專利名稱：模塊化的三維電容器陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件和電路的領域，并且具體涉及高密度、三維微電子電容器陣列及其制造方法和操作方法。
背景技術：
電容器已被廣泛應用于集成半導體電路中。例如，使用高密度電容器以解耦信號及電力線并且使其穩(wěn)定。隨著集成電路部件的數(shù)目逐代持續(xù)增加，可以 用于建立無源器件(諸如電容器)的芯片區(qū)域減少。在沒有提供足夠電容的解耦電容器的情況下，耦合噪聲可以危害高速電路中的信號完整性。此外，包括例如PLL(鎖相環(huán))電路、電荷泵電路、模擬電路及ESD(靜電放電)保護電路在內的許多電路應用需要大型電容器。為了增加電容器的電容而不相應地增加電容器所用的電路區(qū)域，一些高級半導體芯片將薄節(jié)點電介質材料運用于電容器。而隨著節(jié)點電介質的厚度減低，穿過電容器的泄漏電流增加。對于高密度電容器而言，泄漏電流的增加變?yōu)閲乐貑栴}，這是因為當處于非期望位置時漏電電容器在電上等效于電阻器，其將減少電路的供電電壓并且增加電力消耗。此外，已知漏電電容器會對許多電路產生問題。例如，漏電電容器是在PLL電路中的抖動噪聲的主要原因。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，模塊化的電容器陣列包括多個電容器模塊。每個電容器模塊包括電容器及開關器件，該開關器件配置成電斷開電容器。開關器件包括配置成檢測電容器的漏電水平的感測單元，從而使得如果泄漏電流超過預定水平，則開關器件電斷開電容器。每個電容器模塊可以包括單個電容器平板、兩個電容器平板，或多于兩個的電容器平板。使用漏電傳感器及開關器件電斷開電容器陣列中任何已變?yōu)槁╇姷碾娙萜髂K，從而保護電容器陣列以避免過度漏電之害。盡管在本領域中在半導體芯片的初始測試時和操作期間都斷開過度漏電的電容器模塊而產生局部缺陷，但是電容器陣列模塊化的構造確保電容器陣列的高產率。因此，電容器模塊的電隔離的粒度(granularity)取決于每個電容器模塊的預期產率。如果每個電容器模塊的產率相對較低，則電容器模塊的電隔離粒度較高，并且反之亦然。因為電容器模塊的電隔離的高粒度需要大量半導體器件以實施感測單元和開關器件，所以可以通過考慮每個電容器模塊的預期產率以及感測單元及開關器件需要的區(qū)域來優(yōu)化電容器模塊的電隔離粒度的程度。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種包括電容器模塊陣列的半導體結構。每個電容器模塊包括電容器及開關器件。電容器包括第一電極、第二電極以及位于第一電極與第二電極之間的電介質材料。開關器件配置成將電容器與電源節(jié)點電斷開。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包括垂直堆疊的電容器模塊陣列的半導體結構。每個垂直堆疊的電容器模塊包括至少兩個電容器及至少一個開關器件。該至少兩個電容器包括至少三個導電平板，該至少三個導電平板彼此垂直地位于彼此之上或之下，并且通過至少一個節(jié)點電介質彼此分離。該至少一個開關器件配置成將該至少兩個電容器與電源節(jié)點電斷開。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種操作半導體結構的方法。該方法包括以下步驟提供包括電容器模塊陣列的半導體結構，其中每個電容器模塊包括電容器及連接到電源節(jié)點的開關器件；以及使在電容器模塊陣列中的電容器模塊內的開關器件之一的第一部件導通。穿過電容器模塊內的電容器的泄漏電流觸發(fā)電容器模塊內的第二部件的截止，從而將電容器模塊內的電容器與電源節(jié)點電隔離。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種制造半導體結構的方法。該方法包括以下步驟在半導體襯底上形成至少一個開關器件；形成與該至少一個開關器件的一個節(jié)點接觸的至少一個電容器側過孔結構；以及在半導體襯底上形成至少三個導電平板及至少一個節(jié)點電介質。該至少三個導電平板垂直地位于彼此之上或之下并且通過該至少一個節(jié)點電介質彼此分離，并且該至少三個導電平板之一的側向突出部分與該至少一個電容器側過孔結構接 觸。


圖I為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的包括垂直堆疊的電容器模塊的第一陣列的第一示例性結構的示意圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的包括垂直堆疊的電容器模塊的第二陣列的第二示例性結構的示意圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的包括垂直堆疊的電容器模塊的第三陣列的第三示例性結構的示意圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的示例性電路的示意圖。圖5A至圖5K為根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的在處理步驟期間的第四示例性結構的順序的垂直橫截面圖。圖6A為根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的第五示例性結構的垂直橫截面圖。圖6B為根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的第五示例性結構的俯視圖。為清楚起見，已將圖5B中的第二電源側平板移除。圖6C為根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的第五示例性結構的選定元件的鳥瞰圖。圖7為根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的第六示例性結構的垂直橫截面圖。
具體實施例方式如上所述，本發(fā)明涉及半導體器件和電路，并且具體地涉及高密度、三維微電子電容器陣列及其制造方法和操作方法，現(xiàn)將結合隨附附圖詳細描述上述內容。在整個附圖中，相同參考標號或字母用于表示相同或等同元件。附圖不需要按比例繪制。如本文所使用的那樣，“垂直堆疊”元件意指如下元件其中所述元件中的每個元件位于所述元件中的所有其它元件之上或之下。參見圖1，第一示例性結構的示意示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的垂直堆疊的電容器模塊100的第一陣列。每個垂直堆疊的電容器模塊100包括通過開關器件140電連接到第一電源節(jié)點的電容器組件6。將第一電源節(jié)點標記為“全局Vdd”。電容器組件6包括多個沿垂直方向(即，沿垂直于襯底的方向，垂直堆疊的電容器模塊100的陣列形成于襯底上)堆疊的電容器。垂直堆疊的電容器模塊100的第一陣列至少沿一個方向重復。例如，垂直堆疊的電容器模塊100的第一陣列可以沿著X軸方向、I軸方向或在包括X軸及y軸的二維平面上重復。在每個垂直堆疊的電容器模塊100內，垂直地堆疊開關器件140及電容器組件6，即，它們位于彼此之上或之下。通常，開關器件140包括位于半導體襯底的頂表面上的半導體器件，并且電容器組件6位于每個垂直堆疊的電容器模塊100中的開關器件140之上。每個垂直堆疊的電容器模塊100的側向延伸僅限于沿著水平方向，即，沿著X軸方向及y軸方向。以并列連接的方式將每個垂直堆疊的電容器模塊100在第一電源節(jié)點與第二電 源節(jié)點之間電連接，第二電源節(jié)點被標記為“全局Vss”?？梢酝ㄟ^垂直堆疊的電容器模塊100中的開關器件140禁用在每個垂直堆疊的電容器模塊100中的第一電源節(jié)點的電連接。開關器件140可以配置成當垂直堆疊的電容器模塊100中的多個電容器6內的泄漏電流觸發(fā)開關器件140中的電路元件的截止時，自動斷開該垂直堆疊的電容器模塊100內的多個電容器6。電容器組件6中的每個電容器包括第一電極110、第二電極120及位于其間的節(jié)點電介質。通過利用電斷開具有足夠高的泄漏電流以觸發(fā)開關器件140中的電路元件的截止的垂直堆疊的電容器模塊100的能力，可以將電連接部分(即，垂直堆疊的電容器模塊100的陣列的有效功能部分)內的泄漏電流的水平限制在預定水平之下?？梢詫⒋怪倍询B的電容器模塊100的陣列制造成嵌入有解耦電容器的半導體芯片。在計算系統(tǒng)中的半導體芯片的制造之后和使用之前的測試期間，或者備選地在操作期間，可以實現(xiàn)具有高泄漏電流的垂直堆疊的電容器模塊100的電斷開。可以通過使用垂直地位于彼此之上或之下的至少三個導電平板來實施電容器組件6。該至少三個導電平板中的每一個由至少一個節(jié)點電介質彼此分離。垂直堆疊的電容器模塊100中的開關器件140配置成將該至少兩個電容器與第一電源節(jié)點電斷開。將開關器件140的一端連接至第一電源節(jié)點，而另一端連接至該至少三個導電平板之一。開關器件140可以包括場效應晶體管和配置成檢測穿過垂直堆疊的電容器模塊100內的電容器組件6的泄漏電流的傳感器單元。垂直堆疊的電容器模塊100的陣列可以為垂直堆疊的電容器模塊100的nXp陣列。盡管圖I圖示了 5X5陣列的垂直堆疊的電容器模塊的陣列，在η和P中的至少一個大于I以形成“陣列”的情形下，η及P中的每個可以為I至10，000，000中的任何整數(shù)。垂直堆疊的電容器模塊100的陣列包括多個導電層，該導電層被圖案化以在每個電容器組件6中形成導電平板。將垂直堆疊的電容器模塊100內的每個導電平板與其它垂直堆疊的電容器模塊100中的其它導電平板電隔離，以確保開關器件140可以電斷開垂直堆疊的電容器模塊100。將物理上實施為功率平面的第一電源節(jié)點連接到開關器件140，但并不直接連接到電容器組件6。在將有缺陷的電容器組件6與電源系統(tǒng)切斷，S卩，通過開關器件140與第一電源節(jié)點電斷開時，將開關器件140放置在第一電源節(jié)點和電容器組件6之間使寄生電分量最小化。第一電源節(jié)點可以是供應非零電壓電位的節(jié)點，并且第二電源節(jié)點可以為電接地。備選地，在來自第一電源節(jié)點的非零電壓電位與來自第二電源節(jié)點的非零電壓電位不同的情形下，第一電源節(jié)點與第二電源節(jié)點均可以供應非零電壓電位。參見圖2，第二示例性結構的示意示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的垂直堆疊的電容器模塊100的第二陣列。通過修改第一示例性結構中的每個垂直堆疊的電容器模塊100的內容，可以從第一示例性結構衍生第二示例性結構。具體而言，第二示例性結構中的每個垂直堆疊的電容器模塊100包括至少一個第一類型電容器模塊4和至少一個第二類型電容器模塊8。至少一個第一類型電容器模塊4中的每一個包括開關器件140和電容器。至少一個第二類型電容器模塊8中的每一個包括開關器件140和多個電容器。第一類型電容器模塊4和第二類型電容器模塊8之間的不同之處在于其中包括的電容器數(shù)目，即，存在單個電容器還是存在多個電容器。
將至少一個第一類型電容器模塊4及至少一個第二類型電容器模塊8中的每一個通過開關器件140電連接到第一電源節(jié)點，該第一電源節(jié)點被標記為“全局Vdd”。如在第一實施例中的那樣，第二類型電容器模塊8包括沿垂直方向堆疊的多個電容器。如在第一實施例中的那樣，垂直堆疊的電容器模塊100的第一陣列至少沿一個方向重復。如在第一實施例中的那樣，將各個垂直堆疊的電容器模塊100在第一電源節(jié)點與第二電源節(jié)點之間以并聯(lián)連接的方式電連接，該第二電源節(jié)點被標記為“全局Vss”。開關器件140被配置成當垂直堆疊的電容器模塊100中的第一類型電容器模塊4或第二類型電容器模塊8中的泄漏電流觸發(fā)垂直堆疊的電容器模塊100中的開關器件140中的電路元件的截止時，自動地斷開第一類型電容器模塊4中的電容器或第二類型電容器模塊中的電容器。第一類型電容器模塊4和第二類型電容器模塊8中的每個電容器包括第一電極110、第二電極120及位于其間的節(jié)點電介質。第二示例性結構可以以增強的粒度提供與第一示例性結構相同的功能性，即，由每個開關器件140控制的電容器的數(shù)目少于第一示例性結構中的對應數(shù)目。可以通過使用垂直地位于彼此之上或之下的至少三個導電平板來實施在每個垂直堆疊的電容器模塊100中的至少一個第一類型電容器模塊4和至少一個第二類型電容器模塊8。至少三個導電平板中的每一個通過至少一個節(jié)點電介質彼此分離。每個開關器件140配置成將至少一個電容器與第一電源節(jié)點電斷開。將每個開關器件140的一端連接至第一電源節(jié)點而將另一端連接至該至少三個導電平板之一。每個開關器件140可以包括場效應晶體管和配置成檢測穿過垂直堆疊的電容器模塊100內的第一類型電容器模塊4或第二類型電容器模塊8的泄漏電流的傳感器單元。如在第一實施例中的那樣，垂直堆疊的電容器模塊100的陣列可以是垂直堆疊的電容器模塊100的nXp陣列。將物理上實施為功率平面的第一電源節(jié)點連接到開關器件140，但并不將其直接連接到第一類型電容器模塊4或第二類型電容器模塊8。當將有缺陷的第一類型電容器模塊4或有缺陷的第二類型電容器模塊8與電源系統(tǒng)切斷時，將開關器件140放置于第一電源節(jié)點與第一類型電容器模塊4或第二類型電容器模塊8之一之間使寄生電分量最小化。如在第一實施例中的那樣，第一電源節(jié)點可以是供應非零電壓電位的節(jié)點，而第二電源節(jié)點可以是電接地或可以為供應非零電壓電位的節(jié)點。
參見圖2，第三示例性結構的示意示了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的垂直堆疊的電容器模塊100的第三陣列。通過修改第一示例性結構或第二示例性結構中的每個垂直堆疊的電容器模塊100的內容，可以從第一示例性結構或第二示例性結構衍生第三示例性結構。具體而言，第三示例性結構中的每個垂直堆疊的電容器模塊100包括多個第一類型電容器模塊4。多個第一類型電容器模塊4中的每一個包括開關器件及電容器。因此，垂直堆疊的電容器模塊100中的每個電容器可以通過開關器件140與第一電源節(jié)點斷開。由于每個電容器可以單獨地與電源系統(tǒng)斷開，所以第三示例性結構以具有增強的粒度提供與第一示例性結構和第二示例性結構相同的功能性?？梢允褂迷诘谝粚嵤├偷诙嵤├忻枋龅姆椒▉碇圃旒安僮鞯谌纠越Y構。參見圖4，根據(jù)本發(fā)明第四實施例圖示了可以用于垂直堆疊的電容器模塊100中的開關器件140的不例性電路的不意圖。開關器件140包括標記為P2的場效應晶體管和被配置成檢測穿過電容器C的泄 漏電流的傳感器單元142。第一類型電容器模塊可以包括開關器件140和電容器。第二類型電容器模塊可以包括開關器件140和電容器C以及與電容器C并聯(lián)連接的附加電容器。第一實施例的垂直堆疊的電容器模塊100可以包括開關器件140及代替電容器C的多個并聯(lián)連接的電容器。傳感器單元142包括標記為“P1”的晶體管。標記為“P1”的晶體管可以為第一 P型場效應晶體管，而標記為“P2”的場效應晶體管可以為第二 P型場效應晶體管。第一 P型場效應晶體管和第二 P型場效應晶體管在第一電源節(jié)點與電容器C的第一節(jié)點之間以并聯(lián)連接的方式連接，該第一電源節(jié)點在本文中稱為“節(jié)點A”，電容器C的第一節(jié)點在本文中稱為“節(jié)點B”。傳感器單元142配置成向標記為“P2”的晶體管的柵極提供電壓。根據(jù)穿過電容器C的泄漏電流的量來確定提供到標記為“P2”的晶體管的柵極的電壓。第二 P型場效應晶體管的漏極直接連接到電源節(jié)點，而第二 P型場效應晶體管的源極直接連接到電容器的節(jié)點。第二 P型場效應晶體管具有較低的跨導，并且因此具有比第一 P型場效應晶體管大的電流容量。傳感器單元142包括位于電容器C的第二節(jié)點與第二 P型場效應晶體管的柵極之間串聯(lián)連接的偶數(shù)個反相器，電容器C的第二節(jié)點在本文中稱為“節(jié)點G”。例如，串聯(lián)連接的偶數(shù)個反相器可以為標記為“INV1”的第一反相器及標記為“INV2”的第二反相器的串聯(lián)連接。此外，該反相器中的一個或多個可以與至少另一反相器(諸如，標記為“INV0”的反相器)組合以形成鎖存器。傳感器單元142可以包括脈沖產生器133，該脈沖產生器配置成提供有限持續(xù)時間的信號脈沖給第一 P型場效應晶體管的柵極。該脈沖的持續(xù)時間可以從I皮秒至10秒，并且通常從I納秒至I毫秒，但是還可以使用更短或更長的持續(xù)時間。該信號脈沖在信號脈沖的持續(xù)時間期間使第一 P型場效應晶體管導通，并且向節(jié)點B施加實質上與節(jié)點A處(即，第一電源節(jié)點處)的電壓電位相同的電壓電位?？蛇x地，傳感器單元142可以包括電阻器R。，電阻器R。位于電容器C附近并且配置成在信號脈沖的持續(xù)時間期間提升電容器C的溫度。該功能性可以通過在第一電源節(jié)點(即，節(jié)點A)與標記為Vss的第二電源節(jié)點之間以串聯(lián)連接的方式將電阻器R。連接至標記為“NI”的可選晶體管來實現(xiàn)，該可選晶體管可以為η型場效應晶體管。隨著電容器C處因電阻器R。提供加熱所致的溫度的升高，泄漏電流增加。Vss可以是電接地，或者可以處于與第一電源節(jié)點處的電壓電位不同的非零電壓電位。將晶體管“NI”的柵極連接至脈沖產生器133。在信號脈沖的持續(xù)時間期間，晶體管“NI”導通。電阻器R。是位于電容器C (或連接到開關器件140的電容器)相鄰處的加熱器，從而增強電容器C的漏電率并且在對電源系統(tǒng)的不利影響以顯著方式顯現(xiàn)之前可以加速斷開電容器C。使用第一 P型場效應晶體管和第二 P型場效應晶體管(與“P1”和“P2”對應)以分別支持在電容器C和第一電源節(jié)點之間的暫時性斷開和永久性斷開。使用第一 P型場效應晶體管“P1”以感測穿過電容器C的泄漏電流。在信號脈沖“P”的持續(xù)時間期間，經(jīng)由標記為“INV3”的反相器使第一 P型場效應晶體管“P1”導通。在信號脈沖的持續(xù)時間期間，經(jīng)由第一 P型場效應晶體管“P1”將電容器C連接至標記為“Vdd”的第一電源節(jié)點。如果電容器C不漏電，則節(jié)點G處的電壓電位實質上與第二電源節(jié)點Vss提供的 電壓相同。經(jīng)由兩個反相器INVI及INV2形成反饋控制信號，從而使具有比第一 P型場效應晶體管“P1”大的電流容量的第二 P型場效應晶體管“P2”導通。即使在使脈沖截止之后，第二 P型場效應晶體管“P2”仍穩(wěn)定地導通。如果電容器C漏電，則節(jié)點G處的電壓電位從由第二電源節(jié)點“Vss”供應的電壓電位向由第一電源節(jié)點“Vdd”提供的電壓電位漂移。這是由于電容器C具有電阻器的性質，其與寄生布線電阻器“R”在節(jié)點B和第二電源節(jié)點“Vss”之間以串聯(lián)連接的方式堆疊。因此，以偏離第二電源節(jié)點“Vss”處的電壓電位形式在節(jié)點G處產生異常。在節(jié)點G處的該異常觸發(fā)標記為“ INV2”的反相器的狀態(tài)的切換，從而使第二 P型場效應晶體管“P2”截止。因為標記為“INV0”的反相器與標記為“INV2”的反相器形成鎖存器，所以來自標記為“ INV1”的反相器的輸出保持為高，并且使第二 P型場效應晶體管“P2”截止，從而將電容器C與第一電源節(jié)點“Vdd”電斷開。在信號脈沖“P”的持續(xù)時間之后，還使第一 P型場效應晶體管“P1”截止。此時，電容器C與第一電源節(jié)點“Vdd”完全地電斷開?？梢詫⒈景l(fā)明第四實施例的電路在根據(jù)第一實施例、第二實施例和第三實施例中的任何實施例的半導體結構中實現(xiàn)。半導體結構包括電容器模塊的陣列，其中每個電容器模塊包括電容器及連接到第一電源節(jié)點“Vdd”的開關器件140?？梢詫㈤_關器件140的第一部件(諸如，第一 P型場效應晶體管“P1”)在電容器模塊陣列中的電容器模塊內截止。穿過電容器模塊內的電容器C的泄漏電流觸發(fā)電容器模塊內的第二部件(諸如，第二 P型場效應晶體管“P2”)的截止。因為電容器C中的泄漏電流導致第二部件截止，所以可以將電容器模塊內的電容器C與第一電源節(jié)點“Vdd”電隔離。參見圖5A至圖5K，圖示了在根據(jù)本發(fā)明第五實施例的處理步驟期間的第四示例性結構的順序的垂直橫截面圖。第四示例性結構包括可以作為電容器組件6以并入圖I的第一示例性結構中的電容器組件。在將第四示例性結構并入第一示例性結構中的情況中，在形成第四示例性結構之前，在半導體襯底(未示出)的頂表面上制造圖I中的開關器件140。在用作開關器件140的半導體器件之上形成電介質層(未圖示)以提供電隔離之后，隨后在該開關器件之上形成電容器組件。參見圖5A，在兩條垂直虛線之間的區(qū)域內形成垂直堆疊的電容器模塊100。垂直堆疊的電容器模塊100可以沿一個方向作為一維陣列、或沿兩個方向作為二維陣列重復。如圖所示，該兩條垂直虛線表示垂直堆疊的電容器模塊100與垂直堆疊的電容器模塊100周圍的其它垂直堆疊的電容器模塊之間的邊界。在第一金屬化步驟中，例如通過圖案化第一導電層來形成第一導電平板10。第一導電平板10為諸如&1、胃、了&、11、1隊了&隊11隊411、48、511或上述元素的組合的金屬。第一導電平板10的側向延伸限于垂直堆疊的電容器模塊100的周邊內，從而使得垂直堆疊的電容器模塊I00中的第一導電平板I0與相鄰垂直堆疊的電容器模塊(未示出)中的其它第一導電平板(未不出)電隔離?？梢孕纬傻谝晃g刻終止層12以促進隨后落于第一導電平板10上的接觸的形成。第一蝕刻終止層12可以是電介質材料，諸如氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、BLoKTM、NBLoKTM或可以用于妨礙導電材料的蝕刻工藝的任何其它電介質材料。例如，第一蝕刻終止層12的材料可以是CVD氮化物、Al2O3或耐Cl2等離子體的任何其它材料，Cl2等離子體通常用于各向異性蝕刻工藝。 沉積第一節(jié)點電介質15,并且在第一節(jié)點電介質15上沉積第二導電層20L。第一節(jié)點電介質15是諸如氮化娃或高介電常數(shù)(高k)電介質材料之類的電介質材料。高k電介質材料可以是具有大于8. O的介電常數(shù)的電介質金屬氧化物材料。通常，高k電介質材料包括金屬和氧，并且可選地包括氮和/或娃。示例性高k電介質材料包括HfO2、ZrO2、La2O3、Al2O3' Ti02、SrTiO3> LaAlO3' Y203、HfOxNy' ZrOxNy, La2OxNy' Al2OxNy、TiOxNy' SrTiOxNy, LaAlOxNy'Y2OxNy、上述化合物的硅酸鹽及上述化合物的合金。X和y的值可以分別為I到3?？梢酝ㄟ^本領域所熟知的方法形成高k電介質材料，該方法包括(例如)化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、分子束沉積(MBD)、脈沖激光沉積(PLD)、液態(tài)源霧化化學沉積(LSMCD)等。第一節(jié)點電介質的厚度可以為從Inm至500nm,并且通常為從50nm至200nm,但是還可以使用更小和更大的厚度。在第一節(jié)點電介質15上形成第二導電層20L。第二導電層20L可以是可以用于第一導電平板10的任何材料?？梢孕纬傻诙g刻終止層22以促進隨后落于第二導電層20L的剩余部分上的接觸的形成。第二蝕刻終止層22可以是可以用于第一蝕刻終止層12的任何材料。將第一光致抗蝕劑27涂覆于第二導電層20L之上并且對其進行光刻圖案化以在位于第一蝕刻終止層12的一部分之上的區(qū)域中形成第一開口。參見圖5B，使用第一光致抗蝕劑27作為蝕刻掩模來圖案化第二導電層20L，從而形成第二導電平板20。第二導電平板20可以為單個連續(xù)件，該單個連續(xù)件包括與第一光致抗蝕劑27的開口區(qū)域相對應的區(qū)域中的孔。沿著垂直堆疊的電容器模塊100的周邊移除第二導電層20L的材料，從而使得垂直堆疊的電容器模塊100中的第二導電平板20與相鄰垂直堆疊的電容器模塊(未示出)中的其它第二導電平板(未圖示)電隔離。隨后例如通過灰化移除第一光致抗蝕劑27。參見圖5C，在第二導電平板20上形成第二節(jié)點電介質25。第二節(jié)點電介質25可以是可以用于第一節(jié)點電介質15的任何材料?？梢允褂门c形成第一節(jié)點電介質15相同的方法形成第二節(jié)點電介質25。第二節(jié)點電介質25的厚度可以在第一節(jié)點電介質15的厚度范圍內。參見圖在第二節(jié)點電介質25上形成第三導電層30L。第三導電層30L可以是可以用于第一導電平板10的任何材料。參見圖5E，將第二光致抗蝕劑37涂覆于第三導電層30L之上，并且將第二光致抗蝕劑37光刻圖案化以在位于第二蝕刻終止層22的一部分之上的區(qū)域中形成第二開口。使用第二光致抗蝕劑37作為蝕刻掩模來圖案化第三導電層30L，從而形成第三導電平板30。第三導電平板30可以為單個連續(xù)件，該單個連續(xù)件包括與第二光致抗蝕劑37的開口區(qū)域相對應的區(qū)域中的孔。沿著垂直堆疊的電容器模塊100的周邊移除第三導電層30L的材料，從而使得垂直堆疊的電容器模塊100中的第三導電平板30與相鄰垂直堆疊的電容器模塊(未示出)中的其它第三導電平板(未圖示)電隔離。隨后例如通過灰化移除第二光致抗蝕劑37。參見圖5F，在第三導電平板30上形成第三節(jié)點電介質35。第三節(jié)點電介質35可以是可以用于第一節(jié)點電介質15的任何材料?？梢允褂门c形成第一節(jié)點電介質15相同的方法形成第三節(jié)點電介質35。第三節(jié)點電介質35的厚度可以在第一節(jié)點電介質15的厚度范圍內。參見圖5G，可以重復應用用以形成第二導電平板和第三導電平板(20、30)以及第 二節(jié)點電介質和第三節(jié)點電介質(25、35)的方法，以順序地形成附加的導電平板及附加的節(jié)點電介質。例如，附加的導電平板及附加的節(jié)點電介質可以包括第四導電平板40、第四節(jié)點電介質45、第五導電平板50、第五節(jié)點電介質55、第六導電平板60、第六節(jié)點電介質65、第七導電平板和第七節(jié)點電介質。節(jié)點電介質附近的成對的相鄰導電平板組成電容器。例如，第一導電平板10、第一節(jié)點電介質15和第二導電平板20組成第一電容器Cl。第二導電平板20、第二節(jié)點電介質25和第三導電平板30組成第二電容器C2。第三導電平板30、第三節(jié)點電介質35和第四導電平板40組成第三電容器C3。第四導電平板40、第四節(jié)點電介質45和第五導電平板50組成第四電容器C4。第五導電平板50、第五節(jié)點電介質55和第六導電平板60組成第五電容器C5。第六導電平板60、第六節(jié)點電介質65和第七導電平板70組成第六電容器C6。在相鄰垂直堆疊的電容器模塊(未示出)的每個中形成類似的電容器。一般而言，在每個垂直堆疊的電容器模塊100中，至少三個導電平板及至少一個節(jié)點電介質組成至少兩個電容器。至少三個導電平板中的一個是至少兩個電容器的共同節(jié)點。至少三個導電平板垂直地位于彼此之上或之下。至少三個導電平板通過至少一個節(jié)點電介質彼此分離。通常，每個垂直堆疊的電容器模塊100包括至少第一節(jié)點電介質15和第二節(jié)點電介質25。第一節(jié)點電介質15與至少三個導電平板中的第一導電平板10的上表面以及至少三個導電平板中的第二導電平板20的下表面接觸。第二節(jié)點電介質25與至少三個導電平板中的第二導電平板20的上表面以及至少三個導電平板中的第三導電平板30的下表面接觸。參見圖5H，可以在電容器(C1-C6)的堆疊上形成鈍化層80。鈍化層80包括提供對電容器(C1-C6)的堆疊的鈍化的電介質材料。例如，鈍化層80可以為氮化娃層。鈍化層80的厚度可以為從3nm至500nm，但是還可以使用更小或更大的厚度。將第三光致抗蝕劑87涂覆于鈍化層80的頂表面之上并且將其光刻圖案化以在鈍化層中形成兩個開口。參見圖51，將第三光致抗蝕劑87的圖案通過鈍化層80、各種導電平板和各種節(jié)點電介質向下轉移至第一蝕刻終止層12的上表面或第二蝕刻終止層22的上表面?？梢酝ㄟ^選擇蝕刻工藝(通常為各向異性反應離子蝕刻，該各向異性反應離子蝕刻對第一蝕刻終止層和第二蝕刻終止層(12、22)的材料具有選擇性)來實現(xiàn)在第一蝕刻終止層和第二蝕刻終止層(12、22)的上表面上終止蝕刻工藝。參見圖5J，使用不同的蝕刻化學劑來執(zhí)行另一蝕刻，以蝕刻穿過第一蝕刻終止層和第二蝕刻終止層(12、22)，并且暴露第一導電平板和第二導電平板(10、20)的上表面。參見圖5K，利用導電材料填充垂直堆疊的電容器模塊100中的兩個空腔，并且隨后使用鈍化層80作為化學機械平坦化(CMP)或凹槽蝕刻的終止層將兩個空腔平坦化。填充兩個空腔的導電材料形成第一電源側過孔結構82和第二電源側過孔結構84。同時在相鄰垂直堆疊的電容器模塊(未示出)中形成附加的電源側過孔結構?？梢酝ㄟ^在鈍化層80之上沉積金屬材料并且對該金屬材料圖案化來形成第一電源側平板86和第二電源側平板88。第一電源側平板86可以執(zhí)行在圖I中標記為“全局Vdd”的第一電源節(jié)點的功能，而第二電源側平板88可以執(zhí)行在圖I中標記為“全局Vss”的第二電源節(jié)點的功能。 第五示例性結構的每單位區(qū)域的電容值可以大于現(xiàn)有技術結構所實現(xiàn)的相當電容值。例如，如果各種節(jié)點電介質使用的高k電介質材料具有IOOnm的厚度，并且如果垂直堆疊10個電容器，則第五示例性結構每單位區(qū)域的電容值可以約為O. 26nF/ym2。參見圖6A至圖6C，圖示了根據(jù)本發(fā)明第六實施例的第五示例性結構。圖6A為垂直橫截面圖；圖68為俯視圖，其中為清楚起見已移除第二電源側平板88 ;并且圖6C為第一導電平板10、第三導電平板30和第五導電平板50的鳥瞰圖。可以通過在與圖5A中的第一蝕刻終止層12相對應的區(qū)域中不圖案化任何結構來從第四示例性結構衍生第五示例性結構?？梢詫⒚扛粢粚拥膶щ娖桨鍒D案化以包括側向突出部分。例如，第一導電平板10包括第一側向突出部分11，第三導電平板30包括第二側向突出部分31，而第五導電平板50包括第三側向突出部分51。圖6C中的虛線表面表示與第一側向突出部分、第二側向突出部分和第三側向突出部分(11、31、51)的邊界相對應的垂直平面，該第一側向突出部分、第二側向突出部分和第三側向突出部分(11、31、51)分別與第一導電平板、第三導電平板和第五導電平板(10、30、50)的其余部分鄰接。參見圖7，圖示了根據(jù)本發(fā)明第七實施例的第六示例性結構。第六示例性結構可以包括第五示例性結構。可以使用該第六示例性結構來形成圖2的第二示例性結構和圖3的第三示例性結構中的垂直堆疊的電容器模塊100的元件。第六示例性結構包括多個開關器件140，開關器件140可以包括形成于半導體襯底150上的場效應晶體管?？梢匀绲诹鶎嵤├行纬傻谝粚щ娖桨濉⒌谌龑щ娖桨搴偷谖鍖щ娖桨?10、30、50 ;參見圖6A至圖6C) —樣地形成導電平板及節(jié)點電介質。第一導電平板、第三導電平板和第五導電平板(10、30、50)分別包括第一側向突出部分、第二側向突出部分和第三側向突出部分(11、31、51)。形成第一電容器側過孔結構91以與第一開關器件140A的一個節(jié)點接觸?？梢酝ㄟ^以下步驟形成第一電容器側過孔結構91 :在材料堆疊中形成第一過孔空腔，以使得在形成第一導電平板10之前，該第一過孔空腔延伸至第一開關器件140A的頂表面；并且隨后使用導電材料填充第一過孔空腔。通過直接在第一電容器側過孔結構91的頂表面上形成第一導電平板10的第一側向突出部分11，第一電容器側過孔結構91可以與第一側向突出部分11的底表面接觸。形成第二電容器側過孔結構93以與第二開關器件140B的一個節(jié)點接觸。形成第三電容器側過孔結構95以與第三開關器件140C的一個節(jié)點接觸?？梢允褂妙愃朴谛纬傻谝浑娙萜鱾冗^孔結構91的方法來形成第二電容器側過孔結構和第三電容器側過孔結構(93、95)。第二電容器側過孔結構93可以與第二側向突出部分31的底表面接觸。第三電容器側過孔結構95可以與第三側向突出部分51的底表面接觸?？梢愿鶕?jù)需要形成附加的電容器側過孔結構。第一電容器側過孔結構、第二電容器側過孔結構和第三電容器側過孔結構(91、93,95)對應于圖2和圖3中的開關器件140與第一電極110之間的電連接。第一導電平板、第三導電平板和第五導電平板(10、30、50)中的每一個對應于圖2和圖3中的第一電極110。用虛線標記從圖7中的垂直橫截面的平面?zhèn)认蚱频牡诙щ娖桨?0、第四導電平板40和第六導電平板60，以表示相對于開關器件140和第一側向突出部分、第二側向突出部分和第三側向突出部分(11、31、51)的垂直位置。第二導電平板、第四導電平板和第六導電平板(20、40、60)中的每一個對應于圖2和圖3中的第二電極120。
在每個垂直堆疊的電容器模塊100內，可以提供第一類型電源側過孔結構90以與第一開關器件、第二開關器件和第三開關器件(140A、140B、140C)中的每一個的另一節(jié)點接觸?？梢蕴峁┑谝活愋碗娫磦绕桨?9以與垂直堆疊的電容器模塊100中的第一類型電源側過孔結構90和其它垂直堆疊的電容器模塊中的其它第一類型電源側過孔結構接觸?？梢栽阝g化層80之上形成第一類型電源側平板89，該鈍化層可以與第五實施例和第六實施例中的鈍化層相同。第一類型電源側平板89實現(xiàn)圖2及圖3中表示為“全局Vdd”的第一電源側節(jié)點。在每個垂直堆疊的電容器模塊100內，可以提供第二類型電源側過孔結構(未示出)以與第二導電平板、第四導電平板和第六導電平板(20、40、60)接觸。第二類型電源側過孔結構可以具有與圖6A和圖6B中第六示例性結構的第二電源側過孔結構84相同的結構?？梢蕴峁┑诙娫磦绕桨?未示出)以與垂直堆疊的電容器模塊100中的第二類型電源側過孔結構和其它垂直堆疊的電容器模塊中的其它第二類型電源側過孔結構接觸?？梢栽阝g化層80之上形成第二類型電源側平板。例如，第二類型電源側平板可以具有與圖6A及圖6B中的第六示例性結構的第二電源側平板88相同的結構。第二類型電源側平板實現(xiàn)圖2及圖3中表示為“全局Vss”的第二電源側節(jié)點。第一導電平板10、第二導電平板20和介于其間的第一節(jié)點電介質(未示出)的組合構成第一電容器Cl。第二導電平板20、第三導電平板30和介于其間的第二節(jié)點電介質(未不出)的組合構成第二電容器C2。第三導電平板30、第四導電平板40和介于其間的第三節(jié)點電介質(未不出)的組合構成第三電容器C3。第四導電平板40、第五導電平板50和介于其間的第四節(jié)點電介質(未不出)的組合構成第四電容器C4。第五導電平板50、第六導電平板60和介于其間的第五節(jié)點電介質(未不出)的組合構成第五電容器C5。第一電容器Cl、第一電容器側過孔結構91和第一開關器件140A的組合構成圖2和圖3中的第一類型電容器模塊4。第二電容器C2、第三電容器C3、第二電容器側過孔結構93和第二開關器件140B的組合構成圖2中的第二類型電容器模塊8。第四電容器C4、第五電容器C5、第三電容器側過孔結構95和第三開關器件140C的組合構成圖2中的另一第二類型電容器模塊8。將每個開關器件140的一端電連接至第一電源節(jié)點，并將另一端電連接至第一導電平板、第三導電平板和第五導電平板(10、30、50)之一。在垂直堆疊的電容器模塊100的組件的操作期間，使電容器模塊內的每個開關器件(140A、140B、140C)中的第一部件，諸如圖4中的第一 P型場效應晶體管“P1”周期性地截止。當使第一部件時截止，穿過電容器模塊內的電容器的泄漏電流可以觸發(fā)電容器模塊內的第二部件(諸如圖4中的第二P型場效應晶體管“P2”)的截止。將電容器模塊內的漏電電容器與第一電源節(jié)點電隔離，從而維持包括第一電源節(jié)點和第二電源節(jié)點的電源系統(tǒng)中的泄漏電流低于預定目標水平。盡管已參照本發(fā)明優(yōu)選實施例具體展示并描述了本發(fā)明，但本領域技術人員將理解，在不脫離本發(fā)明的精神及范圍的情況下可以進行形式及細節(jié)上的上述及其它改變。因此，本發(fā)明并不旨在限于所描述和圖示的精確形式及細節(jié)，而是落入隨附的權利要求書的范圍內。工業(yè)應用件 本發(fā)明可應用于集成半導體電路高密度、三維微電子電容器陣列的制造中。
權利要求
1.一種半導體結構，包含電容器模塊(100)的陣列，其中所述電容器模塊中的每一個包括 電容器(C),包括第一電極(110)、第二電極(120)和位于所述第一電極和所述第二電極之間的電介質材料；以及 開關器件(140)，配置成將所述電容器與電源節(jié)點(Vdd)電斷開。
2.根據(jù)權利要求I所述的半導體結構，其中所述開關器件包括場效應晶體管(P2)和傳感器單元(142)，所述傳感器單元(142)配置成檢測穿過所述電容器的泄漏電流。
3.根據(jù)權利要求2所述的半導體結構，其中所述傳感器單元配置成提供電壓至所述場效應晶體管的柵極，其中所述電壓由所述泄漏電流決定。
4.根據(jù)權利要求2所述的半導體結構，其中所述傳感器單元包括第一P型場效應晶體管(PD，所述場效應晶體管是第二 P型場效應晶體管，并且所述第一 P型場效應晶體管和所述第二 P型場效應晶體管在所述電源節(jié)點與所述電容器的一個節(jié)點(節(jié)點B)之間以并聯(lián)連接的方式連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的半導體結構，其中所述第二P型場效應晶體管的漏極直接連接到所述電源節(jié)點，并且所述第二 P型場效應晶體管的源極直接連接到所述電容器的所述節(jié)點。
6.根據(jù)權利要求5所述的半導體結構，其中所述傳感器單元還包括以串聯(lián)連接的方式位于所述電容器的另一節(jié)點(節(jié)點G)和所述第二 P型場效應晶體管的柵極之間的偶數(shù)個反相器(INV1、INV2)。
7.根據(jù)權利要求4所述的半導體結構，還包括脈沖產生器(133)，其配置成提供有限持續(xù)時間的信號脈沖(P)至所述第一 P型場效應晶體管的柵極。
8.根據(jù)權利要求7所述的半導體結構，其中所述傳感器單元還包括電阻器(Rc),所述電阻器(Rc)位于所述電容器附近并且配置成在所述信號脈沖的持續(xù)時間期間提升所述電各器的溫度。
9.根據(jù)權利要求8所述的半導體結構，其中所述電阻器在所述電源節(jié)點與另一電源節(jié)點(Vss)之間以串聯(lián)連接的方式與另一晶體管(NI)連接，并且所述另一晶體管的柵極連接至所述脈沖產生器。
10.一種半導體結構，包括垂直堆疊的電容器模塊(100)的陣列，其中所述垂直堆疊的電容器模塊中的每一個包括 至少兩個電容器(C1、C2)，所述至少兩個電容器(C1、C2)包括至少三個導電平板(10、20、30)，所述至少三個導電平板垂直地位于彼此之上或之下并且通過至少一個節(jié)點電介質彼此分離；以及 至少一個開關器件(140)，所述至少一個開關器件(140)配置成將所述至少兩個電容器與電源節(jié)點(Vdd)電斷開。
11.根據(jù)權利要求10所述的半導體結構，其中所述至少一個節(jié)點電介質包括 第一節(jié)點電介質(15)，所述第一節(jié)點電介質(15)與所述至少三個導電平板中的第一導電平板(10)的上表面和所述至少三個導電平板中的第二導電平板(20)的下表面接觸；以及 第二節(jié)點電介質(25)，所述第二節(jié)點電介質(25)與所述至少三個導電平板中的所述第二導電平板的上表面和所述至少三個導電平板中的第三導電平板(30)的下表面接觸。
12.根據(jù)權利要求10所述的半導體結構，其中所述至少一個開關器件中的每一個的一端連接至電源節(jié)點(Vdd)，而另一端連接至所述至少三個導電平板之一。
13.根據(jù)權利要求10所述的半導體結構，其中所述至少三個導電平板中的至少兩者具有側向突出部分(11、31、51)，所述側向突出部分中的每一個并不位于所述側向突出部分中的任何其它側向突出部分之上或之下，并且所述垂直堆疊的電容器模塊中的每一個還包括 至少一個電源側過孔結構(90)，所述至少一個電源側過孔結構(90)與所述至少一個開關器件中的一個的一個節(jié)點和電源側平板(89)接觸；以及 至少一個電容器側過孔結構(91)，所述至少一個電容器側過孔結構(91)與所述至少一個開關器件的另一節(jié)點和所述側向突出部分中的一個接觸。
14.根據(jù)權利要求10所述的半導體結構，其中所述垂直堆疊的電容器模塊的陣列位于半導體襯底(150)上，并且所述至少一個開關器件包括半導體器件。
15.根據(jù)權利要求14所述的半導體結構，其中所述開關器件包括場效應晶體管(P2)和傳感器單元(142)，所述傳感器單元配置成檢測穿過所述至少一個節(jié)點電介質的泄漏電流。
16.一種操作半導體結構的方法，所述方法包括 提供包含電容器模塊(100)的陣列的半導體結構，其中所述電容器模塊中的每一個包括電容器和連接到電源節(jié)點(Vdd)的開關器件(140);以及 使所述電容器模塊的陣列中的電容器模塊內的所述開關器件中的一個的第一部件(PD導通，其中穿過所述電容器模塊內的電容器(C)的泄漏電流觸發(fā)所述電容器模塊內的第二部件(P2)的截止，從而使所述電容器模塊內的所述電容器與所述電源節(jié)點電隔離。
17.根據(jù)權利要求16的方法，其中所述部件是第一P型場效應晶體管(Pl)，所述另一部件是第二 P型場效應晶體管(P2)，并且所述第一 P型場效應晶體管與所述第二 P型場效應晶體管在所述電源節(jié)點與所述電容器模塊內的所述電容器的一個節(jié)點(節(jié)點B)之間以并聯(lián)連接的方式連接。
18.根據(jù)權利要求17的方法，還包括將有限持續(xù)時間的信號脈沖(P)施加至所述第一P型場效應晶體管的柵極，從而使所述第一 P型場效應晶體管導通。
19.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中所述開關器件包括場效應晶體管(P2)和傳感器單元(142)，所述傳感器單元配置成檢測所述泄漏電流，所述傳感器單元配置成將電壓提供至所述場效應晶體管的柵極，并且所述電壓由所述泄漏電流決定。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中所述傳感器單元包括位于所述電容器模塊內的所述電容器附近的電阻器(Rc)，并且所述方法還包括提升所述電容器模塊內的所述電容器的溫度，從而所述泄漏電流隨著溫度的升高而增加。
21.—種制造半導體結構的方法，所述方法包括 在半導體襯底(150)上形成至少一個開關器件(140)； 形成至少一個電容器側過孔結構(91)，所述至少一個電容器側過孔結構(91)與所述至少一個開關器件的一個節(jié)點接觸；以及 在所述半導體襯底上形成至少三個導電平板(10、30、50)和至少一個節(jié)點電介質(15)，其中所述至少三個導電平板垂直地位于彼此之上或之下，并且通過所述至少一個節(jié)點電介質彼此分離，并且所述至少三個導電平板中的一個的側向突出部分(11、31、51)與所述至少一個電容器側過孔結構接觸。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，還包括 形成至少一個電源側過孔結構(90)，所述至少一個電源側過孔結構(90)與所述至少一個開關器件的另一節(jié)點接觸；以及 形成電源側平板(89)，所述電源側平板(89)與所述至少一個電源側過孔結構接觸。
23.根據(jù)權利要求21所述的方法，還包括 在所述半導體襯底之上形成第一導電平板(10)； 在所述第一導電平板的上表面上形成第一節(jié)點電介質(15)； 在所述第一節(jié)點電介質的上表面上形成第二導電平板(20)； 在所述第二導電平板的上表面上形成第二節(jié)點電介質(25);以及 在所述第二節(jié)點電介質的上表面上形成第三導電平板(30)，其中所述至少三個導電平板包括所述第一導電平板、所述第二導電平板和所述第三導電平板，并且所述至少一個節(jié)點電介質包括所述第一節(jié)點電介質和所述第二節(jié)點電介質。
24.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述第一節(jié)點電介質和所述第二節(jié)點電介質包含具有大于8. O的介電常數(shù)的電介質金屬氧化物材料，并且所述至少三個導電平板和所述至少一個節(jié)點電介質構成至少兩個電容器，其中所述至少三個導電平板中的一個是所述至少兩個電容器的共同節(jié)點。
25.根據(jù)權利要求24所述的方法，其中所述至少一個開關器件包括場效應晶體管(P2)和傳感器單元(142)，所述傳感器單元配置成檢測穿過在所述半導體襯底上形成的所述電容器的泄漏電流，并且所述至少兩個電容器在位于所述至少一個開關器件之上的位置處形成。
全文摘要
一種模塊化的電容器陣列包括多個電容器模塊。每個電容器模塊包括電容器和開關器件，該開關器件配置成電斷開電容器。開關器件包括配置成檢測該電容器的漏電水平的感測單元，從而使得如果泄漏電流超過預定水平，則開關器件電斷開電容器。每個電容器模塊可以包括單個電容器平板、兩個電容器平板或多于兩個的電容器平板。使用漏電傳感器及開關器件以電斷開電容器陣列的任何漏電的電容器模塊，從而保護電容器陣列免受過度漏電之害。
文檔編號G11C11/34GK102844816SQ201080041800
公開日2012年12月26日 申請日期2010年8月23日 優(yōu)先權日2009年9月24日
發(fā)明者L·L·徐, X·歐陽, C-c·楊 申請人:國際商業(yè)機器公司