横向薄膜变阻器的低温制造
【专利摘要】本发明涉及横向薄膜变阻器的低温制造。一种使用不损害与被制造的变阻器邻接的IC设备组件的低温溅射技术来制造横向配置的薄膜变阻器电涌防护设备的结构和方法。横向薄膜变阻器可以由使用低温溅射工艺随后通过低温退火工艺而在两个横向隔开的电极之间形成的连续层组成，所述连续层包括第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的交替区域。
【专利说明】
横向薄膜变阻器的低温制造
技术领域
[0001]本发明一般涉及IC(集成电路)，并且更具体地涉及用于使用不损伤与被制造的变阻器邻接的IC设备组件的低温溅射技术来制造横向配置的薄膜变阻器电涌防护设备的结构和方法。
【背景技术】
[0002]尚性能IC芯片往往承受瞬态电压，而瞬态电压可能会损坏肷入在尚性能IC芯片内的设备组件。特别地是，在薄膜基板上制造的设备对ESD(静电放电)非常敏感。常规的ESD防护设备对于高电流瞬态较常见的应用通常不够鲁棒(robust)。例如，可控硅整流器(SCR)设备或通用瞬态电压抑制(TVS)设备可能不适合用于在薄膜上制造的射频(RF)电路的ESD防护，因为薄膜基板相较于厚膜基板而言对瞬态电压更敏感。
[0003]变阻器是帮助保护敏感IC组件免受这样的瞬态电压的非欧姆设备。变阻器对电的流动的阻力根据电场的变化而变化。虽然变阻器在正常的工作电压期间保持不导电，但是它的电阻随着电压的升高而开始降低，并且当电压过高时，诸如在电涌期间，变阻器开始传导该显著增加的电流，从而从敏感IC组件分流电流。与SCR和TVS设备不同，变阻器在较高的瞬态电压和由这样的较高的瞬态电压引起的较高的温度下稳定。
【发明内容】
[0004]根据实施例，提供了一种方法。所述方法可以包括通过使用低温溅射工艺随后通过低温退火工艺，在两个横向隔开的电极之间形成连续层，从而形成横向薄膜变阻器，所述连续层包括第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的交替区域。
[0005]在另一实施例中，提供了一种方法。所述方法可以包括形成横向薄膜变阻器，形成横向薄膜变阻器包括:在介电层上形成第一金属氧化物层;去除第一金属氧化物层的一部分以形成第一开口，所述第一开口暴露介电层的上表面;在介电层上形成隔离层，所述隔离层与第一金属氧化物层相邻并且在第一开口中；从第一开口去除隔离层的一部分以暴露介电层的上表面;在开口中形成第二金属氧化物层，其中第一金属氧化物层和第二金属氧化物层包括连续的交替层;去除隔离层的与连续的交替层相邻的部分以形成第二开口，所述第二开口暴露介电层的上表面；以及在第二开口中形成电极，所述电极与连续的交替层相邻并接触。
[0006]在另一实施例中，提供了一种结构。所述结构可以包括横向薄膜变阻器，所述横向薄膜变阻器由位于两个横向隔开的电极之间并且与所述两个横向隔开的电极接触的连续层组成，所述连续层包括第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的交替区域。
【附图说明】
[0007]结合所附附图，将最好地理解下面以示例的方式给出的而不旨在仅仅将本发明限制于此的详细描述，在附图中，可能未示出所有的结构。
[0008]图1是根据本发明实施例的示出了IC芯片的下布线层Mx的初步结构的横截面图。
[0009]图2A和图2B分别是根据本发明实施例的示出了形成第一金属氧化物膜图案的横截面图和俯视图。
[0010]图3是根据本发明实施例的示出了沉积隔离层的横截面图。
[0011]图4A和图4B分别是根据本发明实施例的示出了图案化隔离层的横截面图和俯视图。
[0012]图5A和图5B分别是根据本发明实施例的示出了沉积和图案化第二金属氧化物的横截面图和俯视图。
[0013]图6A和图6B分别是根据本发明实施例的示出了形成电极、第三介电层和附加布线层以及相关联的互连通孔/线的横截面图和俯视图。
[0014]附图不一定按比例绘制。附图仅是示意性表示，而并非旨在描绘本发明的具体参数。附图仅旨在描绘本发明的典型实施例。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
【具体实施方式】
[0015]本文公开了所要求保护的结构和方法的具体实施例;但是，可以理解的是，所公开的实施例仅仅是所要求保护的结构和方法的说明，所要求保护的结构和方法可以以各种形式来体现。但是，本发明可以体现为许多不同的形式并且不应被解释为对本文所描述的示例性实施例的限制。相反，提供这些示例性实施例是为了使得本公开将会是彻底的和完备的，并将会向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。
[0016]为了提供对本发明的透彻理解，在下面的描述中，许多具体的细节被阐述，诸如特定结构、组件、材料、尺寸、处理步骤和技术。然而，本领域的普通技术人员将认识到，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其它实例中，为了避免模糊本发明，公知的结构或处理步骤没有被详细描述。应当理解，当作为层、区域或基板的元件被称为在另一元件“上面”或者“上方”时，该元件可以在另一元件正上面或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为在另一元件“正上面”或在另一元件“正上方”时，则不存在中间元件。还应当理解，当元件被称为在另一元件“下面”、“以下”或“下方”时，该元件可以在该另一元件正下面或下方，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为在另一元件“正下面”或在另一元件“正下方”时，则不存在中间元件。
[0017]为了不模糊本发明实施例的介绍，在下面的详细描述中，在本领域中公知的一些处理步骤或操作可能结合在一起进行介绍，并且为了说明的目的，在某些实例中可能没有详细地描述。在其他实例中，在本领域中公知的一些处理步骤或操作可能完全没有描述。应当理解，下面的描述主要集中于本发明的各种实施例的区别特征或元素。
[0018]本发明的实施例一般涉及集成电路，并且更具体地涉及横向薄膜变阻器电涌防护设备的结构和制造方法。常规薄膜变阻器一般被配置成用于瞬态电流在垂直放置的电极之间的垂直流。随着IC芯片在其中同时结合增加数量的设备和功能的同时，IC芯片的大小也持续变得越来越紧凑，并且随着布线层持续变短，这种垂直变阻器配置开始产生空间限制。此外，形成垂直膜变阻器(其可能具有诸如氧化锌或氧化铋之类的复合氧化物的主体材料)的常规方法可利用在1000°c和1300 °C之间的温度来高温烧结。这样的高温会对与被制造的变阻器邻接的敏感半导体设备组件造成永久损坏。
[0019]因此，使用低温溅射技术，随后通过低温退火处理来形成横向配置的占用最小垂直空间的薄膜变阻器可能是有利的。连接到该薄膜变阻器的电极也可以横向放置，并用类似的低温溅射技术随后通过低温退火处理来制造。这个横向布置的薄膜型变阻器可以在薄膜IC芯片基板上制造，从而使得该变阻器和电极二者均配置成用于瞬态电压的横向流动。这种横向薄膜变阻器和形成这种横向薄膜变阻器的方法的实施例在以下参考图1-6B详细描述。
[0020]现在参考图1，其示出了可被用作制造横向薄膜变阻器的可能起点的初步结构100的剖视图。结构100可以包括位于基板102上的芯片的下布线层(Mx)112，且该下布线层(Mx)112包括第一介电层104(其中嵌有导电特征件114)、覆盖层106和第二介电层108。
[0021]在实施例中，基板102可以是薄膜基板、块状基板或者是绝缘体上半导体(SOI)基板中的任意之一。基板102可以由本领域中通常已知的任何半导体材料组成，包括例如硅、锗、硅-锗合金、碳化硅、硅锗碳化物合金和化合物(例如I1-VI)半导体材料。基板102可包括一个或多个通孔(未不出)和/或一个或多个半导体设备(未不出)。
[0022]第一介电层104可以通过常规的沉积工艺在基板102上形成，诸如像原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、分子束沉积(MBD)、脉冲激光沉积(PLD)、液体源雾状化学沉积(LSMCD)或溅射。在实施例中，基板102可通过常规的在氧气中的烘炉退火进行热氧化，以在基板102的上表面上产生由氧化娃(silicon d1xide)组成的第一介电层104。
[0023]第一介电层104可以由任何层间或层内介电材料组成，包括无机电介质和有机电介质。第一介电层104可以是有孔的或无孔的。在实施例中，第一介电层104可以由低k介电材料组成，包括但不限于氧化物和/或硅酸盐。“低k”材料是相对于氧化硅(S12)具有较低介电常数的介电材料，氧化硅的介电常数是3.9 (即，S i O 2的电容率除以真空的电容率的比值)。第一介电层104还可以包括在本领域中已知的任意组合的多层介电材料。第一介电层104的厚度可以根据所使用的介电材料而改变。在实施例中，第一介电层104可具有约在10nm到约3000nm范围之间的厚度。在优选实施例中，第一介电层104可以具有约200nm到约900nm范围内的厚度。
[0024]可以通过使用常规图案化和蚀刻工艺来形成开口(未示出)而在第一介电层104中形成导电特征件114。然后可以使用常规的沉积工艺将开口用导电材料填充，该沉积工艺包括但不限于ALD、CVD、PECVD、MBD、PLD、LSMCD、溅射、化学溶液沉积或电镀。导电特征件114可以由例如多晶硅、导电金属、导电金属硅化物或其组合来组成。在优选实施例中，导电材料可以是诸如铜、钨、铝或其合金之类的导电金属。在沉积导电材料之后，可以执行诸如像化学机械研磨(CMP)的常规平坦化工艺，以使得导电特征件114具有与第一介电层104的上表面基本齐平的上表面。在实施例中，导电特征件114可呈现为线或者通孔任意之一。在实施例中，导电特征件114可以由阻挡层(未示出)与第一介电层104隔开。
[0025]然后可以在第一介电层104和导电特征件114上形成覆盖层106。覆盖层106可以由任何适当的介电覆盖材料组成，诸如像SiC、Si4NH3、掺杂氮、氧和/或氢的SiC或它们的多层。覆盖层106可以使用常规的沉积工艺来形成，诸如像ALD、CVD、PECVD、MBD、PLD、LSM⑶、溅射、化学溶液沉积或蒸发。介电覆盖层106的厚度可根据用于形成介电覆盖层106的技术以及组成该层的材料而变化。在实施例中，介电覆盖层106可以具有从约15nm至约55nm范围的厚度，厚度范围从约25nm到约45nm是优选的。
[0026]然后可以在覆盖层106的上表面上形成第二介电层108。第二介电层108可以由与第一介电层104基本上相似的材料组成，并且可以使用与上述参照形成第一介电层104的那些技术基本上相似的技术来形成。
[0027]现在参照图2A和2B，示出了说明在第二介电层108上形成第一金属氧化物层204的横截面图和俯视图。第一金属氧化物层204可以通过沉积毯状金属氧化物层(未示出)并且然后进行常规的图案化和蚀刻工艺以去除选择的部分来制造。可以使用诸如直流(DC)溅射、射频(RF)溅射等的低温溅射技术，而不使用可能会损坏与被制造的金属氧化物层邻接的半导体组件和设备的高温烧结，来在第二介电层108上沉积毯状金属氧化物层。
[0028]在实施例中，毯状金属氧化物层可以由可以或可以不掺杂有例如氧化铝(Al2O3)的氧化锌(ZnO)组成。毯状金属氧化物层可以利用在惰性气体气氛中的低温溅射工艺来沉积，惰性气体诸如是氩、氦、氖、氪、氙或氡。在实施例中，沉积温度可以保持在低于约400°C。在实施例中，在沉积毯状金属氧化物之后，结构100可以通过使温度倾斜下降到室温来冷却。该过程可以导致形成如下的毯状金属氧化物层:该毯状金属氧化物层具有在约50nm到约500nm之间范围的厚度，其中锌晶粒的大小范围可介于约1nm与约300nm之间的范围内。由于毯状金属氧化物层利用低温溅射工艺沉积，因此基板102和邻近设备(未示出)可保持完好无损。
[0029]毯状金属氧化物层可以在不超过约350°C的温度进行大约30秒和几个小时之间的时间段的低温退火工艺。这种低温退火可以允许容易地控制和调整毯状金属氧化物层的物理性质以获得变阻器中的最优性能。该退火后处理可以将所得到的金属氧化物层204的电阻提高到数万欧姆，从而获得优异的变阻器性能。在实施例中，退火工艺可以在比第一金属氧化物层204的沉积期间所达到的最高温度低的温度下进行。在另一实施例中，退火工艺可以在比第一金属氧化物层204的沉积期间所达到的最高温度高的温度下进行。
[0030]然后可以使用常规的图案化和蚀刻工艺来图案化毯状金属氧化物层，以在第一金属氧化物层204中形成一个或多个开口 202。可以通过在第一金属氧化物层204的上表面上首先沉积光致抗蚀剂材料(未示出)来形成开口 202。然后可以通过光刻工艺来图案化光致抗蚀剂材料以提供光致抗蚀剂图案，并且然后蚀刻以形成开口 202。蚀刻工艺可以包括干法蚀刻工艺，诸如反应离子蚀刻(RIE)、离子束蚀刻或等离子蚀刻。图案化的光致抗蚀剂可以在蚀刻工艺完成之后被去除。开口 202可以具有基本上垂直的侧壁，并且可以暴露第二介电层108的上表面。
[0031]现在参考图3，示出了说明在第二介电层108的上表面上和在开口 202(图2)中形成隔离层302的横截面图。隔离层302可以通过使用常规的沉积工艺首先在第二介电层108和第一金属氧化物层204上沉积绝缘材料来形成，其中常规的沉积工艺诸如像是ALD、CVD、PECVD、MBD、PLD、LSMCD、溅射、化学溶液沉积或蒸发。在实施例中，绝缘材料可以由诸如像Si05、Si0x，Si0xNy、Si3N4、Al203或T12的介电材料组成。在沉积绝缘材料之后，该绝缘材料可以使用诸如CMP之类的常规平坦化工艺来平坦化，从而形成隔离层302。隔离层302可具有与第一金属氧化物层204的上表面基本齐平的上表面。在实施例中，第二介电层108的上表面可以在未被第一金属氧化物层204覆盖的所有区域中完全由隔离层302覆盖。
[0032]现在参照图4A和图4B，示出了说明在隔离层302中形成一个或多个开口 40 2的横截面图和俯视图。开口402可以通过去除隔离层302的第一金属氧化物层204之间的部分来形成，从而暴露第二介电层108的上表面。在实施例中，开口402可以使用常规的图案化和蚀刻工艺来形成。在另一实施例中，开口402可以通过使用诸如像反应离子蚀刻(RIE)之类的选择性蚀刻工艺去除选择的第一金属氧化物层204和第二介电层108的隔离层302的部分来形成。
[0033 ] 现在参照图5A和图5B，示出了说明在第二介电层108的上表面上的开口 402 (图4A和4B)中形成第二金属氧化物层504的横截面图和俯视图。可以使用与以上参照图2描述的形成第一金属氧化物层204所使用的那些技术基本上类似的技术来形成第二金属氧化物层504。在实施例中，第二金属氧化物层504可以由与第一金属氧化物层204相同的材料组成。在替代实施例中，第二金属氧化物层504可以由与第一金属氧化物层204不同的金属氧化物材料组成。在实施例中，第二金属氧化物层504可以由可以或可以不掺杂有例如氧化铝(Al2O3)的氧化铋(B2O3)组成。第二金属氧化物层504可以具有与第一金属氧化物层204的上表面基本平齐的上表面。在开口 402中沉积第二金属氧化物层504可导致形成如下的连续层:该连续层为氧化锌和氧化铋的交替区域。
[0034]如以上参考形成第一金属氧化物层204(图2)所述的，第二金属氧化物层504可以在惰性气体(诸如氩、氦、氖、氪、氙或氡)的气氛中使用溅射工艺在较低的温度下沉积。在实施例中，沉积温度可以保持在低于约400°C。第二金属氧化物层504然后可在大约350°C的温度下通过低温退火工艺进行加热大约30秒和几个小时之间的时间段。通过执行此过程，可以容易地控制该层材料的特性，从而形成高度稳定的第二金属氧化物层504，而不引起对基板102或相邻设备(未示出)的损坏。在实施例中，退火工艺可以在比第二金属氧化物层504的沉积期间所达到的最高温度低的温度下进行。在另一实施例中，退火工艺可以在比第二金属氧化物层504的沉积期间所达到的最高温度高的温度下进行。在实施例中，第一金属氧化物层204的退火和第二金属氧化物层504的退火可以同时进行，而不是单独地进行。
[0035]现在参考图6A，示出了说明在与第一金属氧化物层204和第二金属氧化物层504电接触的第二介电层108上形成电极608，从而形成横向薄膜变阻器602的横截面图。可以使用常规图案化和蚀刻工艺通过形成与第一金属氧化物层204相邻的开口(未示出)而在隔离层302中形成电极608。然后可以使用常规溅射技术(诸如DC磁控管或R.F.溅射)通过在低温下将导电材料溅射到开口中来填充开口。
[0036]电极608可以由例如多晶硅、导电金属、导电金属硅化物或其组合来组成。在优选的实施例中，导电材料可以是诸如铜、钨、铝或其合金之类的导电金属。在沉积导电材料之后，可以执行诸如像化学机械研磨(CMP)之类的常规平坦化工艺，以使得电极608具有与第一金属氧化物层204的上表面基本齐平的上表面。在实施例中，电极608可以由阻挡层(未示出)与隔离层302隔开。
[0037]在实施例中，在隔离层302、第一金属氧化物层204、第二金属氧化物层504和电极608上可以形成第三介电层604。第三介电层604的组成可以与第一介电层104基本上相似，并且可以使用以上参考形成第一介电层104(图1)所述的那些技术基本上类似的技术来形成。可以在第三介电层604中形成一个或多个导电特征件，包括线614和通孔612。在实施例中，可以形成延伸通过第三介电层604、隔离层302、第二介电层108和覆盖层106以接触导电特征件114的互连610。可以使用常规的图案化和蚀刻技术，随后在所蚀刻出的开口中沉积导电材料来形成线614、通孔612和互连610。线614、通孔612和互连610可以由与形成导电特征件114所使用的导电材料基本上类似的导电材料组成。在实施例中，线614、通孔612和互连610可以包括阻挡层(未示出)。
[0038]在实施例中，可以在第三介电层604和线614上形成顶部覆盖层606。顶部覆盖层606可以与覆盖层106的组成基本上相似，并且可以使用以上参考图1中的覆盖层106所述的那些技术基本上相似的技术来形成。应当指出的是，可以使用本领域中公知的技术在覆盖层606的上表面上制造诸如Mx+1、Mx+2等的附加互连布线层(未示出)。
[0039]现在参考图6B中，示出了沿剖面线A-A’(图6A)的说明横向薄膜变阻器602的横截面图。
[0040]本发明的实施例可以克服与通用瞬态电压抑制(TVS)设备和传统嵌入式静电放电(ESD)设备相关联的限制，这些设备可能不能处理具有薄膜基板的IC芯片中的较高的电压电涌。被配置用于垂直放置的电极之间的瞬态电流的垂直流动的常规变阻器、薄膜或除此之外的可能产生空间限制，因为IC芯片的布线层持续变短，而与此同时，越来越多的半导体设备被塞在这些拥挤的空间内。此外，在垂直薄膜变阻器制造中通常采用的高温烧结可能对附近的电极、薄膜基板和其他嵌入式半导体设备造成永久损坏。
[0041]所提出的横向薄膜变阻器的横向配置需要最少的垂直空间，并因而可以容易地安装在不断减小的IC芯片布线层高度内。所提出的横向薄膜变阻器和相关联的电极可以采用低温溅射随后通过低温退火来制造，从而避免了对薄膜基板和嵌入在IC芯片内的其它邻接的半导体设备造成损坏。所提出的横向薄膜变阻器即使在薄层配置中也可以具有稳定的电压性能特性，并可以能够更长时间地处理更高水平的电压电涌，而不用中断变阻器的功能。该横向薄膜变阻器可在可能由更高瞬态电压电涌引起的更高的温度下保持稳定。另外，通过调整沉积和/或退火的处理条件中的一个，横向薄膜变阻器的金属氧化物材料的电特性可被改变，从而更好地适应IC芯片的功能和效用。
[0042]虽然已经相对于具体实施例对公开内容进行了描述，但是对本领域的技术人员来说，考虑到前面的描述，许多替代、修改和变化将是清楚的。除非以其它方式明确地公开或者否则对本领域技术人员来说将会是不可能的，本公开内容的各个实施例中的每个可以单独实施，或与本公开内容的任何其他实施例组合。因此，本公开内容旨在包含落入本公开内容和以下权利要求的范围和精神之内的所有这样的替代、修改和变化。
【主权项】
1.一种形成横向薄膜变阻器的方法，所述方法包括: 使用低温溅射工艺随后通过低温退火工艺，在两个横向隔开的电极之间形成连续层，所述连续层包括第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的交替区域。2.如权利要求1所述的方法，其中，第一金属氧化物层包括氧化锌。3.如权利要求1所述的方法，还包括: 向第一金属氧化物层掺杂氧化铝。4.如权利要求1所述的方法，其中，第二金属氧化物层包括氧化铋。5.如权利要求1所述的方法，还包括: 向第二金属氧化物层掺杂氧化铝。6.如权利要求1所述的方法，其中，低温退火工艺在惰性气体气氛中进行。7.如权利要求1所述的方法，其中，低温退火工艺包括: 将连续层加热到不超过在低温溅射工艺期间所达到的最高温度的温度。8.一种形成横向薄膜变阻器的方法，所述方法包括: 在介电层上形成第一金属氧化物层； 去除第一金属氧化物层的一部分以形成第一开口，所述第一开口暴露介电层的上表面； 在介电层上形成隔离层，所述隔离层与第一金属氧化物层相邻并且在第一开口中； 从第一开口去除隔离层的一部分以暴露介电层的上表面； 在开口中形成第二金属氧化物层，其中第一金属氧化物层和第二金属氧化物层包括连续的交替层； 去除隔离层的与连续的交替层相邻的部分以形成第二开口，所述第二开口暴露介电层的上表面；以及 在第二开口中形成电极，所述电极与连续的交替层相邻并接触。9.如权利要求8所述的方法，其中，在介电层上形成第一金属氧化物层包括: 使用低温溅射工艺沉积氧化锌。10.如权利要求8所述的方法，其中，在开口中形成第二金属氧化物层包括: 使用低温溅射工艺沉积氧化铋。11.如权利要求8所述的方法，还包括: 向第一金属氧化物层掺杂氧化铝。12.如权利要求8所述的方法，还包括: 向第二金属氧化物层掺杂氧化铝。13.如权利要求8所述的方法，还包括: 执行低温退火工艺。14.如权利要求13所述的方法，其中，低温退火工艺包括: 将第一金属氧化物层和第二金属氧化物层加热到不超过约350°C的温度。15.如权利要求13所述的方法，其中，低温退火工艺包括: 将第二金属氧化物层加热到不超过约350 °C的温度。16.如权利要求13所述的方法，其中，低温退火工艺包括: 将第一金属氧化物层和第二金属氧化物层加热到不超过在低温溅射工艺期间所达到的最高温度的温度。17.如权利要求8所述的方法，还包括: 在连续的交替层、电极和隔离层上形成布线层； 在布线层中形成导电特征件，所述导电特征件与电极电接触。18.一种横向薄膜变阻器，所述横向薄膜变阻器包括: 位于两个横向隔开的电极之间并且与所述两个横向隔开的电极接触的连续层，所述连续层包括第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的交替区域。19.如权利要求18所述的横向薄膜变阻器，其中，第一金属氧化物层包括氧化锌。20.如权利要求18所述的横向薄膜变阻器，其中，第二金属氧化物层包括氧化铋。
【文档编号】H01L21/324GK105931961SQ201610102179
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月25日
【发明人】J·P·噶比诺, R·S·格拉夫, S·曼达尔
【申请人】国际商业机器公司