DE102012112880B4

DE102012112880B4 - Halbleiterbauelement mit darin integrierter Grabenkondensatorstruktur

Info

Publication number: DE102012112880B4
Application number: DE102012112880.4A
Authority: DE
Inventors: Khanh Tran; Joseph Ellul; Edward Godshalk; Kiyoko Ikeuchi; Anuranjan Srivastava
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2021-12-16
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: DE102012112880A1

Abstract

Halbleiterbauelement (100), umfassend:
ein Substrat (102);
eine Vielzahl von Kondensatorbereichen (138), die in dem Substrat (102) angeordnet sind, wobei jeder Kondensatorbereich (138) eine Vielzahl von darin angeordneten Gräben (104) enthält; und
einen in jedem Graben (104) aus der Vielzahl von Gräben (104) ausgebildeten Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Kondensator (108),
wobei die in einem ersten Kondensatorbereich (138B) aus der Vielzahl von Kondensatoren (108) angeordnete Vielzahl von Gräben (104) zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der in einem zweiten Kondensatorbereich (138A) aus der Vielzahl von Kondensatoren (108) angeordneten Vielzahl von Gräben (104) steht, wobei der zweite Kondensatorbereich (138A) benachbart zum ersten Kondensatorbereich (138B) ist, wobei die Bereiche (136) zwischen Kondensatoren (108) mit einer höheren Dotierstoffkonzentration, jedoch derselben Polarität, wie das Substrat (102) dotiert sind.

Description

Hintergrund
Kondensatoren sind passive Speicherelemente, die in verschiedenen integrierten Schaltungen verwendet werden. Zum Beispiel können Kondensatoren zum Speichern von Ladung, zum Sperren von Gleichstrom, zum Sperren von Störungen, zur DC-DC-Wandlung, zur AC-AC-Wandlung, zum Filtern und so weiter benutzt werden.
Die DE 10 2007 009 383 A1 beschreibt eine Halbleiteranordnung mit einer auf einem Substrat angeordneten integrierten Schaltung. Die integrierte Schaltung ist mit einem Kondensator verbunden, der als monolithische Tiefenstruktur mit mindestens einem Graben ausgebildet ist.
Die US 2008 / 0 291 601A1 beschreibt eine elektronische Vorrichtung mit einem Grabenkondensator, wobei der Grabenkondensator eine alternierende Schichtfolge mit wenigstens zwei dielektrischen und zwei leitenden Schichten aufweist.
Die US 7 034 408 B1 beschreibt eine Speichervorrichtung mit einem DRAM Speicherzellenfeld. Die Wortleitungen des Speicherzellenfeldes sind als vergrabene Wortleitungen ausgeführt, und zusätzlich bestehen die Bitleitungen einschließlich der Bitleitungskontakte aus einem Bitleitungsschichtstapel.
Die WO 2008/ 139 392 A2 beschreibt eine Mehrfach-Grabenkondensatorvorrichtung, die einen Graben in einem Halbleitersubstrat umfasst. Eine Grabenfüllung umfasst mindestens vier elektrisch leitende Kondensator-Elektroden-Schichten.
Die US 2007 / 0 026 632 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines eine Grabens mit abgerundeten Ecken in einem Halbleitersubstrat.
Zusammenfassung
Es sind Halbleiterbauelemente beschrieben, die einen darin integrierten Kondensator enthalten. In einer Ausführungsform enthalten die Halbleiterbauelemente ein Substrat. Das Substrat enthält vielfache Kondensatorbereiche, wie etwa einen ersten Kondensatorbereich und einen zweiten Kondensatorbereich, die einander benachbart sind. Jeder Kondensatorbereich enthält Gräben, die in dem Substrat ausgebildet sind. Ein Metall-Isolator-Metall-Kondensator ist in den Gräben und zumindest teilweise über dem Substrat ausgebildet. Die in dem ersten Kondensatorbereich angeordneten Gräben liegen zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den in dem zweiten Kondensatorbereich angeordneten Gräben.
Figurenliste
Die genaue Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren. Die Verwendung derselben Bezugsnummern an verschiedenen Stellen in der Beschreibung und den Figuren kann auf ähnliche oder identische Elemente hinweisen.

1A ist eine schematische Teil-Schnittansicht, die eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, wobei der Halbleiterwafer einen darin integrierten Kondensator enthält.
1B ist eine schematische Teil-Schnittansicht, die eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, wobei der Kondensator in einer doppelten Kondensatorgestaltung ausgeführt ist.
1C ist eine schematische Draufsicht, die eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, wobei das Halbleiterbauelement eine Vielzahl von Kondensatorbereichen enthält und jeder Kondensatorbereich eine Untergruppierung von Gräben enthält und die Kondensatoren in einer doppelten Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Anordnung konstruiert sind.
1D ist eine schematische seitliche Teil-Schnittansicht des in 1C gezeigten Halbleiterbauelements entlang der Ebene 1D - 1D.
1E ist eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform eines Halbleiterbauelements gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei das Halbleiterbauelement eine Vielzahl von Kondensatorbereichen enthält und jeder Kondensatorbereich eine Untergruppierung von Gräben enthält und die Kondensatoren in einer einfachen Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Anordnung konstruiert sind.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren in einer beispielhaften Ausführungsform zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit einem darin integrierten Kondensator darstellt, wie etwa den in den 1A bis 1D gezeigten Bauelementen.
Die 3A bis 3E sind schematische Teil-Schnittansichten, die die Herstellung eines Halbleiterbauelements, wie etwa des in den 1C und 1D gezeigten Bauelements, gemäß dem in 2 gezeigten Verfahren darstellen.

Genaue Beschreibung
Übersicht
Kondensatorwerte sind direkt proportional zur Fläche des Kondensators. Somit können Kondensatoren mit hohen Werten (z.B. Kondensatoren mit Werten im Nanofarad-[nF-] und Mikrofarad-[µF-]Bereich) ein bedeutendes Ausmaß an Platz auf dem Chip benötigen, wenn sie auf einem Chip integriert werden. Stattdessen können Kondensatoren auf Leiterplatten oder dergleichen integriert sein. Da die Bauelemente jedoch kompakter werden, wird Leiterplattenplatz beschränkt.
Daher sind Techniken beschrieben, um Halbleiterbauelemente mit einer darin integrierten Grabenkondensatorstruktur auszubilden. In einer Ausführungsform enthalten die Halbleiterbauelemente ein Substrat. Das Substrat enthält eine Vielzahl von darin ausgebildeten Kondensatorbereichen, und eine Vielzahl von Gräben ist in den Kondensatorbereichen ausgebildet. (Z.B. sind die Kondensatorbereiche als eine Untergruppierung von Gräben definiert.) Zum Beispiel kann das Substrat einen ersten Kondensatorbereich und einen zweiten Kondensatorbereich enthalten. Die Gräben können ein Aspektverhältnis im Bereich von ungefähr fünfzig zu eins (50:1) bis ungefähr einhundertfünfzig zu eins (150:1) in einigen Ausführungsformen aufweisen. Ein Kondensator ist in den Gräben und zumindest teilweise über dem Substrat ausgebildet. Der Kondensator enthält mindestens eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ausgebildetes dielektrisches Material. Die in dem ersten Kondensatorbereich ausgebildeten Gräben liegen zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den in dem zweiten Kondensatorbereich ausgebildeten Gräben. In einer Ausführungsform kann der Kondensator als einfacher Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Kondensator ausgeführt sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der Kondensator als doppelter MIM-Kondensator ausgeführt sein. Das hier beschriebene Halbleiterbauelement kann die Integration auf dem Chip von Kondensatoren mit Kapazitätsdichten im Bereich von ungefähr dreihundert Femtofarad pro Quadratmikrometer (300 fF/µm²) bis ungefähr zweitausend Femtofarad pro Quadratmikrometer (2000 fF/µm²) ermöglichen.
In der folgenden Beschreibung ist als Erstes ein beispielhaftes Halbleiterbauelement beschrieben. Dann sind beispielhafte Verfahren beschrieben, die verwendet werden können, um das beispielhafte Halbleiterbauelement herzustellen.
Beispielhafte Ausführungsformen
Die 1A bis 1E stellen ein beispielhaftes Halbleiterbauelement 100 gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Wie gezeigt, enthält das Halbleiterbauelement 100 ein Substrat 102. Das Substrat 102 umfasst ein Grundmaterial, das verwendet ist, eine oder mehrere integrierte Schaltungsbauelemente mit verschiedenen Halbleiterfertigungstechniken, wie etwa Photolithographie, Ionenimplantation, Abscheiden, Ätzen und so weiter auszubilden. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Substrat 102 einen Teil eines Siliziumwafers, der in einer Vielzahl von Weisen eingerichtet sein kann. Zum Beispiel kann das Substrat 102 einen Teil eines n-Typ-Siliziumwafers oder einen Teil eines p-Typ-Siliziumwafers umfassen. In einer Ausführungsform kann das Substrat 102 Elemente der Gruppe V (z.B. Phosphor, Arsen, Antimon usw.) umfassen, die geeignet sind, n-Typ-Ladungsträgerelemente zu liefern. In einer weiteren Ausführungsform kann das Substrat 102 Elemente der Gruppe IIIA (z.B. Bor usw.) umfassen, die geeignet sind, p-Typ-Ladungsträgerelemente zu liefern. In einer besonderen Ausführungsform enthält das Substrat 102 einen (P--)-Bereich 103. Jedoch ist in Betracht gezogen, dass andere leitfähige Typen verwendet werden (z.B. ein [P-]-Bereich usw.).
Das Substrat 102 enthält eine Vielzahl von darin ausgebildeten Gräben 104. In Ausführungsformen können die Gräben 104 längliche Gräben sein. Außerdem können in einer Ausführungsform die Ecken 105 der Gräben 104 an den oberen und/oder unteren Ecken angefast oder abgerundet sein, um mechanische Beanspruchung und/oder solche durch elektrische Felder zu reduzieren (z.B. deren Verringerung zu erleichtern). In einer besonderen Ausführungsform können die Gräben 104 in einem zumindest ungefähr fünfundvierzig Grad betragenden Winkel angefast sein. Die Gräben 104 weisen eine Tiefe von ungefähr zwanzig Mikrometern (20 µm) oder mehr auf. Zum Beispiel kann die Tiefe der Gräben 104 ungefähr vierzig Mikrometer (40 µm) betragen. In einer besonderen Ausführungsform kann die Breite jedes Grabens 104 ungefähr fünfhundert Nanometer (500 nm) oder weniger betragen, und die Tiefe jedes Grabens 104 kann ungefähr dreißig Mikrometer (30 µm) betragen. Der Abstand der Gräben 104 kann ungefähr achthundert Nanometer (800 nm) betragen, oder weniger in einigen Anordnungen. Die Länge der Gräben kann zwei Mikrometer (2 µm) bis zwanzig Mikrometer (20 µm) betragen. In einer oder mehreren Ausführungsformen können die Gräben 104 ein Aspektverhältnis von ungefähr fünfzig zu eins (50:1) bis ungefähr einhundertfünfzig zu eins (150:1) aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Aspektverhältnis im Bereich von ungefähr fünfundsiebzig zu eins (75:1) bis ungefähr einhundertfünfundzwanzig zu eins (125:1) liegen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann das Aspektverhältnis im Bereich von ungefähr einhundertfünfundzwanzig zu eins (125:1) bis ungefähr einhundertfünfzig zu eins (150:1) liegen. Die Gräben 104 dienen dazu, zu ermöglichen, dass darin ein Kondensator mit einer Kapazitätsdichte von bis zu ungefähr zweitausend Femtofarad pro Quadratmikrometer (2000 fF/µm²) ausgebildet wird, wie hier beschrieben. In einer Ausführungsform ermöglichen die darin angeordneten Gräben 104, dass ein anschließender (N+)-Diffusionsbereich 106 nahegelegen zu den Gräben ausgebildet wird. Der (N+)-Diffusionsbereich 106 ist über dem (P--)-Bereich 103 des Substrats 102 angeordnet (siehe 1A und 1B).
Wie in den 1A und 1B gezeigt, enthält das Halbleiterbauelement 100 einen in den Gräben 104 ausgebildeten Kondensator 108. In Ausführungsformen ist der Kondensator 108 ein einfacher Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Kondensator (1A) oder ein doppelter MIM-Kondensator (1B). Zum Beispiel enthält der einfache MIM-Kondensator (z.B. der in 1A gezeigte Kondensator 108) eine erste Elektrode 110, eine zweite Elektrode 112 und eine Dielektrikumsschicht 114, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 110, 112 angeordnet ist. Die erste und die zweite Elektrode 110, 112 umfassen ein leitfähiges Material, wie etwa Titannitrid (TiN), dotiertes Polysilizium oder dergleichen. Die Dielektrikumsschicht 114 kann aus isolierenden Materialien bestehen, wie etwa Siliziumdioxid (SiO₂), Silizumnitrid (SiN) oder dergleichen sowie Klassen von Materialien mit hohem k, wie etwa Zirkondioxid (ZrO₂), Erbiumdioxid (ErO₂), Hafniumdioxid (HfO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder dergleichen. Die Dielektrikumsschicht 114 kann eine kombinierter Mehrschichtstapel der obigen dielektrischen Materialien sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Dielektrikumsschicht 114 ein Material mit hohem k, wie etwa alternierende Schichten von Hafniumdioxid (HfO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder dergleichen. Das Verhältnis von HfO₂ zu Al₂O₃ kann so gewählt sein, dass gewünschte dielektrische Dielektrizitätskonstante und elektrischer Durchschlag erzielt werden. Der (N+)-Diffusionsbereich 106 sieht einen Nebenschlusspfad niedrigen Widerstands über den Kondensator für die erste Elektrode vor und kann auch dazu dienen, den Kondensator 108 von anderen, in dem Substrat 102 ausgebildeten Bestandteilen (z.B. Kondensatoren, integrierten Schaltungen usw.) elektrisch zu trennen.
Der doppelte MIM-Kondensator (z.B. der in 1B gezeigte Kondensator 108) enthält eine erste Elektrode 116, eine zweite Elektrode 118 und eine dritte Elektrode 120. Der doppelte MIM-Kondensator enthält auch eine erste Dielektrikumsschicht 122, die zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 angeordnet ist, sowie eine zweite Dielektrikumsschicht 124, die zwischen der zweiten Elektrode 118 und der dritten Elektrode 120 angeordnet ist. Die Elektroden 116, 118, 120 umfassen ein leitfähiges Material (z.B. ein TiN-Material, dotiertes Polysilizium oder dergleichen), und die Dielektrikumsschichten 122, 124 umfassen ein Material mit hohem k (z.B. ZrO₂, ErO₂, HfO₂, Al₂O₃ usw. oder einen kombinierten mehrschichtigen Stapel davon). Wie oben beschrieben, ist das Verhältnis von HfO₂ zu Al₂O₃ für gewünschte dielektrische Dielektrizitätskonstante und elektrischen Durchschlag maßgeschneidert. In einer Ausführungsform können die zweite Elektrode 112 des einfachen MIM-Kondensators oder die zweite Elektrode 118 und die dritte Elektrode 120 des doppelten MIM-Kondensators weiter eine zusätzliche leitfähige Schicht enthalten, um die Dicke der jeweiligen Elektrode 112, 118, 120 zu verstärken. Außerdem kann die leitfähige Schicht mechanisch spannungsarm sein und dient dazu, die Gräben nach dem Ausbilden des Kondensators auszufüllen und abzudichten. Die leitfähige Schicht kann eine dotierte Polysiliziumschicht, eine dotierte Polysilizium-Oxid-Amorphsiliziumschicht, eine dotierte Silizium-Germaniumschicht oder dergleichen umfassen.
Das Bauelement 100 kann Spalte 126 enthalten, die eingerichtet sind, geringere Beanspruchung für den Kondensator 108 zu ermöglichen (z.B. Beanspruchungsmanagement zu ermöglichen). In einer Ausführungsform umschließt die zweite Elektrode 112 der einzelnen MIM-Kondensatoranordnung einen oder mehrere Spalte 126. In einer weiteren Ausführungsform umschließt die dritte Elektrode 120 der doppelten MIM-Kondensatoranordnung einen oder mehrere Spalte 126. Die Spalte 126 ermöglichen den jeweiligen Elektroden 112, 120, sich während verschiedener Herstellungs- und Betriebszyklen (z.B. thermischer Wechselbeanspruchung usw.) auszudehnen und/oder zusammenzuziehen. Die Spalte 126 können während des Abscheidens der jeweiligen Elektroden 112, 120 festgelegt werden.
Das Halbleiterbauelement 100 enthält auch leitfähige Schichten 128, die über einer ersten Fläche 129 des Substrats 102 angeordnet ist. Die leitfähigen Schichten 128 dienen dazu, elektrische Verbindung zwischen dem Kondensator 108 und anderen Bestandteilen herzustellen, die zu dem Bauelement 100 gehören (z.B. integrierte Schaltungen, integrierte Schaltungsbauelemente usw.). Die leitfähigen Schichten 128 können eine oder mehrere geeignete obere Metallschichten umfassen (z.B. eine Metallschicht 1, eine Metallschicht 2, eine Metallschicht 3 usw.). In einer Ausführungsform kann die leitfähige Schicht 128 Aluminium, Kupfer, Gold oder dergleichen sein. Das Ausbilden der leitfähigen Schicht 128 kann durch Abscheiden/Maskieren/Ätzen oder durch Ätzen/Auffüllen/chemisch-mechanisches Polieren (Damaszieren) erfolgen, je nachdem, was für das gewählte Leitermaterial geeignet ist. Die leitfähigen Schichten 128 können mit den Elektroden des Kondensators 108 über eine oder mehrere Durchkontaktierungen 130 verbunden sein. Zum Beispiel enthält die einfache MIM-Kondensatoranordnung, wie in 1A gezeigt, eine leitfähige Schicht 128A, die mit der ersten Elektrode 110 über eine erste Durchkontaktierung 130A verbunden ist, und eine leitfähige Schicht 128B ist mit der zweiten Elektrode 112 über eine zweite Durchkontaktierung 130B verbunden. In einem weiteren Beispiel enthält die doppelte MIM-Kondensatoranordnung, wie in 1B gezeigt, eine leitfähige Schicht 128A, die mit der ersten Elektrode 116 über eine erste Durchkontaktierung 130A verbunden ist, eine leitfähige Schicht 128C ist mit der zweiten Elektrode 118 über eine zweite Durchkontaktierung 130C verbunden, und eine leitfähige Schicht 128B ist mit der dritten Elektrode 120 über eine dritte Durchkontaktierung 130B verbunden.
Das Bauelement 100 enthält auch eine Isolationsschicht 132, die zwischen den Gräben 104 und der leitfähigen Schicht 128 angeordnet ist. Die Isolationsschicht 132 kann Benzocyclobutenpolymer (BCB), Polyimid (PI), Polybenzoxazol (PBO), Siliziumdioxid (SiO₂) und so weiter umfassen. Wie gezeigt, erstrecken sich die Durchkontaktierungen 130 zumindest im Wesentlichen durch die Isolationsschicht 132, um eine elektrische Verbindung zwischen den leitfähigen Schichten 128 und den verschiedenen Elektroden des Kondensators 108 herzustellen. Eine Schicht aus Siliziumnitrid (SiN), Siliziumoxinitrid (SiON) oder ähnlichem Material kann als Ätzstopp über Elektrodenbereichen verwendet werden, um das Ätzen von Durchkontaktierungen zu ermöglichen. Durchkontaktierungen 130 können aus Zapfen aus TiN- und Wolframmaterial bestehen oder können Öffnungen für Leiter 128 sein, um verschiedene Elektroden des Kondensators 108 direkt zu kontaktieren.
Wie in den 1A und 1B gezeigt, enthält das Halbleiterbauelement 100 eine Passivierungsschicht 134, die über den leitfähigen Schichten 128 und der Isolationsschicht 132 angeordnet ist. In einer Ausführungsform kann die Passivierungsschicht 134 ein Stapel von Oxid-/Nitridmaterial (SiO₂/SiN) oder dergleichen sein.
Das Halbleiterbauelement 100 kann auch einen oder mehrere Trennbereiche 136 enthalten. Die Trennbereiche 136 sind (P+)-dotierte Bereiche, die Feldinversion des parasitären Feld-MOS-Transistors verhindern, der durch die leitfähige Schicht 128 über der Isolationsschicht 132 über dem (P--)-Substrat 102 erzeugt wird, um die elektrische Trennung des Kondensators 108 von anderen Bestandteilen (z.B. Kondensatoren, integrierten Schaltungen usw.) zu unterstützen, die in dem Substrat 102 ausgebildet sind. In einer weiteren Ausführungsform würde, um ein Anlegen von Spannung an das (P--)-Substrat 102 von der Vorderseite des Bauelements her zu ermöglichen, der (P+)-dotierte Bereich 136 einen Kontakt niedrigen Widerstands zum Verbinden des (P--)-Substrats 102 mit der leitfähigen Schicht 128D über die Durchkontaktierung 130D vorsehen. Es ist in Betracht gezogen, dass die in 1B gezeigten Halbleiterbauelemente auch ebenso ein Anlegen von Spannung an das (P--)-Substrat 102 von der Bauelement-Vorderseite verwenden können.
Wie in den 1C bis 1E gezeigt, enthält das Halbleiterbauelement 100 eine Vielzahl von Kondensatorbereichen 138. Jeder Kondensatorbereich 138 (z.B. eine Untergruppierung von Gräben 108) enthält eine Vielzahl von Gräben 104 (und Kondensatoren 108), die in dem Substrat 102 ausgebildet sind. Somit enthält jeder Kondensatorbereich 138 eine Vielzahl von Kondensatoren, wie etwa die oben beschriebenen Kondensatoren 108. Wie gezeigt, liegen die Gräben 104 eines jeweiligen Kondensatorbereichs 138 zumindest im Wesentlichen parallel zueinander. Das Substrat 102 enthält einen ersten Kondensatorbereich 138A und einen zweiten Kondensatorbereich 138B. Zum Beispiel liegen die Gräben 104 des ersten Kondensatorbereichs 138A zumindest im Wesentlichen parallel zu den anderen Gräben 104 des ersten Kondensatorbereichs 138A, und die im zweiten Kondensatorbereich 138B ausgebildeten Gräben 104 liegen zumindest im Wesentlichen parallel zu den anderen Gräben 104 des zweiten Kondensatorbereichs 138B. Außerdem liegen die Gräben 104 eines Kondensatorbereichs 138 zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Gräben 104 der benachbarten Kondensatorbereiche 138. Zum Beispiel liegen die Gräben 104 des ersten Kondensatorbereichs 138A zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Gräben 104 des zweiten Kondensatorbereichs 138B. Somit liegen die Gräben 104 jedes jeweiligen Kondensatorbereichs 138 zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Gräben 104 der benachbarten Kondensatorbereiche 138 (d.h. benachbart in der x- und der y-Richtung). Die senkrechte Ausrichtung der Gräben 104 in benachbarten Kondensatorbereichen 138 kann eine Erleichterung des Beanspruchungsmanagements vorsehen. Zum Beispiel kann die senkrechte Ausrichtung Verbiegen und Verbeulen des Wafers reduzieren. Somit kann ein größerer Prozentsatz des Substrats 102 für andere integrierte Bestandteile verwendet werden, wie etwa integrierte Schaltungsbauelemente, Kondensatoren und so weiter. In einer besonderen Ausführungsform stellt das Halbleiterbauelement 100 zumindest einen Teil einer Einheitszelle (Basiszelle) eines Kondensators (z.B. eines Kondensatorbauelements) mit einem Einheits-Kapazitätswert dar. Größere Kondensatorbauelemente können verwirklicht werden durch Konstruieren einer 2-dimensionalen Anordnung von Einheitszellen. 1C stellt ein Halbleiterbauelement 100 in einer doppelten MIM-Kondensatoranordnung dar, und 1E stellt ein Halbleiterbauelement 100 in einer einfachen MIM-Kondensatoranordnung dar.
Wie in den 1C bis 1E gezeigt, sind die leitfähigen Schichten 128 (z.B. leitfähige Pfade) über dem Halbleiterbauelement 100 verteilt. In einer Ausführungsform können die leitfähigen Schichten 128 dicke (z.B. mehr als zwei Mikrometer [> 2 µm]) metallene leitfähige Nebenschlusspfade umfassen. Zum Beispiel können die leitfähigen Schichten 128 einen Flächenwiderstand von weniger als (oder zumindest ungefähr gleich) zehn Milliohm (< 10 mOhm) aufweisen. Die leitfähigen Schichten 128 koppeln an eine Vielzahl von länglichen Kontakten 140 an. Die längliche Form (statt einer quadratischen Form) der Kontakte 140 ermöglicht, dass die Kontaktfläche zu den Elektroden maximiert wird, wodurch auch der Innenwiderstand des Halbleiterbauelements 100 gesenkt wird. In einer oder mehreren Ausführungsformen können redundante (vielfache) längliche Kontakte 140 verwendet werden, um die Elektrodenbereiche zu verbinden, was den Innenwiderstand des Halbleiterbauelements 100 weiter senkt. Wie gezeigt, sind die länglichen Kontakte 140 auch in horizontalen und vertikalen Gruppen gedreht, um die gesamte mechanische Spannung zu minimieren, indem die erzeugte Spannung sowohl in der x- als auch der y-Richtung abgeleitet wird. Wie früher erwähnt, kann in einer besonderen Ausführungsform das Halbleiterbauelement 100 zumindest einen Teil der Einheitszelle eines Kondensators mit einem Einheits-Kapazitätswert darstellen. Die Kontakte 140 koppeln sich elektrisch (über die leitfähigen Schichten 128) mit einer oder mehreren Elektroden 142 (z.B. parallelen Metallpfaden), die sich an der Peripherie der Einheitszelle befinden. Große Kondensatoren würden verwirklicht werden, indem eine zweidimensionale Anordnung der Einheitszellen mit einer speziellen x- und y-Staffelung konstruiert würde, die zum Überlappen der peripheren Kontakte führte. Ein aus einer Anordnung ausgebildeter Kondensator würde Kontakte mit einer oder mehreren Elektroden an den Grenzen seiner inneren Einheitszellen enthalten. Diese Kontakte 140, die parallel von Einheitszelle zu Einheitszelle wirken, dienen dazu, den Innenwiderstand des Halbleiterbauelements 100 bedeutend zu reduzieren.
Außerdem können die leitfähigen Schichten 128 über dem Halbleitersubstrat 102 in einer verschachtelten Anordnung angeordnet sein (z.B. über dem Substrat 102 in einer verschränkten, fingerartigen Anordnung verteilt), was ermöglicht, dass die leitfähigen Pfade 128 Ladung quer über das Bauelement 100 mit maximaler Parallelität führen. Diese parallelen leitfähigen Schichten 128 reduzieren zusätzlich den Innenwiderstand des Halbleiterbauelements 100.
Beispielhafte Herstellungsverfahren
2 stellt ein beispielhaftes Verfahren 200 dar, das Halbleiter-Fertigungstechniken zum Fertigen von Halbleiterbauelementen verwendet, die einen Grabenkondensator in ihren Aufbau integriert aufweisen, wie etwa das in den 1A bis 1D gezeigte Bauelement 100. Die 3A bis 3E stellen das Ausbilden von beispielhaften Halbleiterbauelementen 300 in einem beispielhaften Halbleiterwafer 302 dar. Wie in 2 dargestellt, wird eine Hartmaskenschicht über einem Halbleiterwafer ausgebildet (Block 202). In einer Ausführungsform enthält der Wafer 302, wie in 3A gezeigt, ein Dotiermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps. Zum Beispiel ist der Wafer 302 ein (P--)-Halbleiterwafer. (Z.B. ist der Wafer [P--]-dotiert oder dergleichen.) Eine Hartmaskenschicht 304 wird über einer Fläche 306 des Wafers 302 ausgebildet (z.B. abgeschieden). In einer Ausführungsform kann die Dicke der Hartmaskenschicht 304 im Bereich von ungefähr zwei Mikrometern (2 µm) bis ungefähr sechs Mikrometern (6 µm) liegen. Die Hartmaskenschicht 304 kann eine Oxidschicht oder dergleichen sein.
Eine Vielzahl von Kondensatorbereichen wird in dem Halbleiterwafer ausgebildet (Block 204). Genauer wird eine Vielzahl von Gräben ausgebildet, die die Vielzahl von Kondensatorbereichen festlegen (Block 206). Wie oben bezüglich der 1C und 1D beschrieben, werden vielfache Kondensatorbereiche (z.B. die in 1C gezeigten Kondensatorbereiche 138) in dem Halbleiterwafer 302 ausgebildet, indem mindestens ein Graben 308 in den Kondensatorbereichen ausgebildet wird. Somit wird eine Vielzahl von Gräben in dem Halbleiterwafer ausgebildet, um Kondensatorbereiche auszubilden. Geeignete i-Linien- oder Tief-Ultraviolett-Lithographietechniken können benutzt werden, um die Vielzahl von Gräben 308 auszubilden (siehe 3B). Zum Beispiel kann die Hartmaskenschicht 304 ein Muster erhalten (z.B. Abscheiden eines Fotolacks über der Hartmaskenschicht und Einbringen eines Musters in den Fotolack) und geätzt werden (z.B. mit einer Tiefenätztechnik mit reaktiven Ionen), um die Gräben 308 auszubilden. Die Dicke der Hartmaskenschicht 304 unterstützt bei der Ermöglichung des Ausbildens von Gräben 308 mit einer Tiefe im Bereich von ungefähr zwanzig Mikrometern (20 µm) bis ungefähr vierzig Mikrometern (40 µm). In einer besonderen Ausführungsform kann eine geeignete Bosch-Ätztechnik verwendet werden, um den Wafer 302 zu ätzen, um die Gräben 308 auszubilden. Wie oben beschrieben, liegen die Gräben 308 eines jeweiligen Kondensatorbereichs (z.B. Untergruppen von Gräben 308) zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Gräben 308 des benachbarten Kondensatorbereichs.
Sobald die Kondensatorbereiche und die Gräben ausgebildet sind, wird ein (N+)-Diffusionsbereich nahegelegen zu den Gräben ausgebildet (Block 208). Wie in 3C gezeigt, werden die Graben-Seitenwände 310 einer Diffusionsabscheidung unterworfen, um einen Diffusionsbereich 312 mit Dotierstoff eines zweiten Leitfähigkeitstyps auszubilden. Zum Beispiel ist der Diffusionsbereich 312 ein (N+)-Diffusionsbereich 312 nahegelegen (z.B. benachbart) zu den Gräben 308. In einer Ausführungsform wird die (N+)-Diffusionsabscheidung vor dem Entfernen der Hartmaskenschicht 304 durchgeführt, um zu ermöglichen, dass sich der (N+)-Diffusionsbereich 312 bezüglich der Gräben 308 selbst ausrichtet. Der (N+)-Diffusionsbereich 312 kann auch Blocktrennung Kondensator zu Kondensator vorsehen. In einer Ausführungsform ist die (N+)-Diffusions-Dotierungskonzentration größer als 1×10¹⁹ Atome pro Quadratzentimeter. Außerdem kann in einer Ausführungsform ein Phosphorylchlorid-(POCl₃- )Dotierschritt bei weniger als neunhundert Grad Celsius (< 900 °C) durchgeführt werden, was die Reaktionskinetik verlangsamen kann, sodass die Seitenwand und der Grund der Gräben 308 zumindest im Wesentlichen gleichmäßig dotiert werden. Zum Beispiel kann die Temperatur des Dotierverfahrens im Bereich von mindestens ungefähr achthundertfünfundsiebzig Grad Celsius (875 °C) bis mindestens ungefähr achthundertfünfundneunzig Grad Celsius (895 °C) liegen. In einem weiteren Beispiel kann die Temperatur des Dotierverfahrens im Bereich von mindestens ungefähr achthundertachtzig Grad Celsius (880 °C) bis mindestens ungefähr achthundertneunzig Grad Celsius (890 °C) liegen.
Ein Kondensator wird in dem Halbleiterwafer ausgebildet (Block 210). Wie in 3D gezeigt, wird die Hartmaskenschicht 304 von dem Wafer 302 entfernt (z.B. abgelöst). Eine erste Elektrode 314 (z.B. TiN) wird über dem Wafer 302 und in den Gräben 308 ausgebildet. Als Nächstes wird eine Dielektrikumsschicht 316 (Material mit hohem k) über der ersten Elektrode 314 ausgebildet. Eine zweite Elektrode 318 wird dann über der Dielektrikumsschicht 316 ausgebildet, um einen Kondensator 320 zu bilden. Wie oben beschrieben, kann die zweite Elektrode 318 eine zusätzliche leitfähige Schicht enthalten (z.B. eine dotierte Polysilizium-Oxid-Amorphsiliziumschicht, eine dotierte Silizium-Germaniumschicht oder dergleichen), um die Dicke der zweiten Elektrode 318 zu verstärken. Als Ergebnis der Abscheidung umschließt die zweite Elektrode 318 einen oder mehrere Spalte 322, die Beanspruchungsmanagement für das Bauelement 300 vorsehen. In einer oder mehreren Ausführungsformen können die Elektroden 314, 318 und die Dielektrikumsschicht 316 über dem Wafer 302 und den Gräben 308 durch geeignete Atomschicht-Abscheidungsverfahren oder thermisch-chemische Abscheidungsverfahren abgeschieden werden. Vielfache Trennbereiche 317 können nahegelegen zur Fläche 306 des Wafers 302 abgeschieden werden. Wie in 3D gezeigt, umfassen die Trennbereiche 317 (P+)-dotierte Bereiche, die das elektrische Trennen des Kondensators 320 von anderen Bestandteilen unterstützen (z.B. Kondensatoren, integrierte Schaltungen usw.), die in dem Wafer 302 ausgebildet sind (z.B. auf demselben Chip wie der Kondensator 320 usw.).
3D stellt einen Kondensator 320 in einer einfachen MIM-Kondensatoranordnung dar. Jedoch ist in Betracht gezogen, dass ebenso eine doppelte MIM-Kondensatoranordnung verwendet werden kann (siehe 2B). Zum Beispiel kann eine zweite Dielektrikumsschicht über der zweiten Elektrode abgeschieden werden, und eine dritte Elektrode kann über der zweiten Dielektrikumsschicht ausgebildet werden, um einen doppelten MIM-Kondensator auszubilden. In dieser Anordnung kann die dritte Elektrodenschicht die Spalte 322 umschließen und die zusätzliche leitfähige Schicht enthalten, wie oben beschrieben.
Eine Isolationsschicht kann über dem Halbleiterwafer ausgebildet werden (Block 212). Wie in 3E gezeigt, wird eine Isolationsschicht 324 über der Fläche 306 des Wafers 302 ausgebildet. Die Isolationsschicht 324 kann eine Benzocyclobutenpolymer-(BCB-)Schicht, eine Polyimid-(PI-)Schicht, eine Polybenzoxazol-(PBO-)Schicht, eine Siliziumdioxid-(SiO₂-)Schicht und so weiter sein. Die Isolationsschicht 324 dient dazu, Isolation für den Kondensator 320 während späterer Halbleiter-Verarbeitungsschritte vorzusehen.
Eine oder mehrere leitfähige Schichten werden über dem Wafer ausgebildet (und elektrisch mit den Elektroden des Kondensators verbunden) (Block 214). Wie in 3E gezeigt, werden eine oder mehrere Durchkontaktierungen 326 in der Isolationsschicht 324 ausgebildet. Zum Beispiel kann die Isolationsschicht 324 wahlweise ein Muster erhalten und geätzt werden, um Durchkontaktierungsbereiche auszubilden. Eine Schicht aus Siliziumnitrid (SiN), Siliziumoxinitrid (SiON) oder ähnlichem Material kann als Ätzstopp über Elektrodenbereichen verwendet werden, um das Ätzen von Durchkontaktierungen zu ermöglichen. Ein leitfähiges Material wird dann in den Durchkontaktierungsbereichen abgeschieden, um die Durchkontaktierungen 326 auszubilden. Die Durchkontaktierungen 326 sehen eine elektrische Zwischenverbindung zu den leitfähigen Schichten 328 vor, die über der Isolationsschicht 324 ausgebildet (z.B. abgeschieden) sind. In einer Ausführungsform kann eine erste leitfähige Schicht 328 elektrisch mit der ersten Elektrode 314 über eine erste Durchkontaktierung 326A verbunden werden, und eine zweite leitfähige Schicht 328B kann elektrisch mit der zweiten Elektrode 318 über eine zweite Durchkontaktierung 326B verbunden werden.
Eine Passivierungsschicht wird über dem Halbleiterwafer ausgebildet (Block 216). Wie in 3E gezeigt, kann eine Passivierungsschicht 330 über der Fläche 306 des Wafers 302 ausgebildet werden. In einer Ausführungsform umschließt die Passivierungsschicht 330 zumindest teilweise die leitfähigen Schichten 328. Die Passivierungsschicht 330 kann ein Stapel von Oxid-/Nitridmaterial (SiO₂/SiN) oder dergleichen sein.

Claims

Halbleiterbauelement (100), umfassend: ein Substrat (102); eine Vielzahl von Kondensatorbereichen (138), die in dem Substrat (102) angeordnet sind, wobei jeder Kondensatorbereich (138) eine Vielzahl von darin angeordneten Gräben (104) enthält; und einen in jedem Graben (104) aus der Vielzahl von Gräben (104) ausgebildeten Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Kondensator (108), wobei die in einem ersten Kondensatorbereich (138B) aus der Vielzahl von Kondensatoren (108) angeordnete Vielzahl von Gräben (104) zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der in einem zweiten Kondensatorbereich (138A) aus der Vielzahl von Kondensatoren (108) angeordneten Vielzahl von Gräben (104) steht, wobei der zweite Kondensatorbereich (138A) benachbart zum ersten Kondensatorbereich (138B) ist, wobei die Bereiche (136) zwischen Kondensatoren (108) mit einer höheren Dotierstoffkonzentration, jedoch derselben Polarität, wie das Substrat (102) dotiert sind.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Graben (104) aus der Vielzahl von Gräben (104) mindestens eine aus einer angefasten oder abgerundeten Ecke (105) enthält, um Beanspruchungsmanagement zu ermöglichen.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei der Metall-Isolator-Metall-Kondensator (108) eine Einheitszelle mit einer besonderen x- und y-Staffelungsanordnung umfasst, die zu einem Überlappen der peripheren Kontakte (140) führt, wobei ein oder mehrere Kontakte (140) an einer Grenze einer inneren Einheitszelle gehalten sind, um Widerstand zu reduzieren.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Vielzahl von Kontakten (140), die elektrisch mit dem Metall-Isolator-Metall-Kondensator (108) verbunden ist, wobei mindestens ein Kontakt (140) aus der Vielzahl von Kontakten (140) länglich und redundant bezüglich eines weiteren Kontakts (140) aus der Vielzahl von Kontakten (140) ist, um Widerstand zu reduzieren.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 4, weiter umfassend zumindest im Wesentlichen parallele Metallschichten (128), um Widerstand zu reduzieren, wobei die Vielzahl von Kontakten (140) in einer verschränkten Anordnung angeordnet ist, wobei jeder Kontakt (140) aus der Vielzahl von Kontakten (140) elektrisch mit mindestens einer Metallschicht (128) aus den zumindest im Wesentlichen parallelen Metallschichten (128) verbunden ist.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Gräben (104) ein Aspektverhältnis im Bereich von ungefähr fünfzig zu eins (50:1) bis ungefähr einhundertfünfzig zu eins (150:1) aufweist.
Verfahren, umfassend: das Ausbilden einer Vielzahl von Kondensatorbereichen (138) in einem Halbleiterwafer, wobei jeder Kondensatorbereich (138) aus der Vielzahl von Kondensatorbereichen (138) eine Vielzahl von Gräben (104) enthält, wobei der Halbleiterwafer Dotierstoff eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält; das Ausbilden eines Diffusionsbereichs nahegelegen zu der Vielzahl von Gräben (104), wobei der Diffusionsbereich Dotierstoff eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält; und das Ausbilden eines Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Kondensators (108) in jedem Graben (104) aus der Vielzahl von Gräben (104) und zumindest teilweise über dem Halbleiterwafer, wobei die in einem ersten Kondensatorbereich (138A) aus der Vielzahl von Kondensatoren (108) ausgebildete Vielzahl von Gräben (104) zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der in einem zweiten Kondensatorbereich (138B) aus der Vielzahl von Kondensatoren (108) ausgebildeten Vielzahl von Gräben (104) steht, wobei der zweite Kondensatorbereich (138B) benachbart zum ersten Kondensatorbereich (138A) ist und wobei die Bereiche (136) zwischen Kondensatoren (108) mit einer höheren Dotierstoffkonzentration, jedoch derselben Polarität, wie das Substrat (102) dotiert sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei mindestens ein Graben (104) aus der Vielzahl von Gräben (104) eine angefaste Ecke enthält, um Beanspruchungsmanagement zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Metall-Isolator-Metall-Kondensator (108) eine Einheitszelle mit einer besonderen x- und y-Staffelungsanordnung umfasst, die zu einem Überlappen der peripheren Kontakte (140) führt, wobei ein oder mehrere Kontakte (140) an einer Grenze einer inneren Einheitszelle gehalten sind, um Widerstand zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend: das Ausbilden einer Vielzahl von Kontakten (140), um elektrisch mit dem Metall-Isolator-Metall-Kondensator (108) zu verbinden, wobei mindestens ein Kontakt (140) aus der Vielzahl von Kontakten (140) länglich und redundant bezüglich eines weiteren Kontakts (140) aus der Vielzahl von Kontakten (140) ist, um Widerstand zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend: das Ausbilden von zumindest im Wesentlichen parallelen Metallschichten (128), um Widerstand zu reduzieren, wobei die Vielzahl von Kontakten (140) in einer verschränkten Anordnung angeordnet ist, wobei jeder Kontakt (140) aus der Vielzahl von Kontakten (140) elektrisch mit mindestens einer Metallschicht (128) aus den zumindest im Wesentlichen parallelen Metallschichten (128) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl von Gräben (104) ein Aspektverhältnis im Bereich von ungefähr fünfzig zu eins (50:1) bis ungefähr einhundertfünfzig zu eins (150:1) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei mindestens ein Graben (104) aus der Vielzahl von Gräben (104) länglich ist.