DE10008573A1 - Halbleiterbauelement und Herstellungsverfahren - Google Patents

Abstract

Es wird eine dünne untere Elektrodenschicht (2) mit optimal geschütztem Kondensatordielektrikum (3) hergestellt und strukturiert und darauf eine übliche Metallisierungsebene für Leiterbahnen als obere Elektrode (11) aufgebracht und strukturiert. Das Kondensatordielektrikum kann dabei auf eine sehr glatte, vorzugsweise metallische, Oberfläche abgeschieden werden (z. B. TiN) und nach der Abscheidung durch eine dünne, ebenfalls vorzugsweise metallische, Schicht (z. B. TiN) versiegelt und geschützt werden, so daß es nicht durch andere Prozeßschritte gedünnt oder geschädigt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem MIM-Kondensator und ein zugehöriges Herstellungs­ verfahren.

Zur Realisierung integrierter elektronischer Schaltungen wer­ den auch integrierte passive Bauelemente wie Widerstände, Spulen und Kondensatoren benötigt. Integrierte Kondensatoren sollen für viele Anwendungen möglichst vernachlässigbar klei­ ne Serienwiderstände und Verluste bei geringem Flächenbedarf und geringer Verkopplung zum Substrat hin aufweisen. Die For­ derung nach niedrigen Serienwiderständen kann in idealer Wei­ se durch Verwendung sogenannter MIM-Kondensatoren (Metall- Isolator-Metall) erfüllt werden. Nutzt man die in einer Mehr­ lagen-Metallisierung üblicherweise vorhandenen Metallisie­ rungsebenen und die Intermetalldielektrika, sind Kondensato­ ren mit sehr kleiner spezifischer Flächenkapazität (typisch weniger als 0,1 fF/µm²) und relativ hohen Toleranzen oberhalb von 20% realisierbar. Für optimierte MIM-Kondensatoren wird in der Regel eine eigene Isolationsschicht und zumeist eine eigene dünne obere Metallelektrode verwendet.

Ein mögliches Herstellungsverfahren ist in den Fig. 1A bis 1F anhand verschiedener Zwischenprodukte im Querschnitt dar­ gestellt. Bei der in Fig. 1A im Querschnitt dargestellten Schichtstruktur befindet sich zuunterst eine Passivierung 101 die z. B. als Isolationsschicht auf eine Halbleiterschicht­ struktur aufgebracht sein kann oder die eine oberste Dielek­ trikumschicht einer aus einer oder mehreren Metallisierungs­ ebenen bestehenden Metallisierung mit Intermetalldielektrika sein kann. Eine darauf aufgebrachte Standardmetallisierung besitzt in diesem Beispiel eine Sandwichstruktur mit einer unteren elektrisch leitenden Schicht 11 und einer oberen elektrisch leitenden Schicht 12, zwischen denen sich eine isolierende Schicht 13 befindet. Die obere elektrisch leiten­ de Schicht 12 wird als untere Elektrode des MIM-Kondensators verwendet. Es wird auf diese Schicht 12 das Kondensatordie­ lektrikum 3 abgeschieden (z. B. ein Plasmanitrid einer Dicke von weniger als 0,1 µm) und anschließend eine weitere dünne Metallschicht, die als obere Elektrode des Kondensators dient (z. B. TiN einer Dicke von näherungsweise bis zu 0,1 µm). Mit­ tels einer geeigneten Maske wird die obere Elektrode 2 struk­ turiert, wobei entweder das Kondensatordielektrikum 3 oder die darunterliegende elektrisch leitende Schicht 12 als Ätz­ stopschicht dient. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in Fig. 1B dargestellt. Es folgt dann entsprechend Fig. 1C die Strukturierung der Standardmetallisierung 1 in einen Anteil des MIM-Kondensators 123 und einen Anteil der Leiterbahn 14. In Fig. 1D ist dargestellt, daß die Oberseite der Struktur in ein abdeckendes Dielektrikum 5 eingebettet wird. Entspre­ chend Fig. 1E werden in das Dielektrikum 5 Kontaktlöcher 6 geätzt, die für elektrischen Anschluß der Metallisierungen vorgesehen sind. Diese Kontaktlöcher werden in einer an sich bekannten Weise gefüllt, so daß sich die Struktur gemäß Fig. 1F ergibt. In die Kontaktlöcher kann zunächst noch ein Basis­ metall (zumeist Ti/TiN) abgeschieden werden, bevor die ei­ gentliche Kontaktlochfüllung (typisch Wolfram) in die Kon­ taktlöcher 6 eingebracht wird. Man erhält so die elektrischen Anschlüsse der unteren Kondensatorelektrode (Kontaktlochfül­ lungen 81), der oberen Kondensatorelektrode (Kontaktlochfül­ lungen 82) und der Leiterbahnen (Kontaktlochfüllungen 83).

Eine Alternative dieses bekannten Verfahrens ist in den Fig. 2A bis 2F dargestellt. Wiederum ausgehend von einer Stan­ dardmetallisierung 1 wird jetzt entsprechend Fig. 2B die Strukturierung dieser Metallisierung vor dem Aufbringen der oberen Kondensatorelektrode vorgenommen. Erst nachdem die Leiterbahnen 14 strukturiert sind, werden das Kondensatordi­ elektrikum 30 und die dünne elektrisch leitende Schicht 20 aufgebracht, die für die obere Kondensatorelektrode vorgese­ hen ist. Nach der Strukturierung der oberen leitenden Schicht 20 bleibt das Kondensatordielektrikum 30 auch im Bereich der Leiterbahnen 14 auf der Oberseite der Struktur vorhanden, so daß die Leiterbahnen von drei Seiten mit diesem Dielektrikum eingeschlossen sind. Entsprechend den Fig. 2D bis 2F wer­ den dann entsprechend der in den Fig. 1D bis 1F darge­ stellten Variante ein abdeckendes Dielektrikum 5 aufgebracht, die Kontaktlöcher 6 geätzt und das Basismetall sowie die Kon­ taktlochfüllungen in diese Löcher eingebracht. Beim Ätzen der Kontaktlöcher 6 gemäß Fig. 2E muß auch das Kondensatordi­ elektrikum 30 durchgeätzt werden. Wird das Kondensatordielek­ trikum 30 gleich beim Strukturieren der oberen Kondensator­ elektrode vollständig von den restlichen Oberflächen ent­ fernt, dann besteht die Gefahr, daß dort die üblicherweise aufgebrachte oberste Antireflexschicht (meist TiN) mit ent­ fernt wird. Die Antireflexschicht bildet mit dem eigentlichen Leiterbahnmaterial (z. B. AlCu) und dem darunter befindlichen Basismetall eine Sandwichstruktur, deren Integrität entschei­ dend für die Elektromigrationsfestigkeit des Metallisierungs­ systems ist. Durch den Ätzprozeß wird diese Sandwichstruktur zerstört oder zumindest geschädigt. Im Bereich außerhalb des herzustellenden MIM-Kondensators wird daher das Kondensator­ dielektrikum erst beim Herstellen der Kontaktlöcher 6 von den Oberflächen der leitenden Schichten (in der Regel Metall­ schichten) entfernt.

Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von MIM-Kondensatoren besteht gemäß Fig. 3A bis 3E darin, nach dem Aufbringen eines Intermetalldielektrikums 4 auf die strukturierte Stan­ dardmetallisierung in diesem Dielektrikum gemäß Fig. 3B eine Aussparung 9 als Fenster über der oberen leitenden Schicht 12 herzustellen. Auf die Oberfläche und in diese Aussparung wird dann gemäß Fig. 3C das Kondensatordielektrikum 30 abgeschie­ den. Es werden dann entsprechend Fig. 3D die Kontaktlöcher 6 geätzt. Mit dem Einbringen der Kontaktlochfüllungen, nachdem ggf. noch eine Basismetallisierung 7 aufgebracht wurde, wer­ den dann die elektrischen Anschlüsse der unteren Kondensato­ relektrode (Kontaktlochfüllung 81) und der Leiterbahn (Kontaktlochfüllung 83) hergestellt. Die Aussparung 9 wird eben­ falls mit dem Metall der Kontaktlochfüllung aufgefüllt. Damit wird eine obere Kondensatorelektrode 80 ausgebildet. Nachtei­ le dieses Verfahrens sind, daß vor dem Abscheiden der Basis­ metallisierung ein Reinigungsschritt zur Verbesserung der Kontaktwiderstände durchgeführt werden muß, der das zu diesem Zeitpunkt freiliegende Kondensatordielektrikum dünnt und eventuell auch schädigen kann, und daß das Kondensatordielek­ trikum als zusätzliche Schicht in dem Schichtaufbau mit dem Intermetalldielektrikum 4 erhalten bleibt und die Eigenschaf­ ten des Metallisierungssystems negativ beeinflussen kann (Stress, Barrierewirkung für H₂-Diffusion).

Bei der Integration eines MIM-Kondensators in einen Herstel­ lungsprozeß für eine integrierte Schaltung gibt es im wesent­ lichen zwei Probleme. Der Prozeßablauf und zum Teil auch die Schichtfolge wird bei den üblichen Verfahren, wie sie anhand der Fig. 1 bis 3 dargestellt wurden, zum Teil signifikant geändert. Die Unterschiede zwischen den Herstellungsverfahren für Bauelement mit integriertem MIM-Kondensator und ohne MIM- Kondensator führen zu unterschiedlichen Eigenschaften des Me­ tallisierungssystems, insbesondere was die Zuverlässigkeit der Schaltung betrifft. Es ist außerdem schwierig, hohe spe­ zifische Flächenkapazitätswerte des MIM-Kondensators zu er­ reichen, da bei Verwendung dünnerer Kondensatordielektrika schnell Zuverlässigkeits- und Toleranzprobleme auftreten. Das liegt daran, daß die untere Elektrode, die üblicherweise AlCu oder AlSiCu ist, wegen ihrer typischen Kornstruktur eine re­ lativ rauhe Oberfläche aufweist, die sich sogar im weiteren Prozeßablauf verändern kann. Außerdem wird diese Oberfläche beim üblichen Verfahren einer Reihe von Prozeßschritten aus­ gesetzt, die die Oberflächenqualität weiter verschlechtern können. Auch die Kondensatordielektrika werden nach der Ab­ scheidung und vor dem Aufbringen der oberen Elektrode noch Prozeßschritten ausgesetzt, die ihre Oberfläche bzw. ihre Schichteigenschaft negativ beeinflussen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbau­ element mit integriertem Kondensator anzugeben, das sich im Rahmen herkömmlicher Herstellungsprozesse einfach herstellen läßt und bei dem die eingangs angegebenen Schwierigkeiten um­ gangen sind. Außerdem soll ein zugehöriges Herstellungsver­ fahren angegeben werden.

Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterbauelement mit den Merk­ malen des Anspruches 1 bzw. mit dem Verfahren zur Herstellung dieses Halbleiterbauelementes mit den Merkmalen des Anspru­ ches 5 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängi­ gen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement werden das Kondensator­ dielektrikum und die dünne obere Elektrode nicht wie üblich auf eine aus der Standardmetallisierung stammende relativ dicke, rauhe Metallschicht aufgebracht, sondern es wird umge­ kehrt zunächst eine optimale dünne untere Elektrodenschicht mit optimal geschütztem Kondensatordielektrikum hergestellt und strukturiert und darauf eine Metallisierungsebene aufge­ bracht und strukturiert, die für die üblichen Leiterbahnen und elektrischen Anschlüsse der weiteren integrierten Bauele­ mente vorgesehen ist. Das Kondensatordielektrikum kann daher auf eine sehr glatte, vorzugsweise metallische, Oberfläche abgeschieden werden (z. B. TiN) und nach der Abscheidung durch eine dünne, ebenfalls vorzugsweise metallische, Schicht (z. B. TiN) versiegelt und geschützt werden, so daß es nicht durch andere Prozeßschritte gedünnt oder geschädigt wird. Ein be­ sondere Vorteil ist, daß die zusätzlich vorhandene Schicht, die die untere Elektrode des MIM-Kondensators bildet, nur im Bereich des MIM-Kondensators vorhanden ist, so daß der übrige Schichtaufbau gegenüber einem Aufbau ohne Kondensator nicht verändert ist. Das erfindungsgemäße Bauelement gestattet da­ her die Integration eines Kondensators mit geringen Ferti­ gungstoleranzen im Rahmen eines üblichen Herstellungsprozes­ ses, ohne daß die bisherigen Halbleiterstrukturen eines Auf­ baus ohne Kondensator geändert werden müssen.

Es folgt eine genauere Beschreibung des erfindungsgemäßen Bauelementes anhand zweier Beispiele bevorzugter Ausführungs­ formen des zugehörigen Herstellungsverfahrens.

Fig. 4A bis 4F bzw. 5A bis 5F zeigen Querschnitte der Zwi­ schenprodukte nach verschiedenen Schritten der Herstellungs­ verfahren.

Wie in Fig. 4A dargestellt ist, wird zunächst auf einer iso­ lierenden Passivierung 10 (dies kann ein Zwischenoxid oder Intermetalldielektrikum sein) eine dünne leitende Schicht, vorzugsweise ein Metall, als untere Elektrode 2 abgeschieden. Möglichst unmittelbar anschließend wird darauf eine elek­ trisch isolierende Schicht als Kondensatordielektrikum 3 auf­ gebracht. Das Kondensatordielektrikum 3 weist ebenfalls eine möglichst geringe Schichtdicke auf und besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher Dielektrizitätszahl (z. B. Si₃N₄ oder Tantaloxid). Abschließend kann eine leitende Deckschicht zur Versiegelung des Dielektrikums und als obere Elektrode 11 des herzustellenden Kondensators aufgebracht werden. Eine ra­ sche Versiegelung des Kondensatordielektrikums 3 mit dieser leitenden Schicht 11 schützt das Dielektrikum vor Dünnung und vor sonstigen Schädigungen durch weitere Prozeßschritte. Die­ se Schichten 2, 3, 11 können durch übliche Verfahrensschritte wie Sputtern, Aufdampfen, CVD, PVD oder galvanische Abschei­ dung hergestellt werden.

Entsprechend Fig. 4B wird die aufgebrachte Schichtfolge an­ schließend mit Hilfe einer Phototechnik und eines geeigneten Ätzschrittes strukturiert. Nach Entfernen des hierbei verwen­ deten Photolackes und einer eventuell notwendigen Reinigung wird die Prozessierung, wie in einem Mehrlagen-Metallisie­ rungsprozeß üblich, mit der Abscheidung der Metallisierungs­ schicht (z. B. Leiterbahnmetall und Antireflexschicht) und ih­ rer Strukturierung fortgesetzt.

In Fig. 4C ist so eine Struktur mit einer Standardmetalli­ sierung 1 und einer darin strukturierten Leiterbahn 14 darge­ stellt. Die obere Elektrode 11 des Kondensators ist jetzt Be­ standteil dieser Standardmetallisierung. Eine weitergehende Strukturierung legt in diesem Beispiel entsprechend Fig. 4D einen Teil des Kondensatordielektrikums 3 frei. Die Standard­ metallisierung 1 umfaßt auch hier als Beispiel eine Sandwich­ struktur aus einer unteren leitenden Schicht 11, einer oberen leitenden Schicht 12 und einer dazwischen angeordneten iso­ lierenden Schicht 13. Die Struktur wird mit einem Dielektri­ kum 5 abgedeckt, in dem entsprechend Fig. 4E Kontaktlöcher 6 hergestellt werden. Im Bereich der für die untere Elektrode vorgesehenen Kontaktlöcher wird das hier in einem vorherge­ henden Strukturierungsschritt freigelegte Kondensatordielek­ trikum durchgeätzt. Entsprechend Fig. 4F werden mit den ent­ sprechend dem Stand der Technik vorgenommenen Kontaktlochfül­ lungen auf einem Basismetall 7 die elektrischen Anschlüsse für die untere Elektrode (Kontaktlochfüllung 84), die obere Elektrode (Kontaktlochfüllungen 85) und die Leiterbahnen (Kontaktlochfüllungen 83) hergestellt. Die Kontaktlöcher kön­ nen jeweils einzelne zylindrische Öffnungen sein. Entspre­ chend der Darstellung der Querschnitte gemäß Fig. 4E und 4F kann es sich aber auch um eine kreisringförmige Öffnung handeln, die längs des Randes der jeweiligen Kondensatorelek­ trode angeordnet ist.

Mit dem Strukturieren der über dem Kondensatordielektrikum 3 aufgebrachten Metallisierungen, um die Struktur gemäß Fig. 4C zu erhalten, kann auch bereits das Kondensatordielektrikum 3 auf denjenigen Bereichen der Oberfläche der unteren Elek­ trode 2 entfernt werden, die seitlich zu demjenigen Bereich vorhanden sind, über dem die obere Elektrode 11 des fertigen Kondensators angeordnet ist. Es kann dann beim Herstellen der Kontaktlöcher 6 gemäß Fig. 4E das Dielektrikum 5 direkt auf die nicht von dem Kondensatordielektrikum 3 bedeckte Oberflä­ che der unteren Elektrode 2 ausgeätzt werden. Das Ätzen der Kontaktlöcher wird so vereinfacht, da nur durch das eine Dielektrikum 5 hindurch geätzt werden muß und nicht zusätzlich durch das vorzugsweise aus einem Material höherer Dielektri­ zitätszahl bestehende Kondensatordielektrikum.

Bei der Ausführung gemäß den Fig. 5A bis 5F unterscheidet sich die Herstellung des Anschlusses der unteren Elektrode 2 von dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel. In Fig. 5A ist dargestellt, daß bei dieser Ausführungsform zum An­ schluß der unteren Elektrode 2 in der Passivierung 10 Kon­ taktlöcher vorgesehen sind, die vor dem Abscheidung der unte­ ren Elektrode 2 mit einer Kontaktlochfüllung 18, vorzugsweise auf ein Basismetall 17, gefüllt werden. Die übrigen Verfah­ rensschritte entsprechen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4, allerdings mit dem Unterschied, daß entsprechend Fig. 5E für die untere Elektrode 2 des Kondensators keine Kontaktlö­ cher in dem Dielektrikum hergestellt zu werden brauchen.

Claims (6)

1. Halbleiterbauelement mit einer für elektrische Kontaktie­ rungen vorgesehenen Oberseite und einem darin integrierten Kondensator, der eine untere Elektrode, eine näher zu der Oberseite angeordnete obere Elektrode und ein Kondensatordi­ elektrikum besitzt, wovon zumindest eine Elektrode durch eine Metallisierungsebene für Leiterbahnen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die untere Elektrode (2) durch eine eigens vorgesehene Leiterschicht gebildet ist und
• - die obere Elektrode (11) durch eine Metallisierungsebene für Leiterbahnen gebildet ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,

• - bei dem die Oberseite mit einem Dielektrikum (4, 5), das als Passivierung oder Intermetalldielektrikum vorgesehen ist, bedeckt ist und
• - bei dem als Kondensatordielektrikum (3) zwischen der unte­ ren Elektrode (2) und der oberen Elektrode (11) ein weite­ res Dielektrikum mit einer höheren Dielektrizitätszahl vorhanden ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, bei dem das Kondensatordielektrikum (3) Si₃N₄ oder Tantaloxid ist.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Kondensatordielektrikum (3) eine Oberfläche der unteren Elektrode (2) bedeckt, die eine geringere Rauhigkeit aufweist als eine Oberfläche der oberen Elektrode (11).

5. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit integriertem Kondensator, bei dem

• - in einem ersten Schritt auf eine Oberseite einer Bauele­ mentstruktur eine Passivierung (10) aufgebracht wird,
• - in einem zweiten Schritt auf die Passivierung (10) eine elektrisch leitende Schicht als untere Elektrode (2) des Kondensators abgeschieden wird,
• - in einem dritten Schritt eine dielektrische Schicht als Kondensatordielektrikum (3) abgeschieden wird,
• - in einem vierten Schritt eine Metallisierungsebene abge­ schieden wird,
• - in einem fünften Schritt die Metallisierungsebene zu Lei­ terbahnen und/oder Kontaktflächen und zu einer oberen Elektrode (11) des Kondensators strukturiert wird,
• - in einem sechsten Schritt zumindest ein abdeckendes Die­ lektrikum (5) abgeschieden wird und
• - in einem siebten Schritt in diesem Dielektrikum (5) Kon­ taktlöcher (6) für die untere Elektrode (2) und/oder die obere Elektrode (11) hergestellt und mit elektrisch lei­ tendem Material gefüllt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem

• - zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt in ei­ nem weiteren Schritt Kontaktlöcher in der Passivierung hergestellt und mit Kontaktlochfüllungen (18) aus elek­ trisch leitendem Material derart versehen werden, daß eine elektrisch leitende Verbindung zu einer unter der Passi­ vierung (10) vorhandenen Kontaktfläche, die für einen elektrischen Anschluß der unteren Elektrode (2) vorgesehen ist, hergestellt wird, und
• - in dem zweiten Schritt die elektrisch leitende Schicht auch über den Kontaktlochfüllungen (18) abgeschieden wird.