一种电容器的制造方法及结构与流程

本发明涉及半导体器件领域，特别是涉及一种电容器的制造方法及结构。

背景技术：

硅电容器是一种基于硅衬底制造的器件，它提高了复杂电子电路的集成度。然而，为了减少半导体衬底面积的消耗，还需要继续提高硅电容器的电容密度，即每个单元半导体衬底面积的电容。一种现有的方法是扩大电极的覆盖范围。

公开号为us8283750b2的美国专利electronicdevicehavingelectrodewithhighareadensityandimprovedmechanicalstability公开了一种沟槽电容器，该电容器基于一种形成于衬底的沟槽，在这些沟槽中形成有电容层堆栈，并设有一个从沟槽底部一直延伸到基板表面的支柱。为了提高力学稳定性，电元件主要通过支柱交叉垂直来延伸支柱的长度。这类沟槽型电容器为了增加电容，通过深沟槽和收缩临界尺寸改变电容，或者在沟槽中形成沟槽交叉堆栈，以增加电极覆盖面积。

此外，一种在硅衬底上形成的三维单元(3d-cell)电容器也可以实现较高的电容器密度。例如，公开号为us9647057b2的美国专利capacitor3d-celland3d-capacitorstructure公开的一种在硅衬底上形成的3d单元电容器，可以产生低等效串联电阻和高电容器表面密度。

然而，在实际的生产应用中，如何通过更加简单的结构和工艺来提高电容器的电容密度仍然是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术，本发明的目的在于提供一种电容器的制造方法及结构，用于提高电容器的电容密度。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电容器的制造方法，包括以下步骤：

提供一衬底；

在所述衬底上采用等离子体刻蚀法，利用偏置脉冲和源脉冲的交替互补作用刻蚀形成具有粗糙侧壁的沟槽；

在所述沟槽内形成介电层，所述介电层共形的内衬于所述沟槽的内表面；以及

在所述沟槽内形成导电层，所述导电层填充于所述沟槽内部并通过所述介电层与所述衬底分离；

其中，在刻蚀所述沟槽时，所述偏置脉冲交替的开启和关闭，以控制交替产生偏置功率，所述源脉冲保持开启，并且根据所述偏置功率的变化调整所述源脉冲的功率进行补偿。

可选地，所述偏置脉冲关闭时，增大所述源脉冲的功率作为补偿，所述偏置脉冲开启时，减小所述源脉冲的功率。

可选地，在刻蚀所述沟槽时，所述偏置脉冲周期性的开启和关闭。

进一步可选地，所述偏置脉冲开关循环的频率为每秒1-500次。

进一步可选地，在一个开关循环内，所述偏置脉冲的工作时间占开关循环总时间的20％-80％。

可选地，所述偏置功率的范围是0-2000w，所述源脉冲的功率范围是10-1000w，刻蚀气压为5-1000mtorr。

可选地，在刻蚀所述沟槽时，采用碳氟化物等离子体进行刻蚀。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种由上述方法制成的电容器结构，包括：

衬底，具有粗糙侧壁的沟槽，以及包裹所述沟槽的第一电极；

介电层，共形的内衬于所述沟槽的内表面上；

导电层，填充于所述沟槽内，通过所述介电层与所述第一电极分离；以及

第二电极，与所述导电层连接；

其中，所述沟槽采用等离子体刻蚀法利用偏置脉冲和源脉冲的交替互补作用刻蚀形成，所述沟槽的侧壁，根据所述偏置脉冲的交替开关，在沟槽深度方向上具有交替的凹凸起伏形状。

可选地，所述沟槽的侧壁由沟槽的开口向底部根据所述偏置脉冲的周期性开关而具有周期性的凹凸起伏形状。

如上所述，本发明的一种电容器的制造方法及结构，具有以下有益效果：

本发明利用等离子体刻蚀中偏置脉冲和源脉冲的交替互补作用形成了侧壁粗糙的电容沟槽，使沟槽侧壁在沟槽深度方向上具有交替的凸凹起伏，可增加电容面积，从而提高电容器的电容密度。相较于现有技术，本发明的方法简单，易于实现，沟槽侧壁形貌可精确控制，具有很强的实用价值。

附图说明

图1显示为本发明实施例提供的电容器制造方法示意图。

图2显示为本发明实施例提供的等离子体刻蚀沟槽时偏置脉冲和源脉冲的交替互补作用示意图。

图3显示为本发明实施例提供的电容器结构示意图。

元件标号说明

100衬底

101沟槽

200第一电极

300介电层

400导电层

500第二电极

600钝化层

s1-s4步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本实施例提供一种电容器的制造方法，包括以下步骤：

s1提供一衬底；

s2在所述衬底上采用等离子体刻蚀法，利用偏置脉冲和源脉冲的交替互补作用刻蚀形成具有粗糙侧壁的沟槽；

s3在所述沟槽内形成介电层，所述介电层共形的内衬于所述沟槽的内表面；以及

s4在所述沟槽内形成导电层，所述导电层填充于所述沟槽内部并通过所述介电层与所述衬底分离。

在步骤s2中，采用等离子体刻蚀所述沟槽时，所述偏置脉冲交替的开启和关闭，以控制交替产生偏置功率，所述源脉冲保持开启，并且根据所述偏置功率的变化调整所述源脉冲的功率进行补偿。

本发明在偏置脉冲和源脉冲的交替互补作用下，可以使沟槽的侧壁在沟槽深度方向上形成交替的凹凸起伏形状，从而增大了沟槽的侧壁面积，由于所述介电层共形的内衬于所述沟槽的内表面，因此，侧壁凹凸起伏的形状实际上增大了介电层与电极的接触面积，进而可增大电容面积。

具体地，当所述偏置脉冲关闭时，可以增大所述源脉冲的功率作为补偿，所述偏置脉冲开启时，相应减小所述源脉冲的功率。具体地功率值可以根据实际情况来调整。

由于目前通常采用硅衬底，在刻蚀所述沟槽时，可以采用碳氟化物(cxfy)等离子体进行刻蚀。本实施例中，所述偏置功率的范围可以是0-2000w，所述源脉冲的功率范围可以是10-1000w，刻蚀气压可以为5-1000mtorr。

作为本发明的优选方案之一，在刻蚀所述沟槽时，所述偏置脉冲可以周期性的开启和关闭。为了获得更多的电极覆盖面积，偏置脉冲开/关的频率应该是适度的。以所述偏置脉冲的一次开启和关闭为一个开关循环，所述偏置脉冲开关循环的频率可以为每秒1-500次。在一个开关循环内，所述偏置脉冲的工作时间可以占开关循环总时间的20％-80％，即占空比为20％-80％。

作为本实施例的一种优选方案，偏置脉冲和源脉冲的交替互补作用可以如图2所示，其中实线表示为偏置脉冲，虚线表示为源脉冲。在一个开关循环内，偏置脉冲开启时，源脉冲采用较低的功率，偏置脉冲关闭时，源脉冲采用一个比之前更高的功率进行补偿，整个刻蚀过程按照这样在方式对偏置脉冲和源脉冲进行周期性的循环控制，对应可以得到沟槽侧壁由上到下的周期性的凹凸起伏。

图3所示为对应得到的电容器结构。该电容器结构包括：衬底100、第一电极200、介电层300、导电层400和第二电极500。其中，介电层300作为第一电极200和第二电极500之间的电容器电介质，可以根据实际情况选用适合的电介质材料，本发明对此没有限制。衬底100可以采用硅衬底或其他适合的半导体材料，衬底100具有粗糙侧壁的沟槽101。第一电极200设置在衬底100上，包裹所述沟槽101，与介电层300接触。介电层300共形的内衬于所述沟槽101的内表面上。导电层400填充于所述沟槽101内，并通过所述介电层300与所述第一电极200分离。第二电极500与所述导电层400可以连接为一体。第一电极200可作为电容器的下电极，第二电极500可作为电容器的上电极，第一电极200、第二电极500和导电层400可以选用适合的导电材料，本发明对此没有特殊限制。在第二电极500的边缘还可以覆盖钝化层600。

由于所述沟槽101采用等离子体刻蚀法利用偏置脉冲和源脉冲的交替互补作用刻蚀形成，所述沟槽101的侧壁，根据所述偏置脉冲的交替开关，在沟槽深度方向上具有交替的凹凸起伏形状。这样的侧壁形貌使与之共形的介电层300具有更大的表面积，从而增加了电极覆盖面。

当偏置脉冲和源脉冲的交替互补作用如图2所示时，即对偏置脉冲和源脉冲进行周期性的循环控制，那么所形成的沟槽101侧壁由沟槽101的开口向底部会根据所述偏置脉冲的周期性开关而具有周期性的凹凸起伏。

如图3中的放大部分所示，当偏置脉冲关闭时逐渐形成沟槽侧壁向内的凸起，此时凸起的程度可由偏置脉冲关闭的时长和补偿的源脉冲功率决定，当偏置脉冲开启时逐渐形成沟槽侧壁向外的凸出，此时凸出的程度可由偏置脉冲开启的时长和偏置功率决定。图3中实线箭头表示偏置脉冲开启时，主要是偏置脉冲对沟槽形貌起作用，虚线表示偏置脉冲关闭时，主要是源脉冲的补偿对沟槽形貌起作用。这样，在实际应用中就可以通过对偏置脉冲和源脉冲的调节来控制侧壁的粗糙度，例如可以通过控制偏置脉冲开关循环的频率来控制沟槽侧壁的凹凸频率，以及通过控制偏置脉冲在开关循环中的工作时间、偏置功率和源脉冲的功率来控制凹凸的程度。

综上所述，本发明利用等离子体刻蚀中偏置脉冲和源脉冲的交替互补作用形成了侧壁粗糙的电容沟槽，使沟槽侧壁在沟槽深度方向上具有交替的凸凹起伏，可增加电容面积，从而提高电容器的电容密度。相较于现有技术，本发明的方法简单，易于实现，沟槽侧壁形貌可精确控制，具有很强的实用价值。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。