DE3915594A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, das heißt einen Kondensator und ein Halbleiterbauteil, das mit dem Kondensator versehen ist.

Es werden immer höher integrierte dynamische Direktzugriffs­ speicher (DRAMs) verwirklicht. Zur Zeit werden hauptsächlich 256-Kilobit-DRAMs benutzt. Die Massenproduktion von 1-Mega­ bit-DRAMs hat jedoch schon begonnen. Der Trend zu solch ho­ hen Integrationsdichten geht im wesentlichen von einer Ver­ ringerung der Abmessungen der Bauteile aus. Eine Verringe­ rung der Abmessungen bedeuted jedoch auch eine Verringerung der Kondensatorflächen und damit der Kapazität der Speicher­ kondensatoren des Speichers, was wiederum zur Folge hat, daß der Rauschabstand schlechter wird und daß aufgrund sogenann­ ter "Soft Errors" Signalumkehrungen durch Alphastrahlen er­ folgen, was die Zuverlässigkeit der Bauteile einschränkt. Es wurde deshalb bisher versucht, die Dicke der Kondensator- Isolierschicht zu verringern, um der Herabsetzung der Kapa­ zität durch die Verkleinerung der Abmessungen entgegenzu­ wirken. Im Falle eines 1-Megabit-DRAMs beträgt diese Dicke 10 nm SiO₂-Äquivalent. Für einen 4-Megabit-DRAM der nächsten Generation müßte die Dicke der Isolierschicht entsprechend auf 4 bis 6 nm verringert werden. Die Dicke der Kondensator- Isolierschicht in bezug auf das SiO₂-Äquivalent ist das einer SiO₂-Schicht, die durch thermische Oxidation gebildet wird und einen Kondensator gleicher Kapazität ergibt, sie wird durch die folgende Formel angegeben:

d=(S ε)/C,

wobei C die gemessene Kapazität, S eine Fläche, ε die Di­ elektrizitätskonstante des durch thermische Oxidation ge­ bildeten SiO₂ und d die Dicke der Schicht ist, die in das SiO₂-Äquivalent umgewandelt wird.

Wenn die Dicke der Isolierschicht jedoch so klein ist, fließt ein Tunnelstrom durch diese Isolierschicht des Kon­ densators, und die gespeicherte Ladung geht verloren. Diese Tatsache wird zum Beispiel in "Solid State Electronics", Band 10, 1967, Seiten 865-873 diskutiert.

Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems ist die Ausbil­ dung eines sogenannten Stapelkondensators (Stack-Konden­ sators), bei dem die Elektroden und die Isolierschicht über dem Gate eines Treiber-MOS-Transistors und einer dicken Isolierschicht zur Isolierung des Bauteiles angeordnet sind. Ein solcher Stapelkondensator ist beispielsweise in der JP-PS 55 258/1986 beschrieben. Bei dem Stapelkondensator be­ findet sich ein Teil davon auf dem MOS-Transistor oder der Isolierschicht zur Isolierung des Bauteiles, wodurch es möglich wird, die Kondensatorfläche zu vergrößern. Es ist damit möglich, die für einen 4-Megabit-DRAM erforderliche Kapazität auch dann zu erhalten, wenn die Dicke der Konden­ sator-Isolierschicht bei 10 nm SiO₂-Äquivalent gehalten wird.

Es ist dann jedoch nicht mehr möglich, den Integrationsgrad weiter zu erhöhen. Um beispielsweise ein 16-Megabit-DRAM zu verwirklichen, muß dann doch die Dicke der Kondensator-Iso­ lierschicht herabgesetzt werden. Wenn die Dicke der Isolier­ schicht auf etwa 5 nm SiO₂-Äquivalent herabgesetzt werden muß, treten jedoch wieder die bereits erwähnten Schwierig­ keiten auf, das heißt es geht dabei wieder die gespeicherte Ladung aufgrund von Tunnelströmen verloren. Eine Isolier­ schicht von 5 nm hat damit praktisch schon deshalb keine Bedeutung. Eine noch weitergehende Verringerung der Dicke, wie sie erforderlich ist, wenn DRAMs mit noch höheren In­ tegrationsdichten geschaffen werden, wie es abzusehen ist, ergibt zusätzliche Schwierigkeiten. So kann der Durchsatz aufgrund von Dickenänderungen in der Kondensator-Isolier­ schicht abnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kondensator mit einer kleinen Fläche und einer großen Kapazität zu schaffen. Es soll damit möglich sein, einen Halbleiterspeicher zu ent­ wickeln, der eine sehr hohe Integrationsdichte aufweist.

Erfindungsgemäß beinhaltet ein Halbleiterbauelement zur Lösung dieser Aufgabe einen Kondensator, der aus einem Halb­ leitersubstrat oder einer ersten elektrisch leitenden dünnen Schicht, einer auf dem Halbleitersubstrat bzw. der ersten elektrisch leitenden dünnen Schicht ausgebildeten Isolier­ schicht und einer zweiten elektrisch leitenden dünnen Schicht auf der Isolierschicht besteht, wobei das Halblei­ tersubstrat bzw. die erste elektrisch leitende dünne Schicht und die zweite elektrisch leitende dünne Schicht von unter­ schiedlichem Leitungstyp sind.

Erfindungsgemäß enthalten die Oberflächen der oberen Elek­ trode und der unteren Elektrode des Kondensators, das heißt die Oberflächen des Halbleitersubstrates oder der ersten elektrisch leitenden Schicht unter der Isolierschicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht über der Isolier­ schicht jeweils wenigstens auf der Seite, die in Kontakt mit der Isolierschicht steht, Dotierstoffe in einer Konzentra­ tion von 1×10¹⁹ cm^-3 oder höher. Wenn die Dotierstoffkon­ zentration kleiner ist als 1×10¹⁹ cm^-3, entsteht in der Elektrode eine Verarmungs- bzw. Sperrschicht, die die Kapa­ zität erheblich herabsetzt. Wenn die Dotierstoffkonzentra­ tion größer als 2×10²¹ cm^-3 ist, diffundiert andererseits überschüssiger Dotierstoff in die Isolierschicht und setzt deren Isolationseigenschaften herab. Die Oberflächen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode zumindest jeweils der Seite, die in Kontakt mit der Isolierschicht steht, enthalten daher erfindungsgemäß Dotierstoff in einer Konzen­ tration von etwa 1×10¹⁹ cm^-3 bis etwa 2×10²¹ cm^-3.

Der erfindungsgemäße Kondensator weist damit eine Isolier­ schicht mit verringerter Dicke auf, bei der jedoch trotzdem kein Tunnelstrom fließt und bei der daher keine Ladungen verlorengehen. Es ist damit möglich, Halbleiterbauelemente mit sehr hoher Integrationsdichte zu schaffen.

Ausführungsbeispiele von Speicherkondensatoren für Halblei­ terbauelemente werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Strom-Spannungs-Kennlinie eines erfindungsge­ mäßen Kondensators,

Fig. 2(a) bis 2(f) und 3(a) bis 3(d) Darstellungen von Energiebändern zur Erläuterung des dem beschriebenen Kondensator zugrundeliegenden Prinzips,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine erste realisierte Ausfüh­ rungsform des Kondensators,

Fig. 5, 6 und 8 Strom-Spannungs-Kennlinien von erfindungs­ gemäßen Kondensatoren,

Fig. 7 und 9 Strom-Spannungs-Kennlinien herkömmlicher Kon­ densatoren, und

Fig. 10 einen Schnitt durch eine weitere realisierte Ausfüh­ rungsform eines Kondensators.

Wenn die Dicke der Isolierschicht eines Kondensators verrin­ gert wird, beginnt ab einer gewissen Grenze ein merklicher Tunnelstrom durch die Isolierschicht zu fließen. Der ent­ sprechende Mechanismus ist beispielsweise in "Physical Re­ view", Band 140, 1965, Seiten 179 bis 186 beschrieben. Gemäß dieser Theorie müssen die folgenden Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein, damit ein Tunnelstrom fließen kann:

• 1. Die Elektronen tunneln mit großer Wahrscheinlichkeit von einer Elektrode zur anderen.
• 2. Die Elektrode, zu der die Elektronen tunneln, muß Quan­ tenzustände aufweisen, die die gleiche Energie besitzen, wie sie die Elektronen auf der Elektrode haben, von der der Tun­ neleffekt ausgeht, wobei diese Zustände nicht von Elektronen besetzt sein dürfen.

In einem herkömmlichen Kondensator, der die obige Bedingung (2) erfüllt, ist die Bedingung (1) automatisch dann erfüllt, wenn die Isolierschicht hinreichend dünn wird. Im Ergebnis fließt dann ein Tunnelstrom. Bei dem nachstehend beschrie­ benen Aufbau eines Kondensators werden im Gegensatz dazu die Materialien der Elektroden so gewählt, daß die Bedingung (2) nicht erfüllt ist und dadurch das Entstehen des Tunnelstrom verhindert wird. Ein entsprechender Kondensator wird nun anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird angenommen, daß sich die Temperatur auf dem absoluten Nullpunkt befindet. An die Elektrode, die sich in der Darstellung rechts befindet und die aus einem p-Typ- Halbleiter besteht, wird dabei eine Vorspannung angelegt, wobei die Elektrode an der linken Seite, die aus einem n-Typ-Halbleiter besteht, als Bezugspunkt dient.

Die Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Vorspannung V _B am Kondensator und dem Strom (Gate-Strom) I, der durch den Kondensator fließt. Es ist ersichtlich, daß bei negativer Vorspannung der Gate-Strom stark ansteigt. Beim Anlegen einer positiven Vorspannung steigt der Gate-Strom zuerst an, fällt dann wieder ab (negativer Widerstand) und steigt dann wieder an. Dieses Phänomen wird nun mit Bezug auf die Fig. 2 erläutert.

Wenn die Vorspannung V _B gleich 0 V ist, wie es in Fig. 2(b) dargestellt ist, stimmt das Fermi-Niveau 23 des n-Typ-Halb­ leiters 41, der die Elektrode auf der linken Seite dar­ stellt, mit dem Fermi-Niveau 24 des p-Typ-Halbleiters 42 überein, der die Elektrode auf der rechten Seite bildet. Im n-Typ-Halbleiter 41 befindet sich die Unterkante 21 des Leitungsbandes unter dem Fermi-Niveau 23, und die Oberkante 22 des Valenzbandes befindet sich darunter.

Andererseits befindet sich im p-Typ-Halbleiter 42 die Ober­ kante 22 des Valenzbandes über dem Fermi-Niveau 24 und die Unterkante 21 des Leitungsbandes noch darüber.

Die Unterkante 25 des Leitungsbandes einer Isolierschicht 43, die zwischen dem n-Typ-Halbleiter 41 und dem p-Typ-Halb­ leiter liegt, befindet sich auf einem höheren Pegel als das Fermi-Niveau, und die Oberkante 26 des Valenzbandes der Isolierschicht 43 liegt unter dem Fermi-Niveau. In diesem Fall ist damit die obige Bedingung (2) nicht erfüllt.

Wenn eine negative Vorspannung angelegt wird, wie es in der Fig. 2(a) gezeigt ist, steigt das Fermi-Niveau 24 des p-Typ- Halbleiters 42 über das Fermi-Niveau 23 des n-Typ-Halblei­ ters 41, und die Elektronen im Valenzband des p-Typ-Halblei­ ters 42 tunneln durch die Isolierschicht in das Leitungsband des n-Typ-Halbleiters 41 (Punkt a in Fig. 1). Mit Ansteigen des Absolutwertes der Vorspannung steigt der Tunnelstrom ebenfalls an, da die Anzahl der Elektronen zunimmt, die tunneln können.

Wenn eine positive Vorspannung angelegt wird, wie es in der Fig. 2(c) gezeigt ist, stimmt das Fermi-Niveau 23 des n-Typ- Halbleiters 41 mit der Oberkante des Valenzbandes des p-Typ- Halbleiters überein. In diesem Fall tunneln die Elektronen im Leitungsband des n-Typ-Halbleiters 41 durch die Isolier­ schicht zum Valenzband des p-Typ-Halbleiters 42, und es fließt ein entsprechender Strom (Punkt c in der Fig. 1). Wird die Vorspannung erhöht, wie es in der Fig. 2(d) gezeigt ist, gibt es im p-Typ-Halbleiter 42 jedoch keine Quantenzu­ stände mehr, die die gleiche Energie haben wie die Elektro­ nen im Leitungsband des n-Typ-Halbleiters 41, und der Tun­ nelstrom nimmt ab (Punkt d in Fig. 1). Bei einem weiteren Ansteigen der Vorspannung (Fig. 2(e)) können Elektronen im Leitungsband und Elektronen im Valenzband des n-Typ-Halb­ leiters 41 durch die Isolierschicht zum Leitungsband und Valenzband des p-Typ-Halbleiters 42 tunneln, und der Tunnel­ strom steigt erneut an (Punkt e in der Fig. 1). Die Fig. 2(f) zeigt den Fall, daß die Vorspannung noch weiter erhöht wird. Die Elektronen im Valenzband des n-Typ-Halbleiters 41 schließen jene Elektronen ein, die zum Leitungsband des p-Typ-Halbleiters 42 durchtunneln, und der Tunnelstrom steigt weiter an (Punkt f in der Fig. 1).

Das wesentliche Prinzip des nachstehend beschriebenen Kon­ densators beruht auf einer Umsetzung des der Fig. 2(d) ent­ sprechenden Zustandes, um den Tunnelstrom herabzusetzen. In der Praxis befinden sich jedoch in der verbotenen Zone des Halbleiters oder der Isolierschicht stets Grenzschichtzu­ stände oder Störstellenzustände, und das Tunneln wird durch diese Zustände unterstützt. Der in der Fig. 1 gezeigte nega­ tive Widerstand ist daher in der Praxis nur selten zu beob­ achten. Auch in diesem Fall ist jedoch der durch den Konden­ sator fließende Strom immer noch kleiner als bei einem her­ kömmlichen Kondensator.

Das beschriebene Prinzip ist nur dann wirksam, wenn mit Be­ zug auf die n-Typ-Halbleiterelektrode an die p-Typ-Halblei­ terelektrode eine positive Vorspannung angelegt wird. Für eine negative Vorspannung tritt der beschriebene Effekt nicht auf. Es kann jedoch ein solcher Aufbau geschaffen werden, daß der Tunnelstrom für Spannungen jeder Polarität herabgesetzt ist. Das heißt, daß die Elektroden, die den Kondensator bilden, bei einem solchen Aufbau vom gleichen Leitungstyp sind und daß eine dünne elektrisch leitende Schicht von entgegengesetztem Leitungstyp zwischen den beiden Elektroden ausgebildet wird, so daß ein Aufbau nach dem obigen Prinzip entsteht, der zwischen der elektrisch leitenden dünnen Schicht und der Elektrode des Kondensators verwirklicht ist.

Es wird nun der Fall beschrieben, daß die Kondensator-Elek­ troden vom p-Leitungstyp sind und die dazwischen ausgebil­ dete elektrisch leitende dünne Schicht vom n-Leitungstyp. Diese Elektroden und die elektrisch leitende dünne Schicht sind durch eine Isolierschicht gegenseitig voneinander iso­ liert. Die Fig. 3(a) zeigt schematisch die Energiebänder bei einem solchen Aufbau bei einer Vorspannung von 0 V. Wie im Fall der Fig. 2 wird im folgenden eine Vorspannung an die Elektrode 32 der rechten Seite angelegt, wobei die Elektrode 31 der linken Seite als Bezugspunkt dient. Die Fig. 3(b) zeigt den Fall, daß eine positive Vorspannung angelegt wird. Was zwischen der leitenden dünnen Schicht 33 und der Elek­ trode 32 liegt, entspricht der Darstellung in der Fig. 2(d), wobei der Tunnelstrom unterdrückt ist. Andererseits ent­ spricht das, was zwischen der leitenden dünnen Schicht 33 und der Elektrode 31 liegt, der Darstellung in der Fig. 2(a) mit einem fließenden Tunnelstrom. Im Ergebnis entwickelt sich eine große Potentialdifferenz zwischen der leitenden dünnen Schicht 33 und der Elektrode 32, und es stellt sich der in der Fig. 3(b) gezeigte Zustand ein. Die Fig. 3(c) zeigt den Fall, wenn die Vorspannung wieder auf Null zu­ rückgeführt wird. In der Fig. 3(c) ist die leitende dünne Schicht 33 negativ aufgeladen, da unter der positiven Vorspannung nach Fig. 3(b) darin ein Strom eingeprägt wurde, und es ist der Zustand nach Fig. 2(d) realisiert, das heißt, daß die elektrische Ladung gespeichert wird. Beim Anlegen einer negativen Vorspannung wird dann das in der Fig. 3(d) gezeigte Diagramm durch den gleichen Mechanismus wie im Falle der Fig. 3(b) erhalten. Es entsteht somit in Abhän­ gigkeit von der Polarität der Vorspannung einer der Zustände 3(b), 3(c) oder 3(d).

Mit diesem Aufbau wird der Tunnelstrom bei jeder Polarität der Vorspannung sicher unterdrückt. Die Kapazität ist jedoch durch die sich ergebende Dicke der Isolierschichten 34 und 35 bestimmt; das heißt die Kapazität ist ziemlich klein. Wenn die Isolierschichten 34 und 35 jeweils die gleiche Dicke haben, verringert sich die Kapazität im Vergleich zu einem Kondensator aus der Elektrode 31, der Isolierschicht 34 und der leitenden dünnen Schicht 33 um die Hälfte, und der Vorteil der Unterdrückung des Tunnelstromes wird wieder zunichte gemacht. Der Tunnelstrom fällt mit einem Ansteigen der Dicke der Isolierschicht abrupt ab. Ein Kondensator, bei dem die Isolierschichten 34 und 35 als einheitliche Struktur ohne die leitende dünne Schicht 33 ausgebildet sind, erlaubt eine Verringerung des für die gleiche Vorspannung fließenden Stromes, obwohl die Kapazität die gleiche ist, und kann leichter hergestellt werden. Ein Kondensator mit der oben beschriebenen Struktur ist daher nicht praktisch.

In Verbindung mit den Fig. 4 bis 7 wird nun eine erste Aus­ führungsform eines entsprechenden Kondensators erläutert. Die Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau dieser Ausführungs­ form im Querschnitt. Eine Isolierschicht 2 zur Isolierung des Bauteiles ist selektiv auf einem n-Typ-Siliziumsubstrat 1 mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ohm-cm ausgebil­ det. Das Substrat wird einem Bornitridsubstrat gegenüber­ gestellt und in Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 900°C für 30 Minuten wärmebehandelt, um Bor in das Substrat 1 eindiffundieren zu lassen und einen dotierten p-Typ-Bereich 19 zu erhalten, der Bor in hoher Konzentration enthält. Eine Messung des Widerstandes nach der Vierpunkt­ methode ergibt, daß die Konzentration an der Oberfläche des dotierten Bereiches 19 dabei gleich 1,5×10²⁰ cm^-3 ist. Danach wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 800°C für 15 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre mit 1% Sauerstoff ausgeführt, um den dotierten Bereich 19 thermisch zu oxidieren und dadurch eine Kondensator-Isolierschicht 17 zu bilden. Dann wird durch das allgemein bekannte Nieder­ druck-CVD-Verfahren ein polykristalliner Siliziumfilm ausge­ bildet und bei 875°C für 30 Minuten unter Verwendung von POCl₃ als Diffusionsquelle eine Phosphordiffusion bewirkt, um den polykristallinen Siliziumfilm mit Phosphor zu do­ tieren. Daraufhin werden nicht benötigte Bereiche des poly­ kristallinen Siliziumfilms selektiv entfernt, um eine Gate- Elektrode 18 auszubilden, die aus dem polykristallinen n-Typ-Siliziumfilm besteht. Die Ausbildung des Kondensators ist damit abgeschlossen. Die angegebenen Verfahren sind allgemein bekannt. Eine Messung der Kapazität des so erhal­ tenen Kondensators ergibt eine Dicke der thermisch oxi­ dierten Schicht von 2,8 nm. Die relative Dielektrizitäts­ konstante der thermisch oxidierten Schicht wird zu 3,82 angenommen. Die effektive Fläche (Fläche des dotierten Bereiches 19 des Kondensators, der die untere Elektrode dar­ stellt) ist gleich 0,46 mm².

Bei diesem Kondensator ist die Gate-Elektrode (obere Elek­ trode) 18 vom n-Leitungstyp, und der dotierte Bereich 19, der als die untere Elektrode dient, vom p-Leitungstyp. Die Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Strom (Gate-Strom), der durch diesen Kondensator fließt, und die angelegte Vor­ spannung. Dabei dient die an die Gate-Elektrode 18 angelegte Spannung als Vorspannung mit dem dotierten Bereich 19 als Bezugspunkt. Aus der Fig. 5 geht hervor, daß der Gate-Strom relativ zur negativen Vorspannung erheblich verringert ist und daß damit das oben beschriebene Prinzip verwirklicht ist. Der gleiche Effekt tritt auf, wenn die Vorspannung kleiner als 1,2 V (entsprechend der Breite der verbotenen Zone in Si) ist, wie anhand der Fig. 2 erwartet werden kann. Die Fig. 6 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie, wenn die Ergebnisse der Fig. 5 in eine lineare Skala umgesetzt wer­ den, wobei die x-Achse von -0,6 V bis +0,4 V und die y-Achse von 0 bis 2×10^-7 A erweitert ist. Die Fig. 6 läßt klar das Vorhandensein des negativen Widerstandes erkennen, der für die Unterdrückung des Tunnelstroms charakteristisch ist.

Gemäß dem vorstehend erläuterten Prinzip werden die Konden­ satorelektroden jeweils durch einen p-Typ-Halbleiter und einen n-Typ-Halbleiter gebildet. Dieser Aufbau kann auch mit anderen Materialien und Herstellungsverfahren als oben ange­ geben erhalten werden. Beispielsweise kann anstelle der Aus­ bildung des dotierten Bereiches 19 der obigen Ausführungs­ form ein polykristalliner Siliziumfilm oder ein amorpher Siliziumfilm auf dem Siliziumsubstrat 1 aufgebracht werden, und es kann anstelle des Diffusionsverfahrens zum Dotieren mit den Dotierungsstoffen die Ionenimplantation verwendet werden. Auch kann die Dotierung gleichzeitig mit der Ausbil­ dung eines polykristallinen oder amorphen Siliziumfilmes erfolgen. Selbstverständlich können auch andere Dotierstoffe wie Arsen und Antimon anstelle von Phosphor und andere Halb­ leiter wie GaAs oder dergleichen verwendet werden.

Die Fig. 7 zeigt das Ergebnis eines Vergleichsversuches zur Demonstration des oben beschriebenen Prinzips. Bei dem Ver­ gleichsversuch wird Bor durch das genannte Verfahren des Gegenüberstellens eines Bornitridsubstrates anstelle der Diffusion von Phosphor in die polykristalline Siliziumelek­ trode 18 der Fig. 4 eindotiert. Entsprechend sind sowohl die Gate-Elektrode 18 als auch der dotierte Bereich 19 vom p-Typ. Wie aus der Fig. 7 hervorgeht, fließt bei einem sol­ chen Kondensator auch bei einer negativen Vorspannung ein Gate-Strom, der genauso groß ist als wenn eine positive Vor­ spannung angelegt wird. Der Unterschied bei der Verwendung von oberen und unteren Elektroden verschiedenen Leitungstyps für den Kondensator ergibt sich somit aus einem Vergleich der Fig. 5 und 7.

Die Fig. 8 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Konden­ sators gemäß einer zweiten Ausführungsform. Bei diesem Kon­ densator wird ein dotierter n-Typ-Bereich 19 durch Verwen­ dung eines p-Typ-Siliziumsubstrates 1 und POCl₃ als Dif­ fusionsquelle unter den gleichen Bedingungen wie oben be­ schrieben ausgebildet. Die Dotierung des polykristallinen Siliziumfilmes, der die Gate-Elektrode 18 bildet, wird durch das obige Verfahren des Gegenüberstellens eines Bornitrid­ substrates bewerkstelligt, so daß der Siliziumfilm zum p-Leitungstyp wird. Bezüglich der anderen Herstellungsmaß­ nahmen zur Vervollständigung des Kondensators werden die gleichen Verfahren und Bedingungen wie bei der ersten Ausführungsform eingehalten. Eine Messung der Kapazität ergibt bei dieser zweiten Ausführungsform eine Dicke der Kondensator-Isolationsschicht von 5,3 nm. Die Dicke der Isolierschicht unterscheidet sich wahrscheinlich deshalb von der der ersten Ausführungsform, weil sich ein Oxidfilm mit einer größeren Dicke als bei der ersten Ausführungsform aufgrund der beschleunigten Oxidation gebildet hat, die durch das in großen Mengen im Substrat enthaltene Phosphor verursacht wird. Bei dieser Ausführungsform nimmt der Gate-Strom bei positiver Vorspannung ab, da hier die Gate- Elektrode 18 vom p-Typ und der dotierte Bereich 19 vom n-Typ ist, im Gegensatz zur ersten Ausführungsform.

Die Fig. 9 zeigt das Ergebnis eines Vergleichsversuches für diese Ausführungsform. Dabei erfolgt die Dotierung der Gate- Elektrode 18 durch Eindiffundieren von Phosphor anstelle des Gegenüberstellens eines Bornitridsubstrates, und sowohl die Gate-Elektrode 18 als auch der dotierte Bereich sind damit vom n-Typ. In diesem Kondensator mit zwei Elektroden vom gleichen Leitungstyp fließt, wie aus der Fig. 9 hervorgeht, sowohl für eine positive Vorspannung als auch für eine ne­ gative Vorspannung immer ein großer Gate-Strom. Es ist da­ raus ersichtlich, daß die Ausbildung von Elektroden mit unterschiedlichem Leitungstyp zur Erzielung des Effektes der Fig. 8 erforderlich ist.

Mit Bezug auf die Fig. 10 wird nun eine dritte Ausführungs­ form beschrieben. Die Fig. 10 zeigt den Aufbau eines DRAMs im Querschnitt, der mit einem entsprechend dem obigen Prin­ zip ausgestalteten Stapelkondensator versehen ist.

Die Herstellung dieser Ausführungsform geschieht wie folgt:

Eine Isolierschicht 2 zur Isolation des Bauteiles wird se­ lektiv mittels des LOCOS-Verfahrens auf einem einkristal­ linen p-Typ-Siliziumsubstrat 1 mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ohm-cm ausgebildet. Dann wird eine Gate- Isolationsschicht 11 durch thermische Oxidation mit einer Dicke von 15 nm aufgebracht. Danach wird ein polykristal­ liner Siliziumfilm mittels CVD abgeschieden, Phosphor mit POCl₃ als Diffusionsquelle eindiffundiert (bei 875°C für 30 Minuten) und der polykristalline Siliziumfilm zur Ausbildung einer Gate-Elektrode 12 und einer Wortleitung 8 selektiv entfernt. Unter Verwendung der Gate-Elektrode 12 als Maske werden Arsen-Ionen implantiert, und es erfolgt eine Wärme­ behandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Tempe­ ratur von 950°C für 10 Minuten, um dotierte Bereiche 10 und 13 in einer selbstjustierenden Art bezüglich der Gate-Elek­ trode 12 zu erzeugen. Durch Niederdruck-CVD wird dann eine SiO₂-Schicht 3 hergestellt, die Verbindungslöchern entspre­ chenden Teile davon werden selektiv entfernt, und es werden Anschlüsse 9 und 14 aus polykristallinem Silizium durch das gleiche Verfahren wie bei der Gate-Elektrode 12 ausgebildet. Eine SiO₂-Schicht 4 wird dann durch Niederdruck-CVD abge­ schieden, die Verbindungslöchern entsprechenden Teile davon werden selektiv entfernt, und es wird eine polykristalline Siliziumelektrode 5 auf die gleiche Weise wie die Gate-Elek­ trode 12 hergestellt. Danach erfolgt die Ausbildung einer Kondensator-Isolierschicht 6 in einer weiter unten noch beschriebenen Art, und es wird auf eine ähnliche Weise wie bei der Gate-Elektrode 12 eine polykristalline Silizium­ elektrode 7 hergestellt. Anstelle des Eindiffundierens von Phosphor werden jedoch dadurch Dotierstoffe in die poly­ kristalline Siliziumelektrode 7 eingebracht, daß dem Sili­ ziumsubstrat 1, auf dem sich der polykristalline Silizium­ film befindet, ein Bornitridsubstrat gegenübergestellt und eine Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei 900° C für 30 Minuten ausgeführt wird. Dadurch wird Bor in großer Menge in die polykristalline Siliziumschicht eingebracht, die damit vom p-Leitungstyp wird. Danach wird der allgemein bekannte Verdrahtungsschritt ausgeführt, um eine Zwischen­ isolation 15 und eine Bitleitung 16 auszubilden, um das DRAM zu vervollständigen.

In diesem DRAM wird der Kondensator durch die erste polykri­ stalline Siliziumelektrode 5 auf dem Siliziumsubstrat 1, der Kondensator-Isolierschicht 6 und der zweiten polykristal­ linen Siliziumelektrode 7 gebildet. Die erste polykristal­ line Siliziumelektrode 5 ist über den polykristallinen Siliziumanschluß 9 mit dem ersten dotierten Bereich 10 ver­ bunden. Nach Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode 12 ist der dotierte Bereich 10 elektrisch mit dem zweiten do­ tierten Bereich 13 und weiter mit der Bitleitung 16 über den polykristallinen Siliziumanschluß 14 verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist die auf der Isolationsschicht 6 ausge­ bildete polykristalline Siliziumelektrode 7 vom p-Typ und die andere polykristalline Siliziumelektrode 5, der Anschluß 9 und der dotierte Bereich 10 sind vom n-Typ. Dies ist bei der vorliegenden Ausführungsform der wesentlichste Punkt.

Bei dieser Ausführungsform ist ein n-Kanal-MOSFET, bei dem der dotierte Bereich 10 als Source und der dotierte Bereich 13 als Drain dient, als Schalttransistor mit dem Kondensator verbunden. Es ist jedoch genausogut möglich, einen p-Kanal- MOSFET als Schalttransistor zu verwenden. In diesem Fall ist jedoch die Schaltgeschwindigkeit geringer als bei einem n-Kanal-MOSFET. Bei einem p-Kanal-MOSFET ist die erste poly­ kristalline Siliziumelektrode 5 des Kondensators, die mit dem dotierten Bereich 10 verbunden ist, eine Source des p-Typs, und die zweite polykristalline Siliziumelektrode 7 ist vom n-Typ.

Die Kondensator-Isolierschicht 6 wird wie folgt erzeugt: Nach Ausbildung der polykristallinen Siliziumelektrode 5 wird eine Wärmebehandlung bei 900°C in einer NH₃-Atmosphäre von 1 atm (etwa 1 bar) für 30 Minuten zur Ausbildung eines dünnen thermischen Nitridfilmes ausgeführt. Durch Nieder­ druck-CVD wird dann ein Siliziumnitridfilm mit einer Dicke von 3 nm erhalten, und die Oberfläche des Siliziumnitrid­ filmes wird bei 900°C in feuchter Atmosphäre oxidiert, um einen SiO₂- Film zu bilden, wodurch der Aufbau der Konden­ sator-Isolierschicht abgeschlossen ist. Eine Messung der Kapazität zeigt, daß die Dicke der Isolationsschicht gleich 5 nm SiO₂-Äquivalent ist. Mit einer solchen Kondensator-Iso­ lierschicht werden verschiedene Probleme vermieden, die mit einer einzigen thermisch oxidierten Schicht verbunden sind, beispielsweise treten keine Änderungen in der Schichtdicke auf, die dadurch verursacht werden, daß die Oxidation durch den Phosphor im polykristallinen Silizium gefördert wird, und es wird eine Verschlechterung der Schichtqualität ver­ mieden, die dadurch entsteht, daß während der Oxidation Phosphor in die Oxidschicht eingebaut wird. Es wurden des weiteren Kondensatoren untersucht, bei denen die Silizium­ nitridschicht und die SiO₂-Schicht verschiedene Dicken hatten, und es wurden Kondensatoren untersucht, die eine Ta₂O₅-Schicht, eine Al₂O₃-Schicht oder mehrere solcher Schichten übereinander aufweisen. Es hat sich dabei heraus­ gestellt, daß das oben beschriebene Prinzip immer dann be­ sonders effektiv wirkt, wenn die Isolationsschichten eine Dicke von weniger als 6 nm SiO₂-Äquivalent haben. Die Dicke der Isolationsschicht mit Bezug auf das SiO₂-Äquivalent sollte vorzugsweise größer als 2 nm sein. Bei einer geringe­ ren Dicke als 2 nm treten große Leckströme auf.

Bei dieser Ausführungsform ist die an die zweite Kondensa­ torelektrode 7 angelegte Spannung auf einen höheren Wert eingestellt als die üblicherweise verwendete Spannung von 0,5 Vcc. Die Spannung Vcc ist hier höher als die anderen Spannungen, die an die Bitleitungen 16 angelegt werden, wenn der Kondensator elektrisch aufzuladen ist. Die niedrigere Spannung ist in vielen Fällen gleich 0 V. Wenn daher eine Spannung von 0 V oder gleich Vcc (< 0) an die erste polykri­ stalline Siliziumelektrode 5 angelegt wird, um die Ladung im Kondensator zu speichern, wird der Absolutwert der negativen Spannung, die an der Kondensator-Isolierschicht 6 anliegt, kleiner als bei dem gewöhnlichen 0,5-Vcc-System (bei dem eine Spannung von 0,5 Vcc an die Kondensatorelektrode 7 angelegt wird), und entsprechend steigt andererseits die positive Spannung. Die an die Kondensator-Isolierschicht 6 angelegte Spannung wird hier mit Bezug zu der ersten poly­ kristallinen Siliziumelektrode 5 bestimmt. Bei dem beschrie­ benen Aufbau wird der Gate-Strom für die positive Spannung, die an die Kondensator-Isolationsschicht 6 angelegt wird, wie bei der beschriebenen zweiten Ausführungsform unter­ drückt, obwohl die Spannung größer ist als beim bekannten Stand der Technik. Trotz einer Verringerung der Dicke der Isolierschicht im Vergleich zum Stand der Technik steigt damit der Gate-Strom bei keiner Polarität an, und die elek­ trische Ladung bleibt gespeichert. Wenn der Kondensator die gleiche Fläche hat, kann daher die Kapazität erhöht werden. Wenn die Kapazität die gleiche bleibt, kann entsprechend die Kondensatorfläche verringert werden, was es wiederum möglich macht, eine höhere Integrationsdichte zu erreichen. Des wei­ teren kann erforderlichenfalls eine Spannung Vcc, 0,5 Vcc oder 0 V an die zweite polykristalline Siliziumelektrode 7 angelegt werden.

Bei dieser Ausführungsform wird das Ausheizen (Annealing) bei 400°C für 30 Minuten in einer Atmosphäre ausgeführt, die Wasserstoff enthält, nachdem der Kondensator ausgebildet wurde, um den Gate-Strom wirksam herabzusetzen.

Bei dem DRAM dieser Ausführungsform steigt die Temperatur des Siliziumsubstrates 1 durch die Wärme, die von der Schal­ tung im Betrieb erzeugt wird, auf mehr als 50°C und er­ reicht zum Beispiel etwa 70°C bei gewöhnlicher Raumtempe­ ratur und etwa 120°C bei 70°C Umgebungstemperatur. Der Betrieb der Schaltung wird davon jedoch nicht beeinträch­ tigt, da der Strom durch die Kondensator-Isolationsschicht mit dem Ansteigen der Temperatur nur wenig zunimmt, im Gegensatz zu dem Fall bei Verwendung einer Tunneldiode.

Claims (14)

1. Kondensator mit einer ersten Elektrode (5; 19), einer auf der ersten Elektrode ausgebildeten Isolierschicht (6; 17) und einer auf der Isolierschicht ausgebildeten zweiten Elek­ trode (7; 18), dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Halbleiter mit verschiedenen Leitungstypen auf den Oberflächen der ersten und zweiten Elektroden je­ weils wenigstens auf den Seiten der Isolierschicht ausgebil­ det sind.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter aus polykristallinem Silizium bestehen.

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silizium eine Störstellenkonzentration im Bereich von 1×10¹⁹ cm^-3 bis 2×10²¹ cm^-3 wenigstens auf der Seite der Isolierschicht hat.

4. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht eine Dicke von 2 nm bis 6 nm SiO₂-Äqui­ valent hat.

5. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine untere Elektrode ist, die aus einem störstellendotierten Bereich (19) besteht, der in der Ober­ fläche eines Siliziumsubstrates (1) ausgebildet ist.

6. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine untere Elektrode ist und aus einer polykristallinen Siliziumschicht (5) besteht.

7. Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (5) elektrisch mit einem störstellendo­ tierten Bereich (10), der von einem ersten Leitungstyp ist und in der Oberfläche eines Halbleitersubstrates (1) ausge­ bildet ist, verbunden ist.

8. Halbleitervorrichtung mit einem Kondensator, der auf einem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist, um Daten zu speichern, und mit einem MOS-Transistor zum Ansteuern des Kondensators, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator eine erste Elektrode (5) von einem ersten Leitungstyp und eine zweite Elektrode (7) von einem zweiten Leitungstyp, der vom ersten Leitungstyp verschieden ist, sowie eine Isolierschicht (6) zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (5) aus Silizium von einem ersten Lei­ tungstyp und die zweite Elektrode (7) aus Silizium vom einem zweiten Leitungstyp ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine untere Elektrode ist, die auch einen störstellendotierten Bereich (10) vom ersten Leitungs­ typ umfaßt, der in der Oberfläche des Halbleitersubstrates (1) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode (5, 7) aus polykristal­ linem Silizium bestehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode jeweils Störstellen­ konzentrationen im Bereich von 1×10¹⁹ cm^-3 bis 2×10²¹ cm^-3 wenigstens auf der Seite der Isolierschicht aufweisen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (6) eine Dicke von 2 nm bis 6 nm SiO₂-Äquivalent hat.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator über wenigstens dem Gate des MOS-Tran­ sistors angeordnet ist, und daß die erste Elektrode mit der Source des MOS-Transistors verbunden ist.