DE69621011T2

DE69621011T2 - Kondensator für eine integrierte schaltung

Info

Publication number: DE69621011T2
Application number: DE69621011T
Authority: DE
Inventors: C. Ng; Mukul Saran
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: CA2214123C; EP0813752A1; EP0813752B1; JP4382876B2; DE69621011D1; US5583359A; CA2214123A1; WO1996027907A1; JPH11501159A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Kondensatorstruktur für eine integrierte Schaltung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, mit spezieller Anwendung auf Kondensatoren für Anwendungen mit hohen Spannungen, hoher Frequenz und niedrigen Leckströmen.

Hintergrund der Erfindung

Üblicherweise umfassen Kondensatorstrukturen für integrierte Schaltungen entweder eine Kondensatorstruktur mit flachen Platten oder eine Graben-Kondensatorstruktur. Kondensatoren mit flachen Platten umfassen typischerweise erste und zweite Schichten aus leitendem Material, die so geformt sind, dass sie obere und untere Elektroden bilden, mit einer dazwischen liegenden Schicht aus einem dünnen Kondensatordielektrikum, wobei die Struktur von dem Substrat durch eine darunter liegende dielektrische Schicht isoliert ist, beispielsweise durch die Formung der Kondensatorstruktur über einer dicken Feldisolations-Oxidschicht. Die untere Elektrode umfasst typischerweise eine Schicht aus leitendem Material, beispielsweise Polysilizium, das andere Strukturen der integrierten Schaltung bildet, beispielsweise Gate-Elektroden oder Emitter-Strukturen von Transistoren. Die zweite (obere) Elektrode wird hierauf durch eine zweite leitende Schicht gebildet, typischerweise eine weitere Polysilizium-Schicht. Das Kondensatordielektrikum ist üblicherweise eine dünne Siliziumdioxid- oder Siliziumnitrid- Schicht. In letzterer Zeit werden andere dielektrische Materialien, unter Einschluss von Tantaloxid und ferroelektrischen Dielektrika für Kondensator-Dielektrika verwendet. Die letzteren erfordern jedoch üblicherweise spezielle Elektrodenmaterialien und Sperrschichten, um Reaktionen zwischen dem ferroelektrischen Dielektrikum und den Elektrodenmaterialien zu verhindern.
Grabenkondensatoren werden üblicherweise durch leitende und dielektrische Schichten gebildet, die in Grabenbereichen vorgesehen werden, die in dem Substrat ausgebildet sind, beispielsweise durch Mustergebung von konzentrisch angeordneten vertikalen Elektroden. Eine weitere Lösung für eine Grabenkondensatorstruktur ist in dem US-Patent 5 275 974 auf deb Namen von Ellul et al. beschrieben und beruht auf einem Verfahren zur Abscheidung von hinsichtlich ihrer Form übereinstimmenden Schichten von leitenden und dielektrischen Materialien innerhalb der Grabenbereiche, die dann durch chemisch-mechanisches Polieren eingeebnet werden, um koplanare Kontakte an jede Elektrode vorzusehen.
Es sind verschiedene andere Schemas zur Vergrößerung der Kapazität pro Einheitsfläche bekannt, beispielsweise ein gestapelter Metall-Isolator-Metall-Kondensator für einen DRAM, wie er in dem US-Patent 5 142 639 auf den Namen von Koyhama beschrieben ist. Das US-Patent 5189594 auf den Namen von Hoshiba beschreibt einen Kondensator mit kammförmigen Elektroden, die einander schneiden, um eine Vielzahl von einen kleinen Wert aufweisenden Kondensatoren zu schaffen, die parallel geschaltet sind. Beispiele von Mehrschicht-Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren sind in den japanischen Patentanmeldungen J6210467 auf den Namen von Katzumata und J59055049 auf den Namen von Suzuki beschrieben.
Sowohl bei ebene Platten aufweisenden als auch bei Graben-Kondensatoren ist jedoch die Dicke des Kondensator-Dielektrikums ein Hauptfaktor bei der Bestimmung der Kapazität pro Einheitsfläche. Es sind dünne Dielektrika erforderlich, um die Kapazität pro Einheitsfläche zu vergrößern, d. h. um eine kleinere Fläche aufweisende Kondensatoren zu ermöglichen, wie dies für eine hohe Dichte aufweisende integrierte Schaltungen erforderlich ist. Der Nachteil besteht darin, dass dünnere Dielektrika zu niedrigeren Durchbruchspannungen führen. Typische bekannte Kondensatorstrukturen mit dünnen Dielektrika, die für integrierte Schaltungen mit beispielsweise 3,3 V und 5 V verwendet werden, haben Durchbruchspannungen von ungefähr 16 V. Zum Betrieb von integrierten Schaltungen bei einer höheren Spannung, beispielsweise von 12 V, wie sie typischerweise für manche Telekommunikationsanwendungen verwendet werden, würde eine Durchbruchspannung von 16 V unzureichend sein.
Daher sind für die letztgenannten Anwendungen mit höherer Spannung andere Kondensatorstrukturen erforderlich, um eine verringerte Fläche aufweisende Bauteile mit einer hohen Kapazität und einer höheren Durchbruchspannung (ungefähr 100 V) zu schaffen. Weiterhin ist das Hochfrequenzverhalten in dem GHz-Bereich ebenfalls ein wichtiger Gesichtspunkt für Anwendungen von hoch entwickelten bipolaren integrierten CMOS-Schaltungen, beispielsweise für Telekommunikationsanwendungen.
Das US-Patent 5 208 725 von O. E. Akcasu vom 4. Mai 1993 beschreibt eine Kondensatorstruktur auf einem Halbleitersubstrat, die zwei Schichten von leitenden Streifen parallel zueinander auf dem gleichen Substrat aufweist, wobei die Streifen der zweiten Schicht über den leitenden Streifen der ersten Schicht liegen und im Wesentlichen kongruent hierzu sind, und wobei abwechselnde Streifen in jeder Schicht abwechselnd mit ersten und zweiten Noten verbunden sind, die zwei entgegengesetzte Knoten der Kondensatorstruktur derart bilden, dass jeder leitende Streifen der ersten Schicht und ein leitender Streifen der zweiten Schicht, der über dem leitenden Streifen der erste Schicht liegt, mit unterschiedlichen Knoten verbunden sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf die Schaffung einer Kondensatorstruktur für eine integrierte Schaltung gerichtet, die die oben erwähnten Probleme verringert oder beseitigt, mit spezieller Anwendung für Kondensatoren mit hoher Spannung, hoher Frequenz und niedrigem Leckstrom.
Somit wird entsprechend einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine Kondensatorstruktur für eine integrierte Schaltung geschaffen, die eine in mehreren Ebenen angeordnete Zwischenverbindungs-Metallisation mit einer Vielzahl von Schichten von leitender Metallisierung und Schichten von Zwischenschicht-Dielektrikum aufweist, wobei die Kondensatorstruktur Folgendes umfasst: eine Isolierschicht, auf der eine erste Elektrode gebildet ist, die teilweise durch eine erste Schicht einer leitenden Metallisierung gebildet ist; eine Schicht aus Kondensator-Dielektrikum, die hierauf gebildet ist und durch einen Teil eines ersten Zwischenschicht-Dielektrikums ausgebildet ist; eine zweite Elektrode, die durch einen Teil einer zweiten Schicht einer leitenden Metallisierung gebildet ist und über der ersten Elektrode liegt, wobei jede Elektrode einen Hauptabschnitt mit einer Begrenzung aufweist, wobei die Begrenzung zumindest eine Kante des Hauptabschnittes und einen umgebenden Abschnitt definiert, der einen Ring bildet, der den Hauptteil umgibt und mit Abstand von der zumindest einen Kante des Hauptabschnittes angeordnet ist.
Somit werden Kondensatorelektroden durch Teile von leitenden Schichten gebildet, die die Zwischenverbindungs-Metallisierung der integrierten Schaltung bilden. Das Kondensator-Dielektrikum wird durch eine Schicht eines Zwischenschicht-Dielektrikums gebildet, das typischerweise Schichten von Zwischenverbindungs-Metallisierungen trennt. Jede Kondensatorelektrode umfasst einen Hauptabschnitt, der die Form einer üblichen Platte haben kann, und einen umgebenden Abschnitt, der mit Abstand von dem Hauptabschnitt angeordnet ist, der beispielsweise die Form eines Ringes annimmt, der durch einen Teil der gleichen leitenden Schicht gebildet wird, die den Hauptteil der Kondensatorplatte bildet. Ein Ring, der den Hauptteil umgibt, kann von dem Hauptteil getrennt sein, oder er kann mit dem Hauptteil entlang eines Teils der Begrenzung des Hauptteils in Kontakt stehen. Der umgebende Teil bewirkt, dass eine minimale Verringerung der Dicke des Kondensator-Dielektrikums in der Nähe der Kanten des Hauptteils der Kondensatorelektroden während der Planarisierung oder Einebnung der dielektrischen Schichten sichergestellt wird. Beispielsweise kann eine Verringerung der Dicke auftreten, wenn ein spin-on-glass-Verfahren, gefolgt von einem Zurückätzen zum Einebnen des Zwischenschicht-Dielektrikums verwendet wird. Ein Vermeiden der Verringerung der Dicke der Kante des Kondensator-Dielektrikums trägt dazu bei, die Durchbruchspannung und andere elektrisch Eigenschaften unter Einschluss des Leckstroms, des dielektrischen Durchbruchs, von TDDB und Kapazitätsänderungen zu steuern. Die Struktur kann sehr einfach unter Verwendung bekannter CMOS-, bipolarer und BiCMOS-Prozesstechnologien hergestellt werden.
Wenn die integrierte Schaltung eine Mehrebenen-Metallisierung umfasst, so kann eine gestapelte Kondensatorstruktur mit einer Vielzahl von Elektroden geschaffen werden. Wenn dies erforderlich ist, kann eine darunterliegende leitende Schicht, beispielsweise eine Gate-Polysiliziumschicht, eine untere Elektrode eines Mehrschicht-Stapels bereitstellen, und zwei oder mehr Ebenen der Zwischenverbindungs-Metallisierung ergeben die anderen Elektroden des Stapels. Zwischenverbindungen sind zwischen abwechselnden Elektroden in eine gestapelten Kondensatorstruktur vorgesehen, beispielsweise durch Durchgangskontakte, die eine Parallelverbindung der abwechselnden Elektroden in dem Stapel ergeben.
Beispielsweise können Kondensatorelektroden mit ihren sie umgebenden Ringen in einer Konfiguration geschaffen werden, die übliche gestapelte ebene rechtwinklige Elektrodenplatten umfassen, wobei die Kapazität durch die Überlappungsfläche des Hauptteils der Elektroden bestimmt ist. Die Kapazität der Struktur ist somit die Summe der Kapazitäten der Paare von Elektroden mit entgegengesetzten Polaritäten in der gestapelten Struktur.
In vorteilhafter Weise ist das Kondensator-Dielektrikum, das zwischen zwei benachbarten Platten vorgesehen ist, eine relativ dicke Schicht aus Zwischenschicht-Dielektrikum. So hat ein Kondensator dieser Struktur eine sehr hohe Durchbruchspannung, typischerweise oberhalb von 200 V, für ein übliches Zwischenschicht-Dielektrikum mit einer Dicke von 1,4 um. Der Leckstrom ist niedrig (beispielsweise < 30 pA bei 100 V).
Weiterhin ist, weil stark leitende Materialien, wie sie für die Zwischenverbindungs-Metallisierung verwendet werden, zum Aufbau der Kondensatorelektroden verwendet werden, der Frequenzgang der Struktur ausgezeichnet. Beispielsweise wurde ein 9-pF- Kondensator mit einem Serienwiderstand von weniger als 0,7 Ω bei 6 GHz hergestellt, und der Frequenzkoeffizient war kleiner als 15 ppm/MHz. In vorteilhafter Weise kann ein Hauptteil jeder Elektrode eine Vielzahl von miteinander verbundenen leitenden Fingern umfassen, die beispielsweise an einem Ende jedes Fingers angeschlossen sind, um eine kammartige oder gitterförmige Elektrodenstruktur zu bilden. Die Finger jeder Elektrode können in Vertikalrichtung gegenüber den Fingern der benachbarten Elektroden ausgerichtet sein. Alternativ können die Finger einer Elektrode versetzt sein, sodass die Finger in unterschiedlichen Schichten gegenüber den darunterliegenden und darüberliegenden Fingern verschoben sind. Das Muster der Polarität der gestapelten Finger ist so angeordnet, dass Stapel von Fingern gebildet werden, die effektiv parallel in einer vertikalen Richtung und/oder horizontalen Richtung sind. Alternativ sind die Finger gestaffelt, um Stapel von Fingern mit der gleichen Polarität zu schaffen, die gegenüber der Halbleiter-Substratoberfläche geneigt sind. Die resultierende Anordnung der gestapelten Finger ist im Ergebnis ähnlich zu einer Kondensatorstruktur, die einen Satz von vertikalen Kondensatorplatten aufweist, die sich in das Substrat erstrecken, und dies führt zu einer vergrößerten Kapazität pro Einheitsoberfläche, verglichen mit einer einfachen ebenen Plattenanordnung.
Bei einer Anordnung ist jede leitende Metallisierungsschicht mit einem derartigen Muster versehen, dass zwei ineinander verschränkte Elektroden gebildet werden. Verbindungen zwischen Elektroden werden durch geeignete Anordnungen von leitenden Durchgangsverbindungen geschaffen, die benachbarte oder abwechselnde Elektroden verbinden, um das erforderliche Muster von Polaritäten zu schaffen. Bei einer besonders zweckmäßigen Konfiguration weist jeder Elektrodenfinger die entgegengesetzte Polarität zu benachbarten Fingern auf. Es wurde festgestellt, dass diese Anordnung eine beträchtliche Vergrößerung, ungefähr 40% der Kapazität pro Einheitsfläche, gegenüber einer üblichen parallelen planaren Plattenkonfiguration mit der gleichen Konstruktionsfläche ergibt.
Somit wird ein Kondensator mit einer fingerartigen Elektrodenstruktur geschaffen, die mit Schutzringen kombiniert ist, d. h. jede Elektrode umfasst einen Hauptteil, der eine Vielzahl von leitenden Fingern bildet, und einen umgebenden Teil in Form eines Ringes. Der Letztere kann einen Schutzring bilden, wie es vorstehend beschrieben wurde, um eine Verringerung der Dicke der Kante des Dielektrikums für Hochspannungsanwendungen zu verringern. Schutzringe sind besonders nützlich, um die Planarisierung durch ein Verfahren wie z. B. dem spin-on-glass-Verfahren und dem Zurückätzen zu unterstützen, um die kumulativen Effekte der Verringerung der Stärke zu vermeiden, wenn aufeinanderfolgend Strukturen planarisiert werden, die mehrere Schichten von Zwischenschicht-Dielektrika aufweisen.
In vorteilhafter Weise kann zur Schaffung einer gestapelten Mehrschicht-Kondensatorstruktur eine untere Elektrode des Kondensators durch eine darunterliegende leitende Schicht aus Polysilizium geschaffen werden, beispielsweise durch eine Gate-Metallisierungsschicht. Die untere Elektrode ist in ähnlicher Weise zu den vorstehend beschriebenen darüberliegenden Elektroden mit einem Muster versehen, und sie kann einen umgebenden Teil und/oder eine Vielzahl von leitenden Fingern umfassen. Eine Vielzahl von darüberliegenden Elektroden der Kondensatorstruktur wird dann durch einige oder alle Schichten eines Mehrebenen-Zwischenverbindungs-Metallisierungsschemas gebildet.
In vorteilhafter Weise können diese Strukturen an verschiedenen Zwischenverbindungsschemas ohne wesentliche Prozessbeschränkungen angepasst werden. Das heisst, dass diese Strukturen unter Verwendung bekannter Prozesstechnologien und unter Verwendung aller derzeit verwendeter Zwischenverbindungsmaterialien hergestellt werden können, beispielsweise Aluminiumlegierungen, Wolfram, dotiertes und/oder silizidiertes Polysilizium. Die Strukturen sind weiterhin mit hoch entwickelten Metallisierungsschemas kompatibel, die für Technologien der nächsten Generation vorgeschlagen wurden, wobei alternative leitende Materialien verwendet werden, beispielsweise Kupfer und Kupferlegierungen, TiN, Wn, TiWn und Metall-Silizide.
Ein Verfahren zur Bildung einer Kondensatorstruktur für eine integrierte Schaltung mit einer Vielzahl von Schichten einer Zwischenverbindungs-Metallisierung, die durch Schichten eines Zwischenschicht-Dielektrikum getrennt sind, umfasst die Schrille der Bereitstellung einer Schicht aus Zwischenverbindungs-Metallisierung und der Ausbildung einer Elektrode hierin, was die Musterbildung der Schicht aus Metallisierungsausbildung eines Hauptteils mit einer Begrenzung und zumindest einer Kante und eines umgebenden Bereichs umfasst, der sich um den Hauptteil herum erstreckt und mit seitlichem Abstand von der zumindest einen Kante angeordnet ist, der Schaffung einer Schicht aus Zwischenschicht-Dielektrikum hierauf, um ein Kondensator-Dielektrikum zu bilden, und der Einebnung oder Planarisierung der dielektrischen Schicht, wobei der umgebende Teil die Verringerung der Dicke der Kanten des Kondensator-Dielektrikums während der Einebnung verhindert, und des nachfolgenden Ausbilden einer zweiten Kondensator-Elektrode hierauf.
Somit kann die Verringerung der Stärke des Randes des Kondensator-Dielektrikum um Begrenzungen des Hauptteils jeder Elektrode herum vermieden oder verringert werden, um die Durchbruchseigenschaften des Kondensators zu verbessern.
Eine untere Elektrode des Kondensator kann in einer darunterliegenden Schicht aus Polysilizium vor dem Schritt der Schaffung der Schichten aus Zwischenverbindungs- Metallisierung, ausgebildet werden.
Somit ergeben die Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung Kondensatorstrukturen, die einige der vorstehend erwähnten Probleme beseitigen oder vermeiden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr in Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Teil einer integrierten Schaltung zeigt, die eine bekannte Kondensatorstruktur einschließt,
Fig. 2 eine schematische Schrägansicht von Elektroden einer Kondensatorstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht durch die Kondensatorstruktur nach Fig. 2 in einer vertikalen Linie durch die Linie III-III zeigt,
Fig. 4A u. 4B eine schematische Draufsicht der ersten bzw. zweiten Kondensatorelektroden entlang des Pfeils IV nach Fig. 2 zeigen;
Fig. 5 eine schematische Schrägansicht der Elektroden einer Kondensatorstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 6 eine schematische Querschnittsansicht durch die Kondensatorstruktur nach Fig. 5 in einer vertikalen Ebene durch die Linie VI-VI zeigt,
Fig. 7A u. 7B eine schematische Draufsicht der ersten bzw. zweiten Kondensatorelektrodenstrukturen entlang des Pfeils VII nach Fig. 5 zeigen,
Fig. 8 eine schematische Schrägansicht der Elektroden einer Kondensatorstruktur gemäß einer ersten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform, die Elektroden mit einer Vielzahl von ineinander verschränkten Fingern aufweist;
Fig. 9 eine schematische Querschnittsansicht des Kondensators nach Fig. 8 in einer Ebene durch die Linie IX-IX nach Fig. 8 zeigt, die die Elektroden und die Zwischenmetall-Dielektrikum-Schicht einer Kondensatorstruktur der ersten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform zeigt,
Fig. 10 eine Querschnittsansicht in einer Ebene durch die Linie X-X nach Fig. 8 der Kondensatorstruktur nach der ersten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform zeigt, wobei Zwischenverbindungen der Elektroden so angeordnet sind, dass sie vertikale Stapel von Elektrodenfingern mit der gleichen Polarität bilden,
Fig. 11 eine Draufsicht entlang des Pfeils XI nach Fig. XI des oberen Paares von ineinander verschachtelten Elektroden der Kondensatorstruktur der ersten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform zeigt,
Fig. 12 eine schematische Schrägansicht der Elektroden einer Kondensatorstruktur gemäß einer zweiten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform der Erfindung mit miteinander verschränkten Elektroden zeigt, die so miteinander verbunden sind, dass abwechselnde Elektrodenfinger eine entgegengesetzte Polarität aufweisen,
Fig. 13 eine Querschnittsansicht der Elektrodenfinger in einer vertikalen Ebene zeigt, die die abwechselnden Polaritäten von benachbarten Elektrodenfingern in aufeinanderfolgenden Schichten zeigt,
Fig. 14 eine Querschnittsansicht in einer Ebene durch die Linie XIV-XIV nach Fig. 12 zeigt, d. h. durch einen Finger in jeder Schicht, um die Polaritäten der jeweiligen Finger jeder Elektrode zu zeigen,
Fig. 15A u. 15B Draufsichten der oberen Elektrode und der darunterliegenden Elektrode der Struktur nach Fig. 12 entlang des Pfeils 15 zeigen, wobei die jeweiligen Polaritäten und Durchgangsverbindungs-Zwischenverbindungen jeder Elektrode gezeigt sind,
Fig. 16 eine Draufsicht einer Kondensatorelektrode gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt, die einen Schutzring einschließt, der den Hauptteil der Elektrode umgibt;
Fig. 17 eine schematische Schrägansicht von Elektroden einer Kondensatorstruktur entsprechend einer vierten Ausführungsform zeigt,
Fig. 18 eine Querschnittsansicht in einer Ebene durch die Linie XVIII-XVIII nach
Fig. 17 der Elektroden der Kondensatorstruktur der vierten Ausführungsform zeigt,
Fig. 19 eine Draufsicht der oberen Elektrode entlang des Pfeils IXX nach Fig. XVII zeigt,
Fig. 20A u. 20B Testdaten zeigen, die Kondensatoren kennzeichnen, die gemäß den ersten und zweiten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsformen hergestellt sind und die gleiche Konstruktionsfläche aufweisen,
Fig. 21 eine schematische Querschnittsansicht durch Elektrodenfinger eines Kondensators gemäß einer zweiten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform zeigt, wobei die elektrischen Randfelder zwischen den Elektrodenfingern gezeigt sind, und
Fig. 22 eine schematische Querschnittsansicht durch die Elektrodenfinger einer Kondensatorstruktur gemäß einer dritten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein Teil einer bekannten integrierten Schaltung 10 mit einer gestapelten Kondensator, die durch ein übliches Verfahren auf einem üblichen Halbleitersubstrat 12 hergestellt ist, ist in Fig. 1 gezeigt und umfasst erste und zweite Elektroden 16 und 24 und ein Kondensator-Dielektrikum 18. Bei der Herstellung dieser Struktur wird eine erste dielektrische Schicht 14 auf dem Substrat 12 vorgesehen, und eine erste leitende Schicht, typischerweise Polysilizium, wird abgeschieden und mit einem Muster versehen, um die untere Kondensatorelektrode 16 zu bilden. Eine Schicht aus Dielektrikum wird über der unteren Elektrode abgeschieden, um das Kondensator-Dielektrikum 18 zu schaffen. Das Kondensator-Dielektrikum wird durch einen bekannten Prozess planarisiert, beispielsweise unter Verwendung eines spin-on-glass- und Rückätzverfahrens, um die Oberflächentopographie um die Kanten der Kondensatorstruktur herum zu verringern. Dieser Prozess neigt jedoch dazu, zu einer Verringerung der Stärke der Kante des Bereichs 22 des Dielektrikums 18 während des Zurückätzens zuführen, wie dies schematisch in Fig. 1 gezeigt ist. Eine zweite leitende Schicht wird hierauf abgeschieden und mit einem Muster versehen, um eine obere Kondensatorelektrode 24 zu bilden. Eine obere dielektrische Schicht 26 wird insgesamt abgeschieden. Für Hochspannungskondensatoren kann die Verringerung der Dicke der Kante des Dielektrikums im Bereich 22 in erheblicher Weise die Durchbruchspannung beeinträchtigen. Wenn eine gestapelte Kondensatorstruktur mit mehr als zwei Elektroden gebildet wird, kann die kumulative Wirkung der Verringerung der Stärke der Kanten mehrerer Schichten in beträchtlicher Weise die Ebene von der Struktur beeinflussen.
Ein Teil einer integrierten Schaltung, die eine Mehrebenen-Metallisierung aufweist und einen Kondensator 50 umfasst, der gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, ist im Querschnitt in Fig. 3 gezeigt. Fig. 2 zeigt eine Schrägansicht der leitenden Elektroden der Kondensatorstruktur 50, wobei die dielektrischen Schichten aus Gründen der Klarheit fortgelassen sind. Der Kondensator 50 ist auf einer dielektrischen Isolierschicht 54 gebildet, beispielsweise einem üblichen Feldoxid oder einer Grabenisolierschicht auf einem Halbleitersubstrat 52. Die Kondensatorstruktur umfasst eine untere Elektrode 56, die durch einen Teil einer ersten leitenden Schicht gebildet ist und Polysilizium umfasst. Eine erste Zwischenschicht-Dielektrikum- Schicht 58 ist hierauf gebildet, und eine zweite Elektrode wird durch einen Teil einer leitenden Schicht gebildet, die eine erste Ebene der Zwischenverbindung-Metallisierung 60 (Metall 1) bildet. Eine Schicht 62 eines Zwischenschicht-Dielektrikums wird geschaffen, und dann wird eine weitere Schicht aus leitendem Material, das eine zweite Ebene der Metallisierung (Metall 2) bildet, abgeschieden und mit einem Muster versehen, um eine dritte Elektrode 64 zu bilden; eine weitere Schicht 66 aus Zwischenmetall-Dielektrikum wird abgeschieden, und eine vierte Elektrode wird aus der Metallisierung 67 der obersten Ebene (Metall 3) gebildet, um die Struktur fertigzustellen. Jede Kondensatorelektrode weist einen Hauptteil, beispielsweise 56, 60, 64 und 68 auf, der eine ebene rechtwinklige Platte umfasst, die durch eine Begrenzung abgegrenzt ist, die in Form von Kanten 82 des Hauptteils 56 (s. Fig. 4A) und eine gestrichelte Linie 84 gezeigt ist. Ein umgebender Teil jeder Elektrode, d. h. 57, 61, 65 und 69, ist aus der gleichen Metallisierungsschicht wie der Hauptteil jeder Elektrode gebildet. Der umgebende Teil weist die Form eines koplanaren Ringes, d. h. des Ringes 57 auf, der mit Abstand von den Kanten 82 des Hauptteils 56 der unteren Elektrode entlang zumindest eines Teils der die Begrenzung definierenden Kanten 82 angeordnet ist. Wie dies in Fig. 4A gezeigt ist, erstreckt sich der umgebende Teil von dem Hauptteil 56 entlang der Begrenzung, die durch die gestrichelte Linie 84 dargestellt ist. Somit ähnelt jede Elektrode einer üblichen rechtwinkligen Platte, die von einem Ring mit einer entsprechenden rechtwinkligen Form umgeben ist. Der Ring ist somit von der Platte entlang von drei Kanten der rechtwinkligen Platte getrennt und ist mit der anderen Seite, die die Begrenzung des Hauptteils der Elektrodenplatte definiert, kontinuierlich ausgebildet.
Sätze von leitenden Durchgangsverbindungen 70, 72 und 74 sind zwischen benachbarten Elektroden gebildet, wobei getrennte Teile 75 jeder leitenden Schicht die Durchgangsverbindungen miteinander verbinden, d. h. eine Brücke bilden, die abwechselnde Elektroden mit der gleichen Polarität verbindet. Somit ist die Kondensatorstruktur als ein gestapelter Kondensator konfiguriert, der äquivalent zu zwei parallel geschalteten Kondensatoren ist. Die Kapazität wird durch die Überlappung der Hauptteile der Elektroden bestimmt. Die erste leitende Schicht, die die Elektrode 56 und den Ring 57 bildet, umfasst beispielsweise einen Teil einer Polysiliziumschicht, die andere Elemente der Halbleiterbauteilstrukturen an anderen Stellen auf der integrierten Schaltung bildet. Die zweiten, dritten, vierten Elektroden und ihre entsprechenden Schutzringe sind aus den ersten, zweiten und dritten leitenden Schichten gebildet, die eine Mehrebenen-Metallisierung bilden, die übliche leitende Verbindungen an anderen Teilen der integrierten Schaltung bildet. Draufsichten der einzelnen Elektroden 56 und 60 bei Betrachtung entlang des Pfeils IV nach Fig. 2 sind in den Fig. 4A und 4B gezeigt.
Die Schutzringe 27, 61, 65 und 69 stellen sicher, dass während der Planarisierung oder der Einebnung selbst dann, wenn sich eine gewisse Verringerung der Stärke des Dielektrikums um die Kanten der Struktur herum umgibt, eine gleichförmige Dicke des Dielektrikums zwischen den Hauptteilen der Kondensatorelektroden aufrechterhalten wird, d. h. zwischen den Kondensatorplatten.
Beispielsweise ist bei einem Verfahren zur Herstellung einer Kondensatorstruktur gemäß der ersten Ausführungsform, wie sie in den Fig. 2, 3, 4A und 4B gezeigt ist, ein integriertes Schaltungssubstrat 52 vorgesehen, und eine Schicht aus leitendem Material wird auf einer Isolierschicht 54 abgeschieden. Die leitende Schicht wird mit einem Muster versehen, um eine untere Kondensatorelektrode zu bilden, die einen rechtwinkligen Hauptteil 56 und einen umgebenden Teil 57 in Form eines rechtwinkligen Ringes umfasst (s. Fig. 4A). Die die untere Elektrode bildende leitende Schicht kann eine Schicht aus Polysilizium umfassen, beispielsweise einen Teil einer Gate-Polysiliziumschicht einer bipolaren integrierten CMOS-Schaltung. Die Polysiliziumschicht kann an Ort und Stelle während der Abscheidung dotiert werden, oder durch eine Ionenimplantation einer nicht-dotierten Polysiliziumschicht, wie dies üblich ist, und das Polysilizium-Dotierungsmittel wird durch eine auf die Abscheidung folgende Wärmebehandlung aktiviert, um eine leitende Schicht aus Polysilizium zu bilden. Eine planarisierte Schicht des Dielektrikums 58 wird auf der unteren Elektrode geschaffen, beispielsweise durch Abscheiden einer dicken Zwischenschicht-Dielektrikum-Schicht über der Elektrode und einer nachfolgenden Planarisierungsschicht aus spin-on-glass (SOG). Auf diesen Schritt folgt ein Zurückätzen, beispielsweise durch reaktives Ionenätzen oder ein anderes bekanntes Verfahren, worauf eine planarisierte Schicht des Dielektrikums mit der erforderlichen Dicke verbleibt, die sich über die Elektrode erstreckt.
Während der Planarisierung oder Einebnung verhindern die Schutzringe eine Verringerung der Stärke des Dielektrikums in der Nähe der Kanten des Hauptteils der Elektrode. Obwohl eine gewisse Verringerung der Stärke über die Kanten der Schutzringe hinweg auftreten kann, wird die Dicke des Dielektrikums zwischen den Hauptteilen der Elektrode mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Dicke beibehalten. Jede Verringerung der Stärke an den Kanten des Hauptteils der Kondensatorplatten ist wesentlich kleiner als in der Nähe der Kanten der Schutzringe. Somit vergrößern die Schutzringe in erheblicher Weise die Kontrolle über die Durchbruchspannung, den Leckstrom, und sie verbessern die Herstellungskontrolle der Kapazitätsänderung.
Die Durchgänge 70 werden durch das Dielektrikum 58 hindurch zum Hauptteil der Elektrode 56 und zum Verbindungsteil 75 der leitenden Schicht gebildet. Die Durchgänge sind mit leitendem Material gefüllt, um Kontakte zur darunterliegenden Elektrode zu bilden.
Eine zweite leitende Schicht wird durch einen Teil einer ersten Ebene einer Zwischenverbindungsmetallisierung geschaffen, die insgesamt abgeschieden ist, und, sie wird in einer üblichen Weise mit einem Muster versehen, um eine zweite Kondensatorelektrode (Fig. 4B) zu bilden, die über der ersten Elektrode liegt, wobei der Hauptteil 60 und ein Schutzring 61 in Vertikalrichtung über dem Schutzring 57 der ersten Elektrode 60 ausgerichtet ist (Fig. 2). Die zweite Elektrode 60 der Kondensatorstruktur ist mit einem derartigen Muster versehen, dass ein Hauptteil 60 der Elektrode gebildet wird, der teilweise den Hauptteil der unteren Elektrode 56 überlappt, d. h. wie dies in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist. Somit definiert der Bereich der Überlappung der Hauptteile 56 und 60 der Kondensatorelektroden die aktive Kondensatorfläche.
Dann wird eine weitere Schicht aus Dielektrikum 62 geschaffen, d. h. eine Schicht eines üblichen Zwischenschicht-Dielektrikums. Ein weiterer Satz von Durchgängen 72 wird definiert und mit leitendem Material gefüllt, um Zwischenverbindungen zwischen den Elektroden zu schaffen, wie dies in den Fig. 2, 4A und 4B gezeigt ist. Die Stapelung der Elektroden ist schematisch in Fig. 3 gezeigt. Dies bedeutet, dass eine dritte Elektrode 64 des Kondensators durch einen Teil einer in einer zweiten Ebene liegenden Metallisierungsschicht gebildet wird, dass eine zwischenliegende Schicht eines Zwischenschicht-Dielektrikums 66 das Kondensator-Dielektrikum hierauf bildet, und dass dann eine obere Ebene der Metallisierung die oberste (vierte) Elektrode 68 der Kondensatorstruktur bildet. Ein weiterer Satz von leitenden Durchgängen 64 ergibt Zwischenverbindungen mit den darunterliegenden Kondensatorelektroden.
Die resultierende Parallelplatten-Konfiguration ist derart, dass die Hauptteile der leitenden Elektroden in allen Schichten einander überlappen und elektrisch miteinander verbunden sind, sodass irgendwelche zwei benachbarten Schichten von entgegengesetzten Polaritäten sind. Dieses Schema führt zu einer elektrischen Parallelverbindung der Kondensatorplatten, sodass die Gesamtkapazität die Summe der Kapazität von benachbarten Platten ist.
Vorzugsweise wird der gleiche Abstand der Schutzringe von den Elektroden für jede Elektrode beibehalten. Der Abstand hängt von dem Planarisierungsschema ab und davon, welche Verringerung der Stärke der Kante der Elektroden annehmbar ist. In einem Beispiel wurden bei Verwendung einer 1 um dicken Metallschicht für jede Elektrode die Schutzringe in einem Abstand von ungefähr 3 um von der Kante der Elektrode angeordnet. Typischerweise werden in Strukturen mit 1 bis 2 um dicken Metallisierungsschichten mit engem Abstand angeordnete Metallmerkmale sehr gut mit spin-on-glass- Schemas planarisiert, wenn ein Schutzring verwendet wurde, der innerhalb von 3 bis 5 um der Elektrodenplattenkante angeordnet wurde.
Hinsichtlich der Wahl des leitenden Materials, das für die Elektroden verwendet wird, können bekannte leitende Schichten unter Einschluss von Polysilizium, üblichen bekannten Metallen und Metalllegierungen unter Einschluss von Aluminium, und Metallverbindungen, wie z. B. TiN, TiW, usw. verwendet werden. Der Flächenwiderstand sollte ausreichend niedrig sein, um eine Linearität des Kondensatorverhaltens über den Betriebsspannungsbereich zu erzielen.
Wenn die untere Elektrode durch eine Schicht aus Polysilizium gebildet ist, kann es nützlich sein, die gesamte Elektrode zu silizidieren, um den Flächenwiderstand zu verringern, beispielsweise wenn die Dotierungspegel nicht ausreichend hoch sind. Irgendein geeigneter üblicher bekannter Silizidierungsprozess kann verwendet werden.
Das Zwischenschicht-Dielektrikum (ILD), das bei dieser Struktur das Kondensator-Dielektrikum bildet, ist typischerweise PSG oder BPSG. Das letztere Material wird typischerweise durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase abgeschieden und dann in einem üblichen Prozess wärmebehandelt. Das iLD wird durch ILD-Aufschmelzen mit oder ohne weitere Planarisierung planarisiert. Alternativ kann die Planarisierung durch einen Prozess auf der Grundlage eines spin-on-glass- (SOG-) Prozesses und/oder chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erfolgen. Alternativ wird nach der Gesamtabscheidung einer dicken Schicht eines Zwischenmetall-Dielektrikums das Letztere dadurch planarisiert, dass ein Rückätzen erfolgt, d. h. durch reaktives Ionenätzen oder vorzugsweise durch chemisch-mechanisches Polieren.
Eine Kondensatorstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 5 bis 7 gezeigt. Eine Schrägansicht der leitenden Schichten, die die Kondensatorelektroden bilden, ist in Fig. 5 gezeigt, und eine Querschnittsansicht durch die Kondensatorelektroden ist in Fig. 6 gezeigt. Die erste Elektrode umfasst einen Hauptteil 156 und einen umgebenden Teil 157, der die Form eines Ringes annimmt, der mit Abstand von dem Hauptteil entlang der Kanten 180 des Hauptteils 156 angeordnet ist. Der umgebende Teil 157 bildet somit einen von dem Hauptteil 156 der ersten Elektrode getrennten Ring, wie dies in Fig. 7A gezeigt ist. Die Struktur der zweiten und vierten Elektroden ist ähnlich zu der der Elektroden der ersten Ausführungsform des Kondensators. Das heißt, dass die zweite Elektrode einen Hauptteil 160 (s. Fig. 7B) und einen umgebenden Teil 161 umfasst, der mit Abstand von dem Hauptteil 160 entlang von drei Kanten 182 des Hauptteils mit Abstand angeordnet ist und kontinuierlich mit dem Hauptteil entlang des Restes der Begrenzung 184 verbunden ist. In der Draufsicht weist die dritte Elektrode die gleiche Struktur wie die erste Elektrode auf, die in Fig. 7A gezeigt ist (d. h. sie hat einen getrennten Ring), und die vierte Elektrode weist die gleiche Struktur wie die zweite Elektrode in Fig. 7B auf. Zwischenverbindungen zwischen den Elektroden werden durch Sätze von leitenden Durchgängen 170, 172 und 174 zwischen aufeinanderfolgenden leitenden Schichten geschaffen, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Sätze von Durchgängen werden über isolierte Teile 175 der leitenden Schichten hindurch miteinander verbunden, die die ersten und dritten Elektroden bilden, um Verbindungen zwischen den ersten und dritten Elektroden zu bilden. Verbindungen zwischen den zweiten und vierten Elektroden werden durch Durchgänge geschaffen, die Zwischenverbindungen durch die Ringe 157 und 165 bilden.
Somit sind die Elektroden über die Durchgänge 170, 171 und 174 miteinander verbunden. Der Polysiliziumring der unteren Elektrode weist keine elektrische Verbindung mit der Polysilizium-Kondensatorplatte auf, sodass die Platten an den beiden benachbarten Ebenen nicht kurzgeschlossen sind. Wie dies gezeigt ist, ist die Stapelung der Platten und Ringe, die jeder Ebene zugeordnet sind, derart, dass alle die Ringe elektrisch durch Durchgangsöffnungen kurzgeschlossen sind, die jede Ebene verbinden. Somit werden abwechselnde leitende Elektroden ebenfalls mit den Ringen kurzgeschlossen, wie des in Fig. 6 gezeigt ist.
Eine Kondensatorstruktur 200 gemäß einer ersten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform ist in den Fig. 8 bis 11 gezeigt. Wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, weist die Kondensatorstruktur 200 eine gestapelte Struktur ähnlich der der ersten Ausführungsform auf. Jede leitende Schicht ist jedoch mit einem derartigen Muster versehen, dass ein Paar von Elektroden gebildet wird. Jede Elektrode umfasst einen Hauptteil, der eine Vielzahl von langgestreckten Elementen bildet, d. h. Finger, die jeweils an einem Ende miteinander verbunden sind, um eine kammartige Struktur zu bilden. Die Finger, beispielsweise 211 und 212, in den zwei Elektroden 210 und 210 sind in einer fingerförmig verschränkten Konfiguration angeordnet, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist, die eine Draufsicht auf die oberen Elektroden bei Betrachtung entlang des Pfeils XI in Fig. 8 ist. Vier ähnliche Schichten von Elektroden werden ausgebildet, jeweils von einer ersten leitenden Schicht, die eine Schicht aus Polysilizium umfasst, und ersten, zweiten und dritten Ebenen einer Zwischenverbindungs-Metallisierung. Die vier leitenden Schichten der Zwischenverbindungs-Metallisierung bilden jeweils Paare von Elektroden 212 und 222, 214 und 224 und 216 und 166, die hinsichtlich ihrer Form identisch zu dem unteren Elektrodenpaar 210 und 220 sind und voneinander durch dazwischenliegende Schichten von Zwischenschicht-Dielektrikum isoliert sind. Ein Dielektrikum erstreckt sich außerdem zwischen den einzelnen Fingern jeder Elektrode. Die Elektroden 210, 212, 214 und 216 bilden einen Satz und sind durch eine Vielzahl von gestapelten leitenden Durchgängen 240 miteinander verbunden, so daß sie alle die gleiche Polarität aufweisen. In entsprechender Weise sind die Elektroden 220, 222, 224 und 226 über Durchgänge 230 miteinander verbunden und bilden einen anderen Satz von Elektroden mit der entgegengesetzten Polarität. Aus Klarheitsgründen sind die Zwischenschicht-Dielektrikumschichten in Fig. 8 nicht gezeigt. Eine schematische Querschnittsansicht durch die Struktur entlang eines Satzes von Fingern ist in Fig. 9 gezeigt und zeigt schematisch, wie die leitenden Schichten, die die Elektroden bilden, durch aufeinanderfolgende Metallisierungsschichten gebildet und durch die Schichten des Zwischenschicht- Dielektrikums 250, 252, 254 und die obere dielektrische Schicht 256 getrennt sind.
Die zwei Sätze von Elektroden mit entgegengesetzter Polarität sind derart angeordnet, dass das resultierende Muster der Polarität der Finger, das im Querschnitt durch die Kondensatorstruktur in Fig. 10 gezeigt ist, derart ist, dass Finger in jeder Schicht benachbart zu Fingern der entgegengesetzten Polarität angeordnet sind. Finger der gleichen Polarität sind in Vertikalrichtung gestapelt. Dieses Schema führt zu einer elektrischen Parallelverbindung von Kondensatorplatten. Die Gesamtkapazität ist die Summe der Kapazitäten aller benachbarten Platten. Somit ist die Anordnung effektiv äquivalent zu einer Vielzahl von vertikalen Kondensatorplatten, die jeweils einen Stapel von Fingern mit der gleichen Polarität umfassen, wobei abwechselnde Platten dielektrisch mit entgegengesetzten Polaritäten verbunden sind.
Die effektive Fläche jedes einzelnen Elementes, d. h. jedes Fingers der Elektrode, ist klein. Diese Konfiguration ergibt jedoch effektiv eine Vielzahl von parallelen Platten in der vertikalen Richtung und kann dazu verwendet werden, eine ähnliche Kapazität wie mit horizontal gestapelten Platten zu erzielen. Weil der Metallabstand bei zukünftigen Technologien schrumpft, würde die effektive dielektrische Dicke zwischen vertikalen elektrischen Platten verringert werden, was zu einer vergrößerten Kapazität zwischen den Platten führen würde.
Die Struktur der ersten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform ist ähnlich zu der Parallelplattenkonfiguration der ersten Ausführungsformen, jedoch mit der Ausnahme, dass effektiv jede Platte in eine Vielzahl von geraden parallelen Fingern unterteilt ist. Irgendwelche zwei benachbarte Finger in der Ebene sind mit entgegengesetzten Polaritäten verbunden. Das Muster der Polarität jeder Schicht kann für jede Schicht unterschiedlich oder für jede Schicht identisch sein. Wenn das gleiche Muster der abwechselnden Polarität auf jede Ebene angewandt wird, wie in der zweiten Ausführungsform, so führt dies zu einer effektiven Parallelplattenkonfiguration mit vertikalen elektrischen Platten, die aus vertikal gestapelten Linien in jeder der vier Schichten zusammengesetzt sind. Abwechselnde vertikale Platten haben entgegengesetzte Polaritäten.
Wie dies weiter unten beschrieben wird, können andere Polaritätskonfigurationen durch andere Durchgangs-Verbindungsschemen vorgesehen werden, um andere Konfigurationen von Kondensatorplatten zu schaffen.
Entsprechend werden Kondensatorstrukturen gemäß anderer Ausführungformen durch einen Satz von Elektroden mit einer ähnlichen Struktur geschaffen, beispielsweise Sätzen von planaren parallelen ineinander verschränkten Fingern, wobei jedoch unterschiedliche Konfigurationen von Zwischenverbindungen verwendet werden, um unterschiedliche Muster der Polarität der einzelnen Finger in einer vertikalen Ebene zu schaffen.
Das heißt, dass eine Kondensatorstruktur 300 gemäß einer zweiten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in den Fig. 12 bis 15 gezeigt ist. Der Kondensator ist in einer Schrägansicht in Fig. 12 gezeigt, wobei aus Gründen der Klarheit lediglich die leitenden Elektroden gezeigt sind, während das Dielektrikum fortgelassen ist, wie dies vorstehend erwähnt wurde, und Fig. 13 zeigt einen Querschnitt. Fig. 14 zeigt die Struktur im Querschnitt durch die Elektroden entlang der Linie XIV-XIV nach Fig. 12. Draufsichten auf einzelne Elektroden sind in den Fig. 15A und 15B gezeigt.
Der Kondensator 300 der zweiten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform weist ineinander verschränkte Paare von Elektroden 310 und 320, 312 und 322, 314 und 324 und 316 und 326 auf, die durch jede von vier leitenden Schichten gebildet sind, ähnlich zu den Elektroden der zweiten Ausführungsform. Die Struktur der abwechselnden Schichten unterscheidet sich jedoch hinsichtlich der Konfiguration und der Zwischenverbindungen zwischen den Elektrodenfingern, so dass abwechselnde Finger jeder Elektrode mit entgegengesetzten Polaritäten verbunden sind, und Elektrodenfinger in benachbarten Schichten sind ebenfalls benachbarte Finger mit entgegengesetzten Polaritäten, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist, die einen Querschnitt vertikal durch die einzelnen Finger, beispielsweise 311, jeder Elektrode zeigt. Bei dieser Konfiguration sind Stapel der Elektrodenfinger der gleichen Polarität abgestuft und damit im Ergebnis gegenüber der Substratoberfläche geneigt, beispielsweise entlang der Achse 350 nach Fig. 14.
Die Gesamtkonfiguration führt dazu, dass irgendwelche zwei benachbarte Finger in Horizontalrichtung oder Vertikalrichtung mit entgegengesetzten Polaritäten verbunden sind, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist. Diese Konfiguration ermöglicht eine Vergrößerung der Kapazität pro Einheitsfläche. Je kleiner der Spalt zwischen den Fingern ist, desto höher ist die Kapazität. Jedoch kann, wenn die Spaltgröße verringert wird, die dielektrische Durchbruchspannung beeinträchtigt werden.
Bei einer Kondensatorstruktur einer dritten Ausführungsform ergibt jede Schicht der Metallisierung ein Paar von Kondensatorelektroden 352 und 356 ähnlich der nach der zweiten vorstehend beschriebenen, zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform. Zusätzlich ist jedes Paar von Elektroden mit einem Schutzring 360 versehen, der den Hauptteil jeder Elektrode umgibt, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist. Der Ring ist ähnlich zu den Schutzringen, die ein Merkmal der ersten Ausführungsform des Kondensators sind und er wirkt im Sinne einer Verringerung der Verkleinerung der Kantenstärke des Dielektrikums während der Herstellung, wodurch die Kontrolle der Durchbruchspannung unterstützt wird.
Eine Kondensatorstruktur 400 entsprechend einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 17, 18 und 19 gezeigt. Die Kondensatorstruktur 400 umfasst vier Schichten einer leitenden Metallisierung, die Paare von i Elektroden 410 und 420, 412 und 422, 414 und 424 und 416 und 426 bilden, die jeweils eine Vielzahl von Fingern 411 aufweisen. Die Paare von Elektroden in jeder leitenden Schicht sind mit ineinander verschränkten Fingern von Elektroden angeordnet und so miteinander verbunden, dass sie in ähnlicher Weise wie die der ersten zu Erläuterungszwecken gezeigten Ausführungsform konfiguriert sind, jedoch mit der Ausnahme, dass die Schichten so gestapelt sind, dass aufeinanderfolgende Elektroden seitlich versetzt sind, wie des schematisch die Fig. 19 zeigt. Somit sind einzeln Finger 411 in benachbarten Elektroden in paralleler Ausrichtung und seitlich versetzt, wie dies im Querschnitt in Fig. 18 gezeigt ist. Diese Anordnung ergibt effektiv vertikal geneigte Stapel von Elektrodenfingern, wie dies durch die gestrichelten Linien 450 in Fig. 18 gezeigt ist. Die Stapel der Elektrodenfinger sind effektiv äquivalent zu Elektrodenplatten, die gegenüber der Substratoberfläche geneigt sind, beispielsweise entlang der Achse 450, um eine vergrößerte Plattenfläche/Kapazität pro Einheitsfläche, verglichen mit der Struktur der zweiten Ausführungsform, zu schaffen. Fig. 19 zeigt eine Draufsicht entlang des Pfeils XIX nach Fig. 17, die schematisch zeigt, wie die Elektroden gestapelt sind. Ein Schutzring, der schematisch durch die gestrichelte Linie 460 gezeigt ist, ist um jedes Paar von Elektroden herum vorgesehen, ähnlich, wie dies in anderen Ausführungsformen beschrieben wurde.
In Abhängigkeit von der Zwischenverbindung zwischen den Elektroden und der Art der Zuführung von Signalen können sich unterschiedliche elektrische Plattenkonfigurationen ergeben.
Die Fig. 20A und 20B zeigen Testergebnisse, die Messungen an zwei Gruppen von Kondensatoren vergleichen, wobei die erste Gruppe die rechtwinklige parallele Plattenstruktur der ersten Ausführungsform ist, während die zweite Gruppe ein Kondensator gemäß der zweiten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform ist. Beide Kondensatoren wurden mit der gleichen Konstruktionsfläche gebildet, unterscheiden sich jedoch dadurch, dass einer massive Plattenelektroden aufweist, während der andere Elektroden aufweist, die eine verschränkte Fingerstruktur aufweisen. Diese Daten zeigen, dass die Kapazität für die verschränkte Elektrodenstruktur beträchtlich höher ist. Die verschränkte Fingerstruktur der Elektroden des Kondensators gemäß der vierten Ausführungsform lieferte zusätzlich bis zum 40% Kapazität für die Konstruktionsfläche, als ein übliches Gegenstück mit parallelen Platten.
Das Randfeld zwischen Elektrodenfingern für eine Struktur ähnlich der der zweite zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform ist schematisch in Fig. 21 gezeigt. Die verschränkten Platten ergeben zumindest 40% mehr Ladungsspeicherung in dem gleichen Volumen. Diese Vergrößerung der Kapazität setzt sich in eine ungefähr 30%- ige Verringerung der Konstruktionsfläche für die gleiche Kapazitätsforderung um. Weiterhin haben diese Kondensatoren Durchbruchspannungen von mehr als 100 Volt. Der Leckstrom des fingerförmig verschränkten 3-pF-Kondensators betrug im Mittel 25 pA bei 13 V, ein Faktor, der viermal höher als bei der Struktur nach der ersten Ausführungsform ist.
Die folgenden Beispiele sind angegeben, um zu zeigen, warum eine Parallelkonfiguration des Hochspannungs-Rückseitenende-Kondensators von Natur aus einen Vorteil aufweist, weil die Gesamtkapazitätsänderung umso kleiner ist, je mehr Metall-Dielektrikum-Metall-Kondensatoren parallelgeschaltet sind.
In einem vereinfachten Fall und wenn alle dielektrischen Schichten die gleiche mittlere Dicke und Varianz haben, so ist die prozentuale Standardabweichung der Kapazität N der prozentualen Standardabweichung der dielektrischen Schicht, wobei N die Anzahl der Metall-Dielektrikum-Metall-Kondensatoren ist, die parallel geschaltet sind, und der prozentuale Teil der Standardabweichung ist der prozentuale Teil der Standardabweichung dividiert durch den Mittelwert.
Es sei C die Gesamtkapazität eines Stützkondensators mit einer Fläche A, die aus drei dielektrischen Schichte mit einer Dicke d&sub1;, d&sub2; und d&sub3; besteht. Es sei &epsi; die relative Permissivität, und &epsi;&sub0; die Permissivität des freien Raums. Dann ist:
Wenn xi = 1/di ist, so ist
C = &epsi;&epsi;&sub0;A xi
Die Varianz der Kapazität ist:
σc = (&epsi;&epsi;&sub0;A)²σxi²
Dividiere beide Seiten durch C²
Weil xi = 1/di, σxi²/xi² = σdi²/di² aus der Eigenart der Varianz
σxi² = (xi/di)σdi² = σdi²/di&sup4;

Beispiel 1:

In einem Prozess hatte BPSG eine Dicke von 953,7 nm ± 59,3 nm (6,23%), und das Zwischenmetall-Dielektrikum hatte eine Dicke von 1295,5 nm ± 76,23 nm (5,88%). Bei Einsetzen dieser Zahlen in die vorstehende Gleichung würde die Variation der Gesamtkapazität 3,53% sein:
In dem Spezialfall, dass alle Dielektrika die gleiche mittlere Dicke und Varianz haben, di = dj = dk = d, so ist σdi = σdj = σdk = σo
Die prozentuale Standardabweichung der Gesamtkapazität ist 1/ 3 der prozentualen Standardabweichung jeder dielektrischen Schicht.

Beispiel 2:

Wenn die Variation der dielektrischen Dicke gleich 13000 Å ± 760 Å (5,9%) ist, so würde für einen Stützkondensator unter Einschluss von drei dielektrischen Schichten die Variation der Kapazität eine prozentuale Standardabweichung von 1/ 3 des Dielektrikums haben oder 750/14000 dividiert durch 1/ 3 = 3,4%. Bei 3000 Halbleiterplättchen aus sechs Losen wurde eine Standardabweichung von 2,7% beobachtet.
Bei einer Kondensatorstruktur gemäß einer dritten zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform ist die Struktur ähnlich der der vierten Ausführungsform, weil sie vier Schichten von ineinander verschränkten Elektrodenfingern (Fig. 22) mit Zwischenverbindungen umfasst, um abgestufte Stapel von Elektrodenfingern der gleichen Polarität zu schaffen. Die Strukturen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen weisen gleichförmig bemessene Finger in jeder Metallebene und einen gleichförmigen Abstand zwischen Fingern in jeder Ebene der Metallisierung auf. Andererseits hat die in Fig. 22 gezeigte Struktur Abstände und Zeilenbreiten, die von der Ebene der Metallisierung abhängen. Wie dies bei integrierten Schaltungen mit einer Mehrebenen-Metallisierung typisch ist, sind die minimalen Konstruktionsregeln für die Metallisierungs-Zeilenbreite und den Metall-zu-Metall-Abstand von der jeweiligen Ebene des Metalls abhängig, wobei sie am größten für das obere Metall sind und nach unten hin zu der ersten Ebene der Metallisierung abnehmen. Entsprechend hat die Struktur in Fig. 22 Elektrodenfinger, beispielsweise 510, 512, 514, 516, mit Abmessungen und Abständen, die diese Konstruktionsregeln wiedergeben. Der ungleichförmige Abstand der Elektrodenfinger in jeder Schicht bedeutet, dass die Elektrodenfinger miteinander verbunden sind, um Stapel zu bilden, die in verschiedener Weise gegenüber der Oberfläche ausgerichtet sind.
Es ist zu erkennen, dass vielfältige Alternativen und Abänderungen der Strukturen der Ausführungsformen möglich sind. Im Einzelnen können die Schutzringe getrennt oder kontinuierlich mit jeder Elektrode ausgebildet sein. Bei anderen Ausführungsformen ist der Schutzring in zwei Teilen mit der gleichen oder unterschiedlichen Polaritäten vorgesehen. Viele unterschiedliche Konfigurationen der Polarität für jede Elektrodenplatte oder jeden Finger sind möglich.
Obwohl die vorstehend beschriebenen Kondensator-Elektrodenstrukturen geradlinige fingerartige Elektroden umfassen, wobei alle Elektrodenfinger an einem Ende miteinander verbunden sind, ist es weiterhin verständlich, dass alternative Kondensator-Elektrodenanordnungen mit einer Vielzahl von langgestreckten Elementen oder Finger in anderen Konfigurationen definiert und miteinander verbunden werden.
Es wurden Metallisierungsschemas für weiterentwickelte integrierte Schaltungen unter Verwendung eine niedrigere Permissivität aufweisenden Dielektrika (beispielsweise Polyimiden) als Zwischenschicht-Dielektrika vorgeschlagen, um die parasitäre Kapazität zwischen Leitern verglichen mit üblichen Dielektrika zu verringern, d. h. Siliziumdioxid, Oxynitrit und Nitride. Bei Anwendungen dieser Materialien auf Kondensatorstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung würde es erforderlich sein, die Plattenfläche zu vergrößern, um die reduzierte Permissivität verglichen mit üblichen Dielektrika zu berücksichtigen. Bei den letzteren Anwendungen sind fingerförmig verschränkte Kondensatorplatten besonders nützlich bei der Verringerung des Flächenbedarfs, und eine Mehrebenenmetallisierung, d. h. TLM, QLM, kann dazu verwendet werden, eine höhere Kapazität pro Flächeneinheit zu erzielen, wie dies weiter oben beschrieben wurde.
In Mehrebenen-Metallisierungsschemas kann eine Teilmenge der Metallisierungs- und Zwischenmetall-Dielektrikum-Schichten verwendet werden, um Kondensatorstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung zu konstruieren. Obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vier Schichten von Kondensatorplatten umfassen, kann irgendein Paar von Metallschichten verwendet werden, um eine Kondensatorstruktur herzustellen, die beispielsweise fingerförmig ineinander verschränkte Elektroden aufweist, mit oder ohne den jede Schicht umgebenden Schutzring. Obwohl es zweckmäßig ist, eine Schicht aus Polysilizium für die untere Elektrode zu verwenden, können die vorstehend beschriebenen Vier-Elektroden-Kondensatorstrukturen aus vier Ebenen der Metallisierung hergestellt werden.
Somit ist es verständlich, dass, obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung vorstehend ausführlich beschrieben wurden, vielfältige Abänderungen und Modifikationen dieser Ausführungsformen in den Schutzumfang der Erfindung fallen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Kondensatorstruktur für eine integrierte Schaltung, die eine Mehrebenen-Zwischenverbindungs-Metallisierung mit einer Vielzahl von Schichten einer leitenden Metallisierung und Schichten eines Zwischenschicht-Dielektrikums umfasst, wobei die Kondensatorstruktur Folgendes umfasst:

eine Isolierschicht (54), auf der eine erste Elektrode (56) ausgebildet ist, die durch einen Teil einer ersten Schicht einer leitenden Metallisierung gebildet ist,

eine darauf ausgebildete Schicht eines Kondensator-Dielektrikums (58), das durch einen Teil eines ersten Zwischenschicht-Dielektrikums gebildet ist,

eine zweite Elektrode (60), die durch einen Teil einer zweiten Schicht einer leitenden Metallisierung gebildet ist und über der ersten Elektrode (56) liegt,

dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode einen Hauptteil (56), der eine Begrenzung aufweist, wobei die Begrenzung zumindest eine Kante (82) des Hauptteils definiert, und einen umgebenden Teil umfasst, der einen Ring (57) bildet, der den Hauptteil (56) umgibt und mit Abstand von der zumindest einen Kante des Hauptteils angeordnet ist.

2. Struktur nach Anspruch 1, bei der der umgebende Teil mit Abstand von dem Hauptteil (56) entlang der Begrenzung angeordnet ist, um einen Ring (57) zu bilden, der koplanar zu dem Hauptteil der Elektrode ist und diesen umgibt.

3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Zwischenverbindungen zwischen Elektroden einen Hauptteil mit einer Polarität schaffen, wobei ein koplanarer Ring des umgebenden Teils eine entgegengesetzte Polarität aufweist.

4. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Ring einen getrennten Teil (75) einschließt, der an einer zwischenliegenden Position zwischen dem Hauptteil (56) und dem umgebenden Teil (57) liegt.

5. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jede Elektrode eine rechtwinklige ebene Platte umfasst, wobei die Elektroden gestapelt sind, um einen parallelen Stapel von Elektroden zu bilden, und wobei jede Elektrode einen koplanaren umgebenden Teil mit Ringform aufweist, der mit Abstand von dem Hauptteil angeordnet ist.

6. Kondensatorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kondensator einen Stapel aus einer Vielzahl von Elektroden umfasst, mit:

leitenden Durchgangsverbindungen, die abwechselnde Elektroden des Stapels miteinander verbinden, um Sätze von Kondensatorelektroden der gleichen Polarität zu schaffen,

wobei erste und zweite elektrische Kontakte jeweils zu Sätzen von Elektroden mit entgegengesetzter Polarität hergestellt sind, wodurch die Gesamtkapazität der gestapelten Elektrodenstruktur die Summe von Kapazitäten zwischen abwechselnden Elektroden mit entgegengesetzten Polaritäten ist.

7. Kondensatorstruktur nach Anspruch 6, bei der der Stapel von Elektroden Folgendes umfasst:

eine untere Elektrode des Kondensators, die durch eine darunterliegende leitende Schicht der integrierten Schaltung definiert ist, und

wobei darüberliegende Elektroden durch zumindest zwei der darüberliegenden Schichten einer Zwischenverbindungs-Metallisierung definiert sind.

8. Kondensatorstruktur nach Anspruch 7, bei der die darunterliegende leitende Schicht Polysilizium umfasst.

9. Kondensatorstruktur nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 6, bei der der Hauptteil jeder Elektrode eine Vielzahl von miteinander verbundenen Fingern mit einem sich zwischen diesen erstreckenden Dielektrikum umfasst.

10. Struktur nach Anspruch 9, bei der Finger in einer Metallisierungsschicht in Vertikalrichtung mit Fingern von benachbarten Metallisierungsschichten ausgerichtet sind.

11. Struktur nach Anspruch 9, bei der die Vielzahl von Fingern in paralleler Ausrichtung angeordnet und an einem Ende jedes Fingers miteinander verbunden sind, um eine kammartige Struktur zu bilden.

12. Struktur nach Anspruch 11, bei der Finger in jeder Schicht in paralleler Ausrichtung mit Fingern in benachbarten Schichten sind und vertikal zu diesen gestapelt sind.

13. Struktur nach Anspruch 9, bei der Finger in abwechselnden Schichten seitlich gegenüber Fingern einer benachbarten Schicht versetzt sind, wodurch Stapel von Fingern gegenüber einer Oberfläche der integrierten Schaltung geneigt sind.

14. Struktur nach Anspruch 13, bei der Finger Abmessungen aufweisen, die eine Breite und einen Abstand zwischen jedem Finger umfassen, wobei die Breite und der Abstand in jeder Schicht den der minimalen Konstruktionsregel entsprechenden Abmessungen für die jeweilige Metallisierungsebene entsprechen, wobei aufeinanderfolgende Metallisierungsebenen aufeinanderfolgend mit geringerem Abstand angeordnet sind als die oberste Ebene.

15. Struktur nach Anspruch 9, bei der Finger Abmessungen aufweisen, die eine Breite und einen Abstand zwischen jedem Finger umfassen, wobei die Breite und der Abstand für jede Schicht gleichförmig sind.

16. Struktur nach Anspruch 9, bei der Finger in jeder Schicht miteinander verbunden sind, um zwei Sätze mit entgegengesetzter Polarität zu bilden, die in jeder Schicht angeordnet sind, wobei jeder Finger benachbart zu einem anderen Finger mit der entgegengesetzten Polarität angeordnet ist, und wobei in benachbarten Schichten Finger der gleichen Polarität gegenüber denen in benachbarten Schichten versetzt sind, wodurch sich Stapeln von Fingern der gleichen Polarität ergeben, die gegenüber einer Oberfläche der integrierten Schaltung geneigt sind.

17. Kondensatorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Ring (17) entlang eines Teils der Begrenzung (82) kontinuierlich mit dem Hauptteil (56) ausgebildet ist.