CN102446709B - 一种金属-氮化硅-金属电容的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属-氮化硅-金属电容的制造方法，其步骤包括：1）沉积低k值介质层；2）通过光刻和刻蚀形成MOM区域；3）利用等离子体增强型化学气相沉积方法（PECVD）沉积高k值氮化硅；4）化学机械研磨去除多余氮化硅，形成低k值介质和氮化硅的混合层；5）完成光刻和刻蚀在低k值介质和氮化硅中形成金属槽；6）完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后形成导线和MOM电容器的金属填充；7）完成铜互连和MOM电容器的制作。本发明通过提高层内电容器的电介质的k值，有效地提高层内电容器的电容。通过改善高k值氮化硅的性能，有效地改善MOM电容器的击穿电压、漏电流等各电特性，以及各器件间的电学均匀性，非常适于实用。

Description

一种金属-氮化硅-金属电容的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造中一种电容的制造方法，特别涉及一种金属-氮化硅-金属电容的制造方法。

背景技术

随着将标准的互补型金属氧化物半导体（CMOS）技术应用于模拟与射频互补型金属氧化物半导体（RFCMOS）集成电路领域中的趋势，越来越多的被动组件应运而生。电容器是集成电路中的重要组成单元，广泛运用于存储器，微波，射频，智能卡，高压和滤波等芯片中。在芯片中广为采用的电容器构造是平行于硅片衬底的金属-绝缘体-金属（MIM）。其中金属是制作工艺易与金属互连工艺相兼容的铜、铝等，绝缘体则是氮化硅、氧化硅等高介电常数(k)的电介质材料。改进高k电介质材料的性能是提高电容器性能的主要方法之一。

由于利用互补型金属氧化物半导体技术制作的组件具有良好的效能且容易制作，所以金属—绝缘层—金属（Metal—Insulator—Metal, MIM）电容被广泛应用于半导体元件的设计上。由于此种金属电容器具有较低的电阻值（resistance）以及较小的寄生电容（parasitic capacitance），而且没有耗尽层感应电压（induced voltage）偏移的问题，因此目前多采用MIM构造作为金属电容器的主要结构，尤其是具有低电阻的铜电极的MIM电容器更是目前研究的重点方向。

中国专利CN101577227A介绍了一种改进铝-氮化硅-钽化物电容器性能的方法。等离子体增强型化学气相沉积方法（PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）因其沉积温度低而被广泛用于金属互连工艺中的薄膜沉积。利用PECVD方法制作的氮化硅薄膜内残留大量的硅氢键（Si-H），使其内存在较多电荷，这导致该氮化硅薄膜在电性厚度方面的均匀性较差，而利用该氮化硅薄膜制作的MIM电容器在击穿电压、漏电流等各电特性方面也会相应较差。通过含氧气体处理该氮化硅薄膜，可以有效地减少氮化硅薄膜内残留的硅氢键，从而有效地改善了电容器的性能。

金属—绝缘层—金属（Metal—Insulator—Metal, MIM）电容器为可增加电容值的电容器结构之一，其最简单的构造是将水平方向平行的金属板叠成数层，以介电层间隔于各金属层之间，经由介电层连接的两个金属板即成为电容器的两极。将金属板垂直堆叠的构成简单，与仅提供两个导电表面的情形相比，可提供较大的单位面积电容值。然而尽管构成简单，形成多层的MIM电容常常需要很多额外的工艺步骤，而增加了许多制造成本上的负担。

金属—氧化物—金属（Metal—Oxide—Metal, MOM）电容器为可增加电容值的的另一电容器结构，其通常包含导电性板状物，其为介电质所分割而成为电容器的两极。MOM电容器的好处在于其可以使用现有的工艺来完成。例如，用于铜内连线的金属化工艺的双镶嵌工艺可用来形成内填铜的介层窗（via）与沟槽的堆叠结构，其中被氧化物介电质所分隔的两个或多个内填铜的介层窗和沟槽，则形成一电容器。相较于传统的电容器，MOM电容器可有效地提供较大的单位面积电容值。

随着尺寸的减少，以及性能对大电容的需求，如何在有限的面积下获得高密度的电容成为一个非常有吸引力的课题。随着半导体集成电路制造技术的不断进步，性能不断提升的同时也伴随着器件小型化，微型化的进程。越来越先进的制程，要求在尽可能小的区域内实现尽可能多的器件，获得尽可能高的性能。垂直于硅片衬底的金属-氧化物-金属(MOM)是一种在较小的芯片面积内实现较大电容的方法。其中的氧化物不仅仅局限于氧化硅，在实际应用中包括氮化硅等高介电常数(k)的电介质材料。MOM电容器制作工艺与金属互连工艺的兼容性比较好，电容器两级的外连可以和金属互连工艺同步实现。

相比于MIM电容器，MOM可以提高单位面积内的电容。改进高k电介质材料的性能也可以进一步提高MOM电容器的性能。从而满足不断微型化的芯片对高性能电容器的要求。

中国专利CN200810186404提供一种金属-氧化物-金属电容结构。此电容结 构包括：一介电层、一第一网状金属层以及一第二网状金属层。 第一及第二网状金属层嵌入于介电层，且第二网状金属层平行 堆叠于第一网状金属层上方。每一网状金属层具有排列成一阵 列的多个开口。第一网状金属层中的网交点分别对应第二网状 金属层中的开口，且第二网状金属层中的网交点分别对应于第 一网状金属层中的开口。本发明所述的金属-氧化物-金属电 容结构，可有效改善制程梯度变异及线性度，而进一步提升集 成电路的效能。

中国专利CN200610094199 提供一种集成电路的电容器结构及其制造方法，包含：一第一板状物层，包含一系列相互交叉(interdigitated)的第一板状物；一第一介电层，覆盖于该第一板状物层上；一第一延伸层，在该第一介电层上，包含一系列相互交叉的第一延伸板，各个该第一延伸板分别配置于各个该第一板状物上方；一系列的第一导通层，分别连接于各个该第一延伸板上；以及一第二板状物层，包含一系列相互交叉的第二板状物，各个该第二板状物分别连接于各个该第一导通层上；其中相连的第一延伸板、第一导通层、及第二板状物的极性与相对应的第一板状物的极性互异。本发明可有效地结合MOM电容器与MIM电容器，并还可改善对准误差所造成的影响。

中国专利CN200610071511涉及一种电容结构，其包括一基底、一第一金属层、一蚀刻终止层、一连接层、一第二金属层与一绝缘层。第一金属层配置于基底中。蚀刻终止层配置于基底上，其中蚀刻终止层具有一开口，此开口暴露出部分第一金属层。连接层配置于开口与部分蚀刻终止层的表面。第二金属层配置于连接层上。绝缘层配置于第二金属层与连接层之间。  

为了有效地提高层内电容器的电容，改善金属-氮化硅-金属（MOM）电容器的击穿电压、漏电流等各电特性，以及各器件间的电学均匀性。本发明提供一种金属-氮化硅-金属电容的制造方法，本方法特别适合制作有单层MOM电容器的器件。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种金属-氮化硅-金属电容的制造方法，本发明通过提高层内电容器的电介质的k值，有效地提高层内电容器的电容，非常适于实用。

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。

本发明提供一种金属-氮化硅-金属电容的制造方法，其步骤如下：

1）沉积低k值介质层；

2）通过光刻和刻蚀形成MOM区域；

3）利用等离子体增强型化学气相沉积方法（PECVD）沉积高k值氮化硅；

4）化学机械研磨去除多余氮化硅，形成低k值介质和氮化硅的混合层；

5）完成光刻和刻蚀在低k值介质和氮化硅中形成金属槽；

6）完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后形成导线和MOM电容器的金属填充；

7）完成铜互连和MOM电容器的制作。

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：

所述步骤（3）中氮化硅沉积采用沉积氮化硅-含氧气体处理的两步循环方式完成。

所述步骤（3）中氮化硅沉积中所使用的含氧气体为一氧化氮、一氧化二氮、一氧化碳和二氧化碳中的一种或数种。

所述步骤（3）中氮化硅沉积中每次氮化硅沉积厚度为1纳米至10纳米。

所述步骤（3）中氮化硅沉积中含氧气体处理的气体流量在2000至6000sccm之间。

所述步骤（3）中氮化硅沉积中含氧气体处理的处理温度在300至600摄氏度之间。

本发明提出一种金属-氮化硅-金属电容的制造方法，通过提高层内电容器的电介质的k值，有效地提高层内电容器的电容。通过改善高k值氮化硅的性能，有效地改善金属-氮化硅-金属（MOM）电容器的击穿电压、漏电流等各电特性，以及各器件间的电学均匀性。

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

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1绘示低k值介质层的剖面示意图。

图2绘示完成光刻和刻蚀MOM电容区域的低k值介质层剖面示意图。

图3绘示完成PECVD沉积氮化硅和化学机械研磨去除多余氮化硅后低k值介质和氮化硅混合层的剖面示意图。

图4绘示完成光刻和刻蚀形成金属槽的剖面示意图。

图5绘示完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后导线金属和MOM电容器的剖面示意图。

标号说明：1. 低k值介质，2. 氮化硅，3. 填充金属。

具体实施方式

为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一种金属-氮化硅-金属电容的制造方法，详细说明如下。

本发明的不同实施例将详述如下，以实施本发明的不同的技术特征，可理解的是，以下所述的特定实施例的单元和配置用以简化本发明，其仅为范例而不限制本发明的范围。

实施例一

首先沉积低k值介质层，图1绘示低k值介质层的剖面示意图。然后通过光刻和刻蚀形成MOM区域，图2绘示完成光刻和刻蚀MOM电容区域的低k值介质层剖面示意图。接着利用等离子体增强型化学气相沉积方法（PECVD）沉积高k值氮化硅，其中氮化硅沉积采用沉积氮化硅-含氧气体处理的两步循环方式完成，所使用的含氧气体为一氧化氮，含氧气体处理的气体流量为3000sccm，处理温度为400摄氏度，每次氮化硅沉积厚度为2纳米，采用沉积氮化硅-含氧气体处理的两步循环达成最终所需氮化硅厚度。图3绘示完成PECVD沉积氮化硅和化学机械研磨去除多余氮化硅后低k值介质和氮化硅混合层的剖面示意图。然后使用化学机械研磨去除多余氮化硅，形成低k值介质和氮化硅的混合层，再完成光刻和刻蚀在低k值介质和氮化硅中形成金属槽，图4绘示完成光刻和刻蚀形成金属槽的剖面示意图。在低k值介质层和高k值氮化硅上同时进行铜互连工艺的光刻、刻蚀、铜的扩散阻挡层沉积、铜电镀、铜金属层化学机械研磨等工艺步骤，完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后形成导线和MOM电容器的金属填充，完成铜互连和MOM电容器的制作。图5绘示完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后导线金属和MOM电容器的剖面示意图。

实施二

首先沉积低k值介质层，图1绘示低k值介质层的剖面示意图。然后通过光刻和刻蚀形成MOM区域，图2绘示完成光刻和刻蚀MOM电容区域的低k值介质层剖面示意图。接着利用等离子体增强型化学气相沉积方法（PECVD）沉积高k值氮化硅，其中氮化硅沉积采用沉积氮化硅-含氧气体处理的两步循环方式完成，所使用的含氧气体为一氧化二氮，含氧气体处理的气体流量为4000sccm，处理温度为500摄氏度，每次氮化硅沉积厚度为4纳米，采用沉积氮化硅-含氧气体处理的两步循环达成最终所需氮化硅厚度。图3绘示完成PECVD沉积氮化硅和化学机械研磨去除多余氮化硅后低k值介质和氮化硅混合层的剖面示意图。然后使用化学机械研磨去除多余氮化硅，形成低k值介质和氮化硅的混合层，再完成光刻和刻蚀在低k值介质和氮化硅中形成金属槽，图4绘示完成光刻和刻蚀形成金属槽的剖面示意图。在低k值介质层和高k值氮化硅上同时进行铜互连工艺的光刻、刻蚀、铜的扩散阻挡层沉积、铜电镀、铜金属层化学机械研磨等工艺步骤，完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后形成导线和MOM电容器的金属填充，完成铜互连和MOM电容器的制作。图5绘示完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后导线金属和MOM电容器的剖面示意图。

实施三

首先沉积低k值介质层，图1绘示低k值介质层的剖面示意图。然后通过光刻和刻蚀形成MOM区域，图2绘示完成光刻和刻蚀MOM电容区域的低k值介质层剖面示意图。接着利用等离子体增强型化学气相沉积方法（PECVD）沉积高k值氮化硅，其中氮化硅沉积采用沉积氮化硅-含氧气体处理的两步循环方式完成，所使用的含氧气体为一氧化碳，含氧气体处理的气体流量为5000sccm，处理温度为300摄氏度，每次氮化硅沉积厚度为5纳米，采用沉积氮化硅-含氧气体处理的两步循环达成最终所需氮化硅厚度。图3绘示完成PECVD沉积氮化硅和化学机械研磨去除多余氮化硅后低k值介质和氮化硅混合层的剖面示意图。然后使用化学机械研磨去除多余氮化硅，形成低k值介质和氮化硅的混合层，再完成光刻和刻蚀在低k值介质和氮化硅中形成金属槽，图4绘示完成光刻和刻蚀形成金属槽的剖面示意图。在低k值介质层和高k值氮化硅上同时进行铜互连工艺的光刻、刻蚀、铜的扩散阻挡层沉积、铜电镀、铜金属层化学机械研磨等工艺步骤，完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后形成导线和MOM电容器的金属填充，完成铜互连和MOM电容器的制作。图5绘示完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后导线金属和MOM电容器的剖面示意图。

实施四

首先沉积低k值介质层，图1绘示低k值介质层的剖面示意图。然后通过光刻和刻蚀形成MOM区域，图2绘示完成光刻和刻蚀MOM电容区域的低k值介质层剖面示意图。接着利用等离子体增强型化学气相沉积方法（PECVD）沉积高k值氮化硅，其中氮化硅沉积采用沉积氮化硅-含氧气体处理的两步循环方式完成，所使用的含氧气体为二氧化碳，含氧气体处理的气体流量为6000sccm，处理温度为600摄氏度，每次氮化硅沉积厚度为10纳米，采用沉积氮化硅-含氧气体处理的两步循环达成最终所需氮化硅厚度。图3绘示完成PECVD沉积氮化硅和化学机械研磨去除多余氮化硅后低k值介质和氮化硅混合层的剖面示意图。然后使用化学机械研磨去除多余氮化硅，形成低k值介质和氮化硅的混合层，再完成光刻和刻蚀在低k值介质和氮化硅中形成金属槽，图4绘示完成光刻和刻蚀形成金属槽的剖面示意图。在低k值介质层和高k值氮化硅上同时进行铜互连工艺的光刻、刻蚀、铜的扩散阻挡层沉积、铜电镀、铜金属层化学机械研磨等工艺步骤，完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后形成导线和MOM电容器的金属填充，完成铜互连和MOM电容器的制作。图5绘示完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后导线金属和MOM电容器的剖面示意图。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (3)

1.一种金属-氮化硅-金属电容器的制作方法，其特征在于：其具有以下步骤：

1)沉积低k值介质层；

2)通过光刻和刻蚀形成MOM区域；

3)利用等离子体增强型化学气相沉积方法(PECVD)沉积高k值氮化硅；

4)化学机械研磨去除多余氮化硅，形成低k值介质和氮化硅的混合层；

5)完成光刻和刻蚀在低k值介质和氮化硅中形成金属槽；

6)完成金属层沉积和金属层化学机械研磨后形成导线和MOM电容器的金属填充；

7)完成铜互连和MOM电容器的制作；

其中，所述步骤(3)中氮化硅沉积采用沉积氮化硅-含氧气体处理的两步循环方式完成；

所述步骤(3)中氮化硅沉积中每次氮化硅沉积厚度为1纳米至10纳米，采用2纳米或者4纳米或者5纳米或者10纳米；

所述步骤(3)中氮化硅沉积中所使用的含氧气体为一氧化氮、一氧化二氮、一氧化碳和二氧化碳中的一种或数种。

2.如权利要求1所述的一种金属-氮化硅-金属电容器的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中氮化硅沉积中含氧气体处理的气体流量在2000至6000sccm之间。

3.如权利要求1所述的一种金属-氮化硅-金属电容器的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中氮化硅沉积中含氧气体处理的处理温度在300至600摄氏度之间。