專利名稱：具有無(wú)源元件的半導(dǎo)體器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件和制備半導(dǎo)體器件的方法。尤其涉及適用于無(wú)線通信系統(tǒng)、包含至少一個(gè)無(wú)源元件的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
鑒于半導(dǎo)體器件制備技術(shù)的狀況，許多電子器件通常受到設(shè)計(jì)缺陷的影響而導(dǎo)致其性能的限制。例如，無(wú)線通信系統(tǒng)一般含有相對(duì)較少的半導(dǎo)體芯片，但卻包含數(shù)百個(gè)無(wú)源元件。由于不斷努力改進(jìn)形狀因素和減少功耗，并且改善109Hz或更高階頻率上半導(dǎo)體器件的性能和功能，期望將無(wú)源元件集成到獨(dú)立的芯片或模塊內(nèi)，并且期望將無(wú)源元件集成在有源基底(例如含硅基底)上。
目前已有各種各樣的片上電容器和電阻器的制備技術(shù)。例如包括雙多晶硅(double-poly)、柵極氧化物或結(jié)型電容或摻雜硅電阻或多晶硅電阻的制備技術(shù)。許多應(yīng)用因這些技術(shù)帶來(lái)的性能特性的改進(jìn)而受益。例如，尋求減少寄生電容面積，改善電壓線性度，降低電極串聯(lián)電阻或減少1/f噪聲。同樣期望將得到的器件集成到有源基底(例如硅芯片)的后端(backend)，迄今為止利用現(xiàn)有的技術(shù)還不能達(dá)到這些目的。


圖1圖解了依據(jù)本發(fā)明制備的一個(gè)優(yōu)選半導(dǎo)體器件；圖2圖解了依據(jù)本發(fā)明制備的電容器和電阻器。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，其中示出了諸如金屬-絕緣體-金屬電容或薄膜電阻的半導(dǎo)體無(wú)源元件的組合的例子。在圖1所例舉的優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明試圖將金屬-絕緣體-金屬電容和至少一個(gè)薄膜電阻的組合并入器件中。圖1也舉例說(shuō)明了將兩個(gè)薄膜電阻并入器件的實(shí)施例。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以省略金屬-絕緣體-金屬電容(或另一無(wú)源元件)，或在單獨(dú)的器件中使用，這個(gè)電容能夠與依據(jù)本發(fā)明的方法制備的一或多個(gè)電阻元件電連接。
一般地，本發(fā)明的器件的特征在于內(nèi)含金屬層，該金屬層被沉積在介電層(即絕緣層)中形成的溝道內(nèi)，之后被加以處理以清除多余材料，使得因此暴露出來(lái)的金屬層表面與介電層的第一面基本共面。金屬層最好是銀、金、銅、鋁或其混合物，其中銅是優(yōu)選金屬。更具體地，該器件的特征在于內(nèi)含至少一個(gè)在材料層中形成的銅鑲嵌金屬層。在優(yōu)選實(shí)施例中，從單個(gè)鑲嵌銅層形成電容的電極，以作為一或多個(gè)電容、電阻或其組合的端子。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，可以在多個(gè)鑲嵌層上形成單獨(dú)無(wú)源元件，可以在單獨(dú)鑲嵌層上形成單獨(dú)無(wú)源元件，或可以在多個(gè)鑲嵌層上形成一或多個(gè)無(wú)源元件。
為了更進(jìn)一步舉例說(shuō)明，圖1描述了含有一個(gè)適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體基底10的器件。與基底相連的是第一絕緣介電層12，內(nèi)設(shè)溝道15。在限定溝道15基部的表面上，通孔14含有導(dǎo)電連接基底10和填充溝道15的金屬層16(最好是鑲嵌金屬層，鑲嵌銅層則更好)的材料。如圖1所示，在金屬層16上形成一可選的屏蔽介電層18，這個(gè)可選的屏蔽介電層18在某些金屬層16或全部的金屬層16上可以省略。例如，圖1舉例說(shuō)明了屏蔽介電層18上的窗式開口，以便露出金屬層16的一部分，因此可以使金屬層16和第一或底部電容電極層20之間直接接觸。圖中金屬層16是連續(xù)的，但可被分成多個(gè)部分。應(yīng)當(dāng)注意，多個(gè)電容都可以建在單獨(dú)一個(gè)金屬層16上。
電容器電極層20至少有一段長(zhǎng)度夾在金屬層16和電容器介電層22之間。第二或頂部電容器電極層24至少與電容器介電層22的一部分相連?？蛇x地，第二層電容器電極層24可以在其至少一部分表面上含有一個(gè)可選的阻蝕層26。電容器電極層20，電容器介電層22，電容器電極層24和可選的阻蝕層26的組合通常限定本發(fā)明的電容器元件的結(jié)構(gòu)。
最好是薄膜電阻的第一電阻28由適當(dāng)材料組成，該材料最好(在使用金屬-絕緣體-金屬電容的實(shí)施例中)與第一電容器介電層20的材料相同。因此，電阻28和第一電容器電極層20由同樣的材料構(gòu)成。通過(guò)可選屏蔽介電層18，第一電阻28與第一絕緣介電層12直接連接鄰接，或者在其至少一部分表面上與第一絕緣介電層12分離。能夠從上面經(jīng)通孔40和金屬層44與電阻28接觸，或可選地，通過(guò)金屬層16和通孔14與電阻28接觸。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)金屬層16連續(xù)時(shí)，僅需要通孔14?？蛇x地，一或多個(gè)介電層沉積在第一電阻28上面。例如，在圖1中給出第一中間介電層30，它作為墊層沉積在電容的金屬層20和24上，并且在使用時(shí)，還沉積在可選阻蝕層26上。
圖1示出了與中間介電層30的表面直接接觸的可選第二電阻32。第二電阻可以用在器件的任何地方，并且可以與其它層接觸。例如，它可以通過(guò)直接接觸方式被布在與第一電阻直接接觸的相同金屬層上。如圖1所示，另一個(gè)中間介電層34被布在中間介電層30之上，覆蓋了可選第二電阻32。如前所述，如果是單一介電層，可以省略中間介電層30或者中間介電層34。電阻28和電阻32可以由不同的材料構(gòu)成，因此，這些電阻的電阻系數(shù)可以不同。
多個(gè)通孔提供了被第二中間介電層34和其它層(如果存在的話)隔離的金屬層間的接觸路徑。例如，通孔36包含導(dǎo)電連接金屬層44與金屬層16的材料。一或多數(shù)通孔38包含導(dǎo)電連接金屬層44與電容器電極層24的材料。多個(gè)通孔40被填充導(dǎo)電連接金屬層44與第一電阻28的材料。同樣地，多個(gè)通孔42包含導(dǎo)電連接金屬層44與第二電阻32的材料。可選地，例如象46層這樣的一或多個(gè)附加層可以被布在金屬層44之上。圖1舉例說(shuō)明的實(shí)施例描述了通孔38、40和42，這些通孔與最靠近金屬層44的表面的無(wú)源元件接觸。應(yīng)當(dāng)理解，通孔36、38和40穿過(guò)中間介電層30和34，而通孔42僅穿過(guò)中間介電層34。
雖然本領(lǐng)域技術(shù)人員知道各種適于制備這些無(wú)源元件的材料，然而用于電容器介電層的優(yōu)選介電材料可從諸如Ta2O5、SrTiO3、ZrO2、ZrSiO4、HfO2、HfSiO4、TiO2、Si3N4這樣的氧化物或氮化物或其混合物，或者這些材料的化學(xué)劑量發(fā)生變化的材料中挑選。用于電阻和電容電極層的優(yōu)選材料包括，例如象TaN、TaAlN、TiN、CrNi、WN、CrSi這樣的金屬間化合物，或它們的混合物。也可以使用這些材料的化學(xué)劑量發(fā)生變化的材料。
對(duì)于半導(dǎo)體器件中形成的至少一個(gè)無(wú)源元件，可能期望金屬層16伸出元件端部或相對(duì)元件端部橫向偏移。例如，金屬層16橫向延伸出第一電容器電極層20、第一電容器介電層22和第二電容器電極層24的端部之外。以這種方式，器件的第一電容器介電層20可直接與金屬層44通過(guò)通孔36和金屬層16建立電連接?？蛇x地，對(duì)于電阻28和32，可以直接通過(guò)通孔40和42與電阻的第一平面進(jìn)行層間接觸。
參照?qǐng)D1所例舉的器件，將描述半導(dǎo)體基底10上的無(wú)源元件的制備過(guò)程。光刻和蝕刻沉積在基底10上的第一絕緣介電層12以形成接納無(wú)源器件的金屬層16的溝道15和通孔14。低阻抗系數(shù)或高導(dǎo)材料被沉積在溝道15和通孔14中。當(dāng)在溝道15中沉積材料之后，清除多余的材料，使得金屬層16的露出表面相對(duì)于第一絕緣介電層12的露出表面是連續(xù)的，最好彼此基本共面?？梢允褂萌魏芜m宜的技術(shù)清除材料，例如化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)。
可選地，對(duì)于圖1所述的電容器，如果使用了屏蔽介電層18，它被沉積在絕緣介電層12和金屬層16之上，然后蝕刻出一個(gè)穿過(guò)屏蔽介電層18的開口，以便露出至少一部分金屬層16。通過(guò)在屏蔽介電層18上(如果使用的話，或另外在第一絕緣介電層12和金屬層16上)沉積材料，并接著對(duì)其進(jìn)行光刻和蝕刻，在金屬層上構(gòu)造無(wú)源元件。參照?qǐng)D1，光刻和蝕刻步驟或化學(xué)機(jī)械拋光工序確定了電容器電極20和電阻28。
根據(jù)需要，使用一次或多次附加的沉積、光刻和蝕刻步驟以確定無(wú)源元件的附加部件或?qū)?，包?例如象圖1中所描述的實(shí)施例那樣，其中形成電容)形成電容器介電層22和金屬層24。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道可用于形成附加層的各種不同的技術(shù)?？梢允褂脡|層沉積技術(shù)，之后使用一個(gè)或多個(gè)光刻和蝕刻步驟。在一個(gè)實(shí)施例中，在進(jìn)行蝕刻之前，可選的第二屏蔽層或阻蝕層26被沉積在金屬層24之上。
為了制備圖1所例舉的電容器結(jié)構(gòu)，可以使用至少一個(gè)掩模步驟(伴隨著蝕刻步驟)。應(yīng)當(dāng)注意，如果使用了可選的屏蔽層18，則可選的掩模步驟確定出露出金屬層16的窗口。第一掩模步驟確定使用第二電極材料的第二電容器電極層24和可選的第二電阻。當(dāng)使用電阻和電容的組合時(shí)，第二掩模步驟確定第一電容器電極層20和第一電阻28。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以使用上述蝕刻工序在無(wú)源元件上至少留下一層薄的介電材料，以便幫助控制無(wú)源元件上蝕刻劑的侵蝕(尤其在蝕刻步驟進(jìn)行期間)?？蛇x地，如果期望直接穿蝕到無(wú)源元件，可以避免擁有這樣薄的介電層。
在制成一個(gè)或多個(gè)無(wú)源元件后，根據(jù)需要可以在每個(gè)無(wú)源元件上形成附加的材料層。例如，可以沉積出第一中間介電層30和第二中間介電層34(例如沉積出的墊層)。如果制成了第二電阻32，則它是在第二中間介電層34沉積之前形成的。接著使用適當(dāng)?shù)难谀：臀g刻工序確定第二電阻32。
使用任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)就可以生成通孔(蝕刻是優(yōu)選的材料清除技術(shù))，跟著進(jìn)行導(dǎo)電材料的沉積。互連金屬層可以以適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ纬?，這樣的方法包含象形成金屬層16制備過(guò)程的技術(shù)。應(yīng)當(dāng)理解，金屬層44不必以鑲嵌的方式形成，但可以以任何其它適當(dāng)?shù)姆绞叫纬?。附加層或元?如層46層所示)可以在介電層34和金屬層44上形成，其中根據(jù)需要定義適當(dāng)?shù)碾娺B通路徑(沒有示出)。
上述方法通常包括多個(gè)步驟，這些步驟提供一或多種材料并對(duì)材料進(jìn)行光刻，以便形成最終器件的功能部件層。光刻可以使用任意數(shù)量的常規(guī)步驟，包括材料沉積或形成步驟，和材料清除步驟。
這些步驟通常涉及將光致抗蝕劑涂到工作層的暴露表面上，跟著進(jìn)行使光致抗蝕劑顯影的平板照相步驟，其中有選擇地清除光致抗蝕劑以便在工作層的暴露表面上形成預(yù)定圖案。然后在工作層的暴露表面上按期望的那樣進(jìn)行蝕刻，以便清除暴露表面上下的材料。光致抗蝕劑作為保護(hù)層有選擇性地保留在工作片段上，即作為防止用于清除材料的藥劑(例如蝕刻劑)接觸到工作片段下面的材料的保護(hù)層。
圖2也舉例說(shuō)明了諸如金屬-絕緣體-金屬型電容和薄膜電阻的半導(dǎo)體無(wú)源元件的組合。應(yīng)當(dāng)注意，在圖中使用相同的參考數(shù)字表示相同的元件。在半導(dǎo)體基底10上形成絕緣介電層12，并且蝕刻一部分介電層以在其中形成溝道15。從溝道15的底面蝕刻通孔14穿過(guò)絕緣介電層12至半導(dǎo)體基底10。金屬層16使用導(dǎo)電材料填充溝道15和通孔14，這種材料在基底10和金屬層16間提供電接觸。
在至少一部分金屬層16上形成底部電容電極層20。電阻28由形成底部電容電極層20的相同材料制成。在絕緣介電層12上形成電阻28，并且可以從金屬層16接觸電阻28。介電層22沉積在底部電容電極層20和電阻28上，并且也用作為電容的介電層。頂部電容器電極層24與至少一部分電容器介電層22連接?？蛇x地，頂部電容器電極層24在其至少一部分表面上包含阻蝕層26。電容電極層20、電容介電層22和電容介電層24，以及可選的阻蝕層26(如果使用的話)的組合確定了這個(gè)實(shí)施例所示的電容元件的結(jié)構(gòu)。
介電層34覆蓋了這個(gè)電容和電阻28及23。通過(guò)在介電層34中形成各個(gè)通孔40、42并且使用金屬層44填充通孔，可以從上面接觸到電阻28和23的端子。可選地，通過(guò)金屬層16與注有金屬的通孔14可以從下面接觸到電阻28。應(yīng)當(dāng)注意，在這個(gè)實(shí)施例中，可以使用不同電阻值的材料制作電阻28和23。還應(yīng)當(dāng)注意，在形成電阻23的相同處理步驟中沉積用于形成電容電極層24的材料。
可選地，可以不要電容電極層20，并且可用金屬層16形成電容的電極。在這個(gè)實(shí)施例中(沒有示出)，金屬層16、電容介電層22、電容電極層24的組合確定了電容元件的結(jié)構(gòu)。當(dāng)不使用電容電極層20時(shí)，可用包含電阻23的電阻元件。
至此應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明制備的器件可以在任何一種固定或便攜系統(tǒng)中找到實(shí)際應(yīng)用，例如(沒有限制)在無(wú)線系統(tǒng)、具有模擬電路或混合信號(hào)應(yīng)用的系統(tǒng)中。例如，諸如使用本發(fā)明的器件的無(wú)線通信設(shè)備系統(tǒng)(例如，尋呼機(jī)、電話、因特網(wǎng)接入設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，電視或無(wú)線廣播系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、單向或雙向通信或其它無(wú)線通信系統(tǒng))的系統(tǒng)均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這種系統(tǒng)因使用本發(fā)明的器件和方法提高性能而受益，尤其是考慮到將一個(gè)或多個(gè)無(wú)源元件集成到獨(dú)立的芯片或模塊或有源基底上的能力方面更是如此。
權(quán)利要求
1.制備半導(dǎo)體器件的方法，包括下列步驟提供半導(dǎo)體基底；在半導(dǎo)體基底上形成絕緣層；在絕緣層中形成與半導(dǎo)體基底電連接的第一鑲嵌金屬層；在第一鑲嵌金屬層上形成電容器，電容器具有第一電容電極和第二電容電極；在第一鑲嵌金屬層上形成至少一個(gè)電阻器，其中通過(guò)用于形成第一電容電極的相同材料層形成至少一個(gè)電阻器；形成與電容器電連接的第二金屬層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中從銅、金、銀或其混合物中選擇第一鑲嵌金屬層的金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成第一鑲嵌金屬層的步驟包含在絕緣層中的溝道內(nèi)沉積銅，并且對(duì)銅進(jìn)行化學(xué)拋光，從而確定出與絕緣層上的表面基本共面的表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中至少部分地在覆蓋第一鑲嵌金屬層的介電層上形成至少一個(gè)電阻器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第二金屬層還提供與至少一個(gè)電阻的電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括由第三金屬層形成附加電阻的步驟，第三金屬層不同于用來(lái)形成第一和第二電容電極中的任一個(gè)的層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括形成附加電阻的步驟，其中通過(guò)用于形成第二電容電極的相同材料層形成附加電阻。
8.制備半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟在絕緣層的平坦表面中所確定的溝道內(nèi)沉積銅層；在銅層上形成表面，該表面與絕緣層的平坦表面共面；在銅層上形成電阻器，其中電阻器直接在銅層上形成，并且在其至少一部分表面上與銅層相接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中形成的表面是鑲嵌的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括在銅層上形成電容器，電容器具有第一電容電極和第二電容電極，其中第一電容電極和電阻器在相同材料層形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括在電阻器上形成介電層的步驟，其中介電層形成電容器的電容介電層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括在介電層中形成接觸以允許和電阻器電連接的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括覆蓋銅層的至少一部分表面的介電層，其中至少部分地在介電層上形成電阻器。
14.制備半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟將第一銅層沉積到絕緣層的平坦表面中確定的溝道內(nèi)；在銅層上形成表面，該表面與絕緣層的平坦表面共面；形成覆蓋銅層的電阻器；形成覆蓋電阻器的第二銅層以便和電阻器電連接。
15.制備半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟形成鑲嵌銅層；在鑲嵌銅層上形成介電層；在介電層中光刻開口以暴露一部分鑲嵌銅層；形成無(wú)源元件，無(wú)源元件至少部分地覆蓋在介電層上，并且通過(guò)介電層的開口至少部分地與鑲嵌銅層直接接觸。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中無(wú)源元件是電容器，電容器的底部電極與鑲嵌銅層直接接觸。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，還包括使用與電容器的底部電極的材料層相同的材料層形成電阻器。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中無(wú)源元件包含從Ta2O5、SrTiO3、ZrO2、ZrSiO4、HfO2、HfSiO4、TiO2、Si3N4或其混合物，及其化學(xué)劑量發(fā)生變化的材料中挑選的材料層。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中無(wú)源元件包含從TaN、TaAlN、TiN、CrNi、WN、CrSi或其混合物，及其化學(xué)劑量發(fā)生變化的材料中挑選的材料層。
20.制備半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟提供基底；在基底上形成絕緣層；在絕緣層中形成鑲嵌金屬層以便與半導(dǎo)體基底電連接；在鑲嵌金屬層上沉積第一材料；光刻第一材料以形成第一電容電極和第一電阻器；在第一電容電極和第一電阻器上沉積介電層；在介電層和第一電容電極上沉積第二材料；光刻第二材料以便在第一電容電極上形成第二電容電極。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中光刻第二材料的步驟包括光刻第二材料以形成第二電阻器。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中介電層包含從Ta2O5、SrTiO3、ZrO2、ZrSiO4、HfO2、HfSiO4、TiO2、Si3N4或其混合物，及其化學(xué)劑量發(fā)生變化的材料中挑選的材料層。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中鑲嵌金屬層是包括銅的金屬層。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中從TaN、TaAlN、TiN、CrNi、WN、CrSi或其混合物，及其化學(xué)劑量發(fā)生變化的材料中挑選第一材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中從TaN、TaAlN、TiN、CrNi、WN、CrSi或其混合物，及其化學(xué)劑量發(fā)生變化的材料中挑選第一和第二材料。
全文摘要
半導(dǎo)體器件及制備半導(dǎo)體器件的方法。在絕緣介電層(12)中形成鑲嵌金屬層(16)，絕緣介電層直接與基底(10)電連接。諸如第一電容電極層(20)的無(wú)源元件層沉積在金屬層(16)上，相對(duì)于金屬層(16)，第一電容電極層最好偏置，使其通過(guò)通孔(36)與金屬層(16)直接進(jìn)行電互連。在一個(gè)實(shí)施例中，電容和電阻作為器件上的無(wú)源元件。在另一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)源元件至少包括一個(gè)電阻(28)和可選的第二電阻(32)。然而，在另一個(gè)實(shí)施例中，金屬層(16)是鑲嵌銅層。
文檔編號(hào)H01L27/01GK1478294SQ01814495
公開日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2001年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月21日
發(fā)明者比德·澤克, 梅爾文·F·米勒三世, F 米勒三世, 比德 澤克 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司