CN102420102B

CN102420102B - 一种形成mim电容器结构的方法及mim电容器

Info

Publication number: CN102420102B
Application number: CN 201110138130
Authority: CN
Inventors: 郑春生; 张亮; 胡友存; 陈玉文
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: CN102420102A

Abstract

本发明一种形成MIM电容器结构的方法及MIM电容器，其第一金属层间绝缘层上覆盖第二金属层间绝缘层和第三金属层间绝缘层，其中在第一金属层间绝缘层的顶部设置的凹槽中沉积有金属层；在第二金属层间绝缘层中设有多个通孔，在通孔中依次沉积有下电极金属层、绝缘层和上电极金属，所述金属层与部分通孔中所沉积的下电极金属层电性接触，以及所有通孔中填充的上电极金属均相互电性连接；在第三金属层间绝缘层中设置的第一通孔中填充的金属将所述上电极金属电性导出至第三金属层间绝缘层外，作为一个电容端子，在第二金属层间绝缘层和第二金属层间绝缘层中设置的第二通孔中填充的金属将所述金属层电性导出至第三金属层间绝缘层外，作为另一个电容端子。

Description

一种形成MIM电容器结构的方法及MIM电容器

技术领域

本发明涉及一种集成电路和半导体器件，尤其涉及一种在集成电路制造工艺中形成MIN电容器结构的方法以及具有MIN结构的电容器。

背景技术

金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal，简称MIM）电容器是MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuit，单片式微波集成电路）芯片中电容的四种结构中最常用的。常规的MIM电容器由下金属板和上金属板和其之间的MIM电容电介质组成，上下金属板作为MIM电容器的电极。通过后段工艺（Back End Of Line，简称BEOL），将MIM电容器制作在半导体芯片之上。

中国专利CN101996864A中披露了一种在半导体芯片中构造MIM电容器的方法和半导体芯片中的MIM电容器。在半导体芯片中构造MIM电容器的方法包括在基板上构造电介质一部以及在电介质一部上构造金属一部，金属一部形成MIM电容器的下电极。在电介质一部上构造电介质二部以及在电介质二部上构造金属二部，金属二部的一部分形成所述MIM电容器的上电极。其中金属一部包括第一栅极金属，金属二部包括第二栅极金属。但是对于上述提到的MIM电容器以及具有相似结构的电容器，都存在电容密度低的问题。

通常提高MIM电容器的电容密度会采用具有更高介电常数的介电材料或是减少介电层厚度。两种方法在一定程度上可以提高电容密度，但也会存在一定的问题。可选的介电材料范围较小，且现在的制作工艺中还无法将部分介电材料全部应用到制作半导体器件中。如采用减小介质层的厚度来提高电容密度，那击穿电压就会降低，电介质在一定强度的电场作用下就会失去其介电性能从而被击穿。随着集成电路发展的需求，如果能实现在有限面积上获得高电容密度，则将加快集成电路的发展。

发明内容

本发明提供一种形成MIM电容器结构方法以及通过该方法制作的MIM电容器，制得的MIM电容器具有高电容密度，解决了常规电容的电容密度低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种形成MIM电容器结构的方法，其特征在于：在第一金属层间绝缘层的顶部设置的凹槽中沉积一金属层；在第一金属层间绝缘层上覆盖第二金属层间绝缘层，并在第二金属层间绝缘层上进行刻蚀形成多个通孔；所述金属层暴露在部分通孔的底部，在所述多个通孔上方第二金属层间绝缘层中设有一空腔，空腔和各通孔之间相互连通；沉积下电极金属层至第二金属层间绝缘层上，通孔底部及侧壁同时沉积下电极金属层，金属层与部分通孔中所沉积的下电极金属层电性接触；在下电极金属层上覆盖一绝缘层，并在底部及内壁分别附着有下电极金属层、绝缘层的通孔中沉积上电极金属层，同时部分上电极金属层沉积在第二金属层间绝缘层上，所有通孔中填充的上电极金属均相互电性连接；对所述上电极金属层、绝缘层、下电极金属层进行平坦化，露出第二金属层间绝缘层后停止平坦化；在平坦化后所形成的上表面上覆盖第三金属层间绝缘层，在第三金属层间绝缘层上刻蚀第一通孔，上电极金属层暴露在第一通孔中，在第二金属层间绝缘层和第三金属层间绝缘层上刻蚀第二通孔，第一金属层间绝缘层上的金属层暴露在该通孔中；在第一通孔中填充的金属将所述上电极金属电性导出至第三金属层间绝缘层之外，作为一个电容端子；在第二通孔中填充的金属将所述金属层电性导出至第三金属层间绝缘层之外，作为另一个电容端子。

在本发明提供的上述方法中，金属层间绝缘层材质为氮化硅、和/或氮氧化硅。第一金属层间绝缘层、第二金属层间绝缘层和第三金属层间绝缘层的材质分别可以是氮化硅或是氮氧化硅。

在形成MIM电容器结构方法中，上电极层由金属层和第二阻挡层组成，而下电极层是由第一阻挡层、金属层和阻挡层沉积物层组成。绝缘层优选高介电系数材料，选用高介电系数材料有助于提高电容密度。平坦化优选化学机械抛光法，可高效对其进行抛光、对电容器损伤微小。电容器中的通孔横截面可以根据实际生产需要而选择圆形、或长方形、或三角形、或椭圆形。

本发明的另外一个目的在于提供一种MIM电容器，其特征在于：在第一金属层间绝缘层的顶部设置的凹槽中沉积一金属层；在第一金属层间绝缘层上覆盖第二金属层间绝缘层，并在第二金属层间绝缘层上进行刻蚀形成多个通孔；所述金属层暴露在部分通孔的底部，在所述多个通孔上方第二金属层间绝缘层中设有一空腔，空腔和各通孔之间相互连通；沉积下电极金属层至第二金属层间绝缘层上，通孔底部及侧壁同时沉积下电极金属层，金属层与部分通孔中所沉积的下电极金属层电性接触；在下电极金属层上覆盖一绝缘层，并在底部及内壁分别附着有下电极金属层、绝缘层的通孔中沉积上电极金属层，同时部分上电极金属层沉积在第二金属层间绝缘层上，所有通孔中填充的上电极金属均相互电性连接；对所述上电极金属层、绝缘层、下电极金属层进行平坦化，露出第二金属层间绝缘层后停止平坦化；在平坦化后所形成的上表面上覆盖第三金属层间绝缘层，在第三金属层间绝缘层上刻蚀第一通孔，上电极金属层暴露在第一通孔中，在第二金属层间绝缘层和第三金属层间绝缘层上刻蚀第二通孔，第一金属层间绝缘层上的金属层暴露在该通孔中；在第一通孔中填充的金属将所述上电极金属电性导出至第三金属层间绝缘层之外，作为一个电容端子；在第二通孔中填充的金属将所述金属层电性导出至第三金属层间绝缘层之外，作为另一个电容端子。

在本发明提供的上述MIM电容器中，金属层间绝缘层材质为氮化硅、和/或氮氧化硅。第一金属层间绝缘层、第二金属层间绝缘层和第三金属层间绝缘层的材质分别可以是氮化硅或是氮氧化硅。

在MIM电容器中，上电极层由金属层和第二阻挡层组成，而下电极层是由第一阻挡层、金属层和阻挡层沉积物层组成。绝缘层优选高介电系数材料，选用高介电系数材料有助于提高电容密度。平坦化优选化学机械抛光法，可高效对其进行抛光、对电容器损伤微小。电容器中的通孔横截面可以根据实际生产需要而选择圆形、或矩形、或多边形、或椭圆形。

本发明提出的形成MIM电容器结构的方法及MIM电容器，可以实现在MIM电容器有限面积上获得高电容密度，MIM电容器的制造工艺也将对简单，介电材料选择广泛，介质层厚度的厚度也不需要降低。

附图说明

图1是MIM电容器的电路连接简图。

图2是本发明中完成对第二金属层间绝缘层刻蚀后的结构剖视图。

图3是本发明中完成覆盖上电极金属层后的结构剖视图。

图4是本发明中完成平坦化后的结构剖视图。

图5是图3中A-A处的平面剖视图。

图6是本发明MIM电容器结构剖视图。

具体实施方式

本发明提供了一种形成MIM电容器结构的方法，在第一金属层间绝缘层1的顶部设置的凹槽中沉积一金属层2。在第一金属层间绝缘层1上覆盖第二金属层间绝缘层3，并在第二金属层间绝缘层3上进行刻蚀形成多个通孔；所述金属层2暴露在部分通孔的底部，在所述通孔上方第二金属层间绝缘层3中设有一空腔10，空腔10和各通孔之间相互连通，也就是说任一通孔均位于该空腔10之下。沉积下电极金属层4至第二金属层间绝缘层3上，通孔中同时沉积下电极金属层4，所述金属层2与接触金属层的部分通孔中所沉积的下电极金属层4电性接触。在下电极金属层4上覆盖一绝缘层5，并在分别附着有下电极金属层4、绝缘层5的通孔底部及内壁中沉积上电极金属层6，同时部分上电极金属层6沉积在第二金属层间绝缘层3上，所有通孔中填充的上电极金属层6均相互电性连接。对所述上电极金属层6进行平坦化，露出第二金属层间绝缘层3后停止平坦化。经过CMP之后，以在第二金属层间绝缘层及上电极金属层、绝缘层、下电极金属层被研磨的平面上形成图4中的一上表面12。在平坦化后的上表面12上覆盖第三金属层间绝缘层9，在第三金属层间绝缘层9上刻蚀第一通孔8，上电极金属层6暴露在第一通孔8中，在第二金属层间绝缘层3和第三金属层间绝缘层9上刻蚀第二通孔7，第一金属层间绝缘层1上的金属层2暴露在该通孔7之间。在第一通孔8中填充的金属将所述上电极金属层6的电性导出至第三金属层间绝缘层9之外作为一个电容端子；在第二通孔7中填充的金属将所述金属层2的电性导出至第三金属层间绝缘层9之外作为另一个电容端子。

如图1所示，在第二金属层间绝缘层3中的多个通孔内形成垂直阵列式的电容器组。电容器组的一端和第一通孔8中的金属电性接触，并把电性导出至第三金属层间绝缘层9之外作为一个电容端子。电容器组的另一端和第一金属层间绝缘层1上的金属层2接触，通过与之相接触的第二通孔中的金属将电性导出至第三金属层间绝缘层9之外作为另一个电容组的端子。

下面对通过具体的实施例对本发明的形成MIM电容器结构方法以及MIM电容器做进一步详细说明，以便更好理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。

在一种实施方式中：

在氮化硅为材料的第一金属层间绝缘层1的顶部刻蚀一个凹槽，在凹槽中沉积一层铜作为金属层2。在第一金属层间绝缘层1上覆盖第二金属层间绝缘层3，第二金属层间绝缘层3的材料采用氮化硅。在第二金属层间绝缘层3上进行刻蚀，形成20×20阵列的通孔，通孔横截面为三角形。在部分通孔的底部暴露出金属层2。在刻蚀的过程中，将三角形通孔上方第二金属层间绝缘层3的空间一同刻蚀除去，并形成一空腔10，该空腔10和各个通孔之间相互连通。图2是刻蚀通孔和空腔10之后所形成的结构剖面示意图。

在第二金属层间绝缘层3上沉积下电极金属层4，同时在第二金属层间绝缘层3上的通孔中也沉积下电极金属层4。在暴露出金属层2的通孔之中，金属层2与接触金属层2的部分通孔中所沉积的下电极金属层4形成电性接触。下电极层4由第一阻挡层、金属层和阻挡层沉积物层组成，下电极层4为一个三明治结构（夹层结构），即由第一阻挡层和另一阻挡层之间夹一层金属层。

在下电极金属层4上覆盖一绝缘层5，绝缘层选用高介电系数材料。并在分别附着有下电极金属层4、绝缘层5的通孔底部及内壁中沉积一上电极金属层6，同时部分上电极金属层6也沉积在第二金属层间绝缘层3上。上电极金属层6由金属层和第二阻挡层组成，绝缘层将上电极金属层6和下电极金属层4完全隔开。在各个通孔中填充的上电极金属之间互相电性连接。图3是先后通过沉积下电极金属层4、绝缘层5和上电极金属层6后结构剖面示意图。图5是图3中A-A处的局部剖视图，从图中可以看到从里到外分别是上电极金属层6、绝缘层5和电极金属层4，最外面包围的是第二金属层间绝缘层3。

对上电极金属层6进行平坦化，平坦化采用化学机械抛光，有效地减少对抛光面的损伤。由于在第二金属层间绝缘层3上刻蚀过通孔及通孔上方的腔体，未被刻蚀到的第二金属层间绝缘层3会比经过刻蚀的第二金属层间绝缘层3更先露出。当未被刻蚀到的第二金属层间绝缘层3因抛光而裸露出后，即停止继续化学机械抛光。图4是经过化学机械抛光后的结构剖面示意图。

在平坦化后的上表面覆盖第三金属层间绝缘层9，第三金属层间绝缘层9的材料为氮氧化硅。在第三金属层间绝缘层9上刻蚀第一通孔8，在第一通孔8中上电极金属层6暴露其中。在第一通孔8中填充金属，金属将上电极金属层6的电性导出至第三金属层间绝缘层9之外，作为一个电容端子。.在第二金属层间绝缘层3和第三金属层间绝缘层9上刻蚀第二通孔7，将第一金属层间绝缘层上的金属层暴露在第二通孔7之中。在第二通孔7中填充金属，金属将金属层2的电性导出至第三金属层间绝缘层9之外，作为另一个电容端子。即形成了本发明MIM电容器，图6是本发明MIM电容器结构剖视图。

将制造出的MIM电容器通过检测测定相应的数据，与常规电容器相比具有更高电容密度。

在另外的实施方式中：

制造MIM电容器的方法和之前实施例中的步骤相同，但第一金属层间绝缘层1和第三层间绝缘层9材料采用氮化硅，第二金属层间绝缘层3采用氮氧化硅材料。在第二金属层间绝缘层3上刻蚀的15×20阵列的通孔，通孔横截面为椭圆形状。将制造出的MIM电容器通过检测测定相应的数据，与常规电容器相比具有更高电容密度。

本发明提供的一种具有新结构的MIM电容器以及制造这种MIM电容器结构方法，可以实现在MIM电容器有限的面积上获得高电容密度，MIM电容器的制造工艺也将对简单，介电材料选择广泛，无需降低介质层厚度，避免出现降低击穿电压的现象。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims

1.一种形成MIM电容器结构的方法，其特征在于：

在第一金属层间绝缘层的顶部设置的凹槽中沉积一金属层；

在第一金属层间绝缘层上覆盖第二金属层间绝缘层，并在第二金属层间绝缘层上进行刻蚀形成多个通孔；所述金属层暴露在部分通孔的底部，在所述多个通孔上方第二金属层间绝缘层中设有一空腔，空腔和各通孔之间相互连通；

沉积下电极金属层至第二金属层间绝缘层上，通孔底部及侧壁同时沉积下电极金属层，金属层与部分通孔中所沉积的下电极金属层电性接触；

在下电极金属层上覆盖一绝缘层，并在底部及内壁分别附着有下电极金属层、绝缘层的通孔中沉积上电极金属层，同时部分上电极金属层沉积在第二金属层间绝缘层上，所有通孔中填充的上电极金属均相互电性连接；

对所述上电极金属层、绝缘层、下电极金属层进行平坦化，露出第二金属层间绝缘层后停止平坦化；

在平坦化后所形成的上表面上覆盖第三金属层间绝缘层，在第三金属层间绝缘层上刻蚀第一通孔，上电极金属层暴露在第一通孔中，在第二金属层间绝缘层和第三金属层间绝缘层上刻蚀第二通孔，第一金属层间绝缘层上的金属层暴露在该通孔中；

在第一通孔中填充的金属将所述上电极金属电性导出至第三金属层间绝缘层之外，作为一个电容端子；在第二通孔中填充的金属将所述金属层电性导出至第三金属层间绝缘层之外，作为另一个电容端子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属层间绝缘层材质为氮化硅、和/或氮氧化硅。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述下电极层由第一阻挡层、金属层和阻挡层沉积物层组成。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述上电极层由金属层和第二阻挡层组成。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述绝缘层选用高介电系数材料。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述平坦化采用化学机械抛光。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述通孔的横截面为圆形、或矩形、或多边形、或椭圆形。

8.一种MIM电容器，其特征在于：在第一金属层间绝缘层的顶部设置的凹槽中沉积一金属层；在第一金属层间绝缘层上覆盖第二金属层间绝缘层，并在第二金属层间绝缘层上进行刻蚀形成多个通孔；所述金属层暴露在部分通孔的底部，在所述多个通孔上方第二金属层间绝缘层中设有一空腔，空腔和各通孔之间相互连通；沉积下电极金属层至第二金属层间绝缘层上，通孔底部及侧壁同时沉积下电极金属层，金属层与部分通孔中所沉积的下电极金属层电性接触；在下电极金属层上覆盖一绝缘层，并在底部及内壁分别附着有下电极金属层、绝缘层的通孔中沉积上电极金属层，同时部分上电极金属层沉积在第二金属层间绝缘层上，所有通孔中填充的上电极金属均相互电性连接；对所述上电极金属层、绝缘层、下电极金属层进行平坦化，露出第二金属层间绝缘层后停止平坦化；在平坦化后所形成的上表面上覆盖第三金属层间绝缘层，在第三金属层间绝缘层上刻蚀第一通孔，上电极金属层暴露在第一通孔中，在第二金属层间绝缘层和第三金属层间绝缘层上刻蚀第二通孔，第一金属层间绝缘层上的金属层暴露在该通孔中；在第一通孔中填充的金属将所述上电极金属电性导出至第三金属层间绝缘层之外，作为一个电容端子；在第二通孔中填充的金属将所述金属层电性导出至第三金属层间绝缘层之外，作为另一个电容端子。

9.根据权利要求8所述的MIM电容器，其特征在于：所述金属层间绝缘层材质为氮化硅、和/或氮氧化硅。

10.根据权利要求8所述的MIM电容器，其特征在于：所述下电极层由第一阻挡层、金属层和阻挡层沉积物层组成。

11.根据权利要求8所述的MIM电容器，其特征在于：所述上电极层由金属层和第二阻挡层组成。

12.根据权利要求8所述的MIM电容器，其特征在于：所述绝缘层选用高介电系数材料。

13.根据权利要求8所述的MIM电容器，其特征在于：所述平坦化采用化学机械抛光。

14.根据权利要求8所述的MIM电容器，其特征在于：所述通孔的横截面为圆形、或矩形、或多边形、或椭圆形。