CN101807607A - 金属-绝缘体-金属电容结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属-绝缘体-金属(MIM)电容结构及其制作方法。金属-绝缘体-金属电容结构，设置于金属-绝缘体-金属电容凹槽中，该凹槽的深度由第一金属层与其前层金属的距离来定义，包括由沉积金属层和第一金属层形成的下电极，其中沉积金属层位于第一金属层之上；由第二金属层沉积形成的上电极；上、下两个电极之间的绝缘电介质。金属-绝缘体-金属电容结构的制作方法在制作MIM时，先蚀刻出电容凹槽及生长一层METAL(如Ti/TiN)作为电容下电极，上电极采用铜制程工艺作出。与传统MIM结构电容器相比，本发明的三维的MIM结构电容器在相同分布面积下，增加了电容器的有效面积，进而增大MIM结构电容器的电容。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属-绝缘体-金属电容，尤其涉及一种可以增加电容的金属-绝缘体-金属电容结构及其制作方法。
背景技术
在半导体制备工艺中，金属-绝缘体-金属(MIM)结构电容器是一种被普遍采用的固定电容元件。因为这类元件通常位于顶层与下一层金属之间，其布图设计面积或电容可以被增大。但是，为了避免高频操作的电容器与其它金属产生耦合效应(Coupling)而产生不必要的电路噪音(Noise)，MIM下方通常需要避免金属布局(routing)。并且第一层金属要接地来减低此寄生效应(shielding)，但却也因此而导致整个电路布局、即芯片尺寸(chip size)面积的增大。
传统的MIM电容器通常位于顶层与下一层金属之间(如图1所示)，假设制造工艺中共有6层金属，顶层金属6(Top Metal)为METAL 6，其图案由M 6掩膜定义，倒数第二层金属5(Last Second Metal)为METAL5，图案由M 5掩膜定义，作为MIM电容器的下极板，MIM电容器的上极板52(例如Ti/TiN)由一层光罩(通常称之为MMC)定义出，上、下两个平行电极板之间为薄层绝缘电介质51(Dielectric)，构成一个固定电容元件。金属层间的通孔11(VIA)分别从上、下极板引出连接到M 6作为MIM电容器的两个节点。
与此同时，MIM电容器的单位面积电容值与上、下平行电极板之间的电介质的介电系数(ε)成正比，与上、下平行电极板之间的距离成反比。由于制造工艺的限制，这些参数很难再有显著改变以提高单位面积电容值的余地。
因此，如何在相同MIM的面积下增加其电容，一直是各半导体厂家与集成电路(IC)设计公司关心的课题。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而开发的，其目的是提供一种金属-绝缘体-金属电容结构及其制作方法，其可以在相同的MIM面积条件下，提高MIM的电容。
本发明的目的是这样实现的：一种金属-绝缘体-金属电容结构，其特征在于，设置于金属-绝缘体-金属电容凹槽中，该凹槽的深度由第一金属层与其前层金属的距离来定义，包括由沉积金属层和第一金属层形成的下电极，其中沉积金属位于第一金属层之上；由第二金属层沉积形成的上电极；上、下两个电极之间的绝缘电介质；上述上电极、绝缘电介质、下电极于上述电容凹槽中形成三维的金属-绝缘体-金属结构。
本发明还提供一种金属-绝缘体-金属电容结构，其特征在于，设置于金属-绝缘体-金属电容凹槽中，该凹槽的深度由倒数第二层金属与其前层金属的距离来定义，包括由沉积金属Ti/TiN层和倒数第二层金属形成的下电极，其中沉积金属Ti/TiN层位于倒数第二层金属之上；由铜金属层沉积形成的上电极；上、下两个电极之间的绝缘电介质；上述上电极、绝缘电介质、下电极于上述电容凹槽中形成三维的金属-绝缘体-金属结构。
本发明又提供一种金属-绝缘体-金属电容结构的制作方法，其特征在于，该方法包含有下列步骤：
(1)在第一金属层沉积后，在需要做电容的区域定义出金属-绝缘体-金属电容图形，进行金属蚀刻及下方介质层(IMD)蚀刻定义出凹槽，利用相对第一金属层的前层金属作为凹槽蚀刻阻挡层，来定义凹槽深度；
(2)沉积金属层与第一金属层一起形成金属-绝缘体-金属电容下电极；
(3)生长薄层绝缘电介质；
(4)第二金属层及化学机械研磨制造工艺形成金属-绝缘体-金属电容上电极。
本发明又提供一种金属-绝缘体-金属电容结构的制作方法，其特征在于，该方法包含有下列步骤：
(1)在倒数第二层金属沉积后，在需要做电容的区域定义出金属-绝缘体-金属电容图形，进行金属蚀刻及下方介质层(IMD)蚀刻定义出凹槽，利用相对倒数第二层金属的前层金属作为凹槽蚀刻阻挡层，来定义凹槽深度；
(2)沉积金属为Ti/TiN层，与倒数第二层金属一起形成金属-绝缘体-金属电容下电极；
(3)生长薄层绝缘电介质；
(4)采用铜制程工艺填充凹槽，接下来的平坦化制造工艺来隔绝电容凹槽，平坦化之后进行湿法清洗，最后形成金属-绝缘体-金属电容上电极。
与传统MIM结构电容器相比，本发明的三维的MIM结构电容器在相同分布面积下，增加了电容器的有效面积，进而增大MIM结构电容器的电容。采用本发明的金属-绝缘体-金属电容结构的制作方法制作的MIM结构电容器电容容量明显高于传统的MIM结构电容器的电容容量。
附图说明
图1为传统MIM电容结构示意图。
图2为本发明一具体实施例的金属-绝缘体-金属电容结构示意图。
图3为应用本发明的MIM结构电容器的一具体实施例的布局方案图。
图4A为图3中沿切面线(a)的MIM电容结构局部切面图。
图4B为图3中沿切面线(b)的MIM电容结构局部切面图。
图5为本发明一具体实施例的金属-绝缘体-金属电容结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施作进一步的详细说明。对于所属技术领域的技术人员而言，从对本发明的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
参照图2，为本发明一具体实施例的金属-绝缘体-金属电容结构示意图。在图2中，一种金属-绝缘体-金属电容结构，设置于金属-绝缘体-金属电容凹槽中，假设制造工艺中共有n层金属，该凹槽的深度由第n-i层(0＜i＜n-1)金属与第n-i-k层(0＜k＜n-i)金属的距离来定义，包括由沉积金属Ti/TiN层202和第n-i层金属形成的下电极，其中沉积金属Ti/TiN层202位于第n-i层金属之上；由铜金属层203沉积形成的上电极；上、下两个平行电极板之间为薄层绝缘电介质201；上述上电极、绝缘电介质201、下电极于上述电容凹槽中形成三维的金属-绝缘体-金属结构。金属层间的通孔11(VIA)分别从第n-i层金属、上电极引出连接到第n-i+1层金属作为MIM电容器的两个节点。
参照图3-图4B，为应用本发明的MIM结构电容器的一具体实施例的布局方案图及结构示意图。在图3中，虚线区域101代表MMC电容凹槽，该MMC电容凹槽101包含左右梳枝长度相等的梳状凹槽(凹槽同侧各梳枝长度相等)，可以看出，图3所示三维电容结构面积S＝(2L+WC)×W×N+B×WC×(N-1)+4L×h×N+2W×h×N+2B×h×(N-1)。公式中N代表电容凹槽101的梳枝凹槽的数量(N＞1)；WC代表图示电容凹槽101的梳枝凹槽之间中心下凹区域的凹槽长度；W代表梳枝凹槽宽度；h代表MMC电容凹槽101深度；L代表图示梳枝凹槽任一梳枝的长度；B代表同侧相邻梳枝之间的距离。显然，此三维电容结构面积远大于传统的一维电容面积S’＝(2L+WC)×W×N+B×(WC+2L)×(N-1)；并且当h＞B/2时，此三维电容结构面积最佳。
由于电容与平行板正对面面积成正比(C＝εS/4πkd)，因为MIM电容接触面积显著增大，所以使用该金属-绝缘体-金属电容结构的电容器电容将显著增大。
在实际制作中，我们以六层金属制造工艺为例，提供一种金属-绝缘体-金属电容结构的制作方法。结合图5，应用该方法的MIM电容及倒数第三层金属(METAL4)工艺步骤为：
(1)METAL4金属沉积；
(2)定义METAL4金属层，根据电容大小需求，保留或去除MIM下方的METAL4金属层(只保留METAL4-METAL1任意一层金属作为阻挡层即可)；
(3)生长METAL4与METAL5之间的介质层(IMD4)；
(4)定义METAL4与METAL5之间互联的通孔(通常称为MVIA4)；
(5)METAL5金属沉积；
(6)在需要做电容的区域定义出金属-绝缘体-金属电容图形，进行金属蚀刻及下方介质层(IMD)蚀刻，定义MIM电容凹槽，由一层光罩(通常称为MMC)定义出，并利用下方的金属层作为凹槽蚀刻阻挡层，来定义凹槽深度；
(7)沉积金属202(例如Ti/TiN)与METAL5一起作为MIM下电极；
(8)生长MIM薄层绝缘电介质201；
(9)采用铜制程工艺填充凹槽，接下来的平坦化制造工艺来隔绝电容凹槽，平坦化之后进行湿法清洗，最后形成MIM上电极；
(10)METAL5对准/蚀刻，定义出METAL5金属层；
(11)生长METAL5与METAL6之间的介质层；
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从制造工艺上来看，本发明所提出的金属-绝缘体-金属电容结构的制作方法在制作MIM时，先蚀刻出电容凹槽及生长一层METAL(如Ti/TiN)作为电容下电极，上电极采用铜制造工艺作出，其余制造工艺与传统制造工艺并无差别。
本发明提供一种金属-绝缘体-金属电容结构及其制作方法，可以满足在相同分布面积下，提高了MIM结构电容器的电容；操作起来也利于实施，只需要更改工艺流程，即可远远增加电容器的单位面积电容值。
当然，本实用新型还可有其他实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型做出各种相应的更改和变形，但这些相应的更改和变形都应属于本实用新型的权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种金属-绝缘体-金属电容结构，其特征在于，设置于金属-绝缘体-金属电容凹槽中，该凹槽的深度由第一金属层与其前层金属的距离来定义，包括
由沉积金属层和第一金属层形成的下电极，其中沉积金属层位于第一金属层之上；
由第二金属层沉积形成的上电极；
上、下两个电极之间的绝缘电介质。
2.根据权利要求1所述的金属-绝缘体-金属电容结构，其特征在于，上述第一金属层为多层金属结构中的倒数第二层金属。
3.根据权利要求2所述的金属-绝缘体-金属电容结构，其特征在于，第二金属层为铜金属层。
4.根据权利要求1-3所述的金属-绝缘体-金属电容结构，其特征在于，下电极中沉积金属层为Ti/TiN层。
5.一种金属-绝缘体-金属电容结构的制作方法，其特征在于，该方法包含有下列步骤：
(1)在第一金属层沉积后，在需要做电容的区域定义出金属-绝缘体-金属电容图形，进行金属蚀刻及下方介质层蚀刻定义出凹槽，利用相对第一金属层的前层金属作为凹槽蚀刻阻挡层，来定义凹槽深度；
(2)沉积金属层与第一金属层一起形成金属-绝缘体-金属电容下电极；
(3)生长薄层绝缘电介质；
(4)第二金属层沉积及化学机械研磨制造工艺形成金属-绝缘体-金属电容上电极。
6.根据权利要求5所述的金属-绝缘体-金属电容结构的制作方法，其特征在于，上述第一金属层为多层金属结构中的倒数第二层金属。
7.根据权利要求6所述的金属-绝缘体-金属电容结构的制作方法，其特征在于，上述步骤(4)采用铜制造工艺工艺填充凹槽，接下来的平坦化制造工艺来隔绝电容凹槽，平坦化之后进行湿法清洗，最后形成金属-绝缘体-金属电容上电极。
8.根据权利要求5-7所述的金属-绝缘体-金属电容结构的制作方法，其特征在于，上述步骤(2)中的沉积金属层为Ti/TiN层。
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| CN102437015A (zh) * | 2011-07-12 | 2012-05-02 | 上海华力微电子有限公司 | 一种增加半导体器件中mim电容密度的方法及其结构 |
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2009
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