電場間隙器件與制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種形成電場間隙器件的方法，例如橫向場致發(fā)射ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中在介電層之間形成有陰極層。形成有陽極溝道，并襯有犧牲介電層。在陽極溝道內(nèi)形成有導(dǎo)電的陽極柱，隨后陽極柱附近的犧牲介電層被蝕刻掉?？涛g留下了陰極層的懸空部分，其定義了至相鄰的陽極柱之間的橫向間隙。這一部分具有由陰極層的角部定義的尖的端部表面，由于橫向間隙與犧牲介電層的厚度相應(yīng)，因而可以被精準(zhǔn)地定義。
【專利說明】電場間隙器件與制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明關(guān)于電場間隙器件，其意為利用陰極與陽極之間的小間隙的器件，在陰極與陽極之間確立一個(gè)電場。

【背景技術(shù)】
[0002]靜電放電(Elecrostatic Discharge, ESD)保護(hù)器件是這種器件的一個(gè)實(shí)例。這類器件用于保護(hù)集成電路免受由于靜電放電帶來的傷害。在放電事件中，電壓可能高壓數(shù)千伏特，然而電路元件上的電壓需要被保護(hù)在例如不超過1V的環(huán)境下。
[0003]已經(jīng)存在多種ESD保護(hù)器件，例如耦合到地的線圈和電容、或者如電花隙或壓敏電阻等專用元件。很多此類元件的缺點(diǎn)在于:需要在較低且待續(xù)的電容與較低的過沖電壓之間尋找權(quán)衡。
[0004]對(duì)于部分應(yīng)用(例如天線)而言，更需要持續(xù)的電容與相對(duì)較低的過沖電壓的組口 ο
[0005]一種克服電容的非線性和高的過沖電壓的方法是利用場致發(fā)射。這種方法利用一對(duì)分離的金屬點(diǎn)，該對(duì)金屬點(diǎn)用于形成場致發(fā)射的放電。
[0006]這種結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)電極，彼此之間的空隙相對(duì)較窄(如50nm)，以便允許電子從一個(gè)電極移動(dòng)至另一電極；且盡可能地不產(chǎn)生火花。然而，在較強(qiáng)的放電事件中，還是會(huì)有火花形成。窄空隙也可以得到較低的過沖電壓。
[0007]美國專利US5933718披露了場致發(fā)射ESD保護(hù)器件的一種例子。其用于解決在使用與柵堆疊相同的結(jié)構(gòu)情況下提升形成特定空隙尺寸的可靠性的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提出一種提供橫向電場間隙器件的改進(jìn)的制程與結(jié)構(gòu)。
[0009]本發(fā)明由各權(quán)利要求所定義。
[0010]本發(fā)明提供一種用于形成電場間隙結(jié)構(gòu)的方法，其包括:
[0011]在襯底上形成第一介電層；
[0012]在第一介電層上形成陰極層；
[0013]在陰極層上形成第二介電層；
[0014]穿過第二介電層和陰極層蝕刻陽極溝道，至第一介電層；
[0015]以第三介電層布襯所得的表面；
[0016]在陽極溝道中形成導(dǎo)電的陽極柱；
[0017]刻蝕掉陽極柱附近的第三介電層和第二介電層，并至少部分地刻蝕掉陽極柱附近的第一介電層，以保留陰極層的懸置部分，以形成與相鄰的陽極柱之間的橫向間隙。
[0018]該方法通過陰極層形成溝道，以定義所述層的邊緣。所述邊緣隨后被布襯以定義所需的間隔。當(dāng)該布襯最終被刻蝕掉時(shí)，形成所需的間隔間隙，并形成懸置的陰極層部分。所述陰極層部分橫向地突出，其由犧牲刻蝕工藝形成，從而因?yàn)橥怀龅牟糠衷谒鲞^程中任何階段都不會(huì)被覆蓋，因此沒有覆蓋問題。出于突出的陰極層的角部，所述出的部分是尖的。特別地，犧牲刻蝕過程去除了上部和下部的材料，以定義所述突出部分以及形成所需要的間隙。
[0019]所述電場間隙結(jié)構(gòu)可以是ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。突出的層定義陰極。兩種相似的具有相反極性的結(jié)構(gòu)可以被連接到一種需要保護(hù)的電路上，從而可以在ESD事件中為兩種極性都提供保護(hù)。陽極柱提供較厚的具有良好熱導(dǎo)性的層，用于傳導(dǎo)由靜電放電產(chǎn)生的熱。
[0020]該方法可以進(jìn)一步包括通過第一介電層至襯底形成互連柱，其中陰極層形成于第一介電層和互連柱上。這意味著，連接到陰極層的電性連接被拉低到襯底或其下的電路上。[0021 ] 該方法可進(jìn)一步包括在陽極柱上形成封裝層。這可以用于形成一種封閉的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以在較低的壓力(如真空)之下進(jìn)行封閉，以防止在間隙之間的電火花。此外，本發(fā)明的器件也可以用作火花隙器件。
[0022]第一、第二和第三介電層可各包括二氧化硅或氮化硅，且它們可以都是相同的材料。這將使得刻蝕過程更為可控。特別地，三個(gè)層都要經(jīng)過全部或部分的刻蝕過程，以定義所述懸置陰極部分和陰極-陽極間隙。
[0023]互連柱包括由鈦、氮化鈦、鎢以及包括這些材料的合金中的一個(gè)或多個(gè)形成的堆疊。
[0024]優(yōu)選地，陽極溝道僅部分延伸進(jìn)入第一介電層。這意味著第一介電層的一部分可以保留在陽極下方。因此這種結(jié)構(gòu)可以被選用以提供在陽極與襯底之間所需的電容。
[0025]第三介電層的厚度選擇為相應(yīng)于所需的陽極-陰極間隙。這意味著，既然間隙與沉積的層的厚度相應(yīng)，則間隙的尺寸可以精確地調(diào)整。
[0026]陽極柱的材料也用于形成陽極接觸區(qū)，陽極接觸區(qū)形成于陽極柱所形成的區(qū)域外的第三介電層上。
[0027]在一種實(shí)施方式中，所述橫向場致發(fā)射ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)形成于集成電路之上，其中互連柱連接到集成電路內(nèi)的金屬層。該金屬可以可以是其下的集成電路的頂部金屬互連層。通過將所述結(jié)構(gòu)設(shè)置于集成電路上，例如設(shè)置于CMOS集成電路上，所述使用的各層可以根據(jù)ESD保護(hù)的特定需求而定制，各層也可以完全地集成于所欲保護(hù)的電路。
[0028]本發(fā)明還提供一種電場間隙結(jié)構(gòu)，其包括:
[0029]在襯底上的第一介電層；
[0030]位于第一介電層之上的陰極層，其定義陰極部分，陰極部分具有邊緣區(qū)域，邊緣區(qū)域下方包括被刻蝕掉的第一介電層的部分，從而定義橫向突出的邊緣區(qū)域；
[0031]延伸進(jìn)入第一介電層的導(dǎo)電的陽極柱，其中在每個(gè)橫向突出的邊緣區(qū)域與相鄰的陽極柱之間定義橫向間隔；
[0032]在陰極層上的第二介電層，其中在邊緣區(qū)域上不包括第二介電層；以及
[0033]第二介電層上的第三介電層，其中第三介電層的厚度相應(yīng)于所述橫向間隔。
[0034]該結(jié)構(gòu)基于第三犧牲介電層的百度來形成橫向間隔。
[0035]該結(jié)構(gòu)可以是橫向場致發(fā)射ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供一種ESD保護(hù)器件和制造方法，其中可以形成相對(duì)尖銳的陰極結(jié)構(gòu)。該尖銳的陰極結(jié)構(gòu)用于本地增強(qiáng)電極表面的電場。
[0036]如上所述，本發(fā)明的器件可以在空白的硅襯底上形成為分立的ESD保護(hù)器件，也可以形成在已經(jīng)經(jīng)過處理形成集成電路的圓片上。通過真空封閉所述間隙，可以阻止產(chǎn)生火花。此外，本發(fā)明的器件也可以用作火花隙器件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]以下將結(jié)合附圖對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)地描述，其中:
[0038]圖1所示的是本發(fā)明一種實(shí)施方式的方法的流程中的一個(gè)狀態(tài)；
[0039]圖2所示的是陽極結(jié)構(gòu)的兩種可能的圖案；
[0040]圖3至圖8所示的是所述方法流程的各狀態(tài)；以及
[0041]圖9所示的是本發(fā)明實(shí)施方式的最終形成的器件。

【具體實(shí)施方式】
[0042]本發(fā)明提供一種形成結(jié)構(gòu)的方法，在該結(jié)構(gòu)中，在介電層之間形成陰極層。形成了陽極溝道，其襯有犧牲介電層。導(dǎo)電性的陽極柱形成于陽極溝道中，隨后陽極柱附近的犧牲介電層被刻蝕掉?？涛g留下了陰極層的懸空部分，其定義了至相鄰的陽極柱之間的橫向間隙。這一部分具有尖的端部表面，由于橫向間隙與犧牲介電層的厚度相應(yīng)，因而可以被精準(zhǔn)地定義。
[0043]以下將結(jié)構(gòu)圖1至圖9來說明制造所述器件的一種示例的流程中的各狀態(tài)，其中圖9示出的是最終形成的器件。需要說明的是圖中所示的尺寸、厚度等并不限制比例。
[0044]圖1所示的是一種襯底10，該襯底10可以是空白的硅襯底的形式，或者是具有包括后道(金屬連線和介電隔離)的集成電子電路的硅圓片。本發(fā)明并不限于使用硅襯底。任何可以允許電性連接的、與所述流程步驟相兼容的平面都可以使用。沉積介電層12，例如二氧化硅或氮化硅。利用例如光刻在層12中進(jìn)行溝槽14的刻蝕，直至硅襯底10，或刻蝕到襯底中直至其下的集成電路的金屬互連層。示例地，溝槽14可以為條狀或環(huán)狀。
[0045]圖2所示的是兩種可能的溝槽圖案的平面視圖。在圖2a中，溝槽為互相平行的條狀；而在圖2b中，溝槽形成為互相連接的環(huán)，從而定義出未刻蝕的圓形柱16的陣列。此外，也可以考慮其他布圖開關(guān)，例如方形、六邊形或三角形。
[0046]在產(chǎn)生出溝槽后，形成導(dǎo)電的互連層18，例如如圖3所示的Ti/TiN/W堆疊。該堆疊在沉積后通過各向異性刻蝕、或者利用化學(xué)機(jī)械研磨通過機(jī)械加工，直至介電層12，從而填充溝槽。
[0047]其他可能的堆疊包括氮化鉭、鉭與銅，或鉭鎢合金與鎢的堆疊。材料選擇為對(duì)后續(xù)犧牲刻蝕化學(xué)品具有耐受性，如氟化氫或氟化氫氣體。因此，可選用的合適材料取決于所使用的刻蝕化學(xué)品。
[0048]隨后，沉積并形成相對(duì)較薄的陰極金屬20。例如，陰極金屬可以是鉭鎢合金，其耐受于犧牲刻蝕化學(xué)品(氫氟酸或氟化氫氣體)。其可以是與柱體相同的堆疊，但優(yōu)選地，總的堆疊/層的厚度為10-50nm。
[0049]到此所形成的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0050]由導(dǎo)電互連18填充的溝槽形成由高摻雜的襯底10向陰極層20的連接。陰極層20也可以延伸到有源區(qū)以外(有源區(qū)為溝槽之上的區(qū)域)，以形成頂部互連，而不是利用下方的襯底作為互連。在這種情況下，就可以不需要溝槽18。
[0051]該金屬層20作用為場致發(fā)射的陰極。從而，需要低功功能以及良好受控的、潔凈表面。
[0052]如圖4所示的，犧牲介電層22 (第二介電層)隨后被沉積，優(yōu)選地，其與第一介電層12由相同的材料制成。層12、22在隨后的犧牲刻蝕中具有相同的化學(xué)刻蝕速率，從而使得犧牲刻蝕過程更易控制，且刻蝕生成物更易去除。
[0053]下一步是在犧牲層22中穿過陰極金屬層20刻蝕溝槽、孔，到達(dá)第一介電層12。
[0054]如果使用的是條狀圖案，則在溝槽18之間的材料中刻蝕形成溝槽，如果使用的是環(huán)狀圖案，則在由環(huán)狀圖案(由圖2b所示)所定義的區(qū)域16中刻蝕形成孔。優(yōu)選地，所述溝槽/孔不會(huì)一直向下刻蝕到襯底10，這是由于在溝槽/孔底部與襯底10之間優(yōu)選地可以存在一個(gè)足夠厚的隔離層(例如300nm)，以避免在陽極金屬與作為陰極接觸的襯底之間的本地?fù)舸?，并還可以定義一個(gè)所需的電容。
[0055]隨后，沉積另一犧牲層24 (第三介電層)，其定義出陽極-陰極距離。該厚度可以被調(diào)節(jié)，以得到ESD器件所需要的觸發(fā)電壓。
[0056]典型地，所述厚度為10_200nm，更優(yōu)選地，根據(jù)伸出的層20的厚度、陰極的功函數(shù)以及所需的觸發(fā)電壓，犧牲層24的厚度在20-50nm之間。
[0057]優(yōu)選地，介電層24由與第一、第二介電層12、22相同的材料制成。各層在隨后工藝中的犧牲刻蝕中都有相同的化學(xué)刻蝕速率，以使得犧牲刻蝕更加可控。
[0058]這樣得到的結(jié)構(gòu)如圖5所示。
[0059]接著是如圖6所示的陽極金屬層26的沉積。這將填充前述的溝槽/孔，以形成陽極柱27，以及提供頂部接觸層。
[0060]對(duì)該層進(jìn)行構(gòu)造，以為條狀圖案形成窄槽(如Iym直徑)、或?yàn)榄h(huán)狀圖案形成小孔，以便可以刻蝕三個(gè)介電層，三個(gè)介電層在隨后的工藝中都作為犧牲層。在本實(shí)施方式中，所述刻蝕(構(gòu)造)也形成位于有源區(qū)外的陽極接觸區(qū)28。
[0061]可以使用陽極接觸區(qū)以將接合線連接到陽極，而無需在脆弱的有源區(qū)上施加太多的機(jī)械力，其中有源區(qū)在犧牲刻蝕時(shí)被刻蝕。該步驟如圖7所示。然而，這種橫向接觸區(qū)為可選的。如下所述，如果使用了金屬覆蓋層，則金屬覆蓋層可以作為接觸區(qū)。
[0062]陽極柱可以與連接柱18用相同的金屬堆疊形成。
[0063]隨后，沉積介電層30，并將其進(jìn)行構(gòu)造，以保護(hù)位于有源區(qū)外的介電層免受犧牲刻蝕化學(xué)品的刻蝕。
[0064]其后，各向同性地刻蝕在有源區(qū)的三個(gè)介電層12、22、24，如圖8所示，從而部分釋放薄陰極層20。從而，形成了一個(gè)相對(duì)尖銳的懸置陰極邊，其有利于達(dá)到在陰極與陽極之間的電場增強(qiáng)。
[0065]優(yōu)選地，可以將陽極柱下方的第一介電層12和第三介電層24保留部分余量，以使得器件具有更佳的機(jī)械強(qiáng)度，并相對(duì)于襯底具有更佳的熱傳導(dǎo)性。
[0066]最后，沉積并構(gòu)造覆蓋層32，覆蓋層32可以是介電層(如氮化硅)或金屬層(如鋁)。當(dāng)為金屬層的時(shí)候，其還可以在有源區(qū)外位于陽極接觸區(qū)頂部。
[0067]上述覆蓋的步驟也可以用已經(jīng)的形成空腔的圓片間壓合工藝來取代。
[0068]圖9所示的是所形成的橫向場致發(fā)射ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。
[0069]在該結(jié)構(gòu)中，第一介電層12位于襯底10上,互連柱18自第一介電層延伸到襯底(如上所述，這是可選的)。陰極層20位于第一介電層之上，并定義了陰極部分，陰極部分具有邊緣區(qū)域34，邊緣區(qū)域下方有被刻蝕掉的第一介電層12的部分，從而定義橫向突出的邊緣區(qū)域。導(dǎo)電的陽極柱27延伸進(jìn)入第一介電層，因此在橫向突出的邊緣區(qū)域與相鄰的陽極柱之間定義了橫向間隔。第二介電層22在陰極層之上，但是在邊緣區(qū)域之上的部分被刻蝕掉，從而邊緣區(qū)域形成為懸置的突出結(jié)構(gòu)。所述間隔相應(yīng)于第三介電層24的厚度。
[0070]該器件中的場致發(fā)射發(fā)生在橫向的方向上。已知的橫向場致發(fā)射器件的好處在于發(fā)射尖端可以由光刻進(jìn)行定義。然而，在橫向器件中，電極間隙不容易定義。
[0071]本發(fā)明的流程利用了側(cè)墻工藝來定義電極間距。據(jù)此可以得到較薄的、可控的間距。
[0072]該器件有著具有較高機(jī)械強(qiáng)度的空腔，其中由于上電極(陽極)在多處通過陽極柱與襯底機(jī)械相連，因而陽極/陰極的電極間距與覆蓋層的機(jī)械強(qiáng)度無關(guān)。若上部電極是自由懸掛的膜層，則該電極的機(jī)械強(qiáng)度將會(huì)影響到陽極/陰極的電極間距，以及影響到器件的電氣性能。
[0073]本發(fā)明所提供的器件的陽極和陰極與襯底之間都具有較好的熱耦合性，其有利于將ESD脈沖所生成的熱能傳導(dǎo)到襯底上。
[0074]通過使用片上覆蓋技術(shù)，在空腔內(nèi)形成真空狀態(tài)，從而可以避免陰極與陽極之間的電弧?？梢允褂谜婵誔VD/PECVD工藝來完成所述覆蓋過程。此外，本發(fā)明的器件也可以用作弧隙器件。
[0075]較厚的互連可以用來提升ESD保護(hù)器件所需要的電導(dǎo)性能。
[0076]為了保持較低的寄生電容以及空腔的足夠強(qiáng)度，陰極20與陽極柱27的面積比應(yīng)當(dāng)在工藝和光刻允許的情況下盡量小(例如較大的陽極柱和在陽極柱之間較小的陰極區(qū))。
[0077]以上所述的實(shí)施方式是基于ESD保護(hù)器件的。然而，本發(fā)明更可以通用于利用陽極與陰極之間具有精準(zhǔn)尺寸的電場間隙的各類器件。有很多種器件都利用本地增強(qiáng)的電場的小間隙。例如場致發(fā)射三極管、光傳感器或電子傳感器，以及部分顯示器件。
[0078]本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以基于本發(fā)明的以上思想得到其他可能的變化。
【權(quán)利要求】
1.一種形成電場間隙結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述方法包括: 在襯底(10)上形成第一介電層(12)； 在第一介電層(12)上形成陰極層(20)； 在陰極層(20)上形成第二介電層(22)； 穿過第二介電層(22)和陰極層(20)蝕刻陽極溝道，至第一介電層(12)； 以第三介電層(24)布襯所得的表面； 在陽極溝道中形成導(dǎo)電的陽極柱(27)； 刻蝕掉陽極柱(27)附近的第三介電層(24)和第二介電層(22)，并至少部分地刻蝕掉陽極柱(27)附近的第一介電層(12)，以保留陰極層(20)的懸置部分(34)，以形成與相鄰的陽極柱(27)之間的橫向間隙。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括:通過第一介電層(12)至襯底(10)形成互連柱(18)，其中陰極層(20)形成于第一介電層(12)與互連柱(18)之上。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:橫向場致發(fā)射ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)形成于集成電路之上，其中互連柱(18)連接到集成電路內(nèi)的金屬層。
4.如在先任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括:在陽極柱上形成封裝層(32)。
5.如在先任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，第一、第二和第三介電層(12、22、24)各包括二氧化娃或氮化娃,其中第一、第二和第三介電層優(yōu)選地由相同材料形成。
6.如在先任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，互連柱(18)包括由鈦、氮化鈦與鎢中的一個(gè)或多個(gè)形成的堆疊。
7.如在先任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，陽極溝道僅部分延伸進(jìn)入第一介電層(12) ο
8.如在先任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，第三介電層(24)的厚度選擇為相應(yīng)于所需的陽極-陰極間隙。
9.如在先任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，陽極柱(27)的材料也用于形成陽極接觸區(qū)(28)，陽極接觸區(qū)(28)形成于陽極柱(27)所形成的區(qū)域外的第三介電層上。
10.一種電場間隙結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 在襯底(10)上的第一介電層(12)； 位于第一介電層(12)之上的陰極層(20)，其定義陰極部分，陰極部分具有邊緣區(qū)域，邊緣區(qū)域下方包括被刻蝕掉的第一介電層(12)的部分，從而定義橫向突出的邊緣區(qū)域(34)； 延伸進(jìn)入第一介電層(12)的導(dǎo)電的陽極柱(27)，其中在每個(gè)橫向突出的邊緣區(qū)域與相鄰的陽極柱(27)之間定義橫向間隔； 在陰極層(20)上的第二介電層(22)，其中在邊緣區(qū)域(34)上不包括第二介電層；以及 第二介電層(22)上的第三介電層(24),其中第三介電層(24)的厚度相應(yīng)于所述橫向間隔。
11.如權(quán)利要求10所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，進(jìn)一步包括:在陽極柱上的封裝層(32)。
12.如權(quán)利要求10或11所述的結(jié)構(gòu),其特征在于,第一、第二和第三介電層(12、22、24)各包括二氧化硅或氮化硅。
13.如權(quán)利要求10、11或12所述的方法，其特征在于，陽極溝道僅部分延伸進(jìn)入第一介電層(12)。
14.如權(quán)利要求10至13中任意一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第三介電層(24)上的陽極接觸區(qū)(28)，所述陽極接觸區(qū)(28)位于形成有陽極柱的區(qū)域以外，并由與陽極柱相同的材料形成。
15.如權(quán)利要求10到14中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)形成于集成電路之上，所述結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括互連柱，所述互連柱由陰極層(20)通過第一介電層延伸到集成電路內(nèi)的金屬層上。
【文檔編號(hào)】H01L21/02GK104253021SQ201410276234
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月26日
【發(fā)明者】邁克爾·安東尼·阿曼德·因贊特, 克勞斯·萊曼, 奧拉夫·溫尼克 申請(qǐng)人:恩智浦有限公司