DE19958907A1 - Verfahren zur Herstellung von Elektroden einer mikromechanischen oder mikroelektronischen Vorrichtung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Elektroden einer mikromechanischen oder mikroelektronischen VorrichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden in einer mikromechanischen oder mikroelektronischen Vorrichtung mit den Schritten: Herstellung einer formgebenden Stützstruktur (100, 200, 300) in oder auf einem Substrat (10); Vergrößern der Oberfläche der formgebenden Stützstruktur (100, 200, 300) und Abformen der Elektroden (150, 250, 350) unter Verwendung der oberflächenvergrößerten formgebenden Stützstruktur (100, 200, 300).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel
lung von Elektroden in einer mikromechanischen oder mikro
elektronischen Vorrichtung.
Obwohl auf beliebige mikromechanischen oder mikroelektroni
schen Vorrichtung anwendbar, werden die vorliegende Erfindung
sowie die ihr zugrundeliegende Problematik anhand einer Sta
pelkondensators einer Halbleitervorrichtung erläutert.
Solche Stapelkondensatoren, die insbesondere bei DRAMs Ver
wendung finden, sollen eine möglichst große Kapazität auf
weisen, welche wiederum direkt proportional zur Elektroden
fläche ist.
Neben der Elektrodenfläche des Kondensators und dem verwende
ten Dielektrikum spielen jedoch für die resultierende Kapazi
tät auch die Elektrodenmaterialien eine entscheidende Rolle.
Durch Wahl eines geeigneten Elektrodenmaterials lässt sich
die erreichbare Kapazität erhöhen. Bei Verwendung von Ta2O5
lässt sich beispielsweise etwa die doppelte Kapazität errei
chen, wenn an Stelle von Polysilizium ein Metall (z. B. Wolf
ramnitrid) verwendet wird. Darüberhinaus erfordern gewisse
Dielektrika mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante (z. B. BST
= Barium-Strontium-Titanat) Elektroden aus Materialien, die
sich teilweise nur schwer strukturieren lassen (z. B. Metalle,
wie Pt und Ir, sowie verschiedene leitende Oxide wie IrO2
oder leitfähige Keramikmaterialen wie SrRuO.
Zur Herstellung der Elektroden von Stapelkondensatoren findet
in den heutzutage üblichen Prozessen vorwiegend Polysilizium
Verwendung, da sich mit den bislang verfügbaren Prozessen nur
mit diesem Material eine ausreichend aufgerauhte Kondensator
fläche erzielen lässt. Polysilizium zeichnet sich dadurch
aus, dass es beispielsweise durch HSG-Bildung (HSG = Hemi
spherical Grain) eine beträchtliche Oberflächenvergrößerung
erfahren kann. Für metallische Elektrodenmaterialien ist bis
her kein ähnliches Verfahren zur Oberflächenvergrößerung be
kannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah
ren zur Herstellung von Elektroden in einer mikromechanischen
oder mikroelektronischen Vorrichtung anzugeben, welches die
Realisierung einer vergrößerten Elektrodenfläche bei Elektro
denmaterialien ermöglicht, die selbst hinsichtlich der gewün
schten Oberflächenvergrößerung schwer strukturierbar sind.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht
darin, daß ein Oberflächenvergrößerungsprozeß, wie z. B. ein
Aufrauhprozeß, mit einem Abform- bzw. Ausfüllverfahren kombi
niert wird, um eine abgeformte Elektrodenstruktur zu bilden.
Als Stützstrukturen werden Materialien verwendet, die sich
auf bekannte Weise oberflächenvergrößern lassen. So läßt sich
die vergrößerte Oberfläche auch auf Elektrodenmaterialien
übertragen, die sich nicht auf einfache Weise oberflächenver
größern lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des An
spruchs 1 weist gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den
besonderen Vorteil auf, daß sich die guten Eigenschaften be
stimmter Elektrodenmaterialien mit den bewährten Technologien
zur Oberflächenvergrößerung synergetisch nutzen lassen.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildun
gen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Verfah
rens.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird eine Positivabfor
mung durchgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt die
Positivabformung durch die Schritte: Bilden der oberflächen
vergrößerten formgebenden Stützstruktur an der Oberfläche des
Substrats; Auffüllen der oberflächenvergrößerten formgebenden
Stützstruktur mit einem Füllmaterial; Freilegen der Oberseite
der aufgefüllten oberflächenvergrößerten formgebenden Stütz
struktur; Entfernen der oberflächenvergrößerten formgebenden
Stützstruktur von der freigelegten Oberseite her zur Bildung
von Hohlräumen; und Ausfüllen der Hohlräume mit dem Elektro
denmaterial zur Bildung der Elektroden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Aus
füllen der Hohlräume mit dem Elektrodenmaterial derart durch
geführt, daß zuerst die gesamte Oberfläche bedeckt wird und
dann das Elektrodenmaterial bis zur Oberseite bzw. auf das
Niveau des Füllmaterials entfernt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Aus
füllen der Hohlräume mit dem Elektrodenmaterial derart durch
geführt, daß das Elektrodenmaterial von der Unterseite bis
zur Oberseite des Füllmaterials aufgewachsen wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das
Füllmaterial bei der Positivabformung entfernt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird eine Ne
gativabformung durchgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt die
Negativabformung durch die Schritte: Bilden der oberflächen
vergrößerten formgebenden Stützstruktur an der Oberfläche des
Substrats; und Ausfüllen der oberflächenvergrößerten formge
benden Stützstruktur mit dem Elektrodenmaterial.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Aus
füllen der Hohlräume mit dem Elektrodenmaterial derart durch
geführt, daß zuerst die gesamte Oberfläche bedeckt wird und
dann das Elektrodenmaterial bis auf das Niveau der Oberseite
der oberflächenvergrößerten formgebenden Stützstruktur ent
fernt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Aus
füllen der Hohlräume mit dem Elektrodenmaterial derart durch
geführt, daß das Elektrodenmaterial von der Unterseite bis
zur Oberseite der oberflächenvergrößerten formgebenden Stütz
struktur aufgewachsen wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das
Füllmaterial bei der Negativabformung entfernt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird zum Ver
größern der Oberfläche einer der folgenden Prozesse angewen
det: HSG-Bildung bei Polysilizium; Nukleationsinselwachstum,
insbesondere von Polysilizium auf amorpher Unterlage, wie
z. B. SiN oder SiO2; Bildung stehender Wellen in Photolack;
Mesosporen in Silizium.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird zum Aus
füllen einer der folgenden Prozesse angewendet wird: Chemi
sche Dampfphasenabscheidung CVD, ALCVD, galvanische Abschei
dung, Spin-On-Aufbringung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird zunächst,
z. B. im CVD-Verfahren ein erstes Elektrodenmaterial als dünne
Schicht in die formgebende Stützstruktur hinein abgeschieden.
Das verbleibende Volumen wird anschließend mit einem zweiten
Elektrodenmaterial aufgefüllt. Auch Mehrfachschichten aus
mehreren Elektrodenmaterialien können gebildet werden, bevor
das restliche Volumen mit dem zweiten Elektrodenmaterial auf
gefüllt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt das
Freilegen durch CMP oder Rückätzen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das
Elektrodenmaterial aus folgender Gruppe ausgewählt: Pt, Ir,
IrO2, Ru, RuO2, SrxRuyOz, W, WN, WSi, Ta, TaN, Ti, TiN, Mo,
MoN, Al.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er
läutert.
Es zeigen:
Fig. 1a-h eine erste Ausführungsform des erfindungsge
mäßen Verfahrens mit Positivabformung;
Fig. 2a-e eine zweite Ausführungsform des erfindungsge
mäßen Verfahrens mit Negativabformung; und
Fig. 3a-d eine dritte Ausführungsform des erfindungsge
mäßen Verfahrens mit Positivabformung und
galvanischer Abscheidung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder
funktionsgleiche Bestandteile.
Fig. 1a-h zeigen eine erste Ausführungsform des erfindungsge
mäßen Verfahrens mit Positivabformung.
Wie in Fig. 1a dargestellt, wird zunächst eine Polysilizium
struktur 100 auf einem Halbleitersubstrat 10 hergestellt,
welche rechteckige Gräben und Erhöhungen aufweißt. Die Erhö
hungen geben die spätere Elektrodenform vor.
Dann wird, wie in Fig. 1b dargestellt, die Oberfläche des Po
lysiliziums der Erhöhungen 100 durch HSG-Bildung mit einer
Vielzahl von Siliziumkörnern besetzt, was zu einer beträcht
lichen Oberflächenvergrößerung führt.
Gemäß Fig. 1c werden anschließend die Gräben bzw. Zwischen
räume mit einem Füllmaterial, zweckmäßigerweise SiO2 oder
SiN, aufgefüllt. Eine andere Möglichkeit für das Auffüllen
wäre ein Spin-On-Verfahren, wie etwa FOX (Flowable Oxide).
Im darauffolgenden Schritt wird, wie in Fig. 1d gezeigt, das
Füllmaterial 15 ganzflächig bis auf die Oberseite der Polysi
lizium-Erhöhungen 100 abgetragen. Hierzu eignet sich bei
spielsweise ein CMP-Prozess (CMP = Chemical Mechanical Poli
shing) oder Rückätzen mittels ionengestützter Verfahren.
Danach wird, wie Fig. 1e dargestellt, das Polysilizium der
Polysilizium-Erhöhungen 100 aus der Stützstruktur, welche
durch das Füllmaterial 15 gebildet wird, herausgelöst. Dazu
geeignet sind nass-chemische oder plasmachemische Ätzverfah
ren.
Wie in Fig. 1f gezeigt, wird dann das gewünschte Elektroden
material 150 beispielsweise in einem CVD-Prozess (CVD = Che
mical Vapor Deposition), in die so entstandene Form einge
füllt.
Als nächstes findet eine Abtragung des Elektrodenmaterials
ganzflächig bis auf das formgebende Material 15 hinunter
statt, um die Elektroden 150 zu separieren. Dies kann durch
einen weiteren CMP-Prozess bzw. durch eine Rückätzung bewerk
stelligt werden. Daraus resultiert die in Fig. 1g gezeigte
Struktur.
Schließlich kann das sich noch zwischen den Elektroden be
findliche Füllmaterial 15 durch einen Ätzprozess herausgelöst
werden (z. B. nasschemisch oder plasmagestützt), um das ge
wünschte Elektrodenarray zu erhalten, wie es in Fig. 1h illu
striert ist.
Fig. 2a-e zeigen eine zweite Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Verfahrens mit Negativabformung.
Gemäß Fig. 2a wird bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ge
nauso wie beim ersten Ausführungsbeispiel eine Polysilizium-
Struktur 200 mit Gräben und Erhöhungen gebildet, indem bei
spielsweise in eine ganzflächig abgeschiedene Polysilizium
schicht Löcher mittels einer Ätzmaske hineingeätzt werden.
Danach wird die Oberfläche der Erhöhungen 200 durch einen
HSG-Prozess aufgerauht, um eine wesentlich vergrößerte Ober
fläche zu erhalten, wie in Fig. 2b gezeigt.
Gemäß Fig. 2c wird dann das gewünschte Elektrodenmaterial 250
beispielsweise in einem CVD-Prozess in die so entstandene
Form eingefüllt.
Im nächsten Schritt wird das Elektrodenmaterial 250 ganzflä
chig bis auf die formgebende Polysilizium 200 hinunter abge
tragen, beispielsweise durch einen CMP-Prozess oder durch eine
Rückätzung, um die in Fig. 2d gezeigte Struktur zu erhal
ten.
Im letzten Schritt kann dann analog zur ersten Ausführungs
form das formgebende Polysilizium zwischen den Elektroden 250
herausgelöst werden (nasschemisch oder plasmagestützt) um das
gewünschte Elektrodenarray in Negativabformung zu erhalten,
wie es in Fig. 2e gezeigt ist.
In einer leichten Abwandlung der zuvor beschriebenen Ausfüh
rungsformen können für die Ausgangsschicht in die die Löcher
hineingeätzt werden, auch andere Materialen, auch beispiels
weise SiO2, an Stelle des Polysiliziums verwendet werden. Die
Oberflächenaufrauhung kann dann durch konventionelle oder ab
gewandelte HSG-Bildung auf SiO2 vorgenommen werden. Beim Her
auslösen des formgebenden Materials am Ende muss dann aller
dings darauf geachtet werden, dass zwei verschiedene Materia
lien entfernt werden müssen.
Fig. 3a-d zeigen eine dritte Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Verfahrens mit Formauffüllung durch galvanische Ab
scheidung.
Bei der in Fig. 3a bis d gezeigten Ausführungsform wird das
Elektrodenmaterial 350 zwischen den Stützstrukturen 300 durch
galvanische Abscheidung in der zuvor gebildeten Form aufge
wachsen. Dies eignet sich besonders für bestimmte Metalle,
wie z. B. Platin. Zusätzlich ist hierfür allerdings eine Keim
schicht 12 unter der formgebenden Schicht und auf dem Sub
strat 10 notwendig. Diese Keimschicht 12 muss am Ende des
Verfahrens, wie Fig. 3d gezeigt, durch einen geeigneten ani
sotropen Ätzschritt wieder entfernt werden, um einen Kurz
schluss zwischen den verschiedenen Elektroden 350 zu vermei
den.
Insbesondere wird bei der dritten Ausführungsform ein photo
lithographisch strukturierter Photolack 300 als formgebende
Schicht verwendet. Die Oberflächenvergrößerung kann in diesem
Fall z. B. durch Ausnutzung stehender Wellen erfolgen, die im
Photolack ein typisches wellenartiges Seitenwandprofil hin
terlassen, das durch den Füllprozess auf die Elektrodenstruk
turen übertragbar ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzug
ter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf
nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizier
bar.
Obwohl im vorigen das Ausfüllen mit dem Elektrodenmaterial
als einstufiger Prozeß beschrieben wurde, kann auch an mehr
stufige Prozesse gedacht werden. Insbesondere kommen Prozesse
in Frage, bei denen zunächst eine dünne Oberflächenschicht in
die Form hinein abgeschieden wird. Das Volumen kann dann an
schließend mit einem anderen Elektrodenmaterial aufgefüllt
werden. Mehrfachschichten sind ebenfalls denkbar. ALCVD (Ato
mic Layer - CVD) ist eine ebenfalls einsetzbare Abscheide
technik.
100
,
200
,
300
formgebende Struktur
10
Substrat
15
Füllmaterial
150
,
250
,
350
Elektrodenmaterial
12
Keimschicht
Claims (16)
1. Verfahren zur Herstellung von Elektroden in einer mikro
mechanischen oder mikroelektronischen Vorrichtung mit den
Schritten:
Herstellung einer formgebenden Stützstruktur (100, 200, 300) in oder auf einem Substrat (10);
Vergrößern der Oberfläche der formgebenden Stützstruktur (100, 200, 300); und
Abformen der Elektroden (150, 250, 350) unter Verwendung der oberflächenvergrößerten formgebenden Stützstruktur (100, 200, 300).
Herstellung einer formgebenden Stützstruktur (100, 200, 300) in oder auf einem Substrat (10);
Vergrößern der Oberfläche der formgebenden Stützstruktur (100, 200, 300); und
Abformen der Elektroden (150, 250, 350) unter Verwendung der oberflächenvergrößerten formgebenden Stützstruktur (100, 200, 300).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Positivabformung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die
Schritte:
Bilden der oberflächenvergrößerten formgebenden Stützstruktur an der Oberfläche des Substrats;
Auffüllen der oberflächenvergrößerten formgebenden Stütz struktur mit einem Füllmaterial;
Freilegen der Oberseite der aufgefüllten oberflächenvergrö ßerten formgebenden Stützstruktur;
Entfernen der oberflächenvergrößerten formgebenden Stütz struktur von der freigelegten Oberseite her zur Bildung von Hohlräumen; und
Ausfüllen der Hohlräume mit dem Elektrodenmaterial zur Bil dung der Elektroden.
Bilden der oberflächenvergrößerten formgebenden Stützstruktur an der Oberfläche des Substrats;
Auffüllen der oberflächenvergrößerten formgebenden Stütz struktur mit einem Füllmaterial;
Freilegen der Oberseite der aufgefüllten oberflächenvergrö ßerten formgebenden Stützstruktur;
Entfernen der oberflächenvergrößerten formgebenden Stütz struktur von der freigelegten Oberseite her zur Bildung von Hohlräumen; und
Ausfüllen der Hohlräume mit dem Elektrodenmaterial zur Bil dung der Elektroden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ausfüllen der Hohlräume mit dem Elektrodenmaterial derart
durchgeführt wird, daß zuerst die gesamte Oberfläche bedeckt
wird und dann das Elektrodenmaterial von oben her bis zur
Oberseite des Füllmaterials entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ausfüllen der Hohlräume mit dem Elektrodenmaterial derart
durchgeführt wird, daß das Elektrodenmaterial von der Unter
seite bis zur Oberseite des Füllmaterials aufgewachsen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, gekennzeichnet
durch den Schritt des Entfernens des Füllmaterials.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Negativabformung durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die
Schritte:
Bilden der oberflächenvergrößerten formgebenden Stützstruktur an der Oberfläche des Substrats; und
Ausfüllen der oberflächenvergrößerten formgebenden Stütz struktur mit dem Elektrodenmaterial.
Bilden der oberflächenvergrößerten formgebenden Stützstruktur an der Oberfläche des Substrats; und
Ausfüllen der oberflächenvergrößerten formgebenden Stütz struktur mit dem Elektrodenmaterial.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ausfüllen der Hohlräume mit dem Elektrodenmaterial derart
durchgeführt wird, daß zuerst die Oberfläche bedeckt wird und
dann das Elektrodenmaterial bis zur Oberseite der oberflä
chenvergrößerten formgebenden Stützstruktur entfernt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ausfüllen der Hohlräume mit dem Elektrodenmaterial derart
durchgeführt wird, daß das Elektrodenmaterial von der Unter
seite bis zur Oberseite der oberflächenvergrößerten formge
benden Stützstruktur aufgewachsen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, gekennzeichnet
durch den Schritt des Entfernens des Füllmaterials.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß zum Vergrößern der Oberfläche einer
der folgenden Prozesse angewendet wird: HSG-Bildung bei Poly
silizium; Nukleationsinselwachstum, insbesondere von Polysi
lizium auf amorpher Unterlage, wie z. B. SiN oder SiO2; Bil
dung stehender Wellen in Photolack; Mesosporen in Silizium.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß zum Ausfüllen einer der folgenden Prozesse
angewendet wird: Chemische Dampfphasenabscheidung CVD, ALCVD,
galvanische Abscheidung, Spin-On-Aufbringung.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß mindestens ein erstes Elektrodenma
terial als dünne Schicht in die formgebende Stützstruktur
hinein abgeschieden wird und das verbleibende Volumen an
schließend mit einem zweiten Elektrodenmaterial aufgefüllt
wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Freilegen durch CMP oder Rückätzen er
folgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial aus folgen
der Gruppe ausgewählt wird: Pt, Ir, IrO2, Ru, RuO2, SrxRuyOz,
W, WN, WSi, Ta, TaN, Ti, TiN, Mo, MoN, Al.
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