具体实施方式
本文描述用于铁电薄膜装置(例如,BST电容器)的钝化结构(包含制造方法)的实施例。所述钝化结构及其制造方法有利地需要对现有制造工艺作出最小变化。
平行板电容器
图2是根据本发明一个实施例的包含钝化结构的BST电容器200的横截面图。与图1的BST电容器105类似,BST电容器200集成在衬底120上且包含底部电极115、顶部电极130和夹置在顶部电极130与底部电极115之间的BST薄膜介电层125。电容器的有源区由顶部电极130、介电层125与底部电极115之间的重叠界定。提供额外导电层135以形成与顶部电极130的低电阻接触。与图1中一样,第一钝化层140(例如,Si3N4)保护底部电极115、介电层125和顶部电极130,而第二钝化层145保护整个结构,且包含开口150以允许与BST电容器200电接触。
然而,BST电容器200的钝化层140还包含开口205以中断泄漏路径,所述泄漏路径可形成在顶部电极130与底部电极115之间在介电层125与钝化层140的界面处。图3A和图3B分别是图1的BST电容器105和图2的BST电容器200的放大横截面图,其说明钝化层140中的开口205的功能。图3A的常规BST电容器105中存在的泄漏路径160由图3B的BST电容器200中的钝化层140中的开口205断开。由于钝化层(例如,钝化层140)中的大多数开口是通过干式或湿式蚀刻获得的,所以应通过使钝化层140的一部分保持完好来保护介电层125的靠近顶部电极130的区域。然而,可去除钝化层140的处于或靠近介电层125的边缘的另一部分,以形成开口205从而防止顶部电极130与底部电极115之间的电流流动。暴露的介电层125由第二钝化层145覆盖,所述第二钝化层145可以是(例如)不会引起泄漏路径160的聚酰亚胺或双苯并环丁烯(BCB)层。
图4将常规BST装置与根据本发明以环钝化结构制成的BST装置的泄漏电流与电压特性进行比较。所测量的所有装置均为由相同晶片制成的15μm×15μm BST电容器。标准(即,常规)BST装置(例如图1的BST电容器105)由菱形指示。根据本发明的BST装置(例如图2的BST电容器200)由正方形指示并标记为“N1_环”,且包含成形为围绕第一钝化层(N1)中的电容器的环的开口。图4指示根据本发明一个实施例以钝化结构制成的BST电容器的泄漏电流显著低于标准BST电容器的泄漏电流。
图5是根据本发明另一实施例的包含钝化结构的BST电容器500的横截面图。BST电容器500类似于图2的BST电容器200,且包含衬底120、底部电极115、顶部电极130和夹置在顶部电极130与底部电极115之间的BST薄膜介电层125。导电层135形成与顶部电极130的低电阻接触。与图2中一样,第一钝化层140(例如,Si3N4)保护底部电极115、介电层125和顶部电极130。第二钝化层145保护整个BST电容器500,且包含开口150以允许以导电层555与BST电容器500电接触。第三钝化层560上覆于整个结构上。与图2中一样,BST电容器500的钝化层140还包含开口505以中断泄漏路径,所述泄漏路径可形成在顶部电极130与底部电极115之间在介电层125与钝化层140的界面处。然而,开口505大于图2的开口205,且还暴露底部电极115的一部分。所属领域的技术人员将了解,开口205和505仅说明对于本发明的钝化结构来说可能实现的各种配置。
图6A-6H是俯视图和横截面图对,其说明根据本发明的BST平行板电容器的示范性制造工艺。每一个别图式展示不同的制造阶段,而图式序列展示整个制造工艺。每一图式展示制造期间电容器的俯视图和相应的横截面图(穿过线A-A)。所述序列的最后图式中展示制成的电容器。在每一图式的俯视图中,以加重线展示当前正处理的层,但所述序列的最后一个图式除外,其以加重线展示第一钝化层。虽然图6A-6H中描述的工艺说明图5的BST电容器500的制造,但所述工艺还可用于制造其它BST电容器,例如图2的BST电容器200。
参看图6A,所述工艺以包含夹置层结构的衬底120开始,所述夹置层结构包括底部电极115、BST薄膜介电层125和顶部电极130。为了减少成本,通常优选耐热、便宜的绝缘衬底120,包含(但不限于)高电阻率硅(HR Si)、蓝宝石晶体(Al2O3)、氮化铝(AlN)、石英和玻璃。这些衬底优选地经抛光以实现低表面粗糙度,以便与具有高击穿场(breakdown field)的平滑铁电膜的成长兼容。
在所述制造工艺的一个特定实施例中,底部电极115是薄铂层,其可通过溅镀或蒸发而沉积在衬底120上。选择铂是为了与BST薄膜处理兼容。底部电极115的薄层优选地使后续处理期间的粗糙度最小化。在此实施例中,顶部电极130也可以是形成在BST薄膜介电层125上的薄铂层。
用于BST薄膜介电层125的适宜的BST薄膜材料的实例包含钛酸钡、钛酸锶和两者的复合物。为了方便起见,全文中使用术语“BST”表示所有这些材料,但严格来说,钛酸钡不含有锶且钛酸锶不含有钡。术语“钛酸钡”、“钛酸锶”和“钛酸钡锶”将用于指特定材料。这全然是为了方便起见,以免必须在全文中重复“钛酸钡、钛酸锶和/或钛酸钡锶”。BST材料还可包含较小浓度的一种或一种以上掺杂剂以修改某些特性。BST薄膜介电层125可成长或沉积在底部电极115的层上。
如图6A所示,使用标准光刻和蚀刻技术去除顶部电极层的选定部分以形成顶部电极130的横向形状而将顶部电极130形成在铂层中。明确地说,将光致抗蚀剂层沉积在顶部电极层上并将其图案化以界定顶部电极130。接着(例如)通过离子铣削而蚀刻掉顶部电极层的暴露部分。
参看图6B,接着使用标准蚀刻技术蚀刻BST薄膜介电层125。可(例如)通过离子铣削而对介电层125进行湿式蚀刻或干式蚀刻。图案化光致抗蚀剂层可用作蚀刻掩模。
参看图6C,接着使用标准光刻和蚀刻技术(例如,离子铣削)去除底部电极层的选定部分以形成底部电极115的横向形状而将底部电极115形成在最下面的铂层中。
参看图6D,形成钝化结构。在此实例中,用于第一钝化层140的材料为氮化硅Si3N4,其沉积在所述结构上并使用标准光刻和蚀刻技术(例如,反应离子蚀刻)来蚀刻。明确地说,Si3N4层经图案化以形成中心开口来提供对顶部电极130的接达。Si3N4层还经图案化以形成开口505来断开形成在顶部电极130与底部电极115之间在介电层125与钝化层140的界面处的泄漏路径。如图6D的俯视图所示,在此实例中,开口505在BST电容器的有源区周围形成矩形环。然而,在替代实例中,其它横向形状是可能的;例如,所述开口可能不形成完整的环或者其可呈不同多边形的形状。
参看图6E,形成导电层135以接触顶部电极130和底部电极115。导电层可以是(例如)金,其提供与电极115、130的低电阻电接触。有利地将导电层135放置成紧密接近BST电容器的有源区以减小由铂电极115、130产生的总电阻。在此实例中,可(例如)使用剥离工艺对金进行图案化,其中首先使用标准光刻技术沉积和图案化光致抗蚀剂层。接着可能在沉积粘合层之后将金沉积在光致抗蚀剂上。去除光致抗蚀剂层留下图案化导电层135。或者,可在图案化光致抗蚀剂层之前沉积金,并接着使用腐蚀金但不腐蚀BST或铂的基于碘的金蚀刻剂对金进行湿式蚀刻。
参看图6F,接着沉积并干式蚀刻第二钝化层145。第二钝化层145可以是(例如)聚酰亚胺。明确地说,钝化层145使BST薄膜介电层125和底部电极115的暴露于开口505中的区钝化。
参看图6G,接着形成导电层555以产生金属布线,从而提供与BST电容器的接触。在此实例中,导电层555为金,其可通过电镀而沉积在表面上。如果必要,可使用标准光刻和蚀刻技术(例如,湿式蚀刻)来对金进行图案化。
参看图6H,将第三钝化层560沉积在整个结构上以保护BST电容器500。第三钝化层560可以是(例如)双苯并环丁烯(BCB)。在以上工艺期间,通常使用标准退火技术来(例如)通过修复BST处理步骤期间可能已发生的损坏而改进BST材料的质量。退火还可改进BST薄膜介电层125与电极115、130之间的界面的质量。
图7是根据本发明另一实施例的包含钝化结构的BST电容器700的横截面图。BST电容器700类似于图5的BST电容器500,包含具有与图5中相同标号的许多类似层。虽然图5和图7中的相同标号指示共同层,然而所述层的横向配置在图5和图7中可能不同。举例来说,在图7所示的实施例中,BST薄膜介电层125延伸超过底部电极115的边缘765,并沿着衬底120的表面的一部分延伸。介电层125的此横向配置防止钝化层140沿着底部电极115的边缘765接触底部电极115。这防止在顶部电极130与底部电极115之间沿着底部电极115的边缘765形成泄漏路径。因此,图7的实施例中的开口705具有与图5的开口505不同的横向配置。明确地说,开口705主要位于留下钝化层140原本会在顶部电极130与底部电极115之间沿着BST薄膜介电层125的界面形成泄漏路径的区域中。如图7所示,开口705位于导电层135接触底部电极115的区域中,使得BST薄膜介电层125的边缘暴露于第二钝化层145并暴露于导电层135。
图8A-8H是俯视图和横截面图对,其说明根据本发明的BST平行板电容器的另一示范性制造工艺。与图6A-6H一样,每一个别图式展示不同的制造阶段,而图式序列展示整个制造工艺。每一图式展示制造期间电容器的俯视图和相应的横截面图(穿过线A-A)。所述序列的最后一个图式中展示制成的电容器。在每一图式的俯视图中,以加重线展示当前正处理的层,但序列的最后一个图式除外,其以加重线展示第一钝化层。虽然图8A-8H中描述的工艺说明图7的BST电容器700的制造,但所述工艺还可用于制造其它BST电容器,例如图5的BST电容器500。
参看图8A,所述工艺以衬底120开始,衬底120可以是(例如)高电阻率硅(HR Si)、蓝宝石晶体(Al2O3)、氮化铝(AlN)、石英、玻璃或另一衬底。这些衬底优选地经抛光以实现低表面粗糙度,以便与具有高击穿场的平滑铁电膜的成长兼容。使用(例如)剥离工艺在衬底120上形成底部电极115,其中光致抗蚀剂层沉积在衬底120上并使用标准光刻技术图案化。在所述制造工艺的一个实施例中,底部电极115是薄铂层,其可通过溅镀或蒸发而沉积在衬底120上的光致抗蚀剂剥离掩模上。优选薄层以使后续处理期间的粗糙度最小化,同时铂提供与后续BST处理的兼容性。去除光致抗蚀剂掩模在衬底120上留下图案化底部电极115。或者,可在衬底120上沉积铂薄层,并随后使用标准光刻和蚀刻技术将薄铂层图案化到底部电极115中。
参看图8B,将BST薄膜介电层125沉积在底部电极115上并使用标准蚀刻技术蚀刻。明确地说,光致抗蚀剂层可经沉积并使用标准光刻技术图案化以用作湿式蚀刻掩模。如之前所论述,术语“BST”是指薄膜电介质,例如由钛酸钡、钛酸锶和两者的复合物组成的那些薄膜电介质,其还可包含较小浓度的一种或一种以上掺杂剂以修改某些特性。
如图8C所示,形成顶部电极130以上覆于BST薄膜介电层125和底部电极115上。在此实施例中,顶部电极130也可以是薄铂层。可(例如)使用剥离工艺形成顶部电极130,其中光致抗蚀剂层经沉积并图案化以用作剥离掩模。接着(例如)通过蒸发或溅镀在剥离掩模上沉积导电层。去除光致抗蚀剂剥离掩模留下图案化顶部电极130。或者,可使用标准光刻和蚀刻技术形成顶部电极130,其中可在所述图案化光致抗蚀剂之前沉积导电材料,且蚀刻掉导电层的选定部分以形成顶部电极130的横向形状。
参看图8D,接着形成钝化结构。在此实例中,用于第一钝化层140的材料为氮化硅Si3N4,其沉积在所述结构上并使用标准光刻和蚀刻技术(例如,反应离子蚀刻)来蚀刻。明确地说,Si3N4层经图案化以形成中心开口来提供对顶部电极130的接达。Si3N4层还经图案化以形成开口705来断开形成在顶部电极130与底部电极115之间在介电层125与钝化层140的界面处的泄漏路径。如图8D的俯视图所示,在此实例中,开口705包含在BST电容器的有源区周围的三侧矩形环,即成为方形的U的形状。然而,在替代实例中,其它横向形状是可能的,例如,所述开口可形成完整的环或者呈不同多边形的形状。
参看图8E,形成导电层135以接触顶部电极130和底部电极115。导电层可以是(例如)金,其提供与电极115、130的低电阻电接触。有利地将导电层135放置成紧密接近BST电容器的有源区以减小由铂电极115、130产生的总电阻。在此实例中,可(例如)使用剥离工艺对金进行蚀刻,其中首先使用标准光刻技术沉积和图案化光致抗蚀剂层。接着可能在沉积粘合层之后将金沉积在光致抗蚀剂上。去除光致抗蚀剂层留下图案化导电层135。或者,可在所述图案化光致抗蚀剂层之前沉积金,并接着使用腐蚀金但不腐蚀BST或铂的基于碘的金蚀刻剂对金进行湿式蚀刻。
参看图8F,接着沉积并干式蚀刻第二钝化层145。第二钝化层145可以是(例如)聚酰亚胺。明确地说,钝化层145使BST薄膜介电层125和底部电极115的暴露于开口705中的区钝化。
参看图8G,接着形成导电层555以产生金属布线从而提供与BST电容器的接触。在此实例中,导电层555为金,其可通过电镀而沉积在表面上。如果必要,可使用标准光刻和蚀刻技术(例如,湿式蚀刻)来对金进行图案化。
参看图8H,第三钝化层560沉积在整个结构上以保护BST电容器700。第三钝化层560可以是(例如)BCB层。在以上工艺期间,通常使用标准退火技术(例如)通过修复BST处理步骤期间可能已发生的损坏来改进BST材料的质量。退火还可改进BST薄膜介电层125与电极115、130之间的界面的质量。
尽管已相当详细地描述关于平行板BST电容器的实施例,但其它实施例将显而易见。明确地说,图2-8中的电容器被描绘为对于电极115、130、介电层125以及第一钝化层140中的开口205、505、705具有特定形状。然而,这并不意味着是一种限制,因为并不要求所示的特定几何结构和形状。所述图用于说明用以断开电极115、130之间在BST薄膜介电层125与第一钝化层140的界面处的泄漏路径的钝化结构。可能具有不同几何结构的类似钝化结构可应用于不同形状的平行板电容器。举例来说,可颠倒顶部与底部电极的形状,基本上在衬底上将电容器设计倒置。作为另一实例,所述结构的形状可弯曲,例如圆形、半圆形或螺旋形。结构之间可存在不同的重叠量。作为另一实例,上文描述的原理还适用于电容器阵列。明确地说,作为最后的实例,钝化层中的开口的形状可具有各种几何结构,例如围绕有源区的完整的环、围绕有源区的部分环、矩形环、其它多边形环、圆环以及其它几何结构。
此外,所述图展示电容器的大多数相关结构,但这并不意味着不存在其它结构或层。举例来说,根据常规技术,位于那些所示层之间的额外层可用于各种目的。实例包含用于增加粘合力、用于提供扩散势垒或用于改进肖特基(Schottky)势垒高度的层。作为另一实例,底部电极115始终被展示为由衬底120直接支撑。这是为了方便起见,且其它层或结构可位于底部电极115与衬底120之间。另外,每一层115、125、130还可包含一种或一种以上类型的材料,但其被展示和描述为单一材料层。
此外,制造工艺不需要使用上文描述的所有处理技术。各种实施例可仅使用其中一些技术。类似地,一个图式序列中说明的技术可与另一图式序列中说明的技术组合。举例来说,特定步骤可被描述为使用选择性湿式蚀刻来形成衬底的横向形状。在替代实施例中,可改为使用剥离工艺、干式蚀刻或其它标准工艺。
集成电阻器
图9A是根据本发明另一实施例包含由钝化结构产生的集成电阻器975(由叠加的电阻器符号表示)的BST电容器900的俯视图和横截面图对。所述图展示俯视图和相应的横截面图(穿过线A-A)。BST电容器900类似于图7的BST电容器700,包含具有与图7中相同标号的许多类似层。虽然图7和图9A中的相同标号指示共同层,然而所述层的横向配置在图7和图9A中可能不同。举例来说,在图9A所示的实施例的横截面图中,形成集成电阻器975,因为第一钝化层140的一部分接触介电层125,从而沿着层125、140之间的界面从顶部电极130到底部电极115提供泄漏路径。
穿过第一钝化层140的功能与图7中的开口705类似的开口905A和905B仅出现在图9A的俯视图中。开口905A、905B通过允许第二钝化层145接触介电层125而中断沿着层125、140之间的界面的泄漏路径。开口905A、905B的形状和大小直接影响集成电阻器975的值,因为开口905A、905B直接影响泄漏路径的面积。所属领域的技术人员将了解,图9A中的开口905A、905B的大小、形状和数目仅用于说明的目的。开口905A、905B的大小、形状和数目可改变以实现集成电阻器975的各种各样的值。
图9B是模仿图9A的BST电容器900的电路图980。电路图980展示与集成电阻器975并联耦合的BST电容器900。BST电容器900及其集成电阻器975可使用例如图8A-8H所示的工艺来制造。
图10A和图10B是根据本发明实施例的使用钝化结构形成的示范性集成电阻器1000A、1000B的俯视图和横截面图对。每一图展示俯视图和相应的横截面图(穿过线A-A)。集成电阻器1000A、1000B包含具有与图5中相同标号的类似于图5的BST电容器500的许多层。虽然图5以及图10A和图10B中的相同标号指示共同层,然而,所述层的横向配置在图5以及图10A和图10B中可能不同。可(例如)使用与图8A-8H中描述的工艺类似的工艺来制造集成电阻器1000A、1000B。
集成电阻器1000A、1000B形成在电极115A、115B之间,所述电极115A、115B由与图5的底部电极115相同的材料形成。集成电阻器1000A、1000B形成在介电层125与第一钝化层140之间的界面处,如叠加的电阻器链所指示。集成电阻器1000A、1000B的值取决于界面的各自面积。在图10A的集成电阻器1000A的情况下,界面的面积与第一钝化层140的最内部正方形相关,如俯视图中所见。在图10B的集成电阻器1000B的情况下,已通过以下操作而修改了界面面积:穿过第一钝化层140形成开口1005从而允许第二钝化层145接触介电层125,由此中断电极115A、115B之间沿着介电层125与第一钝化层140之间的界面的泄漏路径。所属领域的技术人员将了解,包括集成电阻器1000A、1000B的层的配置仅是说明性的,且可通过改变第一钝化层140的横向形状以及穿过第一钝化层140的任何开口1005的大小和形状来制造多种集成电阻器。
间隙电容器
图11A是使用包含常规钝化方案的半导体工艺技术制造的常规BST间隙电容器1100A的横截面图。BST间隙电容器1100A包含类似于图2、图5和图7的BST电容器200、500和700的若干层。这些层的标号与图2、图5和图7中类似。虽然图11A以及图2、图5和图7中的相同标号指示共同层,但BST间隙电容器1100A的物理结构不同于图2、图5和图7的平行板BST电容器200、500和700。
明确地说,BST间隙电容器1100A包含毯覆式BST薄膜介电层125。如之前所论述,BST薄膜介电层125可包含钛酸钡、钛酸锶和两者的复合物。第一电极1115和第二电极1130由相同导电材料层(例如,铂)形成。第一钝化层140(例如,Si3N4)上覆于第一电极1115、介电层125和第二电极1130并对其进行保护。额外导电层135形成与电极1115、1130的低电阻接触。第二钝化层145保护整个结构,且包含开口150以允许与BST间隙电容器1100A电接触。
与图1的常规平行板BST电容器105一样,BST间隙电容器1100A的常规钝化的主要缺点是沿着介电层125与第一钝化层140的界面形成泄漏路径160,如图11A所示。第一电极1115和第二电极1130之间的此泄漏路径160对于功率有效性和可靠性可能是不合需要的,在其未受控制的情况下尤其如此。
图11B是根据本发明一个实施例的包含钝化结构的BST间隙电容器1100B的横截面图。图11A和图11B中的类似参考标号表示类似结构。然而,BST间隙电容器1100B还包含第一钝化层140中的开口1105,其操作以断开图11A的泄漏路径160。
图12A-12D是俯视图和横截面图对,其说明根据本发明图11B的BST间隙电容器1100B的制造工艺的示范性实施例。与图6A-6H一样,每一个别图式展示不同的制造阶段,而图式序列展示整个制造工艺。每一图式展示制造期间电容器的俯视图和相应的横截面图(穿过线A-A)。所述序列的最后一个图式中展示制成的电容器。在每一图式的俯视图中,以加重线展示当前正处理的层。
参看图12A,所述工艺以衬底120开始,衬底120可以是(例如)高电阻率硅(HRSi)、蓝宝石晶体(Al2O3)、氮化铝(AlN)、石英、玻璃或另一衬底。这些衬底优选地经抛光以实现低表面粗糙度,以便与具有高击穿场的平滑铁电膜的成长兼容。毯覆式BST薄膜介电层125成长或沉积在衬底120上。如之前所论述,术语“BST”是指薄膜电介质,例如那些由钛酸钡、钛酸锶和两者的复合物组成的薄膜电介质,其还可包含较小浓度的一种或一种以上掺杂剂以修改某些特性。
仍参看图12A,使用标准光刻和蚀刻技术去除导电层的选定部分以形成电极1115、1130的横向形状而将电极1115、1130形成在导电层中,所述导电层可以是(例如)铂。明确地说,将光致抗蚀剂层沉积在导电层上并图案化以界定电极1115、1130。接着(例如)通过离子铣削而蚀刻掉导电层的暴露部分。
参看图12B,形成钝化结构。在此实例中,用于第一钝化层140的材料为氮化硅Si3N4,其沉积在所述结构上并使用标准光刻和蚀刻技术(例如,反应离子蚀刻)来蚀刻。明确地说,Si3N4层经图案化以形成开口来提供对电极1115、1130的接达。Si3N4层还经图案化以形成开口1105来断开形成在电极1115与电极1130之间在介电层125与钝化层140的界面处的泄漏路径。如图12B的俯视图所示,在此实例中,开口1105在间隙电容器的有源区上形成矩形。然而,在替代实例中,其它横向形状是可能的。
参看图12C,形成导电层135以接触电极1115、1130。导电层可以是(例如)金,其提供与电极1115、1130的低电阻电接触。在此实例中,可(例如)使用剥离工艺对金进行蚀刻,其中首先使用标准光刻技术沉积和图案化光致抗蚀剂层。接着可能在沉积粘合层之后将金沉积在光致抗蚀剂上。去除光致抗蚀剂层留下图案化导电层135。或者,可在所述图案化光致抗蚀剂层之前沉积金,并接着使用腐蚀金但不腐蚀BST或铂的基于碘的金蚀刻剂对金进行湿式蚀刻。
参看图12D,接着沉积并干式蚀刻第二钝化层145。可形成开口150以接触导电层135。第二钝化层145可以是(例如)聚酰亚胺。明确地说,钝化层145使BST薄膜介电层125的暴露于开口1105中的区钝化,由此中断可形成在电极1115、1130之间在介电层125与第一钝化层140的界面处的泄漏路径。
尽管已相当详细地描述图11B的间隙电容器1100B,但其它实施例将显而易见。举例来说,代替于毯覆式BST层,BST的岛可用用于电极1115、1130的部分在介电层125上且部分在衬底120上的金属形成。另外,图11B中的间隙电容器1100B图示为对于电极1115、1130、介电层125以及第一钝化层140中的开口1105具有特定形状。然而,这并不意味着是一种限制,因为并不要求所示的特定几何结构和形状。所述图用于说明用以断开电极1115、1130之间在BST薄膜介电层125与第一钝化层140的界面处的泄漏路径的钝化结构。可能具有不同几何结构的类似钝化结构可应用于不同形状的间隙电容器。
尽管详细描述含有许多细节,但这些细节不应解释为限制本发明的范围,而是仅应解释为说明本发明的不同实例和方面。应了解,本发明的范围包含上文未详细论述的其它实施例。可在不脱离如所附权利要求书中界定的本发明的精神和范围的情况下,在本文揭示的本发明的方法和设备的布置、操作和细节上作出所属领域的技术人员将了解的各种其它修改、变化和变更。因此,本发明的范围应由所附权利要求书及其合法等效物确定。