CN101295633A - 金属-绝缘体-金属电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属－绝缘体－金属电容器的制造方法，包括：在半导体衬底的互连结构表面形成第一钝化层；图案化所述钝化层，并沉积第一金属形成焊盘和导线；所述焊盘用作下电极板，所述导线用作上电极板连接线；在具有焊盘、导线和钝化层的衬底表面沉积电介质层；刻蚀上电极板连接线表面的电介质层以便露出上电极板连接线；在所述电介质层和上电极板连接线表面沉积第二金属层作为上电极板；在所述上电极板表面沉积第二钝化层；刻蚀所述第二钝化层、第二金属层和电介质层形成绝缘沟槽。本发明的方法能够利用器件表层的铝焊盘和布线形成MIM电容器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)电容器及其制造方法。
背景技术
电容器作为存储电荷、耦合、滤波器件被广泛应用于半导体集成电路中。通常为了改善高速数字电路和射频(RF)电路的性能，需要采用大容量的电容器。随着半导体制造技术进入90nm工艺节点，器件特征尺寸不断缩小，元件之间的高性能、高密度的连接不仅在单个互连层中互连，而且要在多层之间进行互连。因此，器件之间的连接大量采用多层互连结构，多个互连金属层互相堆叠，层间绝缘膜置于其间，然后在层间绝缘膜中形成互联沟槽和连接孔，并用导电材料填充互联沟槽和连接孔以形成互连多层金属层的互连金属导线。利用互连结构的各个金属层和层间电介质可构成电路所需的电容，这些在互连层之间形成的电容称为金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。MIM电容器广泛应用于混合信号器件及逻辑器件例如模拟数字转换(ADC)或数字模拟转换(DAC)电路、射频(RF)电路、模拟电路、高功率微处理器(MPU)以及动态随机存取存储单元等器件中，用于电荷的存储和电路匹配。
现有技术中的MIM电容器大多形成于半导体多层互连结构的上层。申请号为200410084949.0的中国专利申请介绍了一种金属-绝缘体-金属电容器及互连结构，其是在半导体器件内部上层介质层和内连线层形成MIM电容结构，内连线用于形成MIM电容结构下方的接触插塞，其中接触插塞为MIM电容结构的下电极的以部分。在介质层的上部形成凹陷区域并在其中填充金属材料形成上电极，而且上电极和下电极的材料相同。这种在互连层中形成的MIM电容器的方法受互连线布局的影响，不能充分利用空间形成更多的MIM电容器；而且制造工艺复杂，对工艺条件和设备要求比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属-绝缘体-金属电容器及其制造方法，能够利用器件表层的铝焊盘和布线形成MIM电容器。
为达到上述目的，本发明提供了一种金属-绝缘体-金属电容器的制造方法，包括：
在半导体衬底的互连结构表面形成第一钝化层；
图案化所述钝化层，并沉积第一金属形成焊盘层和导线；所述焊盘层用作下电极板，所述导线用作上电极板连接线；
在具有焊盘、导线和钝化层的衬底表面沉积电介质层；
刻蚀上电极板连接线表面的电介质层以便露出上电极板连接线；
在所述电介质层和上电极板连接线表面沉积第二金属层作为上电极板；
在所述上电极板表面沉积第二钝化层；
刻蚀所述第二钝化层、第二金属层和电介质层形成绝缘沟槽。
所述互连结构中包括铜互连线，与所述焊盘和导线相连。
图案化所述钝化层的步骤包括：
在所述钝化层表面涂布光致抗蚀剂层；
利用曝光、显影等光刻工艺形成光致抗蚀剂图形；
以光致抗蚀剂图形为掩膜刻蚀所述钝化层。
所述第一和第二钝化层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合。
所述第一金属为铝或铝铜合金。
所述第二金属为钽、钨、钛、铝、氮化钽、氮化钛的其中一种或其组合。
所述第二金属层的厚度为100～1000
所述电介质层的材料为氮化硅或氮氧化硅，厚度为200～1500
本发明提供的另一种金属-绝缘体-金属电容器的制造方法，包括：
在半导体衬底的互连结构表面形成第一钝化层；
图案化所述钝化层，并沉积第一金属形成金属导线作为上电极板连接线；
在所述钝化层表面形成下电极板；
在具有导线、钝化层和下电极板的衬底表面沉积电介质层；
刻蚀上电极板连接线表面的电介质层以便露出上电极板连接线；
在所述电介质层和上电极板连接线表面沉积第二金属层作为上电极板；
在所述上电极板表面沉积第二钝化层；
刻蚀所述第二钝化层、第二金属层和电介质层形成绝缘沟槽。
所述金属导线与所述互连结构中的铜互连线相连。
形成下电极板的步骤包括：
在所述钝化层表面涂布光致抗蚀剂层；
利用曝光、显影等光刻工艺形成光致抗蚀剂图形；
沉积金属铝并移除所述光致抗蚀剂图形。
所述第一和第二钝化层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合。
所述第一金属为铝或铝铜合金。
所述第二金属为钽、钨、钛、铝、氮化钽、氮化钛的其中一种或其组合。
所述第二金属层的厚度为100～1000
所述电介质层的材料为氮化硅或氮氧化硅，厚度为200～1500
相应地，本发明还提供了一种金属-绝缘体-金属电容器，其特征在于：包括由互连结构表面的焊盘构成的下电极板，和在所述下电极板表面形成的电介质以及在所述电介质层表面形成的上电极板；所述互连层表面还具有金属导线与所述上电极板相连。
所述下电极板金属为铝或铝铜合金。
所述上电极板金属为钽、钨、钛、铝、氮化钽、氮化钛的其中一种或其组合。
所述上电极板金属的厚度为100～1000
所述电介质层的材料为氮化硅或氮氧化硅，厚度为200～1500
所述下电极板位于互连结构表面的钝化层中。
所述下电极板位于互连结构表面的钝化层的表面。
所述互连结构包括互连层和介质层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
在CMOS逻辑器件中大量采用金属铜作为互连导线。而顶层用于引线键合的焊盘大都采用金属铝。除了焊盘之外，顶层还具有大面积的、较粗的互连导线用于互连层导线的连接，其材料也采用金属铝。顶层铝焊盘层的图形密度通常是较低的，具有大片的空白区域，因此可以利用顶层金属铝焊盘层形成大量MIM电容器，这样一来便能够减少在器件内部铜互连层形成的MIM电容的数量，降低了器件内部空间的消耗，有利于进一步减小器件尺寸。本发明的金属-绝缘体-金属电容器利用铝焊盘层作为电容器的下电极板，通过一次掩膜工艺形成介质层和上电极板，而且顶层的图形密度相对低，对掩膜板的精度要求不高，因此能够简化MIM电容器的制造工艺，降低制造成本。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。附图中相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未刻意按比例绘制，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚起见，放大了层和区域的厚度。
图1至图9为根据本发明实施例的MIM电容器制造方法的剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
图1至图9为根据本发明实施例的MIM电容器制造方法的剖面示意图，所述示意图只是实例，其在此不应过度限制本发明保护的范围。首先如图1所示，本发明的MIM电容器位于半导体器件多层互连结构的表层。多层互连结构包括若干层介质层和互连层，介质层中的互连线连接各个互连层中的金属导线，图1中仅示出了多层互连互连结构中最上面的包括介质层和互连层的互连结构。在互连结构中的互连层100中形成有金属导线110，互连层100表面具有介质层120，利用镶嵌工艺在所述介质层120中形成互连线。根据本发明公开实施例的MIM电容器用于RF器件，因此，可以根据RF器件的频带来选择用于形成互连线的金属材料种类。例如，如果频带是2.4GHz，那么可以选择金属铝。对于15GHz以上的频带，采用金属钨或铜，本发明实施例的介质层120中互连线的材料优选为铜。互连线可以是层间介电层中单金属连线160或双镶嵌金属连线130。其中金属连线130将上述金属导线110连接至半导体器件多层结构的表面。
接下来如图2所示，在介质层120的表面利用PECVD(等离子增强化学气相淀积)工艺沉积钝化层140。钝化层140的材料可以示氧化硅SiO2，例如正硅酸乙酯(TEOS)、氮化硅SIN、氮氧化硅SION中的一种或其组合。在所述钝化层140表面涂布光致抗蚀剂层，并利用曝光、显影等光刻工艺形成光致抗蚀剂图形，然后以光致抗蚀剂图形为掩膜刻蚀所述钝化层。随后利用物理气相淀积(PVD)或溅射(sputtering)工艺沉积金属铝或铝铜合金，其中铜的含量为0.5％。并移除光致抗蚀剂图形，形成焊盘层150、MIM下电极和连接MIM上电极的铝导线180。
在接下来的工艺步骤中，如图3所示，在钝化层140、焊盘150和170以及导线180表面，淀积MIM电容器的电介质层190。所述电介质层的材料为氮化硅或氮氧化硅。在本发明其它实施例中也可以是其它高介电常数材料。电介质层190的形成采用化学气相淀积(CVD)的方法，优选为等离子增强化学气相淀积(PECVD)工艺。其厚度根据电容量的设计要求而定，例如200～1500
本领域技术人员不需要付出创造性劳动就能够确定，且并非本发明的目的和内容，因此不赘述。
接下来，在电介质层190的表面涂布光刻胶并利用常规光刻工艺图案化所述光刻胶形成光刻胶图形，用于定位导线180的位置。利用上述图形为掩膜，采用等离子刻蚀工艺或反应离子刻蚀(RIE)工艺刻蚀导线180表面的电介质层190，从而露出导线180，如图4所示。
在接下来的工艺步骤中，如图5所示，在电介质层190和导线180表面，利用原子层沉积(ALD)、物理气相淀积(PVD)、溅射或化学气相淀积(CVD)工艺，优选为PVD沉积工艺，淀积金属层200。所述金属层200的材料为钽Ta、钨W、钛Ti、铝Al、氮化钽TaN、氮化钛TiN的其中一种或其组合，厚度为100～1000
金属层200与导线180电连接，通过导线180连接至下层互连层。
随后，如图6所示，在金属层200表面，利用原子层沉积(ALD)、化学气相淀积(CVD)工艺，优选为等离子增强化学气相淀积(PECVD)工艺，淀积另一层钝化层210。然后利用光刻胶图形掩膜采用等离子刻蚀工艺或反应离子刻蚀(RIE)工艺刻蚀钝化层210、金属层200和电介质层190，形成绝缘沟槽220，如图7所示。在本实施例中，钝化层210、金属层200和电介质层190的刻蚀采用等离子刻蚀，在反应室内通入的刻蚀剂气体为包括SF6、CHF3、CF4、氯气Cl2、氧气O2、氮气N2、氦气He以及其它惰性气体例如氢气Ar、氖气Ne的混合气体，流量100-400sccm，衬底温度控制在20℃和90℃之间，腔体压力为4-20mTorr，等离子源射频输出功率1500W-2000W。刻蚀形成的绝缘沟槽220底部露出钝化层140的表面。绝缘沟槽220用于将MIM电容器与其它MIM电容器或焊盘隔离开。
接下来如图8所示，本发明的MIM电容器制造方法利用器件表面形成的铝焊盘层170作为MIM电容器的下电极板，充分利用了器件表面的空间，能够形成大量的MIM电容器。其它焊盘例如150仍然可作为用于引线键合的焊盘。图8中，刻蚀绝缘沟槽220之后，继续执行一刻蚀工艺刻蚀焊盘150表面的钝化层210、金属层200和电介质层190，以露出焊盘150。在其他实施例中，焊盘150表面的钝化层210、金属层200和电介质层190的刻蚀可以与刻蚀绝缘沟槽220同时进行。
在本发明的金属-绝缘体-金属电容器的制造方法的另一个实施例中，如图9所示，在半导体衬底的互连结构的介质层120表面形成一钝化层140；然后图案化所述钝化层140，并沉积金属铝形成金属导线180作为上电极板连接线；然后在所述钝化层140表面，沉积金属铝形成下电极板170；并在具有上电极板连接线180、钝化层140和下电极板170的衬底表面沉积电介质层190；刻蚀上电极板连接线180表面的电介质层190以便露出上电极板连接线180；随后在所述电介质层190和上电极板连接线180表面沉积金属层200作为上电极板。然后在所述上电极板200表面沉积另一钝化层210；刻蚀所述钝化层210、金属层200和电介质层190形成绝缘沟槽220。其中金属导线180(上电极板连接线)与所述互连层中的铜互连线相连。形成下电极板170的步骤包括：在所述钝化层140表面涂布光致抗蚀剂层；利用曝光、显影等光刻工艺形成光致抗蚀剂图形；沉积金属铝并移除所述光致抗蚀剂图形。钝化层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合。金属层200的材料为钽、钨、钛、铝、氮化钽、氮化钛的其中一种或其组合，厚度为100～1000
电介质层190的材料为氮化硅或氮氧化硅，厚度为200～1500
本发明的金属-绝缘体-金属电容器如图8所示，包括由互连结构的介质层120表面的焊盘构成的下电极板170，和在所述下电极板170表面形成的电介质190，以及在所述电介质层190表面形成的上电极板200；所述互连结构的介质层120表面还具有金属导线180与所述上电极板200相连。其中，下电极板170位于介质层120表面的钝化层140中，在其它实施例中，下电极板170还可以位于介质层120表面的钝化层140的表面，如图9所示。下电极板170的材料为铝；上电极板200的金属为钽、钨、钛、铝、氮化钽、氮化钛的其中一种或其组合，厚度为100～1000电介质层190的材料为氮化硅或氮氧化硅，厚度为200～1500
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。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (24)
1、一种金属-绝缘体-金属电容器的制造方法，包括：
在半导体衬底的互连结构表面形成第一钝化层；
图案化所述钝化层，并沉积第一金属形成焊盘层和导线；所述焊盘层用作下电极板，所述导线用作上电极板连接线；
在具有焊盘、导线和钝化层的衬底表面沉积电介质层；
刻蚀上电极板连接线表面的电介质层以便露出上电极板连接线；
在所述电介质层和上电极板连接线表面沉积第二金属层作为上电极板；
在所述上电极板表面沉积第二钝化层；
刻蚀所述第二钝化层、第二金属层和电介质层形成绝缘沟槽。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述互连结构中包括铜互连线，与所述焊盘和导线相连。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：图案化所述钝化层的步骤包括：
在所述钝化层表面涂布光致抗蚀剂层；
利用曝光、显影等光刻工艺形成光致抗蚀剂图形；
以光致抗蚀剂图形为掩膜刻蚀所述钝化层。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一和第二钝化层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一金属为铝或铝铜合金。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第二金属为钽、钨、钛、铝、氮化钽、氮化钛的其中一种或其组合。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述第二金属层的厚度为100～1000
8、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电介质层的材料为氮化硅或氮氧化硅，厚度为200～1500
9、一种金属-绝缘体-金属电容器的制造方法，包括：
在半导体衬底的互连结构表面形成第一钝化层；
图案化所述钝化层，并沉积第一金属形成金属导线作为上电极板连接线；
在所述钝化层表面形成下电极板；
在具有导线、钝化层和下电极板的衬底表面沉积电介质层；
刻蚀上电极板连接线表面的电介质层以便露出上电极板连接线；
在所述电介质层和上电极板连接线表面沉积第二金属层作为上电极板；
在所述上电极板表面沉积第二钝化层；
刻蚀所述第二钝化层、第二金属层和电介质层形成绝缘沟槽。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述金属导线与所述互连结构中的铜互连线相连。
11、如权利要求9所述的方法，其特征在于：形成下电极板的步骤包括：
在所述钝化层表面涂布光致抗蚀剂层；
利用曝光、显影等光刻工艺形成光致抗蚀剂图形；
沉积金属铝并移除所述光致抗蚀剂图形。
12、如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述第一和第二钝化层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合。
13、如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述第一金属为铝或铝铜合金。
14、如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述第二金属为钽、钨、钛、铝、氮化钽、氮化钛的其中一种或其组合。
15、如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述第二金属层的厚度为100～1000
16、如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述电介质层的材料为氮化硅或氮氧化硅，厚度为200～1500
17、一种金属-绝缘体-金属电容器，其特征在于：包括由互连结构表面的焊盘构成的下电极板，和在所述下电极板表面形成的电介质以及在所述电介质层表面形成的上电极板；所述互连层表面还具有金属导线与所述上电极板相连。
18、如权利要求17所述的金属-绝缘体-金属电容器，其特征在于：所述下电极板金属为铝或铝铜合金。
19、如权利要求17所述的金属-绝缘体-金属电容器，其特征在于：所述上电极板金属为钽、钨、钛、铝、氮化钽、氮化钛的其中一种或其组合。
20、如权利要求19所述的金属-绝缘体-金属电容器，其特征在于：所述上电极板金属的厚度为100～1000
21、如权利要求17所述的金属-绝缘体-金属电容器，其特征在于：所述电介质层的材料为氮化硅或氮氧化硅，厚度为200～1500
22、如权利要求17所述的金属-绝缘体-金属电容器，其特征在于：所述下电极板位于互连结构表面的钝化层中。
23、如权利要求17所述的金属-绝缘体-金属电容器，其特征在于：所述下电极板位于互连结构表面的钝化层的表面。
24、如权利要求17所述的金属-绝缘体-金属电容器，其特征在于：所述互连结构包括互连层和介质层。
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