DE102022211354A1 - Bauelement mit verbesserter ferroelektrischer Polarisationsumschaltung und Zuverlässigkeit sowie Verfahren zum Herstellen dieses Bauelements - Google Patents

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Abstract

Das Bauelement umfasst eine auf einem Substrat (1a) ausgebildete ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht (2), wobei die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht (2) mit einem ersten Dotierstoff (3) und mindestens einem zweiten Dotierstoff (4) dotiert ist. Hierbei kann die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht (2) aus HfO2oder ZrO2ausgebildet sein und mit dem ersten Dotierstoff (3) Hf oder Zr und mit dem zweiten Dotierstoff (4) Al, Si, La, Y, Gd oder Sr dotiert sein.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement mit verbesserter Polarisationsumschaltung und Zuverlässigkeit sowie ein Verfahren zum Herstellen dieses Bauelements.
  • Ferroelektrische Materialien weisen heutzutage häufig das Problem auf, dass die Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen und hohen elektrischen Feldstärken stark reduziert ist. Dies führt zu unbeabsichtigten Leckströmen in dem betreffenden Bauteil, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines dielektrischen Durchbruchs deutlich erhöht ist.
  • Ein wichtiger Faktor für die Zuverlässigkeit der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht stellt der Übergang zu dem Elektrodenmaterial dar. Um diesen Übergang zwischen der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht zu verbessern, werden verschiedene Lösungsansätze angewendet.
  • Eine Möglichkeit besteht darin, eine Pufferschicht zwischen der ferroelektrische Schicht und dem Elektrodenmaterial einzubringen. Hierbei kann u.a. Al2O3 zum Einsatz kommen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Vorbehandlung des Grenzflächenbereichs durch ein NH3-Plasma. Bei den gerade aufgezeigten Lösungsansätzen liegt der Fokus auf der Optimierung des Grenzflächenbereichs anstelle der Optimierung der Eigenschaften der ferroelektrischen Schicht selbst.
  • Zudem wird eine dritte alternative Vorgehensweise zur Lösung des technischen Problems im Stand der Technik diskutiert. Die sog. „grain boundary interruption“ erhöht die Zuverlässigkeit der ferroelektrischen Schicht durch die Ausbildung eines Schichtstapels. Das bedeutet, dass vorgesehen ist, dass eine amorphe Al2O3-Schicht zwischen zwei ferroelektrischen Schichten eingebracht wird. Nachteilig bei diesem Lösungsansatz ist jedoch hervorzuheben, dass durch die Verwendung eines Schichtstapels eine Reduzierung der Schichtdicke nur noch eingeschränkt möglich ist.
  • Der oben beschriebene Ansatz einer Plasmabehandlung der Grenzfläche zwischen der ferroelektrischen Schicht und dem Elektrodenmaterial wird z.B. in KR 100 265 333 B1 beschrieben. Hierbei wird eine Herstellungsmethode offenbart, die die thermische Stabilität eines ferroelektrischen Kondensators durch eine Plasmabehandlung auf einer zuvor abgeschiedenen Pt-Elektrode erhöhen soll. Hierbei besteht der Nachteil darin, dass sich dieser Lösungsansatz lediglich auf den oberflächlichen Bereich konzentriert und nicht die ferroelektrische Schicht als solche in ihren Eigenschaften verändert wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement vorzuschlagen, dass die genannten Nachteile vermeidet, das also eine verbesserte ferroelektrische Polarisationsumschaltung und eine hohe Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen und hohen elektrischen Feldern aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bauelement nach Anspruch 1 und einem Verfahren zum Herstellen des Bauelements nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Das Bauelement weist eine auf einem Substrat ausgebildete ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht auf, die mit einem ersten Dotierstoff und mindestens einem zweiten Dotierstoff dotiert ist.
  • Durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Dotierstoffen in einer ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht kann die Morphologie der polykristallinen Schicht verändert werden. Dadurch ist es möglich, den Anteil der amorphen Phase in der polykristallinen, ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht sowie die Korngröße direkt über die Konzentration der Dotierstoffe zu beeinflussen. Dadurch können Leckströme, die sich entlang der Korngrenzen durch die Schicht ausbreiten, reduziert werden. Dies führt zu einer direkten Reduktion von Leckströmen in der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht bei einem Betrieb bei hohen Temperaturen und starken elektrischen Feldern. Gleichzeitig bleiben die ferroelektrischen Eigenschaften nahezu unverändert. Die Reduzierung von Leckströmen wird zudem durch deutlich kleinere Korngrößen weiter verbessert.
  • Weiterhin kann die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht aus Hafniumoxid, HfO2, oder Zirkoniumoxid, ZrO2, ausgebildet sein.
  • Durch die Verwendung von den in der Industrie weitverbreiteten ferroelektrischen Materialien HfO2 oder ZrO2 wird sichergestellt, dass das Bauteil auf einfache Art und Weise in bestehende Bauteilkonzepte integriert werden kann, ohne größeren konstruktiven Aufwand nach sich zu ziehen.
  • Zudem kann der erste Dotierstoff bei der Verwendung von ZrO2 Hafnium (Hf) und bei der Verwendung von HfO2 Zirkonium (Zr) umfassen, d. h. dass der erste Dotierstoff bei einer ferroelektrischen oder antiferroelektrischen ZrO2-Schicht Hf und bei einer ferroelektrischen oder antiferroelektrischen HfO2-Schicht Zr umfasst oder daraus besteht.
  • Durch die Verwendung von Zr oder Hf als erster Dotierstoff in Abhängigkeit von dem Material, welches für die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht verwendet wird, wird sichergestellt, dass vor der Dotierung mit dem zweiten Dotierstoff ein Mischoxid aus HfO2 und ZrO2 (HZO) vorliegt. HZO-Schichten werden heutzutage sowohl in der Forschung als auch in der Industrie aufgrund der vergleichsweise einfachen Möglichkeit, die Hysteresekurve zu verändern, und aufgrund der potenziell stark ausgeprägten ferroelektrischen Eigenschaften frequentiert eingesetzt.
  • Diesbezüglich kann die Dotierstoffkonzentration des ersten Dotierstoffs in einem Bereich von 0,1 - 50 At.-% (Atomprozent), vorzugsweise in einem Bereich von 25 - 50 At.-%, besonders bevorzugt in einem Bereich von 45 - 50 At.-% liegen, d.h. der Stoffmengenanteil des ersten Dotierstoffs beträgt 0,1 - 50 At.-%, , vorzugsweise 25 - 50 At.-% und besonders bevorzugt 45 - 50 At.-%.
  • Durch die Angabe der großen Bandbreite der Konzentrationsbereiche des ersten Dotierstoffs wird sichergestellt, dass Änderungen des makroskopischen Verhaltens in Bezug auf die ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Eigenschaften lediglich durch gewollte Prozessanpassungen entstehen und nicht bereits durch kleinere prozessbedingte Variationen hervorgerufen werden. Dennoch ist besonders ein Bereich wie zuvor offenbart zu bevorzugen, da in diesem Bereich das am stärksten ausgeprägte ferroelektrische Verhalten mit der bekannten Polarisationskurve und der maximalen remanenten Polarisation zu erwarten ist. Durch die Maximierung der remanenten Polarisation werden die Zuverlässigkeit des Bauteils sowie die Umschaltcharakteristik verbessert. Zudem liegt im Falle der maximal erreichbaren remanenten Polarisation die orthorhombische Phase stabil in dem Material vor.
  • Außerdem kann der zweite Dotierstoff Aluminium (Al), Siliuzium (Si), Lanthan (La), Yttrium (Y), Gadolinium (Gd) oder Strontium (Sr) umfassen. Es kann auch vorgesehen sein, Silizium (Si) als ersten Dotierstoff zu verwenden und, insbesondere bei Verwenden von Silizium als erstem Dotierstoff, Aluminium (Al) als zweiten Dotierstoff zu verwenden. Im Fall der Verwendung von Silizium als erstem Dotierstoff wäre die Dotierstoffkonzentration deutlich niedriger und eine Hafnium-Silizium-Aluminium-Oxid-Schicht (HSAO) kann verwendet werden.
  • Durch die Ausbildung einer der oben erwähnten Materialien als zweiter Dotierstoff in der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht kann die Hystereskurve sowie die maximale remanente elektrische Polarisation weiter optimiert werden. Dadurch kann das Bauteil je nach Anwendungsfall individuell angepasst werden.
  • Diesbezüglich kann die Dotierstoffkonzentration des zweiten Dotierstoffs in einem Bereich von 0,1 - 10 At.-%, vorzugsweise in einem Bereich von 1- 5 At.-% liegen.
  • Hierbei kann auf ähnliche Vorteile wie bei der Einstellung der Dotierstoffkonzentration des ersten Dotierstoffs verwiesen werden. Durch den bevorzugten Einsatz der Dotierstoffkonzentration in dem Bereich von 1- 5 At.-% kann eine maximale remanente elektrische Polarisation erreicht werden. Beispielhaft liegt die ideale Dotierstoffkonzentration für Al bei 2 At.-% und für Si bei 3 At.- %.
  • Bei Zugabe des zweiten Dotierstoffs sollte hierbei die Konzentration des ersten Dotierstoffs in Bezug auf den Gesamtanteil entsprechend reduziert werden, d. h. im Fall einer idealen Zugabe des zweiten Dotierstoffs von beispielsweise 22 Vol.-% (Volumenprozent) an der gesamten Schicht (wobei die Dotierstoffkonzentration bezogen auf das Teilvolumen im Bereich von 1- 5 At.- % liegt) wird der erste Dotierstoff in Bezug auf die verbleibenden 78 Vol.-% auf eine Dotierstoffkonzentration von 40 - 50 At.-% angepasst.
  • Typischerweise kann die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht eine Schichtdicke von 1- 20 nm, vorzugsweise 5 - 15 nm aufweisen.
  • Der Vorteil, der sich durch die bevorzugte Verwendung von 5 - 15 nm dicken ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schichten ergibt, ist der, dass das Problem, dass die orthorhombische Phase bei größeren Schichtdicken instabil wird und somit die Ausprägung der ferroelektrischen Eigenschaften abnimmt, umgangen wird. Weiterhin ist anzumerken, dass die eben beschriebenen Dotierstoffkonzentrationen des ersten Dotierstoffs und des zweiten Dotierstoffs abhängig von der gewählten Schichtdicke auszubilden sind. Diese Variationen sind durch die entsprechenden Angaben der Dotierstoffkonzentrationsbereiche berücksichtigt.
  • Zudem kann das Substrat, auf dem die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht ausgebildet ist, als Elektrode ausgebildet sein.
  • Durch die Ausbildung einer Elektrode wird die elektrische Kontaktierung der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht in den betreffenden Bauteilen vorgenommen und ermöglicht somit eine einfache Integration in bestehenden Bauteilkonstruktionen. Für bestimmte Anwendungen kann zudem die Ausbildung einer zweiten Elektrode auf der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht vorgesehen sein. In beiden Fällen kann als Elektrodenmaterial zum Beispiel Titannitrid, TiN, verwendet werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass auf der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht eine Zwischenschicht angeordnet ist, beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO2) oder SiON. Eine mögliche Schichtfolge ist dann eine Siliziumschicht, eine Zwischenschicht aus Siliziumdioxid gefolgt von der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht und eine metallische Abschlussschicht. Bei Verwenden bestimmter Halbleiter wie Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO) kann die Zwischenschicht auch entfallen.
  • Außerdem weist ein Verfahren zum Herstellen des Bauteils ein Substrat auf, auf dem sich bereits eine ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht befindet oder abgeschieden wird. Anschließend wird die so hergestellte Schicht zunächst mit einem ersten Dotierstoff und darauffolgend oder zeitgleich mit dem Dotieren des ersten Dotierstoffs mit einem zweiten Dotierstoff dotiert.
  • Die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht kann mit dem sog. ALD-Verfahren (atomic layer deposition) schichtweise aufgebracht werden. Die Dotierung mit dem ersten und dem zweiten Dotierstoff kann durch Diffusion oder lonenimplantation durchgeführt werden. Diese Verfahren zählen zu etablierten Prozessen in der Halbleiterindustrie und können somit problemlos in bestehende Prozessabläufe integriert werden.
  • Das Verfahren ist dazu ausgebildet, das bereits beschriebene Bauteil herzustellen, d.h. das bereits beschriebene Bauteil kann mit dem erläuterten Verfahren hergestellt werden.
  • Ausführungsbeispiele des Bauteils sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1, 2 und 3 beschrieben. Wiederkehrende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung der dotierten ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht auf einem Substrat;
    • 2 eine schematische Darstellung der dotierten ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht zwischen zwei Substraten; und
    • 3A -3D Messwerte der Polarisation und der Stromdichte in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld bei 10 nm dicken HZO- und HZAO-Schichten.
  • In 1 ist eine schematische Darstellung einer ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht 2 mit einem ersten Dotierstoff 3 und einem zweiten Dotierstoff 4 auf einem Substrat 1a dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird als ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht 2 HfO2 verwendet. Als erster Dotierstoff 3 wird Zr mit einer Dotierstoffkonzentration 39 At.-% (50 At.-% auf 78 Vol.-%) und als zweiter Dotierstoff 4 Al mit einer Dotierstoffkonzentration von 0,1 - 4,4 At.-% (1-5 At.-% auf 22 Vol.-%) verwendet, welche mittels Atomlagenabscheidung in die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht 2 eingebracht werden. Die genannten prozentualen Angaben können typischerweise im Verhältnis angegeben werden. Ein typisches Verhältnis zwischen Hf in der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht 2 und dem ersten Dotierstoff 3 Zr ist 1:1. Für den zweiten Dotierstoff 4 Al beträgt das optimale Verhältnis zu Hf 1:16-20. Bei der Verwendung eines alternativen Dotierstoffs, z.B. Si, ändert sich das optimale Verhältnis zu 1:16. Die Schichtdicke der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht beträgt dabei 2 10 nm und wurde mittels des ALD-Verfahrens abgeschieden. Das Substrat 1a ist als Elektrode aus dem Material TiN ausgebildet.
  • Das so vorliegende Bauteil weist somit eine HZAO-Schicht (Hafnium-Zirkonium-Aluminium-Oxid) auf, die im Vergleich zu den herkömmlichen HZO-Schichten (Hafnium-Zirkonium-Oxid) deutlich reduzierte Korndurchmesser aufweist. Dies führt dazu, dass Leckstrompfade entlang der Korngrenzen reduziert werden und damit die Widerstandsfähigkeit der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht 2 gegen Leckströme erhöht wird.
  • 2 ist eine schematische Darstellung einer ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht 2 mit einem ersten Dotierstoff 3 und einem zweiten Dotierstoff 4 zwischen einem Substrat 1a und einem Substrat 1b. In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl das Substrat 1a als auch die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht 2 in derselben Weise ausgebildet wie in 1 beschrieben. Zusätzlich ist allerdings eine weitere Schicht 1b auf der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht 2 ausgebildet.
  • Durch die in 2 gezeigte Ausführungsvariante ist es möglich, die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht 2 als Kondensator in ein elektronisches Bauteil zu integrieren. 2 zeigt die Integration in einen MOS-Kondensator (metal-oxide-semiconductor), wobei hier zwischen der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht 2 und dem Halbleiterwerkstoff zusätzlich eine Zwischenschicht ausgebildet werden kann. Im Fall von Si wäre die Zwischenschicht beispielsweise aus SiO2 oder SiON. Alternativ kann statt des Halbleiters ein Elektrodenmaterial wie TiN geneutzt werden, um einen MIM-Kondensator (metal-insulator-metal) zu bilden.
  • In 3A ist die Polarisation respektive in 3B die Stromdichte einer 10 nm dicken HZO-Schicht über das elektrische Feld aufgetragen. Die gleichen Graphen wurden zudem in 3C und 3D für eine 10 nm dicke HZAO-Schicht aufgenommen. Diese Messwerte, welche die Grundlage für die Graphen bilden, wurden bei der Charakterisierung der Bauteile aus den Ausführungsbeispielen 1 und 2 aufgenommen. Zunächst ist bei dem Vergleich der 3A und 3C der Einfluss des zweiten Dotierstoffs 4 (in diesem Fall AI) dahingehend zu erkennen, dass die HZAO-Schicht eine schmalere Hystereseschleife ausbildet. Daraus lässt sich erkennen, dass eine Ummagnetisierung dieser Schicht im Vergleich zu den HZO-Schichten mit einem deutlich geringeren Energieaufwand verbunden ist. Dies ist besonders relevant für Anwendungen, in denen ein geringer Energieverbrauch der elektronischen Bauteile notwendig ist.
  • Zudem ist in den 3B und 3D deutlich der positive Einfluss des zweiten Dotierstoffs 4 auf die Verringerung der Leckströme zu erkennen. Bei den hohen elektrischen Feldstärken (-4 und +4 MV/cm) ist die Stromdichte der HZAO-Schichten gegenüber den Stromdichten der HZO-Schichten deutlich verringert. Dies lässt sich durch die kleineren Korndurchmesser der HZAO-Schicht erklären, da so die Leckstrompfade verringert werden können.
  • Diese Eigenschaften der beschriebenen ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht 2 führen somit in ihrer Gesamtheit zu einer höheren Zuverlässigkeit und zu einer optimierten Polarisationsumschaltung.
  • Zudem kann zum Beispiel der reduzierte Leckstrom bei hohen Betriebstemperaturen dazu beitragen, die Anforderungen der AEC Q100 (Automotive Electronics Council) zu erfüllen, die für Automobilanwendungen wichtig sind. Darüber hinaus ist es möglich, die Schichtdicke weiter zu verringern, ohne die Zuverlässigkeitseigenschaften zu beeinträchtigen. Dies wiederum ist wichtig, um Niederspannungsspeicher zu realisieren, da so der Stromverbrauch weiter gesenkt werden kann.
  • Weiterhin ist dieses Verfahren zum Herstellen der Bauteil sehr kosteneffizient und leicht in bestehende Prozesse zu integrieren. Es besteht eine vollständige Kompatibilität mit den bekannten CMOS-Prozessen (complementary metal-oxide-semiconductor).
  • Außerdem können diese Schichten in allen Bereichen der Technik Anwendung finden, in denen ferroelektrische oder antiferroelektrische Schichten eingesetzt werden und wo eine hohe Zuverlässigkeit mit reduzierten Leckströmen eine Performancesteigerung des Bauteils bewirken würde. Hierbei kann zum Beispiel auf die Speichertechnik verwiesen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • KR 100265333 B1 [0006]

Claims (10)

  1. Bauelement aufweisend: eine auf einem Substrat (1a) ausgebildete ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht (2), wobei die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht (2) mit einem ersten Dotierstoff (3) und mindestens einem zweiten Dotierstoff (4) dotiert ist.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht (2) aus HfO2 oder ZrO2 ausgebildet ist.
  3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierstoff (3) bei einer ferroelektrischen oder antiferroelektrischen ZrO2-Schicht Hf umfasst.
  4. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierstoff (3) bei einer ferroelektrischen oder antiferroelektrischen HfO2-Schicht Zr umfasst.
  5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Dotierstoffkonzentration des ersten Dotierstoffs (3) in einem Bereich von 0,1 - 50 At.-%, vorzugsweise in einem Bereich von 25 - 50 At.-%, besonders bevorzugt in einem Bereich von 40 - 50 At.-% liegt.
  6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dotierstoff (4) Al, Si, La, Y, Gd oder Sr ist.
  7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration des zweiten Dotierstoffs (4) in einem Bereich von 0,1 - 10 At.-%, vorzugsweise in einem Bereich von 1- 5 At.-% liegt.
  8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht (2) eine Schichtdicke von 1 nm bis 20 nm, vorzugsweise 5 nm bis 15 nm aufweist.
  9. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1a) als eine Elektrode ausgebildet ist
  10. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei auf einem Substrat (1a) eine ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht (2) abgeschieden wird und die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht (2) mit einem ersten Dotierstoff (3) dotiert wird und die mit einem ersten Dotierstoff (3) dotiert ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht (2) mit einem zweiten Dotierstoff (4) dotiert wird.
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