DE102005051573B4 - MIM/MIS-Struktur mit Praseodymtitanat als Isolatormaterial - Google Patents

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Abstract

Elektronisches Bauelement mit einer Schichtfolge der Art Metall-Isolator-Metall oder Metall-Isolator-Halbleiter,
bei dem mindestens eine Metallschicht der Schichtfolge entweder Titannitrid TiN, Tantalnitrid TaN oder Rutheniumoxid RuO2 enthält,
bei dem die Isolatorschicht eine Praseodymtitanat-Schicht und eine daran angrenzende SiO2-Schicht enthält,
wobei die SiO2-Schicht entweder an eine der Metallschichten der Schichtfolge oder an die Halbleiterschicht der Schichtfolge angrenzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement mit einer Schichtfolge der Art Metall-Isolator-Metall oder Metall-Isolator-Halbleiter, bei der die Isolatorschicht Praseodymtitanat enthält.
  • Elektronische Bauelemente mit einer Schichtfolge der Art Metall-Isolator-Metall (MIM) oder Metall-Isolator-Halbleiter (Englisch Metal-Insulator-Semiconductor, MIS) finden beispielsweise als Speicherzellen in Speicherbauelementen wie DRAM-Speichern (Dynamical Random Access Memory) oder als passive Komponenten in Hochfrequenz-Applikationen Verwendung.
  • Funktionell bildet eine MIM- oder eine MIS-Struktur, nachfolgend auch zusammenfassend kurz als MIM/MIS-Struktur bezeichnet, einen Kondensator. In einem Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) liegt eine Schichtfolge der Art Metall-Isolator-Halbleiter vor, wobei die Isolatorschicht die Funktion eines Gate-Isolators und die Metallschicht die Funktion einer Gate-Elektrode hat. Die Halbleiterschicht bildet einen Kanal für Ladungsträger zwischen ebenfalls darin angeordneten Source- und Drain-Gebieten. Chip-integrierte Kondensatoren, die selbstverständlich nicht nur in Speichern, sondern auch in anderen elektronischen Komponenten Anwendung finden, sind sowohl in der Form von MIM- als auch von MIS-Stukturen bekannt.
  • Mit der ständig weitergetriebenen Miniaturisierung elektronischer Bauelemente sind die Abmessungen der darin verwendeten MIM- und MIS-Strukturen so stark verringert worden, dass die Verwendung der üblicherweise eingesetzten Isolatormaterialien Siliziumdioxid (SiO2) und Siliziumnitrid (Si3N4) problematisch wird; weil aufgrund der Verringerung der SiO2-Schichtdicken der Leckstrom stark ansteigt.
  • Daher wurde in den vergangenen Jahren verstärkt nach Isolatormaterialien mit erhöhter Dielektrizitätszahl („High-k-Materialien") gesucht. Der Ersatz der herkömmlichen Materialien SiO2 und Si3N4 durch alternative dielektrische High-k-Materialien soll hauptsächlich die Fläche des Kondensators verkleinern. Erst kürzlich wurden mehrere High-k-Materialien wie Al2O3, AlTiOx, AlTaOx, (HfO2)1-x(Al2O3)x, HfO2, ZrO2, Y2O3, Tr2O5, PrTixOy und Pr2O3 als potentielle Dielektrika für MIM/MIS-Kondensatoren untersucht. Jedoch weisen, mit Ausnahme von Ta2O5, alle diese High-k-Materialien einen zu hohen positiven quadratischen Spannungskapazitätskoeffizienten (VCC, auch mit α bezeichnet) auf. Als Alternativen werden daher Mehrschicht-Dielektrika wie SiO2/HfO2 und Ta2O5/HfO2/Ta2O5 mit sehr guten VCC-Eigenschaften diskutiert. Die bisher erreichte Kapazitätsdichte beträgt für diese Schichtstapel maximal 6 fF/μm2.
  • Durch die größere Dielektrizitätskonstante alternativer Isolatormaterialien kann eine größere Kapazitätsdichte bei gleicher Fläche erreicht werden. Besonders aussichtsreiche Kandidaten solcher Isolatormaterialien sind Oxide seltener Erden, darunter das Praseodymoxid Pr2O3, vergleiche WO 02/13275 A1. Bei der Abscheidung von Praseodymoxid auf Silizium hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, eine dünne Praseodymsilikat-Zwischenschicht vorzusehen, die eine Dicke von maximal 5 nm aufweist. Bei dem Praseodymsilikat handelt es sich um ein Mischoxid, das Silizium, Praseodym und Sauerstoff enthält, vergleiche WO 2004/032216 A1.
  • Die Verwendung von Praseodymsilizid als Elektrodenmaterial ist bekannt, vergleiche WO 2004/006315 A2. Der Nachteil von Praseodymsilizid im Hinblick auf MIM/MIS-Anwendungen besteht darin, dass es ein Material ist, dessen Integration in hochentwickelte CMOS-Prozesstechnologien nicht einfach ist. Insbesondere werden für die Abscheidung von Praseodymsilizid hohe Temperaturen von etwa 800 °C benötigt, wodurch Schäden an bereits vorhandenen Bauelementen auf demselben Wafer entstehen können.
  • Die Verwendung von Praseodymtitanat in MIM oder MOS-Strukturen ist bekannt, vergleiche die Druckschriften von A.U.Mane et al.: „A CMOS Process-Compatible Wet-Etching Recipe for the High-k Gate Dielectrics Pr2O3 and Pr2-xTixO3" in „Journal of The Electrochemical Society (2005)", Bd. 152, S. C399-C401 und S. Jeon, H. Hwang: „Electrical and physical characteristics of PrTixOy for metaloxide-semiconductor gate dielectric applications" in „Applied Physics Letters", 2002, Bd. 81, S. 4856-4858.
  • Die Verwendung von Praseodymtitanat in Form von Pr2Ti2O7 in MIM oder MOS-Strukturen ist bekannt, vergleiche EP 0940856 A1 .
  • Die Verwendung von Praseodymoxid mit Titan oder Titannitrid als Zusatz in MIM oder MOS-Strukturen und von einer Grenzschicht, die unter anderem SiO2 enthält, ist bekannt, vergleiche die nachveröffentlichte Druckschrift mit älterem Zeitrang DE 10 2005 021 803 A1 .
  • Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem ist es daher, ein elektronisches Bauelement mit einer verbesserten High-k-MIM/MIS-Struktur anzugeben, die prozesstechnisch leicht integrierbar ist und bei der der quadratische Spannungskapazitätskoeffizient bei großer Kapazitätsdichte hinreichend konstant ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein elektronisches Bauelement mit einer Schichtfolge der Art Metall-Isolator-Metall oder Metall-Isolator-Halbleiter gelöst, bei dem die Isolatorschicht dieser Schichtfolge Praseodymtitanat enthält, und bei dem eine Metallschicht der Schichtfolge oder beide Metallschichten der Schichtfolge entweder Titannitrid TiNx, Tantalnitrid TaN oder Rutheniumoxid RuO2 oder eine Kombination mindestens zweier dieser Materialien enthält bzw. enthalten oder aus einem dieser Materialien besteht bzw. bestehen.
  • Das alternative Isolatormaterial Praseodymtitanat hat gegenüber Pr2O3 den Vorteil einer erhöhten Stabilität gegenüber atmosphärischen Einflüssen. Praseodymtitanat wird in der Isolatorschicht vorzugsweise in überwiegend oder vollständig amorpher Form verwendet.
  • Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Bauelement enthält die Isolatorschicht eine Praseodymtitanatschicht und eine daran angrenzende SiO2-Schicht, die wiederum an eine der Metallschichten oder an die Halbleiterschicht angrenzt. Durch die Verwendung einer SiO2-Schicht wird zwar die Kapazitätsflächendichte, also das Verhältnis von Kapazität zu Fläche, leicht reduziert, vorteilhafterweise kann jedoch so die Spannungsabhängigkeit der Kapazität verringert werden. Ein Beispiel einer solchen Struktur hat eine erste Metallelektrode, eine daran angrenzende SiO2-Schicht, eine daran angrenzende Praseodymtitanatschicht und eine an diese angrenzende zweite Metallelektrode.
  • Erfindungsgemäß enthält weiterhin eine Metallschicht oder enthalten beide Metallschichten der MIM-Schichtfolge Titannitrid (TiNx, hierin nachfolgend auch kurz stellvertretend durch das Ausführungsbeispiel TiN benannt) oder Tantalnitrid oder Rutheniumoxid. Alternativ besteht die Metallschicht oder bestehen beide Metallschichten vollständig aus Titannitrid (TiN), Tantalnitrid oder Rutheniumoxid.
  • Dies beruht auf folgender Erkenntnis. Metallelektroden für duale Metall-Gate-Prozesse müssen geeignete Austrittsarbeiten besitzen, d. h. Austrittsarbeiten nahe der Si-Leitungsband- oder der Si-Valenzbandkante für n- bzw. p-MOSFETs. Die Austrittsarbeitsänderung zwischen n+-Polysilizium und p+-Polysilizium liegt zwischen 4,2 eV und 5,2 eV. Durch die Wahl von TaN (4,2 eV bis 4,9 eV), TiNx (4,6 eV bis 4,9 eV) oder RuO2 (4,9 eV bis 5,2 eV) können sowohl n- als auch p-MOSFETs realisiert werden.
  • Darüber hinaus wird die Wahl des Elektrodenmaterials von dem zulässigen Temperaturbudget des Prozesses bestimmt. Die genannten Materialien TiNx, TaN und RuO2 sind für eine Abscheidung bei geringen Temperaturen bis hinab zur Raumtemperatur geeignet. Dies erleichtert die Prozessführung und vermeidet Schäden, die durch ein hohes thermisches Budget der Prozessführung verursacht werden. Im Gegensatz zu Praseodymsilizid sind die genannten Materialien daher prozesstechnisch leichter handhabbar. TiN weist eine metallische Leitfähigkeit mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 11 μΩcm auf. Die Leitfähigkeiten von TaN und RuO2 liegen im Bereich zwischen 50 und 250 μΩcm.
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements erläutert.
  • Unabhängig von seinen strukturellen Eigenschaften kann Praseodymtitanat in der Form Pr2Ti2O7 oder in einem alternativen Ausführungsbeispiel in der Form Pr2-xTixO3 vorliegen.
  • Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Schichtfolge auf einem Siliziumsubstrat eine Titannitrid-Schicht, eine an die Titannitrid-Schicht angrenzende SiO2-Schicht, eine an die SiO2-Schicht angrenzende Pr2Ti2O7-Schicht sowie eine an die Pr2Ti2O7-Schicht angrenzende Goldschicht auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurden besonders hohe Werte der Kapazitätsdichte erzielt, wobei mit dieser Struktur gleichzeitig auch ein niedriger quadratischer Spannungskapazitätskoeffizient realisiert werden kann.
  • Günstige Werte dieser beiden Parameter können durch eine Auswahl der Dicken der SiO2-Schicht und der Praseodymtitanat-Schicht erreicht werden. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke der SiO2-Schicht zwischen 2 und 6 nm. Besonders gute Werte der Kapazitätsdichte und des quadratischen Spannungskapazitätskoeffizienten wurden bei einer Schichtdicke der SiO2-Schicht von 4 nm erzielt, insbesondere in Kombination mit einer Schichtdicke der Pr2Ti2O7-Schicht von 11 bis 15 nm, vorzugsweise 13 nm.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das elektronische Bauelement als MIS-Struktur ausgebildet, hat also eine Schichtfolge der Art Metall-Isolator-Halbleiter. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält die Halbleiterschicht vorzugsweise dotiertes Silizium oder eine dotierte siliziumhaltige Legierung wie Silizium- Germanium. Die Dotierung entspricht der üblichen Leitfähigkeitsdotierung in elektronischen Bauelementen.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die Metallschicht eine Mischung, also neben Titannitrid (TiN) auch Tantalnitrid (TaN) oder Rutheniumoxid (RuO2). Die Vorteile von TaN und RuO2 entsprechen denen des TiN, so dass das technische Problem der Erfindung auch mit einer Mischung dieser Materialien gelöst werden kann.
  • Für die Herstellung einer MIS-Struktur mit einer Silizium- oder einer Silizium-Germanium (SiGe)-Elektrode und einer daran angrenzenden SiO2-Schicht, die einen Teil der Isolatorschicht bildet, ist bei der Herstellung kein zusätzlicher Abscheideschritt für die SiO2-Schicht erforderlich, weil die unter Sauerstoffkontakt entstehende natürliche SiO2-Schicht verwendet werden kann. Anstelle eines reinen Siliziumsubstrats können auch ein germaniumhaltiges Si-Substrat oder eine kohlenstoffhaltige SiGe-Legierung verwendet werden.
  • Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Bauelements besteht in einer Kondensatorstruktur. Vorzugsweise hat die Kondensatorstruktur eine Schichtfolge der Art Metall-Isolator-Metall, wobei die Metallschichten die Kondensatorelektroden und die Isolatorschicht das Kondensatordielektrikum bilden.
  • Das elektronische Bauelement kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel auch als MOSFET ausgebildet sein, der eine Schichtfolge der Art Metall-Isolator-Halbleiter enthält, wobei die Isolatorschicht die Funktion eines Gate-Isolators und die Metallschicht die Funktion einer Gate-Elektrode haben.
  • Weitere Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des elektronischen Bauelements der Erfindung in der Form einer MIM-Kondensatorstruktur und
  • 2 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel in Form eines MOSFETs.
  • 3 zeigt den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines MIM-Kondensators.
  • 4 zeigt ein Diagramm des quadratischen Spannungskapazitätskoeffizienten α bei MIM-Kondensatoren mit einem reinen Praseodymtitanat- und einem reinen Siliziumdioxid-Dielektrikum bei einer Frequenz von 100 kHz.
  • 5 zeigt normierte C(V)-Kurven geschichteter Pr2Ti2O7/SiO2-MIM-Kondensatoren gemäß 3 mit einer 4 nm dicken Siliziumdioxid-Schicht.
  • 6 zeigt die Abhängigkeit der Kapazitätsdichte und des quadratischen Spannungskapazitätskoeffizienten α von unterschiedlichen Pr2Ti2O7/SiO2-MIM-Kondensatoren gemäß 3, bei denen die Schichtdicke der SiO2-Schicht 4 nm beträgt.
  • 7 zeigt Leckstromdichten verschiedener MIM-Kondensatoren gemäß 4 mit unterschiedlich dicken SiO2-Schichten und einer Dicke der Pr2Ti2O7-Schicht von 13 nm.
  • 8 zeigt mittlere Durchschlagspannungen von MIM-Kondensatoren mit reinem Praseodymtitanat sowie mit einer Pr2Ti2O7/SO2-Schichtstruktur des Dielektrikums.
  • In 1 ist die Schichtfolge eines Ausführungsbeispiels eines elektronischen Bauelements in Form einer MIM-Kondensatorstruktur 10 dargestellt. Die MIM-Struktur 10 umfasst eine erste Kondensatorelektrode 12, die aus Titannitrid (TiN) besteht, eine zweite Kondensatorelektrode 14, die ebenfalls aus Titannitrid TiN gefertigt ist, und ein Kondensatordielektrikum mit einer Schichtstruktur, die aus einer Praseodymtitanatschicht 16.1 und einer zusätzlichen dünnen SiO2-Schicht 16.2 besteht. Ein solches Bauelement kann beispielsweise als Speicherkondensator in einem Speicherbauelement verwendet werden.
  • Die MIM-Struktur 10 kann in alternativen Ausführungsbeispielen entweder zwei Kondensatorelektroden aus identischen Materialien oder aus unterschiedlichen Materialien enthalten. Die erste Kondensatorelektrode kann anstelle von Titannitrid (TiN) auch aus Tantalnitrid (TaN) oder Rutheniumoxid (RuO2) gefertigt sein. Dasselbe gilt für die zweite Kondensatorelektrode. Die Wahl des Materials wird durch folgende Gesichtspunkte bestimmt:
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MOSFETs 20. Der MOSFET umfasst ein n-dotiertes Siliziumsubstrat 22, in dem ein Kanalbereich 24 gebildet ist. Im Siliziumsubstrat 22 sind ein p-dotierter Source-Bereich 25 und ein p-dotierte Drain-Bereich 26 ausgebildet. Über dem Kanalbereich 24 befindet sich eine Gate-Elektrode 28 aus Titannitrid. Zwischen der Gate-Elektrode 28 und dem Kanalbereich 24 ist ein Gate-Dielektrikum 30 aus Praseodymtitanat und einer daran angrenzenden SiO2-Schicht angeordnet. Die Metall-Isolator-Halbleiter-Schichtfolge wird also im vorliegenden Ausführungsbeispiel von der Gate-Elektrode 28, dem oder Praseodymtitanat enthaltenden Dielektrikum 30 und dem Siliziumsubstrat 22 gebildet. Zwar ist das Halbleitersubstrat im vorliegenden Ausführungsbeispiel n-dotiert und sind der Source-Bereich 25 und der Drain-Bereich 26 jeweils p-dotiert, jedoch können die Dotierungen auch umgekehrt sein. In diesem Fall wäre das Halbleitersubstrat dann p-dotiert und der Source-Bereich 25 sowie der Drainbereich 26 jeweils n-dotiert.
  • 3 zeigt den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines MIM-Kondensators 30 auf einem Silizium-Substrat 32 mit einer Kristallorientierung (100). Anstelle des Siliziumsubstrats 32 kann auch ein Substrat mit einer Silizium-Germanium-Oberflächenschicht oder ein SOI-Substrat (Englisch Silicon-on-Insulator, Silizium auf Isolator) verwendet werden.
  • Eine gesputterte TiN-Schicht 34 wird als untere Elektrode verwendet. Darauf ist eine SiO2-Schicht 36 durch Gasphasenabscheidung gebildet. Eine dielektrische Pr2Ti2O7-Schicht 38 ist durch Aufdampfen eines Pr2O3/TiO2-Gemischs abgeschieden. Aufgedampfte Au-Schichten werden als obere Elektrode verwendet.
  • In Versuchsreihen wurden verschiedene MIM-Kondensatoren dieser Struktur mit unterschiedlich dicken SiO2-Schichten und dielektrischen Pr2Ti2O7-Schichten untersucht. Einige Untersuchungsergebnisse werden nachfolgend erläutert.
  • 4 zeigt ein Diagramm des quadratischen Spannungskapazitätskoeffizienten α (hierin auch VCC genannt) in Einheiten ppm/V2 für MIM-Kondensatoren mit einem reinen Praseodymtitanat- und einem reinen Siliziumdioxid-Dielektrikum bei einer Frequenz von 100 kHz in Abhängigkeit von der Kapazitätsdichte, aufgetragen in fF/μm2. Messwerte für Kondensatoren mit Praseodymtitanat (Pr2Ti2O7) sind durch offene Kreise dargestellt und durch eine Gerade 40 angenähert. Messwerte für Kondensatoren mit Siliziumdioxid sind durch gefüllte Kreise dargestellt und durch eine Gerade 42 angenähert.
  • Das dargestellte Verhalten spiegelt wider, dass C(V)-Kurven von MIM-Kondensatoren mit reinem SiO2 ein negatives parabelförmiges Verhalten haben, während MIM-Kondensatoren mit Pr2Ti2O7 als Dielektrikum positive Spannungskapazitätskoeffizienten (VCC) zeigen. Ein konstanter Koeffizient kann daher durch Kombination der beiden Dielektrika in einer geschichteten MIM-Struktur erreicht werden. Durch den niedrigen k-Wert von SiO2 verringert sich die resultierende Kapazität. Deshalb sollte die SiO2-Schicht so dünn wie möglich gehalten werden.
  • 5 zeigt normierte C(V)-Kurven geschichteter Pr2Ti2O7/SiO2-MIM-Kondensatoren mit einer 4 nm dicken Siliziumdioxid-Schicht und unterschiedlich dicken Pr2Ti2O7-Schichten. Es sind die Messergebnisse dreier Proben mit 9 nm (Kreise), 13 nm (Quadrate) und 16 nm (Dreiecke) dicken Pr2Ti2O7-Schichten dargestellt. Alle Messkurven zeigen eine etwa parabelförmige C(V)-Abhängigkeit, jedoch ändert VCC ersichtlich das Vorzeichen, wenn die Pr2Ti2O7-Dicke reduziert wird.
  • 6 zeigt die Abhängigkeiten der Kapazitätsdichte und des quadratischen Spannungskapazitätskoeffizienten α von der Schichtdicke der Pr2Ti2O7-Schicht in MIM-Kondensatoren mit einer Struktur gemäß 3, in denen die Dicke der SiO2-Schicht 4 nm beträgt. Die gefüllten Kreise zeigen experimentell ermittelte Werte der Kapazitätsdichte in fF/μm2 und die offenen Kreise experimentell ermittelte Werte des quadratischen Spannungskapazitätskoeffizienten α (hierin auch VCC genannt) in ppm/V2. Das beste Ergebnis wird mit einer Dicke der Pr2Ti2O7-Schicht 38 von 13 nm erzielt und zwar mit einer Kapazitätsdichte von 8 fF/μm2 bei einem VCC von – 40 ppm/V2. Diese Werte genügen den Anforderungen der aktuellen ITRS.
  • Bei Erhöhung der Dicke der SiO2-Schicht 36 auf 8 nm bleibt das Vorzeichen des Spannungskapazitätskoeffizienten negativ. Der beste erreichte VCC-Wert in einer Probenserie mit gleichen Pr2Ti2O7-Schichtdicken wie bei der Serie in 7 ist – 100 ppm/V2 bei einer Kapazitätsdichte von 3,2 fF/μm2. Wenn die Dicke der Pr2Ti2O7-Schicht 38 auf 10 nm festgelegt wird, führt die Änderung der SiO2-Dicke zu keinen geeigneten Kapazitäts- und Linearitätswerten.
  • Die SiO2-Schicht beeinflusst auch die Leckstromeigenschaften sowie die Durchschlagspannung. 7 zeigt Leckstromdichten verschiedener MIM-Kondensatoren mit unterschiedlichen Dicken der SiO2-Schicht 36 bei einer Dicke der Pr2Ti2O7-Schicht 38 von 13 nm. Auch hier wurden Proben untersucht, deren Struktur der in 3 entspricht. Dargestellt ist die Leckstromdichte J in A/cm2 als Funktion der Spannung. Kreise kennzeichnen Messwerte für eine Probe mit 4 nm SiO2, Quadrate Messwerte für eine Probe mit 6 nm SiO2 und Dreiecke solche für eine Probe mit 20 nm SiO2. Es ist erkennbar, dass die Leckstromdichte mit zunehmender Dicke der SiO2-Schicht 36 abnimmt. Jedoch liegt ein asymmetrisches Verhalten der Leckcharakteristik vor. Diese Asymmetrie kann durch das asymmetrische Energiebanddiagramm der SiO2/Pr2Ti2O7-Schichtstruktur bedingt sein.
  • 8 zeigt mittlere Durchschlagspannungen von MIM-Kondensatoren mit reinem Praseodymtitanat sowie mit einer Pr2Ti2O7/SO2-Schichtstruktur gemäß 3. Aufgetragen ist die mittlere Durchschlagspannung in V als Funktion der Dicke der Praseodymtitanat-Schicht in nm. Die Durchschlagspannungen wurden aus I(V)-Kennlinien entnommen. Die Durchschlagfeldstärke von reinem Pr2Ti2O7, ermittelt durch eine lineare Anpassung, beträgt 6,5 MV/cm. Die Durchschlagspannung geschichteter SiO2/Pr2Ti2O7-MIM-Kondensatoren wird durch die höhere dielektrische Durchschlagfestigkeit jeder Schicht beeinflusst. Die Durchschlagspannungen geschichteter MIM-Kondensatoren mit 8 nm SiO2 und dünnem Pr2Ti2O7 werden durch die hohe Durchschlagfestigkeit des SiO2 bestimmt.
  • Die auf 10 Jahre extrapolierte Betriebsspannung beträgt 6 V bei MIM-Kondensatoren mit 8 nm SiO2 und 24 nm Pr2Ti2O7 und 1 V bei Kondensatoren mit 4 nm SiO2 und 13 nm Pr2Ti2O7.
  • Geschichtete Hochleistungs-SiO2/Pr2Ti2O7-MIM-Kondensatoren zeigen im Ergebnis hervorragende elektrische Eigenschaften wie hohe Kapazitätsdichten, niedrige Spannungskapazitätskoeffizienten, hohe Durchschlagfeldstärken und hohe Zuverlässigkeit des Bauelements.

Claims (14)

  1. Elektronisches Bauelement mit einer Schichtfolge der Art Metall-Isolator-Metall oder Metall-Isolator-Halbleiter, bei dem mindestens eine Metallschicht der Schichtfolge entweder Titannitrid TiN, Tantalnitrid TaN oder Rutheniumoxid RuO2 enthält, bei dem die Isolatorschicht eine Praseodymtitanat-Schicht und eine daran angrenzende SiO2-Schicht enthält, wobei die SiO2-Schicht entweder an eine der Metallschichten der Schichtfolge oder an die Halbleiterschicht der Schichtfolge angrenzt.
  2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem eine Metallschicht der Schichtfolge oder beide Metallschichten der Schichtfolge entweder Titannitrid TiN, Tantalnitrid TaN oder Rutheniumoxid RuO2 oder eine Kombination mindestens zweier dieser Materialien enthält bzw. enthalten oder aus einem dieser Materialien besteht bzw. bestehen, und/oder bei dem die Isolatorschicht aus der Praseodymtitanat-Schicht und der angrenzenden SiO2-Schicht besteht.
  3. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Praseodymtitanat in der Form Pr2Ti2O7 vorliegt.
  4. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Praseodymtitanat in der Form Pr2-xTixO3 vorliegt.
  5. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Praseodymtitanat überwiegend oder vollständig in amorpher Form vorliegt.
  6. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schichtfolge auf einem Siliziumsubstrat eine Titannitrid-Schicht, eine an die Titannitrid-Schicht angrenzende SiO2-Schicht, eine an die SiO2-Schicht angrenzende Pr2Ti2O7-Schicht sowie eine an die Pr2Ti2O7-Schicht angrenzende Goldschicht aufweist.
  7. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 6, bei dem die Schichtdicke der SiO2-Schicht zwischen 2 und 6 nm beträgt.
  8. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 7, bei dem die Schichtdicke der SiO2-Schicht 4 nm beträgt.
  9. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Schichtdicke der Pr2Ti2O7-Schicht zwischen 11 und 15 nm beträgt.
  10. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 9, bei dem die Schichtdicke der Pr2Ti2O7-Schicht 13 nm beträgt.
  11. Elektronisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem die Metallschicht neben Titannitrid TiN auch Tantalnitrid TaN oder Rutheniumoxid RuO2 enthält.
  12. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 11, in dem die Halbleiterschicht dotiertes Silizium oder eine dotierte siliziumhaltige Legierung enthält.
  13. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 11, das als MOSFET ausgebildet ist, der eine Schichtfolge der Art Metall-Isolator- Halbleiter enthält, wobei die Isolatorschicht die Funktion eines Gate-Isolators und die Metallschicht die Funktion einer Gateelektrode hat.
  14. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das als Kondensator ausgebildet ist, der eine Schichtfolge der Art Metall-Isolator-Metall enthält, wobei die Metallschichten die Kondensatorelektroden und die Isolatorschicht das Kondensatordielektrikum bilden.
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