DE112011102446B4

DE112011102446B4 - 3D-Durchkontaktierungskondensator mit einer potentialfreien leitfähigen Platte für eine verbesserte Zuverlässigkeit

Info

Publication number: DE112011102446B4
Application number: DE112011102446.0T
Authority: DE
Inventors: Fen Chen; Chih-Chao Yang; Baozhen Li
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2031-08-17
Also published as: US20130161791A1; JP2013539915A; CN103155098B; US8609504B2; GB2497484B; GB201305594D0; DE112011102446T5; US20130164905A1; WO2012045509A1; CN103155098A; US8779491B2; US8405135B2; JP5754825B2; GB2497484A; US20120080771A1

Abstract

Kondensator, aufweisend:eine Isolierschicht (110) auf einem Substrat, wobei die Isolierschicht eine Durchkontaktierung (114) aufweist, die Seitenwände und einen Boden hat;eine erste Elektrode (118), welche die Seitenwände und mindestens einen Teil des Bodens der Durchkontaktierung überlagert;eine erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (120), welche die erste Elektrode überlagert;eine erste leitfähige Platte über der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (120);eine zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (126), die ausgebildet ist, um die erste leitfähige Platte zu überlagern und einen verbleibenden Anteil der Durchkontaktierung ungefüllt zu lassen; undeine zweite Elektrode (128), die in dem verbleibenden Anteil der Durchkontaktierung ausgebildet ist, wobei die erste leitfähige Platte im Wesentlichen parallel zu der ersten Elektrode ist und weder mit der ersten noch mit der zweiten Elektrode (128) in Kontakt steht, wobeieine untere Verbindungsebene (102) zwischen dem Substrat und der Isolierschicht (110), wobei die untere Verbindungsebene eine erste dielektrische Schicht (104) aufweist, in die eine erste leitfähige Komponente (206) eingebettet ist; undeine obere Verbindungsebene (134) über der Isolierschicht, wobei die obere Verbindungsebene eine zweite dielektrische Schicht (136) aufweist, in die eine zweite leitfähige Komponente (138) eingebettet ist, wobei die erste Elektrode (118) mit der zweiten leitfähigen Komponente in Kontakt steht und die zweite Elektrode (128) mit der ersten leitfähigen Komponente in Kontakt steht.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleitereinheiten und insbesondere auf einen dreidimensionalen (3D) Durchkontaktierungskondensator mit einer potentialfreien leitfähigen Platte und ein Array solcher 3D-Durchkontaktierungskondensatoren für eine Verwendung in Halbleitereinheiten wie zum Beispiel Halbleiterspeichereinheiten und Ähnlichen.
Hintergrund der Erfindung
Ein Kondensator ist eine grundlegende elektrische Komponente von Halbleitereinheiten wie zum Beispiel Halbleiterspeichereinheiten. Eine Halbleiterspeichereinheit weist im Allgemeinen eine Vielzahl von Speicherzellen auf, die dazu verwendet werden, eine große Menge an Daten zu speichern. Zu jeder Speicherzelle gehören ein Kondensator zum Speichern einer elektrischen Ladung und ein entsprechender Feldeffekttransistor zum Öffnen und Schließen der Ladungs- und Entladungsdurchgänge des Kondensators. Da die Größe der Halbleitereinheiten immer weiter verringert wird, besteht ein Wunsch den Bereich zu verkleinern, der von jeder Komponente einer Halbleitereinheit belegt wird. Kondensatoren sind Bauteile, die in Abhängigkeit von der Größe des Kondensators und/oder der Anzahl der Kondensatoren auf dem Halbleiterchip einen beträchtlichen Bereich auf einem Chip belegen können.
Ein Beispiel für Kondensatoren ist ein Metall-Isolator-Metall-Kondensator (metalinsulator-metal capacitor, MIM-Kondensator). MIM-Kondensatoren werden üblicherweise hergestellt, indem eine erste Metallplatte auf einem Substrat ausgebildet wird, eine Schicht aus dielektrischem Material über der ersten Metallplatte ausgebildet wird und danach eine zweite Metallplatte über der Schicht aus dielektrischem Material ausgebildet wird. Ein herkömmlicher MIM-Kondensator ist zweidimensional (2D), d.h., die zwei sich gegenüberliegenden Metallplatten sind eben und im Wesentlichen parallel sowohl zueinander als auch zum Substrat. Die Kapazität eines MIM-Kondensators ist eine Funktion der Oberflächengröße der beiden sich gegenüberliegenden Metallplatten und anderer Parameter wie zum Beispiel der Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials und dem Abstand zwischen den beiden Platten. Daher ist ein erstes Mittel, um die Kapazität eines MIM-Kondensators zu vergrößern, das Vergrößern der Metallplattengröße. Dies wird jedoch größere Oberflächenbereiche des Substrats beanspruchen. Folglich besteht eine Notwendigkeit den Oberflächenbereich auf dem Substrat, der von einem Kondensator belegt wird, zu verringern, ohne seine Kapazität zu beeinträchtigen.
Außerdem ist für einige Anwendungen wie zum Beispiel ein Entkopplungskondensator in Leistungsverstärkern und mikroelektromechanischen Systemen (microelectromechanical systems, MEMS) ein Kondensator erforderlich, der bei hohen Spannungen betrieben wird. Die Zuverlässigkeit eines herkömmlichen Kondensators wird bei hohen Betriebsspannungen deutlich verringert. Folglich besteht auch die Notwendigkeit, einen Kondensator mit einer verbesserten Zuverlässigkeit herzustellen.
Die US 2007 / 0 152 258 A1 zeigt einen Kondensator, der mittels eines Damascene-Prozesses hergestellt wurde.
Die US 6 261 895 B1 und die US 2006 / 0 019 483 A1 zeigen ebenfalls dreidimensionale Kondensatoren.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen dreidimensionalen (3D) Durchkontaktierungskondensator bereit, der einen geringeren Bedarf an Substratfläche und eine verbesserte Zuverlässigkeit im Vergleich zu den oben erwähnten herkömmlichen MIM-Kondensatoren aufweist. Diese Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit, einen solchen Kondensator herzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen Kondensator bereit, der Folgendes aufweist: eine Isolierschicht auf einem Substrat, wobei die Isolierschicht eine Durchkontaktierung aufweist, die Seitenwände und einen Boden hat; eine erste Elektrode, welche die Seitenwände und mindestens einen Teil des Bodens der Durchkontaktierung überlagert; eine erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, welche die erste Elektrode überlagert; eine erste leitfähige Platte über der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante; eine zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, die ausgebildet ist, um die erste leitfähige Platte zu überlagern und einen verbleibenden Anteil der Durchkontaktierung ungefüllt zu lassen; und eine zweite Elektrode, die in dem verbleibenden Anteil der Durchkontaktierung ausgebildet ist, wobei die erste leitfähige Platte im Wesentlichen parallel zur ersten Elektrode ist und weder mit der ersten noch mit der zweiten Elektrode in Kontakt steht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Kondensatoren-Array bereit, das einen zweiten Chip aufweist, zu dem ein zweiter Kondensator gehört und der oben auf einen ersten Chip gebondet ist, zu dem ein erster Kondensator gehört. Der erste und der zweite Kondensator haben im Wesentlichen die gleiche Struktur. Sowohl der erste als auch der zweite Kondensator weisen Folgendes auf: eine Isolierschicht auf einem Substrat, wobei die Isolierschicht eine Durchkontaktierung aufweist, die Seitenwände und einen Boden hat; eine erste Elektrode, welche die Seitenwände und mindestens einen Teil des Bodens der Durchkontaktierung überlagert; eine erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, welche die erste Elektrode überlagert; eine erste leitfähige Platte über der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante; eine zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, die ausgebildet ist, um die erste leitfähige Platte zu überlagern und einen verbleibenden Anteil der Durchkontaktierung ungefüllt zu lassen; und eine zweite Elektrode, die in dem verbleibenden Anteil der Durchkontaktierung ausgebildet ist, wobei die erste leitfähige Platte im Wesentlichen parallel zur ersten Elektrode ist und weder mit der ersten noch mit der zweiten Elektrode in Kontakt steht; eine untere Verbindungsebene zwischen dem Substrat und der Isolierschicht, wobei die untere Verbindungsebene eine erste dielektrische Schicht aufweist, in die eine erste leitfähige Komponente eingebettet ist; und eine obere Verbindungsebene über der Isolierschicht, wobei die obere Verbindungsebene eine zweite dielektrische Schicht aufweist, in die eine zweite leitfähige Komponente eingebettet ist, wobei die erste Elektrode mit der zweiten leitfähigen Komponente in Kontakt steht und die zweite Elektrode mit der ersten leitfähigen Komponente in Kontakt steht. Die erste leitfähige Komponente des zweiten Kondensators steht in Kontakt mit der zweiten leitfähigen Komponente des ersten Kondensators und die zweite leitfähige Komponente des zweiten Kondensators ist über eine Leiterbahn mit der ersten leitfähigen Komponente des ersten Kondensators verbunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden eines Kondensators bereit, das die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Anfangsstruktur, die ein Substrat aufweist mit einer unteren Verbindungsebene, welche eine erste dielektrische Schicht aufweist, in die eine erste leitfähige Komponente eingebettet ist, einer ersten dielektrischen Abdeckschicht auf der unteren Verbindungsebene, einer Isolierschicht auf der ersten dielektrische Abdeckschicht und einer strukturierten Hartmaskenschicht, die eine Oberseite auf der Isolierschicht aufweist, wobei die Isolierschicht eine Durchkontaktierung aufweist, die sich teilweise durch die erste dielektrische Abdeckschicht erstreckt, wobei die Durchkontaktierung Seitenwände und einen Boden hat; Ausbilden einer ersten Elektrodenschicht über den Seitenwänden und dem Boden der Durchkontaktierung und auf der Oberseite der Hartmaskenschicht; Ausbilden einer ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante über der ersten Elektrodenschicht; Ausbilden einer ersten leitfähigen Plattenschicht über der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante; Ausbilden einer Durchkontaktierungsfurche im Boden der Durchkontaktierung, indem ein Teil der ersten leitfähigen Plattenschicht, ein Teil der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, ein Teil der ersten Elektrodenschicht, ein Teil der ersten dielektrischen Abdeckschicht und ein Teil der ersten leitfähigen Komponente entfernt werden, wobei die Durchkontaktierungsfurche Seitenwände und einen Boden hat und sich teilweise durch die erste leitfähige Komponente erstreckt; Ausbilden einer zweiten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante über der ersten leitfähigen Plattenschicht und über den Seitenwänden und dem Boden der Durchkontaktierungsfurche; selektives Entfernen der zweiten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante vom Boden und dem unteren Teil der Seitenwände der Durchkontaktierungsfurche; Füllen der Durchkontaktierung und der Durchkontaktierungsfurche mit einem zweiten Elektrodenmaterial; teilweises Entfernen des zweiten Elektrodenmaterials, um eine Vertiefung an der Oberseite der Durchkontaktierung zu bilden; Ausbilden einer zweiten dielektrischen Abdeckschicht in der Vertiefung; und Ausbilden einer oberen Verbindungsebene, die eine zweite dielektrische Schicht aufweist, in die eine zweite leitfähige Komponente über der Isolierschicht eingebettet ist, wobei die zweite leitfähige Komponente mit der ersten leitfähigen Plattenschicht in Kontakt steht.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um ein besseres Verständnis der Erfindung bereitzustellen und sie wurden in die Beschreibung eingefügt und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen stellen Ausführungsformen der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.

1 bis 11 sind Querschnittsansichten eines 3D-Durchkontaktierungskondensators mit einer potentialfreien leitfähigen Platte in verschiedenen Verarbeitungsstadien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Querschnittsansicht eines Array aus zwei 3D-Durchkontaktierungskondensatoren mit einer potentialfreien leitfähigen Platte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Querschnittsansicht eines Array aus drei 3D-Durchkontaktierungskondensatoren mit einer potentialfreien leitfähigen Platte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Aus Gründen der Vereinfachung und der Deutlichkeit der Darstellung wird es verstanden werden, dass einige Elemente in den Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt werden. Aus Gründen der Deutlichkeit können zum Beispiel die Abmessungen einiger Elemente unverhältnismäßig groß sein im Vergleich mit anderen Elementen.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung jetzt ausführlicher beschrieben, indem Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, in welchen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt werden. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden und sollte nicht so aufgefasst werden, dass sie auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist, die in der vorliegenden Beschreibung dargelegt werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung umfassend und vollständig ist und dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Komponenten.
Wenn auf ein Element wie zum Beispiel eine Schicht als „auf“ oder „über“ einem anderen Element liegend Bezug genommen wird, ist dies so zu verstehen, dass es sich entweder direkt auf dem anderen Element befinden kann oder dass auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz dazu auf ein Element als „direkt auf“ oder „direkt über“ einem anderen Element liegend Bezug genommen wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden.
Die vorliegende Erfindung stellt einen dreidimensionalen (3D) Durchkontaktierungskondensator bereit, der mindestens eine potentialfreie leitfähige Platte aufweist, die zwischen den beiden Elektroden gelagert ist. Der Begriff „3D“ bezieht sich auf die Tatsache, dass mindestens ein Teil einer der beiden Elektroden des Durchkontaktierungskondensators im Wesentlichen senkrecht zum Substrat angeordnet ist, auf dem der Kondensator ausgebildet ist. Diese vertikale Struktur führt zu einer geringeren Anforderung an die Substratfläche im Vergleich zu herkömmlichen MIM-Kondensatoren. Die mindestens eine potentialfreie leitfähige Platte ist im Wesentlichen parallel zu mindestens einer der beiden Elektroden. Aufgrund des Vorhandenseins der mindestens einen potentialfreien leitfähigen Platte hat der erfinderische Kondensator eine verbesserte Zuverlässigkeit im Vergleich zu den oben erwähnten, herkömmlichen MIM-Kondensatoren. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Array dieser 3D-Durchkontaktierungskondensatoren mit einer zusätzlich verbesserten Zuverlässigkeit bereit.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet der Kondensator der vorliegenden Erfindung eine Isolierschicht auf einem Substrat, wobei die Isolierschicht eine Durchkontaktierung aufweist, die Seitenwände und einen Boden hat; eine erste Elektrode, welche die Seitenwände und mindestens einen Teil des Bodens der Durchkontaktierung überlagert; eine dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, die ausgebildet ist, um die erste Elektrode zu überlagern und um einen verbleibenden Anteil der Durchkontaktierung ungefüllt zu lassen; eine zweite Elektrode, die in dem verbleibenden Anteil der Durchkontaktierung ausgebildet ist; und eine erste leitfähige Platte, die in der dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante eingebettet ist. Die erste leitfähige Platte ist im Wesentlichen parallel zur ersten Elektrode und steht weder mit der ersten noch mit der zweiten Elektrode in Kontakt.
In 1 wird eine Struktur 100 bereitgestellt. Die Struktur 100 weist eine untere Verbindungsebene 102, eine Isolierschicht 110 über der unteren Verbindungsebene 102 und eine strukturierte Hartmaskenschicht 112 über der Isolierschicht 110 auf. Die untere Verbindungsebene 102 kann über dem (nicht gezeigten) Halbleitersubstrat angebracht werden, das ein oder mehrere Halbleitereinheiten beinhaltet. Die untere Verbindungsebene 102 weist eine dielektrische Schicht 104 und eine leitfähige Komponente 106 auf, welche in die dielektrische Schicht 104 eingebettet ist. Die untere Verbindungsebene 102 weist vorzugsweise außerdem eine (nicht gezeigte) Diffusionssperrschicht auf, welche die leitfähige Komponente 106 von der dielektrischen Schicht 104 trennt.
In der Isolierschicht 110 in 1 ist eine Durchkontaktierung 114 angebracht. Die Durchkontaktierung 114 befindet sich über der ersten leitfähigen Komponente 106. Die Anfangsstruktur 100 besitzt vorzugsweise eine dielektrische Abdeckschicht 108, die zwischen der unteren Verbindungsebene 102 und der Isolierschicht 110 angebracht ist. In diesem Fall erstreckt sich die Durchkontaktierung 114 teilweise durch die dielektrische Abdeckschicht 108 und legt einen Teil der dielektrischen Abdeckschicht 108 offen, die direkt über der ersten leitfähigen Komponente 106 angebracht ist. Die Durchkontaktierung 114 kann die Form eines Zylinders, eines Würfels oder eines Quaders haben.
Die strukturierte Hartmaske 112 wird als eine Ätzmaske verwendet, um die Durchkontaktierung 114 in der Isolierschicht 110 auszubilden. Obwohl die in 1 gezeigte Struktur eine einzige Durchkontaktierung 114 zeigt, sieht die vorliegende Erfindung vor, eine beliebige Anzahl dieser Durchkontaktierungen in der Isolierschicht 110 auszubilden.
Die Struktur 100 kann mit herkömmlichen Techniken hergestellt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Die Struktur 100 kann zum Beispiel ausgebildet werden, indem zuerst die dielektrische Schicht 104 auf eine Oberfläche eines (nicht gezeigten) Substrats aufgebracht wird. Das Substrat kann zum Beispiel aus einem halbleitenden Material, einem isolierenden Material, einem leitenden Material oder einer Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien bestehen. Wenn das Substrat ein halbleitendes Material aufweist, kann ein Halbleitermaterial wie zum Beispiel Si, SiGe, SiGeC, SiC, Ge-Legierungen, GaAs, InAs, InP verwendet werden oder es können andere Halbleitermaterialien der Gruppen III/V oder II/VI verwendet werden. Zusätzlich zu diesen aufgelisteten halbleitenden Materialien sieht die vorliegende Erfindung auch Fälle vor, in denen das Substrat ein in Schichten aufgebauter Halbleiter ist wie zum Beispiel Si/SiGe, Si/SiC, Silicium-auf-Isolator (silicon-on-insulators, SOIs) oder Silicium-Germanium-auf-Isolator (silicon germanium-on-insulators, SGOIs). Wenn das Substrat aus einem halbleitenden Material besteht, können ein oder mehrere Halbleitereinheiten wie zum Beispiel komplementäre Metalloxid-Halbleitereinheiten (complementary metal oxide semiconductor devices, CMOS-Einheiten) darauf hergestellt werden.
Wenn das Substrat aus einem isolierenden Material besteht, kann das isolierende Material ein organischer Isolator, ein anorganischer Isolator oder eine Kombination eines organischen Isolators und eines anorganischen Isolators sein. Das Substrat kann aus einer einzigen Schicht oder mehreren Schichten bestehen.
Wenn das Substrat aus einem leitenden Material besteht, kann das Material zum Beispiel Polysilicium, ein reines Metall, eine Legierung reiner Metalle, ein Metallsilicid, ein Metallnitrid oder eine Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien aufweisen. Das Substrat kann aus einer einzigen Schicht oder mehreren Schichten bestehen.
Die dielektrische Schicht 104 der unteren Verbindungsebene 102 kann beliebige Dielektrika zwischen Schichten oder innerhalb einer Schicht aufweisen einschließlich anorganischer Dielektrika oder organischer Dielektrika. Die dielektrische Schicht 104 kann porös oder nichtporös sein. Zu den Beispielen geeigneter Dielektrika, die als dielektrische Schicht 104 verwendet werden können, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, SiO₂, Silsesquioxane, C-dotiere Oxide (d.h. Organosilikate), die Atome von Si, C, O und H aufweisen, wärmehärtende Polyarylenether oder mehrere Schichten davon. Der Begriff „Polyarylen“ wird in dieser Anmeldung verwendet, um Arylgruppen oder substituierte Arylgruppen zu bezeichnen, die durch Bindungen, verknüpfte Ringe oder inerte Verbindungsgruppen wie zum Beispiel Sauerstoff, Schwefel, Sulfon, Sulfoxid, Carbonyl und Ähnlichen miteinander verbunden sind.
Die dielektrische Schicht 104 hat vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 4,0 oder geringer. Die dielektrische Schicht 104 hat noch bevorzugter eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2,8 oder geringer. Diese Dielektrika haben im Allgemeinen ein niedriges parasitäres Übersprechen im Vergleich zu dielektrischen Materialien, die eine Dielektrizitätskonstante von mehr als 4,0 haben. Die hier erwähnten Dielektrizitätskonstanten werden in einem Vakuum gemessen.
Die Dicke der dielektrischen Schicht 104 kann in Abhängigkeit sowohl vom verwendeten dielektrischen Material als auch der genauen Anzahl der dielektrischen Schichten in der unteren Verbindungsebene 102 variieren. Üblicherweise und bei normalen Verbindungsstrukturen hat die dielektrische Schicht 104 eine Dicke von ungefähr 200 nm bis ungefähr 450 nm.
Die leitfähige Komponente 106 der unteren Verbindungsebene 102 kann mithilfe von Lithografie ausgebildet werden. Es wird zum Beispiel eine Fotolackschicht auf die Oberfläche der dielektrischen Schicht 104 aufgebracht. Die Fotolackschicht wird mit einem gewünschten Bestrahlungsmuster belichtet. Die belichtete Fotolackschicht wird entwickelt, indem ein herkömmlicher Fotolackentwickler verwendet wird. Die strukturierte Fotolackschicht wird als eine Ätzmaske verwendet, um das Muster in die dielektrische Schicht 104 zu übertragen. Der geätzte Bereich der dielektrischen Schicht 104 wird dann mit leitfähigem Material gefüllt, um die leitfähige Komponente 106 auszubilden.
Die leitfähige Komponente 106 kann aus Materialien einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, Polysilicium, einem leitfähigen Metall, einer Legierung aus zwei oder mehreren leitfähigen Metallen, einem leitfähigen Metallsilicid und einer Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien gebildet werden. Die leitfähige Komponente 106 besteht vorzugsweise aus einem leitfähigen Metall wie zum Beispiel Cu, W, AI, Ti, Ta, Au oder Legierungen der vorgenannten Metalle. Die leitfähige Komponente 106 besteht noch bevorzugter aus Cu oder einer Cu-Legierung (wie zum Beispiel AICu). Die leitfähige Komponente 106 wird in den geätzten Bereich der dielektrischen Schicht 104 gefüllt, wobei ein herkömmlicher Abscheidungsprozess verwendet wird einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, eine chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD), eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD), eine Kathodenzerstäubung, eine chemische Abscheidung aus einer Lösung oder eine Metallbeschichtung. Nach der Abscheidung kann ein herkömmlicher Planarisierungsprozess wie zum Beispiel chemischmechanisches Polieren (chemical mechanical polishing, CMP) verwendet werden, um eine Struktur bereitzustellen, in der die leitfähige Komponente 106 eine Oberseite hat, die im Wesentlichen in einer Ebene mit der Oberseite der dielektrischen Schicht 104 liegt.
Die leitfähige Komponente 106 ist vorzugsweise durch eine (nicht gezeigte) Diffusionssperrschicht von der dielektrischen Schicht 104 getrennt. Die Diffusionssperrschicht kann, ohne darauf beschränkt zu sein, Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, RuTaN, RuTa, W, WN oder ein beliebiges anderes Material beinhalten, dass als Sperre dienen kann, um ein leitfähiges Material davon abzuhalten, sich in eine dielektrische Materialschicht auszubreiten. Die Diffusionssperrschicht kann durch einen Abscheidungsprozess ausgebildet werden wie zum Beispiel eine Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, ALD), CVD, PECVD, eine physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD), eine Kathodenzerstäubung, eine chemische Abscheidung aus einer Lösung oder eine Metallbeschichtung. Die Diffusionssperrschicht kann auch eine Doppelschichtstruktur aufweisen, die eine untere Schicht aus einem metallischen Nitrid wie zum Beispiel TaN und eine obere Schicht aus Metall wie zum Beispiel Ta aufweist.
Nach dem Ausbilden der leitfähigen Komponente 106 in der dielektrischen Schicht 104 wird eine dielektrische Abdeckschicht 108 auf der Oberfläche der unteren Verbindungsebene 102 ausgebildet. Die dielektrische Abdeckschicht 108 wird mithilfe eines herkömmlichen Abscheidungsprozesses ausgebildet wie zum Beispiel CVD, PECVD, einer chemische Abscheidung aus einer Lösung oder einer Bedampfung. Die dielektrische Abdeckschicht 108 kann jedes geeignete dielektrische Abdeckmaterial aufweisen einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, SiC, Si₄NH₃, SiO₂, ein kohlenstoffdotiertes Oxid, ein stickstoff- oder wasserstoffdotiertes Siliciumcarbid (SiC(N,H)) oder mehrere Schichten davon. Die Dicke der dielektrischen Abdeckschicht 108 kann in Abhängigkeit sowohl von dem genauen Mittel des Abscheidungsprozesses als auch von dem eingesetzten Material variieren. Üblicherweise hat die dielektrische Abdeckschicht 108 eine Dicke von ungefähr 15 nm bis ungefähr 55 nm, wobei eine Dicke von ungefähr 25 nm bis ungefähr 45 nm noch üblicher ist.
Als Nächstes wird die Isolierschicht 110 auf der zugänglichen Oberseite der dielektrischen Abdeckschicht 108 ausgebildet. Die Isolierschicht 110 kann aus dem gleichen oder einem anderen dielektrischen Material wie die dielektrische Schicht 104 bestehen. Die Isolierschicht 110 besteht vorzugsweise aus dem gleichen dielektrischen Material wie die erste dielektrische Schicht 104. Zu den Beispielen geeigneter Dielektrika, die als dielektrische Schicht 110 verwendet werden können, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, SiO₂, Silsesquioxane, C-dotiere Oxide (d.h. Organosilikate), die Atome von Si, C, O und H aufweisen, wärmehärtende Polyarylenether oder mehrere Schichten davon. Die Isolierschicht 110 hat vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 4,0 oder geringer. Die Isolierschicht 110 hat noch bevorzugter eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2,8 oder geringer. Die Verarbeitungstechniken und die Dickebereiche für die dielektrische Schicht 104 sind hier auch für die Isolierschicht 110 anwendbar.
Die Isolierschicht 110 kann auch zwei verschiedene Materialien aufweisen, d.h. zuerst die Abscheidung eines dielektrischen Materials gefolgt von der Abscheidung eines unterschiedlichen dielektrischen Materials. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Isolierschicht 110 zwei verschiedene dielektrische Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante auf wie zum Beispiel ein poröses dielektrisches Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante und ein kompaktes (nichtporöses) dielektrisches Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante. Bei einer solchen Ausführungsform hat das poröse Dielektrikum mit niedriger Dielektrizitätskonstante eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2,8 oder geringer und das kompakte poröse Dielektrikum mit niedriger Dielektrizitätskonstante hat eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 4,0 oder geringer.
Als Nächstes wird die Durchkontaktierung 114 in der Isolierschicht 110 ausgebildet, indem zuerst eine strukturierte Hartmaskenschicht 112 auf der Oberseite der Isolierschicht 110 ausgebildet wird. Die Hartmaskenschicht 112 beinhaltet ein Oxid, Nitrid, Oxinitrid oder eine Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien. Die Hartmaskenschicht 112 kann eine Struktur aus einer Schicht oder aus mehreren Schichten haben. Die Hartmaskenschicht 112 ist vorzugsweise ein Oxid wie zum Beispiel SiO₂ oder ein Nitrid wie zum Beispiel Si₃N₄. Die Hartmaskenschicht 112 wird ausgebildet, indem ein herkömmlicher Abscheidungsprozess verwendet wird wie zum Beispiel CVD, PECVD, eine chemische Abscheidung aus einer Lösung oder eine Bedampfung. Die Dicke der abgeschiedenen Hartmaskenschicht 112 kann variieren in Abhängigkeit von der Art des ausgebildeten Hartmaskenmaterials, von der Anzahl der Schichten, welche die Hartmaskenschicht 112 bilden, und von der Abscheidungstechnik, die zum Ausbilden derselben verwendet wird. Üblicherweise hat die abgeschiedene Hartmaskenschicht 112 eine Dicke von ungefähr 10 nm bis ungefähr 80 nm, wobei eine Dicke von ungefähr 20 nm bis ungefähr 60 nm noch üblicher ist.
Die Hartmaskenschicht 112 wird durch einen lithografischen Prozess strukturiert. Ein (nicht gezeigter) Fotolack wird oben auf der Hartmaskenschicht 112 mithilfe eines herkömmlichen Abscheidungsprozesses ausgebildet wie zum Beispiel einer Rotationsbeschichtung oder einer chemischen Abscheidung aus einer Lösung. Der Fotolack kann ein positiver oder ein negativer Fotolack sein. Der Fotolack wird danach einem lithografischen Prozess unterzogen, der das Belichten des Fotolacks mit einem Strahlungsmuster und das Entwickeln des belichteten Fotolacks unter Verwendung eines herkömmlichen Fotolackentwicklers beinhaltet. Der lithografische Schritt stellt einen strukturierten Fotolack auf der Hartmaskenschicht 112 bereit, der die Breite der Durchkontaktierung 114 definiert. Das Durchkontaktierungsmuster wird unter Verwendung eines oder mehrerer Ätzprozesse in die Hartmaskenschicht 112 und dann nacheinander in die Isolierschicht 110 und die dielektrische Abdeckschicht 108 übertragen.
Der strukturierte Fotolack kann sofort nach dem Übertragen der Durchkontaktierungsstruktur in die Hartmaskenschicht 112 entfernt werden, indem ein herkömmlicher Ablöseprozess verwendet wird. Alternativ kann der strukturierte Fotolack nach dem Übertragen des Durchkontaktierungsmusters in die Isolierschicht 110 und die dielektrische Abdeckschicht 108 entfernt werden. Das beim Übertragen des Durchkontaktierungsmusters verwendete Ätzen kann ein Trockenätzprozess, ein nass-chemischer Ätzprozess oder eine Kombination davon beinhalten. Der Begriff „Trockenätzen“ wird hier verwendet, um eine Ätztechnik wie zum Beispiel reaktives lonenätzen, lonenstrahlätzen, Plasmaätzen oder Laserabtragung zu bezeichnen.
In den 2A und 2B wird über den Seitenwänden und dem Boden der Durchkontaktierung 114 und über der Oberseite der Hartmaskenschicht 112 eine erste Elektrodenschicht 118 ausgebildet. Die erste Elektrodenschicht 118 besteht vorzugsweise aus einem leitfähigen Material. Zu den leitfähigen Materialien, die für die erste Elektrodenschicht 118 geeignet sind, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Ta, Ru, Co, Pt, W, Rh, Ir, Au, Al, Ti und eine Legierung aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien. Die erste Elektrodenschicht 118 kann ausgebildet werden, indem ein herkömmlicher Abscheidungsprozess verwendet wird wie zum Beispiel PVD, CVD, PECVD, ein Atomlagenabscheidungsprozess (ALD-Prozess) oder eine plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung (plasma enhanced atomic layer deposition, PEALD). Üblicherweise hat die erste Elektrodenschicht 118 eine Dicke von ungefähr 1 nm bis ungefähr 50 nm, wobei eine Dicke von ungefähr 2 nm bis ungefähr 20 nm noch üblicher ist.
Danach wird eine erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120 über der ersten Elektrodenschicht 118 ausgebildet. Zu den Materialen, die für die erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120 geeignet sind, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Oxid-Nitrid-Oxid, SiO₂, TaO₅, PSiN_x, Si₃N₄, SiON, SiC, TaO₂, ZrO₂, HfO₂, HfSiO₂, Al₂O₃ und jede beliebige Kombination aus zwei und mehreren der vorgenannten Materialien. Die erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120 hat vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 5 bis ungefähr 60. Die erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120 hat noch bevorzugter eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 8 bis ungefähr 40. Die hier erwähnten Dielektrizitätskonstanten werden in einem Vakuum gemessen. Die erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120 kann gebildet werden, indem ein herkömmlicher Abscheidungsprozess verwendet wird wie zum Beispiel CVD, PECVD, ALD oder PEALD. Üblicherweise hat die erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120 eine Dicke von ungefähr 1 nm bis ungefähr 40 nm, wobei eine Dicke von ungefähr 2 nm bis ungefähr 10 nm noch üblicher ist.
Vorzugsweise wird vor dem Ausbilden der ersten Elektrodenschicht 118 eine Sperrdeckschicht 116 über den Seitenwänden und dem Boden der Durchkontaktierung 114 und über der Oberseite der Hartmaskenschicht 112 ausgebildet (2B). Danach wird die erste Elektrodenschicht 118 über der Sperrdeckschicht 116 ausgebildet. Die Sperrdeckschicht 116 verstärkt die Verbindung zwischen der Isolierschicht 110 und der ersten Elektrodenschicht 118.
Die Sperrdeckschicht 116 verhindert auch, dass sich beliebiges metallisches Material aus der Durchkontaktierung in die Isolierschicht 110 ausbreitet. Die Sperrdeckschicht 116 kann metallisch, isolierend oder eine Kombination aus beiden sein. Zu den Materialien, die für die Sperrdeckschicht 116 geeignet sind, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Ta(N), Ti(N), W(N), SiO₂, Si₃N₄ und SiC. Die Sperrdeckschicht 116 kann ausgebildet werden, indem ein herkömmlicher Abscheidungsprozess verwendet wird wie zum Beispiel PVD, CVD, PECVD, ALD oder PEALD. Üblicherweise hat die Sperrdeckschicht 116 eine Dicke von ungefähr 2 nm bis ungefähr 30 nm, wobei eine Dicke von ungefähr 3 nm bis ungefähr 10 nm noch üblicher ist.
In 3 ist eine erste leitfähige Plattenschicht 122 über der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120 ausgebildet. Die erste leitfähige Plattenschicht 122 kann aus Materialien einschließlich Ta, Ru, Co, Pt, W, Rh, Ir, Au, AI, Ti oder einer Legierung aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien gebildet werden. Wie in 3 dargestellt, ist die erste leitfähige Plattenschicht 122 im Wesentlichen parallel zur ersten Elektrodenschicht 118. Die erste leitfähige Plattenschicht 122 kann gebildet werden, indem ein herkömmlicher Abscheidungsprozess verwendet wird wie zum Beispiel PVD, CVD, PECVD, ALD oder PEALD. Üblicherweise hat die erste leitfähige Plattenschicht 122 eine Dicke von ungefähr 1 nm bis ungefähr 50 nm, wobei eine Dicke von ungefähr 2 nm bis ungefähr 30 nm noch üblicher ist.
In den 4A und 4B werden ein Teil der ersten leitfähigen Plattenschicht 122, ein Teil der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120, ein Teil der ersten Elektrodenschicht 118, ein Teil der ersten dielektrischen Abdeckschicht 116 und ein Teil der ersten leitfähigen Komponente 106 entfernt, um eine Durchkontaktierungsfurche 124 im Boden der Durchkontaktierung 114 auszubilden. Die Durchkontaktierungsfurche 124 erstreckt sich teilweise durch die erste leitfähige Komponente 106. Ein gerichteter Kathodenzerstäubungsprozess wird eingesetzt, um die Durchkontaktierungsfurche 124 auszubilden. Der gerichtete Kathodenzerstäubungsprozess wird mit einer Gasquelle ausgeführt einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, Ar, He, Xe, Ne, Kr, Rn, N₂, NH₃ oder H₂.
Der gerichtete Kathodenzerstäubungsprozess, der verwendet wird, um die Durchkontaktierungsfurche 124 zu erzeugen, entfernt auch die erste leitfähige Plattenschicht 122 aus dem Feldbereich, der sich außerhalb der Durchkontaktierung 114 und über der Oberseite der Hartmaskenschicht 112 befindet. Außerdem wird auch ein Teil der ersten leitfähigen Plattenschicht 122 entfernt, die sich in der Nähe des oberen Teils der Durchkontaktierung 114 befindet. Als Ergebnis endet das obere Ende der ersten leitfähigen Plattenschicht 122 unterhalb der Oberseite der Hartmaskenschicht 112. Die nach dem gerichteten Prozess vorhandene Höhe der ersten leitfähigen Plattenschicht 122 wird gesteuert durch die Menge der gerichteten Kathodenzerstäubung, die für das Erzeugen der Furchenstruktur verwendet wird. Bei einer Ausführungsform befindet sich das obere Ende der ersten leitfähigen Plattenschicht 122 nach dem gerichteten Kathodenzerstäubungsprozess zwischen der Oberseite und der Unterseite der Hartmaskenschicht 112 (4A). Bei einer anderen Ausführungsform endet das obere Ende der ersten leitfähigen Plattenschicht 122 unterhalb der Unterseite der Hartmaskenschicht 112 (4B).
In 5 wird eine zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 über der ersten leitfähigen Plattenschicht 122 und über den Seitenwänden und dem Boden der Durchkontaktierungsfurche 124 ausgebildet. Zu den Materialen, die für die zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 geeignet sind, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Oxid-Nitrid-Oxid, SiO₂, TaO₅, PSiN_x, Si₃N₄, SiON, SiC, TaO₂, ZrO₂, HfO₂, HfSiO₂, Al₂O₃ und jede beliebige Kombination aus zwei und mehreren der vorgenannten Materialien. Die zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 wird vorzugsweise aus dem gleichen Material gebildet wie die erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120. Die zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 hat vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 5 bis ungefähr 60. Die zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 hat noch bevorzugter eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 8 bis ungefähr 40. Die hier erwähnten Dielektrizitätskonstanten werden in einem Vakuum gemessen. Die zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 kann gebildet werden, indem ein herkömmlicher Abscheidungsprozess verwendet wird wie zum Beispiel CVD, PECVD, ALD oder PEALD. Üblicherweise hat die zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 eine Dicke von ungefähr 1 nm bis ungefähr 40 nm, wobei eine Dicke von ungefähr 2 nm bis ungefähr 10 nm noch üblicher ist.
Ein leichter gerichteter Ätz-/Kathodenzerstäubungsprozess wird verwendet, um die zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 selektiv vom Boden und dem unteren Teil der Seitenwände der Durchkontaktierungsfurche 124 zu entfernen (6). Dieser leichte gerichtete Kathodenzerstäubungsprozess entfernt auch eine kleine Menge der zweiten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 aus dem Feldbereich. Der wesentliche Zweck dieses Prozesses ist es, einen elektrischen Kontakt zwischen dem Kondensator und der darunterliegenden Verbindungsebene 102 herzustellen. Der leichte gerichtete Kathodenzerstäubungsprozess wird mit einer Gasquelle ausgeführt einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, Ar, He, Xe, Ne, Kr, Rn, N₂, NH₃ oder H₂.
In 7 werden der verbleibende Anteil der Durchkontaktierung 114 und der Durchkontaktierungsfurche 124 mit einer zweiten Elektrode 128 gefüllt. Die zweite Elektrode 128 besteht vorzugsweise aus Cu, Al, W, Ru, Rh, Ir, Co oder einer Legierung, die zwei oder mehrere der vorgenannten Metalle aufweist. Noch bevorzugter besteht die zweite Elektrode 128 aus Cu oder einer AlCu-Legierung. Die zweite Elektrode kann durch CVD, PECVD, Kathodenzerstäuben, eine chemische Abscheidung aus einer Lösung oder eine Metallbeschichtung ausgebildet werden. Die zweite Elektrode 128 steht, wie gezeigt, in Kontakt mit der ersten leitfähigen Komponente 106.
Eine optionale (nicht gezeigte) Saatschicht zur Anhaftung/Metallbeschichtung kann ausgebildet werden bevor die Durchkontaktierung 114 und die Durchkontaktierungsfurche 124 mit der zweiten Elektrode 128 gefüllt werden. Die optionale Saatschicht zur Anhaftung/Metallbeschichtung weist ein Metall oder eine Metalllegierung aus der Gruppe VIIIA des Periodensystems der Elemente auf. Zu den Beispielen von geeigneten Elementen der Gruppe VIIIA für die Saatschicht zur Anhaftung/Metallbeschichtung gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Ru, TaRu, Ir, Rh, Pt, Pd, Co und Legierungen davon. Bei einigen Ausführungsformen wird bevorzugt Ru, Ir, Co oder Rh als Saatschicht zur Anhaftung/Metallbeschichtung verwendet.
Die Saatschicht zur Anhaftung/Metallbeschichtung wird mithilfe eines herkömmlichen Abscheidungsprozesses einschließlich zum Beispiel CVD, PECVD, ALD, Metallbeschichtung, Kathodenzerstäuben und PVD ausgebildet. Die Dicke der Saatschicht zur Anhaftung/Metallbeschichtung kann in Abhängigkeit einer Anzahl von Faktoren variieren, zu denen zum Beispiel die Zusammensetzung der Materialien der Saatschicht zur Anhaftung/Metallbeschichtung und die Techniken gehören, die für das Ausbilden der Schicht verwendet werden. Üblicherweise hat die Saatschicht zur Anhaftung/Metallbeschichtung eine Dicke von ungefähr 0,5 nm bis ungefähr 10 nm, wobei eine Dicke von ungefähr 0,5 nm bis ungefähr 6 nm noch üblicher ist.
In 8 wird das Material der zweiten Elektrode 128 im Feldbereich und in der Nähe der Oberseite der Durchkontaktierung 114 entfernt, um eine Vertiefung 130 zu bilden. Die Vertiefung 130 kann ausgebildet werden, indem zuerst das Material der zweiten Elektrode außerhalb der Durchkontaktierung 114 durch einen chemischmechanischen Polierprozess (CMP-Prozess) und/oder einen Schleifprozess entfernt wird. Der Teil des Materials der zweiten Elektrode in der Nähe der Oberseite der Durchkontaktierung 114 wird dann mit einem nass-chemischen Ätzprozess entfernt. Der nass-chemische Ätzprozess wird vorzugsweise ausgeführt, indem eine Chemikalie verwendet wird, die HF, HCl, H₂SO₄ oder eine beliebige Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien beinhaltet.
Eine zweite dielektrische Abdeckschicht 132 wird ausgebildet, um die Vertiefung 130 zu füllen (9). Wie die dielektrische Abdeckschicht 108 wird die zweite dielektrische Abdeckschicht 132 mithilfe eines herkömmlichen Abscheidungsprozesses ausgebildet wie zum Beispiel CVD, PECVD, einer chemische Abscheidung aus einer Lösung oder einer Bedampfung. Die zweite dielektrische Abdeckschicht 132 kann jedes geeignete dielektrische Abdeckmaterial aufweisen einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, SiC, Si₄NH₃, SiO₂, ein kohlenstoffdotiertes Oxid, ein stickstoff- oder wasserstoffdotiertes Siliciumcarbid (SiC(N,H)) oder mehrere Schichten davon.
Als Nächstes wird die in 9 gezeigte Struktur einem Polierprozess unterzogen, um die verschiedenen auf dem Feldbereich verbliebenen Schichten zu entfernen. Bei einer Ausführungsform stoppt der Polierprozess an der Hartmaskenschicht 112 (10A). Bei einer anderen Ausführungsform, in der das obere Ende der ersten leitfähigen Plattenschicht 122 unterhalb der Unterseite der Hartmaskenschicht 112 endet, stoppt der Polierprozess erst, wenn die gesamte Hartmaskenschicht 112 entfernt wurde (10B).
In 11 wird über der Isolierschicht 110 eine obere Verbindungsebene 134 ausgebildet. Die obere Verbindungsebene 134 weist eine zweite dielektrische Schicht 136 mit einer zweiten leitfähigen Komponente 138 auf, die in die zweite dielektrische Schicht 136 eingebettet ist.
Die zweite dielektrische Schicht 136 kann beliebige Dielektrika zwischen Schichten oder innerhalb einer Schicht aufweisen einschließlich anorganischer Dielektrika oder organischer Dielektrika. Die zweite dielektrische Schicht 136 kann porös oder nichtporös sein. Zu den Beispielen geeigneter Dielektrika, die als zweite dielektrische Schicht 136 verwendet werden können, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, SiO₂, Silsesquioxane, C-dotiere Oxide (d.h. Organosilikate), die Atome von Si, C, O und H aufweisen, wärmehärtende Polyarylenether oder mehrere Schichten davon.
Die zweite dielektrische Schicht 136 hat vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 4,0 oder geringer. Die zweite dielektrische Schicht 136 hat noch bevorzugter eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2,8 oder geringer. Die hier erwähnten Dielektrizitätskonstanten werden in einem Vakuum gemessen.
Die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 136 kann in Abhängigkeit sowohl vom verwendeten dielektrischen Material als auch der genauen Anzahl der dielektrischen Schichten in der oberen Verbindungsebene 134 variieren. Üblicherweise und bei normalen Verbindungsstrukturen hat die zweite dielektrische Schicht 136 eine Dicke von ungefähr 200 nm bis ungefähr 450 nm.
Die zweite leitfähige Komponente 138 kann ähnlich wie die leitfähige Komponente 106 mithilfe von Lithografie ausgebildet werden. Die zweite leitfähige Komponente 138 kann aus Materialien einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, Polysilicium, einem leitfähigen Metall, einer Legierung aus zwei oder mehreren leitfähigen Metallen, einem leitfähigen Metallsilicid und einer Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien gebildet werden. Die zweite leitfähige Komponente 138 besteht vorzugsweise aus einem leitfähigen Metall wie zum Beispiel Cu, W, Al oder Legierungen der vorgenannten Metalle. Die zweite leitfähige Komponente 138 besteht noch bevorzugter aus Cu oder einer Cu-Legierung (wie zum Beispiel AICu). Ein herkömmlicher Planarisierungsprozess wie zum Beispiel CMP kann verwendet werden, um eine Struktur bereitzustellen, in der die zweite leitfähige Komponente 138 eine Oberseite hat, die im Wesentlichen in einer Ebene mit der Oberseite der zweiten dielektrischen Schicht 136 liegt.
Die zweite leitfähige Komponente 138 ist vorzugsweise von der zweiten dielektrischen Schicht 136 durch eine (nicht gezeigte) Diffusionssperrschicht getrennt. Die Diffusionssperrschicht kann, ohne darauf beschränkt zu sein, Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, RuTaN, RuTa, W, WN oder ein beliebiges anderes Material aufweisen, dass als Sperre dienen kann, um ein leitfähiges Material davon abzuhalten, sich in eine dielektrische Materialschicht auszubreiten. Die Diffusionssperrschicht kann durch einen Abscheidungsprozess ausgebildet werden wie zum Beispiel eine Atomlagenabscheidung (ALD), CVD, PECVD, physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), eine Kathodenzerstäubung, eine chemische Abscheidung aus einer Lösung oder eine Metallbeschichtung. Die Diffusionssperrschicht kann auch eine Doppelschichtstruktur aufweisen, die eine untere Schicht aus einem metallischen Nitrid wie zum Beispiel TaN und eine obere Schicht aus Metall wie zum Beispiel Ta aufweist.
Wie in 11 gezeigt, hat die erste Elektrodenschicht 118 in diesem Zustand einen ersten Anteil 118a, der im Wesentlichen senkrecht zur unteren Verbindungsebene 102 und dem darunterliegenden (nicht gezeigten) Substrat steht. Die erste Elektrodenschicht 118 weist auch einen zweiten Anteil 118b auf, der im Wesentlichen parallel zur unteren Verbindungsebene 102 und dem darunterliegenden Substrat ist. Das Verhältnis der Höhe des ersten Anteils 118a zur Länge des zweiten Anteils 118b ist vorzugsweise größer als 2. Das Verhältnis der Höhe des ersten Anteils 118a zur Länge des zweiten Anteils 118b ist noch bevorzugter größer als 4. Die erste leitfähige Platte 122 ist umgeben von der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120 und der zweiten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126. Die erste leitfähige Platte 122 steht weder in Kontakt mit der ersten Elektrodenschicht 118 noch mit der zweiten Elektrode 128.
Es ist zu beachten, dass es vor dem Ausbilden der zweiten Elektrode 128 möglich ist, eine zweite leitfähige Plattenschicht und eine dritte dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante über die zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 zu schichten. Dies führt zur Bildung eines Kondensators mit zwei potentialfreien leitfähigen Platten zwischen den beiden Elektroden. Die zweite leitfähige Platte und die dritte dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante befinden sich zwischen der zweiten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 126 und der zweiten Elektrode 128. Die zweite leitfähige Platte ist im Wesentlichen parallel zur ersten Elektrodenschicht 118 und steht weder mit der ersten und der zweiten Elektrode 118 bzw. 128 noch mit der ersten leitfähigen Platte 122 in Kontakt. Die zweite leitfähige Plattenschicht kann mithilfe der Materialien und Techniken ausgebildet werden, die verwendet wurden, um die erste leitfähige Plattenschicht 122, wie oben beschrieben, auszubilden. Auf ähnliche Weise kann die dritte dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante mithilfe der Materialien und Techniken ausgebildet werden, die verwendet werden, um die erste und zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante 120 und 126, wie oben beschrieben, auszubilden.
Um die Zuverlässigkeit der in 11 gezeigten Kondensatorstruktur weiter zu verbessern, wird ein Array solcher Kondensatoren ausgebildet. Das in 12 gezeigte Kondensatoren-Array 200 wird ausgebildet, indem zwei Chips (Chips 1 und 2) zusammengebondet werden. Chip 1 enthält einen ersten Kondensator. Chip 2 enthält einen zweiten Kondensator. Der erste und der zweite Kondensator haben im Wesentlichen die gleiche Struktur. Chip 1 wird so oben auf Chip 2 gebondet, dass die erste leitfähige Komponente 206 des ersten Kondensators auf Chip 1 in Kontakt steht mit der zweiten leitfähigen Komponente 338 des zweiten Kondensators auf Chip 2. Danach wird eine Leiterbahn 240 ausgebildet, um die erste leitfähige Komponente 306 des zweiten Kondensators auf Chip 2 mit der zweiten leitfähigen Komponente 238 des ersten Kondensators auf Chip 1 zu verbinden. Die Leiterbahn 240 kann aus einem leitfähigen Metall, einer Legierung aus zwei oder mehreren leitfähigen Metallen, einem leitfähigen Metallsilicid und einer Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien gebildet werden. Die Leiterbahn 240 besteht vorzugsweise aus einem leitfähigen Metall wie zum Beispiel Cu, W, AI oder Legierungen der vorgenannten Metalle. Die Leiterbahn 240 besteht noch bevorzugter aus Cu oder einer Cu-Legierung (wie zum Beispiel AlCu).
In 13 wird ein dritter Chip (Chip 3) an die in 12 gezeigte Struktur gebondet, um ein Array mit drei Kondensatoren 300 auszubilden. Chip 3 hat einen dritten Kondensator, der im Wesentlichen die gleiche Struktur besitzt wie der erste und der zweite Kondensator auf Chip 1 bzw. 2. Chip 3 wird so an das Array aus Chip 1 und 2 gebondet, dass die zweite leitfähige Komponente 438 des dritten Kondensators auf Chip 3 in Kontakt steht mit der ersten leitfähigen Komponente 306 des zweiten Kondensators auf Chip 2. Danach wird eine zweite Leiterbahn 242 ausgebildet, um die erste leitfähige Komponente 406 des dritten Kondensators auf Chip 3 mit der zweiten leitfähigen Komponente 338 des zweiten Kondensators auf Chip 2 zu verbinden. In ähnlicher Weise kann die zweite Leiterbahn 242 aus einem leitfähigen Metall, einer Legierung aus zwei oder mehreren leitfähigen Metallen, einem leitfähigen Metallsilicid und einer Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien gebildet werden. Die Leiterbahn 242 besteht vorzugsweise aus einem leitfähigen Metall wie zum Beispiel Cu, W, AI oder Legierungen der vorgenannten Metalle. Die Leiterbahn 242 besteht noch bevorzugter aus Cu oder einer Cu-Legierung (wie zum Beispiel AICu).
Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen genauer dargestellt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass das Voranstehende und andere Änderungen an Ausbildungen und Einzelheiten ausgeführt werden können, ohne sich vom Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung zu entfernen. Die vorliegende Erfindung ist daher so zu verstehen, dass sie nicht auf die genauen beschriebenen und dargestellten Ausbildungen und Einzelheiten beschränkt ist, sondern darauf was in den Umfang der angefügten Ansprüche fällt.

Claims

Kondensator, aufweisend: eine Isolierschicht (110) auf einem Substrat, wobei die Isolierschicht eine Durchkontaktierung (114) aufweist, die Seitenwände und einen Boden hat; eine erste Elektrode (118), welche die Seitenwände und mindestens einen Teil des Bodens der Durchkontaktierung überlagert; eine erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (120), welche die erste Elektrode überlagert; eine erste leitfähige Platte über der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (120); eine zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (126), die ausgebildet ist, um die erste leitfähige Platte zu überlagern und einen verbleibenden Anteil der Durchkontaktierung ungefüllt zu lassen; und eine zweite Elektrode (128), die in dem verbleibenden Anteil der Durchkontaktierung ausgebildet ist, wobei die erste leitfähige Platte im Wesentlichen parallel zu der ersten Elektrode ist und weder mit der ersten noch mit der zweiten Elektrode (128) in Kontakt steht, wobei eine untere Verbindungsebene (102) zwischen dem Substrat und der Isolierschicht (110), wobei die untere Verbindungsebene eine erste dielektrische Schicht (104) aufweist, in die eine erste leitfähige Komponente (206) eingebettet ist; und eine obere Verbindungsebene (134) über der Isolierschicht, wobei die obere Verbindungsebene eine zweite dielektrische Schicht (136) aufweist, in die eine zweite leitfähige Komponente (138) eingebettet ist, wobei die erste Elektrode (118) mit der zweiten leitfähigen Komponente in Kontakt steht und die zweite Elektrode (128) mit der ersten leitfähigen Komponente in Kontakt steht.
Kondensator nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine zweite leitfähige Platte und eine dritte dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante zwischen der zweiten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (126) und der zweiten Elektrode (128), wobei die zweite leitfähige Platte im Wesentlichen parallel zu der ersten Elektrode ist und weder mit der ersten und der zweiten Elektrode noch mit der ersten leitfähigen Platte in Kontakt steht.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Durchkontaktierung (114) eine Durchkontaktierungsfurche (124) aufweist, die sich teilweise durch die erste leitfähige Komponente (206) erstreckt und die Durchkontaktierungsfurche mit dem Material der zweiten Elektrode (128) gefüllt ist.
Kondensator nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine erste dielektrische Abdeckschicht (108) die sich zwischen der unteren Verbindungsebene (102) und der Isolierschicht (110) befindet.
Kondensator nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine zweite dielektrische Abdeckschicht (132), die sich zwischen der oberen Verbindungsebene (134) und der zweiten Elektrode (128) befindet.
Kondensator nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Hartmaskenschicht (112), die sich zwischen der oberen Verbindungsebene (134) und der Isolierschicht (110) befindet.
Kondensator nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Sperrdeckschicht (116), die sich zwischen der ersten Elektrode und der Isolierschicht (110) befindet.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (118) einen ersten Anteil (118a) aufweist, der im Wesentlichen senkrecht zu dem Substrat ist, und einen zweiten Anteil (118b), der im Wesentlichen parallel zu dem Substrat ist.
Kondensator nach Anspruch 8, wobei das Verhältnis der Höhe des ersten Anteils (118a) zur Länge des zweiten Anteils (118b) größer als 2 ist.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (118) Ta, Ru, Co, Pt, W, Rh, Ir, Au, Al oder Ti oder eine Legierung aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien aufweist.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite dielektrische Materialschicht (126) mit hoher Dielektrizitätskonstante aus einem dielektrischen Material gebildet werden, das für beide gleich ist, wobei das dielektrische Material Oxid-Nitrid-Oxid, SiO₂, TaO₅, PSiNx, Si3N4, SiON, SiC, Ta02, ZrO₂, HfO₂, HfSiO2 oder Al2O3 oder eine beliebige Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien aufweist.
Kondensator nach Anspruch 11, wobei das dielektrische Material eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 60 aufweist.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode (128) Cu, AI, W, Ru, Rh, Ir oder Co oder eine Legierung aus zwei oder mehreren der vorgenannten Metalle aufweist.
Kondensator nach Anspruch 1, wobei die erste leitfähige Platte Ta, Ru, Co, Pt, W, Rh, Ir, Au, Al oder Ti oder eine Legierung aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien aufweist.
Kondensatoren-Array (200), das einen zweiten Chip aufweist, der einen zweiten Kondensator nach Anspruch 3 aufweist und auf einen ersten Chip gebondet ist, der einen ersten Kondensator nach Anspruch 1 aufweist.
Array (300) nach Anspruch 15, das außerdem einen dritten Chip aufweist, der einen dritten Kondensator hat und auf den zweiten Chip gebondet ist, wobei der dritte Kondensator im Wesentlichen die gleiche Struktur aufweist wie der erste und der zweite Kondensator, die erste leitfähige Komponente (406) des dritten Kondensators in Kontakt steht mit der zweiten leitfähigen Komponente (138) des zweiten Kondensators und die zweite leitfähige Komponente (438) des dritten Kondensators über eine zweite Leiterbahn (242) mit der ersten leitfähigen Komponente des zweiten Kondensators verbunden ist.
Verfahren für die Ausbildung eines Kondensators, aufweisend: Bereitstellen eines Substrats mit einer unteren Verbindungsebene (102), die eine erste dielektrische Schicht (104) aufweist, in der eine erste leitfähige Komponente (206) eingebettet ist, einer ersten dielektrischen Abdeckschicht (108) auf der unteren Verbindungsebene, einer Isolierschicht (110) auf der ersten dielektrischen Abdeckschicht und einer strukturierten Hartmaskenschicht (112), die eine Oberseite auf der Isolierschicht hat, wobei die Isolierschicht eine Durchkontaktierung (114) aufweist, die sich teilweise durch die erste dielektrische Abdeckschicht erstreckt, wobei die Durchkontaktierung Seitenwände und einen Boden hat; Ausbilden einer ersten Elektrodenschicht (118) über den Seitenwänden und dem Boden der Durchkontaktierung und der Oberseite der Hartmaskenschicht (112); Ausbilden einer ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (120) über der ersten Elektrodenschicht; Ausbilden einer ersten leitfähigen Plattenschicht (122) über der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (120); Ausbilden einer Durchkontaktierungsfurche (124) in dem Boden der Durchkontaktierung, indem ein Teil der ersten leitfähigen Plattenschicht (122), ein Teil der ersten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (120), ein Teil der ersten Elektrodenschicht, ein Teil der ersten dielektrischen Abdeckschicht (116) und ein Teil der ersten leitfähigen Komponente entfernt werden, wobei die Durchkontaktierungsfurche Seitenwände und einen Boden hat und sich teilweise durch die erste leitfähige Komponente erstreckt; Ausbilden einer zweiten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (126) über der ersten leitfähigen Plattenschicht (122) und über den Seitenwänden und dem Boden der Durchkontaktierungsfurche; selektives Entfernen der zweiten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (126)von dem Boden und dem unteren Teil der Seitenwände der Durchkontaktierungsfurche; Füllen der Durchkontaktierung und der Durchkontaktierungsfurche mit einem Material einer zweiten Elektrode (128); teilweises Entfernen des Materials der zweiten Elektrode um eine Vertiefung (130) an der Oberseite der Durchkontaktierung zu bilden; Ausbilden einer zweiten dielektrischen Abdeckschicht (132) in der Vertiefung; und Ausbilden einer oberen Verbindungsebene (134), die eine zweite dielektrische Schicht (136) aufweist, in der eine zweite leitfähige Komponente (138) über der Isolierschicht eingebettet ist, wobei die zweite leitfähige Komponente mit der ersten leitfähigen Plattenschicht (122) in Kontakt steht.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bereitstellen des Substrats aufweist: Ausbilden der ersten leitfähigen Komponente in der ersten dielektrischen Schicht (104), um die untere Verbindungsebene (102) auszubilden; Ausbilden der ersten dielektrischen Abdeckschicht (108) auf der unteren Verbindungsebene; Ausbilden der Isolierschicht (110) auf der ersten dielektrischen Abdeckschicht; Ausbilden einer strukturierten Hartmaskenschicht (112), die ein Durchkontaktierungsmuster auf der Isolierschicht aufweist; und Übertragen des Durchkontaktierungsmusters in die Isolierschicht und teilweise in die erste dielektrische Abdeckschicht.
Verfahren nach Anspruch 17, vor dem Ausbilden der ersten Elektrodenschicht (118) außerdem aufweisend das Ausbilden einer Sperrdeckschicht (116) über den Seitenwänden und dem Boden der Durchkontaktierung (114) und der Oberseite der Hartmaskenschicht (112).
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Ausbilden der Durchkontaktierungsfurche (124) ein gerichtetes Kathodenzerstäuben mit einer Gasquelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Gasquelle Ar, He, Xe, Ne, Kr, Rn, N₂, NH₃ oder H₂ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Ausbilden der ersten Elektrodenschicht (118) eine physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD), eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), einen Atomlagenabscheidungsprozess (ALD-Prozess) oder eine plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung (PEALD) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die erste Elektrodenschicht (118) Ta, Ru, Co, Pt, W, Rh, Ir, Au, Al, Ti oder eine Legierung aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ausbilden der ersten dielektrischen Materialschicht (120) mit hoher Dielektrizitätskonstante und das Ausbilden der zweiten dielektrischen Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (126) eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD), eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), einen Atomlagenabscheidungsprozess (ALD-Prozess) oder eine plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung (PEALD) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die erste dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (120) und die zweite dielektrische Materialschicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (126) aus einem dielektrischen Material gebildet werden, das für beide gleich ist, wobei das dielektrische Material Oxid-Nitrid-Oxid, SiO₂, TaO₅, PSiN_x, Si₃N₄, SiON, SiC, TaO₂, ZrO₂, HfO₂ oder Al₂O₃ oder eine beliebige Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ausbilden der ersten leitfähigen Plattenschicht (122) eine physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD), eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), einen Atomlagenabscheidungsprozess (ALD-Prozess) oder eine plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung (PEALD) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die erste leitfähige Plattenschicht (122) Ta, Ru, Co, Pt, W, Rh, Ir, Au, Al, Ti oder eine Legierung aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ausbilden und Füllen der Durchkontaktierung (114) und der Durchkontaktierungsfurche (124) mit dem Material der zweiten Elektrode (128) eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD), eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), ein Kathodenzerstäuben, eine chemische Abscheidung aus einer Lösung oder eine Metallbeschichtung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Material der zweiten Elektrode (128) Cu, AI, W, Ru, Rh, Ir, Co oder eine Legierung aus zwei oder mehreren der vorgenannten Metalle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das teilweise Entfernen des Materials der zweiten Elektrode (128) einen nass-chemischen Ätzprozess aufweist.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei der nass-chemische Ätzprozess ausgeführt wird, indem eine Chemikalie verwendet wird, die HF, HCl, H₂SO₄ oder eine beliebige Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien aufweist.