CN101165922A - 堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构 - Google Patents

堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构 Download PDF

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Abstract

一种堆叠式金属－氧化物－金属(MOM)电容器结构及其制造方法，以增加电极/电容器介电耦合面积，并借以增加电容，此金属－氧化物－金属电容器结构包括多个金属化层，呈堆叠关系；其中每一金属化层包括实质平行且分隔开的多个导电电极线部分，且这些导电电极线部分至少包括一第一中介电容器介电质；以及其中这些导电电极线部分借由多个导电镶嵌线部分而电性交互连接在金属化层之间，且导电镶嵌线部分形成于一第二电容器介电质中且位于这些导电电极线部分的下方。本发明在微缩化金属－氧化物－金属结构的同时，获得较高电容值。

Description

堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构
技术领域
本发明涉及一种金属-氧化物-金属(MOM)电容器结构，特别是涉及一种镶嵌堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构及其制造方法，其中此镶嵌堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构包括一简化布局，且此制造方法包括形成具有增加的电容耦合面积的金属-氧化物-金属结构，以增加金属-氧化物-金属结构的电容。
背景技术
科技的发展已使得对系统晶片(System-on-chip；SoC)产品的需求持续升高，其中在系统晶片产品中，类比与数位信号的处理均能令人满意。举例而言，类比电路从周遭环境中捕抓一个类比信号，并将此类比信号转换成数个位元，接着将这些位元转换成数个信号，以驱动数位电路而产生功能。将类比电路与数位电路紧邻设置的优势日益提高，例如在此种型态中，电路系统的数位区块与类比区块一起运作以执行此系统的功能，这样的型态亦称为混合式系统(Mixed Mode System)。
例如，类比/混合式信号设计中的被动元件(电感、电阻与电容)具有相当广泛的应用功能，包括调谐(Tuning)、滤波(Filtering)、阻抗匹配(ImpedanceMatching)与增益控制(Gain Control)。举例而言，金属-氧化物-金属电容器在许多混合信号集成电路中，例如类比频率调谐电路、交换式电容器电路(Switched Capacitor Circuits)、滤波器、共振器(Resonator)、上调变(Up-conversion)与下调变(Down-conversion)混合器、以及类比/数位转换器(A/D Converters)，为相当关键的元件。
在包含于类比电路建构区块中的金属-氧化物-金属结构中，经常需要具相对大的电容的电容器。现有的金属-氧化物-金属结构通常借由指叉状(Inter-digitated)金属线电极而获得较高的电容，其中此指叉状金属线电极达成在特定金属化阶层中使电容器平行布线。
举例而言，现有的金属-氧化物-金属电容器结构已是将金属线电极形成在堆叠式金属化阶层中，其中这些金属化阶层的金属化层透过金属介层窗而互相交互连接(Interconnecting)。
现有的技术的问题包括利用大量堆叠式金属化层与相关交互连接介层窗来达到所需的电容程度，因而占用了宝贵的半导体面积与体积。
因此，在半导体元件处理技术中需要一种金属-氧化物-金属电容器结构及其工艺，在兼顾金属-氧化物-金属结构的微缩化与成本效益的同时，可获得较高电容值。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的金属-氧化物-金属电容器结构存在的缺陷，而提供一种新的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，所要解决的技术问题是使其在微缩化金属-氧化物-金属结构的同时，获得较高电容值，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其至少包括：多个金属化层，呈堆叠关系；其中，每一个金属化层至少包括平行且分隔开的多个导电电极线部分，且上述多个导电电极线部分至少包括一第一中介电容器介电质；以及其中，上述多个导电电极线部分借由多个导电镶嵌线部分而电性交互连接在上述多个金属化层之间，上述多个导电镶嵌线部分形成于一第二电容器介电质中且位于上述多个导电电极线部分的下方。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其中相间隔的上述多个导电电极线部分分别电性连接至一第一共同电性交互连接以及一第二共同电性交互连接，以提供一信号来源而形成平行布线的多个电容器。
前述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其中所述多个导电镶嵌线部分至少包括一沟渠，且该沟渠的宽度与长度相等或小于与对应的上述多个导电电极线部分。
前述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其中所述多个导电电极线部分位于多个导电镶嵌线部分的上方并涵盖上述多个导电镶嵌线部分。
前述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其中所述多个导电电极线部分与上述多个导电镶嵌线部分至少包括一金属，其中该金属是选自于由钽、钨、钛、铝与铜所组成的一个组。
前述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其中所述多个导电电极线部分之间的距离大于2000。
前述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，更至少包括多个电性交互连接位于每一个金属化层中，以分别提供一信号至相间隔的上述多个导电电极线部分。
前述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其中所上述多个电性交互连接是利用多个特征而电性交互连接在上述多个金属化层之间，上述多个特征选自于由多个介层窗与多个沟渠线所组成的一个组。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为了达到上述目的，并依照本发明的目标，且如同在此所体现且概括描述地，本发明提供一种堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构及其制造方法，以增加电极/电容器介电耦合面积，借以增加电容值。
借由上述技术方案，本发明堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构至少具有下列优点：
1.本发明借由沟渠介层窗可增加电极电容耦合面积，以在不增加电容器结构的体积下增加结构的电容。举例而言，本发明的金属-氧化物-金属电容器结构已可较使用传统介层窗的相似结构增加约25％的有效电容值。举例而言，依照较佳实施例，可将约1.43飞法/微米平方(fF/μm2)的有效电容增加到约1.79fF/μm2。
2.此外，本发明的金属-氧化物-金属电容器结构可相容于现存的超大型集成电路工艺，且可在不增加额外的光罩与蚀刻步骤下实施。再者，可在不增加半导体晶片上供元件形成的晶片面积下，获得较大的电容值。
本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在结构或功能上皆有较大的改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的金属-氧化物-金属电容器结构具有增进的突出功效，从而更加适于实用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一实施例的一种金属-氧化物-金属电容器结构的部分示范立体图。
图2是本发明一实施例的一种金属-氧化物-金属电容器结构的部分示范上平面视图。
图3A与图3B是本发明一实施例的一种金属-氧化物-金属电容器结构在一处理阶段的部分剖面图。
图4是包括本发明的数个实施例的流程图。
1：列                2：列
3：列                4：列
10A：内连线          10B：内连线
11A：阻障层          11B：阻障层
12A：电容器介电层    12B：电容器介电层
14：蚀刻终止层       16A：沟渠介层窗
16B：沟渠介层窗                      18A：金属线电极部分
18B：金属线电极部分                  20A：金属线电极部分
20B：金属线电极部分                  21A：阻障层
21B：阻障层                          22A：电容器介电层
22B：电容器介电层                    24：蚀刻终止层
28：沟渠介层窗部分                   30：金属电极线部分
32A：金属线电极/沟渠介层窗结构       32B：金属线电极/沟渠介层窗结构
210：程序                            203：程序
205：程序                            207：程序
A：金属线电极                        A+1：金属线电极
A+2：金属线电极                      B：沟渠介层窗
B+1：沟渠介层窗                      B+2：沟渠介层窗
I1：介电材料                         I2：介电材料
I3：介电材料
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的金属-氧化物-金属电容器结构其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
在参照示范镶嵌结构来描述本发明的金属-氧化物-金属电容器结构及其制造方法时，可了解的一点是，这些镶嵌结构可利用传统单或双重镶嵌工艺来加以制作。
请参照图1，其绘示一种示范堆叠式金属化结构的立体图，其仅绘示金属部分，以更适当地图例出本发明的金属-氧化物-金属电容器结构。可了解的一点是，一或更多电容器介电材料，例如介电材料I1、I2与I3，较佳为金属氧化物，设置在列，例如金属-氧化物-金属电容器结构的堆叠式金属线电极/沟渠介层窗的列1、2、3与4之间的空间中。金属-氧化物-金属电容器结构的堆叠式金属线电极/沟渠介层窗相隔一段预设距离，以获得所需的电容值，其中此段预设距离的大小取决于中介的电容器介电材料。
电容器介电质可由氧化硅系列的材料所组成，例如未掺杂的硅玻璃(USG)、氟硅玻璃(FSG)、电浆增益化学气相沉积(PECVD)氧化硅、以及氧化物/氮化物/氧化物。此外，电容器介电质可由一或多种高介电常数材料所组成，较佳是具有介电常数至少8的材料，例如五氧化二钽(Ta2O5)、氧化铪(HfO2)、氮氧化铪(HfON)、钛酸锶钡(BazSr(l-z)TiO3，BST)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸锶(SrTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅[Pb(Zr，Ti)O3，PZT]、锆钛酸铅镧[(Pb，La)(Zr，Ti)O3，PLZT]、钛酸铅镧[(Pb，La)TiO3，PLT]、硝酸钾(KNO3)、氧化铝(Al2O3)、与铌酸锂(LiNbO3)。
举例而言，图1所示的堆叠金属列，例如列1、2、3与4，其中在个别列中的每一金属线电极，例如金属线电极A+2、A+1与A，形成于个别的金属化阶层中。取代如同现有的工艺中一般利用介层窗来交互连接金属化层之间的个别金属线电极，本发明提供沟渠介层窗，例如沟渠介层窗B+2、B+1与B，在金属化阶层之间形成镶嵌结构，以交互连接各个列中的金属线电极。
可了解的一点是，沟渠介层窗，例如沟渠介层窗B+2、B+1与B，可由与金属线电极，例如金属线电极A+2、A+1与A，相同或不同的金属所构成。举例而言，在制作金属线电极时，可借由沉积金属层，再利用蚀刻以定义出金属线电极，接着形成上方的电容器介电层。沟渠介层窗较佳是利用镶嵌工艺来加以制作，在此镶嵌工艺中，先沉积相同或不同的电容器介电材料，再利用图案化与电浆蚀刻来形成开口，接着将金属填入开口中，再加以平坦化。可选择性地，金属线电极与沟渠介层窗均可利用个别的单镶嵌工艺来加以制作，其中这些单镶嵌工艺可使用相同或不同的金属，且可形成于相同或不同的电容器介电材料层中。在另一实施例中，制作金属线电极与沟渠介层窗时，可利用一双重镶嵌工艺，并利用相同金属来加以制作。位于金属线电极之间的电容器介电质可与位在沟渠介层窗之间的电容器介电质相同或不同，但较佳为相同电容器介电质。沟渠介层窗线较佳是与金属线电极具有约相同或较小的宽度与长度，其中以具有约相同的宽度与长度为较佳。金属线电极的范围较佳是可函括沟渠介层窗，以利沟渠介层窗线对准金属线电极。
举例而言，位于金属线电极/沟渠介层窗/金属线电极等的堆叠结构之间的电容器介电材料，例如电容器介电材料I1、I2与I3，由金属氧化物介电质所组成，其中电容器介电材料与相邻的金属线电极构成电容器。金属线电极部分之间的距离可例如大于约2000。堆叠金属结构，例如金属线电极/沟渠介层窗/金属等，构成电容器的有效的电极电容耦合部分。可了解的一点是，在一金属化阶层中金属线电极的数量不限，或者可用来形成一连串电容器的金属化阶层的数量不限，其中这些电容器较佳的是如同下述般平行布线。较佳是具有至少四个金属线电极位于单一金属化层中、以及至少二个金属化层透过沟渠介层窗而在金属化阶层之间交互连接，以借由平行布线而形成至少三电容器，并借以横跨电容器介电质来施加一信号(电压)。
举例而言，请参照图2，其绘示依照本发明一实施例的一种金属-氧化物-金属电容器结构的部分示范上平面视图，其中个别电容器平行布线。图2所示为金属线阶层的剖面的上视图，例如包括列1、2、3与4的金属线电极A+2的金属线阶层阶层，并同时以虚线部分表示出分别位于这些金属线电极下方的沟渠介层窗，例如沟渠介层窗B+2。信号来源内连线10A与1OB显示为例如形成在金属线电极A+2所属的金属化阶层与下方的金属化阶层中。在金属化阶层中的信号来源内连线可利用介层窗或沟渠介层窗而交互连接在这些金属化阶层之间。信号来源内连线10A与10B较佳是以叉合方式连接，例如分别连接至相隔的金属线电极，如列1与3的金属线电极、以及列2与4的金属线电极，以形成例如具有中介的电容器介电材料I1、I2与I3的至少三个电容器结构。
例如，请参照图3A，在一制作堆叠式金属-氧化物-金属结构的示范方法中，形成第一金属化层，例如内连线10A与10B，其中此第一金属化层包括数个金属线电极部分。举例而言，制作金属线电极部分时，沉积一层金属，再进行金属蚀刻工艺以定义出金属线电极部分，接着可选择性地沉积阻障层，例如阻障层11A。接下来，利用传统旋涂(Spin-on)工艺、化学气相沉积(CVD)工艺、电浆增益化学气相沉积(PECVD)工艺或高密度电浆化学气相沉积(HDPCVD)工艺形成电容器介电层12A于金属线部分，例如内连线10A与10B上，再对电容器介电层12A进行平坦化工艺(例如化学机械研磨工艺)。接着，利用传统化学气相沉积或电浆增益化学气相沉积工艺选择性地形成蚀刻终止层14于电容器介电层12A上，其中蚀刻终止层14的材料为选择性掺杂氧及/或氮的碳化硅、或者为选择性掺杂氧及/或氮的氮化硅。
接下来，根据较佳实施例，沉积第二电容器介电层12B，再进行传统微影图案化工艺以在金属电极线部分之上图案化且蚀刻出沟渠介层窗开口，其中第二电容器介电层12B的材料相同或不同于电容器介电层12A的材料。在一单镶嵌工艺中，可选择性地在沟渠介层窗开口中衬设阻障层，例如阻障层11B，再将金属填入沟渠介层窗开口中并予以平坦化(例如化学机械研磨)，以形成由金属填充的沟渠介层窗，例如沟渠介层窗16A与16B。接着，利用相似于内连线10A与10B的工艺，形成上方的金属线电极部分，例如金属线电极部分18A与18B。
请参照图3B，在制作堆叠式金属-氧化物-金属结构的示范镶嵌方法，例如双重镶嵌工艺中，利用例如单或双重镶嵌工艺，提供金属线电极部分20A与20B于第一电容器介电层22A中。举例而言，先利用电浆工艺蚀刻出金属电极开口，再选择性沉积阻障层21A，再进行金属填充工艺，接着进行平坦化工艺，例如化学机械研磨工艺。接下来，选择性地形成蚀刻终止层24于电容器介电层22A上，再形成第二电容器介电层22B，其中第二电容器介电层22B的材料相同或不同于第一电容器介电层22A的材料。
接下来，进行传统微影图案化与电浆蚀刻步骤，以先形成沟渠介层窗部分开口，例如沟渠介层窗部分28的开口，再利用类似工艺形成金属电极线部分开口，例如金属电极线部分30的开口。接着，利用相似于双重镶嵌工艺的方式沉积阻障层21B，以衬设在金属电极线部分开口与沟渠介层窗部分开口中。接下来，进行单金属填充工艺，再进行平坦化(例如化学机械研磨)，以定义出金属线电极/沟渠介层窗结构，例如金属线电极/沟渠介层窗结构32A与32B，借以形成堆叠式金属线电极/沟渠介层窗/金属线电极的金属-氧化物-金属结构。可了解的一点是，可形成一中介蚀刻终止层(未绘示)于两电容器介电层之间的金属线电极/沟渠介层窗阶层，且金属线电极部分与沟渠介层窗部分可利用分开的单镶嵌工艺来加以制作并填充以不同的金属。金属线电极部分与沟渠介层窗部分的材料可为任何导电材料，较佳为金属，包括铜(Cu)、铝铜合金(AlCu)、钽(Ta)、钛(Ti)或钨(W)中的一或多种金属。阻障层的材料可为适合的耐火金属及/或耐火金属氮化物，以防止金属扩散至电容器介电层中。
因此，在此已提供了改良的金属-氧化物-金属电容器结构及其制造方法，其中借由沟渠介层窗可增加电极电容耦合面积，以在不增加电容器结构的体积下增加结构的电容。举例而言，本发明的金属-氧化物-金属电容器结构已可较使用传统介层窗的相似结构增加约25％的有效电容值。举例而言，依照较佳实施例，可将约1.43飞法/微米平方(fF/μm2)的有效电容增加到约1.79fF/μm2。
此外，本发明的金属-氧化物-金属电容器结构可相容于现存的超大型集成电路工艺，且可在不增加额外的光罩与蚀刻步骤下实施。再者，可在不增加半导体晶片上供元件形成的晶片面积下，获得较大的电容值。
请参照图4绘示包括本发明的数个实施例的流程图。在程序201中，提供半导体工艺晶圆。在程序203中，形成数个金属线电极于第一金属化层中，其中这些金属线电极之间具有中介的第一电容器介电材料。在程序205中，形成数个沟渠介层窗镶嵌于金属线电极上方的第二电容器介电层材料中，其中第二电容器介电材料相同或不同于第一电容器介电材料。在程序207中，形成数个第二金属线电极于沟渠介层窗镶嵌上，其中这些第二金属线电极之间具有中介的第三电容器介电材料，且第三电容器介电材料相同或不同于第一与第二电容器介电材料。形成金属化层中的金属线电极，以连接信号来源，其中相间的金属线电极电性连接至一共同信号来源，以形成平行布线的指叉状电容器。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其特征在于至少包括：
多个金属化层，呈堆叠关系；
其中，每一个金属化层至少包括平行且分隔开的多个导电电极线部分，且上述多个导电电极线部分至少包括一第一中介电容器介电质；以及
其中，上述多个导电电极线部分借由多个导电镶嵌线部分而电性交互连接在上述多个金属化层之间，上述多个导电镶嵌线部分形成于一第二电容器介电质中且位于上述多个导电电极线部分的下方。
2.根据权利要求1所述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其特征在于其中相间隔的上述多个导电电极线部分分别电性连接至一第一共同电性交互连接以及一第二共同电性交互连接，以提供一信号来源而形成平行布线的多个电容器。
3.根据权利要求1所述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其特征在于其中所述多个导电镶嵌线部分至少包括一沟渠，且该沟渠的宽度与长度相等或小于与对应的上述多个导电电极线部分。
4.根据权利要求1所述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其特征在于其中所述多个导电电极线部分位于上述多个导电镶嵌线部分的上方并涵盖上述多个导电镶嵌线部分。
5.根据权利要求1所述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其特征在于其中所述多个导电电极线部分与上述多个导电镶嵌线部分至少包括一金属，其中该金属是选自于由钽、钨、钛、铝与铜所组成的一个组。
6.根据权利要求1所述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其特征在于其中所述多个导电电极线部分之间的距离大于2000。
7.根据权利要求1所述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其特征在于更至少包括多个电性交互连接位于每一个金属化层中，以分别提供一信号至相间隔的上述多个导电电极线部分。
8.根据权利要求7所述的堆叠式金属-氧化物-金属电容器结构，其特征在于其中所上述多个电性交互连接是利用多个特征而电性交互连接在上述多个金属化层之间，上述多个特征选自于由多个介层窗与多个沟渠线所组成的一个组。
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