CN102655079B - 多层金属-多层绝缘体-金属电容器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多层金属-多层绝缘体-金属电容器的制作方法，在硅衬底上进行，包括循环执行如下步骤：在电容区制作水平方向的第一多层绝缘体；以及位于所述第一多层绝缘体上的第二高K值氮化硅薄膜；在非电容区沉积低k值介质层；在所述第二高K值氮化硅薄膜上制作第一金属槽，所述第一金属槽底端接触所述第一多层绝缘体上表面，在所述低k值介质层与所述第一多层绝缘体在竖直方向上无重叠的区域制作第二金属槽；在所述第一金属槽中制作侧墙以形成通孔，所述侧墙为第二高K值氧化硅；在所述通孔和金属槽中填充金属后进行化学机械研磨。提高层间电容器的电容，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。
Description
技术领域
本发明涉及电容器，具体地，涉及一种多层金属-多层绝缘体-金属电容器的制作方法。
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。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。
等离子体增强型化学气相沉积方法(PECVD，Plasma Enhanced ChemicalVapor 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。高k值绝缘体氮化硅可以利用PECVD方法通过硅烷和氨气在等离子环境下反应生成。
高k值绝缘体氧化硅可以利用PECVD方法通过硅烷和一氧化二氮在等离子环境下反应生成。
氮化硅薄膜中的硅氮键(Si-N)的稳定性弱于氧化硅薄膜中的硅氧键(Si-O)。导致在高电压下，氮化硅薄膜电容器的漏电流较大。中国专利CN101783286A介绍了一种改进铝-绝缘体-钽化物MIM电容器性能的方法。通过PECVD在氮化硅层上覆盖氧化硅层，提高了绝缘体薄膜中原子之间结合键的稳定性，从而有效地改善了该MIM电容器的性能。
随着芯片尺寸的减少，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。
利用PECVD方法制作的氮化硅薄膜和氧化硅薄膜内会残留大量的硅氢键(Si-H)。硅氢键使绝缘体薄膜内存在较多电荷，降低了金属-绝缘体-金属MOM电容器的性能。
因此，提供一种能够更有效地改善绝缘体薄膜中原子之间结合键的稳定性，进一步改进高k电介质材料的性能和提高MOM电容器的性能的电容器就显得尤为重要了。
发明内容
本发明的目的是提高层间电容器的电容，改善金属-多层绝缘体-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。
本发明公开一种多层金属-多层绝缘体-金属电容器的制作方法，在硅衬底上进行，其中，包括循环执行如下步骤：
步骤1，制作第一多层绝缘体，所述第一多层绝缘体包括若干由下至上依次相叠的第一高K值氧化硅薄膜和第一高K值氮化硅薄膜；
步骤2，在所述第一多层绝缘体上沉积形成第二高K值氮化硅薄膜；
步骤3，刻蚀去除部分所述第一多层绝缘体以及第二高K值氮化硅薄膜；
步骤4，沉淀低k值介质层覆盖所述步骤3中剩余的部分所述第一多层绝缘体以及第二高K值氮化硅薄膜；
步骤5，化学机械研磨所述低k值介质层上表面并使所述第二高K值氮化硅薄膜暴露；
步骤6，在所述第二高K值氮化硅薄膜上制作第一金属槽，所述第一金属槽底端接触所述第一多层绝缘体上表面，在所述低k值介质层与所述第一多层绝缘体在竖直方向上无重叠的区域制作第二金属槽；
步骤7，在所述第一金属槽中制作侧墙以形成通孔，所述侧墙为第二高K值氧化硅；
步骤8，在所述通孔和金属槽中填充金属后进行化学机械研磨。
上述的方法，其中，所述第一和第二高K值氧化硅薄膜通过多次循环执行如下步骤形成：
步骤a1，沉积氧化硅；
步骤a2，提供含氧气体处理所述沉积的氧化硅；
所述第一和第二高K值氮化硅薄膜均通过多次循环执行如下步骤形成：
步骤b1，沉积氮化硅；
步骤b2，提供含氧气体处理所述沉积的氮化硅。
上述的方法，其中，所述氧化硅利用PECVD方法通过硅烷和一氧化二氮在等离子环境下反应生成；所述氮化硅利用PECVD方法通过硅烷和氨气在等离子环境下反应生成。
上述的方法，其中，所述含氧气体包括一氧化氮、一氧化二氮、一氧化碳、和二氧化碳。
上述的方法，其中，所述步骤a1中，氧化硅沉积厚度取值范围为1纳米至10纳米，所述步骤b1中，氮化硅沉积厚度取值范围为1纳米至10纳米。
上述的方法，其中，所述含氧气体处理过程中，气体流量取值范围为2000sccm至6000sccm，处理温度取值范围为300摄氏度至600摄氏度。
上述的方法，其中，所述反应气体硅烷的流量取值范围为25sccm至600sccm，所述反应气体一氧化二氮的流量取值范围为9000sccm至20000sccm，硅烷与一氧化二氮的流量比取值范围为1：15至1：800，成膜速率取值范围为10纳米/分钟至5000纳米/分钟。
上述的方法，其中，所述第二高K值氧化硅的制作还包括：
步骤a3，利用各向异性刻蚀去除水平方向的氧化硅，形成水平方向上由氧化硅-氮化硅-氧化硅组成的第二多层绝缘体。
上述的方法，其中，在所述步骤6中，所述通孔和金属槽的制作包括光刻后刻蚀的步骤，所述通孔的刻蚀止于所述多层绝缘体上表面。
上述的方法，其中，步骤8中包括沉积铜的扩散阻挡层。
本发明通过改进PECVD工艺，更有效地改善绝缘体薄膜中原子之间结合键的稳定性，进一步改进高k电介质材料的性能和提高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。
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，对于相同部件，仅标示其中部分，本领域技术人员可以结合具体实施方式部分理解。
图1至图6示出了根据本发明的一种多层金属-多层绝缘体-金属电容器的制作方法的各个步骤的示意图。
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。
结合参考图1至图6，本发明的多层金属-多层绝缘体-金属电容器的制作方法在硅衬底100上进行，其中，包括循环执行如下步骤：步骤1，制作第一多层绝缘体2，所述第一多层绝缘体2包括若干由下至上依次相叠的第一高K值氧化硅薄膜21和第一高K值氮化硅薄膜22；步骤2，在所述第一多层绝缘体2上沉积形成第二高K值氮化硅薄膜20，如图1所示；步骤3，参考图2，刻蚀去除部分所述第一多层绝缘体2以及第二高K值氮化硅薄膜20；接着执行步骤4，沉淀低k值介质层1覆盖所述步骤3中剩余的部分所述第一多层绝缘体2以及第二高K值氮化硅薄膜20；步骤5，如图3所示，化学机械研磨所述低k值介质层1上表面并使所述第二高K值氮化硅薄膜20暴露；步骤6，在所述第二高K值氮化硅薄膜20上制作第一金属槽102，所述第一金属槽102底端接触所述第一多层绝缘体2上表面，在所述低k值介质层1与所述第一多层绝缘体2在竖直方向上无重叠的区域制作第二金属槽101；步骤7，在所述第一金属槽102中制作侧墙31以形成通孔(图4中未标示)，所述侧墙31为第二高K值氧化硅；步骤8，在所述通孔和金属槽中填充金属3后进行化学机械研磨。所述金属3采用铜。
然后循环执行上述步骤，就能得到如图6所示的多层金属-多层绝缘体-金属电容器。
具体地，所述第一和第二高K值氧化硅薄膜通过多次循环执行如下步骤形成：步骤a1，沉积氧化硅；步骤a2，提供含氧气体处理所述沉积的氧化硅；所述第一和第二高K值氮化硅薄膜20均通过多次循环执行如下步骤形成：步骤b1，沉积氮化硅；步骤b2，提供含氧气体处理所述沉积的氮化硅。
其中，所述氧化硅利用PECVD方法通过硅烷和一氧化二氮在等离子环境下反应生成；所述氮化硅利用PECVD方法通过硅烷和氨气在等离子环境下反应生成。
在一个具体实施例中，所述含氧气体包括一氧化氮、一氧化二氮、一氧化碳、和二氧化碳。
更为具体地，所述步骤a1中，氧化硅沉积厚度取值范围为1纳米至10纳米，所述步骤b1中，氮化硅沉积厚度取值范围为1纳米至10纳米。
优选地，所述含氧气体处理过程中，气体流量取值范围为2000sccm至6000sccm，处理温度取值范围为300摄氏度至600摄氏度。
进一步地，所述反应气体硅烷的流量取值范围为25sccm至600sccm，所述反应气体一氧化二氮的流量取值范围为9000sccm至20000sccm，硅烷与一氧化二氮的流量比取值范围为1：15至1：800，成膜速率取值范围为10纳米/分钟至5000纳米/分钟。
更进一步地，参考图4，所述第二高K值氧化硅的制作还包括：
步骤a3，利用各向异性刻蚀去除水平方向的氧化硅，从而得到图4所示的侧墙31，形成水平方向上由氧化硅-氮化硅-氧化硅组成的第二多层绝缘体30。本领域技术人员理解，根据层内电容器所需的绝缘体厚度选择所述第二多层绝缘体30的线宽。
在一个具体实施例中，所述通孔和金属槽的制作包括光刻后刻蚀的步骤，所述通孔的刻蚀止于所述多层绝缘体上表面。
优选地，步骤8中包括沉积铜的扩散阻挡层。本领域技术人员结合现有技术可以完成铜互连，其中，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均为现有技术，在此不予赘述。
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 (10)
1.一种多层金属-多层绝缘体-金属电容器的制作方法，在硅衬底上进行，其特征在于，包括循环执行如下步骤：
步骤1，制作第一多层绝缘体，所述第一多层绝缘体包括若干由下至上依次相叠的第一高K值氧化硅薄膜和第一高K值氮化硅薄膜；
步骤2，在所述第一多层绝缘体上沉积形成第二高K值氮化硅薄膜；
步骤3，刻蚀去除部分所述第一多层绝缘体以及第二高K值氮化硅薄膜；
步骤4，沉淀低k值介质层覆盖所述步骤3中剩余的部分所述第一多层绝缘体以及第二高K值氮化硅薄膜；
步骤5，化学机械研磨所述低k值介质层上表面并使所述第二高K值氮化硅薄膜暴露；
步骤6，在所述第二高K值氮化硅薄膜上制作第一金属槽，所述第一金属槽底端接触所述第一多层绝缘体上表面，在所述低k值介质层与所述第一多层绝缘体在竖直方向上无重叠的区域制作第二金属槽；
步骤7，在所述第一金属槽中制作侧墙以形成通孔，所述侧墙为第二高K值氧化硅；
步骤8，在所述通孔和金属槽中填充金属后进行化学机械研磨。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二高K值氧化硅薄膜通过多次循环执行如下步骤形成：
步骤a1，沉积氧化硅；
步骤a2，提供含氧气体处理所述沉积的氧化硅；
所述第一和第二高K值氮化硅薄膜均通过多次循环执行如下步骤形成：
步骤b1，沉积氮化硅；
步骤b2，提供含氧气体处理所述沉积的氮化硅。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氧化硅利用PECVD方法通过硅烷和一氧化二氮在等离子环境下反应生成；所述氮化硅利用PECVD方法通过硅烷和氨气在等离子环境下反应生成。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述含氧气体包括一氧化氮、一氧化二氮、一氧化碳、和二氧化碳。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a1中，氧化硅沉积厚度取值范围为1纳米至10纳米，所述步骤b1中，氮化硅沉积厚度取值范围为1纳米至10纳米。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述含氧气体处理过程中，气体流量取值范围为2000sccm至6000sccm，处理温度取值范围为300摄氏度至600摄氏度。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述反应气体硅烷的流量取值范围为25sccm至600sccm，所述反应气体一氧化二氮的流量取值范围为9000sccm至20000sccm，硅烷与一氧化二氮的流量比取值范围为1：15至1：800，成膜速率取值范围为10纳米/分钟至5000纳米/分钟。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二高K值氧化硅的制作还包括：
步骤a3，利用各向异性刻蚀去除水平方向的氧化硅，形成水平方向上由氧化硅-氮化硅-氧化硅组成的第二多层绝缘体。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤6中，所述第二金属槽与所述第一多层绝缘体在水平方向上无重叠。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤8中包括沉积铜的扩散阻挡层。
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