CN102446981B - 一种多层金属-氮化硅-金属电容及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种多层金属-氮化硅-金属电容器，其特征在于，具有若干层低k值介质和氮化硅的混合层，每一层混合层中包括：在水平方向上交替分布的若干低k值介质区和若干高k值氮化硅区；每个低k值介质区上具有第一金属槽，所述第一金属槽中填充有金属；每个高k值氮化硅区上具有若干第二金属槽，所述若干第二金属槽中均填充有金属。发明通过提高层间和层内电容器的电介质的k值，有效地提高层间和层内电容器的电容。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。

Description

一种多层金属-氮化硅-金属电容及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路中的电容，尤其涉及一种多层金属-氮化硅-金属电容及其制作方法。

背景技术

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。

现有技术中，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。例如，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 EnhancedChemical 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。

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。

但是，目前的金属-氮化硅-金属（MOM）电容器的击穿电压、漏电流等各电特性还不尽如人意。

因此，提供一种能够改善金属-氮化硅-金属（MOM）电容器的击穿电压、漏电流等各电特性的电容及其制作方法就显得尤为重要了。

发明内容

本发明的目的就是针对上述问题，设计出一种新多层金属-氮化硅-金属电容及其制作方法，以提高层间和层内电容器的电容，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，并改善各器件间的电学均匀性。

本发明公开一种多层金属-氮化硅-金属电容器，其中，具有若干层低k值介质和氮化硅的混合层，每一层混合层中包括：

在水平方向上交替分布的若干低k值介质区和若干高k值氮化硅区；

每个低k值介质区上具有第一金属槽，所述第一金属槽中填充有金属；

每个高k值氮化硅区上具有若干第二金属槽，所述若干第二金属槽中均填充有金属。

上述的多层金属-氮化硅-金属电容器，其中，至少一层的高k值氮化硅区与其相邻一层的高k值氮化硅区在竖直方向上重合。

上述的多层金属-氮化硅-金属电容器，其中，至少一层的低k值介质区与其相邻一层的低k值介质区在竖直方向上重合。

上述的多层金属-氮化硅-金属电容器，其中，所述金属为铜。

根据本发明的另一个方面，还公开一种多层金属-氮化硅-金属电容器的制作方法，其中，在衬底上由下至上依次形成多层低k值介质和氮化硅的混合层，每一层混合层形成包括：

步骤1，沉积低k值介质层；

步骤2，在所述低k值介质层上制作沟槽；

步骤3，在所述沟槽中沉积高k值氮化硅；

步骤4，化学机械平坦化所述高k值氮化硅；

步骤5，在所述低k值介质层中刻蚀形成第一金属槽，在所述高k值氮化硅中刻蚀形成第二金属槽；

步骤6，在所述第一金属槽和第二金属槽中填充金属；

步骤7，化学机械平坦化所述金属。

上述的方法，其中，在步骤3中，所述沉积高k值氮化硅是通过多次沉积薄层氮化硅相叠实现的，每层氮化硅的制备包括：

步骤31，沉积薄层氮化硅；

步骤32，用含氧气体处理所述薄层氮化硅，以减少氮化硅薄膜内残留的硅氢键。

上述的方法，其中，所述含氧气体至少包括一氧化氮、一氧化二氮、一氧化碳和二氧化碳中一种。

上述的方法，其中，所述每层薄层氮化硅的厚度取值范围为1纳米至10纳米。

上述的方法，其中，所述步骤32中，含氧气体处理的气体流量取值范围为2000至6000sccm，其处理温度取值范围为300至600摄氏度。

上述的方法，其中，所述步骤2中，包括如下：

步骤21，旋涂光刻胶覆盖所述低k值介质层；

步骤22，对所述光刻胶进行曝光，以形成沟槽的图形；

步骤23，刻蚀所述低k值介质层形成沟槽；

上述的方法，其中，所述步骤5中，包括如下：

步骤51，旋涂光刻胶覆盖所述低k值介质层和高k值氮化硅；

步骤52，对所述光刻胶进行曝光，以形成第一沟槽和第二沟槽的图形；

步骤53，刻蚀所述低k值介质层和高k值氮化硅以分别形成第一沟槽和第二沟槽。

上述的方法，其中，所述步骤6和步骤7中的金属为铜。

发明通过提高层间和层内电容器的电介质的k值，有效地提高层间和层内电容器的电容。本发明的优点是，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。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，放大了部分部件。

图1示出了根据本发明的，一种多层金属-氮化硅-金属电容中相邻两层混合层的剖视图；以及

图2至图6示出了根据本发明的，一种多层金属-氮化硅-金属电容器中一层混合层的制作过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

参考图1示出的一种多层金属-氮化硅-金属电容的示意图，本发明的多层金属-氮化硅-金属电容具有若干层低k值介质和氮化硅的混合层，图1中，用虚线标示出了两层相邻的混合层，如图所示，每一层混合层中包括：

在水平方向上交替分布的若干低k值介质区11和若干高k值氮化硅区12；

每个低k值介质区11上具有第一金属槽301，第一金属槽301中填充有金属；

每个高k值氮化硅区12上具有若干第二金属槽302，若干第二金属槽302中均填充有金属。

在一个优选例中，至少一层的高k值氮化硅区12与其相邻一层的高k值氮化硅区12在竖直方向上重合。

在又一个优选例中，至少一层的低k值介质区11与其相邻一层的低k值介质区11在竖直方向上重合。

进一步地，上述填充在第一金属槽301和第二金属槽302中的金属为铜。

上述结构的制备方法参考图2至图6，一种多层金属-氮化硅-金属电容器中一层混合层的制作过程示意图。本发明通过在衬底上由下至上依次形成多层低k值介质和氮化硅的混合层实现，每一层混合层的形成包括如下步骤：

步骤1，沉积低k值介质层101，如图2所示；

步骤2，参考图3，在低k值介质层101上制作沟槽（图3中未标号）；

步骤3，在沟槽中沉积高k值氮化硅102；

步骤4，化学机械平坦化高k值氮化硅102，就得到了如图4所示的低k值介质和氮化硅的混合层；

步骤5，在低k值介质层101中刻蚀形成第一金属槽301，在高k值氮化硅102中刻蚀形成第二金属槽302，见图5中的第一金属槽301和第二金属槽302，其中，第二金属槽302中用于填充金属，以形成金属-氮化硅-金属的电容结构；

步骤6，在第一金属槽301和第二金属槽302中填充金属4；

步骤7，化学机械平坦化金属4，如图6所示。

具体地，在步骤3中，沉积高k值氮化硅102是通过多次沉积薄层氮化硅相叠实现的，每层氮化硅的制备包括：

步骤31，沉积薄层氮化硅；

步骤32，用含氧气体处理薄层氮化硅，以减少氮化硅薄膜内残留的硅氢键。

如此反复执行步骤31和步骤32直至多层处理过的薄层氮化硅相叠后的厚度达到需要的氮化硅层的厚度，参考图3和图4，优选地，多次沉积薄层氮化硅后相叠的高度要高出低k值介质层101上沟槽的高度，以留出足够的厚度进行后续的化学机械平坦化制程。

上述步骤中，含氧气体至少包括一氧化氮、一氧化二氮、一氧化碳和二氧化碳中一种，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。

在一个优选例中，每层薄层氮化硅的厚度取值范围为1纳米至10纳米。

在又一个优选例中，步骤32中的含氧气体处理的气体流量取值范围为2000至6000sccm，其处理温度取值范围为300至600摄氏度。

本领域技术人员理解，沟槽的制作是现有技术，步骤2中，包括如下：

步骤21，旋涂光刻胶覆盖低k值介质层101；

步骤22，对光刻胶进行曝光，以形成沟槽的图形；

步骤23，刻蚀低k值介质层101形成沟槽。

更为具体地，步骤5中，包括如下：

步骤51，旋涂光刻胶覆盖低k值介质层101和高k值氮化硅；

步骤52，对光刻胶进行曝光，以形成第一沟槽和第二沟槽的图形；

步骤53，刻蚀低k值介质层101和高k值氮化硅以分别形成第一沟槽和第二沟槽。

本领域技术人员结合现有技术可以实施上述的沟槽的制作，在此不予赘述。

更进一步地，步骤6和步骤7中的金属4为铜。

以上公开了一层混合层制作方法，本领域技术人员可以完成多层混合层的制作来实现本发明的方法。

本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；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，这并不影响本发明的实质内容。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 (5)

1.一种多层金属-氮化硅-金属电容器的制作方法，其特征在于，在衬底上由下至上依次形成多层低k值介质和高k值氮化硅的混合层，每一层混合层形成包括：

步骤1，沉积低k值介质层；

步骤2，在所述低k值介质层上制作沟槽；

步骤3，在所述沟槽中沉积高k值氮化硅；

步骤4，化学机械平坦化所述高k值氮化硅；

步骤5，在所述低k值介质层中刻蚀形成第一金属槽，在所述高k值氮化硅中刻蚀形成第二金属槽；

步骤6，在所述第一金属槽和第二金属槽中填充金属；

步骤7，化学机械平坦化所述金属；其中，在步骤3中，所述沉积高k值氮化硅是通过多次沉积薄层氮化硅相叠实现的，每层氮化硅的制备包括：

步骤31，沉积薄层氮化硅；

步骤32，用含氧气体处理所述薄层氮化硅，以减少氮化硅薄膜内残留的硅氢键；

反复执行步骤31和步骤32直至多层处理过的薄层氮化硅相叠后的厚度达到需要的氮化硅层的厚度，或者，多次沉积薄层氮化硅后相叠的高度高出低k值介质层上沟槽的高度，以留出足够的厚度进行后续的化学机械平坦化制程，所述含氧气体至少包括一氧化氮、一氧化二氮、一氧化碳和二氧化碳中一种，所述每层薄层氮化硅的厚度取值范围为1纳米至10纳米。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤32中，含氧气体处理的气体流量取值范围为2000至6000sccm，其处理温度取值范围为300至600摄氏度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，包括如下：

步骤21，旋涂光刻胶覆盖所述低k值介质层；

步骤22，对所述光刻胶进行曝光，以形成沟槽的图形；

步骤23，刻蚀所述低k值介质层形成沟槽。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，包括如下：

步骤51，旋涂光刻胶覆盖所述低k值介质层和高k值氮化硅；

步骤52，对所述光刻胶进行曝光，以形成所述第一金属槽和所述第二金属槽的图形；

步骤53，刻蚀所述低k值介质层和高k值氮化硅以分别形成所述第一金属槽和所述第二金属槽。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6和步骤7中的金属为铜。