DE19536465A1 - Integrierbarer Kondensator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierbaren Kondensator mit zwei Kondensatorelektroden sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen.

Gattungsgemäße integrierbare Kondensatoren sind allgemein als sogenannte Plattenkondensatoren bekannt. In integrierter Form, zum Beispiel als Speicherkondensatoren von Speicherzel­ len dynamischer Halbleiterspeicher (allgemein als "DRAM" bezeichnet) sind darüber hinaus noch Kondensatoren in der sogenannten Trenchform und in der Form als "Stacked Capaci­ tor" bekannt. Auch bei diesen beiden Kondensatortypen handelt es sich im wesentlichen um Plattenkondensatoren mit zwei Kondensatorelektroden.

Bei all diesen integrierbaren Kondensatoren besteht die Forderung, daß sie bei möglichst geringem Flächen- bzw. Volumenverbrauch möglichst viele Ladungen speichern können sollen, damit sie in integrierten Halbleiterschaltungen verwendbar sind, insbesondere in dynamischen Halbleiterspei­ chern, die ja bekanntlich die zu speichernden Informationen in Form von elektrischen Ladungen in Kondensatoren speichern (bei heute bekannten Halbleiterspeichern beträgt allein die Anzahl der bei Speicherzellen verwendeten Kondensatoren eine zwei- bis dreistellige Millionenzahl {z. B. 256MB-Speicher}; eine Erhöhung auf eine vierstellige Millionenzahl ist abseh­ bar {IGB-, 4GB-Speicher} und in Labormustern bereits vorge­ stellt).

Aus diesem Grund ist es wünschenswert, einen integrierten Kondensator zu schaffen, der bei angenommenermaßen gleichem Volumen bzw. gleicher Fläche wie bekannte integrierbare Kondensatoren eine höhere Speicherkapazität aufweist als bekannte integrierbare-Kondensatoren bzw. der bei angenom­ menermaßen gleicher Speicherkapazität wie bekannte integrier­ bare Kondensatoren ein geringeres Volumen bzw. eine geringere Fläche benötigt (das heißt, der einen höhere Integrationsgrad aufweist bei Integration in einen Halbleiterchip) als die bekannten Speicherkondensatoren. Darüber hinaus ist es auch wünschenswert, einen solchen Kondensator herstellen zu kön­ nen.

Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Kondensatoren bzw. Verfahren gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 12. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildun­ gen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Die Fig. 1, 2 erfindungsgemäße Kondensatoren im Quer­ schnitt,

Fig. 3 stark schematisiert eine vorteilhafte Verwendung in einem dynamischen Halblei­ terspeicher,

Fig. 4 mehrere Kondensatoren mit gemeinsamer anderer Elektrode,
die Fig. 5 bis 7 Stadien bei der Herstellung des Konden­ sators.

Fig. 1 zeigt einen integrierbaren Kondensator mit zwei Kondensatorelektroden E1, E2, die, wie bei Kondensatoren allgemein üblich, mittels eines Dielektrikums D elektrisch voneinander getrennt sind. Der Kondensator ist auf einer Schicht L angeordnet, die Kontaktierungsmaterial CON enthält, welches einer elektrischen Verbindung des Kondensators mit anderen elektrischen oder elektronischen Elementen dient.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß die eine Elektrode E1 (und damit das auf ihrer Oberfläche angeordnete Dielektrikum D, das im allgemeinen eine Oxidschicht ist oder eine Verbund­ schicht aus Oxid und anderen Stoffen wie z. B. Nitriden) vollständig von der anderen Elektrode E2 umschlossen ist, abgesehen von demjenigen Bereich der Oberfläche der einen Elektrode E1, der auf der Schicht L mit dem Kontaktierungsma­ terial CON angeordnet ist. Die andere Elektrode E2 weist dabei einen Anschlußkontakt A auf, der irgendwo an der an­ deren Elektrode E2 angebracht sein kann. Er ist in Fig. 1 (und auch in Fig. 2) nur schematisch angedeutet. Er kann insbesondere auch, wie in Fig. 1 dargestellt, in der Schicht L mittels eines weiteren Kontaktierungsmaterials CON1 ange­ ordnet sein. Die beim erfindungsgemäßen Kondensator höhere spezifische Speicherkapazität gegenüber herkömmlichen Plat­ tenkondensatoren und letztendlich gegenüber (integrierten) Kondensatoren vom Trench- und Stack-Typ basiert nun auf folgendem: Bei Kondensatoren ist die Speicherkapazität unter anderem abhängig von der Fläche F der Elektroden, soweit diese über das Dielektrikum elektrostatisch miteinander in Wirkung stehen. Wenn nun, wie bei herkömmlichen Plattenkon­ densatoren allgemein üblich, eine Elektrode zwei relativ große Grundflächenbereiche der Oberfläche und zwei relativ kleine Seitenflächenbereiche der Oberfläche aufweist, so ist lediglich einer der beiden Grundflächenbereiche beitragswirk­ sam bezüglich der Kapazität des Kondensators.

Bei der vorliegenden Erfindung hingegen ist es so, daß zum einen die einzelnen Oberflächenbereiche nicht dieses krasse Mißverhältnis zueinander aufweisen wie die obengenannten Grund- und Seitenflächenbereiche. Zum anderen ist es aber auch so, daß vorliegend drei der vier Oberflächenbereiche der einen Elektrode E1 (zusammen mit entsprechenden Oberflächen­ bereichen der anderen Elektrode E2) ihren Beitrag zur Kapazi­ tät des Kondensators liefern, nämlich die drei Bereiche der einen Elektrode E1, die mittels des Dielektrikums D von der anderen Elektrode E2 getrennt sind.

Fig. 1 zeigt auch bereits eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, nämlich den Aufbau der einen Elektrode E1 aus mehreren elektrisch leitenden Schichten 1 bis 7. In nochmali­ ger Weiterbildung, ebenfalls bereits gezeigt in Fig. 1, sind die mehreren Schichten 1 bis 7 aus verschiedenen Materialien aufgebaut wie Aluminium Al, Titan Ti, Titannitrid TiN. Weite­ re Titanverbindungen wie Titanwolfram TiW sowie Aluminiumver­ bindungen sind möglich. Über diese genannten Materialien hinaus sind auch andere elektrisch leitende Materialien verwendbar, soweit sie einer Integrierbarkeit nicht entgegen­ stehen.

Weiterhin zeigt Fig. 1 eine geometrische Ausgestaltung der einzelnen elektrisch leitenden Schichten 1 bis 7 der einen Elektrode E1 dergestalt, daß aneinander angrenzende Schichten (z. B. die Schichten 2 und 3) voneinander verschiedene Quer­ schnitte aufweisen. Diese Maßnahme vergrößert, im Vergleich zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform, bei der diese Schichten 1 bis 7 alle gleich sind, die über das Dielektrikum D mit der anderen Elektrode E2 in kapazitiver Wirkung stehende Gesamtfläche nochmals, woraus gegenüber Fig. 2 eine nochmals erhöhte Kapazität resultiert.

Der geschilderte integrierbare Kondensator ist demzufolge hervorragend dazu geeignet, bei vorgenommener Integration in eine integrierte Halbleiterschaltung beispielsweise als Speicherkondensator C von Speicherzellen MC eines dynamischen Halbleiterspeichers verwendet zu sein, wie in Fig. 3 schema­ tisch gezeigt. Dabei ist es auch möglich, zwei benachbarte Speicherzellen MC folgendermaßen auszugestalten (ebenfalls in Fig. 3 stark schematisiert dargestellt): Innerhalb des bei Halbleiterspeichern üblichen Substrat es S oder auf diesem sind angeordnet: Ein Speicherkondensator von einem anderen Typ als den erfindungsgemäßen Kondensator, zum Beispiel ein Speicherkondensator CT vom Trenchtyp (angeordnet innerhalb des Substrates) oder ein Speicherkondensator CP vom Platten­ typ (angeordnet auf dem Substrat), ein erster Auswahltran­ sistor T1, der zusammen mit dem Kondensator CT bzw. CP eine erste Speicherzelle MC bildet, und ein zweiter Auswahltran­ sistor T2. Oberhalb des Substrates S ist die heutzutage übliche Mehrlagenverdrahtung Wire für Wortleitungen und Bitleitungen des Halbleiterspeichers angeordnet, ggf. ergänzt um weitere Ebenen (z. B. für eine Ebene, mittels derer die anderen Elektroden E2 von bezüglich ihrer Anordnung noch zu beschreibenden Kondensatoren vom erfindungsgemäßen Typ an­ schließbar sind). Darüber wiederum sind die bereits beschrie­ bene elektrisch isolierende Schicht L und ein Speicherkonden­ sator C vom erfindungsgemäßen Typ (vgl. z. B. Fig. 1) ange­ ordnet. Dieser bildet nun zusammen mit dem zweiten Auswahl­ transistor T2 eine zweite Speicherzelle MC des dynamischen Halbleiterspeichers, welche in etwa oberhalb der ersten Speicherzelle angeordnet ist. Somit lassen sich unter Verwen­ dung des erfindungsgemäßen Kondensators C auf einer Fläche eines Halbleitersubstrats, die wesentlich kleiner ist als die von zwei Speicherzellen mit bekannten Speicherkondensatoren beanspruchte Fläche, zwei Speicherzellen anordnen, wobei der Kondensator C der zweiten Speicherzelle MC ein Speicherkon­ densator vom Typ des erfindungsgemäßen Kondensators ist. Dabei kann die andere Elektrode E2 nach oben hin (wie in Fig. 2 schematisch angedeutet) mit einer Potentialplatte verbunden sein oder aber auch durch die Schicht L hindurch nach unten hin (vgl. Fig. 1 mit dem weiteren Kontaktierungs­ material CON1).

Eine solche räumliche Anordnung zweier Speicherzellen über­ einander ist bislang nicht möglich, weil beispielsweise bei einer Kombination von mittels eines Trenchkondensators gebil­ deter erster Speicherzelle mit einer mittels eines Stacked Capacitor gebildeten zweiten Speicherzelle die Mehrlagenver­ drahtung insbesondere der Wortleitungen und Bitleitungen oberhalb des Stacked Capacitors erfolgen müßte (dies insbe­ sondere dann, wenn, wie bei der vorliegenden Erfindung in einer Ausführungsform vorgesehen, mehrere Schichten 1 . . . der einen Elektrode E1 vorhanden wären, da dann der räumliche Aufbau des Stacked Capacitors so hoch würde für eine Mehrla­ genverdrahtung oberhalb desselben, daß die Chipoberfläche so zerklüftet würde (große Höhenunterschiede), daß eine sichere, qualitativ hochwertige Herstellung der Mehrlagenverdrahtung nicht mehr sichergestellt wäre.

Fig. 4 zeigt die Verwendung mehrere erfindungsgemäßer Kon­ densatoren im Querschnitt (zwei Kondensatoren) und in Drauf­ sicht (drei Kondensatoren), die als die andere Elektrode E2 eine allen Kondensatoren gemeinsame Elektrode aufweisen.

Der erfindungsgemäße Kondensator läßt sich nach folgendem Verfahren herstellen (vgl. unter anderem die Fig. 5 bis 7): Auf eine Schicht L, die in einem Bereich Kontaktierungs­ material CON aufweist (vgl. die Fig. 1, 5) wird oberhalb dieses Bereiches eine elektrisch leitende Schicht 1 als die eine Elektrode E1 aufgebracht (in Fig. 5 sind insgesamt 7 Schichten 1 bis 7 dargestellt). Anschließend wird die eine Elektrode E1 (in Fig. 5 also alle sieben Schichten 1 bis 7 gemeinsam), mit Ausnahme desjenigen Oberflächenbereiches, der an die Schicht L und das Kontaktierungsmaterial CON angrenzt, mit einem Dielektrikum D überzogen (siehe Fig. 7), bei­ spielsweise mit einem Oxid oder mit einer Oxid-Nitrid-Ver­ bundschicht. Abschließend wird dann die andere Elektrode E2 so auf die Schicht L aufgebracht, daß sie (oberhalb der Schicht L) die eine Elektrode E1 samt Dielektrikum D voll­ ständig umhüllt (siehe Fig. 1, 2, 4). Eine elektrische Kontaktierung der anderen Elektrode E2 mit einem elektrischen Potential oder einem Signal kann dann entweder direkt über einen Anschluß A erfolgen (vgl. Fig. 2) oder über einen weiteren Bereich der Schicht L, der weiteres Kontaktierungs­ material CON1 enthält (siehe Fig. 1). Beim Herstellen der einen Elektrode E1 in Form von mehreren leitenden Schichten 1 bis 7 (siehe Fig. 1, 2 sowie 5 bis 7), die ggf. auch unterschiedlich groß sein können (siehe Fig. 1), werden vor dem umhüllen mit dem Dielektrikum D die einzelnen Schichten 1 bis 7 entsprechend ihrer gewünschten Größe strukturiert (vgl. Fig. 6). Diese Strukturierung kann entweder für jede einzel­ ne Schicht erfolgen nach ihrem jeweiligen Aufbringen oder aber (zum Beispiel durch selektives Atzen) erst dann, wenn mehrere oder alle gewünschten Schichten 1 bis 7 aufgebracht sind (dieses ist bei den Fig. 5, 6 angenommen).

Claims (13)

1. Integrierbarer Kondensator mit zwei Kondensatorelektro­ den (E1, E2), dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode (E1), abgese­ hen von einem Oberflächenanteil, der einer Kontaktierung der einen Elektrode (E1) dient, in der anderen Elektrode (E2) eingebettet ist.

2. Integrierbarer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die eine Elektrode (E1) aus wenigstens zwei elektrisch leitenden Schichten (1, 2, 3, . . . ) aufgebaut ist.

3. Integrierbarer Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aneinander angrenzende elektrisch leitende Schichten (1, 2, 3, . . . ) aus verschiedenen Materia­ lien aufgebaut sind.

4. Integrierbarer Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Materialien Aluminium (Al) oder eine elektrisch leitende Aluminiumverbin­ dung ist.

5. Integrierbarer Kondensator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Materialien Titan (Ti) oder eine elektrisch leitende Titanverbindung (TiW, TiN) ist.

6. Integrierbarer Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aneinander angrenzende elektrisch leitende Schichten (1 bis 7), im Querschnitt zur jeweiligen Schicht (1 bis 7) betrachtet, verschieden breit sind.

7. Integrierbarer Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aneinander angrenzende elektrisch leitende Schichten (1 bis 7), im Querschnitt zur jeweiligen Schicht (1 bis 7) betrachtet, gleich breit sind.

8. Integrierbarer Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Speicherkondensator (C) in Speicherzellen (MC) eines integrierten dynamischen Halblei­ terspeichers verwendet ist.

9. Integrierbarer Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator (C) bei einer von zwei einander benachbarten Speicherzellen (MC) des integrierten dynamischen Halbleiterspeichers verwendet ist und daß die andere der beiden benachbarten Speicherzellen (MC) einen Speicherkondensator (CT, CP) einer anderen Bauart aufweist.

10. Integrierbarer Kondensator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Bauart vom Plattentyp (CP) oder vom Trenchtyp (CT) ist.

11. Integrierbarer Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine andere Elektrode (E2) weiteren integrierbaren Kondensatoren, die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gestaltet sind, jeweils als andere Elektrode (E2) dient, so daß diese mehreren integrierbaren Kondensatoren eine einzige gemeinsame Elektrode als andere Elektrode (E2) aufweisen.

12. Verfahren zum Herstellen eines integrierbaren Kondensa­ tors mit zwei Kondensatorelektroden (E1, E2), dadurch gekennzeichnet, daß

• - zur Herstellung der einen Elektrode (E1) auf eine ein Kontaktierungsmaterial (CON) enthaltende Schicht (L) eine elektrisch leitende Schicht (1) aufgebracht wird,
• - daß die eine Elektrode (E1), mit Ausnahme desjenigen Be­ reiches, der an die das Kontaktierungsmaterial (CON) ent­ haltende Schicht (L) und das Kontaktierungsmaterial (CON) angrenzt, vollständig mit einem Dielektrikum (D) überzogen wird, und
• - daß die andere Elektrode (E2) so auf die das Kontaktie­ rungsmaterial (CON) enthaltende Schicht (L) aufgebracht wird, daß sie die eine Elektrode (E1) samt Dielektrikum (D) oberhalb der Schicht (L) vollständig umhüllt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der einen Elektrode (E1) wenigstens eine weitere elektrisch leitende Schicht (2, 3, . . . ) oberhalb der einen elektrisch leitenden Schicht (1) aufgebracht wird.