DE102004044619B4

DE102004044619B4 - Kondensatorstruktur in Grabenstrukturen von Halbleiterbauteilen und Halbleiterbauteile mit derartigen Kondensatorstrukturen und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102004044619B4
Application number: DE102004044619A
Authority: DE
Inventors: Anton Dr. Mauder; Hans-Joachim Dr. Schulze; Helmut Dr. Strack
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: DE102004044619A1; US20060054959A1; US7795660B2; US20100264456A1; US8187947B2

Abstract

Kondensatorstruktur in Grabenstrukturen (1, 2) von Halbleiterbauteilen (11), wobei die Kondensatorstruktur (10, 20) leitfähige Bereiche (3) aus metallischen und/oder halbleitenden Materialien und/oder deren leitfähigen Metallverbindungen aufweist, welche von Isolationsschichten (4) aus einem Dielektrikum vollständig umgeben sind, wobei die leitfähigen Bereiche (3) als gestapelte Schichten (5) in der Grabenstruktur (1, 2) des Halbleiterbauteils (11) angeordnet sind und wobei die leitfähigen Bereiche (3) und die Isolationsschichten (4) Dicken d_m bzw. d_i aufweisen, wobei zur Erzielung einer vorgegebenen Potentialverteilung die Dicke d_m der leitfähigen Bereiche (3) und/oder die Dicke d_i der Isolationsschichten (4) variiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kondensatorstruktur in Grabenstrukturen von Halbleiterbauteilen und Halbleiterbauteile mit derartigen Kondensatorstrukturen.
Bei konventionellen MOSFETs ist die maximale Donatorkonzentration [N_D] in einem n^–-Gebiet und somit auch die elektrische Leitfähigkeit des n^–-Gebiets durch die geforderte Sperrfähigkeit bestimmt bzw. umgekehrt. Beim Avalanche-Durchbruch sind dann ca. 1,5 × 10¹² cm^–2 Donatoren ionisiert, die ihre Gegenladung in der Akzeptorladung des p-leitenden Gebietes der MOSFET-Struktur finden. Soll eine höhere Donatorkonzentration ermöglicht werden, so müssen Gegenladungen für die Donatoratome des n^–-Gebiets etwa in der gleichen Bauelement-Ebene gefunden werden. Bei MOS-Feldplattentransistoren mit Grabenstruktur, wie sie aus US 6,573,558 B2 , US 2004/0063269 A1 , DE 103 39 455 B3 und EP 1 168 455 A2 bekannt sind, geschieht dies durch die Ladungsträger der Feldplatte bzw. Feldelektrode. Bei Kompensationsbauelementen wie beim "CoolMOS", die alternierend in Zellen angeordnete n^–-Gebiete und p-Gebiete aufweisen, geschieht dieses durch Akzeptoren der p-Gebiete als Gegenladungen.
In diesem Zusammenhang wird unter einem n^–- bzw. p^–-Gebiet ein Bereich eines Halbleiterbauelementes verstanden, der schwachdotiert ist und eine Störstellenkonzentration [N_D] bzw. [N_P] zwischen 1 × 1012 cm–3 ≤ ([ND] bzw. [NP]) ≤ 1 × 1017 cm–3 aufweist, mit [N_D] als Donatorenkonzentration bzw. [N_P] als Akzeptorenkonzentration.
Unter einem n- bzw. p-Gebiet wird ein Bereich eines Halbleiterbauelements verstanden, der mittel dotiert ist und eine Störstellenkonzentration zwischen 1 × 1017 cm–3 ≤ ([ND] bzw. [NP]) ≤ 1 × 1018 cm–3 aufweist. Unter einem n⁺- bzw. p⁺-Gebiet wird ein Bereich eines Halbleiterbauelementes verstanden, der hochdotiert ist und eine Störstellenkonzentration zwischen 1 × 1018 cm–3 ≤ ([ND] bzw. [NP]) ≤ 1 × 1020 cm–3 aufweist. Unter einem metallisch leitenden Halbleitergebiet wird ein Bereich eines Halbleiterbauelementes verstanden, der eine äußerst hohe Dotierung aufweist und eine Störstellenkonzentration zwischen 1 × 1020 cm–3 ≤ ([ND] bzw. [NP]) ≤ 1 × 1022 cm–3 aufweist.
Soll die elektrische Leitfähigkeit eines n^–-Gebiets bei Kompensationsbauelementen wie z. B. "CoolMOS" weiter verbessert werden, so muss der Kompensationsgrad immer genauer eingestellt werden. Dieses stößt bereits heute an die Grenzen der technologischen Machbarkeit. Die aus US 6,573,558 B2 , US 2004/0063269 A1 , DE 103 39 455 B3 und EP 1 168 455 A2 bekannten MOS-Feldplattentransistoren mit Grabenstruktur besitzen den Nachteil, dass je nach Anschlussart der Feldplatte entweder am source- oder am drainseitigen Ende zum n^–-Gebiet die volle Sperrspannung abfällt und somit sehr dicke Isolationsschichten erforderlich sind. Bei 600 V Dauerbelastung wäre ein etwa 6 μm dickes SiO₂ erforderlich, was den Effekt der Feldplatte bei der Bereitstellung von Gegenladungen deutlich reduziert.
Weitere Halbleiterbauteile mit Grabenstrukturen sind aus der Druckschrift US 6,608,350 B2 bekannt. Mit derartigen Grabenstrukturen kann ein Hochspannungstransistor mit niedrigem Durchlasswiderstand auf einem n⁺-leitenden Halbleitersubstrat mit einem schwach dotierten Halbleiterkörperbereich auf dem n⁺-leitenden Halbleitersubstrat hergestellt werden, indem die Grabenstruktur in dem schwachdotierten Halbleiterkörperbereich auf der Oberseite der Transistoren vollständig mit einem Dielektrikum aufgefüllt wird, das eine hohe relative Dielektrizitätszahl ε_r aufweist.
Aus der US 6,437,385 B1 ist eine Kondensatorstruktur bekannt, mit der unerwünschte Signalkopplungen zwischen Elementen eines Schaltkreises verhindert werden können.
Aus der EP 0 188 946 A1 ist ein integriertes Kapazitätselement auf einer Scheibe einer integrierten Schaltung und ein Verfahren zum Herstellen dieses Kapazitätselementes bekannt, wobei das Kapazitätselement aus einer Schicht eines oxidierbaren Metalls und einer Schicht aus dem Oxid dieses Metalls besteht.
Anstelle einer genaueren Kompensation beim "CoolMOS" wurde mit den nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen DE 10 2004 007 197 A1 und DE 10 2004 007 196 A1 vorgeschlagen, dass die Gegenladung durch einen Graben-Kondensator mit deutlich höherer Kapazität als das umgebende Si bereitgestellt wird. Um technisch bzw. wirtschaftlich attraktive Einsatzmöglichkeiten zu schaffen, müsste die relative Dielektrizitätszahl des Isolators, mit dem der Graben im Si gefüllt wird, etwa ε_r ≈ 1000 betragen. Bei typischen Grabenbreiten und Breiten des n^–-Gebiets im Bereich einiger μm lassen sich für 600 V-Bauelemente Einschaltwiderstands-Werte erreichen, die mindestens einen Faktor 3 besser als beim "CoolMOS" heute sind.
Jedoch um diese Grabenstrukturen mit geeigneten Materialien einer hohen Dielektrizitätszahl zu füllen, wird in den obigen Druckschriften zum Auffüllen der Grabenstrukturen ein Material, wie z. B. Ba_xSr_yTiO₃ vorgeschlagen, das jedoch einen starken Temperaturgang der relativen Dielektrizitätszahl ε_r aufweist, wobei gleichzeitig seine Durchbruchsspannungsfestigkeit sinkt, so dass ihr Einsatz in Leistungshalbleiterschaltern, bei denen entsprechend hohe Temperaturen durch die Verlustwärme entwickelt werden, praktisch nicht möglich ist. Zudem sind derartige Materialien bisher noch nicht in der Halbleitertechnologie eingeführt oder erprobt.
Außerdem wird in den obigen Druckschriften zur Erzielung einer hohen Dielektrizitätszahl ε_r von ungefähr 1.000 der Einsatz von Schichtkondensatoren vorgeschlagen, die abwechselnd leitfähige und Isolationsschichten aufeinander gestapelt aufweisen, um im Verhältnis zur Tiefe T_g der Grabenstruktur eine niedrige Gesamtdicke der elektrisch isolierenden Schichten zu erreichen, um somit die effektive Dielektrizitätszahl drastisch zu steigern. Jedoch versäumen es die obigen Patentanmeldungen erstens geeignete Materialien zu offenbaren, mit denen ein derartiger Schichtkondenstor auszustatten ist, und zweitens wird in keiner Weise darauf eingegangen, wie in einer wenige Mikrometer breiten Grabenstruktur eines mehrere Mikrometer tiefen Grabens ein Schichtkondensator mit vertretbarem Kostenaufwand realisiert werden kann.
Darüber hinaus besteht bei Grabenstrukturen von wenigen Mikrometern Breite und mehreren 10 Mikrometern Tiefe das Problem, dass sich schädliche Lunker, und/oder die Eingangschlitze zu dem engen Graben schließen, noch bevor die Grabenstruktur selbst mit entsprechendem dielektrischen Material verfüllt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kondensatorstruktur in Grabenstrukturen von Halbleiterbauteilen und Halbleiterbauteile mit derartigen Grabenstrukturen zu schaffen, die in ihrer Gesamtheit eine hohe Kapazität und damit auch eine hohe effektive Dielektrizitätszahl des Dielektrikums aufweisen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, vorgegebene Randpotentialverteilungen in einer derartigen Kondensatorstruktur zu realisieren. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem eine lunker- und fehlstellenarme Schichtfolge beim Verfüllen tiefer, schmaler Grabenstrukturen eines Halbleiterbauteils erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Kondensatorstruktur in Grabenstrukturen von Halbleiterbauteilen angegeben, wobei die Kondensatorstruktur leitfähige Bereiche aus metallischen und/oder halbleitenden Materialien aufweist, welche von einem Dielektrikum vollständig umgeben sind, wobei die leitfähigen Bereiche als gestapelte Schichten in der Grabenstruktur des Halbleiterbauteils angeordnet sind.
Diese Kondensatorstruktur hat den Vorteil, dass zur Erzielung einer hohen effektiven relativen Dielektrizitätszahl ε_reff im Bereich von ungefähr 200 bis 1.000 nicht stark temperaturabhängige Dielektrika bzw. Isolationsmaterialien wie Ba_xSr_yTiO₃ eingesetzt werden. Vorzugsweise werden vielmehr als Dielektrikum Metalloxide bzw. Halbleiteroxide und/oder Metallnitride bzw. Halbleiternitride entsprechend den Materialien der leitfähigen Bereiche eingesetzt, soweit sie keine flüchtigen Oxide oder Nitride bilden, und soweit sie keine leitfähigen Nitride bzw. Oxide aufweisen, wie beispielsweise das hoch leitfähige Titannitrid oder das leitende Indiumoxid.
Durch die abwechselnden Schichten aus Isolator und Leiter lässt sich vorteilhaft die effektive Kapazität im Graben um den Faktor Gesamtdicke/Isolatordicke erhöhen. Für SiO₂ und eine Sperrfähigkeit eines Bauelements von 600 V lässt sich die Kapazität für einen 50 μm-tiefen Graben von 70 pF/cm² auf rund 700 pF/cm² erhöhen, weil für die Sperrfähigkeit 6 μm Gesamtdicke SiO₂ ausreichen, während der Kondensator in der Grabenstruktur typischerweise rund 50 μm tief ist. Für die Verwendung von TiO₂ als Isolator kann die Kapazität bei gleicher Geometrie vorteilhafter Weise um den Faktor 10 bis 20 auf rund 7 bis 14 nF/cm² erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen somit die leitfähigen Bereiche mindestens eines der leitfähigen Materialien Silizium, Aluminium, Titan, Hafnium, Tantal und/oder Legierungen derselben auf. Diese begrenzte Auswahl von Materialien hat unterschiedliche Vorteile. Beispielsweise ist das verbreitetste Halbleitermaterial, das für Halbleiterbauteile mit Grabenstrukturen eingesetzt wird, das Silizium, und folglich ist ein Polysilizium als leitfähiges Material in seinem thermischen Ausdehnungsverhalten dem Halbleitersilizium, das normalerweise ein monokristallines Material ist, besser angepasst als alle anderen Materialien. Aluminium wiederum hat den Vorzug, dass sowohl ein Aluminiumoxid als Isolator gebildet und eingesetzt werden kann, als auch das aus dem Aluminium gebildete Aluminiumnitrid.
Vom Titan ist zwar nur das Titanoxid als Isolationsschicht geeignet, da Titannitrid ein leitendes Material ist, aber das Titandioxid weist eine Dielektrizitätszahl ε_r bis zu 110 auf, und kann durch Oxidation einer abgeschiedenen Titanschicht gebildet werden, so dass es sowohl technologisch, als auch von den physikalischen Eigenschaften für den Aufbau einer Kondensatorstruktur mit einer Grabenstruktur von Halbleitern besonders geeignet ist, um eine hohe Kapazität und damit eine hohe effektive Dielektrizitätszahl ε_reff zu erreichen. Das weitere Metall Hafnium kann als leitende Schicht eingesetzt werden, und hat den Vorteil, dass sein Oxid die höchsten Dielektrizitätszahlen für Metalloxide liefern kann, ähnliches gilt für das Tantal und sein Oxid Ta₂O₅.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist somit das die elektrisch leitenden Schichten umgebende Dielektrikum eines der nachfolgenden Materialien auf: Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Titandioxid (TiO₂), Hafniumdioxid (HfO₂), Tantaloxid (Ta₂O₅), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN) oder Mischungen derselben. Von diesen Materialien weist die geringste Dielektrizitätszahl Siliziumdioxid mit etwa ε_r = 4 auf. Alle anderen Oxide und Nitride haben eine höhere Dielektrizitätszahl, wobei Hafniumoxid die höchste Dielektrizitätszahl erreicht.
Vorzugsweise weisen die leitfähigen Schichten der Kondensatorstruktur elektrisch leitendes Titannitrid und/oder Hafniumnitrid und/oder Zirkoniumnitrid auf und das die Schichten umgebende Dielektrikum weist Oxide des Titans, Hafniums, und/oder des Zirkoniums auf. Diese Kondensatorstruktur hat den Vorteil, dass sie hochtemperaturfeste Materialien aufweist, und somit Leistungshalbleiterbauteile mit entsprechend hoher Temperaturbelastung bzw. mit entsprechend hoher Verlustleistung ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Schichten ein einziges der leitfähigen Schichtmaterialien auf, wobei das die Schichten umgebende Dielektrikum das Oxid dieses Schichtmaterials ist. Das hat den Vorteil, dass nach dem Auftragen des leitenden Materials, wie einem Halbleiter oder einem Metall, diese leitende Schicht einer Oxidation unterworfen werden kann, und somit bei dem in-situ Oxidationsvorgang einen oberflächennahen Bereich des leitenden Materials in ein Oxid des leitenden Materials umbildet. Der weitere Vorteil besteht darin, dass derartige, durch Oxidation entstandene Beschichtungen, in einer Dicke von wenigen Nanometern dargestellt werden können. Somit ist es möglich, eine hohe effektive Dielektrizitätszahl ε_reff zu erreichen, zumal die effektive Dielektrizitätszahl, die relative Dielektrizitätszahl ε_r des Isolators beinhaltet, multipliziert mit einem Faktor aus dem Verhältnis der Grabentiefe T_g zur Summe der Dicken d_i aller Isolationsschichten in dem Graben. Ist der Graben folglich 10 Mikrometer tief, dann ergibt sich daraus bei einem ε_r von etwa 4, wie es beispielsweise das Siliziumdioxid aufweist, eine Summe für alle Isolatorschichtdi cken Σd_i von nur 40 Nanometer, wenn eine effektive Dielektrizitätszahl ε_r von 1.000 erreicht werden soll, was jedoch eine geringe Durchbruchspannung zur Folge hat. Günstiger sieht es aus, wenn lediglich eine effektive Dielektrizitätszahl von 200 angestrebt wird. Bei der sich eine Dicke von 400 nm für die Summe der Dicken d_i der Dielektrischenzwischenschichten ergibt.
Auf der Grundlage dieser Überlegungen wäre zwar theoretisch auch für Silizium eine effektive Dielektrizitätszahl ε_reff von 1.000 mit nur wenigen elektrisch leitenden Schichten zu erreichen, jedoch würden die äußerst dünnen Isolationsschichten von wenigen Nanometern, die Forderung einer hohen Spannungsfestigkeit für Leistungshalbleiterbauteile nicht erfüllen, weil extrem dünne Isolatoren leicht durchtunnelt werden können. Jedoch scheint die Kombination aus einem einzigen leitfähigen Schichtmaterial mit einem umgebenden Dielektrikum einer Dielektrizitätszahl in der Größenordnung von 8 aus dem Oxid dieses Schichtmaterials wie beim Al₂O₃ dann für eine höhere Spannungsfestigkeit geeignet, wenn eine effektive Dielektrizitätszahl für die Kondensatorstruktur im Bereich von 50–200 realisiert werden soll. In dem Fall liegt bei einer Grabentiefe T_g von 10 Mikrometern die Gesamtdicke der Al₂O₃ Oxidschichten zwischen 400 und 1600 Nanometern, die eine höhere Spannungsfestigkeit ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtmaterial polykristallines Silizium auf, dessen Oxid eine relative Dielektrizitätszahl ε_r wie oben erwähnt im Bereich von 4 besitzt, so dass effektive Dielektrizitätszahlen ε_reff zwischen 50 und 200 für einen Schichtkondensator in der Grabenstruktur erreichbar sind, wobei eine derartige Kondensatorstruktur auf der Basis von polykristallinem Silizium als leitfähiges Schichtmaterial darüber hinaus den Vorteil hat, dass die Verfüllung des Grabens mit Schichten aus Polysilizium minimale thermomechanische Spannungen in dem Graben verursacht, weil das leitende Füllmaterial die gleichen Temperaturausdehnungseigenschaften wie das umgebende Halbleitermaterial besitzt. Da ein Ladungstransport nur über die Dicke der leitfähigen Schichten erforderlich ist, kann zusätzlich das Polysilizium relativ niedrig dotiert bleiben. Die minimale Leitfähigkeit der elektrisch leitenden Schicht und somit die Dotierung, ergibt sich aus der RC-Zeitkonstanten des Kondensatorstapels in der Grabenstruktur.
Eine höhere Kapazität und damit auch eine höhere effektive Dielektrizitätszahl ε_reff sind für Strukturen mit Schichten eines einzigen leitfähigen Schichtmaterials und dessen Oxid als Dielektrikum erreichbar, wenn Titan als leitfähiges Schichtmaterial eingesetzt wird, zumal Titandioxid eine Dielektrizitätszahl ε_r von bis zu 110 aufweist. In dem Fall kann mit einer Grabentiefe von 10 Mikrometern eine effektive Dielektrizitätszahl von 1.000 erreicht werden, wobei die Gesamtdicke Σd_i der dielektrischen Schichten in der Grabenstruktur über 1 Mikrometer bzw. über 1000 Nanometer aufweisen kann. Mit derart dicken Isolationsschichten, die in der Summe mehr als einen Mikrometer bilden, kann einerseits eine hohe Spannungsfestigkeit und andererseits auch eine hohe effektive Dielektrizitätszahl (hier beispielsweise 1000) erreicht werden. Das Verhältnis von Grabentiefe T_g zur Gesamtdicke der Isolationsschicht kann weiter verbessert werden, wenn als leitendes Material Hafnium oder Tantal eingesetzt werden, deren Oxide noch höhere relative Dielektrizitätszahlen ε_r aufweisen, als Titandioxid.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet HfN als Leiter und HfO₂ als Isolator. Diese Kombination weist eine hohe Temperaturfestigkeit auf, was nachfolgende Prozessschritte wenig einschränkt.
Die untere Grenze für die Gesamtdicke der Isolationsschichten in dem Schichtkondensator ist durch die Durchbruchsfeldstärke des Isolators und die zu sperrende Gesamtspannung über der Kondensatorstruktur gegeben. Um beispielsweise Potentialfehlaufteilungen im Kondensatorstapel oder vereinzelte Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leiterschichten noch ausgleichen zu können, kann die vorgesehene Gesamtdicke des Isolators auch größer sein, als die minimal erforderliche Gesamtdicke zur Gewährleistung der Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums oder des Isolators. Dabei ist festzustellen, dass sehr dünne Schichten beispielsweise unter 10 Nanometern Dicke sich, wenn überhaupt, nur schwer ohne Löcher, Lunker oder Defekte, erzeugen lassen. Dabei können zwischen benachbarten leitenden Schichten elektrisch leitende Verbindungen auftreten, die eine Potentialfehlanpassung in der Grabenstruktur verursachen, die eventuell nicht mehr tolerierbar ist.
Aus prozesstechnischer Sicht ist es deshalb von Vorteil, die Dicken sowohl von den leitfähigen Schichten, als auch von den dazwischen liegenden Isolationsschichten so groß wie möglich auszuführen, was jedoch je nach Dielektrizitätszahl ε_r des Isolatormaterials eine entsprechend niedrige Dotierung des n^–-Gebiets erfordert. Die Grenze für die Dicke der Leiterschicht wird durch die Verbiegung der Äquipotentiallinien an den Ecken der leitenden Schicht beeinflusst, zumal bei sehr dicken Leiterschichten Feldspitzen im angrenzenden Halbleitermaterial des Halbleiterbauteils auftreten können, die zu Potentialfehlanpassungen führen können, und somit zu einer Begrenzung der Sperrfähigkeit des Halbleiterbauteils führen können. Bei nur geringen Dicken der Leiterschicht reduziert sich die erreichbare effektive Dielektrizitätszahl, da nach den oben aufgeführten Überlegungen der Dickenanteil des Dielektrikums steigt.
Aus diesen Überlegungen ergibt sich, dass für eine hochspannungsfeste und gleichzeitig mit einer hohen effektiven Dielektrizitätszahl ε_reff versehene Kondensatorstruktur in einer Halbleiterbauteil-Grabenstruktur, sowohl für die leitenden Schichten, als auch für die Isolationsschichten, möglichst hohe Dicken d_m bzw. d_i anzustreben sind. Zudem erfordern hohe Sperrspannungen eine weite Raumladungszone im Silizium und somit eine Grabenstruktur mit einer großen Grabentiefe T_g.
In der erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur wird die Dicke d_m der leitfähigen Schichten in dem Stapel entsprechend einer vorgegebenen Potentialverteilung variiert. Sind die durch die Ecken der leitenden Schicht hervorgerufenen Verbiegungen der Äquipotentiallinien im angrenzenden Halbleitermaterial niedrig, so können die Isolationsschichten bei Beachtung der zulässigen Durchbruchfeldstärke in ihrer Dicke d_i vermindert und somit die effektive Dielektrizitätszahl erhöht werden. Bei zu starkem Streufeld muss die Leiterdicke reduziert werden, was wegen der technologisch gegebenen minimalen Abstände zwischen den leitfähigen Schichten zu einer vergrößerten Gesamtdicke Σd_i der Isolationsschichten führt. Somit hat das Einbringen eines Schichtkondensators in eine Grabenstruktur eines Leistungshalbleiterbauteils den zusätzlichen Vorteil, dass prinzipiell jede gewünschte Potentialverteilung durch Variation der Dicken d_i und d_m, der Stapelstruktur realisiert werden kann.
Aus Gründen z. B. der besseren Haftung auf der leitfähigen Schicht oder etwa als Diffusionsbarriere können die Isolationsschichten ihrerseits auch schichtförmig inhomogen ausgeführt werden. So kann z. B. durch eine dünne Al₂O₃-Schicht die Haftung einer HfO₂-Schicht zu Leitermaterialien verbessert werden, ohne die Dielektrizitätszahl des Schichtstapels deutlich unter die von HfO₂ abzusenken.
Für den Aufbau eines Schichtkondensators in der Grabenstruktur des Halbleiterbauteils ist es von Vorteil, wenn die Wände des Grabens ihre ursprünglich vorgesehene Form während des gesamten Aufbaus der Schichtstruktur beibehalten. Somit weist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Grabenwände aus einer dielektrischen Beschichtung auf, die das Oxid des Halbleitermaterials und/oder das Nitrid des Halbleitermaterials aufweisen. Dies gilt besonders für das Halbleitermaterial Silizium, das ein nicht flüchtiges Siliziumdioxid bzw. ein nicht flüchtiges Siliziumnitrid ausbildet, so dass von Vorteil ist, für einen Siliziumhalbleiter eine Oxidation und/oder Nitrierung der Grabenwände vorzusehen, wobei eine Abscheidung von Si₃N₄ auf eines SiO2-Schicht durch Abscheidung aus der Gasphase oder durch Sputtern erfolgen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kondensatorstruktur in einen schwachdotierten Halbleiterkörperbereich eines Leitungstyps eingebettet, der auf einem hoch dotierten Substrat gleichen oder entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet ist. Die Kondensatorstruktur umgibt Zellen des schwachdotierten Halbkörperbereichs, wobei die Dicke T_b des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs größer ist als die Tiefe T_g der Grabenstruktur, in der die Kondensatorstruktur angeordnet ist. Damit ergibt sich zwischen Kondensatorstruktur und hochdotiertem Substrat eine Puffer schicht, die schwachdotiertes Halbleitermaterial eines Leistungstyps aufweist. Diese Ausführungsform der Kondensatorstruktur hat einerseits den Vorteil, dass die Tiefe T_g der Grabenstruktur, in der die Kondensatorstruktur angeordnet ist, nicht exakt an die Dicke T_b des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs anzupassen ist. Eine derartige Pufferschicht erleichtert somit die Herstellung einer Kondensatorstruktur bzw. die Herstellung von Bauelementen, die mit einer derartigen Kondensatorstruktur auszustatten sind.
Vorzugsweise sind die Zellen aus schwachdotiertem Halbleitermaterial streifen- oder gitterförmig im Wechsel mit der Kondensatorstruktur nebeneinander angeordnet. Dieses hat den Vorteil, dass die Grabenstruktur relativ einfach und preiswert in das schwachdotierte Halbleitermaterial eingebracht werden kann.
Die Zellen aus schwach dotiertem Halbleitermaterial können in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung säulenförmig vertikal nebeneinander und ummantelt von der Kondensatorstruktur auf dem hochdotierten Substrat angeordnet sein. Die entsprechende Grabenstruktur für die Kondensatoren kann beispielsweise in einen Halbleiterwafer mithilfe entsprechender Maskierungen durch geeignete Trockenätztechniken wie z. B. Plasmazerstäubung, reaktives Ionenätzen oder auch nasschemisch eingebracht werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Halbleiterbauteile, die eine derartige Kondensatorstruktur aufweisen. Wie bereits oben ausgeführt, haben diese Bauteile den Vorteil, dass im Durchlassbereich der Durchlasswiderstand vermindert werden kann bzw. die Leitfähigkeit erhöht werden kann, indem der schwach dotierte Halbleiterkörperbereich eine um den Faktor 3 bis 10 höhere Dotierung im Vergleich zu den heutigen Kompensationsbauelementen, z. B. dem "CoolMOS" aufweisen kann und dennoch eine vollständige Sperrung des Halbleiterbauteils aufgrund der Wirkung der Kondensatorstruktur möglich ist.
Vorzugsweise wird mit einer derartigen Kondensatorstruktur eine Schottky-Diodenstruktur verwirklicht. Bei einer derartigen Schottky-Diodenstruktur ist die Kondensatorstruktur in einen schwachdotierten Halbleiterkörperbereich eines Leitungstyps eingebettet, der auf einem hochdotierten Substrat gleichen Leitungstyps angeordnet ist. Die Kondensatorstruktur umgibt dabei eine Vielzahl von Zellen des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs, und die Oberseiten der Zellen weisen eine Metallbeschichtung eines Schottky-Kontaktmaterials auf. Dieses Schottky-Kontaktmaterial bildet auf dem schwach dotierten Halbleitermaterial einer Zelle eine Einzelelektrode einer Schottky-Diode aus. Die Einzelelektroden der Vielzahl von Zellen werden parallel zu einer Gesamtelektrode elektrisch verbunden und die Gegenelektrode wird von dem hochdotierten Substrat gleichen Leitungstyps wie der schwachdotierte Halbleiterkörperbereich gebildet, das auf seiner Unterseite großflächig mit einer Metallbeschichtung versehen ist, welche zur elektrischen Kontaktierung dient.
Ein weiteres bevorzugtes Halbleiterbauteil stellt die hochspannungsfeste PN-Diodenstruktur dar. Auch bei einer derartigen Diodenstruktur werden Zellen in dem schwachdotierten Halbleiterkörperbereich dadurch gebildet, dass eine entsprechende Grabenstruktur mit einer Kondensatorstruktur versehen wird. Im Unterschied zur Schottky-Diodenstruktur wird nun jedoch im Oberseitenbereich jeder Zelle aus schwachdotiertem Halbleiterkörperbereich eines Leitungstyps eine Störstellenwanne eingebracht, die einen entgegengesetzten Leitungstyp aufweist. Diese Störstellenwanne bildet die Anode einer PN-Leistungsdiode und das hochdotierte Substratgebiet bildet die Kathode. Dazu weist die Unterseite des hochdotierten Substrats eine Metallisierung auf, die als Gegenelektrode bzw. bei einer PN-Diodenstruktur als Kathode dient.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine MOS-Leistungstransistorstruktur, die eine derartige Kondensatorstruktur wie sie oben beschrieben wird, aufweist. Diese Kondensatorstruktur für die MOS-Leistungstransistorstruktur ist in einen vergleichsweise schwachdotierten Halbleiterkörperbereich eines Leitungstys eingebettet, der auf einem hochdotierten Substrat gleichen Leitungstyps angeordnet ist. Dabei umgibt die Kondensatorstruktur eine Vielzahl von Zellen des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs und die Oberseitenbereiche der Zellen weisen jeweils eine MOS-Struktur mit Source-Einzelelektroden und Gate-Einzelelektroden auf. Eine mitteldotierte Störstellenwanne eines entgegengesetzten Leitungstyps ist im Oberseitenbereich der Zelle derart angeordnet, dass ein Gate-Kanalbereich zum Randbereich der Zelle hin in bekannter Weise gebildet werden kann.
Innerhalb der Störstellenwanne ist eine hochdotierte Störstelleninsel des gleichen Leitungstyps wie der schwachdotierte Halbleiterkörperbereich der Zelle angeordnet. Diese Störstelleninsel weist eine Source-Einzelelektrode auf, und die Vielzahl der Source-Einzelelektroden der Zellen sind parallel zu einer gemeinsamen Source-Elektrode elektrisch verbunden. Außerdem steht diese gemeinsame Source-Elektrode mit der Kondensatorstruktur elektrisch in Verbindung. Der Gate-Kanalbereich im Randbereich der Zelle wird von einem Gate-Oxid abgedeckt, auf dem eine Gate-Elektrode angeordnet ist. Die Vielzahl der einzelnen Gate-Elektroden der Zellen sind oberhalb der Oberseite des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs zu einer gemeinsamen Gate-Elektrode zusammen geschlossen. Das hochdotierte Substrat, das den gleichen Leitungstyp wie der schwachdotierte Halbleiterkörperbereich aufweist, hat auf seiner Unterseite eine Metallbeschichtung, die als großflächige Drain-Elektrode dient.
Da aufgrund der Kondensatorstruktur eine um den Faktor 3 bis 10 höhere Dotierung des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs im Vergleich zu den bekannten Kompensationsbauelementen möglich ist, ohne die Sperrqualitäten des MOS-Leistungstransistors zu beeinträchtigen, hat dieses Halbleiterbauteil den Vorteil, dass ein verminderter Durchlasswiderstand realisierbar ist. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft eine hochspannungsfeste IGBT-Leistungstransistorstruktur. Dieser Leistungstransistor ist ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate-Anschluss. Die Struktur dieses Leistungstransistors unterscheidet sich von der Struktur eines hochspannungsfesten MOS-Leistungstransistors lediglich dadurch, dass die Kondensatorstruktur für die hochspannungsfeste IGBT-Leistungstransistorstruktur in einen schwachdotierten Halbleiterkörperbereich eines Leistungstyps eingebettet ist, der auf einem dotierten Substrat mit entgegengesetztem Leitungstyp angeordnet ist. Dadurch entsteht ein bipolarer Transistor je nach Leitungstyp und Kombination der Gebiete des PNP-Typs oder des NPN-Typs. Die Substrate der vorstehend beschriebenen Bauelemente (Schottky-, PN-Diode, MOSFET, IGBT) können auch nur aus einem dünnen Kontakt- bzw. Emittergebiet bestehen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtkondensators für Halbleiterbauteile mit Grabenstrukturen weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst erfolgt zum Schutz der Grabenwände ein isotropes Oxidieren und/oder Nitrieren der Grenzflächen wie Grabenwände und/oder Grabenboden der Grabenstruktur als Wandschutz. Nach Fertigstellung des Wandschutzes folgt nun ein erstes anisotropes Abscheiden eines oxdierbaren und/oder Nitrierbaren leitfähigen Materials in der Grabenstruktur, wobei die Abscheiderate an den Wänden aufgrund der Anisotropie deutlich geringer ist, als am Boden der Grabenstruktur. Als nächster Schritt erfolgt ein vollständiges Oxidieren und/oder Nitrieren der auf den Wänden der Grabenstrukturen abgeschiedenen leitfähigen Schicht unter gleichzeitigem Oxidieren und/oder Nitrieren des Oberflächenbereichs, der am Boden der Grabenstruktur abgeschiedenen leitfähigen Schicht zu einer dielektrischen Zwischenschicht. Somit ist am Boden der Grabenstruktur eine erste Schichtfolge aus leitfähiger Schicht und die dielektrischer Zwischenschicht entstanden.
Durch Wiederholen der Verfahrensschritte eines anisotropen Abscheidens eines leitfähigen Materials und eines anschließenden vollständigen Oxidieren und/oder Nitrieren des Materials auf den Wänden der Grabenstruktur kann somit ein Schichtkondensator aufgebaut werden, bis die gesamte Grabenstruktur mit dieser Schichtfolge aufgefüllt ist.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass durch den einfachen Wechsel von anisotropem Abscheiden einer leitfähigen Schicht und anschließender Oxidation bzw. Nitrierung dieser leitfähigen Schichten am Boden der Grabenstruktur eine Schichtfolge aufwächst, aus dünnen isolierenden Zwischenschichten und entsprechend aufgetragenen leitfähigen Schichten, während die Wände der Grabenstruktur keine leitfähige Schicht mehr aufweisen. Wird die Beschichtung der Wände trotz einer anisotropen Abscheidung im Laufe der Bildung von Schichtfolgen zu dick, so kann mit einem isotropen Rückätzschritt der an den Grabenwänden gebildeten Isolationsschichten dafür gesorgt werden, dass die Breite der leitenden Schichten am Boden der Grabenstruktur ein vorgegebenes Mindestmaß nicht unterschreiten.
Alternativ zur Schichtfolge Metall isolierendes Metalloxid bzw. -Nitrid kann auch beispielsweise für höhere Temperaturbelastungen zwischen dem leitfähigen Metallnitrid und dem isolierenden Metalloxid (z. B. bei Ti, Zr, Hf) gewechselt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtkondensators für Halbleiterbauteile mit Grabenstrukturen weist die nachfolgende Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein isotropes Oxidieren und/oder Nitrieren der Wände der Grabenstruktur als Wandschutz durchgeführt. Danach erfolgt ein anisotropes Abscheiden eines leitfähigen Materials in der Grabenstruktur, wobei die Abscheiderate an den Wänden mindestens um einen Faktor 2 geringer ist als am Boden der Grabenstruktur. Anschließend erfolgt ein isotropes Rückätzen des leitfähigen Materials bis die Wände frei von einer leitfähigen Beschichtung sind. Danach schließt sich ein anisotropes Abscheiden eines isolierenden Materials in der Grabenstruktur an, wobei die Abscheiderate an den Wänden mindestens um einen Faktor 2 geringer ist als am Boden der Grabenstruktur Schließlich werden die obigen letzten 3 Schritte so oft wiederholt, bis die Grabenstruktur mit einer Schichtkondensatorstruktur aufgefüllt ist.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ein Strukturieren und selektives Maskieren innerhalb der Grabenstruktur für eine Einbringen einer Schichtkondensatorstruktur in diese Graben struktur nicht erforderlich ist, so dass kosten- und zeitaufwendige Zwischenschritte entfallen.
Für Materialkombinationen, die ein vollständiges Oxidieren und/oder Nitrieren der auf den Wänden der Grabenstruktur abgeschiedenen leitfähigen Schichten nicht ermöglichen, wird ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Schichtkondensators für Halbleiterbauteile mit Grabenstrukturen angegeben, das die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist.
Zunächst wird, wie bei dem obigen Verfahren, durch isotropes Oxidieren und/oder Nitrieren der Wände der Grabenstruktur ein Wandschutz erzeugt. Im Anschluss daran wird, wie bei dem obigen Verfahren, ein anisotropes Abscheiden eines leitfähigen Materials in der Grabenstruktur durchgeführt, wobei die Abscheiderate an den Wänden mindestens um einen Faktor 2 geringer ist, als am Boden der Grabenstruktur. Anstelle eines Aufwachsen eines dielektrischen Materials erfolgt nun ein anisotropes Abscheiden eines dielektrischen Materials in der Grabenstruktur auf dem leitfähigen Material. Dabei wird durch die Anisotropie erreicht, dass die Abscheiderate an den Wänden zumindest deutlich geringer ist, als die Abscheiderate des isolierenden Materials auf dem Boden der Grabenstruktur.
Als nächster Schritt erfolgt ein unstrukturiertes Aufbringen einer Schutzschicht, die die Gräben vollständig füllt. Anschließend wird die Schutzschicht in den Gräben zurückgeätzt, so dass das dielektrische Material am Boden der Grabenstruktur bedeckt ist, während die Wände der Grabenstruktur bereits von der Schutzschicht freigelegt sind. Im nachfolgenden Schritt wird nun ein Rückätzen der auf den Wänden abgeschiedenen Schichtfolge bis zu dem Wandschutz durchgeführt. Die Schutzschicht kann dabei aus einem Schutz, typischerweise ei nem Photolack, oder einem anderen Material, vorzugsweise aus der nächsten leitenden Schicht bestehen.
Im Anschluss daran kann die Schutzschicht entfernt werden, und es werden die Schritte des Abscheidens und Rückätzens so lange wiederholt, bis die Grabenstruktur vollständig aufgefüllt ist. Das vorstehend beschriebene maskierte Rückätzen kann auch nach mehreren Abscheidezyklen erfolgen, wenn aufgrund des anisotropen Abscheidens des leitfähigen Materials bzw. isolierenden Materials die Minderung der Breite der abzuscheidenden Schichten an dem Boden der Grabenstruktur pro Abscheideschicht nur gering ist, so dass erst nach einem mehrfachen anisotropischen Abscheidevorgang das Rückätzen durchzuführen ist.
Bei dem Rückätzen kann es zu Hinterätzungen der bereits gebildeten Kondensatorstruktur entlang der Grabenwände kommen, so dass diese Hinterätzungen durch einen zusätzlichen Abscheideschritt von dielektrischem Material aufgefüllt werden müssen.
Entsprechend einem vorgegebenen geforderten Potentialverlauf in Stapelrichtung des Schichtkondensators werden im Verlauf der Abscheidung der unterschiedlichen Schichten die Abscheideparameter beim anisotropen Aufbringen von leitfähigem und/oder dielektrischen Material zur Einstellung unterschiedlicher Schichtdicken variiert. Dieses Steuern der Schichtdicken über Abscheideparameter ist durch entsprechende in-situ Dickenmessverfahren beim Abscheiden sehr präzise kontrollierbar, welche unmittelbar die Zunahme der Schichtdicken erfassen und den Prozess beim Erreichen der geforderten Schichtdicke abbrechen.
In einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird bei Ausbildung von Überhängen von abgeschiedenem Material am Eingang der Grabenstruktur ein Rückätzschritt zwischengeschaltet, wobei der bereits gebildete Schichtstapel mittels des oben beschriebenen Verfahrens geschützt wird. Dieser Rückätzschritt, um Überhänge am Grabeneingang zu beseitigen, ist für beide Verfahrensvarianten erforderlich, um den Eingang der Grabenstruktur bis zum vollständigen Auffüllen der Grabentiefe T_g mit der vorgegebenen Schichtfolge aufzufüllen.
Um ein isotropes Oxidieren der Wände der Grabenstruktur durchzuführen, wird eine Oxidation in einer Sauerstoff- und/oder Wasserdampfatmosphäre oder einem sauerstoffhaltigen Plasma durchgeführt. Derartige Oxidationen in einer Sauerstoff- und/oder Wasserdampfatmosphäre haben keine Vorzugsrichtung, so dass ein Oxid konstanter Dicke gebildet werden kann.
Für ein isotropes Nitrieren der Wände der Grabenstruktur wird vorzugsweise eine chemische ggf. plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung eingesetzt. Bei dieser Form der Abscheidung erfolgt die Nitrierung ohne eine Vorzugsrichtung, so dass ein gleichmäßiger Schutz der Wände und des Bodens der Grabenstruktur entstehen kann.
Für ein vollständiges Oxidieren der auf den Wänden der Grabenstruktur abgeschiedenen leitfähigen Schicht, wird eine isotrope Oxidation in einer Sauerstoff- und/oder Wasserdampfatmosphäre oder einem sauerstoffhaltigem Plasma durchgeführt. Da sich die Dicken der leitfähigen Schicht am Boden der Grabenstruktur und an der Wand der Grabenstruktur aufgrund der anisotropen Abscheidung der leitenden Schicht deutlich unterscheiden, ist es möglich, die relativ dünne leitfähige Schicht an den Wänden der Grabenstruktur vollständig zu oxidieren. Somit kann, so lange die nun mit Isolationsmaterial beschichteten Wände die Breite der Grabenstruktur nicht wesentlich vermindern, eine unmittelbare Folge von anisotropem Abscheiden und isotropem Oxidieren dafür sorgen, dass auf dem Boden der Grabenstruktur eine Schichtfolge von leitfähigen Schichten und isolierenden Schichten aufgebaut wird.
Für eine anisotropes Abscheiden eines leitfähigen und/oder isolierenden Materials ist ein Sputterverfahren einsetzbar, bei dem eine Materialquelle zerstäubt wird, und gerichtet auf die Oberseite des Halbleiterbauteils beschleunigt wird.
Für ein anisotropes Abscheiden eines leitfähigen Materials ist auch ein physikalisches Aufdampfen im Vakuum möglich, bei dem das leitfähige Material aufgeschmolzen wird, und von der Schmelzquelle ausgehend, geradlinig auf eine Oberfläche eines Halbleiterbauteils trifft, so dass die Wände der Grabenstruktur weniger stark beschichtet werden, als der Boden der Grabenstruktur.
In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird eine gerichtete Ionenstrahlabscheidung aus einem Plasma eingesetzt. Dazu wird ein Plasma aus leitfähigem Ionen erzeugt und über ein elektrisches Feld in Richtung auf die Oberfläche des Halbleiterbauteils derart beschleunigt, dass die Ionen eines leitfähigen Materials orthogonal zur Oberfläche des Halbleitermaterials in die Grabenstruktur eindringt und sich vorzugsweise am Boden der Grabenstruktur absetzt.
Zur Vorbereitung des Rückätzens wird die bereits gebildete Schichtstruktur auf dem Boden des Grabens durch eine Schutzschicht geschützt. Diese Schutzschicht soll jedoch nicht die Wände der Grabenstruktur bedecken, um zu gewährleisten, dass das Rückätzen ausgeführt werden kann. Eine Möglichkeit diese Schutzschicht nach erfolgter Rückätzung zu entfernen besteht darin, das Halbleiterbauteil bzw. einen Halbleiterwafer mit den Bauteilen einer Plasmaveraschung zu unterziehen, so dass das Abscheiden von entsprechenden Schichtfolgen für einen Schichtkondensator fortgesetzt werden kann.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass der mit diesem Verfahren hergestellte Kondensator in einer Grabenstruktur eines Halbleiterbauteils sich dadurch auszeichnet, dass eine hohe Kapazität und auch eine hohe effektive Dielektrizitätszahl ε_reff des Dielektrikums erreicht werden kann. Durch entsprechende Wahl der Prozessparameter lässt sich zudem eine gezielte Potentialverteilung im Kondensator erreichen, die, falls es erforderlich ist, von einer linearen Potentialverteilung abweicht. Dadurch ergeben sich größere Freiheiten in der Wahl der Dotierung in den angrenzenden n^–-Bereichen des Halbleiterbauteils. Diese kann damit in vertikaler Richtung inhomogen ausgelegt werden, um Bauelementeigenschaften, wie beispielsweise das Avalancheverhalten, gezielt zu modifizieren. Außerdem lässt sich die Potentialverteilung im Graben unabhängig von der Grabenform durch gezielte Variation der Dicken der abgeschiedenen Schichten erzeugen. So können bei bauchigen oder nach oben oder unten erweiterten Grabenstrukturen die damit verbundenen nicht linearen Potentialverläufe durch Variation der Schichtdicken zusätzlich beeinflusst werden.
Dazu geht das erfindungsgemäße Verfahren von einer alternierenden Erzeugung von elektrisch leitenden und isolierenden Schichten aus. Die leitenden Schichten werden dabei bevorzugt nicht konform, das heißt also nicht isotrop erzeugt, in dem mittels eines Sputterverfahrens oder eines Aufdampfverfahrens diese Schichten abgeschieden werden. Dadurch entsteht am Boden des Grabens gegenüber den Grabenwänden eine dickere, leitfähige Schicht. Eine isotrope Abscheidung des Leitermaterials ist ebenfalls möglich, jedoch wird es dann häufiger erforderlich sein, einen Rückätzschritt zwischenzuschalten, um die Wände von diesen Schichten zu befreien.
Besteht das leitfähige Material aus einem oxidierbaren Metall, wie Aluminium, Titan oder polykristallinem Silizium, so lässt sich die isolierende Trennschicht zwischen zwei benachbarten Metalllagen, durch gezieltes und nur oberflächiges Oxidieren des leitenden Materials erzeugen. Bei der Abscheidung kann während der Abscheidung der Leiterschicht zu definierten Zeiten der Reaktionspartner zur Erzeugung des Isolators gezielt in die Abscheidekammer beigegeben werden, um die Schichtfolge ohne Unterbrechung des Abscheidevorgangs zu erzeugen.
Wird alternativ auch Aluminiumnitrid oder eine andere isolierende Verbindung des Leitermaterials eingesetzt, so kann auch hier durch eine entsprechende chemische Reaktion das leitende Material in eine isolierende Schicht an der Oberfläche umgewandelt werden. Ein besonderer Vorteil derartiger in-situ-Herstellungsverfahren einer Schichtfolge besteht darin, dass keine zusätzlichen Defekte in der Isolationsschicht entstehen. Dieses ist ein entscheidender Vorteil gegenüber einer Abscheidung der Isolationsschichten, bei der die Gefahr, dass Defekte entstehen wesentlich höher ist. Deshalb können derartige, durch Reaktion entstandene Isolationsschichten äußerst dünn ausgeführt werden, zumal der erforderliche Sicherheitsaufschlag auf die Dicke zur Erreichung der geforderten Sperrfähigkeit geringer ausfallen kann.
Alternativ kann jedoch auch die Isolationsschicht auf das Leitermaterial direkt abgeschieden werden, ohne jede chemische Reaktion, wobei jedoch der Sicherheitsaufschlag auf die Dicke zum Erreichen der Sperrfähigkeit erhöht werden muss. In diesem Fall wird nach jedem Abscheiden eines Schichtpaares aus Leiter und Isolator selektiv eine Schutzschicht im Graben erzeugt, damit nur die Wand des Grabens freigeätzt wird. Bei hinreichender anisotroper Abscheidung, d. h. hinreichend wenig Abscheidung auf den Wänden, kann auf den Rückätzschritt auch verzichtet werden bzw. er kann als unmaskierter isotroper Ätzschritt durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.
1A zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Kondensatorstruktur eines Halbleiterbauteils mit Grabenstruktur, einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
1B zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Kondensatorstruktur eines Halbleiterbauteils mit Grabenstruktur, einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
1C zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Kondensatorstruktur eines Halbleiterbauteils mit Grabenstruktur, einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
2 bis 5 zeigen Prinzipskizzen von Verfahrensprodukten nach einzelnen Verfahrensschritten zum Herstellen einer Kondensatorstruktur;
2 zeigt eine Prinzipskizze einer Grabenstruktur nach dem anisotropen Abscheiden einer leitenden Schicht;
3 zeigt eine Prinzipskizze einer Grabenstruktur, gemäß 2, nach einer vollständigen Oxidation einer Wandbeschichtung der in 2 abgeschiedenen leitenden Beschichtung;
4 zeigt eine Prinzipskizze einer Grabenstruktur, gemäß 3, nach erneuter anisotroper Abscheidung einer leitenden Schicht;
5 zeigt eine Prinzipskizze einer Grabenstruktur, gemäß 4, nach erneuter Oxidation des leitfähigen Materials der anisotrop abgeschiedenen leitenden Beschichtung;
6 bis 9 zeigen Prinzipskizzen von Verfahrensprodukten nach einzelnen Verfahrensschritten zum Herstellen einer Kondensatorstruktur, gemäß einer alternativen Verfahrensweise;
6 zeigt eine Prinzipskizze einer Grabenstruktur nach dem anisotropen Abscheiden einer leitenden Schicht;
7 zeigt eine Prinzipskizze der Grabenstruktur, gemäß 6, nach selektivem Aufbringen einer Schutzschicht auf den Boden der Grabenstrukturen;
8 zeigt eine Prinzipskizze der Grabenstruktur, gemäß 7, nach Rückätzen der beschichteten Wände der Grabenstruktur;
9 zeigt eine Prinzipskizze der Grabenstruktur, gemäß 8, nach Entfernen der Schutzschicht und nach Aufbringen einer weiteren Isolationsschicht;
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Kondensatorstruktur eines Halbleiterbauteils mit Grabenstruktur einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
11 zeigt schematisch den Potentialverlauf für eine Kondensatorstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle einer Schottky-Diode mit Kondensatorstruktur;
13 zeigt eine schematischen Querschnitt durch eine Zelle einer PN-Diode mit Kondensatorstruktur;
14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle eines MOS-Leistungstransistors mit Kondensatorstruktur;
15 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle eines IGBT-Leistungstransistors mit Kondensatorstruktur.
1A zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Kondensatorstruktur 10 eines Halbleiterbauteils 11 mit Grabenstruktur 1, einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Kondensatorstruktur 10 ist zwischen einer Elektrode 21 auf der Oberseite 22 eines Halbleiternbauteils 11 und einem hochdotierten n⁺-leitendenden Gebiet einer Gegenelektrode des Halbleiterbauteils angeordnet. Dabei kann die Elektrode 21 auf der Oberseite 22 des Halbleiterbauteils eine Anode einer PN- oder Schottky-Leistungsdiode oder eine Sourceelektrode eines vertikal angeordneten Leistungs-MOS-Transistors oder IGBT's sein. An das n⁺-leitende Gebiet kann der Kathodenbereich einer Leistungsdiode oder die Drainzone eines Leistungs-MOS-Transistors angeschlossen sein.
Der Schichtkondensator 9 zwischen diesen beiden Anschlussgebieten ist in einer Grabenstruktur 1 untergebracht und weist dort leitende Schichten 3 im Wechsel mit isolierenden Schichten 4, die übereinander gestapelt sind, auf. Dabei ist jeder leitende Bereich 3 von dem Dielektrikum der isolierenden Schichten 4 vollständig umgeben. Lediglich die oberste leitende Schicht 25 kann mit der entsprechenden Elektrode 21 eines Source- oder eines Anodengebietes verbunden sein oder durch diese gebildet werden. Durch diesen Schichtkondensator 9 ist es möglich, die Kapazität der Kondensatorstruktur 1 zu erhöhen, da der Plattenabstand zwischen den Elektroden des Kondensators durch die leitenden Schichten 3 auf die Gesamtdicke Σd_i der isolierenden Schichten 4 reduziert wird. Somit ergibt sich für einen derartigen Schichtkondensator 9 eine effektive Dielektrizitätszahl von εreff = εr·Tg/Σdi [1]wobei ε_reff die effektive Dielektrizitätszahl ist, ε_r die Dielektrizitätszahl des Isolatormaterials bedeutet, T_g die Tiefe der Grabenstruktur darstellt und ein d_i die Dicke einer einzelnen Isolierschicht definiert. Die Grabentiefe T_g ergibt sich aus der Summe der Dicken Σd_m der leitenden Schichten 3 und der Summe der Dicken Σd_i der isolierenden Schichten 4, so dass mit Hilfe der gefüllten Grabentiefe T_g die geforderte Sperrfähigkeit erreicht wird. In der in 1 gezeigten Struktur sind die Wände 7 der Grabenstruktur 1 für eine iso lierende Beschichtung 8 der Grabenwände 7 und des Grabenboden 12 von dem Halbleiterbereich n^– bzw. n⁺ getrennt. Ferner sind die Wände 7 der Grabenstruktur 1 von einer Isolationsschicht, beispielsweise aus Siliziumdioxid SiO₂ umgeben, an das sich ein n^–-leitendes Gebiet der Halbleiterstruktur anschließt. Anstelle der oder zusätzlich zu der die Grabenwände 7 umgebenden Isolationsschicht SiO₂ kann auch eine Kompensationsschicht aus p^–-leitendem Halbleitermaterial die Grabenstruktur 1 an ihren Grabenwänden 7 umgeben. Diese Kompensationsschicht kann aber auch in dem n^–-Gebiet hinter bzw. unter der isolierenden Beschichtung 8 erzeugt werden. Die seitliche Isolation der leitenden Schichten 3 zum n^–-Gebiet kann auch nur durch eine die Grabenwände 7 umgebende Isolationsschicht gebildet werden. Das Material der isolierenden Schichten 4 befindet sich in diesem Fall nur zwischen den leitenden Schichten 3.
Mit seinen gestapelten Schichten 5 füllt der Schichtkondensator 9 die Grabenstruktur 1 des Halbleiterbauteils 11 vollständig auf, und erstreckt sich von dem n⁺-leitenden Bereich einer Kathode bzw. einer Drainzone bis zu der Metallelektrode oder Siliziumelektrode 21, einer Kathode oder eines Sourcegebietes einer Diode bzw. eines Transistors. Die Beschichtung 8 der Grabenwände 7 bildet für die Herstellung derartiger Strukturen einen Wandschutz 15. Die in dieser 1 gezeigte Zwischenschicht 13 ist aus dem gleichen Material, wie das die leitenden Schichten 3 umgebende Dielektrikum, und ist vorzugsweise durch Oxidation oder Nitrierung des Materials der leitenden Schichten 3 hergestellt worden.
Unter Zugrundelegung der obigen Formel Σd_i ist es mit dieser Struktur möglich, effektive Dielektrizitätszahlen ε_reff von 1.000 und mehr zu erreichen, wenn die Dielektrizitätszahl ε_r des Dielektrikums im Bereich von 100 und darüber liegt, wie das für die Materialien Tantaloxid, Titanoxid und Hafniumoxid der Fall ist. Für Materialien mit niedriger Dielektrizitätszahl zwischen 3 bis 10, wie es für Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid der Fall ist, sind technisch effektiv Dielektrizitätszahlen zwischen 50 und 200 mit einer derartigen, wie in 1 gezeigten Kondensatorstruktur 20 erreichbar. Ein Vorteil dieses schichtweisen Aufbaus des Dielektrikums in Form eines Kondensators ist, dass die Dicke d_m, sowie die Dicke d_i der gestapelten Schicht 5 variiert werden können und somit der Potentialverlauf in vertikaler Richtung bei Anlegen einer Sperrspannung abweichend von einem linearen Verlauf, wie er bei nicht strukturiertem Dielektrikum in einer derartigen Grabenstrukturauftritt, eingestellt werden kann. Damit kann der Potentialverlauf in vertikaler Richtung des Kondensators 10 durch seine Struktur den Erfordernissen des jeweiligen Halbleiterbauteils 11 angepasst werden.
1B zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Kondensatorstruktur 50 eines Halbleiterbauteils mit Grabenstruktur, einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1A werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform gemäß 1A dadurch, dass der zusätzliche Wandschutz 15 aus SiO₂, der die Spannungsfestigkeit zusätzlich erhöhen soll, nicht mehr vorgesehen ist
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Kondensatorstruktur 60 eines Halbleiterbauteils mit Grabenstruktur, einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1A werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erör tert. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform gemäß 1B dadurch, dass auf eine Beschichtung 8 der Grabenwände verzichtet wurde und diese Funktion von der Isolationsschicht 4 mit übernommen wird. Ferner ist nun die untere Leitende Schicht des Schichtkondensators mit dem hochdotierten Substratmaterial verbunden und liegt auf gleichem elektrischen Potential.
Die 2 bis 5 zeigen Prinzipskizzen von Verfahrensprodukten nach einzelnen Verfahrensschritten zum Herstellen einer Kondensatorstruktur 10. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen in den 2–5 gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
2 zeigt eine Prinzipskizze einer Grabenstruktur 1 nach dem anisotropen Abscheiden einer leitenden Schicht 18. Durch die Anisotropie der Abscheidung werden Bereiche, die orthogonal zu dem Materialfluss der Abscheidung liegen, dicker, als Bereiche, die parallel zur Abscheiderichtung angeordnet sind. Somit ist es möglich, dass die Dicke d_ma einer abgeschiedenen leitenden Schicht 18 auf den Grabenwänden 7 einer Grabenstruktur 1 erheblich dünner wird, als die auf der Oberseite 22 des Halbleiterbauteils 11 und im Bodenbereich 12 des Grabens 1 abgeschiedene Beschichtung. Bevor jedoch die Grabenstruktur 1 mit einer derartigen leitenden Schicht 18 aus Polysilizium, Aluminium, Titan, Hafnium, Tantal oder Legierungen bzw. chemischen Verbindungen derselben versehen wird, wird die Wandung und auch der Boden 12 der Grabenstruktur 1 mit einem Wandschutz 15 versehen, der beispielsweise bei einem Silizium-Halbleiterbauteil 11 durch isotrope Oxidation und/oder Nitrierung der Oberflächen der Grabenstruktur 1 gebildet wird. Dieser Wandschutz 15 sorgt dafür, dass bei nach folgenden Verfahrensschritten, die Kontur des Grabens 1 erhalten bleibt. Der Wandschutz 15 kann am Grabenboden auch ganz oder teilweise entfernt werden, um eine elektrische Verbindung zwischen der untersten Leiterschicht 18 und dem n⁺-Substrat zu erzeugen, wie es in der dritten Ausführungsform der Erfindung mit 1C gezeigt wird.
3 zeigt eine Prinzipskizze einer Grabenstruktur 1 gemäß 2 nach einer vollständigen Oxidation einer Wandbeschichtung 6, der in 2 abgeschiedenen leitfähigen Schicht 18. Bei dieser vollständigen Oxidation bildet sich eine dünne Wandisolationsschicht 23, bei der die Breite der Grabenstruktur geringfügig vermindert wird. Gleichzeitig bildet sich auf der Beschichtung 18 am Boden 12 der Grabenstrukturen eine isolierende Zwischenschicht 13, die je nach Dauer der Oxidationsphase in ihrer Dicke d_i gesteuert werden kann, so dass die anfängliche Dicke d_ma der Schicht 18 in 2 nun auf die Dicke d_m1 am Boden der Grabenstruktur reduziert wird. Die Ausbildung der Oxidationsschicht 13 durch Oxidation der leitfähigen Schicht hat den Vorteil gegenüber einer anisotropen Abscheidung einer Isolationsschicht, dass die gesamte Oberfläche ein dichtes, lunkerfreies Oxid ausbildet, und dass diese Dielektrizitätsschicht nahezu perfekt ist, und demzufolge hohe elektrische Feldstärken isoliert.
4 zeigt eine Prinzipskizze einer Grabenstruktur 1 gemäß 3 nach erneuter anisotroper Abscheidung einer leitenden Schicht 19. Diese wird z. B. mit der gleichen Technologie hergestellt, wie die erste leitende Schicht 18, es kann jedoch das Material der leitenden Schicht 19 gewechselt werden, um bei dem anschließenden Oxidationsprozess ein Oxid mit einer höheren Dielektrizitätszahl ε_r zu erzeugen. Durch Variation der unterschiedlichen leitenden Schichtmaterialien kann auch eine Variation der Dielektrizitätszahlen für die Zwischenschichten 13 erreicht werden, wobei vorzugsweise Dielektrika der isolierenden Materialien Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Titandioxid, Hafniumdioxid, Tantaloxid oder Aluminiumoxid, bzw. Aluminiumnitrid vorgesehen sind. Die dünne elektrisch leitende Schicht im Wandbereich der Grabenstruktur 1 wird dann wieder einem Oxidations- oder Nitrierungsprozess unterworfen.
5 zeigt eine Prinzipskizze einer Grabenstruktur 1, gemäß 4, nach erneuter Oxidation des leitfähigen Materials der anisotrop abgeschiedenen Beschichtung 19. Wieder entsteht eine dünne Isolationsschicht 24 im Wandbereich der Grabenstruktur 1, während die Dicke d_i2 der isolierenden Zwischenschicht 13 im Bodenbereich 12 der Grabenstruktur 1 durch die entsprechenden Prozessparameter eingestellt werden kann. Bei dieser Oxidation wird leitendes Material verbraucht, so dass die am Boden sich bildende leitfähige Schicht eine geringere Dicke d_m2 aufweist, als die in 4 gezeigte, ursprünglich abgeschiedene Schicht 19.
Der am Boden 12 der Grabenstruktur 1 gebildete Schichtkondensator weist nunmehr 2 leitende Schichtbereiche 4 und zwei isolierende Zwischenschichten 13 auf. Diese Schritte, wie sie in den 2, 3, 4 und 5 gezeigt werden, können nun so oft wiederholt werden, bis die gesamte Grabenstruktur aufgefüllt ist. Doch wächst auch die Grabenstruktur 1 von den Grabenwänden 7 aus, durch das Bilden der Isolationsschichten 23 und 24 usw. langsam zu, so dass die Breite des Grabens 1 in Richtung auf die Oberseite 22 des Halbleiterbauteils 11 hin kleiner wird. Wenn dadurch die Öffnung 16 der Grabenstruktur durch Bilden eines Überhanges zuwächst oder die Querschnittsfläche der Leiterschicht zu stark reduziert und dadurch die Kapazi tät verringert wird, ist es erforderlich, während dieser Prozesse einen Rückätzschritt zwischenzuschalten, um einerseits die Oberseite 22 des Halbleiterbauteils 11 von den Schichten 18 und 19 zu befreien und andererseits die Wände 7 der Grabenstruktur 1 wieder frei zu ätzen. Dabei werden die Ätzverfahren auf die verschiedenen, eingesetzten Materialien abgestimmt, so dass ein Ätzstopp im Bereich der Wandbeschichtung 8 der Grabenstruktur 1 wirken kann.
6 bis 9 zeigen Prinzipskizzen von Verfahrensprodukten nach einzelnen Verfahrensschritten zum Herstellen eine Kondensatorstruktur 10, gemäß einer alternativen Verfahrensweise. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in vorgehenden Figuren werden in dem 6 bis 9 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
6 zeigt eine Prinzipskizze einer Grabenstruktur 1 nach einem anisotropen Abscheiden einer leitenden Schicht 18. Jedoch ist bei dieser Abscheidung eine leitende Wandschicht 6 entstanden, die entweder zu dick ist, um durchgängig in eine Isolationsschicht umgewandelt zu werden. In diesem Fall wird die auf dem Boden 12 der Grabenstruktur 1 abgeschiedene leitende Schicht durch eine Schutzschicht 14 geschützt, bevor ein Abätzen oder Rückätzen der übrigen leitenden Struktur erfolgt.
7 zeigt eine Prinzipskizze der Grabenstruktur 1 gemäß 6 nach selektiver Erzeugung einer Schutzschicht 14 auf den Boden 12 der Grabenstruktur 1. Mit dieser Schutzschicht 14, die nur in der Grabenstruktur 1 des Halbleiterbauteils 11 angeordnet ist, und auch die Seitenwände 7 der Grabenstruktur 1 nicht bedeckt, ist es möglich, den Wandbereich der Graben struktur 1 von der abgeschiedenen leitenden Schicht 18 zu befreien.
8 zeigt eine Prinzipskizze der Grabenstruktur 1, gemäß 7, nach Rückätzen der beschichteten Wände 7 der Grabenstruktur 1. Wie diese Figur zeigt, stoppt die Ätzung des Wandschutzes 15, der ursprünglich auf die Grabenstruktur durch beispielsweise Nitrieren oder Oxidieren aufgebracht wurde. Jedoch bilden sich eventuell Unterätzungen 17 der leitenden Schicht aus. Diese Unterätzungen 17 werden bei dem folgenden Schritt 4 mit Isolationsmaterial aufgefüllt.
9 zeigt eine Prinzipskizze der Grabenstruktur 1, gemäß 8, nach Entfernen der Schutzschicht 14 und nach Aufbringen einer Isolationsschicht 4. Diese Isolationsschicht 4 füllt gleichzeitig die Unterätzung 17 mit auf, und kann, wie es 9 zeigt beispielweise, mittels einer isotropen Abscheidung gebildet sein, so dass die Schichtdicke d_i auf den Seitenwänden 7 die gleiche ist, wie im Bodenbereich 12, der Grabenstruktur 1. In einem derartigen Fall ist auch für die Isolationsschicht 13 ein Freiätzen der Wände 7 erforderlich, da sonst die Breite der Grabenstruktur 1 zu schnell zuwächst, und nicht ausreicht um eine vollständige Stapelung der Schichten 3 und 4 zu erreichen bzw. die Kapazität des Stapelkondensators zu stark abnimmt.
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Kondensatorstruktur 20 eines Halbleiterbauteils 11 mit Grabenstruktur 2 einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied zu der Grabenstruktur 7 der 1 liegt darin, dass sich der Graben trapezförmig zum Eingang 16 der Grabenstruktur 1 hin öffnet und verbreitert. Dieses hat den Vorteil, dass bei der Abscheidung der unterschiedlichen Isolationsschichten 4 und Metallschichten 3, beim Herstellungsprozess ein Freiätzen der Wände 7 weitestgehend vermieden werden kann, da durch die zunehmende Breite der Grabenstruktur 2, die sich bildenden Isolationsschichten an den Wänden 7 ohne ein Rückätzen, und ohne die Größe des leitenden Bereichs 3 in vertikaler Richtung zu vermindern, beibehalten werden können.
11 zeigt schematisch den Potentialverlauf für eine Kondensatorstruktur 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dazu ist auf der linken Seite der 11 ein Querschnitt durch eine Kondensatorstruktur 10 eines Halbleiterbauteils mit Grabenstruktur 1 gezeichnet, wobei die Kondensatorstruktur 10 zwischen einer Elektrode 21 auf der Oberseite 22 des Halbleiterbauteils und einem hochdotierten n⁺-leitenden Gebiet einer Gegenelektrode des Halbleiterbauteils angeordnet ist. Die Elektrode 21 auf der Oberseite 22 des Halbleiterbauteils kann eine Anode einer Leistungsdiode oder eine Source-Elektrode eines vertikal angeordneten MOS-Leistungstransistors sein.
An das n⁺-leitende Gebiet kann der Kathodenbereich einer Leistungsdiode oder die Drainzone eines MOS-Leistungstransistors angeschlossen sein. Dementsprechend verteilt sich das Potential von der Elektrode 21 ausgehend zu dem n⁺-leitenden Gebiet von einer Spannung U₀ der Elektrode 21 zu einer Spannung U_D der Gegenelektrode. Während über der Dicke d_m jedes leitenden Bereichs 3 des Schichtkondensators die Spannung konstant bleibt, verteilt sich die Spannungsdifferenz U_D–U₀ über die isolierende Schichten 4 mit ihren Dicken d_i. Die Spannungsfestigkeit jeder isolierenden Schicht wird dadurch auf einen Bruchteil der gesamten Spannungsdifferenz U_D–U₀ zwischen Elektrode 21 und der Gegenelektrode auf einen Bruchteil ΔU reduziert. Als Dimensionierungsregel gilt für konventionelle Dielektrika z. B. für SiO₂ eine Spannungsfestigkeit von 100 V/μm.
Für das angrenzende n^–-Silizium gilt eine Sperrspannungsfestigkeit von 10 V/μm bis 20 V/μm, sodass mit einer Driftzone von 50 μm eine Sperrspannung von 600 V zwischen Elektrode 21 und Gegenelektrode angelegt werden kann. Eine Kapazität CD für derartige konventionelle Dielektrika wie SiO₂ mit einem ε_r ≈ 4 erreicht eine Größe von CD ≈ 3,5 nF/cm2 für 100 V bzw. CD ≈ 600 pF/cm2 für 600 V.
Werden Dielektrika wie TiO₂ eingesetzt, so kann mit einer um den Faktor 10 bis 20 höheren Dielektrizitätszahl ε_r ≈ 40 bis 80 gerechnet werden und eine um den Faktor 10 bis 20 höhere Kapazität für einen derartigen Schichtkondensator 9 gleicher Geometrie wie einem Schichtkondensator 9 mit einem SiO₂-Dielektrikum erwartet werden. Der Potentialverlauf der von dieser Kondensatorstruktur 10 ausgeht, kann einerseits dadurch verändert werden, dass unterschiedliche Materialien für die einzelnen Isolationsschichten 4 eingesetzt werden und andererseits dadurch, dass der Abstand zwischen den leitenden Bereichen 3 variiert und nicht wie in diesem Beispiel eine gleichbleibende Dicke d_i für die Isolationsschichten 4 vorgesehen wird. Somit kann zwischen U₀ und U_D ein beliebiger nicht linearer Verlauf für das Potential eingestellt werden.
Die 12 bis 15 zeigen unterschiedliche Halbleiterbauteile 11 einer derartigen Kondensatorstruktur 10, wie sie o ben beschrieben wird. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorgehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle 28 einer Schottky-Diode 30 mit Kondensatorstruktur 10. Die Kondensatorstruktur 10 ist in einen schwachdotierten Halbleiterkörperbereiche 26 des Leistungstyps n^– eingebettet. Dieser schwachdotierte Halbleiterkörperbereich 26 weist eine Dicke T_b auf und bildet Zellen 28, die von der Kondensatorstruktur 10 bis zu einer Tiefe T_g umgeben sind. Da die Dicke T_b des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs 26 in dieser Ausführungs-Form der Erfindung vorzugsweise größer ist als die Tiefe T_g der Grabenstruktur 1, ergibt sich beispielweise eine Pufferschicht 29 zwischen der Kondensatorstruktur 10 und dem hochdotierten Substrat 27.
Die Kondensatorstruktur 10 umgibt bei dieser Schottky-Diodenstruktur 30 eine Vielzahl von Zellen 28 aus dem schwachdotierten Halbleiterkörperbereich 26. Die Oberseiten der Zellen 28 weisen eine Metallbeschichtung eines Schottky-Kontaktmaterials 32 auf. Dieses Schottky-Kontaktmaterial 32 bildet Einzelelektroden 33 einer Schottky-Diode 30, wobei die Einzelelektroden 33 der Vielzahl von Zellen 28 parallel zu einer Gesamtelektrode 34 elektrisch verbunden sind. Die Gegenelektrode 35 wird von dem hochdotiertem Substrat 27 gleichen Leitungstyps wie der schwachdotierte Halbleiterkörper 26 ausgebildet. In der gezeigten Ausführungsform einer Schottky-Diode 30 werden somit die Zellen 28 und die Pufferschicht 29 von einem n^–-Halbleitermaterial gebildet und das hochdotierte Substrat 27 weist einen n⁺-Leitungstyp auf. In dem Falle ist die Gegenelektrode 35 eine Kathode K und die Gesamtelektrode 34 eine Anode A.
13 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle 28 einer PN-Diode 36 mit Kondensatorstruktur 10. Diese PN-Diode 36 unterscheidet sich von der Schottky-Diodenstruktur der 13 dadurch, dass im Oberseitenbereich 31 eine mitteldotierte p-Störstellenwanne in dieser Ausführungsform der PN-Diodenstruktur 36 als Diffusionszone 37 vorgesehen ist, wobei die Diffusionszone eine p-dotierte Störstellenwanne 39 bildet. Die p-dotierte Störstellenwanne 39 weist an ihrer Oberseite eine hochdotierte p⁺-Störstelleninsel 46 auf, die mit einer einzelnen Metallelektrode 38 einen ohmschen Kontakt bildet. Jede der Zellen 28 dieser PN-Diodenstruktur 36 weist eine einzelne ohmsche Metallelektrode 38 auf. Diese Einzelelektroden 33 werden zu einer Gesamtelektrode 34 zusammengeschaltet, die dann einen Anodenanschluss A bilden. Die Raumladungszone zwischen der mitteldotierten p-Diffusionszone 37 und dem schwachdotierten n^–-Gebiet der Zellen 28 des Halbleiterkörperbereichs 26 ermöglicht eine hohe Sperrspannung für diese PN-Diodenstruktur 26 und weist gegenüber herkömmlichen PN-Dioden 36 eine verbesserte Schaltrobustheit auf, da die erfindungsgemäße Kondensatorstruktur 10 eine höhere Dotierung des n^–-Gebietes um mehr als den Faktor 10 gegenüber homogen dotieren Bauelementen ermöglicht.
14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle 28 eines MOS-Leistungstransistors 40 mit Kondensatorstruktur 10. Dazu ist die Kondensatorstruktur 10 in einen schwachdotierten Halbleiterkörperbereich 26 eines n^–-Leitungstyps eingebettet. Dieser schwachdotierte Halbleiterkörperbereich 26 ist auf einem hochdotierten Substrat 27 gleichen Leitungstyps angeordnet. Dabei umgibt die Kondensatorstruktur 10 eine Vielzahl von Zellen 28 des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs 26. Die Oberseitenbereiche 31 der Zellen 28 weisen jeweils eine MOS-Struktur mit Source-Einzelelektroden S₁ und Gate-Einzelelektroden G auf. Dazu ist eine mitteldotierte Störstellenwanne 39 eines entgegengesetzten Leitungstyps im Oberseitenbereich 31 der Zelle 28 angeordnet. Dieser p-Leitungstyp bildet einen Gate-Kanalbereich k zum Randbereich 41 der Zelle 28 hin.
Innerhalb der Störstellenwanne 39 ist eine hochdotierte n⁺-Störstelleninsel 46 gleichen Leitungstyps wie der schwachdotierte Halbleiterkörperbereich 26 der Zelle 28 angeordnet. Die Störstelleninsel 46 weist eine Source-Einzelelektrode S₁ auf. Die Vielzahl der Source-Einzelelektroden S₁ der Zellen 28 sind parallel zu einer gemeinsamen Source-Elektrode S elektrisch verbunden. Außerdem stehen sie mit der Kondensatorstruktur 10 elektrisch in Verbindung. Der Gate-Kanalbereich k hingegen ist im Randbereich 41 der Zelle 28 von einem Gate-Oxid 42 abgedeckt und weist einzelne Gate-Elektroden G auf. Die Vielzahl der einzelnen Gate-Elektroden G der Zellen 28 sind zu einer gemeinsamen Gate-Elektrode G oberhalb der Oberseite 31 des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs 26 zusammengeschlossen.
Auf der Unterseite 43 der hochspannungsfesten MOS-Leistungstransistorsstruktur 40 ist auf dem hochdotierten Substrat 27 gleichen Leitungstyps wie der schwachdotierte Halbleiterkörperbereich 26 eine Metallbeschichtung 44 angeordnet, die als großflächige Drain-Elektrode D dient. Durch die Kondensatorstruktur 10 können auch bei diesem Halbleiterbauteil 11 die Durchlasswiderstände vermindert werden, zumal in dem schwachdotierten n^–-Gebiet die Störstellenkonzentration im Vergleich zu den heutigen Kompensationsbauelementen um den Faktor 3 bis 10 aufgrund der Wirkung der Kondensatorstruktur 10 erhöht werden kann.
15 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle 28 eines IGBT-Leistungstransistors 45 mit Kondensatorstruktur 10. Diese Leistungstransistorstruktur 45 eines bipolaren Transistors mit isoliertem Gate weist auf der Oberseite 31 der Zellen 28 die gleich Struktur auf wie die in 14 gezeigte Ausführungsform der Erfindung. Um einen Bipolarleistungstransistor zu realisieren, wird lediglich als Substrat 27 ein p⁺-Gebiet vorgesehen, das sich an den schwachdotierten n^–-Halbleiterkörperbereich 26 der Zellen 28 anschließt. Alle übrigen Bereiche dieser Ausführungsform der Erfindung entsprechen in ihrer Struktur und Funktion den in 14 beschriebenen Komponenten, wobei nun anstelle der einzelnen Source-Elektrode eine einzelne Emitterelektrode E₁ auf jeder Zelle 28 angeordnet ist. Die einzelnen Emitterelektroden E₁ der Zellen 28 sind über eine Leitungsstruktur zu einer gemeinsamen Emitterelektrode E zusammengeschlossen. Auf der Unterseite 43 des p⁺-leitenden Substrats 27 bildet die Metallbeschichtung 44 in dieser Ausführungsform anstelle einer großflächigen Drain-Elektrode eine großflächige Kollektor-Elektrode C.
Die mit den 14 und 15 gezeigten Halbleiterbauteile basieren auf planar Zellen für MOS- bzw. IGBT-Halbleiterleistungsbauteilen insbesondere im Hinblick auf die Konstruktion der horizontal angeordneten Kanalbereiche. Jedoch kann die erfindungsgemäße Kondensatorstruktur auch zur Realisierung von für MOS- bzw. IGBT-Halbleiterleistungsbauteilen eingesetzt werden, die vertikale Kanalbereiche in einer Grabenstruktur mit Gate-Oxid und Gate-Elektrode aufweisen.

1: Grabenstruktur (erste Ausführungsform) bzw. Graben
2: Grabenstruktur (zweite Ausführungsform) bzw. Graben
3: leitfähiger Bereich bzw. leitfähige Schicht
4: Isolationsschicht bzw. isolierende Schicht
5: gestapelte Schichten
6: leitfähiges Schichtmaterial
7: Grabenwand bzw. Wand
8: Beschichtung der Grabenwände
9: Schichtkondensator
10: Kondensatorstruktur (erste Ausführungsform)
11: Halbleiterbauteil
12: Boden der Grabenstruktur
13: dielektrische Zwischenschicht
14: Schutzschicht
15: Wandschutz
16: Eingang der Grabenstruktur
17: Hinterätzung
18: leitfähige Schicht (erste Schicht)
19: leitfähige Schicht (zweite Schicht)
20: Kondensatorstruktur (zweite Ausführungsform)
21: Elektrode
22: Oberseite
23: Wandisolationsschicht (erste Schicht)
24: Wandisolationsschicht (zweite Schicht)
25: oberste leitende Schicht
26: schwachdotierter Halbleiterkörperbereich
27: hochdotiertes Substrat
28: Zelle
29: Pufferschicht
30: Schottky-Diode bzw. Schottky-Diodenstruktur
31: Oberseite der Zelle bzw. Oberseitenbereich
32: Schottky-Kontaktmaterial
33: Einzelelektrode
34: Gesamtelektrode
35: Gegenelektrode
36: PIN-Diodenstruktur oder PIN-Diode
37: Diffusionszone
38: Metallelektrode (einzeln)
39: mitteldotierte Störstellenwanne
40: MOS-Leistungstransistorstruktur bzw. MOS-Leistungstransistor
41: Randbereich der Zelle
42: Gate-Oxid
43: Unterseite
44: Metallbeschichtung
45: IGBT-Leistungstransistorstruktur bzw. IGBT-Leistungstransistor
46: hochdotierte Störstelleninsel
50: Kondensatorstruktur (zweite Ausführungsform)
60: Kondensatorstruktur (dritte Ausführungsform)
A: Anode
K: Kathode
D: Drain-Elektrode
G: Gate-Elektrode
S: Source-Elektrode
S₁: Source-Einzelelektrode
k: Gate-Kanalabstand bzw. Gate-Kanalbereich
C: Kollektor-Elektrode
E: gemeinsame Emitterelektrode
E₁: Emitter-Einzelelektrode
d_i: Dicke der Isolationsschicht
d_i1: Dicke der Isolationsschicht (erste Schicht)
d_i2: Dicke der Isolationsschicht (zweite Schicht)
d_m: Dicke der leitfähigen Schicht
d_m1: Dicke der leitfähigen Schicht
d_m2: Dicke der leitfähigen Schicht (zweite Schicht)
d_ma: Anfangsdicke der leitfähigen Schicht
T_g: Grabentiefe
T_b: Dicke des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs
n: Leitungstyp
p: entgegengesetzter Leitungstyp

Claims

Kondensatorstruktur in Grabenstrukturen (1, 2) von Halbleiterbauteilen (11), wobei die Kondensatorstruktur (10, 20) leitfähige Bereiche (3) aus metallischen und/oder halbleitenden Materialien und/oder deren leitfähigen Metallverbindungen aufweist, welche von Isolationsschichten (4) aus einem Dielektrikum vollständig umgeben sind, wobei die leitfähigen Bereiche (3) als gestapelte Schichten (5) in der Grabenstruktur (1, 2) des Halbleiterbauteils (11) angeordnet sind und wobei die leitfähigen Bereiche (3) und die Isolationsschichten (4) Dicken d_m bzw. d_i aufweisen, wobei zur Erzielung einer vorgegebenen Potentialverteilung die Dicke d_m der leitfähigen Bereiche (3) und/oder die Dicke d_i der Isolationsschichten (4) variiert.
Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Schichten (5) vollständig umgebende Dielektrikum Oxide und/oder Nitride der Materialien der leitfähigen Bereiche (3) aufweist.
Kondensatorstruktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Bereiche (3) mindestens eines der leitfähigen Materialien dotiertes Poly-Silizium, Aluminium, Titan, Hafnium, Tantal oder Legierungen und/oder chemische Verbindungen derselben, vorzugsweise Titannitrid und/oder Hafniumnitrid, aufweisen.
Kondensatorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Schichten (5) vollständig umgebende Dielektrikum eines der isolierenden Materialien SiO₂, Si₃N₄, TiO₂, HfO₂, Ta₂O₅, Al₂O₃ oder AlN oder Mischungen derselben aufweist, wobei das Dielektrikum vorzugsweise mehrere Lagen unterschiedlicher Dielektrika aus diesen isolierenden Materialien aufweist.
Kondensatorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (5) ein einziges leitfähiges Schichtenmaterial (6) aufweisen, wobei das die Schichten (5) vollständig umgebende Dielektrikum das Oxid und/oder Nitrid dieses Schichtenmaterials (6) ist.
Kondensatorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Schichten (5) der Kondensatorstruktur (10) elektrisch leitendes Titannitrid und/oder Hafniumnitrid aufweisen und das die Schichten (5) vollständig umgebende Dielektrikum Titanoxid und/oder Hafniumoxid aufweist.
Kondensatorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grabenwände (7) eine dielektrische Beschichtung (8) aufweisen, die SiO₂ und/oder Si₃N₄ enthält.
Kondensatorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorstruktur (10) in einen schwachdotierten Halbleiterkörperbereich (26) eines Leitungstyps eingebettet ist, der auf einem hochdotierten Substrat (27) gleichen oder entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet ist, wobei die Kondensatorstruktur (10) Zellen (28) des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs (26) umgibt und die Dicke (T_b) des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs (26) größer ist, als die Tiefe (T_g) der Grabenstruktur (1) in der die Kondensatorstruktur (10) angeordnet ist, so dass zwischen Kondensatorstruktur (10) und hochdotiertem Substrat (27) eine Pufferschicht (29), die schwachdotiertes Halbleitermaterial eines Leitungstyps aufweist, angeordnet ist.
Kondensatorstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (28) und die Kondensatorstruktur (10) jeweils die Form von Platten aufweisen und die Zellen im Wechsel mit und parallel zu der Kondensatorstruktur senkrecht zur Ebene des Substrates (27) auf dem hochdotierten Substrat (27) angeordnet sind.
Kondensatorstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (28) die Form von Säulen aufweisen und senkrecht zur Ebene des Substrates (27) und umgeben von der Kondensatorstruktur (10) auf dem hochdotierten Substrat (27) angeordnet sind.
Halbleiterbauteil mit einer Kondensatorstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (11) eine Schottky-Diodenstruktur (30) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das hochdotierte Substrat (27) und der darauf angeordnete schwachdotierte Halbleiterkörperbereich (26) vom gleichen Leitungstyp sind und die Oberseiten (31) der Zellen (28) eine Metallbeschichtung eines Schottky-Kontaktmaterials (32) aufweisen, das eine Einzelelektrode (33) einer Schottky-Diode (30) bildet, wobei die Einzelelektroden (33) der Vielzahl von Zellen (28) parallel zu einer Gesamtelektrode (34) elektrisch verbunden sind, während die Gegenelektrode (35) von dem hochdotierten Substrat (27) gleichen Leitungstyps wie der schwachdotierte Halbleiterkörperbereich (26) ausgebildet ist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (11) eine hochspannungsfeste PN- oder NP-Diodenstruktur (36) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das hochdotierte Substrat (27) und der darauf angeordnete schwachdotierte Halbleiterkörperbereich (26) vom gleichen Leitungstyp sind und die Oberseitenbereiche (31) der Zellen (28) eine mittel- bis hochdotierte Dif fusionszone (37) eines entgegengesetzten Leitungstyps aufweisen, die mit einer einzelnen Metallelektrode (38) beschichtet ist, wobei die Vielzahl der einzelnen Metallelektroden (38) der Zellen (28) parallel zu einer Gesamtelektrode (34) elektrisch verbunden sind und elektrisch mit der Kondensatorstruktur (10) auf der Oberseite (31) des Halbleiterkörperbereichs (26) in Verbindung stehen, während die Gegenelektrode (34) der hochspannungsfesten PN- oder NP-Diode (36) von dem hochdotierten Substrat (27) gleichen Leitungstyps wie der schwachdotierte Halbleiterkörperbereich (26) ausgebildet ist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (11) eine MOS-Leistungstransistorstruktur (40) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das hochdotierte Substrat (27) und der darauf angeordnete schwachdotierte Halbleiterkörperbereich (26) vom gleichen Leitungstyp sind und die Oberseitenbereiche (31) der Zellen (28) jeweils eine MOS-Struktur mit Source-Einzelelektroden (S₁) und Gate-Einzelelektroden (G) aufweist, wobei eine mitteldotierte Störstellenwanne (39) eines entgegengesetzten Leitungstyps im Oberseitenbereich (31) der Zelle (28) angeordnet ist, die einen Gate-Kanalbereich (k) zum Randbereich (41) der Zelle (28) hin bildet, wobei innerhalb der Störstellenwanne (39) eine hochdotierte Störstelleninsel (46) des gleichen Leitungstyps wie der schwachdotierte Halbleiterkörperbereich (26) der Zelle (28) angeordnet ist, wobei die Störstelleninsel (46) eine Source-Einzelelektrode (S₁) aufweist und die Vielzahl der Source-Einzelelektroden (S₁) der Zellen (28) parallel zu einer gemeinsamen Source-Elektrode (S) elektrisch verbunden sind und mit der Kondensatorstruktur (10) elektrisch in Verbindung stehen, während der Gate-Kanal-bereich (k) im Randbereich (41) der Zelle (28) von einem Gate-Oxid (42) abgedeckt ist und eine einzelne Gate-Elektrode (G) aufweist, wobei die Vielzahl der einzelnen Gate-Elektroden (G) der Zellen (28) zu einer gemeinsamen Gate-Elektrode (G) oberhalb der Oberseite (31) des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs (26) zusammengeschlossen sind, und wobei das hochdotierte Substrat (27) auf seiner Unterseite (43) eine Metallbeschichtung (44) als großflächige Drain-Elektrode (D) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (11) eine IGBT-Leistungstransistorstruktur (45) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseitenbereiche (31) der Zellen (28) jeweils eine mitteldotierte Störstellenwanne (39) eines entgegengesetzten Leitungstyps im Oberseitenbereich (31) der Zellen (28) aufweisen, die einen Gate-Kanalbereich (k) zum Randbereich (41) der Zelle (28) hin bildet, wobei innerhalb der Störstellenwanne (39) eine hochdotierte Störstelleninsel (46) des gleichen Leitungstyps wie der schwachdotierte Halbleiterkörperbereich (26) der Zellen (28) angeordnet ist, wobei die Störstelleninsel (46) eine Emitter-Einzelelektrode (E₁) eines bipolaren IGBT- Leistungstransistors (45) mit isoliertem Gate (G) aufweist und die Vielzahl der Emitter-Einzelelektroden (E₁) der Zellen (28) parallel zu einer gemeinsamen Emitter-Elektrode (E) elektrisch verbunden sind und mit der Kondensatorstruktur (10) elektrisch in Verbindung stehen, während der Gate-Kanalbereich (k) im Randbereich (41) der Zelle (28) von einem Gate-Oxid (42) abgedeckt ist und eine einzelne Gate-Elektrode (G) aufweist, wobei die Vielzahl der einzelnen Gate-Elektroden (G) der Zellen (28) zu einer gemeinsamen Gate-Elektrode (G) oberhalb der Oberseite (31) des schwachdotierten Halbleiterkörperbereichs (26) zusammengeschlossen sind, und wobei das hochdotierte Substrat (27) einen entgegengesetzten Leitungstyp zu dem schwachdotierten Halbleiterkörperbereich (26) aufweist und auf seiner Unterseite (43) eine Metallbeschichtung (44) einer großflächigen Kollektor-Elektrode (C) bildet.
Verfahren zur Herstellung einer Kondensatorstruktur für Halbleiterbauteile (11) mit Grabenstrukturen (1, 2), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) isotropes Oxidieren und/oder Nitrieren der Wände (7) der Grabenstruktur (1, 2) als Wandschutz (15); b) anisotropes Abscheiden eines oxidierbaren und/oder nitrierbaren leitfähigen Materials in der Grabenstruktur (1, 2), wobei die Abscheiderate an den Wän den mindestens um einen Faktor 2 geringer ist als am Boden der Grabenstruktur (1, 2); c) vollständiges Oxidieren und/oder Nitrieren der auf den Wänden (7) der Grabenstruktur (1, 2) abgeschiedenen leitfähigen Schicht (6) unter gleichzeitigem Oxidieren und/oder Nitrieren des Oberflächenbereichs der am Boden (12) der Grabenstruktur (1, 2) abgeschiedenen leitfähigen Schicht (3) zu einer dielektrischen Zwischenschicht (13); d) Wiederholen der Verfahrenschritte b) und c) bis die Grabenstruktur (1, 2) zu einem Schichtkondensator (9) aufgefüllt ist, wobei entsprechend einem vorgegebenen Potentialverlauf in Stapelrichtung des Schichtkondensators (9) die Abscheidungsparameter beim anisotropen Aufbringen von leitfähigem Material zur Einstellung unterschiedlicher Schichtdicken der leitfähigen Schichten (3) und/oder der dielektrischen Zwischenschichten (13) variiert werden.
Verfahren zur Herstellung einer Kondensatorstruktur für Halbleiterbauteile (11) mit Grabenstrukturen (1, 2), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) isotropes Oxidieren und/oder Nitrieren der Wände (7) der Grabenstruktur (1, 2) als Wandschutz (15); b) anisotropes Abscheiden eines leitfähigen Materials (6) in der Grabenstruktur (1, 2), wobei die Abscheiderate an den Wänden (7) mindestens um einen Faktor 2 geringer ist als am Boden (12) der Grabenstruktur (1, 2); c) Abscheiden einer Isolationsschicht (4) aus einem dielektrischen Material in der Grabenstruktur (1, 2) auf einer leitfähigen Schicht (3) aus dem leitfähigen Material (6), wobei die Abscheiderate an den Wänden (7) geringer ist als am Boden (12) der Grabenstruktur (1, 2); d) Erzeugung einer selektiven Schutzschicht (14) auf die Isolationsschicht (4) aus dem dielektrischen Material am Boden (12) der Grabenstruktur (1, 2); e) Rückätzen der auf den Wänden (7) abgeschiedenen Schichtfolge bis zu dem Wandschutz (15); f) Wiederholen der Verfahrenschritte b) bis e) bis die Grabenstruktur (1, 2) aufgefüllt ist, wobei entsprechend einem vorgegebenen Potentialverlauf in Stapelrichtung des Schichtkondensators (9) die Abscheidungsparameter beim anisotropen Aufbringen von leitfähigem und/oder dielektrischem Material zur Einstellung unterschiedlicher Schichtdicken der leitfähigen Schichten (3) und/oder der Isolationsschichten (4) variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass Unterätzungen (17) der Kondensatorstruktur (10, 20) entlang der Grabenwände durch dielektrisches Material aufgefüllt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung von Überhängen abgeschiedenen Materials am Eingang (16) zu der Grabenstruktur (1, 2) ein Rückätzschritt unter Schutz des bereits gebildeten Schichtstapels (5) zwischengeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zum isotropen Oxidieren der Wände (7) der Grabenstruktur (1, 2) eine Oxidation in einer Sauerstoff- und/oder Wasserdampf-Atmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zum isotropen Nitrieren der Wände (7) der Grabenstruktur (1, 2) eine chemische Gasphasenabscheidung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zum vollständigen Oxidieren und/oder Nitrieren der auf den Wänden (7) der Grabenstruktur (1, 2) abgeschiedenen leitfähigen Schicht (6) eine Oxidation und/oder Nitrierung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zum anisotropen Abscheiden ein Sputterverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zum anisotropen Abscheiden eine gerichtete Aufdampfung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zum anisotropen Abscheiden eine gerichtete Ionenstrahlabscheidung aus einem Plasma erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfernen der Schutzschicht (14) eine Plasmaveraschung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (14) aus einem Photolack besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Kondensatorstruktur für Halbleiterbauteile (11) mit Grabenstrukturen (1, 2), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) isotropes Oxidieren und/oder Nitrieren der Wände (7) der Grabenstruktur (1, 2) als Wandschutz (15); b) anisotropes Abscheiden eines leitfähigen Materials in der Grabenstruktur (1, 2), wobei die Abscheiderate an den Wänden mindestens um einen Faktor 2 geringer ist als am Boden der Grabenstruktur (1, 2); c) isotropes Rückätzen des leitfähigen Materials, bis die Wände frei von einer leitfähigen Beschichtung sind; d) anisotropes Abscheiden einer Isolationsschicht (4) aus einem isolierenden Material in der Grabenstruktur (1, 2) auf einer leitfähigen Schicht (3) aus dem leitfähigen Material, wobei die Abscheiderate an den Wänden mindestens um einen Faktor 2 geringer ist als am Boden der Grabenstruktur (1, 2); e) Wiederholen der Verfahrenschritte b) bis d) bis die Grabenstruktur (1, 2) zu einem Schichtkondensator (9) aufgefüllt ist, wobei entsprechend einem vorgegebenen Potentialverlauf in Stapelrichtung des Schichtkondensators (9) die Abscheidungsparameter beim anisotropen Aufbringen von leitfähigem und/oder isolierendem Material zur Einstellung unterschiedlicher Schichtdicken der leitfähigen Schichten (3) und/oder der Isolationsschichten (4) variiert werden.