DE102018213050A1

DE102018213050A1 - Spannungskontrollierbarer Kondensator und Verfahren zum Herstellen eines spannungskontrollierbaren Kondensators

Info

Publication number: DE102018213050A1
Application number: DE102018213050.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kämpfe; Patrick Polakowski; Konrad Seidel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2020-02-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen spannungskontrollierbaren Kondensator mit einem Substrat (5), das mindestens eine gegenüber einer Oberfläche (7) des Substrats (5) vertieft ausgebildete Struktur aufweist. Auf der Oberfläche (7) des Substrats (5) und der Struktur (6) ist eine erste Elektrodenschicht (4) aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff ausgebildet und auf der ersten Elektrodenschicht (4) eine ferroelektrische Schicht (3) abgeschieden, die eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die Dicke der ersten Elektrodenschicht (4). Auf der ferroelektrischen Schicht (3) ist eine zweite Elektrodenschicht (2) aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen spannungskontrollierbaren Kondensator und ein Verfahren zum Herstellen eines spannungskontrollierbaren Kondensators.
Ferroelektrische Kondensatoren mit ferroelektrischen Werkstoffen (beispielsweise Strontium-Barium-Titanat (SBT) und Blei-Zirkonium-Titanat (PZT)) lassen sich bisher nicht in einen CMOS-Prozess (complementary metal-oxidesemiconductor) integrieren. Diese Kondensatoren können daher nicht skaliert bzw. hochdicht hergestellt werden. Durch die Anforderungen in Bezug auf die Homogenität einer Kristallphase konventioneller Ferrolektrika und werkstoffbedingter geringer Koerzitivfelder lassen sich keine Kondensatoren mit einer Schichtdicke unterhalb von 50 nm herstellen, was eine dreidimensionale Strukturierung nicht ermöglicht. Die genannten technischen Probleme schließen zusätzlich einen monolithischen CMOS-Aufbau und die Verbindung von weiteren Bauelementen in hochskalierten Technologien aus.
Ferroelektrische Kondensatoren zeichnen sich als spannungsveränderliche Kondensatoren gegenüber deren Konkurrenten durch sehr geringe Verlustströme, hohe Kapazitätsgenauigkeit bei Frequenzwechsel oder Temperaturschwankungen und ihre sehr schnelle Kapazitätsanpassung aus. Sie lassen sich mittels Abscheidetechniken bisher jedoch nicht konform in dreidimensionalen Strukturen abscheiden.
Bisher wurden hauptsächlich Varicaps als spannungsveränderliche Kondensatoren verwendet, die sich im Vergleich zu ferroelektrischen Kondensatoren auf Basis von perowskitischen Materialien als auch dielektrischen spannungsveränderlichen Kondensatoren auf Basis von Werkstoffen wie Bismut-Zink-Niobat (BZN) kostengünstig in einem CMOS-Prozess herstellen lassen. Nachteilig hieran ist jedoch die nichtlineare Abstimmbarkeit, das hohe Phasenrauschen und die hohe Frequenz- und Temperaturabhängigkeit der Kapazität der Varicaps, die mittels komplexer Schaltungen zu kompensieren versucht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen spannungskontrollierbaren Kondensator und ein Verfahren zum Herstellen eines spannungskontrollierbaren Kondensator vorzuschlagen, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden, also auch bei einer kleinen Steuerspannung eine ausreichend hohe Kapazität erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen spannungskontrollierbaren Kondensator nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüche beschrieben.
Ein spannungskontrollierbarer oder spannungskontrollierter Kondensator weist ein Substrat auf, das mindestens eine gegenüber einer Oberfläche des Substrats vertieft ausgebildete Struktur aufweist. Auf der Oberfläche des Substrats und auf der Struktur ist eine erste Elektrodenschicht aus einem nicht-ferroelektrischen ausgebildet. Auf der ersten Elektrodenschicht ist eine ferroelektrische Schicht aus einem ferroelektrischen Werkstoff aufgebracht. Auf der ferroelektrischen Schicht ist eine zweite Elektrodenschicht aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff ausgebildet. Die Dicke der ferroelektrischen Schicht kann dabei kleiner sein als die Dicke der ersten Elektrodenschicht.
Durch das Einbringen der Struktur in das Substrat, also durch die Strukturierung des Substrats, wird eine effektive Flächenvergrößerung erreicht, die eine deutliche Erhöhung der Kapazität bewirkt. Bei Flächenvergrößerung bis beispielsweise einem Faktor 28 erfolgt bei einer konformen Abscheidung der ferroelektrischen Schicht, die typischerweise als ferroelektrischer Dünnfilm mittels geeigneter Dünnschichtverfahren aufgebracht wird, die Herstellung von spannungsveränderlichen Kondensatorbauelementen mit sehr hoher Kapazität, was Kapazitätsänderungen bei Änderung einer Wechselspannung ermöglicht. Flächenvergrößerungen bis hin zum Faktor 100 sollten damit möglich sein, was spezifische Kapazitäten einer Größenordnung von ungefähr 1000 µF/cm² ermöglicht, unter Berücksichtigung der planaren Fläche. Die so erreichbare Kapazität übersteigt gerade bei kleiner Steuerspannung die Kapazitäten von bisher verfügbaren, spannungsveränderlichen Kondensatoren deutlich und macht eine stärkere Miniaturisierung sowie eine Erhöhung der Integrationsdichte spannungsveränderlicher Kondensatoren möglich. Die ferroelektrische Schicht wird hierbei typischerweise sowohl parallel zu der Oberfläche des Substrats als auch in der vertieft ausgebildeten Struktur bzw. die Vertiefung abgeschieden, sodass eine dreidimensionale Strukturierung des Substrats, also eine Strukturierung entlang dreier Raumachsen auch eine effektive Flächenvergrößerung der ferroelektrischen Schicht bewirkt. Die Leitfähigkeit des Substrats kann hierbei beispielsweise durch eine Dotierung oder Silizidierung erhöht werden.
Es kann vorgesehen sein, dass auf der zweiten Elektrodenschicht eine Abdeckungsschicht aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff abgeschieden ist, um eine elektrische Kontaktierung zu vereinfachen. Die Abdeckungsschicht ist vorzugsweise in Form einer Hartmaske ausgebildet, die zur Strukturierung der zweiten Elektrodenschicht und Definierung einer elektrischen Kontaktfläche dienen kann.
Typischerweise bildet die oberste Schicht, also die zweite Elektrodenschicht oder die Abdeckungsschicht, einen planen Abschluss, bei dem die vertieft ausgebildete Struktur des Substrats anhang der Oberflächenbeschaffenheit nicht mehr erkennbar ist und die gesamte Anordnung somit einfacher weiterverarbeitet und elektrisch kontaktiert werden kann. Vorzugsweise ist mindestens eine, typischerweise jedoch jede der aufgebrachten Schichten, also die erste Elektrodenschicht, die ferroelektrische Schicht, die zweite Elektrodenschicht und bzw. oder die Abdeckungsschicht, als konforme Schicht ausgebildet, die die darunterliegende Schicht, mit der sie in unmittelbarem, also direktem Kontakt steht, ohne Aussparung oder Löcher überdeckt und die Vertiefung sowohl am Boden als auch an Seitenwänden vollständig bedeckt. Hiervon ausgenommen können Einfallsrandbereiche der jeweiligen Schicht sein. Insbesondere die ferroelektrische Schicht überdeckt in bevorzugter Weise die gesamte vertieft ausgebildete Struktur bzw. Vertiefung.
Die vertieft ausgebildete Struktur wird typischerweise durch die Abdeckungsschicht derart gefüllt, dass keine Leerräume in den Vertiefungen verbleiben. Dies unterstützt die Ausbildung eines kompakten Bauelements.
Die ferroelektrische Schicht kann aus mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, Zirkonium, einem Element der Seltenen Erden, das heißt Scandium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Yttrium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium als Dotierstoff dotiertem Hafniumoxid oder undotiertem Hafniumoxid (HfO₂) oder aus mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, Zirkonium, einem Element der Seltenen Erden, das heißt Scandium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Yttrium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium als Dotierstoff dotiertem Zirkoniumoxid oder undotiertem Zirkoniumoxid (ZrO₂) ausgebildet sein oder zumindest aufweisen. Die genannten Elemente und Werkstoffe eignen sich für eine konforme Ausbildung von Schichten.
Die ferroelektrische Schicht kann mit einer Dicke kleiner 100 nm, vorzugsweise kleiner 40 nm ausgebildet sein, um die gewünschten physikalischen Effekte zu erreichen.
Der spannungskontrollierbare Kondensator bzw. der spannungskontrollierte Kondensator kann eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines elektrischen Felds, vorzugsweise eine elektrische Spannungsquelle aufweisen, die in elektrischem Kontakt mit dem Substrat und der zweiten Elektrodenschicht oder in elektrischem Kontakt mit dem Substrat und der Abdeckungsschicht steht. Diese Vorrichtung ist typischerweise in elektrisch leitfähiger Verbindung mit der zweiten Elektrodenschicht oder der Abdeckungsschicht auf dem Substrat ausgebildet, um eine kompakte Anordnung auf einem einzigen Substrat zu erreichen.
Als Substrat kann ein Halbleitersubstrat sein, vorzugsweise kann hochdotiertes Silizium verwendet werden, das eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und gleichzeitig gut strukturiert werden kann.
Die erste Elektrodenschicht und bzw. oder die zweite Elektrodenschicht sind typischerweise aus einem elektrisch leitfähigen und gut abscheidbaren Werkstoff, vorzugsweise einem Metall, insbesondere Titannitrid (TiN), Platin (Pt) oder Rutheniumoxid (RuO₂ bzw. RuO₄). Die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht können aus dem gleichen Werkstoff ausgebildet sein, es kann aber auch vorgesehen sein, diese alternativ aus unterschiedlichen Werkstoffen aufzubauen.
Die vertieft ausgebildete Struktur auf dem Substrat weist typischerweise eine Breite zwischen 100 nm und 10 µm, vorzugsweise zwischen 200 nm und 8 µm, besonders vorzugsweise zwischen 500 nm und 1,5 µm auf. Diese Struktur kann zwischen 10 nm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 1 µm und 50 µm, besonders vorzugsweise zwischen 3 µm und 20 µm tief sein. Bei einem Verfahren zum Herstellen eines spannungskontrollierten oder spannungskontrollierbaren Kondensators wird in ein Substrat mindestens eine gegenüber einer Oberfläche des Substrats vertieft ausgebildete Struktur eingebracht. Auf der Oberfläche des Substrats und auf der Struktur wird eine erste Elektrodenschicht aufgebracht. In einem nachfolgenden Schritt wird auf der ersten Elektrodenschicht eine ferroelektrische Schicht ausgebildet und schließlich auf der ferroelektrischen Schicht eine zweite Elektrodenschicht abgeschieden. Die Dicke der ferroelektrischen Schicht ist hierbei typischerweise kleiner bzw. geringer als die Dicke der ersten Elektrodenschicht.
Die vertieft ausgebildete Struktur kann als ein Graben, ein Sackloch, eine turmförmige Struktur oder eine rippenförmige Struktur ausgebildet werden. Es kann auch vorgesehen sein, mehr als eine einzelne vertieft ausgebildete Struktur in das Substrat einzubringen.
Vorzugsweise wird die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht mittels Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, ALD) oder chemischer Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) aufgebracht, um eine effiziente Beschichtung mit den gewünschten technischen Parametern zu erreichen.
Es kann vorgesehen sein, die ferroelektrische Schicht mittels Atomlagenabscheidung, insbesondere mittels Atomlagenabscheidung mit alternierenden Abscheidezyklen eines dielektrischen Werkstoffs und eines Dotierstoffs, aufzubringen.
Die vertieft ausgebildete Struktur wird typischerweise durch reaktives lonenätzen oder reaktives lonentiefenätzen ausgebildet.
Der beschriebene spannungskontrollierbare Kondensator bzw. spannungskontrollierte Kondensator kann mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden, das heißt, das beschriebene Verfahren ist zum Herstellen des beschriebenen Kondensators ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht einer Schichtenfolge eines spannungskontrollierbaren Kondensators;
2 eine 1 entsprechende Ansicht eines realen Kondensators und
3 eine perspektivische Ansicht eines fertiggestellten Kondensators auf einem Substrat.

1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Schichtstruktur eines spannungskontrollierbaren bzw. spannungskontrollierten Kondensators. Zum Herstellen dieser Schichtstruktur wurde in ein Substrat 5, das im vorliegenden Fall ein hochdotierter Siliziumwafer ist, durch reaktives lonenätzen oder reaktives lonentiefenätzen (reactive ion etching, RIE, und deep reactive ion etching, DRIE) eine mit Vertiefungen versehene Struktur 6 eingebracht, die in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei Sacklöcher realisiert ist. Die Struktur bzw. Vertiefung 6 ist gegenüber einer Oberfläche 7 des Substrats 5 vertieft ausgebildet, das heißt, ein Boden der Struktur 6 weist einen Höhenunterschied gegenüber der Oberfläche 7 des Substrats 5 auf. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wurde eine erste Elektrodenschicht 4 aus Titannitrid mittels Atomlagenabscheidung derart aufgebracht, dass eine konforme Beschichtung vorliegt, also sowohl die Oberfläche 7 des Substrats 5 als auch der Boden der Struktur 6 und die Seitenwände der Struktur 6 von der ersten Elektrodenschicht 4 bedeckt sind.
Nachfolgend wurde durch eine ebenfalls konforme bzw. gleichförmige Abscheidung einer ferroelektrischen Schicht 3 aus Hafniumoxid mittels Atomlagenabscheidung der Schichtstruktur eine weitere Schicht hinzugefügt. Die ferroelektrische Schicht 3 weist hierbei eine Dicke kleiner als 40 nm auf.
Auf der ferroelektrischen Schicht 3 erfolgt das Aufbringen einer zweiten Elektrodenschicht 2, die im dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum aus Titannitrid besteht, in weiteren Ausführungsbeispielen jedoch aus einem anderen Werkstoff bestehen kann bzw. auch aus einem anderen Werkstoff als die erste Elektrodenschicht 4 ausgebildet sein kann. Auch die zweite Elektrodenschicht 2 wird mit einer konformen Abscheidung aufgebracht. Die erste Elektrodenschicht 4 und die zweite Elektrodenschicht 2 weisen eine Dicke von 10 nm bis 100 nm auf. Die Dicken der beiden Schichten 2 und 4 können gleich, aber auch voneinander verschieden sein.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine elektrisch leitfähige Hartmaske 1 aus polykristallinem dotiertem Silizium als Abdeckungsschicht abgeschieden, die noch verbleibende Leerräume der Vertiefung 6 füllt. Die Hartmaske 1 dient der Strukturierung der oberen Elektrode, das heißt der zweiten Elektrodenschicht 2 zum Definieren einer elektrischen Kontaktfläche mittels Lithografie sowie abschließender Ätzung und Reinigung. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die genannten Schichten, das heißt die erste Elektrodenschicht 4, die ferroelektrische Schicht 3, die zweite Elektrodenschicht 2 und die Abdeckungsschicht 1 jeweils in direktem, also unmittelbar berührendem Kontakt zur jeweils benachbarten Schicht.
Durch die gleichförmige Abscheidung der ferroelektrischen Schicht 3 in der Struktur 6 mittels Atomlagenabscheidung wird eine CMOS-Kompatibilität erreicht und durch die Flächenvergrößerung eine gewünschte Kapazität eingestellt. Es ist somit möglich, weitere elektronische Bauteile auf dem gleichen Substrat 5 zu fertigen. Das hergestellte Bauelement kann somit als miniaturisiertes SMD-Bauelement (surface-mounted device) hergestellt werden, sodass selbst kleinste Chip-Bauformen, wie beispielsweise das Format 01005, realisiert werden können.
Wie in 1 dargestellt, kann zwischen dem Substrat 5 der Hartmaske 1 eine elektrische Kontaktierung mit einer Spannungsquelle 12 vorliegen, die auf dem Substrat 5 aufgebracht ist und durch die Veränderung der elektrischen Spannung die Kapazität des Kondensators wie gewünscht einstellt.
2 zeigt in einer 1 entsprechenden Schnittansicht eine Aufnahme eines mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten spannungskontrollierbaren Kondensators mit einem Aspektverhältnis von 16:1 auf Basis von Hafniumoxid-basierten Ferroelektrika. Die ferroelektrische Schicht 3 weist hierbei eine Schichtdicke von 10 nm auf, während die Vertiefungen eine Tiefe von 1,6 µm aufweisen. Wiederkehrende Merkmale sind in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Die ferroelektrische Schicht 3 kann hierbei auch aus Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, Zirkonium, einem Element der seltenen Erden oder einer Kombination der genannten chemischen Elemente ausgebildet sein.
In 3 ist in einer perspektivischen Darstellung schematisch ein Aufbau eines spannungskontrollierbaren Kondensators auf dem Substrat 5 gezeigt, bei dem eine Steuerelektronik 9 durch eine elektrisch leitfähige Verbindung 11 mit einer Sensorfläche der Hartmaske 1 verbunden ist. Die Steuerelektronik 9 wird hierbei ebenfalls durch einen CMOS-Prozess auf dem gleichen Substrat 5 wie der beschriebene spannungskontrollierbare Kondensator hergestellt, sodass sich ein kompakter Aufbau ergibt.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.

Claims

Spannungskontrollierbarer Kondensator mit einem Substrat (5), das mindestens eine gegenüber einer Oberfläche (7) des Substrats (5) vertieft ausgebildete Struktur (6) aufweist, einer auf der Oberfläche (7) des Substrats (5) und der Struktur (6) ausgebildeten ersten Elektrodenschicht (4) aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff, einer auf der ersten Elektrodenschicht (4) ausgebildeten ferroelektrischen Schicht (3) und einer auf der ferroelektrischen Schicht (3) ausgebildeten zweiten Elektrodenschicht (2) aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff.
Spannungskontrollierbarer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Elektrodenschicht (2) eine Abdeckungsschicht (1), vorzugsweise eine Hartmaske, aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff abgeschieden ist.
Spannungskontrollierbarer Kondensator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Schicht (3) aus mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, Zirkonium, einem Element der Seltenen Erden dotiertem Hafniumoxid oder undotiertem Hafniumoxid oder aus mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, einem Element der Seltenen Erden dotiertem Zirkoniumoxid oder undotiertem Zirkoniumoxid ausgebildet ist oder eines der genannten chemischen Elemente zumindest aufweist.
Spannungskontrollierbarer Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Schicht (3) mit einer Dicke kleiner 100 nm ausgebildet ist.
Spannungskontrollierbarer Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (12) zum Bereitstellen eines elektrischen Felds, vorzugsweise eine elektrische Spannungsquelle, elektrisch mit dem Substrat (5) und/oder der zweiten Elektrodenschicht (2) kontaktiert ist.
Verfahren zum Herstellen eines spannungskontrollierten Kondensators, bei dem in ein Substrat (5) mindestens eine gegenüber einer Oberfläche (7) des Substrats (5) vertieft ausgebildete Struktur (6) eingebracht wird, auf der Oberfläche (7) des Substrats (5) und der Struktur (6) eine erste Elektrodenschicht (4) aufgebracht wird, auf der ersten Elektrodenschicht (4) eine ferroelektrische Schicht (3), und auf der ferroelektrischen Schicht (3) eine zweite Elektrodenschicht (2) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vertieft ausgebildete Struktur (6) als ein Graben, ein Sackloch, eine turmförmige Struktur oder eine rippenförmige Struktur ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht (4) und die zweite Elektrodenschicht (2) mittels Atomlagenabscheidung oder chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Schicht (3) mittels Atomlagenabscheidung, insbesondere mittels Atomlagenabscheidung mit alternierenden Abscheidezyklen eines dielektrischen Werkstoffs und eines Dotierstoffs aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vertieft ausgebildete Struktur (6) durch reaktives lonenätzen oder reaktives lonentiefenätzen ausgebildet wird.