專(zhuān)利名稱(chēng)：集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大規(guī)模集成電路中的電容器結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種“金屬-絕緣體-金屬”構(gòu)型的電容器以及這種電容器的制造方法，屬于集成電路芯片制造加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
“金屬一絕緣體一金屬”(Metal-Insulator-Metal，簡(jiǎn)稱(chēng)MIM)構(gòu)型的電容器是大規(guī)模集成電路的常用器件，特別是用在RFCMOS集成電路。
MIM電容器有多種構(gòu)型，平行板“金屬一絕緣體一金屬”電容器是最常見(jiàn)一種，如美國(guó)專(zhuān)利US6342734、US5406447、US6894364、US6940114，以及中國(guó)專(zhuān)利CN200310102992、CN200410100720、CN200310122877等文獻(xiàn)所揭示。圖1a是集成電路中平行板MIM電容器的基本結(jié)構(gòu)，它只具有“金屬一絕緣體一金屬”單層結(jié)構(gòu)，并在電容器兩金屬電極板與上層互連金屬層之間的介電材質(zhì)中蝕刻多個(gè)通孔104～109，以便引出電容器的二個(gè)電極。其制程為沉積分別包含有底部金屬層101、絕緣體層102及中間金屬層103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103及絕緣體102作出圖案，其中也可以只部分蝕刻該絕緣層102；接著，再以傳統(tǒng)微影及蝕刻技術(shù)，蝕刻該底部金屬層101，以作出圖案；隨后，再沉積一金屬間介質(zhì)材料111并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，隨后，在該金屬間介電材料111中，蝕刻多個(gè)通孔104～109；最后，沉積并作出圖案，以形成分別經(jīng)由金屬內(nèi)連線(xiàn)104、105、106、107、108及109與底部金屬層101及中間金屬層103作連接的頂部金屬層110。
隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，集成度在不斷提高，芯片面積不斷縮小，要求“金屬一絕緣體一金屬”電容器芯片占用面積減小。為保證電路設(shè)計(jì)所需電容值，減小電容器芯片占用面積的途徑有三條一是將金屬間的介質(zhì)厚度減??；二是采用高介電常數(shù)(k)的材料，例如Ta2O5；三是對(duì)電容器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。然而，金屬間的介質(zhì)厚度減薄要求電容器上電極金屬蝕刻不能過(guò)蝕刻MIM介質(zhì)，這是因?yàn)殡娙萜鬟吘夒妶?chǎng)強(qiáng)度較高，蝕刻上電極時(shí)如果過(guò)蝕刻MIM介質(zhì)較多，漏電電流容易穿過(guò)比MIM介質(zhì)質(zhì)量差的金屬隔離介質(zhì)，也會(huì)導(dǎo)致電容器的耐擊穿性能下降。采用高介電常數(shù)Ta2O5的方法需要增加額外的沉積工具、避免交叉污染的絕緣制程步驟以及新材料整合的制程時(shí)間及人員投資，而且高介電常數(shù)材料的引入，容易引起泄露電流密度的問(wèn)題。因此，這兩條途徑的工業(yè)化應(yīng)用具有較大的局限性。
至于第三條途徑，據(jù)申請(qǐng)人檢索，目前關(guān)于MIM電容器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的代表性報(bào)道有US6977198和CN200310122877采用平行板電容堆疊的方法增加電容值，US6423996和US6717193(或CN02820001)提出利用金屬側(cè)壁面增大電容的方法，US6069051在淀積金屬隔離介質(zhì)前先淀積性能好的介質(zhì)來(lái)保護(hù)邊緣，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。
US6977198采用平行板電容堆疊的方法的優(yōu)點(diǎn)是，在幾乎相同芯片面積上電容值可增大一倍，但存在三個(gè)缺點(diǎn)①必須增加一層光刻掩膜板，②制造步驟上也增加了一道介質(zhì)和金屬淀積以及一道光刻和金屬蝕刻，③電容器邊緣長(zhǎng)度增加一倍，邊緣潛在漏電加重。CN200310122877是將US6977198平行板結(jié)構(gòu)做在二層或多層互連金屬上，然后再并聯(lián)，也同樣存在上述的三個(gè)缺點(diǎn)。
US6717193(或CN02820001)是將上電極金屬和下電極金屬做成手指狀或梳狀(Finger)，利用下電極金屬側(cè)壁面與側(cè)壁電極金屬112構(gòu)成側(cè)壁MIM電容器以增大電容值，如圖1b所示。其優(yōu)點(diǎn)是每增加一條Finger，就增加兩個(gè)側(cè)壁電容器，只要Finger之間距離小于下電極高度的一半，總的電容值就會(huì)增加；缺點(diǎn)是①邊緣長(zhǎng)度隨著Finger數(shù)目增加而大幅度增加，邊緣潛在漏電現(xiàn)象加重，②由于上下電極都呈Finger狀，光刻對(duì)準(zhǔn)要求Finger寬度不能太窄，在一定面積內(nèi)不能蝕刻出最多的下電極槽而獲得最大的側(cè)壁電容。
US6423996專(zhuān)利也提到利用金屬側(cè)壁面來(lái)增大電容，如圖1c所示，但缺點(diǎn)是工藝處理之后的下電極側(cè)壁的水平面邊緣太尖銳(Sharp)，容易引起電場(chǎng)集中和尖端放電，電容器擊穿電壓下降；而且，申請(qǐng)人并沒(méi)有提出如何最大程度利用側(cè)壁電容。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，旨在節(jié)約電容器的芯片占用面積，并且有效解決電容器邊緣漏電和尖端放電兩個(gè)技術(shù)難題。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一個(gè)目的，一種集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括下電極金屬、上電極金屬和上層互連金屬，下電極金屬和上電極金屬之間、以及上電極金屬和上層互連金屬之間，均填充有絕緣介質(zhì)，下電極金屬與上層互連金屬之間、以及上電極金屬與上層互連金屬之間，通過(guò)對(duì)應(yīng)的上通孔實(shí)現(xiàn)電連接，使得下電極金屬和上電極金屬分別在上層互連金屬上面形成相應(yīng)的電極引出端，其特征在于所述下電極金屬呈網(wǎng)格狀和/或條形狀排布，其豎直方向的側(cè)表面襯有側(cè)壁金屬層，該側(cè)壁金屬層與下電極金屬共同構(gòu)成電容器的下電極，并且，所述側(cè)壁金屬層的側(cè)表面的上端與下電極金屬的上表面之間以圓弧面平滑過(guò)渡；相應(yīng)地，上電極金屬自上而下罩住下電極，上電極金屬的下表面和側(cè)表面與下電極金屬的上表面以及側(cè)壁金屬層的側(cè)表面之間的間隙內(nèi)部均勻填充有絕緣介質(zhì)，該絕緣介質(zhì)的厚度在各個(gè)方向上比較勻稱(chēng)一致。
進(jìn)一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其中，所述側(cè)壁金屬層在豎直方向上的高度大于或等于下電極金屬的垂直厚度。
更進(jìn)一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其中，在下電極金屬的下方設(shè)置有下層互連金屬，下電極金屬與下層互連金屬之間也填充有絕緣介質(zhì)層，在該絕緣介質(zhì)層的內(nèi)部設(shè)置有下通孔，下電極金屬與下層互連金屬之間通過(guò)該下通孔實(shí)現(xiàn)電連接。
更進(jìn)一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其中，所述側(cè)壁金屬層是Ti(50～150A)/TiN(50～300A)金屬?gòu)?fù)合層，或者是100～300A的Ti或TiN或Ta或TaN或Ta/TaN金屬層。
更進(jìn)一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其中，所述下電極與上電極金屬的內(nèi)表面之間均勻填充的絕緣介質(zhì)是SiO2、SixNy、SiOxNy、HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5或者是SiO2/SixNy復(fù)合介質(zhì)層。
更進(jìn)一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其中，所述下電極金屬是集成電路的倒數(shù)第二層互連金屬，下電極金屬的垂直厚度為3～7μm，其材質(zhì)為Al，或者是Ti/TiN-Al-Ti/TiN復(fù)合金屬層，所述復(fù)合金屬層中Ti的厚度為50～150A，TiN的厚度為50～300A。
再進(jìn)一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其中，所述上電極金屬是厚度為300～4000A的Ti或者TiN或者Ti/TiN復(fù)合層或者Ti/TiN與W或Al的復(fù)合層。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二個(gè)目的，集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法，包括下電極金屬、上電極金屬、上層互連金屬、下電極金屬與上電極金屬之間的MIM介質(zhì)、上電極金屬與上層互連金屬之間的絕緣介質(zhì)以及上通孔的設(shè)置工序，其特征在于首先，下電極金屬淀積之后，按照光照版圖對(duì)其蝕刻，構(gòu)成網(wǎng)格狀和/或條形狀的下電極金屬，使之增加垂直方向的側(cè)表面；然后在蝕刻后的下電極的上表面和側(cè)表面沉積一薄層金屬，該薄層金屬淀積完成之后，采用反應(yīng)離子各向異性法對(duì)其進(jìn)行回蝕，使得該薄層金屬在下電極金屬的垂直側(cè)面形成側(cè)壁金屬層，該新增的側(cè)壁金屬層與下電極金屬合為一體，共同構(gòu)成電容器的下電極，并且，側(cè)壁金屬層的側(cè)表面的上端與下電極金屬的上表面之間以圓弧面平滑過(guò)渡；接著再淀積MIM介質(zhì)和上電極金屬，上電極金屬淀積之后經(jīng)過(guò)蝕刻處理，然后再淀積一層絕緣介質(zhì)，該絕緣介質(zhì)的表面經(jīng)過(guò)平整處理之后再淀積上層互連金屬；最后采用集成電路行業(yè)通用的通孔和金屬處理工藝，用電容器上層互連金屬和上通孔引出電容器的上下兩個(gè)電極。
進(jìn)一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，所述下電極金屬被蝕刻之后，再增加一步下電極金屬下方緊鄰的絕緣介質(zhì)沿垂直方向的蝕刻，然后在蝕刻后的下電極金屬和絕緣介質(zhì)的表面淀積并回蝕薄層金屬，使得形成的側(cè)壁金屬層在豎直方向上的高度大于下電極金屬的垂直厚度。
再一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，在淀積下電極金屬之前，預(yù)先設(shè)置下層互連金屬以及下層互連金屬與下電極之間的絕緣介質(zhì)，并在該介質(zhì)層內(nèi)部設(shè)置下通孔，然后再淀積下電極金屬層。
更進(jìn)一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法，其中 所述側(cè)壁薄層金屬的淀積采用化學(xué)氣相淀積方法，或者采用有機(jī)金屬氧化物化學(xué)氣相淀積方法，或者采用原子層化學(xué)氣相淀積方法； 所述MIM介質(zhì)層是采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法形成的SiO2、SixNy、SiOxNy或者SiO2/SixNy復(fù)合介質(zhì)層，或者是采用原子層化學(xué)氣相淀積法形成的HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5等高介電常數(shù)介質(zhì)層； 所述上電極金屬的淀積采用化學(xué)氣相淀積方法，或者采用有機(jī)金屬氧化物化學(xué)氣相淀積方法，或者采用物理氣相淀積法。
本發(fā)明的突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步主要體現(xiàn)在 (1)本發(fā)明從提高集成電路芯片面積利用率出發(fā)，利用金屬側(cè)壁增加MIM構(gòu)型電容器的有效電容面密度值，將下電極設(shè)計(jì)成網(wǎng)格狀或條形狀，下電極金屬線(xiàn)寬和距離大小在設(shè)計(jì)規(guī)則范圍內(nèi)盡量小，使得在一定設(shè)計(jì)面積下能夠獲得最大的金屬側(cè)壁利用率； (2)本發(fā)明工藝處理過(guò)程中，在對(duì)下電極金屬蝕刻之后，可以進(jìn)一步增加對(duì)下電極金屬與下層互連金屬之間介質(zhì)在垂直方向的蝕刻，完成上述步驟以后再進(jìn)行一次薄層金屬沉積，所沉積的金屬可以為T(mén)i、TiN、Ta金屬層，或者是Ta/TaN、Ti/TiN復(fù)合層，從而在下電極金屬的側(cè)壁新增一層側(cè)壁層。該新增側(cè)壁層再經(jīng)過(guò)回蝕處理，其垂直面的上端與下電極金屬的銜接部位被處理成為非常光滑的過(guò)渡曲面，這樣，不僅使得電容器的芯片占用面積節(jié)約一半以上，而且有效解決了下電極側(cè)壁水平面邊緣尖銳易導(dǎo)致介質(zhì)擊穿電壓降低問(wèn)題； (3)本發(fā)明MIM電容器的下電極采用下層互連金屬層引出，電容器的上電極覆蓋所有下電極，由于這種結(jié)構(gòu)電容器邊緣附近上下兩電極之間的距離大于傳統(tǒng)平行板結(jié)構(gòu)，克服了現(xiàn)有技術(shù)所存在的電容器邊緣漏電的缺點(diǎn)。



圖1a、1b、1c是現(xiàn)有技術(shù)三種MIM電容器的剖面結(jié)構(gòu)； 圖2a是本發(fā)明的一種光罩版圖示意圖； 圖2b是本發(fā)明的另一種光罩版圖示意圖； 圖2c是網(wǎng)格狀下電極設(shè)計(jì)圖案； 圖2d是條形狀下電極設(shè)計(jì)圖案； 圖2e是經(jīng)過(guò)工藝處理之后的風(fēng)格狀下電極圖案； 圖2f是經(jīng)過(guò)工藝處理之后的條形狀下電極圖案； 圖3是本發(fā)明MIM電容器的一種剖面結(jié)構(gòu)； 圖4是本發(fā)明MIM電容器的另一種剖面結(jié)構(gòu)； 圖5是本發(fā)明MIM電容器的側(cè)壁金屬與水平面金屬拐角銜接部位的局部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6a～圖6g是圖4所示MIM電容器剖面結(jié)構(gòu)的主要制造過(guò)程示意圖。
以上各圖當(dāng)中的附圖標(biāo)記的含義是 101-下電極金屬，102-絕緣體，103-上電極金屬，104～109-通孔，110-上層互連金屬，111-介電材料，112-側(cè)壁電極金屬； x01-下層互連金屬，x02-下通孔，x02a-連接下層互連金屬和下電極的下通孔，x02b-連接下層互連金屬和下電極互連金屬的下通孔，x03a-下電極金屬，x03b-下電極互連金屬，x04-上電極金屬，x05-上通孔，x05a-連接上層互連金屬和上電極金屬的上通孔，x05b-連接上層互連金屬和下電極互連金屬的上通孔，x06-上層互連金屬，x06a-上電極金屬在上層互連金屬的引出端，x06b-下電極金屬在上層互連金屬的引出端，以上附圖標(biāo)記中x為2或3； 303c-下電極金屬采用復(fù)合金屬時(shí)的上表層金屬，303d-下電極金屬采用復(fù)合金屬時(shí)的下表層金屬，307-下層互連金屬與下電極金屬之間的介質(zhì)，308-下電極側(cè)壁金屬層，309-MIM介質(zhì)，310-上電極金屬與上層互連金屬之間的介質(zhì)。
本文主要術(shù)語(yǔ)解釋如下 MIM介質(zhì)指MIM電容器上下電極之間的介質(zhì)； 下電極金屬指MIM介質(zhì)下面電極用的金屬層； 下電極互連金屬是集成電路中的互連線(xiàn)，工藝上和下電極金屬是同一層，但蝕刻后與電容器下電極金屬隔離開(kāi)，本發(fā)明電容器中與下通孔、上通孔、上層互連金屬以及下層互連金屬連接，引出電容器下電極； 上電極金屬指MIM介質(zhì)上面電極用的金屬層； 下層互連金屬指下電極下面的最近一層的互連金屬； 下通孔指連接下層互連金屬和下電極金屬、或者下層互連金屬和下電極互連金屬的通孔； 上層互連金屬指上電極上面的最近一層的互連金屬； 上通孔指連接上層互連金屬和上電極金屬、或者上層互連金屬和下電極互連金屬的通孔。

具體實(shí)施例方式 以下將參照附圖更全面地描述本發(fā)明技術(shù)方案，其中示出了本發(fā)明的典型實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同方式來(lái)實(shí)施，而不應(yīng)該被認(rèn)為局限于這里所提出的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例可使本發(fā)明技術(shù)方案公開(kāi)得更徹底、更全面，并且將充分地向本領(lǐng)域技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的保護(hù)范圍。在附圖中，為了清晰起見(jiàn)，有關(guān)的尺寸和形狀可能被加以放大。
如圖2a～圖2f所示，本發(fā)明將電容器下電極203a設(shè)計(jì)成網(wǎng)格狀(圖2a、2c、2e)或者條形狀(圖2b、2d、2f)，下電極金屬203a的線(xiàn)寬和距離大小在設(shè)計(jì)規(guī)則范圍之內(nèi)盡量小，以便在一定設(shè)計(jì)面積下可獲得最大側(cè)壁利用率。下電極203a通過(guò)下通孔202a與下層互連金屬201連接，下層互連金屬201再經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的下通孔202b、下電極互聯(lián)金屬203b和上通孔205b從上層互連金屬206b引出。相應(yīng)地，上電極金屬204通過(guò)對(duì)應(yīng)的上通孔205a被引至上層互連金屬206a。從圖中可以看出，本發(fā)明的上電極204覆蓋所有下電極金屬203a，這是為了能夠克服以前大多數(shù)發(fā)明存在的電容器邊緣漏電的缺點(diǎn)。
圖3、圖4是本發(fā)明MIM電容器的兩種剖面結(jié)構(gòu)。圖3中，自下而上依次是下層互連金屬301、下層互連金屬與下電極金屬之間的介質(zhì)307、下電極金屬303a和下電極互連金屬303b、上電極金屬304、上電極金屬與上層互連金屬之間的介質(zhì)310、上層互連金屬306。在介質(zhì)307內(nèi)部設(shè)有下通孔302a，用于下層互連金屬301與下電極金屬303a之間電連接。而在介質(zhì)310內(nèi)部設(shè)有上通孔305a，用于上電極金屬304與上層互連金屬306a之間電連接，形成上電極金屬在上層互連金屬的引出端306a；同時(shí)，在介質(zhì)310和介質(zhì)307內(nèi)部還分別設(shè)有專(zhuān)門(mén)的上通孔305b和下通孔302a/302b，通過(guò)下電極互連金屬303b和下層互連金屬301將下電極303a引至上層互連金屬306b。下電極303a有兩個(gè)側(cè)面是側(cè)壁金屬層308，側(cè)壁金屬層308的表面以及下電極303a的上表面與上電極金屬304之間均勻填充有MIM介質(zhì)309。圖4的結(jié)構(gòu)與圖3類(lèi)似，不同之處在于，側(cè)壁金屬層308沿豎直方向向下延伸，部分進(jìn)入307介質(zhì)層，其厚度超過(guò)了下電極金屬303a的厚度。圖3和圖4的共同特點(diǎn)是，側(cè)壁金屬層308的表面比較光滑，尤其是該側(cè)表面的上端與下電極的上表面之間呈平滑過(guò)渡，如圖5所示。
下面以形成圖4結(jié)構(gòu)為例，詳述其主要工藝處理步驟。
如圖6a～6g所示，MIM電容器的制造工藝從半導(dǎo)體(或者其它材料上外延半導(dǎo)體)的表面上做好半導(dǎo)體器件以及下互連金屬層以下的通孔和互連后開(kāi)始。首先，按照常規(guī)CMOS工藝步驟做好下互連金屬301及下互連金屬與下電極和下電極互連用的金屬層303之間的介質(zhì)層307，在介質(zhì)層307內(nèi)部設(shè)置下通孔302，然后淀積下電極和下電極互連用的金屬層303，如圖6a所示。通常，金屬層303往往是CMOS集成電路的倒數(shù)第二層互連金屬，該層金屬一般為Al或者Ti/TiN-Al-Ti/TiN復(fù)合金屬層，金屬層的總厚度為3～7μm，Ti厚度為50～150A(埃，10-8厘米)，TiN厚度為50～300A，圖中示意的是Ti/TiN-Al-Ti/TiN復(fù)合金屬層。
接著，按照?qǐng)D2a或2b所示光罩版圖蝕刻金屬層303形成下電極金屬303a和下電極互連金屬303b。然后增加一步介質(zhì)307沿垂直方向的蝕刻，例如采用反應(yīng)離子各向異性法，原則上應(yīng)當(dāng)使得下層互連金屬301上方的介質(zhì)307的厚度H大于500A。這步工藝為選擇項(xiàng)，若不蝕刻介質(zhì)307，將形成圖3所示MIM結(jié)構(gòu)。完成上述兩個(gè)蝕刻過(guò)程之后，截面形狀如圖6b所示。
在圖6b的基礎(chǔ)上，在下電極303a和下電極互連金屬303b以及介質(zhì)307的表面沉積一薄層金屬308，如圖6c所示。新增的這一層金屬層308可以是Ti(50～150A)/TiN(50～300A)金屬?gòu)?fù)合層，也可以是100～300A的Ti或TIN或Ta或TaN或Ta/TaN層，其淀積方法采用臺(tái)階覆蓋性能好的化學(xué)氣相淀積方法(CVD)，或者有機(jī)金屬氧化物化學(xué)氣相淀積方法(MOCVD)以及原子層化學(xué)氣相淀積法(ALCVD)。
采用反應(yīng)離子各向異性法回蝕(etchback)前面淀積的薄層金屬308，直到將下電極金屬303a和下電極互連金屬303b之間、下電極金屬303a之間、下電極互連金屬303b之間以及電容器下電極303a頂部的Ti/TiN蝕刻干凈，如圖6d所示。經(jīng)過(guò)這步工藝處理以后，新增金屬層308與下電極金屬303a合為一體，形成帶有兩個(gè)側(cè)壁的下電極，并且，其側(cè)壁層308的上邊緣變得非常光滑，側(cè)面上Al與Al上下的Ti/TiN金屬層303c和303d的交界面也得到光滑修復(fù)。在此基礎(chǔ)上淀積MIM介質(zhì)309，可使厚度比較均勻，如圖5和6e所示。相比之下，若不采用淀積薄層金屬加回蝕方法對(duì)下電極邊緣進(jìn)行光滑處理(像背景技術(shù)US642399那樣)，電容器在淀積MIM介質(zhì)時(shí)，邊緣的介質(zhì)厚度不均勻，且下電極金屬邊緣很尖銳，這兩者或者兩者中的任何一種因素都會(huì)引起邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度增大，增加了電容器的漏電，降低了電容器的耐擊穿性能。本發(fā)明將下電極邊緣進(jìn)行光滑處理之后，MIM介質(zhì)淀積的厚度比較均勻，電力線(xiàn)也分散，邊緣附近的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，使電容器的耐擊穿特性得到有效提高。
圖6c、6d、6e是本發(fā)明中制造技術(shù)的關(guān)鍵，它新增了側(cè)壁金屬層308，并且形成了光滑的下電極金屬側(cè)面。如果介質(zhì)307被蝕刻，下電極側(cè)壁面積將得到進(jìn)一步增加，即電容值獲得增加。在淀積MIM介質(zhì)309時(shí)，可以采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法(PECVD)形成SiO2、SixNy、SiOxNy或者SiO2/SixNy復(fù)合介質(zhì)層，也可以采用原子層化學(xué)氣相淀積法(ALCVD)形成HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5等高介電常數(shù)介質(zhì)。
接下來(lái)再進(jìn)行電容器上電極金屬304的淀積，如圖6f所示。上電極金屬304的厚度選擇根據(jù)電容器下電極之間的間隙以及下電極互連金屬的最小距離來(lái)定。原則上是上電極金屬304填滿(mǎn)之前較小的間隙，而且保證上電極金屬蝕刻后留在硅片表面的空隙足夠大，以便讓其后的介質(zhì)310填充滿(mǎn)，如圖6g所示?；蛘哌x擇較薄上電極金屬304，使得其淀積后在硅片表面留下的間隙較大，以便保證之后的介質(zhì)310能將所有間隙填滿(mǎn)。上電極金屬304的厚度一般為300～4000A，較薄時(shí)材料可選用Ti、TiN或者Ti/TiN復(fù)合層，較厚時(shí)可用Ti/TiN與W或Al的復(fù)合層。淀積方法采用化學(xué)氣相淀積方法(CVD)或者采用有機(jī)金屬氧化物化學(xué)氣相淀積方法(MOCVD)，對(duì)于Al材料可用物理氣相淀積法(PVD)。
上電極金屬304淀積完成之后經(jīng)過(guò)蝕刻處理，然后再淀積上電極304與上層互連金屬306之間的絕緣介質(zhì)310，并且對(duì)介質(zhì)310的表面進(jìn)行平整，如圖6g所示。操作時(shí)可以采用填充性好的高密度等離子化學(xué)氣相淀積法(HDPCVD)或者等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法(PECVD)淀積SiO2、SiOxFy或者Core、Blank-diamond等低介電常數(shù)介質(zhì)淀積310介質(zhì)層，然后用化學(xué)機(jī)械拋光法(CMP)平整表面；或者用旋圖法(spin-on)淀積SiO2或Silk等低介電常數(shù)介質(zhì)，以作為絕緣介質(zhì)310。
最后，采用IC通用的通孔和金屬工藝，用電容器上層互連金屬306和上通孔305a和305b引出電容器的上下二個(gè)電極，形成圖4所示的剖面結(jié)構(gòu)。其它鈍化層和PAD開(kāi)孔也采用IC通用工藝，本文不贅述。
如上文所述以及圖6b所示，在對(duì)金屬層303與下層互連金屬301之間的介質(zhì)307進(jìn)行垂直方向的蝕刻時(shí)，下層互連金屬301上方的介質(zhì)厚度應(yīng)大于500A。這步蝕刻增大了側(cè)壁面積和側(cè)壁電容，保留一定厚度是為了抑制電容器邊緣漏電。據(jù)估算(詳見(jiàn)下文)，對(duì)于0.15～0.35μm CMOS工藝，每增加3000A厚度的介質(zhì)蝕刻，可以使有效電容面密度增加0.5～1倍。這步改進(jìn)方案為選擇項(xiàng)，不選時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，例如0.18μmCMOS工藝不選擇這步工藝改良時(shí)，電容器的有效電容面密度也比平行板結(jié)構(gòu)的增大一倍以上，選擇后可以增大1.5倍以上。不過(guò)，選擇這步工藝一是要求以后的金屬間介質(zhì)淀積填充性好；二是下電極側(cè)壁金屬和下層互連金屬之間距離增大。當(dāng)然，也可以不增加額外的光刻掩膜板和蝕刻，只增加MIM區(qū)域介質(zhì)307的蝕刻。
本發(fā)明MIM電容器的下電極采用下層互連金屬層引出，電容器的上電極覆蓋所有下電極，上下電極邊緣距離為下電極下方介質(zhì)蝕刻留下的厚度和MIM介質(zhì)之和，不存在背景技術(shù)所述MIM電容器受邊緣漏電限制的缺點(diǎn)?；剡^(guò)頭來(lái)分析US6717193，其Finger結(jié)構(gòu)電容器在增加側(cè)壁電容的同時(shí)也增加了電容器邊緣長(zhǎng)度，每增加一個(gè)Finger或兩個(gè)側(cè)面電容，電容器邊緣長(zhǎng)度共增加四倍finger長(zhǎng)度，潛在邊緣漏電較為嚴(yán)重。換言之，采用US6717193的結(jié)構(gòu)必須增加MIM介質(zhì)厚度并減少上電極蝕刻時(shí)的過(guò)蝕刻，才能保證電容器的耐擊穿性能和低漏電，比較矛盾的是，增加MIM厚度必然又將減少電容值。這種對(duì)比進(jìn)一步表明，本發(fā)明技術(shù)方案很好地解決了電容器邊緣潛在漏電問(wèn)題以及帶來(lái)的MIM厚度限制問(wèn)題。
另外，本發(fā)明MIM電容器的下電極光刻版圖設(shè)計(jì)成網(wǎng)格狀或條形狀，下電極金屬線(xiàn)寬和距離大小在設(shè)計(jì)規(guī)則范圍內(nèi)盡量小，以便在一定設(shè)計(jì)面積下可獲得最多的側(cè)壁。如果工藝上不選用下電極蝕刻后介質(zhì)蝕刻，下電極金屬線(xiàn)寬和距離大小可按照設(shè)計(jì)規(guī)則最小值設(shè)計(jì)。如果為更多增加有效電容密度工藝上選用下電極蝕刻后介質(zhì)蝕刻，那么下電極金屬距離可按照設(shè)計(jì)規(guī)則最小值設(shè)計(jì)，線(xiàn)寬則應(yīng)該略大于下通孔尺寸，以便保證工藝處理之后下電極金屬覆蓋住下通孔。相比之下，US6717193結(jié)構(gòu)的上下電極都用Finger狀，光刻對(duì)準(zhǔn)要求Finger寬度不能太窄，也就是說(shuō)一定面積內(nèi)不能挖出最多的下電極槽獲得最大側(cè)壁電容。
具體實(shí)施時(shí)，本發(fā)明工藝過(guò)程中金屬側(cè)壁的垂直方向的邊一般不會(huì)構(gòu)成直角形狀，通常都是變成圓弧狀，如圖2e、2f所示。在此基礎(chǔ)上淀積MIM介質(zhì)會(huì)更均勻，保證了MIM電容器具有較好的耐擊穿能力。如果圓弧形狀不理想，可以通過(guò)調(diào)節(jié)下電極金屬蝕刻工藝或者調(diào)節(jié)下電極光罩版圖OPC處理工序等方法來(lái)優(yōu)化蝕刻形狀，以保證具有良好耐擊穿性能前提下獲得最大側(cè)壁電容。另外，蝕刻形成下電極金屬時(shí)可以調(diào)節(jié)蝕刻工藝使得下電極金屬略微傾斜(截面成梯形狀)，有利于本發(fā)明具體實(shí)施。
下面對(duì)本發(fā)明MIM電容器電容值的增大倍數(shù)進(jìn)行估算—— 本發(fā)明的電容器與制作在平整化表面的平行板電容器相比，包含了金屬側(cè)壁引起的側(cè)壁電容，電容有效面密度得到提高。假設(shè)網(wǎng)格狀下電極的金屬線(xiàn)寬為w，金屬之間距離為s，金屬厚度為h，則本發(fā)明電容器的電容值與平行板的比值a為 實(shí)際上當(dāng)下電極設(shè)計(jì)為圖2c所示的網(wǎng)格狀時(shí)，工藝處理后正方形空隙會(huì)變成2e所示的形狀，即四個(gè)直角會(huì)變成弧狀，這樣側(cè)壁面積比上述公式計(jì)算結(jié)果要小。假設(shè)最嚴(yán)重時(shí)為圓形，上述公式將變?yōu)? 類(lèi)似地，下電極如果采用條形狀，電容器的電容值與平行板的比值為 對(duì)于0.15～0.35μm鋁互連工藝，一般倒數(shù)第二層金屬厚度h是其最小設(shè)計(jì)規(guī)則尺寸的1.5～2倍，w和s越小，上面三種情況的a值就越大。當(dāng)w＝s＝最小設(shè)計(jì)規(guī)則尺寸時(shí)，a值最大。表1計(jì)算出一組采用典型0.15～0.35μm的CMOS工藝和設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)，本發(fā)明電容器與平行板電容器的電容比值。當(dāng)設(shè)計(jì)為網(wǎng)格狀時(shí)，實(shí)際值應(yīng)該介于正方形網(wǎng)格和圓形網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的數(shù)值之間；采用條形狀時(shí)，也介于二者之間。由表1可見(jiàn)，對(duì)于0.15～0.35μm工藝，本發(fā)明的電容器占用面積可以比平行板結(jié)構(gòu)電容器節(jié)省一半以上，最高可省75％左右的面積。


權(quán)利要求
1.集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括下電極金屬、上電極金屬和上層互連金屬，下電極金屬和上電極金屬之間、以及上電極金屬和上層互連金屬之間，均填充有絕緣介質(zhì)，下電極金屬與上層互連金屬之間、以及上電極金屬與上層互連金屬之間，通過(guò)對(duì)應(yīng)的上通孔實(shí)現(xiàn)電連接，使得下電極金屬和上電極金屬分別在上層互連金屬上面形成相應(yīng)的電極引出端，其特征在于所述下電極金屬呈網(wǎng)格狀和/或條形狀排布，其豎直方向的側(cè)表面襯有側(cè)壁金屬層，該側(cè)壁金屬層與下電極金屬共同構(gòu)成電容器的下電極，并且，所述側(cè)壁金屬層的側(cè)表面的上端與下電極金屬的上表面之間以圓弧面平滑過(guò)渡；相應(yīng)地，上電極金屬自上而下罩住下電極，上電極金屬的下表面和側(cè)表面與下電極金屬的上表面以及側(cè)壁金屬層的側(cè)表面之間的間隙內(nèi)部均勻填充有絕緣介質(zhì)，該絕緣介質(zhì)的厚度在各個(gè)方向上勻稱(chēng)一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述側(cè)壁金屬層在豎直方向上的高度大于或等于下電極金屬的垂直厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其特征在于在下電極金屬的下方設(shè)置有下層互連金屬，下電極金屬與下層互連金屬之間也填充有絕緣介質(zhì)層，在該絕緣介質(zhì)層的內(nèi)部設(shè)置有下通孔，下電極金屬與下層互連金屬之間通過(guò)該下通孔實(shí)現(xiàn)電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述側(cè)壁金屬層是Ti(50～150A)/TiN(50～300A)金屬?gòu)?fù)合層，或者是100～300A的Ti或TiN或Ta或TaN或Ta/TaN金屬層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述下電極與上電極金屬的內(nèi)表面之間均勻填充的絕緣介質(zhì)是SiO2、SixNy、SiOxNy、HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5或者是SiO2/SixNy復(fù)合介質(zhì)層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述下電極金屬是集成電路的倒數(shù)第二層互連金屬，下電極金屬的垂直厚度為3～7μm，其材質(zhì)為Al，或者是Ti/TiN-Al-Ti/TiN復(fù)合金屬層，所述復(fù)合金屬層中Ti的厚度為50～150A，TiN的厚度為50～300A。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述上電極金屬是厚度為300～4000A的Ti或者TiN或者Ti/TiN復(fù)合層或者Ti/TiN與W或Al的復(fù)合層。
8.集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法，包括下電極金屬、上電極金屬、上層互連金屬、下電極金屬與上電極金屬之間的MIM介質(zhì)、上電極金屬與上層互連金屬之間的絕緣介質(zhì)以及上通孔的設(shè)置工序，其特征在于首先，下電極金屬淀積之后，按照光照版圖對(duì)其蝕刻，構(gòu)成網(wǎng)格狀和/或條形狀的下電極金屬，使之增加垂直方向的側(cè)表面；然后在蝕刻后的下電極的上表面和側(cè)表面沉積一薄層金屬，該薄層金屬淀積完成之后，采用反應(yīng)離子各向異性法對(duì)其進(jìn)行回蝕，使得該薄層金屬在下電極金屬的垂直側(cè)面形成側(cè)壁金屬層，該新增的側(cè)壁金屬層與下電極金屬合為一體，共同構(gòu)成電容器的下電極，并且，側(cè)壁金屬層的側(cè)表面的上端與下電極金屬的上表面之間以圓弧面平滑過(guò)渡；接著再淀積MIM介質(zhì)和上電極金屬，上電極金屬淀積之后經(jīng)過(guò)蝕刻處理，然后再淀積一層絕緣介質(zhì)，該絕緣介質(zhì)的表面經(jīng)過(guò)平整處理之后再淀積上層互連金屬；最后采用集成電路行業(yè)通用的通孔和金屬處理工藝，用電容器上層互連金屬和上通孔引出電容器的上下兩個(gè)電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述下電極金屬被蝕刻之后，再增加一步下電極金屬下方緊鄰的絕緣介質(zhì)沿垂直方向的蝕刻，然后在蝕刻后的下電極金屬和絕緣介質(zhì)的表面淀積并回蝕薄層金屬，使得形成的側(cè)壁金屬層在豎直方向上的高度大于下電極金屬的垂直厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于在淀積下電極金屬之前，預(yù)先設(shè)置下層互連金屬以及下層互連金屬與下電極之間的絕緣介質(zhì)，并在該介質(zhì)層內(nèi)部設(shè)置下通孔，然后再淀積下電極金屬層。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9或10所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述側(cè)壁薄層金屬的淀積采用化學(xué)氣相淀積方法，或者采用有機(jī)金屬氧化物化學(xué)氣相淀積方法，或者采用原子層化學(xué)氣相淀積方法。
12.根據(jù)權(quán)利要求8或9或10所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述MIM介質(zhì)層是采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法形成的SiO2、SixNy、SiOxNy或者SiO2/SixNy復(fù)合介質(zhì)層，或者是采用原子層化學(xué)氣相淀積法形成的HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5高介電常數(shù)介質(zhì)層。
13.根據(jù)權(quán)利要求8或9或10所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述上電極金屬的淀積采用化學(xué)氣相淀積方法，或者采用有機(jī)金屬氧化物化學(xué)氣相淀積方法，或者采用物理氣相淀積法。
全文摘要
本發(fā)明涉及集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結(jié)構(gòu)及其制造方法。該結(jié)構(gòu)自下而上包括下電極金屬、MIM絕緣介質(zhì)、上電極金屬、絕緣介質(zhì)和上層互連金屬，其特點(diǎn)是下電極金屬下方設(shè)有下層互連金屬，下電極金屬呈網(wǎng)格狀或條形狀排布，其側(cè)表面襯有側(cè)壁金屬層，側(cè)壁金屬層的側(cè)表面的上端與下電極金屬的上表面之間以圓弧面平滑過(guò)渡；上電極金屬自上而下罩住所有下電極，上下電極之間均勻填充厚度一致的MIM絕緣介質(zhì)。本發(fā)明使得MIM電容器的芯片占用面積節(jié)約一半以上，并且有效解決了邊緣漏電和下電極側(cè)壁水平面邊緣尖銳引起擊穿電壓降低兩個(gè)技術(shù)難題。
文檔編號(hào)H01L21/70GK101192568SQ200610097969
公開(kāi)日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者高文玉, 李秋德 申請(qǐng)人:和艦科技(蘇州)有限公司