CN102157356A - 金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，包括如下步骤：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成绝缘介质层；在所述绝缘介质层表面形成钛衬垫；在所述钛衬垫表面形成第一氮化钛层；分多步在所述第一氮化钛层的表面形成金属层；在所述金属层的表面形成第二氮化钛层。本发明的制备方法有利于降低金属-绝缘体-金属半导体器件的击穿电压。

Description

金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，尤其涉及一种金属-绝缘体-金属电容的下电极的制备方法。
背景技术
随着超大规模集成电路的发展，为了按照摩尔定律的缩放比例创建单元面积增大的器件，与此同时确保各种应用所需的高水平性能(泄露、击穿或电压线性)，金属-绝缘体-金属器件成为一种重要的元件，尤其是金属-绝缘体-金属电容更是一种关键的元件。金属-绝缘体-金属电容通常是一种三明治结构，其上层金属电极和下层金属电极之间被一层薄绝缘层隔离。
现有技术中，所述下层金属电极通过连续沉积形成在具有绝缘介质层的半导体衬底的表面。所述下层金属电极的材料通常为铜铝合金，所述绝缘介质层通常为二氧化硅层。然而，由于金属的热膨胀系数(Coefficients Of Thermal Expansion，CTE)比绝缘材质的热膨胀系数大，例如，铜铝合金的热膨胀系数大约是二氧化硅的热膨胀系数的10倍，且所述下层金属电极的厚度通常为10000埃，在连续沉积形成所述下层金属电极的过程中，晶圆的温度(dynamic wafer temperature)会随着金属层沉积的过程而逐步升高，所述金属电极和所述绝缘材质之间的热膨胀系数差异导致所述金属电极和所述绝缘材质之间产生压缩应力(compressive stress)。所述压缩应力使得所述金属电极的表面产生凸起(hillock)11，如图1所示。所述晶圆温度上升的越高，所述凸起11在所述金属电极的表面的分布密度越小，但凸起会11越来越大。所述金属电极的表面的凸起11向所述绝缘体中延伸，从而导致所述金属-绝缘体-金属半导体器件的击穿电压(Breakdown Voltage，BV)降低。
请参阅图2，图2是采用现有技术的方法制备的金属-绝缘体-金属半导体器件的GOI测试结果的累计分布(Cumulative Distribution Function，CDF)图。由图可见，一些采用现有技术的方法制备的金属-绝缘体-金属半导体器件在较低的电压就被击穿(initial failure)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有利于提高击穿电压的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法。
一种金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，包括如下步骤：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成绝缘介质层；在所述绝缘介质层表面形成钛衬垫；在所述钛衬垫表面形成第一氮化钛层；分多步在所述第一氮化钛层的表面形成金属层；在所述金属层的表面形成第二氮化钛层。
上述方法优选的一种技术方案，所述绝缘介质层为二氧化硅层。
上述方法优选的一种技术方案，所述钛衬垫的厚度为300埃。
上述方法优选的一种技术方案，所述第一氮化钛层的厚度为200埃。
上述方法优选的一种技术方案，所述第二氮化钛层的厚度为600埃。
上述方法优选的一种技术方案，所述金属层的厚度为10000埃。
上述方法优选的一种技术方案，所述金属层为铜金属层或者铝金属层或者铜铝金属层。
上述方法优选的一种技术方案，在分多步形成所述金属层的步骤中，通过降低目标偏置电压来降低所述金属层的沉积率。
上述方法优选的一种技术方案，采用物理气相沉积的方式形成所述第一氮化钛层和所述第二氮化钛层。
上述方法优选的一种技术方案，所述金属-绝缘体-金属半导体器件为金属-绝缘体-金属电容。
与现有技术相比，本发明的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法分多步在所述第一氮化钛层的表面形成所述金属层，可以有效的降低所述金属层形成过程中晶圆的温度，从而避免金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的表面因晶圆温度升高而产生凸起，有利于提高金属-绝缘体-金属半导体器件的击穿电压。
附图说明
图1是现有技术的一种具有表面凸起的金属-绝缘体-金属半导体器件的下金属电极的示意图。
图2是采用现有技术的方法制备的金属-绝缘体-金属半导体器件的GOI测试结果的累计分布图。
图3是本发明的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法的流程图。
图4是采用本发明的方法制备的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的表面示意图。
图5是采用本发明的方法与现有技术的方法制备的金属-绝缘体-金属半导体器件的GOI测试结果的对比累计分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
请参阅图3，图3是本发明的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法的流程图。优选的，所述金属-绝缘体-金属半导体器件为集成被动器件(Integrated Passive Devices，IPD)，更优选的，所述金属-绝缘体-金属半导体器件为金属-绝缘体-金属电容。本发明的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法包括如下步骤：
提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成绝缘介质层。优选的，所述绝缘介质层为二氧化硅层。所述半导体衬底是硅衬底或者砷化镓衬底或者其他类型的衬底。所述半导体衬底和所述绝缘介质层也可以为绝缘体上硅(SOI)。有代表性的，所述半导体衬底还可以包括许多各种各样的有源半导体器件，如金属-氧化物-半导体(MOS)或双极晶体管，在此不再详细描述。
在所述绝缘介质层表面形成钛衬垫(Liner)。优选的，采用离子化金属电浆(Ionized Metal Plasma，IMP)工艺在所述绝缘介质层表面形成所述钛衬垫。优选的，所述钛衬垫的厚度为300埃。
形成所述钛衬垫后，在另一反应室内，在所述钛衬垫表面形成第一氮化钛(TiN)层。优选的，采用物理气相沉积的方式形成所述第一氮化钛层，所述第一氮化钛层的厚度为200埃。
分多步在所述第一氮化钛层的表面形成金属层。优选的，所述金属层的厚度为10000埃，所述金属层可以为铜金属层或者铝金属层或者铜铝金属层。分多步在所述第一氮化钛层的表面形成所述金属层，即各步之间有时间间隙(idle step)，从而有利于晶圆温度的散发，从而可以避免因连续沉积而导致的晶圆温度持续上升的问题。进一步的，通过降低目标偏置电压(target bias power)来降低金属沉积材料的动能(kinetic energy)，从而降低所述金属层的沉积率(Low Deposition Rate)，进而达到在形成所述金属层的过程中进一步降低晶圆温度的目的。具体的，所述金属层的沉积功率可以为6KW(现有技术为12KW)。
在所述金属层的表面形成第二氮化钛层。优选的，采用物理气相沉积的方式形成所述第二氮化钛层，所述第二氮化钛层的厚度为600埃。至此形成所述金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极。
在形成所述下电极后，也可以依次形成绝缘介质层和上电极而形成金属-绝缘体-金属半导体器件。
本发明的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法分多步在所述第一氮化钛层的表面形成所述金属层，可以有效的降低所述金属层形成过程中晶圆的温度，从而避免金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的表面因晶圆温度升高而产生凸起，有利于提高金属-绝缘体-金属半导体器件的击穿电压。
请参阅图4，图4是采用本发明的方法制备的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的表面示意图。由图可见，采用本发明的方法制备的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的表面平坦，可以避免因晶圆温度升高而产生的大的凸起。请参阅图5，图5是采用本发明的方法与现有技术的方法制备的金属-绝缘体-金属半导体器件的GOI测试结果的对比累计分布图。由图可见，采用现有技术的方法制备的金属-绝缘体-金属半导体器件在电压低于10V的情况下，就有可能发生被击穿现象，而采用本发明的方法制备的金属-绝缘体-金属半导体器件的击穿电压可以提高的20V。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明并不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (10)

1.一种金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成绝缘介质层；
在所述绝缘介质层表面形成钛衬垫；
在所述钛衬垫表面形成第一氮化钛层；
分多步在所述第一氮化钛层的表面形成金属层；
在所述金属层的表面形成第二氮化钛层。
2.如权利要求1所述的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，其特征在于，所述绝缘介质层为二氧化硅层。
3.如权利要求1所述的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，其特征在于，所述钛衬垫的厚度为300埃。
4.如权利要求1所述的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，其特征在于，所述第一氮化钛层的厚度为200埃。
5.如权利要求1所述的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，其特征在于，所述第二氮化钛层的厚度为600埃。
6.如权利要求1所述的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，其特征在于，所述金属层的厚度为10000埃。
7.如权利要求1到6中任意一项所述的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，其特征在于，所述金属层为铜金属层或者铝金属层或者铜铝金属层。
8.如权利要求1到6中任意一项所述的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，其特征在于，在分多步形成所述金属层的步骤中，通过降低目标偏置电压来降低所述金属层的沉积率。
9.如权利要求1到6中任意一项所述的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，其特征在于，采用物理气相沉积的方式形成所述第一氮化钛层和所述第二氮化钛层。
10.如权利要求1到6中任意一项所述的金属-绝缘体-金属半导体器件的下电极的制备方法，其特征在于，所述金属-绝缘体-金属半导体器件为金属-绝缘体-金属电容。
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