DE102005021803A1 - Kondensatorstruktur mit stabilisiertem Praseodymoxid-Dielektrikum - Google Patents

Kondensatorstruktur mit stabilisiertem Praseodymoxid-Dielektrikum Download PDF

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Abstract

Kondensatorstruktur mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer Isolatorschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, bei der die Isolatorschicht ein Isolatormaterial mit einer höheren Dielektrizitätszahl als Siliziumdioxid, alternativ oder zusätzlich Praseodymoxid Pr2O3 enthält oder im wesentlichen aus Praseodymoxid Pr2O3 besteht, wobei der Isolatorschicht oder dem Praseodymoxid zur Stabilisierung gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere Luftfeuchtigkeit, Titan oder Titannitrid beigemischt ist.

Description

  • In sogenannten Metall/Isolator/Metall-Kondensatoren (MIM-Kondensatoren) werden Isolatormaterialien mit hoher Dielektrizitätskonstante eingesetzt. Mit diesen Isolatormaterialien kann eine Erhöhung der Kapazität gegenüber solchen Strukturen erzielt werden, die Siliziumdioxid SiO2 als Dielektrikum enthalten. Mit Hilfe der neuartigen, sogenannten „High-K"-Materialien kann bei äquivalenten Siliziumdioxidschichtdicken (EOT, equivalent oxide thickness) von weniger als 1 nm eine ausreichende Durchschlagfestigkeit und ein gutes Leckstromverhalten erzielt werden. Häufig sind amorphe Isolatormaterialien im Einsatz.
  • Bekannte Isolatormaterialien mit hoher Dielektrizitätskonstante haben den Nachteil, dass sie bei Luftkontakt Reaktionen mit der Luft oder der darin enthaltenen Feuchtigkeit eingehen, wodurch sich ihre dielektrischen Eigenschaften verändern. Zur Stabilisierung wird beim Stand der Technik eine Mischung verschiedener Oxide eingesetzt. Dies bewirkt häufig eine amorphe Kristallstruktur des Dielektrikums. Eine amorphe Kristallstruktur ist jedoch nachteilig beim Einsatz in der industriellen Schaltkreisfertigung. Hier sind epitaktische Schichten vorteilhaft.
  • Ein weiterer Nachteil amorpher Schichtstrukturen ist ihre Neigung, bei hoher Temperaturbelastung, wie sie beispielsweise im Herstellungsprozess von Halbleiterstrukturen vorliegt, nicht reproduzierbar zu kristallisieren. Eine Stabilisierung der Schichteigenschaften der amorphen Isolatorstrukturen ist nur mit großem Aufwand möglich.
    •
  • Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es, die genannten Nachteile zu verringern oder zu vermeiden.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bildet die Lösung des genannten technischen Problems eine Kondensatorstruktur mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer Isolatorschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, bei der die Isolatorschicht Praseodymoxid Pr2O3 enthält, wobei dem Praseodymoxid elementares Titan oder Titannitrid beigemischt ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Kondensatorstruktur, insbesondere einer MOS- oder MIM-Struktur, vorgeschlagen mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer Isolatorschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, bei dem die Isolatorschicht in Form einer Praseodymoxid Pr2O3 enthaltenden Schicht abgeschieden wird. Der Isolatorschicht wird erfindungsgemäß elementares Titan oder Titannitrid beigemischt.
  • Weitere Aspekte der Erfindung betreffen einen elektrischen Isolator, umfassend oder bestehend aus überwiegend einkristallinem oder vollständig einkristallinem Praseodymoxid Pr2O3, dem elementares Titan oder Titannitrid beigemischt ist, sowie ein Bauelement mit diesem elektrischen Isolator.
  • Mit der Beimischung von Titan oder Titannitrid gelingt eine einkristalline (epitaktische), in einer alternativen Form der Erfindung eine überwiegend einkristalline Abscheidung. Hierbei genügt eine Zugabe von nur geringsten Atomprozenten Titan zur Erzielung dieser Wirkung, wobei durch einen örtlich geringere oder ver schwindende Konzentration innerhalb der Isolatorschicht bei Bedarf gezielt nichteinkristalline Bereiche erzeugt werden können.
  • Titan wird bevorzugt bei einer MOS-Kondensatorstruktur verwendet. Eine bevorzugte Titanverbindung zur Verwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist Titannitrid. Dieses kommt bevorzugt in MIM-Strukturen zum Einsatz.
  • Denkbar ist auch eine kombinierte Beimischung von elementarem Titan und von Titannitrid zur Isolatorschicht.
  • Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung gelingt es, wesentlich geringere Schichtdicken zu verwenden, die aufgrund ihrer strukturellen Ordnung eine höhere Isolationswirkung haben als amorphes Material. Mit verringerter Schichtdicke lässt sich die Kapazität eines Kondensators bei gleicher Fläche verringern. Alternativ kann die Kondensatorfläche bei gleichbleibender Kapazität gesenkt werden. Letzteres ist besonders interessant, wenn im Bereich der Bauelementfertigung eine Verringerung der Strukturausmaße erzielt werden soll.
  • Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist weiterhin, dass einkristalline Materialien einen thermodynamisch stabileren Zustand gegenüber amorphen, jedoch kristallisierbaren Materialien bilden. Aus diesem Grund wird beim Einsatz zum Beispiel in DRAM-Kondensatoren bei der industriellen Bauelementfertigung die nachfolgende Temperatur-/Zeitbelastung durch Vermeidung des Strukturumschlages reduziert. Diese Reduktion ist beim Einsatz eines hochtemperaturbeständigen, einkristallinen „High-K"-Dielektrikums nicht zwingend notwendig und vereinfacht den Fertigungsprozess von dynamischen Speichern.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur und des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Kondensatorstruktur besteht die Isolatorschicht aus Praseodymoxid, abgesehen von der erfindungsgemäßen Beimischung von Titan oder einer Titanverbindung oder von Mischphasen oder Verunreinigungen, die im Grenzbereich zu einer benachbarten Schicht enthalten sein können. Diese Mischoxide im Grenzbereich, sogenannte Silikate, besitzen selbst eine vergleichsweise große Dielektrizitätskonstante von etwa 13 bis 15 und sind deshalb besonders geeignet, in der Form einer sehr dünnen Interfaceschicht die Anpassung zwischen der Pr2O3-Schicht und dem Si(001)-Substrat zu übernehmen.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Kondensatorstrukturist der Isolatorschicht oder dem Praseodymoxid zusätzlich Titanoxid, beispielsweise TiO2 beigemischt. Titanoxid kann eine zusätzliche Stabilisierung gegenüber Feuchtigkeit und darüber hinaus auch, je nach Gehalt im Praseodymoxid, eine Variation der Dielektrizitätskonstante bewirken.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Kondensatorstruktur enthält die erste Elektrode oder die zweite Elektrode oder die erste und die zweite Elektrode überwiegend ein Halbleitermaterial oder besteht aus einem Halbleitermaterial. Je nach Kombination von Elektroden kann so eine MIS-, MOS-, oder SIS-Kondensatorstruktur gebildet werden.
  • Ergänzend bzw. alternativ kann die erste Elektrode oder die zweite Elektrode oder die erste und die zweite Elektrode metallisch leitfähig ausgebildet sein. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst insbesondere eine MIM-Struktur.
  • Wie bereits erwähnt genügen schon geringe Konzentrationen von Titan zur Erzielung der beschriebenen vorteilhaften Wirkung. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der Gehalt von Titan in der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 5 Atomprozent, maximal 3 Atomprozent, maximal 1 Atomprozent maximal 0,1 Atomprozent und maximal 0,01 Atomprozent nach oben begrenzt.
    •
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine vereinfachte Darstellung eines Einführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur,
  • 2 ein Zwischenstadium der Herstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur und
  • 3 eine vereinfachte Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur nach Beendigungsverfahrens.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kondensatorstruktur 10. Bei dieser Kondensatorstruktur handelt es sich um eine MOS-Struktur, wie sie in zahlreichen Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise einem MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor), Verwendung findet. Die Kondensatorstruktur 10 weist eine erste Elektrode 12 in Form eines dotierten Siliziumsubstrats auf. Beispielsweise ist das Siliziumsubstrat mit Bor dotiert und daher p-leitend. Alternativ kann das Siliziumsubstrat 12 auch n-leitend sein. Auf dem Siliziumsubstrat 12 ist eine Isolatorschicht 14 aus Praseodymoxid Pr2O3 abgeschieden. Die Praseodymoxid-Schicht enthält elementares Titan. Auf der Isolatorschicht 14 ist eine zweite Elektrode 16 abgeschieden. Bei der zweiten Elektrode 16 handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine dotierte, hochleitfähige Polysiliziumschicht. Alternativ kann auch ein Metall auf der Isolatorschicht abgeschieden sein. Als Metall für die Metallelektroden eignen sich beispielsweise Ruthenium Titan, Titannitrid oder Ta2O5.
  • 2 zeigt ein Zwischenstadium eines Herstellungsverfahrens für eine Kondensatorstruktur. Bei dem in 2 dargestellten Zwischenprodukt 18 ist eine Isolatorschicht 20 auf einem leitfähigen Substrat 22 abgeschieden. Die Isolatorschicht 20 hat eine dünne Grenzflächenschicht 20.1 in Form einer Praseodymoxid, Siliziumdioxid SiO2 und Titan enthaltenden Silikat-Mischphase. An diese schließt sich eine Praseodymoxid Pr2O3-Schicht 20.2 an, die ebenfalls Titan enthält. Alternativ kann auch Titannitrid enthalten sein.
  • 3 zeigt eine auf der Basis des Zwischenprodukts 18 hergestellte Kondensatorstruktur 24. Zusätzlich zu den bereits im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Schichten ist eine Polysiliziumschicht 26 auf der Isolatorschicht 20 abgeschieden. Die dotierte, hochleitfähige Schicht 26 bildet die zweite Elektrode der Kondensatorstruktur.
  • Es versteht sich, dass in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zusätzliche Schichten insbesondere zur Kontaktierung der Elektroden 12 und 16 bzw. 22 und 26 vorgesehen sein können.

Claims (13)

  1. Kondensatorstruktur mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer Isolatorschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, bei der die Isolatorschicht Praseodymoxid Pr2O3 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass dem Praseodymoxid elementares Titan oder Titannitrid beigemischt ist und die Isolatorschicht einkristallin oder überwiegend einkristallin ist.
  2. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der die Isolatorschicht, abgesehen von der Beimischung von elementarem Titan oder von Titannitrid und von im Grenzbereich zu einer benachbarten Schicht enthaltenen Mischphasen oder Verunreinigungen, aus Praseodymoxid besteht.
  3. Kondensatorstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Isolatorschicht oder dem Praseodymoxid zusätzlich Titanoxid TiO2 beigemischt ist.
  4. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der die erste Elektrode oder die zweite Elektrode oder die erste und die zweite Elektrode überwiegend ein Halbleitermaterial enthält oder aus einem Halbleitermaterial besteht.
  5. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der die erste Elektrode oder die zweite Elektrode oder die erste und die zweite Elektrode metallisch leitfähig ist.
  6. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der Titan der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 5 Atomprozent beigemischt ist.
  7. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der Titan der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 3 Atomprozent beigemischt ist.
  8. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der Titan der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 1 Atomprozent beigemischt ist.
  9. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der Titan der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 0,1 Atomprozent beigemischt ist.
  10. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der Titan der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 0,01 Atomprozent beigemischt ist.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Kondensatorstruktur, insbesondere einer MOS- oder MIM-Struktur, mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer Isolatorschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, bei dem die Isolatorschicht in Form einer Praseodymoxid Pr2O3 enthaltenden Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorschicht elementares Titan oder Titannitrid beigemischt wird.
  12. Elektrischer Isolator, umfassend oder bestehend aus überwiegend einkristallinem oder vollständig einkristallinem Praseodymoxid Pr2O3, dem elementares Titan oder Titannitrid beigemischt ist.
  13. Bauelement mit einem elektrischen Isolator nach Anspruch 12.
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