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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Kondensatoren und insbesondere auf Kondensatoren, die in einem Halbleitersubstrat integriert sind.
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Integrierte Kondensatoren sind wichtige Elemente bei vielen Halbleitervorrichtungen bzw. Halbleiterbauelementen oder integrierten Schaltungen. Beispielsweise werden integrierte Kondensatoren bei PIN-Schaltern oder -Filtern (PIN = Positiv-Isolierend-Negativ) verwendet. Zudem werden integrierte Kondensatoren bei Speicherzellen in Verbindung mit einem Transistor verwendet, um Dateninformationen in den Speicherzellen zu speichern.
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Ein Aspekt eines Kondensatorentwurfs besteht darin, den Kapazitätswert von Kondensatoren weiter zu erhöhen. Die Kapazität eines Kondensators wird im Allgemeinen ausgedrückt als C = εA/T, wobei ε die Permittivität oder die Elektrizitätskonstante ist, A die Fläche der Kondensatorelektrode ist und T die Isolatordicke ist. Folglich umfassen Möglichkeiten eines Erhöhens der Kapazität ein Erhöhen der Permittivität, z. B. durch ein Verwenden von Materialien mit hohem k, ein Reduzieren der Isolatordicke T und ein Erhöhen der Elektrodenfläche A.
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Typischerweise muss jedoch ein zweiter Aspekt bei einem Kondensatorentwurf berücksichtigt werden: Die Oberflächenfläche, die für die Kondensatorstruktur verfügbar ist, ist begrenzt. Insbesondere bei einem Entwurf einer planaren integrierten Schaltung ist eine spezifische Oberflächenfläche für das Layout oder den Entwurf des Kondensators gegeben, und die Aufgabe besteht darin, beispielsweise einen Kondensator mit maximaler Kapazität unter Verwendung dieser gegebenen Oberflächenfläche des Substrats zu liefern.
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Somit lässt sich die Aufgabe auch als ein Erhöhen oder Optimieren der „spezifischen Kapazität”, d. h. der Kapazität pro Oberflächenfläche, z. B. gemessen in fF/μm2, beschreiben. Die spezifische Kapazität wird auch als „Flächenkapazität” bezeichnet.
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Grabenkondensatoren sind eine Möglichkeit, die spezifische Kapazität zu erhöhen, oder anders ausgedrückt, die Kondensatorfläche A für eine gegebene Substratoberflächenfläche zu erhöhen. Diese Kondensatoren werden durch ein Erzeugen vertikaler oder beinahe vertikaler Gräben oder Grabenstrukturen in einem Halbleitersubstrat hergestellt. Die Kondensatorfläche A ist durch die „Oberflächenfläche” der Gräben innerhalb des Substrats definiert. Da sich die Kondensatorfläche dieser Grabenkondensatoren in die Tiefe des Substrats erstreckt, verbraucht dieselbe weniger laterale oder Oberflächenfläche des Substrats und ermöglicht somit, die spezifische Kapazität zu erhöhen.
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Eine Möglichkeit, um Kondensatoren mit Grabenstrukturen zu erzeugen, besteht darin, das Substrat derart zu ätzen, dass nach dem Ätzen einzelne „Säulen” des Substrats verbleiben, das Substrat einschließlich der Säulen zu dotieren, eine dielektrische Schicht um die Substratsäulen herum aufzubringen und die Grabenstruktur um diese Säulen herum mit einem leitfähigen Material zu füllen. Das Substrat und die Säulen bilden eine Elektrode, wohingegen die gefüllte kontinuierliche Grabenstruktur, die die Säulen umgibt, die zweite oder Gegenelektrode des Kondensators bildet.
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Das
US-Patent 7,030,457 B2 beschreibt eine andere herkömmliche Grabenkondensatorstruktur, bei der mehrere einzelne Gräben eine Elektrode des Kondensators bilden, ein dotiertes Substrat eine zweite Elektrode des Kondensators bildet, und wobei die Gräben von dem dotierten Substrat durch eine dielektrische Schicht isoliert sind. Das
US-Patent 7,030,457 B2 verwendet regelmäßige Muster von Gräben, wobei alle Gräben den gleichen Abstand zwischen einander aufweisen, unabhängig davon, ob ein Substratkontakt zwischen diesen angeordnet ist oder nicht. Zu Dotierungszwecken werden für jeden Substratkontakt drei Gräben geopfert, d. h. erzeugt, aber nicht verbunden.
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Weitere Grabenkondensatorstrukturen werden in der
US 2007/0018748 A1 und der
US 6, 140,199 A beschrieben. In der
US 2007/0018748 A1 sind die Substratkontakte durch Gräben gebildet. In der
US 6, 140,199 A sind die Substratkontakte seitlich zu dem Grabenfeld vorgesehen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung, einen Chip und ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch eine integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, durch einen Chip gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Ausführungsbeispiele sind hierin unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1A eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kondensators;
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1B einen Querschnitt A-A' des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1A;
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1C eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kondensators;
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1D einen Querschnitt von B-B' des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 1C;
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1E eine Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Kondensators;
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1F eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Kondensators;
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1G ein erstes Ausführungsbeispiel zum Kontaktieren der Grabenelektroden und Substratelektroden eines Ausführungsbeispiels gemäß 1E;
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1H ein zweites Ausführungsbeispiel zum Kontaktieren der Grabenelektroden und der Substratelektroden für ein Ausführungsbeispiel des Kondensators gemäß 1E;
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1I eine schematische Querschnittsansicht des Verlaufs der Dotierungskonzentration innerhalb des Substrats;
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1J einen schematischen Graphen einer möglichen Substrattiefe in Abhängigkeit von dem Grabendurchmesser;
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1K ein Ausführungsbeispiel gemäß 1C mit kurzen Abständen durch Mittelpunkte;
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2A eine erste Verbindungsstruktur zum Verbinden eines Kondensators über eine einzige leitfähige Schicht;
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2B eine zweite Verbindungsstruktur zum Verbinden eines Kondensators über zwei leitfähige Schichten;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines Grabenkondensator-Layouts auf der Basis einer 6/1-Zelle;
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4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Grabenkondensator-Layouts unter Verwendung einer 6/1-Zelle;
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5 ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators mit einem Layout unter Verwendung einer 4/3-Zelle und einer einzigen Metallisierung;
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6 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kondensators unter Verwendung eines Layouts mit einer 4/3-Zelle und einer einzigen Metallisierung;
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7 ein Ausführungsbeispiel des Kondensators mit einem Layout unter Verwendung einer 7/3-Zelle und einer einzigen Metallisierung;
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8 ein Ausführungsbeispiel gemäß 7, wobei das Muster des zweiten Leiters eine gerade Leiterlinie ist;
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9 ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators auf der Basis eines Layouts mit einer 24/1-Zelle;
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10 ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß 9;
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11 eine Weiterentwicklung der in 5 gezeigten 4/3-Zelle;
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12 ein anderes Ausführungsbeispiel des Kondensators gemäß 11;
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13 ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators mit einem Layout auf der Basis einer „Bite-it-Zelle” (Abbeißzelle);
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14 ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß 13 mit zwei Metallisierungsschichten;
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15 ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators mit einem Layout auf der Basis einer „Kante-in-Kante-Zelle”; und
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16 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kondensators mit hoher Kapazität.
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Gleiche oder äquivalente Elemente sind in der folgenden Beschreibung der Figuren durch gleiche oder äquivalente Bezugszeichen bezeichnet.
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1A zeigt eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kondensators 100 und 1B zeigt einen Querschnitt A-A' des Ausführungsbeispiels gemäß 1A.
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1A und 1B zeigen ein Ausführungsbeispiel des Kondensators 100, der ein Substrat 110, wobei ein dotierter Bereich 112 des Substrats 110 eine erste Elektrode des Kondensators 100 bildet, eine Mehrzahl von Gräben 120, die in dem dotierten Bereich 112 des Substrats 100 angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von Gräben 120 eine zweite oder Gegenelektrode des Kondensators 100 bilden, eine elektrisch isolierende Schicht oder dielektrische Schicht 114, die zwischen jedem der Mehrzahl von Gräben zum elektrischen Isolieren der Gräben 120 von dem dotierten Bereich 112 angeordnet ist, und zumindest einen Substratkontakt 116 oder eine Substratkontaktstruktur 116 zum elektrischen Verbinden des dotierten Bereichs 112 aufweist. Obwohl derselbe nicht innerhalb des Querschnitts A-A' liegt, ist der Substratkontakt 116 in 1B zu Veranschaulichungszwecken unter Verwendung gestrichelter Linien gezeigt.
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Die dotierten Bereiche 112 von Ausführungsbeispielen des Kondensators weisen einen ersten offenen Bereich A1 (siehe schraffierte Bereiche in 1A), der zwischen benachbarten oder angrenzenden Gräben 120 der Mehrzahl von Gräben angeordnet ist, und zumindest einen zweiten offenen Bereich A2 auf, der zwischen benachbarten oder angrenzenden Gräben 120 der Mehrzahl von Gräben angeordnet ist, wobei der zumindest eine zweite offene Bereich A2 unterhalb des zumindest einen Substratkontakts 116 angeordnet ist. Der offene Bereich einzelner Gräben 120 ist durch das Bezugszeichen A3 bezeichnet.
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Der Begriff „offener Bereich” wird verwendet, um einen lateralen Bereich oder einen Bereich eines lateralen oder horizontalen Querschnitts typischerweise an oder nahe der Ebene der Oberfläche des Substrats 110 zu beschreiben.
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Die zuvor erwähnten benachbarten Gräben können als durch ein Umgeben des ersten oder zweiten offenen Bereichs definiert angesehen werden, oder umgekehrt können die zuvor erwähnten benachbarten Gräben „Ecken” des ersten und des zweiten offenen Bereichs bilden und somit die Begrenzungslinie des ersten und zweiten offenen Bereichs definieren.
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Punkte oder Segmente von Begrenzungslinien der benachbarten Gräben bilden Punkte oder jeweilige Segmente einer Begrenzungslinie des ersten und zweiten offenen Bereichs.
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Zwei Gräben werden als benachbarte Gräben bezeichnet, falls kein anderer Graben zwischen diesen zwei Gräben angeordnet ist oder falls diese zwei oder sogar mehr Gräben lediglich durch einen ersten oder zweiten offenen Bereich getrennt sind.
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Die Bezugszeichen d1-1, d1-2 beziehen sich auf erste Abstände zwischen Gräben 120, die durch einen der ersten offenen Bereiche A1 getrennt sind, und die Bezugszeichen d2-1, d2-2 beziehen sich auf zweite Abstände zwischen Gräben 120, die durch einen der zweiten offenen Bereiche A2 getrennt sind.
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Ausführungsbeispiele des Kondensators 100 weisen erste offene Bereiche A1 und zumindest einen zweiten offenen Bereich A2 auf, wobei der kürzeste erste Abstand, z. B. d1-1 in 1A, der ersten Abstände, z. B. d1-1 und d1-2 in 1A, kürzer als der kürzeste zweite Abstand (siehe 1A und 1B), z. B. d2-1 in 1A, der zweiten Abstände, z. B. d2-1 und d2-2 in 1A, zwischen benachbarten Gräben 120 ist, die durch den zumindest einen zweiten offenen Bereich A2 getrennt sind.
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Der Reihenwiderstandswert der ersten Elektrode, die durch den dotierten Bereich 112 des Substrats 110 gebildet ist, kann durch Modifizieren des offenen Bereichs des Substratkontakts 116 selbst, der Fläche des offenen Bereichs A2, d. h. durch Erhöhen der „Leitungsquerschnittsfläche” mit Betracht auf den eher „vertikalen” Stromfluss, und durch Modifizieren des ersten und des zweiten Abstands d1, d2 der benachbarten Gräben 120, z. B. durch Erhöhen der „Leitungsquerschnittsflächen” in Anbetracht des eher „lateralen” Stromflusses durch den Zwischenraum der benachbarten Gräben hindurch, eingestellt werden. Ein weiterer Parameter zum Einstellen des Reihenwiderstandswerts der ersten Elektrode ist die maximale Länge oder Strecke zwischen irgendeinem Punkt des dotierten Substrats und dem nächsten Substratkontakt 116 desselben. Durch Verringern dieser Strecke kann auch der Reihenwiderstandswert verringert werden.
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Wie es durch die Punkte in 1A gezeigt ist, kann die in 1A gezeigte Struktur in irgendeiner der Richtungen wiederholt werden, um Kondensatoren mit hohen Kapazitätswerten zu bilden.
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Es ist ferner zu beachten, dass die Gräben 120 in unterschiedlichen Mustern angeordnet sein können, typiacherweise regelmäßigen Mustern, aber nicht regelmäßige Muster sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann der erste offene Bereich A1 auf der linken Seite sich von dem ersten offenen Bereich A1 auf der rechten Seite unterscheiden und können sich die ersten Abstände d1-1, d1-2 auf der linken Seite von den ersten Abständen der benachbarten Gräben auf der rechten Seite des zweiten Querschnitts A2 unterscheiden.
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Es ist ferner zu beachten, dass die benachbarten Gräben, die durch den ersten Querschnitt A1 und den zweiten Querschnitt A2 getrennt sind, angeordnet sein können, um anstelle der rechteckigen offenen Bereiche A2, A1 irgendeinen anderen offenen Bereich zu bilden, beispielsweise einen quadratischen, dreieckigen, siebeneckigen, sechseckigen offenen Bereich oder irgendeinen beliebigen offenen Bereich, wobei 3, 4, 5 oder sogar mehr Gräben die Ecken der offenen Bereiche definieren.
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Alternativ zu den kreisförmigen offenen Bereichen der einzelnen Gräben 120 können Gräben der Ausführungsbeispiele des Kondensators 100 irgendeine andere Form zeigen, beispielsweise dreieckige, rechteckige Formen oder irgendeine andere Form.
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Typische Maße zum Vergleichen unterschiedlicher Grabenkondensatortechnologien oder Grabenkondensatorstrukturen sind neben der spezifischen Kapazität die Grabentiefe, das Seitenverhältnis, die obere kritische Abmessung und die untere kritische Abmessung. Die obere kritische Abmessung ist die minimale laterale Abmessung auf der Substratoberflächenebene und die untere kritische Abmessung ist die minimale laterale Abmessung an dem unteren Ende des Grabens. Das Seitenverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Tiefe eines Grabens und der minimalen lateralen Dimensionierung der Öffnung oder des offenen Bereichs an der Oberfläche des Grabens, d. h. auf der Substratoberflächenebene.
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Herkömmliche Grabenkondensatoren, die z. B. für einen DRAM (Dynamic Random Access Memory = dynamischer Direktzugriffsspeicher) verwendet werden, weisen eine mittlere Grabentiefe, aber ein hohes Seitenverhältnis auf.
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Andere herkömmliche Grabenkondensatorherstellungsprozesse unter Verwendung von z. B. isotropem Ionenätzen können hinsichtlich kreisförmiger Gräben mit einem Durchmesser ihres offenen Bereichs in dem Bereich von 1 μm eine höhere Grabentiefe verglichen mit DRAM-Gräben erreichen, was zu einem zweistelligen oder noch höheren Seitenverhältnis führt.
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Ausführungsbeispiele des Kondensators 100 und weiterer, später beschriebener Kondensatoren werden insbesondere auf der Basis eines tiefen reaktiven Ionenätzens (deep reactive ion etching) erzeugt, was es ermöglicht, tiefe Gräben mit Tiefen von Vielfachen von 10 um zu erzeugen, z. B. tiefer als 30 μm. Ferner liefern diese Ausführungsbeispiele Seitenverhältnisse gemäß der verwendeten Option.
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1J zeigt ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Verlaufs der Abhängigkeit der möglichen Tiefe 1002 von dem Durchmesser 1004 des Grabens, d. h. die Zunahme der möglichen Tiefe mit zunehmendem Durchmesser des Grabens.
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1C zeigt eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Kondensators 200 und 1D zeigt einen Querschnitt B-B' des Ausführungsbeispiels gemäß 1C.
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1C und 1D zeigen ein matrixähnliches Muster oder eine Anordnung von Gräben 120, d. h. Gräben, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind, wobei z. B. das Bilden eines Grabens beispielsweise durch Verwenden einer geeigneten Maske während des Herstellungsprozesses weggelassen wurde.
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Der Bereich zwischen den Gräben 120, die den „weggelassenen Graben” umgeben, bildet den zweiten offenen Bereich A2, wohingegen die offenen Bereiche A1-1, A1-2, A1-3 erste offene Bereiche bilden. Der zweite offene Bereich ist unterhalb eines Substratkontakts 116 angeordnet und elektrisch mit dem Substratkontakt 116 verbunden, zum Herstellen einer Verbindung mit dem dotierten Bereich 112, der die erste Elektrode des Kondensators 200 bildet.
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1C zeigt ein Layout, bei dem die offenen Bereiche der Gräben 120 eine quadratische Form aufweisen und bei dem alle ersten Abstände d1-1 und d1-2 gleich sind und bei dem alle zweiten Abstände d2-2 und d2-2 gleich sind.
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Ähnlich Ausführungsbeispielen des Kondensators gemäß 1A und 1B ist der kürzeste erste Abstand, beispielsweise d1-1, kürzer als der kürzeste zweite Abstand, beispielsweise d2-1.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen des Kondensators 200, der in 1C gezeigt ist, können sich die Abstände d1-1 von d1-2 unterscheiden und können sich d2-1 von d2-2 unterscheiden. Ferner können die offenen Bereiche der Gräben 120 von rechteckiger, dreieckiger oder blasenartiger Form sein und können irgendeine andere Form aufweisen, wie es erläutert wird.
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Weitere Ausführungsbeispiele des Kondensators 200 können auf Matrizen irgendeiner Anzahl von Spalten und Zeilen oder irgendwelchen anderen regelmäßigen Mustern von Gräben beruhen, wobei bestimmte Gräben weggelassen sind, um den dotierten Bereich des Substrats, der die erste Elektrode bildet, über zumindest einen Substratkontakt und zumindest einen entsprechenden zweiten offenen Bereich A2 elektrisch zu verbinden. Weitere Ausführungsbeispiele können irgendeine Anzahl von Substratkontakten 116 und jeweiligen zweiten offenen Bereichen A2 aufweisen.
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Ausführungsbeispiele des Kondensators 200 ermöglichen ein sehr dichtes Packen der Gräben und ermöglichen eine sehr hohe spezifische Kapazität, wie es im Folgenden erläutert wird.
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Der quadratische offene Bereich der Gräben ermöglicht ein dichteres Packen der Gräben verglichen mit z. B. kreisförmigen Gräben, da die absoluten Flächenwerte der ersten offenen Bereiche A1 reduziert werden können und auch das Verhältnis zwischen den Flächenwerten der ersten offenen Bereiche A1 und der zweiten offenen Bereiche A2 und/oder der offenen Grabenbereiche reduziert werden kann.
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Der quadratische offene Bereich ermöglicht ein dichteres Design verglichen mit z. B. kreisförmigen Gräben. Deshalb sind mehr tiefe Gräben pro Oberflächenfläche möglich.
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Zusätzlich kann das Verhältnis des Umfangs der offenen Bereiche der Gräben 120 im Hinblick auf die Substratoberfläche verglichen mit Graben mit kreisförmigen Formen offener Bereiche durch ein Verwenden derartiger quadratischer Formen von offenen Bereichen für die Gräben weiter erhöht werden.
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Schließlich ermöglichen alle zuvor erwähnten Aspekte es, die spezifische Kapazität der Kondensatorstruktur weiter zu erhöhen.
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Ferner ist eine ausreichende Dotierung des Substrats 110 innerhalb der ersten offenen Bereiche A1 ermöglicht, wie es anhand von 1I erläutert wird.
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Der obere Teil von 1I zeigt ein Schema der Dotierung 1010 eines Substrats 1012 über Gräben 1014 (Dotierung in das Substrat – siehe Pfeile). Das Bezugszeichen 1016 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration beginnend von der Begrenzungslinie der zwei Gräben 1014, die sich mit zunehmender Tiefe oder Strecke weg von der Begrenzungslinie des Grabens verringert. Das Bezugszeichen 1016' bezieht sich auf die minimale Dotierung der Mitte zwischen den zwei Gräben. Deshalb kann eine spezifische Dotierungskonzentration innerhalb des Substrats 1012 durch Erhöhen der Dotierungskonzentration, die innerhalb des Dotierungsschritts geliefert wird, was auch die Produktionskosten erhöht, oder durch Verringern des Abstands 1018 zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Gräben oder durch eine Kombination von beidem erreicht werden. Der mittlere Teil von 1I zeigt eine Draufsicht eines rechteckigen zweiten offenen Bereichs, z. B. A1-1 (siehe schraffierten Bereich des mittleren Teils von 1I), der durch benachbarte Gräben 120 mit einem quadratischen offenen Bereich gemäß 1C und den Verlauf der minimalen Dotierung 1016' gemäß dem oberen Teil von 1I definiert ist. Der untere Teil von 1I zeigt zum Vergleich den Verlauf 1016'' der Dotierungskonzentration äquivalent zu der Dotierung 1016 für benachbarte Gräben 120 mit kreisförmigen offenen Bereichen und einem Teil 1016''' des ersten Bereichs A1, der sogar eine noch geringere Dotierungskonzentration als 1016' aufweist (siehe schraffierten Bereich in dem unteren Teil von 1I). Es ist ersichtlich, dass durch Verwenden quadratischer offener Bereiche für die Gräben 120 ein größerer Anteil des zweiten offenen Bereichs A2 zwischen zwei geraden Begrenzungslinien von gegenüberliegenden benachbarten Gräben 120 angeordnet ist, was eine ausreichende Dotierung des dotierten Bereichs ermöglicht und es somit möglich macht, den Reihenwiderstandswert des dotierten Bereichs 112 zu verringern.
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Obwohl 1C ein Ausführungsbeispiel mit Gräben mit quadratischen offenen Bereichen zeigt, können ähnliche Wirkungen einer erhöhten Kapazität und eines verringerten Reihenwiderstandswerts auch durch Verwenden anderer kompakter Formen für die offenen Bereiche der Gräben erreicht werden, z. B. rechteckiger, dreieckiger, zigarrenförmiger oder blasenförmiger Formen oder anderen. Einige dieser alternativen Formen und die Wirkungen derselben werden später ausführlicher erörtert.
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Über die zuvor erwähnten Wirkungen hinaus können Ausführungsbeispiele des Kondensators 200 durch Auswählen der Anzahl von Gräben 120, die weggelassen werden sollen oder, anders ausgedrückt, durch Substratkontakte 116 ersetzt werden sollen, ohne weiteres entworfen werden, um spezifische Anforderungen einer hohen Kapazität zu erfüllen, wie es in 1C gezeigt ist. Je niedriger die Anzahl von „weggelassenen Gräben” oder Substratkontakten, desto mehr Gräben erhöhen die Gesamtkapazität des Kondensators 200. Für Entwürfe mit maximaler Kapazität wird lediglich ein Substratkontakt für 50, 100 oder sogar mehr als 200 Gräben verwendet. Die Positionen der Substratkontakte sind ausgewählt, derart, dass der maximale Abstand zwischen einem Graben 200 und dem nächsten Substratkontakt 116 minimiert ist.
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Im Allgemeinen weisen Ausführungsbeispiele des Kondensators 200 ein Grabenraster mit Rasterpunkten auf, wobei die Gräben an den Rasterpositionen angeordnet sind, die durch das Grabenraster definiert sind, und wobei zumindest ein zweiter offener Bereich oder Substratkontakt an einer Position des Grabenrasters anstelle eines Grabens angeordnet ist. Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind Mittelpunkte von offenen Bereichen der Gräben und ein Mittelpunkt des zumindest einen zweiten offenen Bereichs an den Positionen des Grabenrasters angeordnet.
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Das Grabenraster kann eine Matrix mit Zeilen oder Spalten sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Grabenraster parallele Zeilen oder Sparen aufweisen, wobei die benachbarten Spalten oder Zeilen mit Bezug aufeinander verschoben sind, wie es beispielsweise für kreisförmige Gräben verwendet wird. Andere regelmäßige Raster sind ebenfalls möglich.
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Durch Erhöhen der Anzahl von Substratkontakten 116 pro gegebener Anzahl von Gräben 120 wird die Kapazität reduziert, wird jedoch der Reihenwiderstandswert verringert und somit die Qualität des Kondensators erhöht.
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Basierend auf dem zuvor erwähnten Konzept können deshalb Ausführungsbeispiele von Kondensatoren 200, die unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Kapazität und/oder Qualität erfüllen, ohne weiteres und flexibel entworfen und hergestellt werden.
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1E zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel 300 des Kondensators, der eine Matrix von Spalten und Zeilen von Gräben 120 oder 120 in einer „L-Form” aufweist. Der offene Bereich der Gräben kann als quadratisch beschrieben werden, wobei kleinere Quadrate an einer Ecke der größeren Quadrate ausgeschnitten wurden. Die Gräben 120 bzw. die Zwischenräume oder Auslassungen in der Form kleinerer Quadrate sind angeordnet, derart, dass die letzteren einen großen zweiten offenen Bereich A2 liefern, wobei der kürzeste erste Abstand, einer von d1-1 bis d1-5, kürzer als der kürzeste zweite Abstand, beispielsweise d2-1, des zweiten offenen Bereichs A2 ist.
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Ausführungsbeispiele des Kondensators 300 kombinieren die Wirkung hoher Packungsverhältnisse von Gräben mit der Wirkung von Gräben, die große Umfänge offener Bereiche und folglich große Grabenoberflächenflächen aufweisen. Somit sind große spezifische Kapazitäten möglich.
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Bei Ausführungsbeispielen gemäß 1E weisen die quadratischen Gräben 120 eine Quadratauslassung auf und weisen den gleichen Umfang wie die „ursprünglichen Quadrate” (siehe z. B. 1C) ohne Auslassung auf.
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Obwohl 1E quadratische Gräben mit quadratischen Auslassungen zeigt, können alternative Ausführungsbeispiele quadratische Gräben mit rechteckigen Auslassungen oder Auslassungen einer anderen Form aufweisen, oder Gräben 120 einer anderen Form, beispielsweise Rechtecke, Kreise etc., mit quadratischen rechteckigen Auslassungen oder Auslassungen in irgendeiner anderen Form aufweisen, um die gleichen Vorteile oder ähnliche zu erreichen, wie es anhand von 1E beschrieben ist.
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Allgemein gesagt weisen Ausführungsbeispiele des Kondensators 300 eine Mehrzahl von Gräben auf, wobei zumindest zwei Gräben 120 der Mehrzahl von Gräben einen offenen Bereich A3 aufweisen, wobei ein Teil A4 des offenen Bereichs A3 ausgeschnitten ist (siehe Strichpunktlinie, auch später in 2I), und wobei zumindest zwei Gräben angeordnet sind, derart, dass die ausgeschnittenen Teile A4 zueinander hin gerichtet sind und einen Teil des zumindest einen zweiten offenen Bereichs A2 bilden.
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Weitere Ausführungsbeispiele weisen Gräben 120 mit einem offenen Bereich mit einer geometrischen Grundform auf, z. B. einem Kreis, einem Dreieck, einem Rechteck, eiem Quadrat, einem Siebeneck oder einem Sechseck, und wobei die Teile A4 aus diesen geometrischen Grundformen ausgeschnitten sind.
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1F zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Kondensators 300' mit Gräben 120, das dem Ausführungsbeispiel des Kondensators 300 gemäß 1E ähnlich ist. Die Gräben 120 weisen Bereiche mit zwei Auslassungen an gegenüberliegenden Seiten auf, wobei die Gräben 120 und die jeweiligen Auslassungen angeordnet sind, derart, dass die Auslassungen zweite offene Bereiche A2 bilden.
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Obwohl Ausführungsbeispiele des Kondensators 300 Gräben mit einer Auslassung zeigen, zeigen Ausführungsbeispiele des Kondensators 300' gemäß 1F Gräben mit zwei Auslassungen und können alternative Ausführungsbeispiele des Kondensators drei oder mehr Auslassungen an verschiedenen Positionen aufweisen, um die gleichen oder ähnliche Wirkungen zu erzielen, wie es anhand der 1A und 1F beschrieben ist.
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Zu Zwecken einer Klarheit und Lesbarkeit der Figuren wurden lediglich einigen ersten und zweiten Abständen und lediglich einigen ersten und zweiten offenen Bereichen Bezugszeichen zugewiesen und wurden dieselben schraffiert.
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1G und 1H zeigen Ausführungsbeispiele des Kondensators 300, die zusätzlich Grabenkontakte 126 oder Grabenkontaktstrukturen 126 zum elektrischen Verbinden der Gräben 120 aufweisen.
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In 1G sind die Grabenkontaktstrukturen 126 in dem Mittelpunkt oder der Mitte der einzelnen Gräben 120 angeordnet. Die Gräben 120 werden über die Grabenkontaktstrukturen 126 mit einer zweiten Leiterstruktur 128 in Kontakt gebracht, beispielsweise einer lateralen zweiten Leiterstruktur 128. Der dotierte Bereich 112 des Substrats 100 ist über die Substratkontakte 116 oder Substratkontaktstrukturen 116 mit zumindest einer ersten Leiterstruktur 118 verbunden, beispielsweise einer lateralen ersten Leiterstruktur 118.
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Die erste Leiterstruktur 118 und die zweite Leiterstruktur 128 können beispielsweise, wie es in 1F gezeigt ist, parallel und in der gleichen Schicht des Kondensators angeordnet sein. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können sich die erste Leiterstruktur und die zweite Leiterstruktur 128 in unterschiedlichen Schichten des Kondensators befinden und können beispielsweise parallel oder orthogonal zueinander oder in irgendeiner anderen Richtung zueinander angeordnet sein.
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Die Leiterstrukturen 118, 128 haben einen großen Einfluss auf den Entwurf, und die mögliche Packungsdichte als minimale Abstände zwischen den zwei Leiterstrukturen muss betrachtet werden, insbesondere wenn beide Leiterstrukturen 118, 128 in der gleichen Schicht und parallel zueinander angeordnet sind. 1G zeigt den Abstand dc zwischen den zwei Leiterstrukturen 118 und 128.
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1H zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kondensators 300, der Grabenkontaktstrukturen 116 aufweist, die von der Mitte des offenen Bereichs des Grabens 120 zu der Begrenzungslinie des offenen Bereichs des Grabens 120 hin bewegt sind. Diese „bewegte” Position kann auch als asymmetrische oder exzentrische Position der Grabenkontaktstrukturen 116 bezeichnet werden und ermöglicht es, die Abstände zwischen den Gräben zu reduzieren, oder anders ausgedrückt, die Packungsdichte der Gräben 120 zu erhöhen, während immer noch ein ausreichender Abstand dc (siehe 1H) zwischen der ersten Leiterstruktur 118 und der zweiten Leiterstruktur 128 beibehalten wird. Wie es aus 1H zu erkennen ist, können ferner zwei benachbarte oder angrenzende Zeilen von Gräben 120 durch eine Leiterstruktur 128 verbunden sein, die lediglich etwas breiter als die zweite Leiterstruktur 128 ist, die in 1G für eine Zeile von Gräben gezeigt ist. Um somit zusätzlich die Packungsdichte zu erhöhen, kann Produktionsmaterial verringert werden.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist der kürzeste zweite Abstand ein kürzester Abstand zwischen den benachbarten Gräben der Mehrzahl von Gräben, die durch den zumindest einen zweiten offenen Bereich getrennt sind, durch eine gerade Linie durch einen Mittelpunkt des Substratkontakts, und ist der kürzeste erste Abstand ein kürzester Abstand zwischen den benachbarten Gräben der Mehrzahl von Gräben, die durch einen ersten offenen Bereich getrennt sind, durch eine gerade Linie durch einen Mittelpunkt des ersten offenen Bereichs, wie es anhand von 1K erläutert wird.
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1K entspricht 1C und zeigt zusätzlich die ersten Abstände d1-1, d1-2 durch einen Mittelpunkt der ersten offenen Bereiche und die zweiten Abstände d2-1, d2-2 durch einen Mittelpunkt des Substratkontakts 116, wobei der erste Abstand d1-1 der kürzeste erste Abstand ist, wobei der zweite Abstand d2-1 der kürzeste zweite Abstand ist.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist der kürzeste zweite Abstand der kürzeste Abstand zwischen den benachbarten Gräben der Mehrzahl von Gräben, die durch den zumindest einen zweiten Querschnitt getrennt sind, durch einen Mittelpunkt des zweiten offenen Bereichs, und ist der kürzeste erste Abstand ein kürzester Abstand zwischen den benachbarten Gräben der Mehrzahl von Graben, die durch einen ersten offenen Bereich getrennt sind, durch eine gerade Linie durch einen Mittelpunkt des ersten offenen Bereichs.
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Bei Ausführungsbeispielen gemäß 1C entsprechen der erste und der zweite Abstand diesen, die in 1K gezeigt sind, wenn der Mittelpunkt des Substratkontakts dem Mittelpunkt des zweiten offenen Bereichs entspricht. Bei einem Ausführungsbeispiel mit exzentrischen Substratkontakten beispielsweise jedoch fallen diese Abstände nicht zusammen.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist der minimale Abstand zwischen gegenüberliegenden Seiten des zweiten offenen Bereichs A2 größer als ein minimaler Abstand zwischen gegenüberliegenden Seiten der ersten offenen Bereiche A1.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen des Kondensators ist eine Fläche des zweiten offenen Bereichs A2 größer als eine Fläche der ersten offenen Bereiche A1.
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Im Folgenden sind unterschiedliche Verbindungsstrukturen zum Verbinden der ersten Elektrode, d. h. der Gräben, die auch als eine Grabenelektrode oder obere Elektrode bezeichnet wird, und der zweiten Elektrode, d. h. des dotierten Bereichs des Substrats, die auch als eine Substratelektrode oder eine untere Elektrode bezeichnet wird, beschrieben.
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2A zeigt eine erste Verbindungsstruktur zum Verbinden eines Kondensators 100, 200, 300 über eine einzige leitfähige Schicht, z. B. eine einzige Metallisierungsschicht.
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Wie es in 2A gezeigt ist, sind die Gräben 120 elektrisch über eine leitfähige Platte 142 miteinander verbunden, die beispielsweise innerhalb des gleichen Schritts wie das Füllen der Gräben durch ein Erweitern der Füllung, um die leitfähige Platte 142 zu erzeugen, hergestellt werden kann. Folglich kann die leitfähige Platte 142 das gleiche Material wie das Füllmaterial aufweisen, beispielsweise polykristallines Silizium. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die leitfähige Platte 142 in einem getrennten Schritt und/oder unter Verwendung eines unterschiedlichen Materials hergestellt werden, das sich von dem Füllmaterial unterscheidet, das zum Füllen der Gräben 120 verwendet wird.
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Die leitfähige Platte 142 ist mit einer zweiten Leiterstruktur 128 verbunden, die in der leitfähigen Schicht 140 angeordnet ist.
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Die leitfähige Platte 142 und die zweite leitfähige Struktur 128 sind getrennt und elektrisch isoliert durch eine isolierende Schicht 144, die beispielsweise SiO2 aufweist, und sind über ein Kontaktloch 146, das mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt ist, elektrisch miteinander verbunden.
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Eine Substratkontaktstruktur 116 ist mit einer ersten Leiterstruktur 118 verbunden, die in der leitfähigen Schicht 140 angeordnet ist. Die Substratstruktur 116 und die erste Leiterstruktur 118 sind getrennt und elektrisch isoliert durch die isolierende Schicht 144 und über ein zweites Kontaktloch 148 verbunden, das innerhalb der isolierenden Schicht 144 angeordnet und mit einem leitfähigen Material gefüllt ist.
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Bei typischen Ausführungsbeispielen sind die erste Leiterstruktur 118 und die zweite Leiterstruktur 128 für einen einfacheren Entwurf und eine einfachere Herstellung parallel angeordnet, aber können auch in unterschiedlichen Layouts angeordnet sein.
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Die erste und die zweite Leiterstruktur 118, 128 können beispielsweise verwendet werden, um den Kondensator 100, 200, 300 mit anderen Schaltungselementen zu verbinden, die in das gleiche Substrat 110 integriert sind.
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2B zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verbindungsstruktur zum Verbinden des Kondensators 100, 200, 300, mit einer doppelten Leitschichtstruktur mit einer ersten leitenden Schicht 140 und einer zweiten leitenden Schicht 150.
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Auf dem Substrat ist eine erste isolierende Schicht 144 angeordnet und auf der ersten isolierenden Schicht die erste leitfähige Schicht 140. Die zweite leitfähige Schicht 150 ist auf der ersten leitfähigen Schicht 140 angeordnet, wobei beide leitfähigen Schichten 140, 150 durch eine zweite isolierende Schicht 154 getrennt und elektrisch isoliert sind.
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Eine Substratkontaktstruktur 116 ist mit einem ersten leitfähigen Schichtteil 141 der ersten leitfähigen Schicht 140 über das zweite Kontaktloch 148 verbunden, das innerhalb der ersten isolierenden Schicht 144 angeordnet und mit einem leitfähigen Material gefüllt ist. Die erste leitfähige Schichtstruktur 141 ist mit der ersten Leiterstruktur 118, die in der zweiten leitfähigen Schicht 140 angeordnet ist, durch eine leitfähige Durchkontaktierung 146 verbunden, die in der zweiten isolierenden Schicht 154 angeordnet ist.
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Die Gräben 120 sind mit der zweiten leitfähigen Struktur 128, die in der ersten leitfähigen Schicht 140 angeordnet ist, über erste Kontaktlöcher 146 verbunden, wobei die ersten Kontaktlöcher 146 in der ersten isolierenden Schicht 144 angeordnet und mit einem leitfähigen Material gefüllt sind.
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Die gefüllten Kontaktlöcher 146 bilden z. B. Stöpsel 146, die jeweils einzelne Gräben 120 mit der zweiten Leiterstruktur 128 verbinden. Deshalb stellen dieselben auch Kontakte der Gräben dar.
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Der erste leitfähige Schichtteil 141 und die zweite Leiterstruktur 128, die auch als zweite leitfähige Schichtstruktur 143 der ersten leitfähigen Schicht bezeichnet werden können, sind durch eine erste isolierende Struktur 145 getrennt und elektrisch isoliert. Die erste Leiterstruktur 118 innerhalb der zweiten leitfähigen Schicht 150 ist durch zweite isolierende Strukturen 155 elektrisch getrennt von der anderen ersten Leiterstruktur 118 und/oder anderen möglichen Leiterstrukturen, die in der gleichen zweiten leitfähigen Schicht 150 angeordnet sind.
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2A und 2B zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Verbindungsstrukturen zum Verbinden von Ausführungsbeispielen der Kondensatoren 100, 200, 300. Es ist jedoch ersichtlich, dass andere Verbindungsstrukturen ebenfalls verwendet werden können, um die gleichen Vorzüge zu erreichen. Insbesondere können die leitfähigen Platten 142 gemäß 2A auch in zwei leitfähigen Schichtstrukturen verwendet werden, wie es anhand 2B beschrieben ist, und einzelne Grabenkontakte oder Stöpsel 146 zum Verbinden einzelner Gräben, wie es auf Grundlage von 2B beschrieben ist, können ebenfalls in leitfähigen Einzelschichtstrukturen verwendet werden, wie es anhand 2A beschrieben ist.
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Insbesondere kann eine leitende Platte 142, wie dieselbe in 2A gezeigt ist, auch in zwei leitfähigen Schichtstrukturen verwendet werden, wie es anhand 2B beschrieben ist, um die Mehrzahl von Gräben 120 miteinander zu verbinden. Die Gräben der Mehrzahl von Gräben 120 können jedoch auch einzeln mit der zweiten Leiterstruktur 128 verbunden sein, die in einer leitenden Einzelschichtstruktur angeordnet ist, Wie es auf der Grundlage von 2A beschrieben ist.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann ferner die leitfähige Platte 142 gemäß 2A bereits die zweite Leiterstruktur 128 bilden. In diesem Fall wären keine Kontaktlöcher 146 nötig, um die leitfähige Platte 142 mit einer getrennten leitfähigen Struktur in einer unterschiedlichen Schicht zu verbinden.
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Die leitfähigen Schichten 140 und 150 können als Metallisierung oder Metallisierungsschichten implementiert und/oder auch bezeichnet werden. Folglich können Ausführungsbeispiele mit einer einzigen leitfähigen Schicht auch als Einzelmetallisierung oder Einzelmetall und Ausführungsbeispiele mit zwei leitfähigen Schichten auch als Zweischichtmetallisierung oder Doppelmetall bezeichnet werden.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele des Kondensators beschrieben, wobei sich der Begriff „Zelle” auf einen Grundbaustein oder eine kleinste Einheit des Layouts bezieht, die wiederholt verwendet wird, um den Kondensator zu erzeugen. Die Ausführungsbeispiele der Tiefgrabenzellen, die im Folgenden gezeigt sind, sollen durch den charakteristischen Begriff auf Grundlage der Grabenverteilung zwischen der Anzahl von Gräben 120 und der entsprechenden Anzahl von Substratkontakten 116 pro Zelle bezeichnet sein. Spezifische Zellen erhalten einen beliebigen Begriff.
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Falls nicht anderweitig angegeben, zeigen die folgenden Figuren Draufsichten eines Ausführungsbeispiels der Kondensatoren 100, 200 mit der folgenden Reihenfolge von Elementen oder Schichten von oben nach unten: Teile der zweiten leitfähigen Schicht 150, die Durchkontaktierungen 156, Teile der ersten leitfähigen Schicht 140, die gefüllten Kontaktlöcher 146, 148 und die Gräben 120 (wie anhand 2A und 2B beschrieben).
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Falls nicht anderweitig angegeben, sind ferner die Gräben 120 unter Verwendung gepunkteter Linien mit dicken Punkten gezeigt, sind Teile der ersten Metall- oder ersten leitfähigen Schicht 140 unter Verwendung dicker durchgezogener Linien gezeigt, sind Teile der zweiten Metall- oder zweiten leitfähigen Schicht 150 unter Verwendung gepunkteter Linien mit dünnen Punkten gezeigt, sind die gefüllten Kontaktlöcher 146, 148 innerhalb der ersten isolierenden Schicht 144 unter Verwendung dicker gestrichelter Linien gezeigt und sind die Durchkontaktierungen 156 innerhalb der zweiten isolierenden Schicht 154 unter Verwendung dünner gestrichelter Linien gezeigt.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Grabenkondensator-Layouts auf Basis einer 6/1-Zelle, wobei jede Zelle einen Substratkontakt 116 für sechs Gräben 120 mit einem kreisförmigen offenen Bereich aufweist. 3 zeigt auf der linken oberen Seite das grundlegende Layout der 6/1-Zelle, die die sechs Gräben 120 aufweist, die um eine Substratkontaktstruktur 116 herum angeordnet sind.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kondensators mit zwei Verbindungsschichten oder leitfähigen Schichten (Doppelmetall).
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Wie es aus der rechten Seite von 3 zu erkennen ist, die einen Teil eines Kondensators zeigt, ist das Layout des Kondensators von parallelen Spalten oder Zeilen von Gräben abgeleitet, wobei die benachbarten Spalten oder Zeilen mit Bezug aufeinander verschoben sind, um eine höhere Packungsdickte der Gräben zu ermöglichen.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Kondensatoren auf Basis der 6/1-Zelle, wie es in 3 gezeigt ist, kann der Abstand d2 zwischen den zwei Gräben 320 an gegenüberliegenden Seiten des offenen Bereichs A2 weiter verringert werden, um eine noch höhere Packung von Gräben zu ermöglichen.
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Die Gräben 120 können miteinander über eine leitfähige Platte, wie es in 2A gezeigt ist, oder einzeln mit der leitfähigen Struktur 128 (wie es in 3 und 2B gezeigt ist) verbunden sein.
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Ausführungsbeispiele eines Kondensators unter Verwendung einer 6/1-Zelle können auch eine einzige Metallisierung aufweisen, jedoch würde in diesem Fall der Abstand zwischen der ersten und der zweiten leitfähigen Struktur 118, 128 die Packungsdichte aufgrund der minimalen Abstände begrenzen, die zwischen der ersten und der zweiten Leiterstruktur 118, 128 erforderlich sind. Die Zweischichtmetallisierung, wie dieselbe in 3 gezeigt ist, ermöglicht das Entwerfen von Layouts mit minimalen Abmessungen und Abständen und somit maximaler Packungsdichte.
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3 zeigt ein Layout, bei dem die Gräben oder Zellen in parallelen Spalten und Zeilen angeordnet wurden, die mit Bezug auf die Nachbarspalten oder -zeilen von Gräben derselben verschoben sind, wobei so wellenförmige Spalten gebildet sind, die miteinander durch wellenförmige zweite Leiterstrukturen 128 verbunden sind. Die verschobene Anordnung ermöglicht eine dichtere Packung verglichen mit Spalten und Zeilen von kreisförmigen Gräben, die in einer Matrix ohne Verschiebungen angeordnet sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die Substratkontakte 116 ebenfalls in Spalten oder Zeilen angeordnet, die mit Bezug auf die nächste Spalte oder Zeile von Substratkontakten 116 verschoben sind. 3 zeigt insbesondere ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Spalten von Substratkontakten durch zwei wellenförmige Zeilen von Gräben 120 getrennt sind.
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4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kondensators 100, 200 mit einem Layout unter Verwendung einer 6/1-Zelle ähnlich 3. Im Gegensatz zu 3 sind zwei aufeinander folgende Zeilen oder Spalten von Substratkontakten 116 durch lediglich eine Spalte von Gräben 120 getrennt. Ferner ist der Substratkontakt 116 mit einer gitterähnlichen ersten Leiterstruktur 118 verbunden, die parallele Zeilen in eine Richtung und zusätzlich weitere parallele Leiterzeilen orthogonal zu diesen aufweist.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators 100, 200 mit einem Layout unter Verwendung einer 4/3-Zelle und einer Einzelmetallisierung 140. Die Spalten der Gräben 120 sind durch ein wiederholtes Anordnen von vier Gräben gebildet, die einen Rhombus definieren. Diese Grabenspalten sind durch wellenförmige Zeilen von Substratkontakten 116 getrennt.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen des Kondensators gemäß 5 ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Grabenspalten kleiner als in 5 gezeigt, oder anders ausgedrückt ist die Breite der wellenförmigen Spalte von Substratkontakten kleiner als in 5 gezeigt.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird die 4/3-Zelle zusammen mit einer Zweischichtmetallisierung verwendet. Somit sind keine geschlossenen oder kontinuierlichen Leiterstrukturen nötig und können folglich die Abstände zwischen den Gräben einerseits und zwischen den Gräben 120 und den Substratkontakten 116 weiter reduziert werden, um eine höhere Packungsdichte zu erhalten.
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6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kondensators unter Verwendung eines Layouts mit einer 4/3-Zelle und einer einzigen Metallisierung ähnlich 5. In 6 weist die zweite leitfähige Struktur 128 eine gerade Struktur mit Vorsprüngen auf, um Gräben 620 zu verbinden.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kondensators mit einem Layout unter Verwendung einer 7/3-Zelle mit sieben Gräben und drei Substratkontakten 115 pro Zelle und einer einzigen Metallisierung 140, um die Gräben und die Substratkontakte zu verbinden. Die 7/3-Zelle ist eine Weiterentwicklung der 4/3-Zelle, um das Graben-zu-Substratkontakt-Verhältnis bei Einzelmetallisierungslayouts zu verbessern.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß 7, bei dem das zweite Leitermuster 128 eine gerade Leiterzeile mit Vorsprüngen ist, um Gräben 820 zu kontaktieren.
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9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators auf der Basis eines Layouts mit einer 24/1-Zelle, wie es in der oberen linken Ecke von 9 gezeigt ist. Eine 24/1-Zelle weist ein inneres Sechseck von 5 Gräben 120 und ein äußeres Sechseck von Gräben mit 12 Gräben 120 auf, das das innere Sechseck von Gräben umgibt. Die 24/1-Zelle weist einen Substratkontakt 115 in dem mittleren Bereich des inneren Sechsecks auf. Wie es aus 9 zu erkennen ist, ermöglicht die 24/1-Zelle eine hohe Packung von Gräben mit einem hohen Graben-zu-Substratkontakt-Verhältnis.
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10 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß 9.
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11 zeigt eine Weiterentwicklung der 4/3-Zelle, die in 5 gezeigt ist (zu Vergleichszwecken ist das Ausführungsbeispiel gemäß 5 auch in dem linken mittleren bis unteren Teil von 11 gezeigt). Die Kontakte oder Kontaktlöcher der Gräben 120 sind von der Mitte des Grabens 120 zu dem Umfang desselben hin bewegt oder sind, anders ausgedrückt, exzentrisch angeordnet. Die exzentrische Anordnung der Kontaktlöcher erzeugt eine Verbreiterung der Geometrie, was ermöglicht, den Verlauf der ersten und der zweiten Leiterstruktur 118, 128 zu linearisieren. Eine dichtere Anordnung der Gräben oder, anders ausgedrückt, eine höhere Packungsdichte ist möglich und ein höheres Graben-zu-Substratkontakt-Verhältnis ist möglich.
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Wie es aus dem unteren linken Teil von 11 zu erkennen ist, kann ein minimaler Abstand zwischen zwei parallelen Strukturen 118 und 128 durch Anordnen der Kontaktlöcher auf exzentrische Weise erreicht werden.
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Ein Vergleich zwischen den Ausführungsbeispielen von 11 und 5 zeigt deutlich den Linearisierungseffekt der exzentrischen Anordnung der Kontaktlöcher für sowohl die erste als auch die zweite Leiterstruktur 118, 128.
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12 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Kondensators gemäß 11, bei dem die Substratkontakte durch gerade Leiterstrukturen 118 und die Gräben 120 durch gerade Leiterstrukturen 128 verbunden sind, wobei die geraden Leiterstrukturen 128 kleine Vorsprünge 1120 aufweisen, um die Gräben 120 über die exzentrischen Kontaktlöcher derselben zu verbinden.
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13 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators mit einem Layout auf der Basis einer „Bite-it-Zelle” (Abbeißzelle). Die Grundlage für diesen Zelltyp ist ein „Herunterfalten eines Teils der kreisförmigen Form zu dem Inneren des Kreises hin”. Falls die maximale Auflösung hoch ist, gibt es keinen Verlust einer Oberflächenfläche oder des Umfangs des offenen Bereichs des Grabens und gleichzeitig kann ein genügend Platz und zweiter offener Bereich A2 für den Substratkontakt erzeugt werden.
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Der große offene Bereich des Grabens kombiniert mit der hohen Packungsdichte ermöglicht, die Wirkung der verringerten Grabentiefe aufgrund des reduzierten offenen Bereichs des Grabens zu übertreffen. Zusätzlich ermöglichen derartige Entwürfe hohe Packungsdichten kombiniert mit hohen Anzahlen von Substratkontakten, und somit Kondensatoren mit hoher Kapazität und gleichzeitig hoher Qualität.
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14 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß 13 mit zwei Metallisierungsschichten 140, 150.
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15 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators mit einem Layout auf der Basis einer „Kante-in-Kante-Zelle”, wie es bereits anhand 1E bis 1H beschrieben wurde. Die Grundlage für diesen Zelltyp besteht darin, dass aus Quadraten kleinere Quadrate ausgeschnitten werden, um den wertvollen Bereich für den Substratkontakt zu erhöhen. Dieser Zelltyp garantiert die größte Platzausnutzung und kann mit einer Einzelmetallisierungsstruktur verwendet werden.
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Messungen von Kondensatoren, die einen quadratischen Entwurf verwenden, der von den zuvor erwähnten „Kante-in-Kante-Zellen” abgeleitet ist, waren erfolgreich. Elektrische Messungen zeigten einen erheblichen Anstieg der spezifischen Kapazität (fF/μm2) im Vergleich zu bekannten Entwürfen.
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Ein wesentlicher zusätzlicher Vorteil der quadratischen Zelle ist die Nutzung von lediglich einem weggelassenen Opfergraben pro Bodenplattenkontakt oder Substratkontakt (der Opfergraben wird nicht geätzt, anstelle dessen wird an dieser Position der Substratkontakt platziert) sowie eine erheblich verbesserte Toleranz hinsichtlich einer Fehleinstellung bzw. Fehljustierung.
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16 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators mit einer großen Anzahl von Gräben 120, die über eine leitfähige Platte verbunden sind, wobei der dotierte Bereich des Substrats über einen Substratkontakt 116 pro Zelle verbunden ist (siehe auch 1E). Der Kondensator gemäß 16 ist über eine einzige Metallisierung verbunden, wobei die erste Leiterstruktur 118 parallel zu der zweiten Leiterstruktur 128 angeordnet ist und die leitfähige Platte durch eine große Anzahl von Kontaktlöchern oder Kontakten kontaktiert ist. Insbesondere weisen die Zellen mit der Auslassung (siehe 14 und 15) den Vorteil auf, dass aufgrund des „Einfaltens” der offene Bereich, der für den Substratkontakt nötig ist, in ausreichender Weise erreicht werden kann und gleichzeitig die Substratfläche oder Beschichtungsfläche der Gräben unverändert bleibt, aber gleichzeitig die Qualität oder der Q-Faktor des Kondensators erhöht ist.
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Es ist zu beachten, dass bei den oben erwähnten Ausführungsbeispielen und Layouts Variationen hinsichtlich des Durchmessers der Gräben, des Abstands zwischen der Gräben, der Anzahl von Grabenkontakten und Substratkontakten und der Anordnung von Grabenkontakten und Substratkontakten, sowie Gräben mit kreisförmigen oder eckigen Formen oder kreisförmige oder eckige Formen mit einer Auslassung für den Substratkontakt möglich sind.
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Weitere Ausführungsbeispiele umfassen einen Chip mit einem Substrat, einer integrierten Schaltung, die in das Substrat integriert ist, und einem integrierten Kondensator, der ebenfalls in das Substrat des Chips integriert und mit der integrierten Schaltung verbunden ist. Der integrierte Kondensator kann eines der Ausführungsbeispiele der Kondensatoren sein.
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Ausführungsbeispiele derartiger Chips können z. B. bei Mobilkommunikationsvorrichtungen verwendet werden, die einen großen Bereich von Kapazitätswerten abdecken.
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Im Folgenden werden Verfahren zum Herstellen von Ausführungsbeispielen des Kondensators beschrieben.
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Bei einem ersten Herstellungsschritt wird ein Substrat 110 bereitgestellt und werden die Gräben 120 in dem Halbleitersubstrat 110 durch Ätzen erzeugt. Das Substrat kann aus monokristallinem Silizium gebildet sein, aber andere Materialien sind ebenfalls möglich. Bei einem nachfolgenden Schritt wird der dotierte Bereich 112 beispielsweise durch eine Phosphordotierung des Halbleitersubstrats 110 durch die Oberfläche der Gräben 120 hindurch erzeugt. Zuerst wird eine phosphordotierte Schicht an der Oberfläche der Gräben 120 erzeugt und danach wird der Chip oder das Substrat erwärmt, um eine Diffusion des Phosphors als ein Dotierungsmaterial in das Substrat zu bewirken. Nach diesem Dotierungsschritt wird die phosphordotierte Schicht an der Oberfläche der Gräben 120 durch Ätzen beispielsweise mit HF entfernt.
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Eine typische Dotierung, die während dieses Dotierungsschritts erreicht wird, erreicht eine Dotierungsdichte in einem Bereich größer 1018 cm–3. Somit kann ein dotierter Bereich mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt werden.
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Ein Verwenden der Gräben zum Dotieren stellt sicher, dass eine hohe Dotierung erreicht werden kann, selbst bei tiefen Grabenstrukturen, die sich beispielsweise bis zu Tiefen von mehreren 10 μm erstrecken. Somit kann, verglichen mit einer herkömmlichen Dotierung von der oberen Oberfläche des Substrats aus, selbst in den unteren Bereichen des Substrats eine ausreichende Dotierung erreicht werden, um stark leitfähige dotierte Bereiche oder, anders ausgedrückt, niedrige Reihenwiderstandswerte für den Substratbereich sicherzustellen, der die erste Elektrode des Kondensators bildet.
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In einem nächsten Schritt wird die dielektrische Schicht 114 an der Oberfläche der Gräben 120 und abhängig von der über dem Substrat angeordneten Verbindungsstruktur auch an Teilen der Substratoberfläche aufgebracht.
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Ausführungsbeispiele der dielektrischen Schicht können beispielsweise SiO2, ein Siliziumnitrid oder ONO (Oxid-Nitrid-Oxid-Stapel) aufweisen.
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Danach wird das Füllmaterial in die Gräben 120 eingebracht.
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Bei Ausführungsbeispielen, die leitfähige Platten 142 verwenden, beispielsweise polykristalline Siliziumplatten oder kurz Polyplatten, kann das gleiche Füllmaterial auch verwendet werden, um die leitfähige Platte 142 auf den Gräben und die isolierenden Schichten zu erzeugen, die die leitfähige Platte 142 von dem dotierten Bereich 112 isolieren. Füllmaterialien können Polysilizium oder beispielsweise Wolfram aufweisen. Polykristallines Silizium weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine gute Haftung in einer dielektrischen Schicht aus SiO2 auf. Ferner ist dasselbe auch mit der bekannten Siliziumtechnologie einfach aufzubringen. Es kann jedoch jedes andere elektrisch leitfähige Material als Füllmaterial verwendet werden.
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In weiteren Schritten wird die Verbindungsstruktur, wie es beispielsweise auf der Basis von 2A und 2B beschrieben ist, auf bekannte Weise hergestellt.
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Silizidschichten, die durch einen selbstausgerichteten Silizidprozess gebildet sind, können auf einer Polyplatte, den Gräben als Grabenkontaktstrukturen oder als Substratkontaktstrukturen implementiert sein, weil Silizidschichten einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Füllmaterial, beispielsweise polykristallinem Silizium, und den weiteren Verbindungsstrukturen liefern, wie es auf Grundlage von 2A und 2B beschrieben ist.
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Ausführungsbeispiele des Kondensators werden beispielsweise auf der Basis von tiefem reaktivem Ionenätzen hergestellt. Eine Vielfalt von tiefen reaktiven Ionenätzprozessen sind bekannt, um tiefe Löcher mit steilen Seiten in Gräben und Wafern zu erzeugen.
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Das Halbleitersubstrat 110 kann ein Substrat, das bereits vor einem Herstellen des Kondensators dotiert wurde, oder ein schwach dotiertes Halbleitersubstrat sein, das während des Herstellungsprozesses des Kondensators über die Gräben dotiert wird.
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Der dotierte Bereich des Halbleitersubstrats und die Gräben können beide an der oberen Seite des Substrats kontaktiert werden. Somit ist eine Integration von Ausführungsbeispielen des Kondensators mit anderen Vorrichtungen bzw. Bauelementen oder Schaltungen möglich.
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Ferner kann ein hochohmiges Substrat verwendet werden, das auf eine örtlich begrenzte Weise durch den Graben dotiert sein kann, wobei die Erzeugung einer Isolation zu benachbarten Schaltungsteilen, die in dem Substrat integriert sind, aufgrund der Verwendung des hochohmigen Substrats nicht notwendig ist. Ferner sind dadurch ohmsche Verluste durch elektromagnetische Kopplung minimiert.
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Um das zuvor Erwähnte zusammenzufassen, sehen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einen Kondensator und ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators mit einer möglichst hohen spezifischen Kapazität durch möglichst gutes Nutzen von Layoutverbesserungsmöglichkeiten vor.
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Gegenwärtige Grabenkondensator-Layouts weisen entweder eine Anordnung oder ein Muster von kreisförmigen geometrischen Ableitungen auf, die primär für die Verwendung bei DRAMs (Dynamic Random Access Memory = Dynamischer Direktzugriffsspeicher) entworfen wurden. Weitere bekannte Grabenkondensatoren sind unter Verwendung des zuvor erwähnten anisotropen Ionenätzens hergestellt.
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Die erläuterten Layoutvariationen liefern eine Optimierung der Reihenfolge von Kontakten zu den tiefen Grabenstrukturen und den Metallleiterleitungen 118, 128 und dienen zum Erhöhen der spezifischen Kapazität.
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Abhängig von bestimmten Implementierungsanforderungen der erfindungsgemäßen Verfahren können die erfindungsgemäßen Verfahren Hardware und/oder Software verwenden. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums durchgeführt werden, insbesondere einer Platte, DVD oder einer CD, auf der elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken, ausgeführt.
