DE102019204503B3

DE102019204503B3 - Integrierter Kondensator und Verfahren zur Herstellung eines integrierten Kondensators

Info

Publication number: DE102019204503B3
Application number: DE102019204503.0A
Authority: DE
Inventors: Norman Böttcher; Tobias Erlbacher
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2039-03-30
Also published as: WO2020074534A3; JP2022504537A; EP3864713A2; US20210257502A1; WO2020074534A2; JP7208373B2; US11742435B2

Abstract

Integrierter Kondensator mit einer ersten Elektrodenstruktur, einer zweiten Elektrodenstruktur und einer dazwischenliegenden Dielektrikumschichtstruktur. Die Dielektrikumschichtstruktur weist eine Schichtkombination mit einer SiO-Schicht, einer SiN-Schicht und einer SiN-Schicht auf. Die SiN-Schicht weist ein nicht-stöchiometrisches Siliciumnitrid-Material mit erhöhtem Siliciumanteil auf.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf einen integrierten Kondensator und ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Kondensators.
Hintergrund der Erfindung
Es sind unterschiedliche Konzepte zur Reduktion der Substratverbiegung bei der Herstellung eines integrierten Kondensators bekannt.
Ein bekanntes Konzept zur Reduktion der Halbleiterscheibenverbiegung, aufgrund der Asymmetrie der mechanischen Spannung zwischen Vorder- und Rückseite, sieht eine Kompensationsstruktur auf der Scheibenrückseite vor [1]. Allerdings sind bisher keine fertigungstauglichen Konzepte für Silicium-Kondensatoren für Betriebsspannungen von 900 V oder höher veröffentlicht worden, die eine zur kommerziellen Nutzung hinreichend hohe Kapazitätsdichte aufweisen. Daher werden für Anwendungen in diesem Spannungsbereich bisher überwiegend Keramik- oder Folienkondensatoren verwendet.
Die Halbleitertechnologie, Zuverlässigkeit und Applikation von 200 V und 600 V Bauelementen sind in [3]-[5] der Vergangenheit untersucht und beschrieben worden. Darüber hinaus wurden in [6] und [7] bereits Kondensatoren durch monolithische Integration für unterschiedliche Anwendungen und Betriebsspannungen vorgestellt. Die Verwendung von SiO₂ und Si₃N₄ im dielektrischen Schichtstapel ist in [8] und [9] untersucht worden.
Zur Reduktion von mechanischem Stress in Siliciumnitridschichten ist die Verwendung von sog. stressfreiem Nitrid (nichtstöchiometrisches Siliciumnitrid mit erhöhtem Siliciumanteil, im Folgenden Si_xN_y genannt) in der Halbleitertechnologie bekannt. In [10] und [11] wird gezeigt, dass sich dadurch u. a. der mechanische Stress verringern lässt oder sogar Stressumkehr von Zug- zu Druckspannung erreicht werden kann. Allerdings weist Si_xN_y eine höhere Defektdichte als Si₃N₄ auf. Daher steigt beim Einsatz eines dielektrischen Schichtstapels, der ausschließlich aus SiO₂ und Si_xN_y besteht, der Leckstrom so stark an, dass die gewünschte Durchbruchfestigkeit trotz der Nutzung dicker dielektrischer Schichten nicht erreicht werden kann. Gleichzeitig ist die Nutzung sehr dicker Schichten wegen der Verfüllung der Lochstrukturen nicht praktikabel und verringert die Integrationsdichte zusätzlich. Der Austausch von Si₃N₄ durch eine nichtstöchiometrische, stressfreie Siliciumnitridschicht zur Erhöhung der Kapazitätsdichte in monolithisch integrierten Kondensatoren (oder RC-Snubbern) mit ähnlicher Schichtdicke ist daher nicht zielführend.
In Anbetracht dessen besteht ein Bedarf nach einem Konzept, das einen besseren Kompromiss zwischen einer Verbesserung der Spannungsfestigkeit und der Kapazitätsdichte von Kondensatoren und einer Reduzierung einer Verbiegung sowie der Vermeidung eines Bruchs des Halbleitersubstrats oder einer Delaminierung des Dielektrikums bei einer Herstellung der Kondensatoren unter Nutzung dicker dielektrischer Schichten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche mit dem Vorrichtungsanspruch 1 und dem Verfahrensanspruch 9 gelöst.
Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein integrierter Kondensator eine erste Elektrodenstruktur, eine zweite Elektrodenstruktur und eine dazwischenliegende Dielektrikumschichtstruktur auf. Die Dielektrikumschichtstruktur weist z. B. eine Schichtkombination mit einer SiO₂-Schicht, einer Si₃N₄-Schicht und einer Si_xN_y-Schicht auf und die Si_xN_y-Schicht kann ein nichtstöchiometrisches Siliciumnitrid-Material mit erhöhtem Siliciumanteil aufweisen. Die Dielektrikumschichtstruktur umfasst somit z. B. zumindest drei Schichten, die parallel zu der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur angeordnet sind. Somit können Kontaktflächen zwischen den einzelnen Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, eine Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der Dielektrikumschichtstruktur sowie eine Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrodenstruktur und der Dielektrikumschichtstruktur parallel zueinander angeordnet sein. Nichtstöchiometrisches Siliciumnitrid, auch stressarmes Siliciumnitrid Si_xN_y genannt, setzt sich aus einem veränderten Verhältnis von Silicium und Stickstoff zusammen. Der Anteil an Silicium ist z. B. im Verhältnis zu Stickstoff in nicht-stöchiometrischem Siliciumnitrid höher, weshalb es auch den Beinamen siliciumreiches Siliciumnitrid trägt. Bei dem integrierten Kondensator kann es sich z. B. um einen planaren Plattenkondensator oder um einen Grabenkondensator handeln, wobei durch den Grabenkondensator sehr dicke Schichten realisiert werden können. Eine Dicke der Si₃N₄-Schicht d_Si
3N
4 zu einer Dicke der Si_xN_y-Schicht d_Si
xN
y ist in einem Verhältnis n zu eins ausgebildet, wobei n zwischen 1,5 und 2,5 liegt. In anderen Worten ist zum Beispiel eine Ausdehnung der Si₃N₄-Schicht d_Si
3N
4, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, zu einer Ausdehnung der Si_xN_y-Schicht d_Si
xN
y, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, in einem Verhältnis n zu eins ausgebildet, wobei n zwischen 1,5 und 2,5 liegt. Bei der Ausdehnung der Si₃N₄-Schicht, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, und der Ausdehnung der Si_xN_y-Schicht, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, handelt es sich hier und im Folgenden z. B. um eine Dicke der jeweiligen Schicht. Bei der Dicke kann es sich z. B. um die kleinste Ausdehnung von drei Ausdehnungen in die drei Raumrichtungen für die Si₃N₄-Schicht und/oder die Si_xN_y-Schicht handeln. Diese Definition kann auch auf Dicken von anderen hierin beschriebenen Schichten des integrierten Kondensators angewendet werden, wie z. B. auf eine SiO₂-Schicht, ein Substrat, eine Elektrodenstruktur (z. B. Vorderseitenelektrode, Rückseitenelektrode), etc.
Dieses Ausführungsbeispiel des integrierten Kondensators basiert auf der Erkenntnis, dass mit nicht-stöchiometrischem Siliciumnitrid sehr große Schichtdicken realisiert werden können, da intrinsische Spannungen in der Si_xN_y-Schicht in einem Vergleich zu intrinsischen Spannungen in der Si₃N₄-Schicht (d. h. stöchiometrisches Siliciumnitrid) geringer ausfallen. Durch die Reduzierung der intrinsischen Spannungen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur kann eine zu starke Verbiegung der ersten und/oder der zweiten Elektrodenstruktur und/oder eine Delaminierung der Dielektrikumschichtstruktur von der ersten Elektrodenstruktur und/oder der zweiten Elektrodenstruktur reduziert oder vermieden werden. Die Schichtdicke ist dabei z. B. definiert als eine Ausdehnung der SiO₂-Schicht, der Si₃N₄-Schicht und/oder der Si_xN_y-Schicht senkrecht zu den parallelen Kontaktflächen zwischen den einzelnen Schichten der Dielektrikumschichtstruktur.
Es wird z. B. das Zusammenwirken der Si₃N₄-Schicht und der Si_xN_y-Schicht in der Dielektrikumschichtstruktur genutzt. Mit einer hohen Permittivität von stöchiometrischem Siliciumnitrid Si₃N₄ können große Schichtdicken und damit eine höhere Spannungsfestigkeit des integrierten Kondensators erzielt werden bei gleichzeitig höherer Kapazität im Vergleich zu Kondensatoren mit ausschließlich Siliciumdioxid im Dielektrikum. Jedoch kann es bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit stöchiometrischem Siliciumnitrid Si₃N₄, wie dem integrierten Kondensator, zu mechanischen Spannungen, die mit der Schichtdicke skalieren, kommen. Um die Begrenzung der Dicke der dielektrischen Schicht, d. h. der Dielektrikumschichtstruktur, aufgrund mechanischer Belastung zu umgehen bzw. zu reduzieren, wird z. B. stressarmes Siliciumnitrid, d. h. die Si_xN_y-Schicht, in die Dielektrikumschichtstruktur (z. B. dielektrischer Mehrschichtstapel) integriert.
Ferner weist die Dielektrikumschichtstruktur eine SiO₂-Schicht auf, die gemäß einem Ausführungsbeispiel, in der Dielektrikumschichtstruktur so angeordnet sein kann, dass eine Delamination der Dielektrikumschichtstruktur von der ersten Elektrodenstruktur zumindest teilweise oder vollständig vermieden wird. Zudem weist SiO₂ auf Silicium sehr geringe Grenzflächenzustände und eine hohe elektrische Belastbarkeit auf. Hierbei ist anzumerken, dass die Vermeidung der Delamination zumindest teilweise durch die Nutzung der SiO₂-Schicht bewirkt wird, da diese Spannungen verursacht durch Nitrid-Schichten kompensieren kann, aber zusätzlich auch die anderen Schichten der Dielektrikumschichtstruktur auf die Delamination einen Einfluss haben und somit den integrierten Kondensator verbessern. Da in einem Grenzbereich zwischen Siliciumsubstrat, das z. B. die erste Elektrodenstruktur und/oder die zweite Elektrodenstruktur aufweisen kann, und Siliciumnitrid eine Dichte von Oberflächenzuständen groß ist, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel Siliciumnitrid als Dielektrikum in Verbindung mit Siliciumdioxid als dielektrische Trennschicht zum Siliciumsubstrat verwendet.
Somit kann ein monolithisch integrierter Kondensator mit hoher Spannungsfestigkeit und/oder hoher Kapazitätsdichte durch eine kombinierte Verwendung von Si₃N₄ und Si_xN_y realisiert werden. Der Vorteil entsteht durch eine Reduzierung des mechanischen Stresses bei gleichzeitig geringem Leckstrom durch die Dielektrikumschichtstruktur. Dies ermöglicht die Realisierung von kostengünstigeren Silicium-Kondensatoren mit deutlich erhöhter Spannungsfestigkeit.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die erste Elektrodenstruktur ein mit einer Grabenstruktur versehenes Halbleitersubstrat auf. Die Elektrodenstruktur weist z. B. rechteckige oder abgerundete Ausnehmungen auf, an die z. B. die Dielektrikumschichtstruktur angeordnet ist. Rechteckige oder abgerundete Ausnehmungen bedeutet dabei z. B. rechteckig innerhalb einer Schnittansicht durch den integrierten Kondensator, wobei die Schnittansicht parallel zu der Schichtdicke der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur angeordnet ist. In anderen Worten weist die erste Elektrodenstruktur z. B. zylinderförmige und/oder quaderförmige Ausnehmungen auf. Die Grabenstruktur ist z. B. der zweiten Elektrodenstruktur zugewandt angeordnet. Durch die Grabenstruktur ist eine der zweiten Elektrodenstruktur zugewandte Oberfläche der ersten Elektrodenstruktur (also z. B. die Oberfläche mit der Grabenstruktur) im Vergleich zu einer planaren Oberfläche vergrößert. Dadurch entsteht eine hohe Kapazitätsdichte. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Grabenstruktur der ersten Elektrodenstruktur Ausnehmungen bzw. Öffnungen aufweisen, die der zweiten Elektrodenstruktur zugewandt und hexagonal angeordnet sind, wodurch der Kapazitätswert des integrierten Kondensators weiter gesteigert werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bildet die erste Elektrodenstruktur eine Rückseitenelektrode, die an einem Rückseitenkontakt angeordnet ist; und die zweite Elektrodenstruktur eine Vorderseitenelektrode, die an einem Vorderseitenkontakt angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt ein Verhältnis von Silicium und Stickstoff der Si_xN_y-Schicht zwischen 0,8 und 1 (z. B. 0,8≤x/y≤1). Hierbei ist anzumerken, dass es sich bei der Si_xN_y-Schicht um nicht-stöchiometrisches Siliciumnitrid handelt, bei dem der Anteil an Silicium im Verhältnis zu Stickstoff höher sein kann als von stöchiometrischem Siliciumnitrid Si₃N₄. Da das Verhältnis von Silicium und Stickstoff der Si₃N₄-Schicht bei 0,75 liegt, sollte das Verhältnis von Silicium und Stickstoff der Si_xN_y-Schicht z. B. zwischen 0,76 und 1,5 oder zwischen 0,8 und 1 liegen. Dieses optimierte Verhältnis zwischen Silicium und Stickstoff in der Si_xN_y-Schicht vermindert eine Verbiegung des integrierten Kondensators und eine Delamination der Dielektrikumschichtstruktur von der ersten und/oder der zweiten Elektrodenstruktur. Ferner wird durch das optimierte Verhältnis die Durchbruchspannung des integrierten Kondensators erhöht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Dielektrikumschichtstruktur einen höheren Anteil eines Si₃N₄-Materials auf, als davon abweichendes Material. So kann die Dielektrikumschichtstruktur z. B. mehr oder dickere Si₃N₄-Schichten als SiO₂-Schichten und/oder Si_xN_y-Schichten aufweisen. Durch diese optimierte Kombination von Si₃N₄ und Si_xN_y lassen sich somit die Vorteile eines geringen Leckstroms (von Si₃N₄) und eines reduzierten mechanischen Stresses (durch Si_xN_y) vorteilhaft vereinen. Für eine Realisierung einer optimierten Dielektrikumschichtstruktur ist es ausreichend, einen prozentual kleineren Teil, als zunächst zu erwarten ist, durch stressfreies Nitrid Si_xN_y zu ersetzen, da ein mechanischer Stress in der Dielektrikumschichtstruktur nicht der Summe der einzelnen mechanischen Spannungen der einzelnen Schichten entspricht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist n≥2, wodurch die Ausdehnung der Si_xN_y-Schicht d_Si
xN
y maximal 33% der Gesamtdicke der Dielektrikumschichtstruktur ausmacht, wodurch mögliche Leckströme minimiert werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis 2:1 (n=2), wodurch die Si₃N₄-Schicht z. B. eine doppelt so große Ausdehnung wie die Si_xN_y-Schicht aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Si₃N₄-Schicht zumindest zwei Si₃N₄-Unterschichten aufweisen, die getrennt voneinander innerhalb der Dielektrikumschichtstruktur, wie z. B. auf gegenüberliegenden Seiten der Si_xN_y-Schicht, angeordnet sein können. In diesem Fall kann eine erste Si₃N₄-Unterschicht eine erste Ausdehnung senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Dielektrikumschichtstruktur aufweisen und eine zweite Si₃N₄-Unterschicht eine zweite Ausdehnung senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur aufweisen. Somit kann die Ausdehnung der Si₃N₄-Schicht eine Summe der ersten Ausdehnung sowie der zweiten Ausdehnung repräsentieren.
Allgemein kann gemäß einem Ausführungsbeispiel die Ausdehnung der Si₃N₄-Schicht eine Summe der Ausdehnungen z. B. aller Si₃N₄-Unterschichten, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, repräsentieren. Genauso kann die Si_xN_y-Schicht mehrere Si_xN_y-Unterschichten aufweisen und somit die Ausdehnung der Si_xN_y-Schicht eine Summe der Ausdehnungen aller Si_xN_y-Unterschichten, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, repräsentieren. Somit spiegelt das Verhältnis gemäß einem Ausführungsbeispiel das Verhältnis zwischen einer Summe aller Ausdehnungen von Si₃N₄-Unterschichten zu Ausdehnungen aller Si_xN_y-Unterschichten wider. Mittels diesem optimierten Verhältnis zwischen den Ausdehnungen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur wird mechanischer Stress sowie Leckstrom innerhalb der Dielektrikumschichtstruktur reduziert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Si_xN_y-Schicht getrennt von bzw. nicht direkt an der SiO₂-Schicht angeordnet. So kann beispielsweise zwischen der Si_xN_y-Schicht und der SiO₂-Schicht die Si₃N₄-Schicht angeordnet sein. Ist die Si_xN_y-Schicht direkt auf der SiO₂-Schicht angeordnet, so können hohe intrinsische Spannungen in der Dielektrikumschichtstruktur auftreten, die zu einem Delaminieren der Schichten führen. Ist die Si_xN_y-Schicht hingegen getrennt von bzw. nicht direkt an der SiO₂-Schicht angeordnet, so kann eine Grenzschicht zwischen der SiO₂-Schicht und der Si_xN_y-Schicht nicht oder zumindest nur teilweise den Stress aufnehmen, so dass eine Delamination der Schichten reduziert bzw. verhindert werden kann.
Abhängig von der Tiefe, dem Durchmesser und dem Abstand der Lochstrukturen können auch durch dünnere Si_xN_y-Schichten eine hinreichende Stressreduzierung erzielt werden, um gleichzeitig einen möglichst geringen Leckstrom zu erzielen. Nach einem Ausführungsbeispiel kann z.B. ein Schichtstapel aus 700nm Si₃N4, 200nm Si_xN_y und 700nm Si_xN_y verwendet werden. Hierbei ist anzumerken, dass es vorteilhaft sein kann, wenn die Ausdehnung der Si_xN_y-Schicht deutlich geringer ist als eine Ausdehnung der Si₃N₄-Schichten senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur. Ohne die Si_xN_y-Schicht kann die Herstellung solch dicker Si₃N₄-Schichten bei Oberflächenvergrößerungen durch Lochstrukturen vom Faktor 5-15 nicht gelingen. Ferner ist anzumerken, dass die Ausdehnung der Si_xN_y-Schicht eine Summe aller Ausdehnungen aller Si_xN_y-Schichten (diese können auch als Si_xN_y-Unterschichten bezeichnet werden) repräsentieren kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht die Dicke der Si_xN_y-Schicht d_Si
xN
y höchstens 33% der Gesamtdicke aller Si_xN_y-Schichten und Si₃N₄-Schichten. In anderen Worten entspricht die Ausdehnung der Si_xN_y-Schicht d_Si
xN
y, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, höchstens 33% der Gesamtausdehnung aller Si_xN_y-Schichten und Si₃N₄-Schichten, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur. Die Wirkung der Si_xN_y-Schicht liegt hierbei in der Minimierung des Einflusses des mechanischen Stresses (Scheibenverbiegung, Delamination, Rissbildung) wobei die elektrischen Eigenschaften (Spannungsfestigkeit, Leckstrom, Kapazität) im Vergleich zu dicken Schichten dabei nur geringfügig beeinflusst werden. Alternativ kann die Ausdehnung der Si_xN_y-Schicht d_Si
xN
y, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, höchstens 1/4, 1/5 oder 1/6 der Gesamtausdehnung aller Si_xN_y-Schichten und Si₃N₄-Schichten, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur entsprechen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht eine Dicke der Si_xN_y-Schicht höchstens 50% einer Gesamtdicke aller Si₃N₄-Schichten. In anderen Worten entspricht eine Ausdehnung der Si_xN_y-Schicht, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, höchstens 50% einer Gesamtausdehnung aller Si₃N₄-Schichten, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur. Somit gilt z. B. d_Si
xN
y≤0,5·d_Si
3N
4. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Dicke der Si_xN_y-Schicht eine untere Grenze von 1%, 3%, 6%, 8% oder 10% der Gesamtausdehnung aller Si₃N₄-Schichten entsprechen. Dieser Anteil des stressfreien Nitrids ist dahingehend optimiert, dass der integrierte Kondensator hohen Feldstärken standhält, geringe Leckströme aufweist und eine hohe Spannungsisolation aufweist. Speziell die Leckströme können so minimiert werden, da 100% Si_xN_y-Schicht zu sehr hohen Leckströmen führen würde.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Dielektrikumschichtstruktur des integrierten Kondensators eine Dicke, von zumindest 1200 nm und eine Spannungsfestigkeit von zumindest 900 V auf. In anderen Worten weist die Dielektrikumschichtstruktur des integrierten Kondensators eine Ausdehnung, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, von zumindest 1200 nm auf, wodurch der integrierte Kondensator ausgelegt ist, um bei einer Spannung von zumindest 900 V betrieben zu werden. Somit wird eine hohe Durchschlagfestigkeit erreicht. Es wird z. B. dauerhaft verhindert, dass bei Spannungen von zumindest 900 V die Dielektrikumschichtstruktur zwischen einer Vorderseitenelektrode und einer Rückseitenelektrode „durchschlagen“ wird. Zudem bleibt der Leckstrom bei zumindest 900 V unterhalb einer Stromdichte von 10µA/cm² (oder alternativ unterhalb einer Stromdichte von 11µA/cm², 9µA/cm² oder 8µA/cm²). Die minimale Schichtdicke der gesamten Dielektrikumschichtstruktur kann grundlegend über den Zusammenhang

d_{m i n, e f f} = \frac{U_{m a x}}{E_{k r i t, e f f}}

berechnet werden. Für nichtstöchiometrisches Nitrid und verschiedene Schichtdickenverhältnisse lässt sich pauschal natürlich keine pauschale kritische Feldstärke bestimmen. Je nach Komposition der Dielektrikumschichtstruktur (des Schichtstapels) und Zusammensetzung des stressfreien Nitrids ergeben sich z. B. für dieselbe Spannungsklasse also unterschiedliche minimale Schichtdicken. Für die Tabelle 1 wird daher ein mittleres

E_{k r i t} \approx 6,6 \frac{M V}{c m}

verwendet. Die effektive Oxiddicke ergibt sich aus der Berechnung einer SiO₂-Schichtdicke, welche dieselbe Kapazität ergeben würde, wie ein Schichtstapel aus SiO₂ und Si₃N₄. Gemäß einem Ausführungsbeispiel gilt der Zusammenhang

d_{e f f} = d_{S i O_{2}} + d_{S i_{3} N_{4}} \cdot \frac{3,9}{7,5},

wobei ε_SiO
2 = 3,9 und ε_Si
3N
4 = 7,5. Damit lassen sich die Werte aus Tabelle 1 in einem weiten Spannungsklassenbereich mit den angegebenen Werten ermitteln. Somit ist der hierin beschriebene integrierte Kondensator z. B. geeignet für hohe Betriebsspannungen. Tabelle 1 (Merkmale von Ausführungsbeispielen des integrierten Kondensators)

Spannungsklasse U_nenn	Minimale effektive Dicke des Dielektrikums d_min
50 V	75 nm (oder 60 nm, 65 nm, 70 nm)
200 V	300 nm (oder 270 nm, 280 nm, 290 nm)
600 V	900 nm (oder 870 nm, 880 nm, 890 nm)
900 V	1330 nm (oder 1130 nm, 1200 nm, 1270 nm)

In Tabelle 1 werden effektive Oxiddicken (EOT) angegeben. Somit kann eine minimale effektive Dicke von 1330 nm für die Spannungsklasse von 900 V gemäß einem Ausführungsbeispiel bedeuten, dass die Dielektrikumschichtstruktur eine Gesamtdicke von 350 nm von SiO₂-Schichten und eine Gesamtdicke von 1500 nm von Si₃N₄-Schichten aufweist. Typische physikalische Schichtdicken sind z.B. bei 50V 90nm, bei 200V 520nm, bei 600V 1300nm und bei 900V 1850nm. Dies hängt aber dann auch stark vom SiO₂ zu SiN-Verhältnis der Schichtdicken ab.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Kondensators den Schritt Erzeugen einer Dielektrikumschichtstruktur in einer Grabenstruktur eines Halbleitersubstrates auf. Die Dielektrikumschichtstruktur weist z. B. eine Mehrzahl oder eine Kombination von aneinandergrenzenden Dielektrikumschichten auf, wobei zumindest eine der Dielektrikumschichten eine SiO₂-Schicht ist, wobei zumindest eine der Dielektrikumschichten eine Si₃N₄-Schicht ist, und wobei zumindest eine der Dielektrikumschichten eine Si_xN_y-Schicht ist. Das Si_xN_y-Material weist z. B. nichtstöchiometrisches Siliciumnitrid mit erhöhtem Siliciumanteil auf. Eine Ausdehnung d_Si
3N
4, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, der Si₃N₄-Schicht zu einer Ausdehnung d_Si
xN
y, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur, der Si_xN_y-Schciht ist in einem Verhältnis n zu eins ausgebildet, wobei n zwischen 1,5 und 2,5 liegt.
Alle obigen Erklärungen in Bezug zu der Vorrichtung können auch im Hinblick auf die jeweiligen korrespondierenden Ausführungsbeispiele des Verfahrens gelten:

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Dielektrikumschichtstruktur eine Mehrzahl oder eine Kombination von der SiO₂-Schicht, der Si₃N₄-Schicht und der Si_xN_y-Schicht auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt ein Verhältnis von Silicium und Stickstoff der Si_xN_y-Schicht zwischen 0,8 und 1 (z. B. 0,8≤x/y≤1).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Dielektrikumschichtstruktur einen höheren Anteil des Si₃N₄-Materials auf, als davon abweichendes Material. So kann die Dielektrikumschichtstruktur z. B. mehr oder dickere Si₃N₄-Schichten als SiO₂-Schichten und/oder Si_xN_y-Schichten aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Si_xN_y-Schicht nicht direkt an der SiO₂-Schicht angeordnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann Verfahren nach einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele gebildet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Vorrichtung nach einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele gebildet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Herstellungsverfahren nach einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele gebildet werden.

Figurenliste
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hinsichtlich der dargestellten schematischen Figuren wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Funktionsblöcke sowohl als Elemente oder Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung als auch als entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens davon abgeleitet werden können. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines integrierten Kondensators, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a eine schematische Darstellung eines integrierten Kondensators mit einer planaren Dielektrikumschichtstruktur, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vier Schichten aufweist;
2b eine schematische Darstellung eines integrierten Kondensators mit einer Dielektrikumschichtstruktur, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vier Schichten und eine Grabenstruktur aufweist;
3 eine schematische Darstellung eines integrierten Kondensators, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Grabenkondensator ausgebildet ist;
4a eine Aufnahme am Rasterelektronenmikroskop einer ersten Elektrodenstruktur, die ein mit einer Grabenstruktur versehenes Halbleitersubstrat, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
4b eine Aufnahme am Rasterelektronenmikroskop eines Querschnitts eines integrierten Kondensators als Grabenkondensator, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5a eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Grabenstruktur eines Halbleitersubstrats einer ersten Elektrodenstruktur eines integrierten Kondensators, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5b eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Lochstruktur einer Grabenstruktur eines Halbleitersubstrats einer Elektrodenstruktur eines integrierten Kondensators, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5c ein schematisches Ersatzschaltbild eines integrierten Kondensators, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6a ein Diagramm einer Verbiegung von Siliciumhalbleiterscheiben unterschiedlicher Lochgeometrien bei einer Abscheidung einzelner dielektrischer Schichten, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6b eine Tabelle der Dielektrikumschichtstrukturen, deren Verbiegung der Siliciumhalbleiterscheibe über die einzelnen Abscheideprozesse der Dielektrikumschichtstruktur in 6a dargestellt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ein Diagramm einer Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik eines integrierten Kondensators, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8a ein Diagramm von Strom-Spannungs-Kennlinien mehrerer integrierter Kondensatoren, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, im Vergleich mit einem Kondensator mit einem Dielektrikum aus Siliciumdioxid und ausschließlich siliciumreichem Nitrid;
8b eine Tabelle der Dielektrikumschichtstrukturen, der integrierten Kondensatoren, deren Strom-Spannungs-Kennlinie in 8a dargestellt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 ein Blockdiagramm und schematische Darstellung einer Abfolge von Schritten zur Herstellung eines integrierten Kondensators, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines integrierten Kondensator 100, der eine erste Elektrodenstruktur 110 und eine zweite Elektrodenstruktur 120 aufweist. Ferner weist der integrierte Kondensator 100 eine Dielektrikumschichtstruktur 130 auf, die zwischen der ersten Elektrodenstruktur 110 und der zweiten Elektrodenstruktur 120 angeordnet ist. Die Dielektrikumschichtstruktur 130 weist eine Schichtkombination mit einer SiO₂-Schicht 132, einer Si₃N₄-Schicht 134 und einer Si_xN_y-Schicht 136 auf. Die Si_xN_y-Schicht 136 weist ein nicht-stöchiometrisches Siliciumnitrid-Material mit erhöhtem Siliciumanteil auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Siliciumanteil der Si_xN_y-Schicht 136 im Vergleich zu dem Siliciumanteil der Si₃N₄-Schicht 134 erhöht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die erste Elektrodenstruktur 110 ein Halbleitersubstrat aufweisen. Das Halbleitersubstrat kann p-dotiertes Siliciummaterial aufweisen. Die Dotierung des Siliciumsubstrats trägt zu einer gezielten Erhöhung der Leitfähigkeit bei. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Halbleitersubstrat mit Bor (B), einem Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, dotiert.
Die zweite Elektrodenstruktur 120 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel polykristallines Siliciummaterial (Polysilicium) auf. Dabei handelt es sich z. B. um ein hoch-n-dotiertes polykristallines Silicium. Dies dient, wie die Dotierung des Siliciumsubstrats der ersten Elektrodenstruktur 110, dem Ziel der Erhöhung der Leitfähigkeit des hochohmigen Siliciums. Zur Dotierung werden z. B. Phosphor und Argon, welche Elemente der fünften Hauptgruppe des Periodensystems sind, eingesetzt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bildet die erste Elektrodenstruktur 110 eine Rückseitenelektrode, die an einem Rückseitenkontakt angeordnet ist, und die zweite Elektrodenstruktur 120 eine Vorderseitenelektrode, die an einem Vorderseitenkontakt angeordnet ist.
Der Kern dieser Erfindung liegt in der Verwendung eines dielektrischen Schichtstapels, d.h. der Dielektrikumschichtstruktur 130, bestehend aus einer Schichtkombination mit einer SiO₂-Schicht 132, einer Si₃N₄-Schicht 134 und einer Si_xN_y-Schicht 136. Hierbei hat die Anzahl und Reihenfolge der Teilschichten 132 bis 136, deren Schichtdicke und das Mengenverhältnis zwischen Silicium und Stickstoff (x:y) in Si_xN_y entscheidenden Einfluss auf die Herstellbarkeit (insbesondere Reduzierung einer Halbleiterscheibenverbiegung und Delamination) und die elektrischen Eigenschaften (insbesondere Erhöhung einer Durchbruchspannung und Kapazitätsdichte) des integrierten Kondensators 100.
Die Siliciumdioxid-SiO₂-Schicht 132 hat die Vorteile einer einfachen Herstellung und gute Isolationseigenschaften. Die SiO₂-Schicht 132 wird gemäß einem Ausführungsbeispiel aufgrund von geringeren Grenzflächenzuständen in der Dielektrikumschichtstruktur 130 als dielektrische Schicht an einer Grenzfläche zur ersten Elektrodenstruktur 110, z. B. dem Siliciumsubstrat, angeordnet. Um eine Delamination der Dielektrikumschichtstruktur 130 zumindest teilweise zu vermeiden, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel die Siliciumdioxid-Schicht 132 zwischen der ersten Elektrodenstruktur 110 und einer Siliciumnitridschicht, wie z. B. der Si₃N₄-Schicht 134 oder der Si_xN_y-Schicht 136, angeordnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Si₃N₄-Schicht 134 stöchiometrisches Siliciumnitrid Si₃N₄ mit einer Permittivität von 7,5 auf, wodurch höhere Schichtdicken und damit eine höhere Spannungsfestigkeit des integrierten Kondensators 100 erzielt werden können bei gleichzeitig höherer Kapazität im Vergleich zu ausschließlich Siliciumdioxid im Dielektrikum. Bei stöchiometrischem Siliciumnitrid ist das stöchiometrische Verhältnis der Elemente Silicium (Si) und Stickstoff (N) mit drei zu vier vorgegeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel treten bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit stöchiometrischem Siliciumnitrid mechanische Spannungen auf, die mit der Schichtdicke skalieren. Um die Begrenzung der Dicke der dielektrischen Schicht aufgrund mechanischer Belastungen zu umgehen, wird stressarmes Siliciumnitrid Si_xN_y in die Dielektrikumschichtstruktur 130 integriert. Somit wird mithilfe des stressarmen Siliciumnitrids die Spannungsfestigkeit des integrierten Kondensators 100 erhöht, da die Steigerung der Dicke des Dielektrikums zur Verschiebung des dielektrischen Durchbruchs hin zu höheren Spannungen führt.
Die Si_xN_y-Schicht 136 weist nicht-stöchiometrisches Siliciumnitrid-Material, auch stressarmes Siliciumnitrid Si_xN_y genannt, auf. Das nicht-stöchiometrische Siliciumnitrid setzt sich aus einem veränderten Verhältnis von Silicium und Stickstoff gegenüber dem Si₃N₄-Material zusammen. Mit stressarmem Siliciumnitrid können größere Schichtdicken realisiert werden, da die intrinsischen Spannungen der Schicht im Vergleich zu intrinsischen Spannungen im stöchiometrischen Siliciumnitrid geringer ausfallen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt ein Verhältnis von Silicium und Stickstoff der Si_xN_y-Schicht 136 zwischen 0.8 und 2, 0.8 und 1.5 oder zwischen 0.8 und 1 vor. Bei diesem Verhältnis weist die Si_xN_y-Schicht 136 eine sehr geringe mechanische Verspannung innerhalb der Schicht auf. Durch eine Kombination dieser Si_xN_y-Schicht 136 mit der Si₃N₄-Schicht 134 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine mechanische Verspannung der kompletten Dielektrikumschichtstruktur 130 geringer als eine Summe der einzelnen Verspannungen der einzelnen Schichten der Dielektriumschichtstruktur 130.
Nachteil des stressarmen Siliciumnitrids Si_xN_y ist, dass dessen Defektdichte höher ausfällt als bei stöchiometrischem Nitrid Si₃N₄. Aufgrund der höheren Defektdichte in der Si_xN_y-Schicht 136 wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der Einsatz einer Si₃N₄-Schicht 134 in Kontakt mit der oberen Elektrode, d. h. der zweiten Elektrodenstruktur 120, realisiert oder auch Kombinationen mit dünner Si_xN_y-Schicht 136 in Kontakt mit der zweiten Elektrodenstruktur 120, die einen geringen Leckstrom aufweisen. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass eine dickere Si_xN_y-Schicht 136 z. B. zu einem höheren Leckstrom führt. Durch die erfindungsgemäße Kombination von Si₃N₄ 134 und Si_xN_y 136 lassen sich somit die Vorteile des geringen Leckstroms (von Si₃N₄-Schicht 134) und des reduzierten mechanischen Stresses (durch Si_xN_y-Schicht 136) vereinen. Hierbei ist gemäß einem Ausführungsbeispiel zu berücksichtigen, dass bei der Abscheidung von verschiedenen Siliciumnitridschichten (z. B. der Si₃N₄-Schicht 134 und der Si_xN_y-Schicht 136) der mechanische Stress im gesamten Schichtstapel, d. h. in der gesamten Dielektrikumschichtstruktur 130, nicht der Summe der einzelnen mechanischen Spannungen entspricht. Für die Realisierung eines stressarmen Gesamtdielektrikums, d. h. der Dielektrikumschichtstruktur 130, ist es daher ausreichend, einen prozentual kleineren Teil, als zunächst zu erwarten ist, durch stressfreies Nitrid Si_xN_y zu ersetzen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Si_xN_y-Schicht 136 getrennt von bzw. nicht direkt an der SiO₂-Schicht angeordnet, um eine Delamination des Schichten zumindest teilweise zu vermeiden. Dies hängt jedoch auch von der Gesamtdicke der zu realisierenden Dielektrikumschichtstruktur 130 ab und ist z. B. bei einer 1000 nm dicken Si₃N₄-Schicht 134 auf einer 500 nm dicken Si_xN_y-Schicht 136 problematisch. Alle hierin angegebenen Dicken von Schichten können als SOLL-Daten verstanden werden. IST-Daten können von diesen SOLL-Daten abweichen. So können beispielsweise herstellungs- oder auslegungsbedingte Abweichungen von bis zu 10%, von bis zu 5% oder von bis zu 2% von den SOLL-Daten auftreten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Dielektrikumschichtstruktur 130 einen höheren Anteil eines Si₃N₄-Materials auf als davon abweichendes Material. So kann beispielsweise die Dielektrikumschichtstruktur 130 mehr Si₃N₄-Schichten 134 aufweisen als SiO₂-Schichten 132 und Si_xN_y-Schichten 136. Alternativ kann die Si₃N₄-Schicht 134 dicker ausgestaltet sein als die SiO₂-Schicht 132 und/oder die Si_xN_y-Schicht 136, bei gleicher Ausdehnung der aneinandergrenzenden Flächen der einzelnen Schichten.
So ist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Ausdehnung d_S
i3N
4 131₂ der Si₃N₄-Schicht 134, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur 130, zu einer Ausdehnung d_Si
xN
y 131₁ der Si_xN_y-Schicht 136, senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur 130, in einem Verhältnis N:1 ausgebildet, wobei N zwischen 1,5 und 2,5 liegt. Somit weist der Schichtstapel einen höheren Anteil Si₃N₄ auf, wie z. B. das Verhältnis d_Si
3N
4 : d_Si
xN
y = 2:1. Bei der Ausdehnung 131₁ bis 131₃ senkrecht zu aneinandergrenzenden Flächen der Schichten der Dielektrikumschichtstruktur handelt es sich beispielsweise um die Dicke der einzelnen Schichten 132 bis 136. Somit ist gemäß einem Ausführungsbeispiel die Dicke 131₂ der Si₃N₄-Schicht 134 doppelt so groß wie die Dicke 131₁ der Si_xN_y-Schicht 136 oder, wenn der integrierte Kondensator 100 eine Dielektrikumschichtstruktur 130 mit mehr als den drei Schichten 132 bis 136 aufweist, so kann eine Gesamtdicke aller Si₃N₄-Schichten 134 doppelt so groß sein wie eine Gesamtdicke aller Si_xN_y-Schichten 136.
Um die Kapazität des integrierten Kondensators 100 weiter zu erhöhen, kann eine Oberflächenvergrößerung realisiert werden, indem die erste Elektrodenstruktur 110 ein mit einer Grabenstruktur versehenes Halbleitersubstrat aufweist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Umsetzung ist gemäß einem Ausführungsbeispiel die Realisierung von monolithisch integrierten Kondensatoren 100 mit

• einer hohen Spannungsfestigkeit und/oder
• einer hohen Kapazitätsdichte

₃

₄

134

_x

_y

130

Merkmal	Mögliche Ausführungsform
Oberflächenvergrößerung K	2 ≤ K ≤ 20
Anzahl N der Nitridschichten	2 ≤ N ≤ 3
Schichtreihenfolge 1	SiO₂ - Si₃N₄ - Si_xN_y
Schichtreihenfolge 2	SiO₂ - Si₃N₄ - Si_xN_y - Si₃N₄
Schichtreihenfolge 3	SiO₂ - Si_xN_y - Si₃N₄ - Si_xN_y
Schichtdickenverhältnis	d_Si xN y ≤ 0.5·d_Si 3N 4
Mengenverhältnis in Si_xN_y	0.8 ≤ x : y ≤ 1

Gemäß einem Ausführungsbeispiel aus Tabelle 2 beträgt die Schichtdicke d_Si
xN
y der Si_xN_y-Schicht höchstens 50% der Schichtdicke aller Si₃N₄-Schichten. Dabei kann eine minimale Schichtdicke d_Si
xN
y der Si_xN_y-Schicht einer unteren Grenze der Herstellbarkeit entsprechen. So kann die minimale Schichtdicke d_Si
xN
y der Si_xN_y-Schicht beispielsweise 3% der Schichtdicke aller Si₃N₄-Schichten betragen. Das heißt für das Schichtdickenverhältnis kann, gemäß einem Ausführungsbeispiel, folgender Zusammenhang gelten: 0.03 · d_Si
3N
4 ≤ d_Si
xN
y ≤ 0.5 · d_Si
3N
4
Eine Oberflächenstruktur zur Erhöhung der Oberfläche und der Aufbau des dielektrischen Schichtstapels (Anzahl und Dicke der Teilschichten) kann über eine Querschnittanalyse mittels Rasterelektronenmikroskop ermittelt werden. Für die Analyse der Mengenverhältnisses von Silicium und Stickstoff und letztendlich der Reihenfolge der Teilschichten sind Methoden wie z. B. energiedispersive Röntgenspektroskopie oder Sekundärionen-Massenspektroskopie möglich.
Der beschriebene Silicium-Kondensator eignet sich wegen seiner extrem geringen parasitären Serieninduktivität hervorragend als Stützkondensator oder Dämpfungselement für Spannungsspitzen oder hochfrequenter Oszillationen (RC-Snubber) in Schaltapplikationen mit sehr kurzen Schaltzeiten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der integrierte Kondensator 100 durch die Kombination der Si₃N₄-Schicht 134 und der Si_xN_y-Schicht 136 mit Betriebsspannungen bis zu 900 V oder bis zu 1200 V betrieben werden.
2a und 2b zeigen je eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen integrierten Kondensators 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der integrierte Kondensator 100 in 2a und 2b kann dieselben Merkmale und Funktionalitäten wie der integrierte Kondensator 100 aus 1 aufweisen, wobei der integrierte Kondensator 100 aus 2a und 2b sich dahin gehend von dem integrierten Kondensator aus 1 unterscheidet, dass die Dielektrikumschichtstruktur 130 neben der SiO₂-Schicht 132 drei anstelle von zwei Siliciumnitrid-Schichten 133₁ bis 133₃ aufweist. Die alternative Dielektrikumschichtstruktur 130 ist zwischen der ersten Elektrodenstruktur 110 und der zweiten Elektrodenstruktur 120 angeordnet. Die integrierten Kondensatoren in 2a und in 2b unterscheiden sich dahingehend, dass der integrierte Kondensator 100 in 2a ein Plattenkondensator darstellen kann und der integrierte Kondensator in 2b einen Grabenkondensator.
Charakteristisch für Dielektrika ist eine geringe Leitfähigkeit und damit ein hoher spezifischer Widerstand. Für den Einsatz des Materials in einem Kondensator führt eine hohe Permittivität zu einem hohen Kapazitätswert. Die Durchbruchfeldstärke des dielektrischen Materials ist ein Maß für die Durchschlagfestigkeit des Dielektrikums und damit für die Spannungsfestigkeit des Kondensators 100. Das Dielektrikum wird bei dem integrierten Kondensator 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel durch die Dielektrikumschichtstruktur 130 dargestellt. Das Dielektrikum des erfindungsgemäßen integrierten Kondensators 100 liegt somit als Mehrschichtsystem aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien vor.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel befindet sich an einer Grenzfläche zu einem p-dotierten Siliciumsubstrat (d. h. der ersten Elektrodenstruktur 110 in 2a bzw. das Substrat 113 in 2b) die Siliciumdioxidschicht 132. Darauf folgt eine Kombination aus drei Schichten 133₁ bis 133₃ , z. B. vergleichbarer Dicke, zweier Siliciumnitride 134, 136. So können die Siliciumnitridschichten 133₁ bis 133₃ stöchiometrisches Siliciumnitrid Si₃N₄ 134 und/oder stressarmes Siliciumnitrid Si_xN_y 136 aufweisen, welche unterschiedliche elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen.
So umfassen gemäß einem Ausführungsbeispiel die Schichten 133₁ und 133₃ jeweils eine Si₃N₄-Schicht 134 und die Schicht 133₂ eine Si_xN_y-Schicht 136. Alternativ können beliebige andere zwei Schichten der drei Schichten 133₁ bis 133₃ die Si₃N₄-Schicht 134 darstellen und eine dritte Schicht der drei Schichten 133₁ bis 133₃ die Si_xN_y-Schicht darstellen. Somit handelt es sich z. B. bei zwei der drei Siliciumnitridschichten 133₁ bis 133₃ um Si₃N₄-Schichten 134 und bei einer der drei Siliciumnitridschichten 133₁ bis 133₃ um eine Si_xN_y-Schicht 136. So kann beispielsweise die erste Schicht 133₁ eine Si₃N₄-Schicht 134 sein, die zweite Schicht 133₂ eine Si_xN_y-Schicht 136 und die dritte Schicht 133₃ eine Si₃N₄-Schicht 134, wie z. B. die zuvor beschriebene Schichtreihenfolge 2 in Tabelle 2.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen alternativ zwei der drei Siliciumnitridschichten 133₁ bis 133₃ jeweils eine Si_xN_y-Schicht 136 auf und eine der drei Siliciumnitridschichten 133₁ bis 133₃ eine Si₃N₄-Schicht 134 auf, wie z. B. die zuvor beschriebene Schichtreihenfolge 3 in Tabelle 2, bei der die erste Siliciumnitridschicht 133₁ und die dritte Siliciumnitridschicht 133₃ eine Si_xN_y-Schicht 136 aufweist und die zweite Siliciumnitridschicht 133₂ die Si₃N₄-Schicht 134 aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Dielektrikumschichtstruktur 130 weitere Siliciumnitridschichten 133₁ bis 133₃ aufweisen, um die Dicke des Dielektrikums des integrierten Kondensators 100 weiter zu erhöhen und damit auch die Spannungsfestigkeit des integrierten Kondensators 100 zu steigern.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines integrierten Kondensators 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine erste Elektrodenstruktur 110 des Kondensators 100 ein mit einer Grabenstruktur versehenes Halbleitersubstrat auf. An der Oberfläche der Grabenstruktur der ersten Elektrodenstruktur 110 ist z. B. eine Dielektrikumschichtstruktur 130 des integrierten Kondensators 100 angeordnet. Somit ist die Dielektrikumschichtstruktur 130 zwischen der ersten Elektrodenstruktur 110 und einer zweiten Elektrodenstruktur 120 angeordnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bildet die erste Elektrodenstruktur 110 eine Rückseitenelektrode, die an einem Rückseitenkontakt 112 angeordnet ist und die zweite Elektrodenstruktur 120 bildet eine Vorderseitenelektrode, die an einem Vorderseitenkontakt 122 angeordnet ist.
Durch die Grabenstruktur der ersten Elektrodenstruktur 110 wird dessen Oberfläche um den Faktor K vergrößert. Das Konzept eines Silicium- Grabenkondensators (bzw. Silicium-RC-Snubbers) ist u. a. aus [2] bekannt. Somit wird gemäß $C = ε_{0} \cdot ε_{r} \cdot \frac{K \cdot A}{d}$
eine höhere Kapazitätsdichte erzielt, im Vergleich zu einem planaren Kondensator. In der Formel entspricht C dem Kapazitätswert, ε₀ der elektrischen Feldkonstante, ε_r der Permittivität und A der Oberfläche des Dielektrikums und d der effektiven Oxiddicke des Dielektrikums, wobei die effektive Gesamtdicke d des Dielektrikums die gesamte effektive Siliciumnitriddicke 139 und die effektive Dicke 131₃ der SiO₂-Schicht 132 umfassen kann.
Bauelemente dieser Technologie sind bisher nur mit Betriebsspannungen bis 600 V publiziert worden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt der integrierte Kondensator 100 (kann auch als Silicium-Grabenkondensator bezeichnet werden) mit der speziellen Kombination einer Si₃N₄-Schicht und einer Si_xN_y-Schicht in der Dielektrikumschichtstruktur 130 ein Konzept für Betriebsspannungen bis 900 V oder bis 1200 V vor. Kern des Konzepts ist ein Multischichtdielektrikum (d. h. die Dielektrikumschichtstruktur 130) mit mindestens einer Lage aus siliciumreichem Siliciumnitrid zur Reduzierung des mechanischen Stresses.
Zur Skalierung der Spannungsfestigkeit des Kondensators 100 (z. B. 900 V Spannungsklasse) dient die effektive Oxiddicke des Dielektrikums 130. Eine Durchbruchspannung Umax folgt einem Zusammenhang aus materialspezifischer kritischer Feldstärke E_krit und gegebener effektiver Oxiddicke d des Dielektrikums 130: $U_{max} = E_{krit} \cdot d_{e f f}$
Allerdings erhöht sich mit der Dicke der dielektrischen Schicht auch dessen intrinsische mechanische Spannung. Durch die speziell entwickelte Dielektrikumschichtstruktur 130 kann die mechanische Spannung in dem Kondensator 100 bzw. in den Schichten der Dielektrikumschichtstruktur 130 bei Erhöhung der Gesamtdicke 139 klein gehalten werden, wodurch während der Herstellung des Kondensators 100 starke Verbiegungen oder ein Bruch des Halbleitersubstrats oder eine Delaminierung des Dielektrikums 130 selbst zumindest teilweise verhindert werden können.
Wie aus den Gleichungen (1) und (2) hervorgeht, ist die Durchbruchspannung des Kondensators 100 direkt proportional zur Schichtdicke 139 des Dielektrikums 130, während die Kapazität antiproportional zu ihr ist - Durchbruchspannung und Kapazitätsdichte verhalten sich bei ihrer Dimensionierung durch d also gegenläufig. Die ursprüngliche Kapazitätsdichte (vor der Skalierung der Spannungsfestigkeit) durch eine entsprechende Oberflächenvergrößerung zu erreichen, ist bei ausschließlicher Verwendung von SiO₂ und Si₃N₄ nicht möglich, da der mechanische Stress zusätzlich stark mit der Oberfläche des Dielektrikums skaliert. Die spezielle Kombination von Si₃N₄ und Si_xN_y hingegen reduziert den mechanischen Stress effektiv.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel dient z. B. ein Halbleitersubstrat, respektive eine Schicht aus Polysilicium, als Elektrode 110, 120. Die Kontakte 112, 122 werden z. B. mit Aluminium realisiert.
Bei 3 handelt es sich um einen schematischen Querschnitt durch einen integrierten Kondensator 100, bei dem gemäß einem Ausführungsbeispiel die Grabenstruktur der ersten Elektrodenstruktur 110 mittels rechteckiger Ausnehmungen realisiert ist. Auch wenn die Dielektrikumschichtstruktur 130 als eine einzige Schicht dargestellt ist, so kann diese mehrere Schichten wie eine SiO₂-Schicht, eine Si₃N₄-Schicht und eine Si_xN_y-Schicht aufweisen.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele gemäß 3 in anderen Worten dargestellt:

Bei dem Kondensator 100 handelt es sich z. B. um einen Silicium-Kondensator, der erfolgreich mit einer Spannungsfestigkeit von 1200 V hergestellt und charakterisiert werden kann. Die hohen mechanischen Belastungen während der Prozessierung konnten mit dem Einsatz von stressarmen Siliciumnitrid in einem dielektrischen Stapel, d.h. in der Dielektrikumschichtstruktur 130, reduziert werden. Stöchiometrisches und stressarmes Siliciumnitrid wurden dabei gemäß einem Ausführungsbeispiel zu einem Mehrschichtsystem, d.h. der Dielektrikumschichtstruktur 130, aus drei Schichten kombiniert, wobei mindestens eine Schicht aus stressarmen Siliciumnitrid besteht.

Mit Hilfe einer hexagonalen Lochstruktur wurde gemäß einem Ausführungsbeispiel die Oberfläche der Kondensatoren 100 vergrößert. Sämtliche Kombinationen der Schichtstapel können gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer geringen Lochtiefe L10 und ausgewählte Schichtstapel mit einem tieferen Lochdesign L20 realisiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel haben die unterschiedlichen Materialkombinationen in der Dielektrikumschichtstruktur 130 kaum Einfluss auf die Kapazitätswerte der Silicium-Kondensatoren 100. Jedoch konnte gemäß einem Ausführungsbeispiel die Kapazität pro Fläche auf Grund einer vergrößerten Oberfläche durch ein tieferes Lochdesign L20 gegenüber einer geringeren Lochtiefe L10 um ca. 80% deutlich gesteigert werden. Der Verlauf der Strom-Spannungs-Charakteristik der Bauelemente, d.h. der Kondensatoren 100, ist abhängig von den unterschiedlichen dielektrischen Schichtstapeln 130. Dies folgt einer Systematik, wonach gemäß einem Ausführungsbeispiel ein höherer Anteil an stöchiometrischem Siliciumnitrid zu einer größeren maximal erreichten Spannung bei einem Stromfluss von z. B. 10 mA führt. Die geringere Spannungsfestigkeit bei Schichtstapeln 130 mit einem höheren Anteil an stressarmen Siliciumnitrid wird z. B. auf Tunnelmechanismen im Dielektrikum zurück geführt. Auf Grund der angenommenen höheren Haftstellendichte im stressarmen Siliciumnitrid im Vergleich zu dem stöchiometrischen Siliciumnitrid dominieren diese Ladungstransportmechanismen z. B. bereits ab geringeren Feldstärken. Die Haftstellentiefe wurde anhand von temperaturabhängigen Strom-Spannungs-Messungen in Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke ermittelt. Diese stimmen für das stressarme Siliciumnitrid mit der des stöchiometrischen Siliciumnitrids gemäß einem Ausführungsbeispiel weitgehend überein.
Bei Silicium-Kondensatoren 100, welche einen dielektrischen Schichtstapel 130 aus Siliciumdioxid, zwei stöchiometrischen Siliciumnitridschichten und einer stressarmen Siliciumnitridschicht besitzen, konnte gemäß einem Ausführungsbeispiel eine maximale Spannung bei 10 mA von 1575 V erreicht werden.
Zur Vervollständigung der elektrischen Charakterisierung in Hinblick auf die unterschiedlichen dielektrischen Schichtstapel 130 bedarf es der Bestimmung der Belastungsgrenze der Silicium-Kondensatoren 100 und deren Langzeitstabilität. Ein Serienwiderstand des Silicium-Kondensators ist gemäß einem Ausführungsbeispiel unabhängig von dem Aufbau des dielektrischen Schichtstapels.
Durch den Einsatz des stressarmen Siliciumnitrids wird z. B. ein Freiheitsgrad in Bezug auf die mechanischen Beanspruchungen gewonnen. Auf Grund der Erkenntnisse aus einer messtechnischen Dokumentation der Verbiegung der Siliciumhalbleiterscheibe, d.h. der ersten Elektrodenstruktur 110 ist eine Vergrößerung der Oberfläche mit tieferen Löchern bei gleicher Schichtzusammensetzung mit einem Lochdesign L30 (Oberflächenvergrößerung höher als bei L20) und größer möglich. Dies geht mit einer gesteigerten Kapazität pro Fläche einher. Die Lochtiefe kann mit einem gesteigerten Anteil an stressarmen Siliciumnitrid weiter erhöht werden. Damit können Silicium-Kondensatoren mit einer hohen Kapazität pro Fläche realisiert werden. Allerdings ist die Spannungsfestigkeit von Bauelementen mit einem hohen Anteil an stressarmen Siliciumnitrid gemäß einem Ausführungsbeispiel geringer.
Der Kondensator 100 stellt gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Optimierung in Hinblick auf einen minimalen Anteil an stressarmen Siliciumnitrid und damit einer größtmöglichen Spannungsfestigkeit dar.
Anhand der 4a, 4b, 5a, 5b und 5c werden weitere optionale Details der Grabenstruktur der ersten Elektrodenstruktur 110 erläutert.
4a zeigt eine Aufnahme einer Bruchkante einer Siliciumhalbleiterscheibe 110 mit Lochstruktur 111₁ bis 111₅ nach einem Trockenätzprozess, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als erste Elektrodenstruktur des integrierten Kondensators dient. Die Lochstruktur 111₁ bis 111₅ kann beispielsweise mit einem alternierenden Trockenätzprozess wie einem ASE-Prozess (Advanced-Silicon-Etching-Prozess, reaktives lonentiefenätzen) realisiert werden. Dabei entstehen, wie z. B. in 4a dargestellt Ausnehmungen 111₁ bis 111₅ . Die Ausnehmungen 111₁ bis 111₅ können dabei zylindrische-Form mit einer kugelförmigen Abrundung am Ende in dem Halbleitersubstrat 110 aufweisen. Da es sich bei 4a um einen schematischen Querschnitt durch das Halbleitersubstrat 110 handelt, sind die Ausnehmungen 111₁ bis 111₅ als rechteckige Ausnehmungen mit abgerundeten Ecken dargestellt.
4b zeigt eine Aufnahme am Rasterelektronenmikroskop eines Querschnitts eines integrierten Kondensators 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In 4b wird somit eine erste Elektrodenstruktur 110, eine zweite Elektrodenstruktur 120 und eine dazwischenliegende Dielektrikumschichtstruktur 130 deutlich. Ferner ist auf der zweiten Elektrodenstruktur 120 ein Vorderseitenkontakt 122 angeordnet.
Anhand von Aufnahmen an einem Rasterelektronenmikroskop, wie z. B. dargestellt in 4a und/oder 4b, können Strukturparameter der Lochgeometrien der Grabenstruktur der ersten Elektrodenstruktur 110 bestimmt werden.
Die Grabenstruktur des Halbleitersubstrats 110 kann eine Vielzahl an Ausnehmungen aufweisen, die in 4b unter anderem anhand der Vertiefungen 111₁ bis 111_n in dem Vorderseitenkontakt 122 identifiziert werden können, wobei n eine ganze positive Zahl ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Ausnehmungen, die die Grabenstruktur des Halbleitersubstrats 110 definieren, um Kreislöcher. Gemäß dem in 4b dargestellten Ausführungsbeispiel des integrierten Kondensators 100 weist das Halbleitersubstrat 110 eine hexagonale Anordnung der Kreislöcher auf, was anhand der Vertiefungen 111₁ bis 111_n auf dem Vorderseitenkontakt 122 angedeutet ist. Diese Art der Lochanordnung liefert z. B. eine sehr große Steigerung des Kapazitätswerts des integrierten Kondensators 100.
In 5a ist eine schematische Draufsicht auf eine hexagonale Lochstruktur wie für den integrierten Kondensator 100 gemäß 4b dargestellt. Ferner zeigt 5b einen Querschnitt durch ein Loch der Grabenstruktur des integrierten Kondensators entlang einer Schnittkante Q-Q in 5a. 5a und 5b dienen der Definition von Parametern zur Berechnung einer Oberflächenvergrößerung des integrierten Kondensators durch die hexagonale angeordnete Lochstruktur. Bei der Bestimmung wird z. B. die Annahme getroffen, dass die Schichtabscheidung der dielektrischen Materialien der Dielektrikumschichtstruktur 130 über das Loch 111₁ bis 111₇ gleichmäßig ist. Zur Berechnung des Vergrößerungsfaktors der Oberfläche des integrierten Kondensators wird über eine Dicke d 138 der Dielektrikumschichtstruktur 130 gemittelt. Daran orientiert sich gemäß den 5a und 5b ein Abstand a zwischen den Löchern 111₁ bis 111₇ , ein Durchmesser D der Löcher 111₁ bis 111₇ und eine Tiefe h der Löcher 111₁ bis 111₇ .
Eine Kapazität C_Lochstruktur in einem gleichseitigen Dreieck 102 setzt sich aus einer Kapazität eines halben Zylinders C_Haibzylinder addiert mit einer Kapazität einer planaren Fläche zwischen den Löchern C_planar - C_Halbkreis und einer Kapazität eines Bodens im Loch C_Boden zusammen. Somit gilt gemäß einem Ausführungsbeispiel für den Vergrößerungsfaktor K der Oberfläche $k = \frac{C_{L o c h s t r u k t u r}}{C_{p l a n a r}} = 1 + \frac{4 π d}{\sqrt{3} a^{2}} \cdot (\frac{(d - D)}{2} + \frac{h - d}{l n (\frac{D}{D - 2 d})}) .$
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Strukturparameter der Lochgeometrie vorbestimmt sein. So kann beispielsweise der Abstand a zwischen den Löchern in einem Bereich von 1 µm bis 5 µm, 2 µm bis 3 µm oder 2.4 µm bis 2.8 µm liegen. Der Durchmesser D der Löcher kann gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem Bereich zwischen 3 µm und 10 µm, 4.5 µm bis 6.5 µm oder zwischen 5 µm und 6 µm liegen. Die Tiefe h der Löcher kann in einem Bereich von 5 µm bis 50 µm, 10 µm bis 40 µm oder 10 µm bis 35 µm liegen. So kann beispielsweise ein erstes Lochdesign L10 mit einem Abstand a von 2.75 µm, einem Durchmesser D von 5.35 µm und einer Tiefe h von 12.3 µm realisiert werden. Alternativ kann auch ein Lochdesign L20 mit einem Abstand a von 2.48 µm, einem Durchmesser D von 5.59 µm und einer Tiefe h von 22.5 µm realisiert werden. Ferner ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Lochdesign L30 mit einer Tiefe von ungefähr 30 µm realisierbar.
5c zeigt ein Ersatzschaltbild gemäß einem Ausführungsbeispiel eines integrierten Kondensators 100 mit Teilkapazitäten von unterschiedlichen Schichten und Strukturen einer Dielektrikumschichtstruktur 130 und den einzelnen Widerständen. Der gemessene Kapazitätswert setzt sich dabei aus Einzelkapazitäten von einer Parallelschaltung entlang der dielektrischen Schichtgrenzen sowie einer Reihenschaltung gemäß dem Schichtaufbau zusammen. Dabei werden z. B. die Einflüsse eines resistiven Spannungsteilers vernachlässigt.
Die in 5c dargestellte Dielektrikumschichtstruktur 130 kann dieselben Merkmale und Eigenschaften wie die Dielektrikumschichtstruktur 130 aus 2 aufweisen, mit dem Unterschied, dass der integrierte Kondensator in 5c eine Grabenstruktur aufweist und der integrierte Kondensator 100 in 2 einen planaren Kondensator darstellt. So weist der integrierte Kondensator 100 in 5c eine SiO₂-Schicht 132, eine erste Siliciumnitridschicht 133₁ , eine zweite Siliciumnitridschicht 133₂ und eine dritte Siliciumnitridschicht 133₃ auf. Ferner weist der integrierte Kondensator 100 aus 5c gemäß einem Ausführungsbeispiel eine erste Elektrodenstruktur 110, eine zweite Elektrodenstruktur 120, einen Rückseitenkontakt 112 und einen Vorderseitenkontakt 122 auf.
Bei der Deposition von dielektrischen Schichten auf dem Siliciumsubstrat (der ersten Elektrodenstruktur 110) entstehen mechanische Spannungen, welche sich auf das Substrat auswirken. Diese inneren Verspannungen der abgeschiedenen Schichten können zum einen auf thermisch induzierte Spannungen und zum anderen auf intrinsische Spannungen zurückgeführt werden. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Siliciumsubstrat und abgeschiedener Schicht 132 und 133₁ bis 133₃ sind hauptsächlich verantwortlich für thermisch bedingte Verspannungen und gehen z. B. auf den großen Temperaturunterschied zwischen einer Prozesstemperatur und einer Umgebungstemperatur zurück. Intrinsische Spannungen sind unter anderem auf Fremdatome zurückzuführen, welche Atome des Schichtmaterials substituieren oder Zwischengitterpositionen einnehmen. Die Gitterfehlanpassung auf Grund der unterschiedlichen Gitterkonstanten zwischen den verschiedenen Materialien ist z. B. eine weitere Ursache für intrinsische Spannungen.
Die Verbiegung einer Siliciumhalbleiterscheibe, die als erste Elektrodenstruktur einer Vielzahl an Ausführungsbeispielen des integrierten Kondensators 100 dient, ist eine messbare Größe, welche eine Aussage über das Maß der inneren Verspannung in der Dielektrikumschichtstruktur 130 zulässt. Es wird z. B. zwischen Zugspannung, welche eine konkave Verbiegung bzw. einen positiven Krümmungsradius bewirkt und Druckspannung, welche respektive eine konvexe Verbiegung bzw. einen negativen Krümmungsradius erzeugt, unterschieden. Die Verbiegung der Siliciumhalbleiterscheibe wird dabei sowohl parallel als auch orthogonal zu der Abflachung am Rand der Siliciumhalbleiterscheibe vermessen. Deren Verbiegungen verhalten sich kongruent, weshalb in der 6a zur verbesserten Übersichtlichkeit ausschließlich die maximalen Verbiegungen der parallelen Vermessung der Siliciumhalbleiterscheiben dokumentiert sind.
6a zeigt ein Diagramm, dass die Verbiegung 114 der Siliciumhalbleiterscheiben unterschiedlicher Lochgeometrien bei der Abscheidung der einzelnen dielektrischen Schichten darstellt. Gemäß dem in 6a dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich um erfindungsgemäße Kondensatoren mit Grabenstruktur, z. B. wie in Ausführungsbeispielen gemäß den 3 bis 5c. In der Tabelle aus 6b ist der Schichtaufbau der jeweiligen in 6a untersuchten Dielektrikumschichtstruktur 130₁ bis 130₇ dargestellt. Die Unterschiede zwischen den Lochdesigns L10, L20 und L30 ist weiter oben bereits in Zusammenhang mit den 5a und 5b diskutiert worden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden in 6a Verbiegungen in einem Bereich von 0 µm bis 200 µm dargestellt (wobei die Achse der Verbiegung 114 z. B. in Schritten von 50 µm unterteilt ist). 6a stellt nur die Verbiegung von speziellen Ausführungsbeispielen dar und es ist klar, dass bei alternativen Dielektrikumschichtstrukturen auch Verbiegungen in anderen Bereichen realisiert werden können. Es ist klarzustellen, dass der hierin beschriebene Kondensator nicht auf die in 6a und 6b dargestellten Parameter limitiert ist.
Wie den Messungen der Scheibenverbiegung zu entnehmen ist, korreliert eine misslungene Prozessierung aufgrund von mechanischem Stress nicht notwendigerweise mit der Scheibenverbiegung. So brechen z.B. die Scheiben mit Design 130₁ , obwohl sie nicht die größte Verbiegung aufweisen. Jedoch ist die Scheibenverbiegung für jene Prozessschritte eine Grenze bei denen die Scheibe mit Vakuum am Chuck „befestigt“ werden muss (z.B. Polyimid) oder ein Roboter die Scheiben befördert.
Der erfindungsgemäße Kondensator stellt gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Konzept für Silicium-Kondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von 1200 V dar. In diesem Zusammenhang ist in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften des dielektrischen Schichtstapels (d. h. der Dielektrikumschichtstruktur) festgestellt worden, dass die Siliciumhalbleiterscheiben mit dem dielektrischen Schichtstapel mit dem Aufbau (vgl. 130₄ (E) in 6a und 6b) 330 nm Siliciumdioxid, 500 nm stressarmen Siliciumnitrid und 1000 nm stöchiometrisches Siliciumnitrid nach der Abscheidung des zweiten stöchiometrischen Siliciumnitrids stark delaminiert sind und dadurch nicht weiter prozessiert werden konnten. Ferner ist festzustellen, dass die Siliciumhalbleiterscheibe mit dem dielektrischen Referenzschichtstapel mit dem Aufbau (vgl. 6a und 6b 130₁ (A, flach)) 330 nm Siliciumdioxid und 1500 nm stöchiometrisches Siliciumnitrid zerspringt, was auf die hohe intrinsische Spannung zurückzuführen ist, welche im stöchiometrischen Siliciumnitrid vorwiegend aufzufinden ist. Somit ist eine optimierte Kombination von SiO₂-Schicht, Si₃N₄-Schicht und Si_xN_y-Schicht, wie in der Dielektrikumschichtstruktur gemäß 130₂ (H, flach), 130₃ (C, flach), 130₅ (C), 130₆ (C, tief) und 130₇ (H, tief) beschrieben, für den integrierten Kondensator vorteilhaft bezüglich einer Reduktion von Delamination und einer einfachen Herstellbarkeit des integrierten Kondensators.
Mit dem Konstatieren der unterschiedlichen dielektrischen Schichtstapel der delaminierten und gebrochenen Siliciumhalbleiterscheiben wird deutlich, dass eine signifikante Verbiegung der Siliciumhalbleiterscheibe nicht notwendigerweise in kausalem Zusammenhang mit einer großen intrinsischen Spannung steht. Dies wird im Wesentlichen beim Vergleich des Maximalwerts der größten Ausdehnung der Verbiegung zwischen der gebrochenen Siliciumhalbleiterscheibe (130₁ (A, flach), mit z. B. 80 µm Verbiegung) und des dielektrischen Schichtstapels mit tiefem Lochdesign mit 1000 nm stöchiometrischen Siliciumnitrids und 500 nm stressarmen Siliciumnitrids (130₆ (C, tief), mit z. B. 200 µm Verbiegung) deutlich. Eine mögliche Ursache ist das Zusammenspiel von thermischem Ausdehnungskoeffizient und Elastizitätsmodul. Ebenso ist eine bereits eingetretene Relaxation der Kristallstruktur zum Zeitpunkt der Messung der Verbiegung denkbar.
In der 7 wird eine Kapazität-Spannungs-Charakteristik (C(U)-Kennlinie) des erfindungsgemäßen Kondensators dargestellt. Die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie eines MIS-Kondensators weist einen charakteristischen Verlauf auf Grund der Spannungsabhängigkeit der Weite der Raumladungszone im Substrat auf.
Zur Aufnahme der C(U)-Kennlinie wird z. B. eine Gleichspannung 200 von -40 V bis +40 V angelegt (wobei die Achse der Gleichspannung 200 z. B. in Schritten von 10 V unterteilt ist), welcher eine Wechselspannung mit einer Amplitude von z. B. 10 mV und 100 kHz überlagert ist. Der kapazitive und der resistive Anteil der Impedanz wird aus der Amplitude und Phase des Stromflusses ermittelt. Mit dem Start bei der negativen Spannung hin zur positiven Spannung wird die Hinwärts-Kennlinie und die Rückwärts-Kennlinie bei dem umgekehrten Durchfahren der Spannungsrampe von +40 V bis -40 V aufgenommen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden in 7 Kapazitäten 210 in einem Bereich von 0.75*10^-9 F bis 1.1*10^-9 F in Schritten von 0.05*10^-9 F für das Lochdesign L10 dargestellt und in einem Bereich von 1.55*10^-9 F bis 1.9*10^-9 F in Schritten von 0.05*10^-9 F für das Lochdesign L20 dargestellt. 7 stellt nur die C(U)-Kennlinie von speziellen Ausführungsbeispielen dar und es ist klar, dass bei alternativen Dielektrikumschichtstrukturen auch C(U)-Kennlinien in anderen Bereichen realisiert werden können. Es ist klarzustellen, dass der hierin beschriebene Kondensator nicht auf die in 7 und 8b dargestellten Parameter limitiert ist.
Die Kapazitäts-Spannungs-Messungen wurden exemplarisch an mehreren ungeladenen Kondensatoren (siehe 8b für Parameter bezüglich der analysierten Kondensatoren) auf mehreren Siliciumhalbleiterscheiben durchgeführt. In 7 sind die C(U)-Kennlinien von drei Bauelementen aus der Mitte jeweils einer Siliciumhalbleiterscheibe mit Lochdesign L10 und von einem Bauelement aus der Mitte einer Siliciumhalbleiterscheibe mit Lochdesign L20 dargestellt.
Bei der negativen Spannung von z. B. -40 V werden die p-MIS-Kondensatoren gemäß einem Ausführungsbeispiel in Akkumulation betrieben. Die Charakteristik sättigt in Akkumulation auf einen Kapazitätswert (siehe 7). Diese Sättigung tritt jedoch nicht bei allen untersuchten Kondensatoren ein. Bei den Bauelementen, z. B. 130₂ (H, flach), der Siliciumhalbleiterscheiben mit den dielektrischen Schichtkombinationen mit einer stöchiometrischen Siliciumnitridschicht als zweite oder dritte Siliciumnitridabscheidung steigt der Wert der Kapazität z. B. mit abnehmender Spannung weiter an, sodass der Kapazitätswert in Akkumulation mit diesem Messaufbau nicht direkt bestimmt werden kann.
Vergleicht man die Ergebnisse zwischen dem Lochdesign L10 und L20 so kann festgestellt werden, dass die Bauelemente, z. B. 130₅ (C), auf den Siliciumhalbleiterscheiben mit Lochdesign L20 höhere Kapazitäten aufweisen als die Bauelemente, z. B. 130₂ (H, flach), 130₃ (C, flach) und 130₈ (I, flach), auf den Siliciumhalbleiterscheiben mit Lochdesign L10. Ursache ist die größere Oberfläche auf Grund der tieferen Löcher des Lochdesigns L20 im Vergleich zu der Oberfläche des Lochdesigns L10.
Eine Gesamtpermittivität eines dielektrischen Stapels ist mit einem höheren Anteil an stressarmen Siliciumnitrid größer. Damit erhöht sich ebenfalls die Kapazität. Eine größere Dicke des dielektrischen Stapels geht mit einem kleineren Kapazitätswert einher. Demnach ist der Kapazitätswert der Siliciumhalbleiterscheibe 130₂ (H, flach) (siehe 6b und 7) auf Grund einer ausgeprägten Diskrepanz, zwischen geringer Dicke und größerer Gesamtpermittivität, erhöht.
Zur Bestimmung der Spannungsfestigkeit und zur Identifikation unterschiedlicher Ladungstransportmechanismen im Kondensator eignet sich die Aufnahme einer Strom-Spannungs-Charakteristik der erfindungsgemäßen Kondensatoren. Die Spannungsfestigkeit eines Kondensators ist z. B. abhängig von der Dicke des Dielektrikums (d. h. der Dielektrikumschichtstruktur) und der elektrischen Feldstärke. Ein irreversibler Durchbruch des Dielektrikums findet beim Überschreiten einer kritischen Feldstärke Ekrit bei einer an liegenden Durchbruchspannung U_BD statt. Die maximal erreichte Spannung U_IV,max wird bei einem Stromfluss von 10 mA bestimmt. Bei keinem gemessenen Schichtstapel ist bis zu der maximal erreichten Spannung ein dielektrischer Durchbruch festzustellen. Die Durchbruchspannung ist demnach größer als die maximal erreichte Spannung, sodass die Herstellbarkeit von Kondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von 1200 V erfolgreich bestätigt werden kann.
Die Strom-Spannungs-Charakteristik eines Bauelements aus der Mitte jeder Siliciumhalbleiterscheibe ist in 8a dargestellt. In anderen Worten zeigt 8a gemessene Ausgangskennlinien von Si-Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus Siliciumdioxid und siliciumreichem Nitrid (130₈ (I, flach)) und einer Kombination aus siliciumreichem und stöchiometrischem Nitrid (130₂ (H, flach), 130₃ (C, flach), 130₅ (C)) gleicher bzw. ähnlicher Gesamtdicke. Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt 8a den am Bauteil gemessenen Strom über die angelegte Spannung. Dabei wird der Strom z. B. in einem Bereich von 10^-9 A bis 10^-2 A logarithmisch dargestellt und die Spannung wird z. B. in einem Bereich von 0 V bis 1600 V in Schritten von 200 V dargestellt. 8a stellt nur den Strom über die Spannung von speziellen Ausführungsbeispielen dar und es ist klar, dass bei alternativen Dielektrikumschichtstrukturen auch Ströme in anderen Bereichen (z. B. in anderen Strom und/oder Spannungsbereichen) realisiert werden können. Es ist klarzustellen, dass der hierin beschriebene Kondensator nicht auf die in 8a und 8b dargestellten Parameter limitiert ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt der Kondensator mit der Dielektrikumschichtstruktur gemäß 130₃ (C, flach) dar.
8b zeigt die unterschiedlichen Schichtstapel analysiert in 8a mit der maximal erreichten Spannung und der Gesamtschichtdicke des Dielektrikums.
In 8a sind deutlich die größeren erreichten Spannungen bei den dielektrischen Mehrschichtsystemen mit zwei stöchiometrischen Siliciumnitridschichten (130₅ (C), 130₃ (C, flach)) im Vergleich zu dem dielektrischen Schichtstapel, bestehend aus ausschließlich stressarmen Siliciumnitrid (130₈ (I, flach)) und im Vergleich zu den dielektrischen Schichtvariationen mit einer stöchiometrischen Siliciumnitridschicht (130₂ (H, flach)) zu erkennen. Somit ist der hierin beschriebene integrierte Kondensator optimiert im Vergleich zu generellen Kondensatoren mit einem Schichtaufbau gemäß 130₈ . Beim Vergleich der Strom-Spannungskennlinie der Bauelemente mit einer stöchiometrischen Siliciumnitridschicht (130₂ (H, flach)) stellt sich der Kontakt zwischen stöchiometrischem Siliciumnitrid und dem darunterliegenden Siliciumdioxid als vorteilhaft in Bezug auf eine höhere maximal erreichte Spannung heraus. Der Kontakt zwischen stressarmen Siliciumnitrid und vorderseitiger Elektrode, welcher sich auf Grund der höheren Defektdichte im stressarmen Siliciumnitrid im Vergleich zum stöchiometrischen Siliciumnitrid (130₂ (H, flach), 130₃ (C, flach)) negativ auf die Strom-Spannungs-Charakteristik auswirken könnte, wird anhand von Messungen nicht bestätigt.
Der Einfluss der vergrößerten Oberfläche der Bauelemente durch tiefere Löcher wird hinsichtlich der Strom-Spannungs-Kennlinie dahin gehend deutlich, dass die maximal erreichte Spannung der Bauelemente mit Lochdesign L20 (130₅ (C)) im Vergleich mit den Bauelementen desselben dielektrischen Schichtstapels mit Lochdesign L10 (130₂ (H, flach), 130₃ (C, flach)) geringer ausfällt. Mögliche Ursachen sind zum einen die durch die vergrößerte Oberfläche vorhandenen zusätzlichen Fehlstellen an der Grenzfläche zur Elektrode. Zum anderen ist die Gesamtdicke des Dielektrikums geringer, da gemäß einem Ausführungsbeispiel die Abscheiderate der dielektrischen Schichten während der Herstellung trotz größerer Oberfläche nicht angepasst wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bietet ein Silicium-Kondensator (wie z. B. 130₅ (C)), dessen Grabenstruktur eine Lochtiefe von etwa 20 µm aufweist sowie welcher einen dielektrischen Schichtstapel aus 330 nm Siliciumdioxid, 500 nm stöchiometrischem Siliciumnitrid, 500 nm stressarmen Siliciumnitrid und 500 nm stöchiometrischem Siliciumnitrid aufweist, ein optimiertes Konzept hinsichtlich der Kapazität und der Spannungsfestigkeit. Damit wird eine Kapazität pro Fläche von 133 pF/mm² und eine Spannungsfestigkeit von 1450 V erzielt.
In 9 sind einzelne aufeinanderfolgende Prozessschritte eines Verfahrens 300 zur Herstellung der erfindungsgemäßen Silicium-Kondensatoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Dabei ist ein besonderes Augenmerk darauf zu richten, dass in 9 ausschließlich die Prozessierung der relevanten Vorderseite der Siliciumhalbleiterscheibe schematisch dargestellt ist und Abscheidungen auf der Rückseite und deren Rückätzprozesse nicht beinhaltet sind.
Zu Beginn des Prozesses wird zur Realisierung eines Grabenkondensators 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel Siliciumsubstrat 110, das eine erste Elektrodenstruktur darstellt, mit Löchern 111₁ bis 111₃ strukturiert. Mittels einer Lithographie 310 wird die Lochstruktur auf die Oberfläche übertragen und davon ausgehend in die Tiefe des Substrats geätzt 320. Daraufhin folgen die unterschiedlichen Prozesse zur Deposition 330 der einzelnen Schichten 132 und 133₁ bis 133₃ des Dielektrikums 130, d. h. der Dielektrikumschichtstruktur, und zur Deposition 340 der Elektrode 120, d. h. der zweiten Elektrodenstruktur. Ferner umfasst das Verfahren optional eine Herstellung 350 eines Vorderseitenkontakts 122 und eines Rückseitenkontakts 112. Die Elektrode 120, bestehend aus z. B. polykristallinem Silicium, und der vorderseitige Kontakt 122 aus z. B. Aluminium definieren Abmessungen des Bauelements. Um Luftüberschläge zwischen Vorder- 122 und Rückseitenkontakt 112 der vereinzelten Bauelemente zu vermeiden, wird optional Polyimid am Rand der Bauelemente aufgebracht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel baut der erfindungsgemäße Kondensator 100 auf einer mit Bor p-dotierten Siliciumhalbleiterscheibe (d.h. Siliciumsubstrat 110) auf, welche z. B. einen Durchmesser von 150 mm, eine Dicke von 675 µm und einen spezifischen Schichtwiderstand von 9 ± 0,3 Ohm*cm misst. Durch Anwendung einer Lithographie 310 wird z. B. eine hexagonale Lochstruktur, wie in 4b und 5a beschrieben, auf der Oberfläche des Siliciums 110 erzeugt.
Das Ätzen 320 der Löcher 111₁ bis 111₃ erfolgt beispielsweise mit einem ASE-Prozess (advanced silicon etching-Prozess), bei dem es sich um einen alternierenden Trockenätzprozess handelt. Ausgehend von der Lithographie 310 zur Erzeugung einer Lochmaske 312 wird bei dem Ätzen 320 der Löcher 111₁ bis 111₃ gemäß einem Ausführungsbeispiel zwischen einem Ionenätzschritt und einem Passivierschritt abgewechselt. Zur Passivierung wird zwischen den einzelnen nicht vollkommen anisotropen Ätzschritten z. B. eine Schutzschicht abgeschieden, welche dazu dient, die Ätzrichtung beizubehalten und die bereits geätzten Wände des Loches 111₁ bis 111₃ vor weiterem Materialabtrag zu schützen.
Das Dielektrikum 130 besteht gemäß einem Ausführungsbeispiel aus einer Siliciumdioxidschicht 132 und drei darauffolgenden Siliciumnitridschichten 133₁ bis 133₃ unterschiedlicher Eigenschaften. Diese sind nach der Abscheidefolge Siliciumnitrid1 133₁ , Siliciumnitrid2 133₂ und Siliciumnitrid3 133₃ benannt. Zunächst wird die SiO₂-Schicht 132 z. B. mittels thermischer Oxidation, die auf einer natürlichen Reaktion von Silicium (Si) mit Sauerstoff (O₂) zu Siliciumdioxid (SiO₂) basiert, bei z. B. 1050°C auf dem Siliciumsubstrat abgeschieden 330.
Eine Siliciumnitridschicht 133₁ bis 133₃ wird z. B. durch eine chemische Reaktion von Dichlorsilan (SiCl₂H₂) mit Ammoniak (NH₃) erzeugt. Die Abscheidungen 330 der unterschiedlichen Siliciumnitridschichten 133₁ bis 133₃ findet z. B. mittels einer chemischen Niederdruckgasphasenabscheidung (LPCVD) bei einem geringeren Druck (etwa 17 Pa - 27 Pa) als der atmosphärische Druck und einer Temperatur zwischen 700°C und 800°C statt.
Die chemische Reaktionsgleichung zur Abscheidung 330 von stöchiometrischem Siliciumnitrid (Si₃N₄) lautet 3 SiCl₂H₂ + 4NH₃ → Si₃N₄ + 6 HCl + 6H₂. Dabei entstehen Chlorwasserstoff (HCl) und Wasserstoff (H₂) als Nebenprodukte der Reaktion.
Bei der Abscheidung 330 von stressarmen Siliciumnitrid (Si_xN_y) wird das Verhältnis der Reaktionsgase Dichlorsilan und Ammoniak verändert. Je höher der Anteil an Dichlorsilan im Verhältnis zum Ammoniak ist, desto höher ist der Siliciumanteil im resultierenden Siliciumnitrid. Damit wird kein Siliciumnitrid mit dem Verhältnis zwischen Silicium und Nitrid von drei zu vier wie im stöchiometrischen Fall, sondern ein siliciumreiches Siliciumnitrid bzw. nicht-stöchiometrisches Siliciumnitrid abgeschieden 330, welches auch als stressarmes Siliciumnitrid Si_xN_y bezeichnet wird.
Bei der Herstellung 330 des Dielektrikums 130 wird somit gemäß einem Ausführungsbeispiel zunächst eine SiO₂-Schicht auf dem Siliciumsubstrat abgeschieden und darauffolgend Kombinationen von Schichten 133₁ bis 133₃ umfassend zumindest eine Si₃N₄-Schicht und zumindest eine Si_xN_y-Schicht.
Als vorderseitige Elektrode 120, d. h. als zweite Elektrodenstruktur, wird z. B. polykristallines Silicium mittels eines LPCVD-Verfahrens mit Monosilan (SiH₄) SiH₄ → Si + 2H₂ aufgewachsen 340. Dabei legt sich das Polysilicium z. B. durch eine pyrolytische Zersetzung von Silan bei 600°C-650°C auf dem dielektrischen Schichtstapel 130 in den Löchern 111₁ bis 111₃ ab. Mit Ablagerung in der Lochstruktur bildet sich zum Erreichen eines erhöhten Kapazitätswerts die notwendige Elektrode 120. Die Dotierung des Polysiliciums mit Phosphor und Argon erfolgt gemäß einem Ausführungsbeispiel während der Deposition durch eine zusätzliche Gaszufuhr von Monophosphan (PH₃) und Argon (Ar).
Auf die Polysiliciumschicht, d. h. auf die zweite Elektrodenstruktur 120, folgt gemäß einem Ausführungsbeispiel eine weitere Schicht zur Bildung des Vorderseitenkontakts 122 mit z. B. Aluminium. Diese weitere Schicht wird z. B. mit einem PVD-Verfahren, dem Aufdampfen, abgeschieden. Aluminium ist niederohmig und bildet eine zuverlässige Kontaktierung der einzelnen Bauelemente. Abschließend wird optional durch eine Lithographie die Abmessung des Bauelements auf die Siliciumhalbleiterscheibe übertragen und die Schichten aus Polysilicium und Aluminium zwischen den resultierenden Bauelementen unter Einsatz eines Trockenätzverfahrens abgetragen.
Zur Kontaktierung der Rückseite der Siliciumhalbleiterscheibe 110 werden gemäß einem Ausführungsbeispiel zunächst alle Schichten, die während der erwünschten Schichtabscheidungen auf der Vorderseite zusätzlich auf der Rückseite aufgewachsen bzw. abgeschieden werden, zurück geätzt. Zur Kontaktierung der Rückseite wird anschließend z. B. ein lötbarer Schichtstapel 112 aus Chrom, Nickel und Silber aufgedampft.
In der Erfindung weist ein integrierter Kondensator eine erste Elektrodenstruktur, eine zweite Elektrodenstruktur und eine dazwischenliegende Dielektrikumschichtstruktur auf, wobei die Dielektrikumschichtstruktur eine Schichtkombination mit einer SiO₂-Schicht, einer Si₃N₄-Schicht und einer Si_xN_y-Schicht aufweist und wobei die Si_xN_y-Schicht nichtstöchiometrisches Siliciumnitrid-Material mit erhöhtem Siliciumanteil aufweist, wobei eine Dicke der Si₃N₄-Schicht zu einer Dicke der Si_xN_y-Schicht in einem Verhältnis n zu eins ausgebildet ist, wobei n zwischen 1,5 und 2,5 liegt.
In einem Ausführungsbeispiel weist die erste Elektrodenstruktur ein mit einer Grabenstruktur versehenes Halbleitersubstrat auf.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel bildet die erste Elektrodenstruktur eine Rückseitenelektrode, die an einem Rückseitenkontakt angeordnet ist; und die zweite Elektrodenstruktur bildet eine Vorderseitenelektrode, die an einem Vorderseitenkontakt angeordnet ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel liegt ein Verhältnis von Silicium und Stickstoff der Si_xN_y-Schicht zwischen 0,8 und 1.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Dielektrikumschichtstruktur einen höheren Anteil eines Si₃N₄-Materials auf als davon abweichendes Material.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Si_xN_y-Schicht getrennt von bzw. nicht direkt an der SiO₂-Schicht angeordnet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel entspricht eine Dicke der Si_xN_y-Schicht höchstens 33 % einer Gesamtdicke aller Si_xN_y-Schichten und Si₃N₄-Schichten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel entspricht eine Dicke der Si_xN_y-Schicht höchstens 50 % einer Gesamtdicke aller Si₃N₄-Schichten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Dielektrikumschichtstruktur des integrierten Kondensators eine effektive Oxiddicke von zumindest 1200 nm und eine Spannungsfestigkeit von zumindest 900 V auf.
Gemäß der Erfindung weist ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Kondensators ein Erzeugen einer Dielektrikumschichtstruktur in einer Grabenstruktur eines Halbleitersubstrates auf, wobei die Dielektrikumschichtstruktur eine Mehrzahl oder eine Kombination von aneinandergrenzenden Dielektrikumschichten aufweist, wobei zumindest eine der Dielektrikumschichten eine SiO₂-Schicht ist, wobei zumindest eine der Dielektrikumschichten eine Si₃N₄-Schicht ist und wobei zumindest eine der Dielektrikumschichten eine Si_xN_y-Schicht ist, wobei das Material der Si_xN_y-Schicht ein nicht-stöchiometrisches Siliciumnitrid mit erhöhtem Siliciumanteil aufweist, wobei eine Dicke der Si3N4-Schicht zu einer Dicke der SixNy-Schicht in einem Verhältnis n zu eins ausgebildet ist, wobei n zwischen 1,5 und 2,5 liegt.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Dielektrikumschichtstruktur eine Mehrzahl oder eine Kombination von einer SiO₂-Schicht, einer Si₃N₄-Schicht und einer Si_xN_y-Schicht auf.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel liegt ein Verhältnis von Silicium und Stickstoff der Si_xN_y-Schicht zwischen 0,8 und 1.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Dielektrikumschichtstruktur einen höheren Anteil des Si₃N₄-Materials auf als davon abweichendes Material.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel Aspekt ist die Si_xN_y-Schicht nicht direkt an der SiO₂-Schicht an-geordnet ist.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stehen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Referenzen

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Claims

Integrierter Kondensator (100) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Elektrodenstruktur (110), einer zweiten Elektrodenstruktur (120) und einer dazwischenliegenden Dielektrikumschichtstruktur (130), wobei die Dielektrikumschichtstruktur (130) eine Schichtkombination (133₁ bis 133₃, 130₄) mit einer SiO₂-Schicht (132), einer Si₃N₄-Schicht (134) und einer Si_xN_y-Schicht (136) aufweist, wobei die Si_xN_y-Schicht (136) nicht-stöchiometrisches Siliciumnitrid-Material mit erhöhtem Siliciumanteil aufweist; und wobei eine Dicke (131₂) der Si₃N₄-Schicht (134) zu einer Dicke (131₁) der Si_xN_y-Schicht (136) in einem Verhältnis n zu eins ausgebildet ist, wobei n zwischen 1.5 und 2.5 liegt.
Integrierter Kondensator (100) gemäß Anspruch 1, wobei die erste Elektrodenstruktur (110) ein mit einer Grabenstruktur versehenes Halbleitersubstrat aufweist.
Integrierter Kondensator (100) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste Elektrodenstruktur (110) eine Rückseitenelektrode bildet, die an einem Rückseitenkontakt (112) angeordnet ist; und wobei die zweite Elektrodenstruktur (120) eine Vorderseitenelektrode bildet, die an einem Vorderseitenkontakt (122) angeordnet ist
Integrierter Kondensator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Verhältnis von Silicium und Stickstoff der Si_xN_y-Schicht (136) zwischen 0.8 und 1 liegt.
Integrierter Kondensator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dielektrikumschichtstruktur (130) einen höheren Anteil eines Si₃N₄-Materials (134) aufweist, als davon abweichendes Material.
Integrierter Kondensator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Si_xN_y-Schicht (136) getrennt von bzw. nicht direkt an der SiO₂-Schicht (132) angeordnet ist.
Integrierter Kondensator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Dicke (131₁) der Si_xN_y-Schicht (136) höchstens 50% einer Gesamtdicke aller Si₃N₄-Schichten (134) entspricht.
Integrierter Kondensator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Dielektrikumschichtstruktur (130) des integrierten Kondensators eine effektive Oxiddicke (138), von zumindest 1200 nm und eine Spannungsfestigkeit von zumindest 900 V aufweist.
Verfahren (300) zur Herstellung eines integrierten Kondensators mit folgenden Schritten: Erzeugen (330) einer Dielektrikumschichtstruktur in einer Grabenstruktur eines Halbleitersubstrates, wobei die Dielektrikumschichtstruktur eine Mehrzahl oder eine Kombination von aneinandergrenzenden Dielektrikumschichten aufweist, wobei zumindest eine der Dielektrikumsschichten eine SiO₂-Schicht ist, wobei zumindest eine der Dielektrikumsschichten eine Si₃N₄-Schicht ist, und wobei zumindest eine der Dielektrikumsschichten eine Si_xN_y-Schicht ist, wobei das Material der Si_xN_y-Schicht ein nicht-stöchiometrisches Siliciumnitrid mit erhöhtem Siliciumanteil aufweist; und wobei eine Dicke der Si₃N₄-Schicht zu einer Dicke der Si_xN_y-Schicht in einem Verhältnis n zu eins ausgebildet ist, wobei n zwischen 1.5 und 2.5 liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Dielektrikumschichtstruktur eine Mehrzahl oder eine Kombination von der SiO₂-Schicht, der Si₃N₄-Schicht und der Si_xN_y-Schicht aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei ein Verhältnis von Silicium und Stickstoff der Si_xN_y-Schicht zwischen 0.8 und 1 liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Dielektrikumschichtstruktur einen höheren Anteil von Si3N4-Material aufweist, als davon abweichendes Material.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Si_xN_y-Schicht nicht direkt an der SiO₂-Schicht angeordnet ist.