DE3840410A1 - Integrierbare kondensatorstruktur - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierbare Kondensatorstruktur mit einem Substrat, auf dem zwei durch ein Dielektrikum beabstandete Kondensatorelektrodenschich­ ten liegen.

Mit anderen Worten befaßt sich die Erfindung mit einer zur Integration in eine integrierte Schaltung geeigneten Kon­ densatorstruktur.

Es ist insbesondere bei integrierten Analogschaltungen be­ kannt, Kondensatoren in die Schaltungen zu integrieren. Für eine derartige Integration von Kondensatoren in inte­ grierte Schaltungen kommen im wesentlichen zwei verschie­ dene Technologievarianten zum Einsatz.

Bei einer ersten Technologievariante liegt der Kondensator zwischen einer in ein n⁺-dotiertes Siliziumsubstrat diffundierten unteren Elektrode und einer oberen, aus Aluminium bestehenden Elektrode, wobei zwischen den beiden Elektroden ein Dielektrikum liegt, das aus Siliziumdioxid besteht. Die untere, in das Silizium diffundierte Elek­ trode dieses bekannten Kondensators bewirkt einerseits eine große parasitäre Kapazität zum Substrat und weist andererseits einen unerwünscht hohen Serienwiderstand der unteren, dem Substrat zugewandten Elektrode auf.

Bei der anderen Technologievariante wird der Kondensator durch zwei aus einer ersten und zweiten Polysilizium­ schicht bestehenden Elektrodenschichten mit einem aus thermischem Oxid (SiO₂) bestehenden Dielektrikum gebildet. Die Erzeugung dieses Kondensators erfordert ein zweifaches Abscheiden des Polysiliziums, was zu einem erheblichen Herstellungsaufwand führt. Das thermische SiO₂, das das Dielektrikum bildet, muß auf der ersten Schicht der Poly­ siliziumabscheidung aufwachsen. Das thermische SiO₂ ist aufgrund der Textur des Polysiliziums von nur niedriger Spannungsfestigkeit, so daß bei gegebener Spannungsfestig­ keit des Kondensators größere Dicken der das Dielektrikum bildenden Oxidschicht benötigt werden. Durch die Dicke der Oxidschicht ist die Kapazität pro Flächeneinheit dieses bekannten Kondensators niedrig.

Aus der Fachveröffentlichung "W. J. Helms, Fabrication of NMOS Capacitors ...", IEEE, Band EDL-6, Nr. 1, Januar 1985, Seiten 57 bis 57, sind verschiedene Strukturen für integrierbare Kondensatoren bekannt. Es werden übliche Strukturen der beiden Kondensatorhaupttypen erläutert, die im NMOS-Verfahren herstellbar sind, nämlich der Dünnoxid­ kondensator, der im wesentlichen aus der Gate-Kapazität eines Verarmungstransistors gebildet wird, und der Metall- Dickoxid-Diffusionskondensator. Bei dem letztgenannten Dickoxid-Kondensator liegt auf einem Substrat eine mit chemischer Dampfabscheidung aufgewachsene Schicht aus Siliziumdioxid, auf der eine erste Elektrodenschicht liegt, die von der darüberliegenden Metallelektrode durch eine weitere, mit chemischer Dampfabscheidung aufgebrachte Schicht von Siliziumdioxid beabstandet ist. Die dem Sub­ strat zugewandte Elektrode wird, soweit dies der Entgegen­ haltung zu entnehmen ist, für beide der obenerwähnten Kon­ densatortypen durch eine Diffusionsschicht mit vergleichs­ weise hohem Serienwiderstand gebildet. Soweit dies der Entgegenhaltung ferner entnommen werden kann, muß davon ausgegangen werden, daß die beiden, in dieser Entgegen­ haltung erläuterten Kondensatortypen relativ hohe Schicht­ dicken erfordern, was zu unerwünscht großen topologischen Stufen innerhalb der integrierten Schaltung führt.

Aus der US-PS 43 66 455 sind Verstärkerschaltungen mit ge­ schalteten Kapazitäten, Filterschaltungen mit geschalte­ ten Kapazitäten sowie Ladungsübertragungsfilter mit Ver­ stärkern mit geschalteten Kapazitäten bekannt. Eine aus dieser Druckschrift bekannte Kondensatorstruktur umfaßt eine erste Elektrode, die an der Oberseite eines Substra­ tes und unterhalb einer Siliziumdioxidschicht liegt, wobei eine zweite und dritte Elektrodenschicht innerhalb der Siliziumdioxidschicht eingebettet sind, welche ihrerseits von einer vierten Elektrodenschicht abgedeckt wird. Die zweite und vierte Elektrodenschicht sind zu einem Anschluß zusammengefaßt, während die dritte Elektrodenschicht den anderen Anschluß bildet. Diese bekannte Kondensatorstruk­ tur dient zum Absenken parasitärer Effekte und zum Erhöhen der Verstärkung der betreffenden Verstärker mit geschalte­ ten Kapazitäten. Aufgrund der Komplexität dieser bekannten Kondensatorstruktur wird diese Struktur nur bei Verstär­ kern mit geschalteten Kapazitäten eingesetzt. Da die Elek­ troden der Kondensatorstruktur aus polykristallinem Sili­ zium bestehen, weisen sie einen vergleichsweise hohen, unerwünschten Serienwiderstand auf.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kondensatorstruktur der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß diese bei niedrigen parasitären Kapazitäten und einer hohen Ka­ pazität pro Flächeneinheit einfach herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine integrierbare Kondensator­ struktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit dem im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Merkmal gelöst.

Durch die Anordnung der dem Substrat zugewandten Konden­ satorelektrodenschicht auf einer isolierenden Schicht oberhalb des Substrates wird die zwischen dem Substrat und dieser Kondensatorelektrodenschicht wirkende parasitäre Kapazität erheblich reduziert. Aufgrund der erfindungsge­ mäßen Ausgestaltung der dem Substrat zugewandten Konden­ satorelektrodenschicht aus TiN kann diese Elektrode mit einem erheblich verminderten parasitären Serienwiderstand trotz niedriger Elektrodendicke ausgebildet werden. So ist es bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel reali­ siert worden, die Elektrode mit einer Dicke von 0,1 Mikro­ meter bei einer um den Faktor 2,5 höheren Leitfähigkeit verglichen mit einer 0,5 Mikrometer dicken Polysilizium­ elektrode nach dem Stand der Technik auszubilden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der unteren Elektrode wird nicht nur deren parasitärer Serienwider­ stand herabgesetzt, sondern auch die Höhe topologischer Schaltungsstufen vermindert. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kondensators liegt darin, daß die Technologie der Herstellung von TiN-Schich­ ten als Mittel zur Herstellung zusätzlicher Verdrahtungs­ ebenen bereits beherrschbar ist, so daß die sonst oft auf­ tretenden Probleme bei der Einführung neuer Technologien bei der erfindungsgemäßen, integrierbaren Kondensator­ struktur ausbleiben.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Konden­ satorstruktur sind Gegenstand der Unteransprüche.

Von besonderer Bedeutung ist die erfindungsgemäße Ausbil­ dung des Dielektrikums aus Nitrid, da hierdurch bei aus­ reichender Spannungsfestigkeit niedrige Schichtdicken des Dielektrikums und somit hohe Kapazitäten pro Flächenein­ heit ermöglicht werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beilie­ genden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

die einzige Figur eine Querschnittsdarstellung einer Aus­ führungsform einer integrierbaren Kondensatorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wie der Figur zu entnehmen ist, umfaßt die integrierbare Kondensatorstruktur, die in ihrer Gesamtheit mit dem Be­ zugszeichen 1 bezeichnet ist, ein Substrat 2, eine Feld­ oxidschicht 3 und eine Zwischenoxidschicht 4, welche der Isolation dient. Auf der Zwischenoxidschicht 4 ist die aus TiN bestehende untere Kondensatorelektrodenschicht 5 an­ geordnet, oberhalb der eine Dielektrikumschicht 6 liegt. Eine obere Kondensatorelektrodenschicht 7 überdeckt die Dielektrikumschicht 6 derart, daß sie oberhalb eines Groß­ teiles der unteren Kondensatorelektrodenschicht 5 angeord­ net ist. Der sowohl von der unteren, wie auch von der oberen Kondensatorelektrodenschicht 5, 7 überdeckte Be­ reich 8 bildet die wirksame Kondensatorstruktur.

Außerhalb des von der oberen Kondensatorelektrodenschicht 7 überdeckten Bereiches weist die Dielektrikumschicht 6 eine Ausnehmung 9 auf, an der eine Anschlußschicht 10 mit der unteren Kondensatorelektrodenschicht Kontakt nimmt. Sowohl die Anschlußschicht 10 als auch die obere Konden­ satorelektrodenschicht 7 bestehen vorzugsweise aus Al-Si.

Die Dielektrikumschicht 6 besteht aus Nitrid, vorzugsweise aus einem im Niederdruckverfahren abgeschiedenen Silizium­ nitrid Si₃N₄. Die Schichtdicke dieser Schicht liegt bei 20 nm bis 100 nm, vorzugsweise bei etwa 50 nm. Eine 50 nm dicke Schicht aus Siliziumnitrid weist eine Spannungs­ festigkeit von 20 V auf.

Die Oxidschicht 3, 4 hat eine Dicke von 0,5 bis 2 Mikro­ meter, vorzugsweise von etwa 1,5 Mikrometer.

Die Dicke der unteren Kondensatorelektrodenschicht 5 be­ trägt 50 nm bis 300 nm, vorzugsweise etwa 100 nm.

Das Verfahren zur Herstellung dieser erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur 1 kann mit Standardgeräten der Halb­ leiterindustrie durchgeführt werden. So kann beispiels­ weise die untere Kondensatorelektrodenschicht 5 aus TiN auf die Oxidschicht 3, 4 aufgesputtert werden und mittels Photolithographie und Plasmaätzen strukturiert werden. Das Abscheiden der Nitrid-Dielektrikumschicht 6 erfolgt im Niederdruckverfahren. Die Ausnehmung 9 zur unteren Konden­ satorelektrodenschicht 5 wird wiederum mittels Photolitho­ graphie und Plasmaätzen erzeugt. Die Herstellung der oberen Kondensatorelektrodenschicht sowie der Anschluß­ schicht 10 aus Al-Si stellt kein technologisches Problem dar.

In Abweichung von der gezeigten Struktur können die Feld­ oxidschicht und die Zwischenoxidschicht 4 durch eine Schicht aus einem anderen isolierenden Material ersetzt werden. Gleichfalls kommen beliebige andere leitfähige Werkstoffe als Al-Si für die obere Kondensatorlelektroden­ schicht 7 sowie für die Anschlußschicht 10 in Betracht.

Claims (8)

1. Integrierbare Kondensatorstruktur mit einem Substrat (2), auf dem zwei durch ein Dielek­ trikum (6) beabstandete Kondensatorelektrodenschichten (5, 7) liegen, wobei zwischen der dem Substrat (2) zugewandten Kon­ densatorelektrodenschicht (5) und dem Substrat (2) eine isolierende Schicht (3, 4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Substrat (2) zugewandte Kondensator­ elektrodenschicht (5) aus TiN besteht.

2. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dielektrikum (6) aus Nitrid besteht.

3. Kondensatorstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Nitrid ein im Niederdruckverfahren abgeschie­ denes Siliziumnitrid (Si₃N₄) ist.

4. Kondensatorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht eine Oxidschicht (3, 4) ist.

5. Kondensatorstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oxidschicht (3, 4) aus einer auf dem Substrat (2) angeordneten Feldoxidschicht (3) und einer auf der Feldoxidschicht (3) angeordneten Zwischenoxidschicht (4) besteht.

6. Kondensatorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der isolierenden Schicht (3, 4) 0,5 bis 2 Mikrometer, vorzugsweise etwa 1,5 Mikrometer be­ tragt.

7. Kondensatorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dem Substrat (2) zugewandten Konden­ satorelektrodenschicht (5) 50 nm bis 300 nm, vorzugs­ weise etwa 100 nm beträgt.

8. Kondensatorstruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die Dicke der Nitridschicht 20 nm bis 100 nm, vor­ zugsweise etwa 50 nm beträgt.