DE19733736A1

DE19733736A1 - Integrierte elektrische Schaltung

Info

Publication number: DE19733736A1
Application number: DE1997133736
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl Phys Ruderer; Darko Dr Rer Nat Piscevic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1997-08-04
Publication date: 1999-02-25
Also published as: WO1999008328A9; JP2001526457A; WO1999008328A1; KR20010022554A; EP1005705A1

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte elektrische Schaltung mit wenigstens einem Kondensator, wobei die erste Kondensa torplatte aus einer ersten elektrisch leitenden Schicht und die zweite Kondensatorplatte aus einer zweiten elektrisch leitenden Schicht besteht.

Bei der Herstellung von integrierten elektrischen Schaltun gen, die Kondensatoren enthalten, ist das Problem bekannt, daß die einzelnen Kondensatoren eine genau definierte Kapazi tät aufweisen müssen. Je nach Einsatzgebiet der integrierten elektrischen Schaltung ist es erforderlich, daß der Absolut wert der Kapazität eingehalten wird, bzw. daß beim Vorhanden sein von mehreren Kondensatoren alle Kondensatoren die glei che Kapazität aufweisen.

Ein Beispiel für eine integrierte elektrische Schaltung, bei der es wesentlich ist, daß die Kondensatoren eine relative Genauigkeit von unter 200 ppm aufweisen, ist eine Analog-Di gital-Wandlerschaltung. Eine derartig hohe relative Genauig keit ist für eine eindeutige Umwandlung von analogen in digi tale Signale bzw. umgekehrt notwendig.

Aber auch bei weiteren elektrischen Schaltungen wie Mikropro zessoren und Mikrocontrollern besteht das Erfordernis, Kon densatoren mit genau definierter Kapazität herzustellen.

Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine gattungsgemäße in tegrierte elektrische Schaltung so auszugestalten, daß die absolute und/oder relative Genauigkeit der Kapazität des Kon densators oder der Kondensatoren möglichst gut ist. Eine der artige Schaltung soll ferner auf eine möglichst einfache Weise herstellbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich bei einer gattungsgemäßen integrierten elektrischen Schaltung zwischen den Kondensatorplatten eine wenigstens ein Loch auf weisende Isolationsschicht befindet, wobei die Bodenfläche und wenigstens ein Teil der Seitenflächen des Lochs mit einem elektrisch leitenden Material bedeckt sind, und bei der sich wenigstens die erste Kondensatorplatte in Kontakt mit einer weiteren Schicht aus einem dielektrischen Material befindet.

Die Erfindung sieht also vor, eine integrierte elektrische Schaltung zu schaffen, bei der zwischen zwei leitenden Schichten einerseits an dafür vorgesehenen Stellen eine Kon taktierung erfolgt und bei der andererseits in den mit einer dielektrischen Schicht versehenen Flächenbereichen Kondensa toren ausgebildet sind. In den Bereichen, in den Kondensato ren ausgebildet sind, ist eine Isolationsschicht mit Löchern und eine weitere Schicht aus einem dielektrischen Material angeordnet. Eine der Kondensatorplatten befindet sich in ei nem unmittelbaren Kontakt mit dieser dielektrischen Schicht.

Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit ist es zweckmäßig, die integrierte elektrische Schaltung so auszugestalten, daß die Kontaktfläche zwischen der ersten Kondensatorplatte und der weiteren Schicht die gesamte der zweiten Kondensator platte zugewandten Oberfläche der ersten Kondensatorplatte einnimmt. Dies bedeutet, daß die erste Kondensatorenplatte vollständig im Kontakt mit der dielektrischen Schicht ist.

Die dielektrische Schicht kann - ebenso wie die weiteren in der integrierten Schaltung vorkommenden Schichten - nach ei nem der üblichen Schichterzeugungsverfahren, beispielsweise einem CVD-Verfahren (CVD = Chemical Vapour Deposition), durch Sputtern oder durch Ionenimplantation hergestellt werden. Die Herstellbarkeit der dielektrischen Schicht mit einem der be kannten Verfahren der Schichterzeugung hat den Vorteil, daß eine genau definierte gleichbleibende Schichtdicke realisiert werden kann. Bei ausreichender lateraler Ausdehnung der Lö cher gilt dies wegen der dann vorhandenen Planarität ihrer Metallfüllung.

Neben der Dicke der dielektrischen Schicht ist ihre laterale Ausdehnung eine weitere kritische Größe. Wenn die Flächenab messung der dielektrischen Schicht kleiner ist als die der Kondensatorplatte, an der sie anliegt, tritt eine unerwünscht große Kapazitätsänderung auf.

Bei den Verfahren der Schichtenerzeugung ist es möglich, daß aufgrund von Ungenauigkeiten die dielektrische Schicht und die die Kondensatorplatte bildende elektrisch leitfähige Schicht nicht deckungsgleich übereinanderliegen. Daher ist es zweckmäßig, daß die weitere Schicht geringfügig größere Flä chenabmessung aufweist als die Kondensatorplatte, an der sie anliegt. In diesem Fall ist auch bei einer geringfügigen Ver schiebung der Relativpositionen zwischen der Kondensator platte und der an ihr anliegenden dielektrischen Schicht die gesamte Kondensatorfläche von dem Dielektrikum bedeckt. Da überstehende Anteile der dielektrischen Schicht die Kapazität nur unwesentlich beeinträchtigen, ist es so möglich, eine ge nau definierte Kapazität des Kondensators sicherzustellen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist außer halb des Kondensators die dielektrische Schicht entfernt. In diesem Fall kann die obere elektrisch leitende Schicht gleichzeitig als Verdrahtungsebene dienen. Hierfür ist an den Stellen, an denen keine Kapazität gewünscht ist, die dielek trische Schicht entfernt, um eine Kontaktierung über die mit einem leitfähigen Material gefüllten Löcher (Plugs) zu ermög lichen. Hierdurch wird eine Verbindung zu der in der unteren Metallschicht gebildeten Verdrahtungsebene ermöglicht.

Eine hohe Dielektrizitätskonstante ( des verwendeten Materials hat den Vorteil, daß sich die geforderte Kapazität des Kon densators mit einer geringeren Kondensatorfläche realisieren läßt.

Die Auswahl der Materialien für die dielektrische Schicht ist deshalb sehr aufwendig, weil gleichzeitig eine Vielfalt von Anforderungen erfüllt sein müssen. So muß das Schichtmaterial neben einer hohen Dielektrizitätskonstante ( weiterhin eine möglichst hohe erreichbare maximale Feldstärke, gute Isola tionseigenschaften und eine gute Herstellbarkeit aufweisen. Ferner muß die Kapazität des Kondensators im gesamten Bereich der eingesetzten Spannungen konstant bleiben; diese für ma kroskopische Kondensatoren leicht erfüllbare Bedingung ist hier wesentlich schwerer zu erfüllen, da hier wegen des ge ringen wirksamen Abstandes der Kondensatorplatten wesentlich höhere elektrische Feldstärken auftreten. Insbesondere Ni tridschichten sind für den Aufbau der dielektrischen Schicht den erfindungsgemäßen Schaltungen besonders geeignet. Bei spielhaft sei hier Siliziumnitrid Si3N4 genannt.

Besonders zweckmäßig ist es, Schichtdicken von weniger als 35 nm zu wählen. Derartige Schichten können jedoch auch mit ei ner kleineren Dicke als 10 nm hergestellt werden. Beim Bei spiel von Si3N4 ist jedoch zu beachten, daß es bei einer Schichtdicke von weniger als 2 nm kein guter Isolator mehr ist, weil es bei dieser und bei geringeren Dicken zu Tunnel strömen kommen kann. Da die Tunnelströme das Isolationsver halten beeinträchtigen, sollte die Dicke der Schicht generell 2 nm nicht unterschreiten. Eine derartige Untergrenze ist auch erforderlich, weil ansonsten bereits Dickenschwankungen der Schicht von wenigen Atomlagen einen großen relativen Ein fluß auf die Kapazität haben.

Weitere Besonderheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nach folgenden Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Die Zeichnung zeigt einen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine Halbleiterstruktur.

Eine strukturierte untere Metallschicht 2, die beispielsweise aus einer Aluminium-Legierung besteht, ist auf einer nicht dargestellten Isolationsschicht aufgebracht. Zwischen der Me tallschicht 2 und dem Halbleitersubstrat können sich weitere, gleichfalls nicht dargestellte Schichten befinden.

In nicht dargestellten Flächenbereichen der Schaltung ist die untere Metallschicht 2 als elektrische Verbindungsebene aus gebildet. So ist es möglich, die Kontaktierungsfunktion und die unteren Kondensatorplatten allein durch die Metallschicht 2 zu realisieren. Oberhalb der Metallschicht 2 befindet sich eine 600 bis 900 nm dicke Isolationsschicht 3, in die ein großes Loch 5 und ein kleines Loch 6 geätzt wurden. Die Lö cher 5 und 6 sind vollflächig mit einem leitfähigen Metall, vorzugsweise einer Wolfram-Legierung, gefüllt, wobei eine deutliche Vertiefung in dem Loch 5 auftritt. In unmittelbarem Kontakt mit der Isolationsschicht 3 und den Metallfüllungen der Löcher 5 und 6 befindet sich eine 20 nm dicke dielektri sche Schicht 7 aus Siliziumnitrid (Si3N4). Die dielektrische Schicht 7 befindet sich auf ihrer oberen Oberfläche mit einer oberen Metallschicht 4 in Kontakt.

Die obere Metallschicht 4 kann beispielsweise gleichfalls wie die untere Metallschicht 2 aus einer Aluminium-Legierung be stehen. Sie kann jedoch auch durch ein Schichtsystem, bei spielsweise mit der Schichtenfolge Ti/TiN/AlSixCuy/TiN gebil det sein. Die obere Metallschicht 4 kann ebenso wie die un tere Metallschicht 2 in weiteren Teilen der Schaltung als elektrische Verbindungsebene ausgebildet sein. So ist es mög lich, wenigstens eine der beiden Metallschichten 2 und 4 mehrfach zu nutzen. Zu dieser mehrfachen Nutzung ist es le diglich erforderlich, in ausgewählten Flächenbereichen die dielektrische Schicht 7 aufzubringen. Auf diese Weise ist es möglich, Kondensatoren vorzusehen für deren Herstellung nur die Abscheidung einer einzigen zusätzlichen Schicht - dies ist die dielektrische Schicht 7 - in einzelnen Flächenberei chen erforderlich ist.

Die Löcher 5, 6 werden als vollflächig gefüllt bezeichnet, wenn ihre seitlichen Randflächen bis zu ihrem oberen Rand in Kontakt mit der in ihnen befindlichen Metallfüllung stehen. Als Folge der Abscheide- und Planarisierungsprozesse ist es möglich, daß diese Randflächen vollständig bedeckt sind, wäh rend der Füllstand der Metallfüllung im Inneren der Löcher 5 und 6 nicht bis zu der vollen Höhe der Randbereiche der Lö cher 5 und 6 reicht. Diese Absenkung beziehungsweise Vertie fung der Füllung wird auch als Rezeß oder recess bezeichnet. Bei kleinen Löchern oder solchen, die eine schmale Grabenform aufweisen, bildet sich nur ein geringfügiger recess aus, der weitgehend konstant ist. Hingegen kommt es bei großen Löchern oder breiten Gräben zu einer deutlichen Absenkung der Fül lung. Die sich ergebenden Randanteile müssen bei der Dimen sionierung des Bauelementes berücksichtigt werden.

Um den Einfluß der Randanteile auszuschalten, ist es zweckmä ßig, den Durchmesser eines kreisförmigen Loches zwischen 200 nm und 500 nm zu wählen. Bei einem Graben mit einer beliebi gen Länge von mehreren (m (beispielsweise von 10 oder 20 (m) sollte die Breite gleichfalls zwischen 200 nm und 500 nm be tragen.

Eine Schaltung mit einem derartig aufgebauten Kondensator kann auf die folgende Weise hergestellt werden:
Auf die nicht dargestellte Isolationsschicht wird in einem Sputter-Verfahren die untere Metallschicht 2 hergestellt. Da nach werden eine Antireflexionsschicht und eine Photore sistschicht aufgetragen. Das Photoresist enthält ein Novolak-Harz, das für die Schichtbildung verantwortlich ist, eine photoaktive Verbindung wie Diazonaphthochinon sowie ein Lö sungsmittel. Danach erfolgt eine Belichtung mit UV-Strahlung unter Verwendung einer Maske. Nach dem Wegätzen des Photore sists und des überschüssigen Metalls wird die Isolations schicht 3 aufgetragen. Die Löcher 5, 6 werden anschließend durch reaktives Ionenätzen erzeugt. Die Reaktionsgase und die gasförmigen Reaktionsprodukte bilden eine Polyinerschicht. Diese kann an den senkrechten Flanken der Löcher 5, 6 zurück bleiben, weil hier die Neubildung des Polymers der Abtragung durch den Ionenbeschuß überwiegt. Die verbleibenden Löcher 5, 6 sind daher leicht trichterförmig. Sie werden mit einer Wolfram-Legierung gefüllt, die anschließend chemisch-mecha nisch poliert wird. Danach wird die dielektrische Schicht 7 abgeschieden. Mit Hilfe eines Photolithographieschrittes (Belacken, Belichten und Entwickeln) wird eine Lackmaske er zeugt. Durch eine anschließende naßchemische Ätzung wird die dielektrische Schicht 7 an den Stellen entfernt, wo sie nicht zur Kapazität beiträgt. Danach wird die Lackmaske entfernt. wird die obere Metallschicht 4 aufgesputtert. Die obere Metallschicht 4 wird dann mit einer Maske strukturiert, die mit der zur Strukturierung der unteren Metallschicht 2 ver wendeten Maske an dieser Stelle in etwa deckungsgleich ist. Durch die laterale Überlappung der Metallschichten 2, 4 wird die gewünscht Genauigkeit des Kondensators erzielt. Ferner werden so Streukapazitäten vermieden. Die Größe der an einem Loch gebildeten Kapazität hängt von der Flächenausdehnung des Lochs und dem Ausmaß des recess ab.

Das dargestellte Verfahren ist so ausgelegt, daß es auch bei Störeffekten wie der Linienbreitenstreuung bei dem Lithogra phieprozeß, bei isotropen Anteilen des Ätzprozesses, un gleichmäßiger Abscheidung der Schichten und den weiteren in der Serienfertigung auftretenden Parameterschwankungen eine Genauigkeit der Kapazität von wenigstens 200 ppm sicher stellt.

Bezugszeichenliste

2

untere Metallschicht

3

Isolationsschicht

4

obere Metallschicht

5

großes Loch

6

kleines Loch

7

dielektrische Schicht

Claims

1. Integrierte elektrische Schaltung mit wenigstens einem Kondensator,
wobei die erste Kondensatorplatte aus einer ersten elektrisch leitenden Schicht (4) und die zweite Kondensatorplatte aus einer zweiten elektrisch leitenden Schicht (2) besteht,
wobei sich zwischen den Kondensatorplatten (2, 4) eine wenig stens ein Loch (5, 6) aufweisende Isolationsschicht befindet,
wobei die Bodenfläche und wenigstens ein Teil der Seitenflä chen des Lochs (5, 6) mit einem elektrisch leitenden Material bedeckt sind,
und bei der sich wenigstens die erste Kondensatorplatte (4) in Kontakt mit einer weiteren Schicht (7) aus einem dielek trischen Material befindet.

2. Integrierte elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche zwischen der ersten Kondensatorplatte (4) und der weiteren Schicht (7) die gesamte der zweiten Konden satorplatte (2) zugewandte Oberfläche der ersten Kondensator platte (4) einnimmt.

3. Integrierte elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (7) geringfügig größere Flächenabmessun gen als die erste Kondensatorplatte aufweist.

4. Integrierte elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich außerhalb des Kondensators die weitere Schicht (7) entfernt wurde.

5. Integrierte elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (7) eine größere Dielektrizitätskon stante als SiO2 (3, 8) aufweist.

6. Integrierte elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (7) ein Nitrid enthält.

7. Integrierte elektrische Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die wei tere Schicht (7) Si3N4 enthält.

8. Integrierte elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der weiteren Schicht (7) kleiner als 35 nm ist.

9. Integrierte elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das in dem Loch (5, 6) befindliche elektrisch leitende Material in Kontakt mit der weiteren Schicht (7) befindet.

10. Integrierte elektrische Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die gesamte obere Oberfläche des in dem Loch (5, 6) be findlichen elektrischen Materials in Kontakt mit der weiteren Schicht (7) befindet.