專利名稱：電容器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，并且特別涉及一種電容器及其制造方法，該電容器通過使用溝槽內(nèi)的基座(pedestal)的內(nèi)嵌工藝制造，從而增加所得電容器的表面積。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體制造工藝中，一般沉積并構(gòu)圖絕緣、導(dǎo)電和半導(dǎo)電材料層來形成集成電路(IC)。接觸孔，即開口，一般也形成在諸如層間電介質(zhì)(ILDinter-level dielectric)的絕緣材料中。這些通孔隨后可填充以導(dǎo)電材料，從而互連各個(gè)層次上的電學(xué)器件和引線。
類似地，內(nèi)嵌工藝包括在絕緣層中按期望圖案蝕刻溝槽以用于引線。這些溝槽隨后填充以導(dǎo)電材料，以填滿內(nèi)嵌區(qū)域，從而在內(nèi)嵌區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生集成的引線。另外，在那些接觸孔還從溝槽底部向下延伸的IC中，向下延伸的通孔可同時(shí)填充以導(dǎo)電材料。這種工藝公知為IC的雙重內(nèi)嵌工藝(dualdamascene processing)。
近來的半導(dǎo)體器件制造技術(shù)在具有小的形體尺寸的半導(dǎo)體器件中使用銅(Cu)作為引線材料，因?yàn)殂~具有很低的電阻率和很高的電遷移阻抗(electro-migration resistance)。然而，銅復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)使得銅難以被構(gòu)圖并用于金屬引線。例如，在暴露于空氣時(shí)，銅引線圖案易于氧化。這種氧化增大了引線圖案的阻抗。于是，為防止氧化，常常將內(nèi)嵌引線用于銅互連技術(shù)，其中在絕緣層中形成溝槽并以銅填充，以形成導(dǎo)電線條。然后通過化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing)或回蝕工藝(etch-back process)平整化導(dǎo)電層，從而暴露出絕緣層。結(jié)果，在內(nèi)嵌區(qū)域中保留了內(nèi)嵌金屬引線圖案。
在這些傳統(tǒng)的內(nèi)嵌和雙重內(nèi)嵌處理技術(shù)中，僅僅是這些內(nèi)嵌區(qū)域中的金屬引線圖案的橫向和/或側(cè)壁面積對(duì)于使用該圖案形成的所得電容器的表面電容起到貢獻(xiàn)。例如，美國(guó)專利第6320244號(hào)，名為“Integrated circuit devicehaving dual damascene capacitor(具有雙重內(nèi)嵌電容器的集成電路器件)”，其中公開了使用多重成分的高k介電膜以及內(nèi)嵌圖案制造成的頂電極，從而僅使用內(nèi)嵌金屬引線區(qū)域的側(cè)壁來增大電容器的表面電容。美國(guó)專利第6075691號(hào)，名為“Thin film capacitors and the process for making them(薄膜電容器及其制造方法)”，其中公開了使用橫向區(qū)域來增大電容器的表面電容。
然而，隨著半導(dǎo)體器件的尺寸持續(xù)地減小，需要內(nèi)嵌區(qū)域中的增大的表面積，從而提供這些具有所需高電容的現(xiàn)代半導(dǎo)體器件。因此，本領(lǐng)域中持續(xù)地存在對(duì)于提供便利的內(nèi)嵌處理技術(shù)從而能夠改善高k介電電容器的需求。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到現(xiàn)有技術(shù)的問題與缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種獨(dú)特改進(jìn)的內(nèi)嵌工藝，用于制造高k介電電容器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種制造方法和一種具有增大的表面積、進(jìn)而具有增大的電容量的電容器。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種制造方法和一種具有高介電常數(shù)、以及低漏電流、高擊穿電壓和良好的可靠性的電容器電介質(zhì)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種制造方法和一種能夠產(chǎn)生高電容量并且因此能夠節(jié)約芯片的總體面積的電容器。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種制造方法和一種避免了頂電極與底電極之間短路的內(nèi)嵌電容器。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種制造方法和一種電容器，該電容器的結(jié)構(gòu)是平整的、有利于使用標(biāo)準(zhǔn)通孔接觸工藝的。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種制造方法和一種電容器，其可以用于各種模擬和混合信號(hào)的應(yīng)用，包括例如，放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和共振器。
對(duì)于本利于技術(shù)人員將是很明顯的上述和其它的目的及優(yōu)點(diǎn)在本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明涉及一種電容器結(jié)構(gòu)及其制造方法，該電容器結(jié)構(gòu)具有明顯增大的表面電容。該電容器結(jié)構(gòu)可通過如下方式形成在半導(dǎo)體襯底上設(shè)置層間電介質(zhì)；在所述層間電介質(zhì)中蝕刻溝槽，停止在下面的阻擋層處；在所述溝槽內(nèi)沉積導(dǎo)電材料(即，銅)；以及，在所述溝槽內(nèi)形成導(dǎo)電基座。導(dǎo)電基座增大了電容器的表面積?；男纬煽梢曰蛘呖梢圆焕^以去除阻擋層。通過建立三層介電疊層可以形成高k介電層，三層介電疊層中的頂層和底層為介電泄漏阻擋層，如Al2O3，而中間層可以為高介電常數(shù)層，如Ta2O5。底層和頂層可通過原子層沉積至低厚度來沉積，以實(shí)現(xiàn)高電容量。高k介電層也可通過陽(yáng)極化金屬前體膜(即，將Ta或TaN轉(zhuǎn)換為Ta2O5)來形成。頂電極可通過如下方式形成在溝槽/基座區(qū)域內(nèi)沉積阻擋層和種層，電沉積導(dǎo)電金屬(即，銅)，平整化導(dǎo)電金屬層、阻擋層、高k介電層，停止在層間介電層上?；蛘?，頂電極平整化可停止在先前未去除的阻擋層處。


本發(fā)明的特征是新穎的，且本發(fā)明的元件特性具體地在所附的權(quán)利要求中展現(xiàn)。附圖僅用于說明的目的，而不構(gòu)成限制。然而，本發(fā)明其本身，既包括其構(gòu)造又包括其操作方法，可通過下面參照伴隨附圖的詳細(xì)描述而得到最佳的理解，附圖中圖1A示出了在襯底上通過在上面的層間介電層中蝕刻開口形成單個(gè)內(nèi)嵌金屬互連層次的初始步驟的側(cè)視圖；圖1B示出了在圖1A的開口中沉積內(nèi)襯和導(dǎo)電種層、以電沉積導(dǎo)電層填充加了內(nèi)襯的開口、平整化表面并隨后在平整的表面上沉積帽層的步驟的側(cè)視圖，這些步驟在本領(lǐng)域中公知為“單個(gè)銅內(nèi)嵌(single copperdamascene)”工藝；圖1C示出了在圖1B的結(jié)構(gòu)上沉積第二層間介電層的步驟的側(cè)視圖；圖2A示出了在第二層間介電層中蝕刻第一溝槽的步驟的側(cè)視圖；圖2B示出了在圖2A的結(jié)構(gòu)上沉積阻擋層的側(cè)視圖；圖2B’示出了在圖2A的結(jié)構(gòu)上未沉積阻擋層的本發(fā)明的替換實(shí)施例；圖3A示出了蝕刻透過阻擋層和帽層并停止在下面的導(dǎo)電電沉積層處的窗口的步驟的側(cè)視圖；圖3A’示出了蝕刻透過帽層并停止在下面的導(dǎo)電電沉積層處的窗口的步驟的側(cè)視圖；圖3B示出了圖3A和3A’中形成的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)構(gòu)的尺寸的頂視平面圖；圖4A示出了在圖3A的窗口內(nèi)、僅在下面的導(dǎo)電層的那些暴露部分上化學(xué)鍍導(dǎo)電基座的側(cè)視圖，從而形成包括電沉積層和導(dǎo)電化學(xué)鍍基座的單個(gè)、連續(xù)導(dǎo)電部件，其用于形成所得電容器的底電極；圖4A’示出了在圖3A的窗口內(nèi)化學(xué)鍍導(dǎo)電基座的側(cè)視圖，以形成底電極，而部分的帽層已被選擇性地移除；圖5A至5F示出了使用圖4A的結(jié)構(gòu)形成包括單層高k介電材料的金屬-絕緣體-金屬電容器的工藝步驟的側(cè)視圖；圖5F’示出了使用圖4A’的結(jié)構(gòu)形成包括單層高k介電材料的金屬-絕緣體-金屬電容器的工藝步驟的側(cè)視圖；圖6A至6F示出了使用圖4A的結(jié)構(gòu)形成包括三層高k介電材料的金屬-絕緣體-金屬電容器的工藝步驟的側(cè)視圖；圖6F’示出了使用圖4A’的結(jié)構(gòu)形成包括三層高k介電材料的金屬-絕緣體-金屬電容器的工藝步驟的側(cè)視圖；圖7A和7A’示出了具有多個(gè)(例如5個(gè))導(dǎo)電基座的本發(fā)明的替換實(shí)施例的側(cè)視圖，該多個(gè)導(dǎo)電基座依據(jù)圖1A至4A’所示的工藝步驟形成在溝槽內(nèi)，以形成具有多個(gè)導(dǎo)電基座的單個(gè)、連續(xù)的導(dǎo)電部件；圖7B示出了圖7A和7A’的結(jié)構(gòu)的尺寸的頂視平面圖；以及圖7C至7D示出了具有多個(gè)導(dǎo)電基座的本發(fā)明又一實(shí)施例的頂視平面圖。
具體實(shí)施例方式
在對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的描述中將參照附圖中的圖1A至7D，其中相同的附圖標(biāo)記表示本發(fā)明相同的部件。本發(fā)明的部件不必在附圖中按比例示出。
本發(fā)明公開了一種雙光刻掩模法(two lithographic mask method)，用于開發(fā)高k介電電容器，其利用獨(dú)特改進(jìn)的內(nèi)嵌工藝在溝槽內(nèi)形成導(dǎo)電基座從而增大所得電容器的表面積。為建立電容器而采用的該兩個(gè)掩模是構(gòu)圖溝槽和溝槽內(nèi)的基座所需的。所得結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了具有頂和底金屬電極的高k介電電容器，頂和底金屬電極優(yōu)選都由低電阻率的銅構(gòu)成。同MOS電容器相比，金屬電極的使用產(chǎn)生了很大電壓范圍上的更高的電壓線性，并且改善了品質(zhì)因數(shù)。銅極板的使用導(dǎo)致了較低的RC延遲和更好的電遷移阻抗(electro-migration resistance)。
由于導(dǎo)電基座形成在溝槽內(nèi)，因此電容器具有增大的表面積。由于溝槽內(nèi)的導(dǎo)電基座而增大的表面積有利地使得電容器具有高電容量C，如下面的公式所示C＝ε0εrd/A其中，ε0為真空介電常數(shù)，ε0＝8.85×10-14F/cm，εr為相對(duì)介電常數(shù)(也稱作介電常數(shù)或“k”)，A為極板的表面積，而d為介電層的厚度。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，同不具有基座的結(jié)構(gòu)相比，底電極基座可增大電容器的表面積大約至少40％或更大。集成設(shè)計(jì)還避免了所得電容器的頂電極與底電極之間的短路，以及避免了為形成電容器內(nèi)的通孔接觸而在襯底上建立表面形貌的額外的步驟。
根據(jù)本發(fā)明參照?qǐng)D1A至7D的描述，將使本發(fā)明得到更好的理解。
圖1A示出了在襯底上形成單個(gè)內(nèi)嵌金屬互連層的初始步驟。如圖所示，第一層間介電(ILD)層12設(shè)置在襯底層10上。ILD層12可包括諸如SiO2、Si3N4、氟化硅玻璃(FSG)、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、如SiLK、摻碳氧化物等的低k電介質(zhì)的材料，而襯底層10可包括諸如硅、Si3N4、或下面的Cu/Al互連層上的蝕刻停止層的材料。ILD層可通過已知技術(shù)沉積，包括化學(xué)汽相沉積(CVD)法、濺射或用于有機(jī)物的旋涂法。在ILD層12形成于襯底10上以后，通過使用ILD層12上的掩模構(gòu)圖ILD層、接著蝕刻ILD層12的暴露部分，在ILD層12中形成第一溝槽開口14。開口14可形成至約0.1μm至約7.0μm范圍的深度，而x、y方向的尺寸的范圍在約5μm至約400μm，優(yōu)選尺寸約為12μm乘50μm。
接著，可在開口14中形成包括內(nèi)襯層(liner layer)或種層(seed layer)(內(nèi)襯/種層)16的阻擋層，用于保形地覆蓋開口14中的所有側(cè)壁。內(nèi)襯16可包括鉭、氮化鉭或其組合物，如本領(lǐng)域所知，而種層可包括啟動(dòng)例如銅、鎳等的鍍覆的層。內(nèi)襯/種層16可通過已知技術(shù)沉積至約100至約5000的厚度，該技術(shù)包括(但不限于)濺射。
當(dāng)內(nèi)襯/種層16保形地覆蓋了開口14的所有側(cè)壁時(shí)，電鍍導(dǎo)電金屬(層18)，以填滿空腔，接著通過平整化去除所有多余的導(dǎo)電材料，并提供結(jié)構(gòu)的平整表面。優(yōu)選的導(dǎo)電金屬為銅。然后，可保形地在整個(gè)平整表面上設(shè)置帽層20至約100至約5000的厚度。帽層20可包括諸如Si3N4等的材料。因此，單內(nèi)嵌金屬層C1(圖7B)，即導(dǎo)電層18，形成在襯底上，如圖1B所示。
如圖1C所示，當(dāng)形成了帽層20時(shí)，隨后在整個(gè)結(jié)構(gòu)上通過CVD沉積第二ILD層22至約0.1μm至約7.0μm的深度，優(yōu)選為4μm。第二ILD層22可包括諸如SiO2、Si3N4、FSG、PSG、如摻碳氧化物、SiLK等的低k電介質(zhì)的材料。然后，將第二溝槽24蝕刻至第二ILD層22內(nèi)(圖2A)，停止在帽層20的頂面，從而暴露帽層20的一部分。溝槽在第二ILD層20的直接位于導(dǎo)電層18上方的部分中蝕刻，使得第二溝槽24的x、y尺寸等于或小于導(dǎo)電層18的x、y尺寸，即從約3μm至398μm，優(yōu)選約為10μm×48μm。這樣，第二溝槽24就位于導(dǎo)電金屬區(qū)域內(nèi)。此第二溝槽24可通過已知技術(shù)蝕刻，包括例如使用如CHF3、CF4等的氣體的反應(yīng)離子蝕刻。根據(jù)本發(fā)明，此溝槽24將用作其中形成電容器結(jié)構(gòu)的空腔?；蛘撸诙喜?4可以比下面的金屬層18大。在溝槽蝕刻期間的微成槽(micro-trenching)中，阻擋層20下的層12的出現(xiàn)對(duì)于形成尺寸比導(dǎo)電層18小的溝槽24至關(guān)重要，如圖2A和2B’所示。
當(dāng)在第二ILD層中形成了溝槽24時(shí)，可選擇地在結(jié)構(gòu)上沉積阻擋層，以保形地覆蓋結(jié)構(gòu)的整個(gè)表面，以及第二溝槽內(nèi)的側(cè)壁，如圖2B所示。或者，在優(yōu)選實(shí)施例中，無阻擋層沉積在結(jié)構(gòu)之上，如圖2B’所示。對(duì)于阻擋層26沉積在結(jié)構(gòu)上，其直接沉積在帽層20的暴露部分上，從而直接與帽層的這些暴露部分相接觸。阻擋層26可包括諸如Si3N4等的材料，通過諸如PECVD的已知技術(shù)沉積至約100至約5000的厚度。根據(jù)本發(fā)明，阻擋層26防止了后續(xù)步驟中諸如銅擴(kuò)散的金屬擴(kuò)散。
如圖3A、3A’和3B所示，當(dāng)形成第二溝槽24時(shí)，透過帽層20蝕刻窗口34，從而暴露導(dǎo)電層18的將要形成用于本發(fā)明的電容器的基座結(jié)構(gòu)的部分。在此期間，在第二溝槽24的底部形成掩模，然后利用僅對(duì)帽層20具有選擇性而對(duì)于導(dǎo)電層18不具有選擇性的蝕刻劑去除帽層20的暴露部分(圖3A’)?；蛘撸鐖D3A所示，在第二溝槽24的底部形成掩模，從而蝕刻阻擋層26并隨后蝕刻帽層20。蝕刻劑可包括諸如CHF3、CF4等的氣體。窗口34蝕刻成x、y尺寸在約1μm×10μm至約100μm×300μm的范圍，優(yōu)選為約4μm×40μm。
圖3B示出了圖3A和3A’中的窗口34形成后的頂視平面圖。如圖所示，窗口34的x、y尺寸小于第二溝槽24的x、y尺寸，使得窗口34完全在第二溝槽的線條區(qū)域中。類似地，第二溝槽24具有小于導(dǎo)電線條18的x、y尺寸，使得第二溝槽24完全在導(dǎo)電層的線條區(qū)域內(nèi)。例如，如圖3B所示，導(dǎo)電層18(C1)具有12μm×50μm的x、y尺寸，第二溝槽24(T1)具有10μm×48μm的x、y尺寸，而窗口34(T2)具有4μm×40μm的x、y尺寸。如此，窗口34的側(cè)邊緣35至少在第二溝槽24的側(cè)邊緣25之內(nèi)3μm。距離溝槽邊緣的這一距離可以變化，以實(shí)現(xiàn)多基座結(jié)構(gòu)。當(dāng)溝槽24比導(dǎo)電層18大時(shí)，窗口34完全在第二溝槽的線條區(qū)域內(nèi)。
參照?qǐng)D4A和4A’，在形成了窗口34從而暴露出下面的導(dǎo)電層18的部分后，在暴露的層18上選擇性地沉積金屬層，從而與導(dǎo)電層18相接觸，并形成具有約0.1μm至約6.0μm范圍的高度的本發(fā)明的導(dǎo)電基座40，優(yōu)選高度約為3μm。此導(dǎo)電基座40是本發(fā)明的關(guān)鍵方面，因?yàn)槠溆糜跇?gòu)成具有增大的面積的電容器。金屬層可包括與下面的導(dǎo)電層18相同的材料，或者可選地，可包括諸如Ni-Au的不同的導(dǎo)電材料。金屬層可通過已知的選擇性沉積技術(shù)沉積。導(dǎo)電基座也可通過諸如銅的導(dǎo)電層的電鍍或模板鍍(pattern plating)(也即本領(lǐng)域所知的透抗蝕劑鍍(through-resist plating))建立。例如，銅可直接通過已知的化學(xué)鍍技術(shù)僅沉積在暴露的導(dǎo)電層18上，同樣優(yōu)選使用銅，以形成導(dǎo)電銅基座40。在其中未在結(jié)構(gòu)上設(shè)置阻擋層26的實(shí)施例中(圖3A’)，可執(zhí)行覆蓋阻擋蝕刻工藝(blanket barrier etch process)以在導(dǎo)電層18上形成導(dǎo)電基座40后去除帽層的20的暴露部分。此覆蓋阻擋蝕刻工藝對(duì)導(dǎo)電基座40和導(dǎo)電層18的導(dǎo)電材料具有選擇性，從而僅去除帽層20。
如此，圖4A和4A’中示出的所得結(jié)構(gòu)提供了具有用于形成電容器的導(dǎo)電基座40的單個(gè)連續(xù)導(dǎo)電部件42，而單個(gè)導(dǎo)電部件42通過組合導(dǎo)電的電鍍層18和導(dǎo)電基座40形成。
根據(jù)本發(fā)明，然后可使用單個(gè)導(dǎo)電部件42形成各種不同的電容器(圖4A和4A’)，而導(dǎo)電基座40用作所得電容器的底電極?？蓸?gòu)成的電容器包括金屬-絕緣體-金屬電容器等內(nèi)的單層、雙層、或三層或多層介電材料。
參照?qǐng)D5A至5F’，示出了用于形成包括單層高k介電材料的電容器的工藝步驟。當(dāng)形成了單個(gè)、連續(xù)導(dǎo)電部件42后，可在襯底的表面上保形地沉積阻擋層50，接著在阻擋層50上保形地沉積前體膜60(圖5A)。阻擋和前體膜的厚度可從約50至約5000變化。阻擋膜防止下面的連續(xù)導(dǎo)電部件42的導(dǎo)電基座40與上面的前體膜60之間的界面接觸。阻擋膜50可包括(但不限于)鎢、鉬等，而前體膜60可包括(但不限于)氮化鉭(TaN)、鉭、鋁、銻、鉍、鉿、鈮、鈦、鎢、釔、鋯等。優(yōu)選阻擋膜為鎢而前體膜為TaN。
如圖5B所示，具有高k介電層的電容器隨后形成于單個(gè)導(dǎo)電部件上，優(yōu)選通過陽(yáng)極氧化。此高k介電層利用通過阻擋層從下面的導(dǎo)電基座隔開的前體膜的陽(yáng)極氧化產(chǎn)生。前體膜可包括(但不限于)諸如TaNx、Ta、TaSix、Hf、A1、Sb、Bi、Hf、Nb、Ti、W、Y和Zr的材料。優(yōu)選，基于陽(yáng)極氧化電壓與TaN前體膜60的厚度之間的關(guān)系，部分地或完全地氧化TaN前體膜60。如此，形成了高k、低泄漏的介電膜62，優(yōu)選包括Ta2O5膜。依據(jù)形成具有高k介電層的電容器的實(shí)施例產(chǎn)生的陽(yáng)極氧化物和/或高k介電膜包括(但不限于)Nb2O5、Ta2O5、TiO2、WO3、Y2O3、ZrO3等。
除去形成單層高k介電材料外(圖5A至5F’)，可如圖6A至6F’所示地形成多層高k介電金屬-絕緣體-金屬電容器。如圖6A所示，在形成了單個(gè)、連續(xù)導(dǎo)電部件42時(shí)，阻擋層50保形地沉積在襯底的表面上，接著在阻擋層上保形地沉積另一層外封膜160(厚度與阻擋層的厚度可比)。阻擋層50和外封層160防止了下面的連續(xù)導(dǎo)電部件42的導(dǎo)電基座40與順序的高k介電沉積工藝之間的接觸。阻擋層50可包括鎢、TaN等，而外封膜160可包括TaN、氮化鈦(TiN)等。優(yōu)選阻擋膜和外封膜為TaN。
如圖6B所示，多層或單層高k介電疊層隨后形成在單個(gè)導(dǎo)電部件42上。三層介電疊層包括直接位于中間高k介電層165之上的頂部低泄漏介電層163A，高k介電層165順序在底部低泄漏介電層163之上。低泄漏層163和163a可通過已知的沉積技術(shù)形成，包括(但不限于)例如金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)；等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)等。
用于低泄漏層的沉積的優(yōu)選方法為原子層沉積(ALD)。ALD整體上為保形工藝，其中反應(yīng)物在彼此通過吹清氣體隔開的脈沖中提供。每個(gè)反應(yīng)物脈沖化學(xué)地與晶片表面反應(yīng)，由此提供了固有的更好地控制，以實(shí)現(xiàn)精確的單層生長(zhǎng)。低泄漏層163和163A可由包括Al2O3、Si3N4等的材料構(gòu)成，而高k層165可包括Ta2O5、Si3N4、SiO2、HfO2等。中間層165可通過MOCVD、ALD等沉積，以提供包括直接位于Ta2O5層165上的Al2O3層163A(該兩層按順序直接在Al2O3層163上)的所得三層疊層。介電層的厚度可基于電容量的需求從約10至約1000變化?？墒褂玫奶鎿Q的介電膜包括(但不限于)Si3N4/Ta2O5、Al2O3/Ta2O5、Al2O3/HfO2、Si3N4/HfO2、SiO2/Ta2O5、SiO2/HfO2的雙層疊層、或諸如Al2O3、Ta2O5、HfO2、SiO2、Si3N4等的單層高k介電層。
在圖5B的單個(gè)陽(yáng)極化介電層62或圖6B的多組成介電層163A、165和163形成在具有基座40的導(dǎo)電部件42上之后，隨后直接在單層介電層或三層介電層上沉積阻擋/種層64。優(yōu)選阻擋/種層64為通過已知技術(shù)沉積至約50至約5000范圍內(nèi)的厚度的鉭、氮化鉭和銅。
圖5C至5F和6C至6F介紹了頂電極制造的工藝步驟。如圖所示，優(yōu)選為銅的導(dǎo)電金屬層66隨后通過已知的電沉積技術(shù)沉積至一定厚度，從而覆蓋Ta/TaN/Cu種層64，并至少填充直接位于單個(gè)連續(xù)導(dǎo)電部件42之上的、在圖5C和6C中以附圖標(biāo)記67表示的暴露區(qū)域。此電鍍銅層66將用在后續(xù)步驟中，用于形成所得電容器的頂電極。然后，拋光電鍍銅層66，例如通過化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，從而平整化結(jié)構(gòu)的表面?；瘜W(xué)機(jī)械拋光繼以通過后續(xù)的拋光Ta/TaN/Cu種層64的平整化，接著拋光圖5B的Ta2O5高k介電膜62單層或圖6B的低泄漏介電層163A、高k介電層165、低泄漏介電層163的三層?；瘜W(xué)機(jī)械拋光通過拋光阻擋層50、150而繼續(xù)，停止在第二ILD層22上。
在包括阻擋層26的結(jié)構(gòu)中(圖4A和5A至5F)，當(dāng)?shù)竭_(dá)阻擋拋光停止層26時(shí)停止前述的拋光步驟。然后在結(jié)構(gòu)的平整表面上沉積第二帽層68至從約100至約5000的厚度(圖5D和6D)。此第二帽層68優(yōu)選包括與第一帽層20相同的材料，因此導(dǎo)致了單個(gè)連續(xù)帽層70，如圖5E和6E所示，其電學(xué)地將所得電容器100的頂電極90從電容器100的底電極42隔離開。優(yōu)選，此第一和第二帽層20、68為氮化硅層。
參照?qǐng)D5F和6F，在連續(xù)帽層70上設(shè)置ILD層80，并且順序地在結(jié)構(gòu)中設(shè)置接觸85、86。該些接觸可包括(但不限于)內(nèi)嵌銅或鎢，而第一接觸85與頂電極90直接接觸，第二接觸86與底電極42直接接觸。如圖5F所示，所得的結(jié)構(gòu)為具有單層高k介電層62(圖5B)的雙重內(nèi)嵌通孔接觸，或者，所得的結(jié)構(gòu)為具有低泄漏介電層163A、高k介電層165、低泄漏介電層163的三層(如圖6F所示)的雙重內(nèi)嵌通孔接觸。
圖5F’示出了依據(jù)上述與圖5A至5F相關(guān)的說明在不具有設(shè)置在結(jié)構(gòu)(圖3A’)上的阻擋層26的襯底上(如圖4A’所示)制造的具有單層高k介電層62的雙重內(nèi)嵌通孔接觸。類似地，圖6F’示出了依據(jù)上述與圖6A至6F相關(guān)的說明在不具有設(shè)置在結(jié)構(gòu)(圖3A’)上的阻擋層26的襯底上(如圖4A’所示)制造的具有低泄漏介電層163A、高k介電層165、低泄漏介電層163的三層的雙重內(nèi)嵌通孔接觸。
因此，本發(fā)明有利地提供了溝槽內(nèi)的基座，從而增大了溝槽內(nèi)的表面積，并由此為建立所得電容器增大了電容量。例如，在圖5F’所示的實(shí)施例中，所得電容器的總電容量與其中不具有基座或空腔的同尺寸結(jié)構(gòu)相比明顯增大。從下面與使用圖3B的尺寸的圖5’的單基座40結(jié)構(gòu)相關(guān)的表，可更加容易地理解結(jié)構(gòu)表面積的增大。如表中所示，在本實(shí)施例中，溝槽側(cè)壁和底部、以及基座40側(cè)壁和頂面x、y尺寸的組合提供了用于形成電容器的1208μm2的總表面積。相比，在相同的尺寸下，無基座且其中僅溝槽的底部通常用于建立電容器的傳統(tǒng)電容器(溝槽40底部的x、y尺寸為10μm×48μm(T1))(見圖3B)提供了480μm2的表面積用于建立電容器。因此，在溝槽內(nèi)使用本案的單基座40增加了用于建立電容器的表面積電容量至少2.5倍。因此，在圖5F所示的實(shí)施例中(具有阻擋層26)，電鍍導(dǎo)電層18上的阻擋層的出現(xiàn)減小了總體電容量，因?yàn)榫哂休^低介電常數(shù)的層的出現(xiàn)。
單基座結(jié)構(gòu)表面積

參照?qǐng)D7A，7A’至7D，在本發(fā)明的另一方面中，可在多個(gè)溝槽34(T2)內(nèi)建立多個(gè)導(dǎo)電基座40，從而再進(jìn)一步增大用于建立電容器的表面積。此多個(gè)導(dǎo)電基座40可具有各種形狀和尺寸，如圖7B至7D的頂視平面圖所示。
例如，如圖7A，7A’至7B所示，可在五個(gè)窗口(T2)內(nèi)建立五個(gè)基座40。增大的表面積的結(jié)果顯示在下表中。溝槽側(cè)壁和底以及五個(gè)基座40的側(cè)壁和頂面的組合的x、y尺寸提供了用于建立電容器的2174μm2的總表面積。如上，相同尺寸的傳統(tǒng)電容器(具有10μm×48μm(T1)的溝槽底部x、y尺寸)提供了480μm2的表面積用于建立電容器。于是，與相同尺寸的傳統(tǒng)橫向電容器相比，在溝槽(T1)內(nèi)使用五個(gè)基座40增大了表面積4.5倍。因此，對(duì)于在溝槽中建立多個(gè)基座40的情況，所得的電容器的表面積顯著地增大，從而提供了明顯更高的電容量。另外，電鍍導(dǎo)電層18上阻擋層的出現(xiàn)明顯降低了總體電容量，因?yàn)榫哂休^低介電常數(shù)的層的出現(xiàn)。
五個(gè)基座結(jié)構(gòu)表面積

因此，本發(fā)明建立了具有金屬電極的高k介電電容器。根據(jù)本發(fā)明，意外地發(fā)現(xiàn)通過在溝槽內(nèi)設(shè)置至少一個(gè)基座，可實(shí)現(xiàn)具有增大的表面的多種具有更高電容量的新型結(jié)構(gòu)。多組成高k介電膜(上述)的新穎使用明顯改善了電學(xué)性能(低泄漏電流和高擊穿電壓)，并產(chǎn)生了很高的電容量。使用原子層沉積提供了保形的高k介電薄膜，其可以制造具有5至20fF/μm2的高電容量密度的器件。該結(jié)構(gòu)的幾何形狀防止了電容器的頂電極與底電極之間的短路。銅電極的內(nèi)嵌工藝提供了很高的品質(zhì)因數(shù)、很低的串聯(lián)電阻，并改善了電遷移阻抗。
雖然已經(jīng)對(duì)本發(fā)明結(jié)合具體的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在前面描述的基礎(chǔ)上可進(jìn)行多種替代、改動(dòng)和變化是顯而易見的。因此，希望所附的權(quán)利要求將包括這種屬于本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)的替代、改動(dòng)和變化。
權(quán)利要求
1.一種形成電容器的方法，包括在襯底上設(shè)置層間電介質(zhì)；在所述層間電介質(zhì)中蝕刻溝槽；在所述溝槽內(nèi)沉積導(dǎo)電材料；在所述溝槽內(nèi)形成至少一個(gè)導(dǎo)電基座，其直接位于所述導(dǎo)電材料的暴露部分上，用于增大所述電容器的表面積，從而使得所述電容器能夠具有明顯更高的電容量，所述導(dǎo)電材料和所述至少一個(gè)導(dǎo)電基座形成了連續(xù)導(dǎo)電部件；沉積至少一層高k介電層；以及使用所述連續(xù)導(dǎo)電部件形成所述電容器的至少一個(gè)電極。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電容器還包括下面的阻擋層，而所述溝槽蝕刻停止在所述下面的阻擋層的頂面處。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在溝槽內(nèi)形成基座后去除下面的阻擋層的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底從由硅襯底、Si3N4襯底和互連層的蝕刻停止層構(gòu)成的組中選取。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中溝槽的側(cè)壁和底面以及所述溝槽中的所述至少一個(gè)導(dǎo)電基座的側(cè)壁和頂面一同增大了所述電容器的所述表面積。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一個(gè)導(dǎo)電基座形成為至底導(dǎo)電材料的延伸，從而形成單個(gè)連續(xù)底電極。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一個(gè)導(dǎo)電基座通過導(dǎo)電金屬的化學(xué)鍍形成。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一個(gè)導(dǎo)電基座通過銅的電鍍形成。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在多個(gè)溝槽內(nèi)形成多個(gè)導(dǎo)電基座，從而最大化所述電容器的表面積。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述多個(gè)導(dǎo)電基座具有各種形狀和尺寸。
11.一種形成電容器的方法，包括在襯底上設(shè)置第一層間電介質(zhì)；在所述第一層間電介質(zhì)中蝕刻第一溝槽；在所述第一溝槽內(nèi)沉積第一導(dǎo)電材料；至少在所述導(dǎo)電材料上沉積第二層間電介質(zhì)；在所述溝槽內(nèi)的所述第一導(dǎo)電材料上的所述第二層間電介質(zhì)中蝕刻第二溝槽，從而暴露下面的所述第一導(dǎo)電材料的部分；在所述暴露的第一導(dǎo)電材料上沉積第二導(dǎo)電材料以在所述第一和第二溝槽內(nèi)形成導(dǎo)電基座，從而增大所述電容器的表面積，使得所述電容器能夠具有明顯更高的電容量，所述第一導(dǎo)電材料和所述導(dǎo)電基座形成了用于形成所述電容器的單個(gè)連續(xù)導(dǎo)電部件；在所述單個(gè)連續(xù)導(dǎo)電部件上沉積至少一層高k介電層；以及使用所述單個(gè)連續(xù)導(dǎo)電部件形成所述電容器。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括以阻擋層保形地涂覆所述第一溝槽。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括以阻擋層保形地涂覆所述第二溝槽。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括步驟在所述第一溝槽內(nèi)的所述第一導(dǎo)電材料上沉積帽層；沉積所述第二層間電介質(zhì)；在所述第二層間電介質(zhì)中蝕刻所述第二溝槽，從而暴露所述帽層；以及蝕刻所述帽層的掩模部分，從而暴露所述第一導(dǎo)電材料的所述下面的部分。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括使用所述單個(gè)連續(xù)導(dǎo)電部件的所述溝槽內(nèi)的所述導(dǎo)電基座形成所述電容器的底電極。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括使用所述單個(gè)連續(xù)導(dǎo)電部件的所述第一導(dǎo)電材料形成所述電容器的頂電極。
17.一種電容器，包括層間電介質(zhì)，在襯底上；溝槽，在所述層間電介質(zhì)中；導(dǎo)電材料，在所述溝槽內(nèi)；至少一個(gè)導(dǎo)電基座，在所述溝槽內(nèi)，直接位于所述導(dǎo)電材料的暴露部分上，所述至少一個(gè)導(dǎo)電基座增大了所述電容器的表面積，從而使得所述電容器能夠具有明顯更高的電容量，所述導(dǎo)電材料和所述至少一個(gè)導(dǎo)電基座構(gòu)成了連續(xù)導(dǎo)電部件；至少一層高k介電層；以及至少一個(gè)所述電容器的電極，連接至所述連續(xù)導(dǎo)電部件。
18.如權(quán)利要求17所述的電容器，其中導(dǎo)電材料和至少一個(gè)導(dǎo)電基座由相同的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
19.如權(quán)利要求17所述的電容器，其中導(dǎo)電材料和至少一個(gè)導(dǎo)電基座由不同的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求17所述的電容器，其中高k介電層包括單層高k介電層。
21.如權(quán)利要求17所述的電容器，其中高k介電層包括多層高k介電層。
22.如權(quán)利要求21所述的電容器，其中多層高k介電層包括頂層、中間層和底層。
23.如權(quán)利要求17所述的電容器，其中所述電容器在多個(gè)溝槽內(nèi)包括有多個(gè)具有各種形狀和尺寸的導(dǎo)電基座，從而最大化所述電容器的表面積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電容器及其制造方法，該電容器為具有高k介電層的特殊類型的高表面積BEOL電容器。這些高表面積BEOL電容器可用于模擬和混合信號(hào)應(yīng)用中。電容器形成在溝槽內(nèi)，溝槽內(nèi)具有基座以增大表面。頂電極和底電極使用內(nèi)嵌集成設(shè)計(jì)建立。介電層創(chuàng)建為包括例如Al
文檔編號(hào)H01L21/316GK1507033SQ200310118730
公開日2004年6月23日 申請(qǐng)日期2003年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月13日
發(fā)明者道格拉斯·D·庫(kù)爾鮑, 約翰·M·科蒂, 埃貝尼澤·E·伊舒恩, 肯尼思·J·斯坦, 理查德·P·沃蘭特, 庫(kù)納爾·韋德, J 斯坦, P 沃蘭特, 韋德, M 科蒂, 澤 E 伊舒恩, 道格拉斯 D 庫(kù)爾鮑 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司