WO2004068568A1 - Structure, especially a semi-conductor structure, in addition to a method for the production said structure - Google Patents

Structure, especially a semi-conductor structure, in addition to a method for the production said structure Download PDF

Info

Publication number
WO2004068568A1
WO2004068568A1 PCT/DE2004/000038 DE2004000038W WO2004068568A1 WO 2004068568 A1 WO2004068568 A1 WO 2004068568A1 DE 2004000038 W DE2004000038 W DE 2004000038W WO 2004068568 A1 WO2004068568 A1 WO 2004068568A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
substrate
ion
oxygen
atoms
Prior art date
Application number
PCT/DE2004/000038
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Clemens Först
Christopher Ashman
Peter Blöchl
Original Assignee
Technische Universität Clausthal
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universität Clausthal filed Critical Technische Universität Clausthal
Publication of WO2004068568A1 publication Critical patent/WO2004068568A1/en
Priority to DE502005007295T priority Critical patent/DE502005007295D1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/02Epitaxial-layer growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16Oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16Oxides
    • C30B29/22Complex oxides
    • C30B29/32Titanates; Germanates; Molybdates; Tungstates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02107Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02172Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides or metal carbides
    • H01L21/02175Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides or metal carbides characterised by the metal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02107Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02172Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides or metal carbides
    • H01L21/02175Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides or metal carbides characterised by the metal
    • H01L21/02192Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides or metal carbides characterised by the metal the material containing at least one rare earth metal element, e.g. oxides of lanthanides, scandium or yttrium
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B51/00Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory transistors
    • H10B51/30Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory transistors characterised by the memory core region

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

The invention relates to a structure, especially a semi-conductor structure, comprising a substrate which has a diamond or zinc-selenium type lattice structure, and at least one insulating layer disposed on said substrate. The structure is characterised in that, in the region of the insulating layer, essentially all atoms of the substrates are positioned on the lattice of the substrate, the atoms of the highest substrate layer are dimerized, and the substrate surface is devoid of silicide; at least one ion intermediate layer is directly adjacent to the substrate surface; and at least one ion covering layer is arranged on the ion intermediate layer.

Description

Struktur, insbesondere Halbleiterstruktur, sowie Verfahren zur Herstellung einer StrukturStructure, in particular semiconductor structure, and method for producing a structure
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.The invention relates to a structure, in particular a semiconductor structure, with a substrate which has a diamond or zinc selenide-like lattice structure, and with at least one insulating layer on the substrate.
Derartige Strukturen werden beispielsweise für nicht flüchtige Datenspeicher mit hoher Dichte und Logikschaltungen eingesetzt, beispielsweise wenn ferroelektri- sche oder hohe Dielektrizitätskonstanten benötigt werden. Dabei werden Einkristall-Dünnfilme epitaktisch auf eine möglichst geordnete und stabile Substratstruktur, beispielsweise Silizium aufgewachsen.Such structures are used, for example, for non-volatile data memories with high density and logic circuits, for example when ferroelectric or high dielectric constants are required. Single crystal thin films are grown epitaxially on a stable and orderly substrate structure, for example silicon.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur mit den Schritten:The invention further relates to a method for producing such a structure, comprising the steps:
- Aufbringen einer lonenzwischenschicht auf eine Substratoberfläche; und- Application of an intermediate ion layer on a substrate surface; and
- Aufbringen mindestens einer lonendeckschicht auf die lonenzwischenschicht.- Applying at least one ion cover layer to the intermediate ion layer.
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.US Pat. No. 5,225,031 describes a method and a structure with a silicon substrate, on the surface of which an oxide layer is epitaxially applied, for example barium oxide BaO and barium titanate BaTiO 3 . Here, a quarter monolayer of barium is applied to the (001) plane of the silicon substrate based on a cubic BaSi 2 structure by reaction epitaxy at temperatures greater than 850 ° C.
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 lonenzwischenschicht 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 Sili- cid oder eine Struktur mit Siliziumatomen, die nicht direkt an das Substrat gebunden sind.US Pat. No. 6,241,821 and US Pat. No. 6,248,459 describe methods for producing a semiconductor structure and the semiconductor structure itself, in which an intermediate ion layer is produced from a material of the composition XSiO 2 , where X is a metal. These known structures are metallic and therefore conductive. They are also not sufficiently stable. The conventional structures either form a silicide or a structure with silicon atoms that are not directly bound to the substrate.
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 AI sowie Lanthanide. Bei einer erheblichen Verringerung der Dicke der isolierenden Oxidschicht dürfte der Einsatz kristalliner Oxide notwendig werden.For example, in the case of semiconductor components, it is necessary to create insulating layers which are as thin as possible and which, for. B. can be used as a so-called gate oxide in MOS-FET transistors. This gate oxide has the function of a dielectric of a capacitor with which line carriers are brought into the channel of a MOS-FET transistor. The transistor is switched by applying and switching off a voltage at the gate. The gate oxide conventionally has a thickness of approximately 2 to 3 nm. This corresponds to only a few atomic layers. If the thickness is reduced to less than 1.5 nm, the oxide is so thin that it loses its insulating properties and the function of the components is severely impaired. Therefore, as in the prior art mentioned above, oxides with a higher dielectric constant are used, which are called high-K oxides. These high-K oxides must have thermodynamic stability, a small number of interface states, a sufficiently large band offset and a low density of impurities. Oxides with strontium Sr, barium Ba, yttrium Y, zirconium Zr, hafnium Hf, aluminum Al and lanthanides appear to be suitable. With a significant reduction in the thickness of the insulating oxide layer, the use of crystalline oxides may become necessary.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Struktur mit einer isolierenden Schicht zu schaffen, die eine geringe Dicke und hohe Stabilität aufweist.The object of the invention is therefore to create an improved structure with an insulating layer which has a small thickness and high stability.
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;The object is achieved according to the invention with the structure of the generic type in that in the region of the insulating layer essentially all atoms of the substrate are on the lattice positions of the substrate lattice, the atoms of the uppermost substrate layer are dimerized, and the substrate surface is free of silicide;
mindestens eine lonenzwischenschicht unmittelbar an die Substratoberfläche angrenzt, undat least one intermediate ion layer directly adjoins the substrate surface, and
mindestens eine lonendeckschicht auf der lonenzwischenschicht ist.there is at least one ion cover layer on the intermediate ion layer.
Erfindungsgemäß wird somit eine lonenzwischenschicht eingesetzt, die unmittelbar an die Substratoberfläche angrenzt. Dabei ist wesentlich, dass die Substratoberfläche silicidfrei bleibt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Substratoberfläche sowie die lonenzwischenschicht nicht metallisieren, sondern ein Dielektrikum ausbilden und isolierend sind. Auf die lonenzwischenschicht kann dann die eigentliche lonendeckschicht aufgebracht werden, die beispielsweise ein Oxid oder Nitrid ist.According to the invention, an intermediate ion layer is thus used which directly adjoins the substrate surface. It is essential that the substrate surface remains free of silicide. This ensures that the substrate surface and the intermediate ion layer do not metallize, but rather form a dielectric and are insulating. The actual ion cover layer, which is, for example, an oxide or nitride, can then be applied to the intermediate ion layer.
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.The substrate used for the structure according to the invention has a diamond or zinc selenide-like lattice structure. The top layer of substrate is dimerized either by direct bonds or oxygen bridges. The substrate can also contain oxygen atoms which are bound to the uppermost layer of substrate. Oxygen bridges only occur within the top substrate layer.
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.In the case of silicon as a substrate, the number of silicon atoms in the uppermost substrate layer corresponds to a monolayer, which is also called a monoatomic layer. The same applies to other substrate materials.
Bevorzugt enthält die lonenzwischenschicht 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.The intermediate ion layer preferably contains metal cations. It has the function of electronically saturating the open bonds of the substrate. In the case of silicon as the substrate atom, an electronically saturated structure is achieved by adding one electron for each silicon atom to the uppermost substrate layer.
Die lonenzwischenschicht 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 lonenzwischenschicht und zu der lonendeckschicht verbraucht werden. Wenn die lonenzwischenschicht aus einem einwertigen Metall gebildet ist, sollte somit die lonenzwischenschicht eine Monolage ausbilden. Entsprechend sollte bei einem zweiwertigen Metall eine halbe Monolage und bei einem dreiwertigen Metall eine Drittel Monolage vorgesehen sein.The intermediate ion layer should preferably have a number of cations which corresponds to a proportion of the number of cations located on the uppermost layer of the substrate surface, the number of cations being chosen such that all open bonds of the substrate are filled with electrons. An open bond can contain a maximum of two electrons. The number of electrons provided by the cations corresponds to the valence minus the electrons which are consumed by bonds in the intermediate ion layer and to the ion cover layer. If the intermediate ion layer is formed from a monovalent metal, the intermediate ion layer should thus form a monolayer. Accordingly, a half monolayer should be provided for a divalent metal and a third monolayer for a trivalent metal.
Die lonenzwischenschicht sollte bevorzugt Metallionen, insbesondere Erdalkali- metellionen oder Lanthanoide aufweisen. Die Erdalkalimetallionen können beispielsweise aus der Gruppe der Elemente Barium Ba und Strontium Sr gewählt sein.The intermediate ion layer should preferably have metal ions, in particular alkaline earth metal ions or lanthanoids. The alkaline earth metal ions can be selected, for example, from the group of the elements barium Ba and strontium Sr.
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.It is particularly advantageous if the uppermost substrate layer is oxidized. It is now possible to set the band offset, since the selective oxidation of the silicon atoms of the uppermost substrate layer leads to dipoles that shift the potential and thus the band offset.
Die Atome der lonenzwischenschicht 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 lonenzwischenschicht in den Lücken der Gitterstruktur der Substratoberfläche.The atoms of the intermediate ion layer can either over the surface formed by the uppermost atoms of the substrate, or into this surface be lowered. As a rule, the atoms of the intermediate ion layer are located in the gaps in the lattice structure of the substrate surface.
Die Dimere auf der (OOD-Substratoberfläche können zeilenweise angeordnet sein. Dann sollten die Kationen der lonenzwischenschicht zwischen den Zeilen der Dimere angeordnet sein.The dimers on the OOD substrate surface can be arranged in rows. Then the cations of the intermediate ion layer should be arranged between the rows of the dimers.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Atome der lonenzwischenschicht und die Atome des Substrates ein zweidimensionales periodisches Gitter mit zu Dimeren gebundenen Substratatomen und mit Atomen der lonenzwischenschicht jeweils zwischen zwei Dimeren oder in der Mitte von vier Dimeren bilden. Auf diese Weise wird eine langzeitstabile symmetrisch ausgerichtete Struktur geschaffen.It is particularly advantageous if the atoms of the intermediate ion layer and the atoms of the substrate form a two-dimensional periodic lattice with substrate atoms bound to dimers and with atoms of the intermediate layer between two dimers or in the middle of four dimers. In this way, a long-term stable symmetrical structure is created.
Vorzugsweise sollte die lonendeckschicht eine an das Gitter der lonenzwischenschicht 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 lonendeckschicht sowie die lonenzwischenschicht einen Isolator bilden.The ion cover layer should preferably have a lattice structure which is matched to the lattice of the intermediate ion layer and should not have any excess or deficiency of electrons. This means that the binding electrons should be saturated so that an electron flow is avoided and the ion cover layer and the ion intermediate layer form an insulator.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur in einem Grenzbereich zu der lonenzwischenschicht oder der lonendeckschicht vorgesehen ist. Dabei kann die lonendeckschicht Teil der Materialstruk- tur sein. Die sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur dient als Sauerstoffreservoir und sollte derart gewählt und eingebaut sein, dass ausdiffundierende Sauerstoffionen aus der sauerstoffhaltigen, ionenleitenden ϊvlaterialstruktur weitgehend ersetzt werden. Auf diese Weise kann die Langzeitstabilität der Struktur verbessert werden. Die Materialstruktur kann auch eingesetzt werden, um den Sauerstoffmangel der lonendeckschicht, beispielsweise des Gate-Oxids, auszugleichen. Die sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur sollte ein Hilfsoxid mit einer geringen Bildungsenergie für Sauerstoff leersteilen 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.It is furthermore advantageous if an oxygen-containing, ion-conducting material structure is provided in a border area to the intermediate ion layer or the ion cover layer. The ion cover layer can be part of the material structure. The oxygen-containing, ion-conducting material structure serves as an oxygen reservoir and should be selected and installed in such a way that oxygen ions that diffuse out of the oxygen-containing, ion-conducting material structure are largely replaced. In this way, the long-term stability of the structure can be improved. The material structure can also be used to compensate for the lack of oxygen in the ion cover layer, for example in the gate oxide. The oxygen-containing, ion-conducting material structure should contain an auxiliary oxide with a low formation energy for empty oxygen parts. The auxiliary oxide should be stored in an area in which the circuit properties are not influenced, e.g. in spacer layers. The auxiliary oxide and the materials between the auxiliary oxide and the gate oxide should have a sufficiently high oxygen diffusion constant so that the oxygen atoms can reach the gate oxide efficiently.
Durch die erfindungsgemäße lonenzwischenschicht in Verbindung mit der silicid- freien 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 lonenzwischenschicht wird die Substratoberfläche somit elektronisch abgesättigt.The intermediate ion layer according to the invention in connection with the silicide-free substrate surface ensures that the binding electrons of the substrate surface are saturated and can be directly exposed to a non-polar oxide layer without the substrate surface itself forming a silicide. The substrate surface is thus electronically saturated by the intermediate ion layer.
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.Another object of the invention is to provide an improved method for adjusting the band offset of a structure according to the invention described above. The band offset is conventionally carried out by changing the chemical composition of the oxides used.
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.According to the invention, oxygen is introduced to the substrate surface and a desired energetic distance of the band edges of the insulating layer relative to the band edges of the substrate is set by adjusting the oxygen content on the substrate surface.
Durch die selektive Oxidierung der Grenzfläche des Substrates zur lonenzwischenschicht werden Dipole eingeführt, die das Potential und damit den Band- Off set verlagern. Bei dem Verfahren wird der Sauerstoff-Partialdruck während oder nach der Herstellung des Substrats vorzugsweise erhöht, um den gewünschten Abstand der Bandkanten einzustellen. The selective oxidation of the interface of the substrate to the ion interlayer introduces dipoles that shift the potential and thus the band offset. In the method, the partial pressure of oxygen is preferably increased during or after the production of the substrate in order to set the desired distance between the strip edges.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 a - Skizze einer Seitenansicht der Atomstruktur einer reinen Silizium- (OOD-Substratoberfläche in einer Dimer-Rekonstruktion in [110]- Richtung;Figure 1 a - sketch of a side view of the atomic structure of a pure silicon (OOD substrate surface in a dimer reconstruction in the [110] direction;
Figur 1 b - Skizze einer Seitenansicht der Atomstruktur einer reinen Silizium-Figure 1 b - sketch of a side view of the atomic structure of a pure silicon
(OOD-Substratoberfläche in einer Dimer-Rekonstruktion in [110 ]- Richtung;(OOD substrate surface in a dimer reconstruction in the [110] direction;
Figur 2a - Skizze einer Seitenansicht der Atomstruktur einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen lonenzwischenschicht aus Strontiumatomen in den Lücken der Gitterstruktur einer Siliziumsubstratoberfläche in [1 10]-Richtung;FIG. 2a - sketch of a side view of the atomic structure of an embodiment of an ion intermediate layer of strontium atoms in the gaps of the lattice structure of a silicon substrate surface in the [1 10] direction;
Figur 2b- Skizze einer Seitenansicht der Atomstruktur einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen lonenzwischenschicht aus Strontiumatomen in den Lücken der Gitterstruktur einer Siliziumsubstratoberflä¬Figure 2b- Sketch of a side view of the atomic structure of an embodiment of an ion intermediate layer of strontium atoms according to the invention in the gaps of the lattice structure of a silicon substrate surface
che in [110 ]-Richtung;che in the [110] direction;
Figur 3 - Draufsicht auf die Atomstruktur aus der Figur 2, wobei die lonenzwischenschicht und die dimerisierten Siliziumatome der obersten Substratlage dargestellt ist;3 shows a top view of the atom structure from FIG. 2, the intermediate ion layer and the dimerized silicon atoms of the uppermost substrate layer being shown;
Figur 4 - Draufsicht auf die Atomstruktur aus der Figur 2, wobei lonenzwischenschicht und die beiden oberen Atomschichten des Substrates dargestellt sind; Figur 5 - Draufsicht auf das Ladungsmuster der lonenzwischenschicht und der obersten Substratlage gemäß Figuren 2 bis 4;4 shows a top view of the atomic structure from FIG. 2, the intermediate ion layer and the two upper atomic layers of the substrate being shown; 5 shows a top view of the charge pattern of the intermediate ion layer and the uppermost substrate layer according to FIGS. 2 to 4;
Figur 6a - Skizze einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Struktur mit einer lonendeckschicht auf der lonenzwischenschicht gemäß Figur 2 in [1 10]-Richtung;6a - sketch of a side view of a structure according to the invention with an ion cover layer on the intermediate ion layer according to FIG. 2 in the [110] direction;
Figur 6b - Skizze einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Struktur mit einer lonendeckschicht auf der lonenzwischenschicht gemäß Figur 2Figure 6b - Sketch of a side view of a structure according to the invention with an ion cover layer on the intermediate ion layer according to Figure 2
in [110]-Richtung;in the [110] direction;
Figur 7a - Seitenansicht einer lonendeckschicht auf einer lonenzwischenschicht gemäß Figur 2 mit einem zusätzlichen Sauerstoff-Monolage, die einfach an die oberste Substratlage gebunden ist, in [1 10]- Richtung;FIG. 7a - side view of an ion cover layer on an intermediate ion layer according to FIG. 2 with an additional oxygen monolayer, which is simply bound to the uppermost substrate layer, in the [110] direction;
Figur 7b - Seitenansicht einer lonendeckschicht auf einer lonenzwischenschicht gemäß Figur 2 mit einem zusätzlichen Sauerstoff-Monolage,FIG. 7b - side view of an ion cover layer on an intermediate ion layer according to FIG. 2 with an additional oxygen monolayer,
die einfach an die oberste Substratlage gebunden ist, in [110 ]- Richtung.which is simply bound to the uppermost layer of substrate, in the [110] direction.
Die Figur 1 a lässt eine Seitenansicht der Atomstruktur einer reinen Silizium-FIG. 1 a shows a side view of the atomic structure of a pure silicon
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.Recognize the substrate surface in the plane spanned by the [001] and [110] direction, the uppermost substrate layer being dimerized in a dimer reconstruction. The silicon substrate has a diamond-like lattice structure.
Eine solche hoch reine (001 )-Substratoberf lache 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 (1x1 ) rekonstruierten Siliziumsubstratoberfläche bei einer Temperatur größer oder gleich 300°C in einem Ultrahochvakuum gewonnen werden. Der Wasserstoffab- schluss ist ein bekanntes Verfahren, bei dem Wasserstoff lose zu den sogenannten „Dangling-Bonds" des Siliziums an der Substratoberfläche gebunden wird, um die Kristallstruktur abzusättigen.Such a high-purity (001) substrate surface with a dimer reconstruction can be achieved with conventional cleaning methods, e.g. B. by thermal desorption of silicon oxide SiO 2 at a temperature greater than or equal to 850 ° C., or by removing hydrogen from a silicon substrate surface reconstructed by hydrogen (1x1) at a temperature greater than or equal to 300 ° C. in an ultra-high vacuum. The hydrogen termination is a known method in which hydrogen is loosely bound to the so-called “dangling bonds” of silicon on the substrate surface in order to saturate the crystal structure.
Anstelle des in der Figur 1 dargestellten Silizium-Substrates kann eine Struktur gleichermaßen basierend auf anderen geeigneten Substraten aufgebaut werden.Instead of the silicon substrate shown in FIG. 1, a structure can likewise be constructed based on other suitable substrates.
Zum Ausbilden einer möglichst dünnen isolierenden Schicht auf dem Substrat werden vorzugsweise Metallionen als lonenzwischenschicht auf der Substratoberfläche abgeschieden. Das Wachstum der lonenzwischenschicht kann beispielsweise durch ein Hochenergie-Elektronenreflektionsbeugungs-Messverfahren (Reflexion High Energie Electron Defraction - RHEED) überwacht werden. Dieses Verfahren kann während des Entwicklungsschrittes in der Abscheidungskammer für die lonenzwischenschicht eingesetzt werden und dient zur Detektierung oder Messung der Oberflächenkristallstrukturen.In order to form the thinnest possible insulating layer on the substrate, metal ions are preferably deposited as an intermediate ion layer on the substrate surface. The growth of the intermediate ion layer can be monitored, for example, by a high-energy electron reflection diffraction measurement method (reflection high energy electron defraction - RHEED). This method can be used in the deposition chamber for the ion interlayer during the development step and serves to detect or measure the surface crystal structures.
Der Bedeckungsgrad der lonenzwischenschicht kann auch durch die Änderung der Bandspektren durch [Machvollziehen der Positionen der Rumpfenergieniveaus überprüft werden, wie aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt ist. Unterhalb eines Bedeckungsgrades einer halben Monolage eines Erdalkalimetalls als lonenzwischenschicht liegt das Fermi-Niveau im unteren Bereich der Silizium- Bandlücke, während sie bei einer größeren Bedeckung im oberen Bereich des Leitungsbandes ist. Die Figuren 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 lonenzwischenschicht aus Strontiumatomen erkennen. Es wird deutlich, dass die Strontiumatome der lonenzwischenschicht in die Lücken der Gitter Struktur der Substratoberfläche eingelagert sind. Die mittleren lateralen Abstände der Strontiumatome der lonenzwischenschicht zu den jeweils benachbarten Siliziumatomen des Substrates an der (OOD-Substrat- oberfläche sind dabei gleich.The degree of coverage of the intermediate ion layer can also be checked by changing the band spectra by [making the positions of the hull energy levels as is well known from the prior art. Below a degree of coverage of half a monolayer of an alkaline earth metal as an intermediate ion layer, the Fermi level lies in the lower region of the silicon band gap, while with a larger covering it is in the upper region of the conduction band. FIGS. 2a and 2b show the atomic structure in the plane of a silicon substrate spanned by the [001] and [110] direction with an intermediate ion layer made of strontium atoms directly adjacent to the substrate surface. It becomes clear that the strontium atoms of the intermediate ion layer are embedded in the gaps in the lattice structure of the substrate surface. The mean lateral distances between the strontium atoms of the intermediate ion layer and the respectively adjacent silicon atoms of the substrate on the (OOD substrate surface) are the same.
Durch die lonenzwischenschicht wird erreicht, dass die Elektronenstruktur der Substratoberfläche gesättigt ist, so dass eine lonendeckschicht auf eine inerte lonenzwischenschicht 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.The intermediate ion layer ensures that the electronic structure of the substrate surface is saturated, so that an ion cover layer can be applied to an inert intermediate ion layer or substrate surface. In this way, a very thin insulating layer can be achieved, in particular with high-K oxides, which is also stable.
Das Aufbringen der erfindungsgemäßen lonenzwischenschicht 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 Sili∑iumsubstrat kann mindestens teilweise in einer Vorbereitungskammer erhitzt und anschließend in eine Aufwachskammer überführt werden, in der der Hei∑vorgang abgeschlossen wird.The application of the intermediate ionic layer according to the invention can be carried out by applying an alkaline earth metal to the high-purity substrate surface using known methods, e.g. Epitaxy. Preferably, the deposition begins at a high temperature to desorb any remaining oxygen and hydrogen. Then the substrate temperature is preferably reduced to about 650 to 750 ° C. This can be done, for example, in a molecular beam epitaxy chamber or the silicon substrate can be at least partially heated in a preparation chamber and then transferred to a growth chamber, in which the heating process is completed.
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 einge- setzt, das zu einer lonenzwischenschicht mit einer mit geringen Anzahl von Gitterfehlern führt.As soon as the silicon substrate has been suitably heated and the pressure in the growth chamber has been reduced to an appropriate level, the surface of the silicon substrate is exposed to a metal jet, preferably an alkaline earth metal jet. In a preferred embodiment, barium or strontium is added sets, which leads to an intermediate ion layer with a low number of lattice defects.
Die in der Figur 2 skizzierten Strontiumatome der lonenzwischenschicht sind teilweise in die Substratoberfläche des Siliziumsubstrates eingelassen und bilden eine Fläche mit den Dimeren der Substratoberfläche. Eine solche lonenzwischenschicht kann bei Temperaturen zwischen etwa 650 bis 750° C mit einem Dampfabscheidungsverfahren erzielt werden.The strontium atoms of the intermediate ion layer outlined in FIG. 2 are partially embedded in the substrate surface of the silicon substrate and form a surface with the dimers of the substrate surface. Such an intermediate ion layer can be achieved at temperatures between approximately 650 to 750 ° C. using a vapor deposition process.
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.The two valence electrons of the strontium atoms are each transferred into the only partially filled “dangling bonds” of the silicon atoms on the substrate surface. As a result, the substrate surface is electronically saturated and the band gap is set to a value in the region of the band gap of the substrate.
Die Figuren 3 und 4 zeigen Draufsichten auf die Atomstruktur mit den dimerisier- ten Siliziumatomen der obersten Substratlage und den Strontiumatomen der lonenzwischenschicht. In der Figur 4 ist zusätzlich noch die unter der obersten Substratlage liegende Atomschicht des Substrates dargestellt.FIGS. 3 and 4 show top views of the atomic structure with the dimerized silicon atoms of the uppermost substrate layer and the strontium atoms of the intermediate ion layer. FIG. 4 also shows the atomic layer of the substrate lying under the uppermost substrate layer.
Es wird deutlich, dass die Strontiumatome der lonenzwischenschicht in die Lük- ken der Gitterstruktur des Substrates regelmäßig in einer halben Monolage bezogen auf die Anzahl der Siliziumatome auf der obersten Substratlage eingebaut sind.It becomes clear that the strontium atoms of the intermediate ion layer in the gaps in the lattice structure of the substrate are regularly installed in half a monolayer based on the number of silicon atoms on the uppermost substrate layer.
Die Figur 5 lässt eine Draufsicht auf das Ladungsmuster der lonenzwischenschicht und der obersten Substratlage gemäß Figur 3 erkennen. Es wird deutlich, dass die Ladung der zweifach positiv geladenen Strontiumatome jene der einfach negativ geladenen Siliziumatome kompensiert, wenn die lonenzwischenschicht eine halbe Monolage der Strontiumatome enthält. Nachdem die lonenzwischenschicht gebildet ist, werden eine oder mehrere lo- nendeckschichten vorzugsweise aus einem Einzelkristalloxid auf der auf die lonenzwischenschicht aufgebracht.FIG. 5 shows a top view of the charge pattern of the intermediate ion layer and the uppermost substrate layer according to FIG. 3. It becomes clear that the charge of the double positively charged strontium atoms compensates for that of the single negatively charged silicon atoms if the intermediate ion layer contains half a monolayer of the strontium atoms. After the intermediate ion layer is formed, one or more ion cover layers, preferably made of a single crystal oxide, are applied to the intermediate ion layer.
Die Figuren 6a und 6b lassen eine solche vervollständigte Struktur mit Substratoberfläche, lonenzwischenschicht und lonendeckschicht erkennen, wobei die lonendeckschicht aus Strontiumatomen, Titanatomen und Sauerstoffatomen gebildet ist.FIGS. 6a and 6b show such a completed structure with substrate surface, intermediate ion layer and ion cover layer, the ion cover layer being formed from strontium atoms, titanium atoms and oxygen atoms.
Optional kann die lonendeckschicht eine Zwischenlage angrenzend an die lonenzwischenschicht aus einem Erdalkalimetalloxid, wie beispielsweise Bariumoxid BaO oder SrO, haben.Optionally, the ion cover layer can have an intermediate layer adjacent to the ion intermediate layer made of an alkaline earth metal oxide, such as barium oxide BaO or SrO.
Die Bildung der lonendeckschicht kann beispielsweise durch Verringerung der Temperatur erfolgen, während die lonenzwischenschicht 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 x1 ) rekonstruiertes Erdalkalimetalloxid auf der mit einer halben Monolage der lonenzwischenschicht abgedeckten Substratoberfläche ausgebildet. In Abhängigkeit von der Temperatur und der Zusammensetzung kann die Erdalkali- metalloxid-Monolage verzerren. Das RHEED-Muster wird dadurch unbestimmt. Nach Abscheiden weiterer lonendeckschichten, 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.The ion cover layer can be formed, for example, by reducing the temperature while the intermediate ion layer is maintained, for example in the case of at least half a monolayer of alkaline earth metal atoms. The reduced temperature may be required to avoid desorption of the alkaline earth metals. Oxygen and strontium are then introduced either simultaneously or alternately in order to achieve a cover layer with a monolayer of strontium and a monolayer of oxygen. Alternatively, the partial pressure of oxygen can be raised to a value which, however, has to be lower than is required for oxidizing the silicon substrate. As a result, a (1 × 1) reconstructed alkaline earth metal oxide is formed on the substrate surface covered with half a monolayer of the intermediate ion layer. Depending on the temperature and the composition, the alkaline earth metal oxide monolayer can distort. The RHEED pattern is thereby indefinite. After depositing additional ion cover layers, which do not necessarily have to have the same material composition, the distortion becomes unstable and the structure is reconstructed in the desired pattern. For example, as additional oxide layer titanium oxide can be used in the case of the growth of SrTiO 3 .
Vorteilhaft ist, wenn die lonenzusammensetzung der lonendeckschicht eine an die lonenzwischenschicht und der obersten Substratlage angepasste Gitterstruktur und eine unpolare (ungeladene) Grenzfläche zur lonenzwischenschicht gewährleisten.It is advantageous if the ion composition of the ion cover layer ensures a lattice structure adapted to the ion interlayer and the uppermost substrate layer and an apolar (uncharged) interface to the ion interlayer.
Die fertiggestellte Struktur mit Substrat, lonenzwischenschicht und mindestens einer lonendeckschicht 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 lonendeckschicht 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 lonendeckschicht sauerstoffreich und ein guter Isolator ist.The finished structure with substrate, intermediate ion layer and at least one ion cover layer is then exposed to an oxygen partial pressure which is so low that no silicon oxide SiO 2 is formed and which is so large that the oxide of the ion cover layer is of good quality, in particular one low oxygen vacancy concentration. Oxidation of the substrate should be avoided while the layers are being applied. The deposition should therefore be carried out at an oxygen partial pressure which is not sufficient to form SiO 2 but is large enough to avoid silicide formation on the substrate surface. This means that the oxide of the ion cover layer is oxygen-rich and a good insulator.
Die Figuren 7a und 7b lassen die Seitenansicht einer lonendeckschicht auf einer lonenzwischenschicht mit einer zusätzlichen Monolage von an die Substratoberfläche gebundenen Sauerstoff in [110]-Richtung und [11D ]-Richtung erkennen. Die lonenzwischenschicht weist eine halbe Monolage Strontium auf. Die lonendeckschicht beinhaltet Strontiumatome, Titanatome und Sauerstoff atome.FIGS. 7a and 7b show the side view of an ion cover layer on an intermediate ion layer with an additional monolayer of oxygen bound to the substrate surface in the [110] direction and [11D] direction. The intermediate ion layer has half a monolayer of strontium. The ion cover layer contains strontium atoms, titanium atoms and oxygen atoms.
Das Einbringen von Sauerstoff kann während oder nach der Herstellung der lonenzwischenschicht erfolgen. Es bietet sich aber auch an, in einem abschließenden Schritt nach Aufbringen der lonendeckschicht 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.Oxygen can be introduced during or after the production of the intermediate ion layer. However, it is also advisable to introduce oxygen in a final step after applying the ion cover layer, for example using a gas annealing process. The oxygen content in the Oxide adjusted and free lattice positions and bonds are filled with oxygen and possibly the top substrate layer is selectively oxidized.
Die Auswahl eines geeigneten Sauerstoff-Partialdrucks zum Einstellen des Sauerstoffgehalts ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Bei zu niedrigem Partial- druck wird die Qualität der lonendeckschicht 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.The selection of a suitable oxygen partial pressure for setting the oxygen content is well known to the person skilled in the art. If the partial pressure is too low, the quality of the ion cover layer is impaired, so that it is not a good insulator. If the partial pressure is too high, the substrate is also oxidized below the uppermost substrate layer, which impairs the dielectric properties (capacitance) of the structure.
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. During the life of the structure, oxygen atoms can diffuse out of the insulating layer, which leads to a reduction in quality. Released oxygen positions can cause electrical defects due to leakage currents and chemical processes that reduce the lifespan of the structure. The oxygen loss can be compensated for by introducing an oxygen reservoir with a low formation energy of oxygen vacancies. The material structure for the oxygen reservoir should be stored in an area in which an impoverished oxygen reservoir does not adversely affect functionality. The oxygen reservoir and the material with the oxygen material and the insulating layer should have a sufficiently high oxygen diffusion constant so that oxygen atoms can reach the insulating layer efficiently.

Claims

Patentansprüche : Claims:
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 Schicht1 . Structure, in particular semiconductor structure, with a substrate which has a diamond or zinc selenide-like lattice structure, and with at least one insulating layer on the substrate, characterized in that in the region of the insulating layer
im Wesentlichen alle Atome des Substrates auf den Gitterpositionen des Substratgitters sind, die Atome der obersten Substratlage dimerisiert sind, und die Substratoberfläche silicidfrei ist;essentially all atoms of the substrate are on the lattice positions of the substrate lattice, the atoms of the uppermost substrate layer are dimerized, and the substrate surface is free of silicide;
mindestens eine lonenzwischenschicht unmittelbar an die Substratoberfläche angrenzt; undat least one intermediate ion layer directly adjoins the substrate surface; and
mindestens eine lonendeckschicht auf der lonenzwischenschicht ist.there is at least one ion cover layer on the intermediate ion layer.
2. Struktur nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die lonenzwischenschicht eine derartige Anzahl von Kationen aufweist, dass alle offenen Bindungen des Substrats mit Elektronen gefüllt sind.2. Structure according to claim 1, characterized in that the intermediate ion layer has such a number of cations that all open bonds of the substrate are filled with electrons.
3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lonenzwischenschicht Metallionen, insbesondere Erdalkalimetallionen oder Lanthanoide aufweist.3. Structure according to claim 1 or 2, characterized in that the intermediate ion layer has metal ions, in particular alkaline earth metal ions or lanthanoids.
4. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lonenzwischenschicht 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 ei- ner Monolage der Anzahl der Atome in einer (OOD-Netzebene des Substrates entspricht.4. Structure according to claim 3, characterized in that the intermediate ion layer forms approximately a monolayer of a monovalent metal, approximately half a monolayer of a divalent metal, or approximately a third monolayer of a trivalent metal, the number of atoms being one ner monolayer corresponds to the number of atoms in an (OOD network plane of the substrate.
5. Struktur nach Anspruch 3 oder A, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdalkalimetallionen aus der Gruppe der Elemente Barium (Ba) und/oder Strontium (Sr) gewählt sind.5. Structure according to claim 3 or A, characterized in that the alkaline earth metal ions are selected from the group of the elements barium (Ba) and / or strontium (Sr).
6. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste Substratlage oxidiert ist.6. Structure according to one of the preceding claims, characterized in that the uppermost substrate layer is oxidized.
7. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimerbindungen der obersten Substratlage durch Sauerstoff brücken ersetzt sind.7. Structure according to one of the preceding claims, characterized in that the dimer bonds of the uppermost substrate layer are replaced by oxygen bridges.
8. Struktur nach einem Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffatome einfach an die Substratatome der Substratoberfläche gebunden sind.8. Structure according to claim 6 or 7, characterized in that the oxygen atoms are simply bound to the substrate atoms of the substrate surface.
9. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimere des Substrates auf der [O01 ]-Substratoberfläche zeilenweise ausgerichtet sind und die Kationen der lonenzwischenschicht zwischen den Zeilen der Dimere angeordnet sind.9. Structure according to one of the preceding claims, characterized in that the dimers of the substrate are aligned line by line on the [O01] substrate surface and the cations of the ion intermediate layer are arranged between the lines of the dimers.
10. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Atome der lonenzwischenschicht und die Atome des Substrates ein zweidimensionales periodisches Gitter mit zu Dimeren gebundenen Substratatomen und mit Atomen der lonenzwischenschicht jeweils zwischen zwei Dimeren oder in der Mitte von vier Dimeren bilden. 10. Structure according to one of the preceding claims, wherein the atoms of the intermediate ion layer and the atoms of the substrate form a two-dimensional periodic lattice with substrate atoms bound to dimers and with atoms of the intermediate ion layer in each case between two dimers or in the middle of four dimers.
1 1 . Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lonendeckschicht ein Oxid und/oder Nitrid ist.1 1. Structure according to one of the preceding claims, characterized in that the ion cover layer is an oxide and / or nitride.
12. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lonendeckschicht eine an das Gitter der lonenzwischenschicht angepasste Gitterstruktur und keinen Elektronenüberschuß oder Elektronenunterschuss hat.12. Structure according to one of the preceding claims, characterized in that the ion cover layer has a lattice structure adapted to the lattice of the intermediate ion layer and no electron excess or electron deficiency.
13. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur unmittelbar anschließend an die lonenzwischenschicht, wobei die sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur derart gewählt und eingebaut ist, dass ausdiffundierende Sauerstoffionen aus dem sauerstoffhaltigen, ionenleitenden Material weitgehend ersetzt werden.13. Structure according to one of the preceding claims, characterized by an oxygen-containing, ion-conducting material structure immediately subsequent to the ion intermediate layer, the oxygen-containing, ion-conducting material structure being selected and incorporated in such a way that oxygen ions which diffuse out of the oxygen-containing, ion-conducting material are largely replaced.
14. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur unmittelbar anschließend an die lonendeckschicht, wobei die sauerstoffhaltige, ionenleitende Materialstruktur derart gewählt und eingebaut ist, dass ein Sauerstoffdefizit der lonendeckschicht ausgeglichen wird.14. Structure according to one of the preceding claims, characterized by an oxygen-containing, ion-conducting material structure immediately after the ion cover layer, the oxygen-containing, ion-conducting material structure being selected and installed in such a way that an oxygen deficit in the ion cover layer is compensated for.
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.15. Structure according to one of claims 13 or 14, characterized in that the material structure contains an interface between two materials which have a different oxygen content from each other.
16. Verfahren zur Herstellung einer Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:16. A method for producing a structure according to one of the preceding claims, comprising the steps:
- Aufbringen einer lonenzwischenschicht auf eine Substratoberfläche - Aufbringen mindestens einer lonendeckschicht auf die lonenzwischenschicht, 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.- Application of an intermediate ion layer on a substrate surface - Applying at least one ion cover layer to the intermediate ion layer, characterized by introducing oxygen into the substrate surface and adjusting a desired energetic distance of the band edges of the insulating layer relative to the band edges of the substrate by adjusting the oxygen content of the substrate surface.
17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Einstellen des Sauer- stoffpartialdrucks während oder nach der Herstellung der Struktur zur Einstellung des gewünschten Abstands der Bandkanten. 17. The method according to claim 16, characterized by adjusting the oxygen partial pressure during or after the manufacture of the structure for adjusting the desired spacing of the band edges.
PCT/DE2004/000038 2003-01-31 2004-01-15 Structure, especially a semi-conductor structure, in addition to a method for the production said structure WO2004068568A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE502005007295T DE502005007295D1 (en) 2004-01-15 2005-08-09 PROCESS FOR INSTANTIZING POWDER, IN PARTICULAR COCONUT MILK POWDER

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10303875.2 2003-01-31
DE10303875A DE10303875B4 (en) 2003-01-31 2003-01-31 Structure, in particular semiconductor structure, and method for producing a structure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2004068568A1 true WO2004068568A1 (en) 2004-08-12

Family

ID=32730649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2004/000038 WO2004068568A1 (en) 2003-01-31 2004-01-15 Structure, especially a semi-conductor structure, in addition to a method for the production said structure

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10303875B4 (en)
WO (1) WO2004068568A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4120258A1 (en) * 1991-06-19 1992-12-24 Siemens Ag Epitaxial prodn. of high temp. superconducting layer on substrate - by sputtering intermediate metal oxide layer on substrate, and then depositing superconducting layer
US5225031A (en) * 1991-04-10 1993-07-06 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Process for depositing an oxide epitaxially onto a silicon substrate and structures prepared with the process
US6241821B1 (en) * 1999-03-22 2001-06-05 Motorola, Inc. Method for fabricating a semiconductor structure having a crystalline alkaline earth metal oxide interface with silicon

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4735921A (en) * 1987-05-29 1988-04-05 Patrick Soukiassian Nitridation of silicon and other semiconductors using alkali metal catalysts
US5086321A (en) * 1988-06-15 1992-02-04 International Business Machines Corporation Unpinned oxide-compound semiconductor structures and method of forming same
US5352330A (en) * 1992-09-30 1994-10-04 Texas Instruments Incorporated Process for producing nanometer-size structures on surfaces using electron beam induced chemistry through electron stimulated desorption
US6248459B1 (en) * 1999-03-22 2001-06-19 Motorola, Inc. Semiconductor structure having a crystalline alkaline earth metal oxide interface with silicon
WO2002009157A2 (en) * 2000-07-21 2002-01-31 Motorola, Inc. Alkali earth metal oxide gate insulators
US6524651B2 (en) * 2001-01-26 2003-02-25 Battelle Memorial Institute Oxidized film structure and method of making epitaxial metal oxide structure
US6642131B2 (en) * 2001-06-21 2003-11-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method of forming a silicon-containing metal-oxide gate dielectric by depositing a high dielectric constant film on a silicon substrate and diffusing silicon from the substrate into the high dielectric constant film
US6511876B2 (en) * 2001-06-25 2003-01-28 International Business Machines Corporation High mobility FETS using A1203 as a gate oxide

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5225031A (en) * 1991-04-10 1993-07-06 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Process for depositing an oxide epitaxially onto a silicon substrate and structures prepared with the process
DE4120258A1 (en) * 1991-06-19 1992-12-24 Siemens Ag Epitaxial prodn. of high temp. superconducting layer on substrate - by sputtering intermediate metal oxide layer on substrate, and then depositing superconducting layer
US6241821B1 (en) * 1999-03-22 2001-06-05 Motorola, Inc. Method for fabricating a semiconductor structure having a crystalline alkaline earth metal oxide interface with silicon

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MCKEE R A ET AL: "MOLECULAR BEAM EPITAXY GROWTH OF EPITAXIAL BARIUM SILICIDE, BARIUM OXIDE, AND BARIUM TITANATE ON SILICON", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. NEW YORK, US, vol. 59, no. 7, 12 August 1991 (1991-08-12), pages 782 - 784, XP000233755, ISSN: 0003-6951 *
MOON B K ET AL: "ROLES OF BUFFER LAYERS IN EPITAXIAL GROWTH OF SRTIO3 FILMS ON SILICON SUBSTRATES", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, PUBLICATION OFFICE JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS. TOKYO, JP, vol. 33, no. 3A, 1994, pages 1472 - 1477, XP000885177, ISSN: 0021-4922 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE10303875B4 (en) 2006-03-16
DE10303875A1 (en) 2004-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10000005C1 (en) Method for producing a ferroelectric semiconductor memory
DE60224379T2 (en) Method to deposit a dielectric layer
DE69736895T2 (en) METHOD FOR PRODUCING A SEMICONDUCTOR MEMORY
DE60035311T2 (en) Ferroelectric structure of lead germanate with multilayer electrode
DE10064067B4 (en) A method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device
DE3906874A1 (en) CAPACITOR AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
DE102007006596A1 (en) Deposition method for a transition metal oxide based dielectric
DE102005008321A1 (en) Semiconductor memory unit e.g. electrically EPROM, for e.g. NAND architecture, has charge-trapping memory layer that is made of amorphous silicon carbide and silicon nitride layers and having specific concentration at less impurity region
DE69630556T2 (en) Semiconductor device and wiring method
DE3032364C2 (en) Electrically programmable semiconductor read-only memory and process for its manufacture
DE19963500C2 (en) Method for producing a structured layer containing metal oxide, in particular a ferroelectric or paraelectric layer
DE10064068B4 (en) Process for the production of capacitors of semiconductor devices
DE19958200B4 (en) Microelectronic structure and method for its production
DE10303875B4 (en) Structure, in particular semiconductor structure, and method for producing a structure
EP1138065A1 (en) Method for producing a structured layer containing metal oxide
DE19825266B4 (en) A method of manufacturing a capacitor for a semiconductor device
DE19929307C1 (en) Structured layer, especially a FRAM capacitor lower electrode, is produced by heat treatment to cause layer material migration from a migration region to a target region of a substrate
DE60033601T2 (en) Production method of a ferroelectric thin film, a ferroelectric capacitor and a ferroelectric memory
WO2000034988A1 (en) Microelectronic structure
DE19860080B4 (en) Microelectronic structure
DE19851280A1 (en) Structured metal oxide layer useful as capacitor dielectric in semiconductor memories is produced by structuring an amorphous metal oxide layer, and then heat treating to the polycrystalline state
DE19940381A1 (en) Ferroelectric transistor and method for its production
EP0997928B1 (en) Process for fabricating a capacitor
DE19811068C1 (en) IC capacitor having tantalum nitride barrier layer containing a transition metal and/or a lanthanide
WO2003092022A1 (en) Semiconductor capacitor comprising praseodymium oxide as a dielectric and an intermediate layer as a diffusion barrier for oxygen

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase