[发明专利]集成电路中的似电容元件

说明书

本发明属于集成电路领域，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。