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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten
Stapelkondensators.
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Stapelkondensatoren
werden häufig
in integrierten Schaltungen eingesetzt, deren Minimierung weiter vorangetrieben
wird. Der Forderung nach immer kleineren Chipgrößen kann aber aufgrund der
erforderlichen Abmessungen der passiven Bauelemente der Schaltungen
nicht ohne weiteres nachgekommen werden. Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit
von Stapelkondensatoren pro Bauelement-Volumeneinheit wurden bisher insbesondere
folgende Ansätze
verfolgt:
- 1. Verringerung der Dicke herkömmlicher
Dielektrika wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Eine solche Verringerung
erfordert jedoch eine bessere Kontrolle über die Abscheidung der Dielektrika,
insbesondere bezüglich
deren Dicke und Defekte. Darüber
hinaus wird eine bessere Materialqualität benötigt, um die Anforderungen
an die Lebensdauer der Bauelemente zu erfüllen. Es ist bekannt, daß Hochtemperatur-LPCVD-Prozesse
Niedertemperatur-PECVD-Prozessen überlegen sind. Wenn aber Kondensatoren
mit Platten vorgesehen sind, die in Metallisierungsebenen (Aluminium)
integriert sind, darf die Temperatur aufgrund von Materialstabilitätsvorgaben
der Metallisierungsebenen einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten.
Außerdem
sind Niedertemperaturprozesse dann vorzuziehen, wenn diffusionsbedingte
Veränderungen
bei Siliziumdotierungsprofilen vermieden werden sollen. Aus Gründen der
Zuverlässigkeit
ist die Kapazitätsdichte
bei Dielektrika, die in einem PECVD-Prozess abgeschieden werden,
typischerweise auf 1,5 fF/μm2 (Oxid) bzw. 3 fF/μm2 (Nitrid)
begrenzt.
- 2. Verwendung von Dielektrika mit hoher Dielektrizitätskonstante.
Der Einsatz von Materialien wie Titandioxid (TiO2),
Ditantalpentoxid (Ta2O5)
oder Barium-Strontium-Titanat (BaxSr1–xTiO3) erscheint aufgrund der vergleichsweise
hohen dielektrischen Konstanten sehr vielversprechend, ist aber
noch nicht etabliert. Die meisten dieser Materialien haben eine
hohe Leckstromrate, und es bestehen große Schwierigkeiten bei der Bauelementherstellung.
Akzeptable Durchschlags- und Leckeigenschaften können bisher nur mit verhältnismäßig dicken
Schichten erreicht werden, so daß die überlegenen dielektrischen Eigenschaften
dieser Materialien nicht vorteilhaft genutzt werden können. Außerdem erfordert
die Einführung
dieser neuen Materialien zusätzlichen
Platz in den Reinräumen
für neue
Geräte
und neue Chemikalien sowie einen erheblichen Fertigungsplanungsaufwand,
was unmittelbar zu einer Erhöhung
der Herstellungskosten führt.
Auch bei einer Integration in eine existierende Prozeßlinie müssen Änderungen
in der Technologiearchitektur vorgenommen werden.
- 3. Ausnutzung der vertikalen Chipdimension zur Steigerung der
effektiven Fläche
eines Kondensators. Zur Bereitstellung einer geeigneten Topographie,
die die vertikale Dimension eines Bauelements besser ausnutzt, müssen neue
Strukturierungsprozesse entwickelt und/oder zusätzliche Maskierungsebenen eingeführt werden.
Ferner müssen
zusätzliche
Prozeßanforderungen,
wie CD (Critical Dimension) Control, Ätzselektivität, Stufenüberdeckung
und Planarität
erfüllt
werden. Der Einsatz dieser Art von Strukturen ist oft durch die
Anforderungen der Anwendungen begrenzt. Als Folge der veränderten
vertikalen Geometrie erhöht
sich der Reihenwiderstand der Kondensatorbeläge, was zu einem geringeren
Gütefaktor
des Kondensators führt,
so daß er
für bestimmte
Hochfrequenzanwendungen ungeeignet ist. Die Präzision und die Anpassungseigenschaften
sind durch die Lithographie und die Ätzmöglichkeiten begrenzt, ebenso
wie die Variationen der vertikalen Dicke.
- 4. Bei integrierten Schaltungen mit mehreren, miteinander verknüpften Ebenen,
kann die Kapazitätsdichte durch
Aufeinanderstapeln von zwei (oder mehr) herkömmlichen Kondensatoren vergrößert werden,
indem die gleiche Struktur auf verschiedenen Metallisierungsebenen
einfach reproduziert wird. Die Kosten für die Einführung einer weiteren Maskierungsebene
und verschiedener anderer Strukturierungsschritte in eine Prozeßlinie sind
jedoch solange nicht gerechtfertigt, bis sich die Investition für die Reduktion
der Chipgröße durch
einen höheren
Ausstoß und
eine angemessene Tauglichkeitsrate der integrierten Schaltungen
auszahlt.
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Bei
der fortschreitenden Integration vieler Komponenten in eine einzige
integrierte Schaltung ist es wünschenswert,
denselben Kondensatortyp für
verschiedene Anwendungen einsetzen zu können, z. B. für Hochfrequenz-
oder hochpräzise
analoge Anwendungen. Bei Sperrkondensatoren mit einer sehr hohen
Kapazität
wird aufgrund seiner hohen Dielektrizitätskonstante vorzugsweise Siliziumnitrid
als Dielektrikumsmaterial verwendet. Kondensatoren, die in hochpräzisen analogen
Anwendungen eingesetzt werden, erfordern jedoch eine viel bessere
Linearität
und Frequenzunabhängigkeit,
so daß Siliziumoxid,
das eine geringere Dielektrizitätskonstante
hat, die beste Wahl ist. Bei solch gegensätzlichen Voraussetzungen kann
die Prozeßlinie
nur für die
eine oder für
die andere Anwendung optimiert werden, was zu einem Kompromiß bezüglich der
Gesamtproduktleistung führt.
Alternativ können,
um den Wünschen
des Kunden entgegenzukommen, zwei verschiedene Kondensatortypen
mit gleicher Technologie angeboten werden, was aber die Kosten und
die Komplexität der
Prozeßlinie
erhöht.
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Ein
integrierter Stapelkondensator mit einem ersten Kondensatorbelag
aus polykristallinem Silizid und einem zweiten Kondensatorbelag,
zwischen denen ein erstes Dielektrikum angeordnet ist, sowie einem
dritten Kondensatorbelag, wobei zwischen dem zweiten und dritten
Kondensatorbelag ein zweites Dielektrikum angeordnet ist, ist aus
der
US 6 387 753 B1 bekannt.
Ein ähnlich
aufgebauter integrierter Stapelkondensator ist auch in der
US 4 731 696 gezeigt.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines integrierten Stapelkondensators,
bei dem Kondensatorbeläge
aus Metall vorgesehen sind, ist z.B. aus der
US 6 066 537 A bekannt.
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Aus
der
EP 1 205 976 A2 ist
es bekannt, daß es
zur Verringerung der Spannungsabhängigkeit eines Dreischicht-Kondensators
günstig
ist, zwei verschiedene dielektrische Materialien für die beiden
dielektrischen Schichten des Kondensators zu wählen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, mit möglichst
geringen Produktionskosten einen integrierten Stapelkondensator
herzustellen, der bei gegebenem Platzbedarf eine erhöhte Leistung
bringt und flexibel einsetzbar ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines integrierten Stapelkondensators umfaßt folgende,
aufeinanderfolgende Schritte:
Aufbringen eine Polysilizidschicht
zur Bildung des ersten Kondensatorbelags;
Aufbringen eines
ersten Dielektrikums;
Aufbringen einer ersten Metallschicht
zur Bildung des zweiten Kondensatorbelags;
Aufbringen eines
Pre-Metal-Dielektrikums;
Planarisieren des Pre-Metal-Dielektrikums,
wobei durch das Planarisieren die zweite Metallschicht wieder freigelegt
wird;
Aufbringen eines zweiten Dielektrikums; und
Aufbringen
einer zweiten Metallschicht zur Bildung des dritten Kondensatorbelags.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann ohne großen
zusätzlichen
Aufwand und daher sehr kostengünstig
in einen bestehenden BiCMOS-Prozeß zur Herstellung einer bekannten
integrierten Schaltung integriert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
erfordert nur einen zusätzlichen
Prozeßschritt,
nämlich
die Abscheidung des zweiten Dielektrikums. Alle anderen Prozeßschritte
können
vom bekannten Verfahren übernommen
werden und unterscheiden sich nur geringfügig in der Strukturierung der
einzelnen Schichten.
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Vorzugsweise
erfolgt das Aufbringen der Polysilizidschicht auf einer Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge,
die auf einer unteren Polysilizidschicht angeordnet ist. Die Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge
und die untere Polysilizidschicht, die beim bekannten Verfahren
zur Herstellung der bekannten integrierten Schaltung standardmäßig vorgesehen
sind, können
genutzt werden, um den ersten Belag des erfindungsgemäßen Kondensators
topographisch nach oben zu verlegen.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
kann auch vorgesehen sein, daß eine ätzbare Stopschicht
für chemisch-mechanisches
Polieren auf das zweite Dielektrikum aufgebracht wird. Eine solche
Stopschicht schützt
das zweite Dielektrikum vor Beschädigungen beim chemisch-mechanischen
Polieren in einem späteren
Prozeßschritt.
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Der
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Kondensator ist ein MIMIM (metal insulator metal insulator
metal) Parallelplatten-Kondensator, bei dem der zweite Kondensatorbelag
keine Deckplatte, sondern eine mittlerer Belag ist, der zwischen
zwei äußeren Kondensatorbelägen eingebettet
ist, wobei zwischen den Belägen
jeweils ein Dielektrikum angeordnet ist. Der Kondensator zeichnet
sich durch eine hohe Kapazitätsdichte
aus und kann je nach Verschaltung der einzelnen Kondensatorbeläge für verschiedene
Anwendungen eingesetzt werden.
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Der
zweite (mittlere) Belag des Kondensators besteht vorzugsweise aus
Titannitrid oder einer Titanlegierung.
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Für bestimmte
Anwendungen erweist es sich als vorteilhaft, daß das erste Dielektrikum aus
einem Nitrid und das zweite Dielektrikum aus einem Oxid besteht,
oder daß das
erste Dielektrikum und das zweite Dielektrikum jeweils aus einem
Nitrid bestehen, oder daß das
erste Dielektrikum und das zweite Dielektrikum jeweils aus einem
Oxid bestehen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Herstellung
eines Kondensators, bei dem der erste Belag auf einer auf einem
Substrat vorhandenen Schichtfolge angeordnet wird, vorzugsweise
auf einer Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge, welche wiederum auf einer
unteren Polysilizidschicht angeordnet wird, bringt die dadurch bedingte
topographisch höhere
Position des ersten Belags und der darauf aufgebrachten weiteren
Schichten Vorteile bei der Durchführung späterer Strukturierungsprozeßschritte.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und aus den beigefügten
Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1a, 2a ... 12 aschematische Schnittansichten, die
die Herstellung eines integrierten Stapelkondensators gemäß dem Stand
der Technik verdeutlichen;
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1b, 2b ... 12b schematische Schnittansichten, die die Herstellung
eines erfindungsgemäßen integrierten
Stapelkondensators verdeutlichen;
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13a eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Kondensators
gemäß einer
ersten Designvariante;
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13b eine Schnittansicht entlang der Linie A in 13a;
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13c eine Schnittansicht entlang der Linie B in 13a;
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14a eine Draufsicht eines erfindungsgemäß hergestellten
Kondensators gemäß einer
zweiten Designvariante;
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14b eine Schnittansicht entlang der Linie C in 14a; und
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14c eine Schnittansicht entlang D in 14a.
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Im
folgenden werden die Herstellung eines integrierten Stapelkondensators
nach dem Stand der Technik und die erfindungsgemäße Herstellung eines Kondensators
parallel beschrieben, um durch die Gegenüberstellung der einzelnen Arbeitsschritte
die Unterschiede zum bekannten Herstellungsverfahren und den dadurch
erzielten neuartigen Aufbau des erfindungsgemäßen Kondensators zu verdeutlichen.
Die 1 bis 12 mit
dem Zusatz „a" zeigen den bekannten Kondensator
nach bestimmten Prozeßschritten,
die entsprechenden Figuren mit dem Zusatz „b" zeigen einen Kondensator jeweils nach
einem vergleichbaren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Für beide
Kondensatoren wird standardmäßig ein
Siliziumsubstrat 10 mit einer sogenannten „shallow trench
isolation" (STI) 12,
d. h. einer flach geätzten,
mit einem Isolator aufgefüllten
Grabenstruktur verwendet. Alternativ kann auch eine Isolierung durch
Feldoxidation hergestellt werden. Auf das Siliziumsubstrat 10,
auf dem aufgrund von vorherigen, für die Herstellung der Kondensatoren
nicht relevanten und daher nicht dargestellten Prozeßschritten
bereits eine Schicht 14 aus polykristallinem Silizid vorhanden
ist, wird eine weitere Polysilizidschicht 16 abgeschieden,
gefolgt von einer Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge 18. Auf
der Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge
wird wiederum eine Emitterschicht 20 aus polykristallinem
Silizid abgeschieden. Bei der darauf folgenden Maskierung mit Fotolack 22 ist
beim bekannten Herstellungsverfahren der gesamte Kondensatorbereich
freigelegt (1a), während beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
ein mittlerer Bereich mit Fotolack 22 bedeckt bleibt (1b).
Dementsprechend werden beim anschließenden Ätzen der Emitterschicht 20 und
der Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge 18 beim
bekannten Herstellungsverfahren sowohl die Emitterschicht 20 als
auch die Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge 18 im gesamten Kondensatorbereich
weggeätzt (2a),
während
beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
die entsprechenden Schichten in dem zuvor mit Fotolack 22 abgedeckten,
mittleren Bereich bestehen bleiben. Somit ergibt sich nach dem Entfernen des
Fotolacks 22 die in 2b gezeigte
Struktur mit einer erhabenen Emitterschicht 20, die später den
unteren Belag 46 des erfindungsgemäß hergestellten Kondensators
bildet (siehe 12b). Durch die „Anhebung" des unteren Belags 46 nimmt
dieser Kondensator später
eine topographisch höhere
Position ein als der bekannte Kondensator.
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Wie
in den 3a und 3b gezeigt,
erfolgt eine Strukturierung der Polysilizidschicht 16 bzw.
der Polysilizidschicht 16 und der darüber liegenden Schichten durch
Maskierung und anschließendes Ätzen. Beim bekannten
Her stellungsverfahren wird durch diesen Arbeitsschritt der untere
Belag 46 des Kondensators definiert (3a, 12a), während
beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
eine Stufenstruktur gebildet wird, bei der die untere Polysilizidschicht 16 seitlich über die
obere Emitterschicht 20 hinausragt (3b).
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Nach
dem Entfernen des Fotolacks 23 erfolgen bei beiden Herstellungsverfahren
eine Nitridabscheidung, ein Ätzvorgang
zur „Abstandshafter"-Bildung an bestimmten
Stellen und eine Titanabscheidung. Daraufhin wird an den Silizium/Titan-Grenzflächen eine
Titansilizidbildung angeregt. Anschließend wird das verbleibende
Titan entfernt und das gebildete Titansilizid 24 einem
Annealprozeß unterzogen,
so daß sich
die in den 4a bzw. 4b gezeigten
Strukturen ergeben. Auf diese Strukturen wird zunächst eine
Schicht eines ersten Dielektrikums 26, vorzugsweise ein
Oxid oder Nitrid, und anschließend
eine Titannitridschicht 28 abgeschieden. Danach erfolgt
eine Maskierung (5a bzw. 5b), um
durch einen Titannitridätzschritt
und anschließendes
Entfernen des Fotolacks 30 die in den 6a bzw. 6b gezeigten
Strukturen mit einem Titannitridbelag zu erhalten, der später den
mittleren Belag 48 des erfindungsgemäß hergestellten Kondensators bildet
(siehe 12b). Anstelle von Titannitrid
kann auch ein anderes geeignetes Material, z. B. Titanwolfram für den mittleren
Belag 48 verwendet werden.
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Nächster Schritt
bei beiden Herstellungsverfahren ist die Abscheidung eines Pre-Metal-Dielektrikums (PMD) 32,
das anschließend
durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) planarisiert wird. Beim
bekannten Herstellungsverfahren wird eine Dicke der PMD-Schicht 32 von
1 μm über der
shallow trench isolation 12 und von 0,4 μm über der Titannitridschicht 28 angestrebt
(7a). Beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren beträgt die Dicke
des Pre-Metal-Dielektrikums 32 über der
shallow trench isolation 12 0,8 bis 0,9 μm. Die Titannitridschicht 28 ist,
aufgrund ihrer erhöhten
Lagen, nach dem chemisch-mechanischen
Polieren freigelegt. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sieht
nun eine Abscheidung eines zweiten Dielektrikums 34, vorzugsweise
ein Oxid oder Nitrid, vor, auf das gemäß einer ersten Variante des
Herstellungsverfahrens wiederum eine Titannitridschicht abgeschieden
wird (7b). Die Titannitridschicht
dient später
als CMP-Stopschicht 36, d.h. als Stopschicht für das chemisch-mechanische
Polieren in einem späteren
Prozeßschritt.
Bei einer zweiten, nicht gezeigten Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
wird auf die CMP-Stopschicht 36 verzichtet.
(Die Abscheidung des zweiten Dielektrikums 34 und der CMP-Stopschicht 36 gemäß der ersten
Herstellungsvariante sind beim bekannten Herstellungsverfahren nicht
vorgesehen.)
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Bei
beiden Herstellungsverfahren erfolgt nun ein selektives PMD-Ätzen, um
an vorbestimmten Stellen Freiräume 38 für Kontakte
zu schaffen (8a und 9a bzw. 8b und 9b),
wobei bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
zuvor die CMP-Stopschicht 36 an den entsprechenden Stellen
weggeätzt
wird. Nach der Abscheidung einer Metallbarrierenschicht 40 werden
die Freiräume 38 mit
Wolfram zur Bildung von Kontakten 42 aufgefüllt. Beim
anschließenden
chemisch-mechanischen Polieren zur Entfernung der Überstände wird
die Wolframfüllung
beim bekannten Herstellungsverfahren wie auch beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
gemäß der zweiten
Variante bis auf Höhe
der Barrierenschicht 40 (10a),
beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
gemäß der ersten
Variante bis auf Höhe
der CMP-Stopschicht 36 abgetragen
(10b). Gemäß der ersten
Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
schützt
die CMP-Stopschicht 36 das zweite Dielektrikum 34 vor
Beschädigungen.
Bei der zweiten erfindungsgemäßen Herstellungsvariante,
bei der keine CMP-Stopschicht vorgesehen ist, muß entweder die Barrierenschicht 40 dick
genug sein, um eine Beschädigung
des zweiten Dielektrikums 34 durch das chemisch-mechanische
Polieren auszuschließen,
oder die Wolframüberstände werden
nicht durch chemisch-mechanisches Polieren, sondern durch Zurückätzen (W-etchback)
entfernt.
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Es
folgt nun sowohl beim bekannten als auch beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
eine Abscheidung einer Metallschicht 44, z. B. Titannitrid
oder Titanwolfram, die auf bekannte Weise zusammen mit der Barrierenschicht 40 (und
gemäß der ersten
Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
auch einschließlich
der CMP-Stopschicht 36) und dem zweiten Dielektrikum 34,
wie in den 11a und 12a bzw. 11b und 12b dargestellt,
strukturiert wird. Nach diesen Prozeßschritten ist das Herstellungsverfahren
des bekannten bzw. des erfindungsgemäßen Kondensators abgeschlossen.
Der erfindungsgemäße Kondensator
hat somit einen unteren Kondensatorbelag 46, einen mittleren
Kondensatorbelag 48 und einen oberen Kondensatorbelag 50 mit
einem ersten Dielektrikum 26 zwischen dem unteren und dem
mittleren Belag 46 bzw. 48 und einem zweiten Dielektrikum 34 zwischen
dem mittleren und dem oberen Belag 48 bzw. 50.
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Im
Vergleich zum bekannten Herstellungsverfahren ist die Abscheidung
des zweiten Dielektrikums 34 der einzige zusätzliche
Arbeitsschritt, der für
die erfindungsgemäße Herstellung
des Kondensators zwingend erforderlich ist. Wie bereits erwähnt kann
auf die Abscheidung der als CMP-Stopschicht 36 dienenden
Titannitridschicht (7b) verzichtet werden, wenn
anstelle des chemisch-mechanischen
Polierens der Wolframfüllung
ein Zurückätzen der
Wolframüberstände durchgeführt wird
oder wenn die später
gebildete Metallbarrierenschicht 40 dick genug ist, um
ein Stoppen des chemisch-mechanischen Polierens vor Erreichen des
zweiten Dielektrikums 34 zu gewährleisten. Der Aufbau des erfindungsgemäß hergestellten
Kondensators ergibt sich ansonsten alleine aus der unterschiedlichen
Strukturierung der einzelnen Schichten.
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Die 13a, 13b, 13c und 14a, 14b, 14c zeigen
zwei mögliche
Designvarianten des erfindungsgemäß hergestellten Kondensators.
Bei der ersten Designvariante ist der mittlere Belag 48 mit
einem Kontakt 52 verbunden (siehe 13c),
der mit der Metallschicht 44 in Verbindung steht. Bei der zweiten
Designvariante ist der mittlere Belag 48 mit einem Kontakt 54 (Via)
verbunden, der sich durch ein Zwischenlagedielektrikum 56 erstreckt
und in Verbindung mit einer Metallschicht 58 eines anderen
Bauelements auf einer höheren
Ebene steht.
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Abhängig von
den verwendeten Dielektrikumsmaterialien und der Verschaltung der
Kondensatorbeläge 46, 48, 50 ergeben
sich unterschiedliche Eigenschaf ten des erfindungsgemäß hergestellten
Kondensators, die in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt sind.
Innerhalb jeder Zeile der Tabelle bedeuten gleiche Vorzeichen (+
oder -), daß die
entsprechenden Kondensatorbeläge 46, 48, 50 auf
das gleiche Potential gesetzt, das heißt „kurzgeschlossen" sind.
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