该漏电流曲线具有测量数据99a、99b和99c的相应的散射宽度。X轴线区段144标记在运行电压为15伏的情况下施加在介电层上的电场。相应地，在穿过该轴线区段144的垂直线中重新找到漏电流曲线76的从图2a中识别出的表征性时间常数80a和80b，该漏电流曲线具有测量数据81a的相应的散射宽度。X轴线区段146标记在运行电压为20伏的情况下施加在介电层上的电场。相应地，在穿过该轴线区段146的垂直线中重新找到漏电流曲线68的从图2a中识别出的表征性时间常数72a和72b，该漏电流曲线具有测量数据73a的相应的散射宽度。

根据在上文中推导出的公式(10.3)

对于缺陷类型a、b和c得出具有斜率m_a、m_b和m_c的直线114、116和118，对于恒定的a₀，这产生整数的缺陷电荷N_q,a、N_q,b和N_q,c。直线114、116和118通过取决于a₀的常数K_a、K_b和K_c沿着Y轴移位。

图3示出在100℃的情况下用于三个介电层的、当前的缺陷类型的时间常数的对数的、与电场相关的曲线。在此，在X轴112上以伏特每米为单位绘制电场，并且在Y轴170上以无单位的方式绘制表征性时间常数τ_i的自然对数。X轴线区段142标记在运行电压为10伏的情况下施加在介电层上的电场。根据图2b，在穿过该轴线区段142的垂直线中重新找到识别出的表征性时间常数τ_a 98a和τ_b 98b，所述表征性时间常数具有用于实施例2的测量数据99a和99b的所属的散射宽度。同样地，在相对于轴线区段142的垂直线中重新找到识别出的表征性时间常数τ_a 128a和τ_b 134a，所述表征性时间常数具有用于实施例3的测量数据135a的所属的散射宽度。此外，在相对于轴线区段142的垂直线中重新找到识别出的表征性时间常数τ_a 130b和τ_b 136b，所述表征性时间常数具有用于实施例1的测量数据161b和137b的所属的散射宽度。X轴线区段144标记在运行电压为15伏的情况下施加在介电层上的电场。根据图2b，在穿过该轴线区段144的垂直线中重新找到识别出的表征性时间常数τ_a 80a和τ_b80b，所述表征性时间常数具有用于实施例2的测量数据81a的所属的散射宽度。同样地，在相对于轴线区段144的垂直线中重新找到识别出的表征性时间常数τ_a 129a和τ_b 135a，所述表征性时间常数具有用于实施例3的测量数据151a和152a的所属的散射宽度。此外，在相对于轴线区段144的垂直线中重新找到识别出的表征性时间常数τ_a 131b和τ_b 137b，所述表征性时间常数具有用于实施例1的测量数据162b和153b的所属的散射宽度。对于缺陷类型a，对于实施例3得出直线120，对于实施例2得出直线114，并且对于实施例1得出直线122。所述直线114、120和122中的每一条直线具有不同的斜率m_a和沿着Y轴的位移K_a(a₀)，所述位移由于相应不同的平均有效间距a₀引起。对于缺陷类型b，对于实施例3得出直线124，对于实施例2得出直线116，并且对于实施例1得出直线126。所述直线116、124和126中的每一条直线同样具有不同的斜率m_b和沿着Y轴的位移K_b(a₀)，所述位移由于相应不同的平均有效间距a₀引起。

图4a示意性示出在第一时间点t₀的半导体结构元件200。半导体结构元件200在此包括具有层厚度208的介电层230。例如，介电层230能够是PZT层。此外，半导体结构元件200具有第一电极202和第二电极201，所述第一电极和所述第二电极彼此对置地布置。此外，在相应的电极201或者202与介电层230之间布置有边界层203或者204。在介电层230中存在不同的缺陷类型，所述缺陷类型在此示例性地标记为具有单个正电荷214的缺陷类型212和具有单个负电荷216的缺陷类型215和217。索引+和-在此分别标记相应的缺陷类型的载流子的数量。由于介电层230中的必需的电荷中性，存在缺陷对或者说缺陷集群。这就是说，在出现具有负电荷215和217的缺陷时，在材料中同样存在具有正电荷212的缺陷。不同的缺陷类型212、215和217布置在局部的杂质

235上。在图4a上所示出的第一时间点t₀，在电极201与202之间还未施加电压，并且因此也未施加电场。

图4b示出在第一时间点t₀之后的第二时间点t₁的半导体结构元件200。在该时间点t₁，在第一电极201与第二电极202之间施加有电压，并且因此在介电层230中产生电场220。现在，根据施加在第一电极201与第二电极202之间的运行电压和当前的运行温度，不同的缺陷类型212、215和217沿着局部的缺陷状态235运动。缺陷类型212、215和217的这种运动状态也被称为跳跃。局部的缺陷状态235分别具有相同的平均有效间距a₀ 210。在这种情况下，平均有效间距a₀ 210大于3.2nm。具有正电荷214的缺陷类型212迁移至具有负电位的电极(在这种情况下是第一电极202)并且积聚在那里的边界层203中。相反，具有负电荷216的缺陷类型215和217运动至具有正电位的电极(在这种情况下是第二电极201)，以便积聚在那里的边界层204中。漏电流J_TED的想要从一个电极到达另一个电极的载流子必须克服肖特基势垒φ(t)，所述肖特基势垒受到边界层203和204影响。这些势垒具有初始势垒高度φ₀并且通过在那里积聚的缺陷类型而经历势垒高度变化Δφ_i。

图4c示出在第二时间点t₁之后的第三时间点t₂的半导体结构元件200。在此，多个不同的缺陷类型212、215和217已经积聚在介电层230的边界层202和203上并且在那里引起势垒高度变化Δφ_i。在第三时间点t₂之后的第四时间点t₃，在边界层中的一个边界层202或者203上达到临界的势垒高度φ_krit。如在图4d上能够看到的那样，在此现在出现介电层230的局部介电击穿225。在超过t_krit之后，剩余如下半导体结构元件200：该半导体结构元件局部地在有限的平面上被损坏。在t>t_krit的情况下随着负载加重，越来越多的局部介电击穿225随之而来，这最终导致半导体结构元件200的完全损坏。

图5示出对于三个介电层和三种运行条件而言与局部缺陷中心的平均有效间距a₀相关的、停机时间t_krit的变化。在Y轴300上以指数的方式以小时(h)为单位绘制停机时间，并且在X轴上线性地以纳米(nm)为单位绘制平均有效间距a₀。标记335标记在当前的a₀为3.24nm并且运行电压为-20伏以及运行温度为150℃的情况下实施例3的经求取的停机时间t_krit＝46s。标记336标记在当前的a₀为3.49nm并且运行电压为-20伏以及运行温度为150℃的情况下实施例2的经求取的停机时间t_krit＝192s。标记337标记在当前的a₀为3.65nm并且运行电压为-20伏以及运行温度为150℃的情况下实施例1的经求取的停机时间t_krit＝305s。

通过连接标记335、336和337得到直线340，该直线表明能够如何通过对实施例的相应不同的热处理来改变平均有效间距a₀并且更大的平均有效间距a₀也导致更大的停机时间t_krit。

标记345标记在当前的a₀为3.24nm并且运行电压为-2.5伏以及运行温度为175℃的情况下实施例3的经求取的停机时间t_krit＝2.95*10⁴s。标记346标记在当前的a₀为3.49nm并且运行电压为-2.5伏以及运行温度为175℃的情况下实施例2的经求取的停机时间t_krit＝1.11*10⁵s。标记347标记在当前的a₀为3.65nm并且运行电压为-2.5伏以及运行温度为175℃的情况下实施例1的经求取的停机时间t_krit＝3.99*10⁵s。

由于与335、336和337相比不同的运行条件，标记345、346和347具有高得多的停机时间。然而，在此通过连接标记345、346和347也得到直线350，该直线确认先前已经描述的关联并且因此示出平均有效间距a₀与停机时间t_krit之间的关联与当前的运行条件无关地适用。

标记365标记在当前的a₀为3.24nm并且运行电压为-10伏以及运行温度为100℃的情况下实施例3的经求取的停机时间t_krit＝5.25*10⁴s。标记366标记在当前的a₀为3.49nm并且运行电压为-10伏以及运行温度为100℃的情况下实施例2的经求取的停机时间t_krit＝1.1*10⁵s。标记367表示在当前的a₀为3.65nm并且运行电压为-10伏以及运行温度为100℃的情况下实施例1的经求取的停机时间t_krit＝2.42*10⁵s。

标记365、366和367在连接之后得出直线370，该直线重新确认先前描述的关联并且因此示出平均有效间距a₀与停机时间t_krit之间的关联与当前的运行条件无关地适用。在a₀＝3.2nm的情况下，关于直线370得出停机时间为12小时。对于PZT执行器的设计，在最大电压为10V和最大运行温度为100℃的情况下超过12小时的连续运行是对娱乐用电器的产品(例如微镜)的现实要求。

对于所测试的实施例1、2和3，能够分别识别出三种不同的缺陷类型a、b和c，所述缺陷类型对贡献Σ_iΔφ_i ^-负责。一方面是具有1e的当前的电荷和0.92eV的当前的真正活化能的缺陷类型a。在当前的实施例中，该缺陷类型能够与介电层内的氢气或OH基团缔合。另一方面是具有3e的当前的电荷和0.95eV的当前的真正活化能的缺陷类型b。在当前的实施例中，该缺陷类型能够与介电层内的铅和/或钛缔合。缺陷类型c具有4e的当前的电荷和0.855eV的真正活化能。在当前的实施例中，该缺陷类型能够与介电层内的铅、钛和/或锆缔合。

此外，对于所测试的实施例1、2和3，能够分别识别出三种不同的缺陷类型d、e和f，所述缺陷类型对贡献Σ_iΔφ_i ⁺负责。一方面是具有1e的电荷和小于0.8eV的当前的真正活化能的缺陷类型d。在当前的实施例中，该缺陷类型能够与介电层内的氢气缔合。另一方面是具有2e的当前的电荷和1.04eV的当前的真正活化能的缺陷类型e。在当前的实施例中，该缺陷类型能够与介电层内的氧气或铅缔合。缺陷类型e具有2e的当前的电荷和1.22eV的真正活化能。在当前的实施例中，该缺陷类型能够与介电层内的铅缔合。

图6a示出作为半导体结构元件的介电层的Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O₃Ni_0.005的漏电流测量的曲线404、406和408，该半导体结构元件在下文中被称为实施例4。实施例4的制造与实施例1类似地进行，然而已沉积具有目标组成为Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O₃Ni_0.005的介电层。

在不同的运行电压和恒定的为150℃的运行温度下测量漏电流的在图6a中示出的曲线。在此，在X轴402上以对数的方式以秒为单位绘制时间，在Y轴400上以对数的方式以安培为单位绘制漏电流。在运行电压为5伏的情况下测量漏电流曲线408，在运行电压为10伏的情况下测量曲线406，并且在运行电压为15伏的情况下测量曲线404。执行所述测量直至介电层的相应的介电击穿410、412和414。通过将测量出的电流曲线404、406和408与所属的模型曲线422、430和438进行比较，能够看出所应用的热离子发射扩散理论以及由于可移动的缺陷而在时间上能够改变的有效势垒高度与测量曲线的良好一致性。

在漏电流曲线408中标记的点432、434和436表示与在图1a和图1b上对于实施例1至3所描述的方法类似地求取的、用于该曲线的表征性时间常数τ_g、τ_h和τ_j。相应地，在漏电流曲线406中标记的点424、426和428表示所求取的、用于该曲线的表征性时间常数τ_g、τ_h和τ_j。另外，在漏电流曲线404中标记的点416、418和420表示所求取的、用于该曲线的表征性时间常数τ_g、τ_h和τ_j。每个表征性时间常数τ_g、τ_h和τ_j在当前的测量中分别配属于存在于介电层中的缺陷类型g、h和j中的一种缺陷类型。

图6b示出当前的缺陷类型的时间常数的除以秒的对数的、与电场相关的曲线。在此，在X轴451上以伏特每米为单位绘制电场，并且在Y轴450上以无单位的方式绘制表征性时间常数τ_i的自然对数。在此，X轴线区段455标记在运行电压为5伏的情况下施加在介电层上的电场。相应地，在穿过该轴线区段455的垂直线中重新找到漏电流曲线408的从图6a中识别出的表征性时间常数432、434和436，该漏电流曲线具有测量数据481、484和508的相应的散射宽度。X轴线区段460标记在运行电压为10伏的情况下施加在介电层上的电场。相应地，在穿过该轴线区段460的垂直线中重新找到漏电流曲线406的从图6a中识别出的表征性时间常数424、426和428，该漏电流曲线具有测量数据488、498和512的相应的散射宽度。X轴线区段465标记在运行电压为15伏的情况下施加在介电层上的电场。相应地，在穿过该轴线区段465的垂直线中重新找到漏电流曲线404的从图6a中识别出的表征性时间常数416、418和420，该漏电流曲线具有测量数据492、482和516的相应的散射宽度。

根据公式(10.3)，对于缺陷类型g、h和j得出具有斜率m_g、m_h和m_j的直线480、494和504，对于恒定的a₀＝3.1nm，这产生整数的缺陷电荷N_q,g＝2、N_q,h＝3和N_q,j＝4。直线480、494和504通过取决于a₀的常数K_g、K_h和K_j沿着Y轴移位。

Claims (7)

1.一种半导体结构元件(200)，所述半导体结构元件包括：

至少一个介电层(230)，和

至少一个第一电极(202)和第二电极(201)，

其中，在所述介电层(230)中存在至少两种彼此不同的缺陷类型(212，215，217)，其中，所述至少两种不同的缺陷类型(212，215，217)根据在所述第一电极(202)与所述第二电极(201)之间施加的运行电压和当前的运行温度沿着分别具有平均有效间距a₀(210)的局部缺陷状态(235)向着所述两个电极(201，202)中的一个电极运动，其中，适用的是a₀(210)>3.2nm。

2.根据权利要求1所述的半导体结构元件(200)，其特征在于，适用的是，a₀(210)>3.24nm。

3.根据权利要求1或2所述的半导体结构元件(200)，其特征在于，在所述介电层(230)中存在至少三种彼此不同的缺陷类型(212，215，217)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体结构元件(200)，其特征在于，所述介电层(230)构造为多晶氧化高k电介质、尤其构造为PZT层或KNN层。

5.根据权利要求4所述的半导体结构元件(200)，其特征在于，所述介电层(230)构造为经溅射的PZT层。

6.根据权利要求5所述的半导体结构元件(200)，其特征在于，所述经溅射的PZT层具有小于500℃的沉积温度。

7.根据权利要求5或6中任一项所述的半导体结构元件(200)，其特征在于，所述经溅射的PZT层具有Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O₃的组成。

Images