DE10230674A1

DE10230674A1 - Halbleiterkondensator und damit aufgebauter MOSFET

Info

Publication number: DE10230674A1
Application number: DE10230674A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Müssig
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: US20050212030A1; WO2004006315A2; US7060600B2; DE10230674B4; WO2004006315A3

Abstract

Erfindungsgemäß umfasst der Halbleiterkondensator eine erste Kondensatorelektrode 1, eine zweite Kondensatorelektrode 3 und ein zwischen den beiden Kondensatorelektroden angeordnetes Kondensatordielektrikum 5, das Praseodymoxid umfasst. Er zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Kondensatorelektrode 3 Praseodymsilizid umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterkondensator mit einem zwischen einer ersten Kondensatorelektrode und einer zweiten Kondensatorelektrode angeordneten Kondensatordielektrikum, das Praseodymoxid umfasst, sowie einen mit einem solchen Halbleiterkondensator aufgebauten MOSFET.
Halbleiterkondensatoren sind aus der modernen Halbleitertechnologie nicht mehr wegzudenken. Wichtige Anwendungsbeispiele für Halbleiterkondensatoren sind dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM), in denen die Halbleiterkondensatoren als Speicherzellen Verwendung finden, und Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs, metal-oxide semi-conductor field-eftect transistor), in denen das Substrat, die Gateelektrode und das zwischen Substrat und Gateelektrode liegende Gateoxid einen Halbleiterkondensator bilden.
Für einen Halbleiterkondensator gilt wie für alle Kondensatoren, dass die Kapazität des Kondensators proportional zur Dielektrizitätszahl des zwischen den Kondensatorelektroden befindlichen Dielektrikums und der Fläche der Kondensatorelektroden sowie zum Reziprokenwert des Abstandes zwischen den Kondensatorelektroden, also der Dicke des Dielektrikums, ist. Als Dielektrikum wird in der Halbleitertechnik häufig Siliziumoxid (SiO₂) eingesetzt.
Mit der zunehmenden Verringerung der Bausteingröße in der Halbleitertechnik werden auch die Abmessungen der Kondensatorplatten von Halbleiterkondensatoren, beispielsweise der Gateelektroden von MOSFETs, immer kleiner. Damit verringert sich aber auch die Kapazität des Halbleiterkondensators, sofern keine Maßnahmen ergriffen werden, dem entgegenzuwirken.

Zum Kompensieren der Verringerung der Abmessungen der Kondensatorelektroden gibt es zwei Möglichkeiten. Die erste besteht darin, die Dicke des Dielektrikums zu verringern. Dies führt beispielsweise in MOSFETs, in denen als Dielektrikum typischerweise Siliziumoxid Verwendung findet, bei Gatelängen von weniger als 0,1 μm zu Problemen. Das Siliziumoxid für Bauelemente mit derart geringen Gatelängen müsste dann dünner als 1,5 nm sein. Ein solch dünnes Siliziumoxid führt jedoch zu einer Zunahme des Leckstroms des MOSFETs. Der Leckstrom entsteht aufgrund von Elektronen, die durch das dünne Gateoxid zwischen dem Substrat und der Gateelektrode tunneln. Die Zahl der tunnelnden Elektronen und damit die Stromstärke des Leckstroms wächst exponentiell mit geringer werdender Dicke der Siliziumoxidschicht. Es ist jedoch erwünscht, den Leckstrom eines MOSFETs möglichst gering zu halten, da zum Steuern des Stromes zwischen der Drainelektrode und der Sourceelektrode möglichst wenig elektrische Leistung verbraucht werden soll.

Eine weitere Möglichkeit, die Verringerung der Abmessungen der Kondensatorelektroden zu kompensieren besteht darin, die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums zu ändern. Wird statt Siliziumoxid Praseodymoxid (Pr₂O₃) als Dielektrikum verwendet, so lässt sich aufgrund der gegenüber Siliziumoxid höheren Dielektrizitätszahl des Praseodymoxids die Kapazität des Kondensators bei ansonsten gleichen Parametern deutlich erhöhen. Siliziumoxid besitzt eine Dielektrizitätszahl von 3,9, wohingegen Praseodymoxid eine Dielektrizitätszahl von 30 besitzt. Dies bedeutet, dass mit Praseodymoxid als Dielektrikum das Gateoxid um den Faktor 30 dividiert durch 3,9 dicker sein kann als ein Dielektrikum aus Siliziumoxid. Mit Praseodymoxid als Gatedielektrikum lässt sich daher der Leckstrom gegenüber Siliziumoxid als Dielektrikum drastisch verringern.

An das Praseodymoxid umfassende Kondensatordielektrikum schließt sich eine Kondensatorelektrode an, die üblicherweise Silizium umfasst. Diese wird wiederum über eine Metallsilizidschicht elektrisch kontaktiert. Zwischen dem Kondensatordielektrikum und der Kondensatorelektrode befindet sich darüber hinaus noch eine Zwischenschicht zum Unterdrücken chemischer Reaktionen zwischen dem Material des Kondensatordielektrikums und dem der Kondensatorelektrode.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterkondensator mit Praseodymoxid als Kondensatordielektrikum sowie einen mit einem solchen Halbleiterkondensator aufgebauten MOSFET zu schalten, der einen gegenüber dem Stand der Technik einfacheren Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiterkondensator nach Anspruch 1 und einen MOSFET nach Anspruch 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Halbleiterkondensators.

Erfindungsgemäß umfasst der Halbleiterkondensator eine erste Kondensatorelektrode, eine zweite Kondensatorelektrode sowie ein zwischen den beiden Kondensatorelektroden angeordnetes Kondensatordielektrikum, das Praseodymoxid umfasst. Er zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Kondensatorelektrode Praseodymsilizid umfasst.

Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass sowohl das Material des Kondensatordielektrikums als auch das Material der zweiten Kondensatorelektrode Praseodym enthält, also eine gewisse chemische Verwandtschaft zwischen den beiden Materialien besteht. Aufgrund dieser Verwandtschaft ist die Zwischenschicht zwischen dem Kondensatordielektrikum und der Kondensatorelektrode entbehrlich.

In einer weiteren Ausgestaltung besteht die gesamte zweite Kondensatorelektrode des erfindungsgemäßen Halbleiterkondensators vollständig aus Praseodymsilizid. In dieser Ausgestaltung ist keine zusätzliche Kontaktsilizidschicht nötig, da das Praseodymsilizid selbst als Kontaktsilizid fungiert. Daher ermöglicht diese Ausgestaltung einen besonders einfachen Aufbau des Halbleiterkondensators.

In einer Ausgestaltung des Halbleiterkondensators, die insbesondere seine Verwendung in MOSFETs ermöglicht, umfasst die erste Kondensatorelektrode Silizium. Als erste Kondensatorelektrode kann in diesem Fall das Halbleitersubstrat eines MOSFETs Verwendung finden. Die erste Kondensatorelektrode kann außerdem eine Siliziumgermaniumlegierung umfassen, um die Verwendung des Halbleiterkondensators in MOSFETs mit einem eine Siliziumgermanium umfassenden Substrat zu ermöglichen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein MOSFET zur Verfügung gestellt, der ein Halbleitersubstrat, ein Gatedielektrikum, eine Gateelektrode und einen erfindungsgemäßen Halbleiterkondensator umfasst. Dabei wird die erste Kondensatorelektrode vom Halbleitersubstrat, die zweite Kondensatorelektrode von der Gateelektrode und das Kondensatordielektrikum vom Gatedielektrikum gebildet.

Weitere vorteilhafte Merkmale und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Halbleiterkondensators sowie des erfindungsgemäßen MOSFETs werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen erläutert.
1 zeigt ausschnittsweise ein erstes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Halbleiterkondensator.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen MOSFET.
In 1 ist ausschnittsweise die Schichtfolge eines erfindungsgemäßen Halbleiterkondensators dargestellt. Der Halbleiterkondensator umfasst eine erste Kondensatorelektrode, die im vorliegenden Fall als Halbleiterbereich 1 in einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, und eine Praseodymsilizidschicht 3 als zweite Kondensatorelektrode. Zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorelektrode befindet sich eine Schicht 5 aus Praseodymoxid (Pr₂O₃) als Kondensatordielektrikum. Ein derartiger Halbleiterkondensator kann z.B. als Speicherkondensator eines dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM, dynamic random access memory) oder als Gatekapazität in einem MOSFET dienen.
Die Praseodymsilizidschicht 3 kann im Herstellungsprozess des Halbleiterkondensators beispielsweise durch Schichtabscheiden aus der Gasphase (CVD, chemical vapor deposition) auf das Praseodymoxid 5 des Kondensatordielektrikums hergestellt werden. In Abhängigkeit von den Abscheidebedingungen beim Erzeugen der Praseodymsilizidschicht 3 gibt es keine oder nur geringe Reaktionen zwischen dem Praseodymoxid und dem Praseodymsilizid, so dass keine oder nur eine sehr dünne Interfaceschicht entsteht. Eine Zwischenschicht zwischen dem Kondensatordielektrikum und der Kondensatorelektrode zum Unterdrücken chemischer Reaktionen ist daher entbehrlich.
Wenn der Halbleiterbereich 1 aus Silizium (Si) besteht, kann an der dem ersten Halbleiterbereich 1 zugewandten Grenzfläche des Gatedielektrikums 5 eine aus dem Herstellungsprozess herrührende Mischoxidschicht 7 der Form (PrO₂)_x(SiO₂)_1–x vorhanden sein, wobei x Werte im Bereich größer null und kleiner eins annehmen kann. Zwischen dem Mischoxid 7 und dem Halbleiterbereich 1 kann deshalb eine dünne Oxynitridschicht 9 vorgesehen sein, die als Diffusionsbarriere für Sauerstoff dient und verhindert, dass Sauerstoff während Temperschritten, die auf das Abscheiden der Praseodymoxidschicht 5 auf den Halbleiterbereich 1 folgen, durch das Praseodymoxid 5 hindurch die Siliziumoberfläche des Halbleiterbereichs 1 erreicht und diese oxidiert. Die Oxynitridschicht 9 wird im Herstellungsprozess vor dem Abscheiden der Praseodymoxidschicht 5 geschaffen, ihr Vorhandensein ist für die vorliegende Erfindung nicht notwendig aber vorteilhaft.
Ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen MOSFET ist in 2 dargestellt. Er umfasst ein n-dotiertes Siliziumsubstrat 10, in dem der Kanalbereich 11 des MOSFETs gebildet ist und das die erste Kondensatorelektrode darstellt. Im Halbleitersubstrat sind außerdem ein p-dotierter Sourcebereich 12 und ein p-dotierter Drainbereich 14 vorhanden. Über dem Kanalbereich 11 des MOSFETs befindet sich eine Gateelektrode 30, welche die zweite Kondensatorelektrode darstellt und durch ein praseodymoxidhaltiges Gatedielektrikum 50, welches das Kondensatordielektrikum darstellt, vom Substrat 10 getrennt ist. Die Gateelektrode 30 besteht vollständig aus Praseodymsilizid.
Statt einem Siliziumsubstrat kann der MOSFET auch ein Halbleitersubstrat aufweisen, das eine Siliziumgermaniumlegierung umfasst. Das Halbleitersubstrat kann aber alternativ auch vollständig aus der Siliziumgermaniumlegierung bestehen.
Zwar ist das Halbleitersubstrat 10 im vorliegenden Ausführungsbeispiel n-dotiert und ist der Drainbereich 14 sowie der Sourcebereich 12 jeweils p-dotiert, jedoch können die Dotierungen auch umgekehrt sein. In diesem Fall ist das Halbleitersubstrat 10 dann p-dotiert und ist der Drainbereich 14 sowie der Sourcebereich 12 jeweils n-dotiert.
r

Claims

Halbleiterkondensator mit einer ersten Kondensatorelektrode (1; 10), einer zweiten Kondensatorelektrode (3; 30) und einem zwischen den beiden Kondensatorelektroden (1, 3; 10, 30) angeordneten Kondensatordielektrikum (5; 50), das Praseodymoxid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kondensatorelektrode (3; 30) Praseodymsilizid umfasst.
Halbleiterkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kondensatorelektrode (3; 30) aus Praseodymsilizid besteht.
Halbleiterkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kondensatorelektrode (1; 10) Silizium umfasst.
Halbleiterkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kondensatorelektrode (1; 10) eine Siliziumgermaniumlegierung umfasst.
MOSFET mit einem Halbleitersubstrat (10), einem Gatedielektrikum (50), einer Gateelektrode (30) und einem Halbleiterkondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Kondensatorelektrode vom Halbleitersubstrat (10), die zweite Kondensatorelektrode von der Gateelektrode (30) und das Kondensatordielektrikum vom Gatedielektrikum (50) gebildet ist.