DE102005004433A1

DE102005004433A1 - Halbleiterbauelement mit integriertem Kondensator und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102005004433A1
Application number: DE102005004433A
Authority: DE
Inventors: Georg RÖHRER; Dieter Rathei; Rainer Minixhofer
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: DE102005004433B4

Abstract

Über einer für eine untere Kondensatorelektrode vorgesehenen Leiterfläche (13) werden Stoppeln (4) nach Art von Kontaktlochfüllungen ausgebildet, die die Oberfläche der Leiterfläche vergrößern. Darauf werden eine dünne Schicht eines Kondensatordielektrikums (5) und eine leitfähige Schicht (6) als obere Kondensatorelektrode angeordnet. Vorzugsweise werden die Stoppeln (4) vor dem Aufbringen des Kondensatordielektrikums (5) unter das Niveau vorhandener Kontaktlochfüllungen (12) rückgeätzt, die als elektrische Verbindungen vorgesehen sind, sodass die leitfähige Schicht (6) in einem planarisierenden Rückschleifschritt zusammen mit seitlichen Anteilen des Kondensatordielektrikums (5) von der Oberseite entfernt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem in die Verdrahtungsstruktur integrierten Kondensator, insbesondere die verbesserte Ausgestaltung eines Metall-Isolator-Metall-Kondensators auf einem Halbleiterbauelement.

In der US 2002/0177271 A1 ist ein Halbleiterbauelement mit einer MIM-Kondensatorstruktur beschrieben. Diese Kondensatorstruktur umfasst eine seitlich begrenzte, auf einem Substrat aus Halbleitermaterial angeordnete Leiterfläche mit einem darauf angeordneten Metallstöpsel als untere Kondensatorelektrode. Ein Anteil der Leiterfläche sowie des Metallstöpsels sind mit einem Kondensatordielektrikum überzogen, auf dem oberseitig die obere Kondensatorelektrode angeordnet ist. Seitlich befindet sich ringsum dielektrisches Material als Isolator. Mit dem Metallstöpsel wird eine größere Kondensatorfläche und damit eine höhere Integrationsdichte erreicht.

In der US 2001/0026972 A1 ist ein IC-Chip mit einem MIM-Kondensator beschrieben, bei dem die untere Kondensatorelektrode als Leiterfläche ausgebildet ist. Die untere Kondensatorelektrode umfasst einen unteren Polysiliziumfilm und einen darauf aufgebrachten Wolframsilizidfilm. Als Kondensatordielektrikum wird ein Hochtemperaturoxid verwendet, auf dem Wolframsilizid als obere Kondensatorelektrode aufgebracht und ebenfalls als Leiterfläche strukturiert ist.

In der EP 1 020 906 A2 ist ein DRAM-Kondensator mit Herstellungsverfahren angegeben, bei dem die untere Kondensatorelektrode eine wannenförmige Struktur aufweist, die auf einer Kontaktlochfüllung angeordnet ist. Oberseiten und Wände der unteren Kondensatorelektrode sind mit dem Kondensatordielektrikum bedeckt. Darauf befindet sich die obere Kondensator elektrode als Metallschicht. Als Kondensatordielektrikum ist vorrangig Tantalpentoxid angegeben; statt dessen sind auch Siliziumdioxid, Titanoxid, Bariumstrontiumtitanat und Bleizirkoniumtitanat als Kondensatordielektrikum verwendbar.

Bei derartigen MIM-Kondensatoren, die für den Einsatz in integrierten Schaltungen auf einem Halbleiterchip vorgesehen sind, kommt es wesentlich auf eine Verkleinerung der beanspruchten Fläche bei gleichzeitig hoher Kapazität an. Kapazitätswerte im Bereich von nF erforderten bisher bereits eine Fläche von 10 mm². Dieser Flächenbedarf erhöht die Kosten pro Bauelement erheblich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit einem integrierten Kondensator, insbesondere einem MIM-Kondensator, anzugeben, der eine hohe Kapazität mit einem geringen Flächenbedarf verbindet. Außerdem soll ein zugehöriges Herstellungsverfahren angegeben werden.

Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 beziehungsweise mit dem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement ist die untere Kondensatorelektrode als Leiterfläche ausgebildet, auf der eine Mehrzahl von Stoppeln oder Stöpseln nach Art von in der Halbleitertechnologie an sich bekannten so genannten Plugs aus einem elektrisch leitfähigen Material angeordnet ist, die die Oberfläche der unteren Kondensatorelektrode erheblich vergrößern. Diese im Folgenden einheitlich als Stoppeln bezeichneten Strukturmerkmale können unterschiedliche Formen aufweisen und nach Art von Kontaktlochfüllungen hergestellt werden, indem Löcher in ein Zwischenmetalldielektrikum geätzt und anschließend mit Metall oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material, wie zum Beispiel Polysilizium, gefüllt werden. Die so entstehende Struktur wird nach dem Entfernen des Zwischenmetalldielektrikums mit einer Schicht des Kondensatordielektrikums bedeckt. Darauf wird eine elektrisch leitfähige Schicht, vorzugsweise aus Metall, als obere Kondensatorelektrode abgeschieden. Die Stoppeln können im Prinzip beliebig geformt sein; eine zylindrische Form ist bevorzugt. Zusammen mit den Stoppeln können herkömmliche Kontaktlochfüllungen als vertikale elektrisch leitende Verbindungen hergestellt werden. Bevorzugte Herstellungsverfahren garantieren einen einfachen Prozessablauf sowie die Möglichkeit, die mit den Stoppeln versehene Kondensatorelektrode sowie die obere Kondensatorelektrode elektrisch von den vertikalen leitenden Verbindungen zu trennen.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Halbleiterbauelementes und des Herstellungsverfahrens anhand der beigefügten Figuren.
Die 1 zeigt ein Zwischenprodukt des Herstellungsverfahrens nach dem Aufbringen einer für das Ätzen von Öffnungen vorgesehenen Maske im Querschnitt.
Die 2 zeigt den Querschnitt gemäß der 1 nach dem Herstellen der für die Stoppeln vorgesehenen Füllungen.
Die 3 zeigt den Querschnitt gemäß der 2 nach einem Rückätzen des eingefüllten Materials.
Die 4 zeigt den Querschnitt gemäß der 3 nach dem Aufbringen des Kondensatordielektrikums und der oberen Kondensatorelektrode.
Die 5 zeigt den Querschnitt gemäß der 4 nach dem Rückschleifen der oberen Kondensatorelektrode, dem Aufbringen einer weiteren leitfähigen Schicht sowie einer Maske zum Strukturieren dieser Schicht.
Die 6 zeigt das Halbleiterbauelement mit einer fertig strukturierten Kondensatoranordnung.
Die 7 zeigt einen Querschnitt gemäß der 2 für ein alternatives Ausführungsbeispiel nach dem Entfernen des Zwischenmetalldielektrikums im Bereich des Kondensators.
Die 8 zeigt den Querschnitt gemäß der 7 nach dem Aufbringen des Kondensatordielektrikums und einer weiteren Maske.
Die 9 zeigt den Querschnitt gemäß der 8 nach dem Aufbringen der für die obere Kondensatorelektrode vorgesehenen leitfähigen Schicht.
Die Struktur bevorzugter Ausführungsbeispiele des Halbleiterbauelementes mit integriertem Kondensator wird im Folgenden anhand bevorzugter Herstellungsverfahren beschrieben.
Die 1 zeigt im Querschnitt ein erstes Zwischenprodukt, bei dem auf einem Halbleiterkörper oder Substrat 1 eine für eine Verdrahtung sowie die untere Kondensatorelektrode vorgesehene Struktur ausgebildet ist. Eine Metallebene 3, bei der es sich um eine der üblichen Metallisierungsebenen der Verdrahtung des Halbleiterbauelementes handeln kann, ist in einer an sich bekannten Weise in Schichten eines Zwischenmetalldielektrikums 2, zum Beispiel aus Siliziumdioxid, eingebettet. Diese Metallebene umfasst eine Leiterfläche 13, die für die untere Kondensatorelektrode vorgesehen ist. Weitere Anteile der Metallebene 3, die in der Zeichnung nur angedeutet sind, können für übliche Verdrahtungen und Leiterbahnen strukturiert sein. Auf der Oberseite ist eine erste Maske 8 aufgebracht, die Öffnungen im Bereich der herzustellenden Stoppeln aufweist. In der 1 ist mit den gestrichelten Linien angedeutet, welche Anteile des Zwischenmetalldielektrikums 2 unter Verwendung dieser ersten Maske 8 entfernt werden. In den betreffenden Bereichen werden Öffnungen herge stellt, in denen jeweils die Oberfläche der Leiterfläche 13 freigelegt ist.
Die so hergestellten Öffnungen werden gemäß zum Querschnitt der 2 mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt, zum Beispiel einem Metall, vorzugsweise mit demselben Metall, aus dem auch die Leiterfläche 13 gebildet ist. Das eingebrachte Material wird oberseitig nach Bedarf so zurückgeschliffen, dass nur die als Stoppeln 4 vorgesehenen Füllungen der Öffnungen übrig bleiben. Das in die Öffnungen eingebrachte Material ist elektrisch leitend mit der Leiterfläche 13 verbunden und bildet die Stoppeln 4, die die Oberfläche der unteren Kondensatorelektrode wesentlich vergrößern. Zwischen den Stoppeln 4 ist noch das Zwischenmetalldielektrikum 2 vorhanden. Mit diesem Verfahrensschritt können gleichzeitig Kontaktlochfüllungen 12 hergestellt werden, die als vertikale elektrisch leitende Verbindungen zu der Metallebene 3 vorgesehen sind.
Die 3 zeigt ein weiteres Zwischenprodukt für ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Hierbei wird eine zweite Maske 9 aufgebracht, die den Bereich der Leiterfläche 13 und der Stoppeln 4 frei lässt und den restlichen Anteil der Oberfläche des Halbleiterbauelementes abdeckt. Diese zweite Maske 9 wird verwendet, um zunächst die Stoppeln 4 etwas rückzuätzen, sodass deren Oberflächen etwas tiefer liegen als die Oberfläche des Zwischenmetalldielektrikums 2. Der Zweck dieser Maßnahme wird sich aus den weiteren Verfahrensschritten ergeben. Es wird dann im Bereich der Öffnung der zweiten Maske 9 das Zwischenmetalldielektrikum 2 von der Oberseite der Leiterfläche 13 entfernt. Die untere Kondensatorelektrode ist so oberseitig vollständig freigelegt. Die zweite Maske 9 wird entfernt.
Es wird dann gemäß 4 ein Kondensatordielektrikum 5 abgeschieden, das ein beliebiges für MIM-Kondensatoren geeignetes Dielektrikum, insbesondere Tantalpentoxid, sein kann.
Dieses Kondensatordielektrikum bildet eine dünne Schicht, die die obere Seite der unteren Kondensatorelektrode einschließlich der Stoppeln in etwa konform bedeckt. Die 4 zeigt ein weiteres Zwischenprodukt, nachdem auf das Kondensatordielektrikum 5 noch eine elektrisch leitfähige Schicht 6, vorzugsweise aus Metall, aufgebracht worden ist, die für die obere Kondensatorelektrode vorgesehen ist. Die leitfähige Schicht 6 wird dann von oben bis auf die randseitigen Anteile des Kondensatordielektrikums 5 planarisierend entfernt, zum Beispiel mittels CMP (chemical mechanical polishing), und auch das Kondensatordielektrikum 5 wird auf der Oberseite des Zwischenmetalldielektrikums 2 entfernt. Danach bleibt das Kondensatordielektrikum 5 nur im Bereich des Kondensators stehen und ist oberseitig etwa im Bereich der Leiterfläche 13 von der leitfähigen Schicht 6 als oberer Kondensatorelektrode bedeckt.
Die 5 zeigt ein weiteres Zwischenprodukt im Querschnitt gemäß der 4 nach dem Aufbringen einer weiteren elektrisch leitfähigen Schicht 7, die für den elektrischen Anschluss der oberen Kondensatorelektrode vorgesehen ist. Eine dritte Maske 10 wird aufgebracht, um die weitere leitfähige Schicht 7 entsprechend zu strukturieren. In den beschriebenen Figuren ist jeweils als Beispiel für ebenfalls herzustellende Kontaktlochfüllungen eine derartige Kontaktlochfüllung 12 dargestellt, die eine vertikale elektrisch leitende Verbindung nach Art herkömmlicher Verdrahtungen des Bauelementes bildet.
Für diese Kontaktlochfüllungen in der höheren Metallebene vorgesehene Anschlussleiterbahnen, von denen in der 6 eine Anschlussleiterbahn 14 im Querschnitt als Beispiel dargestellt ist, können ebenfalls aus der weiteren leitfähigen Schicht 7 geeignet strukturiert werden. Das Rückätzen der Stoppeln 4 gemäß der Darstellung der 3 ermöglicht es bei dieser Ausführungsform des Verfahrens, die leitfähige Schicht 6 der oberen Kondensatorelektrode und das Kondensa tordielektrikum 5 planarisierend rückzuschleifen, sodass ohne Verwendung einer weiteren Maske beide Schichten die für den MIM-Kondensator vorgesehene Struktur aufweisen.
Die 7 zeigt einen Querschnitt eines Zwischenproduktes gemäß der 2 für ein anderes Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens, bei dem die Stoppeln 4 nicht zurückgeätzt werden. Die zweite Maske 9 wird hier nur dazu verwendet, im Bereich der Leiterfläche 13 und der Stoppeln 4 oberseitig das Zwischenmetalldielektrikum 2 zu entfernen. Die Stoppeln 4 besitzen daher dieselbe Höhe wie die Kontaktlochfüllungen 12, die für die üblichen Verdrahtungen vorgesehen sind.
Die 8 zeigt einen Querschnitt gemäß der 7, nachdem die zweite Maske 9 entfernt und das Kondensatordielektrikum 5 ganzflächig als dünne Schicht auf der Oberseite aufgebracht worden ist. Eine vierte Maske 11 wird dann aufgebracht, die den Bereich der Leiterfläche 13 und der Stoppeln 4 bedeckt. Diese vierte Maske 11 wird verwendet, um außerhalb des von ihr bedeckten Bereiches die Schicht des Kondensatordielektrikums 5 von der Oberseite des Bauelementes zu entfernen. Damit sind insbesondere die herkömmlichen Kontaktlochfüllungen 12 oberseitig freigelegt.
Nach dem Entfernen der vierten Maske 11 wird gemäß dem Querschnitt der 9 die elektrisch leitfähige Schicht 6 abgeschieden, die für die obere Kondensatorelektrode vorgesehen ist. Diese leitfähige Schicht 6 kann dann unter Verwendung der dritten Maske 10 gemäß der 5 wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel zu der oberen Kondensatorelektrode und gegebenenfalls zu Anschlussleiterbahnen strukturiert werden, was in der 9 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Die Stoppeln 4 besitzen bei diesem Ausführungsbeispiel dieselbe vertikale Abmessung wie die herkömmlichen Kontaktlochfüllungen 12.

1: Substrat
2: Zwischenmetalldielektrikum
3: Metallebene
4: Stoppel
5: Kondensatordielektrikum
6: elektrisch leitfähige Schicht
7: weitere elektrisch leitfähige Schicht
8: erste Maske
9: zweite Maske
10: dritte Maske
11: vierte Maske
12: Kontaktlochfüllung
13: Leiterfläche
14: Anschlussleiterbahn

Claims

Halbleiterbauelement mit integriertem Kondensator mit – einem Halbleiterkörper oder Substrat (1), – einer darauf angeordneten unteren Kondensatorelektrode, – einem Kondensatordielektrikum, – einer oberen Kondensatorelektrode, die von der unteren Kondensatorelektrode durch das Kondensatordielektrikum elektrisch isoliert ist, und – elektrischen Anschlüssen der Kondensatorelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass – die untere Kondensatorelektrode eine Leiterfläche (13) aufweist, die in einer Metallebene (3) einer in ein Zwischenmetalldielektrikum (2) eingebetteten Verdrahtungsstruktur angeordnet ist, – die untere Kondensatorelektrode oberseitig mit elektrisch leitfähigen Stoppeln (4) versehen ist, die eine Form ähnlich Kontaktlochfüllungen aufweisen, – das Kondensatordielektrikum (5) die untere Kondensatorelektrode einschließlich der Stoppeln (4) überdeckt und – auf dem Kondensatordielektrikum (5) eine elektrisch leitfähige Schicht (6) als obere Kondensatorelektrode angeordnet ist, wobei diese elektrisch leitfähige Schicht (6) Zwischenräume zwischen den Stoppeln (4) auffüllt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem – Kontaktlochfüllungen (12) als vertikale elektrisch leitende Verbindungen zu der Metallebene (3) vorhanden sind und – die Stoppeln (4) eine im Vergleich zu den Kontaktlochfüllungen (12) geringere vertikale Abmessung aufweisen.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 bei dem – die obere Kondensatorelektrode mit einer weiteren elektrisch leitfähigen Schicht (7) versehen ist und – die weitere elektrisch leitfähige Schicht (7) in einer Verdrahtungsebene angeordnet ist, in der auch Anschlussleiter bahnen (14) für die Kontaktlochfüllungen (12) ausgebildet sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem – Kontaktlochfüllungen (12) als vertikale elektrisch leitende Verbindungen zu der Metallebene (3) vorhanden sind und – die Stoppeln (4) dieselbe vertikale Abmessung wie die Kontaktlochfüllungen (12) besitzen.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem – die untere Kondensatorelektrode und die obere Kondensatorelektrode laterale Abmessungen aufweisen, die dem von den Stoppeln (4) eingenommenen Bereich entsprechen.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem – die Stoppeln (4) aus demselben Metall wie die Leiterfläche (13) sind.
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit integriertem Kondensator, bei dem – in einem ersten Schritt ein Halbleiterkörper oder Substrat (1) mit einer strukturierten Metallebene (3) in einem Zwischenmetalldielektrikum (2) bereitgestellt wird, wobei die Metallebene (3) eine für eine untere Kondensatorelektrode vorgesehene Leiterfläche (13) aufweist, – in einem zweiten Schritt unter Verwendung einer ersten Maske (8) eine Mehrzahl von Öffnungen oberhalb der Leiterfläche (13) in das Zwischenmetalldielektrikum (2) bis auf die Leiterfläche (13) herab geätzt wird, – in einem dritten Schritt die Öffnungen mit elektrisch leitfähigem Material gefüllt werden, – in einem vierten Schritt unter Verwendung einer zweiten Maske (9) das restliche Zwischenmetalldielektrikum (2) über der Leiterfläche (13) entfernt wird, sodass das zuvor in die Öffnungen gefüllte Material als Stoppeln (4) auf der Leiterfläche (13) stehen bleiben, – in einem fünften Schritt eine als Kondensatordielektrikum (5) vorgesehene Schicht aus dielektrischem Material auf die Leiterfläche (13) und die Stoppeln (4) abgeschieden wird und – in einem sechsten Schritt eine als obere Kondensatorelektrode vorgesehene elektrisch leitfähige Schicht (6) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem – in einem ersten weiteren Schritt zwischen dem dritten Schritt und dem vierten Schritt unter Verwendung der zweiten Maske (9) das in die Öffnungen eingebrachte Material rückgeätzt wird um einen nachfolgenden zweiten weiteren Schritt zu ermöglichen, – in dem zweiten weiteren Schritt nach dem sechsten Schritt die elektrisch leitfähige Schicht (6) und das Kondensatordielektrikum (5) so weit planarisierend abgetragen werden, dass das Kondensatordielektrikum (5) nur noch im Bereich der Leiterfläche (13) und der Stoppeln (4) vorhanden ist und die restliche elektrisch leitfähige Schicht (6) nur die Zwischenräume zwischen den Stoppeln (4) füllt, und – in einem dritten weiteren Schritt auf die restliche elektrisch leitfähige Schicht (6) eine für einen elektrischen Anschluss der oberen Kondensatorelektrode vorgesehene weitere elektrisch leitfähige Schicht (7) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem – in einem ersten weiteren Schritt zwischen dem fünften Schritt und dem sechsten Schritt unter Verwendung einer weiteren Maske (11), die den Bereich der Leiterfläche (13) und der Stoppeln (4) abdeckt, ein von dieser Maske nicht abgedeckter Anteil des Kondensatordielektrikums (5) entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem – in dem zweiten Schritt zugleich Kontaktlöcher für elektrisch leitende Verbindungen zu der Metallebene (3) geätzt werden und – in dem dritten Schritt zugleich Kontaktlochfüllungen (12) als elektrisch leitende Verbindungen eingebracht werden.