專利名稱：增加金屬－絕緣體－金屬電容器的單位面積電容密度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種電容器的結(jié)構(gòu)及其制造方法。更明確地說，本發(fā)明為有關(guān)于一種堆疊式多層金屬電容的結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
長久以來，增加金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的單位面積的電容值密度，一直是制造工程師所追求的目標(biāo)，以符合微小化的要求。完成此目標(biāo)的一方法為開發(fā)高介電常數(shù)(k)的材料，例如Ta2O5以加入該MIM電容器中。然而，此方法需要額外的沉積工具、避免交叉污染的絕緣制程步驟以及新材料的整合制程的時(shí)間及人員上的投資。再者，該高介電常數(shù)材料的引入，造成了泄露電流密度的問題。
如圖1所示，為一傳統(tǒng)金屬-絕緣體-金屬電容器的結(jié)構(gòu)，其僅具有單層(金屬1-絕緣體2-金屬3)結(jié)構(gòu)，介于兩金屬電極板的金屬間介電材質(zhì)中，蝕刻多數(shù)介層窗4、5、6、7、8及9供作金屬內(nèi)連線用。其制程為沉積分別包含有底部金屬層、絕緣體層及中間金屬層的三層結(jié)構(gòu)，然后；以傳統(tǒng)微影及蝕刻技術(shù)，蝕刻該中間金屬層及絕緣體作出圖案，其中也可以只部份蝕刻該絕緣層；接著，再以傳統(tǒng)微影及蝕刻技術(shù)，蝕刻該底部金屬層，以作出圖案；隨后，再沉積一金屬間介電材料(IMD)并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，隨后，在該金屬間介電材料中，進(jìn)行多數(shù)個(gè)介層窗圖案蝕刻；然后，沉積鋁并作出圖案，以形成分別經(jīng)由金屬內(nèi)連線4、5、6、7、8及9與底部金屬層及中間金屬層作連接的頂部金屬層。
在該傳統(tǒng)金屬-絕緣體-金屬電容器結(jié)構(gòu)中，由于介層窗會(huì)占用很多金屬間介電材料的空間(即所謂的大間距制程)，所以會(huì)增加電容器阻值。因此，此傳統(tǒng)電容器將耗用較大的電容器面積，提高晶方制造成本。
為此，當(dāng)特性為深次微米規(guī)格時(shí)，明顯地，有必要開發(fā)出一新的MIM電容的制程，以避免上述問題，同時(shí)，增加單位面積的電容值2至3級(jí)數(shù)。其只需要現(xiàn)行的制程設(shè)備，而不必增加額外的開發(fā)努力。也不會(huì)有交叉污染的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種電容器的制造方法，其能增加傳統(tǒng)電容器的每單位面積的電容密度。
本發(fā)明的另一目的在于利用現(xiàn)行制造設(shè)備，而不必引入新的制造設(shè)備，同時(shí)，又能增加電容密度。
本發(fā)明的再一目的為利用現(xiàn)行制造設(shè)備，即可增加電容密度，又避免制程的交叉污染。
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，包含步驟a)依序沉積一底部金屬層、一電容介電層于該底部金屬層上、一中間金屬層于該介電層上；b)利用微影蝕刻法定義中間金屬層與電容介電層；c)以微影蝕刻法定義底部金屬層；d)沉積一金屬層間介電材質(zhì)層于該中間金屬層與該底部金屬層上，并平坦化該金屬間介電材質(zhì)層；e)在該金屬間介電材質(zhì)層中，以圖案蝕刻進(jìn)行多個(gè)介層窗的蝕刻，以相通至底部金屬層與中間金屬層；f)沉積一金屬鎢，以在介層窗內(nèi)形成金屬內(nèi)連線，連接該底部金屬層及該中間金屬層并隨后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨；g)重復(fù)步驟a)至f)，以及，h)沉積一頂部金屬層，圖案蝕刻該頂部金屬層。


圖1為傳統(tǒng)金屬-絕緣體-金屬電容器的剖面結(jié)構(gòu)；圖2A-2F顯示了依據(jù)本發(fā)明第-較佳實(shí)施例所完成的堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器的部份步驟階段剖面圖，圖2F’為圖2F的另一態(tài)樣；圖3為依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例所完成的堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器；圖4A-4D為依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例所完成的堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器的部份步驟的剖面圖；圖5為依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例所完成的另一堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器；及圖6為依據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例所完成的另一堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明為一種堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器的制造方法。此一制造方法較傳統(tǒng)金屬-絕緣體-金屬電容器的制造方法多使用了一沉積第二絕緣體層的步驟，以形成雙層式的堆疊電容器，并藉由圖案蝕刻其頂部金屬層形成金屬連接線，使該雙層堆疊的金屬-絕緣體-金屬電容器如同兩電容器并聯(lián)，進(jìn)而增加整個(gè)電容器面積，而提高其電容值。
參考圖2A-2F以及3，顯示了本發(fā)明的一較佳實(shí)施例的順序步驟的部份剖面示意圖；首先，如圖2A所示，使用傳統(tǒng)物理氣相沉積法(PVD)，例如DC濺鍍法，沉積一層鋁金屬層10，作為底部導(dǎo)電層，其沉積厚度約4000至8000埃。當(dāng)然，也可以采用其他良導(dǎo)體作為該導(dǎo)電層，例如，鋁/銅合金、銅、鎢、鉻/鉑/金合金、鉬/金合金及鈦/鉑/金合金。然后，在該底部導(dǎo)電層上，以化學(xué)氣相沉積(CVD)或電漿化學(xué)氣相沉積(PECVD)制程，以TEOS/O3作為反應(yīng)氣體，沉積一層均勻的二氧化硅層，作為第一介電層11，其沉積厚度約100至1000埃。也可以采用其他高介電常數(shù)的材質(zhì)，例如，Ta2O5、BST、PZT、ONO、SiON、Si3N4等等。接著，在電容介電層11上形成一金屬層12，該金屬層12材質(zhì)例如為鋁、鉭、鈦或其組成物。
然后，再利用微影蝕刻法定義金屬層12及電容介電層11，以，形成介電層11a及金屬層12a。如此，便在電容區(qū)400上形成一底部金屬10-介電層11a-中間金屬層12a電容器的結(jié)構(gòu)，如圖2B所示。
然后，如圖2C所示，以微影蝕刻法定義金屬層10。
接著，如圖2D所示，在金屬層10及金屬層12a上，以電漿CVD法，沉積一層金屬層介電材質(zhì)13，其厚度約20000至24000埃，超出金屬層10的范圍。該介電材質(zhì)13可以為二氧化硅。然后，以化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)磨平該介電材質(zhì)13。然后，在金屬間介電材質(zhì)13中進(jìn)行多數(shù)個(gè)介層窗圖案蝕刻，以形成多數(shù)介電窗t、v、u、x、y及z，這些分別與底部金屬層10與第一電容的中間金屬層12a相通，如圖2E所示。
然后，如圖2F所示，以鎢沉積來填充這些介層窗，以形成內(nèi)連線4’、5’、6’、7’、8’及9’，隨后，以化學(xué)機(jī)械研磨來磨平該金屬間介電材料13與內(nèi)連線4’-9’的頂面。
然后，重復(fù)進(jìn)行圖2A至2F的步驟，隨后，如圖3所示，在所得表面上沉積鋁作為頂部金屬層，利用微影蝕刻法定義出金屬層40及引出金屬層30，金屬層40作用為電容區(qū)400及介層窗區(qū)402的連接線，而第二次沉積的介電材料13’中，除了如同前一圖案蝕刻步驟般地形成的內(nèi)連線4”、5”、6”、7”、8”及9”外，另外形成了引出內(nèi)連線20及22，其隨后連接至引出金屬層30。
因此，于圖3中，可看出，其分別定義出電容區(qū)400、介層窗區(qū)402及引出區(qū)404，而在電容區(qū)400及介層窗區(qū)402上，則定義有相連的金屬連接層40。在電容區(qū)400中，形成了電容406及408。電容406包含底部金屬層10、電容介電層11a及中間金屬層12a，而電容408則包含頂部金屬層14a、電容介電層11a’及中間金屬層12a’。而金屬層12a’則依序經(jīng)由內(nèi)連線6”、7”、8”及9”、金屬連接層40、內(nèi)連線4”及5”、金屬層14b、內(nèi)連線4’、5’與底部金屬層10電氣連接。而金屬層12a則透過內(nèi)連線6’、7’、8’及9’與中間金屬層14a電氣連接。引出金屬層30透過內(nèi)連線20及22與中間金屬層14a電氣連接。因此，圖3的結(jié)構(gòu)可以看出，在引出金屬層30及金屬連接層40間，形成了并聯(lián)的堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器406與408，相較于已知的金屬-絕緣體-金屬電容，增加了電容器面積。
另外，若為大間距制程，也可以直接于沉積內(nèi)連線的步驟(圖2F)中，以鋁來替代鎢，直接進(jìn)行至圖2A的程序，即得到如圖2F’所示的結(jié)構(gòu)。其中，內(nèi)連線4’-9’與中間金屬層14在同一步驟中完成。接著，進(jìn)行后續(xù)步驟，以得到一雙層的堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器。
圖4A-D顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例的部份制程，其中包含一五層的金屬-絕緣體-金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)。其制造方法為先沉積一層底電極金屬層10，作為底部電極板；然后，在其上面，依序分別沉積一層介電材質(zhì)層11a及一中間電極金屬層12a；然后，在金屬層12a上沉積另一介電材質(zhì)層11a’及另一金屬層12a’，如圖4A所示；接著，如同于第一實(shí)施例，分三次圖案蝕刻，金屬-介電材質(zhì)層12a’、11a’；12a、11a；及金屬層10，分別如圖4B-4D所示；然后，如第一實(shí)施例，進(jìn)行如圖2D至2F的步驟，然后，在所得表面上沉積鋁作為頂部金屬層，利用微影蝕刻法定義出金屬層40及30，即可以形成如圖5所示的堆疊式金屬-絕緣物-金屬電容結(jié)構(gòu)。在此堆疊式金屬-絕緣物-金屬電容結(jié)構(gòu)中，一次對(duì)所有的電極(即底電極10、中間電極12a及頂電極12a’)形成所需的接觸。該制程只需要一額外的遮罩層。
因此，由此實(shí)施例所形成的圖5的結(jié)構(gòu)擁有以下兩優(yōu)點(diǎn)(1)除了底部電極以外，所有之電極板均勻可以為阻障金屬層，例如Ti、Ta及其組合物，以替代鋁，而可使用適當(dāng)?shù)慕饘倩蚧衔飦砑訌?qiáng)所完成電容的穩(wěn)定性，并且，也可以使用SiN以進(jìn)一步改良電容密度；(2)于底電極板與基材間的距離不會(huì)改變，即表示對(duì)于RF應(yīng)用時(shí)，不會(huì)有額外的基板效應(yīng)。
圖6顯示了由圖5所衍生的結(jié)構(gòu)。其中，顯示出三層的絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)。若ILD厚度許可，則可以增加更多的”中間電極”，其制造程序可以加以延用。
以上所述為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的申請(qǐng)專利范圍。
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，包含步驟a)依序沉積一底部金屬層、一電容介電層于該底部金屬層上、一中間金屬層于該介電層上；b)利用微影蝕刻法定義中間金屬層與電容介電層；c)以微影蝕刻法定義底部金屬層；d)沉積一金屬層間介電材質(zhì)層于該中間金屬層與該底部金屬層上，并平坦化該金屬間介電材質(zhì)層；e)在該金屬間介電材質(zhì)層中，以圖案蝕刻進(jìn)行多個(gè)介層窗的蝕刻，以相通至底部金屬層與中間金屬層；f)沉積一金屬鎢，以在介層窗內(nèi)形成金屬內(nèi)連線，連接該底部金屬層及該中間金屬層并隨后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨；g)重復(fù)步驟a)至f)；以及h)沉積一頂部金屬層，圖案蝕刻該頂部金屬層。
2.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，該中間金屬層是由鋁、鉭、鈦或其組成物所構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，該底部金屬層及頂部金屬層選自由鋁/銅合金、銅、鎢、鉻/鉑/金合金、鉬/金合金及鈦/鉑/金合金所構(gòu)成的群組之一。
4.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，該金屬層間介電材質(zhì)為二氧化硅。
5.一種堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器的制造方法，包含步驟a)依序沉積一底部金屬層、一電容介電層于該底部金屬層上、一中間金屬層于該介電層上；b)利用微影蝕刻法定義中間金屬層與電容介電層；c)以微影蝕刻法定義底部金屬層；d)沉積一金屬層間介電材質(zhì)層于該中間金屬層與該底部金屬層上，并平坦化該金屬間介電材質(zhì)層；e)在該金屬間介電材質(zhì)層中，以圖案蝕刻進(jìn)行多個(gè)介層窗的蝕刻，以相通至底部金屬層與中間金屬層；f)重復(fù)步驟a)至e)，以及，g)沉積一頂部金屬層，圖案蝕刻該頂部金屬層。
6.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，該中間金屬層系由鋁、鉭、鈦或其組成物所構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，該底部金屬層及頂部金屬層選自由鋁/銅合金、銅、鎢、鉻/鉑/金合金、鉬/金合金及鈦/鉑/金合金所構(gòu)成的群組之一。
8.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，該金屬層間介電材質(zhì)為二氧化硅。
9.一種堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器的制造方法，包含步驟a)連續(xù)沉積一底部金屬層、第一電容介電層于該底部金屬層上、一中間電極金屬層于該介電層上、第二電容介電層于該中間電極金屬層上、及一頂部金屬層于該第二電容介電層上；b)圖案蝕刻該頂部金屬層與該第二電容介電層；c)圖案蝕刻該中間電極金屬層與該第一電容介電層；d)圖案蝕刻該底部金屬層；e)沉積一金屬層間介電材料層，平坦化該介電材料層；f)在該金屬層間介電材料層中，進(jìn)行多個(gè)介層窗圖案蝕刻，以相通頂部金屬層、中間金屬層與底部金屬層；g)沉積一插塞金屬，以在介層窗內(nèi)形成金屬內(nèi)連線，連接該底部金屬層、中間金屬層及該頂間金屬層，隨后進(jìn)行平坦化；h)沉積一引出金屬層，并圖案蝕刻該引出金屬層。
10.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，還包含在步驟b)之前，沉積第三電容介電層，然后，沉積一金屬層。
11.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，該插塞金屬層是由鎢、鉭、鈦或其組成物所構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，該底部金屬層、中間金屬及頂部金屬層系選自由鋁/銅合金、銅、鎢、鉻/鉑/金合金、鉬/金合金及鈦/鉑/金合金所構(gòu)成的群組之一。
13.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，該金屬層間介電材質(zhì)為二氧化硅。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種堆疊式金屬－絕緣體－金屬電容器的制造方法，包含步驟a)依序沉積一底部金屬層、一電容介電層于該底部金屬層上、一中間金屬層于介電層上；b)利用微影蝕刻法定義中間金屬層與電容介電層；c)以微影蝕刻法定義底部金屬層；d)沉積一金屬層間介電材質(zhì)層于該中間金屬層與該底部金屬層上，并平坦化該金屬間介電材質(zhì)層；e)在該金屬間介電材質(zhì)層中，以圖案蝕刻進(jìn)行多個(gè)介層窗的蝕刻，以相通至底部金屬層與中間金屬層；f)沉積一金屬鎢，以在介層窗內(nèi)形成金屬內(nèi)連線，連接該底部金屬層及該中間金屬層并隨后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨；g)重復(fù)步驟a)至f)；及h)沉積一頂部金屬層，圖案蝕刻該頂部金屬層。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1635595SQ20031012287
公開日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2003年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月29日
發(fā)明者史望澄, 林永鋒, 陳真 申請(qǐng)人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司