TW463304B - Damascene capacitors for integrated circuits - Google Patents

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4 6 33 0 4 A7 .- ——— _______B7 五、發明説明（〗） 發明領迠 本發明肖—種積體電路的電容器結構及其Μ造方法有 關。 發明背景 動態隨機存取記憶體（DRAM)與由許多單元組成的電子 裝置有：，廷些單元在其必須被週期性讀取且重新窝入之 則1、以有限時間儲存資料β 一般動態隨機存取記憶 體單元至少由-個電晶體與—個儲存電容器组成…般而 σ作為動態隨機存取記憶體的積體電路是由金屬氧化半 導體（MOS) ’尤其是互補式金屬氧化半導體（cm〇s)結構當 作電晶體7L件所组成^最近，這種動態隨機存取記憶體結 構的谷量已經從百萬位元發展到十億位元的等級，記憶量 的增加已經使得閘極特徵尺寸的發展需求由125微米的等 級往下減少至〇,25微米甚至更小的等級。當動態隨機存取 1己憶體更大容量的需求増加時，對電容器的要求也就跟著 增加。不只是電容值增加的要求，電容器的面積也必須縮 小。因此，為了達到這個目標，發展方向便針對材質及結 構而努力。 ° 經濟部中央橾準局貝工消費合作杜印製 為了使互連電阻值最小以及有價值的晶片面積使用最大 化’先進的超大型積體電路（VLSI)及極大型積體電路 (ULSI)之邏輯性積體半導體電路使用多層導線結構以互連 元件内不同的區域，並在積體電路内互連—至多個元件、 多層金屬化提供電路設計更大的彈性、面積的縮小及因而 導致晶片成本的減少。在製造這種結構時，傳統的作法是 • 4 · ----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇x297公楚） 經濟部中央樣準局員工消f合作社印裝 4 633 0 4 A7 A7 B7 五'發明説明（2 ) 先做出底層的導線（或互連結構），然後再做出一或多層的 上層導線與第一層導線互連。第一層的互連結構可以與位 於積體電路裝置基底（substrate)的摻雜區接觸（例如，典型 金屬氧化導體場效電晶體的源極或汲極）。第一層互連會 與積體電路的其它部份或積體電路之外的結構典型地形成 一或多個互連。這是透過第二及後續之導線層所完成的。 使用於傳統超大型積體電路及極大型積體電路之多層互連 結構的例子請看圖7，一般以701表示的傳導通道是用於 層間連接的。如圖7所示，位於第一層的金屬層M-1與積 體電路基底層内的源極（S)702連接在一起。這個金屬層 M-1是用來達成第一層與如圖示的其它更高層利用通道以 互相作電氣連接。 一種内嵌式動態隨機存取記憶體結構在邏輯電晶體中加 入積體电谷器以提高電路的高密度記憶量。這些積體電容 器了以與金屬乳化半導體的金屬化源極連接以形成記憶單 位。傳統動態隨機存取記憶體之電容器通常有—層多晶梦 當作底層電極；一層二氧化矽或一氮化矽當作絕緣體；以 及形成上層電極之上層金屬層。因為增加了多晶矽電容器 的複雜性以及在生長氧化/氮化矽層時所需的高溫，—般 而言，這種結構與内嵌式動態隨機存取記憶體技術並不相 容。例如，在相當高溫下沉積多晶矽時，會使多層結構中 當作互連點的鋁金屬層受到不利的影響。更甚者，以多# 矽當作電極會使元件的電氣特性產生不利的影響。因此， 己知用五氧化起當作t容器的介電冑，因為與氧化硬或氮 I___ _ 5 本紙张尺i適财sm家樣準“）A4規格（2數297公们 ---------V -------1T------5.- I t請先閲讀背面之注項再填寫本頁) 4 633 〇4 A7 B7 五、發明説明（ 化矽比較起來，五氧仆名 丄 ^ 軋化t有較高的介電係數》為了防止五 我化的減少及因而所 化學汽相沉積法（Chemicl ^，在產生五乳化知的 t nenucaI vapor deposition)期間，於多品 碎層與五氧化㉖層之間必需形成-層二氧切。可想而 知，由於二氧化矽會對電容器的電容值產生負面影響，因 此應該避免在電容器裏產生二氧化碎層。所以，在動態 隨機存取<憶體中的電容器應該避免使用多晶♦電核。 與平面電容器互相比較’在多層積趙電路結構内的渠溝 電容器結構可以增加電容值密度。雖然渠溝電容器可以更 有效地使用有價值的晶片空間，應用者發現已知的渠溝電 容器結構可能不適用於多層製造技術。特別的是，平面化 在多層積體電路的製造上扮演—個重要的地位，因此，在 電路的製程期間，產生絕緣層與導電層的不同長晶技術與 沉積技術會導致非平面結構的增加，這樣會產生兩個問 題。第一個問題是如何在不打斷細線結構連續性的情況下 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 維持梯階覆蓋（maintaining step coverage)，第二個問題是 光學解析度的減少及其衍生出在晶圓上陕製細線圖樣能力 的減少。因此，在多層結構的每一層使用研磨技術以維持 平面性。化學機械研磨法（CMP)是一種廣泛使用在平面化 的技術，例如為了維持平面拓樸（t〇p〇1〇gy)，而在製造電容 器之後使用該研磨步駿：〇在製造電容器之後，接下來便是 化學機械研磨法或者是其它的平面化步驟以及其後為了多 層結構的下一層而作的金屬與介電層沉積，然而，在已知 的渠溝電容器結構中，化學機械研磨法和其它的平面化技 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 4 633 0 4 Α Α7 ____ Β7 五、發明説明（4 ) -- 術會造成諸如平板（電極）間短路的負面效應。 因此’上述的電容器結構無法立即適歸多層結構極大 (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁 型積體電路中使用的製程技術1此需有—種適合於常/ 低溫製程技術下增加電容值密度，以及可以在多層結構中 進行化學機械研磨法以維持所需要之乎面性程度的電容器 結構β 發明概要 一種電容器結構是形成於積體電路介電層内的開口中。 底層電極（或平板）至少在開口的侧表面向上延伸—部份， 但不延伸至介電質的上表Φ —層介電材質接著覆置在底 層電極及積體電路介電質上表面的上面β最後將頂層電極 (平板）覆置在介電材質層之上，因為底層電極己從介電質 上表面移除，不會出現沿著介電質上表面頂層電極與底層 電極重疊的情況，因而排除了平面化過程中的短路問題。s 圖示簡诚. 圖1表示在積體電路介電層開口處沉積底層電極之後， 典型電容器製造程序之一步驟的橫切面。 圖2表示圖1中典型電容器經過底層平板蝕刻的橫切面。 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製 圖3表示典型電容器内底層電極回蝕的放大橫切面。 圖4表示典型電容器結構經過氧化物及頂層電極沉積後 的橫切面。 圖5表示典型電容器在例如鎢之適當導電體回填之後的 橫切面。 圖ό表示以化學機械研磨法實行平面化步驟之後，本發 -7- 本紙乐尺度通用中國國家標準（CNS ) Α4说格（210X297公釐） 463304 A7 B7 五、發明説明（5 ) 明所揭示的典型電容器。 圖7是先前技藝多層積體電路結構β 普細發明說明 藉由圖1-4可以瞭解本發明，這4份圖是典型製造順序的 橫切面。在Da層的開口 1〇 1是經由如光阻（pR)的傳統圖 樣、光罩和之後的蝕刻而形成。D 2層是典型介電質，但就 一般技藝人士而言也可以是其它材質。再來以像是化學蒸 鍍沉積（C VD)的方法將例如氮化鈦（TiN)的材質沉積成底層 平板102。底層平板1〇2完成沉積之後，以，等向蝕刻法將底 層平板102由介電質203的上表面移除，雖然不一定需要， 仍典型地從開口 101的部份側壁移除底層平板1〇2。尤其如 圖2及圖3所示*平板1〇2由介電質203的上表面移除，並且 在此典型具體實施例下，平板102係由凹口 204的部份側壁 移除。如圖3的詳細圖示’底層平板1 〇2的回蝕深度一般表 示如h ’深度d丨是介於〇. 1-〇_2微米的等級。這一層的移除 對本發明是重要的，稍後會詳細說明。再來是如圖4沉積 電容器介電材質405與上層平板406並完成此電容器》 M濟部中央橾準局員工消費合作社印製 如上所述’開口 1 〇 1是依照標準技術在積體電路的介電 層内做成的。請注意開口形狀並不受限制，圖中形狀所示 的基本結構只是典型的》因此，開口 101的製作可使其下 部與下方的金屬通道（參照圖4之栓409)連接（例如圖4所 示）。在此情況下，將開口稱為窗口。也可以選擇性地自 上面或者側邊（未示於圖中）與底層電極接觸，在此情況 下，開口便稱為凹口。達成蝕刻第一底層電極102的製程 -8- 本紙張尺度適用中圉國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐} 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 463304 A7 ____B7_ 五、發明説明（6 ) 是由兩種方法中的一種適當地選出並執行的；雖然也可利 用本行技藝中人士所知的其它技術來選擇性移除底層電極 102的一部份。最後’不論介電層中所做成者為凹形或窗 形’其幾何形狀能有變化，此點為本行技藝人士所能理解 者。開口橫切面可由具有不同偏心的橢圓形構成》此例中 凹口有一個側邊，另外開口可以是正方形、長方形或類似 的橫切形狀構成，這些開口形狀的側邊都超過一個。 —種蝕刻底層電極的技術是在底層電極沉積之後，用適 當的光阻（PR)填覆在窗口 101之上。然後實施毯覆（blanket) 光阻移除或蝕刻。光阻移除是用例如光阻電漿移除法等傳 統技術達成的。毯覆回蝕裏的光阻移除在底層電極的表面 停止’然後’光阻姓刻步驟持續地往凹口或窗口 1 〇丨進行 大約100奈米的光阻回蝕。在光阻回蝕之後，接著的蝕刻 步驟從表面203開始移除光阻，在此具體實施例中，窗口 或凹口 101側壁大約1 〇 〇奈米的電極i 〇2也一併移除β也可 以用物理濺擊蝕刻法從上表面203移除底層電極以及在圖2 典型具體實施例中部份凹口 1 〇 1的側壁的雇層電極β最好 是以電漿來濺擊蝕刻’電漿中物理濺擊成份比化學蝕刻多 (dominant”物理濺擊成份可由如氬等惰性氣體構成，而 化學成份則可以是如氣等蝕刻劑。將這兩種氣體混合加入 電漿之中，物理濺擊對化學反應的比例以及氣體的特殊混 合由所使用之電漿種類來決定（例如，高密度電漿或平行 平板触刻器），壓力、流動速率和電力是可以控制的。此 等參數、材質及其數值皆為熟悉電漿蝕刻技藝者所知者。 -9 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS > A*規格（21〇χ297公釐） (請先Η讀背面之注意事項再填寫本頁)

•1T 463304 A7 B7 五、發明説明（7 ) 物理減擊蚀刻的使用致使從窗口或開口 1 〇丨上邊緣内移除 之氮化鈇的稜角圓滑（見圖3 )。值得注意的是，窗口的寬 向比（aspect ratio)有助於底層或電極層ι〇2之蝕刻，特別的 疋’見鬲比可以使平板蝕刻大體上落在如圖4所示的又_2平 面。一般標示為” a__之深度為！微米的等級，而標示為„b ”的 直徑則為0.2-0.3微米的等級。 在由上述移除所需之部份底層電極的合適蝕刻技術擇一 並實行之後，便用例如化學汽相沉積等標準技術沉積適合 的電谷器介電材質層。五氧化二每適合用做電容器的介電 材質。這層介電質一般表示在圖4中405的地方。然後再用 標準技術沉積頂層導電體406。然而，不只五氧化二鈕可 被用作電容器的介電質材，其它材質包括氮化鈦、氧化 矽、相銘鈥合物（barium strontium titanate)或船锆鈇合物 (lead zirconium titanate)也可用作介電質。最後值得注意的 是，雖然圖示之頂層電極為單一層，但多層導電體也可使 用。像是氣化is、氮化鎮、鶴、舶、匆、紹或以上所列混 合物的材質皆可使用之。 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印製 (锖先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 取後電容器結構即如圖4所示的結構一樣。如上所述， 窗口或凹口 101較高的寬高比在製造電容器時扮演了重要 的角色。因此，較高之寬高比可以使氮化鈦層1〇2從介電 質層203之上表面，且在此典型具體實施例中係從開口的 部份側壁開始蝕刻，也就是說，本發明中所使用的物理蝕 刻技術可以從如圖4之X-Z平面的表面開始移除氮化鈦層 1 02。所以，可以藉由上述的物理蝕刻技術移除上表面203 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4^格（210X297公釐） 經濟部中央橾準局負工消費合作社印製 633 0 4 A7 --------B7 五、發明説明（8 ) ~~' 〜 -- 及部份開口側壁上之氮化鈇。從部份側壁及底層表面楊 之材質移除步羯只發生在χ_ζ平面，於是沿著相當多部份 i凹口侧壁及相當多部份之凹口下表面還留有氮化妖層。 ^然，.值得汪意的是’當凹口下表面可以藉由鎢栓409(舉 例）互連至未緣出的下一層元件作電氣接觸時，在下表面 408產生氮化鈦超蝕刻現象是允許的。 在電容器成形之後，接著便是回填適合如鶴的適當導電 層如507所示。回填鎢與填入邏輯部份電路是一起做 的，因此，可以包括初始沉積典型的鈦，接著是氮化鈦， 再來便是鎢的化學汽相沉積。氧化層上氮化鈦或氮化鈕頂 層電極尚有保護氧化層{吏其不f因為欽而《少份量及減低 介電氣特性的目的β如上所述，為了多層結構平面化的目 的，接著以化學機械研磨法處理這—層。最終結構如囷6 所示。藉著由介電質上表面移除部份底層電極1〇2，本發 明達到一個重要的有利面。特別的是，化學機械研磨法之 平面化步驟易導致1〇2層與406層短路的問題，已藉由這兩 層之實際分離得以避免。 如前所述’本發明的製造技術與許多的極大型積體電路 結構、材質與製程相容。除了化學機械研磨法之外，本發 明之電谷器結構裏使用的介電材質也相容於標準的超大型 積體電路與極大型積體電路結構以及製程。如圖6所示電 容器的製作使用了像是五氧化叙等高介電常數（高k值）的 材質。當製造上的沉積技術是介於5〇〇r等級的低溫沉積 時’使用如五氧化钽等金屬相容材質便有特殊的好處，所 __-11- 本紙張尺度適用中國國家標隼（〇阳）八4规格（210乂297公爱：} (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本 ,?τ 4 6 33 0 4 A7 _______ B7________ 五、發明説明（9 ) 以，藉著與内嵌技術的相容性，以上所列的理由是有利 的。 本發明已經詳細敘述，顯而易見地，雖然合適的製程步 驟及材質已經揭露，本行人士仍可使用其它的製程及材 質。這些可產生電容結構及製造方法進步的替代製程和 質皆视為本發明的範疇。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 - -

、1T 經濟部中央樣準局負工消费合作社印製 -12- 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) Α4说格（2丨Ο X 297公釐）

Claims (1)

1. ί633 Ο 4六、申請專利範圍 A8 B8 C8 D8

   經濟部中央榇隼局累工消費合作社印製 L 一種積體電路，包括： 有一個上表面及一個開口的_層， 侧壁； 〕層，該開口有至少一個 一底層電極置於在部份喷s ,卜 加/ s , n物这至少一個側壁上’該底層電 極未置於該層之上表面之上； -至少置於該底層電極之上的介電材質層；以及 一上層電極置於該介電材質層之上。 2.如申請專利範圍第1項的積體電路 層向上延伸至該層之上表面β 3·如申請專利範圍第1項的積體電路 係置於該開口的底部表面。 4. 如申請專利範圍第1項的積體電路 與一導電栓接觸。 5. 如申請專利範圍第1項的積體電路穴τ π ^ 氧化鈕、氮化鈦、鋇鳃鈦化物和鉛锆鈦化物之化合物中 選擇作為該介電材質層。 6. —種積體電路，包括： 有一個上表面及一個開口的一層，該開口有一個底部 表面和至少一個側表面； 一個底層電極，置於該至少一個側表面之至少一部份 和該底部表面之上’該底層電極沒有放置在該層的上表 面之上； 一放置於該底層電極並向上延伸至該層之上表面之上 的介電材質層；以及 其中，該介電材質 其中，該底層電極 其中*該底層電極 其中，從一群包含 f請先«讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -13- 本紙張Λ度適用中®國家搞準（CNS ) Α4規格（2丨0X297公嫠） 4 6 33 04 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標牟局負工消费合作社印製 申請專利範圍 -放置在該介電材質層之上的了黃層電極。 7. 如申請專利範圍第6項的積體電路，其+，該底層與— 導電栓接觸。 8. 如申請專利範圍第6項的積體電路，其中，⑽一群包含 氧化& '氮化鈇、鎖域化物和叙锆鈥化物之化合物中 選出該介電材質層6 9. 如：請專利範園第6項的積體電路，其中，該開口有— 個等級在1微米的深度和—個等級在〇2微米的直徑。 10. 如申請專利範圍第1項的積體電路，其中，一金屬層放 置在該頂層電極之上。 11_如申請專利範圍第！項的積體電路，其+，該底層電極 有-個頂端且該頂端位於離該上層表面有一個深度等級 為0.2微米的位置。 12.如申請專利範圍第6项的積體電路，其中，在該頂層電 極上放置一層金屬。 13·如申請專利範圍第6項的積體電路，其中，該底層電極 有一個頂端，且該頂端離該上層表面有—個等級為〇·2微 米的深度。 14. 一種製造積體電路的製程，該製程包括： 在一層内產生一個開口，該層有一個上表面，且該開 口有至少一個側壁； 沿著該至少一個側壁放置一第一層導電材質且不置於 該上表面之上； 將一介電材質層置於至少該第一層導電材質之上；且 -14- 衣紙伕尺度適用中國國家標準（CNS ) A4jlt格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) <π. 線 4 6 3 3 0 4 会88 C8 _；__D8 六、申請專利範圍 將一第二層導電材質置於該介電材質層之上並往上延 伸至該層的上表面。 15. 如申請專利範圍第14項的製程，其中，放置該第一層導 電材質之步驟進一步包括在該至少一個侧壁及該上表面 之上沉積該第一層以及從該上表面移除該第一層。 16. 如申請專利範圍第1 5項的製程，其中，該第一層是藉由 電漿蝕刻進行移除的。 17. 如申請專利範圍第丨4項的製程，其中，該開口有一個等 級為1微米的深度和一個等級為〇.2微米的直徑》 18 如申請專利範圍第1 4項的製程，其中，放置該第一層導 電材質之步驟進一步包括：在該層的上表面、該至少一 個側壁和該開口的底部面之上放置該第—層導電材質； 在該上表面之上和該開口内沉積一光阻層；以及從該上 表面和該至少一個側壁的一部份進行蝕刻以移除該光阻 和該第一層導電材質。 19. 如申請專利範圍第丨8項的製程，其中，以反應離子電漿 蝕刻法進行該蝕刻。 20. 如申請專利範園第丨8項的製程，其中，以濺擊蝕刻法進 行該蚀刻。 經濟部4-央橾準局員工消費合作社印装 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1T 21·如申請專利範圍第2 〇項的製程，其中，該濺擊蝕刻是 一種氬及氯的電漿。 22.—種製造積體電路的製程，包括： 在一介電層内產生一開口，該開口有至少一個側壁和 一個底部表面並且該介電層有一個上表面； -15-

   4S33 04 A8 BS C8 D8 該成部表面和該上表面之上故置 申請專利範圍 在該至少一個側壁 一第一導電層； 從該上表面和該至少一個側壁的一部份移除該第一導 電層； 在該第一導電層和往上延伸至該介電層的該上表面之 上放置一介電電材質層；以及 ίίίί 冷 ΆΓ. 在該介電材質之上放置—第二導電層職$ 23.如申請專利範圍第22項的製程，其中第一導電層的 放置步螺進一步包括：在該介電層的面之上、該至 少一個側壁之上和該開口的該底部表面之上沉積該第一 導電層；在該上表面之上和該開口之内沉積一光阻層； 以及以蚀％的方法從該上表面和該至少一個側壁的一部 份移除該光阻。 24_如申請專利範圍第22項的製程，其中，該製程進一步包 括在忒第一導電層义上沉積一金屬層以及用化學機械研 磨法研磨該金屬層。 25. 如申請專利範圍第18項的製程’其中，該第二導電層和 該介電材質層是放置於上表面之上。 26. 如申請專利範圍第14項的製程，進—步包括沉積—金屬 層於該第—層導電材f層之上，以及以化學機械研磨法 研磨該金屬層。 27·如申請專利範圍第22項的製程，其中，藉著姓刻法從該 至少-個側壁的-部份和該上表面移除該第一層導電 層。 -16- 本紙張纽it财B®家揉準（CNS—公着） (請先閲讀背面之注意Ϋ項再填窝本頁) 訂 經濟部中央揉隼局負工消費合作社印製 463304 A8 BS C8 D8 六、申請專利範圍 28. 如申請專利範圍第23項的製程，其中，該蝕刻法是反應 離子電漿蝕刻法。 29. 如申請專利範圍第23項的製程，其中，該物理蝕刻法是 一物理濺擊蝕刻法β 30. 如申諳專利範圍第2 9項的製程，其中，該濺擊蝕刻是氬 和氯的電漿。 n In I I I I n - - I I n I n T ------ I · _ _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部t央標準局貞工消费合作社印裝 -17. 本纸張尺度適用中囷蹰家棣準（CNS ) Λ4规格（210X297公釐）