Development of high-temperature trench capacitors, applying thin-film ALD dielectrics

Abstract
Hochtemperatur taugliche passive Bauelemente gewinnen immer mehr an Bedeutung. Es werden Kondensatoren benötigt, die Betriebstemperaturen bis zu 300 °C standhalten, die einen geringen Leckstrom, eine Durchbruchsspannung oberhalb der angestrebten Betriebsspannung und eine hohe Kapazitätsdichte vorweisen.
In diesem Beitrag werden Untersuchungen zur 3D-Integration von Kondensatoren mittels Atomlagenabscheidung (ALD) präsentiert, mit deren Hilfe die genannten Anforderungen erfüllt werden. Bedingung ist ein CMOS-kompatibler Prozess, um die Kondensatoren zusammen mit einer CMOS-Schaltung auf demselben Substrat zu integrieren. Als untere Elektrode wird ein hoch n-dotiertes Si-Substrat verwendet, medium- oder high-k Dielektrika dienen als Isolator und als obere Elektrode kommen leitfähige ALD-Schichten aus Ru, TiN oder TiAlCN zum Einsatz. Bei Raumtemperatur beträgt der Leckstrom weniger als 10 pA/mm2 und es ist kein Soft-Durchbruch bis ± 15 V zu erkennen, was darauf schließen lässt, dass es bei den gewählten Schichtdicken nicht zu einem Fowler-Nordheim Tunneln kommt. Bei 300 °C und bei 3 V beträgt der Leckstrom ca. 1 nA/mm2 und ein Soft-Durchbruch ist bei 5 V zu detektieren.