DE102004058958B4 - Semiconductor device made of a high band gap material and dielectric constant - Google Patents

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Abstract

Halbleiter-Bauelement, umfassend ein Material aus mindestens zwei Verbindungen, von denen die erste ein Titanat mit einer Dielektrizitätskonstante ĸ > 5 und die zweite ein Scandat mit einer optischen Bandlücke > 4 eV ist, und die mindestens zwei Verbindungen ein Gateoxid des Halbleiterbauelementes bilden. Semiconductor device comprising a material of at least two compounds, of which the first one titanate with a dielectric constant ĸ> 5 and the second one Scandate with an optical band gap> 4 eV, and the at least two compounds form a gate oxide of the semiconductor device.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement aus einem Material mit hoher Bandlücke und Dielektrizitätskonstante.The The invention relates to a semiconductor device made of a material with high band gap and dielectric constant.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, SiO2 als Gateoxidmaterial für einen Transistor zu verwenden. SiO2 weist eine vergleichsweise niedrige Dielektrizitätskonstante von nur ĸ = 3,9 bei einer optischen Bandlücke von etwa 9 eV auf.It is known from the prior art to use SiO 2 as a gate oxide material for a transistor. SiO 2 has a comparatively low dielectric constant of only ĸ = 3.9 at an optical band gap of about 9 eV.

Mit weiter fortschreitender Miniaturisierung mikroelektronischer Bauelemente ist es ein Ansatz, die Schichtdicke des Gateoxids auf weniger als 1 nm zu reduzieren.With further progressive miniaturization of microelectronic components it is an approach to reduce the layer thickness of the gate oxide to less than 1 nm to reduce.

Nachteilig werden im Falle von SiO2 als Gateoxidmaterial bei derartigen Schichtdicken die Leckströme in Transistoren sehr groß. In der Isolationsschicht sollten aber nur geringe Leckströme vorliegen.A disadvantage in the case of SiO 2 as gate oxide material in such layer thicknesses, the leakage currents in transistors very large. In the insulation layer but should be present only low leakage currents.

Alternativ können Materialien mit höherer Dielektrizitätskonstante verwendet werden.alternative can Materials with higher permittivity be used.

Aus dem Stand der Technik sind Oxide, z. B. HfO2, ZrO2 oder REScO3 (mit RE = Dy, Gd, La) bekannt. Diese weisen eine Dielektrizitätskonstante von etwa ĸ = 20 – 25 bei einer optischen Bandlücke von > 5 eV auf.From the prior art oxides, z. As HfO 2 , ZrO 2 or REScO 3 (with RE = Dy, Gd, La) known. These have a dielectric constant of about ĸ = 20-25 at an optical band gap of> 5 eV.

Eine Dielektrizitätskonstante von ĸ = 25 ist für die Anforderungen insbesondere an das Gateoxid eines Transistors in Bezug auf hohe Ladungsträgerbeweglichkeit jedoch nicht ausreichend. Beispielsweise reduziert eine HfO2-Isolationsschicht die Ladungsträgerbeweglichkeit im Silizium auf Grund weicher Phononen um den Faktor zwei. Diese sind eine materialspezifische Eigenschaft und koppeln an die Ladungsträger im Transistorkanal an.However, a dielectric constant of ĸ = 25 is not sufficient for the requirements, in particular for the gate oxide of a transistor, with regard to high charge carrier mobility. For example, an HfO 2 isolation layer reduces carrier mobility in silicon by a factor of two due to soft phonons. These are a material-specific property and couple to the charge carriers in the transistor channel.

Ebenfalls bekannt sind Titanate, z. B. (Ba, Sr)TiO3, zur Erzeugung von DRAM.Also known are titanates, z. B. (Ba, Sr) TiO 3 , to produce DRAM.

Diese Materialien weisen sehr hohe Dielektrizitätskonstanten von k = 300 – 10000 bei Raumtemperatur auf. Nachteilig zeigen diese Materialien aber optische Bandlücken von < 4 eV.These Materials have very high dielectric constants of k = 300 - 10000 at room temperature. However, these materials have a disadvantageous appearance bandgaps of <4 eV.

WO 02/09159 A2 offenbart ein Material für ein Halbleiter-Bauelement, umfassend mindestens zwei Verbindungen, von denen die erste („SrxBa1-xTiO3") eine Dielektrizitätskonstante Kappa > 5 und die zweite („LaAO3", mit A = Al, Sc, ....) eine optische Bandlücke > 4 eV aufweist.WO 02/09159 A2 discloses a material for a semiconductor device comprising at least two compounds, the first of which ( "Sr x Ba 1 - x TiO 3") has a dielectric constant Kappa> 5 and the second ( "Laao 3", with A = Al, Sc, ....) has an optical band gap> 4 eV.

Aus Schubert et al.: Structural and optical properties of epitaxial BaTiO3 thin films grown on GdScO3 (110). In: Appl. Phys. Lett., 2003, Vol. 82, No. 20, S. 3460–3462 ist bekannt, dass BaTiO3 und Seltene-Erde-Scandate eine gute Gitteranpassung aufweisen.From Schubert et al .: Structural and optical properties of epitaxial BaTiO 3 thin films grown on GdScO 3 (110). In: Appl. Phys. Lett., 2003, Vol. 82, no. 20, pp. 3460-3462, it is known that BaTiO 3 and rare earth scandates have good lattice matching.

Aus LIM et al.: Dielectric functions and optical bandgaps of high-K dielectrics for metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistors... . In: J. Appl. Phys., 2002, Vol. 91, No. 7, S. 4500–4505 ist bekannt, dass GdScO3 eine optische Bandlücke > 4 eV aufweist.From LIM et al.: Dielectric functions and optical bandgaps of high-K dielectrics for metal-oxide-semiconductor field effect transistors .... In: J. Appl. Phys., 2002, Vol. 91, no. 7, pp. 4500-4505 it is known that GdScO 3 has an optical band gap> 4 eV.

Aus WO 2004/008827 A2 ist ein Gate-Isolator aus LaScO3 und Si3N4 bekannt.WO 2004/008827 A2 discloses a gate insulator made of LaScO 3 and Si 3 N 4 .

Aus Schlom und Haeni ist bekannt (Schlom, D.G., Haeni, J.H. (2002). A thermodynamic approach to selecting alternative gatedielectrics. MRS Bulletin 198–2O4), dass Titanate in direktem Kontakt mit Silizium thermodynamisch instabil sind. Bei Temperaturen größer Raumtemperatur, insbesondere von bis zu 1000 °C, die bei der Erzeugung moderner MOSFET angewendet werden, erfolgt nachteilig eine Legierungsbildung zwischen den Titanaten und dem Silizium. Weiterhin ist bei diesen Materialien die Bandlücke von etwa 3,5 eV zu gering, um ausreichend niedrige Leckströme zu gewährleisten. Titanate werden daher als Gatedielektrica als ungeeignet angesehen. Out Schlom and Haeni are known (Schlom, D.G., Haeni, J.H. (2002). A thermodynamic approach to selecting alternative gatedielectrics. MRS Bulletin 198-2O4), that titanates are thermodynamically unstable in direct contact with silicon are. At temperatures above room temperature, in particular up to 1000 ° C, which are used in the generation of modern MOSFET is done adversely alloying between the titanates and the Silicon. Furthermore, in these materials, the band gap of about 3.5 eV too low to ensure sufficiently low leakage currents. Titanates are therefore considered unsuitable as gate dielectrics.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiter-Bauelement, mit einem geeigneten Gateoxid bereit zu stellen, das gegenüber SiO2 eine signifikant erhöhte Dielektrizitätskonstante von ĸ > 5 und eine optische Bandlücke von > 4 eV aufweist.The object of the invention is to provide a semiconductor component with a suitable gate oxide, which has a significantly increased dielectric constant of ĸ> 5 and an optical bandgap of> 4 eV compared to SiO 2 .

Die Aufgabe wird durch ein Halbleiter-Bauelement gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf jeweils rückbezogenen Patentansprüchen.The Task is solved by a semiconductor device according to the main claim. Advantageous embodiments arise from the respective claims referring back.

Erfindungsgemäß umfasst das Halbleiter-Bauelement ein Material aus mindestens zwei Verbindungen, von denen die erste eine Dielektrizitätskonstante ĸ > 5 und die zweite eine optische Bandlücke > 4 eV bei Raumtemperatur aufweist.According to the invention the semiconductor device comprises a material of at least two compounds, of which the first has a dielectric constant ĸ> 5 and the second one optical band gap> 4 eV at room temperature having.

Auf diese Weise wird vorteilhaft gewährleistet, dass das Material sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante von ĸ > 5 als auch eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte optische Bandlücke > 4 eV aufweist. Das Material wird zur Bildung eines Gateoxid verwendet.On this way is advantageously ensured that the material has both a high dielectric constant of ĸ> 5 and an im Compared to the prior art has increased optical band gap> 4 eV. The Material is used to form a gate oxide.

Das Material umfasst mindestens eine Verbindung aus jeweils der Gruppe der Scandate und Titanate. Durch Wahl mindestens einer Verbindung aus je einer dieser Gruppen wird besonders vorteilhaft bewirkt, dass das Material eine Dielektrizitätskonstante von etwa ĸ > 40 durch die Verbindung ausgewählt, aus den Titanaten aufweist. Darüber hinaus weist das Material durch das Scandat eine optische Bandlücke > 4 eV auf.The material comprises at least one compound from the group of scandates and titanates. By selecting at least one connection each one of these groups is particularly advantageous causes the material has a dielectric constant of about ĸ> 40 selected by the compound selected from the titanates. In addition, the material has an optical bandgap> 4 eV due to the scandate.

Als Titanat kann BaTiO3 und/oder SrTiO3 vorgesehen sein. Es ist möglich, beide Verbindungen in dem Material neben einer weiteren Verbindung aus der Gruppe der Scandate vorzusehen.As titanate BaTiO 3 and / or SrTiO 3 may be provided. It is possible to provide both compounds in the material besides another compound from the group of scandates.

Als Scandat kann z. B. GdScO3 vorgesehen sein. Weitere Seltenerde Elemente wie Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb oder Lu an Stelle von Gd können ebenfalls vorgesehen werden.As a scandate z. B. GdScO 3 may be provided. Other rare earth elements such as Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb or Lu instead of Gd may also be provided.

Im Material zur Bildung des Gateoxid eines Transistors, können die mindestens zwei Verbindungen des Materials homogen verteilt vorliegen. Mit diesem Begriff ist auch ein Gateoxid umfasst, in dem die Verbindungen mehrfach alternierend auf dem Substrat zur Bildung des Gateoxid aufgebracht vorliegen.in the Material for forming the gate oxide of a transistor, the at least two compounds of the material are homogeneously distributed. This term also includes a gate oxide in which the compounds alternating several times on the substrate to form the gate oxide applied present.

Die einzelnen alternierenden Schichten weisen dabei besonders vorteilhaft jeweils eine Schichtdicke von < 3 nm auf. Bei mehrfacher Auftragung auf das Substrat wird somit ein Gateoxid gebildet, dessen Dicke von der Anzahl der einzelnen Schichten und deren Schichtdicken abhängt. Durch die mehr- oder vielfach alternierenden Schichten liegen die mindestens zwei Verbindungen des erfindungsgemäßen Materials homogen verteilt bzw. durchmischt im Gateoxid vor.The individual alternating layers are particularly advantageous each a layer thickness of <3 nm up. With multiple application to the substrate is thus a Gate oxide formed, whose thickness depends on the number of individual layers and their layer thicknesses depends. Due to the multi or multiple alternating layers are at least homogeneously distributed two compounds of the material according to the invention or mixed in the gate oxide.

Es ist aber auch denkbar, die Verbindungen vorab zu homogenisieren und sodann durch geeignete Verfahren auf einem Substrat aufzubringen oder abzuscheiden.It but it is also conceivable to homogenize the compounds in advance and then applied by suitable methods on a substrate or to leave.

Alternativ zu dieser Vorgehensweise können die mindestens zwei Verbindungen zur Erzeugung einer funktionellen Schicht auch jeweils nur einmal nacheinander auf einem geeigneten Substrat aufgebracht werden. In diesem Fall liegen die Verbindungen nicht homogen verteilt vor, bilden aber in Abhängigkeit von der gewählten Schichtdicke und der Verbindungen eine einzige funktionelle Schicht des Gateoxids.alternative to this approach, the at least two compounds to produce a functional layer also only once in succession on a suitable substrate be applied. In this case, the connections are not homogeneously distributed, but form depending on the selected layer thickness and the compounds a single functional layer of the gate oxide.

Durch die offenbarten Vorgehensweisen wird demnach vorteilhaft bewirkt, dass auf dem Substrat aus z. B. Silizium, eine Schichtenfolge aus wenigstens zwei Verbindungen angeordnet ist, in der vorteilhaft die Eigenschaften einer großen Dielektrizitätskonstante mit ĸ > 5 mit einer optischen Bandlücke > 4 eV verbunden sind.By the disclosed procedures are thus advantageously effected that on the substrate of z. As silicon, a layer sequence at least two compounds is arranged in the advantageous the characteristics of a big one permittivity with ĸ> 5 with an optical Band gap> 4 eV are connected.

Sofern als Titanat BaTiO3 und/oder SrTiO3 und als Scandat GdScO3 vorgesehen ist, wird vorteilhaft ein Gateoxidmaterial bereitgestellt, welches eine Dielektrizitätskonstante von wenigstens ĸ = 60 und eine optische Bandlücke > 5,5 eV aufweist.If BaTiO 3 and / or SrTiO 3 and Scandate GdScO 3 are provided as titanate, a gate oxide material is advantageously provided which has a dielectric constant of at least ĸ = 60 and an optical bandgap> 5.5 eV.

Besonders vorteilhaft, ist durch das erfindungsgemäße Material bzw. Gateoxid ein Material mit thermodynamischer Stabilität auf einem Halbleiter-Substrat, z. B. Silizium, und damit Kompatibilität mit der CMOS-Technologie gewährleistet.Especially advantageous, is by the material or gate oxide according to the invention Thermodynamically stable material on a semiconductor substrate, z. As silicon, and thus ensures compatibility with the CMOS technology.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Gateoxids sieht vor, auf einem Substrat aus insbesondere Silizium zunächst das Scandat und darauf das Titanat je mindestens einmal abzuscheiden. Dadurch wird vorteilhaft gewährleistet, dass keine Elemente des Titanats in das Silizium-Substrat diffundieren.One A method for producing a gate oxide provides, on a substrate in particular silicon first to separate the scandate and then the titanate at least once. This ensures advantageous that no elements of the titanate diffuse into the silicon substrate.

Im Weiteren wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figuren näher beschrieben.in the Further, the invention with reference to an embodiment and the accompanying figures described in more detail.

1 zeigt ein RBS-Spektrum einer 100 nm dicken Schicht, welche auf Silizium mittels gepulster Laserdeposition hergestellt wurde. Die Abscheidetemperatur betrug etwa 400 °C. Rutherfordrückstreuungsexperimente (RBS) ermöglichen die Analyse bezüglich der Elementverteilung und der Schichtdicke. Die Schicht besteht aus BaTiO3 und GdScO3. Die beiden Verbindungen wurden wechselseitig je 20 mal zur Bildung von GdScO3- und BaTiO3-Schichten auf das Siliziumsubstrat abgeschieden, so dass eine homogene Verteilung beider Verbindungen in der Schicht auf dem Substrat vorliegt. Die einzelnen Schichten sind dünner als 3 nm, um eine möglichst gute Durchmischung der Verbindungen zu gewährleisten. 1 shows an RBS spectrum of a 100 nm thick layer, which was produced on silicon by means of pulsed laser deposition. The deposition temperature was about 400 ° C. Rutherford backscatter experiments (RBS) allow analysis of element distribution and layer thickness. The layer consists of BaTiO 3 and GdScO 3 . The two compounds were mutually deposited 20 times each on the silicon substrate to form GdScO 3 and BaTiO 3 layers, so that there is a homogeneous distribution of both compounds in the layer on the substrate. The individual layers are thinner than 3 nm in order to ensure the best possible mixing of the compounds.

Die Signale der einzelnen Elemente sind durch Symbole zugeordnet. Die Stöchiometrie dieser Schicht wurde über einen Vergleich mit einer Simulation, welche als durchgezogene Kurve dargestellt ist, ermittelt. Es ergibt sich eine Zusammensetzung von (BaTiO3)0.7(GdScO3)0.3.The signals of the individual elements are assigned by symbols. The stoichiometry of this layer was determined by comparison with a simulation, which is shown as a solid curve. The result is a composition of (BaTiO 3 ) 0.7 (GdScO 3 ) 0.3 .

Diese Schicht wurde nachfolgend mit Gold-Kontakten zur elektrischen Charakterisierung versehen. Eine Kapazitätsmessung wurde bei 1 MHz Betriebsfrequenz durchgeführt (2).This layer was subsequently provided with gold contacts for electrical characterization. Capacitance measurement was performed at 1 MHz operating frequency ( 2 ).

In 2 ist die gemessene Kapazität der Schicht gegen die angelegte Spannung aufgetragen. Bei negativen Spannungen von – 3 V lässt sich aus der Kapazität eine Dielektrizitätskonstante ermitteln. Auf Silizium erhält man eine Dielektrizitätskonstante von etwa ĸ = 40, während man bei gut kristallin gewachsenem Material auf einem elektrisch leitfähigen Substrat SrTiO3(100) bedeckt mit dem Elektrodenmaterial SrRuO3 eine Dielektrizitätskonstante von etwa ĸ = 60 ermittelt.In 2 the measured capacitance of the layer is plotted against the applied voltage. With negative voltages of - 3 V, a dielectric constant can be determined from the capacitance. On silicon, a dielectric constant of about ĸ = 40 is obtained, while with good crystalline grown material on an electrically conductive substrate SrTiO 3 (100) covered with the electrode material SrRuO 3 a dielectric constant of about ĸ = 60 determined.

Als Substrat kann wie dargestellt Silizium vorgesehen sein. In diesem Fall, wird mit einer GdScO3-Schicht auf Silizium begonnen. Anschließend wird hierauf die BaTiO3-Schicht abgeschieden. Durch diese Maßnahme wird vorteilhaft bewirkt, dass keine Reaktion zwischen dem Titanat und dem Silizium erfolgt und die Bandlücke auf einem hohen Wert von 5,5 eV dauerhaft eingestellt wird. Weiterhin wird vorteilhaft bewirkt, dass die Diffusion von Elementen aus der BaTiO3-Schicht in das Silizium-Substrat vollständig verhindert wird. Dadurch können im Gegensatz zum Stand der Technik titanhaltige Materialien zur Bildung eines Gateoxids eingesetzt werden.As the substrate may be provided as shown silicon. In this case, starting with a GdScO 3 layer on silicon. Subsequently, the BaTiO 3 layer is deposited thereon. By this measure is advantageously effected that no reaction between the titanate and the silicon takes place and the band gap is set permanently to a high value of 5.5 eV. Furthermore, it is advantageously effected that the diffusion of elements from the BaTiO 3 layer into the silicon substrate is completely prevented. As a result, in contrast to the prior art, titanium-containing materials can be used to form a gate oxide.

Um einen hysteresefreien Verlauf in der Kapazitätsmessung (2) zu erhalten, wird ein Tempervorgang bei 500 °C in einer Forminggas Atmosphäre mit 80 % N2 und 20 % H2 durchgeführt. Die Schicht hält eine angelegte Spannung von 20 V aus, was einer Durchbruchfeldstärke von 2 MV/cm entspricht. Dies ist als unterer Wert der Durchbruchfeldstärke anzusehen.For a hysteresis-free course in the capacitance measurement ( 2 ), an annealing process is carried out at 500 ° C in a forming gas atmosphere with 80% N 2 and 20% H 2 . The layer withstands an applied voltage of 20 V, which corresponds to a breakdown field strength of 2 MV / cm. This is to be regarded as the lower value of the breakdown field strength.

Die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. Es ist möglich, die beiden Verbindungen nicht 3 Nanometer dünn und mehrfach alternierend wie oben beschrieben, sondern nacheinander und sofort in der erwünschten Schichtdicke auf dem Substrat anzuordnen, so dass das Gateoxid aus einem Schichtsystem aus nur zwei Einzelschichten besteht. Auch dies führt dazu, ein Gateoxid mit verbesserten Eigenschaften in Bezug auf die beiden Eigenschaften Dielektrizitätskonstante und optische Bandlücke zu bilden. Das Gateoxid ist dann vorzugsweise durch ein unmittelbar auf dem Substrat angeordneten Scandat und einem hierauf angeordneten Titanat gebildet.The Invention is not limited thereto. It is possible the two compounds not 3 nanometers thin and alternating several times as described above, but successively and immediately in the desired Layer thickness on the substrate to arrange, so that the gate oxide out a layer system consists of only two individual layers. This also causes a gate oxide with improved properties in relation to the two Properties Dielectric constant and optical bandgap to build. The gate oxide is then preferably by a direct arranged on the substrate scandate and one arranged thereon Titanate formed.

Claims (6)

Halbleiter-Bauelement, umfassend ein Material aus mindestens zwei Verbindungen, von denen die erste ein Titanat mit einer Dielektrizitätskonstante ĸ > 5 und die zweite ein Scandat mit einer optischen Bandlücke > 4 eV ist, und die mindestens zwei Verbindungen ein Gateoxid des Halbleiterbauelementes bilden. Semiconductor device comprising a material from at least two compounds, the first of which is a titanate with a dielectric constant ĸ> 5 and the second one Scandate with an optical band gap> 4 eV, and the at least two compounds form a gate oxide of the semiconductor device. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, umfassend BaTiO3 und/oder SrTiO3.A semiconductor device according to claim 1, comprising BaTiO 3 and / or SrTiO 3 . Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend GdScO3.Semiconductor component according to one of claims 1 or 2, comprising GdScO 3 . Halbleiter-Bauelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit homogener Verteilung der Verbindungen im Gateoxid.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 3, with homogeneous distribution of the compounds in the gate oxide. Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Schichtdicken < 3 Nanometer aus den Verbindungen.Semiconductor component according to one of claims 1 to 4, with layer thicknesses <3 Nanometers from the connections. Halbleiter-Bauelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zur Bildung des Gateoxids auf einem Substrat zunächst ein Scandat und hierauf ein Titanat mindestens einmal alternierend angeordnet vorliegt.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 5, in which to form the gate oxide on a substrate first a Scandat and then a titanate arranged alternately at least once is present.
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