專利名稱：Mim電容器及其形成工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及MIM電容器及其形成工藝。
背景技術(shù)：
在超大規(guī)模集成電路中，電容器是常用的無源元件之一，其通常整合于雙 極(Bipolar)晶體管或互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS, Complementary MetalOxide Semiconductor)晶體管等有源元件之中。目前制造電容器的技術(shù)可分成以多晶硅為電極 以及以金屬為電極兩種，以多晶硅作為電極會存在載子缺乏的問題，使得跨越電容器兩端 的表面電壓改變時(shí)，電容量也會隨著改變，因此以多晶硅為電極的電容器無法維持現(xiàn)今邏 輯電路要求的線性需求；而以金屬為電極的電容器則無上述的問題，此種電容器泛稱為金 屬-絕緣-金屬型(MIM，Metal-Insulator-Metal)電容器?，F(xiàn)有制作金屬-絕緣-金屬型電容器的方法如專利號為0210M78的中國專利所 公開的技術(shù)方案。如圖1所示，在半導(dǎo)體襯底100上用化學(xué)氣相沉積法形成第一介電層102， 其中第一介電層102的材料可以是氧化硅；第一介電層102沉積完成后，用化學(xué)機(jī)械研磨法 來實(shí)現(xiàn)第一介電層102的平坦化；以濺鍍法于第一介電層102上方形成第一粘附層103，第 一粘附層103是由氮化鈦和鈦組成，防止后續(xù)形成的金屬層擴(kuò)散至第一介電層102中；在 第一粘附層103上方用化學(xué)氣相沉積法形成以銅或鋁銅合金為材料的第一金屬層104，作 為后續(xù)電容器的下電極；接著用濺鍍法在第一金屬層104上形成第二粘附層105，防止第一 金屬層104擴(kuò)散；用化學(xué)氣相沉積法在第二粘附層105上形成絕緣層106，用于金屬層間的 絕緣，絕緣層106的材質(zhì)須具有良好的介電常數(shù)；用濺鍍法在絕緣層106上形成第三粘附層 107，防止后續(xù)形成的金屬層擴(kuò)散至絕緣層；用化學(xué)氣相沉積法在第三粘附層107上形成第 二金屬層108，作為后續(xù)電容器的上電極，第二金屬層108的材料為銅或鋁銅合金；然后，在 第二金屬層108上用化學(xué)氣相沉積法形成刻蝕粘附層110，刻蝕粘附層110的材料為氮化 硅，用于后刻蝕金屬層的硬掩膜；在刻蝕粘附層110上旋涂第一光刻膠層111，經(jīng)過曝光顯 影工藝后，在第一光刻膠層111上形成第一圖案，用于定義后續(xù)形成電容器上電極。如圖2所示，以第一光刻膠層111為掩膜，用干法刻蝕法去除刻蝕粘附層110、第 二金屬層108、第三粘附層107和絕緣層106至露出第二粘附層105，刻蝕后的第二金屬層 108為電容器上電極108a ；去除第一光刻膠層111。如圖3所示，用旋涂法在刻蝕粘附層110和第一金屬層104上形成第二光刻膠層 112，經(jīng)過曝光顯影工藝后，在第二光刻膠層112上形成第二圖案，用于定義后續(xù)形成電容 器下電極；如圖4所示，以第二光刻膠層112為掩膜(未圖示)，用干法刻蝕法刻蝕第二粘附 層105和第一金屬層104至露出第一粘附層103，刻蝕后的第一金屬層104為電容器下電 極。去除第二光刻膠層112后，測試上述工藝形成的金屬-絕緣-金屬型電容器電介 質(zhì)的隨時(shí)間變化破壞性能(Time Dependent Dielectric Breakdown，TDDB)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電容器的TDDB性能差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種TDDB性能高的MIM電容器及其形成方法。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種MIM電容器形成工藝，包括在所述襯底表面依 次形成第一金屬層、介質(zhì)層、第二金屬層結(jié)構(gòu)；在所述第四粘附層表面形成光刻膠圖形；以 所述光刻膠圖形為掩膜，依次刻蝕第二金屬層介質(zhì)層，直至保留100埃至400埃的介質(zhì)層?？蛇x的，所述刻蝕工藝為等離子刻蝕工藝?？蛇x的，所述刻蝕工藝包括采用摩爾比1 1至1 10的Cl2和BCl3混合氣體 作為刻蝕氣體，且刻蝕氣體不含氮?dú)??？蛇x的，所述第一金屬層與所述第二金屬層材料為鋁?？蛇x的，所述第一金屬層與襯底之間形成有第一粘附層?？蛇x的，所述第一金屬層與介質(zhì)層之間形成有第二粘附層?？蛇x的，所述介質(zhì)層與第二金屬層之間形成有第三粘附層。本發(fā)明還提供一種MIM電容器，包括半導(dǎo)體襯底；形成在半導(dǎo)體襯底表面的第一 金屬層；形成在第一金屬層表面的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層包括相鄰的第一部分和第二部分，其 中第一部分厚度為100埃至400埃；形成在所述介質(zhì)層第二部分表面的第二金屬層?？蛇x的，所述第一金屬層與第二金屬層材料為鋁。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明保留的100埃至400埃的介質(zhì)層 能夠防止刻蝕時(shí)金屬離子濺射到介質(zhì)層表面以及避免第一金屬層在后續(xù)的刻蝕工藝被等 離子體損傷，提高了 MIM電容TDDB性能，且本發(fā)明選用優(yōu)化比例的刻蝕氣體，能夠形成光滑 的第二金屬層和介質(zhì)層的側(cè)壁，不會形成聚合物殘留及減少硅懸掛鍵進(jìn)一步優(yōu)化了形成的 MIM 電容 TDDB。


通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的更具體說明，本發(fā)明的上述及其它目 的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按 實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。圖1至圖4是現(xiàn)有的MIM電容器形成工藝過程示意圖；圖5為本發(fā)明提供的MIM電容器形成工藝一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6至圖7為本發(fā)明提供的MIM電容器形成工藝一實(shí)施例的過程示意圖；圖8是本發(fā)明形成的MIM電容器與現(xiàn)有的MIM電容器TDDB性能比較示意圖。
具體實(shí)施例方式由背景技術(shù)可知，現(xiàn)有的形成工藝形成的金屬-絕緣-金屬型電容器TDDB性能 差，本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有工藝采用的干法刻蝕法暴露出MIM電容器 的下電極和下電極的開口時(shí)，會在開口側(cè)壁和刻蝕暴露出的粘附層表面形成大量的硅懸掛 鍵，且現(xiàn)有工藝直接刻蝕暴露出粘附層，由于粘附層為氮化鈦和鈦組成且較薄，干法刻蝕法 會對MIM電容器的下電極的金屬層造成損傷，上述的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷導(dǎo)致現(xiàn)有MIM結(jié)構(gòu)TDDB性能差。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以 很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況 下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，表 示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實(shí)例，其在此不應(yīng) 限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。圖5為本發(fā)明提供的MIM電容器形成工藝一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6至圖7為 本發(fā)明提供的MIM電容器形成工藝一實(shí)施例的過程示意圖，下面對本發(fā)明的MIM電容器形 成工藝進(jìn)行詳細(xì)說明。參考圖6，提供依次形成有第一粘附層210、第一金屬層220、第二粘附層230、介質(zhì) 層M0、第三粘附層250、第二金屬層260和第四粘附層270的半導(dǎo)體襯底200。所述半導(dǎo)體襯底200可以是單晶硅、多晶硅或非晶硅；所述半導(dǎo)體襯底200也可以 是硅、鍺、砷化鎵或硅鍺化合物；該半導(dǎo)體襯底200還可以具有外延層或絕緣層上硅結(jié)構(gòu)； 所述的半導(dǎo)體襯底200還可以是其它半導(dǎo)體材料，需要特別指出的是，所述半導(dǎo)體襯底200 還可以是具有覆蓋電介質(zhì)和金屬膜的硅襯底，或者包括集成電路及其他元件的一部分的襯 底、圖案化或未被圖案化的襯底，在這里不一一列舉。所述第一粘附層210由氮化鈦和鈦組成，防止第一金屬層220擴(kuò)散至半導(dǎo)體襯底 200中，所述第一粘附層210的形成工藝可以為現(xiàn)有的沉積工藝，例如物理氣相沉積或者化 學(xué)氣相沉積，在這里就不再贅述。所述第一金屬層220材料為鋁，在其他的實(shí)施例中，也可以為銀、鉻、鉬、鎳、鈀、 鉬、鈦、鉭、銅中的一種或者幾種，選用其他金屬材料的實(shí)施例可以參考本實(shí)施例相應(yīng)改變 對應(yīng)的步驟的工藝參數(shù)，在這里以鋁為例做示范性說明，所述第一金屬層220用于形成MIM 電容器的一個(gè)極板，所述第一金屬層220的形成工藝可以為現(xiàn)有的沉積工藝，例如物理氣 相沉積或者化學(xué)氣相沉積，在這里就不再贅述。所述第二粘附層230由氮化鈦和鈦組成，防止第一金屬層220擴(kuò)散至介質(zhì)層240 中，所述第二粘附層230的形成工藝可以為現(xiàn)有的沉積工藝，在這里就不再贅述。所述介質(zhì)層240材料選自氮化硅，在其他的實(shí)施例中，也可以為氧化硅、氮氧化硅 等其他介電材料，在這里以氮化硅為例做示范性說明，所述介質(zhì)層240用于形成MIM結(jié)構(gòu)中 的絕緣材料且用于防止刻蝕時(shí)金屬離子濺射到介質(zhì)層表面以及避免第一金屬層220在后 續(xù)的刻蝕工藝被等離子體損傷。所述第三粘附層250由氮化鈦和鈦組成，防止第二金屬層260擴(kuò)散至介質(zhì)層240 中，所述第三粘附層250的形成工藝可以為現(xiàn)有的沉積工藝，在這里就不再贅述。所述第二金屬層260材料為鋁，在其他的實(shí)施例中，也可以為銀、鉻、鉬、鎳、鈀、 鉬、鈦、鉭、銅中的一種或者幾種，選用其他金屬材料的實(shí)施例可以參考本實(shí)施例相應(yīng)改變 對應(yīng)的步驟的工藝參數(shù)，在這里以鋁為例做示范性說明，所述第二金屬層260用于形成MIM 電容器的另一個(gè)極板，所述第二金屬層260的形成工藝可以為現(xiàn)有的沉積工藝，例如物理 氣相沉積或者化學(xué)氣相沉積，在這里就不再贅述。所述第四粘附層270由氮化鈦和鈦組成，防止第二金屬層260擴(kuò)散至后續(xù)工藝形成的其他隔離層中，所述第四粘附層270的形成工藝可以為現(xiàn)有的沉積工藝，在這里就不 再贅述。參考圖7，在所述第四粘附層270表面形成光刻膠圖形觀0，依次刻蝕第四粘附層 270、第二金屬層沈0、第三粘附層250和介質(zhì)層240，直至保留200埃至400埃的介質(zhì)層240。由之前的分析可知，現(xiàn)有的工藝采用的干法刻蝕法直接刻蝕至第二粘附層，現(xiàn)有 的干法刻蝕含有氮?dú)?，由于第二粘附層用于防止第一金屬?20擴(kuò)散至介質(zhì)層M0，厚度較 薄，現(xiàn)有的干法刻蝕法很容易損傷第一金屬層220，且含氮的刻蝕工藝會在形成的開口側(cè) 壁和刻蝕暴露出的粘附層表面形成大量的硅懸掛鍵，并在刻蝕的器件表面殘留大量的聚合 物。為此，本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，選用改進(jìn)的等離子體刻蝕工藝，包括采用 摩爾比1 1至1 10的Cl2和BCl3混合氣體作為刻蝕氣體且刻蝕氣體不合氮?dú)?，依次?蝕第四粘附層270、第二金屬層沈0、第三粘附層250和介質(zhì)層M0，直至保留100埃至400 埃的介質(zhì)層240 ；改進(jìn)的刻蝕工藝不但選用優(yōu)化比例的刻蝕氣體，能夠形成光滑的第二金 屬層260和介質(zhì)層240的側(cè)壁，且不會形成聚合物殘留及減少硅懸掛鍵，且保留的100埃至 400埃的介質(zhì)層240能夠防止刻蝕時(shí)金屬離子濺射到介質(zhì)層表面以及保護(hù)第一金屬層220 不受等離子體損傷。按照上述的工藝步驟，形成的MIM結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底200 ；依次形成在半導(dǎo)體 襯底200表面的第一粘附層210、第一金屬層220、第二粘附層230 ；形成在第二粘附層表 面的介質(zhì)層對0，所述介質(zhì)層240包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，其中第一區(qū)域厚度為100埃至 400埃；依次形成在所述介質(zhì)層240第二區(qū)域表面的第三粘附層250、第二金屬層260和第 四粘附層270。后續(xù)的工藝還包括去除所述光刻膠圖形，形成層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層覆蓋 所述介質(zhì)層的第一部分和第四粘附層，在層間介質(zhì)層中形成用于連接第一金屬層220和第 二金屬層260的接觸孔引出第一金屬層220和第二金屬層沈0，作為電容器的兩個(gè)電極，在 這里不再贅述。對上述形成工藝形成的MIM結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，采用現(xiàn)有工藝和本發(fā)明提供的工藝各 在一片硅片上形成多個(gè)MIM結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果如圖8所示，現(xiàn)有工藝形成的MIM結(jié)構(gòu)在1秒的 時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了 TDDB現(xiàn)象，且同一工藝形成的不同MIM的TDDB性能不一，差異大，較發(fā)散； 而本發(fā)明形成的MIM結(jié)構(gòu)在100秒的時(shí)間內(nèi)才出現(xiàn)TDDB現(xiàn)象，而且本發(fā)明形成的MIM結(jié)構(gòu) TDDB性能集中，差異較小。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。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)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng) 當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種MIM電容器形成工藝，其特征在于，包括在所述襯底表面依次形成第一金屬層、介質(zhì)層、第二金屬層結(jié)構(gòu)； 在所述第四粘附層表面形成光刻膠圖形；以所述光刻膠圖形為掩膜，依次刻蝕第二金屬層介質(zhì)層，直至保留100埃至400埃的介 質(zhì)層。
2.如權(quán)利要求1所述的MM電容器形成工藝，其特征在于，所述刻蝕工藝為等離子刻蝕工藝。
3.如權(quán)利要求2所述的MIM電容器形成工藝，其特征在于，所述刻蝕工藝包括采用摩 爾比1 1至1 10的Cl2和BCl3混合氣體作為刻蝕氣體，且刻蝕氣體不含氮?dú)狻?br> 4.如權(quán)利要求1所述的MIM電容器形成工藝，其特征在于，所述第一金屬層與所述第二 金屬層材料為鋁。
5.如權(quán)利要求1所述的MIM電容器形成工藝，其特征在于，所述第一金屬層與襯底之間 形成有第一粘附層。
6.如權(quán)利要求1所述的MIM電容器形成工藝，其特征在于，所述第一金屬層與介質(zhì)層之 間形成有第二粘附層。
7.如權(quán)利要求1所述的MIM電容器形成工藝，其特征在于，所述介質(zhì)層與第二金屬層之 間形成有第三粘附層。
8.一種MIM電容器，其特征在于，包括 半導(dǎo)體襯底；形成在半導(dǎo)體襯底表面的第一金屬層；形成在第一金屬層表面的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層包括相鄰的第一部分和第二部分，其中 第一部分厚度為100埃至400埃；形成在所述介質(zhì)層第二部分表面的第二金屬層。
9.如權(quán)利要求8所述的MIM電容器，其特征在于，所述第一金屬層與第二金屬層材料為鋁。
全文摘要
一種MIM電容器及其形成工藝，其中MIM電容器的形成工藝包括在所述襯底表面依次形成第一金屬層、介質(zhì)層、第二金屬層結(jié)構(gòu)；在所述第四粘附層表面形成光刻膠圖形；以所述光刻膠圖形為掩膜，依次刻蝕第二金屬層介質(zhì)層，直至保留100埃至400埃的介質(zhì)層。本發(fā)明形成的MIM電容器TDDB性能高。
文檔編號H01L21/02GK102148137SQ20101011115
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者奚裴, 黃莉 申請人:上海宏力半導(dǎo)體制造有限公司