CN1635595A

CN1635595A - 增加金属－绝缘体－金属电容器的单位面积电容密度的方法

Info

Publication number: CN1635595A
Application number: CN 200310122877
Authority: CN
Inventors: 史望澄; 林永锋; 陈真
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2023-12-29
Also published as: CN100390910C

Abstract

本发明揭示一种堆叠式金属－绝缘体－金属电容器的制造方法，包含步骤：a)依序沉积一底部金属层、一电容介电层于该底部金属层上、一中间金属层于介电层上；b)利用微影蚀刻法定义中间金属层与电容介电层；c)以微影蚀刻法定义底部金属层；d)沉积一金属层间介电材质层于该中间金属层与该底部金属层上，并平坦化该金属间介电材质层；e)在该金属间介电材质层中，以图案蚀刻进行多个介层窗的蚀刻，以相通至底部金属层与中间金属层；f)沉积一金属钨，以在介层窗内形成金属内连线，连接该底部金属层及该中间金属层并随后进行化学机械研磨；g)重复步骤a)至f)；及h)沉积一顶部金属层，图案蚀刻该顶部金属层。

Description

增加金属-绝缘体-金属电容器的单位面积电容密度的方法

技术领域

本发明是有关于一种电容器的结构及其制造方法。更明确地说，本发明为有关于一种堆叠式多层金属电容的结构及其制造方法。

背景技术

长久以来，增加金属-绝缘体-金属(MIM)电容器的单位面积的电容值密度，一直是制造工程师所追求的目标，以符合微小化的要求。完成此目标的一方法为开发高介电常数(k)的材料，例如Ta₂O₅以加入该MIM电容器中。然而，此方法需要额外的沉积工具、避免交叉污染的绝缘制程步骤以及新材料的整合制程的时间及人员上的投资。再者，该高介电常数材料的引入，造成了泄露电流密度的问题。

如图1所示，为一传统金属-绝缘体-金属电容器的结构，其仅具有单层(金属1-绝缘体2-金属3)结构，介于两金属电极板的金属间介电材质中，蚀刻多数介层窗4、5、6、7、8及9供作金属内连线用。其制程为：沉积分别包含有底部金属层、绝缘体层及中间金属层的三层结构，然后；以传统微影及蚀刻技术，蚀刻该中间金属层及绝缘体作出图案，其中也可以只部份蚀刻该绝缘层；接着，再以传统微影及蚀刻技术，蚀刻该底部金属层，以作出图案；随后，再沉积一金属间介电材料(IMD)并进行化学机械研磨(CMP)，随后，在该金属间介电材料中，进行多数个介层窗图案蚀刻；然后，沉积铝并作出图案，以形成分别经由金属内连线4、5、6、7、8及9与底部金属层及中间金属层作连接的顶部金属层。

在该传统金属-绝缘体-金属电容器结构中，由于介层窗会占用很多金属间介电材料的空间(即所谓的大间距制程)，所以会增加电容器阻值。因此，此传统电容器将耗用较大的电容器面积，提高晶方制造成本。

为此，当特性为深次微米规格时，明显地，有必要开发出一新的MIM电容的制程，以避免上述问题，同时，增加单位面积的电容值2至3级数。其只需要现行的制程设备，而不必增加额外的开发努力。也不会有交叉污染的问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种电容器的制造方法，其能增加传统电容器的每单位面积的电容密度。

本发明的另一目的在于利用现行制造设备，而不必引入新的制造设备，同时，又能增加电容密度。

本发明的再一目的为利用现行制造设备，即可增加电容密度，又避免制程的交叉污染。

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，包含步骤：a)依序沉积一底部金属层、一电容介电层于该底部金属层上、一中间金属层于该介电层上；b)利用微影蚀刻法定义中间金属层与电容介电层；c)以微影蚀刻法定义底部金属层；d)沉积一金属层间介电材质层于该中间金属层与该底部金属层上，并平坦化该金属间介电材质层；e)在该金属间介电材质层中，以图案蚀刻进行多个介层窗的蚀刻，以相通至底部金属层与中间金属层；f)沉积一金属钨，以在介层窗内形成金属内连线，连接该底部金属层及该中间金属层并随后进行化学机械研磨；g)重复步骤a)至f)，以及，h)沉积一顶部金属层，图案蚀刻该顶部金属层。

附图说明

图1为传统金属-绝缘体-金属电容器的剖面结构；

图2A-2F显示了依据本发明第-较佳实施例所完成的堆叠式金属-绝缘体-金属电容器的部份步骤阶段剖面图，图2F’为图2F的另一态样；

图3为依据本发明第一实施例所完成的堆叠式金属-绝缘体-金属电容器；

图4A-4D为依据本发明第二实施例所完成的堆叠式金属-绝缘体-金属电容器的部份步骤的剖面图；

图5为依据本发明第二实施例所完成的另一堆叠式金属-绝缘体-金属电容器；及

图6为依据本发明第三实施例所完成的另一堆叠式金属-绝缘体-金属电容器。

具体实施方式

本发明为一种堆叠式金属-绝缘体-金属电容器的制造方法。此一制造方法较传统金属-绝缘体-金属电容器的制造方法多使用了一沉积第二绝缘体层的步骤，以形成双层式的堆叠电容器，并藉由图案蚀刻其顶部金属层形成金属连接线，使该双层堆叠的金属-绝缘体-金属电容器如同两电容器并联，进而增加整个电容器面积，而提高其电容值。

参考图2A-2F以及3，显示了本发明的一较佳实施例的顺序步骤的部份剖面示意图；首先，如图2A所示，使用传统物理气相沉积法(PVD)，例如DC溅镀法，沉积一层铝金属层10，作为底部导电层，其沉积厚度约4000至8000埃。当然，也可以采用其他良导体作为该导电层，例如，铝/铜合金、铜、钨、铬/铂/金合金、钼/金合金及钛/铂/金合金。然后，在该底部导电层上，以化学气相沉积(CVD)或电浆化学气相沉积(PECVD)制程，以TEOS/O₃作为反应气体，沉积一层均匀的二氧化硅层，作为第一介电层11，其沉积厚度约100至1000埃。也可以采用其他高介电常数的材质，例如，Ta₂O₅、BST、PZT、ONO、SiON、Si₃N₄等等。接着，在电容介电层11上形成一金属层12，该金属层12材质例如为铝、钽、钛或其组成物。

然后，再利用微影蚀刻法定义金属层12及电容介电层11，以，形成介电层11a及金属层12a。如此，便在电容区400上形成一底部金属10-介电层11a-中间金属层12a电容器的结构，如图2B所示。

然后，如图2C所示，以微影蚀刻法定义金属层10。

接着，如图2D所示，在金属层10及金属层12a上，以电浆CVD法，沉积一层金属层介电材质13，其厚度约20000至24000埃，超出金属层10的范围。该介电材质13可以为二氧化硅。然后，以化学机械研磨(CMP)磨平该介电材质13。然后，在金属间介电材质13中进行多数个介层窗图案蚀刻，以形成多数介电窗t、v、u、x、y及z，这些分别与底部金属层10与第一电容的中间金属层12a相通，如图2E所示。

然后，如图2F所示，以钨沉积来填充这些介层窗，以形成内连线4’、5’、6’、7’、8’及9’，随后，以化学机械研磨来磨平该金属间介电材料13与内连线4’-9’的顶面。

然后，重复进行图2A至2F的步骤，随后，如图3所示，在所得表面上沉积铝作为顶部金属层，利用微影蚀刻法定义出金属层40及引出金属层30，金属层40作用为电容区400及介层窗区402的连接线，而第二次沉积的介电材料13’中，除了如同前一图案蚀刻步骤般地形成的内连线4”、5”、6”、7”、8”及9”外，另外形成了引出内连线20及22，其随后连接至引出金属层30。

因此，于图3中，可看出，其分别定义出电容区400、介层窗区402及引出区404，而在电容区400及介层窗区402上，则定义有相连的金属连接层40。在电容区400中，形成了电容406及408。电容406包含底部金属层10、电容介电层11a及中间金属层12a，而电容408则包含顶部金属层14a、电容介电层11a’及中间金属层12a’。而金属层12a’则依序经由内连线6”、7”、8”及9”、金属连接层40、内连线4”及5”、金属层14b、内连线4’、5’与底部金属层10电气连接。而金属层12a则透过内连线6’、7’、8’及9’与中间金属层14a电气连接。引出金属层30透过内连线20及22与中间金属层14a电气连接。因此，图3的结构可以看出，在引出金属层30及金属连接层40间，形成了并联的堆叠式金属-绝缘体-金属电容器406与408，相较于已知的金属-绝缘体-金属电容，增加了电容器面积。

另外，若为大间距制程，也可以直接于沉积内连线的步骤(图2F)中，以铝来替代钨，直接进行至图2A的程序，即得到如图2F’所示的结构。其中，内连线4’-9’与中间金属层14在同一步骤中完成。接着，进行后续步骤，以得到一双层的堆叠式金属-绝缘体-金属电容器。

图4A-D显示了本发明的另一实施例的部份制程，其中包含一五层的金属-绝缘体-金属-绝缘体-金属结构。其制造方法为：先沉积一层底电极金属层10，作为底部电极板；然后，在其上面，依序分别沉积一层介电材质层11a及一中间电极金属层12a；然后，在金属层12a上沉积另一介电材质层11a’及另一金属层12a’，如图4A所示；接着，如同于第一实施例，分三次图案蚀刻，金属-介电材质层12a’、11a’；12a、11a；及金属层10，分别如图4B-4D所示；然后，如第一实施例，进行如图2D至2F的步骤，然后，在所得表面上沉积铝作为顶部金属层，利用微影蚀刻法定义出金属层40及30，即可以形成如图5所示的堆叠式金属-绝缘物-金属电容结构。在此堆叠式金属-绝缘物-金属电容结构中，一次对所有的电极(即底电极10、中间电极12a及顶电极12a’)形成所需的接触。该制程只需要一额外的遮罩层。

因此，由此实施例所形成的图5的结构拥有以下两优点：(1)除了底部电极以外，所有之电极板均匀可以为阻障金属层，例如Ti、Ta及其组合物，以替代铝，而可使用适当的金属或化合物来加强所完成电容的稳定性，并且，也可以使用SiN以进一步改良电容密度；(2)于底电极板与基材间的距离不会改变，即表示对于RF应用时，不会有额外的基板效应。

图6显示了由图5所衍生的结构。其中，显示出三层的绝缘体-金属结构。若ILD厚度许可，则可以增加更多的”中间电极”，其制造程序可以加以延用。

以上所述为本发明的具体实施例，并非用以限定本发明的申请专利范围。

Claims

1.一种堆叠式金属-绝缘体-金属电容器的制造方法，包含步骤：

a)依序沉积一底部金属层、一电容介电层于该底部金属层上、一中间金属层于该介电层上；

b)利用微影蚀刻法定义中间金属层与电容介电层；

c)以微影蚀刻法定义底部金属层；

d)沉积一金属层间介电材质层于该中间金属层与该底部金属层上，并平坦化该金属间介电材质层；

e)在该金属间介电材质层中，以图案蚀刻进行多个介层窗的蚀刻，以相通至底部金属层与中间金属层；

f)沉积一金属钨，以在介层窗内形成金属内连线，连接该底部金属层及该中间金属层并随后进行化学机械研磨；

g)重复步骤a)至f)；以及

h)沉积一顶部金属层，图案蚀刻该顶部金属层。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该中间金属层是由铝、钽、钛或其组成物所构成。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该底部金属层及顶部金属层选自由铝/铜合金、铜、钨、铬/铂/金合金、钼/金合金及钛/铂/金合金所构成的群组之一。

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该金属层间介电材质为二氧化硅。

5.一种堆叠式金属-绝缘体-金属电容器的制造方法，包含步骤：

b)利用微影蚀刻法定义中间金属层与电容介电层；

c)以微影蚀刻法定义底部金属层；

f)重复步骤a)至e)，以及，

g)沉积一顶部金属层，图案蚀刻该顶部金属层。

6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，该中间金属层系由铝、钽、钛或其组成物所构成。

7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，该底部金属层及顶部金属层选自由铝/铜合金、铜、钨、铬/铂/金合金、钼/金合金及钛/铂/金合金所构成的群组之一。

8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，该金属层间介电材质为二氧化硅。

9.一种堆叠式金属-绝缘体-金属电容器的制造方法，包含步骤：

a)连续沉积一底部金属层、第一电容介电层于该底部金属层上、一中间电极金属层于该介电层上、第二电容介电层于该中间电极金属层上、及一顶部金属层于该第二电容介电层上；

b)图案蚀刻该顶部金属层与该第二电容介电层；

c)图案蚀刻该中间电极金属层与该第一电容介电层；

d)图案蚀刻该底部金属层；

e)沉积一金属层间介电材料层，平坦化该介电材料层；

f)在该金属层间介电材料层中，进行多个介层窗图案蚀刻，以相通顶部金属层、中间金属层与底部金属层；

g)沉积一插塞金属，以在介层窗内形成金属内连线，连接该底部金属层、中间金属层及该顶间金属层，随后进行平坦化；

h)沉积一引出金属层，并图案蚀刻该引出金属层。

10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，还包含在步骤b)之前，沉积第三电容介电层，然后，沉积一金属层。

11.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，该插塞金属层是由钨、钽、钛或其组成物所构成。

12.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，该底部金属层、中间金属及顶部金属层系选自由铝/铜合金、铜、钨、铬/铂/金合金、钼/金合金及钛/铂/金合金所构成的群组之一。

13.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，该金属层间介电材质为二氧化硅。