DE102005021803A1 - Capacitor structure used in an electrical insulator comprises an insulating layer containing praseodymium oxide mixed with titanium or titanium nitride arranged between a first electrode and a second electrode - Google Patents

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Abstract

Capacitor structure comprises an insulating layer containing praseodymium oxide mixed with titanium or titanium nitride arranged between a first electrode and a second electrode. An independent claim is also included for a process for the production of a capacitor structure.

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.In so-called metal / insulator / metal capacitors (MIM capacitors) insulator materials are used with high dielectric constant. With these insulator materials, it is possible to achieve an increase in capacitance compared with structures which contain silicon dioxide SiO 2 as the dielectric. With the help of the novel, so-called "high-K" materials, equivalent dielectric thicknesses (EOT) of less than 1 nm can achieve sufficient dielectric strength and good leakage current behavior.

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.Known Isolate materials with high dielectric constant have the disadvantage that they react with the air or the air contained in it in contact with air Moisture, thereby increasing their dielectric properties change. To stabilize the prior art is a mixture of different Oxides used. This often works an amorphous crystal structure of the dielectric. An amorphous crystal structure however, is disadvantageous for use in industrial circuit manufacturing. Here epitaxial layers are advantageous.

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.One Another disadvantage of amorphous layer structures is their tendency to high temperature load, such as in the manufacturing process of Semiconductor structures is present, not reproducible to crystallize. A stabilization of the layer properties of the amorphous insulator structures is only great Effort possible.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es, die genannten Nachteile zu verringern oder zu vermeiden.The the technical problem underlying the present invention is to reduce or avoid the disadvantages mentioned.

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.According to a first aspect of the invention, the solution to said technical problem is a capacitor structure comprising a first electrode, a second electrode and an insulator layer between the first and second electrodes, wherein the insulator layer comprises praseodymium oxide Pr 2 O 3 , the praseodymium oxide being elemental titanium or titanium nitride is mixed.

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.According to a further aspect of the invention, a method for producing a capacitor structure, in particular a MOS or MIM structure, proposed with a first electrode, a second electrode and an insulator layer between the first and the second electrode, wherein the insulator layer in the form of a Praseodymium oxide containing Pr 2 O 3 layer is deposited. According to the invention, the insulator layer is admixed with elemental titanium or titanium nitride.

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.Further aspects of the invention relate to an electrical insulator, comprising or consisting of predominantly monocrystalline or completely monocrystalline praseodymium oxide Pr 2 O 3 , to which elemental titanium or titanium nitride is admixed, and to a component with this electrical insulator.

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.With The admixture of titanium or titanium nitride succeeds a monocrystalline (epitaxial), in an alternative form of the invention a predominantly monocrystalline deposition. Here, an addition of only the slightest is sufficient Atomic percent titanium to achieve this effect, being replaced by a locally lower or decreasing concentration within the insulator layer If required, non-monocrystalline regions can be produced in a targeted manner.

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.titanium is preferably used in a MOS capacitor structure. A preferred titanium compound for use in connection with the present invention Invention is titanium nitride. This comes preferably in MIM structures for use.

Denkbar ist auch eine kombinierte Beimischung von elementarem Titan und von Titannitrid zur Isolatorschicht.Conceivable is also a combined admixture of elemental titanium and of titanium nitride to the insulator layer.

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.With Help the solution according to the invention succeeds it is to use much lower layer thicknesses due to their structural order have a higher isolation effect as amorphous material. With reduced layer thickness can be the capacity of a capacitor reduce the same area. alternative can the capacitor area with the same capacity be lowered. The latter is especially interesting when in the area Component manufacturing achieved a reduction in structural dimensions shall be.

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.Advantageous in the inventive solution furthermore, that monocrystalline materials have a thermodynamic more stable against amorphous, but form crystallizable materials. That's why when used for example in DRAM capacitors in industrial component manufacturing the subsequent temperature / time load by avoiding the Structural envelope reduced. This reduction is when using a high temperature resistant, monocrystalline "high-K" dielectric not imperative and simplifies the manufacturing process of dynamic To save.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur und des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.following Be exemplary embodiments of inventive capacitor structure and the method of the invention described.

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.In a preferred embodiment of the capacitor structure, the insulator layer consists of praseodymium oxide, apart from the admixture of titanium or a titanium compound according to the invention or of mixed phases or impurities, which may be contained in the boundary region to an adjacent layer. These mixed oxides in the boundary region, so-called silicates, themselves have a comparatively large dielectric constant of about 13 to 15 and are therefore particularly suitable, in the form of a very thin interface layer, the matching between the Pr 2 O 3 layer and the Si (001) substrate to take over.

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.In a further exemplary embodiment of the capacitor structure, the insulator layer or the praseodymium oxide is additionally mixed with titanium oxide, for example TiO 2 . Titanium oxide can cause additional stabilization against moisture and, moreover, depending on the content in the praseodymium oxide, a variation of the dielectric constant.

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.at another embodiment contains the capacitor structure the first electrode or the second electrode or the first and the second electrode predominantly a semiconductor material or consists of a semiconductor material. Depending on the combination of electrodes such a MIS, MOS, or SIS capacitor structure be formed.

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.Supplementary or alternatively, the first electrode or the second electrode or the first and the second electrode formed metallically conductive be. This embodiment includes in particular a MIM structure.

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.As already mentioned suffice already low concentrations of titanium to achieve the described advantageous effect. In various embodiments, the content is of titanium in the insulator layer with a maximum concentration 5 atomic percent, maximum 3 atomic percent, maximum 1 atomic percent maximum 0.1 atomic percent and a maximum of 0.01 atomic percent capped.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:following become preferred embodiments on the basis of figures closer explained. It demonstrate:

1 eine vereinfachte Darstellung eines Einführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur, 1 a simplified representation of an introduction example of a capacitor structure according to the invention,

2 ein Zwischenstadium der Herstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur und 2 an intermediate stage of the production of a second embodiment of the capacitor structure according to the invention and

3 eine vereinfachte Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur nach Beendigungsverfahrens. 3 a simplified representation of the second embodiment of a capacitor structure according to the invention after termination process.

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. 1 shows a first embodiment of a capacitor structure 10 , This capacitor structure is a MOS structure used in many semiconductor devices such as a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). The capacitor structure 10 has a first electrode 12 in the form of a doped silicon substrate. For example, the silicon substrate is doped with boron and therefore p-type. Alternatively, the silicon substrate 12 also be n-conductive. On the silicon substrate 12 is an insulator layer 14 deposited from praseodymium oxide Pr 2 O 3 . The praseodymium oxide layer contains elemental titanium. On the insulator layer 14 is a second electrode 16 deposited. At the second electrode 16 In the present exemplary embodiment, this is a doped, highly conductive polysilicon layer. Alternatively, a metal may be deposited on the insulator layer. Suitable metals for the metal electrodes are, for example, ruthenium titanium, titanium nitride or Ta 2 O 5 .

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. 2 shows an intermediate stage of a manufacturing process for a capacitor structure. At the in 2 represented intermediate 18 is an insulator layer 20 on a conductive substrate 22 deposited. The insulator layer 20 has a thin interface layer 20.1 in the form of a praseodymium oxide, silica SiO 2 and titanium containing silicate mixed phase. This is followed by a praseodymium oxide Pr 2 O 3 layer 20.2 which also contains titanium. Alternatively, titanium nitride may also be included.

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. 3 shows one based on the intermediate 18 manufactured capacitor structure 24 , In addition to those already associated with 2 described layers is a polysilicon layer 26 on the insulator layer 20 deposited. The doped, highly conductive layer 26 forms the second electrode of the capacitor structure.

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.It is understood that in the embodiments described above, additional layers, in particular for contacting the electrodes 12 and 16 respectively. 22 and 26 can be provided.

Claims (13)

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.Capacitor structure comprising a first electrode, a second electrode and an insulator layer between the first and the second electrode, wherein the insulator layer Praseodymoxid Pr 2 O 3 contains, characterized in that the praseodymium oxide elemental titanium or titanium nitride is mixed and the insulator layer is monocrystalline or predominantly monocrystalline. 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.A capacitor structure according to claim 1, wherein the Insulator layer, apart from the admixture of elemental titanium or from titanium nitride and from in the border region to an adjacent one Layer contained mixed phases or impurities, praseodymium oxide consists. Kondensatorstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Isolatorschicht oder dem Praseodymoxid zusätzlich Titanoxid TiO2 beigemischt ist.Capacitor structure according to one of the preceding claims, in which the insulator layer or praseodymium oxide is additionally mixed with titanium oxide TiO 2 . 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.A capacitor structure according to claim 1, wherein the first electrode or the second electrode or the first and the second electrode predominantly contains a semiconductor material or consists of a semiconductor material. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der die erste Elektrode oder die zweite Elektrode oder die erste und die zweite Elektrode metallisch leitfähig ist.A capacitor structure according to claim 1, wherein the first electrode or the second electrode or the first and the second electrode is metallically conductive. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der Titan der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 5 Atomprozent beigemischt ist.A capacitor structure according to claim 1, wherein the titanium the insulator layer with a maximum concentration of 5 atomic percent is mixed. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der Titan der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 3 Atomprozent beigemischt ist.A capacitor structure according to claim 1, wherein the titanium the insulator layer with a maximum concentration of 3 atomic percent is mixed. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der Titan der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 1 Atomprozent beigemischt ist.A capacitor structure according to claim 1, wherein the titanium the insulator layer with a maximum concentration of 1 atomic percent is mixed. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der Titan der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 0,1 Atomprozent beigemischt ist.A capacitor structure according to claim 1, wherein the titanium the insulator layer with a concentration of at most 0.1 atomic percent is mixed. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, bei der Titan der Isolatorschicht mit einer Konzentration von maximal 0,01 Atomprozent beigemischt ist.A capacitor structure according to claim 1, wherein the titanium the insulator layer with a concentration of at most 0.01 atomic percent is mixed. 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.A method for producing a capacitor structure, in particular a MOS or MIM structure, comprising a first electrode, a second electrode and an insulator layer between the first and the second electrode, in which the insulator layer is deposited in the form of a praseodymium oxide Pr 2 O 3 -containing layer , characterized in that the insulator layer elemental titanium or titanium nitride is added. Elektrischer Isolator, umfassend oder bestehend aus überwiegend einkristallinem oder vollständig einkristallinem Praseodymoxid Pr2O3, dem elementares Titan oder Titannitrid beigemischt ist.Electrical insulator, comprising or consisting of predominantly monocrystalline or completely monocrystalline praseodymium oxide Pr 2 O 3 , to which elemental titanium or titanium nitride is admixed. Bauelement mit einem elektrischen Isolator nach Anspruch 12.Component with an electrical insulator after Claim 12.
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