[发明专利]电场间隙器件与制造方法

说明书

技术领域

本发明关于电场间隙器件，其意为利用阴极与阳极之间的小间隙的器件，在阴极与阳极之间确立一个电场。

背景技术

静电放电(Elecrostatic Discharge,ESD)保护器件是这种器件的一个实例。这类器件用于保护集成电路免受由于静电放电带来的伤害。在放电事件中，电压可能高压数千伏特，然而电路元件上的电压需要被保护在例如不超过10V的环境下。

已经存在多种ESD保护器件，例如耦合到地的线圈和电容、或者如电花隙或压敏电阻等专用元件。很多此类元件的缺点在于：需要在较低且待续的电容与较低的过冲电压之间寻找权衡。

对于部分应用(例如天线)而言，更需要持续的电容与相对较低的过冲电压的组合。

一种克服电容的非线性和高的过冲电压的方法是利用场致发射。这种方法利用一对分离的金属点，该对金属点用于形成场致发射的放电。

这种结构需要两个电极，彼此之间的空隙相对较窄(如50nm)，以便允许电子从一个电极移动至另一电极；且尽可能地不产生火花。然而，在较强的放电事件中，还是会有火花形成。窄空隙也可以得到较低的过冲电压。

美国专利US5933718披露了场致发射ESD保护器件的一种例子。其用于解决在使用与栅堆叠相同的结构情况下提升形成特定空隙尺寸的可靠性的问题。

发明内容

本发明提出一种提供横向电场间隙器件的改进的制程与结构。

本发明由各权利要求所定义。

本发明提供一种用于形成电场间隙结构的方法，其包括：

在衬底上形成第一介电层；

在第一介电层上形成阴极层；

在阴极层上形成第二介电层；

穿过第二介电层和阴极层蚀刻阳极沟道，至第一介电层；

以第三介电层布衬所得的表面；

在阳极沟道中形成导电的阳极柱；

刻蚀掉阳极柱附近的第三介电层和第二介电层，并至少部分地刻蚀掉阳极柱附近的第一介电层，以保留阴极层的悬置部分，以形成与相邻的阳极柱之间的横向间隙。

该方法通过阴极层形成沟道，以定义所述层的边缘。所述边缘随后被布衬以定义所需的间隔。当该布衬最终被刻蚀掉时，形成所需的间隔间隙，并形成悬置的阴极层部分。所述阴极层部分横向地突出，其由牺牲刻蚀工艺形成，从而因为突出的部分在所述过程中任何阶段都不会被覆盖，因此没有覆盖问题。出于突出的阴极层的角部，所述出的部分是尖的。特别地，牺牲刻蚀过程去除了上部和下部的材料，以定义所述突出部分以及形成所需要的间隙。

所述电场间隙结构可以是ESD保护结构。突出的层定义阴极。两种相似的具有相反极性的结构可以被连接到一种需要保护的电路上，从而可以在ESD事件中为两种极性都提供保护。阳极柱提供较厚的具有良好热导性的层，用于传导由静电放电产生的热。

该方法可以进一步包括通过第一介电层至衬底形成互连柱，其中阴极层形成于第一介电层和互连柱上。这意味着，连接到阴极层的电性连接被拉低到衬底或其下的电路上。

该方法可进一步包括在阳极柱上形成封装层。这可以用于形成一种封闭的结构。这种结构可以在较低的压力(如真空)之下进行封闭，以防止在间隙之间的电火花。此外，本发明的器件也可以用作火花隙器件。

第一、第二和第三介电层可各包括二氧化硅或氮化硅，且它们可以都是相同的材料。这将使得刻蚀过程更为可控。特别地，三个层都要经过全部或部分的刻蚀过程，以定义所述悬置阴极部分和阴极-阳极间隙。

互连柱包括由钛、氮化钛、钨以及包括这些材料的合金中的一个或多个形成的堆叠。

优选地，阳极沟道仅部分延伸进入第一介电层。这意味着第一介电层的一部分可以保留在阳极下方。因此这种结构可以被选用以提供在阳极与衬底之间所需的电容。

第三介电层的厚度选择为相应于所需的阳极-阴极间隙。这意味着，既然间隙与沉积的层的厚度相应，则间隙的尺寸可以精确地调整。

阳极柱的材料也用于形成阳极接触区，阳极接触区形成于阳极柱所形成的区域外的第三介电层上。

在一种实施方式中，所述横向场致发射ESD保护结构形成于集成电路之上，其中互连柱连接到集成电路内的金属层。该金属可以可以是其下的集成电路的顶部金属互连层。通过将所述结构设置于集成电路上，例如设置于CMOS集成电路上，所述使用的各层可以根据ESD保护的特定需求而定制，各层也可以完全地集成于所欲保护的电路。

本发明还提供一种电场间隙结构，其包括：

在衬底上的第一介电层；