СХЕМНАЯ СТРУКТУРА С ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНИМ КОНДЕНСАТОРОМ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01L27/10 H01G4/08 

Изобретение относится к схемной структуре c, по меньшей мере, одним конденсатором и способу ее изготовления.

Во многих областях техники, например, в микроэлектронике и для применений в аудио- и видеоаппаратуре, представляют интерес конденсаторы с высоким удельным сопротивлением. Удельное сопротивление конденсатора C_s определено как емкость конденсатора C, умноженная на номинальное напряжение U и деленная на его объем V:
C_s (C•U)/V.

В качестве конденсаторов с высокой удельной емкостью известны электролитические конденсаторы на основе алюминия или тантала. Эти электролитические конденсаторы являются единственными известными конденсаторами, которые достигают величину удельной емкости в диапазоне от 10 до 100 мкФ В/мм³.

Электролитические конденсаторы имеют однако некоторые недостатки: При переполюсовке электролитические конденсаторы разрушаются. Кроме того они разрушаются при температурах выше примерно 150^oC. Максимальная рабочая температура лежит согласно таблице параметров примерно при 125^oC. Вследствие эффективного последовательного сопротивления схемы (ESR) электролитический конденсатор может применяться только до граничной частоты f_G примерно 100 кГц. Применение электролита влечет за собой проблемы старения конденсатора. Электролитические конденсаторы не могут быть также интегрированы в кремниевую микросхему. Кроме того электролитические конденсаторы имеют лишь ограниченную механическую прочность.

Из полупроводниковых накопительных схем известны канавочные (trench)-конденсаторы. При этом канавочный конденсатор выполнен в виде расположенного на поверхности канавки, выполненной в кремниевой подложке, проводящего слоя, расположенного на нем диэлектрического слоя и противоположного электрода. Так как канавки в кремнии изготавливают путем плазменного травления, соотношение глубины канавки к отверстию канавки ограничено величиной порядка десяти. Поэтому увеличение поверхности в результате травления канавок ограничено величиной порядка 15.

Из патента ФРГ De-2328090 C2 известен способ изготовления полупроводникового конденсатора, при котором поверхности подложки из монокристаллического кремния снабжают выемками путем зависящего от ориентации кристалла травления. Травление производят 50%-ной водной смесью гидроокиси калия при 85^oC. При этом образуются выемки глубиной 500 мкм и шириной 5 мкм, расположенные на расстоянии 10 мкм. Таким образом поверхность может быть увеличена примерно в сто раз. Максимально достижимая удельная емкость таким образом изготовленного конденсатора ограничена величиной 2,3 мкФ В/мм³.

В основе изобретения лежит задача создания схемной структуры c, по меньшей мере, одним конденсатором, удельное сопротивление которого соответствует удельному сопротивлению электролитических конденсаторов, который однако не имеет недостатков электролитических конденсаторов. В основе изобретения лежит также задача создания способа изготовления такой схемной структуры.

Эта задача решается согласно изобретения с помощью схемной структуры согласно пункту 1 формулы изобретения, а также способа ее изготовления согласно пункту 13 формулы изобретения.

Путем электрохимического травления поверхность подложки структурируют особым образом. На поверхности подложки образуют более или менее регулярно расположенные дырочные структуры. Этими дырочными структурами достигаются аспектные соотношения вплоть до диапазона 1 1000.

В схемной структуре согласно изобретения эффективная поверхность конденсатора путем множества дырочных отверстий в первой поверхности увеличивается во много раз по сравнению с площадью, занимаемой конденсатором на подложке. За счет этого в схемной структуре согласно изобретения являются достижимыми сравнимые с электролитическими конденсаторами удельные емкости. В конденсаторе согласно изобретения достигаются удельные емкости до максимально 100 мкФ В/мм³, обычно в диапазоне порядка 10 мкФ В/мм³.

При переполюсовке изготовленный химическим травлением конденсатор имеет в схемной структуре согласно изобретения хотя и меньшую емкость, однако одинаковое или несколько более высокое пробивное напряжение и поэтому при переполюсовке не разрушается. В схемных применениях, в которых при переполюсовке должны возникать одинаковые емкости, согласно изобретения предусматривают в схемной структуре две одинаковых по конструкции конденсатора, которые включены параллельно с противоположной полярностью. Для достижения одинаковой емкости при переполюсовке изобретение предусматривает более высокое легирование подложки после электрохимического травления.

Конденсатор в схемной структуре согласно изобретения является при применении вольфрамовых контактов независимым от температуры примерно до 600^oC. Относительное изменение емкости с температурой имеет величину ниже 1% на 100^oC. Так как конденсатор является твердотельным конденсатором, паразитные сопротивления в схемной структуре согласно изобретения являются минимальными. По сравнению с электролитами твердые проводники имеют меньшие сопротивления. Конденсатор является применимым вплоть до граничной частоты f_G в диапазоне 1 Мгц.

В рамках изобретения лежит также применение в качестве диэлектрического слоя двуокиси кремния, нитрида кремния, двуокиси титана или комбинации из этих слоев. Двуокись кремния является одним из лучших известных диэлектриков и поэтому очень хорошо освоена. С двуокисью титана в качестве диэлектрика достигаются вследствие высокой диэлектрической постоянной большие емкости. При применении многослойного диэлектрика с последовательностью слоев SiO₂, Si₃N₄, SiO₂ достигается особенно низкая плотность дефектов.

Конденсатор в схемной структуре согласно изобретения не содержит ни тяжелых металлов, ни электролитов. Поэтому он является очень благоприятным с точки зрения защиты окружающей среды.

Схемную структуру согласно изобретения предпочтительно изготавливают с помощью электрохимического травления. За счет этого достигаются дырочные отверстия, в которых отношение глубины к диаметру лежит значительно выше 10, в частности между 25 и 1000. Таким образом достигаются увеличения поверхности от 35 до 1400.

Способ изготовления дырочных отверстий или канавок в n-легированном кремнии путем электрохимического травления является известным из европейской патентной заявки EP 0 296 348 AL.

Однако это описано для изготовления канавочных (trench) конденсаторов с глубоким вертикальным легированием при незначительной горизонтальной глубине легирования, как это, например, является необходимым для управляемых конденсаторов (варикапов) большой емкости, для изготовления глубоких узких канавок для электрической изоляции соседних областей в кремниевой подложке, для контактирования глубоко лежащих слоев или для изготовления управляемых напряжением транзисторов. Так как этот способ оптимирован для применений в микроэлектронике, в которых плотность дефектов диэлектрика лежит в диапазоне 1/см², он не может быть перенесен без всяких изменений на изготовление конденсаторов с большими удельными емкостями, так как плотности дефектов такого порядка величины являются здесь не приемлемыми.

Способ изготовления согласно изобретения исходит из подложки из n-легированного кремния. Используются обычные стандартные подложки. За счет этого изготовление конденсатора является недорогим. На одной подложке можно одновременно изготовлять множество конденсаторов, которые разделяют во время последней операции способа. Конденсатор является механически стабильным.

Возможно интегрировать конденсатор в схемную структуру с другими схемными элементами. Исходя из стандартной кремниевой пластины достигается конструктивная высота 0,5 мм так, что конденсатор является идеально применимым для SMD-(Surface Mounted Device) элементов, т. е. элементов с поверхностным монтажом.

Для оптимизации способа изготовления используют все секреты производства кремниевой микроэлектроники.

После изготовления дырочных отверстий на поверхности подложки создают диэлектрический слой. Так как диэлектрический слой должен конформно покрывать всю поверхность, также и в области дырочных отверстий, в качестве диэлектрических слоев пригодны такие слои, которые изготовляют термически или осаждением из газовой фазы. Оказалось, что изготовленные таким образом диэлектрические слои имеют очень низкую плотность дефектов, что является решающим для функционирования конденсатора, в частности при больших аспектных соотношениях. Диэлектрический слой, например, изготавливают термическим окислением из SiO₂. Этот способ связан лишь с незначительными затратами.

Путем применения многослойного диэлектрика, например, последовательности слоев окись кремния-натрия кремния-окись кремния, (так называемое ONO), плотность дефектов может быть еще более уменьшена вплоть до значений, лучших, чем 1/400 см ², которые являются необходимыми для достижения технологически приемлемого выхода годных изделий.

В рамках изобретения лежит также изготовление диэлектрического слоя из SiO² путем термического окисления, в частности в содержащем уксусную кислоту электролите. Анодная окись кремния по сравнению с термической окисью кремния имеет преимуществ, что она изготавливается при комнатной температуре. Таким образом исключаются механические напряжения. Кроме того образование окиси при анодном окислении является самовосстанавливающимся процессом, так как в тонком месте в окиси за счет повышения напряженности поля происходит усиленное окисление. Таким образом тонкое место утолщается; дефект самоустраняется.

При изготовлении диэлектрического слоя осаждением из газовой фазы двуокиси титана в готовом конденсаторе достигается большая емкость при одинаковой толщине диэлектрического слоя.

При электрохимическом травлении ту поверхность подложки, в которой должны быть изготовлены травлением дырочные отверстия, приводят в контакт с электролитом. Применяют фторсодержащий, кислый электролит. При необходимости электролит может содержать кроме того смачивающее вещество или другие кислоты. Перенос материала электрохимического травления увеличивается, если обращенную от электролита поверхность подложки освещают.

При элеткрохимическом травлении подложку включают в качестве анода. Таким образом неосновные носители заряда движутся в n-легированном кремнии к поверхности, находящейся в контакте с электролитом. На этой поверхности образуется зона пространственного заряда. Так как напряженность поля в области углублений в поверхности является большей, чем вне нее, неосновные носители заряда движется преимущественно к этим точкам. Таким образом возникает структурирование поверхности. Чем глубже становится начальная небольшая неровность в результате травления, тем больше неосновных носителей заряда движется туда и тем сильнее происходит травление в этом месте.

Для достижения равномерного распределения дырочных отверстий в подложке является предпочтительным снабжать поверхность перед электрохимическим травлением поверхностной топологией. Эта поверхностная топология содержит неровности, которые служат в качестве зародышей для травящего воздействия при последующем электрохимическом травлении. В рамках изобретения лежит также изготовление такой поверхностной топологии с помощью обычной фотолитографии. При этом после изготовления маски фотолака путем анизотропного травления поверхность подложки снабжают поверхностной топологией. После снятия маски фотолака производят электрохимическое травление.

Другая возможность для образования поверхностной топологии заключается в том, что поверхность подложки освещают с соответствующим поверхностной топологии рисунком. Потенциал на подложке устанавливают при этом таким образом, чтобы без освещения еще не возникало никакого электрохимического травления. Интенсивность освещения выбирают таким образом, чтобы при освещении поверхности подложки путем образования электронно-дырочных пар тек ток, достаточный для электрохимического травления и одновременно не превышающий максимального значения для электрохимического травления. Таким образом подложка травится только в освещенных местах. В результате возникают неровности, которые при последующем электрохимическом травлении действуют в качестве зародышей. При этом светоиндуцированном электрохимическом травлении не нужно изготавливать маски фотолака. Освещение расположенной между подложкой и источником света маски является достаточным. Является также возможным производить освещение с помощью рисунка освещения или голограммы.

Для изготовления множества конденсаторов подложку в форме пластины снабжают по всей поверхности дырочными отверстиями. После нанесения по всей поверхности диэлектрического слоя, проводящего слоя и контакта определяют отдельные конденсаторы с помощью фотолитографии. Путем травления на глубину до диэлектрического слоя отдельные конденсаторы структурируют. В заключение конденсаторы разделяют путем распиливания и разламывания, как это известно из изготовления микросхем.

Изобретение поясняется ниже более подробно на примерах выполнения с помощью чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 разрез конденсатора согласно изобретения.

Фиг. 2 характеристика контакта элеткролит n легированный кремний.

Фиг. 3 разрез конденсатора согласно изобретения, контактированного со стороны поверхности.

Подложка 1 из n-легированного монокристаллического кремния, который имеет удельное сопротивление 5 ом х см, снабжена на первой поверхности 32 множеством дырочных отверстий 3. Дырочные отверстия 3 имеют диаметр, например, 2 мкм и глубину, например, 200 мкм (смотри фиг. 1, на которой в направлении глубины дырки применен другой масштаб, чем в направлении диаметра дырки). Первая поверхность конформно покрыта диэлектрическим слоем 4. Диэлектрический слой 4 состоит, например, из SiO₂ и имеет толщину 60 нанометров. На диэлектрическом слое 4 расположен проводящий слой 5. Проводящий слой 5 состоит, например, из n-легированного поликристаллического кремния. Проводящий слой 5 полностью покрывает диэлектрический слой 4.

Проводящий слой 5 контактирован с помощью первого контакта 6.

Первый контакт 6 состоит, например, из алюминия. Вследствие поверхностного напряжения алюминия первый контакт 6 состоит из сплошного слоя, который контактирует в области дырочных отверстий 3 только с верхней частью проводящего слоя 5. Существующие вследствие структуры в области дырочных отверстий 3столбцы между соседними поверхностями проводящего слоя 5 не заполняются первым контактом. Для функционирования конденсатора это и не является необходимым, так как проводящий слой 5 действует в качестве противоэлектрода. На обращенной от первой поверхности 2 поверхности подложки нанесен второй контакт 7, например, из алюминия. Если конденсатор должен быть стойким к высоким температурам, то первый контакт 6 и второй контакт 7 выполняют, например, из вольфрама.

Если при работе первый контакт 6 соединен с положительным полюсом, а второй контакт 7 с отрицательным полюсом, конденсатор имеет максимальную емкость. При противоположной полярности емкость является минимальной. С помощью легирования подложки, например, мышьяком или фосфором с концентрацией легирующего вещества в области 10¹⁹ 10²¹ см^-3 после электрохимического травления независимо от полярности емкость имеет всегда максимальное значение.

Фиг. 2 показывает характеристику контакта между фторсодержащим, кислым электролитом и n-легированным кремнием.

В заштрихованной области характеристики происходит электрохимическое травление. Выше заштрихованной области образуется электрополирующий поверхностный слой. При электрополировании на поверхности не могут больше образовываться никакие структуры. Для электрохимического травления поэтому является важным, устанавливать плотность тока так, чтобы контакт был в заштрихованной области характеристики. Это производится путем установки плотности тока.

Для изготовления показанного на фиг 1 конденсатора кремниевую подложку снабжают поверхностной топологией. Это производят, например, обычно с помощью фотолитографии или путем освещения поверхности подложки в то время, когда она находится в контакте с электролитом и плотность тока поддерживается в нижней области характеристики на фиг. 2.

Затем производят образование дырочных отверстий 3 с помощью электрохимического травления. В качестве электролита при этом используют, например, 6% -ную плавиковую кислоту (HF). n-легированную подложку нагружают в качестве анода потенциалом 3 В. Подложку освещают с обратной стороны. Плотность тока устанавливают 10 мА/см². После примерно 150-минутного времени травления дырочные отверстия имеют диаметр 2 мкм при глубине 200 мкм.

В заключение подложку промывают 5 минут в щелочном растворе, содержащем, например, 50% -ный этилендиамид, при положительном потенциале, например, 10 вольт. При этом удаляют пористый кремний, который образуется при электрохимическом травлении на поверхности подложки.

После основательной промывки водой на подложке 1 образуют анодным окислением диэлектрический слой 4.

Для этого подложку 1 в содержащем, например, 2%-ную уксусную кислоту электролите окисляют при плотности тока 10 мкА/см². Толщина образующегося при этом диэлектрического слоя 4 из SiO² регулируется за счет длительности окисления. Толщина 60 нанометров получается, например, через 16 часов.

Другая возможность для изготовления диэлектрического слоя 4 состоит в термическом окислении поверхности дырочных отверстий 3. При этом однако следует считаться с большими механическими напряжениями в подложке 1, т.к. термическая SiO² не может образовываться при комнатной температуре. Проводящий слой 5 осаждают путем стандартного CVD-(Chemical Vapor Deposition) процесса химического осаждения из паровой фазы из n-легированного поликристаллического кремния на диэлектрический слой 4.

Для лучшего контактирования первый контакт 6 и второй контакт 7 образуют путем напыления, например, алюминия.

С помощью обычной фотолитографии на поверхности полупроводниковой пластины определяют отдельные конденсаторы. Первый контакт из алюминия и проводящий слой 5 из поликристаллического кремния при этом травят до глубины диэлектрического слоя 4. Путем распиливания и разламывания затем производят разделение на отдельные конденсаторы.

Подложку 11 из n-легированного монокристаллического кремния, имеющего удельное сопротивление 5 ом•см, снабжают на первой поверхности 12 множеством дырочных отверстий 13. Дырочные отверстия 13 имеют диаметр, например, 1 мкм и глубину, например, 400 мкм (смотри фиг. 1, не в масштабе). Дырочные отверстия 13 в подложке 11 изготовлены путем электрохимического травления во фторсодержащем, кислом электролите, в котором подложка 11 включена в качестве анода, аналогично тому, как описано на примере фиг. 1 и фиг. 2.

Первая поверхность 12 конформно покрыта диэлектрическим слоем 14. Диэлектрический слой 14 выполнен, например, путем комбинированного нанесения SiO₂, Si₃N₄ и еще раз SiO₂ и имеет толщину 60 нанометров. На диэлектрическом слое 14 расположен проводящий слой 15. Проводящий слой 15 состоит, например, из n-легированного поликристаллического кремния.

Диэлектрический слой 14 и проводящий слой 15 сбоку ограничены. При этом диэлектрический слой 14 выступает за проводящий слой 15. Проводящий слой 15 контактируют с помощью первого контакта 16. Первый контакт 16 состоит, например, из алюминия. Вследствие поверхностного напряжения алюминия первый контакт 16 выполнен в виде сплошного слоя, контактирующего в области дырочных отверстий 13 только с верхней частью проводящего слоя 15. Первый контакт 16 структурирован таким образом, что он расположен исключительно на ограниченном сбоку проводящем слое 15.

На подложке 11 на первой поверхности 12 расположена область 18 повышенного легирования. Легирование в области 18 устанавливается после электрохимического травления мышьяком As или фосфором P до концентрации легирующего вещества в области от 10¹⁹ до 10²¹ см³. Область 18 повышенного легирования обусловливает то, что емкость конденсатора независимо от полярности всегда имеет максимальное значение.

Сбоку от диэлектрического слоя 14 и проводящего слоя 15 на свободно лежащей первой поверхности 12 расположен второй контакт 17. Второй контакт 17 непосредственно контактирует с областью 18 повышенного легирования. Путем расположения второго контакта 17 на первой поверхности 12 последовательное сопротивление ESR устройства уменьшается так, что конденсатор является применимым до граничных частот в диапазоне 1 Мгц. Кроме того представленный на фиг 3 конденсатор вследствие расположения как первого контакта 16, так и второго контакта 17 на первой поверхности 12 является пригодным для интегрирования в кремниевую микросхему.

Использование: в микроэлектронике, аудио- и видеоаппаратуре. Сущность изобретения: конденсатор выполнен на легированной, монокристаллической кремниевой подложке /1/, снабженной путем электрохимического травления во фторсодержащем, кислом электролите, при котором подложка включена в качестве анода, множеством дырочных отверстий /3/, диэлектрическим слоем /4/ и проводящим слоем /5/ в качестве противоэлектрода. Эти конденсаторы обладают большим удельным сопротивлением. 2 с. и 18 з.п. ф-лы. 3 ил.

1. Схемная структура с по меньшей мере одним конденсатором, содержащая подложку из легированного монокристалличесного кремния с образованными на ее поверхности углублениями, расположенные конформно на поверхности диэлектрический слой и на диэлектрическом слое проводящий слой с сохранением углублений и контакты, которые соединены с подложкой и проводящим слоем, отличающаяся тем, что по меньшей мере на части поверхности углубления выполнены в виде отверстий, глубина которых по меньшей мере в 25 раз больше, чем их диаметр, полученные путем электрохимического травления в содержащем фторид кислом электролите, и с анодом, которым служит подложка, причем диэлектрический слой конформно покрывает по меньшей мере часть поверхности с отверстиями и его толщина выбрана меньшей, чем половина диаметра отверстий, и диэлектрический слой выполнен из последовательно расположенных слоев окись кремния нитрид кремния окись кремния. 2. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что отношение глубины отверстий к диаметру отверстий составляет по меньшей мере 100. 3. Структура по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что проводящий слой конформно покрывает поверхность диэлектрического слоя. 4. Структура по п. 3, отличающаяся тем, что проводящий слой содержит легированный поликристаллический кремний. 5. Структура по любому из пп. 1 4, отличающаяся тем, что в подложке на поверхности по меньшей мере в зоне отверстий сформирована область повышенного легирования. 6. Структура по любому из пп. 1 5, отличающаяся тем, что диэлектрический слой и проводящий слой расположены на части поверхности, а на другой ее части расположен контакт к подложке. 7. Структура по любому из пп. 1 6, отличающаяся тем, что контакты содержат алюминий. 8. Структура по любому из пп. 1 7, отличающаяся тем, что предусмотрен дополнительный конденсатор, идентичный указанному первому конденсатору, причем дополнительный конденсатор включен с противоположной полярностью параллельно указанному конденсатору. 9. Способ изготовления схемной структуры с по меньшей мере одним конденсатором, при котором обрабатывают поверхность подложки из монокристаллического легированного кремния, образуя на ней углубления, формируют на этой поверхности диэлектрический слой и на диэлектрическом слое проводящий слой, конформно покрывающие поверхность, сохраняя углубления, и наносят соответственно один контакт на проводящий слой и на подложку, отличающийся тем, что травят в подложке множество углублений в виде отверстий путем электрохимического травления в содержащем фторид кислом электролите, при котором подложку включают в качестве анода ячейки для электролиза, конформно осаждают диэлектрический слой толщиной, меньшей половины диаметра дырчатых отверстий, путем комбинированного осаждения SiO₂ и Si₃N₄, формируют диэлектрический слой, путем осаждения из газовой фазы на диэлектрическом слое формируют проводящий слой, выполняют отверстия с отношением глубины отверстий к диаметру по меньшей мере 25. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что отверстия выполняют диаметром 0,1 10 мкм и глубиной 10 500 мкм. 11. Способ по п. 9 или 10, отличающийся тем, что освещают обращенную от электролита поверхность подложки. 12. Способ по любому из пп. 9 11, отличающийся тем, что обращенную к электролиту поверхность подложки перед электрохимическим травлением снабжают поверхностной топологией. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что поверхностную топологию изготавливают с помощью фотолитографии. 14. Способ по п. 12, отличающийся тем. что поверхностную топологию изготавливают с помощью светоиндуцированного электрохимического травления с рисунком освещения, соответствующим поверхностной топологии. 15. Способ по любому из пп. 9 14, отличающийся тем, что подложку после электрохимического травления промывают в щелочном растворе, причем подложку включают в качестве анода. 16. Способ по любому из пп. 9 15, отличающийся тем, что проводящий слой формируют путем осаждения из газовой фазы легированного поликристаллического кремния. 17. Способ по любому из пп. 9 16, отличающийся тем, что подложку после электрохимического травления легируют мышьяком или фосфором до концентрации по меньшей мере 10¹⁹см^-3. 18. Способ по любому из пп. 9 17, отличающийся тем, что проводящий слой обрабатывают путем травления до диэлектрического слоя. 19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что диэлектрический слой обрабатывают путем травления до подложки, а на освобожденной поверхности подложки формируют контакт к подложке. 20. Способ по любому из пп. 9 19, отличающийся тем, что на поверхности проводящего слоя и на поверхности подложки изготовляют путем напыления металла контакты.