DE10256346A1

DE10256346A1 - Halbleiterbauelement mit MIM-Kondensator und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE10256346A1
Application number: DE10256346A
Authority: DE
Inventors: Ki-Young Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: DE10256346B4; JP4115817B2; US20030102522A1; JP2003218228A; US6853003B2; KR20030046114A; KR100428789B1; US20050118797A1; US7232736B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einer Metall/Isolator/Metall(MIM)-Kondensatorschichtstruktur sowie auf ein Verfahren zur Herstellung desselben. DOLLAR A Erfindungsgemäß beinhaltet das Halbleiterbauelement eine untere Kupfer-Elektrode (124), eine erste Zwischenisolation (125, 130), einen MIM-Kondensator mit unterer Barrierenelektrode (141), dielektrischer Schicht (143) und oberer Barrierenelektrode (145), eine Kupfer-Zwischenelektrode (150), eine zweite Zwischenisolation (155, 160), einen Kupfer-Verbindungskontaktstift (170) und eine obere Kupfer-Elektrode (181). DOLLAR A Verwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit MIM-Kondensatoren unter Verwendung von Kupfer-Zwischenverbindungen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Kondensator mit Metall/Isolator/Metall-Schichtstruktur (MIM) (vorliegend als MIM-Kondensator bezeichnet) sowie auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.
MIM-Kondensatoren werden sehr häufig für Halbleiterbauelemente verwendet, die sich auf Analog-Digital-Wandlung und Digital-Analog- Wandlung von Vorrichtungen beziehen, die analoge Signale benutzen. Eine Wandlung zwischen analogen und digitalen Signalen erfordert Kondensatoren und Widerstände. Da Signale mit zahlreichen Bits zur Erhöhung der Menge an in Datensignalen verarbeiteten Daten verwendet werden, sollten Halbleiterbauelemente zur Verarbeitung von Signalen außerdem eine zuverlässige Unterscheidung hinsichtlich der Form von Signalen bereitstellen. Zudem sollte sich die Form von Signalen mit Variablen wie Spannung und Temperatur nicht verändern. Wenn Kondensatoren von Halbleiterbauelementen in Abhängigkeit von der Spannung oder Temperatur unterschiedliche Kapazitäten aufweisen, wird es unmöglich, Signale präzise zu bestimmen und zu verarbeiten.
Im Fall einer Verwendung von Polysilicium für Kondensatorelektroden können jedoch elektrische Ladungen leicht durch Grenzen zwischen der Kondensatorelektrode und einer dielektrischen Schicht hindurch emittiert werden. Die Abhängigkeit von Polysilicium von Temperatur und Spannung verursacht eine Kapazitätsänderung innerhalb eines signifikant breiten Bereichs. Aus diesem Grund werden Kondensatoren der vorstehenden Struktur nicht für Halbleiterbauelemente verwendet, die eine geringe Abmessung und eine hohe Stabilität erfordern. Daher sind MIM- Kondensatoren hauptsächlich für analoge Halbleiterbauelemente gedacht.
Im Allgemeinen beinhaltet die Erzeugung eines MIM-Kondensators die Bildung einer Mehrschichtstruktur aus Aluminium-Zwischenverbindungen, die eine obere Zwischenverbindung, einen Durchkontakt und eine untere Zwischenverbindung beinhaltet, und gleichzeitig die Bildung einer oberen und einer unteren Elektrode des Kondensators. Fig. 1 ist eine Querschnittansicht eines herkömmlichen MIM-Kondensators und herkömmlicher Aluminium-Zwischenverbindungen. Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine Zwischenisolationsschicht 15 auf einer unteren Aluminium- Elektrode 11 und einer unteren Aluminium-Zwischenverbindung 13 gestapelt. Ein Fenster, das die untere Elektrode 11 freilegt, ist in der Zwischenisolationsschicht 15 ausgebildet. Eine dielektrische Schicht 17 ist konform auf der gesamten Oberfläche eines Halbleitersubstrats gestapelt, und eine Durchkontaktöffnung ist ausgebildet, welche die untere Zwischenverbindung 13 freilegt. Eine Aluminiumschicht ist dann auf der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats gestapelt und strukturiert, um eine obere Elektrode 19, eine obere Zwischenverbindung 21 und einen Durchkontakt 23 zu bilden.
In der letzten Zeit wurden aufwändige Forschungsarbeiten für Kupfer- Zwischenverbindungen und Kupfer-Kondensatorelektroden durchgeführt, um die Stabilität und Unterscheidungsfähigkeit von Signalen von Halbleiterbauelementen zu erhöhen. Dies liegt daran, dass Kupfer im Vergleich zu Aluminium einen geringeren Widerstand und eine höhere Signaldiskriminierung aufweist. Im Fall einer Verwendung von Kupfer für Zwischenverbindungen und Elektroden der MIM-Kondensatoren können jedoch die Zwischenverbindungen und die Elektroden nicht ohne Weiteres mittels herkömmlicher photolithographischer Prozesse und Ätzprozesse strukturiert werden. Demgemäß wird stattdessen ein Damaszener-Prozess durchgeführt. Ein Kupfer-Damaszenerprozess beinhaltet die Bildung einer Vertiefung für eine Zwischenverbindung in einer Isolationsschicht, das Stapeln von Kupfer, um die Vertiefung zu füllen, und das Entfernen des Kupfers von dem Substrat mit Ausnahme der Vertiefung. Da jedoch Kupfer diffundieren kann und dann benachbarte Zwischenisolationsschichten kontaminiert und funktionelle Probleme induziert, wird das Kupfer mit einer Barrierenschicht bedeckt. Demzufolge ist es im Fall, dass Kupfer für Elektroden des MIM-Kondensators verwendet wird, schwierig, herkömmliche Prozesse zur Herstellung von Aluminium- MIM-Kondensatoren und Aluminium-Zwischenverbindungen anzuwenden.
Fig. 2 ist eine Querschnittansicht, die ein Beispiel für einen MIM- Kondensator mit einer Kupfer-Elektrode in einem herkömmlichen Halbleiterbauelement unter Verwendung einer Kupfer-Zwischenverbindung darstellt, wie in M. Armacost et al., "A high reliability metal insulator metal capacitor for 0.18 µm copper technology", 2000, IEEE beschrieben.
Bezugnehmend auf Fig. 2 ist ein Kondensator 43 auf einem Halbleitersubstrat 30 ausgebildet, und der Kondensator 43 ist mit einer unteren und einer oberen Nitridschicht 31 und 33 bedeckt. Der Kondensator 43 beinhaltet eine Basisoxidschicht 35, eine untere Elektrode 37, eine dielektrische Schicht 39 und eine obere Elektrode 41. In diesem Fall ist die Fläche der oberen Elektrode 41 kleiner als jene der unteren Elektrode 37. Die obere und die untere Elektrode 37 und 41 des Kondensators 43 sind dünne Metallschichten wie TiN. Eine Zwischenisolationsschicht 45 ist auf der oberen Nitridschicht 33 ausgebildet. Eine Vertiefung und eine Durchkontaktöffnung sind in der Zwischenisolationsschicht 45 ausgebildet und mit einem Barrierenmetall 47 und einer Kupferschicht 49 gefüllt. Das Barrierenmetall 47 und die Kupferschicht 49 werden durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) poliert und bilden Zwischenverbindungen. Die Zwischenverbindungen, die aus dem Barrierenmetall 47 und der Kupferschicht 49 gebildet sind, welche die Vertiefung und die Durchkontaktöffnung füllen, werden mit der oberen beziehungsweise unteren Elektrode 37 und 41 mittels eines jeweiligen Kontaktstifts verbunden.
In diesem Fall ist jedoch ein photolithographischer Prozess mehr als zweimal durchzuführen, um einen Kondensator zu fertigen. Außerdem wird es aufgrund einer komplizierten gestapelten Struktur schwierig, eine Durchkontaktöffnung herzustellen. Zudem weist das gesamte Substrat durch Stapeln einer Mehrfachschicht für den Kondensator eine schlechtere Stufenbedeckung auf. Deshalb ist der CMP-Prozess erforderlich, um die Stufenbedeckung zu verbessern.
Die Fig. 3 bis 6 sind Querschnittansichten, die ein Beispiel einer herkömmlichen Herstellung eines MIM-Kondensators und einer Zwischenverbindung in einem Halbleiterbauelement unter Verwendung einer Kupfer-Zwischenverbindung darstellen. Eine untere Elektrode 53 und eine untere Zwischenverbindung 55 werden in einer auf einem Substrat ausgebildeten Isolationsschicht 51 unter Verwendung eines Damaszener- Prozesses gebildet, und dann wird eine Zwischenisolationsschicht 57 gebildet. Die Zwischenisolationsschicht 57 wird strukturiert, um eine Durchkontaktöffnung 61 und ein Fenster 63 zu bilden, dann wird eine dielektrische Schicht 59 auf der resultierenden Struktur gestapelt, wie aus Fig. 3 zu entnehmen. Eine Vertiefung 65 für eine obere Zwischenverbindung wird unter Verwendung einer nicht gezeigten Photoresiststruktur auf der Zwischenisolationsschicht 57 gebildet, siehe Fig. 4. Die Vertiefung 65, die Durchkontaktöffnung 61 und das Fenster 63 werden mit einer leitfähigen Schicht gefüllt, um eine obere Elektrode 66, eine zwischenliegende Zwischenverbindung 67 und einen Kontaktstift 68 zu bilden, siehe Fig. 5. Nach dem Stapeln und Strukturieren einer weiteren Zwischenisolationsschicht 71 wird eine obere Zwischenverbindungsschicht aufgebracht und strukturiert, um einen oberen Kontaktstift 73 und eine obere Zwischenverbindung 72 zu bilden, siehe Fig. 6.
In dem vorstehenden Verfahren werden die Zwischenisolationsschicht 57 und die dielektrische Schicht 59 selektiv geätzt, um die Vertiefung 65 zu bilden. Die Vertiefung 65 wird gebildet, um die dielektrische Schicht 59 unter der Durchkontaktöffnung 61 zu entfernen, während die dielektrische Schicht 59 weiterhin auf dem Boden des Fensters 63 verbleibt.
In diesem Fall sollte die Durchkontaktöffnung 61 mit einer geeigneten Tiefe erhalten werden. Wenn die Durchkontaktöffnung 61 zu tief gebildet wird, kann die untere Zwischenverbindung während eines Ätzprozesses zur Bildung der Durchkontaktöffnung 61 leicht angegriffen werden, und es wird aufgrund eines hohen Aspektverhältnisses der Durchkontaktöffnung schwierig, die Durchkontaktöffnung mit einem Zwischenverbindungsmetall zu füllen. Außerdem verringert die dielektrische Schicht, die auf Seitenwänden der Durchkontaktöffnung 61 verbleibt, die Breite der Durchkontaktöffnung 61. Dies macht es schwierig, die Durchkontaktöffnung 61 mit einem leitfähigen Material zu füllen. Außerdem kann der Kontaktwiderstand vergrößert werden, wenn die dielektrische Schicht nicht vollständig von dem Boden der Durchkontaktöffnung 61 entfernt wird.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements der eingangs genannten Art, das relativ unempfindlich gegenüber Temperatur- und Spannungsschwankungen ist, und eines zugehörigen Herstellungsverfahrens zugrunde, das vergleichsweise einfach durchführbar ist.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eines Herstellungsverfahrens desselben mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Änderungen der Eigenschaften in Abhängigkeit von Temperaturänderungen und Spannungsschwankungen können bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement minimiert werden, und das Herstellungsverfahren ist durch weniger häufiges Ausführen von photolithographischen Prozessen vereinfacht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorzugsweise werden eine Kondensatorelektrode und eine Zwischenverbindung zusammen gebildet. Das Halbleiterbauelement kann zum Beispiel eine untere Zwischenverbindung, die zusammen mit der unteren Elektrode gebildet wird, eine obere Zwischenverbindung, die zusammen mit der oberen Elektrode gebildet wird, und einen Durchkontaktstift beinhalten, der die untere und die obere Zwischenverbindung verbindet und zusammen mit dem Verbindungskontaktstift gebildet wird.
Außerdem bestehen eine erste und eine zweite Isolationsbarrierenschicht vorzugsweise aus Fluorsilikatglas(FSG)-Schichten oder Schichten aus Karbonado, welche die Bildung von parasitären Kondensatoren aufgrund ihrer niedrigen Dielektrizitätskonstante verhindern können.
In der Erfindung weist der Verbindungskontaktstift im Allgemeinen die gleichen konstituierenden Schichten und die gleiche Struktur wie der Durchkontaktstift auf, und die obere Elektrode weist die gleichen konstituierenden Schichten und die gleiche Struktur wie die obere Zwischenverbindung auf. Insbesondere im Fall eines zweifachen Damaszener- Prozesses können der Verbindungskontaktstift, der Durchkontaktstift, die obere Elektrode und die obere Zwischenverbindung die gleichen konstituierenden Schichten aufweisen, die eine Kupferschicht und eine Barrierenmetallschicht beinhalten.
Die Bildung der oberen Elektrode kann die Erzeugung einer dritten Isolationsschicht auf einem Substrat, wo der Verbindungskontaktstift gebildet ist, die Erzeugung einer Vertiefung in der dritten Isolationsschicht mittels eines Damaszener-Prozesses, um den Verbindungskontaktstift freizulegen, und das Einbringen einer leitfähigen Schicht, die eine Kupferschicht beinhaltet, in die Vertiefung umfassen.
Da Kupfer leicht diffundiert, sollten Zwischenverbindungen und Elektroden einschließlich Kontaktstiften, die aus Kupfer bestehen, durch leitfähige Materialien oder isolierende Schichten, die als Barrieren gegen die Diffusion von Kupfer verwendet werden, von äußeren Schichten getrennt werden.
In der Erfindung wird nach dem Füllen der Verbindungskontaktöffnung mit der leitfähigen Schicht im Allgemeinen eine Zwischenisolationsschicht aufgebracht. Danach wird die Zwischenisolationsschicht strukturiert, um eine Vertiefung für eine Zwischenverbindung zu bilden, welche die leitfähige Schicht freilegt. Die Vertiefung wird dann mit einer leitfähigen Schicht gefüllt, die eine vierte Kupferschicht beinhaltet. In einem weiteren Verfahren können zusätzlich Photolithographie und Ätzen durchgeführt werden, um eine Vertiefung für eine obere Elektrode auf der zweiten Isolationsschicht vor oder nach dem Erzeugen der Verbindungskontaktöffnung zu bilden. Anschließend kann eine leitfähige Schicht aufgebracht werden, die eine dritte Kupferschicht beinhaltet, um sowohl die Kontaktöffnung als auch die Vertiefung für die obere Elektrode zu füllen. Nach der Bildung der oberen Elektrode wird zusätzlich eine Isolationsschicht darauf erzeugt, bei der eine untere Schicht eine Isolationsbarrierenschicht ist.
Die Kondensatorelektrode wird vorzugsweise zusammen mit einer Zwischenverbindung gebildet. Dazu wird zusammen mit der Bildung der unteren Elektrode eine untere Zwischenverbindung gebildet, und ein Teil einer Durchkontaktöffnung, welche die obere und die untere Zwischenverbindung verbindet, wird zusammen mit der Bildung der Verbindungskontaktöffnung erzeugt. Außerdem wird die Durchkontaktöffnung während des Füllens der Verbindungskontaktöffnung vorzugsweise mit der die dritte Kupferschicht enthaltenden leitfähigen Schicht gefüllt.
Insbesondere im Fall der Verwendung eines zweifachen Damaszener- Prozesses folgt der Bildung der zweiten Isolationsschicht die Bildung einer dritten Isolationsschicht. Dann wird eine Ätzmaske auf der dritten Isolationsschicht erzeugt, während die Verbindungskontaktöffnung gebildet wird. Auf der dritten Isolationsschicht werden vor oder nach dem Erzeugen der Verbindungskontaktöffnung Vertiefungen sowohl für eine obere Elektrode als auch eine obere Zwischenverbindung gebildet. Die Durchkontaktöffnung, die Vertiefung für die obere Elektrode und die Vertiefung für die obere Zwischenverbindung können während des Füllens der Verbindungskontaktöffnung gefüllt werden.
Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung und die zu deren besserem Verständnis oben erläuterten, herkömmlichen Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen MIM-Kondensators und von herkömmlichen Aluminium-Zwischenverbindungen,
Fig. 2 eine Querschnittansicht, die ein Beispiel für einen MIM-Kondensator mit einer Kupferelektrode in einem herkömmlichen Halbleiterbauelement unter Verwendung einer Kupfer- Zwischenverbindung darstellt,
Fig. 3 bis 6 Querschnittansichten, die ein Beispiel für die Bildung eines herkömmlichen MIM-Kondensators und einer Zwischenverbindung in einem Halbleiterbauelement unter Verwendung einer Kupfer-Zwischenverbindung darstellen,
Fig. 7 bis 12 Querschnittansichten, die eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten darstellen, und
Fig. 13 bis 15 Querschnittansichten, die eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten darstellen.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. In den Zeichnungen sind die Dicken von Schichten und Bereichen zwecks Klarheit übertrieben dargestellt. Es versteht sich außerdem, dass eine Schicht, wenn sie als auf einer anderen Schicht oder einem Substrat liegend bezeichnet wird, direkt auf der anderen Schicht oder dem Substrat liegen kann oder auch eine oder mehrere zwischenliegende Schichten vorhanden sein können.
Die Fig. 7 bis 12 zeigen eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform in aufeinanderfolgenden Herstellungsstadien.
Bezugnehmend auf Fig. 7 werden zunächst eine Vertiefung für eine untere Elektrode und eine Vertiefung für eine untere Zwischenverbindung in einem unteren Substrat 100 erzeugt, speziell in einer unteren Isolationsschicht 110 an der Oberseite des unteren Substrats 100. Eine erste Barrierenmetallschicht 121 wird dünn mittels Sputtern auf das Substrat 100 aufgebracht, in dem die Vertiefungen ausgebildet sind, und eine erste Kupferschicht 123 wird aufgebracht, um die Vertiefungen zu füllen. Im Allgemeinen beinhaltet die Bildung einer Kupferschicht vorzugsweise die Bildung einer Kristallkeimschicht mittels Sputtern in einer Dicke von 50 nm bis 200 nm und die anschließende Erzeugung einer restlichen Schicht darauf mittels Elektroplattieren. Die untere Elektrode der vorliegenden Erfindung kann eine größere Breite im Vergleich zu unteren Elektroden herkömmlicher vergleichbarer Halbleiterbauelemente aufweisen, die eine Breite von 300 nm bis 1.000 nm aufweisen. Die Barrierenmetallschicht besteht typischerweise aus TaN oder TiN.
Die erste Kupferschicht wird durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) poliert, bis die Oberseite der unteren Isolationsschicht 110 freigelegt ist, so dass die erste Kupferschicht 123 und die erste Barrierenmetallschicht 121 lediglich in den Vertiefungen verbleiben und dadurch eine untere Elektrode 124 und eine untere Zwischenverbindung 120 voneinander getrennt bilden. Eine erste Deckschicht 125, die eine Isolationsbarrierenschicht zur Verhinderung von Kupferdiffusion ist, wird auf die freigelegte untere Isolationsschicht 110 ebenso wie auf die untere Zwischenverbindung 120 und die untere Elektrode 124 aufgebracht, die aus der verbliebenen ersten Kupferschicht 123 und der ersten Barrierenmetallschicht 121 gebildet sind. Die Isolationsbarrierenschicht besteht typischerweise aus einer Siliciumnitridschicht oder einer Siliciumcarbidschicht und wird so gebildet, dass sie eine Dicke von 20 nm bis 100 nm aufweist. Eine erste Isolationsschicht 130 wird auf die erste Deckschicht 125 gestapelt. Die erste Deckschicht 125 und die erste Isolationsschicht 130 können als eine einzelne Zwischenisolationsschicht angesehen werden, d. h. als eine erste Zwischenisolationsschicht. Die erste Zwischenisolationsschicht kann alternativ aus lediglich einer Isolationsschicht gebildet werden, die Eigenschaften als Kupferbarriere zeigt. Die erste Isolationsschicht 130 ist so gebildet, dass sie eine Dicke von 200 nm bis 500 nm aufweist. Außerdem besteht die erste Isolationsschicht 130 vorzugsweise aus einer Fluorsilikatglasschicht oder einer Schicht aus Karbonado, deren Dielektrizitätskonstante niedrig ist, um den Einfluss von parasitären Kondensatoren in einem Halbleiterbauelement zu verhindern.
Bezugnehmend auf Fig. 8 wird die erste Zwischenisolationsschicht, die aus der ersten Deckschicht 125 und der ersten Isolationsschicht 130 gebildet ist, strukturiert, um ein Fenster zu bilden, das einen Hauptteil der unteren Elektrode 124 freilegt. Nacheinander werden eine untere Barrierenelektrodenschicht 141', eine dielektrische Schicht 143' und eine obere Barrierenelektrodenschicht 145' auf einer Oberfläche des Substrats gebildet, wo das Fenster ausgebildet ist. Eine zweite Kupferschicht 150' wird auf die obere Barrierenelektrodenschicht 145' gestapelt.
Die untere und die obere Barrierenelektrodenschicht 141' und 145' werden dünn in einer Dicke von 20 nm beziehungsweise 150 nm gebildet. Die untere und die obere Barrierenelektrodenschicht 141' und 145' können aus leitfähigen Materialien zur Verhinderung der Diffusion von Kupfer bestehen, von denen zum Beispiel wenigstens eines aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Tantalnitridschicht, einer Titannitridschicht, einer Tantalsiliciumnitridschicht, einer Titansiliciumnitridschicht und einer Wolframnitridschicht besteht. Die dielektrische Schicht 143' kann aus einer Siliciumoxidschicht, die durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erhalten wird, oder aus wenigstens einer Schicht bestehen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Siliciumnitridschicht, einer Siliciumcarbidschicht, einer Aluminiumoxidschicht und einer Tantaloxidschicht besteht. Die Dicke der dielektrischen Schicht 143' wird im Hinblick auf die Kapazität eines Kondensators bestimmt. Das Erzeugen der zweiten Kupferschicht 150' beinhaltet ähnlich wie die Erzeugung anderer Kupferschichten die dünne Erzeugung einer Kristallkeimschicht unter Verwendung von Sputtern oder CVD und anschließendes Bilden einer restlichen Schicht unter Verwendung von Elektroplattieren.
Bezugnehmend auf Fig. 9 wird ein CMP-Prozess in das Substrat durchgeführt, auf dem die zweite Kupferschicht 150' ausgebildet ist, bis die Oberseite der ersten Isolationsschicht 130 freigelegt ist. So sind der Boden und die Seitenwand des Fensters mit einer unteren Barrierenelektrode 141, einer dielektrischen Schichtstruktur 143 und einer oberen Barrierenelektrode 145 bedeckt, die einen Kondensator 140 bilden. Eine zwischenliegende Elektrode 150, die aus der zweiten Kupferschicht besteht, verbleibt auf der oberen Barrierenelektrode 145, wodurch ein verbliebener Leerraum des Fensters gefüllt wird.
Bezugnehmend auf Fig. 10 werden eine zweite Deckschicht 155 auf der gesamten Oberfläche des Substrats gebildet, auf dem die zwischenliegende Elektrode 150 ausgebildet ist, so dass die Diffusion der zweiten Kupferschicht, welche die zwischenliegende Elektrode bildet, verhindert wird. Die zweite Deckschicht 155 und die zweite Isolationsschicht 160 bilden eine zweite Zwischenisolationsschicht. Sie werden mit der gleichen Dicke wie die erste Deckschicht 125 beziehungsweise die erste Isolationsschicht 130 gebildet und bestehen aus den gleichen Materialien wie die erste Deckschicht 125 beziehungsweise die erste Isolationsschicht 130. Eine Verbindungskontaktöffnung 163 und eine Durchkontaktöffnung 161 werden erzeugt, um die zwischenliegende Elektrode 150 und einen Teil der unteren Zwischenverbindung 120 freizulegen. Die Kontaktöffnungen 161 und 163 werden unter Verwendung eines herkömmlichen photolithographischen Prozesses erzeugt. Die zweite Zwischenisolationsschicht wird in einem Bereich, in dem die Verbindungskontaktöffnung 163 angeordnet ist, bis zum Freilegen der zwischenliegenden Elektrode 150 geätzt, die aus der zweiten Kupferschicht besteht. Hingegen werden die zweite und die erste Zwischenisolationsschicht in einem Bereich, in dem die Durchkontaktöffnung 161 ausgebildet ist, nacheinander bis zum Freilegen der aus der ersten Kupferschicht bestehenden unteren Elektrode 120 geätzt.
Bezugnehmend auf Fig. 11 werden eine zweite Barrierenmetallschicht und eine dritte Kupferschicht nacheinander auf der gesamten Oberfläche des Substrats aufgebracht, auf dem die Kontaktöffnungen 161 und 163 ausgebildet sind, wodurch die Kontaktöffnungen 161 und 163 gefüllt werden. Der Fertigungsschritt wird in der gleichen Weise wie die Bildung der unteren Elektrode 124 und der unteren Zwischenverbindung 120 unter Verwendung der ersten Barrierenmetallschicht und der ersten Kupferschicht durchgeführt. Da das Aspektverhältnis der Durchkontaktöffnung 161 relativ gesehen größer wird, werden die Barrierenmetallschicht und die Kupferschicht für eine Kristallkeimschicht vorzugsweise durch CVD statt durch Sputtern gebildet. Nach dem Füllen der Kontaktöffnungen 161 und 163 mit der Barrierenmetallschicht und der Kupferschicht wird ein CMP-Prozess durchgeführt, um die Oberseite der zweiten Zwischenisolationsschicht freizulegen. Dadurch werden ein Durchkontaktstift 165 und ein Verbindungskontaktstift 170 gebildet, die voneinander getrennt sind. Der Verbindungskontaktstift 170 wird auf einer viel kleineren Fläche oder Breite als die zwischenliegende Elektrode 150 gebildet. Dies ermöglicht die Verbindung einer Mehrzahl von Verbindungskontaktstiften 170 mit der zwischenliegenden Elektrode 150.
Bezugnehmend auf Fig. 12 werden eine dritte Deckschicht 175 und eine dritte Isolationsschicht 180 nacheinander auf der gesamten Oberfläche des Substrats aufgebracht, auf dem die Kontaktstifte gebildet sind. Die dritte Deckschicht 175 und die dritte Isolationsschicht 180 bilden eine dritte Zwischenisolationsschicht. Die dritte Zwischenisolationsschicht wird strukturiert, um eine Vertiefung für eine obere Elektrode, die den Verbindungskontaktstift 170 freilegt, und eine Vertiefung für eine obere Zwischenverbindung zu bilden, die den Durchkontaktstift 165 freilegt. Danach werden eine dritte Barrierenmetallschicht 185 und eine vierte Kupferschicht 187 auf der gesamten Oberfläche des Substrats aufgebracht. Ein Damaszener-Prozess, der CMP beinhaltet, wird in das Substrat durchgeführt, um die obere Elektrode 181 und die obere Zwischenverbindung 183 zu bilden. Eine vierte Deckschicht 190 wird auf der oberen Zwischenverbindung 183 und der oberen Elektrode 181 gestapelt.
In den vorstehenden Schritten wird ein MIM-Kondensator zusammen mit einer Kupfer-Zwischenverbindung gebildet. Außerdem kann ein photolithographischer Prozess zur Bildung des Kondensators im Wesentlichen auf einen einmaligen Prozess reduziert werden, das heißt, nur wenn das Fenster in der ersten Zwischenisolationsschicht erzeugt wird.
Im Vergleich zu dieser ersten Ausführungsform, die den einfachen Damaszener-Prozess beinhaltet, beinhaltet eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, wie sie in den Fig. 13 bis 15 veranschaulicht ist, einen zweifachen Damaszener-Prozess.
Zunächst wird hierbei eine Struktur gebildet, wie sie in Fig. 9 für die erste Ausführungsform dargestellt ist. Danach werden, bezugnehmend auf Fig. 13, eine zweite Deckschicht 155, eine zweite Isolationsschicht 160, eine dritte Deckschicht 175 und eine dritte Isolationsschicht 180 nacheinander auf dem Substrat aufgebracht, auf dem die zwischenliegende Elektrode ausgebildet ist. Die Fertigungsschritte der Deckschichten und der Isolationsschichten sind die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform. Die zweite und die dritte Isolationsschicht 160 und 180 werden im Allgemeinen mit einer Dicke von 200 nm bis 300 nm beziehungsweise von 400 nm bis 800 nm gebildet.
Als nächstes werden eine Durchkontaktöffnung 171, eine Verbindungskontaktöffnung 173, eine obere Zwischenverbindung und eine obere Elektrode gebildet. Wie in Fig. 13 dargestellt, werden die Durchkontaktöffnung 171 und die Verbindungskontaktöffnung 173 unter Verwendung von herkömmlichen Photolithographie- und Ätzprozessen erzeugt. Die dritte und die zweite Zwischenisolationsschicht 180, 160 werden in einem Bereich, in dem die Verbindungskontaktöffnung gebildet wird, bis zum Freilegen einer zwischenliegenden Elektrode 150, welche die zweite Kupferschicht beinhaltet, geätzt. Die dritte, die zweite und die erste Zwischenisolationsschicht werden hingegen in einem Bereich, in dem die Durchkontaktöffnung gebildet wird, nacheinander bis zum Freilegen der ersten Deckschicht 125 geätzt.
Bezugnehmend auf Fig. 14 wird eine nicht gezeigte Photoresiststruktur, die eine obere Elektrode und eine obere Zwischenverbindung definiert, auf dem Substrat erzeugt. Durch Verwenden der Photoresiststruktur als Ätzmaske wird ein Ätzprozess ausgeführt. Während die dritte Deckschicht 175 geätzt wird, wird gleichzeitig die erste Deckschicht 125 unter der Durchkontaktöffnung 171 entfernt. So werden eine Vertiefung 193 für eine obere Elektrode und eine Vertiefung 191 für eine obere Zwischenverbindung gebildet, während die zwischenliegende und die untere Elektrode 150 und 120 freigelegt werden.
Bezugnehmend auf Fig. 15 werden eine Barrierenmetallschicht 185 und eine Kupferschicht 187 nacheinander in die Durchkontaktöffnung 171, die Verbindungskontaktöffnung 173, die Vertiefung 193 für die obere Elektrode und die Vertiefung 191 für die obere Zwischenverbindung eingebracht, die durch die Schritte der Fig. 13 und 14 erzeugt werden. Die Fertigungsschritte der Barrierenmetallschicht 185 und der Kupferschicht 187 sind die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform. Die Barrierenmetallschicht und die Kupferschicht, die auf die dritte Zwischenisolationsschicht 180 gestapelt werden, werden durch CMP entfernt. Dann wird eine Deckschicht erzeugt, um eine Diffusion von Kupferschichten zu verhindern, welche die obere Zwischenverbindung und die obere Elektrode bilden.
Gemäß der Erfindung können Halbleiterbauelemente mit MIM-Kondensatoren unter Verwendung von Kupfer-Zwischenverbindungsschichten in einer ähnlichen Weise wie bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen mit MIM-Kondensatoren unter Verwendung von herkömmlichen Aluminium-Zwischenverbindungsschichten gebildet werden. Demgemäß brauchen photolithographische Prozesse weniger oft durchgeführt werden, wodurch eine Vereinfachung der Fertigungsprozesse möglich ist.

Claims

1. Halbleiterbauelement mit einer Metall/Isolator/Metall-Kondensatorschichtstruktur, gekennzeichnet durch folgenden Schichtaufbau:

- eine untere Elektrode (124), die eine erste Kupferschicht (123) beinhaltet;

- eine erste Zwischenisolationsschicht (125, 130), welche die untere Elektrode bedeckt;

- einen Metall/Isolator/Metall-Kondensator, der eine untere Barrierenelektrode (141), eine dielektrische Schicht (143) und eine obere Barrierenelektrode (145) beinhaltet, die gestapelt sind und eine Seitenwand und einen Boden eines Fensters bedecken, das in der Zwischenisolationsschicht ausgebildet ist, um einen Teil der unteren Elektrode freizulegen;

- eine zwischenliegende Elektrode (150) mit einer zweiten Kupferschicht, die einen inneren Raum des Kondensators im Fenster füllt;

- eine zweite Zwischenisolationsschicht (155, 160), die auf der zwischenliegenden Elektrode ausgebildet ist;

- einen Verbindungskontaktstift (170), der eine dritte Kupferschicht beinhaltet, die eine Verbindungskontaktöffnung füllt, die in der zweiten Zwischenisolationsschicht unter Freilegung eines Teils der zwischenliegenden Elektrode ausgebildet ist; und

- eine obere Elektrode (181) mit einer vierten Kupferschicht, wobei die obere Elektrode auf dem Verbindungskontaktstift in Verbindung mit diesem ausgebildet ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schichtlage der ersten und/oder der zweiten Zwischenisolationsschicht eine Deckschicht (125, 155) ist, die aus einer Kupfer-Isolationsbarrierenschicht besteht.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht eine Siliciumnitridschicht oder eine Siliciumcarbidschicht ist.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht mit einer Dicke von 20 nm bis 100 nm ausgebildet ist.

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Zwischenisolationsschicht eine Fluorsilikatglas(FSG)-Schicht oder eine Schicht aus Karbonado ist.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch:
eine untere Zwischenverbindung (120), die zusammen mit der unteren Elektrode gebildet ist;
eine obere Zwischenverbindung (183), die zusammen mit der oberen Elektrode gebildet ist; und
einen Durchkontaktstift (165), der eine dritte Kupferschicht beinhaltet und zusammen mit dem Verbindungskontaktstift gebildet ist, wobei der Durchkontaktstift die untere und die obere Zwischenverbindung verbindet.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskontaktstift, der Durchkontaktstift, die obere Elektrode und die untere Zwischenverbindung aus der gleichen leitfähigen Schicht bestehen, die eine Kupferschichtlage und eine Barrierenmetallschichtlage beinhaltet.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Elektrode und die untere Zwischenverbindung mittels eines Damaszener-Prozesses auf einer dritten Zwischenisolationsschicht gebildet sind, die auf dem Durchkontaktstift und dem Verbindungskontaktstift ausgebildet ist, und eine vierte Kupferschicht beinhalten.

9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen der Elektroden, der Kontaktstifte und der Zwischenverbindungen mit einer Isolationsbarrierenschicht bedeckt sind, die in der Lage ist, eine Diffusion von Kupfer zu verhindern.

10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und die untere Barrierenelektrode aus wenigstens einer Schicht bestehen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Titannitridschicht, einer Tantalnitridschicht, einer Tantalsiliciumnitridschicht, einer Titansiliciumnitridschicht und einer Wolframnitridschicht besteht.

11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und die untere Barrierenelektrode mit einer Dicke von 30 nm bis 150 nm ausgebildet sind.

12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht aus wenigstens einer Schicht besteht, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Siliciumoxidschicht, einer Siliciumnitridschicht, einer Siliciumcarbidschicht, einer Aluminiumoxidschicht und einer Tantaloxidschicht besteht.

13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht mit einer Dicke von 20 nm bis 100 nm ausgebildet ist.

14. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Bilden einer unteren Elektrode (124) mit einer ersten Kupferschicht auf einem Substrat;

- Bilden einer ersten Isolationsschicht (125, 130), welche die untere Elektrode bedeckt;

- Strukturieren der ersten Isolationsschicht, um ein Fenster zu erzeugen, das einen Teil der unteren Elektrode freilegt;

- konformes Bilden einer unteren Barrierenelektrodenschicht (141), einer dielektrischen Schicht (143) und einer oberen Barrierenelektrodenschicht (145) auf einer Oberfläche des Substrates, in der das Fenster ausgebildet ist, und Aufbringen einer leitfähigen Schicht, die eine zweite Kupferschicht beinhaltet, um einen verbliebenen Raum des Fensters zu füllen;

- Durchführen eines Planarisierungsätzprozesses in das Substrat, auf dem die leitfähige Schicht, welche die zweite Kupferschicht beinhaltet, gestapelt ist, um die Oberseite der ersten Isolationsschicht freizulegen, Bilden eines Kondensators, der eine untere Barrierenelektrode (141), eine dielektrische Schichtstruktur (143) und eine obere Barrierenelektrode (145) beinhaltet, und Bilden einer zwischenliegenden Elektrode (150);

- Bilden einer zweiten Isolationsschicht (155, 160) auf dem Substrat, auf dem die zwischenliegende Elektrode ausgebildet ist;

- Bilden einer Ätzmaske auf der zweiten Isolationsschicht und Ätzen der Schichten unter der Ätzmaske, um eine Verbindungskontaktöffnung (163) zu erzeugen, die einen Teil der zwischenliegenden Elektrode freilegt; und

- Füllen der Verbindungskontaktöffnung mit einer leitfähigen Schicht, die eine dritte Kupferschicht beinhaltet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Elektrode, welche die erste Kupferschicht beinhaltet, und die leitfähige Schicht, welche die dritte Kupferschicht beinhaltet, aus einer Barrierenmetallschicht und einer Kupferschicht gebildet werden, die sequentiell übereinander gestapelt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildung der zweiten Isolationsschicht die Bildung einer dritten Isolationsschicht folgt, während der Bildung der Verbindungskontaktöffnung die Ätzmaske auf der dritten Isolationsschicht erzeugt wird, eine Vertiefung für eine obere Elektrode auf der dritten Isolationsschicht vor oder nach der Bildung der Verbindungskontaktöffnung erzeugt wird und die Vertiefung für die obere Elektrode zusammen mit dem Füllen der Verbindungskontaktöffnung gefüllt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Isolationsschicht aus einer Isolationsbarrierenschicht und einer Siliciumoxidschicht gebildet wird, die nacheinander aufgebracht werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14, 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass es nach dem Füllen der Verbindungskontaktöffnung folgende Schritte umfasst:

- Durchführen eines Planarisierungsätzprozesses in die leitfähige Schicht, welche die dritte Kupferschicht beinhaltet, bis die Oberseite der zweiten Isolationsschicht freigelegt ist, um einen Verbindungskontaktstift zu bilden;

- Bilden und Strukturieren einer dritten Isolationsschicht, um eine Vertiefung für eine obere Elektrode zu erzeugen, die einen Teil des Verbindungskontaktstifts freilegt; und

- Aufbringen einer vierten Kupferschicht und Durchführen eines Planarisierungsätzprozesses, um die obere Elektrode zu erzeugen.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Kupferschichten aus einer Kristallkeimschicht, die durch Sputtern erzeugt wird, und einer Volumenschicht gebildet wird, die durch Elektroplattieren erzeugt wird, die sequentiell übereinander gestapelt werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Kupferschichten aus einer Kristallkeimschicht, die durch CVD erzeugt wird, und einer Volumenschicht gebildet wird, die durch Elektroplattieren erzeugt wird, die sequentiell übereinander gestapelt werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Elektrode unter Verwendung eines Damaszener-Prozesses auf dem Substrat gebildet wird, auf dem die untere Isolationsschicht ausgebildet ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die untere Zwischenverbindung zusammen mit der Bildung der unteren Elektrode gebildet wird, ein Teil der Durchkontaktöffnung zusammen mit der Bildung der Verbindungskontaktöffnung gebildet wird und die Durchkontaktöffnung mit der leitfähigen Schicht, welche die dritte Kupferschicht beinhaltet, während der Füllung der Verbindungskontaktöffnung gefüllt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildung der zweiten Isolationsschicht die Bildung einer dritten Isolationsschicht folgt, die Ätzmaske auf der dritten Isolationsschicht gebildet wird, wenn die Verbindungskontaktöffnung gebildet wird, die Vertiefungen für die obere Elektrode und die obere Zwischenverbindung zusätzlich gebildet werden, bevor oder nachdem die Verbindungskontaktöffnung gebildet wird, und die Durchkontaktöffnung, die Vertiefung für die obere Elektrode und die Vertiefung für die obere Zwischenverbindung zusammen mit der Verbindungskontaktöffnung gefüllt werden.