DE102022101393B4

DE102022101393B4 - Amorphe untere elektrodenstruktur fürmim-kondensatoren

Info

Publication number: DE102022101393B4
Application number: DE102022101393.6A
Authority: DE
Inventors: Hsing-Lien Lin; Rei-Lin Chu; Cheng-Yuan Tsai
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2042-01-22
Also published as: US20230123774A1; US12021113B2; TW202316677A; CN115881700A; DE102022004994A1; KR20230053487A; DE102022004994B4; DE102022101393A1

Abstract

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen eine amorphe untere Elektrodenstruktur (BES) für einen Metall-Isolator-Metall-Kondensator (MIM-Kondensator). Der MIM-Kondensator umfasst eine untere Elektrode, eine Isolatorschicht, die über der unteren Elektrode liegt, und eine obere Elektrode, die über der Isolatorschicht liegt. Die untere Elektrode umfasst eine kristalline BES und die amorphe BES, und die amorphe BES liegt über der kristallinen BES und bildet eine obere Oberfläche der unteren Elektrode. Da die amorphe BES nicht kristallin, sondern amorph ist, kann die obere Oberfläche der amorphen BES im Vergleich zu der der kristallinen BES eine geringe Rauheit aufweisen. Da die amorphe BES die obere Oberfläche der unteren Elektrode bildet, kann die obere Oberfläche der unteren Elektrode eine geringe Rauheit aufweisen, im Vergleich zu einer Rauheit, die sich sonst ergäbe, wenn die kristalline BES die obere Oberfläche bilden würde. Die geringe Rauheit kann die Lebensdauer des MIM-Kondensators verlängern.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Integrierte Schaltungen (integrated circuits, ICs) werden auf Halbleiterchips gebildet, die Millionen oder Milliarden von Transistoren aufweisen. Die Transistoren sind eingerichtet, als Schalter zu dienen und/oder Leistungsverstärkungen erzeugen, um logische Funktionen zu ermöglichen. ICs umfassen auch passive Bauelemente, die zur Steuerung von Verstärkungen, Zeitkonstanten und anderen IC-Eigenschaften verwendet werden. Eine Art von passivem Bauelement ist ein Metall-Isolator-Metall-Kondensator (MIM-Kondensator).
Die US 2011 / 0 018 100 A1 beschreibt einen Kondensator mit einer unteren Elektrode, die eine amorphe TiN-Schicht über einer kristallinen TiN-Schicht aufweist. Die US 2020 / 0 006 183 A1 beschreibt, dass eine MIM Struktur über einer dielektrischen Schicht abgeschieden wird. Nachfolgend werden Kontaktstrukturen ausgebildet, die sich durch die MIM Struktur erstrecken.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Diskussion beliebig vergrößert oder verkleinert sein.

1 zeigt eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines Metall-Isolator-Metall-Kondensators (MIM-Kondensators) mit einer amorphen unteren Elektrodenstruktur (bottom electrode structure, BES).
2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines Abschnitts des MIM-Kondensators von 1 während Wasserstoffgas-Hochdrucktempern (high pressure anneal, HPA).
3 zeigt ein Energiebanddiagramm einiger Ausführungsformen des MIM-Kondensators von 1 während einer Vorspannung in Durchlassrichtung.
4A-4G zeigen Querschnittsansichten einiger alternativer Ausführungsformen des MIM-Kondensators von 1.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines Chips mit integrierter Schaltung (integrated circuit, IC), wobei ein MIM-Kondensator mit einer amorphen BES in eine Interconnect-Struktur eingebettet ist.
6A-6C zeigen Querschnittsansichten einiger alternativer Ausführungsformen des IC-Chips von 5, wobei ein Layout des MIM-Kondensators variiert.
7 zeigt eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines IC-Chips, wobei der MIM-Kondensator von 5 in eine Ein-Transistor-Ein-Kondensator-Zelle (1T1C-Zelle) integriert ist.
8 zeigt eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines IC-Chips, wobei ein MIM-Kondensator, der eine amorphe BES und eine amorphe MES umfasst, in eine Interconnect-Struktur eingebettet ist.
9 zeigt eine Querschnittsansicht einiger alternativer Ausführungsformen des MIM-Kondensators von 8.
10 zeigt eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines IC-Chips, wobei der MIM-Kondensator von 8 in eine 1T1C-Zelle integriert ist.
11 zeigt eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines IC-Chips, wobei ein MIM-Kondensator mit einer amorphen BES und einer amorphen MES in ein Substrat eingebettet ist.
12-17 zeigt eine Reihe von Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines MIM-Kondensators mit einer amorphen BES.
18 zeigt ein Blockdiagramm einiger Ausführungsformen des Verfahrens nach 12-17.
19-30 zeigen eine Reihe von Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines IC-Chips, wobei ein MIM-Kondensator mit einer amorphen BES und einer amorphen MES in eine Interconnect-Struktur eingebettet ist.
31 zeigt ein Blockdiagramm einiger Ausführungsformen des Verfahrens nach 19-30.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung bietet viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele für die Umsetzung verschiedener Merkmale dieser Offenbarung. Zur Vereinfachung der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden spezifische Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben. Beispielsweise kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, kann aber auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet sein können, so dass das erste und das zweite Merkmal gegebenenfalls nicht in direktem Kontakt stehen. Darüber hinaus könne Bezugszeichen in den verschiedenen Beispielen der vorliegenden Offenbarung wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und schreibt nicht grundsätzlich eine Beziehung zwischen den verschiedenen hierin erläuterten Ausführungsformen und/oder Ausgestaltungen vor.
Ferner können zur einfacheren Beschreibung hierin räumlich relative Begriffe wie „unter“, „unterhalb“, „unten“, „über“, „oberhalb“, „oben“ und dergleichen verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element oder Merkmal wie in den Zeichnungen dargestellt zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung während Benutzung oder Betrieb zusätzlich zu der in den Zeichnungen dargestellten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hierin verwendeten räumlich relativen Bezeichnungen können ebenfalls entsprechend interpretiert werden.
Ein Metall-Isolator-Metall-Kondensator (MIM-Kondensator) kann eine untere Elektrode, eine Isolatorschicht, die über der unteren Elektrode liegt, und eine obere Elektrode umfassen, die über der Isolatorschicht liegt. Darüber hinaus kann der MIM-Kondensator eine Grenzflächenschicht aufweisen, die an einer Grenzfläche zwischen der Isolatorschicht und der unteren Elektrode automatisch entsteht. Die untere Elektrode kann kristallines Titannitrid sein, das durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) gebildet wird, aufgrund u. a. der niedrigen Kosten und des hohen Durchsatzes. Allerdings kann die untere Elektrode, wenn sie als solche gebildet wird, ganz oder im Wesentlichen aus säulenförmigen Körnern gebildet sein. Aufgrund der säulenförmigen Körner kann die obere Oberfläche der unteren Elektrode und damit die Grenzfläche eine große Rauheit und schlechte Qualität aufweisen. Derartige große Rauheit kann beispielsweise eine durchschnittliche Rauheit von etwa 0,7 bis 0,8 Nanometern oder einen anderen geeigneten Wert aufweisen. Die schlechte Qualität kann die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes über die Isolierschicht und damit die Leistung des MIM-Kondensators beeinträchtigen.
Ein Wasserstoffgas-Hochdrucktempern (high pressure anneal, HPA) (beispielsweise mit H₂) kann nach der Herstellung des MIM-Kondensators durchgeführt werden. An bestimmten Prozessknotenpunkten kann das Wasserstoffgas-HPA beispielsweise durchgeführt werden, um eine Leistungsverschlechterung von Front-End-Bauelementen zu beheben. Aufgrund der geringen Größe von Wasserstoff und der hohen Mobilität von Wasserstoff können Wasserstoffionen (beispielsweise H+) aus dem Wasserstoffgas-HPA an die Grenzfläche zwischen der Isolatorschicht und der unteren Elektrode diffundieren. Die Wasserstoffionen können dazu führen, dass die untere Elektrode und die Isolatorschicht lokalisierte Wasserstoffreduktionsreaktionen eingehen. Die lokalen Wasserstoffreduktionsreaktionen können akzeptorenähnliche Fallen an der Grenzflächenschicht und Sauerstoffleerstellen an der Isolatorschicht bilden. Die Sauerstoffleerstellen begünstigen den Leckstrom durch die Isolatorschicht. Darüber hinaus fangen die akzeptorenähnlichen Fallen Wasserstoffionen ein, wodurch die Barrierenhöhe der Grenzflächenschicht verringert wird und Elektronensprünge durch die Isolatorschicht begünstigt, was den Leckstrom weiter erhöht.
Aufgrund der großen Rauheit kann die Oberfläche an der Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode und der Isolatorschicht groß sein, was zu einer großen Anzahl von lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen führen kann. Aufgrund der großen Menge an lokalen Wasserstoffreduktionsreaktionen kann sich eine große Menge an akzeptorenähnlichen Fallen bilden und eine große Menge an Sauerstoffleerstellen entstehen. Daher kann der Leckstrom durch die Isolatorschicht hoch sein und der zeitabhängige dielektrische Durchbruch (time-dependent dielectric breakdown, TDDB) der Isolatorschicht niedrig sein. Der niedrige TDDB kann zum Beispiel weniger als 0,1 Jahr oder einen anderen geeigneten Wert betragen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen eine amorphe untere Elektrodenstruktur (bottom electrode structure, BES) für einen MIM-Kondensator. Der MIM-Kondensator umfasst eine untere Elektrode, eine Isolatorschicht, die über der unteren Elektrode liegt, und eine obere Elektrode, die über der Isolatorschicht liegt. Außerdem umfasst der MIM-Kondensator eine Grenzflächenschicht an einer Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode und der Isolatorschicht. Die untere Elektrode umfasst eine kristalline BES und die amorphe BES. Die amorphe BES liegt über der kristallinen BES und bildet eine obere Oberfläche der unteren Elektrode. Da die amorphe BES nicht kristallin, sondern amorph ist, kann die obere Oberfläche der amorphen BES eine geringe Rauheit im Vergleich zu derjenigen der kristallinen BES aufweisen. Da die amorphe BES die obere Oberfläche der unteren Elektrode bildet, kann die obere Oberfläche der unteren Elektrode eine geringe Rauheit aufweisen, verglichen mit der, die sie sonst hätte, wenn die amorphe BES entfiele und die kristalline BES die obere Oberfläche der unteren Elektrode bilden würde. Die geringe Rauheit kann die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes über die Isolierschicht und damit die Leistung des MIM-Kondensators verbessern.
Wie oben beschrieben, kann nach der Herstellung des MIM-Kondensators ein Wasserstoffgas-HPA durchgeführt werden. Aufgrund der Wasserstoffgas-HPA können Wasserstoffionen an die Grenzfläche zwischen der Isolatorschicht und der unteren Elektrode diffundieren. Der Wasserstoff kann dazu führen, dass die untere Elektrode und die Isolatorschicht örtlich begrenzte Wasserstoffreduktionsreaktionen durchlaufen, die akzeptorenähnliche Fallen an der Grenzflächenschicht und Sauerstoffleerstellen an der Isolatorschicht bilden. Aufgrund der geringen Rauheit der oberen Oberfläche der unteren Elektrode kann die Oberfläche an der Grenzfläche klein sein, so dass nur eine kleine Menge an lokalen Wasserstoffreduktionsreaktionen auftreten kann. Aufgrund der geringen Menge an lokalen Wasserstoffreduktionsreaktionen kann sich eine kleine Menge an akzeptorenähnlichen Fallen bilden und eine kleine Menge an Sauerstoffleerstellen kann entstehen. Daher kann der Leckstrom durch die Isolatorschicht niedrig sein und somit kann der TDDB der Isolatorschicht hoch sein. Der hohe TDDB kann beispielsweise größer als etwa 88 Jahre oder einen anderen geeigneten Wert betragen.
Bezugnehmend auf 1 ist eine Querschnittsansicht 100 einiger Ausführungsformen eines Metall-Isolator-Metall-Kondensators (MIM-Kondensators) 102 mit einer amorphen BES 104 dargestellt. Der MIM-Kondensator 102 kann beispielsweise als ein Entkopplungskondensator für Anwendungen des Internets der Dinge (IoT), Computerserver-Anwendungen, andere geeignete Anwendungen oder eine beliebige Kombination der vorgenannten Anwendungen eingesetzt werden. Die amorphe BES 104 liegt über einer kristallinen BES 106 und bildet eine untere Elektrode 108 zusammen mit der kristallinen BES 106. Ferner liegt eine Grenzflächenschicht 110 über der unteren Elektrode 108, eine Isolatorschicht 112 liegt über der Grenzflächenschicht 110 und eine obere Elektrode 114 liegt über der Isolatorschicht112.
Da die amorphe BES 104 amorph und nicht kristallin ist, kann die obere Oberfläche 104t der amorphen BES 104 eine geringe Rauheit im Vergleich zu der oberen Oberfläche 106t der kristallinen BES 106 aufweisen. Da die amorphe BES 104 eine obere Oberfläche der unteren Elektrode 108 bildet, kann die obere Oberfläche eine geringe Rauheit im Vergleich zu der aufweisen, die sie sonst aufweisen würde, wenn die amorphe BES 104 entfiele und die kristalline BES 106 die obere Oberfläche bilden würde. Die geringe Rauheit an der oberen Oberfläche der unteren Elektrode 108 kann die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes über die Isolatorschicht 112 während des Betriebs des MIM-Kondensators 102 verbessern und somit die Leistung des MIM-Kondensators 102 erhöhen. Außerdem kann die geringe Rauheit die Dickengleichmäßigkeit der Isolatorschicht 112 verbessern und die örtliche Verdünnung der Isolatorschicht 112 verringern. Bereiche mit lokaler Verdünnung weisen einen erhöhten Leckstrom auf, wodurch die Durchbruchspannung sinkt und der TDDB verringert wird.
Wie im Folgenden gezeigt wird, kann der MIM-Kondensator 102 in einen integrierten Schaltung-Chip (IC-Chip) integriert werden. Zumindest in einigen Ausführungsformen kann nach der Bildung des MIM-Kondensators 102 bei der Herstellung des IC-Chips ein Wasserstoffgas-HPA durchgeführt werden. Das Wasserstoffgas-HPA kann beispielsweise durchgeführt werden, um eine Leistungsverschlechterung von Front-End-Bauelementen zu beheben. Derartige Leistungsverschlechterung kann beispielsweise durch kristalline Schäden verursacht werden, die durch die Back-End-Verarbeitung entstehen, welche nach der Herstellung der Front-End-Bauelemente durchgeführt wird. In 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht 200 einiger Ausführungsformen eines Teils des MIM-Kondensators 102 von 1 während des Wasserstoffgas-HPA dargestellt. Der Abschnitt entspricht dem Kästchen BX in 1.
Während des Wasserstoffgas-HPA können Wasserstoffionen 202 (beispielsweise H+) durch die obere Elektrode 114 und die Isolierschicht 112 an eine Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode 108 und der Isolierschicht 112 diffundieren. Die Wasserstoffionen 202 an der Grenzfläche können dazu führen, dass die untere Elektrode 108 und die Isolatorschicht 112 lokalisierte Wasserstoffreduktionsreaktionen durchlaufen. Die lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen können akzeptorenähnliche Fallen an der Grenzflächenschicht 110 bilden. Darüber hinaus können die lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen die Stöchiometrie der Isolatorschicht 112 verändern und Sauerstoffleerstellen in der Isolatorschicht 112 bilden.
Aufgrund der geringen Rauheit an der oberen Oberfläche der unteren Elektrode 108 kann die Oberfläche an der oberen Oberfläche und damit an der Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode 108 und der Isolierschicht 112 klein sein. Aufgrund der kleinen Oberfläche kann es eine kleine Menge an lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen ergeben. Aufgrund der geringen Menge an lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen kann eine kleine Menge an akzeptorenähnlichen Fallen an der Grenzflächenschicht 110 entstehen und eine kleine Menge an Sauerstoffleerstellen an der Isolatorschicht 112 entstehen.
Die akzeptorenähnlichen Fallen fangen die Wasserstoffionen 202 ein, wodurch sich die Barrierenhöhe der Grenzflächenschicht 110 verringert und das Elektronenspringen durch die Isolatorschicht 112 erhöht. Daher erhöhen die akzeptorenähnlichen Fallen den Leckstrom durch die Isolatorschicht 112 und verringern den TDDB der Isolatorschicht 112 und die Durchbruchspannung der Isolatorschicht 112. Da allerdings nur eine kleine Menge an akzeptorenähnlichen Fallen vorhanden sein kann, können die akzeptorenähnlichen Fallen gegebenenfalls einen geringen Einfluss auf die Barrierenhöhe haben. Daher kann das Elektronenspringen gering sein, der Leckstrom kann niedrig sein, der TDDB kann hoch sein und die Durchbruchspannung kann hoch sein.
Die Sauerstoffleerstellen erhöhen den Leckstrom durch die Isolatorschicht 112. Daher verringern die Sauerstoffleerstellen den TDDB der Isolatorschicht 112 und die Durchbruchspannung der Isolatorschicht 112. Da allerdings nur eine kleine Menge an Sauerstoffleerstellen vorhanden sein kann, haben die Sauerstoffleerstellen gegebenenfalls einen geringen Einfluss auf den Leckstrom. Daher kann der TDDB hoch sein und die Durchbruchspannung kann hoch sein.
In einigen Ausführungsformen beträgt der hohe TDDB größer als etwa 10 Jahre, etwa 80 Jahre, etwa 88 Jahre oder einen anderen geeigneten Wert. In einigen Ausführungsformen ist der TDDB um eine oder zwei oder mehr Größenordnungen größer, wenn die amorphe BES 104 die obere Oberfläche der unteren Elektrode 108 bildet, als wenn die kristalline BES 106 die obere Oberfläche bildet. In einigen Ausführungsformen wird der TDDB bei etwa 125 Grad Celsius oder einem anderen geeigneten Wert gemessen. In einigen Ausführungsformen ist die hohe Durchbruchspannung größer oder gleich etwa 4,2 Volt, etwa 4,8 Volt, etwa 5 Volt oder ein anderer geeigneter Wert.
Mit Bezug wieder auf 1 umfasst die amorphe BES 104 eine zufällige oder ungeordnete Anordnung von Teilchen 104p. Die Teilchen 104p können beispielsweise Moleküle, Atome, andere geeignete Teilchen oder eine beliebige Kombination der vorgenannten sein oder umfassen. Aufgrund der zufälligen oder ungeordneten Anordnung der Teilchen 104p kann die obere Oberfläche 104t der amorphen BES 104 wie oben beschrieben eine geringe Rauheit aufweisen. Aufgrund der geringen Rauheit hat die obere Oberfläche 104t der amorphen BES 104 eine geringere Oberfläche als die obere Oberfläche 106t der kristallinen BES 106 und/oder eine geringere Oberfläche als die obere Oberfläche 116t der kristallinen TES 116.
In einigen Ausführungsformen ist die geringe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit (beispielsweise Ra) von weniger als etwa 0,2 Nanometer, 0,1 Nanometer oder einem anderen geeigneten Wert. Wenn die Rauheit zu hoch ist (beispielsweise größer als etwa 0,2 Nanometer), kann eine große Menge an lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen auftreten, was zu einem hohen Leckstrom, einem niedrigen TDDB und einer niedrigen Durchbruchspannung führt. In einigen Ausführungsformen ist die geringe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit, die geringer als die an der oberen Oberfläche 106t der kristallinen BES 106 ist. Die Rauheit kann beispielsweise durch Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM) oder dergleichen gemessen werden.
In einigen Ausführungsformen ist die Dicke T_abe der amorphen BES 104 größer als oder gleich etwa 3 Nanometer, etwa 5 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert und/oder beträgt etwa 3 bis 5 Nanometer, etwa 5 bis 10 Nanometer oder einen anderen geeigneten Wert. Wenn die Dicke T_abe zu klein ist (beispielsweise weniger als etwa 3 Nanometer), kann die amorphe BES 104 möglicherweise nicht in der Lage sein, Vertiefungen in der oberen Oberfläche 106t der kristallinen BES 106 vollständig auszufüllen, wodurch die obere Oberfläche 104t der amorphen BES 104 eine große Rauheit aufweisen kann und die Isolatorschicht 112 einen niedrigen TDDB haben kann. Wenn die Dicke T_abe zu groß ist (beispielsweise mehr als etwa 10 Nanometer), können die Herstellungskosten hoch und der Herstellungsdurchsatz niedrig sein. Beispielsweise kann die Abscheidung von amorphem Material teurer sein als die Abscheidung von kristallinem Material.
Die kristalline BES 106 weist eine geordnete oder halbgeordnete Anordnung säulenförmiger kristalliner Körner 106g auf, die vertikal länglich sind. In einigen Ausführungsformen weist die kristalline BES 106 zusätzlich oder alternativ gleichachsige kristalline Körner auf (nicht dargestellt). Aufgrund der geordneten oder halbgeordneten Anordnung der säulenförmigen kristallinen Körner 106g kann die obere Oberfläche 106t der kristallinen BES 106 eine hohe Rauheit aufweisen.
In einigen Ausführungsformen ist die hohe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit (beispielsweise Ra) von mehr als etwa 0,7 Nanometern oder einem anderen geeigneten Wert oder zwischen etwa 0,7 und 0,8 Nanometern oder einem anderen geeigneten Wert. Wie oben beschrieben, kann der TDDB der Isolatorschicht 112 niedrig sein, wenn die obere Oberfläche der unteren Elektrode 108 die hohe Rauheit an der oberen Oberfläche 106t der kristallinen BES 106 aufweist. In einigen Ausführungsformen ist die Dicke Tcbe der kristallinen BES 106 kleiner als etwa 57 Nanometer, etwa 50 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert und/oder beträgt etwa 50-57 Nanometer oder einen anderen geeigneten Wert.
In einigen Ausführungsformen ist die Dicke Tbe der unteren Elektrode 108 kleiner als oder gleich etwa 60 Nanometer, etwa 50 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert und/oder beträgt etwa 50-60 Nanometer oder einen anderen geeigneten Wert. In einigen Ausführungsformen ist die Dicke Tbe der unteren Elektrode 108 eine Summe der Dicke Tcbe der kristallinen BES 106 und der Dicke T_abe der amorphen BES 104.
Die amorphe BES 104 und die kristalline BES 106 sind leitfähig und können beispielsweise aus Titannitrid (beispielsweise TiN), Tantalnitrid (beispielsweise TaN), anderen geeigneten leitfähigen Materialien oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein. In einigen Ausführungsformen sind die amorphe BES 104 und die kristalline BES 106 aus demselben Material gebildet. Beispielsweise können die amorphe BES 104 und die kristalline BES 106 aus Titannitrid oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein oder dieses enthalten. In einigen Ausführungsformen sind die amorphe BES und die kristalline BES 106 aus unterschiedlichen Materialien gebildet. Beispielsweise kann die amorphe BES 104 aus Titannitrid oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material und/oder die kristalline BES 106 kann aus Titan oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material gebildet sein oder dieses enthalten.
Die Isolatorschicht 112 liegt über der unteren Elektrode 108 und kann beispielsweise aus Siliziumoxid, einem Metalloxid-Dielektrikum, einem Hoch-k-Dielektrikum, einem oder mehreren anderen geeigneten Dielektrika oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten gebildet sein. Das Metalloxid-Dielektrikum kann beispielsweise Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid, ein anderes geeignetes Metalloxid-Dielektrikum oder eine beliebige Kombination der vorgenannten Materialien sein oder enthalten.
Die Grenzflächenschicht 110 liegt an der Grenzfläche zwischen der Isolatorschicht 112 und der unteren Elektrode 108 und ist ein Oxid, das durch Oxidation der unteren Elektrode 108 gebildet wird. Falls es sich bei der amorphen BES 104 um Titannitrid handelt, kann die Grenzflächenschicht 110 beispielsweise ein Oxid von Titannitrid und somit Titanoxynitrid (beispielsweise TiO_xN_y, wobei x und y Variablen sind) sein. Andere geeignete Materialien sind allerdings auch denkbar.
In einigen Ausführungsformen oxidiert die untere Elektrode 108 als Reaktion auf Sauerstoff aus der Isolatorschicht 112 und/oder auf Sauerstoff aus der Umgebungsatmosphäre der unteren Elektrode 108 vor der Bildung der Isolatorschicht 112. In einigen Ausführungsformen wird die Grenzflächenschicht 110 vor der Bildung der Isolatorschicht 112 mit Plasma behandelt. In anderen Ausführungsformen wird die Grenzflächenschicht 110 nicht mit Plasma behandelt. Bei der Plasmabehandlung kann die Grenzflächenschicht 110 beispielsweise einem aus Distickstoffoxid (beispielsweise N₂O) und/oder anderen geeigneten Gasen gebildeten Plasma ausgesetzt werden.
Falls die Grenzflächenschicht 110 mit Plasma behandelt ist, kann es sich bei der Grenzflächenschicht 110 beispielsweise um natives Oxid der unteren Elektrode 108 handeln, das mit einem aus Distickstoffoxid gebildeten Plasma behandelt wurde. Das native Oxid kann beispielsweise durch Reaktion der amorphen BES 104 mit Sauerstoff in der Umgebungsatmosphäre der unteren Elektrode 108 gebildet werden. Die Distickstoffoxid-Plasmabehandlung ebnet die Oberfläche der Grenzflächenschicht 110. Außerdem wird durch die Distickstoffoxid-Plasmabehandlung das native Oxid passiviert, wodurch die Grenzflächenschicht 110 die Diffusion von Sauerstoff an die untere Elektrode 108 (beispielsweise von der Isolatorschicht 112 oder einer anderen geeigneten Quelle) verhindert. Dadurch wird eine weitere Oxidation der unteren Elektrode 108 und damit ein weiteres Wachstum der Grenzflächenschicht 110 nach der Distickstoffoxid-Plasmabehandlung verhindert, wodurch die Dicke Tbe der unteren Elektrode 108 genauer gesteuert werden kann.
Die obere Elektrode 114 liegt über der Isolatorschicht 112 und ist gänzlich aus einer kristallinen oberen Elektrodenstruktur (top electrode strucutre, TES) 116 gebildet. Mit anderen Worten sind die obere Elektrode 114 und die kristalline TES 116 ein und dieselbe. In anderen Ausführungsformen, wie im Folgenden gezeigt, bildet die kristalline TES 116 einen Teil der oberen Elektrode 114.
Die kristalline TES 116 weist eine geordnete oder halbgeordnete Anordnung säulenförmiger kristalliner Körner 116g auf, die vertikal länglich sind. Zusätzlich oder alternativ weist die kristalline TES 116 in einigen Ausführungsformen gleichachsige kristalline Körner auf (nicht dargestellt). Aufgrund der geordneten oder halbgeordneten Anordnung der säulenförmigen kristallinen Körner 116g kann eine obere Oberfläche 116t der kristallinen TES 116 eine hohe Rauheit aufweisen. In einigen Ausführungsformen ist die hohe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit (beispielsweise Ra) größer als etwa 0,7 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert, oder zwischen etwa 0,7 und 0,8 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert. In einigen Ausführungsformen ist der kristalline TES 116 wie die kristalline BES 106 wie oben beschrieben.
Die kristalline TES 116 ist leitfähig und kann beispielsweise aus Titannitrid (beispielsweise TiN), Tantalnitrid (beispielsweise TaN), einem oder mehreren anderen geeigneten leitfähigen Materialien oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein. In einigen Ausführungsformen ist die kristalline TES 116 das gleiche Material wie die kristalline BES 106 und/oder die amorphe BES 104. Beispielsweise können die kristalline BES 106, die kristalline TES 116 und die amorphe BES 104 aus Titannitrid oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein oder solches enthalten. In einigen Ausführungsformen ist die kristalline TES 116 ein anderes Material als die kristalline BES 106 und/oder die amorphe BES 104.
In einigen Ausführungsformen ist 114 die Dicke T_te der oberen Elektrode kleiner als oder gleich etwa 60 Nanometer, etwa 50 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert und/oder beträgt etwa 50 bis 60 Nanometer oder einen anderen geeigneten Wert. In einigen Ausführungsformen ist die Dicke T_te der oberen Elektrode 114 gleich oder im Wesentlichen gleich derjenigen der unteren Elektrode 108.
In 3 ist ein Energiebanddiagramm 300 einiger Ausführungsformen des MIM-Kondensators 102 von 1 während einer Vorspannung in Durchlassrichtung dargestellt. Der MIM-Kondensator 102 kann beispielsweise in Durchlassrichtung vorgespannt sein, wenn eine Spannung von der oberen Elektrode 114 zu der unteren Elektrode 108 eine positive Polarität aufweist. Die vertikale Achse des Energiebanddiagramms 300 entspricht der Energie und die horizontale Achse des Energiebanddiagramms 300 entspricht der Position. Von links nach rechts ändert sich die Position von der oberen Elektrode 114 zu der unteren Elektrode 108. Die obere Elektrode 114 und die untere Elektrode 108 sind schematisch durch die entsprechenden Fermi-Niveaus dargestellt und die Isolatorschicht 112 und die Grenzflächenschicht 110 sind schematisch durch entsprechende Bandlücken dargestellt.
Während der MIM-Kondensator 102 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, können die Elektronen 302 an der Grenzflächenschicht 110 durch Elektronensprünge durch die Isolatorschicht 112 tunneln. Wenn die Barrierenhöhe Φ_B der Grenzflächenschicht 110 abnimmt, nimmt das Tunneln der Elektronen zu. Wenn die Barrierenhöhe Φ_B zunimmt, nimmt das Tunneln der Elektronen ab.
Wie oben beschrieben, kann ein Wasserstoffgas-HPA während der Herstellung eines IC-Chips, in dem der MIM-Kondensator 102 angeordnet ist, durchgeführt werden. Wasserstoffionen 202 (beispielsweise H+) aus dem Wasserstoffgas-HPA können an eine Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode 108 und der Isolatorschicht 112 diffundieren und dort Wasserstoffreduktionsreaktionen auslösen. Die lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen bilden akzeptorenähnliche Fallen 304, die Wasserstoffionen 202 an der Grenzflächenschicht 110 einfangen. Die eingefangenen Wasserstoffionen 202 verringern wiederum die Barrierenhöhe Φ_B der Grenzflächenschicht 110 und erleichtern das Elektronen-Hopping.
Da die untere Elektrode 108 aus der amorphen BES 104 gebildet wird (siehe beispielsweise 1) und daher eine obere Oberfläche mit einer geringen Rauheit aufweist, ist die Fläche der oberen Oberfläche klein. Aufgrund der kleinen Fläche ist die Menge der lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen gering und damit auch die Menge der akzeptorenähnlichen Fallen. Aufgrund der geringen Menge an akzeptorenähnlichen Fallen ist die Ansammlung von Wasserstoffionen 202 an der Grenzflächenschicht 110 gering. Aufgrund der geringen Anreicherung kann die Wirkung der Wasserstoffionen 202 auf die Barrierenhöhe Φ_B gering sein und die Barrierenhöhe Φ_B kann somit hoch sein. Daher kann das Tunneln der Elektronen niedrig sein, der Leckstrom kann niedrig sein, die Durchbruchspannung kann hoch sein und der TDDB kann hoch sein.
Der MIM-Kondensator 102 kann auch in umgekehrter Richtung vorgespannt sein, wobei die Spannung von der oberen Elektrode 114 zu der unteren Elektrode 108 eine negative Polarität haben kann (nicht dargestellt). Bei umgekehrter Vorspannung können die Elektronen 302 durch die Isolatorschicht 112 entlang der Sauerstoffleerstellen tunneln, die in der Isolatorschicht 112 durch die lokalen Wasserstoffreduktionsreaktionen gebildet werden. Aufgrund der kleinen Fläche an der oberen Oberfläche der unteren Elektrode 108 ist die Menge der lokalen Wasserstoffreduktionsreaktionen jedoch gering und damit ist auch die Menge an Sauerstoffleerstellen niedrig. Aufgrund der geringen Menge an Sauerstoffleerstellen kann der Leckstrom niedrig sein, die Durchbruchspannung kann hoch sein und der TDDB kann hoch sein.
4A-4G zeigen Querschnittsansichten 400A bis 400G einiger alternativer Ausführungsformen des MIM-Kondensators von 1.
In 4A umfasst die untere Elektrode 108 eine untere Elektrodengrenzflächenschicht 402 zwischen der kristallinen BES 106 und der amorphen BES 104. Die untere Elektrodengrenzflächenschicht 402 ist ein Oxid, das durch Oxidation der kristallinen BES 106 gebildet wird. In einigen Ausführungsformen ist die untere Elektrodengrenzflächenschicht 402 ein natives Oxid der kristallinen BES 106. In einigen Ausführungsformen oxidiert die kristalline BES 106 als Reaktion auf Sauerstoff aus einer Umgebungsatmosphäre der kristallinen BES 106 vor der Bildung der amorphen BES 104.
In 4B umfasst die obere Elektrode 114 die kristalline TES 116 und eine amorphe TES 404 über der kristallinen TES 116. Die amorphe TES 404 umfasst eine zufällige oder ungeordnete Anordnung von Teilchen 404p. Die Teilchen 404p können beispielsweise Moleküle, Atome, andere geeignete Teilchen oder eine beliebige Kombination der vorgenannten sein oder umfassen. Aufgrund der zufälligen oder ungeordneten Anordnung kann die obere Oberfläche 404t der amorphen TES 404 eine geringe Rauheit aufweisen. Die geringe Rauheit kann beispielsweise die parasitäre Kapazität zwischen der oberen Elektrode 114 und den umgebenden leitfähigen Elementen (nicht dargestellt) verringern.
In einigen Ausführungsformen ist die geringe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit (beispielsweise Ra) von weniger als etwa 0,2 Nanometer, 0,1 Nanometer oder einem anderen geeigneten Wert. In einigen Ausführungsformen ist die geringe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit, die geringer ist als die an der oberen Oberfläche 116t der kristallinen TES 116. In einigen Ausführungsformen ist die geringe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit innerhalb von etwa 5 %, 10 % oder einem anderen geeigneten Prozentsatz einer durchschnittlichen Rauheit der oberen Oberfläche 104t der amorphen BES 104.
Die amorphe TES 404 und die kristalline TES 116 sind leitfähig und können beispielsweise aus Titannitrid (beispielsweise TiN), Tantalnitrid (beispielsweise TaN), anderen geeigneten leitfähigen Materialien oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein oder solches enthalten. In einigen Ausführungsformen sind die amorphe TET 404 und die kristalline TES 116 aus dem gleichen Material gebildet. In anderen Ausführungsformen sind die amorphe TES 404 und die kristalline TES 116 aus verschiedenen Materialien gebildet. In einigen Ausführungsformen sind die amorphe TES 404 und die amorphe BES 104 das gleiche Material, und die kristalline TES 116 und die kristalline BES 106 sind das gleiche Material. In anderen Ausführungsformen sind die amorphe TES 404 und die amorphe BES 104 unterschiedliche Materialien und/oder die kristalline TES 116 und die kristalline BES 106 sind unterschiedliche Materialien.
In 4C ist der MIM-Kondensator 102 wie in 4B dargestellt, mit der Ausnahme, dass die obere Elektrode 114 ferner eine obere Elektrodengrenzflächenschicht 406 zwischen der kristallinen TES 116 und der amorphen TES 404 aufweist. Die Grenzflächenschicht 406 der oberen Elektrode ist ein Oxid, das durch Oxidation der kristallinen TES 116 gebildet wird. In einigen Ausführungsformen ist die obere Elektrodengrenzflächenschicht 406 ein natives Oxid der kristallinen TES 116. In einigen Ausführungsformen oxidiert die kristalline TES 116 als Reaktion auf Sauerstoff aus einer Umgebungsatmosphäre der kristallinen TES 116 vor der Bildung der amorphen TES 404.
In 4D ist der MIM-Kondensator 102 wie in 4C, mit der Ausnahme, dass die untere Elektrode 108 ferner die untere Elektrodengrenzflächenschicht 402 wie in 4A gezeigt umfasst.
In 4E ist die kristalline BES 106 nicht dargestellt. Somit bildet die amorphe BES 104 ganz oder im Wesentlichen die untere Elektrode 108.
In 4F wird die kristalline TES 116 durch die mit Bezug auf 4B beschriebene amorphe TES 404 ersetzt. Somit bildet die amorphe TES 404 ganz oder im Wesentlichen die obere Elektrode 114.
In 4G entfällt die kristalline BES 106, wodurch die amorphe BES 104 ganz oder im Wesentlichen die untere Elektrode 108 bildet. Ferner wird die kristalline TES 116 durch die mit Bezug auf 4B beschriebene amorphe TES 404 ersetzt, wodurch die amorphe TES 404 ganz oder im Wesentlichen die obere Elektrode 114 bildet.
5 zeigt eine Querschnittsansicht 500 einiger Ausführungsformen eines IC-Chips, bei dem ein MIM-Kondensator 102 mit einer amorphen BES in eine Interconnect-Struktur 502 104 eingebettet ist. Der MIM-Kondensator 102 ist wie mit Bezug auf 1 beschrieben. Zur besseren Veranschaulichung sind jedoch die Teilchen 104p in der amorphen BES 104 und die säulenförmigen kristallinen Körner 106g, 116g in der kristallinen BES 106 und der kristallinen TES 116 nicht dargestellt.
Der MIM-Kondensator 102 liegt über einem unteren Kondensatordraht 504l und weist einen nach unten gerichteten Vorsprung auf, der eine untere Elektrodendurchführung 506 (bottom electrode via, BEVA) definiert. Ein oberer Kondensatordraht 504u liegt über dem MIM-Kondensator 102 und eine obere Elektrodendurchführung (top electrode via, TEVA) 508tv erstreckt sich von dem oberen Kondensatordraht 504u zu dem MIM-Kondensator 102. Der obere Kondensatordraht 504u und die TEVA 508tv werden aus einer gemeinsamen Schicht gebildet, können aber in anderen Ausführungsformen aus getrennten Schichten gebildet werden. Der untere Kondensatordraht 504l, der obere Kondensatordraht 504u und die TEVA 508tv sind leitfähig und können beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, Aluminium, Kupfer, anderen geeigneten Metallen oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Metalle gebildet sein oder solches enthalten.
Der MIM-Kondensator 102, der untere Kondensatordraht 504l, der obere Kondensatordraht 504u und die TEVA 508tv sind von einer dielektrischen Zwischenmetallschicht 510 (intermetal dielectric layer, IMD-Schicht) umgeben. Die IMD-Schicht 510 kann beispielsweise ein Low-k-Dielektrikum und/oder ein anderes geeignetes Dielektrikum oder andere geeignete Dielektrika sein oder enthalten.
6A-6C zeigen Querschnittsansichten 600A bis 600C einiger alternativer Ausführungsformen des IC-Chips von 5.
In 6A liegen Hartmasken über dem MIM-Kondensator 102 und der MIM-Kondensator 102 weist ein symmetrischeres Profil um eine vertikale Achse in der Mitte der Breite des MIM-Kondensators 102 auf. Eine obere Elektrodenhartmaske 602 liegt über der oberen Elektrode 114 mit einem gleichen oder im Wesentlichen gleichen oberen Layout wie die obere Elektrode 114. Eine untere Elektrodenhartmaske 604 über der oberen Elektrodenhartmaske 602 und der unteren Elektrode 108 mit einem gleichen oder im Wesentlichen gleichen oberen Layout wie die untere Elektrode 108. Die obere Elektrodenhartmaske 602 und die untere Elektrodenhartmaske 604 können beispielsweise aus Siliziumnitrid und/oder anderen geeigneten Dielektrika gebildet sein oder solches enthalten.
In einigen Ausführungsformen trennen mehrere Hartmaskenauskleidungen 606, die individuell für die obere Elektrodenhartmaske 602 und die untere Elektrodenhartmaske 604 sind, die obere Elektrodenhartmaske 602 und die untere Elektrodenhartmaske 604 von der Isolatorschicht 112 und der oberen Elektrode 114. Die Hartmaskenauskleidungen 606 sind aus anderen Materialien gebildet als die obere Elektrodenhartmaske 602 und die untere Elektrodenhartmaske 604 und können beispielsweise aus Siliziumoxid und/oder einem anderen geeigneten Dielektrikum gebildet sein. In alternativen Ausführungsformen entfallen die Hartmaskenauskleidungen 606.
In 6B ist der MIM-Kondensator 102 wie in 6A dargestellt, mit der Ausnahme, dass die obere Oberfläche der oberen Elektrode 114 bei der BEVA 506 eingekerbt ist. Außerdem haben die untere Elektrode 108, die Grenzflächenschicht 110, die Isolatorschicht 112 und die obere Elektrode 114 stärker gekrümmte Ränder, und die Hartmaske der oberen Elektrode 602 und die zugehörige Hartmaskenauskleidung 606 entfallen. In alternativen Ausführungsformen verbleiben die obere Elektrodenhartmaske 602 und die zugehörige Hartmaskenauskleidung 606 auf der oberen Elektrode 114 und trennen die obere Elektrode 114 von der unteren Elektrodenhartmaske 604 und der zugehörigen Hartmaskenauskleidung 606, wie in 6A gezeigt.
In 6C ist die BEVA 506 nicht dargestellt. Außerdem bedeckt die Isolatorschicht 112 eine Unterseite der oberen Elektrode 114, die Grenzflächenschicht 110 bedeckt eine Unterseite der Isolatorschicht 112 und die untere Elektrode 108 bedeckt eine Unterseite der Grenzflächenschicht 110. In einigen Ausführungsformen weisen die untere Elektrode 108, die Grenzflächenschicht 110, die Isolatorschicht 112 und die obere Elektrode 114 U- oder V-förmige Profile auf. Andere geeignete Profile sind allerdings ebenso denkbar.
7 zeigt eine Querschnittsansicht 700 einiger Ausführungsformen eines IC-Chips, bei dem der MIM-Kondensator 102 von 5 in eine Ein-Transistor-Ein-Kondensator-Zelle (1T1C) 702 integriert ist. Der MIM-Kondensator 102 liegt über einem Substrat 704 in einer Interconnect-Struktur 502. Das Substrat 704 kann beispielsweise ein Silizium-Substrat, ein Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI) oder ein anderes geeignetes Halbleitersubstrat sein.
Die Interconnect-Struktur 502 umfasst mehrere Drähte 504 und mehrere Durchkontaktierungen 508, die in mehreren Verdrahtungsebenen und mehreren Durchkontaktierungsebenen gruppiert sind. Die Draht- und Durchkontaktierungsebenen entsprechen einer Höhe über dem Substrat 704 und sind abwechselnd gestapelt. Die Drähte 504 und die Durchkontaktierungen 508 sind leitfähig und definieren leitfähige Pfade, die von dem MIM-Kondensator 102 und einem darunter liegenden Zugriffstransistor 706 ausgehen. Ein erster leitfähiger Pfad führt von dem MIM-Kondensator 102 zu einer Bitleitung 504bl über dem MIM-Kondensator 102. Ein zweiter Leitungspfad führt von dem MIM-Kondensator 102 zu einem Drain-Bereich 708d des Zugriffstransistors 706. Ein dritter Leitungspfad führt von einem Source-Bereich 708s des Zugriffstransistors 706 zu einer Source-Leitung 504sl über dem Source-Bereich 708s. Ein vierter Leitungspfad führt von einer Gate-Elektrode 710 des Zugriffstransistors 706 zu einer Wortleitung 504wl über der Gate-Elektrode 710. Es ist zu beachten, dass die Wortleitung 504wl zwar mit zwei getrennten Segmenten auf gegenüberliegenden Seiten des Drain-Bereichs 708d dargestellt ist, die Wortleitung 504wl jedoch außerhalb der Querschnittsansicht 700 durchgehend sein kann.
Der Zugriffstransistor 706 umfasst den Drain-Bereich 708d und den Source-Bereich 708s sowie die Gate-Elektrode 710 und eine Gatedielektrikumschicht 712. Der Drain-Bereich 708d und der Source-Bereiche 708s liegen in dem Substrat 704 und entsprechen dotierten Bereichen des Substrats 704. Die Gate-Elektrode 710 liegt über der dielektrischen Gate-Schicht 712 und ist zwischen dem Drain-Bereich 708d und dem Source-Bereich 708s angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist der Zugriffstransistor 706 von einer Grabenisolationsstruktur 714 umgeben, die sich in das Substrat 704 hinein erstreckt und aus einem oder mehreren dielektrischen Materialien gebildet ist. Der Zugriffstransistor 706 kann beispielsweise ein isolierter Gate-Feldeffekttransistor (insulated gate field-effect transistor, IGFET) oder ein anderer geeigneter Transistor sein.
Eine Zwischendielektrikumschicht (interlayer dielectric, ILD-Schicht) 716, eine IMD-Schicht 510 und eine Passivierungsschicht 718 werden über dem Substrat 704 und dem Zugriffstransistor 706 gestapelt. Die IMD-Schicht 510 liegt über der ILD-Schicht 716 und die Passivierungsschicht 718 liegt über der IMD-Schicht 510. Die ILD-Schicht 716 umgibt die Durchkontaktierungen in der Durchkontaktierungsebene, welche dem Substrat 704 am nächsten liegt, wobei die IMD-Schicht 510 die Drähte 504 und die Durchkontaktierungen in den übrigen Durchkontaktierungsebenen umgibt. Die Durchkontaktierungen in der Durchkontaktierungsebene, die dem Substrat 704 am nächsten liegt, können auch als Kontakt-Durchkontaktierungen oder als Kontakte bezeichnet werden.
Die ILD-Schicht 716 kann beispielsweise aus Siliziumoxid und/oder einem anderen geeigneten Dielektrikum gebildet sein. Die Passivierungsschicht 718 kann beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, einem anderen geeigneten Dielektrikum oder anderen Dielektrika oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein oder solches enthalten. In einigen Ausführungsformen ist die IMD-Schicht 510 an einer ersten Grenzfläche mit der ILD-Schicht 716 aus einem anderen Material als die ILD-Schicht 716 gebildet und/oder an einer zweiten Grenzfläche mit der Passivierungsschicht 718 aus einem anderen Material als die Passivierungsschicht 718 gebildet.
Während der MIM-Kondensator 102 in dem IC-Chip von 7 zwischen der vierten Verdrahtungsebene und der fünften Verdrahtungsebene dargestellt ist, kann der MIM-Kondensator 102 in alternativen Ausführungsformen zwischen beliebigen anderen benachbarten Verdrahtungsebenen liegen. Während der MIM-Kondensator 102 in dem IC-Chip von 7 so dargestellt ist, dass er in der IMD-Schicht 510 liegt, kann er in alternativen Ausführungsformen auch in der Passivierungsschicht 718 oder der ILD-Schicht 716 liegen. Während der MIM-Kondensator 102 in dem IC-Chip von 7 wie in 5 gezeigt eingerichtet ist, kann der MIM-Kondensator 102 alternativ auch wie in einer von 6A bis 6C gezeigt eingerichtet sein. Während die MIM-Kondensatoren 102 in den IC-Chips in 5, 6A bis 6C und 7 entsprechend den Ausführungsformen des MIM-Kondensators 102 wie in 1 gezeigt eingerichtet sind, können die MIM-Kondensatoren 102 in den IC-Chips in 5, 6A bis 6C und 7 alternativ auch gemäß den Ausführungsformen des MIM-Kondensators 102 wie in einer von 4A bis 4G dargestellt eingerichtet sein.
8 zeigt eine Querschnittsansicht 800 einiger Ausführungsformen eines IC-Chips, in dem ein MIM-Kondensator 102 mit einer oberen Elektrode 114, einer mittleren Elektrode 802 und einer unteren Elektrode 108 ausgestattet ist. Die mittlere Elektrode 802 liegt über der unteren Elektrode 108, und die obere Elektrode 114 liegt über der mittleren Elektrode 802. Ferner trennen eine Isolatorschicht 112 und Grenzflächenschichten 110 die obere Elektrode 114, die mittlere Elektrode 802 und die untere Elektrode 108 voneinander. Die Isolatorschicht 112 ist wie mit Bezug auf 1 beschrieben und die Grenzflächenschichten 110 sind wie mit Bezug auf 1 beschrieben.
Die obere Elektrode 114 umfasst eine kristalline TES 116, die wie mit Bezug auf 1 beschrieben ist. In einigen Ausführungsformen bildet die kristalline TES 116 die Gesamtheit der oberen Elektrode 114. In anderen Ausführungsformen bildet die kristalline TES 116 einen Teil der oberen Elektrode 114. 4B zeigt ein Beispiel für solche Ausführungsformen. Die untere Elektrode 108 umfasst eine kristalline BES 106 und eine amorphe BES 104, die über der kristallinen BES 106 liegt. In ähnlicher Weise umfasst die mittlere Elektrode 802 eine kristalline mittlere Elektrodenstruktur (middle electrode structure, MES) 804 und eine amorphe MES 806, die über der kristallinen MES 804 liegt. Die kristalline BES 106 ist mit Bezug auf 1 beschrieben und die kristalline MES 804 ist wie die kristalline BES 106, wie mit Bezug auf 1 beschrieben. Die amorphe BES 104 entspricht der Beschreibung zu 1 und die amorphe MES 806 entspricht der Beschreibung der amorphen BES 104 mit Bezug auf 1. Zur besseren Veranschaulichung sind Teilchen (beispielsweise 104p in 1) in der amorphen BES 104 und der amorphen MES 806 und säulenförmige kristalline Körner (beispielsweise 106g und 116g in 1) in der kristallinen BES 106, der kristallinen TES 116 und der kristallinen MES 804 nicht dargestellt.
Der MIM-Kondensator 102 liegt unter einem ersten Pad 808f und einem zweiten Pad 808s und liegt außerdem über einem ersten unteren Kondensatordraht 504l, und einem zweiten unteren Kondensatordraht 504l₂. Eine erste Pad-Durchkontaktierung 810f erstreckt sich von dem ersten Pad 808f durch die mittlere Elektrode 802 zu dem ersten unteren Kondensatordraht 504l₁. Ferner erstreckt sich eine zweite Pad-Durchkontaktierung 810s von dem zweiten Pad 808s durch die untere Elektrode 108 und die obere Elektrode 114 zu dem zweiten unteren Kondensatordraht 504l₂.
Erste Segmente einer Pad-Schicht 812 und einer Auskleidungsschicht 814 bilden die erste Pad-Durchkontaktierung 810f und das erste Pad 808f, und zweite Segmente der Pad-Schicht 812 und der Auskleidungsschicht 814 bilden die zweite Pad-Durchkontaktierung 810s und das zweite Pad 808s. Die Auskleidungsschicht 814 ist eingerichtet, die Diffusion von Material aus der Pad-Schicht 812 und/oder aus dem ersten Kondensatordraht 504l, und dem zweiten unteren Kondensatordraht 504l₂ zu blockieren. Die Pad-Schicht 812 kann beispielsweise aus Aluminium-Kupfer, Kupfer, Aluminium, anderen geeigneten leitfähigen Materialien oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein oder solches enthalten. Die Auskleidungsschicht 814 kann beispielsweise aus Titannitrid, Tantalnitrid, anderen geeigneten Materialien oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein oder solches enthalten.
Eine IMD-Schicht 510 umgibt den ersten Kondensatordraht 504l, und den zweiten unteren Kondensatordraht 504l₂. Eine Ätzstoppschicht 816 liegt über der IMD-Schicht 510 entlang einer Oberseite des ersten Kondensatordrahtes 504l₁ und des zweiten unteren Kondensatordrahtes 504l₂ und eine Passivierungsschicht 718 liegt über der Ätzstoppschicht 816. Die Ätzstoppschicht 816 und die Passivierungsschicht 718 umgeben die erste Pad-Durchkontaktierung 810f und die zweiten Pad-Durchkontaktierung 810s. Ferner umgibt die Passivierungsschicht 718 das erste Pad 808f und das zweiten Pad 808s und bildet eine erste Padöffnung 818f und eine zweite Padöffnung 818s, die über dem ersten Pad 808f und dem zweiten Pad 808s liegen und diese freilegen. Die Ätzstoppschicht 816 ist aus einem anderen Material als die IMD-Schicht 510 und die Passivierungsschicht 718 gebildet und kann beispielsweise aus Siliziumkarbid und/oder einem anderen geeigneten Dielektrikum gebildet sein oder solches enthalten.
Die untere Elektrode 108 und die mittlere Elektrode 802 bilden einen ersten Kondensator, und die mittlere Elektrode 802 und die obere Elektrode 114 bilden einen zweiten Kondensator. Da die untere Elektrode 108 aus der amorphen BES 104 gebildet ist, sind die Durchbruchspannung und der TDDB des ersten Kondensators hoch, wie mit Bezug 1 beschrieben. Da die mittlere Elektrode 802 aus der amorphen MES 806 gebildet ist, sind die Durchbruchspannung und der TDDB des zweiten Kondensators ebenfalls hoch.
Der erste Kondensator und der zweite Kondensator teilen sich die mittlere Elektrode 802, und die zweite Pad-Durchkontaktierung 810s koppelt die untere Elektrode 108 und die obere Elektrode 114 elektrisch miteinander. Damit sind der erste Kondensator und der zweite Kondensator elektrisch parallel geschaltet und bilden den MIM-Kondensator 102 mit einer Gesamtkapazität, die eine Summe der Einzelkapazitäten des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators ist. Ein erster Anschluss des MIM-Kondensators 102 entspricht dem ersten Pad 808f, und ein zweiter Anschluss des MIM-Kondensators 102 entspricht dem zweiten Pad 808s. Da sich der erste Kondensator und der zweite Kondensator die mittlere Elektrode 802 teilen, ist die Kapazitätsdichte des MIM-Kondensators 102 hoch. In einigen Ausführungsformen ist der MIM-Kondensator 102 ein Super-High-Density-MIM-Kondensator oder eine andere geeignete Art von Kondensator.
In 9 ist eine Querschnittsansicht 900 einiger alternativer Ausführungsformen des MIM-Kondensators 102 von 8 dargestellt, wobei die obere Elektrode 114 ferner eine amorphe TES 404 umfasst, die über der kristallinen TES 116 liegt. Wie in 4B beschrieben, kann die amorphe TES 404 den parasitären Kondensator von der oberen Elektrode 114 zu den umgebenden leitfähigen Elementen reduzieren. Die umgebenden leitfähigen Merkmale können beispielsweise das erste Pad 808f und das zweite Pad 808s, die erste Durchkontaktierung 810f und die zweite Pad-Durchkontaktierung 810s, andere geeignete leitfähige Merkmale oder eine beliebige Kombination der vorgenannten Merkmale umfassen.
10 zeigt eine Querschnittsansicht 1000 einiger Ausführungsformen eines IC-Chips, wobei der MIM-Kondensator 102 von 8 in eine 1T1C-Zelle 702 integriert ist. Die 1T1C-Zelle 702 kann beispielsweise wie in 7 eingerichtet sein, mit der Ausnahme, dass der MIM-Kondensator 102 von 8 anstatt des MIM-Kondensators von 5 eingebaut ist. In alternativen Ausführungsformen des IC-Chips wird der MIM-Kondensator 102 von 8 durch den MIM-Kondensator 102 von 9 ersetzt. In alternativen Ausführungsformen des IC-Chips liegt der MIM-Kondensator 102 in der IMD-Schicht 510 oder der ILD-Schicht 716 anstatt in der Passivierungsschicht 718.
11 zeigt eine Querschnittsansicht 1100 einiger Ausführungsformen eines IC-Chips, wobei ein MIM-Kondensator 102 in ein Substrat 704 eingebettet ist. Der MIM-Kondensator 102 umfasst mehrere Grabenelektroden 1102 und eine Substratelektrode 1104. In alternativen Ausführungsformen kann die Substratelektrode 1104 entfallen.
Die Grabenelektroden 1102 bilden ein oder mehrere Grabensegmente 1106, die in das Substrat 704 hineinragen, wobei die Substratelektrode 1104 einem dotierten Bereich des Substrats 704 entspricht, der das Grabensegment 1106 oder die Grabensegmente 1106 umgibt. Die Grabenelektroden 1102 liegen über der Substratelektrode 1104 und umfassen eine untere Elektrode 108, mehrere mittlere Elektroden 802 und eine obere Elektrode 114, die vertikal gestapelt sind. Außerdem nehmen die Breiten der Grabenelektroden 1102 von der Oberseite des vertikalen Stapels zur Unterseite des vertikalen Stapels zu. Die untere Elektrode 108, die mittlere Elektrode 802 und die obere Elektrode 114 sind wie mit Bezug auf 1 und 8 beschrieben. Daher weisen die untere Elektrode 108, die mittlere Elektrode 802 und die obere Elektrode 114 die jeweilige kristalline Elektrodenstruktur 106, 804, 116 auf, und die untere Elektrode 108 und die mittlere Elektrode 802 weisen die jeweilige amorphe Elektrodenstruktur 104, 806 auf.
Mehrere Grenzflächenschichten 110 und mehrere Isolatorschichten 112 sind ebenfalls mit den Grabenelektroden 1102 und der Substratelektrode 1104 gestapelt. Die Isolatorschichten 112 trennen die Grabenelektroden 1102 voneinander und von der Substratelektrode 1104. Die Isolatorschichten 112 können beispielsweise wie mit Bezug auf 1 beschrieben sein. Mit Ausnahme der obersten Grabenelektrode 1102 haben die Grabenelektroden 1102 Oberseiten, die jeweils von den Grenzflächenschichten 110 bedeckt sind. Die Grenzflächenschichten 110 können beispielsweise wie mit Bezug auf 1 beschrieben sein. In einigen Ausführungsformen haben die Isolatorschichten 112 und/oder die Grenzflächenschichten 110 jeweils ein gleiches oberes Layout wie eine unmittelbar darunter liegende Elektrode (beispielsweise ein Substrat oder eine Grabenelektrode). In einigen Ausführungsformen liegt eine Deckschicht 1108 über der obersten der Grabenelektroden 1102 und füllt Leerräume bei den Grabensegmenten 1106.
Eine Interconnect-Struktur 502 liegt über dem MIM-Kondensator 102 und ist mit diesem elektrisch verbunden, und umfasst einen ersten oberen Kondensatordraht 504u₁ und einen zweiten oberen Kondensatordraht 504u₂. Außerdem umfasst die Interconnect-Struktur 502 mehrere Kondensator-Durchkontaktierungen 508c. Die Kondensator-Durchkontaktierungen 508c koppeln jede zweite Elektrode des MIM-Kondensators 102, von der Unterseite des MIM-Kondensators 102 bis zu der Oberseite des MIM-Kondensators 102, elektrisch mit dem zweiten oberen Kondensatordraht 504u₂. Außerdem koppeln die Kondensator-Durchkontaktierungen 5038c die übrigen Elektroden des MIM-Kondensators 102 elektrisch mit dem ersten oberen Kondensatordraht 504u₁. Eine ILD-Schicht 716 umgibt den MIM-Kondensator 102 und die Kondensator-Durchkontaktierungen 508c, und eine IMD-Schicht 510 liegt über der ILD-Schicht 716 und umgibt den ersten Kondensatordraht 504u₁ und den zweiten oberen Kondensatordraht 504u₂.
Ähnlich wie der MIM-Kondensator 102 von 8 umfasst der MIM-Kondensator 102 von 11 mehrere überlappende Paare benachbarter Elektroden, die einzelne Kondensatoren bilden. Außerdem sind die einzelnen Kondensatoren durch die Interconnect-Struktur 502 elektrisch parallel gekoppelt. Aufgrund der amorphen BES 104 und der amorphen MES 806 sind die Durchbruchspannung und der TDDB der einzelnen Kondensatoren über der Substratelektrode 1104 hoch aus den Gründen, die mit Bezug auf 1 beschrieben sind. Aufgrund der parallelen elektrischen Kopplung bilden die einzelnen Kondensatoren den MIM-Kondensator 102 mit einer Gesamtkapazität, die eine Summe der Einzelkapazitäten der einzelnen Kondensatoren ist. Da sich die mehrfach überlappenden Paare benachbarter Elektroden überlappen, teilen sich die einzelnen Kondensatoren Elektroden, wodurch die Kapazitätsdichte des MIM-Kondensators 102 hoch ist.
Während die untere Elektrode 108 und die obere Elektrode 114 in den IC-Chips in 8 bis 11 gemäß den Ausführungsformen in 1 eingerichtet sind, können die untere Elektrode 108 und die obere Elektrode 114 in den IC-Chips in 8 bis 11 alternativ gemäß den Ausführungsformen in einer von 4A bis 4G konfiguriert sein. Während die eine mittlere Elektrode 802 oder die mehreren mittleren Elektroden 802 in den IC-Chips in 8 bis 11 entsprechend den Ausführungsformen der unteren Elektrode 108 in 1 eingerichtet ist/sind, können die mittlere(n) Elektrode(n) 802 in den IC-Chips in 8 bis 11 alternativ gemäß den Ausführungsformen der unteren Elektrode 108 in einer von 4A bis 4G eingerichtet sein.
Unter Bezugnahme auf 12 bis 17 wird eine Reihe von Querschnittsansichten 1200 bis 1700 gemäß einigen Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines MIM-Kondensators mit einer amorphen BES gezeigt. Das Verfahren kann beispielsweise zur Herstellung des MIM-Kondensators 102 in 1 oder eines anderen geeigneten MIM-Kondensators verwendet werden.
Wie in der Querschnittsansicht 1200 von 12 dargestellt, wird eine kristalline untere Elektrodenschicht (BEL) 106l auf einem Substrat (nicht gezeigt) abgeschieden. Die kristalline BEL 106l weist eine geordnete oder halbgeordnete Anordnung von säulenförmigen kristallinen Körnern 106g auf, die vertikal länglich sind. In einigen Ausführungsformen hat die kristalline BEL 106l zusätzlich oder alternativ gleichachsige kristalline Körner (nicht gezeigt). Aufgrund der säulenförmigen kristallinen Körner 106g hat die kristalline BEL 106l eine obere Oberfläche 106t mit hoher Rauheit. In Ausführungsformen ist die hohe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit (beispielsweise Ra) größer als oder gleich etwa 0,7 Nanometer, etwa 0,8 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert.
Die kristalline BEL 106l ist leitfähig und kann beispielsweise aus Titannitrid (beispielsweise TiN), Tantalnitrid (beispielsweise TaN), anderen geeigneten leitfähigen Materialien oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein. Ferner kann die kristalline BEL 106l beispielsweise durch Atomlagenabscheidung (ALD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), andere geeignete Abscheidungsverfahren oder eine beliebige Kombination der vorgenannten Verfahren abgeschieden werden. In einigen Ausführungsformen ist die Dicke Tcbe der kristallinen BEL 106l kleiner als oder gleich etwa 57 Nanometer, etwa 50 Nanometer, etwa 40 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert und/oder beträgt etwa 50 bis 57 Nanometer, etwa 40 bis 50 Nanometer oder einen anderen geeigneten Wert.
Wie in der Querschnittsansicht 1300 von 13 dargestellt, wird eine amorphe BEL 104l über der kristallinen BEL 106l abgeschieden. Die amorphe BEL 104l umfasst eine zufällige oder ungeordnete Anordnung von Teilchen 104p. Die Teilchen 104p können beispielsweise Moleküle, Atome, andere geeignete Teilchen oder eine beliebige Kombination der vorgenannten sein oder umfassen.
Aufgrund der zufälligen oder ungeordneten Anordnung hat die amorphe BEL 104leine obere Oberfläche 104t mit einer geringen Rauheit im Vergleich zu derjenigen der oberen Oberfläche 106t der kristallinen BEL 106l. In Ausführungsformen ist die geringe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit (beispielsweise Ra) von weniger als oder gleich etwa 0,2 Nanometer, 0,1 Nanometer oder einem anderen geeigneten Wert und/oder etwa 0,1 bis 0,2 Nanometer oder einem anderen geeigneten Wert. Wie im Folgenden erläutert, kann eine Isolatorschicht des zu bildenden MIM-Kondensators eine niedrige Durchbruchspannung und einen niedrigen TDDB aufweisen, wenn die Rauheit zu hoch ist (beispielsweise größer als etwa 0,2 Nanometer).
Die amorphe BEL 104list leitfähig und kann beispielsweise aus Titannitrid (beispielsweise TiN), Tantalnitrid (beispielsweise TaN), anderen geeigneten leitfähigen Materialien oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein. In einigen Ausführungsformen ist die amorphe BEL 104l das gleiche Material wie die kristalline BEL 106l. In anderen Ausführungsformen ist die amorphe BEL 104l ein anderes Material als die kristalline BEL 106l.
Die amorphe BEL 104l kann beispielsweise durch ALD, PVD, ein anderes geeignetes Abscheideverfahren oder eine beliebige Kombination der vorgenannten Verfahren abgeschieden werden. In einigen Ausführungsformen werden die amorphe BEL 104l und die kristalline BEL 106l durch die gleiche Art von Abscheidungsverfahren abgeschieden. Beispielsweise können die amorphe BEL 104l und die kristalline BEL 106l beide durch ALD, PVD oder ein anderes geeignetes Abscheideverfahren abgeschieden werden. In anderen Ausführungsformen werden die amorphe BEL 104l und die kristalline BEL 106l durch verschiedene Abscheideverfahren abgeschieden. Beispielsweise kann die amorphe BEL 104ldurch ALD abgeschieden werden, während die kristalline BEL 106l durch PVD abgeschieden werden kann.
In einigen Ausführungsformen werden die amorphe BEL 104l und die kristalline BEL 106l in einer gleichen Prozesskammer abgeschieden. In anderen Ausführungsformen werden die amorphe BEL 104l und die kristalline BEL 106l in verschiedenen Prozesskammern abgeschieden. In zumindest einigen dieser anderen Ausführungsformen kann eine untere Elektrodengrenzflächenschicht (beispielsweise 402 in 4A) zwischen der amorphen BEL 104l und der kristallinen BEL 106I liegen, wie in 4A gezeigt.
In einigen Ausführungsformen ist die Dicke Tabe der amorphen BEL 104lgrößer als oder gleich etwa 3 Nanometer, etwa 5 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert, und/oder beträgt etwa 3-5 Nanometer, etwa 5-10 Nanometer oder einen anderen geeigneten Wert. Wenn die Dicke Tabe zu klein ist (beispielsweise weniger als etwa 3 Nanometer), kann die amorphe BES 104 womöglich nicht in der Lage sein, Vertiefungen in der oberen Oberfläche 106t der kristallinen BEL 106l vollständig auszufüllen, wodurch die obere Oberfläche 104t der amorphen BEL 104leine große Rauheit aufweisen kann und eine Isolatorschicht, die nachfolgend auf der amorphen BEL 104lgebildet wird, eine niedrige Durchbruchspannung und einen niedrigen TDDB aufweisen kann. Wenn die Dicke Tabe zu groß ist (beispielsweise mehr als etwa 10 Nanometer), können die Herstellungskosten hoch sein und der Herstellungsdurchsatz kann gering ausfallen, da die Abscheidung von amorphem Material im Vergleich zur Abscheidung von kristallinem Material kostenintensiver und langsamer sein kann.
Die amorphe BEL 104l und die kristalline BEL 106l bilden eine BEL 108l, und die amorphe BEL 104l bildet eine obere Oberfläche der BEL 108l. Wäre die amorphe BEL 104l nicht vorhanden, würde die kristalline BEL 106l die obere Oberfläche der BEL 108l bilden, und die obere Oberfläche würde eine hohe Rauheit aufweisen. Da jedoch die amorphe BEL 104l die obere Oberfläche der BEL 108l bildet, hat die obere Oberfläche eine geringe Rauheit. In alternativen Ausführungsformen wird die kristalline BEL 106l in 12 nicht gebildet, wodurch die amorphe BEL 104l die Gesamtheit oder im Wesentlichen die Gesamtheit der BEL 108l bildet. Beispielsweise können die amorphe BEL 104l und die BEL 108l dieselbe sein. In einigen Ausführungsformen ist die Dicke T_be der BEL 108l kleiner als oder gleich etwa 60 Nanometer, etwa 50 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert und/oder beträgt etwa 50 bis 60 Nanometer oder einen anderen geeigneten Wert.
Wie in der Querschnittsansicht 1400 von 14 dargestellt, wird eine Isolatorschicht 112 über der BEL 108l abgeschieden. Die Isolatorschicht 112 ist dielektrisch und kann beispielsweise aus Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Siliziumoxid, einem oder mehreren anderen geeigneten Dielektrika oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten gebildet sein oder solches enthalten. In einigen Ausführungsformen ist die Isolatorschicht 112 ein Metalloxid und/oder ein Hoch-k-Dielektrikum oder enthält solches. Die Isolatorschicht 112 kann beispielsweise durch ALD oder ein anderes geeignetes Abscheideverfahren abgeschieden werden.
Da die obere Oberfläche der BEL 108l durch die obere Oberfläche 104t der amorphen BEL 104lgebildet wird, weist die obere Oberfläche der BEL 108l eine geringe Rauheit auf. Daher hat die Isolierschicht 112 eine obere Oberfläche 112t mit geringer Rauheit und außerdem eine gleichmäßige oder im Wesentlichen gleichmäßige Dicke T_i. Die geringe Rauheit der Isolatorschicht 112 kann beispielsweise so wie oben betreffend die geringe Rauheit der amorphen BEL 104lbeschrieben sein.
Zwischen der Abscheidung der amorphen BEL 104l und der Abscheidung der Isolatorschicht 112 und/oder während der Abscheidung der Isolatorschicht 112 kann eine Grenzflächenschicht 110 an der oberen Oberfläche der BEL 108l entstehen. Zumindest in einigen Ausführungsformen ist die Grenzflächenschicht 110 ein Oxid, das durch Oxidation der BEL 108l gebildet wird. In einigen Ausführungsformen oxidiert die BEL 108l als Reaktion auf Sauerstoff aus der Isolatorschicht 112 und/oder Sauerstoff aus einer Umgebungsatmosphäre der BEL 108l vor der Abscheidung der Isolatorschicht 112. In einigen Ausführungsformen wird die Grenzflächenschicht 110 vor der Abscheidung der Isolatorschicht 112 mit Plasma behandelt. In anderen Ausführungsformen wird die Grenzflächenschicht 110 nicht mit Plasma behandelt.
Falls die Grenzflächenschicht 110 mit Plasma behandelt ist, kann die Grenzflächenschicht 110 beispielsweise aus nativem Oxid der BEL 108l gebildet sein, das mit einem Plasma behandelt wurde, welches aus einem Stickstoffoxidgas gebildet wird. In anderen Ausführungsformen sind auch andere geeignete Gase denkbar. Das native Oxid kann beispielsweise durch Reaktion der BEL 108l mit Sauerstoff in einer Umgebungsatmosphäre der BEL 108l gebildet werden. Die Behandlung mit Stickoxid-Plasma ebnen die obere Oberfläche der BEL 108l. Außerdem wird durch die Behandlung mit Stickoxid-Plasma das native Oxid passiviert, wodurch die Grenzflächenschicht 110 das Diffundieren von Sauerstoff in die BEL 108l verhindert. Dadurch wird eine weitere Oxidation der BEL 108l und damit ein weiteres Wachstum der Grenzflächenschicht 110 verhindert, wodurch die Dicke T_be der BEL 108l genauer gesteuert werden kann.
Wie in der Querschnittsansicht 1500 von 15 dargestellt, wird eine kristalline obere Elektrodenschicht (top electrode layer, TEL) 116l auf der Isolatorschicht 112 abgeschieden. Est ist zu beachten, dass ein unterer Teil der kristallinen BEL 106l an dieser Stelle und nachfolgend zwecks der Übersichtlichkeit nicht dargestellt wird. Die kristalline TEL 116l weist eine geordnete oder halbgeordnete Anordnung säulenförmiger kristalliner Körner 116g auf, die vertikal länglich sind. In einigen Ausführungsformen weist die kristalline TEL 116l zusätzlich oder alternativ gleichachsige kristalline Körner auf (nicht dargestellt).
Aufgrund der säulenförmigen kristallinen Körner 116g weist die kristalline TEL 116l eine obere Oberfläche 116t mit einer hohen Rauheit auf. In einigen Ausführungsformen ist die hohe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit (beispielsweise Ra) von mehr als oder gleich etwa 0,7 Nanometer oder einem anderen geeigneten Wert oder zwischen etwa 0,7 und 0,8 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert. In einigen Ausführungsformen ist die hohe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit und größer als die durchschnittliche Rauheit an der oberen Oberfläche 104t der amorphen BEL 104l. In einigen Ausführungsformen ist die hohe Rauheit eine durchschnittliche Rauheit und liegt innerhalb von etwa 5 %, 10 % oder einem anderen geeigneten Prozentsatz der durchschnittlichen Rauheit an der oberen Oberfläche 106t der kristallinen BEL 106l.
Die kristalline TEL 116l ist leitfähig und kann beispielsweise aus Titannitrid (beispielsweise TiN), Tantalnitrid (beispielsweise TaN), einem oder mehreren anderen geeigneten leitfähigen Materialien oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein. In einigen Ausführungsformen ist die kristalline TEL 116l das gleiche Material wie die kristalline BEL 106l und/oder die amorphe BEL 104l. Darüber hinaus kann die kristalline TEL 116l beispielsweise durch ALD, PVD, ein anderes geeignetes Abscheideverfahren oder eine beliebige Kombination der vorgenannten Verfahren abgeschieden werden. In einigen Ausführungsformen wird die kristalline TEL 116l durch ein gleiches Abscheideverfahren abgeschieden wie die kristalline BEL 106l und/oder die amorphe BEL 104l. Beispielsweise können die kristalline TEL 116l und die kristalline BEL 106l durch PVD abgeschieden werden, und die amorphe BEL 104l kann durch ALD abgeschieden werden.
Die kristalline TEL 116l bildet die Gesamtheit oder im Wesentlichen die Gesamtheit einer TEL 114l. Beispielsweise können die TEL 114l und die kristalline TEL 116l dieselbe sein. Daher kann die Abscheidung der kristallinen TEL 116l als Abscheidung der TEL 114l betrachtet werden. In anderen Ausführungsformen wird eine amorphe TEL auf der kristallinen TEL 116l abgeschieden und die kristalline TEL 116l und die amorphe TEL bilden zusammen die TEL 114l. Die amorphe TEL kann beispielsweise so abgeschieden werden wie betreffend die amorphe BEL 104l in Verbindung mit 13 beschrieben.
In einigen Ausführungsformen ist die Dicke T_te der TEL 114l gleich oder kleiner als etwa 60 Nanometer, etwa 57 Nanometer, etwa 50 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert, und/oder beträgt etwa 50 bis 60 Nanometer, etwa 50 bis 57 Nanometer oder einen anderen geeigneten Wert. In einigen Ausführungsformen liegt die Dicke T_te der TEL 114l innerhalb von etwa 5 %, 10 % oder einem anderen geeigneten Prozentsatz der Dicke T_be der BEL 108l (siehe beispielsweise 14).
Wie in der Querschnittsansicht 1600 von 16 dargestellt, werden die BEL 108l (siehe beispielsweise 15), die TEL 114l (siehe beispielsweise 15), die Isolatorschicht 112 und die Grenzflächenschicht 110 strukturiert, um einen MIM-Kondensator 102 zu bilden. Eine solche Strukturierung kann beispielsweise durch ein oder eine Reihe von mehreren Photolithographieverfahren oder Ätzverfahren und/oder anderes geeignetes Verfahren erfolgen oder diese umfassen. Der MIM-Kondensator 102 umfasst eine untere Elektrode 108, einen Teil der Grenzflächenschicht 110, einen Teil der Isolierschicht 112 und eine obere Elektrode 114.
Die untere Elektrode 108 wird aus der BEL 108l gebildet und umfasst eine amorphe BES 104 und eine kristalline BES 106. Die amorphe BES 104 und die kristalline BES 106 werden aus der amorphen BEL 104l (siehe beispielsweise 15) und der kristallinen BEL 106l (siehe beispielsweise 15) gebildet. Die obere Elektrode 114 wird aus der TEL 114l gebildet und umfasst eine kristalline TES 116, die aus der kristallinen TEL 116l gebildet wird (siehe beispielsweise 15). Wie oben erläutert, können die TEL 114l und die kristalline TEL 116l beispielsweise dieselbe sein, wodurch die obere Elektrode 114 und die kristalline TES 116 beispielsweise dieselbe sein können. Wie oben erläutert, kann die TEL 114l außerdem eine amorphe TEL umfassen, die in alternativen Ausführungsformen über der kristallinen TEL 116l liegt. In solchen alternativen Ausführungsformen umfasst die obere Elektrode 114 eine amorphe TES, die über der kristallinen TES liegt, wie beispielsweise in 4B gezeigt.
Wie in der Querschnittsansicht 1700 von 17 dargestellt, wird nach der Bildung des MIM-Kondensators 102 ein Wasserstoffgas-HPA durchgeführt. Das Wasserstoffgas-HPA kann beispielsweise bei einer Temperatur von mehr als etwa 200\C, etwa 420°C oder einer anderen geeigneten Temperatur durchgeführt werden und/oder kann beispielsweise bei einem Druck von etwa 20 Atmosphären und/oder einem anderen geeigneten Wert durchgeführt werden. Ferner kann die Wasserstoffgas-HPA beispielsweise für etwa 260 Minuten, etwa 200 bis 300 Minuten oder für eine andere geeignete Zeitspanne durchgeführt werden.
Während des Wasserstoffgas-HPA können Wasserstoffionen 202 (beispielsweise H+) durch die obere Elektrode 114 und die Isolierschicht 112 an eine Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode 108 und der Isolierschicht 112 diffundieren. Die Wasserstoffionen 202 an der Grenzfläche können bewirken, dass die untere Elektrode 108 und die Isolatorschicht 112 lokalisierte Wasserstoffreduktionsreaktionen durchlaufen. Die lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen können akzeptorenähnliche Fallen an der Grenzflächenschicht 110 bilden. Darüber hinaus können die lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen die Stöchiometrie der Isolatorschicht 112 verändern und Sauerstoffleerstellen in der Isolatorschicht 112 bilden.
Da die obere Oberfläche 104t der amorphen BES 104, anstelle der oberen Oberfläche 106t der kristallinen BES 106, die obere Oberfläche der unteren Elektrode 108 bildet, weist die obere Oberfläche der unteren Elektrode 108 eine geringe Rauheit auf. Aufgrund der geringen Rauheit an der oberen Oberfläche der unteren Elektrode 108 kann die Fläche an der oberen Oberfläche und damit an der Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode 108 und der Isolierschicht 112 klein sein. Aufgrund der kleinen Fläche kann eine Menge an lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen klein sein. Aufgrund der kleinen Menge an lokalisierten Wasserstoffreduktionsreaktionen kann eine kleine Menge an akzeptorenähnlichen Fallen an der Grenzflächenschicht 110 entstehen und eine kleine Menge an Sauerstoffleerstellen kann an der Isolatorschicht 112 entstehen.
Die akzeptorenähnlichen Fallen fangen die Wasserstoffionen 202 ein, was die Barrierenhöhe der Grenzflächenschicht 110 verringert und das Elektronen-Springen durch die Isolatorschicht 112 erhöht. Daher erhöhen die akzeptorenähnlichen Fallen den Leckstrom durch die Isolatorschicht 112 und verringern den TDDB der Isolatorschicht 112 und die Durchbruchspannung der Isolatorschicht 112. Da jedoch nur eine kleine Menge an akzeptorenähnlichen Fallen vorhanden sein kann, können die akzeptorenähnlichen Fallen einen geringen Einfluss auf die Barrierenhöhe haben. Daher kann das Elektronen-Springen gering sein, der Leckstrom kann niedrig sein, der TDDB kann hoch sein und die Durchbruchspannung kann hoch sein.
Die Sauerstoffleerstellen liefern Leckstrompfade, die den Leckstrom durch die Isolatorschicht 112 erhöhen. Daher verringern die Sauerstoffleerstellen den TDDB der Isolatorschicht 112 und die Durchbruchspannung der Isolatorschicht 112. Da jedoch nur eine kleine Menge an Sauerstoffleerstellen vorhanden sein kann, haben die Sauerstoffleerstellen einen geringen Einfluss auf den Leckstrom. Daher kann der TDDB hoch sein und die Durchbruchsspannung kann hoch sein.
Während 12 bis 17 unter Bezugnahme auf ein Verfahren beschrieben werden, ist es zu beachten, dass die in 12 bis 17 gezeigten Strukturen nicht auf das Verfahren beschränkt sind, sondern vielmehr unabhängig von dem Verfahren stehen können. Während 12 bis 17 als eine Reihe von Vorgängen beschrieben sind, kann die Reihenfolge der Vorgänge in anderen Ausführungsformen verändert werden. Während eine bestimmte Reihe von Vorgängen in 12 bis 17 dargestellt und beschreiben ist, können einige Vorgänge, die dargestellt und/oder beschrieben sind, in anderen Ausführungsformen entfallen. Ferner können in anderen Ausführungsformen Vorgänge vorhanden sein, die nicht dargestellt und/oder beschrieben sind.
In 18 ist ein Blockdiagramm 1800 einiger Ausführungsformen des Verfahrens aus 12 bis 17 dargestellt.
Bei 1802 wird eine kristalline BEL abgeschieden. Siehe beispielsweise 12.
Bei 1804 wird eine amorphe BEL über der kristallinen BEL abgeschieden, wobei die amorphe BEL eine geringe Oberflächenrauhigkeit im Vergleich zu der kristallinen BEL aufweist und wobei die kristalline BEL und die amorphe BEL zusammen eine BEL bilden. Siehe beispielsweise 13.
Bei 1806 wird eine Isolierschicht über der BEL abgeschieden. Siehe beispielsweise 14.
Bei 1808 wird eine TEL über der Isolatorschicht abgeschieden. Siehe beispielsweise 15.
Bei 1810 werden die BEL, die Isolierschicht und die TEL so strukturiert, dass ein MIM-Kondensator entsteht. Siehe beispielsweise 16.
Bei 1812 wird ein Wasserstoffgas-Hochdrucktempern (Wasserstoffgas-HPA) (beispielsweise mit H₂) durchgeführt, bei der Wasserstoffionen aus dem Wasserstoffgas-HPA an eine Grenzfläche zwischen der amorphen BEL und der Isolatorschicht diffundieren, und wobei die geringe Oberflächenrauheit der amorphen BEL lokalisierte Wasserstoffreduktionsreaktionen an der Grenzfläche minimiert, um die Lebensdauer des MIM-Kondensators zu erhöhen. Siehe beispielsweise 17.
Obwohl das Blockdiagramm 1800 in 18 als eine Reihe von Vorgängen oder Ereignissen dargestellt und beschrieben ist, ist die dargestellte Reihenfolge solcher Vorgänge oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen. Beispielsweise können einige Vorgänge in einer anderen Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Ereignissen erfolgen als hierin dargestellt und/oder beschrieben. Ferner ist es möglich, dass nicht alle hierin dargestellten Vorgänge erforderlich sind, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der hierin enthaltenen Beschreibung umzusetzen, und eine oder mehrere der hierin dargestellten Vorgänge können in einer oder mehreren separaten Vorgängen und/oder Phasen ausgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf 19 bis 30 wird eine Reihe von Querschnittsansichten 1900 bis 3000 einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines IC-Chips gezeigt, wobei ein MIM-Kondensator mit einer amorphen BES und einer amorphen MES in eine Interconnect-Struktur eingebettet wird. Das Verfahren kann beispielsweise zur Herstellung des IC-Chips von 10 oder eines anderen geeigneten IC-Chips verwendet werden.
Wie in der Querschnittsansicht 1900 von 19 dargestellt, werden ein Zugriffstransistor 706 und eine Grabenisolationsstruktur 714 auf einem Substrat 704 ausgebildet. Der Zugriffstransistor 706 ist durch die Grabenisolationsstruktur 714, die sich in das Substrat 704 hinein erstreckt, von benachbarten Bauelementen (nicht dargestellt) auf dem Substrat 704 isoliert. Ferner ist eine Interconnect-Struktur 502 teilweise über dem Zugriffstransistor 706 gebildet und mit diesem elektrisch verbunden.
Die Interconnect-Struktur 502 ist in eine ILD-Schicht 716 und eine IMD-Schicht 510 eingebettet. Die Interconnect-Struktur 502 umfasst mehrere Drähte 504 und mehrere Durchkontaktierungen 508, die so gestapelt sind, dass sie leitfähige Pfade definieren, welche von dem Zugriffstransistor 706 ausgehen. Die mehreren Drähte 504 umfassen einen ersten unteren Kondensatordraht 504l₁ und einen zweiten unteren Kondensatordraht 504l₂ an einer Oberseite der Interconnect-Struktur 502, und der zweite untere Kondensatordraht 504l₂ koppelt den Zugriffstransistor 706 elektrisch durch die Interconnect-Struktur 502. Der Zugriffstransistor 706, die Grabenisolationsstruktur 714, das Substrat 704, die Interconnect-Struktur 502, die ILD-Schicht 716 und die IMD-Schicht 510 sind wie mit Bezug auf 10 beschrieben.
Wie in der Querschnittsansicht 2000 von 20 dargestellt, werden eine Ätzstoppschicht 816 und eine erste Passivierungsschicht 718a über der Interconnect-Struktur 502 abgeschieden. Zwecks der Übersichtlichkeit der Darstellung wird die Struktur, die unter dem ersten und zweiten unteren Kondensatordraht 504l₁, 504l₂ liegt, an dieser Stelle und nachfolgend weggelassen. Es ist jedoch zu verstehen, dass die ausgeblendete Struktur wie in 19 dargestellt sein kann.
Wie in der Querschnittsansicht 2100 von 21 dargestellt, wird eine BEL 108l abgeschieden, wie in Verbindung mit 12 und 13 beschrieben. Die BEL 108l umfasst eine kristalline BEL 106l und eine amorphe BEL 104l über der kristallinen BEL 106l. Die kristalline BEL 106l wird abgeschieden wie in Verbindung mit 12 beschrieben, und die amorphe BEL 104l wird abgeschieden wie in Verbindung mit 13 beschrieben. In alternativen Ausführungsformen entfällt die kristalline BEL 106l, so dass die amorphe BEL 104l die Gesamtheit oder im Wesentlichen die Gesamtheit der BEL 108l bildet.
Wie in der Querschnittsansicht 2200 von 22 dargestellt, ist die BEL 108l (siehe beispielsweise 21) so strukturiert, dass eine untere Elektrode 108 entsteht. Die untere Elektrode 108 umfasst eine kristalline BES 106, die aus der kristallinen BEL 106l (siehe beispielsweise 21) gebildet ist, und ferner eine amorphe BES 104, die über der kristallinen BES 106 liegt und aus der amorphen BEL 104l (siehe beispielsweise 21) gebildet ist. Die Strukturierung kann beispielsweise durch ein Photolithographie/Ätzverfahren und/oder ein anderes geeignetes Verfahren erfolgen.
Wie in der Querschnittsansicht 2300 von 23 dargestellt, wird eine erste Isolatorschicht 112a abgeschieden, die die erste Passivierungsschicht 718a und die untere Elektrode 108 bedeckt. Ferner kann eine erste Grenzflächenschicht 110a auf der oberen Oberfläche der unteren Elektrode 108 zwischen der Abscheidung der amorphen BEL 104l in 21 und der Abscheidung der ersten Isolatorschicht 112a in 23 und/oder während der Abscheidung der ersten Isolatorschicht 112a in 23 gebildet werden. Die erste Isolatorschicht 112a und die erste Grenzflächenschicht 110a werden so gebildet wie vorstehend in Verbindung mit 14 betreffend die Isolatorschicht 112 und die Grenzflächenschicht 110 beschrieben.
Wie in der Querschnittsansicht 2400 von 24 dargestellt, wird die erste Isolatorschicht 112a so strukturiert, um einen Teil der ersten Isolatorschicht 112a zu kennzeichnen, der eigens für den zu bildenden MIM-Kondensator vorgesehen ist, und um diesen Teil von einem etwaigen Rest (nicht dargestellt) der ersten Isolatorschicht 112a zu trennen. Die Strukturierung kann beispielsweise durch ein Photolithographie/Ätzverfahren oder ein anderes geeignetes Strukturierungsverfahren erfolgen.
Wie in der Querschnittsansicht 2500 der 25 dargestellt, werden die in Verbindung mit 21 bis 24 beschriebenen Vorgänge wiederholt, um eine mittlere Elektrode 802 und eine zweite Isolatorschicht 112b zu bilden. Die mittlere Elektrode 802 wird durch die in Verbindung mit 21 und 22 beschriebenen Vorgänge gebildet, wobei die mittlere Elektrode 802 wie die untere Elektrode 108 beschrieben ist und durch das gleiche Verfahren gebildet wird, das zur Bildung der unteren Elektrode 108 verwendet wird. Die mittlere Elektrode 802 umfasst eine kristalline MES 804 und eine amorphe MES 806 über der kristallinen MES 804. Die zweite Isolatorschicht 112b wird durch die in 23 und 24 beschriebenen Vorgänge gebildet, wobei die zweite Isolatorschicht 112b so ist wie vorstehend betreffend die erste Isolatorschicht 112a beschrieben und somit durch das gleiche Verfahren das zur Bildung der ersten Isolatorschicht 112a gebildet wird.
Unter Wiederholung der in Verbindung mit 21 bis 24 beschriebenen Vorgänge wird eine zweite Grenzflächenschicht 110b zwischen der mittlere Elektrode 802 und der zweiten Isolatorschicht 112b gebildet. Die zweite Grenzflächenschicht 110b ist so wie betreffend die erste Grenzflächenschicht 110a beschrieben und wird so gebildet wie betreffend die erste Grenzflächenschicht 110a beschrieben.
Wie in der Querschnittsansicht 2600 von 26 dargestellt, wird eine kristalline TEL 116lüber der zweiten Isolatorschicht 112b abgeschieden. Die kristalline TEL 116l wird so abgeschieden wie in Verbindung mit 15. Wie oben beschrieben, bildet die kristalline TEL 116l eine TEL 114l. In alternativen Ausführungsformen wird eine amorphe TEL auf der kristallinen TEL 116l abgeschieden, wobei die kristalline TEL 116l und die amorphe TEL zusammen die TEL 1141 bilden.
Wie in der Querschnittsansicht 2700 in 27 veranschaulicht, wird die TEL 114l (siehe beispielsweise 26) strukturiert, um eine obere Elektrode 114 zu bilden. Die obere Elektrode 114 umfasst eine kristalline TES 116, die aus der kristallinen TEL 116l (siehe beispielsweise 26) gebildet wird. Die Strukturierung kann beispielsweise durch ein Photolithographie/Ätzverfahren oder ein anderes geeignetes Strukturierungsverfahren erfolgen.
Wie in der Querschnittsansicht 2800 in 28 dargestellt, wird eine zweite Passivierungsschicht 718b abgeschieden, die die obere Elektrode 114 und die erste Passivierungsschicht 718a bedeckt. Die zweite Passivierungsschicht 718b kann beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, einem oder mehreren anderen geeigneten Dielektrika oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein oder solches enthalten. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Passivierungsschicht 718b das gleiche Material wie die erste Passivierungsschicht 718a.
Wie auch in der Querschnittsansicht 2800 von 28 dargestellt, wird ein Strukturierungsprozess durchgeführt, um eine erste Durchkontaktierungsöffnung 2702f und eine zweite Durchkontaktierungsöffnung 2702s zu bilden, die den ersten Kondensatordraht 504l₁ und den zweiten unteren Kondensatordraht 504l₂ freilegen. Die erste Durchkontaktierungsöffnung 2702f erstreckt sich durch die mittlere Elektrode 802 zu dem ersten unteren Kondensatordraht 504l₁, wobei sich die zweite Durchkontaktierungsöffnung 2702s durch die obere Elektrode 114 und die untere Elektrode 108 zu dem zweiten unteren Kondensatordraht 504l₂ erstreckt. Die Strukturierung kann beispielsweise durch ein Photolithographie/Ätzverfahren oder ein anderes geeignetes Strukturierungsverfahren erfolgen. Beim Ätzen während des Fotolithografie/Ätzverfahrens kann beispielsweise die Ätzstoppschicht 816 als Ätzstopp verwendet werden, um die Beschädigung des ersten Kondensatordrahtes 504l₁, und zweiten unteren Kondensatordrahtes 504l₂ zu minimieren.
Wie in der Querschnittsansicht 2900 in 29 dargestellt, werden eine erste Pad-Durchkontaktierung 810f und eine zweite Pad-Durchkontaktierung 810s gebildet, die die erste Durchkontaktierungsöffnung 2702f und die zweite Durchkontaktierungsöffnung 2702s füllen (siehe beispielsweise 28). Ferner werden ein erstes Pad 808f und ein zweites Pad 808s auf der ersten Pad-Durchkontaktierung 810f und der zweiten Pad-Durchkontaktierung 810s gebildet, so dass sich die erste Pad-Durchkontaktierung 810f und die zweite Pad-Durchkontaktierung 810s von dem ersten Pad 808f und dem zweiten Pad 808s zu den ersten unteren Kondensatordraht 504l₁ und dem zweiten unteren Kondensatordraht 504l₂ erstrecken. Das erste Pad 808f und das zweite Pad 808s und die erste Pad-Durchkontaktierung 810f und die zweite Pad-Durchkontaktierung 810fs sind leitfähig und werden aus einer Auskleidungsschicht 814 und einer Pad-Schicht 812 gebildet. Die Pad-Schicht 812 kann beispielsweise aus Aluminium-Kupfer, Kupfer, Aluminium, einem anderen geeigneten leitfähigen Material oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein oder solches enthalten. Die Auskleidungsschicht 814 kann beispielsweise aus Titannitrid, Tantalnitrid, Titan, Tantal, einem oder mehreren anderen geeigneten Materialien oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein oder solches enthalten.
Ein Verfahren zur Bildung des ersten Pads 808f und des zweiten Pads 808s und der ersten Pad-Durchkontaktierung 810f und der zweiten Pad-Durchkontaktierung 810s kann beispielsweise Folgendes umfassen: 1) Abscheiden der Auskleidungsschicht 814, die die zweite Passivierungsschicht 718b bedeckt und die erste Durchkontaktierungsöffnung 2702f und die zweite Durchkontaktierungsöffnung 2702s auskleidet; 2) Abscheiden der Pad-Schicht 812, die die Auskleidungsschicht 814 bedeckt und einen Rest der ersten Durchkontaktierungsöffnung 2702f und der zweiten Durchkontaktierungsöffnung 2702s füllt; und 3) Durchführen eines Photolithographie/Ätzprozesses, um die Auskleidungsschicht 814 und die Pad-Schicht 812 zu dem ersten Pad 808f und dem zweiten Pad 808s und der ersten Pad-Durchkontaktierung 810f und der zweiten Pad-Durchkontaktierung 810s zu strukturieren. Andere geeignete Verfahren sind allerdings ebenfalls denkbar.
Die untere Elektrode 108 und die mittlere Elektrode 802 bilden einen ersten Kondensator und die mittlere Elektrode 802 und die obere Elektrode 114 bilden einen zweiten Kondensator. Da die untere Elektrode 108 aus der amorphen BES 104 gebildet ist, werden die Durchbruchspannung und der TDDB des ersten Kondensators so verbessert wie in Verbindung mit 1 beschrieben. Da die mittlere Elektrode 802 die amorphe MES 806 umfasst, werden die Durchbruchspannung und der TDDB des zweiten Kondensators in ähnlicher Weise verbessert.
Der erste Kondensator und der zweite Kondensator teilen sich die mittlere Elektrode 802, und die zweite Pad-Durchkontaktierung 810s koppelt die untere Elektrode 108 und die obere Elektrode 114 elektrisch miteinander. Somit sind der erste Kondensator und der zweite Kondensator elektrisch parallel geschaltet und bilden einen MIM-Kondensator 102 mit einer Gesamtkapazität, die die Summe der Einzelkapazitäten des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators ist. Da sich der erste Kondensator und der zweite Kondensator die mittlere Elektrode 802 teilen, ist die Kapazitätsdichte des MIM-Kondensators 102 hoch.
Wie in der Querschnittsansicht 3000 in 30 dargestellt, wird eine dritte Passivierungsschicht 718c über dem ersten Pads 808f und dem zweiten Pad 808s abgeschieden. Die dritte Passivierungsschicht 718c kann beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, einem anderen geeigneten Dielektrikum oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein oder solches enthalten. In einigen Ausführungsformen ist die dritte Passivierungsschicht 718c das gleiche Material wie die erste Passivierungsschicht 718a und/oder die zweite Passivierungsschicht 718b.
Wie in der Querschnittsansicht 3000 in 30 dargestellt, wird ein Strukturierungsprozess durchgeführt, um eine erste Pad-Öffnung 818f und eine zweite Pad-Öffnung 818s zu bilden, die das erste Pad 808f und das zweite Pad 808s freilegen. Die Strukturierung kann beispielsweise durch ein Photolithographie/Ätzverfahren oder ein anderes geeignetes Strukturierungsverfahren erfolgen.
Während 19 bis 30 unter Bezugnahme auf ein Verfahren beschrieben werden, ist es zu beachten, dass die in 19 bis 30 gezeigten Strukturen nicht auf das Verfahren beschränkt sind, sondern vielmehr unabhängig von dem Verfahren stehen können. Während 19 bis 30 als eine Reihe von Vorgängen beschrieben sind, kann die Reihenfolge der Vorgänge in anderen Ausführungsformen geändert werden. Während 19 bis 30 eine bestimmte Reihe von Vorgängen illustrieren und beschreiben, können einige Vorgänge, die hierin illustriert und/oder beschrieben sind, in anderen Ausführungsformen entfallen. Ferner können Vorgänge, die nicht dargestellt und/oder beschrieben sind, in anderen Ausführungsformen enthalten sein.
31 zeigt ein Blockdiagramm 3100 für einige Ausführungsformen des Verfahrens in 19 bis 30.
Bei 3102 wird ein Zugriffstransistor auf einem Substrat gebildet. Siehe beispielsweise 19.
Bei 3104 wird eine Interconnect-Struktur gebildet, die teilweise über dem Zugriffstransistor liegt und mit diesem elektrisch verbunden ist. Siehe beispielsweise 19.
Bei 3106 wird eine untere Elektrode gebildet, die über der Interconnect-Struktur liegt, wobei die untere Elektrode eine kristalline BES und eine amorphe BES umfasst, die über der kristallinen BES liegt. Siehe beispielsweise 20-22.
Bei 3108 wird eine erste Isolierschicht über der unteren Elektrode abgeschieden und strukturiert. Siehe beispielsweise 23 und 24.
Bei 3110 wird eine mittlere Elektrode gebildet, die über der ersten Isolatorschicht liegt, wobei die mittlere Elektrode eine kristalline MES und eine amorphe MES umfasst und wobei die untere Elektrode, die mittlere Elektrode und die erste Isolatorschicht einen ersten Kondensator bilden. Siehe beispielsweise 25.
Bei 3112 wird eine zweite Isolierschicht über der mittleren Elektrode abgeschieden und strukturiert. Siehe beispielsweise 25.
Bei 3114 wird eine obere Elektrode über der zweiten Isolierschicht gebildet, wobei die mittlere Elektrode, die obere Elektrode und die zweite Isolierschicht einen zweiten Kondensator bilden. Siehe beispielsweise 26 und 27.
Bei 3116 wird die Interconnect-Struktur über der oberen Elektrode vervollständigt, wobei die Interconnect-Struktur den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator elektrisch parallel koppelt und den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator elektrisch mit dem Zugriffstransistor koppelt. Siehe beispielsweise 28-30.
Während das Blockdiagramm 3100 in 31 als eine Reihe von Vorgängen oder Ereignissen dargestellt und beschrieben ist, ist die dargestellte Reihenfolge von Vorgängen oder Ereignissen nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen. So können beispielsweise einige Vorgänge in anderer Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Ereignissen erfolgen als hierin dargestellt und/oder beschrieben. Ferner sind möglicherweise nicht alle dargestellten Vorgänge erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der hierin enthaltenen Beschreibung umzusetzen, und eine oder mehrere der hierin dargestellten Vorgänge können in einer oder mehreren separaten Vorgängen und/oder Phasen ausgeführt werden.
In einigen Ausführungsformen liefert die vorliegende Offenbarung einen MIM-Kondensator, der Folgendes umfasst: eine untere Elektrode; eine Isolatorschicht, die über der unteren Elektrode liegt; und eine obere Elektrode, die über der Isolatorschicht liegt; wobei die untere Elektrode eine kristalline Struktur und eine amorphe Struktur aufweist, die über der kristallinen Struktur liegt. In einigen Ausführungsformen umfasst die kristalline Struktur mehrere säulenförmige kristalline Körner an einer oberen Oberfläche der kristallinen Struktur. Die untere Elektrode umfasst eine native Oxidschicht, die zwischen der kristallinen und der amorphen Struktur liegt und in direktem Kontakt steht. In einigen Ausführungsformen ist die Dicke der kristallinen Struktur größer als die der amorphen Struktur. In einigen Ausführungsformen sind die kristalline Struktur und die amorphe Struktur aus einem gleichen Material gebildet. In einigen Ausführungsformen sind die kristalline Struktur und die amorphe Struktur aus voneinander verschiedenen Materialien gebildet. In einigen Ausführungsformen umfasst die obere Elektrode eine zweite kristalline Struktur und eine zweite amorphe Struktur, die über der zweiten kristallinen Struktur liegt.
In einigen Ausführungsformen liefert die vorliegende Offenbarung einen IC, der einen MIM-Kondensator umfasst, wobei der MIM-Kondensator Folgendes umfasst: eine untere Elektrode; eine Isolatorschicht, die über der unteren Elektrode liegt; und eine obere Elektrode, die über der Isolatorschicht liegt; wobei die untere Elektrode eine erste BES und eine zweite BES umfasst, die über der ersten BES liegt, wobei eine obere Oberfläche der ersten BES eine erste durchschnittliche Rauheit aufweist und wobei eine obere Oberfläche der zweiten BES eine zweite durchschnittliche Rauheit aufweist, die geringer ist als die erste durchschnittliche Rauheit. Die untere Elektrode weist eine native Oxidschicht zwischen, und in direktem Kontakt mit, der ersten BES und der zweiten BES auf. In einigen Ausführungsformen ist die zweite durchschnittliche Rauheit kleiner als etwa 0,2 Nanometer. In einigen Ausführungsformen hat die obere Oberfläche der zweiten BES eine geringere Oberfläche als die obere Oberfläche der ersten BES. In einigen Ausführungsformen ist die erste BES und die zweite BES aus Titannitrid gebildet. In einigen Ausführungsformen umfasst der IC ferner: ein Substrat; einen abwechselnden Stapel von Drähten und Durchkontaktierungen; ein Pad, die über dem abwechselnden Stapel freigelegt ist; und eine Pad-Durchkontaktierung, die sich von dem Pad zu einem Draht des abwechselnden Stapels erstreckt, wobei sich die Pad-Durchkontaktierung durch die obere Elektrode und die Isolatorschicht erstreckt. In einigen Ausführungsformen haben die erste BES und die zweite BES eine kombinierte Dicke von weniger als etwa 60 Nanometern. In einigen Ausführungsformen ist die zweite BES amorph.
In einigen Ausführungsformen liefert die vorliegende Offenbarung ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Abscheiden einer kristallinen BEL, die über einem Substrat liegt; Abscheiden einer amorphen BEL, die über der kristallinen BEL liegt; Abscheiden einer Isolatorschicht, die über der amorphen BEL liegt; Abscheiden einer TEL, die über der Isolatorschicht liegt; und Strukturieren der kristallinen BEL und der amorphen BEL, der Isolatorschicht und der TEL zur Bildung eines MIM-Kondensators. Eine Grenzflächenschicht wird auf der amorphen BEL durch Oxidation der amorphen BEL gebildet, und das Verfahren umfasst ferner Plasmabehandeln der Grenzflächenschicht mit einem Plasma, das aus Distickstoffoxid gebildet wird. In einigen Ausführungsformen wird die kristalline BEL durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschieden, wobei die amorphe BEL durch Atomlagenabscheidung abgeschieden wird. In einigen Ausführungsformen werden die kristalline BEL und die amorphe BEL durch ein gemeinsames Abscheideverfahren abgeschieden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner: Durchführen eines Wasserstoffgas-HPA nach dem Strukturieren, wobei Wasserstoffionen aus dem Wasserstoffgas-HPA an eine Grenzfläche zwischen der Isolatorschicht und der amorphen BEL diffundieren. In einigen Ausführungsformen umfasst das Abscheiden der TEL: Abscheiden einer kristallinen TEL, die über der Isolatorschicht liegt; und Abscheiden einer amorphen TEL, die über der kristallinen TEL liegt.

Claims

Metall-Isolator-Metall-Kondensator, MIM-Kondensator (102), aufweisend: eine untere Elektrode (108); eine Isolatorschicht (112), die über der unteren Elektrode (108) liegt; und eine obere Elektrode (114), die über der Isolatorschicht (112) liegt; wobei die untere Elektrode (108) eine kristalline Struktur (106) und eine amorphe Struktur (104) aufweist, die über der kristallinen Struktur (106) liegt; und wobei die untere Elektrode (108) eine native Oxidschicht (402) zwischen, und in direktem Kontakt mit, der kristallinen Struktur (106) und der amorphen Struktur (104) aufweist.
MIM-Kondensator (102) nach Anspruch 1, wobei die kristalline Struktur (106) mehrere säulenförmige kristalline Körner (106g) an einer oberen Oberfläche (106t) der kristallinen Struktur (106) aufweist.
MIM-Kondensator (102) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Dicke der kristallinen Struktur (106) größer ist als eine Dicke der amorphen Struktur (104).
MIM-Kondensator (102) nach Anspruch 3, wobei die Dicke der amorphen Struktur (104) zwischen 3 nm und 5 nm beträgt.
MIM-Kondensator (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kristalline Struktur (106) und die amorphe Struktur (104) aus einem gleichen Material gebildet sind.
MIM-Kondensator (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die kristalline Struktur (106) Titan ist und die amorphe Struktur (104) Titannitrid ist.
MIM-Kondensator (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere Elektrode (114) eine zweite kristalline Struktur (116) und eine zweite amorphe Struktur (404) aufweist, die über der zweiten kristallinen Struktur (116) liegt.
Integrierte Schaltung, IC, aufweisend einen Metall-Isolator-Metall-Kondensator, MIM-Kondensator (102), wobei der MIM-Kondensator (102) aufweist: eine untere Elektrode (108); eine Isolatorschicht (112), die über der unteren Elektrode (108) liegt; und eine obere Elektrode (114), die über der Isolatorschicht (112) liegt; wobei die untere Elektrode (108) eine erste untere Elektrodenstruktur, BES (106), und eine zweite BES (104) aufweist, die über der ersten BES (106) liegt, wobei eine obere Oberfläche (106t) der ersten BES (106) eine erste durchschnittliche Rauheit aufweist und wobei eine obere Oberfläche (104t) der zweiten BES (104) eine zweite durchschnittliche Rauheit aufweist, die kleiner als die erste durchschnittliche Rauheit ist; und wobei die untere Elektrode (108) eine native Oxidschicht (402) zwischen, und in direktem Kontakt mit, der ersten BES (106) und der zweiten BES (104) aufweist.
IC nach Anspruch 8, wobei die zweite durchschnittliche Rauheit weniger als etwa 0,2 Nanometer beträgt.
IC nach Anspruch 8 oder 9, wobei die obere Oberfläche (104t) der zweiten BES (104) eine geringere Fläche aufweist als die obere Oberfläche (106t) der ersten BES (106).
IC nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die erste BES (106) und die zweite BES (104) Titannitrid enthalten.
IC nach einem der Ansprüche 8 bis 11, ferner aufweisend: ein Substrat (704); einen abwechselnden Stapel von Drähten (504) und Durchkontaktierungen (508); ein Pad (808s), das über dem abwechselnden Stapel freigelegt ist; und eine Pad-Durchkontaktierung (810s), die sich von dem Pad (808s) zu einem Draht (504) des abwechselnden Stapels erstreckt, wobei sich die Pad-Durchkontaktierung (810s) durch die obere Elektrode (114) und die Isolatorschicht (112) erstreckt.
IC nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die erste BES (106) und die zweite BES (104) zusammen eine Dicke von weniger als etwa 60 Nanometern aufweisen.
IC nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die zweite BES (104) amorph ist.
Verfahren umfassend: Abscheiden einer kristallinen unteren Elektrodenschicht, BEL (106l), auf einem Substrat (704); Abscheiden einer amorphen BEL (104l), der über der kristallinen BEL (106l) liegt; Abscheiden einer Isolatorschicht (112) auf der amorphen BEL (104l); Abscheiden einer oberen Elektrodenschicht, TEL (114l), die über der Isolatorschicht (112) liegt; und Strukturieren der kristallinen BEL (106l), der amorphen BEL (104l), der Isolatorschicht (112) und der TEL (114l), um einen Metall-Isolator-Metall-Kondensator, MIM-Kondensator (102), zu bilden; wobei durch Oxidation der amorphen BEL (104l) eine Grenzflächenschicht (110) auf der amorphen BEL (104l) entsteht, und wobei das Verfahren ferner umfasst: Plasmabehandlung der Grenzflächenschicht mit einem Plasma, das aus Distickstoffoxid gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die kristalline BEL (106l) durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschieden wird und die amorphe BEL (104l) durch Atomlagenabscheidung abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die amorphe BEL (104l) unter Verwendung eines Abscheideverfahrens abgeschieden wird, mit dem auch die kristalline BEL (106l) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner umfassend: Durchführen eines Wasserstoffgas-Hochdrucktemperns, HPA, nach dem Strukturieren, wobei Wasserstoffionen aus dem Wasserstoffgas-HPA an eine Grenzfläche zwischen der Isolatorschicht (112) und der amorphen BEL (104l) diffundieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei das Abscheiden der TEL (114l) umfasst: Abscheiden einer kristallinen TEL (116l), die über der Isolatorschicht (112) liegt; und Abscheiden einer amorphen TEL, das über der kristallinen TEL (116l) liegt.