DE10303875B4 - Struktur, insbesondere Halbleiterstruktur, sowie Verfahren zur Herstellung einer Struktur - Google Patents

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Abstract

Struktur, insbesondere Halbleiterstruktur,
– mit einem Substrat, das eine diamant- oder zinkselenidartige Gitterstruktur hat, und
– mit mindestens einer isolierenden Schicht auf dem Substrat,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der isolierenden Schicht
– im Wesentlichen alle Atome des Substrates auf den Gitterpositionen des Substratgitters sind, die Atome der obersten Substratlage als Teil des Substrats dimerisiert sind, und die Substratoberfläche frei von Silizid ist, so dass im Bereich der Substratoberfläche vorkommende Siliziumatome dem Substrat zugeordnet sind und nicht in Verbindung mit einem elektropositiveren Element ein Silizid ausbilden;
– mindestens eine Ionenzwischenschicht unmittelbar an die Substratoberfläche angrenzt, deren Ionen das gegenüber Silizium elektropositivere Element bilden; und
– mindestens eine Ionendeckschicht auf der Ionenzwischenschicht ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Struktur, insbesondere eine Halbleiterstruktur, mit einem Substrat, das eine diamant- oder zinkselenidartige Gitterstruktur hat, und mit mindestens einer isolierenden Schicht auf dem Substrat.
  • Derartige Strukturen werden beispielsweise für nicht flüchtige Datenspeicher mit hoher Dichte und Logikschaltungen eingesetzt, beispielsweise wenn ferroelektrische oder hohe Dielektrizitätskonstanten benötigt werden. Dabei werden Einkristall-Dünnfilme epitaktisch auf eine möglichst geordnete und stabile Substratstruktur, beispielsweise Silizium aufgewachsen.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur mit den Schritten:
    • – Aufbringen einer Ionenzwischenschicht auf eine Substratoberfläche; und
    • – Aufbringen mindestens einer Ionendeckschicht auf die Ionenzwischenschicht.
  • In dem US-Patent 5,225,031 ist ein Verfahren und eine Struktur mit einem Siliziumsubstrat beschrieben, auf dessen Oberfläche epitaktisch eine Oxidschicht aufgebracht ist, beispielsweise Bariumoxid BaO und Bariumtitanat BaTiO3. Hierbei wird eine Viertel Monolage von Barium auf die (001)-Ebene des Siliziumsubstrats auf der Basis einer kubischen BaSi2-Struktur durch Reaktionsepitaxie bei Temperaturen größer als 850°C aufgebracht.
  • In dem US-Patent 6,241,821 und dem US-Patent 6,248,459 sind Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur und die Halbleiterstruktur selbst beschrieben, bei der eine Ionenzwischenschicht aus einem Material der Zusammensetzung XSiO2 erzeugt wird, wobei X ein Metall ist.
  • Diese bekannten Strukturen sind metallisch und damit leitend. Sie sind zudem nicht ausreichend stabil. Die herkömmlichen Strukturen bilden entweder ein Silicid oder eine Struktur mit Siliziumatomen, die nicht direkt an das Substrat gebunden sind.
  • Beispielsweise bei Halbleiterbauelementen ist es jedoch erforderlich, möglichst dünne isolierende Schichten zu schaffen, die z. B. als sogenanntes Gate-Oxid bei MOS-FET-Transistoren eingesetzt werden. Dieses Gate-Oxid hat seine Funktion als Dielektrikum eines Kondensators, mit dem Leitungsträger in den Kanal eines MOS-FET-Transistors gebracht werden. Durch Anlegen und Abschalten einer Spannung an dem Gate wird der Transistor geschaltet. Herkömmlicherweise hat das Gate-Oxid eine Dicke von etwa 2 bis 3 nm. Dies entspricht nur wenigen Atomlagen. Bei einer Reduzierung der Dicke unter etwa 1,5 nm ist das Oxid so dünn, dass es seine isolierenden Eigenschaften verliert und damit die Funktion der Bauelemente stark beeinträchtigt wird. Daher werden, wie in dem oben genannten Stand der Technik, Oxide mit einer höheren Dielektrizitätskonstanten eingesetzt, die High-K-Oxide genannt werden. Diese High-K-Oxide müssen eine thermodynamische Stabilität, eine kleine Anzahl von Grenzflächenzuständen, einen hinreichend großen Band-Offset sowie eine geringe Dichte von Störstellen aufweisen. Als geeignet erscheinen Oxide mit Strontium Sr, Barium Ba, Yttrium Y, Zirkonium Zr, Hafnium Hf, Aluminium Al sowie Lanthanide. Bei einer erheblichen Verringerung der Dicke der isolierenden Oxidschicht dürfte der Einsatz kristalliner Oxide notwendig werden.
  • In Moon, B.K., Ishiwara, H.: Roles of Buffer Layers in Epitaxial Growth of SrTiO3 Films on Silicon Substrates, in: Jpn. J. Appl. Phys., Part 1, 1994, Vol. 33, No. 3A, Seiten 1472 bis 1477 ist offenbart, dass mit dünnen metallischen Schichten die Qualität von SrTiO3 Schichten auf Siliziumsubstraten verbessert werden kann. Dabei wurde erkannt, dass die metallischen Schichten die Oberfläche von SiO2 Schichten auf Siliziumsubstraten deoxidieren.
  • In Soukiassian, P. u.a.: Electronic Properties of O2 on Cs or Na overlayers adsorbed on Si (100) 2×1 from room temperature to 650°C, in: Phys. Rev. B, 1987, Vol. 35, No. 8, Seiten 4176 bis 4179 ist die katalytische Wirkung von Alkali-Ionen auf die Oxidation einer Silizium-Oberfläche beschrieben. Anschließend wird zur Desorption von Metallionen eine Wärmebehandlung durchgeführt und es wird eine Grenzfläche ohne Ionenzwischenschicht zwischen Silizium und Siliziumoxid gebildet.
  • In dem US-Patent 5,352,330 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Dimerisierung einer wasserstoffbedeckten Halbleiteroberfläche mit Vakuum erfolgt. Dabei wird Wasserstoff selektiv mit einem Elektronenstrahl entfernt, was die Halbleiteroberfläche reaktiv macht und damit die selektive Oxidation zulässt. Da die Bindung von Siliziumoxid die Dimerisierung aufhebt, erfolgt keine Dimerisierung einer Grenzfläche. Vielmehr wird die Oxidierung der Oberfläche durch lokale Passivierung mit Wasserstoff selektiv unterdrückt.
  • Aus dem US-Patent 5,086,321 ist ein Verfahren offenbart, bei dem Silizium auf Gäliumarsenit (GaAs) abgeschieden wird. Anschließend wird die Siliziumschicht oxidiert. Dabei bildet sich eine epitaktische Grenzfläche zwischen GaAs und Si, die keine Oberflächenzustände aufweist, und eine Si/SiO2-Grenzfläche mit den geforderten elektrischen Eigenschaften. Die Grenzfläche zwischen GaAs und Si ist mehrere Atomlagen dick, hat im Wesentlichen einen nicht polaren Charakter und es erfolgt eine kovalente Bindung.
  • In der WO 02/09152 A2 und McKee, R.A., u.a.: Physical Structure and Inversion Charge at a Semiconductor Interface with a Crystalline Oxide, in: Science, 2001, Vol. 293, Seiten 468 bis 471 sind Verfahren zur Desorption von Siliziumoxid durch Einfügen von Erdalkalimetalloxidschichten oder Adsorption von Strontium und Erhitzen der Struktur bei geeignet eingestelltem Sauerstoffpartialdruck beschrieben.
  • In Wang, J. u.a.: Bonding and Diffusion of Ba on a Si (001) reconstructed Surface, in: Phys. Ref. b, 1999, Vol. 60, No. 7, Seiten 4968 bis 4971, Herrera Go mez, A., u.a.: Geometrical Structure of the ½-ML (2×1) and 1/3-ML (2×3) Ba/Si (001) Interfaces, in: Phys. Rev. B, 2000, Vol. 61, No. 19, Seiten 12988 bis 12991 sowie Fan, W.C., u.a.: Oberservation of ordered Structures of Sr on the Si (100) Surface, in: Phys. Rev. B, 1990, Vol. 42, No. 2, Seiten 1254 bis 1257 sind Verfahren mit einer Absorption von Erdalkaliatomen beschrieben, die kovalent mit einer Siliziumoberfläche gebunden sind.
  • Aus dem US-Patent 5,225,031, McKee, R.A., u.a.: Crystalline Oxides on Silicon: The First Five Monolayers, in: Phys. Rev. Lett, 1998, Vol. 81, No. 14, Seiten 3014 bis 3017 sowie US 2002/0102418 A1 sind Silizidstrukturen bekannt, bei denen auf der Substratlage eine weitere halbe Monolage von Siliziumatomen vorliegen, die nicht eindeutig den Gitterpositionen des Substrats zuge ordnet werden können. Die nicht dimerisierten Siliziumatome treten in einer für Bulk-Silizid typischen Koordinationen auf.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Struktur mit einer isolierenden Schicht zu schaffen, die eine geringe Dicke und hohe Stabilität aufweist.
  • Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen Struktur erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich der isolierenden Schicht
    • – im Wesentlichen alle Atome des Substrates auf den Gitterpositionen des Substratgitters sind, die Atome der obersten Substratlage dimerisiert sind, und die Substratoberfläche silicidfrei ist;
    • – mindestens eine Ionenzwischenschicht unmittelbar an die Substratoberfläche angrenzt, deren Ionen das gegenüber Silizium elektropositive Element bilden; und
    • – mindestens eine Ionendeckschicht auf der Ionenzwischenschicht ausgebildet ist.
  • Erfindungsgemäß wird somit eine Ionenzwischenschicht eingesetzt, die unmittelbar an die Substratoberfläche angrenzt. Dabei ist wesentlich, dass die Substratoberfläche silicidfrei bleibt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Substratoberfläche sowie die Ionenzwischenschicht nicht metallisieren, sondern ein Dielektrikum ausbilden und isolierend sind. Auf die Ionenzwischenschicht kann dann die eigentliche Ionendeckschicht aufgebracht werden, die beispielsweise ein Oxid oder Nitrid ist. thermodynamische Stabilität, eine kleine Anzahl von Grenzflächenzuständen, einen hinreichend großen Band-Offset sowie eine geringe Dichte von Störstellen aufweisen. Als geeignet erscheinen Oxide mit Strontium Sr, Barium Ba, Yttrium Y, Zirkonium Zr, Hafnium Hf, Aluminium Al sowie Lanthanide. Bei einer erheblichen Verringerung der Dicke der isolierenden Oxidschicht dürfte der Einsatz kristalliner Oxide notwendig werden.
  • In Moon, B.K., Ishiwara, H.: Roles of Buffer Layers in Epitaxial Growth of SrTiO3 Films on Silicon Substrates, in: Jpn. J. Appl. Phys., Part 1, 1994, Vol. 33, No. 3A, Seiten 1472 bis 1477 ist offenbart, dass mit dünnen metallischen Schichten die Qualität von SrTiO3 Schichten auf Siliziumsubstraten verbessert werden kann. Dabei wurde erkannt, dass die metallischen Schichten die Oberfläche von SiO2 Schichten auf Siliziumsubstraten deoxidieren.
  • In Soukiassian, P, u.a.: Electronic Properties of O2 on Cs or Na overlayers adsorbed on Si (100) 2×1 from room temperature to 650°C, in: Phys. Rev. B, 1987, Vol. 35, No. 8, Seiten 4176 bis 4179 ist die katalytische Wirkung von Alkali-Ionen auf die Oxidation einer Silizium-Oberfläche beschrieben. Anschließend wird zur Desorption von Metallionen eine Wärmebehandlung durchgeführt und es wird eine Grenzfläche ohne Ionenzwischenschicht zwischen Silizium und Siliziumoxid gebildet.
  • In dem US-Patent 5,352,330 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Dimerisierung einer wasserstoffbedeckten Halbleiteroberfläche mit Vakuum erfolgt. Dabei wird Wasserstoff selektiv mit einem Elektronenstrahl entfernt, was die Halbleiteroberfläche reaktiv macht und damit die selektive Oxidation zulässt. Da die Bindung von Siliziumoxid die Dimerisierung aufhebt, erfolgt keine Dimerisierung einer Grenzfläche. Vielmehr wird die Oxidierung der Oberfläche durch lokale Passivierung mit Wasserstoff selektiv unterdrückt.
  • Das für die erfindungsgemäße Struktur eingesetzte Substrat hat eine diamant- oder zinkselenidartige Gitterstruktur. Die oberste Substratlage ist entweder durch direkte Bindungen oder Sauerstoffbrücken dimerisiert. Das Substrat kann zudem Sauerstoffatome enthalten, die an die oberste Substratlage gebunden sind. Sauerstoffbrücken treten nur innerhalb der obersten Substratlage auf.
  • Im Falle von Silizium als Substrat entspricht die Anzahl der Siliziumatome der obersten Substratlage einer Monolage, die auch monoatomare Schicht genannt wird. Entsprechendes gilt für andere Substratmaterialien.
  • Bevorzugt enthält die Ionenzwischenschicht Metallkationen. Sie hat die Funktion, die offenen Bindungen des Substrates elektronisch abzusättigen.
  • Im Falle von Silizium als Substratatom wird eine elektronisch abgesättigte Struktur erzielt, indem jeweils ein Elektron für jedes Siliziumatom der obersten Substratlage hinzugefügt wird.
  • Die Ionenzwischenschicht sollte vorzugsweise eine Anzahl von Kationen aufweisen, die einem Anteil der auf der obersten Lage der Substratoberfläche befindlichen Anzahl von Kationen entspricht, wobei die Anzahl der Kationen so gewählt ist, dass alle offenen Bindungen des Substrats mit Elektronen gefüllt sind. Eine offene Bindung kann maximal zwei Elektronen beinhalten. Die Anzahl der Elektronen, die von den Kationen zur Verfügung gestellt wird, entspricht der Wertigkeit abzüglich der Elektronen, die durch Bindungen in der Ionenzwischenschicht und zu der Ionendeckschicht verbraucht werden. Wenn die Ionenzwischenschicht aus einem einwertigen Metall gebildet ist, sollte somit die Ionenzwischenschicht eine Monolage ausbilden. Entsprechend sollte bei einem zweiwertigen Metall eine halbe Monolage und bei einem dreiwertigen Metall eine Drittel Monolage vorgesehen sein.
  • Die Ionenzwischenschicht sollte bevorzugt Metallionen, insbesondere Erdalkalimetellionen oder Lanthanoide aufweisen. Die Erdalkalimetallionen können beispielsweise aus der Gruppe der Elemente Barium Ba und Strontium Sr gewählt sein.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die oberste Substratlage oxidiert ist. Damit ist es nunmehr möglich, den Band-Offset einzustellen, da das selektive Oxidieren der Siliziumatome der obersten Substratlage zu Dipolen führt, die das Potential und damit den Band-Offset verlagern.
  • Die Atome der Ionenzwischenschicht können entweder über der durch die obersten Atome des Substrates gebildeten Fläche, oder aber in diese Fläche hinein gesenkt sein. Dabei befinden sich in der Regel die Atome der Ionenzwischenschicht in den Lücken der Gitterstruktur der Substratoberfläche.
  • Die Dimere auf der (001)-Substratoberfläche können zeilenweise angeordnet sein. Dann sollten die Kationen der Ionenzwischenschicht zwischen den Zeilen der Dimere angeordnet sein.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Atome der Ionenzwischenschicht und die Atome des Substrates ein zweidimensionales periodisches Gitter mit zu Dimeren gebundenen Substratatomen und mit Atomen der Ionenzwischenschicht jeweils zwischen zwei Dimeren oder in der Mitte von vier Dimeren bilden. Auf diese Weise wird eine langzeitstabile symmetrisch ausgerichtete Struktur geschaffen.
  • Vorzugsweise sollte die Ionendeckschicht eine an das Gitter der Ionenzwischenschicht angepasste Gitterstruktur haben und keinen Elektronenüberschuss oder Elektronenunterschuss aufweisen. Das heißt, dass die Bindungselektronen gesättigt sein sollten, so dass ein Elektronenfluss vermieden wird und die Ionendeckschicht sowie die Ionenzwischenschicht einen Isolator bilden.
  • Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur in einem Grenzbereich zu der Ionenzwischenschicht oder der Ionendeckschicht vorgesehen ist. Dabei kann die Ionendeckschicht Teil der Materialstruktur sein. Die sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur dient als Sauerstoffreservoir und sollte derart gewählt und eingebaut sein, dass ausdiffundierende Sauerstoffionen aus der sauerstoffhaltigen, ionenleitenden Materialstruktur weitgehend ersetzt werden. Auf diese Weise kann die Langzeitstabilität der Struktur verbessert werden. Die Materialstruktur kann auch eingesetzt werden, um den Sauerstoffmangel der Ionendeckschicht, beispielsweise des Gate-Oxids, auszugleichen.
  • Die sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur sollte ein Hilfsoxid mit einer geringen Bildungsenergie für Sauerstoffleerstellen enthalten. Das Hilfsoxid sollte in einem Bereich eingelagert werden, in dem die Schaltungseigenschaften nicht beeinflusst werden, z. B. in Abstandsschichten. Das Hilfsoxid und die Materialien zwischen dem Hilfsoxid und dem Gate-Oxid sollte eine ausreichend hohe Sauerstoffdiffusionskonstante haben, so dass die Sauerstoffatome effizient zu dem Gate-Oxid gelangen können.
  • Durch die erfindungsgemäße Ionenzwischenschicht in Verbindung mit der silicidfreien Substratoberfläche wird erreicht, dass die Bindungselektronen der Substratoberfläche gesättigt sind und direkt einer nichtpolaren Oxidschicht ausgesetzt werden können, ohne dass die Substratoberfläche selbst ein Silicid bildet. Durch die Ionenzwischenschicht wird die Substratoberfläche somit elektronisch abgesättigt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein verbessertes Verfahren zum Einstellen des Band-Offsets einer oben beschriebenen erfindungsgemäßen Struktur zu schaffen. Das Einstellen des Band-Offsets wird herkömmlicherweise durch Änderung der chemischen Zusammensetzung der eingesetzten Oxide vorgenommen.
  • Erfindungsgemäß wird Sauerstoff an die Substratoberfläche eingebracht und ein gewünschter energetischer Abstand der Bandkanten der isolierenden Schicht relativ zu den Bandkanten des Substrates durch Einstellen des Sauerstoffgehalts an der Substratoberfläche eingestellt.
  • Durch die selektive Oxidierung der Grenzfläche des Substrates zur Ionenzwischenschicht werden Dipole eingeführt, die das Potential und damit den Band-Offset verlagern.
  • Bei dem Verfahren wird der Sauerstoff-Partialdruck während oder nach der Herstellung des Substrats vorzugsweise erhöht, um den gewünschten Abstand der Bandkanten einzustellen.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a – Skizze einer Seitenansicht der Atomstruktur einer reinen Silizium-(001)-Substratoberfläche in einer Dimer-Rekonstruktion in [110]-Richtung;
  • 1b – Skizze einer Seitenansicht der Atomstruktur einer reinen Silizium-(001)-Substratoberfläche in einer Dimer-Rekonstruktion in [110]-Richtung;
  • 2a – Skizze einer Seitenansicht der Atomstruktur einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenzwischenschicht aus Strontiumatomen in den Lücken der Gitterstruktur einer Siliziumsubstratoberfläche in [110]-Richtung;
  • 2b – Skizze einer Seitenansicht der Atomstruktur einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenzwischenschicht aus Strontiumatomen in den Lücken der Gitterstruktur einer Siliziumsubstratoberfläche in [110]-Richtung;
  • 3 – Draufsicht auf die Atomstruktur aus der 2, wobei die Ionenzwischenschicht und die dimerisierten Siliziumatome der obersten Substratlage dargestellt ist;
  • 4 – Draufsicht auf die Atomstruktur aus der 2, wobei Ionenzwischenschicht und die beiden oberen Atomschichten des Substrates dargestellt sind;
  • 5 – Draufsicht auf das Ladungsmuster der Ionenzwischenschicht und der obersten Substratlage gemäß 2 bis 4;
  • 6a – Skizze einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Struktur mit einer Ionendeckschicht auf der Ionenzwischenschicht gemäß 2 in [110]-Richtung;
  • 6b – Skizze einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Struktur mit einer Ionendeckschicht auf der Ionenzwischenschicht gemäß 2 in [110]-Richtung;
  • 7a – Seitenansicht einer Ionendeckschicht auf einer Ionenzwischenschicht gemäß 2 mit einer zusätzlichen Sauerstoff-Monolage, die einfach an die oberste Substratlage gebunden ist, in [110]-Richtung;
  • 7b – Seitenansicht einer Ionendeckschicht auf einer Ionenzwischenschicht gemäß 2 mit einer zusätzlichen Sauerstoff-Monolage, die einfach an die oberste Substratlage gebunden ist, in [110]-Richtung.
  • Die 1a lässt eine Seitenansicht der Atomstruktur einer reinen Silizium-Substratoberfläche in der durch die [001 ] und [110]-Richtung aufgespannten Ebene erkennen, wobei die oberste Substratlage in einer Dimer-Rekonstruktion dimerisiert ist. Das Siliziumsubstrat hat eine diamantartige Gitterstruktur.
  • Eine solche hoch reine (001)-Substratoberfläche mit einer Dimer-Rekonstruktion kann mit herkömmlichen Reinigungsverfahren, z. B. durch thermische Desorption von Siliziumoxid SiO2 bei einer Temperatur größer oder gleich 850°C, oder durch Entfernen von Wasserstoff aus einer durch Wasserstoff abgeschlossenen (1 × 1) rekonstruierten Siliziumsubstratoberfläche bei einer Temperatur größer oder gleich 300°C in einem Ultrahochvakuum gewonnen werden. Der Wasserstoffabschluss ist ein bekanntes Verfahren, bei dem Wasserstoff lose zu den sogenannten „Dangling-Bonds" des Siliziums an der Substratoberfläche gebunden wird, um die Kristallstruktur abzusättigen.
  • Anstelle des in der 1 dargestellten Silizium-Substrates kann eine Struktur gleichermaßen basierend auf anderen geeigneten Substraten aufgebaut werden.
  • Zum Ausbilden einer möglichst dünnen isolierenden Schicht auf dem Substrat werden vorzugsweise Metallionen als Ionenzwischenschicht auf der Substratoberfläche abgeschieden. Das Wachstum der Ionenzwischenschicht kann beispielsweise durch ein Hochenergie-Elektronenreflektionsbeugungs-Messverfahen (Reflexion High Energie Electron Defraction – RHEED) überwacht werden. Dieses Verfahren kann während des Entwicklungsschrittes in der Abscheidungskammer für die Ionenzwischenschicht eingesetzt werden und dient zur Detektierung oder Messung der Oberflächenkristallstrukturen.
  • Der Bedeckungsgrad der Ionenzwischenschicht kann auch durch die Änderung der Bandspektren durch Nachvollziehen der Positionen der Rumpfenergieniveaus überprüft werden, wie aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt ist. Unterhalb eines Bedeckungsgrades einer halben Monolage eines Erdalkalimetalls als Ionenzwischenschicht liegt das Fermi-Niveau im unteren Bereich der Silizium-Bandlücke, während sie bei einer größeren Bedeckung im oberen Bereich des Leitungsbandes ist.
  • Die 2a und 2b lassen die Atomstruktur in der durch die [001] und [110]-Richtung aufgespannten Ebene eines Silizium-Substrates mit unmittelbar an die Substratoberfläche angrenzender Ionenzwischenschicht aus Strontiumatomen erkennen. Es wird deutlich, dass die Strontiumatome der Ionenzwischenschicht in die Lücken der Gitterstruktur der Substratoberfläche eingelagert sind. Die mittleren lateralen Abstände der Strontiumatome der Ionenzwischenschicht zu den jeweils benachbarten Siliziumatomen des Substrates an der (001)-Substratoberfläche sind dabei gleich.
  • Durch die Ionenzwischenschicht wird erreicht, dass die Elektronenstruktur der Substratoberfläche gesättigt ist, so dass eine Ionendeckschicht auf eine inerte Ionenzwischenschicht bzw. Substratoberfläche aufgebracht werden kann. Auf diese Weise kann eine sehr dünne isolierende Schicht, insbesondere mit High-K-Oxiden, erzielt werden, die zudem stabil ist.
  • Das Aufbringen der erfindungsgemäßen Ionenzwischenschicht kann durch Auftragen eines Erdalkalimetalls auf die hochreine Substratoberfläche mit bekannten Verfahren, z.B. Epitaxie, erfolgen. Vorzugsweise beginnt das Abscheiden bei einer hohen Temperatur, um möglicherweise verbleibenden Sauerstoff und Wasserstoff zu desorbieren. Dann wird die Substrattemperatur vorzugsweise auf etwa 650 bis 750°C verringert. Dies kann beispielsweise in einer Molekularstrahl-Epitaxiekammer erfolgen oder das Siliziumsubstrat kann mindestens teilweise in einer Vorbereitungskammer erhitzt und anschließend in eine Aufwachskammer überführt werden, in der der Heizvorgang abgeschlossen wird.
  • Sobald das Siliziumsubstrat geeignet erwärmt und der Druck in der Aufwachskammer auf ein passendes Maß reduziert wurde, wird die Oberfläche des Siliziumsubstrates einem Metallstrahl ausgesetzt, vorzugsweise einem Erdalkalimetall-Strahl. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Barium oder Strontium eingesetzt, das zu einer Ionenzwischenschicht mit einer mit geringen Anzahl von Gitterfehlern führt.
  • Die in der 2 skizzierten Strontiumatome der Ionenzwischenschicht sind teilweise in die Substratoberfläche des Siliziumsubstrates eingelassen und bilden eine Fläche mit den Dimeren der Substratoberfläche. Eine solche Ionenzwischenschicht kann bei Temperaturen zwischen etwa 650 bis 750°C mit einem Dampfabscheidungsverfahren erzielt werden.
  • Die zwei Valenzelektronen der Strontiumatome werden jeweils in die nur teilweise gefüllten „Dangling-Bonds" der Siliziumatome an der Substratoberfläche übertragen. Dadurch ist die Substratoberfläche elektronisch gesättigt und die Bandlücke auf einen Wert im Bereich der Bandlücke des Substrats eingestellt.
  • Die 3 und 4 zeigen Draufsichten auf die Atomstruktur mit den dimerisierten Siliziumatomen der obersten Substratlage und den Strontiumatomen der Ionenzwischenschicht. In der 4 ist zusätzlich noch die unter der obersten Substratlage liegende Atomschicht des Substrates dargestellt.
  • Es wird deutlich, dass die Strontiumatome der Ionenzwischenschicht in die Lüc ken der Gitterstruktur des Substrates regelmäßig in einer halben Monolage bezogen auf die Anzahl der Siliziumatome auf der obersten Substratlage eingebaut sind.
  • Die 5 lässt eine Draufsicht auf das Ladungsmuster der Ionenzwischenschicht und der obersten Substratlage gemäß 3 erkennen. Es wird deutlich, dass die Ladung der zweifach positiv geladenen Strontiumatome jene der einfach negativ geladenen Siliziumatome kompensiert, wenn die Ionenzwischenschicht eine halbe Monolage der Strontiumatome enthält.
  • Nachdem die Ionenzwischenschicht gebildet ist, werden eine oder mehrere Ionendeckschichten vorzugsweise aus einem Einzelkristalloxid auf die Ionenzwischenschicht aufgebracht.
  • Die 6a und 6b lassen eine solche vervollständigte Struktur mit Substratoberfläche, Ionenzwischenschicht und Ionendeckschicht erkennen, wobei die Ionendeckschicht aus Strontiumatomen, Titanatomen und Sauerstoffatomen gebildet ist.
  • Optional kann die Ionendeckschicht eine Zwischenlage angrenzend an die Ionenzwischenschicht aus einem Erdalkalimetalloxid, wie beispielsweise Bariumoxid BaO oder SrO, haben.
  • Die Bildung der Ionendeckschicht kann beispielsweise durch Verringerung der Temperatur erfolgen, während die Ionenzwischenschicht beibehalten wird, beispielsweise bei mindestens einer halben Monolage von Erdalkalimetallatomen. Die verringerte Temperatur kann erforderlich sein, um eine Desorption der Erdalkalimetalle zu vermeiden. Sauerstoff und Strontium werden dann entweder gleichzeitig oder alternierend eingebracht, um eine Deckschicht mit einer Monolage Strontium und einer Monolage Sauerstoff zu erzielen. Alternativ kann der Sauerstoff-Partialdruck auf einen Wert angehoben werden, der jedoch geringer sein muss, als zum Oxidieren des Siliziumsubstrates erforderlich ist. Hierdurch wird ein (1 × 1) rekonstruiertes Erdalkalimetalloxid auf der mit einer halben Monolage der Ionenzwischenschicht abgedeckten Substratoberfläche ausgebildet. In Abhängigkeit von der Temperatur und der Zusammensetzung kann die Erdalkalimetalloxid-Monolage verzerren. Das RHEED-Muster wird dadurch unbestimmt. Nach Abscheiden weiterer Ionendeckschichten, die nicht notwendigerweise die gleiche Materialzusammensetzung haben muss, wird die Verzerrung instabil und die Struktur rekonstruiert in dem gewünschten Muster. Beispielsweise kann als weitere Oxidschicht Titanoxid im Fall des Aufwachsens von SrTiO3 eingesetzt werden.
  • Vorteilhaft ist, wenn die Ionenzusammensetzung der Ionendeckschicht eine an die Ionenzwischenschicht und der obersten Substratlage angepasste Gitterstruktur und eine unpolare (ungeladene) Grenzfläche zur Ionenzwischenschicht gewährleisten.
  • Die fertiggestellte Struktur mit Substrat, Ionenzwischenschicht und mindestens einer Ionendeckschicht wird dann einem Sauerstoff-Partialdruck ausgesetzt, der so niedrig ist, dass kein Siliziumoxid SiO2 gebildet wird, und der so groß ist, dass das Oxid der Ionendeckschicht eine gute Qualität hat, insbesondere eine geringe Sauerstoffleerstellen-Konzentration. Während des Auftragens der Schichten sollte eine Oxidation des Substrates vermieden werden. Daher sollte das Abscheiden bei einem Sauerstoff-Partialdruck erfolgen, der nicht zur Ausbildung von SiO2 ausreicht, aber groß genug ist, um eine Silicidbildung der Substratoberfläche zu vermeiden. Dies führt dazu, dass das Oxid der Ionendeckschicht sauerstoffreich und ein guter Isolator ist.
  • Die 7a und 7b lassen die Seitenansicht einer Ionendeckschicht auf einer Ionenzwischenschicht mit einer zusätzlichen Monolage von an die Substratoberfläche gebundenen Sauerstoff in [110]-Richtung und [110]-Richtung erkennen. Die Ionenzwischenschicht weist eine halbe Monolage Strontium auf. Die Ionendeckschicht beinhaltet Strontiumatome, Titanatome und Sauerstoffatome.
  • Das Einbringen von Sauerstoff kann während oder nach der Herstellung der Ionenzwischenschicht erfolgen. Es bietet sich aber auch an, in einem abschließenden Schritt nach Aufbringen der Ionendeckschicht Sauerstoff beispielsweise mit einem Gas-Anneal-Verfahren einzubringen. Damit wird der Sauerstoffgehalt im Oxid eingestellt und freie Gitterpositionen und Bindungen werden mit Sauerstoff aufgefüllt und eventuell die oberste Substratlage selektiv oxidiert.
  • Die Auswahl eines geeigneten Sauerstoff-Partialdrucks zum Einstellen des Sauerstoffgehalts ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Bei zu niedrigem Partialdruck wird die Qualität der Ionendeckschicht beeinträchtigt, so dass sie kein guter Isolator ist. Bei zu hohem Partialdruck wird das Substrat auch unterhalb der obersten Substratlage oxidiert, was die dielektrischen Eigenschaften (Kapazität) der Struktur beeinträchtigt.
  • Während der Lebensdauer der Struktur können Sauerstoffatome aus der isolierenden Schicht herausdiffundieren, was zu einer Qualitätsverminderung führt. So können freiwerdende Sauerstoffpositionen elektrische Defekte aufgrund von Leckströmen sowie chemische Prozesse verursachen, die die Lebensdauer der Struktur verringern. Durch Einbringen eines Sauerstoffreservoirs mit einer niedrigen Bildungsenergie von Sauerstoffleerstellen kann der Sauerstoffverlust ausgeglichen werden. Die Materialstruktur für das Sauerstoffreservoir sollte in einem Bereich eingelagert werden, in dem ein verarmtes Sauerstoffreservoir die Funktionalität nicht negativ beeinträchtigt. Das Sauerstoffreservoir und das Material mit dem Sauerstoffmaterial und der isolierenden Schicht sollten eine ausreichend hohe Sauerstoffdiffussionskonstante haben, so dass Sauerstoffatome effizient zur isolierenden Schicht gelangen können.

Claims (17)

  1. Struktur, insbesondere Halbleiterstruktur, – mit einem Substrat, das eine diamant- oder zinkselenidartige Gitterstruktur hat, und – mit mindestens einer isolierenden Schicht auf dem Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der isolierenden Schicht – im Wesentlichen alle Atome des Substrates auf den Gitterpositionen des Substratgitters sind, die Atome der obersten Substratlage als Teil des Substrats dimerisiert sind, und die Substratoberfläche frei von Silizid ist, so dass im Bereich der Substratoberfläche vorkommende Siliziumatome dem Substrat zugeordnet sind und nicht in Verbindung mit einem elektropositiveren Element ein Silizid ausbilden; – mindestens eine Ionenzwischenschicht unmittelbar an die Substratoberfläche angrenzt, deren Ionen das gegenüber Silizium elektropositivere Element bilden; und – mindestens eine Ionendeckschicht auf der Ionenzwischenschicht ausgebildet ist.
  2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenzwischenschicht eine derartige Anzahl von Kationen aufweist, dass alle offenen Bindungen des Substrats mit Elektronen gefüllt sind.
  3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenzwischenschicht Metallionen, insbesondere Erdalkalimetallionen oder Lanthanoide aufweist.
  4. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenzwischenschicht etwa eine Monolage eines einwertigen Metalls, etwa eine halbe Monolage eines zweiwertigen Metalls, oder etwa eine Drittel Monolage eines dreiwertigen Metalls ausbildet, wobei die Anzahl der Atome einer Monolage der Anzahl der Atome in einer (001)-Netzebene des Substrates entspricht.
  5. Struktur nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdalkalimetallionen aus der Gruppe der Elemente Barium (Ba) und/oder Strontium (Sr) gewählt sind.
  6. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste Substratlage oxidiert ist.
  7. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimerbindungen der obersten Substratlage durch Sauerstoffbrücken ersetzt sind.
  8. Struktur nach einem Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffatome einfach an die Substratatome der Substratoberfläche gebunden sind.
  9. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimere des Substrates auf der [001]-Substratoberfläche zeilenweise ausgerichtet sind und die Kationen der Ionenzwischenschicht zwischen den Zeilen der Dimere angeordnet sind.
  10. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Atome der Ionenzwischenschicht und die Atome des Substrates ein zweidimensionales periodisches Gitter mit zu Dimeren gebundenen Substratatomen und mit Atomen der Ionenzwischenschicht jeweils zwischen zwei Dimeren oder in der Mitte von vier Dimeren bilden.
  11. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionendeckschicht ein Oxid und/oder Nitrid ist.
  12. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionendeckschicht eine an das Gitter der Ionenzwischenschicht angepasste Gitterstruktur und keinen Elektronenüberschuß oder Elektronenunterschuss hat.
  13. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur unmittelbar anschließend an die Ionenzwischenschicht, wobei die sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur derart gewählt und eingebaut ist, dass ausdiffundierende Sauerstoffionen aus dem sauerstoffhaltigen, ionenleitenden Material weitgehend ersetzt werden.
  14. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur unmittelbar anschließend an die Ionendeckschicht, wobei die sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur derart gewählt und eingebaut ist, dass ein Sauerstoffdefizit der Ionendeckschicht ausgeglichen wird.
  15. Struktur nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur eine Grenzfläche zwischen zwei Materialien enthält, die einen voneinander unterschiedlichen Sauerstoffgehalt aufweisen.
  16. Verfahren zur Herstellung einer Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine isolierende Schicht auf ein Substrat aufgebracht wird, mit den Schritten: – Bereitstellen eines Substrats, das eine diamant- oder zinkselenidartige Gitterstruktur hat, – Aufbringen einer Ionenzwischenschicht auf eine Oberfläche des Substrats, – Aufbringen mindestens einer Ionendeckschicht auf die Ionenzwischenschicht, gekennzeichnet durch Einbringen von Sauerstoff in die Substratoberfläche und Einstellen eines gewünschten energetischen Abstands der Bandkanten der isolierenden Schicht relativ zu den Bandkanten des Substrates durch Einstellen des Sauerstoffgehalts der Substratoberfläche, wobei im Bereich der isolierenden Schicht – im Wesentlichen alle Atome des bereitgestellten Substrats auf den Gitterpositionen des Substratgitters sind und die Atome der obersten Substratlage als Teil des bereitgestellten Substrats dimerisiert sind, und – im Bereich der Substratoberfläche vorkommende Siliziumatome nach dem Aufbringen der Ionenzwischenschicht dem Substrat zugeordnet bleiben und nicht in Verbindung mit einem elektropositiveren Element, das von den Ionen der aufgebrachten Ionenzwischenschicht gebildet wird, ein Silizid ausbilden.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks während oder nach der Herstellung der Struktur zur Einstellung des gewünschten Abstands der Bandkanten.
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