DE102015105457B4 - Kondensator, der eine graphenstruktur aufweist, herstellungsverfahren für den kondensator und halbleitervorrichtung, die den kondensator umfasst - Google Patents

Kondensator, der eine graphenstruktur aufweist, herstellungsverfahren für den kondensator und halbleitervorrichtung, die den kondensator umfasst Download PDF

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Abstract

Kondensator (150), der Folgendes umfasst:eine erste Graphenelektrode (152), die mehrere erste Graphenschichten aufweist;eine dielektrische Schicht (154) über der ersten Graphenelektrode (152);eine zweite Graphenelektrode (156) über der dielektrischen Schicht (154), wobei die zweite Graphenelektrode (156) mehrere zweite Graphenschichten aufweist; undeine Wachstumsschicht (170) zwischen der dielektrischen Schicht (154) und der zweiten Graphenelektrode (156), wobei die Wachstumsschicht (170) Aluminium und/oder Wolfram umfasst.

Description

  • HINTERGRUND
  • Kondensatoren, die metallische Elektroden umfassen, etwa Metall-Oxid-Metall-(MOM)- oder Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Kondensatoren, verwenden metallische Komponenten wie Aluminium oder Kupfer, um die Kondensatoren auszubilden. Ein MOM-Kondensator hat die Fähigkeit, weniger als etwa 10 Femtofarad pro Quadrat-Mikrometer (fF//µm2) zu speichern. Ein MIM-Kondensator hat die Fähigkeit, etwa 30 fF/µm2 bis etwa 100 fF/µm2 zu speichern.
  • In einigen Fällen wird die Speicherfähigkeit pro Einheitsfläche mittels eines Dielektrikums erhöht, das eine hohe Dielektrizitätskonstante hat, d.h. ein High-k-Dielektrikum. In einigen Fällen wird die Speicherfähigkeit pro Einheitsfläche mittels einer dünnen Elektrode erhöht, die durch Atomlagenabscheidung (ALD) ausgebildet wird.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Figuren gelesen wird. Man beachte, dass in Übereinstimmung mit dem üblichen Vorgehen in der Branche verschiedene Einrichtungen nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Einrichtungen zur Klarheit der Beschreibung beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1A ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung.
    • 1B ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen.
    • 2 ist eine Schnittansicht einer Kontaktstruktur für einen Kondensator in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen.
    • 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung sieht viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele vor, um verschiedene Einrichtungen des vorgesehenen Gegenstands zu implementieren. Spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sollen nicht einschränkend wirken. Das Ausbilden eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung kann beispielsweise Ausführungsformen umfassen, in denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten Merkmal und dem zweiten Merkmal ausgebildet sein können, so dass das erste und das zweite Merkmal nicht in direktem Kontakt sein müssen. Zusätzlich kann die vorliegende Offenbarung Bezugszeichen und/oder Buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und erzwingt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
  • Weiter können räumlich relative Begriffe, wie „unten“, „unter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und ähnliche, hier zur Einfachheit der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder eines Merkmals mit einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie sie in den Figuren gezeigt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung, die verwendet oder betrieben wird, zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Orientierung umfassen. Die Vorrichtung kann anders orientiert sein (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Begriffe, die hier verwendet werden, können ebenfalls demgemäß interpretiert werden.
  • 1A ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung 100 eines Beispiels. Die Halbleitervorrichtung 100 umfasst ein Substrat 102. Eine Verbindungsstruktur 104 liegt über dem Substrat 102. Die Verbindungsstruktur 104 umfasst mehrere leitende Elemente, um aktive Vorrichtungen in dem Substrat 102 elektrisch zu verbinden. Ein leitendes Element 110 liegt in einer Metallschicht in der Verbindungsstruktur 104. Ein Kondensator 150 ist in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Element 110 ausgebildet. Der Kondensator 150 umfasst eine erste Graphenstruktur 152 in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Element 110. Die erste Graphenstruktur 152 umfasst mehrere Schichten aus Graphen. Eine dielektrische Schicht 154 liegt über der ersten Graphenstruktur 152. Eine zweite Graphenstruktur 156 liegt über der dielektrischen Schicht 154. Die zweite Graphenstruktur 156 umfasst mehrere Graphenschichten. Die dielektrische Schicht 154 ist zwischen der ersten Graphenstruktur 152 und der zweiten Graphenstruktur 156 angeordnet, um eine Kondensatorstruktur auszubilden. Eine erste Kontaktstruktur 158 ist mit der ersten Graphenstruktur 152 elektrisch verbunden. Die erste Kontaktstruktur 158 ist so konfiguriert, dass sie Ladungen in die erste Graphenstruktur 152 und aus ihr heraus überträgt. Eine zweite Kontaktstruktur 160 ist mit der zweiten Graphenstruktur 156 elektrisch verbunden. Die zweite Kontaktstruktur 160 ist so konfiguriert, dass sie Ladungen in die zweite Graphenstruktur 156 und aus ihr heraus überträgt.
  • Das Substrat 102 umfasst aktive Vorrichtungen und passive Vorrichtungen. In einigen Ausführungsformen umfassen die aktiven Vorrichtungen Transistoren, Thyristoren oder andere geeignete aktive Vorrichtungen. In einigen Ausführungsformen umfassen die passiven Vorrichtungen Widerstände oder andere geeignete passive Vorrichtungen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 102 Speicherzellen oder Verarbeitungsschaltungen.
  • Die Verbindungsstruktur 104 umfasst mehrere leitende Strukturen, die so konfiguriert sind, dass sie aktive Vorrichtungen und passive Vorrichtungen in dem Substrat 102 elektrisch verbinden. In einigen Ausführungsformen umfassen die leitenden Strukturen Kupfer, Aluminium, Wolfram oder ein anderes geeignetes leitendes Material. Die Verbindungsstruktur 104 umfasst auch passive Vorrichtungen, etwa einen Kondensator 150, Widerstände oder andere geeignete passive Vorrichtungen. Die Verbindungsstruktur 104 umfasst ein Dielektrikum, das die mehreren leitenden Strukturen umgibt, um dazu beizutragen, Übersprechen zwischen benachbarten leitenden Strukturen zu verringern. In einigen Ausführungsformen umfasst das Dielektrikum Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid oder ein anderes geeignetes Dielektrikum. In einigen Ausführungsformen umfasst die Verbindungsstruktur 104 Kontaktstellen zur Verbindung mit anderen Substraten. In einigen Ausführungsformen sind die Kontaktstellen verwendbar, um eine dreidimensionale integrierte Schaltung (3DIC) auszubilden.
  • Das leitende Element 110 eines der mehreren leitenden Strukturen der Verbindungsstruktur 104. In einigen Ausführungsformen umfasst das leitende Element 110 Kupfer, Aluminium, Wolfram oder ein anderes geeignetes leitendes Material. Das leitende Element 110 ist verwendbar, um aktive Vorrichtungen oder passive Vorrichtungen in dem Substrat 102 zu verbinden. Das leitende Element 110 ist auch verwendbar, um Ladungen in eine Schicht der ersten Graphenstruktur 152 nächstliegend zu dem Substrat 102 zu übertragen.
  • Der Kondensator 150 liegt über dem leitenden Element 110. Der Kondensator 150 ist verwendbar, um Ladungen in der Verbindungsstruktur 104 zu speichern. Der Kondensator 150 ist auch verwendbar, um dazu beizutragen, Spannungsschwankungen zu verringern, die durch die Verbindungsstruktur 104 gehen. Der Kondensator 150 umfasst eine erste Graphenstruktur 152 und eine zweite Graphenstruktur 154.
  • Graphen ist eine Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind. Die Kohlenstoffatome sind in einer sechseckigen Struktur angeordnet. Der zweidimensionale Array von Kohlenstoffatomen trägt dazu bei, die Übertragung von elektrischer Ladung zwischen getrennten Schichten von Graphen zu verringern. Die Verwendung von Graphen als Elektroden in dem Kondensator 150 trägt dazu bei, das Ausmaß von Speicherfähigkeit von Ladungsträgern pro Einheitsfläche verglichen mit anderen Elektrodenmaterialien zu erhöhen.
  • Im Gegensatz dazu sind metallische Elektroden dazu in der Lage, Ladungsträger sowohl in einer Richtung parallel zu einer oberen Fläche des Substrats 102 als auch in einer Richtung rechtwinklig zu der oberen Fläche des Substrats 102 zu übertragen. Im Ergebnis speichern die metallischen Elektroden Ladungsträger in der Nähe von äußeren Flächen der Elektroden. Das Speichern von Ladungsträgern hauptsächlich in der Nähe der Oberflächen der metallischen Elektroden bedeutet, dass mittlere Abschnitte der metallischen Elektroden nicht dazu verwendet werden, Ladungsträger zu speichern, was die Speicherung von Ladungsträgern pro Einheitsfläche verringert. Indem die Speicherfähigkeit von Ladungsträgern pro Einheitsfläche erhöht wird, kann die Gesamtfläche der Elektroden verringert werden, während die Speicherfähigkeit der Ladungsträger beibehalten wird, um dazu beizutragen, die Gesamtgröße der Halbleitervorrichtung zu verringern.
  • Die Verwendung von Graphenelektroden anstatt von metallischen Elektroden trägt auch dazu bei, die Notwendigkeit zu verringern, teure High-k-Dielektrika zu verwenden, etwa Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid. Graphenelektroden ermöglichen es auch, die Notwendigkeit zu verringern, langsamere teure Ausbildungstechniken zu verwenden, etwa Atomlagenabscheidung (ALD). Im Ergebnis trägt die Verwendung von Graphenelektroden auch dazu bei, während eines Herstellungsverfahrens den Durchsatz zu erhöhen und die Kosten zu senken, verglichen mit metallischen Elektroden. Die zweidimensionale Array-Struktur von Graphen trägt auch dazu bei, das Einstellen einer Gesamtkapazität des Kondensators 150 zu erleichtern, indem eine Anzahl von Schichten in einer Graphenstruktur angepasst wird.
  • Die erste Graphenstruktur 152 umfasst mehrere Schichten aus Graphen. Eine Anzahl von Schichten in der ersten Graphenstruktur 152 wird auf Grundlage einer angestrebten Speicherkapazität des Kondensators 150 ausgewählt. In einigen Ausführungsformen liegt die Anzahl der Schichten in der ersten Graphenstruktur 152 zwischen etwa 2 Schichten und etwa 20 Schichten. In einigen Ausführungsformen ist die Anzahl von Schichten größer als 20 Schichten, um die Gesamtspeicherkapazität des Kondensators 150 weiter zu erhöhen. Jede der Schichten in der ersten Graphenstruktur 152 widersteht der Übertragung von Ladungsträgern auf benachbarte Schichten der ersten Graphenstruktur. Selbst wenn eine Ladungsdifferenz zwischen benachbarten Schichten besteht, widersteht der zweidimensionale Array von Kohlenstoffatomen in der ersten Graphenstruktur 152 der Übertragung von Ladungsträgern zwischen Schichten.
  • Die dielektrische Schicht 154 liegt über der ersten Graphenstruktur 152. In einigen Ausführungsformen entspricht eine Fläche der dielektrischen Schicht 154 einer Fläche der ersten Graphenstruktur 152. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Graphenstruktur 152 einen Abschnitt, der durch die dielektrische Schicht 154 freigelegt ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Schicht 154 Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material. In einigen Ausführungsformen ist ein Material der dielektrischen Schicht 154 das gleiche Material wie das Dielektrikum der Verbindungsstruktur 104. In einigen Ausführungsformen unterscheidet sich das Material der dielektrischen Schicht von dem Material des Dielektrikums der Verbindungsstruktur 104. In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke der dielektrischen Schicht 154 im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 50 nm. Wenn die Dicke der dielektrischen Schicht 154 zu klein ist, ist die dielektrische Schicht nicht fähig, die erste Graphenstruktur 152 von der zweiten Graphenstruktur 156 ausreichend zu isolieren und Ladungen werden in einigen Ausführungsformen direkt zwischen der ersten Graphenstruktur und der zweiten Graphenstruktur ausgetauscht. Wenn die Dicke der dielektrischen Schicht 154 zu groß ist, erhöht sich in einigen Ausführungsformen ein Leckstrom des Kondensators 150 über einen akzeptablen Pegel.
  • Die zweite Graphenstruktur 156 umfasst mehrere Schichten aus Graphen. In einigen Ausführungsformen ist eine Fläche der zweiten Graphenstruktur 156 kleiner als eine Fläche der ersten Graphenstruktur 152 oder eine Fläche der dielektrischen Schicht 154. In einigen Ausführungsformen ist die Fläche der zweiten Graphenstruktur 156 größer oder gleich der Fläche der ersten Graphenstruktur 152 oder der Fläche der dielektrischen Schicht 154. Eine Anzahl von Schichten in der zweiten Graphenstruktur 156 wird auf Grundlage einer angestrebten Speicherkapazität des Kondensators 150 ausgewählt. In einigen Ausführungsformen reicht eine Anzahl von Schichten in der zweiten Graphenstruktur 156 von etwa 2 Schichten bis etwa 20 Schichten. In einigen Ausführungsformen ist die Anzahl von Schichten größer als 20 Schichten, um die Gesamtspeicherkapazität des Kondensators 150 weiter zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen ist die Anzahl von Schichten in der zweiten Graphenstruktur 156 gleich der Anzahl von Schichten in der ersten Graphenstruktur 152. In einigen Ausführungsformen unterscheidet sich die Anzahl von Schichten in der zweiten Graphenstruktur 156 von der Anzahl von Schichten in der ersten Graphenstruktur 152. Jede der Schichten in der zweiten Graphenstruktur 156 widersteht der Übertragung von Ladungsträgern auf benachbarte Schichten der ersten Graphenstruktur. Selbst wenn eine Ladungsdifferenz zwischen benachbarten Schichten besteht, widersteht der zweidimensionale Array von Kohlenstoffatomen in der zweiten Graphenstruktur 156 der Übertragung von Ladungsträgern zwischen Schichten.
  • Die erste Kontaktstruktur 158 ist so konfiguriert, dass sie mit der ersten Graphenstruktur 152 elektrisch verbunden wird. In einigen Ausführungsformen ist die erste Kontaktstruktur 158 eine Kathode. In einigen Ausführungsformen ist die erste Kontaktstruktur 158 eine Anode. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Kontaktstruktur 158 ein leitendes Material, z.B. Kupfer, Aluminium, Wolfram oder ein anderes geeignetes leitendes Material. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Kontaktstruktur 158 weiter eine Sperrschicht, z.B. Tantalnitrid, Titannitrid oder eine andere geeignete Sperrschicht. Die Sperrschicht trägt dazu bei, es zu verhindern oder zu minimieren, dass leitendes Material von der ersten Kontaktstruktur in die erste Graphenstruktur 152 diffundiert. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die erste Kontaktstruktur 158 sowohl durch die dielektrische Schicht 154 als auch in die erste Graphenstruktur 152. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die erste Kontaktstruktur 158 in einen Abschnitt der ersten Graphenstruktur 152, die durch die dielektrische Schicht 154 freigelegt ist.
  • Aufgrund des Widerstands gegenüber Ladungsübertragung zwischen getrennten Schichten der ersten Graphenstruktur 152, erstreckt sich die erste Kontaktstruktur 158 in die erste Graphenstruktur, um mehrere Schichten aus Graphen zu berühren, um Ladungsübertragung zwischen der ersten Kontaktstruktur und der ersten Graphenstruktur zu verbessern. In einigen Ausführungsformen berührt die erste Kontaktstruktur 158 alle Graphenschichten in der ersten Graphenstruktur 152. In einigen Ausführungsformen berührt die erste Kontaktstruktur 158 weniger als alle Graphenschichten in der ersten Graphenstruktur 152.
  • Die zweite Kontaktstruktur 160 ist so konfiguriert, dass sie mit der zweiten Graphenstruktur 156 elektrisch verbunden wird. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Kontaktstruktur 160 eine Kathode. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Kontaktstruktur 160 eine Anode. In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite Kontaktstruktur 160 ein leitendes Material, z.B. Kupfer, Aluminium, Wolfram oder ein anderes geeignetes leitendes Material. In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite Kontaktstruktur 160 weiter eine Sperrschicht, z.B. Tantalnitrid, Titannitrid oder eine andere geeignete Sperrschicht. Die Sperrschicht trägt dazu bei, es zu verhindern oder zu minimieren, dass leitendes Material von der ersten Kontaktstruktur in die zweite Graphenstruktur 160 diffundiert.
  • Aufgrund des Widerstands gegenüber Ladungsübertragung zwischen getrennten Schichten der zweiten Graphenstruktur 156, erstreckt sich die zweite Kontaktstruktur 160 in die zweite Graphenstruktur, um mehrere Schichten aus Graphen zu berühren, um Ladungsübertragung zwischen der zweiten Kontaktstruktur und der zweiten Graphenstruktur zu verbessern. In einigen Ausführungsformen berührt die zweite Kontaktstruktur 160 alle Graphenschichten in der zweiten Graphenstruktur 156. In einigen Ausführungsformen berührt die zweite Kontaktstruktur 160 weniger als alle Graphenschichten in der zweiten Graphenstruktur 156. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die zweite Kontaktstruktur 160 durch die zweite Graphenstruktur 156 in die dielektrische Schicht 154.
  • 1B ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung 100' in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen. Die Halbleitervorrichtung 100' ähnelt der Halbleitervorrichtung 100 und gleiche Elemente haben ein gleiches Bezugszeichen. Im Vergleich mit der Halbleitervorrichtung 100 umfasst die Halbleitervorrichtung 100' eine Wachstumsschicht 170 zwischen der dielektrischen Schicht 154 und der zweiten Graphenstruktur 156.
  • Die Wachstumsschicht 170 wird verwendet, um die Fähigkeit zu verbessern, die zweite Graphenstruktur 156 über der dielektrischen Schicht 154 auszubilden. Um die zweite Graphenstruktur 156 der Halbleitervorrichtung 100 auszubilden, die einen geeigneten Widerstand über der dielektrischen Schicht 154 aufweist, wird eine Wachstumstemperatur von etwa 700°C verwendet, um die zweite Graphenstruktur auszubilden. Diese Wachstumstemperatur kann möglicherweise für Back-End-Verfahren-Strukturen schädigend sein, etwa die Verbindungsstruktur 104. Die Wachstumstemperatur führt zu Diffusion von leitendem Material von leitenden Elementen in der Verbindungsstruktur 104 in das umgebende dielektrische Material. Diese Diffusion verringert die Fähigkeit des umgebenden Dielektrikums, Übersprechen zwischen benachbarten leitenden Elementen zu verringern.
  • Im Gegensatz dazu umfasst die Halbleitervorrichtung 100' die Wachstumsschicht 170 zwischen der dielektrischen Schicht 154 und der zweiten Graphenstruktur 156, um eine Wachstumstemperatur der zweiten Graphenstruktur der Halbleitervorrichtung 100' zu verringern. In einigen Ausführungsformen liegt die Wachstumstemperatur der zweiten Graphenstruktur 156 auf der Wachstumsschicht 170 zwischen etwa 400°C und etwa 600°C. Diese niedrigere Wachstumstemperatur trägt dazu bei, das Risiko für Schäden an Back-End-Verfahren-Strukturen wie der Verbindungsstruktur 104 zu verringern.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Wachstumsschicht 170 Kupfer, Aluminium, Wolfram oder ein anderes geeignetes Material. In einigen Ausführungsformen weist die Wachstumsschicht 170 eine Dicke im Bereich von etwa 100 Nanometern (nm) bis etwa 500 nm auf. In einigen Ausführungsformen kann, wenn die Dicke der Wachstumsschicht 170 zu klein ist, die Wachstumsschicht nicht ausreichend zu der Ausbildung der zweiten Graphenstruktur 156 beitragen. Wenn die Dicke der Wachstumsschicht 170 zu groß ist, wird die Größe der Halbleitervorrichtung 100' vergrößert, ohne eine wesentlich erhöhte Ausbildungsfähigkeit der zweiten Graphenstruktur 156.
  • 2 ist eine Schnittansicht einer Kontaktstruktur 200 in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen. Die Kontaktstruktur 200 ist als ein Beispiel der zweiten Kontaktstruktur 160 gezeigt. Obwohl sie mit Bezug auf die Kontaktstruktur 160 beschrieben ist, sind die Details der Kontaktstruktur 200 auch auf die erste Kontaktstruktur 158 anwendbar. Die Kontaktstruktur 200 umfasst ein leitendes Material 162, das von einer Sperrschicht 164 umgeben ist. Die Kontaktstruktur 200 erstreckt sich in eine Öffnung in der zweiten Graphenstruktur 156. In einigen Ausführungsformen weist die Öffnung in der zweiten Graphenstruktur 156 im Wesentlichen vertikale Seitenwände auf. „Im Wesentlichen“ wird hier verwendet, um Abweichungen vom Vertikalen zu berücksichtigen, die auf Herstellungsabweichungen während der Herstellung der Kontaktstruktur 200 zurückzuführen sind. In einigen Ausführungsformen weist die Öffnung in der zweiten Graphenstruktur 156 geneigte Seitenwände auf. Die geneigten Seitenwände der Öffnung bedeuten, dass eine Breite der Öffnung nächstliegend zu der dielektrischen Schicht 154 kleiner als eine Breite der Öffnung am weitesten entfernt von der dielektrischen Schicht ist.
  • In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Kontaktstruktur 200 vollständig durch die zweite Graphenstruktur 156, um alle Graphenschichten in der zweiten Graphenstruktur zu berühren. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Kontaktstruktur 200 nur teilweise durch die zweite Graphenstruktur 156.
  • Das leitende Material 162 ist verwendbar, um Ladungsträger in die zweite Graphenstruktur 156 hinein und aus ihr heraus zu übertragen. In einigen Ausführungsformen umfasst das leitende Material 162 Kupfer, Aluminium, Wolfram oder ein anderes geeignetes leitendes Material.
  • Die Sperrschicht 164 trägt dazu bei, die Diffusion von Kohlenstoff von der zweiten Graphenstruktur 156 in die leitende Schicht 162 zu verhindern oder zu minimieren, und trägt dazu bei, die Diffusion von leitendem Material 162 in die zweite Graphenstruktur zu verhindern oder zu minimieren. In einigen Ausführungsformen umfasst die Sperrschicht 164 Tantalnitrid, Titannitrid oder ein anderes geeignetes Sperrmaterial.
  • 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen. Das Verfahren 300 beginnt bei Vorgang 302, in dem eine Verbindungsstruktur über einem Substrat ausgebildet wird. In einigen Ausführungsformen wird die Verbindungsstruktur, z.B. die Verbindungsstruktur 104, über dem Substrat ausgebildet, z.B. dem Substrat 102, indem ein Dielektrikum über dem Substrat ausgebildet wird. In einigen Ausführungsformen wird das Dielektrikum über dem Substrat durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALS), Rotationsbeschichtung oder eine andere geeignete Ausbildungstechnik ausgebildet.
  • Leitende Merkmale werden in dem Dielektrikum durch ein Dual-Damascene-Verfahren in einigen Ausführungsformen ausgebildet. Die leitenden Merkmale verbinden aktive Vorrichtungen oder passive Vorrichtungen in dem Substrat elektrisch. In einigen Ausführungsformen umfassen die leitenden Merkmale Kupfer, Aluminium, Wolfram oder ein anderes geeignetes leitendes Material.
  • In Vorgang 304 wird eine erste Graphenstruktur in Kontakt mit einem leitenden Merkmal der Verbindungsstruktur ausgebildet. Die erste Graphenstruktur, z.B. die erste Graphenstruktur 152, umfasst mehrere Graphenschichten. In einigen Ausführungsformen liegt die Anzahl von Graphenschichten in der ersten Graphenstruktur zwischen etwa 2 Schichten und etwa 20 Schichten. In einigen Ausführungsformen wird die erste Graphenstruktur über der leitenden Struktur durch CVD ausgebildet. In einigen Ausführungsformen wird die erste Graphenstruktur mittels eines Vorprodukts ausgebildet, das Methan (CH4) und Wasserstoff (H2) umfasst. Während des CVD-Verfahrens werden der Gasfluss und die Temperatur so ausgewählt, dass das Graphen auf der leitenden Struktur wirksam aufgewachsen wird. In einigen Ausführungsformen umfasst das CVD-Verfahren mehrere Schritte. In einigen Ausführungsformen umfasst das CVD-Verfahren vier Schritte. Der erste Schritt verwendet nur H2-Gas und erwärmt die Halbleitervorrichtung auf eine Ziel-Abscheidungstemperatur in einem ersten Zeitraum. Der zweite Schritt verwendet H2-Gas und hält die Halbleitervorrichtung auf der Ziel-Abscheidungstemperatur für einen zweiten Zeitraum. Der dritte Schritt verwendet H2 und CH4 zum Abscheiden von Graphen bei der Ziel-Abscheidungstemperatur. Die Gase CH4 und H2 werden bei einem Gas-Flussverhältnis CH4/H2 von mehr als Eins gehalten. In dem vierten Schritt wird die Halbleitervorrichtung abgekühlt. In einigen Ausführungsformen umfasst das Halten der Halbleitervorrichtung bei der Ziel-Abscheidungstemperatur in dem zweiten Schritt und dem dritten Schritt das Halten der CVD-Abscheidungskammer bei einem Druck im Bereich zwischen etwa 133 Pa und etwa 533 Pa. In einigen Ausführungsformen liegt die Ziel-Abscheidungstemperatur zwischen etwa 400°C und etwa 1000°C.
  • In Vorgang 306 wird eine dielektrische Schicht über der ersten Graphenstruktur ausgebildet. Die dielektrische Schicht, z.B. die dielektrische Schicht 154, wird in einigen Ausführungsformen durch PVD, CVD, ALD, Rotationsbeschichtung oder eine andere geeignete Ausbildungstechnik ausgebildet. In einigen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Schicht Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, Siliziumkarbid oder ein anderes geeignetes Dielektrikum. In einigen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Schicht ein gleiches Material wie das Dielektrikum der Verbindungsstruktur. In einigen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Schicht ein anderes Material als das Dielektrikum der Verbindungsstruktur.
  • In einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht über der gesamten ersten Graphenstruktur ausgebildet. In einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht so ausgebildet, dass sie einen Abschnitt der ersten Graphenstruktur freilegt. In einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht über der gesamten ersten Graphenstruktur ausgebildet und dann wird ein Abschnitt des Dielektrikums entfernt, um den Abschnitt der ersten Graphenstruktur freizulegen.
  • In dem Vorgang 308 wird eine Wachstumsschicht über der dielektrischen Schicht ausgebildet. Die Wachstumsschicht, z.B. die Wachstumsschicht 170 (1B), wird verwendet, um zu dem Ausbilden einer zweiten Graphenstruktur beizutragen. Die Verwendung der Wachstumsschicht verringert eine Wachstumstemperatur der zweiten Graphenstruktur, verglichen mit dem Ausbilden der zweiten Graphenstruktur direkt auf der dielektrischen Schicht. In einigen Ausführungsformen umfasst die Wachstumsschicht ein leitendes Material. In einigen Ausführungsformen umfasst das leitende Material Kupfer, Aluminium, Wolfram oder ein anderes geeignetes leitendes Material. In einigen Ausführungsformen umfasst die Wachstumsschicht ein gleiches Material wie das leitende Material in der Verbindungsstruktur. In einigen Ausführungsformen umfasst die Wachstumsschicht ein anderes Material als das leitende Material in der Verbindungsstruktur. In einigen Ausführungsformen wird die Wachstumsschicht durch PVD, ALD, Sputtern oder ein anderes geeignetes Ausbildungsverfahren ausgebildet. In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke der Wachstumsschicht zwischen etwa 100 nm und etwa 500 nm. In einigen Ausführungsformen wird die Wachstumsschicht über der gesamten dielektrischen Schicht ausgebildet. In einigen Ausführungsformen wird die Wachstumsschicht über weniger als der gesamten dielektrische Schicht ausgebildet. In einigen Ausführungsformen wird die Wachstumsschicht über der gesamten dielektrischen Schicht ausgebildet und dann wird ein Abschnitt der Wachstumsschicht entfernt, um einen Abschnitt der dielektrischen Schicht freizulegen. In einigen Ausführungsformen fehlt die Wachstumsschicht, wenn die Back-End-Verarbeitungselemente der Halbleitervorrichtung einer höheren Ausbildungstemperatur widerstehen können.
  • In Vorgang 310 wird eine zweite Graphenstruktur über der Wachstumsschicht ausgebildet. Die zweite Graphenstruktur, z.B. die zweite Graphenstruktur 156 (1B), umfasst mehrere Graphenschichten. In einigen Ausführungsformen liegt eine Anzahl der Graphenschichten in der ersten Graphenstruktur zwischen etwa 2 Schichten und etwa 20 Schichten. In einigen Ausführungsformen ist die Anzahl der Schichten in der zweiten Graphenstruktur gleich der Anzahl der Schichten in der ersten Graphenstruktur. In einigen Ausführungsformen unterscheidet sich die Anzahl von Schichten in der zweiten Graphenstruktur von der Anzahl von Schichten in der ersten Graphenstruktur. In einigen Ausführungsformen wird die zweite Graphenstruktur über der Wachstumsschicht durch ein Verfahren ausgebildet, das dem ähnelt, das oben mit Bezug auf die erste Graphenstruktur beschrieben ist. In einigen Ausführungsformen wird die zweite Graphenstruktur mittels einer gleichen Temperatur ausgebildet wie die erste Graphenstruktur. In einigen Ausführungsformen wird die zweite Graphenstruktur mittels einer anderen Temperatur als die erste Graphenstruktur ausgebildet. In einigen Ausführungsformen wird die zweite Graphenstruktur über der gesamten dielektrischen Schicht ausgebildet. In einigen Ausführungsformen wird die zweite Graphenstruktur über weniger als der gesamten dielektrischen Schicht ausgebildet.
  • In Vorgang 312 werden Kontaktstrukturen in sowohl der ersten Graphenstruktur als auch der zweiten Graphenstruktur ausgebildet. Die Kontaktstrukturen umfassen eine erste Kontaktstruktur, z.B. die erste Kontaktstruktur 158, in der ersten Graphenstruktur. Die Kontaktstrukturen umfassen weiter eine zweite Kontaktstruktur, z.B. die zweite Kontaktstruktur 160, in der zweiten Graphenstruktur. Die Kontaktstrukturen werden ausgebildet, indem eine Öffnung in sowohl der ersten Graphenstruktur als auch der zweiten Graphenstruktur ausgebildet wird. In einigen Ausführungsformen umfasst mindestens eine der Öffnungen im Wesentlichen vertikale Seitenwände. In einigen Ausführungsformen umfasst mindestens eine der Öffnungen geneigte Seitenwände.
  • Die Kontaktstrukturen umfassen ein leitendes Material und eine Sperrschicht. In einigen Ausführungsformen umfasst das leitende Material Kupfer, Aluminium, Wolfram oder ein anderes geeignetes leitendes Material. In einigen Ausführungsformen ist das leitende Material der ersten Kontaktstruktur das gleiche wie das leitende Material der zweiten Kontaktstruktur. In einigen Ausführungsformen unterscheidet sich das leitende Material der ersten Kontaktstruktur von dem leitenden Material der zweiten Kontaktstruktur. In einigen Ausführungsformen umfasst das leitende Material ein gleiches Material wie die Wachstumsschicht und/oder das leitende Material der Verbindungsstruktur. In einigen Ausführungsformen umfasst das leitende Material ein anderes Material als sowohl die Wachstumsschicht als auch das leitende Material der Verbindungsstruktur.
  • Die Sperrschicht liegt zwischen dem leitenden Material und der ersten Graphenstruktur oder der zweiten Graphenstruktur. In einigen Ausführungsformen umfasst die Sperrschicht Tantaloxid, Titanoxid oder ein anderes geeignetes Sperrmaterial. In einigen Ausführungsformen gleicht die Sperrschicht für die erste Kontaktstruktur der Sperrschicht für die zweite Kontaktstruktur. In einigen Ausführungsformen unterscheidet sich die Sperrschicht für die erste Kontaktstruktur von der Sperrschicht für die zweite Kontaktstruktur.
  • Die Kontaktstrukturen erstrecken sich zumindest teilweise durch die erste Graphenstruktur und die zweite Graphenstruktur, um mehrere Graphenschichten zu berühren. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die erste Kontaktstruktur durch alle Graphenschichten der ersten Graphenstruktur. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die erste Kontaktstruktur durch weniger als alle Graphenschichten der ersten Graphenstruktur. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die zweite Kontaktstruktur durch alle Graphenschichten der zweiten Graphenstruktur. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die zweite Kontaktstruktur durch weniger als alle Graphenschichten der zweiten Graphenstruktur.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 300 zusätzliche Vorgänge. In einigen Ausführungsformen ist eine Reihenfolge der Vorgänge des Verfahrens 300 geändert.
  • Ein Aspekt dieser Beschreibung betrifft einen Kondensator. Der Kondensator umfasst eine erste Graphenstruktur, die mehrere erste Graphenschichten aufweist. Der Kondensator umfasst weiter eine dielektrische Schicht über der ersten Graphenstruktur. Der Kondensator umfasst weiter eine zweite Graphenstruktur über der dielektrischen Schicht, wobei die zweite Graphenstruktur mehrere zweite Graphenschichten aufweist.
  • Ein weiterer Aspekt dieser Beschreibung betrifft eine Halbleitervorrichtung. Die Halbleitervorrichtung umfasst ein Substrat und eine Verbindungsstruktur über dem Substrat, wobei die Verbindungsstruktur mehrere leitende Merkmale aufweist. Die Halbleitervorrichtung umfasst weiter einen Kondensator in der Verbindungsstruktur. Der Kondensator ist in elektrischer Verbindung mit mindestens einem leitenden Merkmal der mehreren leitenden Merkmale. Der Kondensator umfasst eine erste Graphenstruktur, die mehrere erste Graphenschichten aufweist. Der Kondensator umfasst weiter eine dielektrische Schicht über der ersten Graphenstruktur. Der Kondensator umfasst weiter eine zweite Graphenstruktur über der dielektrischen Schicht, wobei die zweite Graphenstruktur mehrere zweite Graphenschichten aufweist.
  • Noch ein weiterer Aspekt dieser Beschreibung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer ersten Graphenstruktur, die mehrere erste Graphenschichten aufweist. Das Verfahren umfasst weiter das Ausbilden einer dielektrischen Schicht über der ersten Graphenstruktur. Das Verfahren umfasst weiter das Ausbilden einer zweiten Graphenstruktur über der dielektrischen Schicht, wobei die zweite Graphenstruktur mehrere zweite Graphenschichten umfasst.

Claims (17)

  1. Kondensator (150), der Folgendes umfasst: eine erste Graphenelektrode (152), die mehrere erste Graphenschichten aufweist; eine dielektrische Schicht (154) über der ersten Graphenelektrode (152); eine zweite Graphenelektrode (156) über der dielektrischen Schicht (154), wobei die zweite Graphenelektrode (156) mehrere zweite Graphenschichten aufweist; und eine Wachstumsschicht (170) zwischen der dielektrischen Schicht (154) und der zweiten Graphenelektrode (156), wobei die Wachstumsschicht (170) Aluminium und/oder Wolfram umfasst.
  2. Kondensator nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl von Graphenschichten in den mehreren ersten Graphenschichten zwischen 2 Schichten und 20 Schichten beträgt.
  3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Anzahl von Graphenschichten in den mehreren zweiten Graphenschichten gleich der Anzahl von Graphenschichten in den mehreren ersten Graphenschichten ist.
  4. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Anzahl von Graphenschichten in den mehreren zweiten Graphenschichten sich von der Anzahl der Graphenschichten in den mehreren ersten Graphenschichten unterscheidet.
  5. Kondensator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der weiter eine erste Kontaktstruktur (158) umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie Ladungsträger in die erste Graphenelektrode (152) und aus ihr heraus überträgt.
  6. Kondensator nach Anspruch 5, wobei die erste Kontaktstruktur (158) sich in die erste Graphenelektrode (152) erstreckt, um mehrere Graphenschichten der mehreren ersten Graphenschichten zu berühren.
  7. Kondensator nach Anspruch 5 oder 6, wobei die erste Kontaktstruktur (158) sich durch die dielektrische Schicht (154) und in die erste Graphenelektrode (152) erstreckt.
  8. Kondensator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die erste Kontaktstruktur (158) Folgendes umfasst: ein leitendes Material (110, 162); und eine Sperrschicht (164), die das leitende Material (110, 162) von der ersten Graphenelektrode (152) trennt.
  9. Kondensator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der weiter eine zweite Kontaktstruktur (160) umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie Ladungsträger in die zweite Graphenelektrode (156) und aus ihr heraus überträgt.
  10. Kondensator nach Anspruch 9, wobei die zweite Kontaktstruktur (160) sich in die zweite Graphenelektrode (156) erstreckt, um mehrere Graphenschichten der mehreren zweiten Graphenschichten zu berühren.
  11. Kondensator nach Anspruch 9 oder 10, wobei die zweite Kontaktstruktur (160) in der zweiten Graphenelektrode (156) im Wesentlichen vertikale Seitenwände aufweist.
  12. Kondensator nach Anspruch 9 oder 10, wobei die zweite Kontaktstruktur (160) in der zweiten Graphenelektrode (156) geneigte Seitenwände aufweist.
  13. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Substrat (102); eine Verbindungsstruktur (104) über dem Substrat (102), wobei die Verbindungsstruktur (104) mehrere leitende Merkmale aufweist; und einen Kondensator (150) in der Verbindungsstruktur (104), wobei der Kondensator (150) in elektrischem Kontakt mit mindestens einem leitenden Merkmal der mehreren leitenden Merkmale ist, wobei der Kondensator (150) Folgendes umfasst: - eine erste Graphenelektrode (152), die mehrere erste Graphenschichten aufweist; - eine dielektrische Schicht (154) über der ersten Graphenelektrode (152); - eine zweite Graphenelektrode (156) über der dielektrischen Schicht (154), wobei die zweite Graphenelektrode (156) mehrere zweite Graphenschichten aufweist; und - eine Wachstumsschicht (170) zwischen der dielektrischen Schicht (154) und der zweiten Graphenelektrode (156), wobei die Wachstumsschicht (170) Aluminium und/oder Wolfram umfasst.
  14. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Verbindungsstruktur (104) ein Dielektrikum zwischen benachbarten leitenden Merkmalen der mehreren leitenden Merkmale umfasst und die dielektrische Schicht (154) das gleiche Material wie das Dielektrikum umfasst.
  15. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Verbindungsstruktur (104) ein Dielektrikum zwischen benachbarten leitenden Merkmalen der mehreren leitenden Merkmale umfasst und die dielektrische Schicht (154) ein anderes Material als das Dielektrikum umfasst.
  16. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Material mindestens eines der leitenden Merkmale der mehreren leitenden Merkmale das gleiche Material wie die Wachstumsschicht (170) ist.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators (150), das Folgendes umfasst: Ausbilden einer ersten Graphenelektrode (152), die mehrere erste Graphenschichten aufweist; Ausbilden einer dielektrischen Schicht (154) über der ersten Graphenelektrode (152); Ausbilden einer Wachstumsschicht (170) über der dielektrischen Schicht (154), wobei die Wachstumsschicht (170) Aluminium und/oder Wolfram umfasst; und Ausbilden einer zweiten Graphenelektrode (156) über der dielektrischen Schicht (154), wobei die zweite Graphenelektrode (156) mehrere zweite Graphenschichten umfasst.
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