專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，更具體涉及一種用于半導(dǎo)體器
件的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器。
背景技術(shù)：
由于半導(dǎo)體器件的收縮，需要降低例如電容器等的構(gòu)件所占用的 面積。為調(diào)節(jié)，與形成在靠近半導(dǎo)體襯底體的晶體管層上的相對，電 容器被形成在晶體管(例如金屬層)上。這種電容器的一個例子是在 上電極和下電極之間包含金屬-絕緣體-金屬(MIM)電介質(zhì)的MIM電 容器。
可以使用鋁、銅或其合金形成金屬層。通常，在金屬層上形成蓋 層或抗反射涂層(ARC)，并能用作金屬層上形成的MIM電容器的下 電極。在工業(yè)上，這種ARC材料之一是TiN。當(dāng)理想地使工藝簡單化 而使用ARC作為下電極時，與MIM電介質(zhì)接觸的TiN表面粗糙。粗 糙的TiN表面產(chǎn)生幾何增強的場，其降低了MIM電介質(zhì)的可靠性。由 此，當(dāng)在MIM電容器中使用TiN作為電極時，存在對控制電場均勻性 的特殊需要。
本發(fā)明通過示例的方式而非局限于此來描述，其中類似的參考符 號指相同的元件，其中
圖1描述依照本發(fā)明的實施例的具有下電極的半導(dǎo)體器件的部分 截面圖2描述依照本發(fā)明的實施例的當(dāng)形成第一阻擋層之后的圖1的 半導(dǎo)體器件；
圖3描述依照本發(fā)明的實施例的當(dāng)形成第一電介質(zhì)層和第二阻擋 層之后的圖2的半導(dǎo)體器件；
圖4描述依照本發(fā)明的實施例的當(dāng)形成上電極和蝕刻停止層之后 的圖3的半導(dǎo)體器件；
圖5描述依照本發(fā)明的實施例的當(dāng)形成圖形化光刻膠層的圖4的 半導(dǎo)體器件；
圖6描述依照本發(fā)明的實施例的當(dāng)構(gòu)圖蝕刻停止層、上電極和第 二阻擋層之后的圖5的半導(dǎo)體器件；
圖7描述依照本發(fā)明的實施例的當(dāng)形成第二電介質(zhì)層后的圖6的 半導(dǎo)體器件；
圖8描述依照本發(fā)明的實施例的當(dāng)形成光刻膠層和蝕刻通孔之后 的圖7的半導(dǎo)體器件；
圖9描述依照本發(fā)明的實施例的當(dāng)以導(dǎo)電材料填充通孔之后的圖 8的半導(dǎo)體器件；和
圖10描述依照本發(fā)明的實施例形成的具有晶體管的半導(dǎo)體器件 的部分截面圖。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，圖中的元件是用于簡單化和明確性的 描述，不必畫出尺寸。例如，圖中某些元件的尺寸可相對于其它元件 放大，以幫助促進對本發(fā)明實施例的理解。
具體實施例方式
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，MIM電容器對其下層的粗糙度敏感。通常， 在一個實施例中是TiN層的金屬導(dǎo)線和蓋層形成下電極。(可選地， 僅僅是金屬導(dǎo)線或TiN層形成下電極。)由此，存在使下電極光滑的 需要。盡管可以替代形成平滑層，以增加工藝復(fù)雜性為代價來從MIM 電容器的下部移去金屬導(dǎo)線，然而可選用使用平滑層。因此，不論用 于金屬導(dǎo)線的材料如何，可以使用平滑層。
通過形成平滑層，例如富難熔(金屬)-氮化物層(例如富鈦-氮化
物(TiRN)層)或依照本發(fā)明的實施例的在下電極和/或電容器電介質(zhì) 上具有適當(dāng)平滑度的純金屬層，由于幾何增強的電場的下降以及平滑 的電極，形成具有改進了可靠性的MIM電容器。參照附圖將描述發(fā)明 的實施例。
圖1-9描述了依照本發(fā)明的實施例，進行一系列工藝步驟以形成 MIM電容器的半導(dǎo)體器件5的部分。更具體地，圖l描述了在層間金 屬電介質(zhì)層9和半導(dǎo)體襯底10上形成的第一或底部金屬層或互連層 11。在優(yōu)選實施例中，半導(dǎo)體襯底10為硅。但是，可以使用其它半導(dǎo) 體材料，例如砷化鎵和絕緣體上硅(SOI)。通常，襯底10包括多個 和各種有源半導(dǎo)體器件(例如MOS和/或雙極晶體管)。但是，為了本 發(fā)明的理解，對這些器件的理解不是必須的，因此不描述這些器件。 層間金屬電介質(zhì)層9可以是由任何工藝形成的任何電介質(zhì)材料。例如， 可以是二氧化硅。
在半導(dǎo)體襯底IO上使用物理氣相淀積(PVD)法、化學(xué)氣相淀積 (CVD)、原子層淀積(ALD)、電鍍等方法或其結(jié)合來形成第一導(dǎo) 電層ll。在優(yōu)選實施例中，第一導(dǎo)電層11包括鋁或銅。例如，第一導(dǎo) 電層11可以是銅或銅鋁合金。在一個實施例中，導(dǎo)電層11為近似6000A 的銅鋁合金。在另一實施例中，第一導(dǎo)電層ll主要是銅。此外，第一 導(dǎo)電層ll可實際由多種材料形成。例如在銅鑲嵌金屬化方案中，由鉭 或氮化鉭構(gòu)成的擴散阻擋層通常先于形成銅層而形成。
為了形成圖1的結(jié)構(gòu)，在第一導(dǎo)電層11上通過PVD、CVD、 ALD、 電鍍等及其上述方法的結(jié)合來可選地形成第一蓋層或抗反射涂層 (ARC) 14。優(yōu)選第一蓋層14包括鈦、鉭、氮化物、氮化鉭(TaN)、 氮化鈦(TiN)等。優(yōu)選第一蓋層14為任意的難熔氮化物。在一個實 施例中，第一蓋層14為近似100-1000 A或以上，更具體地，近似200-800 A的TiN且優(yōu)選大約650 A。在另一實施例中，第一蓋層14可以是有 機物。此外，第一蓋層14為可選的。本實施例中，如果形成于第一導(dǎo)
電層11之上并與之接觸，則隨后形成第一平滑層16。圖中所示的實施
例中，第一蓋層14為下電極。但是，如果不存在第一蓋層14或不導(dǎo)
電，則第一導(dǎo)電層ll或其它導(dǎo)電層為下電極。
如圖2所示，在第一蓋層14上通過PVD、 CVD、 ALD、電鍍等 或上述方法的結(jié)合形成第一或底部平滑層16。在另一實施例中，第一 導(dǎo)電平滑層16為大約50-500 A或更具體地，大約100-300 A的難熔金 屬，例如鈦，或富難熔氮化物，例如富鈦氮化物(TiRN) 。 (TiRN的 Ti:N化學(xué)計量比大于1:1。)在一個實施例中，第一導(dǎo)電平滑層16約 為150 A的厚度。
第一導(dǎo)電平滑層16可以是任何具有比第一蓋層或下電極14更低 的表面粗糙度的導(dǎo)電材料。進行了實驗顯示，800 A的TiN具有大約 49 A的(表面)粗糙度，而作為第一蓋層的650 A的TiN和作為第一 導(dǎo)電平滑層的150A的TiRN具有大約25 A的(表面)粗糙度。因此， 在一個實施例中，第一蓋層14是TiN且第一導(dǎo)電平滑層16為TiRN。 優(yōu)選地，平滑層為微粒或非晶層，因為這些層通常比用于第一蓋層的 難熔氮化物更平滑，這是由于當(dāng)在金屬導(dǎo)線上形成難熔氮化物時，通 常形成不像微粒層一樣平滑的柱狀晶粒。
在優(yōu)選實施例中，由于減少了工藝復(fù)雜度，第一蓋層14為通過 PVD形成的TiN層，且第一導(dǎo)電平滑層16為TiRN。為了形成TiRN 層，氬(或其它任何不起反應(yīng)的氣體)流入PVD室并形成等離子體。 氬離子轟擊有污的(poisoned) TiN靶。由于與氮(N)等離子體進行 反應(yīng)形成TiN作為其頂表面，有污的TiN靶為鈦(Ti)靶。當(dāng)氬離子 轟擊時，有污的TiN靶淀積在半導(dǎo)體器件上。由于靶變得耗盡氮，淀 積的膜具有產(chǎn)生富鈦層的更高的鈦含量。該技術(shù)使得技術(shù)人員將淀積 膜的含量從化學(xué)計量的TiN調(diào)節(jié)到鈦，并控制最終的(表面)粗糙度。 由此，第一導(dǎo)電平滑層16可以是TiRN (難熔氮化物)和/或鈦(難熔 金屬)。此外，第一導(dǎo)電平滑層16可以是難熔金屬，例如沒有任何氮
存在的鈦。
在第一導(dǎo)電平滑層16上，使用CVD、 PVD、 ALD等或上述方法 的結(jié)合形成電容器電介質(zhì)層18。在一個實施例中，電容器電介質(zhì)層18 優(yōu)選包含金屬氧化物，其具有高線性度(例如，歸一化的電容變化通 常小于100部件每百萬單位電壓)，例如氧化鉭和氧化鉿。但是，通 常應(yīng)用中，線性度可能較不重要，其它金屬氧化物例如氧化鋯、鈦酸 鋇鍶(BST)和鈦酸鍶比較適合?？蛇x地，可以使用非高介電常數(shù)材料 的絕緣體，例如二氧化硅。這里使用的高介電常數(shù)材料是具有比二氧 化硅更高的介電常數(shù)的材料。電容器電介質(zhì)層18可以是非高介電常數(shù) 材料的電介質(zhì)層。例如，電容器電介質(zhì)層18可以是等離子體增強型氮 化物(PEN)，其為SixNy。但是，隨著縮放電容器電介質(zhì)來改進電容 密度，平滑層的存在更具有優(yōu)勢，因為粗糙度的影響變得更加重要且 表面平滑度的重要性提高。
為了形成圖3的結(jié)構(gòu)，在電容器電介質(zhì)層18上形成第二或上部平 滑層19?？梢酝ㄟ^任何用來形成第一導(dǎo)電平滑層16的工藝來形成第二 導(dǎo)電平滑層19,可以是用于第一導(dǎo)電平滑層16所述的任何材料，且可 以是與第一導(dǎo)電平滑層16所述的相同的尺寸。但是，第一導(dǎo)電平滑層 16和第二導(dǎo)電平滑層19不必通過相同的工藝、相同的材料或相同的尺 寸來形成，盡管使用相同的工藝和/或材料可降低工藝復(fù)雜度。此外， 第二導(dǎo)電平滑層19應(yīng)該具有比隨后形成的第二導(dǎo)電層更低的粗糙度。
如圖4所示，在第二導(dǎo)電平滑層19上形成第二或上部導(dǎo)電層20, 優(yōu)選使用PVD，但是也可使用包括CVD、 ALD或其結(jié)合的其它工藝。 上部導(dǎo)電層20將形成電容器的第二 (上部)電極，由此可由任何導(dǎo)電 材料來形成，例如金屬氮化物(例如氮化鉭和氮化鈦)、導(dǎo)電氧化物 (例如氧化釕和氧化銥)、金屬(例如銅和鋁)、金屬合金、上述結(jié) 合物等。在一個實施例中，上部導(dǎo)電層20包含氮和鉭或鈦之一 (以氮 化鈦或氮化鉭的形式)。
轉(zhuǎn)到圖5，為了隨后蝕刻上部導(dǎo)電層20和第二導(dǎo)電平滑層19，淀 積第一光刻膠層22并構(gòu)圖。當(dāng)使用常規(guī)蝕刻化學(xué)物蝕刻上部導(dǎo)電層20 和第二導(dǎo)電平滑層19之后，形成上電極24 (或第二電極24)，如圖6 所示。
在上電極24形成期間，為了保證上部導(dǎo)電層20和第二導(dǎo)電平滑 層19完全蝕刻，電容器電介質(zhì)層18可能過蝕刻。該過蝕刻可適合降 低電容器電介質(zhì)層18至所需的外部厚度或超過電容器區(qū)域，如果需要 的話。由于電容器電介質(zhì)層18在不是MIM電容器部分的區(qū)域中不完 全去除，金屬氧化物的介電常數(shù)將不合需要的升高MIM電容器外部區(qū) 域的電容。理想地，蝕刻將完全地去除電容器電介質(zhì)層18。但是，如 圖所示的實施例中，這樣做將破壞電容器電介質(zhì)層18、第一導(dǎo)電平滑 層16和/或下電極14的表面的臨界部分。
當(dāng)構(gòu)圖上電極24后，在半導(dǎo)體器件5的上面形成另一光刻膠(未 示出)，以蝕刻第一導(dǎo)電層11、蓋層14、第一導(dǎo)電平滑層16和電容 器電介質(zhì)層18，如業(yè)界所公知，構(gòu)成了如圖6所示的結(jié)構(gòu)。
如圖7所示，在半導(dǎo)體襯底IO上淀積層間電介質(zhì)(ILD) 28。 ILD 可以是任何電介質(zhì)材料，例如使用四乙氧基甲硅垸(TEOS)形成的氟 化的二氧化硅。為了蝕刻ILD層28以形成通孔開口 29，淀積第二光刻 膠層27并構(gòu)圖，如圖8所示。對第二導(dǎo)電層20選擇通孔蝕刻的化學(xué) 制劑?？墒褂贸Ｒ?guī)蝕刻工藝和化學(xué)制劑。
當(dāng)形成通孔開口29后，為了形成如圖9所示的導(dǎo)電通孔30，在 通孔開口 29內(nèi)形成導(dǎo)電材料。在通孔開口 29內(nèi)形成導(dǎo)體以形成對上 電極24和下電極14的接觸。在優(yōu)選實施例中，電鍍銅并化學(xué)機械拋 光背面以形成導(dǎo)電通孔30。 如圖9所示構(gòu)成的MIM電容器具有如下優(yōu)點降低電極(上和下) 和電容器電介質(zhì)之間的表面粗糙度，產(chǎn)生改進的可靠度。此外，更平
滑的界面使得MIM電容器的縮放比例具有更大的范圍。此外，增加了 相關(guān)電介質(zhì)擊穿時間(TDDB)。
如圖所示描述的實施例為MIM電容器，其中上電極24的尺寸比 下電極14的更小。另一實施例中，上電極24可以大到可與下電極14 相比較。在該實施例中，由于接觸位于下電極14的下面，而不是形成 于下電極上面，在下電極14形成之前形成用于下電極14的接觸。相 關(guān)結(jié)構(gòu)沒有明顯地示于圖中，但是通常作為IC互連電路的必要部分存 在于芯片上。
根據(jù)具體實施例描述了效益、其它優(yōu)點和問題的解決方案。但是， 該效益、優(yōu)點或問題的解決方案以及任何那些可導(dǎo)致任何效益、優(yōu)點 或方案發(fā)生或更為重要的元素，沒有解釋為任一或全部權(quán)利要求中所 關(guān)鍵性的、必須的或本質(zhì)的特征或部件。如這里使用的，術(shù)語"包含"、 "組成"或其它任何變化，傾向于覆蓋非派他的包括，由此，由一系 列構(gòu)件構(gòu)成的工藝、方法、項目或設(shè)備不僅包括那些構(gòu)件，而且包括 其它沒有特意地列出或工藝、方法、項目或裝置所固有的那些構(gòu)件。
在前述說明中，參考具體實施例描述了發(fā)明。但是，本領(lǐng)域技術(shù) 人員應(yīng)當(dāng)理解，不脫離以下權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的范圍，可以進 行個中修改和變化。例如，可以使用雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)形成MIM電容器。 此外，盡管相關(guān)于MIM電容器對平滑層的使用進行了教導(dǎo)，平滑層也 可適用于粗糙表面與電介質(zhì)相接觸的任何地方而提升可靠度。例如， 如圖IO所示，可以形成與柵極電介質(zhì)相接觸的平滑層且成為晶體管51 的一部分。半導(dǎo)體器件50包括襯底52。在半導(dǎo)體襯底52內(nèi)，形成源 區(qū)54和漏區(qū)55。晶體管包括源區(qū)54、漏區(qū)55、柵極電介質(zhì)56 (其可 以是任何電介質(zhì)材料，例如高介電常數(shù)材料)，平滑層58 (其優(yōu)選導(dǎo) 電并且可以是前面所述用于平滑層的任何材料)和柵極60 (其可以是
金屬、多晶硅等)。在本實施例中，平滑層與導(dǎo)電層(即柵電極60) 和電介質(zhì)層(例如柵極電介質(zhì)56)相接觸，其中平滑層具有比導(dǎo)電層 小的表面粗糙度。
此外，說明書和附圖是說明性的而非限制性的，且所有的修改都 傾向于包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底上形成的第一電極；在第一電極上形成的第一導(dǎo)電平滑層，其中第一導(dǎo)電平滑層具有比第一電極更小的表面粗糙度；在第一導(dǎo)電平滑層上形成的電介質(zhì)層；和在電介質(zhì)層上形成的第二電極。
2. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，還包括在電介質(zhì)層和第二電極之間形成的第二導(dǎo)電平滑層，其中第二導(dǎo) 電平滑層具有比第二電極更小的粗糙度。
3. 如權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中第二導(dǎo)電平滑層包含難熔金屬。
4. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中第一電極包括第一層和第二 層，其中第一層包含金屬，第二層包含難熔氮化物，且第二電極包括 金屬。
5. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件， 熔氮化物。
6. 如權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件， 鈦和氮化鉭構(gòu)成的組的材料。
7. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件， 化物。其中第一電極和第二電極包括難其中難熔氮化物包括選自由氮化其中第一導(dǎo)電平滑層包括富鈦氮
8. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中電介質(zhì)層包括高介電常數(shù)材料。
9. 如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中第一電極、第一導(dǎo)電平滑層、電介質(zhì)層和第二電極是金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的一部分。
10. 如權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件，還包括在第一電極上的蓋層，其中蓋層包括難熔氮化物，且第一電極包 括金屬。
11. —種半導(dǎo)體器件包括 導(dǎo)電層；與導(dǎo)電層相接觸形成的平滑層，其中平滑層具有比導(dǎo)電層更小的 表面粗糙度；和與平滑層相接觸形成的電介質(zhì)層。
12. 如權(quán)利要求ll的半導(dǎo)體器件，其中平滑層包括富鈦氮化物。
13. 如權(quán)利要求12的半導(dǎo)體器件，其中導(dǎo)電層包括氮化鈦，且平 滑層包括鈦。
14. 如權(quán)利要求11的半導(dǎo)體器件，其中導(dǎo)電層、平滑層和電介質(zhì) 層是選自由晶體管和電容器構(gòu)成的組的器件的一部分。
15. 如權(quán)利要求11的半導(dǎo)體器件，其中導(dǎo)電層包括第一層和第二 層，其中第一層包含金屬，第二層包含難熔氮化物。
16. 如權(quán)利要求11的半導(dǎo)體器件，其中電介質(zhì)層是高介電常數(shù)材料。
17. —種半導(dǎo)體器件包括 半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底上形成的第一電極，其中第一電極包括第一層和第 一層之上的第二層，第一層包含金屬，其中第二層包含難熔氮化物；在第一電極上形成的第一平滑層，其中第一平滑層包括富鈦氮化物；在第一平滑層上形成的電介質(zhì)層；和在電介質(zhì)層上形成的第二電極，其中第二電極包括第三層和第三 層之上的第四層，第三層包含難熔氮化物，其中第四層包含金屬。
18. 如權(quán)利要求17的半導(dǎo)體器件，其中難熔氮化物包括選自由氮 化鈦和氮化鉭構(gòu)成的組的材料。
19. 如權(quán)利要求18的半導(dǎo)體器件，其中難熔金屬包括鈦。
20. —種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括-提供半導(dǎo)體襯底； 在半導(dǎo)體襯底上形成第一電極；形成在第一電極上形成的第一導(dǎo)電平滑層，其中第一平滑層具有 比第一電極更小的表面粗糙度；形成在第一平滑層上形成的電介質(zhì)層；和 形成在電介質(zhì)層上形成的第二電極。
全文摘要
通過在下電極(11)和/或電容器電介質(zhì)上形成導(dǎo)電的平滑層(16，19)，形成由于幾何增強電場下降而具有改進的性能和平滑的電極的MIM電容器。在一個實施例中，在由難熔氮化物形成的第一蓋層(14)上形成包括難熔金屬或富難熔金屬氮化物的第一層(16)。此外，在電容器電介質(zhì)上可形成包括難熔金屬(18)或富難熔金屬氮化物的第二層(19)。導(dǎo)電的平滑層(16，19)還可用于其它半導(dǎo)體器件，例如柵極和柵極電介質(zhì)之間的晶體管。
文檔編號H01L21/02GK101160663SQ200480023865
公開日2008年4月9日 申請日期2004年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月23日
發(fā)明者安托尼·香西奧, 珍妮弗·H·莫里松, 阿穆德哈·R·伊魯達亞姆, 馬克·D·格里斯沃爾德 申請人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司