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 S. Salahuddin et al., „Use of negative capacitance to provide voltage amplification for low power nanoscale devices”, Nanolett. 8, 405 (2008) , wurde vorgeschlagen, das Gateoxid eines FETs durch ein ferroelektrisches isolierendes Material mit einer Dicke zu bilden, die kleiner ist als eine kritische Dicke, wodurch ein die Gatespannung verstärkender Stepup-Spannungswandler gebildet. Dieser Vorschlag basiert darauf, dass einem ferroelektrischen isolierenden Material mit einer Dicke kleiner als einer kritischen Dicke aufgrund einer internen positiven Rückkopplung theoretisch eine effektive negative Kapazität zugeschrieben werden kann, wodurch sich die Möglichkeit bietet, den Subthreshold-Swing zu verringern. In der Veröffentlichung von Khan et al. mit dem Titel ”Ferroelectric Negative Capacitance MOSFET: Capacitance Tuning & Antiferroelectric Operation”, IEDM, 2011 , wurde eine Entwurfsmethodologie ferroelektrischer FETs mit negativer Kapazität (NCFETs, ferroelectric negative capacitance) vorgestellt, wobei ein High-k-Gateoxid einer MOSFET-Vorrichtung mit einer darauf gebildeten ferroelektrischen Dielektrikumsschicht kombiniert wurde. Die Dicke des ferroelektrischen Materials wurde entsprechend ausgewählt, um eine negative Kapazität von ungefähr der gleichen Größenordnung zu ergeben, die die Kapazität in der MOSFET-Vorrichtung kompensiert, so dass die Stabilität des MOSFET mit negativer Kapazität (NCFET) verbessert und die sich ergebende Gatekapazität effektiv erhöht und ein Subthreshold-Swing von 60 mV/Dekade oder weniger ermöglicht wird. Zwischen der ferroelektrischen Dielektrikumsschicht und dem High-k-Gateoxid wurde ferner eine Metallschicht angeordnet, um die Ungleichförmigkeiten aufgrund von Domänenbildung im ferroelektrischen Dielektrikum auszumitteln. Insgesamt wurde von Khan et al. vorgeschlagen, die Hystereseschleife von NCFETs mit einer antiferroelektrischen Eigenschaft innerhalb des VDD-Fensters vorzugeben.In the publication of S. Salahuddin et al., "Use of negative capacitance to provide voltage amplification for low power nanoscale devices", nanolett. 8, 405 (2008) It has been proposed to form the gate oxide of a FET through a ferroelectric insulating material having a thickness smaller than a critical thickness, thereby forming a gate voltage boosting step-up voltage converter. This proposal is based on the theory that an effective negative capacitance can theoretically be attributed to a ferroelectric insulating material having a thickness less than a critical thickness due to internal positive feedback, thereby offering the possibility of reducing the subthreshold swing. In the publication of Khan et al. entitled "Ferroelectric Negative Capacitance MOSFET: Capacitance Tuning & Antiferroelectric Operation", IEDM, 2011 , a design methodology of ferroelectric negative-capacitance FETs (NCFETs) has been presented combining a high-k gate oxide of a MOSFET device with a ferroelectric dielectric layer formed thereon. The thickness of the ferroelectric material was appropriately selected to give a negative capacitance of about the same order of magnitude, which compensates for the capacitance in the MOSFET device, so that the stability of the negative capacitance (NCFET) MOSFET improves and the resulting gate capacitance becomes effective increased and a Subthreshold swing of 60 mV / decade or less is enabled. A metal layer was further disposed between the ferroelectric dielectric layer and the high-k gate oxide to average out the nonuniformities due to domain formation in the ferroelectric dielectric. In total was from Khan et al. proposed to specify the hysteresis loop of NCFETs with an antiferroelectric property within the VDD window.

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 1 nachfolgend beschrieben werden.Furthermore, in current developments, enlargement of the electrode surface is considered by so-called 3D capacitors, in which a dense network of pores is formed in the surface of a semiconductor substrate, wherein the pores are filled with a high-k dielectric material, so that higher capacitance densities can be obtained. Again, an increase in capacity leads to problems related to 1 described below.

1 stellt grafisch eine Beziehung zwischen der Ladung eines MIS/MIM-Kondensators (aufgetragen als Ordinate) und der an den Kondensator angelegten Spannung (aufgetragen als Abszisse) dar. Der MIS/MIM-Kondensator wurde gemäß herkömmlicher Techniken gebildet und durch die Erfinder ausgemessen. Wie in 1 dargestellt ist, erfordert im dargestellten Beispiel eine hohe Zielladung von beispielsweise 15 μC/cm2 einen hohen Spannungsabfall von 7 V entlang des Kondensators, was möglicherweise einen Durchbruch des Dielektrikums verursacht und folglich die Zuverlässigkeit der gesamten integrierten Schaltung mit dem Kondensator zu mindern droht. 1 Graphically illustrates a relationship between the charge of an MIS / MIM capacitor (plotted as ordinate) and the voltage applied to the capacitor (plotted as abscissa). The MIS / MIM capacitor was formed according to conventional techniques and measured by the inventors. As in 1 In the illustrated example, a high target charge of, for example, 15 μC / cm 2 requires a high voltage drop of 7V across the capacitor, potentially causing breakdown of the dielectric and consequently threatening to reduce the reliability of the entire integrated circuit with the capacitor.

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 US 8,304,823 B2 stellt einen Ansatz in dieser Richtung dar, gemäß dem die Verwendung von Hafnium und/oder Zirconium in ferroelektrischen Materialien in FeFETs als Gateoxid vorgeschlagen wurde.Ferroelectric dielectrics have recently been considered for ferroelectric FETs (FeFETs) for nonvolatile memory applications. The font US 8,304,823 B2 represents an approach in this direction, according to which the use of hafnium and / or zirconium in ferroelectric materials in FeFETs has been proposed as the gate oxide.

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:

1 schematisch eine grafische Beziehung zwischen Ladungsdichte und Spannung eines Kondensators darstellt, die durch die Erfinder gemessen wurde; 1 schematically illustrates a graphical relationship between charge density and voltage of a capacitor measured by the inventors;

2a2b schematisch in Querschnittsansichten integrierte Schaltungselemente während Herstellungsphasen gemäß anschaulicher Ausführungsformen der Erfindung darstellen; 2a - 2 B schematically illustrate in cross-sectional views integrated circuit elements during manufacturing phases according to illustrative embodiments of the invention;

3 schematisch eine grafische Beziehung zwischen einem ZrO2-Anteil im Verhältnis zu einem Precursor darstellt, um eine HfO2-ZrO2-Mischung bereitzustellen; 3 schematically illustrates a graphical relationship between a ZrO 2 content relative to a precursor to provide a HfO 2 -ZrO 2 mixture;

4 schematisch eine Hystereseschleife und eine Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante für unterschiedliche HfO2-ZrO2-Mischungen mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen der Oxide darstellt; und 4 schematically represents a hysteresis loop and a dependence of the dielectric constant for different HfO 2 -ZrO 2 mixtures with different mixing ratios of the oxides; and

5 schematisch eine grafische Beziehung zwischen Ladungsdichten auf Elektroden eines Kondensators gemäß der Erfindung und den zugehörigen Spannungen zwischen den Elektroden darstellt. 5 schematically illustrates a graphical relationship between charge densities on electrodes of a capacitor according to the invention and the associated voltages between the electrodes.

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 2a2b werden verschiedene anschauliche Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf integrierte Schaltungselemente in größerem Detail beschrieben. 2a zeigt ein integriertes Schaltungselement ICea in einer Herstellungsphase, in der ein Substrat 20a bereitgestellt ist. Ein Schichtstapel 25a ist über dem Substrat 20a gebildet, insbesondere über einer Oberfläche des Substrats 20a. Das Substrat 20a kann ein Halbleitermaterial umfassen, das aus Silizium, Germanium, Silizium/Germanium, Silizium/Kohlenstoff, Silizium/Germanium/Kohlenstoff, Galliumarsenid, Indiumarsenid, Indiumphosphat und anderen geeigneten Halbleitermaterialien ausgewählt ist. In einigen speziellen anschaulichen Ausführungsformen ist das Halbleitersubstrat aus Silizium gebildet. Es wird angemerkt, dass das Halbleitersubstrat 20a aus einer einkristallinen Siliziumschicht mit einer Oberflächenorientierung gebildet sein kann, so dass eine kristallografische Orientierung der Oberflächennormalen einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 20a eine hauptkristallografische Orientierung („major crystallographic orientation”) aufweist. Das Halbleitersubstrat 20a kann ein Vollsubstrat, ein Halbleiter-auf-Isolator(SOI)-Substrat oder ein Hybridsubstrat sein. Das Halbleitersubstrat 20a kann eine eingebaute Verspannung aufweisen, wobei dies jedoch keine Beschränkung der Erfindung darstellt. Das Halbleitersubstrat 20a kann dotiert sein, so dass darin ein oder mehrere Wannenbereiche gebildet sind. Alternativ ist das Halbleitersubstrat 20a in der in 2a dargestellten Herstellungsphase nicht dotiert.With reference to the 2a - 2 B Various illustrative embodiments of the invention with respect to integrated circuit elements will be described in greater detail. 2a shows an integrated circuit element ICea in a manufacturing stage, in which a substrate 20a is provided. A layer stack 25a is above the substrate 20a formed, in particular over a surface of the substrate 20a , The substrate 20a may comprise a semiconductor material selected from silicon, germanium, silicon / germanium, silicon / carbon, silicon / germanium / carbon, gallium arsenide, indium arsenide, indium phosphate, and other suitable semiconductor materials. In some specific illustrative embodiments, the semiconductor substrate is formed of silicon. It is noted that the semiconductor substrate 20a may be formed of a monocrystalline silicon layer having a surface orientation such that a crystallographic orientation of the surface normal of an upper surface of the semiconductor substrate 20a has a major crystallographic orientation. The semiconductor substrate 20a may be a bulk substrate, a semiconductor on insulator (SOI) substrate or a hybrid substrate. The semiconductor substrate 20a may have built-in stress, but this is not a limitation of the invention. The semiconductor substrate 20a may be doped to form one or more well regions therein. Alternatively, the semiconductor substrate 20a in the in 2a not shown doped production phase.

Gemäß der Darstellung in 2a kann eine dünne Dielektrikumschicht 21a auf dem Substrat 20a gebildet sein. In einer anschaulichen Ausführungsform ist die dünne Dielektrikumschicht 21a eine dünne Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von einigen Ångstrom bis einige Nanometer, wie z. B. mit einer Dicke von höchstens 3 nm. Dies stellt keine Beschränkung der Erfindung dar und es wird angemerkt, dass die dünne Dielektrikumschicht 21a in einigen alternativen Ausführungsformen nicht vorgesehen ist.As shown in 2a can be a thin dielectric layer 21a on the substrate 20a be formed. In one illustrative embodiment, the thin dielectric layer is 21a a thin silicon oxide layer having a thickness of a few angstroms to a few nanometers, such. This is not a limitation of the invention and it is noted that the thin dielectric layer 21a is not provided in some alternative embodiments.

Der Schichtstapel 25a ist über dem Substrat 20a gebildet, so dass wenigstens ein Oberflächenbereich des Substrats 20a bedeckt wird. Der Schichtstapel 25a umfasst eine erste Schicht 22a, eine isolierende Schicht 23a und eine zweite Schicht 24a. Die erste Schicht 22a ist über dem Substrat 20a angeordnet. Die isolierende Schicht 23a ist über der ersten Schicht 22a angeordnet. Die zweite Schicht 24a ist über der isolierenden Schicht 23a angeordnet. Die erste Schicht 22a kann eine Halbleitermaterial aufweisende Schicht und/oder eine Metall aufweisende Schicht umfassen. In einem ersten anschaulichen Beispiel ist die erste Schicht 22a eine untere Elektrodenschicht, die TiN, TaN, Ru, Pt und/oder dergleichen umfasst. in einem zweiten anschaulichen Beispiel ist die erste Schicht 22a eine Halbleiterschicht, beispielsweise eine Siliziumschicht oder eine Silizium aufweisende Schicht.The layer stack 25a is above the substrate 20a formed so that at least one surface area of the substrate 20a is covered. The layer stack 25a includes a first layer 22a , an insulating layer 23a and a second layer 24a , The first shift 22a is above the substrate 20a arranged. The insulating layer 23a is over the first layer 22a arranged. The second layer 24a is over the insulating layer 23a arranged. The first shift 22a may comprise a semiconductor material-containing layer and / or a metal-containing layer. In a first illustrative example, the first layer is 22a a lower electrode layer comprising TiN, TaN, Ru, Pt and / or the like. in a second illustrative example, the first layer is 22a a semiconductor layer, for example a silicon layer or a silicon-containing layer.

Die isolierende Schicht 23a kann Hafnium und/oder Zirconium und/oder ein oder mehrere Dotierstoffe aufweisen, wie z. B. Silizium und/oder Aluminium und/oder Germanium und/oder Magnesium und/oder Kalzium und/oder Strontium und/oder Barium und/oder Titan und/oder ein oder mehrere Seltenerdenelemente. Es wird angemerkt, dass in ein Hafnium aufweisendes Material zusätzliche Dotierstoffe eingebaut werden können, um die antiferroelektrische Phase hervorzurufen und/oder die Spannungsposition des lokalen Kapazitäts-/Polarisations-/k-Werte-Boosts einzustellen. In einigen anschaulichen Beispielen kann eine Konzentration von zusätzlichen Dotierstoffen im Bereich von 0,2 bis 30 mol% liegen, beispielsweise in einem Bereich von 0,5 bis 20 mol%. Die isolierende Schicht 23a kann auf der ersten Schicht 22a unter Durchführung eines Abscheidungsprozesses gebildet werden, wie z. B. durch einen ALD-Prozess oder einen CVD-Prozess oder einen PVD-Prozess. Die Dicke der isolierenden Schicht 23a kann in einem Bereich von 1 bis 100 nm liegen, beispielsweise in einem Bereich von 6 bis 60 nm.The insulating layer 23a may comprise hafnium and / or zirconium and / or one or more dopants, such as. As silicon and / or aluminum and / or germanium and / or magnesium and / or calcium and / or strontium and / or barium and / or titanium and / or one or more rare earth elements. It is noted that in hafnium-containing material, additional dopants may be incorporated to prevent the to cause antiferroelectric phase and / or to adjust the voltage position of the local capacitance / polarization / k-value boost. In some illustrative examples, a concentration of additional dopants may be in the range of 0.2 to 30 mol%, for example in a range of 0.5 to 20 mol%. The insulating layer 23a can on the first layer 22a are formed by performing a deposition process, such. By an ALD process or a CVD process or a PVD process. The thickness of the insulating layer 23a may be in a range of 1 to 100 nm, for example, in a range of 6 to 60 nm.

In einigen speziellen anschaulichen Beispielen kann die isolierende Schicht 23a aus einem HfaXbO2-Material gebildet sein, wobei X für Zr oder Si oder Al steht. In einem ersten expliziten Beispiel wird X durch Zr dargestellt und a ist kleiner als 0,5 und b ist größer als 0,5 (beispielsweise a < 0,3 und b > 0,7). In einem zweiten expliziten Beispiel wird X durch Si dargestellt und es gilt: 0,05 < b und/oder b < 0,2 und 0,88 < a und/oder a < 0,95. In einem anschaulichen Beispiel hierin liegt b weiter in einem Bereich, der durch 0,05 < b < 0,12 gegeben ist, und/oder für a gilt 0,88 < a < 0,95. In einem dritten expliziten Beispiel steht X für Al, wobei 0,05 < a < 0,12 und 0,88 < b < 0,95 ist. Es wird angemerkt, dass diese expliziten Beispiele die Erfindung nicht beschränken und lediglich zur Veranschaulichung dienen.In some specific illustrative examples, the insulating layer may 23a be formed from a Hf a X b O 2 material, wherein X is Zr or Si or Al. In a first explicit example, X is represented by Zr and a is less than 0.5 and b is greater than 0.5 (eg, a <0.3 and b> 0.7). In a second explicit example, X is represented by Si, and 0.05 <b and / or b <0.2 and 0.88 <a and / or a <0.95. In an illustrative example herein, b is further in a range given by 0.05 <b <0.12, and / or for a, 0.88 <a <0.95. In a third explicit example, X is Al, where 0.05 <a <0.12 and 0.88 <b <0.95. It is noted that these explicit examples do not limit the invention and are intended to be illustrative only.

Die zweite Schicht 24a kann ein Material umfassen, das aus einem Metallnitridmaterial und/oder einem Edelmetallmaterial und/oder deren entsprechenden Oxide dargestellt wird. In einem expliziten Beispiel weist die zweite Schicht TiN, TaN, Ru, Pt und/oder dergleichen auf. In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfasst die zweite Schicht eine Unterschicht, die TiN, TaN, Ru, Pt und/oder dergleichen umfasst. Die Dicke der zweiten Schicht 24a kann bis zu 30 nm betragen, beispielsweise bis zu 15 nm oder bis zu 10 nm. Abhängig von der Anwendung kann die zweite Schicht eine obere Elektrode oder eine Unterschicht einer Elektrodenschicht bilden, wie z. B. eine austrittsarbeitseinstellende Materialschicht einer Gateelektrode eines MOS-Transistors. In anschaulichen Beispielen eines MOS-Transistors kann ferner eine Gateelektrodenschicht (nicht dargestellt) über der zweiten Schicht 24a gebildet sein, wie z. B. eine Polysiliziumschicht. In Anwendungen bezüglich passiver Elemente, insbesondere Kondensatoren, kann die zweite Schicht 24a eine Elektrode darstellen und TiN oder andere geeignete Elektrodenmaterialien umfassen. Die zweite Schicht 24a kann beispielsweise eine Deckschicht sein, die durch TiN zur Einkapselung der isolierenden Schicht 23a gebildet wird, jedoch auch als Elektrode dienen kann.The second layer 24a may comprise a material that is represented by a metal nitride material and / or a noble metal material and / or their corresponding oxides. In an explicit example, the second layer comprises TiN, TaN, Ru, Pt and / or the like. In some illustrative embodiments, the second layer comprises an underlayer comprising TiN, TaN, Ru, Pt, and / or the like. The thickness of the second layer 24a may be up to 30 nm, for example, up to 15 nm or up to 10 nm. Depending on the application, the second layer may form an upper electrode or a lower layer of an electrode layer, such as an electrode. B. a work function setting material layer of a gate electrode of a MOS transistor. In illustrative examples of a MOS transistor, a gate electrode layer (not shown) may further be provided over the second layer 24a be formed, such. B. a polysilicon layer. In applications relating to passive elements, in particular capacitors, the second layer 24a represent an electrode and include TiN or other suitable electrode materials. The second layer 24a For example, it may be a capping layer formed by TiN for encapsulation of the insulating layer 23a is formed, but can also serve as an electrode.

Es wird angemerkt, dass die ersten und zweiten Schichten 22a, 24a und die isolierende Schicht 23a unter Durchführen von Abscheidungsprozessen, beispielsweise PVD- und/oder CVD- und/oder ALD-Prozesse gebildet werden können. Es wird angemerkt, dass geeignete Precursorsysteme zur Bildung der ersten und zweiten Schichten 22a, 24a und/oder der isolierenden Schicht 23a verwendet werden können.It is noted that the first and second layers 22a . 24a and the insulating layer 23a can be formed by performing deposition processes, for example, PVD and / or CVD and / or ALD processes. It is noted that suitable precursor systems for forming the first and second layers 22a . 24a and / or the insulating layer 23a can be used.

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 23a mit einer HfO2-ZrO2-Mischung („HfO2-ZrO2 solid solution”) vorzubereiten. In einem speziellen anschaulichen Beispiel hierin können die ALD-Abscheidungszyklen die Alkylamidprecursor TEMAH und TEMAZ umfassen. Es wird angemerkt, dass der ZrO2-Anteil durch ALD-Pulsierungsverhältnisse der verwendeten Alkylamidprecursor eingestellt werden kann. Aufgrund des näherungsweise ähnlichen Wachstums beider Precursor in jedem Abscheidungszyklus kann die Stöchiometrie durch das ALD-Zyklusverhältnis linear und beinahe direkt gesteuert werden. Diesbezüglich zeigt 3 anschauliche Zyklenverhältnisse, die verschiedene ZrO2-Anteile ergeben (gemessen in mol% und entlang der Abszisse aufgetragen). In einigen anschaulichen Ausführungsformen der Erfindung wird die isolierende Schicht 23a als eine amorphe Schicht gebildet.According to the illustrated illustrative embodiment, an ALD process is performed to form the insulating layer 23a prepare with a HfO 2 -ZrO 2 mixture ("HfO 2 -ZrO 2 solid solution"). In a specific illustrative example herein, the ALD deposition cycles may include the alkylamide precursors TEMAH and TEMAZ. It is noted that the ZrO 2 content can be adjusted by ALD pulsation ratios of the alkylamide precursors used. Due to the approximately similar growth of both precursors in each deposition cycle, the stoichiometry can be controlled linearly and almost directly by the ALD cycle ratio. In this regard shows 3 vivid cycle ratios giving different ZrO 2 contents (measured in mol% and plotted along the abscissa). In some illustrative embodiments of the invention, the insulating layer becomes 23a formed as an amorphous layer.

Nach der Abscheidung der isolierenden Schicht 23a wird ein die zweite Schicht bildendes Material auf der isolierenden Schicht 23a abgeschieden, um die zweite Schicht 24a zu bilden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird die zweite Schicht unter Durchführung eines Abscheidungsprozesses mit einer Abscheidungstemperatur unterhalb der Kristallisierungstemperatur der isolierenden Schicht 23a gebildet. Demzufolge wird die isolierende Schicht 23a als eine amorphe Schicht abgeschieden, die durch die zweite Schicht eingekapselt wird, während der amorphe Zustand der isolierenden Schicht 23a erhalten bleibt.After the deposition of the insulating layer 23a becomes a second layer forming material on the insulating layer 23a deposited to the second layer 24a to build. According to an exemplary embodiment, the second layer is subjected to a deposition process with a deposition temperature below the crystallization temperature of the insulating layer 23a educated. As a result, the insulating layer becomes 23a deposited as an amorphous layer, which is encapsulated by the second layer, while the amorphous state of the insulating layer 23a preserved.

Nach der Bildung der isolierenden Schicht 23a wird ein thermischer Ausheizprozess TAa durchgeführt, um eine Kristallisierung in wenigstens einem Bereich der isolierenden Schicht 23a hervorzurufen. Mögliche Ausheiztemperaturen können im Bereich von 250°C bis ungefähr 1200°C liegen. In einigen speziellen anschaulichen Beispielen hierin können die Ausheiztemperaturen in einem Bereich von 250°C bis 800°C oder in einem Bereich von 500°C bis 1100°C hegen. Es wird angemerkt, dass diese explizit offenbarten Beispiele die Erfindung nicht beschränken. Es wird angemerkt, dass die Ausheiztemperatur abhängig von der Dicke von wenigstens der isolierenden Schicht 23a und/oder von der Materialzusammensetzung von wenigstens der isolierenden Schicht 23a abhängen kann. Die Ausheiztemperatur kann z. B. abhängig von einem Hafniumanteil und/oder einem Zirconiumanteil und/oder Aluminiumanteil und/oder einem Siliziumanteil und/oder einem Germaniumanteil ausgewählt werden.After the formation of the insulating layer 23a For example, a thermal anneal process TAa is performed to crystallize in at least a portion of the insulating layer 23a cause. Possible bake temperatures may range from 250 ° C to about 1200 ° C. In some specific illustrative examples herein, the bake temperatures may range from 250 ° C to 800 ° C, or from 500 ° C to 1100 ° C. It is noted that these explicitly disclosed examples do not limit the invention. It is noted that the Baking temperature depending on the thickness of at least the insulating layer 23a and / or the material composition of at least the insulating layer 23a can depend. The baking temperature can z. B. depending on a hafnium content and / or a zirconium content and / or aluminum content and / or a silicon content and / or a germanium portion are selected.

In einigen anschaulichen Beispielen hierin kann die Dicke der isolierenden Schicht 23a in einem Bereich von 5 nm bis 15 nm liegen. In einem expliziten Beispiel mit einer isolierenden Schicht, die eine HfO-ZrO2-Zusammensetzung oder reines ZrO2 umfasst, kann der Prozess TAa implementiert sein, so dass ein thermisches Budget eine Ausheiztemperatur aus einem Bereich von 250°C bis 800°C umsetzt. In einem anderen expliziten Beispiel mit einer isolierenden Schicht, die Dotierstoffe aus Silizium und/oder Aluminium aufweist, kann der Prozess TAa implementiert sein, so dass ein thermisches Budget umgesetzt wird, welches eine Ausheiztemperatur in einem Bereich von 500°C bis 1100°C vorsieht. Hinsichtlich eines isolierenden Materials mit einer Dotierstoffkonzentration von Silizium von ungefähr 6% kann beispielsweise die Ausheiztemperatur wenigstens 550°C betragen, während eine Ausheiztemperatur von wenigstens 550°C für eine Aluminiumdotierstoffkonzentration von ungefähr 7% vorgesehen ist. Es wird angemerkt, dass die Kristallisierung im Allgemeinen vom Material und der Materialzusammensetzung der isolierenden Schicht 23a abhängen kann. Demzufolge kann der ICea gemäß der Darstellung in 2a derart gebildet sein, dass er in dieser Herstellungsphase eine isolierende Schicht 23a aufweist, die wenigstens teilweise in der antiferroelektrischen Phase ist.In some illustrative examples herein, the thickness of the insulating layer 23a in a range of 5 nm to 15 nm. In an explicit example with an insulating layer comprising an HfO-ZrO 2 composition or pure ZrO 2 , the process TAa may be implemented so that a thermal budget translates a bake temperature from a range of 250 ° C to 800 ° C. In another explicit example with an insulating layer comprising dopants of silicon and / or aluminum, the process TAa may be implemented so that a thermal budget is implemented which provides a bake temperature in a range of 500 ° C to 1100 ° C , For example, with respect to an insulating material having a dopant concentration of silicon of about 6%, the bake temperature may be at least 550 ° C while a bake temperature of at least 550 ° C is provided for an aluminum dopant concentration of about 7%. It is noted that crystallization generally depends on the material and material composition of the insulating layer 23a can depend. Consequently, the ICea as shown in FIG 2a be formed such that it in this production phase an insulating layer 23a which is at least partially in the antiferroelectric phase.

In einigen anschaulichen Ausführungsformen hierin kann der thermische Ausheizprozess TAa vor der Bildung der zweiten Schicht 24a auf der isolierenden Schicht 23a durchgeführt werden. Alternativ wird der thermische Ausheizprozess TAa durchgeführt, nachdem die zweite Schicht 24a auf der isolierenden Schicht 23a gebildet wurde. Es wird angemerkt, dass der thermische Ausheizprozess TAa in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein schneller thermischer Ausheizprozess (RTA, „rapid thermal anneal”) sein kann.In some illustrative embodiments herein, the thermal anneal process TAa may precede the formation of the second layer 24a on the insulating layer 23a be performed. Alternatively, the thermal anneal process TAa is performed after the second layer 24a on the insulating layer 23a was formed. It is noted that in some illustrative embodiments, the thermal anneal process TAa may be a rapid thermal anneal (RTA) process.

In anschaulichen Ausführungsformen, die ein Durchführen des thermischen Ausheizprozesses TAa vor der Bildung der zweiten Schicht 24a auf der isolierenden Schicht 23a vorsehen, kann das thermische Budget des thermischen Ausheizprozesses TAa leicht über der Kristallisierungstemperatur liegen, die abhängig von optionalen Dotierstoffen und/oder Dotierkonzentrationen und/oder Schichtdicken ausgewählt sein kann.In illustrative embodiments, performing the thermal anneal process TAa prior to formation of the second layer 24a on the insulating layer 23a can provide, the thermal budget of the thermal annealing process TAa may be slightly above the crystallization temperature, which may be selected depending on optional dopants and / or doping concentrations and / or layer thicknesses.

In anschaulichen Ausführungsformen, in denen die zweite Schicht 24a auf der isolierenden Schicht 23a vor einer Durchführung des thermischen Ausheizprozesses TAa gebildet wird, kann das thermische Budget eines Prozesses, der zur Bildung der zweiten Schicht 24a durchgeführt wird, leicht über der Kristallisierungstemperatur liegen, die abhängig von optionalen Dotierstoffen und/oder Dotierstoffkonzentrationen und/oder Schichtdicken eingestellt ist.In illustrative embodiments, in which the second layer 24a on the insulating layer 23a is formed before performing the thermal annealing process TAa, the thermal budget of a process leading to the formation of the second layer 24a is slightly above the crystallization temperature, which is adjusted depending on optional dopants and / or dopant concentrations and / or layer thicknesses.

Andere anschauliche Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf 2b beschrieben. 2b zeigt ein integriertes Schaltungselement ICeb in einer Herstellungsphase, in der ein Substrat 20b bereitgestellt ist. Ein Schichtstapel 25b wird über dem Substrat 20b gebildet, insbesondere über einer Oberfläche des Substrats 20b. Das Substrat 20b kann im Wesentlichen analog zum Substrat 20a bereitgestellt werden, das vorangehend mit Bezug auf 2a beschrieben wurde.Other illustrative embodiments of the invention will be described with reference to FIG 2 B described. 2 B shows an integrated circuit element ICeb in a manufacturing stage, in which a substrate 20b is provided. A layer stack 25b is above the substrate 20b formed, in particular over a surface of the substrate 20b , The substrate 20b can be essentially analogous to the substrate 20a provided above with reference to FIG 2a has been described.

Der Schichtstapel 25b umfasst gemäß der Darstellung in 2b eine erste Schicht 22b und eine zweite Schicht 23b. In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann die erste Schicht 22b der ersten Schicht 22a entsprechen, die vorangehend mit Bezug auf 2a beschrieben ist. Die zweite Schicht 23b kann eine isolierende Materialschicht gemäß der isolierenden Schicht 23a darstellen, die vorangehend mit Bezug auf 2a beschrieben ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen stellt die erste Schicht 22b eine isolierende Materialschicht gemäß der isolierenden Schicht 23a dar, wie vorangehend mit Bezug auf 2a oben beschrieben ist, wobei die zweite Schicht 23b gemäß der in 2b dargestellten Herstellungsphase nicht vorgesehen ist.The layer stack 25b includes as shown in 2 B a first layer 22b and a second layer 23b , In some illustrative embodiments, the first layer 22b the first layer 22a correspond to the above with reference to 2a is described. The second layer 23b may be an insulating material layer according to the insulating layer 23a with reference to FIG 2a is described. In other illustrative embodiments, the first layer provides 22b an insulating material layer according to the insulating layer 23a as previously described with reference to 2a described above, wherein the second layer 23b according to the in 2 B production phase is not provided.

Der Schichtstapel 25b kann in Entsprechung zu Prozessen gebildet werden, wie vorangehend bezüglich des Schichtstapels 25a beschrieben wurde.The layer stack 25b may be formed in correspondence to processes as described above with respect to the layer stack 25a has been described.

In der dargestellten Herstellungsphase des integrierten Schaltungselementes ICeb wird ein thermischer Ausheizprozess TAb durchgeführt, wie in 2b dargestellt ist. Der thermische Ausheizprozess TAb kann gemäß der vorangehenden Beschreibung durchgeführt werden, wie hinsichtlich des Ausheizprozesses TAa erläutert wurde. Insbesondere kann der Ausheizprozess TAb in Analogie zu dem vorangehend beschriebenen Ausheizprozess TAa ausgebildet sein.In the illustrated manufacturing stage of the integrated circuit element ICeb, a thermal baking process TAb is performed, as in FIG 2 B is shown. The thermal baking process TAb may be performed as described above with respect to the baking process TAa. In particular, the baking process TAb can be designed analogously to the previously described baking process TAa.

Es wird angemerkt, dass das integrierte Schaltungselement ICeb gemäß der Darstellung in 2b ein Transistorelement in einer frühen Herstellungsphase oder einen Kondensator in einer frühen Herstellungsphase darstellt. Obwohl in 2b nicht dargestellt, kann eine kleine Schicht (nicht dargestellt) optional zwischen der ersten Schicht 22b und dem Substrat 20b angeordnet sein. Die optionale kleine Schicht (nicht dargestellt) kann ein Oxidliner sein oder einen Germaniumkanal darstellen.It is noted that the integrated circuit element ICeb as shown in FIG 2 B represents a transistor element in an early manufacturing stage or a capacitor in an early manufacturing stage. Although in 2 B not shown, a small layer (not shown) may optionally be between the first layer 22b and the substrate 20b be arranged. The optional small layer (not shown) may be an oxide liner or a germanium channel.

Elektrische Eigenschaften einiger anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf 4 in größerem Detail erläutert. Die folgende Diskussion dient zur Beschreibung anschaulicher Ausführungsformen und stellt keine Beschränkung der Erfindung dar.Electrical properties of some illustrative embodiments of the present invention will be described with reference to FIG 4 explained in more detail. The following discussion serves to describe illustrative embodiments and does not limit the invention.

4 zeigt grafisch Hystereseschleifen, die eine isolierende Schicht mit einem HfO2-ZrO2-Mischungsverhältnis von ungefähr 70 mol% ZrO2 und 100 mol% ZrO2 darstellen. Bei Erhöhung des Anteils von ZrO2 zu 100 mol% nehmen die remanente Polarisation (die Ordinate stellt die Polarisation P in Einheiten von μC/cm2 dar) und die Koerzitivfeldstärke (die Abszisse stellt das angelegte elektrische Feld in Einheiten von MV/cm dar) auf ungefähr 0 ab. Trotz der Abnahme der Koerzitivfeldstärke und der Remanenzpolarisation zeigt die in 4 dargestellte Schleife ein nichtlineares Verhalten, das zwei lokale Maxima in der relativen Dielektrizitätskonstante (εr in der grafischen Darstellung unter den Hystereseschleifen) aufweist. Es wird angemerkt, dass die relative Dielektrizitätskonstante mit der Steigung der Hystereseschleife dP/dE („E” bedeutet hier „elektrische Feldstärke”) zusammenhängt. Dieses besondere Verhalten wird im Allgemeinen gegenüber ”ferroelektrisch” als ”antiferroelektrisch” bezeichnet, wobei die Bezeichnung in Analogie zu den entsprechenden magnetischen Gegenstücken ”antiferromagnetisch” und ”ferromagnetisch” gewählt ist. Im Gegensatz dazu zeigt ein paraelektrisches Medium eine grundsätzliche lineare Abhängigkeit der Polarisation von dem angelegten elektrischen Feld ohne Remanzpolarisation. 4 Fig. 10 graphically shows hysteresis loops which are an insulating layer having an HfO 2 -ZrO 2 mixture ratio of about 70 mol% ZrO 2 and 100 mol% ZrO 2 . Increasing the proportion of ZrO 2 to 100 mol% decreases the remanent polarization (the ordinate represents the polarization P in units of μC / cm 2 ) and the coercive force (the abscissa represents the applied electric field in units of MV / cm). to about 0. Despite the decrease of the coercive field strength and the remanence polarization the in 4 illustrated loop a nonlinear behavior that has two local maxima in the relative dielectric constant (ε r in the graph under the hysteresis loops). It is noted that the relative dielectric constant is related to the slope of the hysteresis loop dP / dE ("E" here means "electric field strength"). This particular behavior is generally referred to as "ferroelectric" as "antiferroelectric", which term is selected to be "antiferromagnetic" and "ferromagnetic" in analogy to the corresponding magnetic counterparts. In contrast, a paraelectric medium exhibits a fundamental linear dependence of the polarization on the applied electric field without remanent polarization.

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.

5 stellt grafisch eine Beziehung zwischen der Ladungsdichte auf den Elektroden eines Kondensators und der entsprechenden an den Elektroden abfallenden Spannung dar. Insbesondere stellt eine Kurve A in 5 eine Ladungs-Spannungsbeziehung dar, die für herkömmliche Kondensatoren zu erwarten ist, wie beispielsweise mit Bezug auf 1 oben beschrieben wurde. Demgegenüber stellt eine Kurve B eine Ladungs-Spannungsbeziehung in Kondensatoren dar, die erfindungsgemäß ein isolierendes Material in der antiferroelektrischen Phase umfassen. 5 Graphically illustrates a relationship between the charge density on the electrodes of a capacitor and the corresponding voltage drop across the electrodes. In particular, a curve A in FIG 5 a charge-voltage relationship expected for conventional capacitors, as for example with reference to FIG 1 has been described above. On the other hand, a curve B represents a charge-voltage relationship in capacitors comprising, according to the invention, an insulating material in the antiferroelectric phase.

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 5 dargestellten beispielhaften Kurven wurden durch Vorbereiten einer Probe mit einer isolierenden Schicht erhalten, die mit HfO2 dotiert ist und die antiferroelektrische Phase aufweist, wobei diese Schicht eine Dicke von 10 nm aufweist (vgl. Kurve B), während Kurve A eine Probe mit einer herkömmlichen isolierenden Schicht aus HfO2 in der paraelektrischen Phase bei einer Dicke von 10 nm aufweist. Das vorliegende Beispiel zeigt, dass Kondensatoren der Erfindung eine größere Menge an Ladung bei entlang des Kondensators abfallenden relativ niedrigen Spannungen speichern können, wodurch das Risiko eines Durchbruchs des Dielektrikums aufgrund hoher Spannungsabfälle gegenüber herkömmlichen Kondensatoren vermieden wird.In the 5 The exemplary curves shown were obtained by preparing a sample with an insulating layer doped with HfO 2 and having the antiferroelectric phase, this layer having a thickness of 10 nm (see curve B), while curve A is a sample with a conventional one has insulating layer of HfO 2 in the paraelectric phase at a thickness of 10 nm. The present example demonstrates that capacitors of the invention can store a greater amount of charge with relatively low voltages across the capacitor, thereby avoiding the risk of dielectric breakdown due to high voltage drops over conventional capacitors.

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 2a2b oben beschrieben ist, gemäß einem passiven Schaltungselement vom Kondensatortyp. In anderen Aspekten der Erfindung wird mit Bezug auf die 2a und 2b ein integriertes Schaltungselement vom MOSFET-Typ offenbart. In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann gemäß der Darstellung in den 2a und 2b eine Deckschicht zwischen einer isolierenden Schicht und einer Elektrodenschicht angeordnet sein. Die Deckschicht kann beispielsweise TiN und/oder TiAN und/oder Ru und/oder Pt umfassen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann zwischen dem Substrat und der Dielektrikumsschicht eine Siliziumoxidschicht gebildet sein und die Deckschicht kann z. B. TiN umfassen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann die zweite Schicht durch eine Deckschicht gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Schicht durch eine Deckschicht bereitgestellt werden. Demzufolge kann die isolierende Schicht zuverlässig eingekapselt werden.Some aspects of the invention relate to an integrated circuit element as described with reference to FIGS 2a - 2 B above, according to a capacitor type passive circuit element. In other aspects of the invention, with reference to FIGS 2a and 2 B discloses a MOSFET-type integrated circuit element. In some illustrative embodiments, as shown in FIGS 2a and 2 B a cover layer may be disposed between an insulating layer and an electrode layer. The cover layer may comprise, for example, TiN and / or TiAN and / or Ru and / or Pt. In some illustrative embodiments, a silicon oxide layer may be formed between the substrate and the dielectric layer and the cap layer may be, e.g. B. TiN include. In some illustrative embodiments, the second layer may be formed by a cover layer. Alternatively or additionally, the first layer can be provided by a cover layer. As a result, the insulating layer can be reliably encapsulated.

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

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  • 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]

Claims (20)

Integriertes Schaltungselement (ICea, ICeb), umfassend: ein Substrat (20a, 20b); eine Dielektrikumsschicht (23a, 22b), die über einer Oberfläche des Substrats (20a, 20b) gebildet ist; und eine Elektrodenschicht (24a, 24b), die über der Dielektrikumsschicht (23a, 22b) gebildet ist, wobei die Dielektrikumsschicht (23a, 22b) wenigstens teilweise in einer antiferroelektrischen Phase ist.Integrated circuit element (ICea, ICeb), comprising: a substrate ( 20a . 20b ); a dielectric layer ( 23a . 22b ) overlying a surface of the substrate ( 20a . 20b ) is formed; and an electrode layer ( 24a . 24b ) above the dielectric layer ( 23a . 22b ), wherein the dielectric layer ( 23a . 22b ) is at least partially in an antiferroelectric phase. Integriertes Schaltungselement (ICea, ICeb) nach Anspruch 1, wobei die Dielektrikumsschicht (23a, 22b) HfaXbO2 mit a, b > 0 umfasst, wobei X einen aus Zr und Si und Al und Ge und Mg und Ca und Sr und Ba und Ti und Seltenerdenelemente darstellt.Integrated circuit element (ICea, ICeb) according to claim 1, wherein the dielectric layer ( 23a . 22b ) 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 rare earth elements. Integriertes Schaltungselement (ICea, ICeb) nach Anspruch 2, wobei X durch Zr und a < 0,5, b > 0,5 bereitgestellt wird.The integrated circuit element (ICea, ICeb) of claim 2, wherein X is provided by Zr and a <0.5, b> 0.5. Integriertes Schaltungselement (ICea, ICeb) nach Anspruch 2, wobei X durch Si und 0,88 < a < 0,95, 0,05 < b < 0,2 bereitgestellt wird.The integrated circuit element (ICea, ICeb) of claim 2, wherein X is provided by Si and 0.88 <a <0.95, 0.05 <b <0.2. Integriertes Schaltungselement (ICea, ICeb) nach Anspruch 2, wobei X durch Al und 0,88 < a < 0,95, 0,05 < b < 0,2 bereitgestellt wird.The integrated circuit device (ICea, ICeb) of claim 2, wherein X is provided by Al and 0.88 <a <0.95, 0.05 <b <0.2. Integriertes Schaltungselement (ICea, ICeb) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend eine Deckschicht, die zwischen der Dielektrikumsschicht (23a, 22b) und der Elektrodenschicht (24a, 23b) angeordnet ist.An integrated circuit element (ICea, ICeb) according to any one of claims 1 to 5, further comprising a cover layer disposed between the dielectric layer (12). 23a . 22b ) and the electrode layer ( 24a . 23b ) is arranged. Integriertes Schaltungselement (ICea, ICeb) nach Anspruch 6, wobei die Deckschicht TiN und/oder TaN und/oder Ru und/oder Pt umfasst.Integrated circuit element (ICea, ICeb) according to claim 6, wherein the cover layer comprises TiN and / or TaN and / or Ru and / or Pt. Integriertes Schaltungselement (ICea, ICeb) nach Anspruch 7, wobei die Elektrodenschicht (24a, 23b) Silizium umfasst.Integrated circuit element (ICea, ICeb) according to claim 7, wherein the electrode layer ( 24a . 23b ) Silicon. Integriertes Schaltungselement (ICea) nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend eine Siliziumoxidmaterial aufweisende Schicht (21a), die zwischen der Dielektrikumsschicht (22a) und dem Substrat (20a) angeordnet ist.An integrated circuit device (ICea) according to claim 7 or 8, further comprising a silicon oxide material-containing layer (FIG. 21a ) between the dielectric layer ( 22a ) and the substrate ( 20a ) is arranged. Integriertes Schaltungselement (ICea, ICeb) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Elektrodenschicht (24a, 23b) ein Metallnitridmaterial und/oder ein Edelmetallmaterial und/oder deren entsprechende Oxide umfasst.Integrated circuit element (ICea, ICeb) according to one of claims 1 to 9, wherein the electrode layer ( 24a . 23b ) comprises a metal nitride material and / or a noble metal material and / or their corresponding oxides. Integriertes Schaltungselement (ICea) nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Deckschicht (21a), die zwischen dem Substrat (20a) und der Dielektrikumsschicht (23a) angeordnet ist.The integrated circuit element (ICea) of claim 10 further comprising a cover layer (12). 21a ) between the substrate ( 20a ) and the dielectric layer ( 23a ) is arranged. Integriertes Schaltungselement (ICea) nach Anspruch 11, wobei die Deckschicht (21a) ein Metallnitridmaterial und ein Edelmetall und/oder deren entsprechende Oxide umfasst.Integrated circuit element (ICea) according to claim 11, wherein the cover layer ( 21a ) comprises a metal nitride material and a noble metal and / or their corresponding oxides. Integrierter Kondensator (ICeb, ICea), umfassend: ein Halbleitersubstrat (20a, 20b); eine isolierende Schicht (22b, 23a); und eine obere Elektrodenschicht (24a, 23b), die über dem Substrat (20a, 20b) gebildet ist; wobei die isolierende Schicht (23a, 22b) wenigstens teilweise in einer antiferroelektrischen Phase ist.Integrated capacitor (ICeb, ICea), comprising: a semiconductor substrate ( 20a . 20b ); an insulating layer ( 22b . 23a ); and an upper electrode layer ( 24a . 23b ) above the substrate ( 20a . 20b ) is formed; the insulating layer ( 23a . 22b ) is at least partially in an antiferroelectric phase. Integrierter Kondensator (ICea, ICeb) nach Anspruch 13, wobei die isolierende Schicht (23a, 22b) HfaXbO2 mit a, b > 0 umfasst, wobei X durch Zr oder Si oder Al oder Ge oder Mg oder Ca oder Sr oder Ba oder Ti oder einem Seltenerdenelement bereitgestellt wird.An integrated capacitor (ICea, ICeb) according to claim 13, wherein the insulating layer ( 23a . 22b ) Hf a X b O 2 with a, b> 0, wherein X is provided by Zr or Si or Al or Ge or Mg or Ca or Sr or Ba or Ti or a rare earth element. Integrierter Kondensator (ICeb, ICea) nach Anspruch 14, wobei X durch Zr und a < 0,5, b > 0,5 bereitgestellt wird.The integrated capacitor (ICeb, ICea) of claim 14, wherein X is provided by Zr and a <0.5, b> 0.5. Integrierter Kondensator (ICea) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, ferner umfassend eine untere Elektrodenschicht (22a), die auf dem Halbleitersubstrat (20a) gebildet ist, und wobei die isolierende Schicht (23a) auf der unteren Elektrodenschicht (22a) gebildet ist.An integrated capacitor (ICea) according to any one of claims 13 to 15, further comprising a bottom electrode layer (12). 22a ) on the semiconductor substrate ( 20a ), and wherein the insulating layer ( 23a ) on the lower electrode layer ( 22a ) is formed. Integrierter Kondensator (ICeb) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das Substrat (20b) zur Bildung einer unteren Elektrode des integrierten Kondensators dotiert ist.Integrated capacitor (ICeb) according to one of Claims 13 to 16, in which the substrate ( 20b ) is doped to form a lower electrode of the integrated capacitor. Integrierter Kondensator (ICeb) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der integrierte Kondensator ein Puffer- oder Speicher- oder Boost-Kondensator in einer integrierten Schaltung ist.The integrated capacitor (ICeb) of any one of claims 13 to 17, wherein the integrated capacitor is a buffer or memory or boost capacitor in an integrated circuit. Verfahren zum Bilden eines integrierten Schaltungselements (ICea, ICeb), umfassend: Bereitstellen eines Substrats (20a, 20b); Abscheiden einer amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht (23a, 22b) auf dem Substrat (20a, 20b); Abscheiden einer Deckschicht (24a, 23b) auf der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht (23a, 22b); und Hervorrufen von wenigstens einer teilweisen Kristallisierung in der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht (23a, 22b), wobei wenigstens die teilweise kristallisierte High-k-Dielektrikumsmaterialschicht (23a, 22b) in einer antiferroelektrischen Phase ist.A method of forming an integrated circuit device (ICea, ICeb) comprising: providing a substrate ( 20a . 20b ); Depositing an amorphous high-k dielectric material layer ( 23a . 22b ) on the substrate ( 20a . 20b ); Depositing a cover layer ( 24a . 23b ) on the amorphous high-k dielectric material layer ( 23a . 22b ); and causing at least partial crystallization in the high-k amorphous dielectric material layer ( 23a . 22b ), wherein at least the partially crystallized high-k dielectric material layer ( 23a . 22b ) in an antiferroelectric phase. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Deckschicht (24a, 23b) vor dem Hervorrufen der wenigstens teilweisen Kristallisierung abgeschieden wird und die Abscheidung der Deckschicht (24a, 23b) ein Durchführen eines Abscheidungsprozesses bei Prozesstemperaturen umfasst, die unterhalb der Kristallisierungstemperatur der amorphen High-k-Dielektrikumsmaterialschicht (24a, 23b) sind.A method according to claim 19, wherein the cover layer ( 24a . 23b ) is deposited prior to causing the at least partial crystallization and the deposition of the cover layer ( 24a . 23b ) comprises performing a deposition process at process temperatures below the crystallization temperature of the high-k amorphous dielectric material layer ( 24a . 23b ) are.
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