集成电路中的似电容元件制造技术

本申请涉及保护性陶瓷材料在集成电路中的应用。使用保护性陶瓷材料作为ＦＰＧＡ、ＰＲＯＭ、ＤＲＡＭ和超导电路的绝缘材料有很多好处。保护性陶瓷材料能致密地覆盖金属表面并没有缺陷，因此可以提高成品率。Ｐｉｌｌｉｎｇ－Ｂｅｄｗｏｒｔｈ比是鉴定绝缘材料有无保护性的很好判据。Ｐｉｌｌｉｎｇ－Ｂｅｄｗｏｒｔｈ比需大于１，最好小于２。使用多层保护性陶瓷材料可以更加减少缺陷密度并改善成品率。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请是与申请日为1996年10月17日、申请号为08/731,696的美国专利申请相应的中国申请。本专利技术属于集成电路领域，更确切地说，是关于保护性陶瓷材料在如下领域中的应用，包括场编程门阵列(FPGA)和可编程只读存储器(PROM)中的反熔丝(antifuse)、动态随机存取存储器(DROM)的存储电容、超导电路中的约瑟夫逊(Josephson)结等似电容元件。反熔丝(antifuse)是一个场编程门阵列(FPGA)、可编程只读存储器(PROM)等使用的场编程元件。它的结构和电容的结构类似有两个电极和一夹在两个电极之间的绝缘膜。该绝缘膜也被称为反熔丝膜，它使反熔丝在编程前处于一个高电阻的OFF态，在加上一个编程电压和电流之后，反熔丝被编程到它的ON态，并显示低电阻，从而导致两个电极之间的电导通。反熔丝的绝缘材料被称作反熔丝材料，它是反熔丝技术成功的关键。在一个FPGA或PROM中有上百万个反熔丝，它们都应表现出相似的特征，譬如说，未编程的反熔丝有小的漏电流。如果一个未编程的反熔丝中的漏电流大到使两个电极像导通一样，这个FPGA或PROM就会展示一个错误的逻辑功能，从而导致成品率降低。为了提高成品率，有必要保证反熔丝没有缺陷。如果每个反熔丝的面积是1μm2，那么，一个FPGA或PROM中的反熔丝的总面积会超过1mm2。因此，反熔丝材料的质量要好到至少可以生成缺陷密度小于1/mm2的似电容元件。金属-金属反熔丝被广泛地研究以应用于下一代的FPGA和PROM。一个主要的问题是要寻找一种高质量的反熔丝材料。现在，使用高温生成的金属氧化物作为反熔丝材料正引起越来越多的兴趣，如授予McCollum等的美国专利5,070,384(1990年4月12日)，提供了一个使用氧化钛作为反熔丝材料的反熔丝膜；授予Tung等的美国专利5,347,832(1994年12月20日)，描述了使用氧化钛、氧化钨作为反熔丝材料的反熔丝膜。遗憾的是，氧化钛、氧化钨不是保护性氧化物，因为它们具有多孔状的结构，故具有大的缺陷密度(J.Shackelford,“Introduction to Materials Science for Engineers”，第二版，609-610页，1988年)。使用这些反熔丝材料能否达到可以接受的成品率是有疑问的。为了达到高的成品率，我们需要去寻找一种具有低缺陷密度的反熔丝材料。动态随机存取存储器(DRAM)含有存储元阵列。每个DRAM的存储元含有一个存取晶体管和存储电容。存储电容由两个相对的电极和一个绝缘膜组成，数字信息由存储在存取电容上的电荷来表示。目前，一个DRAM芯片含有256兆比特的信息。这就意味着在这个DRAM芯片上有256兆存储电容。这些电容都应有类似的特征，如，它们能使足够多的电荷在电极上保持足够长的时间。如果一个电容的漏电流太大，那么，这些存储的电荷在下一个刷新信号到来之前可能会漏掉，因此，存储的信息会丢失。为了保证一个DRAM芯片有适当的功能，存储电容的漏电流应该很小、并可控制和重复。这个要求应该对DRAM芯片中的所有存储电容都适用。绝缘材料的完整性是保证每个存储电容的漏电流很小、并可控制和重复的关键。如果绝缘材料上有微孔，这种缺陷可导致过大的漏电流。为了保证成品率，DRAM芯片上的绝缘材料的缺陷密度应限制在一定程度之下。作为一个简单的估计，每个存储电容的面积是2μm2，那么，在一个千兆比特的DRAM的芯片上绝缘材料的总面积就会超过20cm2。因此，即使使用多余存储元的方案，绝缘膜的缺陷密度也应该低于～1/mm2。氧化硅/氧化氮/(氧化物)(ON(O))已经被用作动态存储器的绝缘材料。它的绝缘介质的完整性有很好的纪录。但是，氧化硅的介电常数为3.9，比较小。在1千兆比特的DRAM中的存储电容器的电容要求是在25～40fF。如果ON(O)被用作绝缘材料，一个存储元的电容面积应该至少是2μm2，另一方面，每个存储元的面积不超过0.2μm2，因此，要同时满足这两个关于电容和存储元面积的要求是很困难的。所以，人们把越来越多的注意力放到介电常数较大、可以减小电容面积的金属氧化物上。一般说来，金属氧化物的介电常数比较大，这样使它们适合于作存储电容的绝缘材料，在以往的动态存储器的技术中可以发现很多大介电常数金属氧化物的例子。授予Shinriki等的美国专利4,937,650(1990年6月26日)和授予Jones等的美国专利5,439,840(1995年8月8日)描述了使用氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)等作为绝缘材料的技术。但迄今为止，仍未见到关于这些材料成功的报导。其原因是这些材料的缺陷密度很高。开始，人们怀疑这些缺陷是在生产过程中引入的，但是使用先进的生产手段并未能解决这个问题。实际上，这些缺陷并不是由外因引起的，而是由材料本身的内因引起的。因为氧化钽(Ta2O5)和氧化钛(TiO2)本身是非保护性氧化物，也就是说，它们本身就有一个多孔性的结构(J.Shackelford,“Introduction to Materials Science forEngineers”，第二版，609-610页，1988年)。因此，使用上述这些材料都不能使集成电路达到高的成品率。超导电路有高速、低能耗等优点，Josephson结是超导电路的关键元件。它的结构也与电容类似，即，一层薄的绝缘材料被夹在两个超导材料之间。这个绝缘材料被用作一个隧道膜。在现有技术中使用的绝缘材料是氧化铝(Al2O3)，在超导电路中我们能找到更多的适用于超导电路的绝缘材料。由上面对现有技术的描述可知，场编程门阵列(FPGA)、可编程只读存储器(PROM)、动态存储器(DRAM)以及超导电路等的成品率在很大程度上依赖于绝缘材料的完整性。如果任何一个反熔丝、存储电容器或Josephson结的漏电流过大，那么整个芯片的功能就会受到极大影响。引起过大漏电流的主要原因是绝缘材料中的微孔，落入微孔中的金属微粒会在两个相对的电极之间形成一个电连接。对FPGA、PROM、DRAM和超导电路来说，理想的绝缘材料应该没有微孔。为了找到无微孔绝缘材料，本专利技术人研究了冶金学鉴定出的一组保护性覆盖材料。这些保护性覆盖材料是非多孔性的、并能密集覆盖住下面的金属。侵蚀剂，如氧，不能够穿过这些覆盖材料。于是，在侵蚀剂和被保护性覆盖材料覆盖的金属之间没有化学反应。保证这些覆盖材料具有保护性的关键因素是它们没有微孔。因此，当这些保护性覆盖材料被用作像DRAM之类的集成电路中的似电容元件的绝缘材料时，可以防止在电极之间流过大的漏电流。总的说来，最初在冶金学中发展出的鉴定保护性覆盖材料的准则，尤其是鉴定保护性陶瓷的准则，可以用来作为鉴定在集成电路中使用的理想绝缘材料的准则。下面将提供一个关于鉴定保护性陶瓷的总述。这些讨论可以同时应用在冶金学中的保护性覆盖材料和集成电路中的保护性绝缘材料。陶瓷是一种化合物，它由至少一种金属元素和以下五种非金属元素(碳、氮、氧、磷、硫)中的至少一种化合而成(表1)。这里陶瓷可以有多晶结构或无定形结构(无定形陶瓷也被称作玻璃)，一些陶瓷的例子是Al2O3、Cr2O3、SiC和Si3N4。一般说来，陶瓷是耐熔的，它们在高温下很稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成电路中的似电容元件，包括：一由导体构成并具有一上表面的第一底电极、一由导体构成的第二顶电极，以及一位于所述第一底电极和第二顶电极之间的绝缘膜，其特征在于：所述绝缘膜含有至少一层保护性陶瓷材料，该陶瓷材料是由至少一种金属元素与碳、氮、氧、磷和硫中的至少一种非金属元素之间的化合物组成的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1．一种集成电路中的似电容元件，包括一由导体构成并具有一上表面的第一底电极、一由导体构成的第二顶电极，以及一位于所述第一底电极和第二顶电极之间的绝缘膜，其特征在于所述绝缘膜含有至少一层保护性陶瓷材料，该陶瓷材料是由至少一种金属元素与碳、氮、氧、磷和硫中的至少一种非金属元素之间的化合物组成的。2．根据权利要求1所述的似电容元件，其特征在于所述保护性陶瓷材料的Pilling-Bedworth比大于1。3．根据权利要求2所述的似电容元件，其特征在于所述保护性陶瓷材料的Pilling-Bedworth比小于2。4．根据权利要求1所述的似电容元件，其特征在于所述保护性陶瓷材料是金属氧化物。5．根据权利要求4所述的似电容元件，其特征在于所述金属氧化物是Be、Cu、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Pb、Ce、Sc、Zn、Zr、La、Y、Nb、Rh和Pt中至少一种元素的氧化物。6．根据权利要求1所述的似电容元件，其特征在于所述保护性陶瓷材料是金属氮化物。7．根据权利要求6所述的似电容元件，其特征在于所述金属氮化物是Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Zr、Nb、Ta、Al和Ge中的至少一种元素的氮化物。8．根据权利要求1所述的似电容元件，其特征在于所述保护性陶瓷材料是金属碳化物。9．根据权利要求8所述的似电容元件，其特征在于所述金属碳化物是Ti、Si、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Y、Zr、Nb、Mo、La、Hf、Ta、W和Al中的至少一种元素的碳化物。10．根据权利要求1所述的似电容元件，其特征在于所述保护性陶瓷材料是金属磷化物。11．根据权利要求10所述的似电容元件，其特征在于所述金属磷化物是Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Cd和Sn中至少一种元素的磷化物。12．根据权利要求1所述的似电容元件，其特征在于所述保护性陶瓷材料是金属硫化物。13．根据权利要求12所述的似电容元件，其特征在于所述金属硫化物是Cu、Ag、In、Sn、Tl、Pb和Bi中的至少一种元素的硫化物。14．根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国飙，
申请(专利权)人：张国飙，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]