JP2022539242A - 誘電層を有する半導体部品 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの誘電層（２３０）および少なくとも２つの電極（２０１、２０２）を有する半導体部品（２００）であって、少なくとも１つの第１の欠陥種および第１の欠陥種とは異なる第２の欠陥種が誘電層中に存在している半導体部品が開示される。異なる欠陥種（２１２、２１５、２１７）が、電極間に印加される動作電圧および存在している動作温度に依存して、特徴的な時間τ１およびτ２で、両方の電極の一方に集まって、電極の傍で、割り当てられた最大障壁高さ変化δΦ１およびδΦ２を生成し、この場合、τ１＜τ２およびδΦ１＜δΦ２が当てはまる。例えば圧電アクチュエータのための、５００℃でスパッタリングされたＮｉドープＰＺＴ層が好ましい。

Description

本発明は半導体部品に関する。

「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｏｘｉｄｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｄｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄｓ ｗｉｔｈ ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ」Ｃ．Ａ．Ｒａｎｄａｌｌ、Ｒ．Ｍａｉｅｒ、Ｗ．Ｑｕ、Ｋ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ、Ｋ．Ｍｏｒｉｔａ、Ｙ．Ｍｉｚｕｎｏ、Ｎ．Ｉｎｏｕｅ、およびＴ．Ｏｇｕｎｉ：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １１３、０１４１０１（２０１３）では、誘電層内での破壊の理由として、誘電層中に存在している例えば酸素空孔のような欠陥種のホッピングが記載されている。ここでは中心的なモデルパラメータは、物理的に理由付けされてはいるが、経験的に、１つの活性な欠陥種だけと仮定しての故障時間へのフィットによって確定されている。これらのパラメータが、より正確にどのように材料と関連があるかは記載されていない。ここでは、半導体層中に複数の欠陥種が存在している複雑な故障メカニズムは、完全には、または全く表現されていない。ここに記載された寿命予測が有効なのは、ある特定の温度およびある特定の電場による１つの負荷状態が存在している場合に１つの欠陥種が支配的であり、さらに不全が、１つの境界層へのこの１つの欠陥種の集積によってのみ引き起こされる場合だけである。

「Ｈｉｇｈｌｙ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｓｏｄｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ」Ｗａｎｌｉｎ Ｚｈｕ、Ｂｅｔｕｌ Ａｋｋｏｐｒｕ－Ａｋｇｕｎ、およびＳｕｓａｎ Ｔｒｏｌｉｅｒ－ＭｃＫｉｎｓｔｒｙ：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ １１１、２１２９０３（２０１７）ではさらに、いろいろな動作条件に対し、動作時間中の典型的な故障頻度が決定されている。ここから、試験された動作条件によって、またはそれどころかある特定の動作条件でさえ、材料中の故障メカニズムが試料群内で互いに異なることが明らかである。しかしそれだけでなく、経験的モデルの故に、材料中の物理的、電気的、または化学的な現象への関係性は導き出せていない。

本発明の課題は、複数の活性な欠陥種を有する半導体部品の寿命を、半導体部品の規定の主動作電圧および主動作温度に依存して最善化することである。

この課題を解決するために、請求項１に基づく半導体部品が提案される。このような半導体部品は、薄膜技術を使ってシリコン基板上で製造され、例えば、マイクロミラーなどのようなＭＥＭＳ部品での圧電アクチュエータとして使用され得る。この場合、半導体部品は少なくとも１つの誘電層を有する。そのうえ半導体部品は少なくとも１つの第１および第２の電極を有し、これらの電極を介して主動作電圧が誘電層に印加される。主動作電圧とは、半導体部品の仕様に基づき、アクティブ動作中の半導体部品の両方の電極における最大許容電位差である。そのうえ誘電層中には、少なくとも２つの互いに異なる欠陥種が一緒に存在している。これらの欠陥種は、空孔（例えば酸素空孔または鉛空孔）、格子間位置の占有による格子歪み（例えば水素による）、フレンケル欠陥、さらには置換型欠陥（例えば意図的にまたは意図せず持ち込まれた不純物原子による）であり得る。これらの欠陥種は、例えばその電荷数が互いに異なる。第１の欠陥種には、第１の電荷Ｎ_ｑ，１と、材料および欠陥に依存する第１の真の活性化エネルギーＥ_{Ａ，０，１}とが割り当てられている。第２の欠陥種には、第２の電荷Ｎ_ｑ，２と、第２の真の活性化エネルギーＥ_{Ａ，０，２}とが割り当てられている。この少なくとも２つの異なる欠陥種は、第１と第２の電極の間に印加される主動作電圧および存在している主動作温度に依存して、特徴的な時間τ_１およびτ_２で、両方の電極の一方の境界層に集まって、電極の傍で最大障壁高さ変化δΦ_１およびδΦ_２を生成する。主動作温度とは、半導体部品の仕様に基づき、アクティブ動作中の最大許容温度である。τ_１およびδΦ_１は第１の欠陥種に、ならびにτ_２およびδΦ_２は第２の欠陥種に割り当てられている。相応の欠陥種の最大障壁高さ変化δΦ_１およびδΦ_２が大きければ大きいほど、ならびにτ_１およびτ_２が小さければ小さいほど、誘電層と電極の間の境界層の一方でのクリティカルな障壁高さ変化Δφ_ｋｒｉｔ ^＋／－により速く到達し、誘電破壊が起こる。請求項１に基づく半導体部品では、τ_２がτ_１より大きいことが当てはまる。これは、第２の欠陥種が第１の欠陥種に比べて、誘電層中で一方の電極へと移動するために、および電極の境界層に集まるために、基本的により長い時間を必要とすることを意味する。ただしこれに加えてδΦ_１＜δΦ_２、したがって第２の欠陥種によって生成される最大障壁高さ変化δΦ_２が第１の欠陥種によって生成される最大障壁高さ変化δΦ_１より大きいことが当てはまる。したがってつまり、誘電層の絶縁破壊への影響が比較的少ない欠陥種が最初に境界層に到達する。これに基づいて明らかな効果は、電極のクリティカルな障壁高さ変化ΔΦ_ｋｒｉｔ ^＋／－には時間的に比較的遅くなってから到達し、したがって半導体部品の設計時に規定された動作条件下での比較的長い寿命が達成されるということである。

最大障壁高さ変化δΦ_ｉには、例えば誘電層の堆積プロセス中に、原材料の選択によって影響を及ぼすことができる。例えばＰＺＴ層の場合には、鉛、ジルコン、および／またはチタンの不足または過剰が原材料の組成によって調整され得る。これは、スパッタリング堆積の場合にはターゲット材料の選択が、およびゾルゲル堆積の場合には前駆体ゾルの選択が重要であり得ることを意味する。つまり、例えば鉛空孔と結びついたδΦ_ｉは、ターゲットまたは前駆体ゾル中の鉛含有量の、化学量論的組成を上回る増加によって小さくできる。これとは逆に、例えば鉛過剰と結びついたδΦ_ｉは、ターゲットまたは前駆体ゾル中の鉛含有量の減少によって小さくできる。

最大障壁高さ変化δΦ_ｉはさらに、例えば堆積時のプロセスパラメータを介して変えることができる。つまり、例えばＰＺＴスパッタリングプロセス中の比較的高い温度により、鉛のガス放出を起こすことができ、これが層中の鉛含有量を減少させる。よって鉛空孔と結びついたδΦ_ｉは、ＰＺＴスパッタリングプロセス中のプロセス温度の低下によって小さくできる。

関与するプロセスガスも、欠陥種に影響を及ぼすために利用され得る。酸素空孔は、例えばＰＺＴ層での公知の欠陥種である。材料中に存在する酸素空孔の量は、なかでもＰＺＴスパッタリング堆積中の酸素分圧の変化によって影響を及ぼすことができる。つまり、例えば酸素空孔と結びついたδΦ_ｉは、酸素流の付加によって小さくできる。

半導体部品の不動態化および接触のために、しばしば後続プロセスが必要とされる。さらに、同じ基板上に別の部品を製造するための後続プロセスがしばしば必要である。これらの後続プロセスは、半導体部品の電気的寿命への非常に大きな影響を有し得る。後続プロセスに由来する水素がＰＺＴの酸化鉛構造に入り込むと、酸素が酸化鉛を還元し得る。これは、Ｈ_２Ｏのガス放出もしくはＯＨ部位と共に酸素空孔を生成し、または構造内に移動可能な水素イオンが生じる。例えば水素含有プラズマプロセスでの不動態化部の堆積のような後続プロセスにおける水素含有量の減少は、酸素空孔または水素イオンに割り当てられるδΦ_ｉを減少させる。このようなプロセスでは例えば、水素が比較的少ない前駆体を使用することにより、例えばＰＥＣＶＤ－ＳｉＮ不動態化部の堆積の際に窒素源としてＮＨ_３の代わりにＮ_２を使用することにより、水素含有量を減らすことができる。ＰＥＣＶＤ不動態化部の堆積において水素を減少させるさらなる可能性は、例示的には水素含有前駆体のガス流を減少させることであり、これにより酸素空孔または水素イオンに割り当てられるδΦ_ｉの減少が達成される。

後続プロセスの適切な選択によって、および／または誘電体を被包する水素バリアによっても、欠陥量ならびに／または酸素空孔および／もしくは水素イオンに割り当てられるδΦ_ｉに影響を及ぼすことができる。水素バリアによるＰＺＴの被包（例えばスパッタリングされた金属酸化物：ＲｕＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯｘ）も、酸素空孔または水素イオンに割り当てられるδΦ_ｉを減少させる。水素によって引き起こされる材料損傷を減らすためのさらなる可能性は、誘電層と反応するためのエネルギーの供給をより少なくするための、後続プロセス中の温度の低下および／または温度ステップ期間の短縮である。これは、酸素空孔または水素イオンに割り当てられるδΦ_ｉを減少させる。

さらなる一例では、誘電材料中で酸素空孔が支配的なことが分かる場合に、酸素雰囲気中の温度ステップが行われ得る。酸素空孔を有する構造に酸素を事後的に持ち込むことは、酸素空孔に割り当てられるδΦ_ｉを減少させる。

例えば、誘電層と電極の間の接触部での最大障壁高さ変化に関してδΦ_１＜δΦ_２が当てはまるように、誘電層に少なくとも１つのさらなる欠陥種がドープされることにより、τ_１＜τ_２およびδΦ_１＜δΦ_２が当てはまる基準が達成され得る。これに伴い、材料内部のエネルギー構造が変化し得る。こうして例えば、比較的小さなτ_１および大きなδΦ_１をもつ既存の邪魔な欠陥種ａのために、新たな予め存在していない、より深い局限された欠陥中心、つまりポテンシャルエネルギーのより低い局所的な最小値をもつ欠陥中心が生成され得る。これにより邪魔な欠陥種ａの移動性を低下させ得る。この場合にどうしても、さらなる欠陥種の持ち込みがさらなる大きな最大障壁高さ低下δΦ_３を生じさせ得る。好ましいのは、この低下が、相応の主動作条件に対して、ただし時点ｔ_ｋｒｉｔでの誘電層の電気的不全の後の時点でようやく起こることである。その理由は、この関与したさらなる欠陥種が、部品の不全までに電極の境界層に集まれないほど大きな特徴的な時定数τ_３をもっているからである。

原材料中に、意図せず汚染によって欠陥が持ち込まれる可能性もあり、この欠陥は、原材料の純度、例えばスパッタリングの際のターゲットまたはゾルゲル法での前駆体ゾルの純度の上昇によって減少させ得る。したがって誘電層の構造内の異物（例えば鉄、塩素）の減少は、これらの欠陥と結びついたδΦ_ｉを減少させる。

熱によって活性化される欠陥に対して電場によって活性化される欠陥が支配的である場合、誘電層の厚さの増大が、欠陥構成内の順番を変えるさらなる可能性である。小さな電場は、関与するｉの欠陥種のすべての時定数τ_ｉを上昇させるので、誘電層の厚さの増大は、例えばＰＺＴを有する圧電アクチュエータの場合には特に、アクチュエータの力を変えずに寿命を上昇させる可能性を提供する。

請求項１に基づく半導体部品は、誘電的不全までの負荷期間にわたって、ＣｒｏｗｅｌｌおよびＳｚｅによる熱電子放出拡散理論の方程式

によって説明されるリーク電流密度Ｊ_ＴＥＤの経時的推移を示す。式中、ｑは単位電荷、Ｎ_Ｃは伝導帯内の有効状態密度、Ｖ_Ｒは有効再結合速度、ｖ_Ｄは有効拡散速度、φ_Ｂ ^ｅｆｆは有効ショットキー障壁、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは周囲温度、およびＵは誘電層を横断する電位差を表す。この関連でＵは、半導体部品の両方の電極に印加される主動作電圧を意味する。

リーク電流密度の経時的推移は、有効ショットキー障壁φ_Ｂ ^ｅｆｆ（ｔ）の変化によって引き起こされる。この変化またはショットキー障壁φ_Ｂ ^ｅｆｆ（ｔ）は、両方の電極と誘電層の間にある両方の境界層の、リーク電流密度への影響を特徴づけている。有効ショットキー障壁は、以下に略してφ（ｔ）と称され、半導体－電極材料移行、印加される主動作電圧による変化、および欠陥の集塊による変化のすべての要素を含む。リーク電流密度の対数は、方程式（１）を、時間的な定数Ｋと、経時的に変化する項とに簡略化し、この経時的に変化する項は、材料中に含まれるすべての移動可能な欠陥の移動によって引き起こされる材料内部の現象を反映している。

この場合、欠陥という名称は、構造内の構造的変化も一緒に含意している。
欠陥の変位は、電極に接近すると誘電層内での欠陥集積を生じさせ、この欠陥集積が有効障壁高さを変化させる。方程式２．１をφに基づいて解くと、
Φ（ｔ）＝［ｌｎ（Ｋ）－ｌｎ（Ｊ_ＴＥＤ（ｔ））］ｋ_ＢＴ （２．２）
となる。

この欠陥の集塊による有効障壁高さの経時的推移は、数式

によって説明される。この場合、一般的には、両方の境界層での集塊、それに伴う有効ショットキー障壁φ^＋（ｔ）およびφ^－（ｔ）の変化が起こる。これに関し添え字＋および－はそれぞれ、境界層での変化を表しており、この境界層が、誘電層内への少数または多数電荷キャリアの移行を特徴づけている。境界層は、初期障壁高さφ_０を有し、欠陥種ｉによって引き起こされる障壁高さ変化Δφ_ｉを受ける。必要な電荷的中性に基づき、常に欠陥対または欠陥群が存在しなければならない。つまり、負電荷をもつ欠陥の発生の際には、同じように正電荷をもつ欠陥が材料中に存在している。電荷のそれぞれの作用は、添え字＋および－によって表されている。個々の欠陥は、印加された主動作電圧の電場内で、個々の欠陥の電荷に相応して逆の方向に移動する。正電荷をもつ欠陥は、負電位をもつ電極へと動いて、誘電層内の、負電位をもつ電極の近傍で集塊する。負電荷をもつ欠陥は、正電位をもつ電極へと移動し、これもまた正電位をもつ電極の近傍で集塊する。

欠陥種ｉによって生成される障壁高さ変化Δφ_ｉは、その最大高さδφ_ｉと、障壁高さ変化が最も強く変わる特徴的な時定数τ_ｉとによって表される。

式中、δφ_ｉは、一般的には欠陥数Ｚ_ｉの関数であり、ただし加えて境界層の種類に依存している。単分子層の集塊によって既に有意な障壁高さ変化Δφ_ｉがもたらされ得るので、欠陥数の作用は一般化され得ない。したがって請求項１に基づく材料にはＺ_ｉ＞０だけが重要である。上式中で、項

は、材料中に生じる欠陥分布の統計学的な集塊に関する近似である。
これに関し、障壁変化の正と負の最大高さδφ_ｉ ^＋とδφ_ｉ ^－およびそれに帰属する時定数τ_ｉ ^＋とτ_ｉ ^－は、異なる欠陥および公知のように異なる境界層なので異なる量を有する。これは式（３．２）により、

となり、または障壁変化の経時的に変わる部分に関しては

となる。
時定数τ_ｉ ^＋／－は、誘電層中での欠陥の移動性およびこの層中の進むべき経路によって定義される。欠陥種ｉは、誘電層の内部で移動する場合、重心分布の重心と境界層との間隔ｄ_ｉを進まなければならない。欠陥種ｉの集塊プロセスに関する特徴的な時定数は、速度ｖ_ｉと共に、

となる。
請求項１に基づく半導体部品は、ホッピングによる、印加された主動作電圧の電場内での欠陥の移動を特色とする。欠陥種ｉは、平均有効間隔ａ_ｉをあけて局限された欠陥状態に沿って移動する。これは、可変領域ホッピングの公知の数式によって説明されるホッピング速度ｖ_ｉをもたらす。

この場合、Ｃ_０，ｉ（ａ_ｉ）は、場所的な欠陥分布の影響を示す関数である。この場合、可変領域ホッピングで通常であるように、ジャンプ試行周波数ν_ｉは、１つの欠陥が、存在する電位障壁にぶつかる周波数を意味する。さらに欠陥のジャンプ確率は、局限された欠陥状態の間隔ａ_ｉをあけた、減衰長さαをもつ２つの水素様の局限された欠陥の、波動関数の重なり積分

に比例する。この場合、Ｃ_０，ｉ（ａ_ｉ）は、場所的な欠陥分布の影響を示す関数である。動作温度と共に上昇するホッピング確率は、材料および欠陥に依存する真の活性化エネルギーＥ_{Ａ，０，ｉ}を含む指数項によって考慮されている。この場合、真の活性化エネルギーＥ_{Ａ，０，ｉ}は、動作電圧および動作温度に依存しない活性化エネルギーを意味する。項ｅｘｐ（－Ｅ_{Ａ，０，ｉ}／（ｋ_ＢＴ））は、主動作温度が上がると同時に主動作電圧が下がるにつれて優勢になる。これは、この動作条件下では、大きな真の活性化エネルギーおよび小さな電荷をもつ欠陥種が、半導体部品の電気的不全に寄与することを意味する。ホッピングプロセス中のエネルギー障壁の方向づけられた低下は、欠陥ｉと結びついた電荷Ｎ_ｑ，ｉと、平均の局限された欠陥中心間距離ａ_ｉと、電場Ｅとの積を含む双曲線正弦が説明する。電場Ｅは、印加される主動作電圧Ｕおよび誘電層の厚さｄからもたらされる。項ｓｉｎｈ（Ｎ_ｑ，ｉ ａ_ｉ Ｅ／（ｋ_ＢＴ））が、主動作電圧の上昇および主動作温度の低下の際の影響を取得している。ここでは、高い電荷数と同時に低い真の活性化エネルギーをもつ欠陥種が、半導体部品の電気的不全に寄与する。

半導体部品では、誘電層中に含まれるｎ個の欠陥種が、局限された欠陥状態を介して同じ平均間隔ａ_０で移動する。したがって
ａ_１＝ａ_２．．．＝ａ_ｎ＝ａ_０ （８）
が当てはまる。

この局限された欠陥状態の間隔は、前述の物理的モデル化の知識により、リーク電流測定データＪ_ＴＥＤから抽出され得る。平均有効間隔ａ_０は、温度負荷および電圧負荷下での誘電的不全にとって中心的な材料特性である。この材料特性は、動作電圧および動作温度に依存せず、製造プロセスを介して影響を及ぼすことができる。

前述の物理的モデル化の知識により、関与するｉの欠陥種に対し、リーク電流測定データＪ_ＴＥＤから電荷Ｎ_ｑ，ｉおよび真の活性化エネルギーＥ_{ａ，０，ｉ}が決定され得る。さらに、動作状態に対し、割り当てられる障壁低下Δφ_ｉの経時的推移が確定され得る。障壁低下Δφ_ｉのこの経時的推移は、障壁高さ変化Δφ_ｉが最も強く変わる特徴的な時定数τ_ｉおよび障壁高さ変化の最大障壁高さ低下δφ_ｉによって説明される。電荷Ｎ_ｑ，ｉおよび真の活性化エネルギーＥ_{ａ，０，ｉ}の知識により、欠陥種を、様々な動作状態において識別でき、動作状態に応じて相違する作用Δφ_ｉに割り当てることができる。したがって半導体部品に対し、長寿命が達成され得る動作状態が識別され得る。この動作状態は、故障時間ｔ_ｋｒｉｔ未満の時定数τ_ｉをもつ比較的速い欠陥種が、比較的小さな最大障壁高さ低下δφ_ｉを有することを特色とする。

半導体部品では、両方の境界層にクリティカルな障壁高さ変化Δφ_ｋｒｉｔ ^＋／－が存在する。このクリティカルな障壁高さ変化Δφ_ｋｒｉｔ ^＋／－の一方が、局所的に、時点ｔ_ｋｒｉｔで到達または超過されると、誘電破壊が局所的に起こる。これは、φ_ｋｒｉｔ ^＋に到達すると、トンネルする少数電荷キャリアによって破壊（事例１）が起こることを意味する。

φ_ｋｒｉｔ ^＋＝φ_０ ^＋＋Σ_ｉΔφ_ｉ ^＋（ｔ_ｋｒｉｔ）＝φ_０ ^＋＋Δφ_ｋｒｉｔ ^＋ 式中 Δφ_ｋｒｉｔ ^＋＝Σ_ｉΔφ_ｉ ^＋（ｔ_ｋｒｉｔ） （９．１）
これに対しφ_ｋｒｉｔ ^－に到達すると、トンネルする多数電荷キャリアによって破壊が起こる（事例２）。

φ_ｋｒｉｔ ^－＝φ_０ ^－＋Σ_ｉΔφ_ｉ ^－（ｔ_ｋｒｉｔ）＝φ_０ ^－＋Δφ_ｋｒｉｔ ^－ 式中 Δφ_ｋｒｉｔ ^－＝Σ_ｉΔφ_ｉ ^－（ｔ_ｋｒｉｔ） （９．２）
Δφ_ｋｒｉｔに局所的に到達すると、電流密度の局所的な増加が起こり、半導体部品が局所的に破損する。これは、時点ｔ＝ｔ_ｋｒｉｔでのリーク電流密度Ｊ_ＴＥＤの推移において、短い上昇の後に上昇前のＪ_ＴＥＤ値にすぐ戻るかまたは急増したままであることで認識できる。第１の事例では、伝導経路が熱で自壊する。第２の事例では、供給される電気出力が伝導経路を完全に破損させるには不十分である。ｔ_ｋｒｉｔを過ぎた後には、限定的な面で局所的に破損した半導体部品があとに残っている。ｔ＞ｔ_ｋｒｉｔで進行していく負荷により、絶えずさらなる局所的な誘電破壊が生じ、これが最終的に半導体部品を完全に破損させる。したがって最初の局所的な破壊は、半導体部品の寿命に関する重要な尺度である。

したがって、ｎ個の欠陥種のホッピング輸送（６）および（７）による障壁高さ変化（５）の物理的説明により、リーク電流密度（１）の経時的推移から、電荷Ｎ_ｑ，ｉと、真の活性化エネルギーＥ_{ａ，０，ｉ}と、最大障壁変化の高さδφ_ｉと、特徴的な時定数τ_ｉとが確定され得る。この測定が、製造プロセスにおけるバリエーションの前後に実施されると、半導体部品が狙い通りに改善され得る。

このために最初に、１つの半導体部品に対し、少なくとも２つの主動作電圧Ｕ_１およびＵ_２ならびに少なくとも２つの主動作温度Ｔ_１およびＴ_２で、時点ｔ_ｋｒｉｔでの誘電破壊までのリーク電流推移Ｊ_ＴＥＤが測定される。その後、上述の方程式（２．２）と（５）を同等と見なし、数値的フィットにより、Ｊ_ＴＥＤの経時的推移から、障壁高さ変化Δφの経時的推移、個々の量δφ_ｉおよびτ_ｉがもたらされる。（９．１）または（９．２）により、主動作電圧および主動作温度に依存するクリティカルな障壁低下Δφ_ｋｒｉｔも得られる。

上述の式（６）、（７）、および（８）に相応して、電場Ｅおよび主動作温度に依存するτ_ｉがもたらされる。

少なくとも２つの主動作温度Ｔ_１およびＴ_２ならびに少なくとも２つの主動作電圧Ｕ_１＝Ｅ_１／ｄおよびＵ_２＝Ｅ_２／ｄでこうして確定されたτ_ｉに基づき、ｎ＞１個の欠陥が存在する場合に、数学的フィットにより、方程式（１０．１）から量Ｎ_ｑ，ｉ、Ｅ_{ａ，０，ｉ}および量ａ_０が決定され得る。測定されたＪ_ＴＥＤ推移は、製作変動と、使用される測定技術に起因する許容誤差との影響下にある。したがって、この測定から決定される材料特性ａ_０、Ｃ_０，ｉ（ａ_０）、Ｎ_ｑ，ｉ、およびＥ_{A，０，ｉ}の精度は、試料数の増加によって、ならびに２つより多い電圧および／または２つより多い温度での追加的な測定データによっても改善され得る。

プロセス条件を変化させた後にδφ_ｉおよびτ_ｉの決定が繰り返され、量Ｎ_ｑ，ｉおよびＥ_{ａ，０，ｉ}により、１つの欠陥種に一義的に割り当てられる。これにより、関与するｉの欠陥へのプロセス変化の物理的影響が示される。

少なくとも１つのさらなる第３の欠陥種が誘電層中に存在していることが好ましい。この場合、第３の欠陥種は、第１と第２の電極の間に印加される主動作電圧および存在している主動作温度に依存して、特徴的な時間τ_３で、両方の電極の一方に集まって、電極の傍で最大障壁高さ変化δΦ_３を生成するために形成されている。この場合、τ_１＜τ_３＜τ_３が当てはまり、その際、最大障壁高さ変化の順番は、順番δΦ_１＞δΦ_２＞δΦ_３とは相違している。これは、例えばδΦ_３＞δΦ_２＞δΦ_１またはδΦ_２＞δΦ_１＞δΦ_３が当てはまることを意味する。２つだけより多くの異なる欠陥種が存在している誘電層が生じることの方が多い。ＰＺＴ層の場合には、例えば、誘電層中で原子Ｐｂ、Ｔｉ、およびＺｒの少なくとも局所的な過剰または不足が生じる。さらに、２つより多い欠陥種が誘電層の電気的不全への重要な寄与をもたらす動作状態が実際に生じる。

誘電層は、多結晶質で酸化物のｈｉｇｈ－ｋ誘電体として、とりわけＰＺＴ層（ＰＺＴ＝Ｐｂ［Ｚｒ_ｘＴｉ_１－ｘ］Ｏ_３）、ドープされたＰＺＴ層（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_{１－ｘ－ｙ}）Ｏ_３Ｎｉ_ｙ、ＫＮＮ層（ＫＮＮ＝［Ｋ_ｘＮａ_１－ｘ］ＮｂＯ_３）、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、またはＳｒＴｉＯ_３として形成されることが好ましい。

誘電層は、スパッタリングされたＰＺＴ層として形成されることが好ましい。この場合、いわゆるターゲット材料がプラズマ状態で基板上に堆積される。ターゲット材料として例えばＰＺＴが使用される。スパッタリングされたＰＺＴ層は、この関連では５００℃未満の堆積温度を有することが好ましい。このような誘電層では、選択される主動作電圧および主動作温度に依存して、２つより多い欠陥種が活性で誘電的不全に寄与する効果が生じることが明白である。

スパッタリングされたＰＺＴ層が、Ｐｂ_ｘ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３の組成を有することが好ましい。この場合、ｘには１．２≦ｘ≦１．３が当てはまり、したがって組成は、例えばＰｂ_１．２（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３またはＰｂ_１．３（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３で構成され得る。その代わりに、半導体部品のスパッタリングされたＰＺＴ層が、０．１～１原子パーセントの間のニッケル含有量を有する。さらに、最大障壁高さ変化δΦおよび時定数τに影響を及ぼすため、追加的な欠陥がドーピングによってｈｉｇｈ－ｋ誘電体に持ち込まれ得ることが好ましい。

５つの異なる誘電層でのリーク電流測定の推移を示すグラフである。 リーク電流測定からもたらされた有効障壁高さの経時的推移および存在している欠陥種の寄与度への分割を示すグラフである。 例示的な動作状態１７５℃／－２．５Ｖに対する３つの例示的実施形態の最大障壁高さ変化および特徴的な時定数を示すグラフである。 ２つの例示的な動作状態１７５℃／－２．５Ｖおよび１００℃／－１０Ｖでの１つの例示的実施形態に関する最大障壁高さ変化および特徴的な時定数を示すグラフである。 例示的な動作状態１７５℃／－２．５Ｖに対する２つの例示的実施形態の最大障壁高さ変化および特徴的な時定数を示すグラフである。 例示的な動作状態１７５℃／－２．５Ｖに対する２つの例示的実施形態の最大障壁高さ変化および特徴的な時定数を示すグラフである。 例示的な動作状態１００℃／－１０Ｖに対する２つの例示的実施形態の最大障壁高さ変化および特徴的な時定数を示すグラフである。 １つの平均有効間隔ａ_０をあけて局限された欠陥状態に沿った、誘電層中での異なる欠陥種の移動を概略的に示す図である。 １つの平均有効間隔ａ_０をあけて局限された欠陥状態に沿った、誘電層中での異なる欠陥種の移動を概略的に示す図である。 １つの平均有効間隔ａ_０をあけて局限された欠陥状態に沿った、誘電層中での異なる欠陥種の移動を概略的に示す図である。 １つの平均有効間隔ａ_０をあけて局限された欠陥状態に沿った、誘電層中での異なる欠陥種の移動を概略的に示す図である。

図１ａは、以下に例示的実施形態１と称する半導体部品の誘電層のリーク電流測定の推移１４を示している。この場合、Ｘ軸１２では時間が対数で、単位：秒で、およびＹ軸１０ではリーク電流密度が対数で、単位：アンペア／平方センチメートルで示されている。リーク電流測定に用いられた例示的実施形態１は、誘電性の不動態化層と、その上に堆積された第１の電極とを備えたシリコン基板を有した。この第１の電極は、１１０ｎｍ厚のＰＶＤ白金から成る二重層を有しており、この二重層は、導電性で１００ｎｍのランタンニッケル酸化物バッファ層（以下にＬＮＯ層と称する）によって覆われている。このＬＮＯ層もＰＶＤによって施された。第１の電極の上にある誘電層は、１μｍの厚さを有しており、温度４８０℃およびターゲット組成Ｐｂ_１．３（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３でのＲＦ－ＰＶＤプロセスにおいて堆積された。前述の堆積の残りのプロセスパラメータは、誘電層が、多結晶質で、好ましくは（１００）ｃ軸配向で成長するように選択された。半導体要素の第２の電極、１１０ｎｍ厚の白金電極は、誘電層上にＰＶＤによって施された。例示的実施形態１に相応する半導体部品は不動態化および電気接触の後、熱による後処理を受けなかった。

図１ａはさらに、以下に例示的実施形態２と称するさらなる半導体部品の誘電層のリーク電流測定の推移１６を示している。
例示的実施形態２の製造は、例示的実施形態１に倣って行われたが、この部品は電気接触の後、熱による後処理を施された。この熱による後処理は、６０ｍｂａｒの窒素雰囲気中で、４５０℃で４０分間行われた。

図１ａはこれに加えて、以下に例示的実施形態３と称するさらなる半導体部品の誘電層のリーク電流測定の推移１８を示している。例示的実施形態３の製造は、例示的実施形態１に倣って行われたが、この部品は電気接触の後、熱による後処理を施された。この熱による後処理は、６０ｍｂａｒの窒素雰囲気中で、５００℃で４０分間行われた。

図１ａはこれに加えて、以下に例示的実施形態４と称するさらなる半導体部品の誘電層のリーク電流測定の推移２０を示している。例示的実施形態４の製造は、例示的実施形態１に倣って行われたが、この誘電層は、ターゲット組成Ｐｂ_１．２（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３で堆積された。

図１ａはさらに、以下に例示的実施形態５と称するさらなる半導体部品の誘電層のリーク電流測定の推移２２を示している。例示的実施形態５の製造は、例示的実施形態１に倣って行われたが、この誘電層は、ターゲット組成Ｐｂ_１．３（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３Ｎｉ_{０．００５}で堆積された。

すべての前述の例示的実施形態１、２、３、４、および５が、リーク電流推移の測定前に、不動態化層で覆われ、アルミニウム導体路によって電気接触された。
５つの例示的実施形態のうち４つは、それぞれの誘電破壊１５、１７、１９、および２４まで測定された。ここで認識できるように、誘電層の製造および組成に依存して、異なる破壊時間１７、１５、１９、および２４を有する非常に異なるリーク電流推移１４、１６、１８、２０、および２２が生じる。

図１ｂは、図１ａで測定された例示的実施形態２のリーク電流推移１６に基づくモデル量の抽出を例示的に示している。この場合、Ｘ軸３２ではここでも時間が対数で、単位：秒で、およびＹ軸３０では障壁高さ変化Δφが対数で、単位：電子ボルトで示されている。これに関し推移３８は、時間に依存して確定された初期障壁高さφ_０からの障壁高さ変化Δφ（ｔ）の推移を示している。

障壁高さ変化Δφ（ｔ）のこの推移３８は、式（上式２．２を参照）
Φ（ｔ）＝［ｌｎ（Ｋ）－ｌｎ（Ｊ_ＴＥＤ（ｔ））］ｋ_BＴ
によって確定される。

次いで、平均有効障壁高さφ（ｔ）の確定された経時的推移が、数値的に式（上式３．２を参照）に適合される。

この数値的フィットから相応に、Δφ（ｔ）の推移を説明する異なるΔφ_ｉ ^＋／－（ｔ）が得られる。つまり示した事例では、Δφ（ｔ）３８は、合算推移Σ_ｉΔφ_ｉ ^＋３６と共にΔφ_ａ ^－（ｔ）３９の推移、Δφ_ｂ ^－（ｔ）４０の推移、およびΔφ_ｃ ^－（ｔ）４２の推移によって説明される。その後、下式（上式５．１を参照）

に相応して、異なる

および

が確定され得る。この事例では、多数電荷キャリアに割り当てられた障壁高さ変化Δφ_ｉ ^－３９、４０、および４２に関し、帰属の特徴的な時定数τ_ａ、τ_ｂ、およびτ_ｃが得られる。これらの時定数は、図１ｂではそれぞれ４７ａ、４７ｂ、および４７ｃによって表されており、相応の障壁高さ変化が最も強く変わる時点である。例示的に、推移Δφ_ｉ ^－３９、４０に関する帰属の最大障壁低下δφ_ｉ ^－が５０および５１で示されている。少数電荷キャリアに関する障壁高さ変化Δφ_ｉ ^＋は、見易くするために明確に個々には示さなかった。その合算推移Σ_ｉΔφ_ｉ ^＋３６だけが、個々の時定数τ_ｄ、τ_ｅ、およびτ_ｆ４９ａ、４９ｂ、および４９ｃと共に示されている。これに関し、それぞれの特徴的な時定数は、層中に存在している１つの欠陥種ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、およびｆに割り当てられている。つまりこれに相応して、この誘電層中には６つの互いに異なる欠陥種が存在している。

図１ｂで示した事例では、トンネルする多数電荷キャリアによる誘電層の誘電破壊４７が、下式（上式９．２を参照）に相応して起こっている。
φ_ｋｒｉｔ ^－＝φ_０ ^－＋Σ_ｉΔφ_ｉ ^－（ｔ_ｋｒｉｔ）＝φ_０ ^－＋Δφ_ｋｒｉｔ ^－ 式中 Δφ_ｋｒｉｔ ^－＝Σ_ｉΔφ_ｉ ^－（ｔ_ｋｒｉｔ）
つまり、前もって確定されたΔφ_ａ ^－（ｔ）３９、Δφ_ｂ ^－（ｔ）４０、およびΔφ_ｃ ^－（ｔ）４２の推移が合算され、その推移に相応して障壁高さ変化Σ_ｉΔφ_ｉ ^－４４がもたらされる。この場合、時点ｔ_ｋｒｉｔ４８で、誘電層の、多数電荷キャリアにとってのクリティカルな障壁高さ変化

に到達すると、誘電層と電極の間の境界層に集塊して存在している異なる欠陥種ａ、ｂ、およびｃにより、層の局所的な破壊が生じる。
図２ａは、主動作温度１７５℃および主動作電圧－２．５Ｖでの、それぞれの特徴的な時定数

および最大障壁高さ変化

をもつ３つの例示的実施形態１、２、および３に関する測定された障壁高さ変化Δφ（ｔ）^±の推移を示している。この場合、Ｘ軸６２では時間が対数で、単位：秒で、ならびにＹ軸６０ではそれぞれの例示的実施形態１、２、および３のクリティカルな障壁高さ変化

で割った障壁高さ変化が無単位で示されている。
ここでは、例示的実施形態３、２、および１に関するΔφ（ｔ）^－６３、６４、６５の推移ならびに例示的実施形態３、２、および１の帰属のΔφ（ｔ）^＋６６、６７、６８の推移が示されている。これらの例示的実施形態の誘電層の電気的不全はそれぞれ、クリティカルな障壁高さ低下に到達した帰属の時点９４、９６、および９８で起こっている。

この場合、例示的実施形態１に関する欠陥構成は、欠陥種ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、およびｆから成っており、これらの欠陥種には、時定数τ_ａ７２ａ、τ_ｂ７２ｂ、τ_ｃ７２ｃ、τ_ｄ９０ａ、τ_ｅ７０ｂ、およびτ_ｆ７０ｃが割り当てられている。これらの異なる欠陥種に、引き起こされる最大障壁高さ低下

、

、

、

および

が割り当てられている。
この場合、例示的実施形態２に関する欠陥構成は、欠陥種ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、およびｆから成っており、これらの欠陥種には、時定数τ_ａ８２ａ、τ_ｂ８２ｂ、τ_ｃ８２ｃ、τ_ｄ８０ａ、τ_ｅ８０ｂ、およびτ_ｆ８０ｃが割り当てられている。この場合も、これらの異なる欠陥種に、引き起こされる最大障壁高さ低下

、

、

、

、

および

が割り当てられている。
この場合、例示的実施形態３に関する欠陥構成は、欠陥種ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、およびｆから成っており、これらの欠陥種には、時定数τ_ａ９２ａ、τ_ｂ９２ｂ、τ_ｃ９２ｃ、τ_ｄ７０ａ、τ_ｅ９０ｂ、およびτ_ｆ９０ｃが割り当てられている。ここでも、これらの異なる欠陥種に、引き起こされる最大障壁高さ低下

、

、

、

、

および

が割り当てられている。
異なる欠陥種に対し、上述のモデルおよび下記の方程式（上記の方程式１０．１を参照）

への数学的フィットにより、真の活性化エネルギーＥ_{Ａ，０，ｉ}および電荷Ｎ_ｑ，ｉが確定され得る。欠陥種ａに関しては、電荷１ｅで真の活性化エネルギー０．９２ｅＶとなる。欠陥種ｂに関しては、電荷３ｅで真の活性化エネルギー０．９５ｅＶとなる。欠陥種ｃに関しては、電荷４ｅで真の活性化エネルギー０．８５５ｅＶとなる。欠陥種ｄに関しては、電荷１ｅで真の活性化エネルギー＜０．８ｅＶとなる。欠陥種ｅに関しては、電荷２ｅで真の活性化エネルギー１．０４ｅＶとなる。欠陥種ｆに関しては、電荷２ｅで真の活性化エネルギー１．２２ｅＶとなる。これにより欠陥種ａは、例えば物理的に、誘電層の内部の水素および／またはＯＨ基と、ならびに欠陥種ｅは、酸素空孔および／または鉛と結合され得る。例示的実施形態１、２、および３の異なる製造により、欠陥種ａおよびｅの最大障壁高さ低下

または

が変化している。ここで選択された例示的な主動作条件では、半導体部品の例示的実施形態１および２に関し、τ_ａ＜τ_ｂおよび

が当てはまっている。例示的実施形態３の障壁推移６３は、例示的実施形態３の相対的に早い時点９２ａで起こる相対的に大きな障壁低下９３ａによって影響を及ぼされている。これは、例示的実施形態１または２の故障時点ｔ_ｋｒｉｔ９４または９６に比べて時間的により早い時点ｔ_ｋｒｉｔ９８で、電気的不全を生じさせている。これに相応して、半導体部品の比較的長い寿命を達成するには、時間的に早く起こる障壁低下が小さいことが望ましい。例示的実施形態１および２に関してはさらに、τ_ａ＜τ_ｂ＜τ_ｃおよび

が当てはまることが示されている。
図２ｂは、２つの異なる動作条件でそれぞれの特徴的な時定数

および最大障壁高さ変化

をもつ例示的実施形態２に関する障壁高さ変化Δφ（ｔ）^±の推移の比較を示している。この場合、Ｘ軸６２では時間が対数で、単位：秒で、およびＹ軸６０ではそれぞれの動作状態のクリティカルな障壁高さ変化

で割った障壁高さ変化が無単位で示されている。
ここでは、主動作温度１７５℃および主動作電圧－２．５Ｖ（以下に動作条件ａと称する）に対する推移Δφ（ｔ）^－６４ならびに主動作温度１００℃および主動作電圧－１０Ｖ（以下に動作条件ｂと称する）に対する推移Δφ（ｔ）^－１１０が明らかになっている。動作条件ａに対する帰属の推移Δφ（ｔ）^＋６７および動作条件ｂに対する推移Δφ（ｔ）^＋１００も示されている。

誘電層の電気的不全は、動作条件ａおよびｂに対し、それぞれ時点９６および９７で起こっている。この場合、動作条件ａでの例示的実施形態２に関する欠陥構成は、電気的不全まで活性な欠陥種ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、およびｆによって形成されており、これらの欠陥種には時定数τ_ａ８２ａ、τ_ｂ８２ｂ、τ_ｃ８２ｃ、τ_ｄ８０ａ、τ_ｅ８０ｂ、およびτ_ｆ８０ｃならびにこれらの欠陥種によって引き起こされる最大障壁高さ低下

、

、

、

、

および

が割り当てられている。
この場合、動作条件ｂでの例示的実施形態２に関する欠陥構成は、電気的不全まで活性な欠陥種ａ、ｂ、ｄ、およびｅによって形成されており、これらの欠陥種には時定数τ_ａ１７０ａ、τ_ｂ１７０ｂ、τ_ｄ１０１ａ、およびτ_ｅ１０１ｂならびにこれらの欠陥種によって引き起こされる最大障壁高さ低下

、

、

および

が割り当てられている。
半導体部品中の欠陥構成および絶縁破壊まで効力をもつ欠陥が、選択される動作条件に依存することが認識され得る。時間的なズレ１０６は、主動作温度および方程式（１０．１）内の項

によって引き起こされている。最大障壁高さ低下の変化１０５は、主動作電圧の変化およびそれに伴う

の変化によって引き起こされている。
例示的実施形態２に関し、動作条件ａに対してτ_ａ＜τ_ｂ＜τ_ｃおよび

ならびにτ_ｄ＜τ_ｅ＜τ_ｆおよび

が当てはまっている。それだけでなく例示的実施形態２に関し、動作条件ｂに対してτ_ａ＜τ_ｂおよび

ならびにτ_ｄ＜τ_ｅおよび

が当てはまっている。
図２ｃは、主動作温度１７５℃および主動作電圧－２．５Ｖでの、それぞれの特徴的な時定数

および最大障壁高さ変化

をもつ２つの例示的実施形態２および４に関する障壁高さ変化Δφ（ｔ）^±の推移の比較を示している。この場合、Ｘ軸６２では時間が対数で、単位：秒で、およびＹ軸６０では例示的実施形態２のクリティカルな障壁高さ変化

で割った障壁高さ変化が無単位で示されている。例示的実施形態４の障壁高さ変化は、最大障壁高さ変化

と

が同一であるように標準化された。
ここでは、例示的実施形態２の推移Δφ（ｔ）^－６４および例示的実施形態４の推移Δφ（ｔ）^－１３０が示されている。さらに例示的実施形態２の推移Δφ（ｔ）^＋６７および例示的実施形態４の推移Δφ（ｔ）^＋１２０が示されている。例示的実施形態２の誘電層の電気的不全は、クリティカルな障壁高さ低下に到達する時点９６で起こっている。

例示的実施形態４は、試験期間内に不全まで負荷をかけることができず、したがって推移１３０は値－１に到達していない。
この場合、例示的実施形態２に関する欠陥構成は、欠陥種ａ、ｃ、ｄ、ｅ、およびｆによって形成されており、これらの欠陥種には、時定数τ_ａ８２ａ、τ_ｂ８２ｂ、τ_ｃ８２ｃ、τ_ｄ８０ａ、τ_ｅ８０ｂ、およびτ_ｆ８０ｃならびにこれらの欠陥種によって引き起こされる最大障壁高さ低下

、

、

、

および

が割り当てられている。
この場合、例示的実施形態４に関する欠陥構成は、欠陥種ａ、ｃ、ｄ、およびｅによって形成されており、これらの欠陥種には、時定数τ_ａ１３１ａ、τ_ｃ１３１ｂ、τ_ｄ１２１ａ、およびτ_ｅ１２１ｂならびにこれらの欠陥種によって引き起こされる最大障壁高さ低下

、

および

が割り当てられている。
欠陥種ａに関しては、電荷１ｅで真の活性化エネルギー０．９２ｅＶとなる。欠陥種ｂに関しては、電荷３ｅで真の活性化エネルギー０．９５ｅＶとなる。欠陥種ｃに関しては、電荷４ｅで真の活性化エネルギー０．８５５ｅＶとなる。欠陥種ｄに関しては、電荷１ｅで真の活性化エネルギー＜０．８ｅＶとなる。欠陥種ｅに関しては、電荷２ｅで真の活性化エネルギー１．０４ｅＶとなる。欠陥種ｆに関しては、電荷２ｅで真の活性化エネルギー１．２２ｅＶとなる。例示的実施形態４のスパッタリングされたＰＺＴ層中の鉛含有量の減少に基づき、鉛と関係のある欠陥種ｂ、ｃ、およびｆの最大障壁高さ低下

、

および

を、例示的実施形態２に比べて減少させることができた。この減少は、例示的に

に対して１１５で表されている。最大障壁高さ低下

および

は、モデルへの数値的フィットによって存在が認識できなくなるほど小さい。欠陥種ｂに関しては、τ_ａ＜τ_ｂ＜τ_ｃが当てはまるので、τ_ｂ＜τ_ｃおよび

が当てはまることが導き出せる。
図２ｄは、主動作温度１７５℃および主動作電圧－２．５Ｖでの、それぞれの特徴的な時定数

および最大障壁高さ変化

をもつ２つの例示的実施形態２および５に関する障壁高さ変化Δφ（ｔ）^±の推移の比較を示している。この場合、Ｘ軸６２では時間が対数で、単位：秒で、ならびにＹ軸６０ではそれぞれの例示的実施形態２および５のクリティカルな障壁高さ変化

で割った障壁高さ変化が無単位で示されている。
ここでは、例示的実施形態２の推移Δφ（ｔ）^－６４および例示的実施形態５の推移Δφ（ｔ）^－１５０が示されている。さらに例示的実施形態２の帰属の推移Δφ（ｔ）^＋６７および例示的実施形態５の推移Δφ（ｔ）^＋１４０が示されている。例示的実施形態２の誘電層の電気的不全は時点９６で、および例示的実施形態５の場合は時点９９で起こっている。

この場合、例示的実施形態２に関する欠陥構成は、欠陥種ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、およびｆによって形成されており、これらの欠陥種には、時定数τ_ａ８２ａ、τ_ｂ８２ｂ、τ_ｃ８２ｃ、τ_ｄ８０ａ、τ_ｅ８０ｂ、およびτ_ｆ８０ｃならびにこれらの欠陥種によって引き起こされる最大障壁高さ低下

、

、

、

、

および

が割り当てられている。
この場合、例示的実施形態５に関する欠陥構成は、欠陥種ａ、ｂ、およびｄによって形成されており、これらの欠陥種には、時定数τ_ａ１４８ａ、τ_ｂ１４８ｂ、およびτ_ｄ１４５ａならびにこれらの欠陥種によって引き起こされる最大障壁高さ低下

、

および

が割り当てられている。
欠陥種ａに関しては、電荷１ｅで真の活性化エネルギー０．９２ｅＶとなる。欠陥種ｂに関しては、電荷３ｅで真の活性化エネルギー０．９５ｅＶとなる。欠陥種ｃに関しては、電荷４ｅで真の活性化エネルギー０．８５５ｅＶとなる。欠陥種ｄに関しては、電荷１ｅで真の活性化エネルギー＜０．８ｅＶとなる。欠陥種ｅに関しては、電荷２ｅで真の活性化エネルギー１．０４ｅＶとなる。欠陥種ｆに関しては、電荷２ｅで真の活性化エネルギー１．２２ｅＶとなる。例示的実施形態５のスパッタリングされたＰＺＴ層中の追加的なニッケル含有量により、最大障壁高さ低下

および

に明らかに影響を及ぼすことができた。これに加え、最大障壁高さ低下

および

は、モデルへの数値的フィットによって存在が認識できなくなるほど減少させることができた。例示的実施形態５に関し、動作条件１７５℃および－２．５Ｖに対してτ_ａ＜τ_ｂおよび

が当てはまっている。
図２ｅは、主動作温度１００℃および主動作電圧－１０Ｖでの、それぞれの特徴的な時定数

および最大障壁高さ変化

をもつ２つの例示的実施形態２および５に関する障壁高さ変化Δφ（ｔ）^±の推移の比較を示している。この場合、Ｘ軸１５５では時間が対数で、単位：秒で、ならびにＹ軸１５６ではそれぞれの例示的実施形態２および５のクリティカルな障壁高さ変化

で割った障壁高さ変化が無単位で示されている。
ここでは、例示的実施形態２の推移Δφ（ｔ）^－１１０および例示的実施形態５の推移Δφ（ｔ）^－１６９が示されている。加えて例示的実施形態２の帰属の推移Δφ（ｔ）^＋１００および例示的実施形態５のΔφ（ｔ）^＋１６５が示されている。例示的実施形態２の誘電層の電気的不全は時点９６ｃで、および例示的実施形態５は時点９６ｄで起こっている。

この場合、例示的実施形態２に関する欠陥構成は、欠陥種ａ、ｂ、ｄ、およびｅによって形成されており、これらの欠陥種には、時定数τ_ａ１７０ａ、τ_ｂ１７０ｂ、τ_ｄ１６１ａ、およびτ_ｅ１６１ｂならびにこれらの欠陥種によって引き起こされる最大障壁高さ低下

、

、

および

が割り当てられている。
この場合、例示的実施形態５に関する欠陥構成は、欠陥種ａおよびｄによって形成されており、これらの欠陥種には、時定数τ_ａ１７５ａおよびτ_ｄ１５８ａならびにこれらの欠陥種によって引き起こされる最大障壁高さ低下

および

が割り当てられている。
欠陥種ａに関しては、電荷１ｅで真の活性化エネルギー０．９２ｅＶとなる。欠陥種ｂに関しては、電荷３ｅで真の活性化エネルギー０．９５ｅＶとなる。欠陥種ｄに関しては、電荷１ｅで真の活性化エネルギー＜０．８ｅＶとなる。欠陥種ｅに関しては、電荷２ｅで真の活性化エネルギー１．０４ｅＶとなる。例示的実施形態５のスパッタリングされたＰＺＴ層中の追加的なニッケル含有量により、最大障壁高さ低下

に明らかに影響を及ぼすことができた。これに加え、最大障壁高さ低下

は、モデルへの数値的フィットによって存在が認識できなくなるほど減少させることができた。
例示的実施形態２に関し、動作条件１００℃および－１０Ｖに対してτ_ａ＜τ_ｂおよび

ならびにτ_ｄ＜τ_ｅおよび

が当てはまっている。
図３ａは、第１の時点ｔ_０での半導体部品２００を概略的に示している。この場合、半導体部品２００は、層厚２０８をもつ誘電層２３０を含んでいる。誘電層２３０は、例えばＰＺＴ層であり得る。半導体部品２００はこれに加え、互いに向かい合って配置された第１の電極２０２および第２の電極２０１を有している。加えて、それぞれの電極２０１または２０２と誘電層２３０との間に境界層２０３または２０４が配置されている。誘電層２３０中には、ここでは例示的に一価の正電荷２１４をもつ欠陥種２１２ならびに一価の負電荷２１６をもつ欠陥種２１５および２１７として表された異なる欠陥種が存在している。これに関し添え字＋および－はそれぞれ、相応の欠陥種の電荷キャリアの数を表している。誘電層２３０中での必要な電荷的中性に基づき、欠陥対または欠陥群が存在している。つまり、負電荷をもつ欠陥２１５および２１７の発生の際には、同じように正電荷をもつ欠陥２１２が材料中に存在している。異なる欠陥種２１２、２１５、および２１７は、局限された欠陥２３５上に配置されている。図３ａに示した第１の時点ｔ_０では、電極２０１と２０２の間の電圧は、したがって電場も、まだ印加されていない。

図３ｂは、第１の時点ｔ_０の後の第２の時点ｔ_１での半導体部品２００を示している。この時点ｔ_１では、第１の電極２０２と第２の電極２０１の間に電圧が印加されており、したがって誘電層２３０中に電場２２０が生成されている。ここでは、異なる欠陥種２１２、２１５、および２１７が、第１の電極２０１と第２の電極２０２の間に印加された主動作電圧および存在している主動作温度に依存して、局限された欠陥状態２３５に沿って移動する。欠陥種２１２、２１５、および２１７のこの移動状態はホッピングとも称する。各欠陥種が、相応の一方の電極の方向に異なる速度で移動する。１つの欠陥種が、主動作電圧の印加後に、初期位置から、一方の電極に割り当てられたそれぞれの境界層に達するのに必要なそれぞれの時間を、特徴的な時間τ_ｉと称する。局限された欠陥状態２３５は、それぞれ同じ平均有効間隔ａ_０２１０を有する。正電荷２１４をもつ欠陥種２１２は、負電位をもつ電極（この事例では第１の電極２０２）へと動いて、ドープされた境界層２０３内で集塊する。これに対し負電荷２１６をもつ欠陥種２１５および２１７は、正電位をもつ電極（この事例では第２の電極２０１）へと移動し、ドープされた境界層２０４内で集塊する。リーク電流Ｊ_ＴＥＤの、一方の電極からもう一方の電極に達しようとする電荷キャリアは、境界層２０３および２０４によって影響を及ぼされるショットキー障壁φ（ｔ）を克服しなければならない。この障壁は、初期障壁高さφ_０を有し、そこに集まっている欠陥種による障壁高さ変化Δφ_ｉを受け、この障壁高さ変化は、その後の経時的推移において最大障壁高さ変化δΦ_ｉに到達する。欠陥種はそれぞれ異なる障壁高さ変化ΔΦ_ｉを生成する。

図３ｃは、第２の時点の後の第３の時点ｔ_２での半導体部品２００を示している。ここでは、既に多数の異なる欠陥種２１２、２１５、および２１７が、誘電層２３０の境界層２０２および２０３に集まっており、そこで障壁高さ変化Δφ_ｉを引き起こした。第３の時点の後の第４の時点ｔ_３では、境界層の一方２０２または２０３でクリティカルな障壁高さφ_ｋｒｉｔに到達する。この場合、図３ｄで認識できるように、誘電層２３０の局所的な誘電破壊２２５が起こる。ｔ_ｋｒｉｔを過ぎた後には、局所的に限定的な面で破損した半導体部品２００があとに残っている。ｔ＞ｔ_ｋｒｉｔで進行していく負荷により、絶えずさらなる局所的な誘電破壊２２５が生じ、これが最終的に半導体部品２００を完全に破損させる。

Claims (7)

1. － 少なくとも１つの誘電層（２３０）と、
   － 少なくとも１つの第１（２０１）および第２の電極（２０２）と
   を含む半導体部品（２００）であって、
   少なくとも１つの第１の欠陥種および前記第１の欠陥種とは異なる第２の欠陥種が前記誘電層（２３０）中に存在しており、前記少なくとも２つの異なる欠陥種（２１２、２１５、２１７）が、前記第１（２０２）と第２の電極（２０１）の間に印加される主動作電圧および存在している主動作温度に依存して、特徴的な時間τ_１およびτ_２で、前記両方の電極の一方（２０１、２０２）に集まって、前記電極（２０１、２０２）の傍で最大障壁高さ変化δΦ_１およびδΦ_２を生成し、その際、τ_１およびδΦ_１は前記第１の欠陥種に、ならびにτ_２およびδΦ_２は前記第２の欠陥種に割り当てられており、
   この場合、τ_１＜τ_２およびδΦ_１＜δΦ_２が当てはまる半導体部品（２００）。
2. 少なくとも１つのさらなる第３の欠陥種が前記誘電層（２３０）中に存在しており、前記第３の欠陥種が、前記第１（２０２）と第２の電極（２０１）の間に印加される主動作電圧および前記存在している主動作温度に依存して、特徴的な時間τ_３で、前記両方の電極（２０１、２０２）の一方に集まって、前記電極（２０１、２０２）の傍で最大障壁高さ変化δΦ_３を生成し、この場合、τ_１＜τ_２＜τ_３が当てはまり、その際、前記障壁高さ変化の順番が、順番δΦ_１＞δΦ_２＞δΦ_３＞とは相違していることを特徴とする請求項１に記載の半導体部品（２００）。
3. 前記誘電層（２３０）が、多結晶質で酸化物のｈｉｇｈ－ｋ誘電体として、とりわけＰＺＴ層またはＫＮＮ層として形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体部品（２００）。
4. 前記誘電層（２３０）が、スパッタリングされたＰＺＴ層として形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体部品（２００）。
5. 前記スパッタリングされたＰＺＴ層が、５００℃未満のＰＺＴ堆積温度を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体部品（２００）。
6. 前記スパッタリングされたＰＺＴ層が、Ｐｂ_ｘ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３の組成を有し、１．２≦ｘ≦１．３が当てはまることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体部品（２００）。
7. 前記スパッタリングされたＰＺＴ層が、０．１～１原子パーセントの間のニッケル含有量を有することを特徴とする請求項４または５に記載の半導体部品（２００）。
   

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