CN1305126C - 堆叠式金属－绝缘体－金属电容器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种堆叠式金属—绝缘体—金属电容器的制造方法，在集成电路制程中，在作为导线的多层金属导线层中，形成嵌入于其中的堆叠式金属—绝缘体—金属电容器。金属—绝缘体—金属电容器的制造会与金属导线的制造共用例如图型化及平坦化等步骤，而不须增加额外的光罩及步骤，藉以减少制造步骤并因而提高生产效率及降低生产成本，且制成的堆叠式金属—绝缘体—金属电容器具有更厚的介电质较厚，可以大幅降低平板之间的漏电，但却具有增进的电容值/单位面积。

Description

堆叠式金属—绝缘体—金属电容器及其制造方法

技术领域

本发明关于堆叠式金属—绝缘体—金属电容器及其制造方法，更具体而言，在集成电路制造中，形成嵌入于铜嵌刻结构中的堆叠式金属—绝缘体—金属电容器。

发明背景

电容器为集成电路中必要元件之一，在电路中扮演电压调整、滤波等功能。在半导体集成电路中，常见的电容器型式有多晶硅—绝缘体—多晶硅电容器、金属—绝缘体—金属电容器等等。其中，金属—绝缘体—金属电容器具有较低的接点阻抗，故其RC值较低，常用于要求高速的集成电路中，其也经常见于模拟电路、混合电路等不同应用中。

近年来，随着集成电路微小化的显著提升，在集成电路制程中属于后段制程的金属化制程中的铝导线，已逐渐由导电系数较小的铜导线所取代。此外，在现今的集成电路制程中，举例而言，在0.18微米以下的制程中，已广泛使用双嵌刻结构，以制造多层化的半导体集成电路。所谓的双嵌刻结构是指金属沉积于已经在下介电层中图型化的导线孔及线中，随后，在所谓的平坦化步骤中，以诸如化学机械研磨法等方法，将过量的金属移除，以抛光晶圆表面。

在R.Liu等于Proc.2000IITC，pp.111-113(2000)上发表的“Single MaskMetal-Insulator-Metal(MIM)Capacitor with Copper Damascene Metallizationfor Sub-0.18μm Mixed Mode Signal and System-on-a-Chip(SoC)Application”一文中，揭示配合铜制程以制造金属—绝缘体—金属电容器的方法及结构。将参考图3A及3B说明此已知技术。图3A中所显示的结构是形成有金属导电层且经过化学机械研磨法平坦化后的结构，其中，代号200代表介电层，介电层中的沟槽201及202均由铜填满，分别作为导线及金属—绝缘体—金属电容器的下电极。接着，如图3B所示，以诸如电浆增强化学汽相沉积法(PECVD)，在嵌刻结构表面上，再沉积另一介电层203以作为金属—绝缘体—金属电容器的介电质，接着，在介电层上，以物理汽相沉积法(PVD)，在介电层203上沉积诸如铝等金属，以作为上电极层204，最后，以微影法，蚀刻移除金属—绝缘体—金属电容器区以外的上电极层，而形成所需的金属—绝缘体—金属电容器。

上述已知的金属—绝缘体—金属电容器的结构是平板电容器的结构，其电容值/单位面积的值较低，且其制造方法，是在完成嵌刻结构金属化及平坦化步骤之后，再沉积介电层及上电极层，并以一增加的光罩执行微影法，以图型化上电极层而取得所需的金属—绝缘体—金属电容器。由于此已知技术并非在形成嵌刻结构金属化制程期间，形成所需的金属—绝缘体—金属电容器，所以，需要例如金属沉积、光罩、蚀刻等繁复的额外制程以形成金属—绝缘体—金属电容器，故其成本高，效率低。此外，在形成金属—绝缘体—金属电容器时，会在下一个的层间介电层表面上造成表面地形，此表面地形会使得下一个导线层的金属嵌刻制程较难进行并因而在图型化步骤之前，需要以化学机械研磨法，将介电层的表面平坦化。

鉴于上述已知技术的缺点，需要能够提供成本低、效率高的方法，以形成金属—绝缘体—金属电容器。

发明内容

考虑上述问题，本发明的目的是在金属嵌刻结构金属化的过程中，在与导线相同的层中，形成堆叠式金属—绝缘体—金属电容器，而不需要额外的制程步骤。

根据本发明的一态样，提供堆叠式金属—绝缘体—金属电容器的制造方法，其在形成具有嵌刻结构的多层铜导线层中，同时形成堆叠式金属—绝缘体—金属电容器，该方法包括下述步骤：底层金属平板形成步骤，对形成于基底上具有多个钨栓塞的接触层，执行图型化及蚀刻，以形成通至基底且深度与该接触层的厚度相同的开口，再于该开口中沉积钨，仅部份地填充该开口；底层介电层沉积步骤，沉积介电质以覆盖形成有底层金属板的接触层，作为底层介电层；底层介电层图型化步骤，将底层介电层图型化，以形成与钨栓塞连通的导线区；底层介电层金属化步骤，于底层介电层上沉积铜，以填满该开口及导线区，以分别形成与底层金属平板平行的铜平板及与钨栓塞电连通的铜导线；平坦化步骤，对已形成有铜平板及铜导线的底层介电层执行化学机械研磨，以使表面平坦化；叠层介电层沉积步骤，于经过平坦化的表面上，沉积介电层以覆盖该平坦化的表面；叠层图型化步骤，将该叠层介电层图型化及蚀刻成形，以在该叠层介电层中形成用于铜导线的导线区及用于电容器的平板的开口，电容器平板开口配置成正好叠置于下层铜平板上，以叠层介电层夹于其间；叠层金属化步骤，于经过图型化及蚀刻成形的叠层介电层上沉积铜，以填满电容器平板开口及导线区，以形成堆叠电容器的平行铜板及铜导线；叠层平坦化步骤，对已形成有铜导线及铜平板之叠层执行化学机械研磨，以使表面平坦化；及依序重复执行多次叠层介电层沉积步骤、叠层图型化步骤、叠层金属化步骤、及叠层平坦化步骤，藉以同时形成多层铜导线层及堆叠式金属—绝缘体—金属电容器。

根据本发明，提供堆叠式金属—绝缘体—金属电容器，其形成于设有集成电路的基底中，基底中设有接触层及多层堆叠的第一组金属嵌刻层及第二组金属嵌刻层，每一金属嵌刻层均具有金属平板区及导线区以及介电层，该堆叠式电容器包括：底层钨平板，形成于接触层中；第一组金属平板，包含多个金属平板，该多个金属平板是分别形成于对应的包含多层堆叠的第一组金属嵌刻层中的平板区，且彼此电连接；第二组金属平板，包含多个金属平板，多个金属平板是分别形成于对应的包含多层堆叠的第二组金属嵌刻层中的平板区，且彼此电连接及与该底层钨平板电连接；及多层介电层，分别形成于该第一组及第二组金属嵌刻层中的个别金属嵌刻层。

另外，根据本发明，介电层的材质为选自SiN、及SiO₂组成的群类之一。而介电层是以电浆增强化学气相沉积法(PECVD)沉积而成。

此外，根据本发明，金属嵌刻层是铜嵌刻层。

本发明能够形成嵌入于多层金属导线层中的堆叠式金属—绝缘体—金属电容器。结果，本发明能够不用增加制程步骤、以更低的成本，更有效率地制造金属—绝缘体—金属电容器。而且，所制成的金属—绝缘体—金属电容器的电容器介电质较厚，但是，其电容值/单位面积的值等于或大于已知技术之值，且可以大幅降低平板之间的漏电。

附图说明

从参考附图的上述详细说明中，可以更加清楚地了解本发明的上述及其它目的与优点，其中：

图1A-1F是剖面视图，用以说明根据本发明的实施例的堆叠式金属—绝缘体—金属电容器的制造方法；

图2显示了根据本发明的实施例制成的堆叠式金属—绝缘体—金属电容器的各金属平板间的电连接。

图3A-3B是剖面视图，用以说明已知的金属—绝缘体—金属电容器的结构及制造方法。

具体实施方式

将于下参考附图，说明根据本发明的实施例的制造金属—绝缘体—金属电容器的方法。应了解下述说明仅作为举例说明之用，并非用以限定本发明。此外，为了提供更清楚的说明，图示并未依比例绘制。

下述说明中，根据本发明的实施例的制程步骤及对应结构，并未涵盖制造完整的IC电路的完整制程，而是可以配合半导体技术领域中不同的IC电路中的其它制程以制造所需的完整IC电路。

将于下说明根据本发明的金属—绝缘体—金属电容器的制造方法。

首先，参考图1A，其显示基底100上形成有接触层102的结构，接触层102中形成有钨栓塞104。图1A所示的接触层首先接受图型化，接着进行微影蚀刻，以致于如图1B所示般，在接触层102中形成用于拟形成的电容器的底层金属板106的大开口(相较于金属栓塞104而言)。接着，举例而言，使用化学汽相沉积法(以下简称为CVD)沉积钨至此大开口中以作为用于拟形成的电容器的一金属板106，因而形成如图1B所示的结构。

如同图1B所示般，所形成的大开口的深度与接触层的厚度实质上相等，但是，沉积于大开口中的例如钨等金属的厚度远小于钨栓塞104的深度，举例而言，钨栓塞104的深度为7000，而大开口中的钨的深度为3000，所以，所沉积的钨仅填充大开口下部。接着，参考图1C，说明同时形成用于电容器的另一金属板与另一组金属栓塞。以例如PECVD法，将第一层间介电层108沉积于图1B中所示的结构，而形成如图1C所示的结构。值得注意的是，此时形成的第一层间介电层108的表面几何形状是符合图1B所示的结构的表面几何形状。

然后，如图1D所示，对第一层间介电层108执行图型化及蚀刻而形成与钨栓塞104连通的导线孔。接着，将铜沉积于第一层间介电层108上及导线孔中，因而形成第一铜板112及第一组铜栓塞110，然后执行化学机械研磨法以使表面平坦化，结果，形成如图1D所示的结构。

之后，以同于参考图1C的上述方式，在图1D的结构上形成第二层间介电层114，再以同于上述参考图4的方式，形成第二组铜栓塞116、及第二铜板118，因而形成如图1E所示的结构。注意，此时所形成的第二组铜栓塞116是与上述第一组铜栓塞110相连通，且所形成的第二铜板118是与第一铜板具有实质上相同的尺寸。在本实施例中，金属板106、第一铜板112、及第二铜板118之间的电连接关系为金属板106与第二铜板112电连接，但此二者均未与第一铜板形成电连接(图1C中并未显示)。

值得注意的是，从上述图1C至图1E的第一或第二铜板是与同层中的铜导线(铜栓塞)同时在相同步骤中形成。换言之，在制造铜导线的步骤中同时形成用于电容器之金属平行板，但却不需要特别针对金属板增加任何额外的光罩及步骤。

接着，根据需求，重复上述参考图1C至图1E所述的步骤，形成如图1F所示的堆叠式金属—绝缘体—金属电容器120。如图1F所示，在每一形成有金属平行板的金属嵌刻结构的导线层上又形成另一具有金属平行板的金属嵌刻结构的导线层。重复的次数取决于所欲形成的电路的需求。如此形成的用于拟形成的金属电容器的金属平行板的总数为导线层的总数加上接触层的数目，在本实施例中接触层的数目为一。

图2显示了根据本发明的实施例所制成的堆叠式多层金属—绝缘体—金属电容器的电连接，其中，钨板与第二铜板、第四铜板、...直至第(n-1)铜板系彼此电连接，等同于平板电容器的一金属板，而第一铜板、第三铜板、...直至第n个铜板彼此电接，等同于平板电容器的另一金属板。

将于下说明根据本发明的方法制成的电容器的电容值。

理论上，平板电容器的电容值为：

C＝εA/d其中，ε是电容器介电质的介电常数，A是金属板的面积，d是这些板之间的间距。

根据此等式，可得知根据本发明所制成的堆叠式MIM电容器结构虽然具有较大的d值，d值与导线孔的高度相同，但是，平板的总面积为nA，n是铜导线层的数目。注意，由于根据本发明，铜板是与铜导线层同时形成，所以，铜导线层的数目与铜板数目相同。所以，假使导线孔的高度为3000且装置具有5个铜金属层时，则堆叠的电容器的电容值将等于具有600厚的介电质的平板电容器。

根据本发明的MIM电容器制造方法具有的优点为：相较于导线的基本制程，不需要任何增加的光罩或制程步骤，即可制成堆叠的电容器。

此外，根据本发明的MIM电容器，较厚的的介电质可提供甚佳的平行板至平行板漏电保护并因而制成更坚固可靠的装置。

在上述说明中，以举例方式说明本发明，但是本发明并不限于上述的详细说明，熟悉此技术者在了解上述说明之后，在不悖离本发明的精神及范围下，执行不同的变化及修改。应了解本发明的范围是由后述的权利要求范围所界定。

Claims (10)

1、一种堆叠式金属—绝缘体—金属电容器的制造方法，在形成具有嵌刻结构的多层铜导线层中，同时形成堆叠式金属—绝缘体—金属电容器，该方法包括下述步骤：

底层金属平板形成步骤，对形成于基底上具有多个钨栓塞的接触层，执行图型化及蚀刻，以形成通至基底且深度与该接触层的厚度相同的开口，再于该开口中沉积钨，在高度方向上部份地填充该开口；

底层介电层沉积步骤，沉积介电质以覆盖形成有底层金属平板的该接触层，作为底层介电层；

底层介电层图型化步骤，将该底层介电层图型化，以形成与钨栓塞连通的导线区；

底层介电层金属化步骤，于该底层介电层上沉积铜，以填满该开口及该导线区，以分别形成与该底层金属平板平行的铜平板及与钨栓塞电连通的铜导线；

平坦化步骤，对已形成有铜平板及铜导线的该底层介电层执行化学机械研磨，以使表面平坦化；

叠层介电层沉积步骤，于经过平坦化的表面上，沉积介电层以覆盖该平坦化的表面，形成叠层介电层；

叠层图型化步骤，将该叠层介电层图型化及蚀刻成形，以在该叠层介电层中形成用于铜导线的导线区及用于电容器的平板的开口，该电容器平板开口配置成正好叠置于下层铜平板上，以该叠层介电层夹于其间；

叠层金属化步骤，于该经过图型化及蚀刻成形的叠层介电层上沉积铜，以填满该电容器平板开口及导线区，以形成堆叠电容器的平行铜板及铜导线；

叠层平坦化步骤，对已形成有铜导线及铜平板的叠层执行化学机械研磨，以使表面平坦化；及

依序重复执行多次该叠层介电层沉积步骤、该叠层图型化步骤、该叠层金属化步骤、及该叠层平坦化步骤，藉以同时形成多层铜导线层及堆叠式金属—绝缘体—金属电容器。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该底层介电层的材质为选自SiN及SiO₂组成的群类之一。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该叠层介电层的材质为选自SiN及SiO₂组成的群类之一。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该底层介电层是以电浆增强化学气相沉积法沉积而成。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该底层介电层的厚度在200至1000埃的范围内。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该叠层介电层的厚度在200至1000埃的范围内。

7、一种堆叠式金属—绝缘体—金属电容器，形成于设有集成电路的基底中，该基底中设有接触层及多层堆叠的第一组金属嵌刻层及第二组金属嵌刻层，每一金属嵌刻层均具有金属平板区及导线区以及介电层，该堆叠式电容器包括：

底层钨平板，形成于接触层中；

第一组铜平板，包含多个铜平板，该多个铜平板是分别形成于对应的包含多层堆叠的第一组金属嵌刻层中的平板区，且彼此电连接；

第二组铜平板，包含多个铜平板，多个铜平板是分别形成于对应的包含多层堆叠的第二组金属嵌刻层中的平板区，且彼此电连接及与该底层钨平板电连接；及

多层介电层，分别形成于该第一组及第二组金属嵌刻层中的个别金属嵌刻层。

8、如权利要求7所述的堆叠式金属—绝缘体—金属电容器，其特征在于，该第一组金属嵌刻层及该第二组金属嵌刻层中的金属导线及金属平板均由铜所形成。

9、如权利要求8所述的堆叠式金属—绝缘体—金属电容器，其特征在于，该多层介电层的材质为选自SiN、及SiO₂组成的群类之一。

10、如权利要求8所述的堆叠式金属—绝缘体—金属电容器，其特征在于，该多层介电层中每一介电层的厚度在200至1000埃的范围内。

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