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Technischer Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden einer Kondensatorstruktur.
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Die
US 2005/0026361 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines doppelseitigen Kondensators. In einem Graben werden aufeinanderfolgend eine erste obere Kondensatorelektrodenschicht, eine erste dielektrische Schicht, eine erste und zweite untere Kondensatorelektrodenschicht, eine zweite dielektrische Schicht und eine weitere obere Kondensatorelektrodenschicht gebildet. Ein leitfähiger Plug verbindet die erste und zweite obere Kondensatorelektrodenschicht.
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Die Speicherkapazität von DRAM-Speichervorrichtungen pro Flächeneinheit sollte aus technischen und ökonomischen Gründen erhöht werden. Die DRAM-Speichervorrichtung beinhaltet eine Mehrzahl von Speicherzellen. Jeder dieser kann eine einzelne Informationseinheit in ihrem Kondensator speichern. Eine Vergrößerung der Speicherkapazität pro Flächeneinheit kann durch Reduzieren der horizontalen Abmessungen, d. h. in der Ebene der DRAM-Speichervorrichtung, von diesen Kondensatoren erreicht werden.
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Für einen zuverlässigen Betrieb der Speicherzellen muss die elektrische Kapazität der Kondensatoren oberhalb eines Minimalwertes gehalten werden. Da die elektrische Kapazität proportional zu den vertikalen und den lateralen Abmessungen ist, wird die vertikale Abmessung der Kondensatoren erhöht, wenn die horizontalen Abmessungen verringert werden. Heutzutage weisen die Kondensatoren einen Durchmesser im Bereich von 100 mm oder weniger und eine Höhe von mehreren Mikrometern auf.
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Ein Herstellungsverfahren, das dem Erfinder bekannt ist, beginnt mit einem Herstellen einer freistehenden ersten Elektrode auf einer Substratoberfläche. Die erste Elektrode weist im Wesentlichen die gleiche Höhe wie der später hergestellte Kondensator auf 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 oder werden vorher oder während des fortgesetzten Herstellungsverfahrens verformt.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Kondensatorstruktur werden die folgenden aufeinander folgenden Schritte ausgeführt:
Bereitstellen eines Substrats, welches auf seiner Oberfläche Anschlusskontakte und eine dielektrische Form aufweist, die mit mindestens einem Graben versehen ist, der die Anschlusskontakte freilässt;
Bilden einer ersten leitfähigen Schicht auf Seitenwänden des Grabens in einem oberen Bereich des Grabens, wobei die leitfähige Schicht ohne Kontakt zu den Anschlusskontakten ist;
Aufbringen einer ersten dielektrischen Schicht;
Aufbringen einer zweiten leitfähigen Schicht auf dem Anschlusskontakt und auf den Seitenwänden des Grabens;
Aufbringen einer zweiten dielektrischen Schicht;
Aufbringen einer dritten leitfähigen Schicht; und
Bilden eines vertikalen Durchkontaktes, der die erste leitfähige Schicht und die dritte leitfähige Schicht miteinander verbindet.
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Erfindungsgemäß wird die erste leitfähige Schicht mit den Schritten hergestellt: Aufbringen der ersten leitfähigen Schicht; Aufbringen einer Maskenschicht auf der ersten leitfähigen Schicht selektiv in einem oberen Bereich des Grabens, wobei ein Bodenbereich des Grabens freibleibt; Ätzen der ersten leitfähigen Schicht in dem Bodenbereich des Grabens; und Entfernen der Maskenschicht.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die hergestellten Elektroden, d. h. die leitfähigen Schichten, mechanisch durch die dielektrische Form zu jeder Zeit gestützt. Dies erhöht die mechanische Stabilität der Elektroden während des Herstellungsverfahrens.
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Eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kondensatorstruktur auf einem Kontaktanschluss beinhaltet:
eine erste Elektrode mit einer Röhrenform, die sich vertikal nach oben fortsetzt und elektrisch verbunden mit dem Anschlusskontakt angeordnet ist;
eine zweite Elektrode, die um die erste Elektrode angeordnet ist und von der ersten Elektrode und dem Anschlusskontakt durch eine erste dielektrische Schicht isoliert ist;
eine dritte Elektrode ist entlang einer inneren Seite der ersten Elektrode angeordnet und horizontal ein oberes Ende der ersten Elektrode überspannt und von der ersten Elektrode und dem Kontaktanschluss durch eine zweite dielektrische Schicht isoliert ist; und
einen ersten vertikalen Durchkontakt, der die zweite Elektrode und die dritte Elektrode kontaktiert.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Maskenschicht durch ein chemisches Abscheidungsverfahren hergestellt, wobei mindestens ein chemischer Reaktant des chemischen Abscheidungsverfahrens eine Konzentration aufweist, die sich in dem Graben in einer Richtung zu den Anschlusskontakten verringert und in etwa Null in dem Bodenbereich ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung vergrößert ein isotroper Ätzschritt einen Durchmesser des Bodenbereich des Grabens bevor die erste dielektrische Schicht abgeschieden wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung werden die folgenden Schritte ausgeführt, bevor die zweite leitfähige Schicht abgeschieden wird: eine Opferschicht wird auf der ersten dielektrischen Schicht aufgebracht, wobei die Opferschicht eine erste Dicke oberhalb des Anschlusskontakts und eine zweite Dicke oberhalb der dielektrischen Form aufweist, wobei die erste Dicke geringer als die zweite Dicke ist; anisotropes Ätzen der Opferschicht bis die Opferschicht oberhalb der Anschlusskontakte entfernt wird; und selektives Ätzen der ersten dielektrischen Schicht zum Freilegen des Anschlusskontakts.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Opferschicht durch ein chemisches Abscheideverfahren hergestellt, wobei mindestens ein chemischer Reaktant des chemischen Abscheidungsverfahrens eine Konzentration aufweist, die sich in dem Graben in Richtung zu den Anschlusskontakten verringert und etwa Null in dem Bodenbereich ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird die zweite leitfähige Schicht von der oberen Oberfläche der dielektrischen Form entfernt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird die zweite leitfähige Schicht durch ein chemisches Polierverfahren entfernt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird, bevor die zweite leitfähige Schicht abgeschieden wird, eine weitere dielektrische Form, die einen weiteren Graben aufweist, auf der dielektrischen Form gebildet, wobei der weitere Graben in einer Linie ausgerichtet an dem Graben angeordnet wird.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der vertikale Durchkontakt durch die weitere dielektrische Form zum Verbinden der ersten leitfähigen Schicht und der dritten leitfähigen Schicht hergestellt.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zum Herstellen von Kondensatorstrukturen gemäß der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Figuren zum Erläutern der Merkmale der Erfindung beschrieben.
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Beschreibung der Zeichnungen
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In den Figuren zeigen:
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1 bis 15 sind Teilschnitte zum schrittweisen Illustrieren eines Verfahrens zum Herstellen einer Kondensatorstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Die 16 bis 24 sind Teilschnitte zum schrittweisen Illustrieren eines Verfahrens zum Herstellen einer Kondensatorstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
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Identische Bezugszeichen in den 1 bis 24 bezeichnen gleiche oder ähnliche Elemente.
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Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zusammen mit den 1 bis 15 erläutert.
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Ein Substrat 1 wird bereitgestellt, z. B. ein Halbleitersubstrat, in welchem eine Mehrzahl von elektronischen Schaltungen eingebettet sein können. Diese elektronischen Schaltungen können über die Anschlusskontakte 2 kontaktiert werden, die an einer Oberfläche 101 des Substrats 1 angeordnet sind, eine Silizium-Nitridschicht 3 oder eine andere Ätzstop- oder Schutzschicht kann die Substratoberfläche 101 bedecken.
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In einem ersten Schritt wird eine dielektrische Form 10 auf der Substratoberfläche 101 gebildet. Vorzugsweise ist die dielektrische Form 10 einstückig. In manchen Weiterbildungen beinhaltet die dielektrische Form 10 mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien. Chemische Gasphasen-Abscheidungstechniken (CVD) können zum Aufbringen eines Siliziumoxids etc. verwendet werden. Andere Aufbringungstechniken können ein Aufschleudern eines Glases oder eines Glasprecursors beinhalten. Die Dicke oder vertikale Abmessung der dielektrischen Form 10 beträgt mindestens mehrere Mikrometer.
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Gräben 11 werden in der dielektrischen Form 10 oberhalb der Anschlusskontakte 2 gebildet. Die Dicke der Gräben 11 ist gleich der dielektrischen Form 10. Somit werden die Anschlusskontakte 2 zumindest teilweise freigelegt.
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Eine erste leitfähige Schicht 12 wird auf der obersten Oberfläche 111 der dielektrischen Form, den Seitenwänden 110 der Gräben 11 und der Oberfläche 102 der Anschlusskontakte 2 aufgebracht. Das Material der ersten leitfähigen Schicht 12 kann Titannitrid oder Kohlenstoff oder Silizium sein.
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Die erste leitfähige Schicht 12 ist weiterhin in Kontakt mit den Anschlusskontakten 2. Zusammen mit den 2 bis 4 wird ein bevorzugtes Verfahren zum Isolieren der ersten leitfähigen Schicht 12 von den Anschlusskontakten 2 vorgestellt.
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Eine Maskenschicht 13 wird durch ein Atomlagenabscheidungsverfahren (ALD) aufgebracht (2). Die Bedingungen in der Reaktionskammer sind derart ausgewählt, dass eine Konzentration des Reaktantengases sich in den Graben 11 in eine Richtung zu der Substratoberfläche 101 verringert. In einem oberen Bereich B des Grabens 11 ist eine Konzentration der Reaktantengase ausreichend, um die Maskenschicht 13 abzuscheiden. In einem Bodenbereich, der näher an der Substratoberfläche 101 als der obere Bereich ist, ist die Konzentration der Reaktantengase nicht ausreichend zum Bilden der Maskenschicht 13. Dies führt zu einer Bedeckung der ersten leitfähigen Schicht 12 durch eine Maskenschicht 13 in nur einem oberen Bereich B des Grabens und auf der oberen Oberfläche 111 der dielektrischen Form 10. Im Gegensatz dazu bleibt die erste leitfähige Schicht 12 in dem Bodenbereich A des Grabens freiliegend.
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Es ist ausreichend, dass zumindest manche der Reaktantengase nicht den Bodenbereich A erreichen, z. B. ein Precursor (2).
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Die erste leitfähige Schicht 12 wird selektiv in dem Bodenbereich A geätzt (3). Nassätztechniken werden bevorzugt.
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Die Selektivität des Nassätzens kann durch Vorbehandeln der Maskenschicht 13 verbessert werden. Es wurde herausgefunden, dass ein Hochtemperaturannealingverfahren nützlich ist, insbesondere, wenn die Maskenschicht aus Aluminiumoxid gebildet wird. Temperaturen oberhalb von 850°C für etwa 20 Sekunden führen zu guten Ergebnissen.
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Abschließend wird die Maskenschicht 13 entfernt (4). Nun ist die erste leitfähige Schicht 13 von dem Anschlusskontakt 2 isoliert.
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Zusammen mit 5 wird ein optionaler Schritt illustriert. Die effektive Oberfläche des nachfolgend geformten Kondensators kann erhöht werden, indem die Seitenwände 110 in dem Bodenbereich A geätzt werden. Vorzugsweise werden die Seitenwände 110 isotrop geätzt. Somit wird der Durchmesser d des Grabens 11 in dem Bodenbereich A erhöht. Das isotrope Ätzen kann ebenso vor dem Entfernen der Maskenschicht 13 durchgeführt werden.
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Die Beschreibung der ersten Ausführungsform beginnt nach einem optionalen Schritt eines Ätzens des Bodenbereichs A. Es ist jedoch auch offensichtlich, dass die obigen ausgeführten Schritte ohne den zusätzlich angewandten Schritt durchgeführt werden können.
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Anschließend wird eine erste dielektrische Schicht 14 auf der ersten leitfähigen Schicht 12 und auf den Seitenwänden 110 des Bodenbereichs A aufgebracht. Die verwendeten dielektrischen Materialien können zumindest Zirkonoxid, Hafniumoxid, Zirkonsiliziumoxid (ZrSiO), Zirkonaluminiumoxid (ZrAlO), Hafniumaluminiumoxid, Hafniumsiliziumoxid (HfAlO), Aluminiumoxid (AlO) und dotiertes ZrO/HfO aufweisen. Ein Dotierstoff kann ein seltenes Erdemetall sein. Eine Kombination der aufgeführten Materialien können auch als dielektrisches Material verwendet werden. Aufgrund der Abscheidungstechnik wird die erste dielektrische Schicht 14 auch auf die Anschlusskontakte 2 aufgebracht. Zusammen mit den 7 bis 10 wird illustriert, wie die erste dielektrische Schicht 14 zumindest teilweise von den Anschlusskontakten 2 entfernt wird.
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Zuerst wird eine Opferschicht über der gesamten Struktur aufgebracht, z. B. durch ein geeignetes chemisches Abscheidungsverfahren (7). Die Dicke der Opferschicht 15 ist nicht uniform. Die Dicke d1 auf der oberen Oberfläche 111 der dielektrischen Gießform 10 ist größer als die Dicke d2 der Opferschicht 15 oberhalb des Anschlusskontakts 2. Solch eine inhomogene Dicke kann durch eine inhomogene Abscheidungstechnik erreicht werden. Durch Steuern der Abscheidungsraten und/oder der reaktanten Gaskonzentrationen in der Reaktionskammer kann eine höhere Wachsungsrate an der oberen Oberfläche der Form 10 verglichen zu der Wachstumsrate innerhalb des Grabens 11 erreicht werden.
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Die Opferschicht 15 wird durch ein anisotropes Ätzverfahren geätzt. Das anisotrope Ätzverfahren wird beendet, wenn die Opferschicht 15 von der Oberfläche 102 des Anschlusskontakts 2 entfernt ist. Zu diesem Zeitpunkt verbleibt immer noch die Opferschicht 15 auf der dielektrischen Form 10. Somit wird die erste dielektrische Schicht 14 nur nahe dem Anschlusskontakt 2 freigelegt.
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Durch ein selektives Ätzverfahren wird die erste dielektrische Schicht 14 von dem Anschlusskontakt 2 entfernt (9). Nachfolgend wird die Opferschicht 15 entfernt (10). Nun sind die Anschlusskontakte 2 zumindest teilweise wieder freigelegt.
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Eine zweite leitfähige Schicht 16 wird auf der dielektrischen Schicht 14 und die freigelegten Anschlusskontakte 2 aufgebracht. Im Gegensatz zu der ersten leitfähigen Schicht 12 verbleibt die zweite leitfähige Schicht 16 in Kontakt mit dem Anschlusskontakt 2 (11).
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Ein chemischer Polierschritt entfernt die zweite leitfähige Schicht 16 von der oberen Oberfläche 111 der dielektrischen Form 10 (12). In einem nachfolgenden Schritt wird eine zweite dielektrische Schicht 18 aufgebracht (13) und eine dritte leitfähige Schicht 20 wird nachfolgend aufgebracht (14).
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Anschließend wird eine Kontaktschicht 22 aus einem leitfähigen Material über der gesamten Struktur aufgebracht. Zusätzlich wird ein Durchkontakt 23 durch die erste und zweite dielektrische Schicht 14, 18 gebildet, um die erste leitfähige Schicht 12 und die dritte leitfähige Schicht 20 zu verbinden (15). Die Kontaktschicht 22 kann durch ein chemisches Abscheidungsverfahren aufgebracht werden und aus Wolfram gebildet sein. Vorzugsweise wird der vertikale Durchkontakt an einem Feldrand einer Mehrzahl von Kondensatoren hergestellt.
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Die zweite leitfähige Schicht 16 bildet eine röhrenförmige Elektrode 16. Diese röhrenförmige Elektrode 16 ist in elektrischem Kontakt mit dem Anschlusskontakt 2. Die anderen beiden leitfähigen Schichten 12, 20 bilden eine zweite Elektrode 12, 20, die an der äußeren und der inneren Seite der röhrenförmigen Elektrode 16 angeordnet ist. Der innere Teil und der äußere Teil der Gegenelektrode 12, 20 sind über dem vertikalen Durchkontakt 23 verbunden. Der vertikale Durchkontakt 23 ist horizontal zu der röhrenförmigen Elektrode 16 versetzt.
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Eine zweite Ausführungsform beginnt mit den Schritten in Zusammenhang mit 1 bis 6, deren Ergebnisse in 16 gezeigt ist. Auf einem Substrat 1 wird eine dielektrische Form 30 aufgebracht. Die vertikalen Gräben 31 in der Form 30 erstrecken sich bis hinunter zu einer Substratoberfläche 101 des Substrats 1 und sind oberhalb der Anschlusskontakte 2 des Substrats 1 angeordnet. Eine erste leitfähige Schicht 32 wird auf den Seitenwänden 130 der Gräben 31 aufgebracht, aber nur in einem oberen Bereich B der Gräben 11. Eine erste dielektrische Schicht 34 bedeckt die erste leitfähige Schicht 32 und die Seitenwände 130 der Gräben 31 in dem Bodenbereich. Die Anschlusskontakte 2 werden durch die erste dielektrische Schicht 34 bedeckt. Optional kann der Bodenbereich A einen vergrößerten Durchmesser als Ergebnis eines isotropen Ätzverfahrens aufweisen.
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Eine Opferfüllung 35 wird in den Graben 31 eingefüllt (17).
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Auf der ersten dielektrischen Form 30 wird eine zweite dielektrische Form 50 auf der zweiten dielektrischen Form 30 aufgebracht. Gräben 51 werden oberhalb des Anschlusskontakts in die zweite dielektrische Form 30 eingebracht. Abschließend wird die Opferfüllung entfernt (18). Die hergestellte Struktur zeigt nun einen zweiten Graben 51, der sich in den ersten Graben 31 erstreckt.
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Eine Opferschicht 33 wird auf der obersten Oberfläche 151 der zweiten dielektrischen Form 50 auf der Oberfläche 102 des Anschlusskontakts 2 gebildet (19). Die Dicke der Opferschicht 33 kann inhomogen sein. In diesem Fall ist die Dicke oberhalb der zweiten dielektrischen Form 50 verglichen zu der Dicke oberhalb des zweiten Kontaktanschlusses 2 größer.
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In einem nachfolgenden Schritt wird die Opferschicht 33 von dem Anschlusskontakt 2 durch ein anisotropes Ätzverfahren entfernt (20), wobei die erste dielektrische Schicht 34 in der Fläche um den Anschlusskontakt 2 freigelegt wird. Die Opferschicht 33 wird auch von der oberen Oberfläche 151 entfernt, falls die Opferschicht 33 eine gleichförmige Dicke aufweist. Die erste dielektrische Schicht 32 wird selektiv in dem Bereich des Kontaktanschlusses 2 geätzt, um den Anschlusskontakt 2 freizulegen (21). Die Opferschicht 33 wird entfernt (22).
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In nachfolgenden Schritten wird eine zweite leitfähige Schicht 36, eine zweite dielektrische Schicht 38 und eine dritte leitfähige Schicht aufgebracht (23). Die zweite leitfähige Schicht 36 ist in elektrischem Kontakt mit dem Anschlusskontakt 2.
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In einem abschließenden Schritt wird ein Graben neben dem zweiten Graben 51 in die zweite dielektrische Gießform 50 eingebracht. Der Graben erstreckt sich hinunter bis zu der ersten leitfähigen Schicht 32 auf der ersten dielektrischen Gießform 30. Der Graben 43 wird durch ein leitfähiges Material zum Bilden eines vertikalen Durchkontakts 43 gefüllt. Somit werden die erste leitfähige Schicht 32 und die dritte leitfähige Schicht 28 durch den vertikalen Durchkontakt 43 verbunden.
