專利名稱：在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法及其產品的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種形成內含電容器的積體電路，特別是有關于一種在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法及其產品。
傳統(tǒng)制造包含電容器20的半導體組件的方法如下所述。
首先參閱

圖1所示，在絕緣層12上沉積鋁金屬層，隨后進行微影蝕刻制程，使其圖案化成鋁金屬層14a和14b。其中絕緣層12包括一些形成于硅基底上和基底中的組件(未繪示)。
接著，如圖2所示，在鋁金屬層14a和14b以及絕緣層12上形成絕緣層16，于此絕緣層16中形成鎢插塞(tungsten plug；W-plug)18，用以電性連接鋁金屬層14a。之后，于鎢插塞18和絕緣層16上利用沉積和微影蝕刻制程，形成第一導電板21、絕緣層22和第二導電板23，以構成電容器20。其中第一導電板21(即下電極)經由鎢插塞18與鋁金屬層14a連接。
繼續(xù)于電容器20和絕緣層16上方沉積另一層絕緣層26，并同時于絕緣層26和其下方的絕緣層16中形成鎢插塞28a和28b，如圖3所示。
接著于絕緣層26以及鎢插塞28a和28b上方沉積一層鋁金屬層，隨后進行微影蝕刻制程將其圖案化成鋁金屬層34a和34b，如圖4所示。其中鋁金屬層34a經由鎢插塞28a與第二導電板23即上電極)電性連接，而鋁金屬層34b經由鎢插塞28b與鋁金屬層14b電性連接。其主要缺陷在于上述將電容器20整合至積體電路的傳統(tǒng)方法中，需要額外的微影步驟來形成電容器20，因而增加了整個半導體制程的成本。
然而，隨著組件積集度的提高以及資料傳輸速度增加，以鋁金屬所構成的導線已無法滿足對速度的要求，因此，以具有高導電性的金屬銅做為導線，以降低RC延遲(RC delay)，是為目前的趨勢。
但是，銅金屬無法以干蝕刻的方式來定義圖案，其原因在于銅金屬與氯氣電漿氣體反應生成的氯化銅(CuCl2)的沸點極高(約1500℃)，因此銅導線的制作需以鑲嵌制程(damascene process)來進行。
在美國專利第6,180,976BI號中，揭露一種與鑲嵌制程結合的薄膜電容器和其制造方法，其中電容器的下電極亦利用鑲嵌制程來形成。與圖1至圖4中所述的電容器的制程相比較，雖然其可以減少一道微影步驟，然而，由于其下電極的形成是需配合化學機械研磨制程以將多余的金屬材質磨除，當化學機械研磨制程進行至一程度時，會因為所研磨的金屬與阻障層之間的研磨速率不同，造成所形成的下電極的表面有碟化(dishing)現象。由于碟化現象，使得下電極的表面不平坦，影響了其上方所形成的絕緣層的厚度的均勻性和一致性，造成所形成的電容器的電性品質不穩(wěn)定。
本發(fā)明的第二目的是提供一種在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，通過減少于鑲嵌制程中形成電容器時所需的微影蝕刻步驟，達到降低形成內含電容器的積體電路的制造成本的目的。
本發(fā)明的第三目的是提供一種在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，達到提供一種容易控制的制程來制造內含電容器的積體電路的目的。
本發(fā)明的第四目的是提供一種金屬電容器結構，達到降低制程成本和所形成的電容器的電性品質較穩(wěn)定的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實現的一種在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，其特征是它包括如下步驟提供第一絕緣層；進行鑲嵌制程，于該第一絕緣層中形成第一銅導線和第二銅導線；至少于該第一和第二銅導線上形成第一密封層，于該第一密封層上形成第二絕緣層；于該第二絕緣層上形成第三絕緣層，以做為蝕刻停止層用；于該第一密封層、該第二和第三絕緣層中形成第一銅插塞和第二銅插塞；于該第三絕緣層和該第一和第二銅插塞上形成第一金屬層；于該第一金屬層上形成第四絕緣層，于該第四絕緣層上形成第二金屬層；將該第二金屬層、該第四絕緣層和該第一金屬層圖案化，以形成電容器和導線，其中該導線上設有殘留第四絕緣層和殘留第二金屬層，其中該電容器的下電極經由該第一銅插塞與該第一銅導線電性連接，該導線經由該第二銅插塞與該第二銅導線電性連接；移除該殘留第二金屬層；形成具有平坦表面的第五絕緣層，覆蓋于該電容器的上電極、該第四絕緣層和該第三絕緣層上；于該第五絕緣層中形成多數個雙鑲嵌結構，該雙鑲嵌結構包括第三銅插塞、第四銅插塞、第三銅導線和第四銅導線，其中該上電極經由該第三銅插塞與該第三銅導線電性連接，該導線經由該第四銅插塞與該第四銅導線電性連接；至少于該第三和第四銅導線上形成第二密封層。
該第一金屬層的材質是擇自鋁、鋁銅合金、銅、銀或金的其中之一。該第四絕緣層的材質是擇自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鉭、氧化鋯、氧化鉿或氧化鋁的其中之一。該第二金屬層的材質是擇自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁或鋁銅合金的其中之一。
移除該殘留第二金屬層的方法包括于該殘留第二金屬層、該電容器和該第三絕緣層上覆蓋一犧牲層；于對應于該電容器的該犧牲層上形成一光阻圖案層；蝕刻該犧牲層和該殘留第三金屬層直至暴露出該殘留第四絕緣層；移除該光阻圖案層和該犧牲層。
用于形成該犧牲層的材料為高分子。該第二金屬層的厚度介于200-1500埃之間。該第一金屬層的厚度介于300-2000埃之間。
本發(fā)明還提供一種金屬電容器結構，其特征是它包括如下結構第一銅導線和第二銅導線位于第一絕緣層中；第一密封層位于該第一和第二銅導線上；第二絕緣層位于該第一密封層上；第三絕緣層位于該第二絕緣層上，用以做為蝕刻停止層用；第一銅插塞和第二銅插塞，位于該第一密封層、該第二和第三絕緣層中；電容器位于該第三絕緣層和該第一銅插塞上，其中該電容器為具有相同平面面積的上電極、電容器介電層和下電極的迭層結構，該下電極經由該第一銅插塞與該第一銅導線電性連接導線位于該第三絕緣層和該第二銅插塞上，其中該導線經由該第二銅插塞與該第二銅導線電性連接；第四絕緣層位于該導線上；具有平坦表面的第五絕緣層，位于該電容器的該上電極、第四絕緣層和第三絕緣層上；多數個雙鑲嵌結構位于該第五絕緣層中，該雙鑲嵌結構包括第三銅插塞、第四銅插塞、第三銅導線和第四銅導線，其中該上電極經由該第三銅插塞與該第三銅導線電性連接，該導線經由該第四銅插塞與該第四銅導線電性連接；第二密封層位于該第三和第四銅導線上。
該下電極和該導線的材質是擇自鋁、鋁銅合金、銅、銀或金的其中之一。該第四絕緣層的材質是擇自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鉭、氧化鋯、氧化鉿或氧化鋁的其中之一。該上電極的材質是擇自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁或鋁銅合金的其中之一。該上電極的厚度介于200埃-1500埃之間。該下電極的厚度介于300埃-2000埃之間。
下面結合較佳實施例配合附圖詳細說明。
圖5-圖16是本發(fā)明利用鑲嵌制程形成電容器的方法的流程剖面示意圖。
本發(fā)明提供一種含金屬電容器的鑲嵌結構，如圖16所示。一第一銅導線104a和一第一銅導線104b，位于一第一絕緣層106中。一第一密封層118，位于第一銅導線104a和第二銅導線104b上。一第二絕緣層116位于第一密封層108上。一第三絕緣層118位于第二絕緣層116上，用以做為蝕刻停止層之用。一第一銅插塞124a和一第二銅插塞124b，位于第一密封層108、第二絕緣層116和第三絕緣層118中。一電容器132位于第三絕緣層118和第一銅插塞124a上，其中電容器132為具有相同平面面積的一上電極130a、一電容器介電層128a和一下電極126a的迭層結構，下電極126a經由第一銅插塞124a與第一銅導線104a電性連接。一導線126b位于第三絕緣層118和第二銅插塞124b上，其中導線126b經由第二銅插塞124b與第二銅導線104b電性連接。一第四絕緣層128b位于導線126上。一具平坦表面的第五絕緣層138位于電容器132的上電極130a、第四絕緣層128b和第三絕緣層118上。多數個雙鑲嵌結構位于第五絕緣層138中，該些雙鑲嵌結構包括一第三銅插塞146a、一第四銅插塞146b、一第三銅導線148a和一第四銅導線148b，其中上電極130a經由第三銅插塞146a與第三銅導線148a電性連接，導線126b經由第四銅插塞146b與第四銅導線148b電性連接。一第二密封層150位于第三銅導線148a和第四銅導線148b上。
下面結合具體實施例詳細描述。
參閱圖5-圖16所示，本發(fā)明的在內連線鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法如下首先參閱圖5，于絕緣層102上形成另一層絕緣層106，并利用鑲嵌制程于此絕緣層106中形成銅導線104a和104b。其中絕緣層102中可能包括其它內連線，而絕緣層IO2下方包括形成于基底上和基底中的組件。為了能清楚描述本發(fā)明的內容，這些底層的電路組件并未在圖中顯示。銅導線104a和104b的形成，是利用鑲嵌制程于絕緣層106中形成厚度約為2000-6000埃的導線。舉例來說，在絕緣層106中形成溝槽后，形成一層順應性的阻障層103后，填入銅金屬，之后進行化學機械研磨，以磨除多余的銅金屬和阻障層103。接著至少在銅導線104a和104b上形成密封層108，在圖中是以形成全面性的密封層IO8為例，其厚度的為100-1000埃左右，其材質可以是氮化硅或碳化硅。
接著參閱圖6，于密封層108上依序形成一層絕緣層116和絕緣層118，其中絕緣層118是做為蝕刻停止層用，其材質與絕緣層116不同，可為氮化硅，而絕緣層116的材質為氧化硅。之后于做為蝕刻停止層的絕緣層118上覆蓋一層光阻圖案層120，其具有介層窗的圖案。
接著參閱圖7，將此光阻圖案層120的介層窗圖案轉移至絕緣層118、絕緣層116和密封層108中，用以于其中形成介層窗孔暴露出欲與銅導線104a和104b做電性接觸的區(qū)域。之后移除光阻圖案層120，例如用干蝕刻或濕蝕刻來移除。接著依序形成順應性的阻障層(未繪示)和金屬層，再利用化學機械研磨制程移除多余的部分，以形成銅插塞124a和124b。
接著參閱圖8，于絕緣層118、銅插塞124a和124b上依序沉積金屬層126、絕緣層128和金屬層130。其中金屬層126是將用以形成下電極和導線的用，其厚度約為300-2000埃；絕緣層128是用以形成電容器絕緣層，其厚度約為100-1200埃，然而實際的厚度仍需視電容器的應用及其所需的電容量而定；金屬層130是用以形成上電極，其厚度約為200-1500埃。上述的金屬層130的材質可為鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鋁(Al)、鋁銅合金(AlCu)等。絕緣層128的材質可為氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SON)、碳化硅(SiC)、氧化鉭(TaO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(Al2O3)等。金屬層126的材質為常用的導線材質，例如為鋁、鋁銅合金、銀(Ag)或金(Au)等。
接著參閱圖9，利用一道微影蝕刻步驟來定義金屬層130、絕緣層128和金屬層126，以形成上方保有殘留的金屬層130b和絕緣層120b的導線126b，以及形成包含上電極130a、電容器絕緣層128a和下電極126a的電容器132。當進行上述的蝕刻步驟時，絕緣層118則做為蝕刻終止層用。
為了移除多余的金屬層130b，因此進行另一道微影蝕刻步驟，如圖10-圖13所示。
接著參閱圖10，在電容器132、金屬層130b和絕緣層118上形成一層具有平坦表面的犧牲層160。此犧牲層160是用來改善后續(xù)的曝光制程的可靠度，犧牲層160的材質是高分子。
參閱圖11所示，于犧牲層160上形成光阻圖案層162。由于犧牲層160具有平坦的表面，因此光阻圖案層162可以在曝光顯影后得到正確的圖案。
光阻圖案層162的圖案是大致對應于上電極130a。此光阻圖案層162的范圍可以等于或小于或大于上電極130a。在此圖式中，是以光阻圖案層162的范圍大于上電極130a的范圍為例。
如圖12所示，以光阻圖案層162為罩幕，進行蝕刻步驟，以移除金屬層130b以及未被覆蓋的犧牲層160。而此未被覆蓋的犧牲層160可以于此步驟全部移除或部分移除。
如圖13所示，將光阻圖案層162以及剩余的犧牲層160移除。
根據上述的步驟，在制造電容器132時，僅需額外增加一道微影蝕刻步驟即可。因此，在制造包含電容器的積體電路所需的微影蝕刻步驟的次數得以降低，制造成本也進而跟著降低。
與美國專利第6,180,976B1相比較，本發(fā)明的電容器132的電容器絕緣層128a具有相當好的均勻性和平坦度，其原因在于本發(fā)明的下電極126a是通過沉積和蝕刻的步驟來形成，故下電極126a具有均勻且平坦的表面，使得之后于其上方覆蓋的電容器絕緣層128a亦具有良好的均勻性和平坦度。因此，本發(fā)明的電容器132具有較佳的電氣特性。
接著參閱圖14，于絕緣層118、絕緣層128b及電容器132上方覆蓋一層溝填能力良好的絕緣層134，其可為利用高密度電漿沉積法來沉積氧化硅，或者是利用涂布法來涂布旋涂式玻璃(spin-on glass；SOG)、或旋涂式高分子(spin-on polymer；SOP)等。之后于絕緣層134上方形成一層毯覆式犧牲絕緣層136，其材質可為氧化硅，接著對此犧牲絕緣層136進行平坦化的制程，使絕緣層136的表面不受其下方由導線126b和電容器132所造成的地形起伏的影響，以利于后續(xù)制程的進行。此平坦化制程可為化學機械研磨制程。為了方便描述起見，絕緣層134和絕緣層136以下統(tǒng)稱為絕緣層138。
接著進行雙鑲嵌制程，如圖15-圖16所示，在絕緣層138和絕緣層128b中形成雙鑲嵌圖案，此圖案是由溝槽142和介層窗孔140所構成，介層窗孔140會暴露出欲做電性接觸的導線126b和上電極130a的區(qū)域。
接著，形成一層共形的阻障層(未繪示)，并填入銅金屬，之后進行化學機械研磨，以磨除多余的銅金屬，而于雙鑲嵌圖案中形成銅導線148a和148b以及銅插塞146a和146b。之后于銅導線148a和148b以及絕緣層138上方覆蓋一層密封層(sealing layer)150，以避免銅導線148a和148b中的銅原子擴散出來，密封層150的材質可為氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)。于是，上電極130a經由銅插塞146a與銅導線148a電性連接，而導線126b則經由銅插塞146b與銅導線148b電性連接。
后續(xù)的銅制程仍繼續(xù)進行，直至完成整個內連線的制造為止。
上述的絕緣層102、116、134和136的材質可以是低電材質，例如摻雜或未摻雜的氧化硅、低介電常數的旋涂式高分子(例如FPARE、SiLKTM、PAE-II等)、以及化學氣沉積式低介電常數材質(例女。breakdiamondTM(BDTM)、CoralTM、GreendotTM、AuroraTM等)雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限制本發(fā)明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，所做更動與潤飾，都屬于本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，其特征是它包括如下步驟提供第一絕緣層；進行鑲嵌制程，于該第一絕緣層中形成第一銅導線和第二銅導線；至少于該第一和第二銅導線上形成第一密封層；于該第一密封層上形成第二絕緣層；于該第二絕緣層上形成第三絕緣層，以做為蝕刻停止層用；于該第一密封層、該第二和第三絕緣層中形成第一銅插塞和第二銅插塞；于該第三絕緣層和該第一和第二銅插塞上形成第一金屬層；于該第一金屬層上形成第四絕緣層，于該第四絕緣層上形成第二金屬層；將該第二金屬層、該第四絕緣層和該第一金屬層圖案化，以形成電容器和導線，其中該導線上設有殘留第四絕緣層和殘留第二金屬層，其中該電容器的下電極經由該第一銅插塞與該第一銅導線電性連接，該導線經由該第二銅插塞與該第二銅導線電性連接；移除該殘留第二金屬層；形成具有平坦表面的第五絕緣層，覆蓋于該電容器的上電極、該第四絕緣層和該第三絕緣層上；于該第五絕緣層中形成多數個雙鑲嵌結構，該雙鑲嵌結構包括第三銅插塞、第四銅插塞、第三銅導線和第四銅導線，其中該上電極經由該第三銅插塞與該第三銅導線電性連接，該導線經由該第四銅插塞與該第四銅導線電性連接；至少于該第三和第四銅導線上形成第二密封層。
2.根據權利要求1所述的在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，其特征是該第一金屬層的材質是擇自鋁、鋁銅合金、銅、銀或金的其中之一。
3.根據權利要求1所述的在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，其特征是該第四絕緣層的材質是擇自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鉭、氧化鋯、氧化鉿或氧化鋁的其中之一。
4.根據權利要求1所述的在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，其特征是該第二金屬層的材質是擇自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁或鋁銅合金的其中之一。
5.根據權利要求1所述的在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，其特征是移除該殘留第二金屬層的方法包括于該殘留第二金屬層、該電容器和該第三絕緣層上覆蓋一犧牲層；于對應于該電容器的該犧牲層上形成一光阻圖案層；蝕刻該犧牲層和該殘留第三金屬層直至暴露出該殘留第四絕緣層；移除該光阻圖案層和該犧牲層。
6.根據權利要求5所述的在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，其特征是用于形成該犧牲層的材料為高分子。
7.根據權利要求1所述的在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，其特征是該第二金屬層的厚度介于200-1500埃之間。
8.根據權利要求1所述的在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法，其特征是該第一金屬層的厚度介于300-2000埃之間。
9.一種權利要求1-8其中之一所述的方法制造的金屬電容器結構，其特征是它包括如下結構第一銅導線和第二銅導線位于第一絕緣層中；第一密封層位于該第一和第二銅導線上；第二絕緣層位于該第一密封層上；第三絕緣層位于該第二絕緣層上，用以做為蝕刻停止層用；第一銅插塞和第二銅插塞，位于該第一密封層、該第二和第三絕緣層中；電容器位于該第三絕緣層和該第一銅插塞上，其中該電容器為具有相同平面面積的上電極、電容器介電層和下電極的迭層結構，該下電極經由該第一銅插塞與該第一銅導線電性連接導線位于該第三絕緣層和該第二銅插塞上，其中該導線經由該第二銅插塞與該第二銅導線電性連接；第四絕緣層位于該導線上；具有平坦表面的第五絕緣層，位于該電容器的該上電極、第四絕緣層和第三絕緣層上；多數個雙鑲嵌結構位于該第五絕緣層中，該雙鑲嵌結構包括第三銅插塞、第四銅插塞、第三銅導線和第四銅導線，其中該上電極經由該第三銅插塞與該第三銅導線電性連接，該導線經由該第四銅插塞與該第四銅導線電性連接；第二密封層位于該第三和第四銅導線上。
10.根據權利要求9所述的金屬電容器的結構，其特征是該下電極和該導線的材質是擇自鋁、鋁銅合金、銅、銀或金的其中之一。
11.根據權利要求9所述的金屬電容器的鑲嵌結構，其特征是該第四絕緣層的材質是擇自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鉭、氧化鋯、氧化鉿或氧化鋁的其中之一。
12.根據權利要求9項所述的金屬電容器的鑲嵌結構，其特征是該上電極的材質是擇自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁或鋁銅合金的其中之一。
13.根據權利要求9所述的金屬電容器的鑲嵌結構，其特征是該上電極的厚度介于200埃-1500埃之間。
14.根據權利要求9所述的金屬電容器的鑲嵌結構，其特征是該下電極的厚度介于300埃-2000埃之間。
全文摘要
一種在鑲嵌制程中形成金屬電容器的方法及其產品，是于形成金屬薄膜電容器之前，利用銅金屬鑲嵌制程來制作其下的內連線；通過沉積第一金屬層、絕緣層和第二金屬層，并先利用蝕刻定義第二金屬層、絕緣層和第一金屬層以形成電容器和導線后，再針對第二金屬層進行第二次蝕刻，以剝除導線上殘留的第二金屬層；繼續(xù)利用銅金屬鑲嵌制程來制作其上的內連線；并提供一種金屬電容器的鑲嵌結構。具有降低形成內含電容器的積體電路的制造成本、容易控制制程和電容器具有較佳的電氣特性的功效。
文檔編號H01L27/04GK1405877SQ02107409
公開日2003年3月26日 申請日期2002年3月14日 優(yōu)先權日2001年9月18日
發(fā)明者徐震球, 李世達, 蔡政翰 申請人:矽統(tǒng)科技股份有限公司