CN1459840A - 电容器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属－绝缘体－金属(Metal－Insulator－Metal；MIM)电容器的制造方法。本发明的MIM电容器的制造方法是借着在平面的金属表面上形成立体杯形的间隙壁结构以增加电容器的电极面积。本发明的MIM电容器的制造方法与现今互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor；CMOS)晶体管的制造技术完全兼容且可用于未来具混合信号(Mixed－signal)或是射频(Radio Frequency；RF)应用的系统整合晶片(System On Chip；SOC)上。
Description
技术领域
本发明有关于一种电容器的制造方法，特别是有关于一种用于集成电路的金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal；MIM)电容器的制造方法。
背景技术
在现今的超大规模集成电路(Very Large Scale Integration；VLSI)中，电容器是常用的被动元件之一。电容器经常整合在双载子(Bipolar)晶体管或互补式金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor；CMOS)晶体管等主动元件之中。这些电容器通常有多晶硅-绝缘体-多晶硅(Polysilicon-Insulator-Polysilicon；PIP)、金属-绝缘体-硅(Metal-Insulator-Silicon；MIS)、或金属-绝缘体-金属等形式。基于与工艺的兼容性与工艺的简易性，这些不同形式的电容器都为平面式。
对于用在混合信号(Mixed-signal)或是射频(Radio Frequency；RF)的应用而言，MIM电容器较PIP电容器或MIS电容器具有较多的优点。首先，MIM电容器是在工艺后端(Back End Of Line；BEOL)形成，且仅需低工艺温度(小于450℃)，因此对于晶体管的参数所造成的干扰最小。其次，由于MIM电容器不会产生如PIP电容器或MIS电容器的缺乏效应(Depletion Effect)，故可提供较佳的线性度(Linearity)与对称度(Symmetry)。因此，MIM电容器与逻辑工艺完全兼容且适合用于现今混合信号或是射频的应用中。典型的MIM电容器具有以等离子体增强化学气相沉积法于450℃所形成的氧化介电层(厚度400)。此典型的MIM电容器为平面式结构，且其电容密度约为1fF/μm2。
对于日益复杂的混合信号或是射频的应用而言，平面式MIM电容器的面积成为限制晶片尺寸的重要参数。因此，有必要在更小的空间中制造出电容器，也就是寻求更高的电容密度。提高电容密度的方法之一是减小介电层厚度，不过代价是降低了线性度，且由于较大的操作电场而导致较大的漏电流。提高电容密度的另一方法是使用高介电常数(High-k)的材料，例如五氧化二钽，然而在复杂的工艺整合中须用到特殊结构的电极材料。提高电容密度的再一方法则是设法增加电容器的有效电极面积。
请参考图1A至图1I的公知平面式MIM电容器的制造方法的结构剖面图。如图1A，首先提供基材10。接着，形成黏着层20于基材10上。接着，形成金属层30于黏着层20上。接着，形成黏着层40于金属层30上。如图1B，接着形成介电层50于黏着层40上。如图1C，接着形成黏着层60于介电层50上。接着，形成金属层70于黏着层60上。接着，形成黏着层80于金属层70上。如图1D，于黏着层80上进行底部抗反射涂布(Bottom Anti-Reflective Coating；BARC)，以形成抗反射层90。接着，形成光阻层100于部分的抗反射层90上，其中光阻层100具有后续形成电容器上金属层(CapacitorTop Metal；CTM)所需的图形。接着以光阻层100为罩幕，蚀刻部分的抗反射层90、黏着层80、金属层70、以及黏着层60，如图1E使暴露部分的介电层50，且形成黏着层65、电容器上金属层75、黏着层85、以及抗反射层95。此电容器上金属层75的表面积约为625μm2(25μm×25μm)，此即为此电容器的有效电极面积。如图1F，接着以沉积、微影、与蚀刻工艺形成抗反射层110覆盖抗反射层95与部分的介电层50，借以暴露出部分的基材10，且形成介电层55、黏着层45、金属层35、以及黏着层25。如图1G，接着形成金属间介电层120且以微影/蚀刻工艺形成介层洞130。接着，以金属填满介层洞130，再辅以平坦化工艺，以形成如图1H的介层140。接着，如图1I，以沉积、微影、以及蚀刻工艺形成黏着层150、金属层160、以及黏着层170，即完成公知平面式MIM电容器的制造过程。
上述以公知平面式MIM电容器的制造方法所形成的MIM电容器的有效电极面积约为625μm2(25μm×25μm)，且电容密度约为1fF/μm2。若想进一步增加MIM电容器的有效电极面积以及电容密度，则可设法采用其它非平面式的MIM电容器。
发明内容
鉴于上述发明背景中，公知平面式MIM电容器的有效电极面积约为625μm2(25μm×25μm)，且电容密度约为1fF/μm2，若想进一步增加MIM电容器的有效电极面积以及电容密度，则需设法采用其它非平面式的MIM电容器。
因此本发明的目的为提供一种MIM电容器的制造方法，可用以增加电容器的有效电极面积。
依据本发明的上述目的，因此本发明提供一种电容器的制造方法。本发明提供的第一种电容器的制造方法至少包括：提供基材；接着，形成金属层于基材上；接着，形成第一介电层于金属层上；接着，微影/蚀刻第一介电层，使第一介电层具有立体岛形外观；接着，形成第一黏着层于第一介电层上；接着，微影/蚀刻部分的第一黏着层与第一介电层，使第一黏着层具有间隙壁结构；接着，形成第二黏着层于第一黏着层上与部分的金属层上；接着，形成第二介电层于第二黏着层上；接着，形成第三黏着层于第二介电层上；接着，形成电容器上金属层于第三黏着层上；接着，形成第四黏着层于电容器上金属层上；以及蚀刻部分的第四黏着层、部分的电容器上金属层、与部分的第三黏着层，使第四黏着层、部分的电容器上金属层、与部分的第三黏着层具有电容器的上表面积。
本发明提供的第二种电容器的制造方法至少包括：提供基材；接着，形成金属层于基材上；接着，形成第一介电层于金属层上；接着，微影/蚀刻部分的第一介电层，使第一介电层具有锥形孔；接着，微影/蚀刻部分的第一介电层，使第一介电层具有间隙壁结构；接着，形成第一黏着层于第一介电层上与部分的金属层上；接着，形成一第二介电层于第一黏着层上；接着，形成一第二黏着层于第二介电层上；接着，形成电容器上金属层于第二黏着层上；接着，形成第三黏着层于电容器上金属层上；以及蚀刻部分的第三黏着层、部分的电容器上金属层、与部分的第二黏着层，使第三黏着层、部分的电容器上金属层、与部分的第二黏着层具有电容器的上表面积。
附图说明
图1A至图1I为公知平面式MIM电容器的制造方法的结构剖面图；
图2A至图2N为本发明的第一较佳实施例的立体式MIM电容器的制造方法的结构剖面图；以及
图3A至图3N为本发明的第二较佳实施例的立体式MIM电容器的制造方法的结构剖面图。
10：基材 20：黏着层
25：黏着层 30：金属层
35：金属层 40：黏着层
45：黏着层 50：介电层
55：介电层 60：黏着层
65：黏着层 70：金属层
75：电容器上金属层 80：黏着层
85：黏着层 90：抗反射层
95：抗反射层 100：光阻层
110：抗反射层 120：金属间介电层
130：介层洞 140：介层
150：黏着层 160：金属层
170：黏着层 210：基材
220：黏着层 225：黏着层
230：金属层 235：金属层
240：介电层 245：介电层
250：光阻层 260：黏着层
265：黏着层 270：黏着层
280：黏着层 285：黏着层
290：介电层 295：介电层
300：黏着层 305：黏着层
310：金属层 315：电容器上金属层
320：黏着层 325：黏着层
330：抗反射层 335：抗反射层
340：光阻层 345：抗反射层
350：金属间介电层 360：介层洞
370：介层 380：黏着层
390：金属层 400：黏着层
410：基材 420：黏着层
425：黏着层 430：金属层
435：金属层 440：介电层
445：介电层 448：介电层
449：介电层 450：光阻层
460：光阻层 470：黏着层
475：黏着层 490：介电层
495：介电层 500：黏着层
505：黏着层 510：金属层
515：电容器上金属层 520：黏着层
525：黏着层 530：抗反射层
535：抗反射层 540：光阻层
545：抗反射层 550：金属间介电层
560：介层洞 570：介层
580：黏着层 590：金属层
600：黏着层
具体实施方式
本发明有关于一种立体式MIM电容器的制造方法。图2A至图2N为本发明的第一较佳实施例的立体式MIM电容器的制造方法的结构剖面图。如图2A，首先提供基材210，其中此基材210上已预先形成有部分CMOS元件(未绘示)。接着，形成黏着层220于基材210上，其中此黏着层220的材料例如可为氮化钛，且此黏着层220的厚度例如可约为250。此黏着层220的用途是用来加强后续工艺中金属层与基材210的附着力以及作为阻障层之用，且本说明书中所出现的其它黏着层的用途都为加强金属层与其它层的附着力以及作为阻障层。接着，形成金属层230于黏着层220上，其中此金属层230的材料例如可为铝-铜合金且此金属层230的厚度例如可约为4000。其中，金属层230的用途是做为电容器的下电极的一部份。
如图2B，接着形成介电层240于金属层230上。此步骤例如可以等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition；PECVD)于约400℃的低温来达成。介电层240的材料例如可为二氧化硅且此介电层240的厚度例如可约为1000至15000。
如图2C，接着以微影工艺定义出具特定图案的光阻层250。接着，蚀刻图2B的介电层240，使介电层240成为具立体岛形外观的介电层245，并约暴露出部分的金属层230。
接着，去除光阻层250。然后如图2D，形成共形的黏着层260覆盖介电层245与部分的金属层230。黏着层260的材料例如可为氮化钛且此黏着层260的厚度例如可约为250。
接着，以微影/蚀刻工艺定义位于介电层245上方的黏着层260与全部的介电层245，借以暴露出部分金属层230的表面，使形成如图2E的具间隙壁结构的黏着层265。
如图2F，接着形成共形的黏着层270覆盖黏着层265与部分的金属层230。黏着层270的材料例如可为氮化钛且此黏着层270的厚度例如可约为250。
本发明的第一较佳实施例的最主要特征即为黏着层270具有立体杯形外观的间隙壁结构。此具有立体杯形外观的间隙壁结构可较公知大幅增加MIM电容器的电极面积。至于实际增加的幅度视间隙壁的高度、任两个间隙壁的间距、与每一间隙壁的直径而定。若后续工艺中所产生的电容器上金属层的上表面积约为625μm2(25μm×25μm)，则以间隙壁的高度约为8000、任两个间隙壁的间距约为0.5μm、以及每一间隙壁的直径约为0.5μm来计算，则可得有效电极面积约为3520μm2，较公知平面式MIM电容器的有效电极面积625μm2增加约4.6倍之多。
由于黏着层270与黏着层265为相同材质，因此可共同组成图2G的黏着层280。而且，黏着层280、黏着层220与金属层230共同构成电容器的下电极。接着，形成介电层290于黏着层280上。此步骤例如可以等离子体增强化学气相沉积于约400℃的低温来达成。介电层290的材料例如可为二氧化硅且此介电层290的厚度例如可约为400。
如图2H，接着形成黏着层300于介电层290上，其中黏着层300的材料例如可为氮化钛且此黏着层300的厚度例如可约为250。接着，形成金属层310于黏着层300上，其中金属层310的材料例如可为铝-铜合金且此金属层310的厚度例如可约为1200。接着，形成黏着层320于金属层310上，其中黏着层320的材料例如可为氮化钛且此黏着层320的厚度例如可约为700。
如图2I，接着形成抗反射层330于黏着层320上，以避免后续微影工艺中图案转移不正确，其中抗反射层330的材料例如可为氮氧化硅且此抗反射层330的厚度例如可约为300。接着以微影工艺形成光阻层340于抗反射层330上，其中光阻层340具有后续形成电容器上金属层所需的图案。
接着，以光阻层340为罩幕，蚀刻部分的抗反射层330、黏着层320、金属层310、以及黏着层300，如图2J所示使暴露部分的介电层290，且形成黏着层305、电容器上金属层315、黏着层325、以及抗反射层335。
接着依序以沉积、微影、与蚀刻工艺形成抗反射层345覆盖抗反射层335与部分的介电层290，如图2K所示借以暴露出部分的基材210，且形成介电层295、黏着层285、金属层235、以及黏着层225，其中抗反射层345的厚度例如可约为300。暴露出的部分基材210可分隔每一个独立的电容器。
接着以金属间介电层的沉积与平坦化以及介层洞的微影与蚀刻等一连串工艺形成如图2L的金属间介电层350与以及介层洞360，其中金属间介电层350的材料例如可为氟硅玻璃(Fluorinated SilicateGlass；FSG)且厚度例如可约为10000至20000。
接着以例如为钨的金属填满介层洞360，再辅以例如为化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing；CMP)或回蚀的平坦化工艺，使去除部分的金属直至约暴露出金属间介电层350以形成如图2M的介层370。
接着，如图2N，以沉积、微影、以及蚀刻等一连串工艺形成黏着层380、金属层390、以及黏着层400，即完成本发明的第一较佳实施例的立体式MIM电容器的制造过程。
图3A至图3N为本发明的第二较佳实施例的立体式MIM电容器的制造方法的结构剖面图。如图3A，首先提供基材410，其中此基材410上已于先前工艺形成部分CMOS元件(未绘示)。接着，形成黏着层420于基材410上，其中此黏着层420的材料例如可为氮化钛且此黏着层420的厚度例如可约为250。接着，形成金属层430于黏着层420上，其中此金属层430的材料例如可为铝-铜合金且此金属层430的厚度例如可约为4000。
如图3B，接着形成介电层440于金属层430上。此步骤例如可以等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition；PECVD)于约400℃的低温来达成。介电层440的材料例如可为二氧化硅且此介电层440的厚度例如可约为1000至15000。
如图3C，接着以微影工艺定义出具特定图案的光阻层450。接着，蚀刻图3B的介电层440，使介电层440成为如图3C的具锥形孔的介电层445，并约暴露出部分的金属层430。
接着，以光阻填满介电层445的锥形孔，再辅以平坦化工艺，例如使用回蚀刻工艺或是CMP平坦化工艺，平坦化光阻直至约曝露出介电层445的表面，即可形成如图3D所示的光阻层460。
接着，以非等向性蚀刻法，例如反应性蚀刻(RIE)法将介电层445蚀刻成为如图3E所示的具间隙壁结构的介电层448。
接着，去除光阻层460。如图3F，接着形成共形的黏着层470覆盖介电层448与部分的金属层430。黏着层470的材料例如可为氮化钛且此黏着层470的厚度例如可约为250。
本发明的第二较佳实施例的最主要特征即为黏着层470具有立体杯形外观的间隙壁结构。此具有立体杯形外观的间隙壁结构可较公知大幅增加MIM电容器的电极面积。至于实际增加的幅度视间隙壁的高度、任两个间隙壁的间距、与每一间隙壁的直径而定。若后续工艺中所产生的电容器上金属层的上表面积约为625μm2(25μm×25μm)，则以间隙壁的高度约为8000、任两个间隙壁的间距约为0.5μm、以及每一间隙壁的直径约为0.5μm来计算，则可得有效电极面积约为3520μm2，较公知平面式MIM电容器的有效电极面积625μm2增加约4.6倍之多。
如图3G，接着形成介电层490于黏着层470上。此步骤例如可以等离子体增强化学气相沉积于约400℃的低温来达成。介电层490的材料例如可为二氧化硅，且此介电层490的厚度例如可约为400。
如图3H，接着形成黏着层500于介电层490上，其中黏着层500的材料例如可为氮化钛且此黏着层500的厚度例如可约为250。接着，形成金属层510于黏着层500上，其中金属层510的材料例如可为铝-铜合金且此金属层510的厚度例如可约为1200。接着，形成黏着层520于金属层510上，其中黏着层520的材料例如可为氮化钛，且此黏着层520的厚度例如可约为700。
如图3I，接着形成抗反射层530于黏着层520上，以避免后续微影工艺中图案转移不正确，其中抗反射层530的材料例如可为氮氧化硅且此抗反射层530的厚度例如可约为300。接着以微影工艺形成光阻层540于抗反射层530上，其中光阻层540具有后续形成电容器上金属层所需的图案。
接着，以光阻层540为罩幕，蚀刻部分的抗反射层530、黏着层520、金属层510、以及黏着层500，如图3J所示使暴露部分的介电层490，且形成黏着层505、电容器上金属层515、黏着层525、以及抗反射层535。
接着以沉积、微影、与蚀刻工艺形成抗反射层545覆盖抗反射层535与部分的介电层490，如图3K所示借以暴露出部分的基材410，且形成介电层495、黏着层475、金属层435、以及黏着层425，其中抗反射层545的厚度例如可约为300。暴露出的部分基材410可分隔每一个独立的电容器。
接着以金属间介电层的沉积与平坦化以及介层洞的微影与蚀刻等一连串工艺形成如图3L的金属间介电层550与以及介层洞560，其中金属间介电层550的材料例如可为氟硅玻璃(Fluorinated SilicateGlass；FSG)且厚度例如可约为10000至20000。
接着以例如为钨的金属填满介层洞560，再辅以例如为化学机械研磨或回蚀的平坦化工艺，使去除部分的金属直至约暴露出金属间介电层550以形成如图3M的介层570。
接着，如图3N，以沉积、微影、以及蚀刻等一连串工艺形成黏着层580、金属层590、以及黏着层600，即完成本发明的第二较佳实施例的立体式MIM电容器的制造过程。
综合上述，本发明的优点为提供一种MIM电容器的制造方法，运用本发明的MIM电容器的制造方法可借着在平面的金属表面上形成立体杯形之间隙壁结构以增加电容器的有效电极面积。若电容器上金属层的上表面积约为625μm2(25μm×25μm)，则以间隙壁的高度约为8000、任两个间隙壁的间距约为0.5μm、以及每一间隙壁的直径约为0.5μm来计算，则可得有效电极面积约为3520μm2，较公知平面式MIM电容器的有效电极面积625μm2增加约4.6倍之多。
Claims (10)
1.一种电容器的制造方法，其特征是，该方法至少包括：
提供一基材；
形成一金属层于该基材上；
形成一第一介电层于该金属层上；
定义该第一介电层，使该第一介电层具有一立体岛形外观；
形成一第一黏着层于该第一介电层上；
定义部分的该第一黏着层与该第一介电层，使该第一黏着层具有一间隙壁结构；
形成一第二黏着层于该第一黏着层上与部分的该金属层上；
形成一第二介电层于该第二黏着层上；
形成一第三黏着层于该第二介电层上；
形成一电容器上金属层(capacitor top metal；CTM)于该第三黏着层上；
形成一第四黏着层于该电容器上金属层上；
去除部分的该第四黏着层、部分的该电容器上金属层、与部分的该第三黏着层，使该第四黏着层、部分的该电容器上金属层、与部分的该第三黏着层具有该电容器的一上表面积；
形成一抗反射层于该第四黏着层与部分的该第二介电层上；以及
去除部分的该抗反射层、部分的该第二介电层、部分的该第一黏着层、以及部分的该金属层，借以暴露出部分的该基材。
2.如权利要求1所述的电容器的制造方法，其特征是，该金属层的厚度约为4000。
3.如权利要求1所述的电容器的制造方法，其特征是，该第一介电层的厚度约为1000至15000。
4.如权利要求l所述的电容器的制造方法，其特征是，该第二介电层的厚度约为400。
5.如权利要求1所述的电容器的制造方法，其特征是，该电容器上金属层的厚度约为1200。
6.一种电容器的制造方法，其特征是，该方法至少包括：
提供一基材；
形成一金属层于该基材上；
形成一第一介电层于该金属层上；
定义部分的该第一介电层，使该第一介电层具有多个锥形孔；
形成一光阻层覆盖该第一介电层并填满该些锥形孔；
去除部分的该光阻层，使约暴露出该第一介电层；
定义部分的该第一介电层，使该第一介电层具有一间隙壁结构；
去除该光阻层；
形成一第一黏着层于该第一介电层上与部分的该金属层上；
形成一第二介电层于该第一黏着层上；
形成一第二黏着层于该第二介电层上；
形成一电容器上金属层于该第二黏着层上；
形成一第三黏着层于该电容器上金属层上；
去除部分的该第三黏着层、部分的该电容器上金属层、与部分的该第二黏着层，使该第三黏着层、部分的该电容器上金属层、与部分的该第二黏着层具有该电容器的一上表面积；
形成一抗反射层于该第三黏着层与部分的该第二介电层上；以及
去除部分的该抗反射层、部分的该第二介电层、部分的该第一黏着层、部分的该第一介电层、以及部分的该金属层，借以暴露出部分的该基材。
7.如权利要求6所述的电容器的制造方法，其特征是，该金属层的厚度约为4000。
8.如权利要求6所述的电容器的制造方法，其特征是，该第一介电层的厚度约为1000至15000。
9.如权利要求6所述的电容器的制造方法，其特征是，该第二介电层的厚度约为400。
10.如权利要求6所述的电容器的制造方法，其特征是，该电容器上金属层的厚度约为1200。
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- 2002-05-20 CN CN 02120227 patent/CN1270368C/zh not_active Expired - Lifetime
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