專利名稱：堆疊式金屬－絕緣體－金屬電容器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明關于堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器及其制造方法，更具體而言，在集成電路制造中，形成嵌入于銅嵌刻結(jié)構(gòu)中的堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器。
背景技術：
電容器為集成電路中必要元件之一，在電路中扮演電壓調(diào)整、濾波等功能。在半導體集成電路中，常見的電容器型式有多晶硅-絕緣體-多晶硅電容器、金屬-絕緣體-金屬電容器等等。其中，金屬-絕緣體-金屬電容器具有較低的接點阻抗，故其RC值較低，常用于要求高速的集成電路中，其也經(jīng)常見于模擬電路、混合電路等不同應用中。
近年來，隨著集成電路微小化的顯著提升，在集成電路制程中屬于后段制程的金屬化制程中的鋁導線，已逐漸由導電系數(shù)較小的銅導線所取代。此外，在現(xiàn)今的集成電路制程中，舉例而言，在0.18微米以下的制程中，已廣泛使用雙嵌刻結(jié)構(gòu)，以制造多層化的半導體集成電路。所謂的雙嵌刻結(jié)構(gòu)是指金屬沉積于已經(jīng)在下介電層中圖型化的導線孔及線中，隨后，在所謂的平坦化步驟中，以諸如化學機械研磨法等方法，將過量的金屬移除，以拋光晶圓表面。
在R.Liu等于Proc.2000IITC，pp.111-113(2000)上發(fā)表的“Single MaskMetal-Insulator-Metal(MIM)Capacitor with Copper Damascene Metallizationfor Sub-0.18μm Mixed Mode Signal and System-on-a-Chip(SoC)Application”一文中，揭示配合銅制程以制造金屬-絕緣體-金屬電容器的方法及結(jié)構(gòu)。將參考圖3A及3B說明此已知技術。圖3A中所顯示的結(jié)構(gòu)是形成有金屬導電層且經(jīng)過化學機械研磨法平坦化后的結(jié)構(gòu)，其中，代號200代表介電層，介電層中的溝槽201及202均由銅填滿，分別作為導線及金屬-絕緣體-金屬電容器的下電極。接著，如圖3B所示，以諸如電漿增強化學汽相沉積法(PECVD)，在嵌刻結(jié)構(gòu)表面上，再沉積另一介電層203以作為金屬-絕緣體-金屬電容器的介電質(zhì)，接著，在介電層上，以物理汽相沉積法(PVD)，在介電層203上沉積諸如鋁等金屬，以作為上電極層204，最后，以微影法，蝕刻移除金屬-絕緣體-金屬電容器區(qū)以外的上電極層，而形成所需的金屬-絕緣體-金屬電容器。
上述已知的金屬-絕緣體-金屬電容器的結(jié)構(gòu)是平板電容器的結(jié)構(gòu)，其電容值/單位面積的值較低，且其制造方法，是在完成嵌刻結(jié)構(gòu)金屬化及平坦化步驟之后，再沉積介電層及上電極層，并以一增加的光罩執(zhí)行微影法，以圖型化上電極層而取得所需的金屬-絕緣體-金屬電容器。由于此已知技術并非在形成嵌刻結(jié)構(gòu)金屬化制程期間，形成所需的金屬-絕緣體-金屬電容器，所以，需要例如金屬沉積、光罩、蝕刻等繁復的額外制程以形成金屬-絕緣體-金屬電容器，故其成本高，效率低。此外，在形成金屬-絕緣體-金屬電容器時，會在下一個的層間介電層表面上造成表面地形，此表面地形會使得下一個導線層的金屬嵌刻制程較難進行并因而在圖型化步驟之前，需要以化學機械研磨法，將介電層的表面平坦化。
鑒于上述已知技術的缺點，需要能夠提供成本低、效率高的方法，以形成金屬-絕緣體-金屬電容器。

發(fā)明內(nèi)容
考慮上述問題，本發(fā)明的目的是在金屬嵌刻結(jié)構(gòu)金屬化的過程中，在與導線相同的層中，形成堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器，而不需要額外的制程步驟。
根據(jù)本發(fā)明的一態(tài)樣，提供堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器的制造方法，其在形成具有嵌刻結(jié)構(gòu)的多層銅導線層中，同時形成堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器，該方法包括下述步驟底層金屬平板形成步驟，對形成于基底上具有多個鎢栓塞的接觸層，執(zhí)行圖型化及蝕刻，以形成通至基底且深度與該接觸層的厚度相同的開口，再于該開口中沉積鎢，僅部份地填充該開口；底層介電層沉積步驟，沉積介電質(zhì)以覆蓋形成有底層金屬板的接觸層，作為底層介電層；底層介電層圖型化步驟，將底層介電層圖型化，以形成與鎢栓塞連通的導線區(qū)；底層介電層金屬化步驟，于底層介電層上沉積銅，以填滿該開口及導線區(qū)，以分別形成與底層金屬平板平行的銅平板及與鎢栓塞電連通的銅導線；平坦化步驟，對已形成有銅平板及銅導線的底層介電層執(zhí)行化學機械研磨，以使表面平坦化；疊層介電層沉積步驟，于經(jīng)過平坦化的表面上，沉積介電層以覆蓋該平坦化的表面；疊層圖型化步驟，將該疊層介電層圖型化及蝕刻成形，以在該疊層介電層中形成用于銅導線的導線區(qū)及用于電容器的平板的開口，電容器平板開口配置成正好疊置于下層銅平板上，以疊層介電層夾于其間；疊層金屬化步驟，于經(jīng)過圖型化及蝕刻成形的疊層介電層上沉積銅，以填滿電容器平板開口及導線區(qū)，以形成堆疊電容器的平行銅板及銅導線；疊層平坦化步驟，對已形成有銅導線及銅平板之疊層執(zhí)行化學機械研磨，以使表面平坦化；及依序重復執(zhí)行多次疊層介電層沉積步驟、疊層圖型化步驟、疊層金屬化步驟、及疊層平坦化步驟，藉以同時形成多層銅導線層及堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器。
根據(jù)本發(fā)明，提供堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器，其形成于設有集成電路的基底中，基底中設有接觸層及多層堆疊的第一組金屬嵌刻層及第二組金屬嵌刻層，每一金屬嵌刻層均具有金屬平板區(qū)及導線區(qū)以及介電層，該堆疊式電容器包括底層鎢平板，形成于接觸層中；第一組金屬平板，包含多個金屬平板，該多個金屬平板是分別形成于對應的包含多層堆疊的第一組金屬嵌刻層中的平板區(qū)，且彼此電連接；第二組金屬平板，包含多個金屬平板，多個金屬平板是分別形成于對應的包含多層堆疊的第二組金屬嵌刻層中的平板區(qū)，且彼此電連接及與該底層鎢平板電連接；及多層介電層，分別形成于該第一組及第二組金屬嵌刻層中的個別金屬嵌刻層。
另外，根據(jù)本發(fā)明，介電層的材質(zhì)為選自SiN、及SiO2組成的群類之一。而介電層是以電漿增強化學氣相沉積法(PECVD)沉積而成。
此外，根據(jù)本發(fā)明，金屬嵌刻層是銅嵌刻層。
本發(fā)明能夠形成嵌入于多層金屬導線層中的堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器。結(jié)果，本發(fā)明能夠不用增加制程步驟、以更低的成本、更有效率地制造金屬-絕緣體-金屬電容器。而且，所制成的金屬-絕緣體-金屬電容器的電容器介電質(zhì)較厚，但是，其電容值/單位面積的值等于或大于已知技術之值，且可以大幅降低平板之間的漏電。


從參考附圖的上述詳細說明中，可以更加清楚地了解本發(fā)明的上述及其它目的與優(yōu)點，其中圖1A-1F是剖面視圖，用以說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器的制造方法；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例制成的堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器的各金屬平板間的電連接。
圖3A-3B是剖面視圖，用以說明已知的金屬-絕緣體-金屬電容器的結(jié)構(gòu)及制造方法。
具體實施例方式
將于下參考附圖，說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的制造金屬-絕緣體-金屬電容器的方法。應了解下述說明僅作為舉例說明之用，并非用以限定本發(fā)明。此外，為了提供更清楚的說明，圖示并未依比例繪制。
下述說明中，根據(jù)本發(fā)明的實施例的制程步驟及對應結(jié)構(gòu)，并未涵蓋制造完整的IC電路的完整制程，而是可以配合半導體技術領域中不同的IC電路中的其它制程以制造所需的完整IC電路。
將于下說明根據(jù)本發(fā)明的金屬-絕緣體-金屬電容器的制造方法。
首先，參考圖1A，其顯示基底100上形成有接觸層102的結(jié)構(gòu)，接觸層102中形成有鎢栓塞104。圖1A所示的接觸層首先接受圖型化，接著進行微影蝕刻，以致于如圖1B所示般，在接觸層102中形成用于擬形成的電容器的底層金屬板106的大開口(相較于金屬栓塞104而言)。接著，舉例而言，使用化學汽相沉積法(以下簡稱為CVD)沉積鎢至此大開口中以作為用于擬形成的電容器的一金屬板106，因而形成如圖1B所示的結(jié)構(gòu)。
如同圖1B所示般，所形成的大開口的深度與接觸層的厚度實質(zhì)上相等，但是，沉積于大開口中的例如鎢等金屬的厚度遠小于鎢栓塞104的深度，舉例而言，鎢栓塞104的深度為7000，而大開口中的鎢的深度為3000，所以，所沉積的鎢僅填充大開口下部。接著，參考圖1C，說明同時形成用于電容器的另一金屬板與另一組金屬栓塞。以例如PECVD法，將第一層間介電層108沉積于圖1B中所示的結(jié)構(gòu)，而形成如圖1C所示的結(jié)構(gòu)。值得注意的是，此時形成的第一層間介電層108的表面幾何形狀是符合圖1B所示的結(jié)構(gòu)的表面幾何形狀。
然后，如圖1D所示，對第一層間介電層108執(zhí)行圖型化及蝕刻而形成與鎢栓塞104連通的導線孔。接著，將銅沉積于第一層間介電層108上及導線孔中，因而形成第一銅板112及第一組銅栓塞110，然后執(zhí)行化學機械研磨法以使表面平坦化，結(jié)果，形成如圖1D所示的結(jié)構(gòu)。
之后，以同于參考圖1C的上述方式，在圖1D的結(jié)構(gòu)上形成第二層間介電層114，再以同于上述參考圖4的方式，形成第二組銅栓塞116、及第二銅板118，因而形成如圖1E所示的結(jié)構(gòu)。注意，此時所形成的第二組銅栓塞116是與上述第一組銅栓塞110相連通，且所形成的第二銅板118是與第一銅板具有實質(zhì)上相同的尺寸。在本實施例中，金屬板106、第一銅板112、及第二銅板118之間的電連接關系為金屬板106與第二銅板112電連接，但此二者均未與第一銅板形成電連接(圖1C中并未顯示)。
值得注意的是，從上述圖1C至圖1E的第一或第二銅板是與同層中的銅導線(銅栓塞)同時在相同步驟中形成。換言之，在制造銅導線的步驟中同時形成用于電容器之金屬平行板，但卻不需要特別針對金屬板增加任何額外的光罩及步驟。
接著，根據(jù)需求，重復上述參考圖1C至圖1E所述的步驟，形成如圖1F所示的堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器120。如圖1F所示，在每一形成有金屬平行板的金屬嵌刻結(jié)構(gòu)的導線層上又形成另一具有金屬平行板的金屬嵌刻結(jié)構(gòu)的導線層。重復的次數(shù)取決于所欲形成的電路的需求。如此形成的用于擬形成的金屬電容器的金屬平行板的總數(shù)為導線層的總數(shù)加上接觸層的數(shù)目，在本實施例中接觸層的數(shù)目為一。
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例所制成的堆疊式多層金屬-絕緣體-金屬電容器的電連接，其中，鎢板與第二銅板、第四銅板、...直至第(n-1)銅板系彼此電連接，等同于平板電容器的一金屬板，而第一銅板、第三銅板、...直至第n個銅板彼此電接，等同于平板電容器的另一金屬板。
將于下說明根據(jù)本發(fā)明的方法制成的電容器的電容值。
理論上，平板電容器的電容值為C＝εA/d其中，ε是電容器介電質(zhì)的介電常數(shù)，A是金屬板的面積，d是這些板之間的間距。
根據(jù)此等式，可得知根據(jù)本發(fā)明所制成的堆疊式MIM電容器結(jié)構(gòu)雖然具有較大的d值，d值與導線孔的高度相同，但是，平板的總面積為nA，n是銅導線層的數(shù)目。注意，由于根據(jù)本發(fā)明，銅板是與銅導線層同時形成，所以，銅導線層的數(shù)目與銅板數(shù)目相同。所以，假使導線孔的高度為3000且裝置具有5個銅金屬層時，則堆疊的電容器的電容值將等于具有600厚的介電質(zhì)的平板電容器。
根據(jù)本發(fā)明的MIM電容器制造方法具有的優(yōu)點為相較于導線的基本制程，不需要任何增加的光罩或制程步驟，即可制成堆疊的電容器。
此外，根據(jù)本發(fā)明的MIM電容器，較厚的的介電質(zhì)可提供甚佳的平行板至平行板漏電保護并因而制成更堅固可靠的裝置。
在上述說明中，以舉例方式說明本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于上述的詳細說明，熟悉此技術者在了解上述說明之后，在不悖離本發(fā)明的精神及范圍下，執(zhí)行不同的變化及修改。應了解本發(fā)明的范圍是由后述的權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種堆疊式金屬—絕緣體—金屬電容器的制造方法，在形成具有嵌刻結(jié)構(gòu)的多層銅導線層中，同時形成堆疊式金屬—絕緣體—金屬電容器，該方法包括下述步驟底層金屬平板形成步驟，對形成于基底上具有多個鎢栓塞的接觸層，執(zhí)行圖型化及蝕刻，以形成通至基底且深度與該接觸層的厚度相同的開口，再于該開口中沉積鎢，僅部份地填充該開口；底層介電層沉積步驟，沉積介電質(zhì)以覆蓋形成有底層金屬板的該接觸層，作為底層介電層；底層介電層圖型化步驟，將該底層介電層圖型化，以形成與鎢栓塞連通的導線區(qū)；底層介電層金屬化步驟，于該底層介電層上沉積銅，以填滿該開口及該導線區(qū)，以分別形成與該底層金屬平板平行的銅平板及與鎢栓塞電連通的銅導線；平坦化步驟，對已形成有銅平板及銅導線的該底層介電層執(zhí)行化學機械研磨，以使表面平坦化；疊層介電層沉積步驟，于經(jīng)過平坦化的表面上，沉積介電層以覆蓋該平坦化的表面；疊層圖型化步驟，將該疊層介電層圖型化及蝕刻成形，以在該疊層介電層中形成用于銅導線的導線區(qū)及用于電容器的平板的開口，該電容器平板開口配置成正好疊置于下層銅平板上，以該疊層介電層夾于其間；疊層金屬化步驟，于該經(jīng)過圖型化及蝕刻成形的疊層介電層上沉積銅，以填滿該電容器平板開口及導線區(qū)，以形成堆疊電容器的平行銅板及銅導線；疊層平坦化步驟，對已形成有銅導線及銅平板的疊層執(zhí)行化學機械研磨，以使表面平坦化；及依序重復執(zhí)行多次該疊層介電層沉積步驟、該疊層圖型化步驟、該疊層金屬化步驟、及該疊層平坦化步驟，藉以同時形成多層銅導線層及堆疊式金屬—絕緣體—金屬電容器。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該底層介電層的材質(zhì)為選自SiN、及SiO2組成的群類之一。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該疊層介電層的材質(zhì)為選自SiN、及SiO2組成的群類之一。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其征在于，該底層介電層系以電漿增強化學氣相沉積法沉積而成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該底層介電層是以電漿增強化學氣相沉積法沉積而成。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該底層介電層的厚度在200至1000埃的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該疊層介電層的厚度在200至1000埃的范圍內(nèi)。
8.一種堆疊式金屬—絕緣體—金屬電容器，形成于設有集成電路的基底中，該基底中設有接觸層及多層堆疊的第一組金屬嵌刻層及第二組金屬嵌刻層，每一金屬嵌刻層均具有金屬平板區(qū)及導線區(qū)以及介電層，該堆疊式電容器包括底層鎢平板，形成于接觸層中；第一組金屬平板，包含多個金屬平板，該多個金屬平板是分別形成于對應的包含多層堆疊的第一組金屬嵌刻層中的平板區(qū)，且彼此電連接；第二組金屬平板，包含多個金屬平板，多個金屬平板是分別形成于對應的包含多層堆疊的第二組金屬嵌刻層中的平板區(qū)，且彼此電連接及與該底層鎢平板電連接；及多層介電層，分別形成于該第一組及第二組金屬嵌刻層中的個別金屬嵌刻層。
9.如權(quán)利要求8所述的堆疊式金屬—絕緣體—金屬電容器，其特征在于，該第一組堆疊層及該第二組堆疊層中的金屬導線及金屬平板均由銅所形成。
10.如權(quán)利要求9所述的堆疊式金屬—絕緣體—金屬電容器，其特征在于，該多層介電層的材質(zhì)為選自SiN、及SiO2組成的群類之一。
11.如權(quán)利要求9所述的堆疊式金屬—絕緣體—金屬電容器，其特征在于，該多層介電層中每一介電層的厚度在200至1000埃的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種堆疊式金屬－絕緣體－金屬電容器的制造方法，在集成電路制程中，在作為導線的多層金屬導線層中，形成嵌入于其中的堆疊式金屬－絕緣體－金屬電容器。金屬－絕緣體－金屬電容器的制造會與金屬導線的制造共用例如圖型化及平坦化等步驟，而不須增加額外的光罩及步驟，藉以減少制造步驟并因而提高生產(chǎn)效率及降低生產(chǎn)成本，且制成的堆疊式金屬－絕緣體－金屬電容器具有更厚的介電質(zhì)較厚，可以大幅降低平板之間的漏電，但卻具有增進的電容值/單位面積。
文檔編號H01L27/10GK1624894SQ200310109110
公開日2005年6月8日 申請日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者寧先捷 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司