[发明专利]一种直立式电容结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直立式电容结构及其制作方法，属于微电子无源器件技术领域。

背景技术

电容是具有存储电荷功能的无源器件，具有退耦、开关噪声抑制、旁路滤波、交流/直流转换以及信号隔离等电气功能。不论在分立器件电路中或集成电路中都具有重要的功能。电容值的变化范围通常在皮法拉（pF）到微法拉（μF）量级之间。

在集成电路40多年的发展历程中，晶体管的特征尺寸遵循着摩尔定律不断缩小，实现集成电路功能与性能不断提高。然而，电容的尺寸，受限于介电材料，无法有效缩小，目前已经远大于晶体管的尺寸。在集成电路中，尤其是模拟集成电路设计，单个皮法拉量级电容的面积已经高达～1000μm²，大大增加了芯片的总面积，从而，显著增加了芯片的制造成本。虽然有节省面积的电容，比如高介电常数电容，但是，这种结构的电容往往具有很高的损耗和很差的电压系数，难以满足高性能模拟电路的需求。另一方面，电容值很难达到微法拉量级，研究人员不得不采用其它的方法去弥补这一缺陷。可见，在未来的发展中，仍需要设计高密度、高性能、低成本的电容来满足市场需求。

现今的CMOS集成电路工艺采用薄膜技术制造电容。为了得到较高的电容密度，一般采用较高介电常数的薄膜，如BaTiO₃和PbZr_xTi_1-xO₃等作为介电。由于电容的击穿电压和介电的介电常数成反比，因此，采用这种方案得到的电容具有较低的击穿电压；同时，由于介电材料具有较高的温度灵敏度，因此，采用该方案得到的电容也具有较高的温度灵敏度。如何在增大电容密度的同时保障器件的电学性能是研究的一个热点问题。

直立式电容是实现高密度电容的一种可行方法。通过使用高密度深沟结构，能够有效增加电容面积，从而提高电容密度，结合晶圆减薄技术，可用于三维集成技术中连接上下芯片的高频通道。现有的沟槽电容结构不能完全称为直立式电容，虽然在垂直衬底方法上对电容面积进行了扩展，但其上下电极板还是类似于平铺式电容，并且电极板填充材料多为多晶硅，阻值较大，不能充分地对沟槽表面充电。另一方面，现有的深沟电容结构多用于存储器，尚未应用于三维集成电路中多层芯片间的高频通道。

发明内容

本发明的目的是为提高集成电路的电容密度及集成度，提出一种直立式电容结构及其制作方法。

本发明的直立式电容基于垂直衬底方向上扩展电容面积的思想，不同于现有的沟槽电容电极板材质及其制作方法，利用垂直方向的电极板面积，采用溅射，电镀等工艺制作金属电极板，极板采用金属等低电阻率材质。结合硅通孔技术，实现大深宽比的直立式电容；结合衬底背部减薄技术，该直立电容结构贯穿衬底，能用作多层芯片间的高频通道。

一种直立式电容，具体结构包括：位于晶圆衬底内的深沟结构、依次淀积于深沟内侧壁的绝缘层和导电层、以及填充于导电层之间的介电层。绝缘层、导电层、介电层与深沟等高。

所述直立式电容垂直内嵌于晶圆衬底，自上而下贯通晶圆衬底。

所述深沟结构为环形。所述环形包括回形环、圆形环和多边形环。

所述深沟结构还能为两个平行的矩形条，或者两个平行的多边形条。

所述的晶圆衬底材料为硅晶圆、玻璃晶圆、蓝宝石晶圆、砷化镓、有机晶圆中的一种。

所述绝缘层的材料为二氧化硅、氧化铝、氮氧化硅、氮化硅、高分子聚合物中的一种。

所述导电层材料为铜、铝、铁、镍、钛、钨、铂、金、银、钛、钯、钽、多晶硅、硅化钛、硅化钨、硅化钼、硅化铂和硅化钴中的一种。

所述介电层材料为氮化硅、二氧化硅、氧化钽、氧化钛、氧化锌、锆钛酸铅、钛酸钡锶、高分子聚合物的一种。

所述高分子聚合物为苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂中的一种。

电容值的大小与介电层的介电质材料及其厚度、深沟的高度及其内侧壁表面积相关，高度越高，内侧壁表面积越大，电容值越大。介电质的厚度越小，介电常数越大，电容值越大。

一种直立式回形电容结构的制作方法，包括如下步骤：

步骤1，采用深反应离子刻蚀技术，在晶圆衬底上制作垂直于衬底底面的深沟结构；

步骤2，在深沟结构内侧壁及晶圆衬底上表面淀积绝缘层；

步骤3，在绝缘层上淀积导电层；

步骤4，在导电层形成的深沟中填充介电材料，形成介电层；

步骤5，去除晶圆衬底上表面的介电层和导电层；

步骤6，在晶圆衬底下表面进行减薄处理，直至裸露出导电层。