DE19958907A1 - Verfahren zur Herstellung von Elektroden einer mikromechanischen oder mikroelektronischen Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Elektroden einer mikromechanischen oder mikroelektronischen Vorrichtung

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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.
ZEICHNUNGEN
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.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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.
Bezugszeichenliste
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).
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.
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.
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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