DE102008056390B4

DE102008056390B4 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102008056390B4
Application number: DE102008056390A
Authority: DE
Inventors: Raimund Foerg; Alexander Gschwandtner; Wolfgang Lehnert; Stefan Pompl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2028-11-08
Also published as: US20090122460A1; DE102008056390A1

Abstract

Halbleitervorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine Halbleiterschicht (102); eine erste Elektrode (104), die aus einem porösen, durch Sintern eines leitfähigen Granulats erzeugten Sinterkörper gebildet ist und die in oder auf der Halbleiterschicht (102) oder in oder auf zumindest einer über die Halbleiterschicht (102) angeordneten isolierenden Schicht gebildet ist, und wobei die erste Elektrode (104) von der Halbleiterschicht bzw. von der isolierenden Schicht durch zumindest eine Barrierenschicht (110, 112) getrennt ist, wobei die Barrierenschicht (110, 112) eine Diffusion von Metall aus der ersten Elektrode (104) in die Halbleiterschicht (102) unterdrückt; ein dielektrisches Material (106), das eine Oberfläche des porösen, durch Sintern eines leitfähigen Granulats erzeugten Sinterkörpers bedeckt; und eine zweite Elektrode (108), die das dielektrische Material (106) zumindest teilweise bedeckt, wobei das dielektrische Material (106) die zweite Elektrode (108) von der ersten Elektrode (104) elektrisch isoliert.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Halbleitervorrichtung mit einem, einen porösen Sinterkörper aufweisenden, integrierten Kondensator und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.
In der Offenlegungsschrift US 2004/0043577 A1 wird ein Kondensator für Halbleiterbauelemente, wie er beispielsweise in DRAM-Bausteinen eingesetzt werden kann beschrieben. Dieser Kondensator weist eine poröse durch Siliziumnanokristalle ausgebildete Elektrode auf, der aufgrund der porösen Ausgestaltung eine vergrößerte Elektrodenoberfläche und damit eine vergrößerte Kapazität aufweisen kann.
Die Offenlegungsschrift US 2003/0169560 A1 beschreibt einen in einem Halbleitersubstrat integrierbaren Kondensator mit einer große Anodenfläche, welche u. a durch die Verwendung von Metallpartikel oder metallischen Schwämmen als Anodenmaterialien erzielt werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Halbleitervorrichtung mit integrierten Kondensator, ein Verfahren zur Herstellung derselben sowie eine integrierte Schaltung mit integrierten Kondensator mit einer für den Einsatz im Halbleiterbereich verbesserten Ausgestaltung und Charakteristika zu liefern.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass an den unterschiedlichen Figuren für funktional identische bzw. gleichwirkende oder funktionalgleiche, äquivalente Elemente oder Schritte zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung;
2 eine Vergrößerung eines Abschnitts A der 1;
3a eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3b eine weitere Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung;
5a schematisch eine Halbleiterschicht nach dem Ausbilden einer Vertiefung in der Halbleiterschicht;
5b den schematischen Querschnitt der Halbleitervorrichtung nach dem Ausbilden zweier Barriereschichten;
5c das schematische Querschnittsbild der Halbleitervorrichtung nach dem Ausbilden einer Elektrodenschicht;
5d den schematischen Querschnitt der Halbleitervorrichtung nach dem Einbringen eines sinterbaren, leitfähigen Granulats in die Vertiefung der Halbleiterschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5e den schematischen Querschnitt der Halbleitervorrichtung nach dem Sintern, so dass eine erste Elektrode aus dem gesinterten, leitfähigen, porösen Granulat ausgebildet ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5f den schematischen Querschnitt der Halbleitervorrichtung nach dem Bedecken der Oberfläche des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats durch ein dielektrisches Material;
5g einen schematischen Querschnitt der Halbleitervorrichtung nach dem Aufbringen einer zweiten Elektrode, die das dielektrische Material zumindest teilweise bedeckt gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6a den schematischen Querschnitt einer Halbleitervorrichtung nach Einbringen eines vorgesinterten, leitfähigen, porösen Granulats in die Vertiefung einer Halbleiterschicht, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung;
6b den schematischen Querschnitt einer Halbleitervorrichtung nach Sintern des vorgesinterten, leitfähigen, porösen Granulats, so dass die erste Elektrode aus dem gesinterten, leitfähigen, porösen Granulat gebildet ist; und
6c einen schematischen Querschnitt einer Halbleitervorrichtung nach Aufbringen einer zweiten Elektrode, die das dielektrische Material zumindest teilweise bedeckt, gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6a, 6b.
Ausführungsbeispiele der Erfindung liefern eine Halbleitervorrichtung mit einer Halbleiterschicht, einer ersten Elektrode, die durch ein gesintertes, leitfähiges, poröses Granulat gebildet ist und die in oder auf der Halbleiterschicht oder in oder auf zumindest einer isolierenden Schicht, die auf der Halbleiterschicht angeordnet ist, gebildet ist. Überdies umfasst die Halbleitervorrichtung ein dielektrisches Material, das die Oberfläche des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats bedeckt, und eine zweite Elektrode, die das dielektrische Material zumindest teilweise bedeckt, wobei das dielektrische Material die zweite Elektrode von der ersten Elektrode elektrisch isoliert.
Bezugnehmend auf die 1–6c werden Ausführungsbeispiele, welche sich auf die Halbleitervorrichtung und das Verfahren zur Herstellung derselben beziehen, detailliert erläutert.
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung, und 2 zeigt eine Vergrößerung eines Abschnitts A in 1. Gemäß 1 und 2 umfasst die Halbleitervorrichtung eine Halbleiterschicht 10, eine erste Elektrode 12, ein dielektrisches Material, das die Oberfläche der ersten Elektrode 12 bedeckt, und eine zweite Elektrode 16. Das dielektrische Material 14 ist zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 16 angeordnet und isoliert sie voneinander, so dass ein Kondensator gebildet wird. Die erste Elektrode wird durch ein gesintertes, leitfähiges, poröses Granulat gebildet und kann mit einer ersten Elektrodenschicht 20 elektrisch verbunden sein. Die zweite Elektrode kann mit einer zweiten Elektrodenschicht 22 verbunden sein. Die erste Elektrode 12, das dielektrische Material 14 und die zweite Elektrode 16 können in einer Ausnehmung einer auf der Halbleiterschicht 10 gebildeten isolierenden Schicht gebildet sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode in einer Ausnehmung bzw. Vertiefung in der Halbleiterschicht oder in einer Ausnehmung bzw. Vertiefung in zumindest einer auf der Halbleiterschicht angeordneten isolierenden Schicht gebildet.
Die erste Elektrode ist von der Halbleiterschicht durch zumindest eine Barrierenschicht getrennt (in 1 nicht dargestellt). Bei einem Ausführungsbeispiel kann die erste Elektrode mit einer Elektrodenschicht elektrisch leitfähig verbunden sein.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat durch Körner einer Korngröße von etwa 10 nm bis etwa 1 μm gebildet. Diese Körner können durch das Sintern zu einer elektrisch leitfähig verbundenen porösen Konglomerat- bzw. Nanogranulatmatrix zusammengewachsen sein. Dieses Konglomerat kann in elektrisch leitfähiger Verbindung zu einer Elektrodenschicht stehen.
Das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat bzw. der Sinterkörper können beispielsweise Niob, Tantal oder Aluminium aufweisen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das dielektrische Material, welches die erste und zweite Elektrode voneinander elektrisch isoliert, eine erste dielektrische Schicht bzw. ein erstes dielektrisches Material aufweisen, welche bzw. welches das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat auskleidet, und ein zweites dielektrisches Material aufweisen, welches das erste dielektrische Material bedeckt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das dielektrische Material bzw. das erste dielektrische Material Niobpentoxid, Tantalpentoxid oder Aluminiumoxid auf. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist ein zweites dielektrisches Material, welches das erste dielektrische Material bedeckt, Aluminiumoxid auf.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der zweiten Elektrode um eine Metallelektrode, eine Metallnitridelektrode, z. B. Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN) oder eine Elektrolytelektrode. Bei der Elektrolytelektrode kann es sich beispielsweise um Braunstein oder auch einen anderen festen Elektrolyten handeln.
Bei der Halbleitervorrichtung mit integriertem Kondensator kann es sich beispielsweise um einen polaren Kondensator handeln, bei der die Anode, welcher der positive Pol ist, von dem Sinterkörper gebildet wird und die Kathode, welcher der negative Pol ist, durch die zweite Elektrode. Das heißt, ein polarer Kondensator sollte nur in der angegebenen Polarisationsrichtung betrieben werden, da sonst eine Zerstörung des Kondensators eintreten kann.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurde gezeigt, dass die Halbleitervorrichtung auch einen nichtpolaren bzw. bipolaren integrierten Kondensator aufweisen kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die zweite Elektrode aus einem Metall aufgebaut sein und das Dielektrikum des Kondensators ein erstes dielektrisches Material, welches das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat bedeckt und ein zweites dielektrisches Material, welches das erste dielektrische Material bedeckt, aufweisen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine integrierte elektrische Schaltung eine Halbleitervorrichtung mit einer Halbleiterschicht, einer ersten Elektrode, die durch ein gesintertes, leitfähiges, poröses Granulat gebildet ist, und die in oder auf der Halbleiterschicht oder in oder auf zumindest einer auf der Halbleiterschicht angeordneten isolierten Schicht gebildet ist. Außerdem weist die Halbleitervorrichtung ein dielektrisches Material auf, das die Oberfläche des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats bedeckt, und eine zweite Elektrode, die das dielektrische Material zumindest teilweise bedeckt, wobei das dielektrische Material die zweite Elektrode von der ersten Elektrode elektrisch isoliert. Die integrierte elektrische Schaltung kann neben der Halbleitervorrichtung weitere Halbleiterbauelemente aufweisen wie z. B. Feldeffekttransistoren, Dioden oder Bipolartransistoren.
Es ist zu beachten, dass der Begriff „auf ... gebildet” hierin nicht in dem Sinne von „direkt auf ... gebildet” verwendet wird. Vielmehr soll dieser Begriff auch Fälle umfassen, in denen ein erstes Element auf einem zweiten Posten gebildet ist, wobei ein oder mehr dritte Elemente zwischen denselben angeordnet sind.
In 3a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in einer Querschnittsansicht gezeigt. Die Halbleitervorrichtung 100 umfasst eine Halbleiterschicht 102 mit einer ersten Elektrode 104, die durch ein gesintertes, leitfähiges, poröses Granulat gebildet ist. Ein dielektrisches Material 106 bedeckt die Oberfläche des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats 104. Überdies umfasst die Halbleitervorrichtung 100 eine zweite Elektrode 108, die das dielektrische Material 106 zumindest teilweise bedeckt, wobei das dielektrische Material 106 die zweite Elektrode 108 von der ersten Elektrode 104 elektrisch isoliert.
Wie in 3a gezeigt ist, umfasst die Halbleitervorrichtung eine oder mehr Barriereschichten 110, 112 und eine Elektrodenschicht 104a. Die erste Elektrode 104 und/oder die Elektrodenschicht 104a sind durch zumindest eine der Barriereschichten 110 und 112 von der Halbleiterschicht 102 getrennt sein. Somit wird durch die erste Elektrode 104, die durch das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat gebildet wird, und durch die zweite Elektrode, die durch die isolierende Schicht 106 von der ersten Elektrode isoliert ist, eine Kapazität gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Halbleitervorrichtung ein Kondensator, der durch die erste Elektrode 104, die zweite Elektrode 108 und ein Dielektrikum 106, das die erste und die zweite Elektrode trennt und elektrisch isoliert und das in eine Halbleiterschicht integriert ist, gebildet.
3b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Halbleitervorrichtung 100 dieselbe Konfiguration, wie sie im Zusammenhang mit 3a beschrieben wurde, mit Ausnahme der Konformation des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats. Wie in 3b gezeigt ist, umfasst die durch das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat gebildete erste Elektrode 104 ein Granulat oder einen Sinterkörper, wobei die Granulat- oder Korngröße des Sinterkörpers größer ist als das in 3a gezeigte gesinterte, leitfähige, poröse Granulat. Die Körner 105 des gesinterten Körpers, die die erste Elektrode bilden, können eine Größe ungefähr zwischen etwa 1 μm und etwa 10 μm aufweisen. Die einzelnen Körner 105 können untereinander und mit der Elektrodenschicht 104a auf elektrisch leitfähige Weise verbunden sein. Somit bildet die Gesamtheit der gesinterten, elektrisch leitfähig verbundenen Körner die erste Elektrode 104.
Ein einzelnes Korn 105 des gesinterten Körpers kann selbst ein gesintertes, leitfähiges, poröses Granulat umfassen, wobei die Granulatgröße mit der Granulatgröße des in 3a gezeigten gesinterten Körpers 104 vergleichbar sein kann. Die Größe der Körner dieses Granulats kann beispielhaft zwischen etwa 10 nm und etwa 1 μm betragen.
Infolge der größeren Größe der einzelnen Körner 105 in 3b umfasst die erste Elektrode 104 bzw. der gesinterte Körper im Vergleich zu dem gesinterten, leitfähigen, porösen Granulat 104 in 3a mehr Raum zwischen den einzelnen Körnern 105. Dieser vergrößerte Raum ist zumindest teilweise mit einem leitfähigen Material, z. B. einem Elektrolyt, einem Metall oder einem Halbleitermaterial gefüllt, wodurch die zweite Elektrode 108 der Halbleitervorrichtung 100 gebildet wird. Die erste Elektrode 104 und die Elektrodenschicht 104a sind durch eine dielektrische Schicht 110 von der zweiten Elektrode 108 elektrisch isoliert sein, wie in Zusammenhang mit 3a bereits beschrieben wurde.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3b ist die Halbleitervorrichtung auch ein Kondensator, der durch die erste Elektrode 104, die zweite Elektrode 108 und ein Dielektrikum 106, das die erste und die zweite Elektrode trennt und elektrisch isoliert und das in eine Halbleiterschicht 102 integriert ist, gebildet.
Durch Verwendung des gesinterten, leitfähigen porösen Granulats kann durch die Poren des porösen Sinterkörpers eine große Fläche für einen Kondensator zur Verfügung gestellt werden. Anhand der in den Ausführungsbeispielen zu den 3a, 3b beschriebenen Halbleitervorrichtung kann also eine Erhöhung der spezifischen Flächenkapazität für integrierte Kondensatoren erreicht werden. Herkömmliche integrierte Kondensatoren stellen nur eine begrenzte spezifische Kapazität zur Verfügung. Betrachtet man die Formel für die Kapazität C eines einfachen Plattenkondensator: C = ε₀ε_r A / d, wobei ε₀ der dielektrischen Permittivität entspricht, ε_r der relativen Permittivität, A der Fläche und d dem Abstand der Elektroden entspricht, so sieht man, dass die Kapazität C eines Kondensators umso größer sein, je größer die Elektrodenfläche A und die materialspezifische Dielektrizitätszahl ε_r ist, und umso dichter die Elektroden zueinander stehen (d). Der einfachste Weg zur Erhöhung der spezifischen Kapazität ist die Vergrößerung der Oberfläche. Üblicherweise geschieht dies durch den Einsatz von oberflächenvergrößernden Techniken, wie z. B. der Deep-Trench-Technologie. Die Erfindung ermöglicht die Realisierung einer wesentlichen höheren Oberfläche pro definiertem Siliziumvolumen und damit einer wesentlich größeren Kapazität pro definierter Siliziumoberfläche, welche durch das Chipdesign vorgegeben ist. Das heißt, durch die Verwendung des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats in der Halbleitervorrichtung als Elektrode kann die Oberfläche des Kondensators wesentlich erhöht werden. Das gesinterte leitfähige poröse Granulat bzw. des Sinterkörpers kann beispielsweise aus Tantal, Niob oder Aluminium bestehen, welches durch Sintern in eine Nanogranulatmatrix überführt werden kann.
In der diskreten Bauelementtechnik ist die Verwendung beispielsweise von gesintertem Tantalpulver eine mögliche Technik zur Herstellung der kleinsten gepolten Kondensatoren mit großer Kapazität.
Durch die Integration der Pulversintertechnik in die Siliziumverarbeitungstechnologie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Oberflächenvergrößerung durch die Verwendung von Sinterkörpern, die durch ihren porösen Aufbau eine große Oberfläche aufweisen, auch in der Siliziumtechnologie genutzt werden.
Bei der Halbleiterschicht 102 kann es sich beispielsweise um Silizium oder einen anderen halbleitenden Material wie beispielsweise Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder anderen halbleitenden Materialien handeln. Die Halbleiterschicht 102 kann eine Vertiefung aufweisen, die mit einer oder mehreren Barriereschichten 110, 112 (in 3a, b mit zwei Barriereschichten) ausgekleidet ist. Bei den Barriereschichten kann es sich beispielsweise um Siliziumnitrid-, Titannitrid- oder anderen Diffusionsstopp-Schichten handeln. Es kann sich also um ein Multischichtsystem handeln, das als Diffusionssperre für eine metallische Elektrodenschicht 104a und die gesinterte leitfähige poröse Nanogranulatmatrix 104 gegenüber der Halbleiterschicht 102 dient. Die Elektrodenschicht 104a, kann als Eingangszuleitung oder Leiterbahn zur ersten Elektrode, die durch den Sinterkörper 104 gebildet wird, ausgebildet sein, wobei die Elektrodenschicht 104a in elektrischen Kontakt zu Teilen des Sinterkörpers 104, also des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats steht. Bei Ausführungsbeispielen der 3a, 3b ist die Oberfläche des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats 104 und die Teile der Elektrodenschicht 104a, welche nicht in Kontakt mit den Teilen des gesinterten, leitfähigen porösen Granulats sind, mit einem dielektrischen Material 106 bedeckt. Diese Oberflächenbedeckung kann beispielsweise durch elektrochemisches Oxidieren erreicht werden. Wird beispielsweise für die Nanogranulatmatrix Materialien wie Tantal, Niob oder Aluminium verwendet, so können durch eine anodische Oxidation dieser Materialien eine amorphe Oxidschicht auf den entsprechenden Oberflächen ausgebildet werden, die aufgrund ihrer Struktur ein geringes Leckstromverhalten für einen Kondensator aufweisen. Durch den Einsatz der elektrochemischen Oxidation, bei dem es sich um einen spannungsabhängigen selbstbegrenzenden Prozess handelt, ist eine defektfreie Dielektrikumsabscheidung über die große Oberfläche des Sinterkörpers, also des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats, möglich.
Bei den Ausführungsbeispielen, welche in 3a, 3b beschrieben sind, kann es sich beispielsweise um Halbleitervorrichtungen mit einem polaren integrierten Kondensator handeln. Die Anode kann also durch das gesinterte leitfähige poröse Granulat gebildet werden. In Abhängigkeit von dem Material für den Sinterkörper kann also eine entsprechende Oxidschicht erzeugt werden. Beispielsweise kann durch eine Verwendung von Tantal eine dielektrische Tantalpentoxid-Schicht (Ta₂O₅), durch eine Verwendung von Niob eine Niobpentoxid-Schicht (Nb₂O₅) oder beispielsweise durch eine Verwendung von Aluminium eine Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃) erzeugt werden. Diese Oxidschicht kann das Dielektrikum des Kondensators bilden. Die Spannungsfestigkeit der dabei entstehenden Oxide (Al₂O₃, Ta₂O₅, Nb₂O₅) kann mit 4–10 mV/cm sehr hoch sein. Da durch das anodische Oxidieren bzw. Formieren die Spannungsfestigkeit gezielt eingestellt werden kann, variiert die Dicke der Oxidschicht mit der Nennspannung des Kondensators.
Es ist jedoch auch denkbar, dass andere dielektrische Materialien, beispielsweise organische Materialien als dielektrisches Material bzw. als Dielektrikum für den integrierten Kondensator eingesetzt werden.
Die zweite Elektrode 108, die das dielektrische Material 106 zumindest teilweise bedeckt, wobei das dielektrische Material die zweite Elektrode von der ersten elektrisch isoliert, kann beispielweise eine elektrolytische Elektrode sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass es sich um eine metallische oder halbleitende Elektrode handelt. Bei den Ausführungsbeispielen in 3a, 3b kann es sich um einen polaren integrierten Kondensator handeln, wobei der Sinterkörper die Anode darstellt und die zweite Elektrode die Kathode. Bei der zweiten Elektrode kann es sich um eine Elektrode aus einem Braunsteinelektrolyten (Mangandioxid), einem Polymerelektrolyten, beispielsweise TiN oder TaN, handeln. Braunstein (MnO₂) weist halbleitende Eigenschaften mit einer Leitfähigkeit vom n-Typ auf. Da Braunstein eine verringerte Leitfähigkeit besitzt, und TiN oder TaN eine hohe Leitfähigkeit besitzen, ist der Serienwiderstand bei Verwendung von TiN oder TaN kleiner.
Das für die zweite Elektrode verwendete Material richtet sich nach der Art des zu realisierenden integrierten Kondensators. Eine elektrolytische zweite Elektrode wie eben beschrieben, kann für die Herstellung polarer integrierter Kondensatoren verwendet werden. Das heißt die erste Elektrode bzw. die Anodenelektrode ist der Pluspol und die zweite Elektrode, die beispielsweise durch einen festen Elektrolyten hergestellt werden kann, bildet die Kathode des Kondensators. Eine Falschpolung, eine zu hohe anliegende Spannung oder Rippelstromüberlastung können zu einem Kurzschluss oder zur Zerstörung der Halbleitervorrichtung mit integriertem Kondensator führen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine metallische zweite Elektrode für die Realisierung eines nicht polaren Kondensators verwendet werden. Bei der Verwendung einer metallischen zweiten Elektrode kann das Bauelement eine weitere dielektrische Zwischenschicht, die z. B. aus Aluminiumoxid bestehen kann, zwischen dem dielektrischen Material, welches die Oberfläche des Sinterkörpers bedeckt, und der zweiten Elektrode ausgebildet sein. Die weitere dielektrische Zwischenschicht beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) kann eine Interaktion zwischen dem ersten dielektrischen Material wie z. B. Ta₂O₅ oder Nb₂O₅ und der zweiten Elektrode verhindern. Die weitere dielektrische Zwischenschicht kann eine Dicke von etwa 5 nm aufweisen. Dadurch können Kurzschlüsse und eine chemische Interaktion zwischen der zweiten Elektrode, welche Metall umfassen kann, und dem gesinterten, leitfähigen, porösen Granulat vermieden werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Halbleitervorrichtung eine Halbleiterschicht aufweisen, mit einer ersten Elektrode, die durch ein gesintertes, leitfähiges, poröses Granulat gebildet ist. Das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat kann jedoch auch auf der Halbleiterschicht oder in oder auf zumindest einer auf der Halbleiterschicht angeordneten isolierenden Schicht gebildet sein. In anderen Worten: es ist auch denkbar die Halbleitervorrichtung so auszubilden, dass das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat auf der Halbleiterschicht angeordnet ist oder in einer dielektrischen Schicht, einer sogenannten Inter-Layer-Dielektrikum(ILD)-Schicht. Wie in Verbindung mit 3a, 3b beschrieben ist, weist die Halbleitervorrichtung entsprechende Barriereschichten bzw. eine Elektrodenschicht auf, um eine integrierte Kondensatorstruktur auszubilden. Die Verwendung der Pulversintertechnik in der Standardsiliziumtechnik kann also auch zum Ausbilden beispielsweise von integrierten Kondensatoren auf einem Halbleitersubstrat oder in einer oder mehreren dielektrischen Schichten, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, eingesetzt werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Nanogranulatmatrix 104 durch Körner 105, welche eine Korngröße von beispielsweise etwa 10 nm bis etwa 1 μm aufweisen, gebildet sein. Durch ein Sintern können die Körner 105 zu einem elektrisch verbundenen porösen Konglomerat 104 zusammengewachsen sein. Das gesinterte Konglomerat 104 bzw. der Sinterkörper weist eine große Oberfläche mit einer korallenartigen oder schwammartigen Oberflächenstruktur auf. Bei dem gesinterten Material kann es sich beispielsweise, wie oben erwähnt um Niob, Tantal oder auch Aluminium handeln, denkbar ist aber auch der Einsatz anderer Materialien. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die zweite Elektrode 108 so ausgebildet sein, dass sie zumindest teilweise in die Poren bzw. Aushöhlungen der Nanogranulatmatrix eindringt und diese ausfüllt. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Halbleitervorrichtung beispielsweise eine Länge und Breite von etwa 100 μm × 100 μm und eine Tiefe von etwa 25 μm aufweisen.
In 4 sind in einem Flussdiagramm einige Schritte eines Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung beim Schritt 200 ein Aufbringen eines sinterbaren, leitfähigen Granulats in oder auf einer Halbleiterschicht oder in oder auf zumindest einer auf der Halbleiterschicht angeordneten isolierenden Schicht, und beim Schritt 204 ein Erwärmen des sinterbaren leitfähigen Granulats, so dass eine erste Elektrode aus einem gesinterten, leitungsfähigen, porösen Granulat ausgebildet wird, auf. Außerdem weist das Verfahren beim Schritt 206 ein Bedecken der Oberfläche des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats durch ein dielektrisches Material, und beim Schritt 208 ein Ausbilden einer zweiten Elektrode, die das dielektrische Material zumindest teilweise bedeckt, wobei das dielektrische Material die zweite Elektrode von der ersten Elektrode elektrisch isoliert, auf.
Das Aufbringen des zu sinternden Granulats, des sinterbaren, leitfähigen Granulats, kann beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens erfolgen. Dabei kann das zu sinternde Granulat in eine Vertiefung einer Halbleiterschicht oder auf einer Halbleiterschicht aufgebracht werden oder auch in oder auf zumindest einer auf der Halbleiterschicht angeordneten isolierenden Schicht. Dabei kann es sich um eine sogenannte Interlayer-Dielektrikum-Schicht (ILD) handeln. Bei dem Nanogranulat, welches mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht werden kann, kann es sich beispielsweise um eine Tantal- oder eine Niobpaste handeln. Das Nanogranulat, das sinterbare, leitfähige Granulat, kann eine entsprechende hohe Gesamtoberfläche aufweisen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel zu dem Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung kann ein Ausbilden einer Ausnehmung bzw. Vertiefung in der Halbleiterschicht oder einer über der Halbleiterschicht angewandeten dielektrischen Schicht dem Aufbringen eines sinterbaren, leitfähigen Granulats vorangehen. Das Ausbilden einer Ausnehmung bzw. Vertiefung in einer Halbleiterschicht oder einer darüber liegenden Isolationsschicht kann beispielsweise durch nasschemischem Ätzen, Trockenätzen, durch Laserablation oder anderen herkömmlichen Methoden zur Erzeugung von Vertiefungen bzw. Ausnehmungen in Halbleiterstrukturen verwendet werden.
Des Weiteren weist ein Ausbilden einer Ausnehmung das Abscheiden, mittels konventioneller Halbleiterprozesstechnik von einer oder mehreren vorgesehenen Barriere- oder Diffusionsschichten in der Ausnehmung auf. Bei den Barriere- oder Diffusionsschichten kann es sich beispielsweise um Siliziumnitrid- oder Titannitridschichten handeln. Aufgabe der einen oder mehreren Barriereschichten oder des Multischichtsystems ist es, eine Diffusion von Metall aus der ersten Elektrode in die Halbleiterschicht, die beispielsweise aus Silizium bestehen kann, zu verhindern bzw. zu unterdrücken.
Beim Schritt 204 kann das Erwärmen des sinterbaren, leitfähigen Granulats beispielsweise durch eine Inertgas- oder Vakuumsinterung bei etwa 1100°C erfolgen, so dass eine in sich elektrische verbundene Nanogranulatmatrix mit großer Oberfläche entsteht. Diese Nanogranulatmatrix bzw. das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat kann beispielsweise durch eine anodische Oxidation mit einer dielektrischen Schicht bzw. mit einem dielektrischen Material bedeckt werden. Alternativ dazu kann das dielektrische Material anhand anderer Dünnfilmtechniken oder anhand anderer Techniken aufgebracht werden. Handelt es sich beispielsweise bei der Nanogranulatmatrix um Tantal oder Niob bzw. Aluminium, so kann wie oben bereits beschrieben durch anodische Oxidation, welches ein spannungsabhängiger selbstbegrenzender Prozess ist, eine defektfreie Dielektrikumsausbildung über die große Oberfläche der Nanogranulatmatrix, den Sinterkörper, erfolgen.
Das Ausbilden der zweiten Elektrode beim Schritt 208 kann beispielsweise durch das Aufbringen einer Metallschicht oder einer elektrolytischen Elektrode erfolgen. Beispielsweise kann der elektrisch isolierte poröse Sinterkörper mit einer wässerigen Mangan(II)-Nitratlösung getränkt werden, das anschließend in einem thermischen Prozess zu Mangandioxid zersetzt wird. Dadurch entsteht ein fester Elektrolyt, der die zweite Elektrode des integrierten Kondensators darstellt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die zweite Elektrode durch eine sogenannte Atomlagenabscheidung durchgeführt. Bei der Atomlagenabscheidung (ALD, Atomic Layer Deposition) handelt es sich um ein stark verändertes Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren, CVD = Chemical Vapour Deposition) zur Abscheidung von dünnen Schichten. Das Schichtwachstum bei der Atomlagenabscheidung erfolgt in zyklischer Weise, wobei der Zyklus so oft wiederholt wird, bis eine gewünschte Dicke der zweiten Elektrode erreicht wird. Das Schichtwachstum kann bei der ALD selbstkontrollierend ablaufen, d. h. die Menge des in jedem Zyklus abgeschiedenen Schichtenmaterials ist konstant. Die Atomlagenabscheidung kann also dazu benutzt werden, dass das dielektrische Material, das den Sinterkörper von der zweiten Elektrode elektrisch isoliert, zumindest teilweise bedeckt ist. Das heißt mit Hilfe der Atomlagenabscheidung kann die metallische zweite Elektrode zumindest teilweise in Poren bzw. Hohlräume der Nanogranulatmatrix eindringen und so eine möglichst große Kondensatorfläche ausbilden.
Es ist auch denkbar, dass die zweite Elektrode anhand anderer Techniken wie Aufdampfen oder Sputtern mit einem halbleitenden oder leitenden metallischen Material hergestellt wird. Es können aber beispielsweise auch niedermolekulare organische leitfähige Moleküle aufgedampft werden, oder es können mittels Spincoating-Techniken oder Rakel-Techniken elektrisch leitfähige Polymere oder andere lösliche, halbleitende organische Materialien zur Ausbildung der zweiten Elektrode aufgebracht werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel zu dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung findet nach dem Ausbilden von zumindest einer Barriereschicht zur Unterbindung der Diffusion ein Aufbringen einer Elektrodenschicht statt, welche als Anschlusselektrodenschicht für die erste Elektrode dient. Dazu wird das Erwärmen bzw. Sintern des sinterbaren leitfähigen Granulats so durchgeführt, dass die erste Elektrode mit der Elektrodenschicht leitfähig verbunden ist. Das Aufbringen eines sinterbaren leitfähigen Granulats kann so durchgeführt werden, dass Niob, Tantal oder Aluminium verwendet wird. Des Weiteren kann das Erwärmen bzw. das Sintern des sinterbaren, leitfähigen Granulats so durchgeführt werden, dass die erste Elektrode des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats durch Körner einer Korngröße von ungefähr etwa 10 nm bis etwa 1 μm gebildet werden kann, die durch das Erwärmen zu einem elektrisch leitfähig verbundenen porösen Konglomerat zusammenwachsen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Sintern durch ein sogenanntes Festphasensintern, Flüssigphasensintern oder ein Reaktionssintern durchgeführt. Beim Sintern kann es zu Anschmelz- und Diffusionsprozessen zwischen dem sinterbaren, leitfähigen Granulat kommen, so dass sich Brücken, Hälse oder Verbindungen zwischen den Körnern des Granulats ausbilden. Dadurch kann ein elektrisch miteinander verbundenes Konglomerat, der Sinterkörper, entstehen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel zum Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung erfolgt das Auf- bzw. Einbringen eines sinterbaren leitfähigen Granulats mit Hilfe von Drucktechniken, wie z. B der Siebdrucktechnik. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das dielektrische Material mit Hilfe einer anodischen Oxidation des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats erzeugt werden. Weist das gesinterte Granulat Niob, Tantal oder Aluminium auf, so kann durch das anodische Oxidieren der entsprechenden Materialien eine Oxidschicht aus Aluminiumoxid, Niobpentoxid oder Tantalpentoxid erzeugt werden.
In den 5a–5g ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zu dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung dargestellt. In 5a ist eine Siliziumsubstratschicht 102 mit einer Vertiefung 122 dargestellt, welche beispielsweise durch eine standardmäßige Verfahrenstechnik, wie beispielsweise einer Grabenätzung (Trench-Ätzung) erzeugt wurde. Die Grabenstruktur kann beispielsweise eine Länge von etwa 100 μm, eine Breite von etwa 100 μm und eine Tiefe von etwa 25 μm aufweisen. Es ist auch denkbar, dass die Vertiefung bzw. Ausnehmung in einer auf der Halbleiterschicht 102 angeordneten Inter-Layer-Dielektrikum-Schicht erzeugt wird.
Wie in 5b dargestellt, kann die Halbleitervorrichtung beispielsweise zwei Barriereschichten 110, 112 aufweisen, die so ausgebildet sind, dass sie die Vertiefung 122 auskleiden. Bei den Barriereschichten kann es sich beispielsweise um Siliziumnitrid, Titannitrid, Tantalnitrid, Hafniumnitrid usw. handeln, die einen Diffusionsprozess der anschließend aufgebrachten ersten Elektrode in das Siliziumsubstrat verhindern soll. Die eine oder mehreren Barriereschichten trennen also die Halbleiterschicht von einer zu bildenden ersten Elektrode. Das Ausbilden bzw. Abscheiden der entsprechenden Barriereschichten kann mit Hilfe herkömmlicher in der Halbleitertechnologie eingesetzten Methoden erfolgen.
Wie in 5c dargestellt, können eine Eingangszuleitung oder eine Elektrodenschicht 104a für die nachfolgend ausgebildete erste Elektrode abgeschieden werden. Bei der Eingangszuleitung kann es sich beispielsweise um eine 15 nm dicke Tantalnitridschicht und eine 60 nm dicke Tantalschicht handeln. Die Elektrodenschicht 104a kann aber auch andere Metalle oder leitfähige Materialien aufweisen, die mit üblichen Herstellungsmethoden der Halbleitertechnologie abgeschieden werden.
Wie in 5d gezeigt, erfolgt danach das Einbringen eines sinterbaren leitfähigen Granulats 124 in die Vertiefung 122. Das sinterbare leitfähige Granulat 124 zeigt in dieser Phase noch keine Verwachsungen bzw. Zusammenschlüsse zwischen den einzelnen Granulatkörnern. Das Einbringen des Nanogranulats z. B. von Tantal- oder Niobpaste kann mittels Drucktechniken wie z. B. der Siebdrucktechnik erfolgen. Denkbar ist jedoch auch, dass das sinterbare, leitfähige Granulat in Form von Pulver oder von Pulvermassen eingebracht wird. Durch einnachfolgendes Sintern 204, wie in 5e dargestellt, wird aus dem sinterbaren, leitfähigen Granulat 124 eine erste Elektrode aus einem gesinterten, leitfähigen, porösen Granulat 104 in elektrischem Kontakt 125 mit der Elektrodenschicht 104a ausgebildet. Das Sintern 204 kann beispielsweise als eine inerte Sinterung bei einer Temperatur von ungefähr 1100°C durchgeführt werden, so dass sich durch Anschmelz- und Diffusionsprozesse Werkstoffbrücken zwischen den einzelnen Granulatkörnern ausbilden, so dass sich ein leitfähig verbundenes Konglomerat 104 der Granulatkörner bildet. Dieses Konglomerat bzw. die Nanogranulatmatrix zeichnet sich durch eine poröse Struktur aus, weshalb sie eine große Oberfläche aufweist.
Das Sintern kann also ein Verfestigen kristalliner, körniger oder pulvriger Stoffe durch Zusammenwachsen der Kristallite bei entsprechender Erwärmung angesehen werden. Beim Sintern dürfen jedoch nicht alle Komponenten aufgeschmolzen werden. Das Zusammenwachsen der Kristallite bzw. Körner des Granulats kann durch Diffusion, also eine Feststoff-Feststoff-Reaktion erfolgen, es kann aber auch eine der beteiligten Komponenten aufschmelzen und die höherschmelzende Komponente benetzen, umhüllen und beim Erstarren verbinden. Dies wird als Schmelzsintern bezeichnet. Der Sinterkörper zeichnet sich durch die zwischen den einzelnen Granulatkörnern gebildeten Sinterhälsen aus.
Wie in 5f dargestellt, wird das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat im Nachfolgenden oxidiert, so dass die Oberfläche des gesinterten, leitfähigen, porösen Granulats mit einer Oxidschicht 106 bedeckt ist. Beispielsweise kann dies durch anodisches Oxidieren des entsprechenden Sinterkörpers erfolgen. Bei der anodischen Oxidation werden geeignete Lösungen wie beispielsweise Schwefel-, Chrom-, Phosphor- oder Oxalsäure elektrolytisch behandelt, d. h. durch elektrischen Strom zersetzt. Es bildet sich auf der entsprechenden Anodenoberfläche eine Oxidschicht.
Wie oben bereits erwähnt, kann also beispielsweise bei Verwendung von Niob Niobpentoxid, bei Verwendung von Aluminium Aluminium-Oxid und bei Verwendung von Tantal Tantalpentoxid auf der Oberfläche des Sinterkörpers abgeschieden werden. Durch diese anodische Oxidation können beispielsweise auch Bereiche 127 der Elektrodenschicht 104a, welche beim Sintern keine feste Verbindung mit dem Sinterkörper 104 eingegangen sind, mit einer Oxidschicht 106 zur elektrischen Isolation gegenüber einer zweiten Elektrode bedeckt werden, die später abgeschieden wird. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine Isolationsschicht, welche die Oberfläche des porösen Sinterkörpers 104 mit einer isolierenden Schicht 106 umgibt, mit Hilfe anderer Fertigungstechniken hergestellt wird.
Wie in 5f schematisch dargestellt, ist es auch denkbar, dass durch Maskenprozesse weitere dielektrische Schichten 128 auf die Elektrodenschicht 104a aufgebracht werden, um die Elektrodenschicht 104a von der nachfolgend abzuscheidenden zweiten Elektrode 108 elektrisch zu isolieren.
In 5g ist die Halbleitervorrichtung dargestellt nach dem Abscheiden einer zweiten metallischen Elektrode 108 mit einer Atomlagenabscheidung (ALD) dargestellt, so dass die Oxidschicht 106 die zweite Elektrode 108 von der ersten Elektrode 104 elektrisch isoliert. Die Atomlagenabscheidung ist ein verändertes Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren), bei dem die Reaktanten, z. B. die Vorläufersubstanzen TiCl₄ und NH₃, in eine Vakuumkammer geleitet werden. Bei der Atomlagenabscheidung findet das Schichtwachstum in einer zyklischen Weise statt, wobei die Kammer zyklisch mit Stickstoff geflutet wird. Die Atomlagenabscheidung eignet sich gut zur Abscheidung der Schichtstapel innerhalb der Nanogranulatmatrix 104. Das heißt mit Hilfe der Atomlagenabscheidung ist es möglich, zumindest teilweise die zweite Elektrode 108 innerhalb des porösen Sinterkörpers 104 auszubilden. Dadurch kann die Oberflächenvergrößerung erreicht werden, die für eine Erhöhung der spezifischen Flächenkapazität des integrierten Kondensators wichtig ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt vor dem Abscheiden einer zweiten Elektrode ein Ausbilden einer dielektrischen Zwischenschicht, welche die Oxidschicht 106 bedeckt, so dass die Oxidschicht und die dielektrische Zwischenschicht (nicht gezeigt in 5g) die zweite Elektrode 108 von der ersten Elektrode 104 elektrisch isoliert. Bei dieser Zwischenschicht kann es sich beispielsweise um Aluminiumoxid (Al₂O₃) handeln, wodurch eine chemische Interaktion zwischen der dielektrischen Schicht 106 und der zweiten Elektrode verhindert wird. Wegen seiner ausgezeichneten Konformität und chemischen Stabilität ist Al₂O₃ gut geeignet. Es unterbindet den Austausch von Sauerstoff zwischen der zweiten Elektrode 108 und beispielsweise einer Tantaloxid-Dielektrikumschicht 106 (falls der poröse Sinterkörper 104 aus Tantal besteht).
6a–6c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung. Wie in 6a gezeigt ist, kann ein vorgesintertes, leitfähiges, poröses Granulat 105 in eine Vertiefung 122 einer Halbleiterschicht 102 eingebracht werden. Die Halbleiterschicht kann Barriereschichten 110 und 112 und eine Elektrodenschicht 104a umfassen, wobei die Vertiefung und die Schichten 110, 112, 104a auf eine Art und Weise hergestellt werden können, die oben z. B. in Verbindung mit den 5a–5c beschrieben wurde. Die Größe der vorgesinterten Granulatkörner 105 kann ungefähr zwischen etwa 1 μm und etwa 10 μm betragen. Die Korngröße kann beispielsweise etwa 3 μm betragen. Die vorgesinterten, leitfähigen, porösen Granulatkörner 105 können selbst kleinere leitfähige, poröse Granulatkörner, durch die sie gebildet werden, umfassen. Die Körner 105 können beispielsweise Tantal, Niob oder Aluminium umfassen. Das vorgesinterte, leitfähige, poröse Granulat kann anhand von Drucktechniken, z. B. Siebdrucktechniken, eingebracht werden. Das vorgesinterte, leitfähige, poröse Granulat bzw. der vorgesintere Sinterkörper können eine definierte Oberflächengröße von etwa 0,3 m²/g bis etwa 2 m²/g aufweisen.
Durch ein anschließendes Sintern 204, wie in 6b des vorgesinterten, leitfähigen, porösen Granulats veranschaulicht ist, wird eine erste Elektrode aus einem gesinterten, leitfähigen, porösen Granulat 104 in elektrischem Kontakt 125 mit der Elektrodenschicht 104a aus dem vorgesinterten, leitfähigen, porösen Granulat gebildet. Das Sintern kann beispielsweise als Inertgas- oder Vakuumsintern bei einer Temperatur zwischen etwa T = 900°C bis 1200°C durchgeführt werden, so dass Materialbrücken 125a zwischen den einzelnen Granulatkörnern anhand von Schmelz- und Diffusionsvorgängen entstehen. Dabei sind die einzelnen Granulatkörner 105 untereinander und mit der Elektrodenschicht 104a auf elektrisch leitfähige Weise verbunden. Dieses gesinterte, leitfähige, poröse Konglomerat bildet damit die erste Elektrode 104. Die erste Elektrode 104 weist eine große Oberfläche auf. Auf Grund der größeren Größe der vorgesinterten, leitfähigen, porösen Granulatkörner 105 im Vergleich zu den Granulatkörnern, die bei dem in 5d beschriebenen Ausführungsbeispiel eingebracht wurden, ist der leere Raum 113 zwischen den einzelnen Körnern 105 vergrößert.
Wie in 6c gezeigt ist, werden das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat und diejenigen Teile der Elektrodenschicht 104a, die nicht mit dem Granulat verbunden sind, anschließend oxidiert, wie in Verbindung mit 5f beschrieben ist. Eine Oxidschicht 106 bildet das Dielektrikum für einen Kondensator zwischen der ersten Elektrode 104 und der zweiten Elektrode 108. Die zweite Elektrode 108 kann gemäß der Beschreibung im Zusammenhang mit 5g aufgebracht werden. Die Halbleitervorrichtung 100 kann weitere Schichten umfassen, beispielsweise dielektrische Schichten, wie in 6c durch die Schicht 128 angegeben ist. Diese Schichten können anhand herkömmlicher Halbleiterprozesstechnologie hergestellt werden.
Die zweite Elektrode 108 kann durch eine Atomlagenabscheidung oder anhand anderer Verfahren oder Mittel, wie sie hierin beschrieben sind, gebildet werden. Da der leere Raum 113 (6b) zwischen Granulatkörnern 105, die die erste Elektrode 104 bilden, vergrößert ist, kann das Material für die zweite Elektrode 108 leichter auf das gesinterte, leitfähige, poröse Granulat aufgebracht werden, so dass die zweite Elektrode 108 eine größere Fläche, die sich in Kontakt mit dem die erste Elektrode 104 bedeckenden Dielektrikum 106 befindet, umfasst als ein gesintertes, leitfähiges, poröses Granulat mit kleineren Körnern 105. Somit kann die Flächenkapazität des gebildeten Kondensators vergrößert werden.
Durch die in 5a–5g, 6a–6c illustrierten Ausführungsbeispiele kann also ein in einem Siliziumsubstrat integrierter Kondensator hergestellt werden. Der integrierte Kondensator weist bei diesen Ausführungsbeispielen einen Sinterkörper auf, der als erste Elektrode des integrierten Kondensators ausgebildet ist und über eine Elektrodenschicht, mit der er elektrisch verbunden ist, angesteuert werden kann. Diese Elektrodenschicht und die erste und die zweite Elektrode sind durch Diffusionsbarrieren, welche in der Vertiefung, in der die Elektroden, der Sinterkörper und die Elektrodenschicht ausgebildet sind, ausgekleidet und dadurch gegenüber dem Halbleitersubstrat getrennt. Die Oberfläche der ersten Elektrode weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Oxidschicht als Dielektrikum für den integrierten Kondensator auf. Dieses Kondensatordielektrikum kann, wie in dem Ausführungsbeispiel erläutert, beispielsweise durch anodisches Oxidieren des Sinterkörpers erzielt werden. Dabei kann es sich bei dem Sinterkörper um einen Tantal-, Niob- oder Aluminium-Sinterkörper handeln. Diese Oxidschicht kann durch eine weitere dielektrische Zwischenschicht bedeckt sein, um eine chemische Interaktion zwischen der Oxidschicht und einer zweiten Elektrode zu verhindern. Die zweite Elektrode des integrierten Kondensators kann durch Atomlagenabscheidung hergestellt werden, so dass sich metallische Schichtstapel innerhalb und oberhalb des Sinterkörpers bzw. der Nanogranulatmatrix ausbilden können. Die zweite metallische Elektrode des integrierten Kondensators kann beispielsweise über weitere Isolationsstrukturen, durch die Schicht 128 angegeben, gegenüber der Elektrodenschicht oder anderen Teilen der ersten Elektrode elektrisch isoliert sein.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung kann der integrierte Kondensator beispielsweise mittels Siebdrucktechnik auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats oder mindestens auf einer Isolationsschicht, welche auf dem Halbleitersubstrat angeordnet war, in Form eines „Nanogranulatmatrixhaufens” hergestellt werden. Dies kann beispielsweise wieder mit Hilfe der Siebdrucktechnik erreicht werden. Die übrige Herstellung kann wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargelegt durchgeführt werden und von jemandem, der sich in der Halbleiterprozesstechnik auskennt, entsprechend angepasst werden.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist gezeigt, dass die Halbleitervorrichtung als integrierter polarer Kondensator oder bipolarer Kondensator ausgebildet sein kann, und in anderen Ausführungsbeispielen ist gezeigt, dass durch das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung ein in der Halbleiterprozesstechnologie integrierter polarer oder bipolarer Kondensator mit einem Sinterkörper und einer entsprechenden großen Oberfläche und damit Kapazität hergestellt werden kann.
Durch das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung können also große, bisher nicht realisierte Oberflächen und damit entsprechend hohe integrierte gepolte oder ungepolte Kapazitäten in einem Mikroelektronikchip, also On-Chip realisiert werden.

Claims

Halbleitervorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine Halbleiterschicht (102); eine erste Elektrode (104), die aus einem porösen, durch Sintern eines leitfähigen Granulats erzeugten Sinterkörper gebildet ist und die in oder auf der Halbleiterschicht (102) oder in oder auf zumindest einer über die Halbleiterschicht (102) angeordneten isolierenden Schicht gebildet ist, und wobei die erste Elektrode (104) von der Halbleiterschicht bzw. von der isolierenden Schicht durch zumindest eine Barrierenschicht (110, 112) getrennt ist, wobei die Barrierenschicht (110, 112) eine Diffusion von Metall aus der ersten Elektrode (104) in die Halbleiterschicht (102) unterdrückt; ein dielektrisches Material (106), das eine Oberfläche des porösen, durch Sintern eines leitfähigen Granulats erzeugten Sinterkörpers bedeckt; und eine zweite Elektrode (108), die das dielektrische Material (106) zumindest teilweise bedeckt, wobei das dielektrische Material (106) die zweite Elektrode (108) von der ersten Elektrode (104) elektrisch isoliert.
Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die erste Elektrode (104) in einer Ausnehmung (122) in der Halbleiterschicht (102) oder in einer Ausnehmung in der zumindest einen auf der Halbleiterschicht angeordneten isolierenden Schicht gebildet ist.
Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Barrierenschicht (110, 112) Siliziumnitrid, Titannitrid, Tantalnitrid oder Hafniumnitrid aufweist.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die erste Elektrode (104) mit einer Elektrodenschicht (104a) elektrisch verbunden ist.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Granulat durch Körner einer Korngröße von 10 nm bis 1 μm gebildet wird, die durch ein Sintern zu dem elektrisch leitfähig verbundenen porösen Sinterkörper zusammengewachsen sind.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Granulat durch Körner einer Korngröße von etwa 1 μm bis 10 μm gebildet ist, die durch Sintern zu dem elektrisch leitfähig verbundenen porösen Sinterkörper zusammengewachsen sind; und wobei die Körner der Korngröße von etwa 1 μm bis 10 μm selbst gesinterte, leitfähige, poröse Granulatkörner aus Körnern einer Korngröße von etwa 10 nm bis 1 μm bestehen.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Granulat Niob (Nb), Tantal (Ta) oder Aluminium (Al) aufweist.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das dielektrische Material (106) ein erstes dielektrisches Material aufweist, welches eine Oberfläche des porösen Sinterkörpers bedeckt und ein zweites dielektrisches Material, welches das erste dielektrische Material bedeckt.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das dielektrische Material Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Niobpentoxid (Nb₂O₅) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) aufweist.
Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das zweite dielektrische Material Aluminiumoxid (Al₂O₃) aufweist.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Elektrode (108) ein Metall, ein Elektrolyt oder ein organisches Material ist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aufbringen (200) eines sinterbaren, leitfähigen Granulats (124) in oder auf eine Halbleiterschicht (102) oder in oder auf zumindest einer auf der Halbleiterschicht angeordneten isolierenden Schicht; Erwärmen (204) des sinterbaren, leitfähigen Granulats (124), so dass eine erste Elektrode (104) aus einem porösen, durch Sintern des leitfähigen Granulats erzeugten Sinterkörpers gebildet wird; Ausbilden von zumindest einer Barrierenschicht (110, 112) vor dem Schritt des Aufbringens des sinterbaren, leitfähigen Granualts (124), wobei die Barrierenschicht (110, 112) eine Diffusion von Metall aus der ersten Elektrode (104) in die Halbleiterschicht (102) unterdrückt; Bedecken (206) einer Oberfläche des porösen, durch Sintern des leitfähigen Granulats erzeugten Sinterkörpers mit einem dielektrischen Material (106); und Ausbilden (208) einer zweiten Elektrode (108), die das dielektrische Material (106) zumindest teilweise bedeckt, wobei das dielektrische Material (106) die zweite Elektrode (108) von der ersten Elektrode (104) elektrisch isoliert.
Verfahren gemäß Anspruch 12, das ferner ein Ausbilden einer Ausnehmung (122) in der Halbleiterschicht (102) oder in der zumindest einen auf der Halbleiterschicht angeordneten isolierenden Schicht aufweist, wobei das sinterbare, leitfähige Granulat (124) in der Ausnehmung (122) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem das Ausbilden der zumindest einen Barrierenschicht, so durchgeführt wird, dass die Barrierenschicht (110, 112) Siliziumnitrid, Titannitrid, Tantalnitrid oder Hafniumnitrid aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, das ferner nach dem Ausbilden der zumindest einen Barrierenschicht (110, 112) und vor dem Aufbringen des sinterbaren, leitfähigen Granulats (124) ein Aufbringen einer Elektrodenschicht (104a) aufweist, und bei dem das Erwärmen des sinterbaren, leitfähigen Granulats (124) so durchgeführt wird, dass die erste Elektrode (104) mit der Elektrodenschicht (104a) leitfähig verbunden ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem das Aufbringen des sinterbaren, leitfähigen Granulats (124) so durchgeführt wird, dass das sinterbare, leitfähige Granulat Niob (Nb), Tantal (Ta) oder Aluminium (Al) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem das Erwärmen des sinterbaren, leitfähigen Granulats (124) so durchgeführt wird, dass die erste Elektrode (104) aus dem gesinterten, leitfähigen Granulat durch Körner einer Körnergröße von 10 nm bis 1 μm gebildet wird, die durch das Erwärmen zu dem elektrisch leitfähig verbundenen, porösen Sinterkörper zusammenwachsen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem das Aufbringen des sinterbaren, leitfähigen Granulats (124) durchgeführt wird, indem ein vorgesintertes, leitfähiges, poröses Granulat in oder auf eine Halbleiterschicht (102) oder in oder auf der zumindest einen isolierenden Schicht, die auf der Halbleiterschicht angeordnet ist, aufgebracht wird; wobei die Korngröße des vorgesinterten, leitfähigen, porösen Granulats ungefähr zwischen 1 μm und 10 μm liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem das Aufbringen des sinterbaren, leitfähigen Granulats (124) ein Durchführen einer Siebdrucktechnik umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem das dielektrische Material (106) durch eine anodische Oxidation des Sinterkörpers (124) erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem das Ausbilden der zweiten Elektrode (108) ein Durchführen einer Atomlagenabscheidung (ALD) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 12, das ein Ausbilden einer Vertiefung (122) in der Halbleiterschicht (102) oder in der zumindest einen auf der Halbleiterschicht angeordneten isolierenden Schicht aufweist, wobei das Ausbilden der zumindest einen Barrierenschicht (110, 112) in der Vertiefung durchgeführt wird; und das ferner ein Ausbilden einer Elektrodenschicht (104a) über die zumindest eine Barrierenschicht (110, 112) aufweist; wobei das Aufbringen ein Einbringen des sinterbaren, leitfähigen Granulats (124) in die Vertiefung ist; wobei das Erwärmen des sinterbaren, leitfähigen Granulats (124) so durchgeführt wird, dass die erste Elektrode (104) aus dem porösen, durch Sintern des leitfähigen Granulats erzeugten Sinterkörper, in elektrischen Kontakt mit der Elektrodenschicht (104a) ist; und wobei das Bedecken der Oberfläche des porösen, durch Sintern des leitfähigen Granulats erzeugten Sinterkörpers, mit einem dielektrischen Material (106) durch Oxidieren erfolgt, so dass die Oberfläche des Sinterkörpers mit einer Oxidschicht bedeckt wird; und wobei das Ausbilden einer zweiten Elektrode (108) als ein Abscheiden der zweiten Elektrode mit Hilfeeiner Atomlagenabscheidung (ALD) über die Oxidschicht durchgeführt wird, wobei die Oxidschicht die zweite Elektrode von der ersten Elektrode elektrisch isoliert.
Verfahren gemäß Anspruch 22, das ferner vor dem Abscheiden der zweiten Elektrode (108) ein Ausbilden einer dielektrischen Zwischenschicht, welche die Oxidschicht (106) bedeckt, aufweist, wobei die Oxidschicht (106) und die dielektrische Zwischenschicht die zweite Elektrode (108) von der ersten Elektrode (104) elektrisch isolieren.
Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23, bei dem das Aufbringen des sinterbaren, leitfähigen Granulats (124) so durchgeführt wird, dass das sinterbare leitfähige Granulat Niob (Nb), Tantal (Ta) oder Aluminium (Al) aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Halbleitervorrichtung eine integrierte Schaltung ist.