Mim電容器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種MIM電容器及其制造方法，所述MIM電容器包括作為MIM電容器的下電極層、極間電介質(zhì)以及上電極層，所述上電極層包括鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭中的至少兩種。本發(fā)明的MIM電容器及其制造方法，通過鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭中的至少兩種形成的新的上電極層來取代現(xiàn)有技術(shù)中的鋁層或者鋁和氮化鈦雙層結(jié)構(gòu)，避免了上電極層沉積過程中由于鋁本身物理特性以及鋁層平整性等引起的電弧放電缺陷，進(jìn)而提高半導(dǎo)體集成電路的成品率。
【專利說明】MIM電容器及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種MIM電容器及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電阻、電容等無源器件被廣泛地應(yīng)用于集成電路制作技術(shù)中，該些器件通常采用 標(biāo)準(zhǔn)的集成電路工藝，利用慘雜單晶娃、慘雜多晶娃等導(dǎo)電材質(zhì)及氧化膜或氮氧化膜等絕 緣材質(zhì)制成，例如PIP (化ly-Insulator-Poly)電容。該些器件比較接近娃襯底，器件與襯 底之間的寄生電容會影響器件的性能，尤其在射頻（RF)電路中，隨著頻率的上升，器件的性 能下降較快。
[0003] MIM (Metal-Insulator-Metal,金屬-絕緣體-金屬）電容技術(shù)的提出為解 決該一問題提供了有效途徑。該是因為；MIM電容一般制作在金屬互連層，即后段制程 (back-end-of-line，邸化)，使得無源器件與娃襯底之間的距離得W拉開，克服了寄生電容 大、性能隨頻率升高而明顯下降的弊端。此外，MIM電容的制作與現(xiàn)有集成電路工藝兼容， 該些使得MIM電容逐漸成為RF集成電路制作過程中無源器件的主流。
[0004] 圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中配合銅制程制造的一種MIM電容器的結(jié)構(gòu)示意圖，該MIM 電容器包括；作為MIM電容器的下電極層（或下極板）的第二互連金屬層141、極間電介質(zhì) (PE0X或SiN) W及上電極層（或上極板）142。該電容器的形成過程包括；首先，在第一互連 金屬層（即Ml) 10上方形成金屬層間介質(zhì)層（IMD) 11，在金屬層間介質(zhì)層11中形成光刻標(biāo) 記溝槽（即乂1)12，如261'〇13'1^(零-標(biāo)記）、5?11]13'1^(精細(xì)對準(zhǔn)標(biāo)記）、0￥11]13濁(〇￥61'137 mark,疊對精準(zhǔn)測量標(biāo)記）、套刻測量標(biāo)記W及其他光刻工藝中的常用標(biāo)記，在光刻標(biāo)記溝 槽12中一般采用金屬鶴來形成標(biāo)記填充層13 ;然后，在金屬層間介質(zhì)層11和光刻標(biāo)記溝 槽12上方通過銅電鍛巧(P)形成第二互連金屬層（即M2) 141，第二互連金屬層141作為 MIM電容器的下電極層（或下極板）；接著，W諸如電漿增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD)，在第 二互連金屬層141表面上，沉積絕緣介電層143 (陽0X) W作為MIM電容器的極間電介質(zhì)； 然后，W物理氣相沉積法（PVD)在絕緣介電層143上沉積鉛，W作為MIM電容器的上電極層 (或上極板）142,從而形成所需的金屬-絕緣體-金屬電容器。
[0005] 由于上述的MIM電容器的有些部分是在SPM mark、0VL mark等光刻標(biāo)記溝槽結(jié)構(gòu) 上形成的，而SPM/0VL mark等光刻標(biāo)記溝槽的寬度遠(yuǎn)大于正常的通孔（Via)，采用金屬鶴 向光刻標(biāo)記溝槽淀積過程中，無法將該光刻標(biāo)記溝槽填滿，出現(xiàn)帶有尖角15的結(jié)構(gòu)。
[0006] 同時由于隨著器件特征尺寸不斷縮小，上述的MIM電容器的絕緣介電層143也變 得較薄，甚至其厚度已小于所W在PVD淀積鉛時形成上電極層（或上極板）142(MIM top metal)的過程中極易在尖角15處發(fā)生尖端放電，破壞絕緣介電層143形成如圖2所示電弧 放電缺陷（arcing defect)。
[0007] 實驗表明MIM電容器的電弧放電缺陷產(chǎn)生率（MIM arcing suffer ratio)為10? 15%，一批晶圓生產(chǎn)中，具有電弧放電缺陷的晶圓比（wafer hit ratio)為5%?8%，此類 晶圓的失敗率化ill ratio)為30%?50%。由此可見，MIM電容器的電弧放電缺陷嚴(yán)重 影響了半導(dǎo)體集成電路的良率。
[0008] 因此，需要一種新的MIM電容器及其制造方法，W避免上述缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種MIM電容器及其制造方法，能夠改善現(xiàn)有技術(shù)中的 MIM電容器的電弧放電缺陷，提高半導(dǎo)體集成電路的成品率。
[0010] 為解決上述問題，本發(fā)明提出一種MIM電容器，包括：作為MIM電容器的下電極層、 極間電介質(zhì)W及上電極層，所述上電極層包括鐵、氮化鐵、粗、氮化粗中的至少兩種。
[0011] 進(jìn)一步的，所述MIM電容器位于光刻標(biāo)記溝槽表面，所述光刻標(biāo)記溝槽預(yù)填充導(dǎo) 電層。
[0012] 進(jìn)一步的，所述光刻標(biāo)記溝槽為Zero Mark、SPM mark、0VL mark或套刻測量標(biāo)記； 所述導(dǎo)電層為鶴。
[0013] 進(jìn)一步的，所述下電極層為互連金屬層。
[0014] 進(jìn)一步的，所述互連金屬層為H層復(fù)合層結(jié)構(gòu)，包括兩層金屬氮化物及其內(nèi)夾的 一層金屬銅或鉛。
[0015] 進(jìn)一步的，所述上電極層為H層結(jié)構(gòu)，所述H層結(jié)構(gòu)為氮化粗和/或氮化鐵形成 的兩層及該兩層內(nèi)夾的一層鐵或粗。
[0016] 進(jìn)一步的，所述上電極層為鐵層和其上方的氮化鐵層，所述鐵層厚度為80A? 120A，氮化鐵層厚度加500A?2100 A。
[0017] 進(jìn)一步的，所述極間電介質(zhì)層為等離子體強(qiáng)化氧化物。
[0018] 本發(fā)明還提供一種上述之一的MIM電容器的制造方法，包括W下步驟：提供半導(dǎo) 體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上方依次沉積下電極層、極間電介質(zhì)層W及上電極層，所述上電 極層包括鐵、氮化鐵、粗、氮化粗中的至少兩種，進(jìn)而形成MIM電容器。
[0019] 進(jìn)一步的，提供半導(dǎo)體襯底的步驟包括：
[0020] 提供半導(dǎo)體基底，在所述半導(dǎo)體基底上沉積金屬層間介質(zhì)層；
[0021] 在所述金屬層間介質(zhì)層中形成光刻標(biāo)記溝槽；
[0022] 在所述光刻標(biāo)記溝槽中依次沉積光刻標(biāo)記層和導(dǎo)電層并頂部平坦化至所述金屬 層間介質(zhì)層。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的MIM電容器，包括作為MIM電容器的下電極層、極 間電介質(zhì)W及上電極層，所述上電極層包括鐵、氮化鐵、粗、氮化粗中的至少兩種。本發(fā)明的 MIM電容器及其制造方法，通過鐵、氮化鐵、粗、氮化粗中的至少兩種形成的新的上電極層來 取代現(xiàn)有技術(shù)中的鉛層或者鉛和氮化鐵雙層結(jié)構(gòu)，避免了上電極層沉積過程中由于鉛本身 物理特性W及鉛層平整性等引起的電弧放電缺陷，進(jìn)而提高半導(dǎo)體集成電路的成品率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中一種MIM電容器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[00巧]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中一種MIM電容器的電弧放電缺陷電鏡圖；
[0026] 圖3是本發(fā)明具體實施例的MIM電容器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖4是本發(fā)明具體實施例的MIM電容器的制造流程圖；
[002引圖5A至5C是圖4所示的MIM電容器的制造流程中的器件剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖6A和6B分別是現(xiàn)有技術(shù)的MIM電容器和本發(fā)明的電容器的失效分析圖。

【具體實施方式】
[0030] W下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的MIM電容器及其制造方法作進(jìn)一步 詳細(xì)說明。
[0031] 請參考圖3,本發(fā)明提供一種MIM電容器，包括：作為MIM電容器的下電極層31、極 間電介質(zhì)32 W及上電極層33,所述上電極層33包括鐵、氮化鐵、粗、氮化粗中的至少兩種。 本實施例中，所述上電極層33為鐵層331和其上方的氮化鐵層332,所述鐵層331厚度為 lOOA，氮化鐵層332厚度為1800 A。所述下電極層31為互連金屬層，該金屬互連層為H層 復(fù)合層結(jié)構(gòu)，包括兩層金屬氮化物31U312及其內(nèi)夾的一層金屬銅或鉛313;所述極間電介 質(zhì)層為等離子體強(qiáng)化氧化物。在本發(fā)明的其他實施例中，所述鐵層厚度可W為80A?120A ，氮化鐵層厚度可W為1500A?2100 A。
[0032] 在本發(fā)明的其他實施例中，所述上電極層還可W為H層結(jié)構(gòu)，所述H層結(jié)構(gòu)為氮 化粗和/或氮化鐵形成的兩層及該兩層內(nèi)夾的一層鐵或粗。
[0033] 請參考圖4,本實施例還提供一種MIM電容器的制造方法，包括W下步驟：
[0034] S41，提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上沉積金屬層間介質(zhì)層；
[00巧]S42,在所述金屬層間介質(zhì)層中形成光刻標(biāo)記溝槽；
[0036] S43,在所述光刻標(biāo)記溝槽中依次沉積光刻標(biāo)記層和導(dǎo)電層并頂部平坦化至所述 金屬層間介質(zhì)層，使所述光刻標(biāo)記層和導(dǎo)電層的頂部與所述金屬層間介質(zhì)層頂部齊平；
[0037] S44,在所述金屬層間介質(zhì)層和光刻標(biāo)記層上方依次沉積下電極層、極間介電質(zhì)層 W及上電極層，所述上電極層包括鐵、氮化鐵、粗、氮化粗中的至少兩種，進(jìn)而形成MIM電容 器。
[0038] 下面結(jié)合附圖5A至5C詳細(xì)本實施例的MIM電容器的制造方法。
[0039] 請參考圖5A，本實施例中，步驟S41提供的半導(dǎo)體襯底50為多層金屬互連結(jié)構(gòu)，包 含互連金屬層Mx-1 (未圖示)，因此本實施例制造的MIM電容器的結(jié)構(gòu)為配合銅互連制程制 造的電容器結(jié)構(gòu)，其后續(xù)制得的所述下電極層可W為Mx互連金屬層結(jié)構(gòu)；然后，在所述半 導(dǎo)體襯底50上沉積金屬層間介質(zhì)層（IMD) 51，金屬層間介質(zhì)層51可W為氧化娃、氮化娃、氮 氧化娃及低K介質(zhì)材料等。
[0040] 請繼續(xù)參考圖5A，步驟S42中，采用刻蝕工藝在金屬層間介質(zhì)層51中形成光刻標(biāo) 記溝槽52,該光刻標(biāo)記溝槽52可W為Zero Mark、SPM mark、0VL mark及套刻測量標(biāo)記等常 用光刻標(biāo)記，其寬度通常為0. 8 y m?1. 5 y m。通常光刻工藝中，第一次作圖曝光用零-標(biāo) 記做整片對準(zhǔn)，刻蝕工藝后，SPM mark用于第二次曝光精細(xì)對準(zhǔn)，該標(biāo)記是在第一次作圖時 產(chǎn)生的；對于套刻測量，用條紋套條紋型標(biāo)記。
[0041] 請參考圖5B，在步驟S43中，先采用金屬鶴在所述光刻標(biāo)記溝槽52中沉積光刻標(biāo) 記層53,即相應(yīng)形成了 Zero Mark、SPM mark、0VL mark及套刻測量標(biāo)記等填充層，其最大 寬度為0. Sum?1. Sum ;然后，在所述光刻標(biāo)記溝槽52中采用金屬鶴再沉積一層導(dǎo)電層 54,將光刻標(biāo)記層53和導(dǎo)電層54頂部平坦化至金屬層間介質(zhì)層51頂部，金屬層間介質(zhì)層 51和光刻標(biāo)記溝槽52的填充表面是齊平的，避免了尖角結(jié)構(gòu)的形成。優(yōu)選的，所述導(dǎo)電層 54的厚度與所述光刻標(biāo)記層53最大寬度的一半相比，至少大500 A，本實施例中，所述導(dǎo) 電層54的厚度為W實現(xiàn)光刻標(biāo)記溝槽52良好的填充性能。由于SPM/0VL mark等光刻標(biāo) 記溝槽52的寬度遠(yuǎn)大于正常的通孔（Via),采用金屬鶴向光刻標(biāo)記溝槽淀積形成光刻標(biāo)記 層53過程中，無法將該光刻標(biāo)記溝槽52填滿，容易出現(xiàn)帶有尖角的結(jié)構(gòu)；然后采用金屬鶴 向光刻標(biāo)記溝槽52在淀積一層導(dǎo)電層54時，可W不填滿光刻標(biāo)記溝槽52,也可W完全填滿 光刻標(biāo)記溝槽52,將光刻標(biāo)記層53導(dǎo)致的尖角結(jié)構(gòu)填平，從而消除了尖端放電的產(chǎn)生的條 件，即避免了后續(xù)在其上形成的MIM電容器的上電極層形成過程中的尖角處尖端放電導(dǎo)致 的電弧放電缺陷。
[0042] 請參考圖5C，在步驟S44中，在所述金屬層間介質(zhì)層51、填充的導(dǎo)電層54 W及光 刻標(biāo)記層53的上方依次沉積下電極層55、極間介電質(zhì)層56 W及上電極層57,形成MIM電 容器5。本實施例中，極間介電質(zhì)層56可W為PE0X(等離子體強(qiáng)化氧化物）或者SiN (氮 化娃）；下電極層55為Mx互連層結(jié)構(gòu)，包括兩層金屬氮化物55U552及其內(nèi)夾的一層金屬 銅553 ;所述上電極層57為兩層結(jié)構(gòu)，包括鐵T巧71及其上方的氮化鐵TiN572。
[0043] 采用電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明的MIM電容器及其制造方法，MIM電容器上沒有出 現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中的電弧放電缺陷，而且具有采用鐵、氮化鐵、粗、氮化粗中的至少兩種形成的 新的上極板結(jié)構(gòu)的MIM電容器，與現(xiàn)有技術(shù)中的具有鉛A1上極板的MIM電容器的擊穿電 壓沒有變化。請參考圖6A、6B，經(jīng)過晶圓電鏡失效分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)的MIM電容器的鉛上 極板與本發(fā)明的MIM電容器的上極板相比，其平整度和凸角等都差很多，結(jié)合A1本身的物 理特性，導(dǎo)致了電弧放電缺陷。
[0044] 由此可見，本發(fā)明的MIM電容器及其制造方法，避免了鉛層的沉積，從而避免了由 于鉛本身的物理特性而造成的尖端放電條件的形成，從而避免了在形成MIM電容器的上電 極層之后光刻標(biāo)記溝槽尖角處等尖端放電導(dǎo)致的電弧放電缺陷。
[0045] 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可W對發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神 和范圍。該樣，倘若本發(fā)明的該些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之 內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含該些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種MIM電容器，其特征在于，包括：作為MIM電容器的下電極層、極間電介質(zhì)以及 上電極層，所述上電極層包括鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭中的至少兩種。
2. 如權(quán)利要求1所述的MIM電容器，其特征在于，所述MIM電容器位于光刻標(biāo)記溝槽表 面，所述光刻標(biāo)記溝槽內(nèi)預(yù)填充有導(dǎo)電層。
3. 如權(quán)利要求1所述的MIM電容器，其特征在于，所述光刻標(biāo)記溝槽為ZeroMarKSPM mark、OVLmark或套刻測量標(biāo)記；所述導(dǎo)電層為鶴。
4. 如權(quán)利要求1所述的MM電容器，其特征在于，所述下電極層為互連金屬層。
5. 如權(quán)利要求4所述的MM電容器，其特征在于，所述互連金屬層為三層復(fù)合層結(jié)構(gòu)， 包括兩層金屬氮化物及其內(nèi)夾的一層金屬銅或鋁。
6. 如權(quán)利要求1所述的MM電容器，其特征在于，所述上電極層為三層結(jié)構(gòu)，所述三層 結(jié)構(gòu)為氮化鉭和/或氮化鈦形成的兩層及這兩層內(nèi)夾的一層鈦或鉭。
7. 如權(quán)利要求6所述的MM電容器，其特征在于，所述上電極層為鈦層和其上方的氮化 鈦層，所述鈦層厚度為80A?120A,氮化鈦層厚度為1500A?2100A。
8. 如權(quán)利要求1所述的MIM電容器，其特征在于，所述極間電介質(zhì)層為等離子體強(qiáng)化氧 化物或氮化硅。
9. 如權(quán)利要求1至8中任一項所述的MIM電容器的制造方法，其特征在于，包括： 提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上方依次沉積下電極層、極間電介質(zhì)層以及上電 極層，所述上電極層包括鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭中的至少兩種，進(jìn)而形成MIM電容器。
10. 如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，提供半導(dǎo)體襯底的步驟包括： 提供半導(dǎo)體基底，在所述半導(dǎo)體基底上沉積金屬層間介質(zhì)層； 在所述金屬層間介質(zhì)層中形成光刻標(biāo)記溝槽； 在所述光刻標(biāo)記溝槽中依次沉積光刻標(biāo)記層和導(dǎo)電層并頂部平坦化至所述金屬層間 介質(zhì)層。
【文檔編號】H01L23/522GK104465608SQ201310435687
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】唐麗賢, 包小燕, 莊燕萍, 霍燕麗, 杜海 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司