DE10350702A1 - Bauelement mit einer kapazitiven, gegenüber Fehlern einer Dielektrikumschicht robusten Struktur - Google Patents

Bauelement mit einer kapazitiven, gegenüber Fehlern einer Dielektrikumschicht robusten Struktur Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer kapazitiven Struktur, die eine erste Elektrodenschicht (10; 11; 12; 13; 111), eine Dielektrikumsschicht (20; 21; 22; 23; 121) und eine zweite Elektrodenschicht (30; 31; 131) aufweist, wobei eine Widerstandsschicht (40; 41; 42; 43; 44; 141) zwischen wenigstens einer der Elektrodenschichten (10-13, 111, 30-31, 131) und der Dielektikumsschicht (20-23, 121) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer kapazitiven Struktur die eine erste Elektrode, eine Dielektrikumsschicht und eine zweite Elektrode aufweist.
  • Bauelemente mit einer solchen kapazitiven Struktur sind neben herkömmlichen Kondensatoren auch mittels Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente mit einer isolierenden Ansteuerelektrode, die durch eine Dielektrikumsschicht isoliert gegenüber einer in einer Halbleiterschicht ausgebildeten Kanalzone angeordnet ist. Die Ansteuerelektrode bildet dabei eine erste Elektrode und die Halbleiterschicht mit der Kanalzone die zweite Elektrode der kapazitiven Struktur, die bei diesen Bauelementen zur Steuerung des Bauelements dient.
  • Derartige, mittels Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente sind beispielsweise IGBT, bei denen eine als Ansteuerelektrode funktionierende Gate-Elektrode zur Steuerung eines leitenden Kanals in einer ersten Basiszone zwischen einer Emitterzone und einer zweiten Basiszone dient, oder MOSFET, bei denen eine Gate-Elektrode zur Steuerung eines leitenden Kanals in einer Kanalzone bzw. Body-Zone zwischen einer Source-Zone und einer Drain-Zone bzw. einer an die Drain-Zone angeschlossenen Driftzone dient. Diese Bauelemente sind allgemein bekannt und beispielsweise in Stengl/Tihanyi: „Leistungs-MOS-FET-Praxis", Pflaum-Verlag, München, 1994, Seiten 33 bis 37 und 101 bis 104, beschrieben.
  • Bei Leistungsbauelementen, die nach dem Feldeffektprinzip funktionieren, und die aufgrund ihres Aufbaus eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe Stromtragfähigkeit besitzen, und die beispielsweise zum Schalten elektrischer Verbraucher eingesetzt werden, werden hohe Anforderungen an deren Zuver lässigkeit gestellt. Ein gravierender Fehler, der bei solchen Bauelementen auftreten kann, betrifft einen Defekt der Dielektrikumsschicht durch den die Dielektrikumsschicht an einer fehlerhaften Stelle lokal eine verringerte Spannungsfestigkeit aufweist. Kleinste Abmessungen solcher Defektstellen bezogen auf die Gesamtfläche der Dielektrikumsschicht genügen bereits, um im Betrieb des Bauelements einen Spannungsdurchbruch zwischen den Elektroden der kapazitiven Struktur hervorzurufen, der die Defektstelle weiter aufweitet, was einer Zerstörung des Bauelements gleichkommt.
  • Probleme durch Unregelmäßigkeiten einer Dielektrikumsschicht können auch bei Speicherzellen in EPROM- oder EEPROM-Speichern auftreten. Derartige Speicherzellen sind allgemein bekannt und beispielsweise in Sze: "Semiconductor Devices, Physics and Technology", 2nd edition, Wiley, 2002, Seiten 216-218, beschrieben. Die Speicherzellen solcher Speicher umfassen jeweils einen MOS-Transistor mit einer floatend angeordneten Speicherelektrode, dem sogenannten "Floating Gate", die mittels einer ersten Dielektrikumsschicht isoliert gegenüber einem Halbleiterkörper angeordnet ist und die mittels einer zweiten Dielektrikumsschicht isoliert gegenüber einer Ansteuerelektrode, dem sogenannten "Steuer-Gate", ausgebildet ist. Die erste Dielektrikumsschicht ist beispielsweise als sogenanntes Tunneloxid mit einer Dicke zwischen 5nm und 10nm ausgebildet, das bei Anlegen einer geeigneten "Programmierspannung" zwischen dem Steuer-Gate und dem Halbleiterkörper einen Ladungsträgerfluss zwischen dem Floating-Gate und dem Halbleiterkörper ermöglicht, um die Speicherzelle zu programmieren bzw. der Zelle einen von zwei möglichen Speicherzuständen einzuprägen.
  • Beim Programmieren oder Beschreiben der Speicherzelle kann es aufgrund von Inhomogenitäten in der ersten Dielektrikumsschicht zu einer sehr ungleichmäßigen Verteilung der Stromdichte in dieser ersten Dielektrikumsschicht kommen, was sich nachteilig auf die Lebensdauer des Bauelements auswirken kann.
    •
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauelement mit einer kapazitiven Struktur zur Verfügung zu stellen, das robust gegen Defekte oder Inhomogenitäten einer in einer kapazitiven Struktur vorhandenen Dielektrikumsschicht ist.
  • Dieses Ziel wird durch ein Bauelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Bauelement mit einer kapazitiven Struktur, die eine erste Elektrodenschicht, eine Dielektrikumsschicht und eine zweite Elektrodenschicht aufweist, umfasst eine Widerstandsschicht zwischen wenigstens einer der Elektrodenschichten und der Dielektrikumsschicht.
  • Davon ausgehend, dass die Abmessungen von auftretenden Defekten der Dielektrikumsschicht sehr klein sind im Vergleich zu den Abmessungen dieser Dielektrikumsschicht, kann der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht so gewählt werden, dass diese Widerstandsschicht Lade- und Entladevorgänge dieser Kapazität nur in geringem Maß beeinflusst, einem aufgrund eines Defekts der Dielektrikumsschicht lokal auftretenden Leckstrom jedoch einen so hohen elektrischen Widerstand entgegensetzt, dass dieser Leckstrom bei üblicherweise anliegenden Spannungen nur sehr kleine Werte annehmen kann, so dass eine weitere Beschädigung der Dielektrikumsschicht verhindert wird.
  • Das erfindungsgemäße Konzept ist auf beliebige Bauelemente mit einer kapazitiven Struktur, insbesondere auch auf mittels Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente anwendbar. So ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Bauelement als steuerbares Halbleiterbauelement ausgebildet ist, bei dem die erste Elektrode durch eine Ansteuerelektrode und die zweite Elektrode durch eine Halbleiterschicht oder einen Halbleiterkörper ausgebildet ist, in der/dem sich aktive Bauelementbereiche befinden. Bei einem MOSFET bildet die Ansteuerelektrode die Gate-Elektrode und die Dielektrikumsschicht die sogenannte Gate-Isolation.
  • Bei einer Ausführungsform eines solchen steuerbaren Halbleiterbauelements ist vorgesehen, dass die Isolationsschicht, die Widerstandsschicht und die Ansteuerelektrode oberhalb einer Seite der Halbleiterschicht angeordnet sind. Das Bauelement ist dann als Bauelement mit einer planaren Ansteuerelektrodenstruktur ausgebildet.
  • Bei einer Ausführungsform eines steuerbaren Halbleiterbauelements erstreckt sich ausgehend von einer Seite der Halbleiterschicht wenigstens ein Graben in die Halbleiterschicht hinein, wobei der Graben Seitenwände aufweist, die wenigstens teilweise von der Isolationsschicht bedeckt sind. Dabei kann die Widerstandsschicht in dem Graben von der Ansteuerelektrode überdeckt sein, oder die Widerstandsschicht kann den Graben wenigstens in einem unteren Bereich vollständig auffüllen und durch die Ansteuerelektrode kontaktiert sein.
  • Außerdem besteht die Möglichkeit, den Graben mit einem besser als die Widerstandsschicht elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem hochdotierten Halbleitermaterial, wie Polysilizium, teilweise oder vollständig aufzufüllen und die Widerstandsschicht zwischen dieses leitende Material und die Ansteuerelektrode einzubringen.
  • Das erfindungsgemäße Konzept ist auch anwendbar auf Speicherzellen in EPROM- oder EEPROM-Speichern, die eine Speicherelektrode und eine Steuerelektrode aufweisen, die isoliert gegenüber einem Halbleiterkörper angeordnet sind und bei denen eine erste Dielektrikumsschicht zwischen der Speicherelektrode und dem Halbleiterkörper und eine zweite Dielektrikumsschicht zwischen der Speicherelektrode und der Steuer elektrode angeordnet ist. Ersetzt man bei einer solchen Speicherzelle die kapazitive Struktur mit der Speicherelektrode, der ersten Dielektrikumsschicht und dem Halbleiterkörper durch eine erfindungsgemäße kapazitive Struktur, indem eine Widerstandsschicht zwischen der Speicherelektrode und der ersten Dielektrikumsschicht eingefügt wird, so verteilt sich beim Programmieren oder Beschreiben der Zelle der Strom durch die erste Dielektrikumsschicht gleichmäßiger über die Fläche dieser Dielektrikumsschicht, wodurch thermische Belastungen dieser Dielektrikumsschicht reduziert sind, was zu einer höheren Lebensdauer des Bauelements führt.
  • Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Bauelements besteht die Widerstandsschicht vorzugsweise aus einem homogenen Widerstandsmaterial, das insbesondere bei einem Halbleiterbauelement die Ladungsträgerverteilung in der Halbleiterschicht benachbart zu der Dielektrikumsschicht nicht beeinflusst.
  • Als Widerstandsmaterial eignet sich beispielsweise ein mit Stickstoff oder Sauerstoff dotiertes Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, das auch als SIPOS bezeichnet wird.
  • Weiterhin eignet sich amorpher wasserstoffhaltiger Kohlenstoff (aC:H) oder amorphes Siliziumkarbid als Material für die Widerstandsschicht. Außerdem können Metalloxide als Material für die Widerstandsschicht verwendet werden.
  • Die Dicke der Widerstandsschicht beträgt vorzugsweise zwischen 50nm und 500nm.
    •
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt ein als Kondensator ausgebildetes Bauelement mit einer erfindungsgemäßen kapazitiven Struktur.
  • 2 veranschaulicht einen möglichen Defekt des Dielektrikums anhand eines Ausschnitts der in 1 dargestellten Struktur.
  • 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Transistors mit isolierter Gate-Elektrode, der eine erfindungsgemäße kapazitive Struktur aufweist.
  • 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Transistors mit isolierter Ansteuerelektrode, der eine erfindungsgemäße kapazitive Struktur aufweist.
  • 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Transistors mit isolierter Ansteuerelektrode, der eine erfindungsgemäße kapazitive Struktur aufweist.
  • 6 zeigt eine Speicherzelle mit einer Floating-Gate-Struktur, die eine erfindungsgemäße kapazitive Struktur aufweist.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Bereiche mit gleicher Bedeutung.
  • 1a zeigt im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Plattenkondensators, der eine erste Elektrodenschicht 10, eine Dielektrikumsschicht 20 und eine zweite Elektrodenschicht 30 aufweist. Die erste und zweite Elektrodenschicht 10, 30 sind dabei jeweils durch eine Anschlussklemme K1, K2 kontaktiert. Zwischen der ersten Elektrodenschicht 10 und der Dielektrikumsschicht 20 ist in dem Ausführungsbeispiel eine Widerstandsschicht 40 angeordnet, deren spezifischer Widerstand größer, vorzugsweise wesentlich größer, ist als der spezifische Widerstand der vorzugsweise sehr niederohmigen Elektrodenschichten 10, 30.
  • Das elektrische Ersatzschaltbild dieses Kondensators ist in 1b dargestellt und ergibt sich aus einer Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes R und eines idealen Kondensators C. Unter der Annahme, dass der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht 40 wesentlich größer ist als der spezifische Widerstand der Elektrodenschichten 10, 30 wird der Ersatzwiderstand R im Wesentlichen nur durch den Widerstand dieser Widerstandsschicht 40 gebildet.
  • Die Widerstandsschicht 40 bewirkt ein robustes Verhalten der kapazitiven Struktur bei Defekten der Dielektrikumsschicht 20 wie nachfolgend anhand von 2 erläutert wird.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt der in 1a dargestellten Kondensatorstruktur. In dem dargestellten Ausschnitt weist die Dielektrikumsschicht 20 in einem Abschnitt 29 einen Defekt in der Dielektrikumsschicht 20 auf, der bei Anlegen einer Spannung V zwischen der zweiten Anschlussklemme K2 bzw. zweiten Elektrodenschicht 30 und der ersten Anschlussklemme K1 bzw. ersten Elektrodenschicht 10 einen Stromfluss durch die Dielektrikumsschicht 20 ermöglicht.
  • Unter der Annahme, dass der die Defektstelle 29 der Dielektrikumsschicht 20 durchfließende Strom sich in der Widerstandsschicht 40 halbkugelförmig ausbreitet, lässt sich der durch die Widerstandsschicht 40 bewirkte, diesen Stromfluss behindernde elektrische Widerstand R1 wie folgt annäherungsweise berechnen:
    Figure 00070001
    dabei bezeichnet R1, den dem Leckstrom entgegengesetzten Widerstand, d1 den wirksamen Durchmesser der Defektstelle 29 in der Dielektrikumsschicht 20, dw die Dicke der Widerstandsschicht 40 und ρ den spezifischen Widerstand der Widerstandsschicht.
  • Ausgehend von einem spezifischen Widerstand des Widerstandsbelages 40 von ρ = 104 Ωcm, einer Dicke des Widerstandsbelages von 300nm, und einem Durchmesser der Defektstelle 29 von 30nm ergibt sich ein Widerstand R1 von mehr als 1010Ω. Bei einer zwischen der ersten und zweiten Anschlussklemme K1, K2 anliegenden Spannung von 10V resultiert hieraus ein Leckstrom von weniger als 1nA.
  • Ohne den Widerstandsbelag 40 würde bei einem solchen in 2 dargestellten Defekt der Dielektrikumsschicht 20 ein Kurzschlussstrom fließen, der zu einer Vergrößerung des Defektes und zu einer vollständigen Zerstörung der Kondensatorstruktur führen würde.
  • Die Widerstandsschicht 40 ist so gewählt, dass sie Leckströmen, die auf einen Bereich begrenzt sind, der bezogen auf die Gesamtfläche der Dielektrikumsschicht sehr klein ist, einen großen elektrischen Widerstand entgegensetzt, dass sie das Lade- und Entladeverhalten der kapazitiven Struktur jedoch nicht erheblich beeinflusst.
  • Maßgeblich für das Lade- und Entladeverhalten einer solchen kapazitiven Struktur ist bezugnehmend auf das Ersatzschaltbild in 1 die RC-Zeitkonstante, die sich aus dem Produkt des Widerstandswertes des ohmschen Widerstandes R und dem Kapazitätswert C des idealen Kondensators C ergibt.
  • Für die in 1a dargestellte kapazitive Struktur ergibt sich diese RC-Zeitkonstante wie folgt:
    Figure 00080001
    wobei ρ der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht 40, dw die Dicke dieser Widerstandsschicht 40, A die Fläche der Dielektrikumsschicht 20 und der Widerstandsschicht 40, ε0 die Dielektrizitätskonstante im Vakuum, εr die relative Die lektrizitätskonstante der Dielektrikumsschicht 20 und dox die Dicke der Dielektrikumsschicht 20 ist. Für einen spezifischen Widerstand des Widerstandsbelages ρ = 104 Ωcm, eine Dicke des Widerstandsbelages dw = 300nm, eine Dicke der Dielektrikumsschicht dox = 30nm und für eine Dielektrikumsschicht aus Siliziumoxid ergibt sich für diese Zeitkonstante RC in etwa ein Wert von 10–8s, wodurch Lade- und Entladevorgänge mit einer Frequenz von bis zu etwa 10MHz möglich sind.
  • Die erfindungsgemäße kapazitive Struktur, die robust gegenüber Defekten der Dielektrikumsschicht ist, ist in beliebigen Bauelementen einsetzbar, die eine kapazitive Struktur aufweisen, insbesondere in beliebigen Kondensatoren, auch in solchen Kondensatoren, die nicht in Planartechnologie hergestellt sind. Die Geometrie der kapazitiven Struktur ist selbstverständlich nicht auf die in 1a dargestellte plattenförmige Geometrie der Elektrodenschichten 10, 30, der Widerstandsschicht 40 und der Dielektrikumsschicht 20 beschränkt. Vielmehr kann diese Schichtstruktur je nach Anwendungsfall in verschiedenster Weise geometrisch geformt sein.
  • Die erfindungsgemäße kapazitive Struktur ist insbesondere auf MOS-Transistoren mit einer isolierten Ansteuerelektrode anwendbar, wie nachfolgend anhand der 3 bis 5 erläutert wird.
  • 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines MOSFET mit einer oberhalb eines Halbleiterkörpers 31 angeordneten plattenförmig ausgebildeten Gate-Elektrode 11, die die Ansteuerelektrode des Bauelements bildet. Diese Gate-Elektrode 11 ist in hinlänglich bekannter Weise durch eine Dielektrikumsschicht 21, beispielsweise eine Halbleiteroxidschicht, gegenüber dem Halbleiterkörper 31 elektrisch isoliert. Zur Erhöhung der Robustheit dieses Bauelements gegenüber Defekten dieser Dielektrikumsschicht 21 ist dabei eine Widerstandsschicht 41 zwischen der Gate-Elektrode 11 und der Dielektrikumsschicht 21 eingebracht.
  • Der Halbleiterkörper 31 umfasst in bekannter Weise eine Halbleiterzone 32, die die Driftzone des Bauelements bildet und die bei einem n-leitenden MOSFET n-dotiert ist. In diese Driftzone 32 sind ausgehend von einer Vorderseite des Halbleiterkörpers 31 p-dotierte Body-Zonen 34 eingebracht, die komplementär zu der Drift-Zone 32 dotiert sind. In diesen Body-Zonen 34 sind wiederum komplementär zu den Body-Zonen 34 dotierte Source-Zonen 35 angeordnet, wobei die Body-Zonen 34 und die Source-Zonen 35 in dem dargestellten Beispiel gemeinsam durch eine Source-Elektrode 50 kontaktiert sind. In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, dass diese Source-Elektrode nur die Source-Zonen 35 kontaktiert.
  • Die Gate-Elektrodenstruktur mit der Gate-Elektrode 11, der Widerstandsschicht 41 und der Dielektrikumsschicht 21, die auch als Gate-Isolationsschicht bezeichnet wird, ist so angeordnet, dass durch Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotenzials an die Gate-Elektrode 11 ein leitender Kanal in der Body-Zone 34 zwischen der Source-Zone 35 und der Driftzone 32 gesteuert werden kann. In dem dargestellten Beispiel verläuft dieser Kanal unterhalb der Vorderseite des Halbleiterkörpers 31, wobei sich Abschnitte der Driftzone 32 unterhalb der Gate-Elektrodenstruktur bis an die Vorderseite des Halbleiterkörpers 31 erstrecken.
  • Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass sich an die Driftzone 32 an der der Vorderseite abgewandten Rückseite des Halbleiterkörpers 31 eine stark dotierte Halbleiterzone 33 anschließt, die bei einem MOSFET vom selben Leitungstyp wie die Driftzone 32 ist und die die Drain-Zone des Bauelements bildet. Bei einem IGBT ist diese Halbleiterzone 33 komplementär zu der Driftzone 32 dotiert.
  • Bei dem in 3 dargestellten Bauelement bildet die Gate-Elektrode 11 eine Elektrodenschicht der kapazitiven Struktur, die Gate-Isolationsschicht 21 bildet die Dielektrikumsschicht der kapazitiven Struktur und der Halbleiterkörper 31 bildet eine zweite Elektrodenschicht der kapazitiven Struktur. Die Widerstandsschicht 41 begrenzt einen bei einem Defekt der Dielektrikumsschicht 31 fließenden Leckstrom zwischen der Gate-Elektrode 11 und dem Halbleiterkörper 31, dessen Rückseite auf Drain-Potenzial liegt.
  • Die zuvor anhand des Zahlenbeispiels erläuterten Werte einer Dicke der Dielektrikumsschicht dox von 30nm sind übliche Werte für die Dicke der Gate-Isolationsschicht in einem MOSFET. Verwendet man eine Widerstandsschicht 41 einer Dicke von 300nm mit einem spezifischen Widerstand von ρ = 104Ωcm, so beträgt die RC-Zeitkonstante der Gatestruktur etwa 10–8s. Der MOSFET kann somit mit einer Frequenz von bis zu 10MHz getaktet betrieben werden, ohne dass es zu einer nennenswerten Beeinflussung des Schaltverhaltens kommt.
  • Wie bereits anhand des vorangegangenen Zahlenbeispiels erläutert, fließt bei einem Defekt mit einem Durchmesser von 30nm der Dielektrikumsschicht 21 ein Leckstrom von lediglich etwa 1nA. Tatsächlich sind übliche Defekte der Dielektrikumsschicht 21 wesentlich kleiner, woraus aus Gleichung 1 ein größerer Widerstand und damit ein noch kleinerer Leckstrom resultiert. Leckströme dieser Größenordnung beeinflussen ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Transistors nicht, wodurch das Bauelement robust gegenüber den erläuterten Defekten der Dielektrikumsschicht 21 ist. Ohne die Widerstandsschicht 41 würde ein wesentlich größerer Leckstrom zwischen dem Halbleiterkörper 31 und der Gate-Elektrode 11 fließen, der zu einer Vergrößerung des Defektbereiches und damit zu einer vollständigen Zerstörung des Bauelements führen würde.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines MOSFET bzw. IGBT, das sich von dem in 3 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Gate-Elektrodenstrukturen nicht planar oberhalb der Oberfläche des Halbleiterkörpers 31 sondern in Gräben des Halbleiterkörpers 31 angeordnet sind, die sich ausgehend von der Vorderseite in den Halbleiterkörper 31 hinein erstreckt. Die Gräben erstrecken sich dabei benachbart zu den Source-Zonen 35 durch die Body-Zone 34 bis in die Driftzone 32.
  • Eine Dielektrikumsschicht 22, die die Gate-Isolationsschicht bildet, ist in diesem Ausführungsbeispiel jeweils auf Seitenwände eines Grabens aufgebracht, wobei innerhalb des Grabens auf diese Dielektrikumsschicht 22 eine Widerstandsschicht 42 aufgebracht ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dicke dieser Widerstandsschicht 42 so gewählt, dass eine Aussparung in dem Graben nach Aufbringen der Widerstandsschicht 42 verbleibt, wobei diese Aussparung durch eine die Gate-Elektrode bildende Anschlusselektrode 12 aufgefüllt ist.
  • Die Source-Zonen 35 sind durch die Source-Elektrode 50 kontaktiert, wobei in dem dargestellten Beispiel die Source-Elektrode 50 ebenfalls die Body-Zone 34 kontaktiert. Um einen niederohmigen Kontakt zwischen der Source-Elektrode 50 und der Body-Zone 34 zu erhalten ist in dem Ausführungsbeispiel eine stark p-dotierte Halbleiterzone 36 zwischen der Source-Elektrode 50 und der Body-Zone 34 vorhanden. Entsprechend dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Isolationsschicht 51 zwischen der Source-Elektrode 50 und der Gate-Elektrode (11 in 3, 12 in 4) angeordnet.
  • 5 zeigt anhand eines Graben-MOSFET zwei weitere Realisierungsmöglichkeiten einer Gate-Elektrodenstruktur mit Widerstandsschicht. Bei der im linken Teil in 5 dargestellten Gate-Elektrodenstruktur ist der Graben in dem Halbleiterkörper 31, auf dessen Seitenwände eine Dielektrikumsschicht 23 aufgebracht ist, vollständig mit einem Widerstandsmaterial 44 aufgefüllt. Eine Gate-Elektrode 13 kontaktiert dieses Widerstandsmaterial oberhalb des Grabens und durch die Isolationsschicht 51 isoliert gegenüber der Source-Elektrode 50.
  • Von dieser im linken Teil dargestellten Struktur unterscheidet sich die im rechten Teil von 5 dargestellte Gate-Elektrodenstruktur dadurch, dass bei dieser Gate-Elektrodenstruktur der Graben mit einem leitfähigen Material 73, beispielsweise einem dotierten Halbleitermaterial aufgefüllt ist, während eine Widerstandsschicht 43 zwischen diesem leitenden Material 73 und der Ansteuerelektrode 13 angeordnet ist. Das auf die Dielektrikumsschicht 23 aufgebrachte Material 73 besteht beispielsweise aus einem hochdotierten Polysilizium.
  • Der Gesamtwiderstand der Widerstandsschicht 43 ist bei diesem Ausführungsbeispiel größer als der Gesamtwiderstand der Widerstandsschicht bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen, wobei der Widerstand dieser Widerstandsschicht so groß ist, dass bei einem Defekt der Dielektrikumsschicht 23 annähernd kein Strom von der Gate-Elektrode 13 über die Widerstandsschicht 43 und die gut elektrisch leitende Schicht 73 sowie die Dielektrikumsschicht 23 in den Halbleiterkörper 31 fließt. Bei einem Defekt der Dielektrikumsschicht wird bei diesem Ausführungsbeispiel die gesamte Zelle „abgeschaltet", während bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen nur jeweils der um den Defekt angeordnete Abschnitt der Gate-Elektrode inaktiv ist.
  • Die erfindungsgemäße kapazitive Struktur mit einer ersten und zweiten Elektrodenschicht, einer Dielektrikumsschicht und einer Widerstandsschicht wenigstens zwischen einer der Elektrodenschichten und der Dielektrikumsschicht ist auch auf Speicherzellen mit einer Floating-Gate-Struktur anwendbar, wie nachfolgend anhand von 6 erläutert ist.
  • 6 zeigt im Querschnitt eine solche Speicherzelle, die in EPROM-Speichern oder EEPROM-Speichern Verwendung findet. Die Grundstruktur einer solchen Speicherzelle entspricht der eines MOS-Transistors und umfasst Source- und Drain-Zonen 135, 132, die beabstandet zueinander in einem komplementär zu Source 135 und Drain 132 dotierten Halbleiterkörper bzw. Halbleiterschicht 131 angeordnet sind. Zwischen den Source- und Drain-Zonen 135, 132 ist eine Kanalzone 134 vorhanden, die komplementär zu diesen Source- und Drain-Zonen 135, 132 dotiert ist. Speicherzelle umfasst oberhalb der Kanalzone 134 eine floatend angeordnete Speicherelektrode 111 die sogenannte Floating-Gate-Elektrode, die mittels einer ersten Dielektrikumsschicht 121 gegenüber dem Halbleiterkörper 131 isoliert ist. Oberhalb dieser Floating-Gate-Elektrode 141 ist isoliert durch eine zweite Dielektrikumsschicht 161 eine Steuerelektrode 160, die sogenannte Steuer-Gate-Elektrode, angeordnet. Erfindungsgemäß ist zwischen der Floating-Gate-Elektrode 111 und der ersten Dielektrikumsschicht 121 eine Widerstandsschicht 141 angeordnet, wodurch die Floating-Gate-Elektrode 111, die Widerstandsschicht 141, die erste Dielektrikumsschicht 121 und die Halbleiterschicht 131 eine erfindungsgemäße kapazitive Struktur bilden.
  • Die Vorteile dieser kapazitiven Struktur im Zusammenhang mit der dargestellten Speicherzelle werden nachfolgend anhand der Funktionsweise dieser Speicherzelle kurz erläutert. Die Speicherzelle kann zwei Speicherzustände annehmen, wobei die Floating-Gate-Elektrode 111 bei einem ersten Speicherzustand ausreichend Ladungsträger gespeichert hat, um einen leitenden Kanal in der Kanalzone 134 zwischen Source- und Drain 135, 132 auszubilden. Bei einem zweiten Speicherzustand sind keine Ladungsträger oder nicht ausreichend Ladungsträger auf der Floating-Gate-Elektrode 111 gespeichert, um einen solchen leitenden Kanal in der Kanalzone 134 zwischen Source- und Drain 135, 132 auszubilden. Der Speicherzustand kann durch Anlegen einer Spannung zwischen den schematisch dargestellten Source- und Drain-Anschlüssen S, D, die an die Source- und Drain-Zonen 135, 132 angeschlossen sind, ausgelesen werden.
  • Zum Laden der Floating-Gate-Elektrode 111 wird beispielsweise eine ausreichend hohe „Programmierspannung" zwischen der Steuer-Gate-Elektrode 160 und dem Drain-Anschluss D oder dem Source-Anschluss S angelegt, wodurch Ladungsträger durch die erste Dielektrikumsschicht 121 und die Widerstandsschicht 141 auf die Floating-Gate-Elektrode 111 gelangen. Die Widerstandsschicht 141 bewirkt während dieses Programmiervorgangs eine gleichmäßige Verteilung der Stromdichte des auf die Floating-Gate-Elektrode 111 fließenden Stromes in der ersten Dielektrikumsschicht. Anders als bei herkömmlichen derartigen Speicherzellen wirken sich durch die Widerstandsschicht 141 Inhomogenitäten der ersten Dielektrikumsschicht 121 in wesentlich geringerem Umfang auf die Verteilung der Stromdichte aus.
  • Als Widerstandsmaterial eignet sich bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen beispielsweise polykristallines Silizium, das mit Sauerstoff und/oder Stickstoff isoliert ist. Weiterhin eignet sich als Widerstandsmaterial beispielsweise amorpher wasserstoffhaltiger Kohlenstoff (aC:H) oder auch amorphes Silizium oder amorphes Siliziumkarbid. Selbstverständlich sind weitere semiisolierende Materialien für die Widerstandsschicht geeignet.
    • 10, 20
    Elektrodenschicht
    11–13
    Gate-Elektroden
    20–23
    Dielektrikumsschichten
    29
    Defekt der Dielektrikumsschicht
    32
    Driftzone
    33
    Drainzone
    34
    Body-Zone
    35
    Source-Zone
    40–43
    Widerstandsschichten
    50
    Source-Elektrode
    51
    Isolationsschicht
    111
    Speicherelektrode
    141
    Widerstandsschicht
    121
    erste Dielektrikumsschicht
    131
    Halbleiterkörper
    132
    Drain-Zone
    135
    Source-Zone
    160
    Steuerelektrode
    161
    zweite Dielektrikumsschicht
    C
    Kondensator
    D
    Drain-Anschluss
    G
    Gate-Anschluss, Steuerelektrodenanschluss
    K1, K2
    Anschlusselektroden
    R
    ohmscher Widerstand
    5
    Source-Anschluss

Claims (13)

  1. Bauelement mit einer kapazitiven Struktur, die eine erste Elektrodenschicht (10; 11; 12; 13; 111), eine Dielektrikumsschicht (20; 21; 22; 23; 121) und eine zweite Elektrodenschicht (30; 31; 131) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Widerstandsschicht (40; 41; 42; 43; 44; 141) zwischen wenigstens einer der Elektrodenschichten (10–13, 111, 30–31, 131) und der Dielektrikumsschicht (20–23, 121) angeordnet ist.
  2. Bauelementanordnung nach Anspruch, das als steuerbares Halbleiterbauelement ausgebildet ist, bei dem die erste Elektrodenschicht durch eine Ansteuerelektrode (11; 12; 13) und die zweite Elektrodenschicht durch eine Halbleiterschicht (31) ausgebildet ist.
  3. Bauelementanordnung nach Anspruch 2, bei dem die Dielektrikumsschicht (21), die Widerstandsschicht (41) und die Ansteuerelektrode (11) oberhalb einer Seite der Halbleiterschicht (31) angeordnet sind.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, bei dem sich ausgehend von einer Seite der Halbleiterschicht (31) wenigstens ein Graben in die Halbleiterschicht (31) hinein erstreckt, der Seitenwände aufweist, die wenigstens teilweise von der Isolationsschicht (22; 23) bedeckt sind.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Widerstandsschicht (42) in dem Graben von der Ansteuerelektrode (12) überdeckt ist.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Widerstandsschicht (44) den Graben wenigstens in einem unteren Bereich vollständig auffüllt und durch die Ansteuerelektrode (13) kontaktiert ist.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem eine besser als die Widerstandsschicht (43) elektrisch leitende Schicht zwischen der Widerstandsschicht (43) und der Dielektrikumsschicht (23) vorhanden ist.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das als Speicherzelle ausgebildet ist, – wobei die erste Elektrode durch eine floatend angeordnete Speicherelektrode (111) gebildet ist, die durch eine erste Dielektrikumsschicht (121) getrennt zu einem Halbleiterkörper (131) angeordnet ist, der die zweite Elektrode bildet, und – wobei eine Steuerelektrode (160) vorgesehen ist, die durch eine zweite Dielektrikumsschicht (161) getrennt zu der Speicherelektrode (111) angeordnet ist.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, bei dem die Widerstandsschicht (141) zwischen der Speicherelektrode (111) und der ersten Dielektrikumsschicht (121) ausgebildet ist.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die erste und/oder zweite Dielektrikumsschicht (121, 161) aus einem Halbleiteroxid bestehen.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Widerstandsschicht (20-23) aus einem mit Stickstoff oder Sauerstoff dotierten Halbleitermaterial besteht.
  12. Halbleiterbauelement einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Widerstandsschicht aus einem amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff (aC:H) oder einem amorphen Siliziumkarbid besteht.
  13. Halbleiterschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Dicke der Widerstandsschicht (20–23) zwischen 50nm und 500nm beträgt.
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