具有嵌入多孔介质中的通孔的电容器结构的制作方法

本发明涉及集成领域，更具体地，涉及电子产品、相关半导体产品及其制造方法。

背景技术：

1、硅无源集成技术如今可用于工业设计。例如，由村田集成无源解决方案(murataintegrated passive solutions)开发的pics技术允许将高密度电容部件集成到硅基板中。根据该技术，可以将数十或甚至数百个无源部件有效地集成到硅管芯中。

2、例如，在p.banerjee等人的题为“nanotubular metal-insulator-metalcapacitor arrays for energy storage(用于能量存储的纳米管金属-绝缘体-金属电容器阵列)”(2009年5月发表于natural technology)的著作中，描述了在多孔阳极材料例如多孔阳极氧化铝(paa)中形成的金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，mim)结构。金属、绝缘体以及然后金属的连续层遵循多孔材料的轮廓，致使mim结构被嵌入在多孔材料的孔的内部。然而，由于可以通过原子层沉积(ald)沉积的paa厚度，banerjee的paa嵌入结构受到高的等效串联电阻(esr)和有限的电容密度的影响。

3、在国际申请公开wo 2015/063420 a1中描述了f.voiron等人的改进了banerjee的esr和电容的结构。voiron的结构产生了可以用于各种应用的高度集成的电容。在该结构中，孔的底部被打开，并且mim结构的下部金属层与位于多孔区域下方的导电层接触，从而提供电接触并降低esr。

4、通常，如上所述的paa嵌入结构由将结构(例如，mim电容堆叠)嵌入在基板例如硅晶片上方的多孔区域内部而产生。通常，多孔区域由对沉积在基板上方的金属例如铝的层进行阳极氧化而产生。阳极氧化将铝层转换成多孔阳极氧化铝。通常，多孔区域形成为任何形状(当从顶部观看)，并且在垂直于晶片表面的方向上延伸穿过氧化铝层。

5、图1以截面图示出了用于将电容器结构嵌入多孔区域中的常规布局100。下层结构可以包括基板102、在基板104上方的导电层104和在导电层104上方的金属层106。

6、根据常规布局100，金属层106在限定的区域106b中被阳极氧化，从而留下区域106a未被阳极氧化。通常，这是通过在金属层106的顶部施加硬掩模层(未示出)来掩蔽与区域106a对应的区域来实现的。掩模保护这些区域不与阳极氧化电解质接触。因此，在硬掩模层开口的区域106b中形成多孔区域。然后，根据需要将电容结构嵌入一个或更多个区域106b中。

7、然而，事实上，产生图1的常规布局的有效结构是不同的。事实上，如图2所示，并且更详细地如图3所示，区域106b的每一个实际上由区域106c和两个横向区域106d组成。

8、区域106c对应于孔形成良好(即，孔基本上是均匀的，并且一直向下延伸至导电层104)的区域。事实上，可能需要在底部蚀刻区域106c的一些孔以确保它们完全开口，但是通常这些孔足以将mim堆叠沉积在其中。

9、相比之下，区域106d对应于孔极有可能变形并且因此不足以接纳mim堆叠的区域。

10、区域106d中的孔变形是由于这些区域与每个区域106与其周围区域106a之间的界面相邻。实际上，如上面提及的，在阳极氧化期间，在限定的区域106a上形成硬掩模，以保护这些区域不被阳极氧化。区域106d到该硬掩模的接近导致这些区域中逐渐减小的阳极氧化电场。越靠近硬掩模边缘，阳极氧化电场越弱，并且孔形成越少。

11、这种现象的效果是区域106d中的孔停止在残留的铝凸缘302中，而不是一直向下延伸至导电层104。区域106d中的孔终止于凸缘302的事实是这些孔不足以接纳mim堆叠的另一原因。事实上，mim沉积并且特别地导电m层的沉积是使用热原子层沉积(ald)完成的。用于这样的导电层沉积(例如，用于像tin、mon、wn等的导电材料)的前体是氯基的，并且会引起铝的腐蚀。

12、事实上，区域106d的宽度与被阳极氧化的金属层106的厚度相关(金属层越厚，区域106d越宽)。大约，区域106d的宽度是金属层106的厚度的3倍。

13、可以通过对阳极氧化过程的附加控制来减小凸缘302(和区域106d)的宽度。例如，可以允许该过程持续更长的时间。然而，这带来了削弱层104与106之间的界面从而导致层106的部分的分层的风险。具体地，当阳极氧化过程被允许运行更长的时间时，难以控制层104的氧化，并且特别地难以限制层104在孔之间的水平方向上的氧化。当孔随后(在打开孔的底部的步骤期间)被蚀刻时，层104与106之间的界面变弱从而，导致层106分层。

14、在实现方式中，可以在结构100中设置一些区域106a，以形成用于从顶部接触被嵌入到区域106b中的电容结构的底部电极的电通孔。另外，可以在晶片的接近切割通道的边缘(晶片的未构建电容结构的区域处)设置一些区域106a。

15、通常期望通过设置若干通孔来接触给定的底部电极来提供接触冗余。另外，在一些情况下，可能需要增加电通孔来提高电性能。例如，期望减小电容器结构的等效串联电阻(esr)和等效串联电感(esl)。增加电通孔可以有助于减小esr和esl二者。这对于较小尺寸的电容器(例如，小于1/4mm2)尤其如此，其中，电容并行化低于较大尺寸的电容器结构。

16、然而，当电容器结构中需要大量电通孔时，凸缘302(和区域106d)的存在是有问题的。事实上，如图4所示，每当两个多孔区域106b之间存在有效宽度d1的区域106a时，由于区域106d的损失，需要比d1大得多的宽度d2。事实上，本发明的发明人已经观察到，实现15微米的有效宽度d1的电通孔可能需要高达100微米的横向覆盖区，因为区域106d可能均高达30微米(并且其中工艺叠加规则需要进一步的间隔)。

17、图5是示出由图1的常规结构100产生的有效电容区域的俯视图500。具体地，区域502对应于构建有电容结构的晶片区域。区域502可以对应于上述区域106c。相反地，区域504是不用于电容结构的晶片区域。区域504可以对应于上述区域106a和106d。区域506对应于晶片的切割区域。

18、如图5所示，有效电容区域远低于根据常规结构100的晶片的总区域。这在图6中进一步示出，图6示出了根据示例实现方式的作为电容器表面区域的函数的有效电容区域与总区域的比率。示例实现方式假设，有效通孔宽度(d1)为15微米，并且针对区域106d的每一个的宽度为30微米。

19、如所示的，对于小于0.25mm2的电容器，有效区域/总区域的比率低于80％。对于在0.1mm2以下的电容器，比率降至低于70％，并且对于在0.04mm2以下的电容器，比率降至低于50％。

20、本发明是鉴于上述问题而做出的。

技术实现思路

1、本发明提供了一种电容器结构，包括：

2、基板；

3、在基板上方的导电层；以及

4、在导电层上方的多孔层，该多孔层具有从多孔层的顶部表面向导电层垂直延伸的孔，

5、其中，多孔层包括第一区域和第二区域，第一区域的孔中设置有导电线，并且第二区域的孔中设置有金属-绝缘体-金属(mim)结构。

6、导电线形成穿过电容器结构的通孔。因此，电容器结构在多孔层中包括用于形成电容的区域和用于设置穿过电容器结构的通孔的区域二者。

7、通孔可以用于接触导电层，导电层可以用作电容器结构的电极的底部。

8、mim结构和通孔二者都设置在同一多孔层中的事实减少了电容器结构内的通孔的横向覆盖区。因此，增加了多孔层的有效利用以及电容器结构内的有效电容区域。

9、另外，随着电容器结构内从多孔区域到无孔区域(例如，非阳极氧化金属)的过渡减少，具有残留的下层金属的多孔区域减少。由于这样的多孔区域可能易于腐蚀，因此它们的减少提高了电容器结构的可靠性。

10、在实施方式中，多孔层包括孔是空的第三区域，第三区域将第一区域和第二区域分开。第三区域可以有助于保持mim结构与导电线的电隔离。具有其空的孔的第三区域还可以降低电容器结构内的机械应力。

11、第三区域可以与第一区域紧密相邻，并且与第二区域紧密相邻。因此，第三区域可以有助于满足叠加制造规则。

12、在实施方式中，多孔层的孔的底端在导电层上开口。这允许嵌入至孔中的部件与多孔层下层的导电层之间的接触。

13、在实施方式中，设置在第二区域的孔中的mim结构包括被共形地设置在第二区域中的第一金属层、被共形地设置在第一金属层上的绝缘体层、以及被共形地设置在绝缘体层上的第二金属层。第一金属层在第二区域的每个孔的底部处接触导电层。

14、在实施方式中，导电线的底端在第一区域的孔的底部处接触导电层。导电层可以形成电容器结构的底部电极。因此，导电线形成穿过电容器结构的通孔，以用于接触电容器结构的底部电极。

15、在实施方式中，导电层包括第一层和第二层，第二层设置在第一层与多孔层之间。

16、在实施方式中，第一层由铝制成，但是可以使用其他金属。

17、在实施方式中，第二层由钨或钛制成。在实施方式中，第二层用作蚀刻阻挡层，以用于在通过多孔层的阳极氧化形成期间保护第一层。这确保第一层不被阳极氧化，从而确保其保持高导电性。

18、在实施方式中，第二层是不连续的，并且在多孔层的第一区域和/或第二区域下方开口。可以执行在第一区域和/或第二区域下方的第二层的开口，以确保mim结构的第一金属层与导电层之间以及/或者导电线与导电层之间的直接接触。

19、在实施方式中，多孔层由阳极氧化铝(aao)制成。

20、在实施方式中，基板可以由硅、玻璃或聚合物制成。

21、在另一实施方式中，基板可以由硅制成，并且在其自身与导电层之间可以具有场氧化物层。导电层可以是铝或铜层以及阻挡层(如钛或钨)的复合层。

22、在实施方式中，电容器结构包括金属层，该金属层在导电层上，从侧面围绕多孔层。金属层可以是初始金属层的被阳极氧化以形成多孔层的残留部分。金属层可以围绕多孔层的边缘。

23、在另一实施方式中，金属层还可以包括多孔层内部的岛。金属岛的数目和位置可以在阳极氧化以形成多孔层之前通过设计来选择。具体地，选择金属岛以确保尽可能均匀的阳极氧化。

24、在实施方式中，该电容器结构包括：

25、与mim结构接触的第一导电层；以及

26、第二导电层，其与第一导电层隔离，与导电线的顶端接触。

27、第一导电层可以用作电容器结构的顶部电极。第二导电层可以用作到电容器结构的底部电极的接触件。

28、在另一方面，本发明还提供了一种制造电容器结构的方法，包括：

29、在导电层上方形成多孔层，该多孔层具有从多孔层的顶部表面向导电层垂直延伸的孔；

30、在多孔层的第一区域的孔中形成导电线，导电线的底端在第一区域的孔的底部处接触导电层；

31、在多孔层的第二区域的孔中形成金属-绝缘体-金属(mim)结构。

32、在实施方式中，在第一区域的孔中形成导电线包括：

33、在多孔层上沉积第一硬掩模，该第一硬掩模在第一区域上开口；

34、通过电化学沉积(ecd)在第一区域的孔中增长导电线。

35、在实施方式中，导电线可以由镍或铜制成。

36、在实施方式中，在第二区域的孔中形成mim结构包括：

37、移除第一硬掩模；

38、沉积第二硬掩模，该第二硬掩模覆盖多孔层的第一区域和相邻的第三区域(130)；以及

39、将mim结构沉积到多孔层和第二硬掩模中。

40、在实施方式中，该方法还包括：

41、在mim结构上形成第一导电层；

42、在第一区域的至少一部分上蚀刻mim结构和第二硬掩模，以使至少一些导电线的顶端露出；

43、在第一导电层上形成绝缘层，绝缘体层完全覆盖第一导电层；以及

44、在顶端露出的导电线和绝缘层的至少一部分上形成第二导电层，第二导电层与所述至少一些导电线的顶端接触。