DE102018213051A1 - Spannungskontrollierbarer Kondensator mit ferroelektrischer Schicht und Verfahren zum Herstellen des spannungskontrollierbaren Kondensators mit ferroelektrischer Schicht - Google Patents
Spannungskontrollierbarer Kondensator mit ferroelektrischer Schicht und Verfahren zum Herstellen des spannungskontrollierbaren Kondensators mit ferroelektrischer Schicht Download PDFInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen spannungskontrollierbaren Kondensator mit einer auf einem Substrat (6) aufgebrachten ersten Elektrodenschicht (4) aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff, einer ferroelektrischen Zwischenschicht (3), die eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die Dicke der ersten Elektrodenschicht (4), und einer zweiten Elektrodenschicht (2) aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff. Die ferroelektrische Zwischenschicht (3) ist zwischen der ersten Elektrodenschicht (4) und der zweiten Elektrodenschicht (2) angeordnet.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen spannungskontrollierbaren Kondensator mit einer ferroelektrischen Schicht.
- Kapazitätsdioden oder auch Varicaps genannt werden als spannungsveränderliche Bauelemente in elektrischen oder elektronischen Schaltungen eingesetzt. Varicaps haben trotz ihrer CMOS-Kompatibilität (complementary metaloxide-semiconductor) und daher geringen Herstellungskosten verschiedene Nachteile. Ihre Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien verlaufen nicht linear. Dies führt bei Hochfrequenzanwendungen zu hohen Verlusten.
- Varicaps besitzen außerdem ein hohes Phasenrauschen, was für Hochfrequenzanwendungen ebenfalls nachteilig ist. Zusätzlich sind die Kennlinien frequenzabhängig, was in einer schwierigeren Abstimmbarkeit resultiert. Kapazitätsdioden sind ferner nicht strahlungsresistent und können daher praktisch nicht für Luft- und Raumfahrtanwendungen genutzt werden. Da auch hohe Verlustströme auftreten, ist eine Verwendung in low-power-Systemen schwierig. Auch eine Anwendung für Hochtemperatursysteme ist aufgrund des mit der Temperatur exponentiell steigenden Rückstroms nicht sinnvoll möglich.
- Bislang wurden als Ersatz für Varicaps spannungsveränderliche bzw. spannungskontrollierbare Kondensatoren, sogenannte Varaktoren, verwendet, die sich im Vergleich zu ferroelektrischen Kondensatoren auf Basis von Werkstoffen wie Bismut-Zink-Niobat (BZN) kostengünstiger herstellen lassen. Die nichtlineare Abstimmbarkeit, das hohe Phasenrauschen, aber auch die hohe Frequenz- und Temperaturabhängigkeit der Kapazität dieser Kondensatoren werden mittels komplexer und somit fehleranfälliger Schaltungen kompensiert.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen spannungskontrollierbaren Kondensator vorzuschlagen, der die genannten Nachteile vermeidet, mit dem also mit geringer Steuerspannung ein stabiler Betrieb ermöglicht wird.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen spannungskontrollierbaren Kondensator nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
- Ein spannungskontrollierbarer Kondensator weist eine auf einem Substrat, typischerweise einem Halbleitersubstrat, aufgebrachte erste Elektrodenschicht aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff, eine ferroelektrische Zwischenschicht und eine zweite Elektrodenschicht auf. Diese ferroelektrische Zwischenschicht ist zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet.
- Durch eine dünne ferroelektrische Schicht kann bereits für elektrische Spannungen unterhalb von 3 V eine Kapazitätsveränderung von bis zu 50 Prozent erhalten werden. Die nötige Steuerspannung ist somit geringer als bei verfügbaren Niederspannungslösungen. Sofern höhere Steuerspannungen vorteilhaft sind, kann ein Gleichspannungsschutz in Serie dazu geschaltet werden. Die ferroelektrische Zwischenschicht ist CMOS-kompatibel und in gängigen CMOS-Prozessen als Gate-Dielektrikum implementiert. Der spannungskontrollierte Kondensator kann daher zu geringen Fertigungskosten mit hohem Durchsatz hergestellt werden. Die ferroelektrische Zwischenschicht weist typischerweise eine Dicke auf, die kleiner ist als die Dicke der ersten Elektrodenschicht.
- Es kann vorgesehen sein, dass auf der zweiten Elektrodenschicht eine Abdeckungsschicht, vorzugsweise eine Hartmaske, aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff abgeschieden ist, um eine elektrische Kontaktfläche zu definieren.
- Die ferroelektrische Zwischenschicht kann aus mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, Zirkonium, einem Element oder mehreren Elementen der Seltenen Erden, also Scandium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Yttrium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium als Dotierstoff bei dotiertem Hafniumoxid (HfO2) oder undotiertem Hafniumoxid ausgebildet sein oder eines der genannten chemischen Elemente bzw. dotiertes oder undotiertes Hafniumoxid zumindest aufweisen. Die ferroelektrische Zwischenschicht kann auch aus mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, einem Element oder mehreren Elementen der Seltenen Erden, also Scandium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Yttrium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium als Dotierstoff bei dotiertem Zirkoniumoxid (ZrO2) oder undotiertem Zirkoniumoxid ausgebildet sein oder eines der genannten chemischen Elemente bzw. dotiertes oder undotiertes Zirkoniumoxid zumindest aufweisen. Die genannten Elemente und Werkstoffe eignen sich für eine konforme Ausbildung von Schichten. Die für den ferroelektrischen Kondensator verwendeten Werkstoffe sind hierbei typischerweise bleifrei und RHoS-kompatibel (entsprechen also der EU-Richtlinie 2011/65/EU).
- Typischerweise ist mindestens eine, vorzugsweise jedoch jede der aufgebrachten Schichten, also die erste Elektrodenschicht, die ferroelektrische Zwischenschicht, die zweite Elektrodenschicht und, sofern vorgesehen, die Abdeckungsschicht, als konforme Schicht ausgebildet, die die darunter liegende Schicht, mit der sie in unmittelbarem, also direktem Kontakt steht, ohne Aussparungen oder Löcher überdeckt (gegebenenfalls bis auf einen Randbereich.
- Zur Erhöhung einer Durchbruchsfestigkeit kann vorgesehen sein, dass die ferroelektrische Zwischenschicht mehrlagig ausgebildet ist und mindestens eine Lage aus einer Oxidschicht mit einer Dicke von weniger als 3 nm und einer Hafniumoxidschicht oder einer Zirkoniumoxidschicht mit einer Dicke zwischen 3 nm und 20 nm aufweist. Diese auch als „Ultralaminat“ bezeichnete Konfiguration erhöht neben der Durchbruchspannung auch die Schaltspannung, beispielsweise um einen Faktor
5 . Die Schaltspannung kann hierdurch beispielsweise auf 5 V gesteigert werden. Für Hochspannungsanwendungen kann zusätzlich eine alternierende Reihenansteuerung der ferroelektrischen Kondensatoren vorgenommen werden. Aufgrund der CMOS-Kompatibilität des Hafniumoxids (HfO2) bzw. des Zirkoniumoxids (ZrO2) sowie der genannten Dotanden oder Dotierstoffe ist es somit möglich, weitere Elektronik auf dem gleichen Substrat zu fertigen, also eine Fertigung on-chip. Das beschriebene Bauelement kann als einzelnes miniaturisiertes SMD-Bauelement (surface mounted device) hergestellt werden, so dass selbst kleinste Bauformen wie das 01005-Format bedient werden können. Die Oxidschicht kann als eine Aluminiumoxidschicht, eine Siliziumoxidschicht und bzw. oder eine Zirkoniumoxidschicht ausgebildet sein. - Es kann vorgesehen sein, dass die ferroelektrische Zwischenschicht mit einer Dicke kleiner 100 nm, vorzugsweise kleiner 40 nm ausgebildet ist. Die Kapazitätsdichte derartiger dünner Schichten liegt bei etwas 10 µF/cm2. Die Kapazitätsänderung verhält sich linear zur angelegten Spannung, wobei der Verlustfaktor sehr gering ist. Diese hohe Linearität ist für RF-Anwendungen (radio frequency) sehr vorteilhaft, da dadurch geringere Verluste entstehen.
- Die erste Elektrodenschicht und bzw. oder die zweite Elektrodenschicht typischerweise aus einem elektrisch leitfähigen und gut abscheidbaren Werkstoff, vorzugsweise einem Metall, insbesondere Titannitrid (TiN), Platin (Pt) oder Rutheniumoxid (RuO2 bzw. RuO4) ausgebildet, um eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten. 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.
- Bei einem Verfahren zum Herstellen eines spannungskontrollierbaren Kondensators wird auf ein Substrat eine erste Elektrodenschicht aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff aufgebracht. Auf der ersten Elektrodenschicht wird eine ferroelektrische Zwischenschicht abgeschieden. Auf der ferroelektrischen Zwischenschicht wird die zweite Elektrodenschicht aufgebracht. Die Dicke der ferroelektrischen Zwischenschicht ist hierbei vorzugsweise geringer als die Dicke der ersten Elektrodenschicht.
- 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 der 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.
- Als Substrat kann hochdotiertes Silizium verwendet werden, das eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und gleichzeitig gut strukturiert werden kann.
- Das beschriebene Verfahren ist zum Herstellen des beschriebenen spannungskontrollierbaren Kondensators ausgebildet, d. h. der beschriebene spannungskontrollierbare Kondensator kann mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der
1 bis2 erläutert. - Es zeigen:
-
1 eine schematische seitliche Ansicht eines spannungskontrollierbaren Kondensators und -
2 eine perspektivische Ansicht des spannungskontrollierbaren Kondensators mit weiterer Steuerelektronik. - In
1 ist in einer schematischen seitlichen Ansicht ein spannungskontrollierbarer Kondensator dargestellt. Auf einem Halbleitersubstrat6 aus hochdotiertem Silizium ist auf einer planaren Außenoberfläche des Substrats6 eine erste Elektrodenschicht4 aus Titannitrid abgeschieden. Auf der ersten Elektrodenschicht4 ist ebenfalls in einer planaren Ausgestaltung eine ferroelektrische Zwischenschicht3 aufgebracht, die aus dotiertem Hafniumoxid ausgebildet ist. Die ferroelektrische Zwischenschicht3 kann hierbei als dotiertes oder undotiertes Hafniumoxid oder Zirkoniumoxid aufgebracht werden. Wahlweise erfolgt eine schicht- oder lagenweise Abscheidung von Hafniumoxid oder Zirkoniumoxid gefolgt von einer weiteren Oxidschicht, so dass sich ein alternierender Schichtaufbau, ein sogenanntes Ultralaminat, ergibt. Die ferroelektrische Zwischenschicht3 überdeckt hierbei die erste Elektrodenschicht4 vollständig, wird selbst jedoch nur teilweise von einer zweiten Elektrodenschicht2 bedeckt. Abschließend ist die erste Elektrodenschicht2 bedeckend eine Hartmaske1 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff aufgebracht. Die Hartmaske1 weist eine Dicke von typischerweise 10 nm bis 1000 nm auf. - Die erste Elektrodenschicht
4 wird mittels Atomlagenabscheidung konform aufgebracht, also derart, dass keine Löcher oder Kavitäten in der Schicht verbleiben. Ebenfalls mittels Atomlagenabscheidung wird die ferroelektrische Zwischenschicht3 konform aufgebracht, wobei alternierende Atomlagenabscheidungszyklen für Hafniumoxid oder Zirkoniumoxid und einen entsprechenden Dotierstoff, beispielsweise Silizium verwendet werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Hafniumoxid oder Zirkoniumoxid auch undotiert aufgebracht werden. Eine Dicke der ferroelektrischen Zwischenschicht3 ist hierbei geringer als 100 nm und insbesondere geringer als die Dicke der ersten Elektrodenschicht4 , die im dargestellten Ausführungsbeispiel 10 nm beträgt. - Die zweite Elektrodenschicht
2 wird ebenfalls durch Atomlagenabscheidung mit einer Dicke von 5 nm bis 500 nm, vorzugsweise 10 nm bis 30 nm, in konformer Konfiguration aufgebracht. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht4 und die Dicke der zweiten Elektrodenschicht2 können identisch sein, die beiden Dicken können aber auch voneinander abweichen. Die Hartmaske1 kann abschließend strukturiert und mittels Lithografie und Ätzung sowie Reinigung finalisiert werden. Eine Spannungsquelle5 kann in elektrisch leitender Verbindung ebenfalls auf dem Substrat6 zwischen der Hartmaske1 und dem Substrat6 oder zwischen der zweiten Elektrodenschicht2 und dem Substrat6 ausgebildet werden. Die Kapazität des so hergestellten Varaktors ist frequenzunabhängig für Frequenzen bis zu etwa 80 GHz und daher sowohl für 5G-Schaltungen als auch Radarschaltungen verwendbar. Die Temperaturabhängigkeit hingegen ist geringer als bei anderen spannungsveränderlichen Kondensatoren. Ebenso wird nur ein geringes Phasenrauschen beobachtet. - In
2 ist in einer perspektivischen Ansicht das Substrat6 mit der Hartmaske1 als Oberfläche des sich darunter befindenden spannungskontrollierbaren Kondensators dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur mit identischen Bezugszeichen wie in1 versehen. Auf dem Substrat6 ist außerdem eine Steuerelektronik8 angeordnet, die über elektrisch leitende Verbindung7 mit der Hartmaske1 in elektrischen Kontakt steht. Um einen Gleichstromschutz zu gewährleisten, kann der beschriebene spannungskontrollierbare Kondensator auch in Reihe geschaltet betrieben werden. Dadurch können sehr hohe Gleichstromspannungen an den spannungskontrollierbaren Kondensator angelegt werden und es wird eine Entkopplung der Steuerspannung vom zu steuernden Eingang bzw. RF-Signal ermöglicht. - Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
Claims (9)
- Spannungskontrollierbarer Kondensator mit einer auf einem Substrat (6) aufgebrachten ersten Elektrodenschicht (4) aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff, einer ferroelektrischen Zwischenschicht (3)und einer zweiten Elektrodenschicht (2) aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff, wobei die ferroelektrische Zwischenschicht (3) zwischen der ersten Elektrodenschicht (4) und der zweiten Elektrodenschicht (2) angeordnet ist.
- 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 oderAnspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Zwischenschicht (3) aus mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, einem Element der Seltenen Erden dotiertem oder undotiertem Hafniumoxid aus mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, einem Element der Seltenen Erden dotiertem oder undotiertem Zirkoniumoxid (ZrO2) ausgebildet ist oder eines der genannten chemischen Elemente zumindest aufweist. - Spannungskontrollierbarer Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Zwischenschicht (3) mehrlagig ausgebildet ist und mindestens eine Lage aus einer Oxidschicht mit einer Dicke von weniger als 3 nm und einer Hafniumoxidschicht mit einer Dicke zwischen 3 nm und 20 nm ausgebildet ist.
- Spannungskontrollierbarer Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Zwischenschicht (3) mit einer Dicke kleiner 50 nmausgebildet ist.
- Spannungskontrollierbarer Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht (4) und/oder die zweite Elektrodenschicht (2) aus Titannitrid, Rutheniumoxid und/oder Platin ausgebildet ist.
- Verfahren zum Herstellen eines spannungskontrollierbaren Kondensators, bei dem auf einem Substrat (6) eine erste Elektrodenschicht (4) aus einem nicht-ferroelektrischen Werkstoff aufgebracht wird, auf der ersten Elektrodenschicht (4) eine ferroelektrische Zwischenschicht (3) aufgebracht wird, und eine zweite Elektrodenschicht (2) auf der ferroelektrischen Zwischenschicht (3) aufgebracht wird.
- Verfahren nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht (4) auf einer planaren Oberfläche des Substrats (6) mittels Atomlagenabscheidung oder chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden wird. - Verfahren nach
Anspruch 7 oderAnspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Zwischenschicht (3) mittels Atomlagenabscheidung, insbesondere mittels Atomlagenabscheidung mit alternierenden Abscheidezyklen eines dielektrischen Werkstoffs und eines Dotierstoffs aufgebracht wird.
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060099722A1 (en) * | 2004-11-05 | 2006-05-11 | Hiroyuki Mitsui | Ferroelectric memory and its manufacturing method |
| US20060194348A1 (en) * | 2001-11-29 | 2006-08-31 | Symetrix Corporation | Ferroelectric and high dielectric constant integrated circuit capacitors with three-dimensional orientation for high-density memories, and method of making the same |
| US20160064391A1 (en) * | 2014-08-26 | 2016-03-03 | Qualcomm Incorporated | Dynamic random access memory cell including a ferroelectric capacitor |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9368392B2 (en) * | 2014-04-10 | 2016-06-14 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | MIM capacitor structure |
| US11081337B2 (en) * | 2017-03-15 | 2021-08-03 | Versum Materials U.S., LLC | Formulation for deposition of silicon doped hafnium oxide as ferroelectric materials |
-
2018
- 2018-08-03 DE DE102018213051.5A patent/DE102018213051A1/de active Granted
-
2019
- 2019-08-02 US US16/530,044 patent/US11121266B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060194348A1 (en) * | 2001-11-29 | 2006-08-31 | Symetrix Corporation | Ferroelectric and high dielectric constant integrated circuit capacitors with three-dimensional orientation for high-density memories, and method of making the same |
| US20060099722A1 (en) * | 2004-11-05 | 2006-05-11 | Hiroyuki Mitsui | Ferroelectric memory and its manufacturing method |
| US20160064391A1 (en) * | 2014-08-26 | 2016-03-03 | Qualcomm Incorporated | Dynamic random access memory cell including a ferroelectric capacitor |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| A.G. Chernikova et al.: Improved ferroelectric switching endurance of La-doped Hf0.5Zr0.5O2 thin films. In: ACS Appl. Mater. Interfaces , 10, 2018, S. 2701-2708. * |
| P. Polakowski et al.: Ferroelectric deep trench capacitors based on Al:HfO2 for 3D nonvolatile memory applications. In: IEEE 6th International Memory Workshop (IMW), 2014, S. 1-4. DOI: 10.1109/IMW.2014.6849367. * |
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