JP2008004939A - デバイス、方法(mimキャパシタおよびその製造方法) - Google Patents

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Abstract

【課題】MIMキャパシタ・デバイスおよびMIMキャパシタ・デバイスの製造方法を提供すること。
【解決手段】このデバイスは、1つまたは複数の導電層を含み、上面、下面および側壁を有する上プレートと、1つまたは複数の導電層を含み、上面、下面および側壁を有するスプレッダ・プレートと、1つまたは複数の誘電層を含み、上面、下面および側壁を有する誘電ブロックとを含み、誘電ブロックの上面は上プレートの下面と物理的に接触し、誘電ブロックの下面はスプレッダ・プレートの上面の上にあり、上プレートと誘電ブロックの側壁は本質的に共面である。
【選択図】図8

Description

本発明は集積回路の分野に関し、詳細には、集積回路において使用される金属−絶縁体−金属(metal−insulator−metal:MIM)キャパシタ、およびMIMキャパシタの製造方法に関する。
MIMキャパシタは、集積回路の比較的に大きな値のキャパシタが必要な場所で使用される。MIMキャパシタは一般に、集積回路の配線レベル内に製造される。
しかし、現在のMIMキャパシタは高いプレート抵抗が難点であり、銅配線技術に組み込むのが難しい。したがって、プレート抵抗が小さく、銅配線技術に容易に組み込まれるMIMキャパシタ構造が求められている。
本発明の第1の態様は、1つまたは複数の導電層を含み、上面、下面および側壁を有する導電性上プレートと、1つまたは複数の導電層を含み、上面、下面および側壁を有するスプレッダ・プレートと、1つまたは複数の誘電層を含み、上面、下面および側壁を有する誘電ブロックとを含み、誘電ブロックの上面が前記導電性上プレートの下面と物理的に接触し、誘電ブロックの下面がスプレッダ・プレートの上面の上にあり、前記導電性上プレートと誘電ブロックの側壁が本質的に共面あるいは同一平面上であるデバイスである。
本発明の第2の態様は、第1のレベル間誘電層内に、1つまたは複数の銅の導電性下ワイヤを形成するステップと、第1のレベル間誘電層の上面に、第1の中間誘電層を形成するステップと、第1の中間誘電層内にトレンチを形成するステップであって、トレンチの底面に、前記1つまたは複数の導電性下ワイヤが露出するステップと、トレンチ内に、トレンチを完全に埋める導電性スプレッダ・プレートを形成するステップであって、スプレッダ・プレートの下面が、前記1つまたは複数の銅の導電性下ワイヤと物理的および電気的に接触するステップと、スプレッダ・プレートの上面にMIM誘電ブロックを形成するステップと、MIM誘電ブロックの上面に導電性上プレートを形成するステップであって、前記導電性上プレートとMIM誘電ブロックの側壁が本質的に共面あるいは同一平面であるステップと、第1の中間誘電層の上面に第2の中間誘電層を形成するステップであって、第2の中間誘電層の上面が導電性上プレートの上面と共面あるいは同一平面上であるステップと、第2の中間誘電層および導電性上プレートの上面に、第2のレベル間誘電層を形成するステップと、第2のレベル間誘電層内に、1つまたは複数の銅の導電性上ワイヤを形成するステップであって、前記1つまたは複数の導電性上ワイヤが、前記導電性上プレートの上面と物理的および電気的に接触するステップとを含む方法である。
本発明の第3の態様は、第1のレベル間誘電層内に、1つまたは複数の銅の導電性下ワイヤを形成するステップと、第1のレベル間誘電層の上面に、第1の中間誘電層を形成するステップと、第1の中間誘電層内にトレンチを形成するステップであって、トレンチの底面に、前記1つまたは複数の導電性下ワイヤが露出するステップと、トレンチの底面および側壁に導電性スプレッダ・プレート層を形成するステップであって、スプレッダ・プレート層が、前記1つまたは複数の銅の導電性下ワイヤと物理的および電気的に接触するステップと、スプレッダ・プレート層の上面にMIM誘電層を形成するステップと、MIM誘電層の上面に導電性上プレート層を形成するステップと、スプレッダ・プレート層、MIM誘電層および導電性上プレート層のある領域を除去して、スプレッダ・プレート、MIM誘電ブロックおよび導電性上プレートを形成するステップであって、スプレッダ・プレート、MIM誘電ブロックおよび導電性上プレートの側壁が本質的に共面あるいは同一平面であるステップと、第1の中間誘電層の上面に第2の中間誘電層を形成するステップであって、第2の中間誘電層の上面が導電性上プレートの上面と共面あるいは同一平面上であるステップと、第2の中間誘電層および導電性上プレートの上面に、第2のレベル間誘電層を形成するステップと、第2のレベル間誘電層内に、1つまたは複数の銅の導電性上ワイヤを形成するステップであって、前記1つまたは複数の導電性上ワイヤが、導電性上プレートの上面と物理的および電気的に接触するステップとを含む方法である。
本発明の特徴は添付の特許請求の範囲に記載されている。しかし本発明は、例示的な実施形態の以下の詳細な説明を添付図面を参照して読んだときに最もよく理解される。
ダマシン・プロセスは、誘電層にワイヤ・トレンチまたはバイア開口を形成し、この誘電層の上面に、それらのワイヤ・トレンチまたはバイヤ開口を埋める十分な厚さの導体を付着させ、次いで、過剰な導体を除去し、導体の表面を誘電層の表面と共面あるいは同一平面にする化学機械研磨(CMP)プロセスを実行して、ダマシン・ワイヤ(またはダマシン・バイア)を形成するプロセスである。1つのワイヤ・トレンチで1つのワイヤ(または1つのバイア開口で1つのバイア)だけを形成するとき、このプロセスはシングル・ダマシン・プロセスと呼ばれる。
デュアル・ダマシン・プロセスは、所与の断面において、誘電層の全厚を貫くバイア開口を形成し、続いてその誘電層の全厚の途中までワイヤ・トレンチを形成するプロセスである。バイア開口は全て、その上の一体をなすワイヤ・トレンチおよびその下のワイヤ・トレンチと交差するが、全てのトレンチがバイア開口と交差するわけではない。誘電体の上面に、ワイヤ・トレンチおよびバイア開口を埋める十分な厚さの導体を付着させ、次いで、ワイヤ・トレンチ内の導体の表面と誘電層の表面とを共面にするCMPプロセスを実行して、デュアル・ダマシン・ワイヤと、一体をなすデュアル・ダマシン・バイアを有するデュアル・ダマシン・ワイヤとを形成する。あるいは、バイア開口を形成する前にワイヤ・トレンチを形成することもできる。
本発明の実施形態は、導電性下ワイヤとしてデュアル・ダマシン・ワイヤを使用して例示される。後述する2つのデュアル・ダマシン・ワイヤの一方または両方の代わりに、シングル・ダマシン・ワイヤまたはシングル・ダマシン・バイア、あるいはその両方を使用することもできる。
図1から8は、本発明の第1の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。図1では、基板(または下配線レベル)100に、レベル間誘電層(ILD)105が形成されている。ILD105には、ワイヤ部分116と、一体をなすバイア部分117とを含むデュアル・ダマシン・ワイヤ110が形成されている。ILD105および導電性下ワイヤとしてのデュアル・ダマシン・ワイヤ110は、集積回路チップの通常の配線レベルを構成する。デュアル・ダマシン・ワイヤ110は集積回路相互接続構造の一例である。集積回路相互接続構造にはこの他、バイア・バー(via bar)、スタッド・コンタクト(stud contact)などがある。バイア部分117は、基板/下配線レベル100内のトランジスタなどのデバイスまたは配線と、物理的および電気的に接触することができる。図1には2本のデュアル・ダマシン・ワイヤ110が示されているが、1本または複数本のワイヤを形成することができる。例えば図13を参照されたい。ILD105の上面には、任意選択の誘電層115が形成されている。誘電層115は銅拡散障壁として機能することができる。
一例では、デュアル・ダマシン・ワイヤ110が、銅のコア導体と、拡散障壁115と接触した表面を除くデュアル・ダマシン・ワイヤ110の全ての表面の導電性ライナとを含む。一例では、このライナが、タンタル層、窒化タンタル層、タングステン層、チタン層、窒化チタン層またはこれらの層の組合せを含む。
一例では、ILD105が、二酸化シリコン(SiO)層、低K(誘電率)材料層、水素シルセスキオキサン・ポリマー(HSQ)層、メチルシルセスキオキサン・ポリマー(MSQ)層、Dow Chemical社(米テキサス州Midland)製のSiLK(商標)(ポリフェニレン・オリゴマー)の層、Applied Materials社(米カリフォルニア州Santa Clara)製のBlack Diamond(商標)(メチルドープトシリカないしSiO(CH、あるいはSiCまたはSiOCH)の層、有機ケイ酸塩ガラス(SiCOH)層、多孔質SiCOH層、あるいはこれらの層の組合せを含む。一例では、ILD105の厚さが約300nmから約2,000nmである。低K誘電材料は約2.4以下の比誘電率を有する。
一例では、誘電層115が、SiO層、窒化シリコン(Si)層、炭化シリコン(SiC)層、酸窒化シリコン(SiON)層、酸炭化シリコン(SiOC)層、有機ケイ酸塩ガラス(SiCOH)層、プラズマ・エンハンスト(plasma−enhanced)窒化シリコン(PSiN)層、NBLok(SiC(N,H))層またはこれらの層の組合せを含む。一例では、誘電層115の厚さが約5nmから約200nmである。
図2では、誘電層115の上面に、中間誘電層120が形成されている。一例では、誘電層120が、SiO層またはフルオロケイ酸塩ガラス(FSG)層を含む。一例では、誘電層120の厚さが約500nmから約2000nmである。
図3では、誘電層120および誘電層115内にトレンチ125が形成されており、このトレンチ125は、その底面に、ILD層105およびデュアル・ダマシン・ワイヤ110の上面を露出させている。
図4では、トレンチ125の内部および誘電層120の露出した全ての表面に、任意選択の導電性共形ライナ130が付着されている。次いで、ライナ130の上には、導電性高融点金属層135が形成されている。一例では、ライナ130が、窒化チタン層または窒化タンタル層、あるいはこれらの両方の層を含む。一例では、ライナ130の厚さが約5nmから約20nmである。一例では、層135が、タンタル層またはタングステン層、あるいはこれらの層の組合せを含む。一例では、層135の厚さが約50nmから約200nmである。
図5では、誘電層120の上から全てのライナ130および層135を除去してスプレッダ・プレート(spreader plate)136を形成し、誘電層120の上面137とスプレッダ・プレート136の上面138とを共面化あるいは同一平面化する、化学機械研磨(CMP)が実行されている。
図6では、スプレッダ・プレート136の上に第1の導電層140が形成されており、第1の導電層140の上にMIM誘電層145が形成されており、MIM誘電層145の上に第2の導電層150が形成されている。次いで、第2の導電層150の上には、任意選択の誘電層155が形成されている。誘電層155は、続いて実施されるMIMキャパシタのダマシン・プロセスのエッチング・ストップ層として機能することができる。
一例では、層140および150が独立に、タンタル層、窒化タンタル層、チタン層、窒化チタン層、タングステン層またはこれらの層の組合せを含む。一例では、層140の厚さが約5nmから約20nmである。一例では、層150の厚さが約30nmから約150nmである。誘電層155の材料は、誘電層115に関して先に論じた材料の中から選択することができる。
一例では、MIM誘電層145が、二酸化シリコン(SiO)層、窒化シリコン(Si)層、炭化シリコン(SiC)層、酸窒化シリコン(SiON)層、酸炭化シリコン(SiOC)層、有機ケイ酸塩ガラス(SiCOH)層、プラズマ・エンハンスト窒化シリコン(PSiN)層、NBLok(SiC(N,H))層またはこれらの層の組合せを含む。一例では、MIM誘電層145が高K(誘電率)材料であり、その例には、Ta、BaTiO、HfO、ZrO、Alなどの金属酸化物層、またはHfSi、HfSiなどの金属ケイ酸塩層、あるいはこれらの層の組合せが含まれる。ただしこれらに限定されるわけではない。高K誘電材料は約10超の比誘電率を有する。一例では、MIM誘電層145の厚さが約10nmから約50nmである。
図7では、層140、MIM誘電層145、層150および層155(図6参照)の不必要な部分を除去して、導電性下プレート140A、MIM誘電ブロック145Aおよび導電性上プレート150Aを含むMIMキャパシタ160を形成する、エッチングが実行されている。MIMキャパシタ160の上面は、任意選択の誘電プレート155Aによって覆われている。これは、当技術分野で知られているように、パターン形成されたフォトマスクを通した、またはパターン形成されたフォトマスクによって画定されたパターン形成されたハードマスクを通した1回または数回の反応性イオンエッチング(RIE)プロセスによって実施することができる。導電性下プレート140A、MIM誘電ブロック145Aおよび導電性上プレート150Aの側壁は互いに整列している。(例えば導電性下プレート140A、MIM誘電ブロック145Aおよび導電性上プレート150Aの側壁は共面でありあるいは同一平面上にあり、あるとしてもわずかなアンダーカットあるいは下部の凹みしかない)。代替として、下プレート140Aを形成せず、スプレッダ・プレート136が、MIMキャパシタ160の下プレートの役目を果たすようにしてもよいことに留意されたい。
一例では、MIMキャパシタ160が、スプレッダ・プレート136の上に完全に載る(例えばMIMキャパシタ160が誘電層120の上に延びない)。第1および第2の層140および150は、導電性上プレートおよび導電性下プレートであるだけでなく、銅拡散障壁層または接着層、あるいは拡散障壁と接着層の両方として機能することができる。
図8では、第1の中間誘電層120の上および誘電プレート155Aの上面に第2の中間誘電層165および第2のレベル間誘電層(ILD層)170が各々形成され、誘電プレート155Aの上面は、誘電層165の上面と(例えばCMPによって)共面化あるいは同一平面化されている。誘電層165および誘電プレート155A上にはILD層170が形成されている。ILD層170/誘電プレート155A内には、ワイヤ部分176と一体をなすバイア部分177とを含む、導電性上ワイヤとしてのデュアル・ダマシン・ワイヤ175が形成されている。ILD層170およびデュアル・ダマシン・ワイヤ175は集積回路チップの通常の配線レベルを構成する。バイア部分177は導電性上プレート150Aと物理的および電気的に接触している。デュアル・ダマシン・ワイヤ175は導電性上ワイヤの一例である。
中間誘電層165の材料は、誘電層120に関して先に論じた材料の中から選択することができる。ILD層170の材料は、ILD層105に関して先に論じた材料の中から選択することができる。デュアル・ダマシン・ワイヤ175の材料は、デュアル・ダマシン・ワイヤ110に関して先に論じた材料の中から選択することができる。
図9から12は、本発明の第2の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。本発明の第1の実施形態に関して図1、2および3に示し、先に説明したステップを実行し、次いで、トレンチ125の内部および誘電層120の上に、任意選択のライナ130、層135、層140、MIM誘電層145、層150および層155を順番に形成する。ライナ130、層135、層140、MIM誘電層145および層150の組成および厚さは前述のとおりである。
図10では、ライナ130、層135、層140、MIM誘電層145、層150および層155(図9参照)の不必要な部分を除去して、スプレッダ・プレート136と、導電性下プレート140A、MIM誘電ブロック145Aおよび導電性上プレート150Aを含むMIMキャパシタ160Aとを形成する、エッチングが実行されている。MIMキャパシタ160Aの上面は、任意選択の誘電プレート155Aによって覆われている。これは、当技術分野で知られているように、パターン形成されたフォトマスクを通した、またはパターン形成されたフォトマスクによって画定されたパターン形成されたハードマスクを通したRIEによって実施することができる。スプレッダ・プレート136、導電性下プレート140A、MIM誘電ブロック145Aおよび導電性上プレート150Aの側壁は互いに整列している。(例えば導電性下プレート140A、MIM誘電ブロック145Aおよび導電性上プレート150Aの側壁は本質的に共面あるいは同一平面であり、あるとしてもわずかなアンダーカットあるいは下部の凹みしかない)。代替として、層140(図9参照)が形成されず、したがって導電性下プレート140Aが形成されない場合には、スプレッダ・プレート136がMIMキャパシタ160Aの導電性下プレートの役目を果たす。
図11では、第1の中間誘電層120の上、ならびにILD層105、スプレッダ・プレート136、MIMキャパシタ160Aおよび誘電プレート155Aの露出した表面に第2の中間誘電層165が形成されている。次いで、第2の中間誘電層165と誘電プレート155Aの上面は、(例えばCMPによって)共面化あるいは同一平面化されている。
図12では、誘電プレート155Aおよび誘電層165上に第2のレベル間誘電層(ILD層)170が形成されている。ILD層170/誘電プレート155A内には、ワイヤ部分176と一体をなすバイア部分177とを含む、導電性上ワイヤとしてのデュアル・ダマシン・ワイヤ175が形成されている。ILD層170およびデュアル・ダマシン・ワイヤ175は集積回路チップの通常の配線レベルを構成する。バイア部分177は上プレート150Aと物理的および電気的に接触している。
図13は、本発明の実施形態に基づくMIMキャパシタの上面図である。図13では、電流を分散させるために、MIMキャパシタ160の下に、デュアル・ダマシン・ワイヤ110のアレイが分布していること、およびスプレッダ・プレート136の縁が、MIMキャパシタ160の縁を超えて延びていることが分かる。(MIMキャパシタ160Aに関しては、スプレッダ・プレート136の縁はMIMキャパシタの縁と整列すると思われる。)スプレッダ・プレート136は、デュアル・ダマシン・ワイヤ110とMIMキャパシタ160/160Aの間の接触の抵抗を低減させる。MIMキャパシタ160Aに関しては、スプレッダ・プレート136はキャパシタの領域を画定する(図12)。MIMキャパシタ160に関しては、スプレッダ・プレート136はキャパシタの最大領域を画定する(図8)。バイア177のアレイは、MIMキャパシタ160/160Aの領域の上の電流負荷を分散させる。
したがって、本発明の実施形態は、プレート抵抗が低く、銅配線技術に容易に組み込まれるMIMキャパシタ構造を提供する。
本発明の理解のため、本発明の実施形態を以上に説明した。本発明は、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明には、当業者には明白なさまざまな変更、再配置および置換えを、本発明の範囲から逸脱することなく実施することができることを理解されたい。したがって、前掲の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨および範囲に含まれる全ての変更および変化をカバーする。
本発明の第1の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に基づくMIMキャパシタの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態に基づくMIMキャパシタの上面図である。
符号の説明
100 基板または下配線レベル
105 第1のレベル間誘電層(ILD層)
110 導電性下ワイヤとしてのデュアル・ダマシン・ワイヤ
115 誘電層
116 ワイヤ部分
117 バイア部分
120 第1の中間誘電層
125 トレンチ
130 ライナ
135 高融点金属層
136 スプレッダ・プレート
137 誘電層120の上面
138 スプレッダ・プレートの上面
140 第1の導電層
140A 導電性下プレート
145 MIM誘電層
145A MIM誘電ブロック
150 第2の導電層
150A 導電性上プレート
155 誘電層
155A 誘電プレート
160 MIMキャパシタ
160A MIMキャパシタ
165 第2の中間誘電層
170 第2のレベル間誘電層ILD層
175 導電性上ワイヤとしてのデュアル・ダマシン・ワイヤ
176 ワイヤ部分
177 バイア部分

Claims (8)

  1. 1つまたは複数の導電層を含み、上面、下面および側壁を有する導電性上プレートと、
    1つまたは複数の導電層を含み、上面、下面および側壁を有するスプレッダ・プレートと、
    1つまたは複数の誘電層を含み、上面、下面および側壁を有する誘電ブロック

    を含み、
    前記誘電ブロックの上面が前記導電性上プレートの下面と物理的に接触し、前記誘電ブロックの下面が前記スプレッダ・プレートの上面の上にあり、前記導電性上プレートと前記誘電ブロックの側壁が共面あるいは同一平面である、
    デバイス。
  2. 1つまたは複数の導電層を含み、上面、下面および側壁を有する導電性下プレートをさらに含み、前記導電性下プレートの上面が前記誘電ブロックの下面と物理的に接触し、前記導電性下プレートの下面が、前記スプレッダ・プレートと物理的および電気的に接触し、前記導電性下プレートの側壁が、前記誘電ブロックおよび前記導電性上プレートの側壁と共面あるいは同一平面である、請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記スプレッダ・プレートの側壁が、前記導電性上プレート、前記導電性下プレートおよび前記誘電ブロックの前記側壁と共面あるいは同一平面である、請求項2に記載のデバイス。
  4. 前記導電性上プレート、前記導電性下プレートおよび前記誘電ブロックの周縁が、前記スプレッダ・プレートの周縁を超えて延びない、請求項2に記載のデバイス。
  5. 前記スプレッダ・プレートの下面と物理的および電気的に接触した1本または数本の導電性下ワイヤと、前記導電性上プレートの前記上面と物理的および電気的に接触した1本または数本の導電性上ワイヤとをさらに含む、請求項2に記載のデバイス。
  6. 前記導電性下および導電性上ワイヤが銅を含む、請求項5に記載のデバイス。
  7. 前記導電性下プレートの上面の領域が、前記導電性下プレート、前記誘電ブロックおよび前記導電性上プレートを含むメタル−オン−インシュレータ(MIM)キャパシタの容量を特定する領域を決定する、請求項2に記載のデバイス。
  8. 第1のレベル間誘電層内に、1つまたは複数の銅の導電性下ワイヤを形成するステップと、
    前記第1のレベル間誘電層の上面に、第1の中間誘電層を形成するステップと、
    前記第1の中間誘電層内にトレンチを形成するステップであって、前記トレンチの底面に、前記1つまたは複数の導電性下ワイヤが露出するステップと、
    前記トレンチ内に、前記トレンチを完全に埋める導電性スプレッダ・プレートを形成するステップであって、前記スプレッダ・プレートの下面が、前記1つまたは複数の銅の導電性下ワイヤと物理的および電気的に接触するステップと、
    前記スプレッダ・プレートの上面にMIM誘電ブロックを形成するステップと、
    前記MIM誘電ブロック内の上面側に導電性上プレートを形成するステップであって、前記導電性上プレートと前記MIM誘電ブロックの側壁が共面あるいは同一平面であるステップと、
    前記第1の中間誘電層の上面に第2の中間誘電層を形成するステップと、
    前記第2の中間誘電層および前記導電性上プレートの前記上面に、第2のレベル間誘電層を形成するステップと、
    前記第2のレベル間誘電層内に、1つまたは複数の銅の導電性上ワイヤを形成するステップであって、前記1つまたは複数の導電性上ワイヤが、前記導電性上プレートの上面と物理的および電気的に接触するステップと
    を含む方法。
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