Способ изготовления МИМ-конденсатора Российский патент 2024 года по МПК H01L29/68 

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к изготовлению МИМ-конденсаторов для интегральных схем (ИС).

МИМ-конденсаторы представляют собой структуры метал-диэлектрик-метал, изготовление которых, по сравнению с изготовлением конденсаторов на р-n переходе, отличается лучшей воспроизводимостью, точностью.

В патенте US 7719041 MIM capacitor high-k dielectric for increased capacitance density авторов H, Abdul-Ridha, D. Howard описано изготовление плоского МИМ-конденсатора. В этом конденсаторе в качестве диэлектрика используется диэлектрик с большим значением диэлектрической проницаемости (high-k, больше, чем у SiO₂).

Недостатком такой технологии является сложность изготовления, связанная с необходимостью дооснащения стандартной производственной линии оборудованием для осаждения high-k диэлектрика.

В статье [Berre Sha R S and et. Design and EM-simulation of MIM capacitor, International conference on energy, Communication, Data analytics and soft computing, 2017, p.1644-1649] приведен способ изготовления МИМ-конденсатора типа «сендвич».

Недостатком такой конструкции является ограничение минимальной толщины диэлектрика вследствие боковых подтравов оксида кремния при травлении верхней металлической обкладки конденсатора.

На фигуре 1 приведена фотография структуры плоского МИМ-конденсатора с оксидом кремния в качестве диэлектрика, где 1 - нижний слой металла конденсатора, 2- верхний слой металла конденсатора. На этом снимке отчетливо наблюдается наличие подтрава оксида кремния (выделено овалом), появившееся вследствие бокового подтрава оксида кремния приреактивном ионном травлении верхней обкладки конденсатора по маске. Вытравливание части оксида кремния приводит к соединению верхней и нижней обкладки конденсатора, как следствие к короткому замыканию.

В патенте RU 2046429 «Пленочный конденсатор», опубл. 20.10.1995, выбранном за прототип, описан способ изготовления пленочного конденсатора, который содержит первую и вторую обкладки, выполненные в виде металлических пленок, включающих слои Cu, Cr и диэлектрик, расположенный между обкладками в виде полиимидной пленки, и токовыводы, размещенные на противоположных сторонах диэлектрика. Соотношение толщин металлических пленок и пленки полиимида выбраны в диапазоне от 1:11 до 1:12, а первый и второй токовыводы выполнены в виде части металлических пленок, выступающих над торцовыми противоположными сторонами полиимидной пленки соответственно, причем на слой хрома, напыленный на диэлектрик, нанесен слой титана.

Недостатком прототипа является невозможность использования тонкого слоя диэлектрика, что связано со смыканием обкладок конденсатора вследствие естественного бокового подтрава в слой диэлектрика из-за селективности травления и наличия перетрава слоя металла при травлении верхней обкладки.

В стандартной технологии изготовления кремниевых ИС в качестве диэлектрика используется оксид кремния. Поэтому, изготовление МИМ-конденсаторов, где в качестве диэлектрика используется оксид кремния -наименее затратный вариант. Так как использование другого типа диэлектрика приводит к необходимости дооснащения оборудования и усложнения маршрута.

Увеличение емкости плоских конденсаторов получают методом увеличения площади обкладок этого конденсатора или уменьшения толщины диэлектрика (Н. Chakraborty, D. Misra, Characterization of high-k gatedielectrics using MOS capacitors, International journal of Scientific and research publications, vol. 3, issue 12, 2013). Увеличение площади обкладок сильно ограничено вследствие увеличения интеграции элементов ИС на кристалле. Сопутствующие в процессе изготовления МИМ-конденсатора боковые подтравы ограничивают минимальную толщину диэлектрика. Поэтому разработка конструкции МИМ-конденсатора с оксидом кремния в качестве диэлектрика, исключающей возможность смыкания обкладок вследствие бокового подтрава оксида кремния, является актуальной задачей в микроэлектронике.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является изготовление МИМ-конденсаторов с увеличенным значением емкости в стандартной технологии изготовления кремниевых ИС, где в качестве диэлектрика используется оксид кремния.

Техническим результатом предлагаемого способа является расширение номенклатуры изделий, без дополнительного дооснащения производственной линии, а именно разработка МИМ-конденсаторов с увеличенным значением емкости (более 1 фФ/мкм²), увеличение интеграции на кристалле.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления МИМ-конденсатора, включающем формирование на кремниевой пластине слоя оксида кремния, нижней обкладки конденсатора, изолирующего слоя, верхней обкладки, после формирования нижней обкладки конденсатора наносят слой оксида кремния, в котором формируют сквозное окно до нижней обкладки конденсатора. Наносят следующий слой оксида кремния, который травят до предыдущего слоя оксида кремния, таким образом, что у боковой поверхности окна остаются пристенки. Затем осаждением из газовой фазы наносят слой диэлектрика, например оксида кремния. Наносят второй проводящий слой, который травят по маске, формируя верхнюю обкладку конденсатора так, что размеры верхней обкладки конденсатора должныбыть не меньше геометрических размеров сквозного окна, формируемого в слое оксида кремния.

Изобретение поясняют следующие фигуры.

На фигуре 1 приведена фотография структуры плоского МИМ-конденсатора с оксидом кремния в качестве диэлектрика (аналога), где 1 -нижний слой металла конденсатора, 2 - верхний слой металла конденсатора.

На фигуре 2 показана структура МИМ - конденсатора на основных этапах изготовления:

а - структура на этапе формирования нижней металлической обкладки;

б - структура на этапе формирования сквозного окна в слое оксида кремния;

в - структура на этапе формирования пристенков из оксида кремния;

г - структура на этапе формирования изолирующего диэлектрика; д - структура на этапе формирования конечной структуры МИМ-конденсатора.

На фигуре 2 приняты следующие обозначения:

3- кремниевая пластина;

4- слой оксида кремния;

5- нижняя обкладка конденсатора;

6- второй слой оксида кремния;

7- пристенки из оксида кремния;

8- слой изолирующего диэлектрика;

9- верхняя обкладка конденсатора.

Изобретение осуществляется следующим образом. На кремниевую пластину 3, методом осаждения из газовой фазы осаждают слой оксида кремния 4. Далее формируют нижнюю обкладкуконденсатора 5 методом напыления металла и травления его по маске (фиг. 2а).

Затем методом осаждения оксида кремния 6 из газовой фазы, химико-механического полирования и травления по маске формируют сквозное окно в слое оксида кремния до нижней обкладки конденсатора (фиг. 2б). Причем, толщина остаточного оксида кремния 6 над нижней обкладкой формируемого конденсатора должна быть больше ширины формируемого далее пристенка, но меньше того значения, при котором возможен разрыв верхней обкладки конденсатора на прямых углах формируемой структуры.

Далее формируют пристенки из оксида кремния 7 к боковой поверхности полученного окна методом осаждения оксида кремния из газовой фазы и безмасочного анизотропного реактивного ионного травления (фиг. 2в).

Потом формируют слой изолирующего диэлектрика МИМ-конденсатора 8 методом осаждения из газовой фазы (фиг. 2г).

Далее формируют верхнюю обкладку конденсатора 9 методом напыления металла и травления этого металла и изолирующего диэлектрика по маске (фиг. 2д). При этом размеры верхней обкладки конденсатора должны быть не меньше геометрических размеров сквозного окна, формируемого в слое оксида кремния.

Полученный конденсатор образован нижним металлическим слоем (нижняя обкладка), диэлектриком, состоящим из пристенков и диэлектрического слоя и верхним металлическим слоем (верхняя обкладка).

Емкость такого конденсатора С состоит из С₁ - емкости плоской части конденсатора, где обкладки параллельны, и С₂ - емкости части конденсатора, где обкладки не параллельны, при этом С₂<<С₁ (В.П. Драгунов, В.Ю. Доржиев, Д.И. Лойко, Влияние непараллельных электродов на характеристики микромеханических конденсаторов//Доклады АН ВШ РФ, Технические науки. №3 2016). Поэтому С, можно пренебречь и применять выражение для емкости плоского конденсатора.

Ширину пристенков и толщину изолирующего слоя 8 рассчитывают исходя из заданной величины емкости и заданной площади конденсатора используя соотношение:

где С - емкость, ε- диэлектрическая проницаемость диэлектрика, ε₀ - электрическая постоянная, S -площадь параллельных обкладок конденсатора (плоской части конденсатора).

По предложенному способу был изготовлен опытный образец. Изначально была сформирована нижняя обкладка конденсатора последовательными операциями напыления слоя алюминия и травления его по маске. Далее осадили слой оксида кремния, толщиной 12 000Å. Планаризовали его до остаточной толщины оксида кремния 2000 Å над нижней обкладкой конденсатора. Затем сформировали сквозное окно методом травления оксида кремния по маске до нижней обкладки конденсатора. Далее формировали пристенки последовательными операциями осаждения оксида кремния толщиной 1500 Å и безмасочного травления таким образом, чтобы ширина сформированных пристенков была равна 0,15 мкм, при заданной площади конденсатора 10000 мкм². Затем осадили слой оксида кремния толщиной 200 Å и сформировали верхнюю обкладку конденсатора посредством напыления и масочного травления металлического слоя. На изготовленном образце было получено значение удельной емкости, равное 2 фФ/мкм².

Такая конструкция МИМ-конденсатора исключает смыкание верхней и нижней обкладок вследствие бокового подтрава оксида кремния, что позволяет использовать изолирующий диэлектрик толщиной менее 200 Å, тем самым увеличить емкость конденсатора.

Также стоит отметить, что точность совмещения при травлении верхней обкладки конденсатора должна быть меньше ширины формируемого пристенка, для исключения попадания поперечной границы верхней обкладки на тонкую область изолирующего диэлектрика. Поперечная граница верхней обкладки конденсатора должна находиться над областью пристенка или охватывать его.

Предложенный вариант МИМ-конденсатора представляет собой металлические слои верхней и нижней обкладок, слой тонкого оксида кремния и сформированные пристенки, исключающие смыкание верхней и нижней обкладок конденсатора.

Использование: для изготовления МИМ-конденсаторов интегральных схем. Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления МИМ-конденсатора после формирования нижней обкладки конденсатора наносят слой оксида кремния, в котором формируют сквозное окно до нижней обкладки конденсатора, наносят следующий слой оксида кремния, который травят до предыдущего слоя оксида кремния, таким образом, что у боковой поверхности окна остаются пристенки, затем осаждением из газовой фазы наносят слой диэлектрика, наносят второй проводящий слой, который травят по маске, формируя верхнюю обкладку конденсатора так, что размеры верхней обкладки конденсатора должны быть не меньше геометрических размеров сквозного окна, формируемого в слое оксида кремния. Технический результат: обеспечение возможности увеличения значения емкости (более 1 фФ/мкм²), увеличения интеграции на кристалле. 2 ил.

Способ изготовления МИМ-конденсатора, включающий формирование на кремниевой пластине слоя оксида кремния, нижней обкладки конденсатора, изолирующего слоя, верхней обкладки, отличающийся тем, что после формирования нижней обкладки конденсатора наносят слой оксида кремния, в котором формируют сквозное окно до нижней обкладки конденсатора, затем наносят следующий слой оксида кремния, который травят до предыдущего слоя оксида кремния, таким образом, что у боковой поверхности окна остаются пристенки, затем осаждением из газовой фазы наносят слой диэлектрика, например оксида кремния, затем наносят второй проводящий слой, который травят по маске, формируя верхнюю обкладку конденсатора так, что размеры верхней обкладки конденсатора должны быть не меньше геометрических размеров сквозного окна, формируемого в слое оксида кремния.