DE102015017252B3

DE102015017252B3 - Halbleiterstruktur, die Kondensatoren mit verschiedenen Kondensatordielektrika umfasst, und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102015017252B3
Application number: DE102015017252.2A
Authority: DE
Inventors: Dina H. Triyoso; Sanford Chu; Johannes Müller; Patrick Polakowski
Original assignee: GlobalFoundries Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2035-05-12
Also published as: DE102015208657B4; US20150364535A1; US9530833B2; DE102015208657A1

Abstract

Ein Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer Halbleiterstruktur, die ein erstes Zwischenschichtdielektrikum umfasst, das sich über einem Halbleitersubstrat befindet. In dem ersten Zwischenschichtdielektrikum wird ein Graben gebildet. Über dem ersten Zwischenschichtdielektrikum wird eine erste Elektrode eines ersten Kondensators gebildet. Über der ersten Elektrode des ersten Kondensators und dem ersten Zwischenschichtdielektrikum wird eine Schicht aus einem ersten dielektrischen Material abgeschieden. Über der Schicht aus dem ersten dielektrischen Material wird eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material abgeschieden, wobei sich ein Teil der Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material in dem Graben befindet. Aus der Schicht aus elektrisch leitfähigem Material werden eine zweite Elektrode des ersten Kondensators und eine erste Elektrode eines zweiten Kondensators gebildet. Über der Schicht aus dem zweiten dielektrischen Material wird eine Schicht aus einem zweiten dielektrischen Material abgeschieden und es wird eine zweite Elektrode des zweiten Kondensators gebildet, und zwar nach dem Bilden der zweiten Elektrode des ersten Kondensators und der ersten Elektrode des zweiten Kondensators. Zumindest Teile des zweiten dielektrischen Materials und der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators befinden sich in dem Graben.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der integrierten Schaltkreise und insbesondere auf integrierte Schaltkreise, die Kondensatoren mit verschiedenen Kondensatordielektrika umfassen.
In der US 2008 / 0 258 257 A1 wird eine gestapelte Kondensatorstruktur für den ESD-Schutz beschrieben, die eine erste Elektrode, eine erste dielektrische Schicht, eine mittlere Elektrode, eine zweite dielektrische Schicht und eine zweite Elektrode umfasst. Die erste und die zweite dielektrische Schicht können eine ferroelektrische Schicht umfassen.
In der US 2006 / 0 171 098 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, die einen ersten und einen zweiten Metall-Isolator-Metall-Kondensator umfasst, wobei die Kondensatoren verschiedene dielektrische Materialien enthalten können.
In der JP H04- 171 978 A werden ein Metall-Isolator-Metall-Element, das als isolierende Schicht eine Polyimid-LB-Schicht enthält, und ein ferroelektrischer Kondensator mit PZT beschrieben, die in Reihe geschaltet sind.
In der US 2010 / 0 320 521 A1 wird eine Halbleitervorrichtung beschrieben, die eine DRAM-Zelle und ein Kondensatorelement umfasst. Das Kondensatorelement umfasst eine untere Elektrode, die eine Elektrodenschicht ist, die durch den gleichen Prozess gebildet wird wie eine obere Kondensatorelektrode der DRAM-Zelle und eine obere Elektrode, die eine Elektrodenschicht ist, die durch den gleichen Prozess wie eine erste Metalleitung gebildet wird.
Integrierte Schaltkreise umfassen üblicherweise eine große Anzahl von Schaltkreiselementen, die einen elektrischen Schaltkreis bilden. Außer aktiven Bauelementen wie beispielsweise Feldeffekttransistoren und/oder Bipolartransistoren können integrierte Schaltkreise passive Bauelemente wie beispielsweise Widerstände, Induktivitäten und/oder Kondensatoren umfassen.
Die Typen von Kondensatoren, die in integrierten Schaltkreisen bereitgestellt werden können, umfassen Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren. Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren können sich in zusätzlichen Verbindungsebenen befinden, die zusätzlich zu Verbindungsebenen bereitgestellt werden, in denen sich elektrisch leitfähige Leitungen befinden, die die Schaltkreiselemente integrierter Schaltkreise verbinden.
Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren können in integrierten Schaltkreisen mit CMOS-Logik als Entkopplungskondensatoren verwendet werden, um Spannungsabfälle an den Stromversorgungsleitungen zu minimieren. In solchen Entkopplungskondensatoren können dünne Schichten aus einem dielektrischen Material mit hoher Dielektrizitätskonstante als Kondensatordielektrikum verwendet werden, damit man eine hohe Kapazitätsdichte der Entkopplungskondensatoren und einen geringen Leckstrom erhält. Andere Anwendungen von Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren umfassen Filter-Kondensatoren und Analog-Kondensatoren, die sich beispielsweise in Analog-Digital-Umsetzern oder Digital-Analog-Umsetzern befinden, Radiofrequenz-Kopplungskondensatoren und Radiofrequenz-Überbrückungskondensatoren in Radiofrequenz-Oszillatoren, Resonator-Schaltkreisen und Anpassungsnetzwerken.
In vielen Anwendungen integrierter Schaltkreise, beispielsweise in integrierten Schaltkreisen für Computer, Unterhaltungselektronik, Kommunikationselektronik und Automobilelektronik, wird ein nichtflüchtiger eingebetteter Speicher gewünscht. Die Typen von nichtflüchtigem Speicher umfassen den Flashspeicher mit Floating-Gate. Die Integration von Flashspeicherzellen mit Floating-Gate in integrierte Schaltkreise, die auch Schaltkreise eines anderen Typs wie beispielsweise Logikschaltkreise umfassen, kann jedoch mit Problemen verbunden sein, insbesondere wegen der relativ hohen Komplexität von Verfahren zur Herstellung von Flashspeicherzellen mit Floating-Gate. Typischerweise können, zusätzlich zu Fotomasken, die zum Bilden anderer Bauelemente des integrierten Schaltkreises verwendet werden, mehr als acht zusätzliche Fotomasken erforderlich sein, wenn in einem integrierten Schaltkreis Flashspeicherzellen mit Floating-Gate bereitgestellt werden. Außerdem können zum Betrieb von Flashspeicherzellen mit Floating-Gate relativ hohe Spannungen erforderlich sein, was aufgrund der Erforderlichkeit von Transistoren für hohe Spannungen im integrierten Schaltkreis zu weiteren Problemen führen kann.
Als Alternative zum Flashspeicher mit Floating-Gate wurden andere Arten von nichtflüchtigen Speichern vorgeschlagen, die den magnetoresistiven Speicher mit wahlfreiem Zugriff, der auf dem Spin-Transfer-Torque-Effekt basiert (STT-MRAM, die englische Abkürzung steht für „Spin-Transfer-Torque Magnetoresistive Random Access Memory“), den Phasenänderungsspeicher (PCM, die englische Abkürzung steht für „Phase Change Memory“) und den Widerstandsspeicher mit wahlfreiem Zugriff (RRAM, die englische Abkürzung steht für „Resistive Random Access Memory“) umfassen. Die Verwendung dieser Techniken in eingebetteten Anwendungen kann jedoch mit Problemen verbunden sein, die mit der Ausgereiftheit der Technik, den Kosten und der Kompatibilität mit Verfahren zur Herstelllung von Logikschaltkreisen zusammenhängen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, Halbleiterstrukturen und Verfahren zu ihrer Herstellung zur Verfügung zu stellen, die eine bessere Integration von nichtflüchtigem Speicher in integrierte Schaltkreise ermöglichen können.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst die Merkmale des Anspruchs 1.
Eine erfindungsgemäße Halbleiterstruktur umfasst die Merkmale des Anspruchs 11.
Ausführungsformen der Erfindung können die Merkmale der abhängigen Patentansprüche umfassen.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung sowie weitere erläuternde Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und in denen:

1 bis 5 schematische Querschnittansichten einer Halbleiterstruktur gemäß einem Beispiel, das der Erläuterung von Teilaspekten der Erfindung dient, in Stadien eines Herstellungsprozesses zeigen;
6 bis 9 schematische Querschnittansichten einer Halbleiterstruktur gemäß einer Ausführungsform in Stadien eines Herstellungsprozesses gemäß einer Ausführungsform zeigen;
10 einen Schaltplan einer nichtflüchtigen Speicherzelle in einer Halbleiterstruktur gemäß einer Ausführungsform zeigt; und
11 eine vergrößerte Ansicht eines Teils einer schematischen Querschnittansicht einer Halbleiterstruktur in einem Stadium eines Herstellungsprozesses zeigt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren, das hierin angegeben wird, umfasst ein Bereitstellen einer Halbleiterstruktur. Die Halbleiterstruktur umfasst ein erstes Zwischenschichtdielektrikum, das sich über einem Halbleitersubstrat befindet und in dem ein Graben gebildet wird. Über dem ersten Zwischenschichtdielektrikum wird eine erste Elektrode eines ersten Kondensators gebildet. Über der ersten Elektrode des ersten Kondensators und dem ersten Zwischenschichtdielektrikum wird eine Schicht aus einem ersten dielektrischen Material abgeschieden. Über der Schicht aus dem ersten dielektrischen Material wird eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material abgeschieden, wobei sich ein Teil dieser Schicht in dem Graben befindet. Aus der Schicht aus elektrisch leitfähigem Material werden eine zweite Elektrode des ersten Kondensators und eine erste Elektrode des zweiten Kondensators gebildet. Nach dem Bilden der zweiten Elektrode des ersten Kondensators und der ersten Elektrode des zweiten Kondensators wird eine Schicht aus einem zweiten dielektrischen Material abgeschieden und eine zweite Elektrode des zweiten Kondensators über der Schicht aus dem zweiten dielektrischen Material gebildet, wobei sich zumindest Teile des zweiten dielektrischen Materials und der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators in dem Graben befinden.
Eine erfindungsgemäße Halbleiterstruktur, die hierin angegeben wird, umfasst ein Zwischenschichtdielektrikum, das sich über einem Halbleitersubstrat befindet und in dem ein Graben gebildet ist, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator. Jeder von dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator umfasst jeweils eine erste Elektrode und jeweils eine zweite Elektrode und ist über dem Zwischenschichtdielektrikum, bzw. zumindest teilweise in dem Graben angeordnet. Die Halbleiterstruktur umfasst außerdem eine Schicht aus einem im Wesentlichen nicht ferroelektrischen dielektrischen Material und eine Schicht aus einem ferroelektrischen dielektrischen Material. Die Schicht aus dem im Wesentlichen nicht ferroelektrischen dielektrischen Material umfasst einen ersten Teil und einen zweiten Teil. Der erste Teil ist zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des ersten Kondensators angeordnet und stellt ein Kondensatordielektrikum des ersten Kondensators bereit. Der zweite Teil ist zwischen dem Zwischenschichtdielektrikum und der ersten Elektrode des zweiten Kondensators angeordnet. Die Schicht aus dem ferroelektrischen dielektrischen Material umfasst einen ersten Teil, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators angeordnet ist und ein Kondensatordielektrikum des zweiten Kondensators bereitstellt.
Die Erfindung stellt ein Schema für die Prozessintegration bereit, das es ermöglicht, sowohl Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren, die Entkopplungskondensatoren sind, als auch ferroelektrische Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren in einem Standardprozess zur Herstellung von CMOS-Logik herzustellen. Jeder der ferroelektrischen Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren kann zum Bilden einer nichtflüchtigen Speicherzelle verwendet werden, wobei jede der nichtflüchtigen Speicherzellen einen Transistor und einen ferroelektrischen Metall-Isolator-Metall-Kondensator umfasst.
In Ausführungsformen der Erfindung ist der ferroelektrische Metall-Isolator-Metall-Kondensator ein dreidimensionaler Kondensator, was dabei helfen kann, die Größe der nichtflüchtigen Speicherzellen zu verringern. Das kann bei Anwendungen in einem eingebetteten ferroelektrischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (FRAM, die englische Abkürzung steht für „Ferroelectric Randorn Access Memory“) mit hoher Speicherdichte vorteilhaft sein. Um einen dreidimensionalen ferroelektrischen Metall-Isolator-Metall-Kondensator zu bilden, können eine zusätzliche Maskierung und eine zusätzliche Ätzung durchgeführt werden, um vor der Bildung eines Metall-Isolator-Metall-Stapels einen schmalen Kondensatorgraben festzulegen.
1 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer Halbleiterstruktur 100 gemäß einem Beispiel, das der Erläuterung von Teilaspekten der Erfindung dient, in einem Stadium eines Herstellungsprozesses. Die Halbleiterstruktur 100 umfasst ein Substrat 101. Das Substrat 101 kann ein massives Halbleitersubstrat sein, beispielsweise ein Wafer oder Plättchen aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium. In anderen Beispielen kann das Substrat 101 ein Halbleiter-auf-Isolator-Substrat umfassen, das eine Schicht aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, umfasst, die sich auf einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Siliziumdioxid befindet. Die Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material kann sich auf einem Trägersubstrat befinden, das ein Silizium-Wafer oder ein Silizium-Plättchen sein kann.
Das Substrat 101 kann außerdem Schaltkreiselemente eines integrierten Schaltkreises umfassen. Insbesondere kann das Substrat 101 mehrere Feldeffekttransistoren und/oder andere Schaltkreiselemente wie beispielsweise Widerstände und/oder Dioden umfassen.
Die Halbleiterstruktur 100 umfasst außerdem ein Zwischenschichtdielektrikum 102, das sich über dem Substrat 101 befindet. Das Zwischenschichtdielektrikum 102 kann ein elektrisch isolierendes Material, beispielsweise Siliziumdioxid oder ein dielektrisches Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante umfassen. In dem Zwischenschichtdielektrikum 102 können sich Gräben 103, 104, 105, 106 befinden. Die Gräben 103, 104, 105, 106 können mit einem elektrisch leitfähigen Material 108, beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung gefüllt sein. In jedem der Gräben 103, 104, 105, 106 kann sich zwischen dem elektrisch leitfähigen Material 108 und dem Zwischenschichtdielektrikum 102 eine Diffusionsbarrierenschicht 107 befinden, um eine Diffusion des elektrisch leitfähigen Materials 108 in das Zwischenschichtdielektrikum 102 und/oder andere Komponenten der Halbleiterstruktur 100 im Wesentlichen zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Die mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Gräben 103, 104, 105 106 stellen elektrisch leitfähige Leitungen zur Verfügung, die dazu verwendet werden können, Schaltkreiselemente, wie beispielsweise Transistoren, die an dem Substrat 101 gebildet sind, mit anderen Schaltkreiselementen der Halbleiterstruktur 100 elektrisch zu verbinden, insbesondere mit Kondensatoren, die oberhalb des Zwischenschichtdielektrikums 102 gebildet werden, was unten genauer beschrieben wird. Zum Verbinden der elektrisch leitfähigen Leitungen, die durch die mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Gräben 103, 104, 105, 106 bereitgestellt werden, mit Schaltkreiselementen, die an dem Substrat 101 gebildet sind, können Kontaktöffnungen, die mit einem elektrisch leitfähigen Material (nicht gezeigt) gefüllt sind, bereitgestellt werden.
In manchen Beispielen kann die Halbleiterstruktur 100 weitere Schichten aus dem Zwischenschichtdielektrikum umfassen, die Gräben und Kontaktöffnungen umfassen, die mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt sind, und die sich zwischen dem Zwischenschichtdielektrikum 102 und Schaltkreiselementen, die an dem Substrat 101 gebildet sind, befinden.
Die oben beschriebenen Strukturelemente können unter Verwendung von bekannten Techniken zur Herstellung von Halbleiterstrukturen gebildet werden. Insbesondere können die Schaltkreiselemente am Substrat 101 mit Hilfe von bekannten Techniken der Halbleiterverarbeitung hergestellt werden. Das Zwischenschichtdielektrikum 102 kann unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses, wie beispielsweise der chemischen Dampfabscheidung (CVD, die englische Abkürzung steht für „Chemical Vapor Deposition“), der plasmaverstärkten chemischen Dampfabscheidung (PECVD, die englische Abkürzung steht für „Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition“) und/oder der Rotationsbeschichtung gebildet werden. Die Gräben 103, 104, 105, 106 können mit Hilfe von Techniken der Fotolithografie und des Ätzens gebildet werden. Nach der Bildung der Gräben 103, 104, 105, 106 kann die Diffusionsbarrierenschicht 107 unter Verwendung von Abscheidungsprozessen, wie beispielsweise der CVD, der PECVD und/oder der Atomlagenabscheidung (ALD, die englische Abkürzung steht für „Atomic Layer Deposition“) abgeschieden werden. Dann kann das elektrisch leitfähige Material 108 unter Verwendung von Techniken der Galvanisierung abgeschieden werden und Teile der Diffusionsbarrierenschicht 107 und des elektrisch leitfähigen Materials 108 außerhalb der Gräben 103, 104, 105, 106 können durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP, die englische Abkürzung steht für „Chemical Mechanical Polishing“) entfernt werden.
Nach diesen Verarbeitungsschritten kann über dem elektrisch leitfähigen Material 108 in den Gräben 103, 104, 105, 106 und dem Zwischenschichtdielektrikum 102 eine Deckschicht 109 abgeschieden werden. Die Deckschicht 109 kann Siliziumnitrid umfassen und sie kann mit Hilfe eines Verfahrens zur Abscheidung von Siliziumnitrid gebildet werden, das bei einer relativ niedrigen Temperatur durchgeführt werden kann, beispielsweise durch eine PECVD. In manchen Ausführungsformen kann der Abscheidungsprozess zum Bilden der Deckschicht 109 bei einer Temperatur von ca. 450° Celsius oder weniger durchgeführt werden.
Danach kann auf der Deckschicht 109 ein Zwischenschichtdielektrikum 110 abgeschieden werden. In manchen Beispielen kann das Zwischenschichtdielektrikum 110 Siliziumdioxid umfassen und es kann mit Hilfe eines CVD-Prozesses oder eines PECVD-Prozesses, bei dem Tetraethylorthosilikat (TEOS) als ein Reaktionspartner verwendet wird, gebildet werden.
Nach der Bildung des Zwischenschichtdielektrikums 110 kann über dem Zwischenschichtdielektrikum 110 eine untere Elektrode 111 eines ersten Kondensators 112 gebildet werden. Die untere Elektrode 111 kann ein elektrisch leitfähiges Material wie beispielsweise Titannitrid, Tantalnitrid, Tantal und/oder Ruthenium enthalten. In anderen Beispielen kann die untere Elektrode 111 ein anderes elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Material mit einer relativ hohen Austrittsarbeit wie beispielsweise Iridium, Iridiumdioxid oder Rutheniumdioxid enthalten. Die untere Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 kann sich über dem Graben 103 und über einem Gebiet zwischen den Gräben 103, 104, aber nicht über dem Graben 104 befinden. Dadurch befindet sich über dem Graben 104 ein Teil des Zwischenschichtdielektrikums 110, der nicht von der unteren Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 bedeckt ist. Außerdem gibt es Teile des Zwischenschichtdielektrikums 110 über den Gräben 105, 106 und über einem Gebiet zwischen den Gräben 105, 106, die nicht von der unteren Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 bedeckt sind.
Die untere Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 kann durch Abscheiden einer Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material, aus dem die untere Elektrode 111 gebildet wird, über dem Zwischenschichtdielektrikum 110 und Strukturieren der Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material mit Hilfe von Verfahren der Fotolithografie und des Ätzens gebildet werden.
2 zeigt eine schematische Querschnittansicht der Halbleiterstruktur 100 in einem späteren Stadium des Herstellungsprozesses. Nach dem Bilden der unteren Elektrode 111 kann über der unteren Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 und dem Teil des Zwischenschichtdielektrikums 110, der nicht von der unteren Elektrode 111 bedeckt ist, eine Schicht aus einem dielektrischen Material 201 abgeschieden werden.
In manchen Beispielen kann die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material eine im Wesentlichen homogene Schicht aus einem dielektrischen Material mit hoher Dielektrizitätskonstante sein. Das dielektrische Material mit hoher Dielektrizitätskonstante kann eine Dielektrizitätskonstante haben, die größer als eine Dielektrizitätskonstante von Siliziumdioxid ist. Insbesondere kann das dielektrische Material mit hoher Dielektrizitätskonstante eine Dielektrizitätskonstante größer als vier haben.
In anderen Beispielen kann die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material mehrere Teilschichten umfassen, wobei mindestens zwei der mehreren Teilschichten aus verschiedenen Materialien gebildet sind. In solchen Beispielen kann die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material eine erste Teilschicht, die sich direkt auf der unteren Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 und den Teilen des Zwischenschichtdielektrikums 110, die nicht von der unteren Elektrode 111 bedeckt sind, befindet, eine zweite Teilschicht, die sich auf der ersten Teilschicht befindet, und eine dritte Teilschicht, die sich auf der zweiten Teilschicht befindet, umfassen.
Eine vergrößerte schematische Querschnittansicht eines Teils der Halbleiterstruktur 100 nach dem Bilden der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material in einem Beispiel, in dem die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material drei Teilschichten umfasst, ist in 11 gezeigt. In dieser ist die erste Teilschicht der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material durch das Bezugszeichen 1101 bezeichnet, die zweite Teilschicht ist durch das Bezugszeichen 1102 bezeichnet und die dritte Teilschicht ist durch das Bezugszeichen 1103 bezeichnet.
Die erste Teilschicht 1101 und die dritte Teilschicht 1103 können aus im Wesentlichen dem gleichen Material gebildet werden, beispielsweise aus Hafniumdioxid und/oder Zirkoniumdioxid. Die zweite Teilschicht 1102 kann aus einem Material gebildet werden, das von dem Material der ersten Teilschicht 1101 und der dritten Teilschicht 1103 verschieden ist, beispielsweise aus Aluminiumoxid.
In Beispielen, in denen die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material eine im Wesentlichen homogene Schicht aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante ist, kann die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material Tantalpentoxid (Ta₂O₅) enthalten.
Zum Bilden der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material oder zum Bilden der Teilschichten der Schicht 201 aus ersten dielektrischen Material in Ausführungsformen, in denen die Schicht 201 mehrere Teilschichten umfasst, können Verfahren der Abscheidung wie beispielsweise die CVD, die PECVD und/oder die ALD verwendet werden.
Die ein oder mehr Materialien, die zum Bilden der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material verwendet werden und die Techniken, die zum Bilden der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material verwendet werden, können so angepasst sein, dass die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material im Wesentlichen nicht ferroelektrisch ist.
Weitere Merkmale der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material können denen bekannter Kondensatordielektrika entsprechen, die in Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren verwendet werden, die in integrierten Schaltkreisen als Entkopplungskondensatoren bereitgestellt werden.
Nach dem Bilden der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material kann über der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material eine Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material abgeschieden werden. In manchen Beispielen kann die Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material Titannitrid, Tantalnitrid, Tantal und/oder Ruthenium enthalten. In manchen Beispielen können die Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material und die untere Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 aus im Wesentlichen dem gleichen Material gebildet werden. Zum Bilden der Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material können Abscheidungstechniken wie beispielsweise die CVD, die PECVD und die physikalische Dampfabscheidung (PVD, die englische Abkürzung steht für „Physical Vapor Deposition“) verwendet werden.
3 zeigt eine schematische Querschnittansicht der Halbleiterstruktur 100 in einem späteren Stadium des Herstellungsprozesses. Nach dem Bilden der Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material können aus der Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material eine obere Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 und eine untere Elektrode 302 eines zweiten Kondensators 303 gebildet werden. Das kann durch Strukturieren der Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material mit Hilfe von Verfahren der Fotolithografie und des Ätzens geschehen. Da die obere Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 und die untere Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 beide aus der Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material gebildet werden, bestehen die obere Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 und die untere Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 aus im Wesentlichen dem gleichen Material.
Die obere Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 kann über dem Gebiet zwischen den Gräben 103, 104 und über dem Graben 104, aber nicht über dem Graben 103 bereitgestellt werden. Somit befindet sich über dem Gebiet zwischen den Gräben 103, 104 ein Teil der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material, der zwischen der unteren Elektrode 111 und der oberen Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 angeordnet ist und ein Kondensatordielektrikum des ersten Kondensators 112 bildet. Die Teile der unteren Elektrode 111 und der oberen Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 über dem Gebiet zwischen den Gräben 103, 104 können eine Struktur ähnlich der eines Plattenkondensators haben.
Der Teil der unteren Elektrode 111 über dem Graben 103 kann zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der unteren Elektrode 111 und der elektrisch leitfähigen Leitung, die durch den mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Graben 103 bereitgestellt wird, verwendet werden, und der Teil der oberen Elektrode 301 über dem Graben 104 kann zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der oberen Elektrode 301 und der elektrisch leitfähigen Leitung, die durch den mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gebildeten Graben 104 bereitgestellt wird, verwendet werden, wie unten genauer erläutert.
Die untere Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 kann über einem Gebiet zwischen den Gräben 105, 106 und über dem Graben 106, aber nicht über dem Graben 105 bereitgestellt werden.
4 zeigt eine schematische Querschnittansicht der Halbleiterstruktur 100 in einem späteren Stadium des Herstellungsprozesses. Nach dem Bilden der oberen Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 und der unteren Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 kann eine Schicht 401 aus einem zweiten dielektrischen Material abgeschieden werden. Das zweite dielektrische Material kann ein ferroelektrisches dielektrisches Material sein. In manchen Beispielen kann das zweite dielektrische Material ein Material sein, das ferroelektrische Eigenschaften erhält, wenn nach der Abscheidung der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material weitere Verarbeitungsschritte durchgeführt werden. Solche weiteren Verarbeitungsschritte können, wie unten genauer ausgeführt, beispielsweise eine Wärmebehandlung umfassen. Der Einfachheit halber wird hierin der Begriff „ferroelektrisches dielektrisches Material“ manchmal allgemein zur Bezeichnung des Materials der zweiten dielektrischen Schicht 401 verwendet, selbst wenn die Schicht 401 aus einem Material gebildet wird, das ferroelektrische Eigenschaften erst nach weiteren Verarbeitungsschritten erhält und unmittelbar nach seiner Abscheidung zunächst nicht ferroelektrisch ist.
In manchen Beispielen kann die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material Hafniumdioxid, Zirkoniumdioxid und/oder Hafniumzirkoniumdioxid enthalten.
Das zweite dielektrische Material der Schicht 401 kann dotiert sein. Beispielsweise kann die Schicht 401 in manchen Beispielen siliziumdotiertes Hafniumdioxid enthalten. Aluminiumdotiertes Hafniumdioxid, strontiumdotiertes Hafniumdioxid, yttriumdotiertes Hafniumdioxid, gadoliniumdotiertes Hafniumdioxid und/oder andere mit seltenen Erden dotierte Hafniumoxidsysteme können ebenfalls verwendet werden. In weiteren Beispielen kann die Schicht 401 im Wesentlichen undotiertes Hafniumdioxid enthalten. In manchen Beispielen kann der Abscheidungsprozess, der zum Abscheiden des zweiten Dielektrikums der Schicht 401 verwendet wird, so ausgelegt sein, dass das gerade abgeschiedene Material im Wesentlichen amorph ist und keine ferroelektrischen Eigenschaften hat.
In Beispielen, in denen die Schicht 401 aus dem zweiten Dielektrikum siliziumdotiertes Hafniumdioxid enthält, kann zum Abscheiden der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material ein ALD-Verfahren durchgeführt werden. Bei dem ALD-Verfahren können Tetrakis-(ethylmethylamino)-hafnium, Tetrakis-dimethylamino-silan und Ozon verwendet werden. In manchen Beispielen können zusätzlich metallorganische Ausgangsstoffe und/oder Halogenidausgangsstoffe verwendet werden. Das ALD-Verfahren kann bei einer Temperatur von weniger als 500 °C, beispielsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von ungefähr 200-400 °C, insbesondere bei einer Temperatur von ungefähr 350 °C, durchgeführt werden. Ein Siliziumgehalt der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material kann sich in einem Bereich von ungefähr 2-5 mol%, insbesondere in einem Bereich von ungefähr 2,5-4,5 mol%, befinden. Der Siliziumdioxidgehalt der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material kann durch Verändern der Zusammensetzung von Gasen, die bei dem ALD-Verfahren verwendet werden, gesteuert werden. Eine Abscheidung der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material bei einer relativ niedrigen Temperatur, wie oben beschrieben, kann dazu beitragen, dass die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material unmittelbar nach ihrer Abscheidung eine amorphe Struktur hat.
In Beispielen, in denen die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material aluminiumdotiertes Hafniumdioxid, yttriumdotiertes Hafniumdioxid oder gadoliniumdotiertes Hafniumdioxid enthält, kann ein ALD-Verfahren angewendet werden, bei dem Tetrakis-(ethylmethylamino)-hafnium, Hafniumtetrachlorid sowie Ozon und/oder Wasser verwendet werden. Außerdem kann, je nachdem, ob die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material Aluminium, Yttrium oder Gadolinium enthält, Trimethylaluminium, Tris(methylcyclopentadienyl)yttrium oder Tris(isopropylcyclopentan)gadolinium verwendet werden. Weitere Parameter des ALD-Verfahrens können denen entsprechen, die oben im Zusammenhang mit Beispielen, in denen die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material siliziumdotiertes Hafniumdioxid enthält, beschrieben wurden.
In Beispielen, in denen die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material im Wesentlichen undotiertes Hafniumdioxid enthält, kann zum Bilden der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material ein ALD-Verfahren verwendet werden, bei dem Materialien und/oder Parameter entsprechend den oben beschriebenen Beispielen verwendet werden, aber die Stoffe, die zum Dotieren der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material vorgesehen sind, weggelassen werden.
In Beispielen, in denen die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material Hafniumzirkoniumdioxid enthält, kann zum Abscheiden der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material ein ALD-Verfahren durchgeführt werden, bei dem Tetrakis(ethylmethylamino)zirkonium, Tetrakis(ethylmethylamino)hafnium und Ozon verwendet werden. In manchen Beispielen kann das Hafniumzirkoniumdioxid eine Zusammensetzung gemäß der Formel Hf_xZr_1-xO₂ haben, beispielsweise eine Zusammensetzung gemäß der Formel Hf_0,5Zr_0,5O₂. Weitere Parameter des ALD-Verfahrens können denen entsprechen, die oben im Zusammenhang mit Beispielen beschrieben wurden, in denen die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material siliziumdotiertes Hafniumdioxid enthält.
In Beispielen, in denen die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material Zirkoniumdioxid enthält, können Abscheidungsverfahren ähnlich denen, die oben im Zusammenhang mit Beispielen, in denen die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material Hafniumdioxid enthält, beschrieben wurden, verwendet werden, wobei anstelle von Reaktionspartnern, die Hafnium enthalten, Reaktionspartner verwendet werden, die Zirkonium enthalten. Insbesondere kann anstelle von Tetrakis(ethylmethylamino)hafnium Tetrakis(ethylmethylamino)zirkonium verwendet werden, und anstelle von Hafniumtetrachlorid kann Zirkoniumtetrachlorid verwendet werden.
Nach der Abscheidung der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material kann eine obere Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 gebildet werden. Zum Bilden der oberen Elektrode 402 des zweiten Kondensators 403 kann eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise eine Schicht, die Titannitrid, Tantalnitrid, Tantal und/oder Ruthenium enthält, abgeschieden werden. Zu diesem Zweck können Abscheidungstechniken wie die CVD, die PECVD und/oder die PVD verwendet werden. Danach können Techniken der Fotolithografie und des Ätzens verwendet werden, um die Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material zu strukturieren, wobei die obere Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 gebildet wird. In manchen Beispielen kann das elektrisch leitfähige Material, aus dem die obere Elektrode 402 gebildet wird, im Wesentlichen das gleiche Material sein wie die Materialien der unteren Elektrode 111 und der oberen Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 und der unteren Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303.
Die obere Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 kann über dem Gebiet zwischen den Gräben 105, 106 und über dem Graben 105, aber nicht über dem Graben 106, bereitgestellt werden.
Die Teile der unteren Elektrode 302 und der oberen Elektrode 402 über dem Gebiet zwischen den Gräben 105, 106 können eine Struktur entsprechend der eines Plattenkondensators haben, wobei ein Teil der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material zwischen der unteren Elektrode 302 und der oberen Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 ein Kondensatordielektrikum bereitstellt.
In manchen Beispielen kann nach der Abscheidung der Schicht aus elektrisch leitfähigem Material, aus dem die obere Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 gebildet wird, oder nach der Strukturierung dieser Schicht aus elektrisch leitfähigem Material mit Hilfe der Fotolithografie und des Ätzens ein Wärmebehandlungsverfahren durchgeführt werden, um die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material zu kristallisieren. Durch die Kristallisation der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material in Anwesenheit des Materials der oberen Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303, das sich darauf befindet, kann man erreichen, dass zumindest der Teil der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material zwischen der unteren Elektrode 302 und der oberen Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 eine Kristallstruktur mit ferroelektrischen Eigenschaften erhält. Das Wärmebehandlungsverfahren kann ein schnelles thermisches Wärmebehandlungsverfahren sein, bei dem die Halbleiterstruktur 100 einer Temperatur in einem Bereich von ungefähr 300-500 °C ausgesetzt wird.
Nach dem Bilden der oberen Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 kann ein Zwischenschichtdielektrikum 403 abgeschieden werden. In manchen Beispielen kann das Zwischenschichtdielektrikum 403 Siliziumdioxid enthalten und es kann mit Hilfe eines CDV-Verfahren oder eines PECVD-Verfahrens gebildet werden, bei dem Tetraethylorthosilikat (TEOS) als ein Reaktionspartner verwendet wird. Wie in 4 schematisch dargestellt, kann das Zwischenschichtdielektrikum 403 nach der Abscheidung des Zwischensichtdielektrikums 403 eine relativ unebene Oberfläche haben, da die Form der Oberfläche des Zwischenschichtdielektrikums 403 durch die Topologie des ersten Kondensators 112 und des zweiten Kondensators 303 unter dem Zwischenschichtdielektrikum 403 beeinflusst werden kann.
5 zeigt eine schematische Querschnittansicht der Halbleiterstruktur 100 in einem späteren Stadium des Herstellungsprozesses. Nach der Abscheidung des Zwischenschichtdielektrikums 403 kann ein Planarisierungsverfahren durchgeführt werden, damit man eine im Wesentlichen flache Oberfläche des Zwischenschichtdielektrikums 403 erhält. Das Planarisierungsverfahren kann ein CMP-Verfahren sein.
Danach können Kontaktöffnungen 501, 502, 503, 504 gebildet werden. Die Kontaktöffnung 501 befindet sich über dem Graben 103, die Kontaktöffnung 502 befindet sich über dem Graben 104, die Kontaktöffnung 503 befindet sich über dem Graben 105 und die Kontaktöffnung 504 befindet sich über dem Graben 106. Jede der Kontaktöffnungen 501, 502, 503, 504 erstreckt sich durch die Deckschicht 109, das Zwischenschichtdielektrikum 110, die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material, die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material und das Zwischenschichtdielektrikum 403. Außerdem erstreckt sich jede der Kontaktöffnungen 501, 502, 503, 504 durch eine der Elektroden 111, 301, 302, 402 der Kondensatoren 112, 303. Insbesondere erstreckt sich die Kontaktöffnung 501 durch die untere Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 und die Kontaktöffnung 502 erstreckt sich durch die obere Elektrode 301 des ersten Kondensators 112. Die Kontaktöffnung 503 erstreckt sich durch die obere Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 und die Kontaktöffnung 504 erstreckt sich durch die untere Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303.
Nach dem Bilden der Kontaktöffnungen 501, 502, 503, 504 kann eine Diffusionsbarrierenschicht 505 abgeschieden werden. Dann können die Kontaktöffnungen 501, 502, 503, 504 mit einem elektrisch leitfähigen Material 506 gefüllt werden. Das elektrisch leitfähige Material 506 kann ein Metall, beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung, enthalten.
Danach kann ein CMP-Verfahren durchgeführt werden, um Teile der Diffusionsbarrierenschicht 505 und des elektrisch leitfähigen Materials 506 außerhalb der Kontaktöffnungen 501, 502, 503, 504 zu entfernen.
Die mit dem elektrisch leitfähigen Material 506 gefüllte Kontaktöffnung 501 stellt eine elektrische Verbindung zwischen der unteren Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 und dem mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Graben 103 bereit. Die mit dem elektrisch leitfähigen Material 506 gefüllte Kontaktöffnung 502 stellt eine elektrische Verbindung zwischen der oberen Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 und dem mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Graben 104 bereit. Die mit dem elektrisch leitfähigen Material 506 gefüllte Kontaktöffnung 503 stellt eine elektrische Verbindung zwischen der oberen Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 und dem mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Graben 105 bereit. Die mit dem elektrisch leitfähigen Material 506 gefüllte Kontaktöffnung 504 stellt eine elektrische Verbindung zwischen der unteren Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 und dem mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Graben 106 bereit. Somit können die elektrisch leitfähigen Leitungen, die durch die mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Gräben 103, 104, 105, 106 bereitgestellt werden, dazu verwendet werden, den ersten Kondensator 112 und den zweiten Kondensator 303 elektrisch mit anderen Teilen der Halbleiterstruktur 100 zu verbinden.
Insbesondere kann der erste Kondensator 112 als ein Entkopplungskondensator verwendet werden, der zwischen elektrisch leitfähigen Leitungen in einem Stromversorgungsnetzwerk eines integrierten Schaltkreises, der in der Halbleiterstruktur 100 bereitgestellt ist, verbunden ist, ähnlich wie die Entkopplungskondensatoren in bekannten integrierten Schaltkreisen. Der zweite Kondensator 303, der ein ferroelektrisches Kondensatordielektrikum enthält, das durch den Teil der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material bereitgestellt wird, kann dazu verwendet werden, ein Datenbit in einer nichtflüchtigen Speicherzelle zu speichern, was unten genauer beschrieben wird.
Die untere Elektrode 302 und die obere Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 müssen nicht im Wesentlichen flach sein, wie in den oben mit Bezug auf die 1-5 beschriebenen erläuternden Beispielen. In Ausführungsformen der Erfindung ist der zweite Kondensator 303 ein dreidimensionaler Metall-Isolator-Metall-Kondensator. Im Folgenden werden solche Ausführungsformen mit Bezug auf die 6-9 beschrieben.
Der Einfachheit halber werden in den 1-5 einerseits und den 6-9 andererseits gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Komponenten zu bezeichnen. Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, können Merkmale von Komponenten der mit Bezug auf die 6-9 beschriebenen Ausführungsformen den Merkmalen der mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten Komponenten der mit Bezug auf die 1-5 beschriebenen Beispiele entsprechen und zu ihrer Herstellung können entsprechende Verfahren verwendet werden.
6 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer Halbleiterstruktur 600 gemäß einer Ausführungsform in einem Stadium eines Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform. Ähnlich wie die oben mit Bezug auf die 1-5 beschriebene Halbleiterstruktur 100 umfasst die Halbleiterstruktur 600 ein Substrat 101 und ein Zwischenschichtdielektrikum 102. In dem Zwischenschichtdielektrikum 102 sind Gräben 103, 104, 105, 106 gebildet, die mit einem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllt sind. Es kann eine Diffusionsbarrierenschicht 107 bereitgestellt werden, um eine Diffusion des elektrisch leitfähigen Materials 108 in andere Teile der Halbleiterstruktur 600 im Wesentlichen zu verhindern oder zumindest zu verringern. Auf dem Zwischenschichtdielektrikum 102 und den mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Gräben 103, 104, 105, 106 kann sich eine Deckschicht 109 befinden. Auf der Deckschicht 109 kann sich ein Zwischenschichtdielektrikum 110 befinden.
In dem Zwischenschichtdielektrikum 110 wird ein Graben 601 gebildet. Das kann mit Hilfe von Techniken der Fotolithografie und des Ätzens geschehen. Der Graben 601 kann über einem Gebiet zwischen den Gräben 105, 106 angeordnet sein, aber nicht über den Gräben 105, 106 selbst. In manchen Ausführungsformen kann sich der Graben 601 durch das Zwischenschichtdielektrikum 110 bis zu der Deckschicht 109 erstrecken. In solchen Ausführungsformen kann die Deckschicht 109 bei der Herstellung des Grabens 601 als eine Ätzstoppschicht verwendet werden. In anderen Ausführungsformen kann sich der Graben 601 durch die Deckschicht 109 in das Zwischenschichtdielektrikum 102 hinein erstrecken.
Die Halbleiterstruktur 600 kann außerdem eine untere Elektrode 111 eines ersten Kondensators 112, eine Schicht 201 aus einem ersten dielektrischen Material und eine Schicht 202 aus einem elektrisch leitfähigen Material umfassen. Die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material kann sich über der unteren Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 und über Teilen des Zwischenschichtdielektrikums 110, die nicht von der unteren Elektrode 111 bedeckt sind, befinden. Insbesondere kann sich die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material auf einer oberen Oberfläche des Zwischenschichtdielektrikums 110, auf Seitenwänden des Grabens 601 und am Boden des Grabens 601 befinden.
Die Halbleiterstruktur 600 umfasst außerdem eine Schicht 202 aus einem elektrisch leitfähigen Material. Die Schicht 202 aus dem elektrisch leitfähigen Material kann sich über der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material befinden. Insbesondere kann sich die Schicht 202 aus dem elektrisch leitfähigen Material oberhalb der unteren Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 sowie an den Seitenwänden und am Boden des Grabens 601, und oberhalb von Teilen des Zwischenschichtdielektrikums 110 über den Gräben 105, 106 befinden.
Die vorliegenden Angaben sind nicht auf Ausführungsformen beschränkt, in denen an den Seitenwänden und am Boden des Grabens 601 die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material bereitgestellt wird. In anderen Ausführungsformen kann sich die Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material direkt auf dem Zwischenschichtdielektrikum 110 an den Seitenwänden des Grabens 601 und direkt auf der Deckschicht 109 am Boden des Grabens 601 befinden. In solchen Ausführungsformen kann der Graben 601 nach dem Bilden der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material gebildet werden. In Ausführungsformen, in denen sich die Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material an den Seitenwänden und am Boden des Grabens 601 befindet, kann der Graben 601 vor der Abscheidung der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material gebildet werden, beispielsweise vor dem Bilden der unteren Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 oder nach dem Bilden der unteren Elektrode 111.
7 zeigt eine schematische Querschnittansicht der Halbleiterstruktur 600 in einem späteren Stadium des Herstellungsprozesses. Nach der Abscheidung der Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material kann die Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material mit Hilfe von Verfahren der Fotolithografie und des Ätzens strukturiert werden, um eine obere Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 und eine untere Elektrode 302 eines zweiten Kondensators 303 zu bilden.
Die obere Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 kann eine Struktur haben, die der der oberen Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 in den oben mit Bezug auf die 1-5 beschriebenen Beispielen entspricht. Die untere Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 kann sich am Boden und an den Seitenwänden des Grabens 601 befinden. Zusätzlich kann die untere Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 einen Teil über dem Graben 106 aufweisen, während sich oberhalb des Grabens 105 kein Teil der unteren Elektrode 302 befindet.
Nach dem Bilden der Elektroden 301, 302 kann eine Schicht 401 aus einem zweiten dielektrischen Material abgeschieden werden. Die Schicht 401 kann die gesamte untere Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 bedecken, einschließlich der Teile an der Seitenwand und am Boden des Grabens 601. Zusätzlich kann die Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material im Wesentlichen horizontale Teile der Schicht 201 aus dem ersten dielektrischen Material und der unteren Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 außerhalb des Grabens 601 bedecken.
Nach dem Bilden der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material kann über der Halbleiterstruktur 600 ein elektrisch leitfähiges Material 701 abgeschieden werden. Das elektrisch leitfähige Material 701 kann Titannitrid, Tantalnitrid, Tantal und/oder Ruthenium enthalten. Das elektrisch leitfähige Material 701 kann mit Hilfe von Abscheidungstechniken wie der CVD, der PECVD und/oder der PVD abgeschieden werden. Eine Menge des elektrisch leitfähigen Materials 701, die abgeschieden wird, kann so ausgelegt sein, dass der gesamte Graben 601 mit dem elektrisch leitfähigen Material 701 gefüllt wird. Außerhalb des Grabens 601 kann man deshalb eine relativ große Dicke des elektrisch leitfähigen Materials 701 erhalten. Außerdem kann eine Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials 701 unmittelbar nach dessen Abscheidung relativ uneben sein und, wie in 7 gezeigt, eine Vertiefung über dem Graben 601 aufweisen.
8 zeigt eine schematische Querschnittansicht der Halbleiterstruktur 600 in einem späteren Stadium des Herstellungsprozesses. Nach der Abscheidung des elektrisch leitfähigen Materials 701 kann ein Planarisierungsverfahren, beispielsweise ein CMP-Verfahren, durchgeführt werden, damit man eine im Wesentlichen flache Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials 701 erhält und damit eine Dicke von Teilen des elektrisch leitfähigen Materials 701 außerhalb des Grabens 601 verringert wird. In manchen Ausführungsformen kann das CMP-Verfahren beendet werden, sobald ein Teil der Schicht 401 aus dem zweiten dielektrischen Material über der oberen Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 freiliegt.
9 zeigt eine schematische Querschnittansicht der Halbleiterstruktur 600 in einem späteren Stadium des Herstellungsverfahrens. Nach dem CMP-Verfahren kann das elektrisch leitfähige Material 701 mit Hilfe der Techniken der Fotolithografie und des Ätzens strukturiert werden, um aus dem elektrisch leitfähigen Material 701 eine obere Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 zu bilden.
Nach dem Bilden der oberen Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 kann über der Halbleiterstruktur 600 ein weiteres Zwischenschichtdielektrikum abgeschieden werden und es können Kontaktöffnungen, die mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt sind, gebildet werden, um eine elektrische Verbindung zwischen der unteren Elektrode 111 des ersten Kondensators 112 und dem mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Graben 103, eine elektrische Verbindung zwischen der oberen Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 und dem mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Graben 104, eine elektrische Verbindung zwischen der oberen Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 und dem mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Graben 105 und eine elektrische Verbindung zwischen der unteren Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 und dem mit dem elektrisch leitfähigen Material 108 gefüllten Graben 106 herzustellen. Die Herstellung des weiteren Zwischenschichtdielektrikums und der Kontaktöffnungen können, wie oben mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben durchgeführt werden.
Ähnlich wie in den oben mit Bezug auf die 1-5 beschriebenen Beispielen kann der erste Kondensator 112 als ein Entkopplungskondensator in einem Stromversorgungsnetzwerk für einen integrierten Schaltkreis, der sich in der Halbleiterstruktur 600 befindet, verwendet werden, und der zweite Kondensator 303 kann als ein ferroelektrischer Kondensator in einer nichtflüchtigen Speicherzelle des integrierten Schaltkreises, der sich in der Halbleiterstruktur 600 befindet, verwendet werden. Da sich Teile der unteren Elektrode 302 und der oberen Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 in dem Graben 601 befinden, kann in den Ausführungsformen gemäß 6-9 im Vergleich zu den oben mit Bezug auf die 1-5 beschriebenen Beispielen eine Kapazität des zweiten Kondensators 303 pro Fläche der Halbleiterstruktur 600 verbessert werden.
10 zeigt einen schematischen Schaltplan einer nichtflüchtigen Speicherzelle 1000, die in der oben mit Bezug auf die 1-5 beschriebenen Halbleiterstruktur 100 oder gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in der oben mit Bezug auf die 6-9 beschriebenen Halbleiterstruktur 600 bereitgestellt werden kann.
Die nichtflüchtige Speicherzelle 1000 umfasst einen Kondensator 1004, der ein ferroelektrisches Kondensatordielektrikum aufweist. Der Kondensator 1004 kann von dem zweiten Kondensator 303 der oben mit Bezug auf die 1-5 beschriebenen Halbleiterstruktur 100 oder gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung von dem zweiten Kondensator 303 der oben mit Bezug auf die 6-9 beschriebenen Halbleiterstruktur 600 bereitgestellt werden.
Die nichtflüchtige Speicherzelle 1000 umfasst außerdem einen Feldeffekttransistor 1010. Der Feldeffekttransistor 1010 kann ein Feldeffekttransistor eines bekannten Typs sein, und er kann an einem Halbleitermaterial des Substrats 101 gebildet sein. Der Transistor 1010 umfasst ein erstes Source/Draingebiet 1005, ein zweites Source/Draingebiet 1006 und eine Gateelektrode 1007. Das erste Source/Draingebiet 1005 ist elektrisch mit einer Bitleitung 1001 verbunden und die Gateelektrode 1007 ist elektrisch mit einer Wortleitung 1002 verbunden. Das zweite Source/Draingebiet 1006 ist durch eine elektrische Verbindung 1008 elektrisch mit einer der Elektroden des Kondensators 1004 verbunden. Die andere Elektrode des Kondensators 1004 ist durch eine zweite elektrische Verbindung 1009 elektrisch mit einer Plattenleitung 1003 verbunden.
In manchen Ausführungsformen kann die elektrische Verbindung 1008 durch eine Kontaktöffnung und einen Graben, die mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt sind und mit der oberen Elektrode 402 verbunden sind, bereitgestellt werden, und die elektrische Verbindung 1009 kann durch eine Kontaktöffnung und einen Graben, die mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt sind und mit der unteren Elektrode 302 verbunden sind, bereitgestellt werden. In anderen Ausführungsformen kann die elektrische Verbindung 1008 durch eine Kontaktöffnung und einen Graben, die mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt sind und mit der unteren Elektrode 302 verbunden sind, bereitgestellt werden und die elektrische Verbindung 1009 kann durch eine Kontaktöffnung und einen Graben, die mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt und mit der oberen Elektrode 402 verbunden sind, bereitgestellt werden.
Die Halbleiterstruktur 100 bzw. 600 kann eine Anordnung von nichtflüchtigen Speicherzellen umfassen, die eine Struktur ähnlich der der nichtflüchtigen Speicherzelle 1000 haben, wobei die ersten Source/Draingebiete der Transistoren der nichtflüchtigen Speicherzelle in einer Spalte der Anordnung von nichtflüchtigen Speicherzellen elektrisch mit der gleichen Bitleitung verbunden sind und die Gateelektroden der Transistoren der nichtflüchtigen Speicherzellen in einer Reihe der Anordnung von nichtflüchtigen Speicherzellen elektrisch mit der gleichen Wortleitung verbunden sind.
Zum Zugreifen auf die nichtflüchtige Speicherzelle 1000 kann an die Wortleitung 1002 eine Spannung angelegt werden, die dafür ausgelegt ist, den Transistor 1010 in einen elektrisch leitfähigen Zustand zu schalten und Spannungen zum Lesen von Daten oder zum Schreiben von Daten können an die Bitleitung 1001 und die Plattenleitung 1003 angelegt werden. Das Lesen von Daten aus der nichtflüchtigen Speicherzelle 1000 und das Schreiben von Daten in die nichtflüchtige Speicherzelle 1000 können entsprechend zu bekannten Techniken zum Lesen von Daten aus einer ferroelektrischen Speicherzelle und zum Schreiben von Daten in eine ferroelektrische Speicherzelle durchgeführt werden.
Im Vergleich mit Halbleiterstrukturen, in denen nur ein Entkopplungskondensator mit Merkmalen entsprechend denen des oben mit Bezug auf die 1-9 beschriebenen ersten Kondensators 112 gebildet wird, wird in den oben mit Bezug auf die 1-5 beschriebenen Beispielen eine zusätzliche Fotomaske verwendet, um eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material, aus dem die obere Elektrode 402 des zweiten Kondensators 303 gebildet wird, zu strukturieren. Die Strukturierung der Schicht 202 aus elektrisch leitfähigem Material zum Bilden der unteren Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 kann unter Verwendung der gleichen Fotomaske durchgeführt werden wie das Bilden der oberen Elektrode 301 des ersten Kondensators 112, da die obere Elektrode 301 des ersten Kondensators 112 und die untere Elektrode 302 des zweiten Kondensators 303 in einem gemeinsamen Strukturierungsprozess gebildet werden können. Außerdem können die Kontaktöffnungen 503, 504, die zum Bereitstellen von elektrischen Verbindungen zu den Elektroden 302, 402 des zweiten Kondensators 303 vorgesehen sind, in einem gleichen Strukturierungsprozess gebildet werden, wie die Kontaktöffnungen 501, 502, die zum Bereitstellen von elektrischen Verbindungen zu den Elektroden 111, 301 des ersten Kondensators 112 verwendet werden.
In den oben mit Bezug auf die 6-9 beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird eine weitere Fotomaske verwendet, um den Graben 601 zu bilden, so dass zum Bilden des zweiten Kondensators 303 zwei Masken zusätzlich zu den Masken, die beim Bilden des ersten Kondensators 112 verwendet werden, benützt werden.
Zum Integrieren eines Flashspeichers mit Floating-Gates in einen integrierten Schaltkreis sind üblicherweise mehr als acht zusätzliche Fotomasken erforderlich, zusätzlich zu den Masken, die zum Bilden von anderen Elementen des integrierten Schaltkreises als den Speicherzellen mit Floating-Gates verwendet werden. Deshalb können Ausführungsformen wie die hierin beschriebenen unter Verwendung einer verringerten Anzahl von zusätzlichen Fotomasken ausgeführt werden, was dabei helfen kann, die Kosten des Herstellungsprozesses zu verringern.
Experimente, die von den Erfindern durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass man eine Polarisationshysterese erhalten kann, wenn in einer Halbleiterstruktur, die Merkmale entsprechend denen der oben mit Bezug auf die 1-5 beschriebenen Halbleiterstruktur 100 hat, und in der das zweite dielektrische Material 401 Hafniumdioxid umfasst, zwischen den Elektroden 302, 402 des zweiten Kondensators 303 eine Spannung angelegt wird. Es konnten eine remanente Polarisation von mindestens ungefähr 10 µC/cm² und ein geringer Leckstrom erhalten werden. Langzeitmessungen, bei denen ein Rechtecksignal von ± 2,5 V mit einer Frequenz von 20 kHz angelegt wurde, haben gezeigt, dass man während mindestens fünf Millionen Schaltzyklen ein ferroelektrisches Umschalten zwischen zwei Polarisationszuständen des Kondensatordielektrikums des zweiten Kondensators 303 erhalten kann, und während des Langzeittests wurde keine Drift der Koerzivspannungen erhalten.

Claims

Ein Verfahren, das umfasst: Bereitstellen einer Halbleiterstruktur (600), die ein erstes Zwischenschichtdielektrikum (110) umfasst, das sich über einem Halbleitersubstrat befindet; Bilden eines Grabens (601) in dem ersten Zwischenschichtdielektrikum (110); Bilden einer ersten Elektrode (111) eines ersten Kondensators (112) über dem ersten Zwischenschichtdielektrikum (110); Abscheiden einer Schicht (201) aus einem ersten dielektrischen Material über der ersten Elektrode (111) des ersten Kondensators (112) und dem ersten Zwischenschichtdielektrikum (110); Abscheiden einer Schicht (202) aus einem elektrisch leitfähigen Material über der Schicht (201) aus dem ersten dielektrischen Material, wobei sich ein Teil der Schicht (202) aus dem elektrisch leitfähigen Material in dem Graben befindet; Bilden einer zweiten Elektrode (301) des ersten Kondensators (112) und einer ersten Elektrode (302) eines zweiten Kondensators (303) aus der Schicht (202) aus elektrisch leitfähigem Material; und Abscheiden einer Schicht (401) aus einem zweiten dielektrischen Material und Bilden einer zweiten Elektrode (402) des zweiten Kondensators (303) über der Schicht (401) aus dem zweiten dielektrischen Material, und zwar nach dem Bilden der zweiten Elektrode (301) des ersten Kondensators (112) und der ersten Elektrode (302) des zweiten Kondensators (303), wobei sich zumindest Teile des zweiten dielektrischen Materials und der zweiten Elektrode (402) des zweiten Kondensators (303) in dem Graben (601) befinden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei sich das erste dielektrische Material und das zweite dielektrische Material hinsichtlich ihrer ferroelektrischen Eigenschaften unterscheiden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das erste dielektrische Material im Wesentlichen nicht ferroelektrisch ist und das zweite dielektrische Material ferroelektrisch ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das zweite dielektrische Material mindestens eines von Hafniumdioxid, Zirkoniumdioxid und Hafniumzirkoniumdioxid umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, das zusätzlich umfasst: Abscheiden eines zweiten Zwischenschichtdielektrikums (403) nach dem Bilden der zweiten Elektrode (402) des zweiten Kondensators (303); Planarisieren des zweiten Zwischenschichtdielektrikums (403); Bilden von mehreren Kontaktöffnungen (501, 502, 503, 504) in dem ersten Zwischenschichtdielektrikum (110) und dem zweiten Zwischenschichtdielektrikum (403); und Füllen der mehreren Kontaktöffnungen (501, 502, 503, 504) mit einem elektrisch leitfähigen Material (506), wobei die mit dem elektrisch leitfähigen Material (506) gefüllten mehreren Kontaktöffnungen (501, 502, 503, 504) jeweilige elektrische Verbindungen zu jedem von der ersten Elektrode (111) des ersten Kondensators (112), der zweiten Elektrode (301) des ersten Kondensators (112), der ersten Elektrode (302) des zweiten Kondensators (303) und der zweiten Elektrode (402) des zweiten Kondensators (303) bereitstellen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Halbleiterstruktur (600) außerdem einen Transistor (1010) umfasst, eine der Kontaktöffnungen (503, 504), die elektrische Verbindungen zu der ersten Elektrode (302) des zweiten Kondensators (303) und der zweiten Elektrode (402) des zweiten Kondensators (303) bereitstellen, elektrisch mit dem Transistor (1010) verbunden ist und der Transistor (1010) und der zweite Kondensator (303) eine nichtflüchtige Speicherzelle (1000) bilden.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines von der ersten Elektrode (111) des ersten Kondensators (112), der Schicht (202) aus dem elektrisch leitfähigen Material und der zweiten Elektrode (402) des zweiten Kondensators (303) mindestens eines von Titannitrid, Tantalnitrid, Tantal und Ruthenium enthält.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (201) aus dem ersten dielektrischen Material ein Material enthält, das eine größere Dielektrizitätskonstante hat als Siliziumdioxid.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Abscheidung der Schicht (201) aus dem ersten dielektrischen Material ein Abscheiden einer ersten Teilschicht (1101) auf der ersten Elektrode (111) des ersten Kondensators (112) und dem ersten Zwischenschichtdielektrikum (110), ein Abscheiden einer zweiten Teilschicht (1102) auf der ersten Teilschicht (1101) und ein Abscheiden einer dritten Teilschicht (1103) auf der zweiten Teilschicht (1102) umfasst, wobei jede von der ersten Teilschicht (1101) und der dritten Teilschicht (1103) mindestens eines von Hafniumdioxid und Zirkoniumdioxid enthält und die zweite Teilschicht (1102) Aluminiumoxid enthält.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bilden der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators umfasst: Abscheiden einer Schicht (701) aus einem Material der zweiten Elektrode (402) auf dem zweiten Kondensator (303); und Durchführen eines Polierverfahrens, wobei bei dem Polierverfahren Teile der Schicht (701) aus dem Material der zweiten Elektrode (402) des zweiten Kondensators (303) außerhalb des Grabens (601) entfernt werden.
Eine Halbleiterstruktur (600), die umfasst: ein Zwischenschichtdielektrikum (110), das sich über einem Halbleitersubstrat (101) befindet, einen Graben (601), der in dem Zwischenschichtdielektrikum (110) gebildet ist, einen ersten Kondensator (112) und einen zweiten Kondensator (303), wobei jeder von dem ersten Kondensator (112) und dem zweiten Kondensator (303) jeweils eine erste Elektrode (111, 302) und jeweils eine zweite Elektrode (301, 402) umfasst und der erste Kondensator (112) über dem Zwischenschichtdielektrikum (110) angeordnet ist; eine Schicht (201) aus einem im Wesentlichen nicht ferroelektrischen dielektrischen Material, wobei die Schicht (201) aus dem im Wesentlichen nicht ferroelektrischen dielektrischen Material einen ersten Teil, der zwischen der ersten Elektrode (111) und der zweiten Elektrode (301) des ersten Kondensators (112) angeordnet ist und ein Kondensatordielektrikum des ersten Kondensators bereitstellt, sowie einen zweiten Teil, der zwischen dem Zwischenschichtdielektrikum (110) und der ersten Elektrode (302) des zweiten Kondensators (303) angeordnet ist, umfasst; und eine Schicht (401) aus einem ferroelektrischen dielektrischen Material, wobei die Schicht (401) aus dem ferroelektrischen dielektrischen Material einen ersten Teil umfasst, der zwischen der ersten Elektrode (302) und der zweiten Elektrode (402) des zweiten Kondensators (303) angeordnet ist und ein Kondensatordielektrikum des zweiten Kondensators (303) bereitstellt; wobei zumindest Teile von jedem von der ersten Elektrode (302) des zweiten Kondensators (303), dem Teil der Schicht (401) aus dem ferroelektrischen Material, der das Kondensatordielektrikum des zweiten Kondensators (303) bereitstellt, und der zweiten Elektrode (402) des zweiten Kondensators (303) in dem Graben (601) angeordnet sind.
Die Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 11, wobei die Schicht aus dem ferroelektrischen dielektrischen Material mindestens eines von Hafniumdioxid, Zirkoniumdioxid und Hafniumzirkoniumdioxid umfasst.
Die Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die zweite Elektrode des ersten Kondensators und die erste Elektrode des zweiten Kondensators aus im Wesentlichen dem gleichen Material gebildet sind.
Die Halbleiterstruktur gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Halbleiterstruktur einen integrierten Schaltkreis umfasst und der erste Kondensator ein Entkopplungskondensator des integrierten Schaltkreises ist.
Die Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 14, wobei der integrierte Schaltkreis eine nichtflüchtige Speicherzelle umfasst, wobei die nichtflüchtige Speicherzelle den zweiten Kondensator und einen Transistor, der elektrisch mit dem zweiten Kondensator verbunden ist, umfasst.
Die Halbleiterstruktur gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Schicht aus dem ferroelektrischen dielektrischen Material einen zweiten Teil umfasst, der oberhalb der zweiten Elektrode des ersten Kondensators angeordnet ist.
Die Halbleiterstruktur gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei mindestens eine von der ersten Elektrode des ersten Kondensators und der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators mindestens eines von Titannitrid, Tantalnitrid, Tantal und Ruthenium enthält.
Die Halbleiterstruktur gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die zweite Elektrode des ersten Kondensators und die erste Elektrode des zweiten Kondensators aus im Wesentlichen dem gleichen Material gebildet sind und mindestens eines von Titannitrid, Tantalnitrid, Tantal und Ruthenium enthalten.
Die Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 18, wobei die Schicht aus dem im Wesentlichen nicht ferroelektrischen dielektrischen Material eine erste Teilschicht, eine zweite Teilschicht und eine dritte Teilschicht umfasst, wobei die zweite Teilschicht zwischen der ersten Teilschicht und der dritten Teilschicht angeordnet ist, und wobei jede von der ersten Teilschicht und der dritten Teilschicht mindestens eines von Hafniumdioxid und Zirkoniumdioxid enthält und die zweite Teilschicht Aluminiumoxid enthält.