DE102014212483A1 - Complex circuit element and capacitor with CMOS-compatible high-k antiferroelectric materials - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung stellt integrierte Schaltungselemente und MIM/MIS-Kondensatoren mit hoher Kapazität und Verfahren zum Herstellen entsprechender integrierter Schaltungselemente und integrierter MIM/MIS-Kondensatoren bereit. In verschiedenen Aspekten wird ein Substrat und eine Dielektrikumsschicht oder isolierende Schicht über dem Substrat bereitgestellt. Ferner ist eine Elektrodenschicht über der Dielektrikumsschicht oder isolierenden Schicht angeordnet. Die Dielektrikumsschicht oder isolierende Schicht ist hierin in einer antiferroelektrischen Phase. In verschiedenen anschaulichen Ausführungsformen stellt das integrierte Schaltungselement eine MOSFET-Struktur oder eine Kondensatorstruktur dar.The invention provides high performance integrated circuit devices and high capacity MIM / MIS capacitors and methods for fabricating corresponding integrated circuit devices and MIM / MIS integrated capacitors. In various aspects, a substrate and a dielectric layer or insulating layer are provided over the substrate. Further, an electrode layer is disposed over the dielectric layer or insulating layer. The dielectric layer or insulating layer herein is in an antiferroelectric phase. In various illustrative embodiments, the integrated circuit element is a MOSFET structure or a capacitor structure.
Description
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen integrierte Schaltungen, die gemäß fortschrittlicher CMOS-Techniken hergestellt werden, und insbesondere Schaltungselemente und Kondensatoren, in denen anitferroelektrische High-k-Materialien eingesetzt werden.The invention relates generally to integrated circuits fabricated according to advanced CMOS techniques, and more particularly to circuit elements and capacitors employing high-k annitroelectric materials.
Integrierte Schaltungen (ICs) erfahren in modernen elektronischen Ausrüstungen zunehmend eine breite Anwendung in stets neuen Anwendungsgebieten. Insbesondere die Nachfrage nach mehr Mobilität und Flexibilität mit Bezug auf elektronische Vorrichtungen bei gleichzeitigem hohen Leistungsvermögen und niedrigem Energieverbrauch treibt die Entwicklungen hin zu kompakteren Vorrichtungen an, die Merkmale mit die Größen im Bereich bis in den tiefen Submikrometerbereich aufweisen, vor allem da gegenwärtige Halbleitertechnologien dazu in der Lage sind, Strukturen mit Dimensionen in der Größenordnung von 10 nm zu produzieren. Ein IC stellt eine Menge von elektronischen Schaltungselementen dar, die auf ein Halbleitermaterial, normalerweise Silizium, integriert sind, so dass entsprechende ICs gegenüber diskreten Schaltungen sehr viel kleiner gemacht werden, zumal diskrete Schaltungen aus einzelnen unabhängigen Schaltungskomponenten zusammengesetzt werden. Der Großteil heutiger ICs wird unter Verwendung von einer Mehrzahl von Schaltungselementen, wie z. B. Feldeffekttransistoren (FETs) oder auch Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs oder einfach MOS-Transistoren), und passive Elemente, wie z. B. Widerstände und Kondensatoren, gebildet, die auf ein Halbleitersubstrat mit gegebener Oberfläche integriert sind. Derzeitig umfassen zeitgemäße integrierte Schaltungen Millionen von einzelnen Schaltungselementen integriert auf ein Halbleitersubstrat.Integrated circuits (ICs) are increasingly being used in modern electronic equipment in ever new fields of application. In particular, the demand for more mobility and flexibility with respect to electronic devices coupled with high performance and low power consumption is driving developments towards more compact devices having features of sizes down to the deep sub-micron range, especially as current semiconductor technologies do so are able to produce structures with dimensions on the order of 10 nm. An IC represents a set of electronic circuit elements integrated on a semiconductor material, usually silicon, so that corresponding ICs are made much smaller in comparison with discrete circuits, especially since discrete circuits are composed of individual independent circuit components. The majority of today's ICs are using a plurality of circuit elements, such as. As field effect transistors (FETs) or metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs or simply MOS transistors), and passive elements such. As resistors and capacitors, which are integrated on a semiconductor substrate with a given surface. Currently, contemporary integrated circuits include millions of individual circuit elements integrated on a semiconductor substrate.
Die grundsätzliche Funktion eines MOSFETs entspricht der eines elektronischen Schaltungselements, wobei ein Strom durch einen Kanal eines MOSFET zwischen Source und Drain mittels eines Gates gesteuert wird, an dem relativ zu Source und Drain eine Spannung angelegt wird. Insbesondere wird der Leitfähigkeitszustand eines MOSFETs durch die an das Gate angelegte Spannung bei Überschreiten eines bestimmten Spannungswerts oder charakteristischen Spannungsniveaus geändert, die oder das für gewöhnlich als Schwellspannung (Vt) bezeichnet wird und das Schaltverhalten eines MOSFETs charakterisiert. Im Allgemeinen hängt Vt nichttrivial von den Eigenschaften des Transistors ab, wie z. B. Material usw.The basic function of a MOSFET is that of an electronic circuit element wherein a current through a channel of a MOSFET is controlled between source and drain by means of a gate to which a voltage is applied relative to source and drain. In particular, the conductivity state of a MOSFET is changed by the voltage applied to the gate when a certain voltage value or characteristic voltage level is exceeded, which is usually referred to as a threshold voltage (Vt) and characterizes the switching behavior of a MOSFET. In general, Vt does not depend trivially on the characteristics of the transistor, such as. B. material etc.
Es ist bekannt, dass bei 300 K für herkömmliche MOSFETs ein Wechsel im Kanalpotenzial von wenigstens 60 mV erforderlich ist, um eine Stromänderung um einen Faktor 10 hervorzurufen (dies wird auch als Subthreshold-Swing bezeichnet). Der minimale Subthreshold-Swing legt eine fundamentale untere Grenze der Betriebsspannung fest, und demzufolge begrentzt auch den Leistungsverlust von Schaltern, die auf standardgemäßen MOSFETs basieren.It is known that at 300 K for conventional MOSFETs, a change in channel potential of at least 60 mV is required to cause a current change by a factor of 10 (this is also referred to as subthreshold swing). The minimum subthreshold swing establishes a fundamental lower limit of operating voltage, and thus also limits the power loss of switches based on standard MOSFETs.
In der Veröffentlichung von
Neben MOSFETs können typische integrierte Schaltungen ferner Kondensatoren und Widerstände aufweisen, die als sogenannte integrierte passive Vorrichtungen (IPCs, „integrated passive devices”) oder integrierte passive Komponenten (IPCs, „integrated passive components”) zur Bildung von funktionalen Blöcken, wie z. B. von Impedanz abstimmende Schaltungen, harmonische Filter, Koppler, Übertrager usw. verwendet werden. IPDs oder IPCs können im Allgemeinen unter Verwendung von Standardhalbleiterherstellungstechnologien hergestellt werden, die in der Herstellung von MOSFETs bekannt sind. Kondensatoren können durch Metall-Isolator-Halbleiter-Strukturen (MIS-Strukturen, „metal insulator semiconductor structures”) oder Metall-Isolator-Metall-Strukturen (MIM-Strukturen, „metal insulator metal structures”) umgesetzt werden, die eine Metallschicht aufweisen, die auf einem isolierenden Material gebildet ist, das in MIS-Strukturen wiederum auf einem Halbleitermaterial oder in MIM-Strukturen auf einer Metallschicht angeordnet ist. Typische Anwendungen von MIS/MIM-Kondensatoren betreffen eine Pufferung der Energieversorgung, RF-Entkopplung oder Boost-Konverter.In addition to MOSFETs, typical integrated circuits may further include capacitors and resistors known as so-called integrated passive devices (IPCs) or integrated passive components (IPCs) for forming functional blocks, such as integrated circuits. B. impedance tuning circuits, harmonic filters, couplers, transformers, etc. are used. IPDs or IPCs can generally be fabricated using standard semiconductor fabrication technologies known in the fabrication of MOSFETs. Capacitors can be replaced by metal Insulator semiconductor structures (MIS structures, "metal insulator semiconductor structures") or metal-insulator-metal structures (MIM structures, "metal insulator metal structures") are reacted, which have a metal layer on an insulating material is formed, which in turn is arranged in MIS structures on a semiconductor material or in MIM structures on a metal layer. Typical applications of MIS / MIM capacitors involve power supply buffering, RF decoupling or boost converters.
Bei der Verbesserung von ICs hat sich herausgestellt, dass bezüglich Energiespeicher Kondensatoren mit höherer Kapazität erforderlich sind, um mehr Energie im elektrostatischen Feld des Kondensators zu speichern, während die Nachfrage nach einem höheren Leistungsvermögen auch ein schnelleres Laden/Entladen in kürzeren Zeitperioden erfordert. Gegenwärtig ist die Kapazität von integrierten ebenen MIS/MIM-Kondensatoren auf 20 fF/μm2 begrenzt, da die verfügbare Chipfläche und verfügbaren Chipmaterialien, die in fortgeschrittenen Kondensatoren als Dielektrika zu verwenden werden, Zwangsbedingungen vorgegeben. Zum Beispiel ergeben sich aus den verfügbaren Chipmaterialien, insbesondere in der CMOS-Techniken aufgrund von Verunreinigungsproblemen, Bedingungen, die die in MIS/MIM-Kondensatoren verwendeten Dielektrika auf Materialien einschränken, z. B. in der CMOS-Technik auf Materialien, die mit der CMOS-Technologie kompatibel sind.In the improvement of ICs, it has been found that with respect to energy storage capacitors of higher capacity are required to store more energy in the electrostatic field of the capacitor, while the demand for higher performance also requires faster charging / discharging in shorter time periods. Currently, the capacitance of MIS / MIM integrated planar capacitors is limited to 20 fF / μm 2 since the available chip area and available chip materials to be used as dielectrics in advanced capacitors dictate constraints. For example, from the available chip materials, particularly in the CMOS techniques due to impurity problems, conditions that limit the dielectrics used in MIS / MIM capacitors to materials, e.g. For example, in CMOS technology, materials that are compatible with CMOS technology.
Obwohl die Kapazität eines Kondensators im Allgemeinen durch ein Vergrößern seiner Oberfläche, Verkleinern des Abstands zwischen seinen Elektroden und Vergrößern der Dielektrizitätskonstante oder des k-Werts eines zwischen den Elektroden eines Kondensatoren angeordneten Dielektrikums vergrößert werden kann, führt dies im Allgemeinen zu einer Reihe von Problemen. In fortschrittlichen ICs ist z. B. die Verringerung des Abstands zwischen den Elektroden aufgrund des Auftretens von Leckströmen bei abnehmender Dicke des Dielektrikums nur begrenzt möglich.Although the capacitance of a capacitor can generally be increased by increasing its surface area, decreasing the distance between its electrodes, and increasing the dielectric constant or k-value of a dielectric disposed between the electrodes of a capacitor, this generally causes a number of problems. In advanced ICs is z. B. the reduction of the distance between the electrodes due to the occurrence of leakage currents with decreasing thickness of the dielectric only limited possible.
Weiterhin wird in gegenwärtigen Entwicklungen eine Vergrößerung der Elektrodenoberfläche durch sogenannte 3D-Kondensatoren in Betracht gezogen, in denen ein dichtes Netzwerk aus Poren in der Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet ist, wobei die Poren mit einem High-k-Dielektrikumsmaterial gefüllt werden, so dass höhere Kapazitätsdichten erhalten werden können. Auch hier führt eine Vergrößerung der Kapazität zu Problemen, die mit Bezug auf
Kondensatoren mit hohen Kapazitäten werden herkömmlicherweise auf oder in Chip-Interposers angeordnet. Da geeignete integrierte Kondensatoren, die hohe Kapazitäten aufweisen, nicht verfügbar sind, stellen gegenwärtig externe passive Komponenten die einzige gegenwärtig verfügbare Möglichkeit darstellen, die jedoch zusätzlichen Platz benötigen.Capacitors with high capacitances are conventionally arranged on or in chip interposers. Because suitable integrated capacitors that have high capacitances are not available, currently external passive components are the only currently available option, but require extra space.
Ferroelektrische Dielektrika wurden kürzlich hinsichtlich ferroelektrischer FETs (FeFETs) für nichtflüchtige Speicheranwendungen in Betracht gezogen. Die Schrift
Obwohl ferroelektrische und antiferroelektrische Dielektrika im Allgemeinen dafür bekannt sind, hohe Dielektrizitätskonstanten oder k-Werte aufzuweisen, treten bei der Anwendung von antiferroelektrischen Dielektrika neue Probleme auf, wenn konkrete Anwendungen in der fortgeschrittenen Halbleitertechnik in Betracht gezogen werden. Typische antiferroelektrische Filme weisen z. B. eine Dicke von einigen 100 nm auf und herkömmliche antiferroelektrische Materialien, wie Perowskit, z. B. PZT, BaTiO3 und SBT, sind nicht mit Umgebungen kompatibel, in denen komplexe Halbleitervorrichtungen gefertigt werden, da die Gefahr besteht, Verunreinigungen einzubringen, die letzlich in Halbleiterstellungseinheiten zu Ausbeuteverlusten führen würden.Although ferroelectric and antiferroelectric dielectrics are generally known to have high dielectric constants or k values, new problems arise in the application of antiferroelectric dielectrics when concrete applications in advanced semiconductor technology are considered. Typical antiferroelectric films have e.g. Example, a thickness of several 100 nm and conventional antiferroelectric materials such as perovskite, z. As PZT, BaTiO 3 and SBT are not compatible with environments in which complex semiconductor devices are manufactured, since there is a risk of introducing impurities that would ultimately lead to yield losses in semiconductor device units.
Angesichts der vorangehend erläuterten Situation ist es daher wünschenswert, integrierte Schaltungselemente und MIM/MIS-Kondensatoren mit hohen Kapazitäten bereitzustellen. Es ist weiterhin wünschenswert, ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Schaltungselements mit einer hohen Kapazität bereitzustellen.In view of the situation discussed above, it is therefore desirable to provide integrated circuit devices and high capacitance MIM / MIS capacitors. It is further desirable to provide a method of manufacturing a high capacity integrated circuit device.
Die Erfindung stellt integrierte Schaltungselemente und MIM/MIS-Kondensatoren mit hoher Kapazität und Verfahren zum Herstellen entsprechender integrierter Schaltungselemente und integrierter MIM/MIS-Kondensatoren bereit. In verschiedenen Aspekten wird ein Substrat bereitgestellt und eine Dielektrikumsschicht oder isolierende Schicht wird über dem Substrat gebildet. Weiterhin wird eine Elektrodenschicht über der Dielektrikumsschicht oder isolierenden Schicht angeordnet. Hierbei ist die Dielektrikumsschicht oder isolierende Schicht wenigstens teilweise in einer antiferroelektrischen Phase. In verschiedenen anschaulichen Ausführungsformen kann das integrierte Schaltungselement eine MOSFET-Struktur oder eine Kondensatorstruktur darstellen.The invention provides high performance integrated circuit devices and high capacity MIM / MIS capacitors and methods for fabricating corresponding integrated circuit devices and MIM / MIS integrated capacitors. In various aspects, a substrate is provided and becomes a dielectric layer or insulating layer formed over the substrate. Furthermore, an electrode layer is disposed over the dielectric layer or insulating layer. Here, the dielectric layer or insulating layer is at least partially in an antiferroelectric phase. In various illustrative embodiments, the integrated circuit element may be a MOSFET structure or a capacitor structure.
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein integriertes Schaltungselement bereitgestellt, wobei das integrierte Schaltungselement ein Substrat, eine über einer Oberfläche des Substrats angeordnete Dielektrikumsschicht und eine über der Dielektrikumsschicht angeordnete Elektrodenschicht umfasst, wobei die Dielektrikumsschicht in einer antiferroelektrischen Phase ist.In a first aspect of the invention, there is provided an integrated circuit element, wherein the integrated circuit element comprises a substrate, a dielectric layer disposed over a surface of the substrate, and an electrode layer disposed over the dielectric layer, wherein the dielectric layer is in an antiferroelectric phase.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein integrierter MIM/MIS-Kondensator bereitgestellt, wobei der integrierte MIM/MIS-Kondensator ein Halbleitersubstrat, eine untere Elektrode, die auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist, eine auf der unteren Elektrode gebildete isolierende Schicht und eine obere Elektrode aufweist, die auf der isolierenden Schicht gebildet ist, wobei die isolierende Schicht in einer antiferroelektrischen Phase ist. In einigen anschaulichen Beispielen hierin wird die untere Elektrode und/oder die obere Elektrode durch ein Metallmaterial gebildet, das z. B. TiN, TaN, Ru, Pt und/oder dergleichen umfasst.In a second aspect of the invention, there is provided an integrated MIM / MIS capacitor, wherein the MIM / MIS integrated capacitor comprises a semiconductor substrate, a lower electrode formed on the semiconductor substrate, an insulating layer formed on the lower electrode, and an upper electrode which is formed on the insulating layer, wherein the insulating layer is in an antiferroelectric phase. In some illustrative examples herein, the lower electrode and / or the upper electrode is formed by a metal material, e.g. TiN, TaN, Ru, Pt and / or the like.
In einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Schaltungselements bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Bereitstellen eines Substrats, ein Abscheiden einer amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht auf dem Substrat, ein Abscheiden einer Deckschicht auf der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht und ein Hervorrufen einer Kristallisierung in wenigstens einem Bereich der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht umfasst, wobei die kristallisierte High-k-Dielektrikumsmaterialschicht in einer antiferroelektrischen Phase ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen hierin kann die Kristallisierung vor der Abscheidung der Deckschicht hervorgerufen werden. In einigen alternativen Ausführungsformen hierin kann die Kristallisierung hervorgerufen werden, nachdem die Deckschicht auf der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht abgeschieden wurde.In a third aspect of the invention, there is provided a method of fabricating an integrated circuit device, the method comprising providing a substrate, depositing an amorphous high-k dielectric material layer on the substrate, depositing a capping layer on the amorphous high-k dielectric material layer, and inducing crystallization in at least a portion of the amorphous high-k dielectric material layer, wherein the crystallized high-k dielectric material layer is in an antiferroelectric phase. In some illustrative embodiments herein, the crystallization may be induced prior to the deposition of the overcoat. In some alternative embodiments herein, the crystallization may be caused after the capping layer has been deposited on the high-k amorphous dielectric material layer.
In einer anschaulichen Ausführungsform hierin wird ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten MIM/MIS-Kondensators bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Bereitstellen eines Substrats, ein Abscheiden einer amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht auf dem Substrat, ein Abscheiden einer Deckschicht auf der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht und ein Hervorrufen einer Kristallisierung in der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht umfasst, wobei die kristallisierte High-k-Dielektrikumsmaterialschicht in einer antiferroelektrischen Phase ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen hierin kann die Kristallisierung vor der Abscheidung der Deckschicht hervorgerufen werden. In einigen alternativen Ausführungsformen hierin kann die Kristallisierung hervorgerufen werden, nachdem die Deckschicht auf der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht abgeschieden wurde.In one illustrative embodiment herein, there is provided a method of making an MIM / MIS integrated capacitor, the method comprising providing a substrate, depositing an amorphous high-k dielectric material layer on the substrate, depositing a capping layer on the amorphous high-k Dielectric material layer and inducing crystallization in the high-k amorphous dielectric material layer, wherein the crystallized high-k dielectric material layer is in an antiferroelectric phase. In some illustrative embodiments herein, the crystallization may be induced prior to the deposition of the overcoat. In some alternative embodiments herein, the crystallization may be caused after the capping layer has been deposited on the high-k amorphous dielectric material layer.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen der obigen Aspekte umfasst die Dielektrikumsschicht HfaXbO2 mit a, b > 0, wobei X einen aus Zr und Si und Al und Ge und Mg und Ca und Sr und Ba und Ti und einem Seltenerdelement darstellt. In einem speziellen Beispiel wird etwa X durch Zr mit a < 0,5, b > 0,5 bereitgestellt. In einem alternativen speziellen Beispiel ist X etwa durch Si mit 0,88 < a < 0,95, 0,05 < b < 0,2 oder mit 0,88 < a < 0,95, 0,05 < b < 0,12 gegeben. In einem weiteren alternativen Beispiel wird X durch Al mit 0,88 < a < 0,95, 0,05 < b < 0,2 oder 0,88 < a < 0,95, 0,05 < b < 0,12 bereitgestellt.In some illustrative embodiments of the above aspects, the dielectric layer comprises Hf a X b O 2 with a, b> 0, where X represents one of Zr and Si and Al and Ge and Mg and Ca and Sr, and Ba and Ti and a rare earth element. In a specific example, about X is provided by Zr with a <0.5, b> 0.5. In an alternative specific example, X is approximately Si with 0.88 <a <0.95, 0.05 <b <0.2, or 0.88 <a <0.95, 0.05 <b <0, 12 given. In another alternative example, X is provided by Al at 0.88 <a <0.95, 0.05 <b <0.2 or 0.88 <a <0.95, 0.05 <b <0.12 ,
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen, und in welchen:The invention will be described below with reference to the accompanying figures, in which like reference numerals designate like elements, and in which:
Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen, die auf oder in einen Chip integriert sind, und Halbleitervorrichtungsstrukturen, die auf oder in einen Chip integriert sind, wobei die Vorrichtungen und/oder Vorrichtungsstrukturen als integrierte Schaltungselemente betrachtet werden, wie z. B. Metalloxidhalbleitervorrichtungen (MOS-Vorrichtungen) oder Kondensatoren, wie z. B. MIM/MIS-Kondensatoren.The present invention relates to semiconductor devices integrated on or into a chip and semiconductor device structures integrated on or into a chip, the devices and / or device structures being referred to as integrated circuit elements are considered, such. As metal oxide semiconductor devices (MOS devices) or capacitors, such as. B. MIM / MIS capacitors.
Der Begriff ”MOS-Vorrichtung” stellt keine Beschränkung auf ein Metall aufweisendes Gatematerial und/oder ein Oxid umfassendes Gatedielektrikumsmaterial dar.The term "MOS device" is not limited to metal-containing gate material and / or gate dielectric material comprising oxide.
Der Begriff ”MIM/MIS” stellt keine Beschränkung auf eine Metall aufweisende Elektrode dar.The term "MIM / MIS" is not limited to a metal-containing electrode.
Integrierte Schaltungselemente der Erfindung und insbesondere MOS-Vorrichtungen und/oder Kondensatoren, wie sie mittels einiger anschaulicher Ausführungsformen dargestellt werden, die hierin beschrieben sind, betreffen Elemente, die unter Verwendung fortschrittlicher Technologien hergestellt werden. Integrierte Schaltungselemente der Erfindung werden unter Verwendung von Technologien hergestellt, die zum Erreichen von Technologieknoten von weniger als 100 nm verwendet werden, beispielsweise von Technologieknoten kleiner als 50 nm oder kleiner als 35 nm. Es wird angemerkt, dass die Erfindung integrierte Schaltungselemente mit Strukturen minimaler Länge und/oder Breitendimensionen kleiner als 100 nm vorschlägt, beispielsweise minimale Dimensionen kleiner als 50 nm oder kleiner als 35 nm.Integrated circuit elements of the invention, and particularly MOS devices and / or capacitors, as illustrated by some illustrative embodiments described herein, relate to elements fabricated using advanced technologies. Integrated circuit elements of the invention are fabricated using technologies used to achieve technology nodes less than 100 nm, for example, technology nodes smaller than 50 nm or smaller than 35 nm. It is noted that the invention includes integrated circuit elements having structures of minimum length and / or width dimensions less than 100 nm, for example, minimum dimensions less than 50 nm or less than 35 nm.
Es wird angemerkt, dass MOS-Transistoren als P-Kanal-MOS-Transistoren oder PMOS-Transistoren und als N-Kanal-Transistoren oder NMOS-Transistoren hergestellt werden können, wobei jeder MOS-Transistor mit oder ohne beweglichkeitsverbessernde Verspannungsmerkmale oder verspannungsinduzierende Merkmale hergestellt werden kann. Ein Schaltungsdesigner kann verschiedenen Vorrichtungstypen mischen und abgleichen, beispielsweise unter Verwendung von PMOS- und NMOS-Transistoren, verspannt und unverspannt, um den Vorteil der besten Eigenschaften jedes Vorrichtungstyps zu nutzen, wie sie für die zu bildende Schaltung am Besten geeignet sind. Es wird angemerkt, dass Verspannung und Verformung im Allgemeinen hinsichtlich des Young-Moduls beschrieben werden können.It is noted that MOS transistors may be fabricated as P-channel MOS transistors or PMOS transistors and as N-channel transistors or NMOS transistors, each MOS transistor being made with or without mobility enhancing stress features or stress inducing features can. A circuit designer can mix and match different types of devices, such as using PMOS and NMOS transistors, clamped and unstrained, to take advantage of the best features of each type of device, as best suited to the circuit to be formed. It is noted that stress and strain can generally be described in terms of Young's modulus.
Mit Bezug auf die
Gemäß der Darstellung in
Der Schichtstapel
Die isolierende Schicht
In einigen speziellen anschaulichen Beispielen kann die isolierende Schicht
Die zweite Schicht
Es wird angemerkt, dass die ersten und zweiten Schichten
Im Folgenden wird ein anschauliches Beispiel beschrieben, das nicht als Beschränkung der Erfindung anzusehen ist, sondern einen anschaulichen Prozess darstellt.In the following, an illustrative example will be described, which is not to be regarded as limiting the invention, but represents an illustrative process.
Gemäß der dargestellten anschaulichen Ausführungsform wird ein ALD-Prozess durchgeführt, um die isolierende Schicht
Nach der Abscheidung der isolierenden Schicht
Nach der Bildung der isolierenden Schicht
In einigen anschaulichen Beispielen hierin kann die Dicke der isolierenden Schicht
In einigen anschaulichen Ausführungsformen hierin kann der thermische Ausheizprozess TAa vor der Bildung der zweiten Schicht
In anschaulichen Ausführungsformen, die ein Durchführen des thermischen Ausheizprozesses TAa vor der Bildung der zweiten Schicht
In anschaulichen Ausführungsformen, in denen die zweite Schicht
Andere anschauliche Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf
Der Schichtstapel
Der Schichtstapel
In der dargestellten Herstellungsphase des integrierten Schaltungselementes ICeb wird ein thermischer Ausheizprozess TAb durchgeführt, wie in
Es wird angemerkt, dass das integrierte Schaltungselement ICeb gemäß der Darstellung in
Elektrische Eigenschaften einiger anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf
Es wird angemerkt, dass die Dielektrizitätskonstante oder der k-Wert in dielektrischen Materialien in der antiferroelektrischen Phase höher ist als in paraelektrischen Materialien oder sogar in ferroelektrischen Materialien (wenigstens teilweise). In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann die Dielektrizitätskonstante, oder der k-Wert, gegenüber herkömmlichen High-k-Dielektrikumsmaterialien effektiv um bis zu 400% oder sogar mehr vergrößert werden, wie hierin beschrieben ist.It is noted that the dielectric constant or k-value in dielectric materials is higher in the antiferroelectric phase than in paraelectric materials or even in ferroelectric materials (at least in part). In some illustrative embodiments, the dielectric constant, or k value, may be effectively increased by up to 400% or even more over conventional high-k dielectric materials, as described herein.
Aufgrund des antiferroelektrischen Verhaltens des isolierenden Materials ist die Ladungsdichte im Fall von Kurve B bei kleiner Spannung sehr gering, während sie mit zunehmender Spannung gegenüber herkömmlichen Kondensatoren (vgl. Kurve A) sehr viel stärker zunimmt. Folglich kann eine hohe Ziellast von beispielsweise ungefähr 15 μC/cm2 schon bei vergleichsweise entlang des Kondensators abfallenden geringen Spannungen erreicht werden. Im dargestellten Beispiel kann eine entsprechend hohe Ladungsdichte schon bei ungefähr 2 V gegenüber den sehr viel höheren Spannungsabfällen in herkömmlichen Kondensatoren von 7 V erreicht werden.Due to the antiferroelectric behavior of the insulating material, the charge density in the case of curve B at low voltage is very low, while it increases much more with increasing voltage over conventional capacitors (see curve A). Consequently, a high target load of, for example, about 15 μC / cm 2 can already be achieved with comparatively low voltages falling along the capacitor. In the example shown, a correspondingly high charge density can already be achieved at approximately 2 V compared with the much higher voltage drops in conventional 7 V capacitors.
Die in
Kondensatoren der Erfindung können in integrierten Schaltungen als Puffer/Speicher/Boost-Kondensatoren eingesetzt werden. Demzufolge kann auf externe passive Komponenten verzichtet werden und es wird eine Kompaktifizierung bzw. Skalierung ermöglicht. Es wird angemerkt, dass es durch die Erfindung ermöglicht wird, Vorteile von antiferroelektrischen Dielektrika in CMOS-Techniken anzuwenden, ohne auf Materialien zurückgreifen zu müssen, die nicht mit dem CMOS-Prozessfluss kompatibel sind.Capacitors of the invention can be used in integrated circuits as buffer / memory / boost capacitors. As a result, external passive components can be dispensed with and compactification or scaling is made possible. It is noted that the invention makes it possible to apply advantages of antiferroelectric dielectrics in CMOS techniques without having to resort to materials incompatible with CMOS process flow.
Einige Aspekten der Erfindung betreffen ein integriertes Schaltungselement, wie es mit Bezug auf die
Die vorliegende Erfindung stellt in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein Verfahren zum Bilden eines integrierten Schaltungselements bereit, wobei das Verfahren ein Bereitstellen eines Substrats, ein Abscheiden einer amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht auf dem Substrat, ein Abscheiden einer Deckschicht auf der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht und ein Herrufen von wenigstens einer teilweisen Kristallisierung in der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht umfasst, wobei die wenigstens teilweise kristallisierte High-k-Dielektrikumsmaterialschicht in einer antiferroelektrischen Phase ist. In einigen speziellen anschaulichen Ausführungsformen hierin kann die Kristallisierung unter Durchführung eines Ausheizprozesses hervorgerufen werden, bei dem eine Ausheiztemperatur aus einem Bereich von 250°C bis 1100°C angewendet wird. In einigen alternativen Beispielen hierin kann der Ausheizprozess vor dem Abscheiden der Deckschicht durchgeführt werden. In einigen anderen anschaulichen Ausführungsformen kann die Deckschicht vor dem Hervorrufen der wenigstens teilweisen Kristallisierung abgeschieden werden und die Abscheidung der Deckschicht kann ein Durchführen eines Abscheidungsprozesses bei Prozesstemperaturen unterhalb der Kristallisierungstemperatur der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht umfassen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann die Abscheidung der Deckschicht ein Abscheiden einer TiN-Schicht unter Durchführung eines ALD-Prozesses bei 500°C umfassen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen können die Prozesstemperaturen unterhalb von 600°C sein. In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann die amorphe High-k-Dielektrikumsmaterialschicht Hf3XbO2 mit X eines aus Zr und Si und Al und Ge und Mg und Ca und Sr und Ba und Ti und Seltenerdenelementen umfassen, wobei a, b > 0. In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann die wenigstens teilweise Kristallisierung bei der Abscheidung der Deckschicht hervorgerufen werden. In anschaulichen Beispielen hierin kann die Abscheidung der Deckschicht ein Abscheiden einer TiN-Schicht unter Durchführung eines ALD-Prozesses bei ungefähr 500°C oder mehr umfassen.The present invention, in some illustrative embodiments, provides a method of forming an integrated circuit device, the method comprising providing a substrate, depositing an amorphous high-k dielectric material layer on the substrate, depositing a cap layer on the high-k amorphous dielectric material layer and a step of at least partially crystallizing in the amorphous high-k dielectric material layer, wherein the at least partially crystallized high-k dielectric material layer is in an antiferroelectric phase. In some specific illustrative embodiments herein, the crystallization may be effected by performing a bake process employing a bake temperature in the range of 250 ° C to 1100 ° C. In some alternative examples herein, the anneal process may be performed prior to deposition of the overcoat. In some other illustrative embodiments, the capping layer may be deposited prior to causing the at least partial crystallization, and the deposition of the capping layer may include performing a deposition process at process temperatures below the crystallization temperature of the high-k amorphous dielectric material layer. In some illustrative embodiments, the deposition of the capping layer may include depositing a TiN layer while performing an ALD process at 500 ° C. In some illustrative embodiments, the process temperatures may be below 600 ° C. In some illustrative embodiments, the high-k amorphous dielectric material layer may comprise Hf 3 X b O 2 with X of one of Zr and Si and Al and Ge and Mg and Ca and Sr and Ba and Ti and rare earth elements, where a, b> 0. In some illustrative embodiments, the at least partial crystallization may be induced in the deposition of the capping layer. In illustrative examples herein, the deposition of the capping layer may include depositing a TiN layer while performing an ALD process at about 500 ° C or more.
Es wird angemerkt, dass aufgrund des antiferroelektrischen Verhaltens des Gatedielektrikums unter Anlegen einer Spannung an die Gateelektrode die Dielektrizitätskonstante oder der k-Wert des Gatedielektrikums in Abhängigkeit von der Historie der Spannungsanwendung (Verlauf in der Hystereseschleife) eingestellt werden kann.It is noted that due to the antiferroelectric behavior of the gate dielectric under application of a voltage to the gate electrode, the dielectric constant or the k value of the gate dielectric may be adjusted depending on the history of the voltage application (hysteresis loop history).
Die Anwendung von High-k-Dielektrikumsmaterialien in MOSFET-Vorrichtungen kann aufgrund der nichtlinearen Kapazität-Spannungscharakteristik einen verbesserten Subthreshold-Slope bereitstellen. Es wird angemerkt, dass ein Gatedielektrikum in der antiferroelektrischen Phase idealerweise an HK/MG-Anwendungen angepasst ist.The use of high-k dielectric materials in MOSFET devices can provide an improved subthreshold slope due to the nonlinear capacitance-voltage characteristic. It is noted that a gate dielectric in the antiferroelectric phase is ideally adapted to HK / MG applications.
Insbesondere unter Verwendung von HfaXbO2 mit X ausgewählt aus Zr und Si und Al und Ge und anderen geeigneten zusätzlichen Dotierstoffen, kann, wie vorangehend beschrieben ist, in Entsprechung zu Prozesssequenzen zur Bildung fortschrittlicher integrierter Schaltungselemente leicht ein antiferroelektrisches Verhalten in den Prozessfluss zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen in HK/MG-Anwendungen eingebaut werden.In particular, using Hf a X b O 2 with X selected from Zr and Si and Al and Ge and other suitable additional dopants, as described above, corresponding to process sequences for forming advanced integrated circuit elements can easily exhibit antiferroelectric behavior in the process flow for manufacturing semiconductor devices in HK / MG applications.
In anderen Anwendungsgebieten kann die Erfindung 3D-Kondensatoren bereitstellen, in denen ein dichtes Netzwerk aus Poren in der Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet ist, wobei die Poren mit einem High-k-Dielektrikumsmaterial in der antiferroelektrischen Phase gefüllt sind. Entsprechende 3D-Kondensatoren können sehr hoch skaliert sein. Es wird angemerkt, dass z. B. unter Verwendung von HfaXbO2 gemäß der Beschreibung entsprechende 3D-Kondensatoren auf eine Art und Weise hergestellt werden können, die mit CMOS-Techniken kompatibel sind. Dies erlaubt Anwendungen von CMOS-Techniken, sowie Anwendungen von 3D-Kondensatoren in integrierten Schaltungen zusammen mit sehr hoch skalierten CMOS-Vorrichtungen.In other applications, the invention may provide 3D capacitors in which a dense network of pores is formed in the surface of a semiconductor substrate, the pores being filled with a high-k dielectric material in the antiferroelectric phase. Corresponding 3D capacitors can be scaled up very high. It is noted that z. For example, by using Hf a X b O 2 as described, corresponding 3D capacitors can be fabricated in a manner compatible with CMOS techniques. This allows applications of CMOS techniques as well as applications of 3D capacitors in integrated circuits along with very highly scaled CMOS devices.
In anderen Anwendungsgebieten können antiferroelektrische Kondensatoren als einzelne Elemente von elektronischen Schaltungen bereitgestellt werden. Diesbezüglich kann ein einziges Schaltungselement vorgesehen sein, wobei das Schaltungselement eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode und ein antiferroelektrisches Dielektrikumsmaterial umfasst, das zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist.In other applications, antiferroelectric capacitors may be provided as individual elements of electronic circuits. In this regard, a single circuit element may be provided wherein the circuit element comprises a first electrode and a second electrode and an antiferroelectric dielectric material disposed between the first and second electrodes.
Zusammendassend stellt die Erfindung integrierte Schaltungselemente und MIM/MIS-Kondensatoren mit hoher Kapazität und Verfahren zum Herstellen entsprechender integrierter Schaltungselemente und integrierter MIM/MIS-Kondensatoren bereit. In verschiedenen Aspekten wird ein Substrat und eine Dielektrikumsschicht oder isolierende Schicht über dem Substrat bereitgestellt. Ferner ist eine Elektrodenschicht über der Dielektrikumsschicht oder isolierenden Schicht angeordnet. Die Dielektrikumsschicht oder isolierende Schicht ist hierin in einer antiferroelektrischen Phase. In verschiedenen anschaulichen Ausführungsformen stellt das integrierte Schaltungselement eine MOSFET-Struktur oder eine Kondensatorstruktur dar.In summary, the invention provides integrated circuit devices and high capacity MIM / MIS capacitors and methods of fabricating corresponding integrated circuit devices and integrated MIM / MIS capacitors. In various aspects, a substrate and a dielectric layer or insulating layer are provided over the substrate. Further, an electrode layer is disposed over the dielectric layer or insulating layer. The dielectric layer or insulating layer herein is in an antiferroelectric phase. In various illustrative embodiments, the integrated circuit element is a MOSFET structure or a capacitor structure.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 8304823 B2 [0012] US 8304823 B2 [0012]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- S. Salahuddin et al., „Use of negative capacitance to provide voltage amplification for low power nanoscale devices”, Nanolett. 8, 405 (2008) [0005] S. Salahuddin et al., "Use of negative capacitance to provide voltage amplification for low power nanoscale devices", nanolett. 8, 405 (2008) [0005]
- Khan et al. mit dem Titel ”Ferroelectric Negative Capacitance MOSFET: Capacitance Tuning & Antiferroelectric Operation”, IEDM, 2011 [0005] Khan et al. entitled "Ferroelectric Negative Capacitance MOSFET: Capacitance Tuning & Antiferroelectric Operation", IEDM, 2011 [0005]
- Khan et al. [0005] Khan et al. [0005]
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