專利名稱：金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal,以下簡(jiǎn)稱為MM) 電容結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種堆棧式的MM電容結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
電容元件常用于如射頻IC、單片微波IC等集成電路中作為電子無(wú)源器件。常見(jiàn)的 電容結(jié)構(gòu)如金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容、PN結(jié)電容以及MM電容等。其中，MIM電容在某 些特殊應(yīng)用中提供較優(yōu)于MOS電容以及PN結(jié)電容的電學(xué)特性，這是由于MOS電容以及PN 結(jié)電容均受限于其本身結(jié)構(gòu)，在工作時(shí)電極容易產(chǎn)生空穴層，導(dǎo)致其頻率特性降低。而MIM 電容可以提供較好的頻率以及溫度相關(guān)特性，此外，MIM電容可在金屬內(nèi)連線階段形成，也 降低了與CMOS前端工藝整合的困難度及復(fù)雜度。 圖1至圖3，是現(xiàn)有的一種MIM電容的制作方法的主要流程示意圖。 如圖1所示，首先順序沉積第一金屬層1、電介質(zhì)層3、第二金屬層2，形成兩層金屬
之間夾一 電介質(zhì)的三明治結(jié)構(gòu)。 然后如圖2所示，刻蝕掉一側(cè)區(qū)域的第二金屬層2和電介質(zhì)層3，露出第一金屬層 1。 如圖3所示，在三明治結(jié)構(gòu)上覆蓋鈍化層4，并在相應(yīng)位置刻蝕出兩個(gè)連線孔5，分 別連接第一金屬層1和第二金屬層2。最后在鈍化層4表面形成金屬層6作為互連層引出 導(dǎo)線。 在該三明治結(jié)構(gòu)中，第一金屬層l作為下電極板，第二金屬層2作為上電極板，中 間間隔了一層絕緣的電介質(zhì)層3，構(gòu)成了一個(gè)典型的MIM電容。 從上述制造工藝可知，MIM電容是一個(gè)面積電容，其容量的大小主要取決于電介質(zhì) 層3的厚度，以及作為電極板的第一金屬層1和第二金屬層2兩者相對(duì)應(yīng)面積，且后者的影 響尤其明顯。當(dāng)需要制作大容量的MIM電容時(shí)，傳統(tǒng)的做法是增大金屬層的面積，然而這樣 會(huì)使得MIM電容占用周邊器件區(qū)的空間，影響器件尺寸，提高布線難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題是現(xiàn)有的金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)，在做大容量時(shí)容易占 用周邊器件區(qū)的空間，影響器件尺寸，提高布線難度。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)，包括 半導(dǎo)體襯底； 在半導(dǎo)體襯底上逐層形成的金屬_絕緣體_金屬電容；
在相鄰兩層金屬_絕緣體_金屬電容之間形成的金屬互連層；
至少兩層的金屬_絕緣體_金屬電容通過(guò)金屬互連層相并聯(lián)。 另外，本發(fā)明還提供了一種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法，在半導(dǎo)體襯 底上逐層形成金屬_絕緣體_金屬電容以及相鄰層金屬_絕緣體_金屬電容之間的金屬互連層；其中至少兩層的金屬_絕緣體_金屬電容通過(guò)金屬互連層并聯(lián)。
具體步驟如下 在半導(dǎo)體的襯底上形成第一層金屬_絕緣體_金屬電容； 在第一層金屬_絕緣體_金屬電容表面形成第一鈍化層，并刻蝕形成金屬 連線孔； 在第一鈍化層的表面形成第一金屬互連層； 刻蝕第一金屬互連層形成第一上極板互連層以及第一下極板互連層； 在第一金屬互連層的表面形成隔離層； 在隔離層上形成第二層金屬_絕緣體_金屬電容； 在第二層金屬_絕緣體_金屬電容表面形成第二鈍化層，并刻蝕形成金屬連線 孔； 在第二鈍化層表面形成第二金屬互連層； 刻蝕第二金屬互連層形成第二上極板互連層以及第二下極板互連層； 所述第一上極板互連層通過(guò)金屬連線孔與第二上極板互連層連接，第一下極板互
連層通過(guò)金屬連線孔與第二下極板互連層連接。 作為可選方案，以上述結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)上，重復(fù)第二層金屬_絕緣體_金屬電容以及第 二金屬互連層的制作步驟，可以形成包括兩個(gè)以上金屬_絕緣體_金屬電容的金屬_絕緣 體-金屬電容結(jié)構(gòu)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將多個(gè)金屬_絕緣體_金屬電容通過(guò)疊層的方式形成 堆棧結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)金屬互連層并聯(lián)，具有如下優(yōu)點(diǎn)不增加占用面積的情況下，增大了金 屬_絕緣體_金屬電容的容量，各層重復(fù)的金屬_絕緣體_金屬電容制作步驟有利于降低 工藝的成本和的兼容度，且便于制程整合易于實(shí)現(xiàn)。


通過(guò)附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的更具體說(shuō)明，本發(fā)明的上述及其他目 的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。附圖中與現(xiàn)有技術(shù)相同的部件使用了相同的附圖標(biāo)記。附圖 并未按比例繪制，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。在附圖中為清楚起見(jiàn)，放大了層和區(qū)域的尺 寸。 圖1至圖3是現(xiàn)有的MIM電容的制造流程的剖面示意圖； 圖4為本發(fā)明所述金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)制造方法流程圖； 圖5為本發(fā)明所述形成MM電容的流程圖； 圖6至圖16為本發(fā)明所述金屬_絕緣體_金屬電容的制造流程的具體實(shí)施例剖 面示意圖。
具體實(shí)施例方式
在工藝制程中，由于MM電容在金屬內(nèi)連線階段形成，利用的是層間的金屬互連 結(jié)構(gòu)制造，所以可以采用將單層內(nèi)的MIM電容并聯(lián)起來(lái)，得到一個(gè)大容量的MIM電容的方 案，以替代擴(kuò)大MIM電極板面積的做法，這樣不會(huì)增加MIM電容的橫向面積。
本發(fā)明提供了一種金屬_絕緣體_金屬電容制造方法的實(shí)施方案，在半導(dǎo)體襯底上逐層形成的MM電容以及相鄰層MM電容之間的金屬互連層；其中至少兩層的MM電容 通過(guò)金屬互連層形成并聯(lián)。基本步驟如圖4所示，包括 si)在半導(dǎo)體的襯底上形成第一層MM電容，所述MM電容包括上極板金屬層、下 極板金屬層以及兩者之間的電介質(zhì)層； S2)在第一層MM電容表面形成第一鈍化層，并刻蝕形成金屬連線孔； S3)在第一鈍化層的表面形成第一金屬互連層，所述第一金屬層為銅、鋁或者銅鋁
n i ; S4)刻蝕第一金屬互連層形成第一上極板互連層以及第一下極板互連層，所述第 一上極板互連層通過(guò)金屬連線孔與第一層MM電容的上極板金屬層連接，第一下極板互連 層通過(guò)金屬連線孔與第一層MM電容的下極板金屬層連接；
S5)在所述第一金屬互連層的表面形成隔離層； S6)在隔離層上形成第二層MM電容，所述第二層MM電容制作方法與第一層MIM 電容相同； S7)在第二層MIM電容表面形成第二鈍化層，并刻蝕形成金屬連線孔； s8)在第二鈍化層的表面形成第二金屬互連層；所述第二金屬層也為銅、鋁或者
銅鋁合金； s9)刻蝕第二金屬互連層形成第二上極板互連層以及第二下極板互連層。所述第 二上極板互連層通過(guò)金屬連線孔與第一上極板互連層以及第二層MM電容的上極板金屬 層連接，第二下極板互連層通過(guò)金屬連線孔與第一下極板互連層連接以及第二層MM電容 的下極板金屬層； slO)重復(fù)所述第二層MM電容以及第二金屬互連層的制作步驟，可形成包括兩個(gè) 以上MM電容的金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)。 上述過(guò)程中形成MM電容的步驟，可選的實(shí)施方案如圖5所示，包括
sll)在半導(dǎo)體襯底或者隔離層上的預(yù)定區(qū)域形成下極板金屬層；
sl2)在所述下極板金屬層表面形成電介質(zhì)層；
sl3)在電介質(zhì)層表面形成上極板金屬層； s14)刻蝕掉部分上極板金屬層以及電介質(zhì)層，露出下極板金屬層。 其中，MIM電容的上極板金屬層以及下極板金屬層可以為銅、鋁或銅鋁合金，
厚度范圍為200 A -5000 A;電介質(zhì)層材料可以為氮化硅或氮氧化硅，厚度范圍為
100 A -1000 A。而鈍化層材料可以為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅其中一種或組合。隔離 層材料也可以為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅其中一種或組合。鈍化層以及隔離層的厚度范圍 根據(jù)器件單層的實(shí)際層高確定。 根據(jù)上述實(shí)施方案，圖6至圖18為金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)制造流程的一個(gè)
可選實(shí)施例剖面示意圖。 如圖6所示，先在半導(dǎo)體襯底100上的預(yù)定區(qū)域內(nèi)順序形成下極板金屬層101、電 介質(zhì)層102、上極板金屬層103。 其中，下極板金屬層101和上極板金屬層103可利用濺射(sputtering)工藝形 成，材料可以為銅、鋁或者銅鋁合金，具體成分含量可以根據(jù)需要和器件的工作頻帶來(lái)選
擇，厚度范圍為200 A -5000 A;電介質(zhì)層102可利用物理氣相淀積(PVD)等工藝形成，材料可以為氮化硅或氮氧化硅，厚度范圍為IOO A -1000 A。 然后如圖7所示，刻蝕掉上極板金屬層103以及電介質(zhì)層102的部分區(qū)域，露出下 極板金屬層101。這樣便在半導(dǎo)體襯底上形成了三明治結(jié)構(gòu)的第一層MM電容。
如圖8所示，在第一層MIM電容的表面利用PECVD (等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積)工 藝覆蓋沉積形成第一鈍化層104，其材料為氧化硅、正硅酸乙酯、氮化硅、氮氧化硅中的一種 或其組合。厚度選擇根據(jù)器件的層間高度確定。 如圖9所示，在第一鈍化層104上，對(duì)應(yīng)第一層MM電容的區(qū)域，利用掩膜、曝光、 刻蝕形成兩個(gè)穿孔，直至分別露出上極板金屬層103以及下極板金屬層101。以上極板金屬 層103以及下極板金屬層101為金屬種子層，分別在兩個(gè)穿孔中電鍍生長(zhǎng)銅、鋁或者鋁銅合 金，然后在第一鈍化層104的上表面進(jìn)行化學(xué)或者機(jī)械拋光，形成金屬連線孔105以及金屬 連線孔106。如圖IO所示，在第一鈍化層104的表面，沉積一層厚度為IOO A-1000 A的第 一金屬互連層，材料選擇為銅、鋁或者銅鋁合金；刻蝕第一金屬互連層形成第一上極板互連 層107以及第一下極板互連層108，使得所述第一上極板互連層107通過(guò)金屬連線孔105與 第一層MM電容的上極板金屬層103連接，第一下極板互連層108通過(guò)金屬連線孔106與 第一層MM電容的下極板金屬層101連接。這樣便完成了第一層的MM電容及其金屬互連 的制作。 如圖11所示，在第一金屬互連層的表面利用PECVD(等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積) 工藝覆蓋沉積形成隔離層109，材料為氧化硅、正硅酸乙酯、氮化硅、氮氧化硅中的一種或其 組合。厚度選擇也根據(jù)器件的層間高度確定。 如圖12所示，在隔離層109的表面的預(yù)定區(qū)域內(nèi)順序形成下極板金屬層201、電介 質(zhì)層202、上極板金屬層203。 與第一層MM電容相同，下極板金屬層201和上極板金屬層203可利用濺射 (sputtering)工藝形成，材料可以為銅、鋁或者銅鋁合金，厚度范圍為200-5OOOA;電介質(zhì) 層202可利用物理氣相淀積(PVD)等工藝形成，材料可以為氮化硅或氮氧化硅，厚度范圍為 100-1000 A。 然后如圖13所示，刻蝕掉上極板金屬層203以及電介質(zhì)層202的部分區(qū)域，露出 下極板金屬層201。這樣便在隔離層109上形成了第二層MM電容。 如圖14所示，在第二層MIM電容的表面利用PECVD工藝覆蓋沉積形成第二鈍化層 204，其材料為氧化硅、正硅酸乙酯、氮化硅、氮氧化硅中的一種或其組合。厚度選擇根據(jù)器 件的層間高度確定。 如圖15所示，在第二鈍化層204上，對(duì)應(yīng)第二層MM電容以及第一金屬互連層的 區(qū)域，利用掩膜、曝光、刻蝕形成四個(gè)穿孔，直至分別露出上極板互連層107、上極板金屬層 203、下極板金屬層201、以及下極板互連層108。以上極板互連層107、上極板金屬層203、 下極板金屬層201、以及下極板互連層108為金屬種子層，分別在四個(gè)穿孔中電鍍生長(zhǎng)銅、 鋁或者鋁銅合金，形成四個(gè)金屬連線孔。然后在第二鈍化層204的上表面進(jìn)行化學(xué)或者機(jī) 械拋光，除去多余的金屬。 如圖16所示，在第二鈍化層204的表面，沉積一層厚度為IOO A-1000 A的第二 金屬互連層，材料選擇為銅、鋁或者銅鋁合金；刻蝕第二金屬互連層形成第二上極板互連層 207以及第二下極板互連層208。
所述第二上極板互連層207通過(guò)金屬連線孔205、金屬連線孔215分別與第二層 MM電容的上極板金屬層203以及第一金屬互連層的上極板互連層107連接；所述第二下 極板互連層208通過(guò)金屬連線孔206、金屬連線孔216分別與第二層MM電容的下極板金屬 層201以及第一金屬互連層的下極板互連層108連接。這樣便完成了第二層的MM電容及 其金屬互連的制作。 在上述實(shí)施例中，各金屬層、鈍化層、以及電介質(zhì)層的刻蝕優(yōu)選為等離子刻蝕，在 反應(yīng)室內(nèi)通入的刻蝕劑氣體包括SF6、 CHF3、 CF4、氯氣CL2、氧氣02、氮?dú)釴2、氦氣He以 及其他惰性氣體如氬氣Ar、氖氣Ne的混合氣體，流量100sccm-400sccm，襯底溫度控制在 20°C _901:之間，腔體壓力為4mTorr-20mTorr，等離子源RF輸出功率為1500w-2000w。
在如圖16所示結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)第一層MM電容與第二層MM電容已經(jīng)通過(guò)金屬互連 層相并聯(lián)，疊層形成了一個(gè)堆棧結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例僅提供了包括兩層MIM電容的金屬_絕緣 體_金屬電容結(jié)構(gòu)制作流程，如果需要制作更多MM電容，只需在以上結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上再形成一 隔離層，重復(fù)上述第二層MM電容及第二金屬互連層的制作步驟即可，這是一個(gè)重復(fù)且無(wú) 需創(chuàng)造性勞動(dòng)的過(guò)程，不再贅述。 另外，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，未必能有足夠的連續(xù)層空間提供給MM電容的制作，有 時(shí)還需要安插進(jìn)其他器件，所以本發(fā)明所述的堆棧式金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)，其相鄰 的MM電容還可以隔層、跨層實(shí)現(xiàn)，只需通過(guò)金屬互連層以及金屬連線孔等將各自上、下極 板分別電連接，形成MM電容的并聯(lián)即可。 根據(jù)上述制造方法，所得到一種金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)，包括
半導(dǎo)體襯底； 在半導(dǎo)體襯底上逐層形成的MM電容；
在相鄰兩層MM電容之間形成的金屬互連層；
其中，至少兩層的MM電容通過(guò)金屬互連層并聯(lián)。 所述金屬互連層又包括上極板互連層以及下極板互連層，各上極板互連層通過(guò)金 屬連線孔連接，各下極板互連層也通過(guò)金屬連線孔連接。 所述MM電容包括上極板金屬層、下極板金屬層以及位于兩者之間的電介質(zhì)層， 其中，上極板金屬層通過(guò)金屬連線孔與上極板互連層連接，下極板金屬層通過(guò)金屬連線孔 與下極板互連層連接。 所述MM電容與相鄰金屬互連層之間填覆有鈍化層。
相鄰兩層MM電容之間還設(shè)有隔離層。 本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并不是用來(lái)限定權(quán)利要求，任何本領(lǐng)域 技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動(dòng)和修改，因此本發(fā)明的 保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
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權(quán)利要求
一種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底上逐層形成的金屬-絕緣體-金屬電容；在相鄰兩層金屬-絕緣體-金屬電容之間形成的金屬互連層；其中，至少兩層的金屬-絕緣體-金屬電容通過(guò)金屬互連層并聯(lián)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬互連層包括上極板互連層以及下極板互連層，各上極板互連層通過(guò)金屬連線孔連接，各下極板互連層通過(guò)金屬連線孔連接。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬互連層為銅、鋁或銅鋁合金。
4. 如權(quán)利要求2所屬的一種金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬_絕緣體_金屬電容包括上極板金屬層、下極板金屬層以及位于兩者之間的電介質(zhì)層；其中，上極板金屬層通過(guò)金屬連線孔與上極板互連層連接，下極板金屬層通過(guò)金屬連線孔與下極板互連層連接。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬_絕緣體_金屬電容與金屬互連層之間填覆有鈍化層。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述鈍化層為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅一種或組合。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述相鄰兩層金屬_絕緣體_金屬電容之間還設(shè)有隔離層。
8. —種金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)制造方法，其特征在于，在半導(dǎo)體襯底上逐層形成金屬_絕緣體_金屬電容以及相鄰層金屬_絕緣體_金屬電容之間的金屬互連層；其中至少兩層的金屬_絕緣體_金屬電容通過(guò)金屬互連層并聯(lián)。
9. 一種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)制造方法，其特征在于，具體步驟包括在半導(dǎo)體的襯底上形成第一層金屬_絕緣體_金屬電容；在第一層金屬-絕緣體-金屬電容表面形成第一鈍化層，并刻蝕形成金屬連線孔；在第一鈍化層的表面形成第一金屬互連層；刻蝕第一金屬互連層形成第一上極板互連層以及第一下極板互連層；在第一金屬互連層的表面形成隔離層；在隔離層上形成第二層金屬_絕緣體_金屬電容；在第二層金屬-絕緣體-金屬電容表面形成第二鈍化層，并刻蝕形成金屬連線孔；在第二鈍化層表面形成第二金屬互連層；刻蝕第二金屬互連層形成第二上極板互連層以及第二下極板互連層；所述第一上極板互連層通過(guò)金屬連線孔與第二上極板互連層連接，第一下極板互連層通過(guò)金屬連線孔與第二下極板互連層連接。
10. 如權(quán)利要求9所述的金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)制造方法，其特征在于，所述形成金屬_絕緣體_金屬電容具體步驟包括順序形成下極板金屬層、電介質(zhì)層、上極板金屬層；刻蝕部分上極板金屬層和電介質(zhì)層，露出下極板金屬層。
11. 如權(quán)利要求10所述的一種金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)制造方法，其特征在于，所述第一層金屬_絕緣體_金屬電容的上極板金屬層通過(guò)金屬連線孔與第一上極板互連層連接，下極板金屬層通過(guò)金屬連線孔與第一下極板互連層連接；所述第二層金屬_絕緣體_金屬電容的上極板金屬層通過(guò)金屬連線孔與第二上極板互連層連接，下極板金屬層通過(guò)金屬連線孔與第二下極板互連層連接。
12. 如權(quán)利要求11所述的金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)制造方法，其特征在于，重復(fù)所述第二層金屬-絕緣體-金屬電容以及第二金屬互連層的制作步驟，形成包括兩個(gè)以上金屬_絕緣體_金屬電容的金屬_絕緣體_金屬電容結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)及其制造方法，所述電容結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底上逐層形成的金屬-絕緣體-金屬電容；在相鄰兩層金屬-絕緣體-金屬電容之間形成的金屬互連層；其中，至少兩層的金屬-絕緣體-金屬電容通過(guò)金屬互連層并聯(lián)。具有如下優(yōu)點(diǎn)不增加占用面積的情況下，增大了金屬-絕緣體-金屬電容的容量，各層重復(fù)的金屬-絕緣體-金屬電容制作步驟有利于降低工藝的成本和兼容度，且便于制程整合易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H01L21/782GK101789429SQ200910045899
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者張步新, 王媛 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司