用于高电压集成电路电容器的方法和设备技术

在所描述的高电压集成电路电容器的示例中，电容器结构(1000)包括半导体衬底(1010)；底板(1020)，其具有覆盖半导体衬底的导电层；沉积的电容器电介质层(1030)，其覆盖底板(1020)的至少一部分并且在第一区中具有大于约6μm的第一厚度；倾斜过渡区(1045)，其位于所述第一区的边缘处的电容器电介质中，倾斜过渡区具有从水平面倾斜大于5度的上表面，并且从第一区延伸到具有低于所述第一厚度的第二厚度的电容器电介质层的第二区；以及形成的顶板导体(1040)，其在第一区中覆盖电容器电介质层的至少一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高电压集成电路电容器的方法和设备
本专利技术大体涉及电子电路系统，并且更具体地，涉及用于在半导体制造工艺内构建集成高电压和超高电压电容器的方法和设备。
技术介绍
在现代工业设备中，在越来越多的应用中使用计算机控制器。对于控制器的低电压与电动机或设备的高电压之间的电隔离的需求正在增长。取决于所控制的设备，使用各种常规方法对系统进行电隔离，但是所述方法仍允许电耦合。隔离为两个电路之间的信号或电力提供了AC路径，但消除了直接连接。这在节点之间存在接地电势差的情况下是重要的。因为噪声可以通过接地环路传输，隔离用于破坏信号域之间的直接连接路径并且破坏公共接地环路，否则噪声会干扰电路的适当操作。常规隔离方法能够包括使用变压器以对电路进行磁耦合，使用RF信号以便通过辐射能耦合，使用光能的光隔离器，或者在两个电路之间使用电容器，所述电容器使用电场耦合所述电路。其他隔离需求包括将模拟和数字电路系统集成到具有单独功率域的单个封装集成电路上。虽然光隔离器是用于低速通信应用的合适解决方案，但是在需要隔离并且光隔离器不合适的其他应用中需要电容器。设置在电路板上或被设置作为用于集成电路的封装的一部分的电容器已经被用于隔离。例如，1988年10月25日签发的Meinel的题目为“用于混合集成电路高电压隔离放大器的封装及制造方法(PackagesforHybridIntegratedCircuitHighVoltageIsolationAmplifiersandMethodofManufacture)”的美国专利号4,780,795公开了一种用于集成电路的混合封装，其包括定位在封装内的两个硅集成电路装置，并且还在封装内使用在陶瓷衬底上形成的平面分立电容器以用于在两个硅电路之间进行隔离。然而，随着到硅上的电路集成继续发展，使用和期望可在半导体衬底上与其他电路系统(例如，集成电容器隔离器)一起形成的隔离器。为了获得用于与较高电压一起使用的增加的电容值，常规方法中使用的电容器可以串联耦合，但是这种方法需要附加的硅面积。因此，期望能够用于高电压隔离的值的集成电容器。这些电容器可以串联使用以便获得更高的电容器值，或隔离电容器可用于形成分立部件，以及在具有附加电路系统的集成电路中使用。在示例实施例内并且如当前在电源电路工业中所描述的，低电压被认为低于50V，并且高电压被定义为大于50伏特且小于5,000伏特的电压。超高电压是大于5,000伏特且小于～20,000伏特的电压。本文中的布置针对高电压应用和超高电压应用。在小型化的趋势下，需要使用集成电容器以用于隔离的控制接口。集成电容器为隔离和电源电路应用提供最小的解决方案。然而，在常规解决方案中，为了在超高电压范围(诸如大于5,000伏特的峰值)内产生集成电容器，通过串联耦合两个或更多个较低电压电容器来形成所需的大电容。因此，期望增加的电容器值以便进一步减小实现特定隔离电路解决方案所需的硅面积。理想平行板电容器的击穿电压与板之间的介电强度和距离有关，如方程式(1)所示：Vbd＝Edsd(1)其中：Vbd＝击穿电压；Eds＝介电强度并且d＝板间距离方程式(1)示出了对于恒定电介质材料，增加电容器板之间的距离将线性地增加击穿电压。在集成电路中，在两个不同的金属层通常可以形成电容器板的情况下，通过增加层之间的电介质厚度来增加板距离d。然而，在集成电路工艺中，增加到足以用于高电压电容器的距离的电介质厚度也能够导致晶圆(wafer)弯曲或翘曲。为了将电介质厚度增加到足以使Vbr大于5,000伏特，晶圆翘曲能够变得如此明显，以至于电介质加厚步骤下游的半导体处理设备不能够适当地处理晶圆。另外，在使用具有金属间(inter-metal)电介质的典型多层级(level)金属层系统以实现用于高电压电容器的足够厚的电介质的常规方法中，添加多层金属和氧化物，并且然后剥离不需要的金属区域以创建所需的电介质厚度的工艺导致电容器的电气劣化。形成金属、光致抗蚀剂、蚀刻、校平/平面化(诸如化学机械抛光(CMP))以及清理的附加工艺操作引起缺陷增加，并且向晶圆生产添加了额外成本，这是不期望的。然而，在集成电路工艺中，将电介质厚度增加到足以用于高电压电容器和超高电压电容器的距离具有许多挑战。通常压缩的电介质膜的非常厚的层能够导致严重的晶圆翘曲，以使得电介质沉积步骤下游的半导体处理设备不能够适当地处理晶圆。另外，嵌入附加的金属层级(正是出于增加电容器的底板与顶板之间的电介质厚度的原因)导致与以下重复处理环路相关的显著成本增加：形成层级间连接通路(via)，然后形成图案化的金属层，并且然后在金属层上沉积和平面化电介质材料。因此，需要对方法和设备进行持续改善，以提供可以使用常规半导体处理方法以及通过常规设备并且以相对低的成本制造的集成高电压和超高电压值电容器。
技术实现思路
在所描述的高电压集成电路电容器的示例中，电容器结构包括：半导体衬底；底板，其具有覆盖半导体衬底的导电层；电容器电介质层，其被沉积为覆盖底板的至少一部分并且在第一区中具有大于约6μm的第一厚度；倾斜过渡区(transitionregion)，其位于第一区的边缘处的电容器电介质中，该倾斜过渡区具有从水平面倾斜大于5度的上表面，并且从第一区延伸到具有低于第一厚度的第二厚度的电容器电介质层的第二区；以及顶板导体，其被形成为在第一区中覆盖电容器电介质层的至少一部分。附图说明图1是示出了示例实施例的MESA工艺在创建高电压和超高电压电容器中的有效性的曲线图。图2描绘了在初始处理之后使用MESA结构形成的高电压或超高电压电容器布置的一部分的横截面视图。图3描绘了在随后处理步骤使用如图2所示的MESA形成布置的高电压或超高电压电容器的一部分的另一个横截面视图。图4描绘了准备用于MESA蚀刻的在随后处理步骤使用如图3所示的MESA形成布置的高电压或超高电压电容器的一部分的另一个横截面视图。图5描绘了蚀刻步骤之后的在随后处理步骤使用如图4所示的MESA形成布置的高电压或超高电压电容器的一部分的另一个横截面视图。图6描绘了在随后处理步骤使用如图5所示的MESA形成布置的高电压或超高电压电容器的一部分的又一个横截面视图，其示出了顶部电容器板的形成。图7描绘了在使钝化外涂层(overcoat)氧化物/SiON双层沉积之后，使用如图6所示的MESA形成布置的高电压或超高电压电容器的一部分的又一个横截面视图。图8描绘了在优选地从将形成引线接合(或其他接合方法)的区移除钝化外涂层之后，使用如图7所示的MESA形成布置的高电压或超高电压电容器的一部分的又一个横截面视图。图9描绘了准备用于聚酰亚胺图案的在随后处理步骤使用如图8所示的MESA形成布置的高电压或超高电压电容器的另一个横截面视图。图10描绘了使用示例实施例的MESA形成的已完成的高电压或超高电压电容器的另一个横截面视图。图11描绘了使用示例实施例的MESA结构的高电压电容器电介质的一部分的横截面视图，其示出了单次氧化物沉积。图12描绘了使用示例实施例的MESA结构的高电压电容器电介质的一部分的另一个横截面视图，其示出了多步氧化物沉积。图13描绘了使用示例实施例的可替换MESA结构的高电压电容器电介质的一部分的又一个横截面视图，其示出了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容器结构，其包括：半导体衬底；底板，其包括覆盖所述半导体衬底的导电层；沉积的电容器电介质层，其覆盖所述底板的至少一部分并且在第一区中具有大于约6μm的第一厚度；倾斜过渡区，其位于所述第一区的边缘处的所述电容器电介质中，所述倾斜过渡区具有从水平面倾斜大于5度的上表面，并且从所述第一区延伸到具有低于所述第一厚度的第二厚度的所述电容器电介质层的第二区；以及形成的顶板导体，其在所述第一区中覆盖所述电容器电介质层的至少一部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.06 US 62/076,176;2015.11.05 US 14/933,6381.一种电容器结构，其包括：半导体衬底；底板，其包括覆盖所述半导体衬底的导电层；沉积的电容器电介质层，其覆盖所述底板的至少一部分并且在第一区中具有大于约6μm的第一厚度；倾斜过渡区，其位于所述第一区的边缘处的所述电容器电介质中，所述倾斜过渡区具有从水平面倾斜大于5度的上表面，并且从所述第一区延伸到具有低于所述第一厚度的第二厚度的所述电容器电介质层的第二区；以及形成的顶板导体，其在所述第一区中覆盖所述电容器电介质层的至少一部分。2.根据权利要求1所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层是氧化物，并且包括在所述电容器电介质层与所述底板之间形成的至少一个电介质材料层，其进一步包括氮化硅和氮氧化硅中的至少一种。3.根据权利要求2所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层是在单个沉积步骤中形成的单片层。4.根据权利要求3所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层包括通过TEOS沉积工艺形成的氧化物。5.根据权利要求2所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层包括使用多个沉积步骤形成的多个电介质层。6.根据权利要求5所述的电容器结构，其中使用多个氧化物沉积步骤形成所述多个电介质层。7.根据权利要求6所述的电容器结构，其中使用多个TEOS沉积步骤形成所述多个电介质层。8.根据权利要求2所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层包括形成为交替的压缩应力层和拉伸应力层的多个电介质。9.根据权利要求8所述的电容器结构，其中所述多个电介质层形成为包括二氧化硅的多个层。10.根据权利要求9所述的电容器结构，其中使用二氧化硅的多个TEOS沉积步骤形成所述多个电介质层中的至少两个。11.根据权利要求2所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层和所述至少一个电介质层的厚度之和大于约8μm。12.根据权利要求1所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层的厚度在约6μm与约15μm之间。13.根据权利要求1所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层进一步包括在所述电容器电介质层与所述顶板导体之间形成的上层，所述上层包括二氧化硅和氮氧化硅。14.根据权利要求13所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层的所述上层进一步包括在所述上层中形成的开口。15.根据权利要求1所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层进一步包括小于所述半导体衬底的总表面积的35％的面积。16.根据权利要求1所述的电容器结构，其中所述电容器电介质层进一步包括在所述半导体衬底的总表面积的约25％与35％之间的面积。17.一种方法，其包括：提供半导体衬底；形成覆盖所述半导体衬底的导电材料的电容器底板；形成覆盖所述电容器底板的至少一部分的电容器电介质层，所述电容器电介质层...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·韦斯特，T·D·博尼菲尔德，B·L·威廉姆斯，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US