CN117678065A - 包括绝缘体杯和横向延伸的绝缘体凸缘的金属-绝缘体-金属（mim）电容器 - Google Patents

Abstract

一种金属‑绝缘体‑金属(MIM)电容器，该MIM电容器包括底部电极杯、绝缘体和顶部电极。该底部电极杯包括横向延伸的底部电极杯基座以及从该横向延伸的底部电极杯基座向上延伸的底部电极杯侧壁。该绝缘体包括形成在由该底部电极杯限定的开口中的绝缘体杯以及从该绝缘体杯侧壁横向向外延伸并且在该底部电极杯侧壁的上部表面上方横向延伸的绝缘体凸缘。该顶部电极形成在由该绝缘体杯限定的开口中。该顶部电极通过该绝缘体凸缘与该底部电极杯侧壁的该上部表面绝缘。

Description

包括绝缘体杯和横向延伸的绝缘体凸缘的金属-绝缘体-金属 (MIM)电容器

相关专利申请

本申请要求2021年12月27日提交的共同拥有的美国临时专利申请63/293,876号的优先权，该美国临时专利申请的全部内容据此出于所有目的以引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及集成电路部件，更具体地涉及形成在集成电路中的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。

背景技术

金属-绝缘体-金属(MIM)电容器是由金属顶部电极、金属底部电极和夹置在两个电极之间的绝缘体(电介质)构造的电容器。MIM电容器是许多电路、例如许多模拟、混合信号和射频互补金属氧化物半导体(RF CMOS)电路中的重要部件。MIM电容器通常提供比诸如聚合-氧化物-聚合(POP)电容器和金属-氧化物-金属横向通量(MOM)电容器之类的替代物更好的性能，这是由于较低电阻、对模拟电路的更好匹配(例如，匹配器件特性，诸如电阻和电容)和/或更好的信噪比。

MIM电容器通常构造在称为金属层M_x和M_x+1的两个互连金属层(例如，铝层)之间。例如，MIM电容器可通过以下步骤形成：使用现有金属层Mx作为底板(底部电极)；在底板上方构造绝缘体和顶板(顶部电极)；以及由相应的通孔将上覆金属层M_x+1连接到顶板和底板。在两个金属层M_x与M_x+1之间形成的顶板可由与金属层M_x和M_x+1不同的金属形成。例如，金属层M_x和M_x+1可由铝形成，而顶部电极可由例如钛/氮化钛(Ti/TiN)、钽/氮化钽(Ta/TaN)或钨(W)形成。

常规MIM电容器通常造价昂贵。例如，MIM电容器通常需要多个额外的掩模层和许多额外的工艺步骤。另外，常规MIM电容器通常需要相对较大的硅面积，从而导致低效的面积使用率，尤其是在较大MIM电容器的情况下。此外，在常规MIM电容器中，顶板较薄，并且因此提供较高串联电阻，因为顶板的竖直厚度受到其中形成有MIM电容器的相邻金属层之间(例如，金属层M_x和M_x+1之间)的竖直距离的限制。

另外，常规MIM电容器可具有低的和/或不可预测的击穿电压。例如，形成在电容器底板上的凸丘可产生电容器的不可控的低击穿电压。在常规制造工艺中，凸丘的形成可能难以控制。例如，由于在电容器制造中的各种加热的工艺步骤，包括热处理步骤和/或加热的铝沉积步骤(例如，在400℃执行)，凸丘可形成在底板上。

需要可以较低成本制造，添加较少掩模层或不添加掩模层，具有改进的空间密度，并且/或者具有改进的击穿电压的MIM电容器。

发明内容

MIM电容器模块可包括：包括底部电极杯的底部电极，包括形成在该底部电极杯内部的绝缘体杯的绝缘体，以及形成在该绝缘体杯内部的顶部电极。该底部电极杯可具有高度缩短(例如，通过移除侧壁的上部部分或上部″边沿″)的侧壁，并且该绝缘体可包括绝缘体凸缘，该绝缘体凸缘从该绝缘体杯横向向外延伸，以覆盖该缩短的底部电极杯侧壁的上部表面。该绝缘体凸缘由此可使该底部电极杯侧壁的该上部表面与该顶部电极绝缘，从而例如防止该顶部电极和该底部电极之间出现短路。

在一些示例中，顶部电极连接焊盘可直接形成在该顶部电极上，并且通过该绝缘体凸缘与该缩短的底部电极杯侧壁绝缘。在一些示例中，可通过执行高密度等离子(HDP)溅射工艺移除该底部电极杯侧壁的该上部部分或上部边沿来缩短该底部电极杯侧壁(允许形成在其上延伸的绝缘体凸缘)。

在一些示例中，MIM电容器模块可同时构造有互连结构。在一些示例中，与背景IC制造工艺相比，可使用不添加光掩模的镶嵌工艺构造MIM电容器模块。

在一些示例中，MIM电容器模块提供一致的击穿电压。例如，所公开的用于形成MIM电容器模块的工艺可避免底部电极上出现凸丘。另外，顶部电极和上覆的顶部电极连接焊盘(例如，两者均由铝形成)的厚度可能较大，从而提供极低的串联电阻。

在一些示例中，MIM电容器模块可构造在两个金属互连层之间或者硅化多晶硅层和金属-1金属层之间。

一个方面提供了一种MIM电容器模块，该MIM电容器模块包括底部电极杯、绝缘体和顶部电极。该底部电极杯包括横向延伸的底部电极杯基座以及从该横向延伸的底部电极杯基座向上延伸的底部电极杯侧壁。该绝缘体包括形成在由该底部电极杯限定的开口中的绝缘体杯以及从该绝缘体杯横向向外延伸并且在该底部电极杯侧壁的上部表面上方横向延伸的绝缘体凸缘。该顶部电极形成在由该绝缘体杯限定的开口中。该顶部电极通过该绝缘体凸缘与该底部电极杯侧壁的该上部表面绝缘。

在一些示例中，该顶部电极包括在该绝缘体凸缘上方横向延伸的顶部电极帽区，其中该绝缘体凸缘布置在该顶部电极帽区和该底部电极杯侧壁的该上部表面之间。

在一些示例中，该MIM电容器模块包括：底部电极基部，其中该底部电极杯形成在该底部电极基部上；底部电极接触件，其与该底部电极杯横向间隔开，该底部电极接触件导电地连接到该底部电极基部；和底部电极连接焊盘，其形成在该底部电极接触件上方并且导电地连接到该底部电极接触件。

在一些示例中，该MIM电容器模块包括形成在该顶部电极上方并导电地连接到该顶部电极的顶部电极连接焊盘，其中该底部电极基部形成在下部金属层中，并且其中该顶部电极连接焊盘和该底部电极连接焊盘形成在上部金属层中。

在一些示例中，该下部金属层包括硅化多晶硅层，并且该上部金属层包括互连金属层。

在一些示例中，该底部电极杯和该底部电极接触件由共形金属形成。

在一些示例中，该绝缘体杯包括绝缘体杯侧壁，该绝缘体杯侧壁包括限定该绝缘体杯侧壁的闭环周边的多个绝缘体杯侧壁段，该绝缘体杯侧壁具有围绕该绝缘体杯侧壁的该闭环周边延伸的侧壁上部边缘，并且该绝缘体凸缘从该侧壁上部边缘径向向外延伸并且围绕该绝缘体杯侧壁的该闭环周边延伸。

另一方面提供了一种集成电路结构，该集成电路结构包括互连结构和MIM电容器模块。该互连结构包括下部互连元件、上部互连元件和位于该下部互连元件和该上部互连元件之间的互连通孔。该MIM电容器模块包括底部电极杯、绝缘体和顶部电极。该底部电极杯包括横向延伸的底部电极杯基座以及从该横向延伸的底部电极杯基座向上延伸的底部电极杯侧壁。该底部电极杯和该互连通孔形成在公共电介质区中(即，形成在相同的电介质层或电介质区中)。该绝缘体包括形成在由该底部电极杯限定的开口中的绝缘体杯和从该绝缘体杯横向向外延伸并且在该底部电极杯侧壁的上部表面上方横向延伸的绝缘体凸缘。该顶部电极形成在由该绝缘体杯限定的开口中。该顶部电极通过该绝缘体凸缘与该底部电极杯侧壁的该上部表面绝缘。

在一些示例中，该顶部电极包括在该绝缘体凸缘上方横向延伸的顶部电极帽区，其中该绝缘体凸缘布置在该顶部电极帽区和该底部电极杯侧壁的该上部表面之间。

在一些示例中，该底部电极杯和该互连通孔在该公共电介质区中由共同的共形金属形成。

在一些示例中，该集成电路结构包括：顶部电极连接焊盘，其形成在该顶部电极上方并且导电地连接到该顶部电极；底部电极基部，其中该底部电极杯形成在该底部电极基部上；底部电极接触件，其与该底部电极杯横向间隔开并与该互连通孔横向间隔开，该底部电极接触件导电地连接到该底部电极基部；和底部电极连接焊盘，其导电地连接到该底部电极接触件。

在一些示例中，该下部互连元件和该底部电极基部形成在下部金属层中，该上部互连元件和该顶部电极连接焊盘形成在上部金属层中，并且该底部电极杯、该互连通孔和该底部电极接触件形成在该公共电介质区中。

另一方面提供了一种形成包括MIM电容器模块的IC结构的方法。该方法包括：在电介质区中形成桶开口，并且在该电介质区上方沉积共形金属层并将所述共形金属层向下延伸到该桶开口中，所沉积的共形金属形成(a)该桶开口中的杯形共形金属层区，和(b)从该杯形共形金属区的顶部横向向外延伸的横向共形金属层区。该方法还包括：在限定于该杯形共形金属层区和该横向共形金属层区之间的拐角处移除该共形金属层的拐角区，其中该杯形共形金属层区的剩余部分限定底部电极杯，该底部电极杯包括(a)横向延伸的底部电极杯基座，和(b)从该横向延伸的底部电极杯基座向上延伸的底部电极杯侧壁。该方法还包括：沉积绝缘体层，该绝缘体层包括(a)位于由该底部电极杯限定的开口中的绝缘体杯，和(b)从该绝缘体杯横向向外延伸并且在该底部电极杯侧壁的上部表面上方横向延伸的绝缘体凸缘。该方法还包括：在该绝缘体层上方沉积顶部电极层并将该顶部电极层延伸到由该绝缘体杯限定的开口中，其中该顶部电极层包括在该绝缘体凸缘上方延伸的顶部电极帽区，其中该绝缘体凸缘布置在该顶部电极帽区和该底部电极杯侧壁的该上部表面之间。该方法还包括：移除该顶部电极层、该绝缘体层和该共形金属层的上部部分，其中(a)该顶部电极层的剩余部分限定顶部电极，并且(b)该绝缘体层的剩余部分限定包括该绝缘体杯和该绝缘体凸缘的绝缘体。该方法还包括：形成导电地连接到该顶部电极的顶部电极连接焊盘。该顶部电极通过该绝缘体凸缘与该底部电极杯侧壁的该上部表面绝缘。

在一些示例中，移除该共形金属层的该拐角区包括：在该共形金属层的该拐角区上方形成具有开口的氧化物层，并且通过该氧化物层中的该开口蚀刻，以移除该共形金属层的该拐角区。

在一些示例中，在该共形金属层的该拐角区上方形成具有该开口的该氧化物层包括执行高密度等离子(HDP)工艺，该HDP工艺包括：沉积该氧化物层，并执行溅射蚀刻，以移除所沉积氧化物层的在该共形金属层的该拐角区上方的拐角区，从而在该共形金属层的该拐角区上方形成该开口。

在一些示例中，移除该共形金属层的该拐角区包括溅射蚀刻该共形金属层。

在一些示例中，该方法包括：在下部金属层中形成底部电极基部，其中该电介质区形成在该下部金属层上方，并且其中该桶开口形成在该底部电极基部上方。

在一些示例中，该下部金属层包括金属互连层。

在一些示例中，在下部金属层中形成底部电极基部包括在多晶硅区上形成金属硅化物。

在一些示例中，移除该顶部电极层、该绝缘体层和该共形金属层的上部部分包括：执行平面化工艺，从而限定包括该电介质区的顶表面、该顶部电极层的顶表面和该绝缘体层的顶表面的平面化顶表面。

在一些示例中，该方法包括：图案化并蚀刻该电介质层，以同时形成该桶开口和底部电极接触件开口；同时在该桶开口和该底部电极接触件开口中沉积该共形金属，其中沉积在该底部电极接触件开口中的该共形金属限定底部电极接触件；以及在金属接合焊盘层中形成底部电极连接焊盘，其中该底部电极连接焊盘通过该底部电极接触件导电地连接到该底部电极杯。

在一些示例中，该方法包括：形成包括底部电极基部和下部互连元件的下部金属层；在该下部金属层上方形成该电介质区；在该电介质区中形成该桶开口、底部电接触件开口和互连通孔开口；在该电介质区上方沉积该共形金属层并将该共形金属层向下延伸到该桶开口中以形成该杯形共形金属层区，向下延伸到该底部电接触件开口中以形成连接到该底部电极基部的底部电接触件，并向下延伸到该互连通孔开口中以形成连接到该下部互连元件的互连通孔；以及形成上部金属层，该上部金属层包括连接到该顶部电极的该顶部电极、连接到该互连通孔的上部互连元件和连接到该底部电接触件的底部电极连接焊盘。

附图说明

下文结合附图描述了本公开的示例性方面，其中：

图1是示出了根据一个示例的包括同时形成的三维(3D)MIM电容器模块和互连结构的示例性IC结构的侧向截面图；

图2A至图2J示出了图1所示的包括MIM电容器模块和互连结构的示例性IC结构的示例性形成方法；

图3是示出了包括具有直接形成在MIM电容器绝缘体的绝缘体凸缘上的顶部电极连接焊盘的MIM电容器模块的另一示例性IC结构的侧向截面图；以及

图4是示出了包括形成在包括硅化多晶硅层的下部金属层上的MIM电容器模块和互连结构的示例性IC结构的侧向截面图。

应当理解，出现在多个不同附图中的任何所示元件的参考标号在多个附图中具有相同含义，并且本文在任何特定附图的上下文中提及或讨论任何所示元件也适用于每个其他附图(如果有的话)，其中示出了相同的所示元件。

具体实施方式

图1是示出了根据一个示例的包括同时形成的MIM电容器模块102和互连结构104的示例性IC结构100的侧向截面图。如下文所讨论，可在不在背景集成电路制造工艺(例如，用于形成互连结构104和/或其他IC元件的背景集成电路制造工艺)中添加任何光掩模操作的情况下构造MIM电容器模块102。在其他示例中，互连结构104可以是任选的，使得本文所述的MIM电容器模块102可单独形成，即不与互连结构同时形成。

如图1所示，互连结构104可包括形成在下部金属层M_x中的下部互连元件110和形成在上部金属层M_x+1中的上部互连元件112，该上部互连元件112由通过将共形通孔材料(例如，钨)沉积到相应通孔开口中而形成在通孔层V_x中的至少一个互连通孔114连接到下部互连元件110。

下部互连元件110和上部互连元件112中的每一者可包括：导线或其他横向伸长结构、或离散焊盘(例如，从顶视图看具有正方形或基本上正方形形状)、或任何其他合适的形状和结构。

如本文所用，例如在下部金属层M_x或上部金属层M_x+1的上下文中，″金属层″可包括任何金属层或金属化层，包括：(a)金属互连层，例如，包括通过减成图案化工艺(例如，金属层的沉积、图案化和蚀刻)或使用镶嵌工艺沉积的铜、铝或其他金属，或(b)硅化多晶硅层，例如包括若干多晶硅区，每个多晶硅区上都形成有金属硅化物层或金属硅化物区。例如，在一些示例中，下部金属层M_x可以是硅化多晶硅层，并且上部金属层M_x+1可包括常称为金属-1的第一金属互连层。在这类示例中，x＝0，使得下部金属层M_x＝M₀，并且上部金属层M_x+1＝M₁(即，金属-1)。另外，如本文所用，例如在下文讨论的互连结构104的上下文中，″互连结构″可包括如上文所限定的任何类型的金属层。

MIM电容器模块102包括底部电极120、顶部电极122以及形成在底部电极120和顶部电极122之间的绝缘体124。MIM底部电极120包括(a)形成在下部金属层Mx中的底部电极基部134和(b)形成在底部电极基部134上的底部电极杯136。底部电极基部134形成在下部金属层M_x中，例如，如下文更详细地讨论。底部电极杯136形成在底部电极基部134上，并且包括(a)横向延伸的底部电极杯基座140，和(b)从该横向延伸的底部电极杯基座140向上延伸的底部电极杯侧壁142。在一些示例中，底部电极杯136、底部电极接触件164和互连通孔114可例如通过将共形通孔材料，例如钨，沉积到形成在电介质区170中的相应开口中在通孔层V_x中同时形成。在一些示例中，例如如下文参考图2B所讨论，底部电极杯136、底部电极接触件164和互连通孔114形成在例如包含TiN的衬垫166中。

如图所示，绝缘体124包括绝缘体杯144和从绝缘体杯144横向向外延伸的绝缘体凸缘146。绝缘体杯144形成在由底部电极杯136限定的开口中，并且包括(a)横向延伸的绝缘体杯基座148和(b)从该横向延伸的绝缘体杯基座148向上延伸的绝缘体杯侧壁150。

绝缘体凸缘146从绝缘体杯侧壁150的上部边缘152横向向外延伸，并且在底部电极杯侧壁142的上部表面143上方横向延伸。在一些示例中，底部电极杯侧壁142在水平x-y平面中具有闭环周边，绝缘体杯侧壁150在水平x-y平面中具有闭环周边，侧壁上部边缘152围绕绝缘体杯侧壁150的闭环周边延伸，并且绝缘体凸缘146从闭环侧壁上部边缘152径向向外延伸并围绕绝缘体杯侧壁142的闭环周边延伸。侧壁上部边缘152可完全围绕绝缘体杯侧壁150的闭环周边延伸。绝缘体凸缘146可完全围绕绝缘体杯侧壁142的闭环周边延伸。

在所示的示例中：

(a)底部电极杯基座140具有限定四个横向侧面的矩形形状(在水平平面中)，并且底部电极杯侧壁142包括共同限定闭环矩形周边的四个底部电极杯侧壁部分142a至142d(侧壁部分142a和142c在图1中可见)，每个底部电极杯侧壁部分142a至142d从矩形底部电极杯基座140的相应横向侧面向上延伸；并且

(b)绝缘体杯基座148类似地具有限定四个横向侧面的矩形形状(在水平平面中)，并且绝缘体杯侧壁150包括共同限定闭环矩形周边的四个绝缘体杯侧壁部分150a至150d(侧壁部分150a和150c在图1中可见)，每个绝缘体杯侧壁部分150a至150d从矩形绝缘体杯基座148的相应横向侧面向上延伸。

图1所示的截面图示出了底部电极杯侧壁部分142a和142c和绝缘体杯侧壁部分150a和150c。对于更完整的视图，下文所讨论的图2H的顶视图示出了所有四个底部电极杯侧壁部分142a至142d和所有四个绝缘体杯侧壁部分150a至150d。

在其他示例中，底部电极杯基座140和绝缘体杯基座148可具有任何其他形状，例如圆形或N边形，并且底部电极杯侧壁142和绝缘体杯侧壁150各自可包括任何合适的数量的侧壁部分。

如下文更详细地讨论，可在形成绝缘体124之前通过移除底部电极杯侧壁142的上部部分或上部″边沿″(例如，使用溅射蚀刻工艺)缩短底部电极杯侧壁142的竖直高度，由此允许在缩短的底部电极杯侧壁142的上部表面143上方横向延伸的绝缘体凸缘146形成。绝缘体凸缘146使顶部电极122与底部电极杯侧壁142的上部表面143绝缘，从而防止顶部电极122和底部电极120之间出现短路。

在一些示例中，绝缘体124可包含具有在至/>的范围内的厚度的氮化硅(SiN)。或者，绝缘体124可包含Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂、ZrSiO_x、HfSiO_x、HfAlOx或Ta2O₅，或其他合适的电容器绝缘体材料。

顶部电极122填充由绝缘体杯144限定的内部开口，并且可包括在绝缘体凸缘146上方横向延伸的顶部电极帽区158，使得绝缘体凸缘146布置在顶部电极帽区158和底部电极杯侧壁142的上部表面143之间。顶部电极122可包含Al、Ti、TiN、W、TiW、Co、Ta、TaN、Cu或它们的任何组合，例如TiN和Al、TiN和W或者Ta/TaN双层和Cu。

MIM电容器102还包括与上部互连元件112同时在上部金属层M_x+1中形成的顶部电极连接焊盘160和底部电极连接焊盘162，例如如下文参考图2J所讨论。顶部电极连接焊盘160可直接形成在顶部电极122上。底部电极连接焊盘162可通过底部电极接触件164连接到底部电极基部134。底部电极接触件164可与底部电极杯136横向间隔开并与互连通孔114横向间隔开而形成，并且可具有与互连通孔114相似的形状和大小。在一些示例中，MIM电容器102可具有多个底部电极接触件164。在另一示例中，底部电极接触件164可形成为底部电极杯136的横向延伸部，该横向延伸部可减小底部电极杯136和底部电极连接焊盘162之间的电阻。

顶部电极连接焊盘160和底部电极连接焊盘162中的每一者可具有任何合适的形状和大小。例如，顶部电极连接焊盘160和底部电极连接焊盘162中的每一者在x-y平面中可具有正方形或矩形形状，例如如下文所讨论的图2H所示。在另一示例中(未示出)，顶部电极连接焊盘160和底部电极连接焊盘162中的每一者在x-y平面中可具有大致圆形形状。又如，顶部电极连接焊盘160和/或底部电极连接焊盘162可以是显著伸长的，例如在x方向和/或y方向上横向穿过晶片。

顶部电极122电容地耦接到底部电极杯136的底部电极杯基座140和底部电极杯侧壁142两者(该底部电极杯136导电地耦接到底部电极基部134)，与常规设计相比，这在顶部电极122和底部电极120之间限定了显著更大的电容耦接面积。特别地，MIM电容器模块102限定顶部电极122和底部电极120之间的以下电容耦接：

(a)在顶部电极122和底部电极120之间通过穿过绝缘体杯基座148并穿过底部电极杯基座140的位移电流路径的电容耦接；以及

(b)在顶部电极122和底部电极120之间通过穿过每个竖直延伸的绝缘体杯侧壁150并穿过对应的竖直延伸的底部电极杯侧壁142的位移电流路径的电容耦接。

横向延伸的绝缘体杯基座148有效地限定平板电容器，其中顶板和底板水平地延伸(x-y平面)，并且四个绝缘体杯侧壁部分150a-150d中的每个绝缘体杯侧壁部分有效地限定附加平板电容器，其中顶板和底板竖直地延伸(x-z平面或y-z平面)。因此，MIM电容器模块102可被称为″三维″或″3D″MIM电容器。由于顶部电极122和底部电极120之间的电容耦接面积(例如，与常规设计相比)，MIM电容器模块102在相应芯片上可以较小的占有面积形成，由此使得芯片上电容器和/或其他结构的密度增加。

如上文所述，可缩短底部电极杯侧壁142的竖直高度(例如，使用溅射蚀刻工艺)，从而允许在底部电极杯侧壁上部表面143上方横向延伸的绝缘体凸缘146形成。绝缘体凸缘146防止顶部电极122和底部电极120之间出现短路或减少它们之间的短路。在所示的示例中，绝缘体凸缘146被布置在底部电极杯侧壁上部表面143和顶部电极帽区158之间，从而使底部电极杯侧壁上部表面143与顶部电极122绝缘。

在另一示例中，例如如下文所讨论的图3所示，绝缘体凸缘146上方的顶部电极帽区158被去除(例如，在下文讨论的图2I所示的步骤中通过更深或更强的平面化移除)，绝缘体凸缘146被布置在底部电极杯侧壁上部表面143和顶部电极连接焊盘160之间，从而使底部电极杯侧壁上部表面143与顶部电极连接焊盘160绝缘，并且使底部电极杯侧壁上部表面143与顶部电极122绝缘并经由顶部电极连接焊盘160间接连接到顶部电极122。

根据上文，互连结构104的下部互连元件110和MIM电容器模块102的底部电极基部134各自可包括同时形成在下部金属层M_x中的金属结构。类似地，互连结构104的上部互连元件112和MIM电容器模块102的顶部电极连接焊盘160和底部电极连接焊盘162各自可包括同时形成在上部金属层M_x+1中的金属结构。

下部金属层M_x和上部金属层M_x+1中的每一者可包括任何金属层或金属化层。例如，下部金属层M_x和上部金属层M_x+1中的每一者可包括铜或铝互连层、接合焊盘层或其他金属层。又如，如下文所讨论，下部金属层Mx可以是硅化多晶硅层(例如，其中M_x为M₀)。

金属结构可通过任何合适的方式分别形成在下部金属层M_x和上部金属层M_x+1中，例如使用减成图案化工艺(例如，金属层的沉积、图案化和蚀刻)或使用镶嵌工艺或通过在图案化的多晶硅区上形成金属硅化物区或任何其他合适的工艺。

在图1所示的示例中，下部互连元件110和底部电极基部134包括形成在下部金属层Mx中的铝结构(使用减成图案化工艺)；顶部电极122包括形成在通孔层Vx中的铝结构(使用镶嵌工艺)；并且上部互连元件112、顶部电极连接焊盘160和底部电极连接焊盘162包括形成在上部金属层Mx₊₁中的铝结构(使用减成图案化工艺)。

在另一示例中，下部互连元件110和底部电极基部134形成在硅化多晶硅层M_x中，例如，其中M_x＝M₀。在这种示例中，下部互连元件110和底部电极基部134分别包括形成在相应多晶硅区上的金属硅化物区。

由此，底部电极杯136、绝缘体124、顶部电极122和底部电极接触件164可在下部金属层M_x和上部金属层M_x+1之间的通孔层V_x中与互连通孔114同时形成，例如使用如下文所讨论的镶嵌工艺，并且不在背景IC制造工艺中添加任何额外的光掩模。

图2A至图2J示出了图1所示的包括MIM电容器模块102和互连结构104的示例性IC结构100的示例性形成方法。如上文所述，在其他示例中，互连结构104可以是任选的，使得MIM电容器模块102可通过下文所述的工艺但与互连结构104的元件一起形成。

如图2A所示，下部互连元件110和底部电极基部134形成在下部金属层M_x中。在这个示例中，下部金属层M_x可包括金属互连层，其中下部互连元件110和底部电极基部134分别形成为金属元件(例如，铝元件)。在另一示例中，例如，如下文讨论的图4所示，下部金属层M_x可包括硅化多晶硅层，其中下部互连元件和底部电极基部分别包括形成在相应多晶硅结构上的硅化物区。

电介质区170(例如，金属间电介质(IMD)区或多金属电介质(PMD)区)形成在下部金属层M_x中形成的下部互连元件110和底部电极基部134上方。电介质区170可包括一种或多种电介质材料，例如，氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)或掺氟玻璃(FSG)或它们的组合。

包括互连通孔开口202、桶开口204和底部电极接触件开口206的通孔层开口200可在电介质区170中被图案化(使用光掩模)和蚀刻。通孔层开口200可使用等离子蚀刻或其他合适蚀刻来形成，随后进行抗蚀剂剥离或其他合适的工艺以去除光致抗蚀剂材料的剩余部分。

互连通孔开口202可以是在x方向和y方向上具有例如0.1μm至0.5μm范围中的宽度(或直径或关键尺寸(CD))W_通孔的通孔开口。互连通孔开口宽度W_通孔可显著影响正在形成的IC器件的性能。

底部电极接触件开口206可形成为具有宽度(或直径或关键尺寸(CD))W_接触件的通孔开口。在一些示例中，底部电极接触件开口206形成为与互连通孔开口202中的每个互连通孔开口相同，由此W_通孔＝W_接触件，并且在x方向和y方向上可具有相似的尺寸。

相比之下，桶开口204相比于互连通孔开口202和底部电极接触件开口206在W_{桶_x}方向和/或y方向(W_{桶_y})上可具有显著更大的宽度。桶开口204的形状和尺寸可基于各种参数来选择，这些参数例如用于有效制造MIM电容器模块102(例如，将顶部电极材料(例如，铝)有效沉积到桶开口204中)以及/或者用于所得MIM电容器模块102的所需性能特性。在一个示例中，从顶视图来看，桶开口204可具有正方形或矩形形状。在其他示例中，从顶视图来看，桶开口204可具有圆形或椭圆形形状。

如上文所述，桶开口204在x方向上的宽度(W_{桶_x})、在y方向上的宽度(W_{桶_y})或者在x方向和y方向两者上的宽度(W_{桶_x}和W_{桶_y})可显著大于互连通孔开口202在x方向上、在y方向上或者在x方向和y方向两者上的宽度W_通孔。例如，在一些示例中，桶开口204的每个宽度W_{桶_x}和W_{桶_y}是互连通孔开口202的宽度W_通孔的至少两倍。在特定示例中，桶开口204的每个宽度W_{桶_x}和W_{桶_y}是互连通孔开口202的宽度W_通孔的至少五倍或至少10倍。在一些示例中，W_{桶_x}和W_{桶_y}各自在1μm至100μm的范围内。

另外，桶开口204可形成为在x方向和y方向两者上带有小于或等于1.0的高宽纵横比，例如，以允许通过共形材料有效地填充桶开口204。例如，桶开口204可形成为带有分别在0.01至1.0的范围内(例如，在0.1至1.0的范围内)的纵横比H_桶/W_{桶_x}和H_桶/W_{桶_y}。在一些示例中，纵横比H_桶/W_{桶_x}和H_桶/W_{桶_y}分别小于或等于1.0，例如，用于通过共形材料(例如，钨或氮化硅)有效地填充桶开口204。例如，桶开口204可形成为带有分别在0.1至1.0的范围内(或更具体地在0.5至1.0的范围内)的纵横比H_桶/W_{桶_x}和H_桶/W_{桶_y}。

接下来，如图2B所示，在结构上方沉积例如包含TiN的衬垫(或″胶层″)166，并将衬垫166延伸到相应的通孔层开口200中。在衬垫166上方沉积共形金属层210，并将共形金属层210延伸到相应的通孔层开口200中，填充相应的互连通孔开口202，填充底部电极接触件开口206，并且在桶开口中形成杯形共形金属层区212，将杯形共形金属层区212从横向共形金属层区214向下延伸，横向共形金属层区214从杯形共形金属区212顶部横向向外延伸。在一个示例中，共形金属层210包含沉积为在至/>的范围内的厚度的钨。在其他示例中，共形金属层210可包含Co、TiN或其他共形金属。共形金属层210可通过共形化学气相沉积(CVD)工艺或其他合适的沉积工艺来沉积。

接下来，可通过移除共形金属层210的位于限定在杯形共形金属层区212和横向共形金属层区214之间的拐角处的拐角区220来缩短杯形共形金属层区212的竖直高度。

图2C至图2E示出了用于移除共形金属层210的拐角区220的一种示例性工艺。如图2C所示，通过增强溅射蚀刻执行高密度等离子化学气相沉积(HDP CVD)氧化物沉积工艺，从而形成覆盖共形金属层210上除共形金属层210的拐角区220以外部分的氧化物层224，由此限定拐角区220上方的拐角开口226。

HDP CVD沉积工艺的特定特性是通常为了实现所需间隙填充(同时避免发生可能造成密封小孔的面包条)在外拐角处进行增强溅射蚀刻。本发明的工艺可利用HDP CVD沉积的这种增强溅射蚀刻特性。在一些示例中，通过选择或设置HDP CVD工艺的氧化物沉积和溅射蚀刻部件之间的有效比，可实现所需的拐角氧化物移除，从而设置暴露共形金属层210的拐角区220的拐角开口226。

接下来，如图2D所示，通过上覆氧化物层224中的拐角开口226蚀刻共形金属层210(例如，钨)的拐角区220以及下部衬垫166(例如，TiN)。在一些示例中，执行干蚀刻(等离子蚀刻)，例如(在共形金属层210包含钨的情况下)对氧化物具有高选择性的基于SF6的W回蚀刻。在其他示例中，执行湿蚀刻，例如，在高温(例如，50℃)下对氧化物具有极高选择性的过氧化氢(H₂O₂)蚀刻。

杯形共形金属层区212的剩余部分限定底部电极杯136，底部电极杯136包括横向延伸的底部电极杯基座140和从该横向延伸的底部电极杯基座140向上延伸的底部电极杯侧壁142，其中底部电极杯侧壁142的上部表面143被暴露。如图所示，通过移除(蚀刻)共形金属层拐角区220竖直缩短底部电极杯侧壁142。

接下来，如图2E所示，移除剩余的氧化物层224，例如通过湿剥离(例如，极短的稀氢氟酸(HF)浸渍)或干蚀刻(例如，各向同性氟基氧化物蚀刻)。

作为如图2C至图2E所示的工艺的替代者，可在HDP室中通过直接溅射蚀刻移除共形金属层210(例如，包含钨)的拐角区220。这种直接溅射蚀刻对于例如具有在至的范围中的厚度的相对较薄的共形金属层210尤其有效。

接下来，如图2F所示，在共形金属层210的剩余部分上方沉积绝缘体层230。所沉积的绝缘体层230限定(a)由底部电极杯136限定的开口137中的绝缘体杯144，和(b)从绝缘体杯144横向向外延伸并且在底部电极杯侧壁142的上部表面143上方横向延伸的绝缘体凸缘146。在一些示例中，绝缘体层230可包含通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺沉积有在至/>的范围中的厚度的氮化硅(SiN)。或者，绝缘体层230可包含Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂、ZrSiO_x、HfSiO_x、HfAlOx或Ta2O₅，或使用原子层沉积(ALD)工艺沉积的其他合适的电容器绝缘体材料。

接下来，如图2G所示，顶部电极层240沉积在绝缘体层230上方，并且延伸到由绝缘体杯144限定的内部开口145中并填充该内部开口145。在一些示例中，顶部电极层240可包含Al、Ti、TiN、W或它们的组合，例如TiN和Al，并且可通过物理气相沉积(PVD)工艺来沉积。顶部电极层240包括在绝缘体凸缘146上方延伸的顶部电极帽区158，使得绝缘体凸缘146布置在顶部电极帽区158和底部电极杯侧壁142的上部表面143之间。

接下来，如图2H和图2I所示，执行化学机械平面化(CMP)工艺，以移除顶部电极层240、绝缘体层230和共形金属层210的上部部分。图2H示出了CMP工艺之后所得结构的顶视图，并且图2I示出了沿图2H所示线2I-2I所得的侧向截面图。CMP工艺限定了包括顶部电极层122的平面化顶部表面250的平面化顶部表面172。在CMP工艺之后，顶部电极层240的剩余部分限定了顶部电极122的最终形式，并且绝缘体层230的剩余部分限定了包括绝缘体杯144和绝缘体凸缘146的绝缘体124的最终形式。

如图2H和图2I一起观察所示，底部电极杯136包括具有矩形形状的底部电极杯基座140，并且底部电极杯侧壁142包括从矩形底部电极杯基座140向上(在z方向上)延伸并限定底部电极杯侧壁142的闭环矩形形状(在x-y平面中)的四个底部电极杯侧壁部分142a至142d。类似地，绝缘体杯144包括具有矩形形状的横向延伸的绝缘体杯基座148，并且绝缘体杯侧壁150包括从矩形横向延伸的绝缘体杯基座148向上(在z方向上)延伸并限定闭环矩形形状(在x-y平面中)的四个绝缘体杯侧壁部分150a至150d。绝缘体凸缘146从绝缘体杯侧壁150的上部边缘152，围绕绝缘体杯侧壁150的矩形周边(在x-y平面中)横向向外(在x方向上)延伸，使得绝缘体凸缘146围绕底部电极杯侧壁142的矩形周边(在x-y平面中)覆盖底部电极杯侧壁142的上部表面143。绝缘体凸缘146可从绝缘体杯侧壁150的上部边缘152，围绕绝缘体杯侧壁150的完整矩形周边(在x-y平面中)横向向外(在x方向上)延伸，使得绝缘体凸缘146围绕底部电极杯侧壁142的完整矩形周边(在x-y平面中)覆盖底部电极杯侧壁142的上部表面143。

通过减小底部电极杯侧壁142的高度并且形成具有在底部电极杯侧壁142的上部表面143上方延伸的绝缘体凸缘146的绝缘体124，可在不造成底部电极120短路的情况下在顶部电极122的平面化顶部表面250上直接形成顶部电极连接焊盘。

由此，如图2J所示，可在通孔层V_x的平面化上部表面172上形成上部金属层(M_x+1层)。可在上部金属层M_x+1中形成各个金属元件(例如，通过金属沉积、图案化和蚀刻工艺)，包括(a)连接到互连通孔114的上部互连元件112、(b)连接到顶部电极122的顶部电极连接焊盘160、和(c)连接到底部电极接触件164的底部电极连接焊盘162。上部金属层M_x+1可包含铝或其他合适的金属。如图所示，顶部电极连接焊盘160可直接在顶部电极122的平面化顶部表面250上形成，并可通过绝缘体凸缘146与底部电极杯136绝缘，从而防止顶部连接焊盘160和底部电极120之间出现电短路并由此防止顶部电极122和底部电极120之间出现电短路。

如图2H所示，互连通孔114和底部电极接触件164在顶视图中可具有圆形形状。在其他示例中，互连通孔114和/或底部电极接触件164在顶视图中可具有任何其他形状，例如，正方形或矩形形状。

图3是示出了根据一个示例的包括同时形成的MIM电容器模块302和互连结构104的示例性IC结构300的侧向截面图。如图所示，MIM电容器模块302类似于图1所示的MIM电容器模块102，并且如上文所讨论具有类似的部件。然而，IC结构300的顶部电极322省略了上文所讨论的IC结构100的顶部电极122的顶部电极帽区158(在绝缘体凸缘146上方延伸)。例如，可在上文讨论的图2I所示的步骤中通过更深或更强的平面化移除顶部电极帽区158。由此，在IC结构300中，绝缘体凸缘146被布置在底部电极杯侧壁上部表面143和顶部电极连接焊盘160之间，从而使底部电极杯侧壁上部表面143与顶部电极连接焊盘160绝缘。由此，底部电极杯侧壁上部表面143通过顶部电极连接焊盘160与顶部电极122电绝缘。

图4是示出了包括形成在包括硅化多晶硅层的下部金属层M_x上的MIM电容器模块402和互连结构404的示例性IC结构400的侧向截面图。在这个示例中，互连结构404的下部互连元件410和MIM电容器模块402的底部电极基部434各自可包括形成在相应多晶硅区上的金属硅化物区。特别地，下部互连元件410包括形成在第一多晶硅区420a上的第一金属硅化物区422a，并且底部电极基部434包括形成在第二多晶硅区420b上的第二金属硅化物区422b。

Claims (22)

1.一种金属-绝缘体-金属(MIM)电容器模块，所述MIM电容器模块包括：

底部电极杯，所述底部电极杯包括：

横向延伸的底部电极杯基座；和

底部电极杯侧壁，所述底部电极杯侧壁从所述横向延伸的底部电极杯基座向上延伸；

绝缘体，所述绝缘体包括：

绝缘体杯，所述绝缘体杯形成在由所述底部电极杯限定的开口中；和

绝缘体凸缘，所述绝缘体凸缘从所述绝缘体杯横向向外延伸，并且在所述底部电极杯侧壁的上部表面上方横向延伸；和

顶部电极，所述顶部电极形成在由所述绝缘体杯限定的开口中；并且

其中所述顶部电极通过所述绝缘体凸缘与所述底部电极杯侧壁的所述上部表面绝缘。

2.根据权利要求1所述的MIM电容器模块，其中所述顶部电极包括在所述绝缘体凸缘上方横向延伸的顶部电极帽区，其中所述绝缘体凸缘布置在所述顶部电极帽区和所述底部电极杯侧壁的所述上部表面之间。

3.根据权利要求1所述的MIM电容器模块，所述MIM电容器模块包括：

底部电极基部；

其中所述底部电极杯形成在所述底部电极基部上；

底部电极接触件，所述底部电极接触件与所述底部电极杯横向间隔开，所述底部电极接触件导电地连接到所述底部电极基部；和

底部电极连接焊盘，所述底部电极连接焊盘形成在所述底部电极接触件上方并且导电地连接到所述底部电极接触件。

4.根据权利要求3所述的MIM电容器模块，所述MIM电容器模块包括：

顶部电极连接焊盘，所述顶部电极连接焊盘形成在所述顶部电极上方并且导电地连接到所述顶部电极；

其中所述底部电极基部形成在下部金属层中；并且

其中所述顶部电极连接焊盘和所述底部电极连接焊盘形成在上部金属层中。

5.根据权利要求4所述的MIM电容器模块，其中：

所述下部金属层包括硅化多晶硅层；并且

所述上部金属层包括互连金属层。

6.根据权利要求3所述的MIM电容器模块，其中所述底部电极杯和所述底部电极接触件由共形金属形成。

7.根据权利要求1所述的MIM电容器模块，其中：

所述绝缘体杯包括绝缘体杯侧壁，所述绝缘体杯侧壁包括限定所述绝缘体杯侧壁的闭环周边的多个绝缘体杯侧壁段，所述绝缘体杯侧壁具有围绕所述绝缘体杯侧壁的所述闭环周边延伸的侧壁上部边缘；并且

所述绝缘体凸缘从所述侧壁上部边缘径向向外延伸并且围绕所述绝缘体杯侧壁的所述闭环周边延伸。

8.一种集成电路结构，所述集成电路结构包括：

互连结构，所述互连结构包括：

下部互连元件；

上部互连元件；和

互连通孔，所述互连通孔位于所述下部互连元件和所述上部互连元件之间，和

根据权利要求1至7中任一项所述的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器模块；

其中所述底部电极杯和所述互连通孔形成在公共电介质区中。

9.根据权利要求8所述的集成电路结构，其中所述底部电极杯和所述互连通孔在所述公共电介质区中由共同的共形金属形成。

10.根据权利要求8和9中任一项所述的集成电路结构，所述集成电路结构包括与所述互连通孔横向间隔开的底部电极接触件。

11.根据权利要求10所述的集成电路结构，其中：

所述下部互连元件形成在下部金属层中；

所述上部互连元件形成在上部金属层中；并且

所述底部电极杯、所述互连通孔和所述底部电极接触件形成在所述公共电介质区中。

12.一种方法，所述方法包括：

在电介质区中形成桶开口；

在所述电介质区上方沉积共形金属层并将所述共形金属层向下延伸到所述桶开口中，所沉积的共形金属形成(a)所述桶开口中的杯形共形金属层区，和(b)从所述杯形共形金属区的顶部横向向外延伸的横向共形金属层区；

在限定于所述杯形共形金属层区和所述横向共形金属层区之间的拐角处移除所述共形金属层的拐角区，其中所述杯形共形金属层区的剩余部分限定底部电极杯，所述底部电极杯包括(a)横向延伸的底部电极杯基座，和(b)从所述横向延伸的底部电极杯基座向上延伸的底部电极杯侧壁；

沉积绝缘体层，所述绝缘体层包括(a)位于由所述底部电极杯限定的开口中的绝缘体杯，和(b)从所述绝缘体杯横向向外延伸并且在所述底部电极杯侧壁的上部表面上方横向延伸的绝缘体凸缘；

在所述绝缘体层上方沉积顶部电极层并将所述顶部电极层延伸到由所述绝缘体杯限定的开口中，其中所述顶部电极层包括在所述绝缘体凸缘上方延伸的顶部电极帽区，其中所述绝缘体凸缘布置在所述顶部电极帽区和所述底部电极杯侧壁的所述上部表面之间；

移除所述顶部电极层、所述绝缘体层和所述共形金属层的上部部分，其中(a)所述顶部电极层的剩余部分限定顶部电极，并且(b)所述绝缘体层的剩余部分限定包括所述绝缘体杯和所述绝缘体凸缘的绝缘体；以及

形成导电地连接到所述顶部电极的顶部电极连接焊盘；

其中所述顶部电极通过所述绝缘体凸缘与所述底部电极杯侧壁的所述上部表面绝缘。

13.根据权利要求12所述的方法，其中移除所述共形金属层的所述拐角区包括：

在所述共形金属层的所述拐角区上方形成具有开口的氧化物层；以及

通过所述氧化物层中的所述开口蚀刻，以移除所述共形金属层的所述拐角区。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述共形金属层的所述拐角区上方形成具有所述开口的所述氧化物层包括执行高密度等离子(HDP)工艺，所述HDP工艺包括：沉积所述氧化物层并执行溅射蚀刻，以移除在所述共形金属层的所述拐角区上方的所沉积的氧化物层的拐角区，从而在所述共形金属层的所述拐角区上方形成所述开口。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中移除所述共形金属层的所述拐角区包括溅射蚀刻所述共形金属层。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，所述方法包括：

在下部金属层中形成底部电极基部，

其中所述电介质区形成在所述下部金属层上方，并且其中所述桶开口形成在所述底部电极基部上方。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述下部金属层包括金属互连层。

18.根据权利要求16和17中任一项所述的方法，其中在下部金属层中形成底部电极基部包括在多晶硅区上形成金属硅化物。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，其中移除所述顶部电极层、所述绝缘体层和所述共形金属层的上部部分包括：执行平面化工艺，所述平面化工艺用于限定包括所述电介质区的顶部表面、所述顶部电极层的顶部表面和所述绝缘体层的顶部表面的平面化顶部表面。

20.根据权利要求12至19中任一项所述的方法，所述方法包括：

图案化并蚀刻所述电介质层，以同时形成所述桶开口和底部电极接触件开口；

同时在所述桶开口和所述底部电极接触件开口中沉积所述共形金属，其中沉积在所述底部电极接触件开口中的所述共形金属限定底部电极接触件；以及

在金属接合焊盘层中形成底部电极连接焊盘，其中所述底部电极连接焊盘通过所述底部电极接触件导电地连接到所述底部电极杯。

21.根据权利要求12至20中任一项所述的方法，所述方法包括：

形成包括底部电极基部和下部互连元件的下部金属层；

在所述下部金属层上方形成所述电介质区；

在所述电介质区中形成所述桶开口、底部电接触件开口和互连通孔开口；

在所述电介质区上方沉积所述共形金属层并将所述共形金属层向下延伸到所述桶开口中以形成所述杯形共形金属层区，向下延伸到所述底部电接触件开口中以形成连接到所述底部电极基部的底部电接触件，并向下延伸到所述互连通孔开口中以形成连接到所述下部互连元件的互连通孔；以及

形成上部金属层，所述上部金属层包括连接到所述顶部电极的所述顶部电极、连接到所述互连通孔的上部互连元件和连接到所述底部电接触件的底部电极连接焊盘。

22.一种通过根据权利要求12至21所述的方法中的任一种方法形成的器件。