电场间隙器件及其制造方法技术

本发明专利技术提出了一种电场间隙器件及其制造方法。在一组沟道的侧壁周围对衬底材料进行氧化。屏蔽结构意味着在顶部比底部存在更多的氧化物生长，结果是沟道之间的未氧化衬底材料区域形成了在顶部具有尖顶尖端的锥形形状。这些尖顶衬底区域然后用于形成阴极。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电场间隙器件，其意味着使用阴极和阳极之间的小间隙的器件，在所述间隙上建立了电场。
技术介绍
静电放电(ESD)保护器件是这种器件的一个示例。这些器件用于保护集成电路免受由于静电放电引起的损坏。放电事件中的电压可能达到上千伏特，而需要保护电路部件以防止超过例如10V的电压。许多ESD保护器件是可用的，例如耦合接到地的线圈或电容，或者像火花隙或变阻器那样的专用部件。许多这些器件的缺点是在低恒定电容和低过冲电压之间存在折衷。对于一些应用(例如，天线)，要求恒定电容和相对较低过冲电压的结合。理论仿真示出了用于克服非线性电容和高过冲电压的一种方式是使用场发射。这种方法使用一对间隔的金属点，用于发起场发射放电。该结构要求两个电极之间具有相对较窄的间隙(例如，50nm)，以允许电子从一个电极行进至另一个电极，并且也可能要求不产生火花。然而，火花可能是由于强放电事件形成的。较窄的间隙还实现了较低的过冲电压。在US5933718中公开了场发射ESD保护器件的示例。这种器件的目的在于使用与栅极叠层相同的结构来形成特定间隙尺寸的可靠性。
技术实现思路
为了增强场发射效果，优选地是在(至少)一个电极处产生锐利的尖端。本专利技术目的在于提供一种用于提供电场间隙器件的改进工艺和结构，具体地具有一组锐利的电极尖端。本专利技术由权利要求限定。本专利技术提出了一种形成电场间隙器件的方法，包括：提供硅衬底；在衬底中刻蚀阴极沟道；用衬垫电介质层向得到的表面加衬垫；在阴极沟道侧壁上形成屏蔽区域，但是在阴极沟道的顶部上保留未屏蔽的部分；对阴极沟道的未屏蔽部分处的衬底进行氧化，从而在阴极沟道之间保留了尖顶(pointed)未氧化衬底区域；刻蚀掉尖顶衬底区域处和上面的层；在每一个尖顶衬底区域上提供阴极接触；在阴极接触上形成牺牲层；在牺牲层上提供阳极金属层；刻蚀牺牲层以在阴极接触和阳极金属层之间形成腔体。该工艺包括对一组沟道的侧壁周围的硅衬底材料进行氧化。屏蔽结构意味着在顶部而不是底部处存在更多的氧化物生长，结果是沟道之间的未氧化衬底材料形成了在顶部处具有尖顶尖端的锥形形状。然后，这些尖顶衬底区域用于形成阴极。术语“阴极沟道”简单地用于表示在形成阴极时所述沟道起作用，在沟道中实际上没有形成阴极接触。相反，阴极沟道可以按照柱或条带阵列的形式限定沟道之间的衬底区域，在所述柱或条带阵列上将要形成阴极接触。阳极-阴极间隙由牺牲刻蚀工艺来形成，因此可以精确地控制阳极-阴极间隙。具体地，选择阴极金属接触上牺牲层的厚度，以对应于所需的阳极-阴极间隙。优选地，该结构是场发射ESD保护结构。尖顶结构限定了阴极。具有相反极性的两个类似结构可以与需要保护的电路相连，使得可以向两种极性的ESD事件提供保护。阳极可以是具有良好热传导率的厚层，用于传输由静电放电引起的热。可以在衬底上形成第一电介质层之后，将阴极沟道穿过第一电介质层并刻蚀到衬底中。这用作氧化阻挡物。衬垫电介质层可以包括二氧化硅，并且屏蔽区域可以包括氮化硅。氮化硅可以用作氧化工艺的屏蔽。可以在阳极金属层上形成盖层，所述盖层覆盖阳极金属层中的牺牲刻蚀孔。可以在减小的压力(例如，真空)下形成盖层，使得形成腔体，所述腔体防止在阳极-阴极间隙中形成电弧。对阴极沟道的未屏蔽部分处的衬底进行氧化可以包括使用LOCOS工艺。本专利技术还提出了一种电场间隙结构，包括：硅衬底；延伸到衬底中的阴极沟道，其中沟道侧壁的顶部包括氧化的衬底材料，使得在相邻的沟道之间存在锥形的未氧化衬底区域，其中每一个衬底区域的顶部包括用阴极金属涂覆的尖顶阴极接触区；尖顶阴极接触上面的腔体；以及腔体层上面的阳极金属层。该结构具有整形的衬底区域，用于形成尖顶阴极接触。阴极沟道可以包括阴极沟道内的氮化硅侧壁部分以及二氧化硅部分，所述二氧化硅部分在沟道顶部比在沟道底部宽。附图说明现在将参考附图详细描述本专利技术的示例，其中：图1示出了本专利技术方法的示例工艺中的第一阶段；图2示出了阴极沟道的三种可能布局；图3至12示出了工艺中的后续阶段；以及图13示出了根据本专利技术的最终器件。具体实施方式本专利技术提出了一种形成电场间隙结构的方法，例如所述电场间隙结构可以用作场发射ESD保护结构，其中对一组沟道的侧壁周围的衬底材料进行氧化。屏蔽结构意味着在顶部比底部存在更多的氧化物生长，结果是沟道之间的未氧化衬底材料区形成了在顶部处具有尖顶尖端的锥形形状。这些尖顶衬底区域然后用于形成阴极。将参考图1至13描述用于制造器件的工艺中的多个阶段，其中图13示出了最终器件。应该注意的是附图所示的尺寸和厚度并没有按比例绘制。图1示出了硅衬底10，其上沉积了氮化硅层12，优选地硅衬底10和氮化硅层12之间具有薄(例如10nm)二氧化硅层13以避免硅衬底中的机械应力。这两层12、13可以看作是第一电介质层的子层，用于提供对于后续氧化工艺的屏蔽。氮化硅12也可以由其他电介质材料形成，例如氮氧化硅(SiON)，只要该层12防止硅表面在随后工艺中被氧化。层12的厚度部分地依赖于最终器件结构的所需阳极-阴极距离(例如，500nm)以及这一层抵抗工艺中进一步的干法/湿法刻蚀步骤的抵抗力。在光刻之后，对这两层12和13进行刻蚀，接着是硅衬底10中的沟槽刻蚀。优选地，利用反应离子刻蚀(RIE)来进行这些刻蚀步骤，以实现对所需尺寸的良好控制。图1中示出了得到的结构。沟槽14可以是条带布局结构以产生楔形物，或者是圆形/正方形布局结构以产生锥形物/角锥。同样，其他布局也是可以的，例如三角形布局。图2以平面图示出了三种可能的沟槽图案。在图2a中，沟槽是平行条带；在图2b中，它们形成了交联的环，从而限定了圆形未刻蚀柱16的阵列；以及在图2c中，它们形成了方向网格，限定了正方形未刻蚀柱16的阵列。可以考虑其他布局，例如六边形或三角形布局。可以想象这些沟槽是阴极沟道，因为它们用于随后形成阴极接触。在产生沟槽之后，沉积或者热生长薄(例如10nm)二氧化硅层20(可以看作是衬垫层的第二电介质层)，并且沉积和各向异性刻蚀氮化硅层22(例如20nm)以在沟槽的侧壁处产生氮化硅隔离物。这些隔离物用作屏蔽区域，因为它们用于控制稍后对硅衬底的那些部分进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成电场间隙结构的方法，包括：提供硅衬底(10)；在衬底(10)中刻蚀阴极沟道(14)；用衬垫电介质层(20)向得到的表面加衬垫；在阴极沟道侧壁上形成屏蔽区域(22)，但是在阴极沟道(14)的顶部处保留未屏蔽的部分；对阴极沟道的未屏蔽部分处的衬底(10)进行氧化，从而在阴极沟道之间保留尖顶未氧化衬底区域(42)；刻蚀掉在尖顶衬底区域(42)处及其上面的层；在每一个尖顶衬底区域上提供阴极接触(50)；在阴极接触(50)上形成牺牲层(52)；在牺牲层(52)上提供阳极金属层(56)；刻蚀牺牲层(52)以在阴极接触和阳极金属层之间形成腔体(62)。

【技术特征摘要】
2013.06.26 EP 13173864.31.一种形成电场间隙结构的方法，包括：
提供硅衬底(10)；
在衬底(10)中刻蚀阴极沟道(14)；
用衬垫电介质层(20)向得到的表面加衬垫；
在阴极沟道侧壁上形成屏蔽区域(22)，但是在阴极沟道(14)的
顶部处保留未屏蔽的部分；
对阴极沟道的未屏蔽部分处的衬底(10)进行氧化，从而在阴极沟
道之间保留尖顶未氧化衬底区域(42)；
刻蚀掉在尖顶衬底区域(42)处及其上面的层；
在每一个尖顶衬底区域上提供阴极接触(50)；
在阴极接触(50)上形成牺牲层(52)；
在牺牲层(52)上提供阳极金属层(56)；
刻蚀牺牲层(52)以在阴极接触和阳极金属层之间形成腔体(62)。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：在衬底(10)上形成第一电
介质层(12，13)，之后刻蚀阴极沟道(14)穿过第一电介质层并刻蚀到
衬底(10)中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中第一电介质层包括多个子层
(12，13)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中第一电介质层(12，13)
包括氮化硅。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中衬垫电介质层(20)包
括二氧化硅，并且屏蔽区域(22)包括氮化硅。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中牺牲层(52)包括二氧
化硅或TEOS。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：在阳极金属层上形
成盖层(64)，所述盖层覆盖了阳极金属层中的牺牲刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·因赞特，奥拉夫·温尼克，克劳斯·莱曼，
申请(专利权)人：恩智浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL