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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Kondensatorelektrodenstruktur.
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Beschreibung des technischen
Hintergrunds
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Die
US 2006/0046420 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Kondensatoren. In
ein Hartmaskenmaterial werden mehrere parallele Gräben geätzt, die
durch ein isolierendes Material aufgefüllt werden. Das isolierende
Material wird teilweise entfernt um eine Mehrzahl von Kondensatorelektrodenöffnungen
zwischen den zuvor ausgebildeten Gräben herzustellen. Ein leitfähiges Kondensatorelektrodenmaterial
wird innerhalb der individualisierten Kondensatorelektrodenöffnungen aufgebracht,
um eine erste Kondensatorelektrodenanordnung zu bilden.
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Die
US 2004/0185613 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen eines dichten Feldes von kronenförmigen Kondensatoren.
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Die
US 2005/0281576 A1 beschreibt
ein Verfahren von kastenförmigen
zylindrischen Speicherknoten unter Verwendung von rechteckförmigen Öffnungen,
die in einer Fotolackschicht ausgebildet werden.
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Die
Speicherkapazität
von DRAM Speichervorrichtungen pro Einheitsfläche sollte aus technischen
und ökonomischen
Gründen
vergrößert werden.
Die DRAM Speichervorrichtung beinhaltet eine Mehrzahl von Speicherzellen.
Jede dieser Speicherzellenkann eine einzige Informationseinheit
in ihrem Kondensator speichern. Eine Erhöhung der Speicherkapazität pro Einheitsfläche kann
durch Reduzieren der horizontalen Abmessungen dieser Kondensatoren
erreicht werden, d.h. in der Ebene in der DRAM Speichervorrichtung.
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Für einen
zuverlässigen
Betrieb der Speicherzellen muss die elektrische Kapazität der Kondensatoren
oberhalb eines Minimalwerts gehalten werden. Da die elektrische
Kapazität
proportional zu den vertikalen und horizontalen Abmessungen ist, werden
die vertikalen Abmessungen des Kondensators erhöht, wenn die horizontalen Abmessungen verringert
werden. Heutzutage weisen die Kondensatoren einen Durchmesser im
Bereich von 100 nm oder weniger und eine Höhe von mehreren 100 nm auf.
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Ein
Herstellungsverfahren, das dem Erfinder bekannt ist, beginnt durch
Bilden einer freistehenden ersten Elektrode auf einer Substratoberfläche. Die erste
Elektrode weist im Wesentlichen die gleiche Höhe auf wie der später gebildete
Kondensator und kann einen Durchmesser aufweisen, der sogar geringer
als der des Kondensators ist. Die mechanische Stabilität dieser
ersten Elektrode ist daher sehr begrenzt. Daher fallen manche der
ersten Elektroden zusammen und werden vor oder während des fortgesetzten Herstellungsverfahrens
verformt.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung, wie in Patentanspruch 1 beansprucht,
beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen einer Kondensatorelektrodenstruktur
die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats, das Anschlussflächen aufweist,
die in Zeilen und Spalten auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet
sind, wobei die Zeilen nicht parallel zu den Spalten sind;
Aufbringen
einer ersten Gießform
(engl.: mold) auf dem Substrat;
Formen eines ersten Grabens
in der ersten Gießform oberhalb
der Anschlussflächen,
wobei der erste Graben sich über
die mindestens zwei Anschlussflächen, die
in einer Spalte angeordnet sind, erstreckt;
Aufbringen einer
ersten dielektrischen Schicht auf Seitenwände des mindestens einen ersten
Grabens zum Bilden von ersten tragenden Wänden;
Aufbringen einer
zweiten Gießform
auf das Substrat;
Bilden von mindestens einem zweiten Graben
in die zweite Gießform
oberhalb der Anschlussflächen,
wobei der zweite Graben sich über
mindestens zwei Anschlussflächen,
die in einer Zeile angeordnet sind, erstreckt;
Aufbringen einer
zweiten dielektrischen Schicht auf Seitenwände des mindestens einen zweiten
Grabens zum Bilden zweiter tragender Wände; und
Aufbringen einer
leitfähigen
Schicht auf den ersten und zweiten tragenden Wänden zum Bilden einer ersten
Elektrode der Kondensatorstruktur.
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Eine
Idee ist, ein tragendes Gitter bereitzustellen, auf dem eine Elektrode
gebildet wird. Das tragende Gitter erhält seine Stabilität durch
die sich kreuzenden tragenden Wände.
Während
des Herstellungsverfahrens der tragenden Wände stehen diese nicht frei,
bis das Gitter gebildet ist. Ein Umfallen der tragenden Wände oder
der Elektrode ist daher unwahrscheinlich.
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Eine
dem Verfahren gemäß hergestellte Kondensatorelektrodenstruktur
beinhaltet: Anschlussflächen,
die in Zeilen und Spalten auf einer Oberfläche angeordnet sind, wobei
die Zeilen nicht parallel zu den Spalten sind; mindestens eine erste tragende
Wand, die parallel und zwischen zwei Spalten von Anschlussflächen angeordnet
ist; mindestens eine zweite tragende Wand, die parallel und zwischen
zwei Zeilen von Anschlussflächen
angeordnet ist; und eine Elektrode, die auf den Seiten der ersten tragenden
Wände und
auf den Seiten der zweiten tragenden Wände angeordnet ist.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Zeilen senkrecht zu den Spalten. Die Zeilen
und Spalten können
einen Winkel im Bereich von 30° bis 90° bilden.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Breite des ersten Grabens und die Breite
des zweiten Grabens mindestens größer als die Abmessung der Anschlussfläche.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Anschlussflächen voneinander entlang der
Zeilen durch einen ersten Abstand getrennt und voneinander entlang
der Spalten durch einen zweiten Abstand getrennt, wobei der erste
Abstand in etwa das Zweifache des zweiten Abstandes beträgt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet die erste Gießform eine erste Gießschicht, die
ausgewählt
ist, mit einer ersten Ätzrate
mit einem Ätzmittel
geätzt
zu werden, und eine zweite Gießschicht,
die ausgewählt
ist, mit einer zweiten Ätzrate mit
dem Ätzmittel
geätzt
zu werden, wobei die zweite Ätzrate
größer als
die erste Ätzrate
ist.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird die zweite Gießschicht durch Auffüllen der
ersten Gräben
und durch Beibehalten der verbliebenen Teile der ersten Gießform gebildet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung zum Herstellen von Kondensatorelektrodenstrukturen
gemäß der Erfindung
werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Figuren zum Erläutern der
Eigenschaften der Erfindung beschrieben.
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In
den Figuren zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2a bis 2d Querschnitte
des Halbleitersubstrats zum Illustrieren erster Schritte der ersten Ausführungsform;
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3 eine
Draufsicht auf das Halbleitersubstrat zum Illustrieren zweiter Schritte
der ersten Ausführungsform;
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4a bis 4d Querschnitte
des Halbleitersubstrats entsprechend der 3;
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5a bis 7d Querschnitte
durch das Halbleitersubstrat zum Illustrieren dritter Schritte der ersten
Ausführungsform;
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8 eine
Draufsicht auf das Halbleitersubstrat zum Illustrieren vierter Schritte
der ersten Ausführungsform;
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9a bis 9d Querschnitte
des Halbleitersubstrats entsprechend der 8;
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10a bis 12d Querschnitte
durch das Halbleitersubstrat zum Illustrieren fünfter Schritte der ersten Ausführungsform;
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13 eine
Draufsicht auf das Halbleitersubstrat entsprechend den 12a bis 12d;
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14a bis 14d Querschnitte
durch das Halbleitersubstrat zum Illustrieren finaler Schritte der ersten
Ausführungsform;
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15a bis 15d Querschnitte
durch das Halbleitersubstrat zum Illustrieren einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung; und
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16 eine
Draufsicht auf das Halbleitersubstrat zum Illustrieren einer dritten
Ausführungsform
der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Identische
Bezugszeichen in den 1 bis 16 bezeichnen
gleiche oder ähnliche
Elemente.
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Eine
erste Ausführungsform
ist mit Bezug auf die 1 bis 14d beschrieben.
Die 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Substrat 1,
z.B. ein Halbleitersubstrat. Das Substrat kann zumindest Transistoren, Verbindungsleitungen
und/oder Masseflächen
aufweisen, die mittels Anschlussflächen 2 auf einer Halbleitersubstratoberfläche 101 kontaktiert
werden können.
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Die
Anschlussflächen 2 sind
regelmäßig in einem
Gitter angeordnet. In der bevorzugten und dargestellten Ausführungsform
sind die Anschlussflächen 2 an
Kreuzungspunkten von Zeilen 20 und Spalten 21 angeordnet.
Die Zeilen 20 sind senkrecht zu den Spalten 21.
Ein erster Abstand zwischen benachbarten Spalten 21 ist
etwa 3 F. Ein zweiter Abstand zwischen benachbarten Zeilen 20 ist
etwa 2 F, somit ist der zweite Abstand etwa zwei Drittel des ersten
Abstands. F bezeichnet die minimale strukturelle Größe, die
mittels verwendeter lithografischen Strukturierungsverfahren erreichbar
ist. Im Moment ist F geringer als 90 nm.
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Querschnitte
entlang der Linien A, B, C und D in 1 sind in
den 2a, 2b, 2c bzw. 2d dargestellt.
Das Substrat 1 kann ein Halbleitersubstrat, 1' beinhalten,
das eine erste Ätzstoppschicht, 3' aufweist, die
auf seiner Oberfläche
aufgebracht ist.
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In
ersten Schritten der ersten Ausführungsform
wird eine Gießform 4 auf
die Substratoberfläche 101 aufgebracht.
Die Gießform 4 bedeckt
die Anschlussflächen 2 und
die Substrat oberfläche 101.
Die Höhe
(vertikale Abmessung) der Gießform 4 kann etwa
2 bis 4 μm
betragen.
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Vorzugsweise
wird die Gießform 4 aus
zumindest Siliziumoxid, Aufschleuderglas (Sein-On-Glas), Borphosphatglas
(BPSG), undotiertem Siliziumglas (USG) gebildet. Die Gießform 4 kann
aus anderen Materialien bestehen oder diese aufweisen, wie Metalle
oder Metalloxide. Es werden Abscheidungstechniken verwendet, die
eine hohe Abscheidungsrate oder Wachstumsrate der Gießform 4 schaffen.
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Optional
kann eine Siliziumschicht 5 auf der Gießform 4 aufgebracht
werden.
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Eine
Hartmaskenschicht 6 wird auf dem Substrat 1 angeordnet.
Die Hartmaskenschicht 6 wird mittels eines Fotolacks 7 strukturiert.
Dieses beinhaltet Schritte wie das Aufbringen des Fotolacks 7,
Belichten des Fotolacks 7, selektives Ätzen entweder der belichteten
oder nicht belichteten Teile des Fotolacks 7. Danach wird
das Muster des strukturierten Fotolacks 7 auf die Hartmaskenschicht 6 mittels
eines selektiven Ätzverfahrens übertragen.
Der verbleibende Fotolack 7 kann entfernt werden.
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Das
Muster der Hartmaskenschicht 6 enthält Streifen, die jede zweite
Spalte 23 der Anschlussflächen 2 bedecken, z.B.
ungeradzahlige Spalten, und die anderen Spalten 24 der
Anschlussflächen 2 freiliegend
lässt,
z.B. die geradzahligen Spalten. Die Längen der Streifen, d.h. ihre
Abmessungen in Richtung der Spalten, ist mindestens das Zweifache
des Abstandes zweier benachbarter Anschlussflächen 2, z.B. 4 F.
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Das
Muster der Hartmaskenschicht 6 ist am besten in der Draufsicht
von 3 nach einem weiteren Strukturierungsverfahren
dargestellt. Querschnitte, die die Strukturierungsverfahren illustrieren, sind
in den 4a bis 4d gezeigt.
Das Muster der Hartmaskenschicht 6 wird in die Gießform 4 und die
optionale Siliziumschicht 5 mittels eines selektiven Ätzschrittes übertragen.
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Somit
werden Gräben 8 hinunter
zu der Substratoberfläche 101 gebildet.
Die Orientierung der Gräben 8 ist
parallel zu den Spalten der Anschlussflächen 2. Jede geradzahlige
Spalte 24 der Anschlussflächen 2 liegt frei
(Querschnitt C) und jede ungeradzahlige Spalte 23 verbleibt
durch die Gießform 4 bedeckt
(Querschnitt D). Die Masken 6 und 7 werden entfernt.
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Eine
erste dielektrische Schicht wird in den Gräben 8 aufgebracht,
insbesondere auf den Seitenwänden 108 der
Gräben 8 (5a bis 5d).
Die erste dielektrische Schicht 9 kann ein dielektrisches Material
aufweisen, das gute elektrische Isolationseigenschaften aufweist,
vorzugsweise Siliziumnitrid.
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Eine
Dicke d der ersten dielektrischen Schicht 9 kann geringer
als 1 F sein, vorzugsweise zwischen 0,4 bis 0,5 F. Die Dicke d der
ersten dielektrischen Schicht wird an der Seitenwand 108 des Grabens
und senkrecht zu den Seitenwänden 108 gemessen.
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Aufgrund
der verwendeten Abscheidungstechniken wird die erste dielektrische
Schicht auf der Gießform 4 und
auf dem Substrat 1 aufgebracht. Durch ein anisotopes Ätzverfahren
kann dieser unerwünschte
Teil entfernt werden (6a bis 6d). Das
anisotope Ätzen
kann ein Plasma-unterstütztes-Ätzverfahren
sein. Die Siliziumschicht 5 kann als Ätzstoppschicht verwendet wer den,
um ein Entfernen verbleibender Teile der Gießform 4 zu verhindern.
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Die
verbleibenden Teile der ersten dielektrischen Schicht 9 bilden
Spacer oder tragende Wände 10 entlang
der Seitenwände 108 der
Gräben 8.
Die Orientierung der ersten tragenden Wände 10 ist parallel
zu den Spalten der Anschlussflächen 2.
Vorzugsweise sind die ersten tragenden Wände 10 in der Mitte
zwischen zwei Spalten von Anschlussflächen 2 angeordnet,
wie in 6a angedeutet. Dies wird durch
Auswählen
eines geeigneten Maskenmusters erreicht, das die Breite der Gräben 8 definiert.
In anderen nicht illustrierten Ausführungsformen werden die ersten
tragenden Wände 10 aus
der Mitte versetzt. Die ersten tragenden Wände 10 bedecken nicht
die Anschlussflächen 2.
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Die
folgenden Schritte bilden zweite tragende Wände, die orthogonal zu den
ersten tragenden Wänden 10 sind.
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Eine
zweite Gießform 11 wird
auf dem Substrat 1 und den ersten tragenden Wänden 10 gebildet (7a bis 7d).
Vor Aufbringen der zweiten Gießform 11 können die
verbleibenden Teile der ersten Gießform 4 entfernt werden.
Oder die zweite Gießform 11 wird
einfach durch Auffüllen
der Gräben 8 mit
frischem Gießmaterial
geschaffen. Ein chemisch-mechanisches Polierverfahren kann verwendet
werden, um eine glatte und planare Oberfläche bereitzustellen. Eine Siliziumschicht 12,
eine Hartmaskenschicht 13 und ein Fotolack 14 werden
abgeschieden. Die Siliziumschicht 12 ist optional.
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Der
Fotolack 14 wird strukturiert und sein Muster auf die Hartmaskenschicht 13 übertragen (8).
Das Muster bedeckt jede zweite Zeile 25 der Anschlussflächen anstatt
jeder zwei ten Spalte 23, wie es zusammen mit den 2a bis 2d und 3 erläutert wurde.
Oberhalb jeder ungeradzahligen Zeile 26 der Anschlussflächen 2 wird
die Hartmaskenschicht 13 entfernt (Querschnitt B) und oberhalb
der geradzahligen Zeilen 25 der Anschlussflächen 2 verbleibt
die Hartmaskenschicht 13 (Querschnitt A).
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8 zeigt
das Substrat 1 nach einem Strukturierungsverfahren, das
die Hartmaskenschicht 13 verwendet. Das Strukturierungsverfahren
wird detailliert in den 9a bis 9d gezeigt. Die Gräben 15 werden mittels
eines selektiven Ätzverfahrens,
z.B. eines Nassätzverfahrens,
gebildet.
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Das
selektive Ätzverfahren
entfernt nur die belichteten Teile der Gießform 11 entlang jeder
zweiten Zeile 26. Somit werden in dem Querschnitt B die ersten
tragenden Wände 10 vollständig freigelegt und
sind freistehend. Die ersten tragenden Wände 10 werden jedoch
mechanisch durch die verbleibenden Teile der Gießform 11 in den ungeradzahligen
Zeilen 25 gestützt
(Querschnitt A).
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Eine
zweite dielektrische Schicht 16 wird abgeschieden (10a bis 10d).
Unerwünschte Teile
der zweiten dielektrischen Schicht 16, insbesondere auf
der Substratoberfläche 101 und
der Gießform 11,
werden durch ein anisotopes Ätzverfahren
entfernt (11a bis 11b).
Die verbleibenden Teile der zweiten dielektrischen Schicht werden
durch zweite tragende Wände 17 gebildet,
die an den Seitenwänden
der Gräben 15 angeordnet
sind. Danach wird die Gießform 11 ebenfalls
entfernt (12a bis 12d).
Eine Draufsicht auf die hergestellte Struktur ist in 13 gezeigt.
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Die
zweiten tragenden Wände 17 sind
orthogonal zu den ersten tragenden Wänden. Diese gitterähnliche
Struktur erreicht ihre mechanische Stabilität durch die Kreuzungspunkte
der ersten und zweiten tragenden Wände 10, 17.
Die Struktur widersteht ferner mechanischem Stress weiterer Herstellungsschritte
ohne Beschädigung.
Es wurde herausgefunden, dass die Dicke der zweiten tragenden Wände 17 geringer
als die der ersten tragenden Wände 10 sein kann,
ohne an Stabilität
zu verlieren.
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Mechanische
Einschränkungen
beschränken
im Wesentlichen nicht die minimalmögliche Dicke der zweiten tragenden
Wände.
Daher liegt die Dicke der dielektrischen Schicht 16 und
damit der zweiten tragenden Wände
im Bereich von 5 bis 10 nm. Um eine ausreichende Isolation zwischen
den gegenüberliegenden
Seiten der zweiten tragenden Wände
trotz der geringen Dicke zu erreichen, werden Dielektrikas mit einem
kleinen k-Wert für
die zweite dielektrische Schicht 16 bevorzugt.
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In
der Draufsicht von 13 ist gezeigt, dass die Zellenabmessungen
um die individuellen Anschlussflächen 2 sich
unterscheiden können.
Insbesondere reduzieren die zweiten tragenden Wände 17 die Zellengröße um die
Anschlussflächen 2,
die entlang der geradzahligen Zeilen 26 angeordnet sind. Die
Zellengrößen können auf
gleichen Wert angepasst werden. Die zweiten tragenden Wände 17 werden
näher zu
den benachbarten geradzahligen Zeilen 25 als zu den benachbarten
ungeradzahligen Zeilen 26 angeordnet. Die Anordnung der
zweiten tragenden Wände 17 kann
durch das Muster gesteuert werden, das für die Hartmaskenschicht 13 verwendet wird,
die die Gräben 15 festlegt.
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In
einem nachfolgenden Schritt wird eine leitfähige Schicht 18 aufgebracht.
Die oberen Teile der leitfähigen
Schicht 18 werden entfernt, um getrennte leitfähige Schichtabschnitte
zu bilden (14a bis 14d).
Ein erstes exemplarisches Verfahren füllt die Gräben 8 mit einem Opfermaterial.
Danach wird ein chemisch-mechanisches Polierverfahren verwendet,
um den oberen Teil der leitfähigen
Schicht 18 zu entfernen. Abschließend wird das Opfermaterial
selektiv geätzt
oder geascht. Ein zweites exemplarisches Verfahren nutzt ein Ätzverfahren
mit einem so genannten großen
RIE-Lag. Dieses Ätzverfahren
ist nicht uniform. Die Ätzrate
ist an den Öffnungen
der Gräben 8 größer, d.h.
an der Oberseite der leitfähigen
Schicht 18, als am Boden der Gräben 8.
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Die
leitfähigen
Abschnitte 18 definieren Elektroden für einen Kondensator. Diese
sind in Kontakt mit den Anschlussflächen 2. Die Oberfläche der
Elektrode ist im Wesentlichen durch die große Oberfläche der ersten und zweiten
tragenden Wände 10, 17 definiert
(die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu). Vorteilhafterweise
wird die Elektrode 18 mechanisch durch die gitterähnliche
Struktur der Wände 10, 17 gestützt.
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Der
vollständige
Kondensator kann beginnend mit der obigen Struktur gebildet werden,
indem z.B. eine dielektrische Schicht und eine zweite leitfähige Schicht
abgeschieden werden.
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Eine
zweite Ausführungsform
ist teilweise zusammen mit den 15a bis 15d dargestellt. Die Gießform 4 kann aus mehreren
Schichten 4a, 4b gebildet sein. Die untere Schicht 4a ist
aus BTSG gebildet und die obere Schicht ist aus USG gebildet. Die verwendeten
Nassätzverfahren
oder anderen Ätzverfahren,
um die Gräben
zu bilden, haben eine höhere Ätzrate bezüglich BTSG
als gegenüber
USG. Aufgrund eines allgemeinen Effekts tendieren die Seitenwände eines
geätzten
Grabens in einem un teren Teil enger zu sein als die obere Öffnung des
Grabens. In dieser Ausführungsform
wird der untere Teil mit einer höheren
Rate geätzt
als der obere Teil, was diesen vorgenannten Effekt kompensiert.
Dieses findet bei Zwischenschritten entsprechend der 4a bis 4d oder 9a bis 9d statt.
Die Ausführungsform ist
nicht auf die Verwendung von USG und BPSG beschränkt. Die Gießform 11 kann
ebenso aus zwei oder mehr Schichten bestehen. Die Herstellung eines
tragenden Gitters und der Elektrode kann wie beschrieben mit Bezug
auf die 1 bis 14d implementiert
werden.
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16 zeigt
eine Draufsicht auf ein anderes Substrat, das als Ausgangspunkt
für alle
vorher gelehrten Ausführungsformen
verwendet werden kann. Die Spalten 30 und Zeilen 31 sind
nicht zueinander senkrecht, sondern unter einem Winkel α (Alpha)
in dem Bereich von 30° bis
90° geneigt.
Die Anschlussflächen 2 in
einer Reihe sind um etwa 2 F beabstandet, während die Anschlussflächen 2 entlang
einer Zeile um etwa 3 F beabstandet sind. In den weiteren Verfahrensschritten
müssen
die Maskenschichten parallel zu den Zeilen und Spalten gleich den
obigen Ausführungsformen
angeordnet sein. Die Herstellung des stützenden Gitters und der Elektrode
kann, wie mit Bezug auf die 1 bis 14d beschrieben, implementiert werden.