CN1202569C

CN1202569C - 在铜镶嵌制程中形成金属－绝缘－金属型(mim)电容器的方法

Info

Publication number: CN1202569C
Application number: CN 02101550
Authority: CN
Inventors: 程卫华
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2022-01-09
Also published as: CN1431698A

Abstract

本发明提供一种在铜镶嵌制程中表成MIM电容器的方法。在晶体管上覆盖绝缘层，且于其中形成民点接触窗和接触窗后，于其上方表成叠层绝缘材质结构。在此叠层绝缘材质结构中形成贯穿的第一开口，并暴露出接触窗。并且，于此叠层绝缘村质结构的下半部中形成至少一个第二开口，其中之一暴露出节点接触窗，并于叠层绝缘材质结构的上半部中形成一个第二开口，此第二开口涵盖于所有的第二开口上方。之后于第二开口和第三开口中形成MIM电容器。其上电极和下电极均为铜金属，其电容器介电层由上下两层阻障层所夹层。而第一开口则同时形成铜插塞。

Description

在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型(MIM)电容器的方法

技术领域

本发明涉及一种混合讯号元件(mix signal device)或动态随机存取存储器(dynamic random access momory，DRAM)的制造方法，特别是涉及一种在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型(metal-insulator-metal，MIM)电容器的方法。

背景技术

先进DRAM技术朝向超高密度、超高速度以及系统整合晶片(system On-a-Chip，SOC)发展为一必然的趋势。

然而，将DRAM阵列与逻辑电路混合在一晶片上时，需要相当复杂的制程整合，此外会因电容器结构而造成的表面高度落差大。传统电容器通常在形成第一层内连线之前完成，之后需要覆盖一层相当厚的氧化硅层，才足以覆盖由电容器所造成的落差地形。然而，氧化硅层的厚度过厚会造成逻辑电路区的接触窗开口的高宽比过大，而无法有效控制其制程品质，不论是蚀刻制程或是沉积制程均会遭遇到此问题。

目前制造电容器的技术可分成以多晶硅为电极以及以金属为电极两种。以多晶硅当电极会有载子缺乏的问题，使得跨越电容器两端的表面电压改变时，电容量亦会随着改变。因此此种电容器无法维持现今逻辑电路要求的线性需求。

以金属为电极的电容器则无上述的问题，此种电容器泛称为金属-绝缘-金属型电容器(metal-insulator-metal capacitor，MIM capacitor)。但是传统的MIM电容器是以二氧化硅做为绝缘层，这样的电容器结构无法与铜镶嵌制程结合，因为铜原子容易扩散至电容结构而造成漏电流。换言之，在传统的电容结构中，铜金属不是一个好的电极材料。因此，传统的电极材料是使用铝金属。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种结合MIM电容和铜镶嵌制程的方法，并可以避免电容器区域和非电容器区域之间的地形有高度落差。

因此，本发明提供一种在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型(MIM)电容器的方法，此方法适用于动态随机存取存储器，以及一些可将电容器与各类型集成电路相整合的系统整合晶片，例如嵌入式动态随机存取存储器、混合讯号元件等。此方法简叙如下。在形成有节点接触窗和接触窗的第一绝缘层上依序形成第一蚀刻停止层、第二绝缘层、第二蚀刻停止层、第三绝缘层和第三蚀刻停止层的叠层绝缘材质结构。于此叠层绝缘材质结构中形成第一开口、至少一个第二开口和一个第三开口，其中第一开口贯穿第三蚀刻停止层、第三绝缘层、第二蚀刻停止层、第二绝缘层和第一蚀刻停止层，且暴露出接触窗，这些第二开口贯穿第二蚀刻停止层、第二绝缘层和第一蚀刻停止层，且这些第二开口其中之一暴露出节点接触窗，第三开口贯穿第三蚀刻停止层和第三绝缘层，位于第二开口上方，且暴露出所有的第二开口。继续于第一、第二和第三开口以及第二和第三蚀刻停止层表面形成顺应性的第一阻障层。

于第一阻障层上形成顺应性的第一铜金属层，此第一铜金属层填满第一开口。于第一铜金属层上依序形成顺烦应性的第二阻障层、电容器介电层和第三阻障层；接着于第三阻障层上形成全面性的第二铜金属层。之后进行化学机械研磨制程，直至暴露出第三蚀刻停止层，但第二铜金属层做为上电极，位于第二开口和第三开中的第一铜金属层做为下电极，位于第一开口中的第一铜金属层做为铜插塞。

附图说明

图1A至图1E表示本发明第一实施例的结合金属-绝缘-金属型(MIM)电容器和铜镶嵌制程的方法。

图2A至图2E表示本发明第二实施例的结合金属-绝缘-金属型(MIM)电容器和铜镶嵌制程的方法。

符号说明：

100、200---基底；

102、202---晶体管；

104、204---漏极；

106、114、118、152、206、214、218、252---绝缘层；

110、210---接触窗；

108、208---节点接触窗；

112、116、120、150、212、216、220、250---蚀刻停止层；

122a、122b、124、222a、222b、224---开口；

126、130、130a、134、134a、154a、154b---阻障层；

226、230、230a、234、234a、254a、254b---阻障层；

128、136、228、236---铜金属层；

132、132a、232、232a---电容器介电层；

136a、236a---铜金属层(上电极)；

128a、228a---铜金属层(下电极)；

128b、228b---铜金属层(铜插塞)；

140、240---MIM电容器；

156a、156b、256a、256b---铜双镶嵌结构。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显分易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

本发明在晶体管上覆盖一层绝缘层后，于其上方形成叠层绝缘材质结构。在此叠层绝缘材质结构中形成贯穿的第一开口。并且，于此叠层绝缘材质结构的下半部中形成至少一个第二开口，其中一第二开口暴露出节点接触窗，并于叠层绝缘材质结构的上半部中形成一个第三开口，此第三开口位于所有的第二开口上方。之后于第二开口和第三开口中形成MIM电容器，其上电极和下电极均为铜金属，其电容器介电层由上下两层阻障层所夹层。而第一开口则同时形成铜插塞。

以下特举二实施例来详细说明本发明。

第一实施例

首先请参照图1A，提供一基底100，例如是半导体硅基底，并于基底100上形成晶体管102，用以控制存储单元内的电容器。此晶体管102包含了闸极、闸极绝缘层和两侧的源极和漏极104，其中源极与位元线相接，漏极104与电容器的下电极相接。之后，于晶体管102上覆盖一层绝缘层106，其材质可为氧化硅，并于其中形成接触窗110和与漏极104连接的节点接触窗108，形成接触窗110和节点接触窗108的材质可为钨金属，在填入钨金属前并先形成一层阻障层。

附图中的接触窗110泛指逻辑电路区的内连线。

接着，于接触窗110、节点接触窗108和绝缘层106上依序形成蚀刻停止层112、绝缘层114、蚀刻停止层116、绝缘层118和蚀刻停止层120。其中蚀刻停止层112、116和120的材质可为氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)或其他不同于绝缘层106、114和118的介电材质。绝缘层106、114和118的材质可为氧化硅或低介电常数的材质。

如图1B所示，利用微影蚀刻的方法，在绝缘层118和114中形成开口122a、122b和124。其中开口124贯穿蚀刻停止层120绝缘层118、蚀刻停止层116、绝缘层114和蚀刻停止层112；用以形成单纯的内连线。开口122a贯穿蚀刻停止层116、绝缘层114和蚀刻停止层112，并暴露出节点接触窗108；开口122b贯穿蚀刻停止层120和绝缘层118，开口122b位于开口122a上方，且开口122b的尺寸大于开口122a。开口122a和122b用以形成电容器。

在本发明中，上述的镶嵌开口122a、122b和124可利用各种习知的方法来形成，在此并不限定使用何种方法。

接着请参照图1C，在蚀刻停止层116和120以及开口122a、122b和124的表面形成顺应性的阻障层126、铜金属层128、阻障层130、电容器介电层132和阻障层134。上述的顺应性的阻障层126、130和134的材质可为钽(Ta)或氮化钽(TaN)。其中铜金属层128于开口122a和122b中为顺应性地形成，而于开口124中则为填满，其形成方法为先沉积一层铜晶种层后，再进行铜电镀而形成。电容器介电层132由上下两阻障层130和134所夹住，以避免铜原子扩散至其中而导致漏电流，其材质可为氮化硅或其他高介电常数的材质。

接着于阻障层134上覆盖一层铜金属层136，并填满开口，其形成方法为先沉积一层铜晶种层后，再进行铜电镀。

接着请参照图1D，进行铜化学机械研磨制程，以磨除多余的物质，并停止于蚀刻终止层120上，以使位于不同开口间的铜导线或铜电极彼此分离。上述的铜金属层136、阻障层134、电容器介电层132、阻障层130、铜金属128和阻障层126分别转为铜金属层136a、阻障层134a、电容器介电层132a、阻障层130a、铜金属层128a和128b以及阻障层126a和126b。位于开口124的铜金属层128B为铜插塞，位于开口122a和122b的铜金属层128a为电容器的下电极，且经由阻障层126a和节点接触窗108与漏极104连接。铜金属层136a为上电极。铜金属层128a、阻障层130a、电容器介电层132a、阻障层134a和铜金属层136a构成MIM电容器140。

继续进行铜双镶嵌制程，如图1E所示，在MIM电容器140、铜插塞128b和蚀刻停止层120所构成的表面上形成蚀刻停止层150和绝缘层152，并且其中形成铜双镶嵌结构156a和156b，而且铜双镶嵌结构156a和156b和绝缘层152之间均分别形成阻障层154a和154b。上述的铜双镶嵌结构156a与上电极136a连接，铜双结构156b则与铜插塞128b连接。

后续的铜制程仍继续进行，直至完成整个内连线的制造为止。

第二实施例

图2A至图2E表示本发明第一实施例的结合金属-绝缘-金属型(MIM)电容器和铜镶嵌制程的方法。

首先请参照图2A，提供一基底200，例如是半导体硅基底，并于基底200上形成晶体管202，用以控制存储单元内的电容器。此晶体管202包含了闸极、闸极绝缘层和两侧的源极和漏极204，其中源极与位元线相接，漏极204与电容器的下电极相接。之后，于晶体管202上覆盖一层绝缘层206，其材质可为氧化硅，并于其中形成接触窗210和与漏极204连接的节点接触窗208；形成接触窗210和节点接触部208的材质可为钨金属，在填入钨金属前并先形成一层阻障层。

附图中的接触窗210泛指逻辑电路区的内连线。

接着，于接触窗210、节点接触窗208和绝缘层206上依序形成蚀刻停止层212、绝缘层214、蚀刻停止层216、绝缘层218和蚀刻停止层220。其中蚀刻停止层212、216和220的材质可为氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)或其他不同绝缘层206、214和218的介电材质。绝缘层206、214和218的材质可为氧化硅或低介电常数的材质。

如图2B所示，利用微影蚀刻的方法，在绝缘层218和214中形成开口222a、222b和224。其中开口224贯穿蚀刻停止层220、绝缘层218、蚀刻停止层216、绝缘层214和蚀刻停止层212，开口224用以形成单纯的内连线。开口222a贯穿蚀刻停止层216、绝缘层214和蚀刻停止层212，其中单一存储单元内的开口222a的数目可以不只一个，在此图中以三个为例，且其中一个开口222a暴露出节点接触窗208；开口222b贯穿蚀刻停止层220和绝缘层218，且在单一存储单元内的开口222b的数目只有一个。此外，开口222b位于开口222a上方，且开口222b的尺寸要足以涵盖上述三个开口222a。开口222a和222b用以形成电容器。

在本发明中，上述的镶嵌开口222a、222b和224可利用各种习知的方法来形成，在此并不限定使用何种方法。

接着请参照图2C，在蚀刻停止层216和220以及开口222a、222b和224的表面形成顺应性的阻障层226、铜金属层228、阻障层230、电容器介电层232和阻障层234。上述的顺应性的阻障层226、230和234的材质可为钽(Ta)或氮化钽(TaN)。其中铜金属层228于开口222a和222b中为顺应性地形成，而于开口224中则为填满，其形成方法为先沉积一层铜晶种层后，再进行铜电镀。电容器介电层232由上下两阻障层230和234所夹住，以避免铜原子扩散至其中而导致漏电流，其材质可为氮化硅或其他高介电常数的材质。

接着于阻障层234上覆盖一层铜金属层236，并填满开口，其形成方法为先沉积一层铜晶种层后，再进行铜电镀。

接着请参照图2D进行铜化学机械研磨制程；以磨除多余的物质，并停止于蚀刻终止层220上，以使位于不同开口间的铜导线或铜电极彼此分离。上述的铜金属层230、阻障层234、电容8介电层232、阻障层230、铜金属层228和阻障层226分别转为铜金属层236a、阻障层234a、电容器介电层232a、阻障层230a、铜金属层228a和228b以及阻障层226a和226b。位于开a224的铜金属层228b为铜插塞，位于开口222a和222b的铜金属层228a为电容器的下电极，且经由阻障层226a和节点接触窗208与漏极204连接。铜金属层236a为上电极。铜金属层228a、阻障层230a、电容器介电层232a、阻障层234a和铜金属层236a构成MIM电容器240。

继续进行铜双镶嵌制程，如图2E所示，MIM电容240、铜插塞228b和蚀刻停止层220所构成的表面上形成蚀刻停止层250和绝缘层252，并于其中形成铜双镶嵌结构256a和256b，而且铜双镶嵌结构256a和256b和绝缘层252之间均分别形成阻障层254a和254b。上述的铜双镶嵌结构256a与上电极236a连接，铜双镶嵌结构256b则与铜插塞228b连接。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限制本发明，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可做更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附权利要求所界定的为准。

Claims

1、一种在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型电容器的方法，其特征是，包括：

提供一第一绝缘层，该第一绝缘层中具有一节点接触窗和一接触窗；

于该第一绝缘层上形成一第一蚀刻停止层；

于该第一蚀刻停止层上形成一第二绝缘层；

于该第二绝缘层上形成一第二蚀刻停止层；

于该第二蚀刻停止层上形成一第三绝缘层；

于该第三绝缘层上形成一第三蚀刻停止层；

形成一第一开口、一第二开口和一第三开口，其中该第一开口贯穿该第三蚀刻停止层、该第三绝缘层、该第二蚀刻停止层、该第二绝缘层和该第一蚀刻停止层，且暴露出该接触窗，该第二开口贯穿该第二蚀刻停止层、该第二绝缘层和该第一蚀刻停止层，且暴露出该节点接触窗，该第三开口贯穿该第三蚀刻停止层和该第三绝缘层，位于该第二开口上方，且大于该第二开口；

于该第一开口、该第二开口、该第三开口、该第二蚀刻停止层和该第三蚀刻停止层表面形成顺应性的一第一阻障层；

于该第一阻障层上形成顺应性的一第一铜金属层，该第一铜金属层填满该第一开口；

于该第一铜金属层上形成顺应性的一第二阻障层；

于被第二阻障层上形成顺应性的一电容器介电层；

于该电容器介电层上形成顺应性的一第三阻障层；

于该第三阻障层上形成全面性的一第二铜金属层；以及

进行化学机械研磨制程，直至暴露出该第三蚀刻停止层，使该第二铜金属层做为一上电极，位于该第二开口和该第三开口中的该第一铜金属层做为一下电极，位于该第一开口中的该第一铜金属层做为一铜插塞。

2.如权利要求1所述的在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型电容器的方法，其特征是，其中形成该第一阻障层、该第二阻障层和该第三阻障层的材质为钽。

3.如权利要求1所述的在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型电容器的方法，其特征是，其中形成该第一阻障层、该第二阻障层和该第三阻障层的材质为氮化钽。

4.如权利要求1所述的在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型电容器的方法，其特征是，其中形成该电容器介电层的材质为氮化硅。

5.一种在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型电容器的方法，其特征是，包括：

于该第一绝缘层上形成一第一蚀刻停止层；

于该第一蚀刻停止层上形成一第二绝缘层；

于该第二绝缘层上形成一第二蚀刻停止层；

于该第二蚀刻停止层上形成一第三绝缘层；

于该第三绝缘层上形成一第三蚀刻停止层；

形成一第一开口、多个第二开口和一第三开口，其中该第一开口贯穿该第三蚀刻停止层、该第三绝缘层、该第二蚀刻停止层、该第二绝缘层和该第一蚀刻停止层，且暴露出该接触窗，这些第二开口贯穿该第二蚀刻停止层、该第二绝缘层和该第一蚀刻停止层，且这些第二开口之一暴露出该节点接触窗；该第三开口贯穿该第三蚀刻停止层和该第三绝缘层，位于该些第二开口上方，且暴露出该些第二开口；

于该第一开口、这些第二开口、该第三开口、该第二蚀刻停止层和该第三蚀刻停止层表面形成顺应性的一第一阻障层；

于该第一阻障层上形成顺应性的第一铜金属层，该第一铜金属层填满该第一开口；

于该第二阻障层上形成顺应性的一电容器介电层；

于该电容器介电层上形成顺应性的一第三阻障层；

于该第三阻障层上形成全面性的一第二铜金属层；以及

进行化学机械研磨制程，直至暴露出被第三蚀刻停止层，使该第二铜金属层做为一上电极，位于这些第二开口和该第三开口中的该第一铜金属层做为一下电极；位于该第一开口中的该第一铜金属层做为一铜插塞。

6.如权利要求5所述的在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型电容器的方法，其特征是，其中形成该第一阻障层、该第二阻障层和该第三阻障层的材质为钽。

7.如权利要求5所述的在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型电容器的方法，其特征是，其中形成该第一阻障层、该第二阻障层和该第三阻障层的材质为氮化钽。

8.如权利要求5所述的在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型电容器的方法，其特征是，其中形成该电容器介电层的材质为氮化硅。

9.如权利要求5所述的在铜镶嵌制程中形成金属-绝缘-金属型电容器的方法，其特征是，其中这些第二开口的数目为三个。