專利名稱：利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法及其產(chǎn)品的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種形成內含電容器的積體電路，特別是有關于一種利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法及其產(chǎn)品。


圖1-圖4所示，為傳統(tǒng)制造內含電容器20的半導體元件的方法。
圖1所示，為在絕緣層12上沉積鋁金屬層，隨后進行微影蝕刻制程，圖案化成鋁金屬層14a和14b。其中絕緣層12包括一些形成于硅基底上和基底中的元件(未繪示)。
接著，如圖2所示，在鋁金屬層14a和14b以及絕緣層12上形成絕緣層16，并于此絕緣層16中并形成鎢插塞(tungstenplug；W-plug)18與鋁金屬層14a電性連接，之后，于鎢插塞18和絕緣層16上依序沉積金屬層/介電層/金屬層，并進行微影蝕刻后，形成第一導電板21、介電層22和第二導電板23，因而構成電容器20。其中，第一導電板21(即下電極)經(jīng)由鎢插塞18與鋁金屬層14a連接。
繼續(xù)于電容器20和絕緣層16上方沉積另一層絕緣層26，并同時于絕緣層26和其下方的絕緣層16中形成鎢插塞28a和28b，如圖3所示。
繼續(xù)在絕緣層26以及鎢插塞28a和28b上方沉積另一層鋁金屬層，并進行微影蝕刻制程后，形成鋁金屬層34a和34b，如圖4所示。其中鋁金屬層34a經(jīng)由鎢插塞28a與第一導電板23(即上電極)，而鋁金屬層34b經(jīng)由鎢插塞28b與下層的鋁金屬層14b電性連接。其主要缺陷在于在上述的制程中，需要額外的微影步驟來形成電容器20，才能將電容器20整合至積體電路中，因此，增加了整個半導體制程的成本。在這樣的制程中，如要增加平板電容器20的電容量，則必須增加平板電容器20的布局面積。而這樣的方法會犧牲電容器20和其相鄰的導線之間的空間，且會無法有效使整個積體電路的尺寸再縮小。
在美國專利第6,025,226號中，揭露一種于形成鑲嵌式介層窗時，同時形成電容器。此方法中，在沉積做為下電極的導電層時，同時填入電容器的開口和介層窗的開口。其主要缺陷在于1、此導電層必須足夠厚至填滿介層窗開口，且不能將電容器的開口填平，在制程控制上相當困難。
2、此外，由于元件積集度提高以及資料傳輸速度增加的趨勢，以鋁金屬所構成的導線已無法滿足對速度的要求，因此，以具有高導電性的金屬銅做為導線，以降低RC延遲(RCdelay)，為目前的發(fā)展趨勢。但是，銅金屬無法以干蝕刻的方式來定義圖案，其原因在于銅金屬與氯氣電漿氣體反應生成的氯化銅(CuCl。)的沸點極高(約1500℃)，以銅導線的制作需以鑲嵌制程(damasceneprocess)來進行。也因這樣的原因，本發(fā)明是將銅制程應用在內含電容器的積體電路的制程中。
本發(fā)明的主要目的是提供一種利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，利用鑲嵌制程形成金屬電容器，在形成薄膜電容器之前，于第一絕緣層中形成第一銅導線和第二銅導線，且此第一和第二銅導線為阻障層和第一密封層所包圍?？朔F(xiàn)有技術的弊端，達到內含電容器的積體電路的尺寸可以容易地達成縮小化的目的。
本發(fā)明的第二目的是提供一種利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，達到制造內含電容器的積體電路時，降低所需的微影蝕刻步驟的目的。
本發(fā)明的第三目的是提供一種利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，達到降低制造內含電容器的積體電路的制造成本的目的。
本發(fā)明的第四目的是提供一種利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，達到降低電容器區(qū)域和非電容器區(qū)域之間的高度落差的目的。
本發(fā)明的第五目的是提供一種利用鑲嵌制程形成金屬電容器產(chǎn)品，達到具有金屬電容器的銅鑲嵌結構的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，其特征是它至少包括如下步驟(1)提供第一絕緣層；(2)于該第一絕緣層中形成第一銅導線和第二銅導線；(3)至少于該第一和第二銅導線上形成第一密封層；(4)于該第一密封層上形成第二絕緣層；(5)于該第二絕緣層和第一密封層中形成一開口，暴露出該第一銅導線；(6)于該開口中順應性形成第一金屬層；(7)于該第一金屬層上順應性形成介電層；(8)于該介電層上順應性形成第二金屬層；(9)移除該第一金屬層、該介電層和該第二金屬層至暴露出該第二絕緣層；(10)于該第二絕緣層和該第二金屬層上形成第三絕緣層；(11)于該第三絕緣層和該第二絕緣層中形成多數(shù)個雙鑲嵌圖案，該雙鑲嵌圖案包含多數(shù)個溝槽和多數(shù)個介層窗孔；
(12)于該溝槽中形成第三銅導線和第四銅導線，以及于該介層窗孔中形成第三、一銅插塞和第四、二銅插塞，其中該第一金屬層經(jīng)由該第三、一銅插塞與該第三銅導線電性連接，該第四銅插塞經(jīng)由該第四、二銅插塞與該第二銅導線電性連接；(13)至少于該第三和第四銅導線上形成第二密封層。
該第一金屬層的材質是選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁、或鋁銅合金的其中至少一種。該介電層的材質是選自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鉭、氧化鋯、氧化鉿或氧化鋁的其中至少一種。該第二金屬層的材質是選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁、或鋁銅合金的其中至少一種。該移除該第一金屬層、該介電層和該第二金屬層至暴露出該第二絕緣層的方法為化學機械研磨法。該該第一金屬層的厚度介于100埃至2000埃之間。該介電層的厚度介于100埃至1200埃之間。該第二金屬層的厚度介于200埃至2000埃之間。
本發(fā)明還提供一種具有鑲嵌結構的金屬電容器，其特征是它包括如下構造第一銅導線和第二銅導線配置于第一絕緣層中；第二絕緣層配置于該第二絕緣層上，該第二絕緣層中具有一開口位于該第一銅導線上；第一金屬層順應性地配置于該開口中，且與該第一銅導線的表面接觸；介電層順應性地配置于該開口中的該第一金屬層上；第二金屬層順應性地配置于該開口中的該介電層上；第三絕緣層配置于該第二絕緣層和該第二金屬層上；第一銅鑲嵌結構和第二銅鑲嵌結構配置在該第二絕緣層和該第三絕緣層中，該第一銅鑲嵌結構是由該第三銅導線和第一銅插塞所構成，該第二銅鑲嵌結構是由該第四銅導線和第二銅插塞所構成，該第二金屬層經(jīng)由該第一銅插塞與該第三銅導線電性連接，該第四銅導線經(jīng)由該第二銅插塞與該第二銅導線電性連接；第一密封層配置于該第二銅導線和該第二絕緣層之間；第二密封層配置于談第三和第四銅導線上。
該第一金屬層的材質是選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁、或鋁銅合金的其中至少一種。該介電層的材質是選自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鉭、氧化鋯、氧化鉿或氧化鋁的其中至少一種。該第二金屬層的材質是選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁、或鋁銅合金的其中至少一種。該第一金屬層的厚度介于100埃至2000埃之間。該介電層的厚度介于100埃至1200埃之間。該第二金屬層的厚度介于200埃至2000埃之間。
下面結合較佳實施例并配合附圖詳細說明。
圖5-圖14是本發(fā)明的方法的流程剖面示意圖。
參閱圖5-圖14，是本發(fā)明的較佳實施例的一種利用鑲嵌制程形成金屬電容器且與銅制程結合的方法的結構剖面示意圖。
參閱圖5，首先提供一絕緣層102，而絕緣層102中可能包括其他內連線，絕緣層102下方包括形成于基底上和基底中的元件。為了能清楚描述本發(fā)明的內容，這些底層的電路元件并未在圖中顯示。于絕緣層102上形成另一層絕緣層106，其厚度絢為2000至6000埃左右。
如圖6所示，利用微影蝕刻的方法，在絕緣層106中形成開口。
參閱圖7，在絕緣層106及其中的開口表面形成順應性的阻障層103。隨后將銅金屬填入開口中，并進行化學機械研磨，以磨除多余的銅金屬和阻障層103，于絕緣層106中形成銅導線104a和104b。接著至少在銅導線104a和104b上形成密封層108，在圖中是以形成全面性的密封層108為例，其厚度約為100-400埃左右，其材質可以是氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)。
參閱圖8，于密封層108上形成一層絕緣層110。
參閱圖9，在絕緣層110和密封層108中形成開口112，此開口112暴露出將與下電極接觸的銅導線104a的表面，且開口112的定義是用來形成電容器。絕緣層110的高度和開口112的面積是控制著電容器的電容量，利用這樣的方式來增加電容量，不會犧牲電容器和鄰近的導線的空間。因此，內含電容器的積體電路的尺寸可以容易地達成縮小化的目的。
參閱圖10，在絕緣層110和開口112表面形成順應性的第一金屬層114、介電層116和第二金屬層118。其中第一金屬層114是將用以形成下電極之用，其厚度約為100-2000埃；介電層116的厚度約為100-1200埃，然而實際的厚度仍需視電容器的應用及其所需的電容量而定；第二金屬層118是將用以形成上電極，其厚度約為100-2000埃。第一金屬層114和第二金屬層118的材質可為鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鋁、鋁銅合金(AlCu)等。介電層116的材質可為氮化硅、氮氧化硅、碳化硅(SiC)、氧化鉭(TaO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(Al2O3)等。
參閱圖11，進行化學機械研磨制程，以研除多余的第一金屬層114、介電層116和第二金屬層118，直至暴露出其下方的絕緣層110為止。留在開口112中的第一金屬層114做為下電極，留在開口112中的介電層116做為電容器介電層，而留在開口112中的第二金屬層118做為上電極，因此構成電容器140。下電極114是與銅導線104a做電性接觸。
根據(jù)上述的電容器140的形成步驟，僅需額外一道微影蝕刻步驟定義開口112，用以形成嵌入式的電容器140，以及需要化學機械研磨制程來定義電容器140。因此，減少了制造內含電容器140的積體電路所需的微影蝕刻步驟數(shù)目。再者，可以避免電容器區(qū)域和非電容器區(qū)域的表面高度落差。
如圖12所示，在電容器140和絕緣層110上形成一層絕緣層120。
參閱圖13、14，接著進行雙鑲嵌制程，于絕緣層120和絕緣層110中形成雙鑲嵌的圖案，此圖案是由溝槽124a和124b以及介層窗孔122a和122b所構成。介層窗孔122b暴露出銅導線104b的表面，而介層窗122a則暴露出上電極118的表面。
如圖14所示，于絕緣層120和110、溝槽124a和124b以及介層窗孔122a和122b的表面形成一層順應性的阻障層126，并填入銅金屬，之后進行化學機械研磨，以磨除多余的銅金屬，而于雙鑲嵌圖案中形成銅導線130a和130b以及銅插塞128a和128b。之后至少于銅導線130a和130b表面形成一層密封層，在本實施例中是以形成全面性的密封層132為例，其材質可為氮化硅或碳化硅。于是，上電極118經(jīng)由銅插塞128a與銅導線130a電性連接，而導線104b則經(jīng)由銅插塞128b與銅導線130b電性連接。
后續(xù)的銅制程仍繼續(xù)進行，直至完成整個內連線的制造為止。因為其為現(xiàn)有技術，故不重述，上述的絕緣層102、106、110和120的材質可以是低電材質，例如摻雜或未摻雜的氧化硅、旋涂式高分子的低介電常數(shù)材質(例如FLARE、SiLK、PAE-11等)或化學氣相沉積式低介電常數(shù)材質等(例如blackdiamond、BD、Croral、Greendot、Aurora)。
本發(fā)明利用上述方法制作的具有金屬電容器的鑲嵌結構，如圖14所示，銅導線104a和104b配置于絕緣層106中。而絕緣層110配置于絕緣層106上，其中絕緣層110中具有位于銅導線104a上的開口112。金屬層114順應性地配置于開口112中，且與銅導線104a的表面接觸。
介電層116順應性地配置于開口112中的金屬層114上。金屬層118順應性地配置于開口112中的介電層116上。絕緣層120配置于絕緣層110和金屬層118上。第一銅鑲嵌結構和第二銅鑲嵌結構配置在絕緣層110和120中，其中第一銅鑲嵌結構是由銅導線130a和銅插塞128a所構成，第二銅鑲嵌結構是由銅導線130b和銅插塞128b所構成，其中金屬層118經(jīng)由銅插塞128a與銅導線130a電性連接，銅導線130b經(jīng)由銅插塞128b與銅導線104b電性連接。密封層108配置于銅導線104b和絕緣層110之間。密封層132配置于銅導線130a和130b上。
雖然本發(fā)明以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限制本發(fā)明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，所做更動與潤飾，都屬于本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，其特征是它至少包括如下步驟(1)提供第一絕緣層；(2)于該第一絕緣層中形成第一銅導線和第二銅導線；(3)至少于該第一和第二銅導線上形成第一密封層；(4)于該第一密封層上形成第二絕緣層；(5)于該第二絕緣層和第一密封層中形成一開口，暴露出該第一銅導線；(6)于該開口中順應性形成第一金屬層；(7)于該第一金屬層上順應性形成介電層；(8)于該介電層上順應性形成第二金屬層；(9)移除該第一金屬層、該介電層和該第二金屬層至暴露出該第二絕緣層；(10)于該第二絕緣層和該第二金屬層上形成第三絕緣層；(11)于該第三絕緣層和該第二絕緣層中形成多數(shù)個雙鑲嵌圖案，該雙鑲嵌圖案包含多數(shù)個溝槽和多數(shù)個介層窗孔；(12)于該溝槽中形成第三銅導線和第四銅導線，以及于該介層窗孔中形成第三、一銅插塞和第四、二銅插塞，其中該第一金屬層經(jīng)由該第三、一銅插塞與該第三銅導線電性連接，該第四銅插塞經(jīng)由該第四、二銅插塞與該第二銅導線電性連接；(13)至少于該第三和第四銅導線上形成第二密封層。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，其特征是該第一金屬層的材質是選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁、或鋁銅合金的其中至少一種。
3.根據(jù)權利要求1所述的利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，其特征是該介電層的材質是選自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鉭、氧化鋯、氧化鉿或氧化鋁的其中至少一種。
4.根據(jù)權利要求1所述的利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，其特征是該第二金屬層的材質是選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁、或鋁銅合金的其中至少一種。
5.根據(jù)權利要求1所述的利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，其特征是該移除該第一金屬層、該介電層和該第二金屬層至暴露出該第二絕緣層的方法為化學機械研磨法。
6.根據(jù)權利要求1所述的利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，其特征是該該第一金屬層的厚度介于100埃至2000埃之間。
7.根據(jù)權利要求1所述的利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，其特征是該介電層的厚度介于100埃至1200埃之間。
8.根據(jù)權利要求1所述的利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法，其特征是該第二金屬層的厚度介于200埃至2000埃之間。
9.一種權利要求1-8其中之一所述的方法形成的具有鑲嵌結構的金屬電容器，其特征是它包括如下構造第一銅導線和第二銅導線配置于第一絕緣層中；第二絕緣層配置于該第二絕緣層上，該第二絕緣層中具有一開口位于該第一銅導線上；第一金屬層順應性地配置于該開口中，且與該第一銅導線的表面接觸；介電層順應性地配置于該開口中的該第一金屬層上；第二金屬層順應性地配置于該開口中的該介電層上；第三絕緣層配置于該第二絕緣層和該第二金屬層上；第一銅鑲嵌結構和第二銅鑲嵌結構配置在該第二絕緣層和該第三絕緣層中，該第一銅鑲嵌結構是由該第三銅導線和第一銅插塞所構成，該第二銅鑲嵌結構是由該第四銅導線和第二銅插塞所構成，該第二金屬層經(jīng)由該第一銅插塞與該第三銅導線電性連接，該第四銅導線經(jīng)由該第二銅插塞與該第二銅導線電性連接；第一密封層配置于該第二銅導線和該第二絕緣層之間；第二密封層配置于談第三和第四銅導線上。
10.根據(jù)權利要求9所述的具有鑲嵌結構的金屬電容器，其特征是該第一金屬層的材質是選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁、或鋁銅合金的其中至少一種。
11.根據(jù)權利要求9所述的具有鑲嵌結構的金屬電容器，其特征是該介電層的材質是選自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鉭、氧化鋯、氧化鉿或氧化鋁的其中至少一種。
12.根據(jù)權利要求9所述的具有鑲嵌結構的金屬電容器，其特征是該第二金屬層的材質是選自鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鋁、或鋁銅合金的其中至少一種。
13.根據(jù)權利要求9所述的具有鑲嵌結構的金屬電容器，其特征是該第一金屬層的厚度介于100埃至2000埃之間。
14.根據(jù)權利要求9所述的具有鑲嵌結構的金屬電容器，其特征是該介電層的厚度介于100埃至1200埃之間。
15.根據(jù)權利要求9所述的具有鑲嵌結構的金屬電容器，其特征是該第二金屬層的厚度介于200埃至2000埃之間。
全文摘要
一種利用鑲嵌制程形成金屬電容器的方法及其產(chǎn)品，于形成金屬薄膜電容器之前，先利用銅金屬鑲嵌制程來制作其下的內連線，之后沉積一層絕緣層，并于其中形成開口，接著依序沉積順應性的第一金屬層、介電層和第二金屬層，再進行化學機械研磨制程，將開口外多余的第一金屬層、介電層和第二金屬層磨除，直至暴露出其下方的絕緣層為止，即于開口中形成電容器。在完成電容器之后，繼續(xù)利用銅金屬鑲嵌制程來制作其上的內連線。具有內含電容器的積體電路的尺寸可以容易地達成縮小化、降低所需的微影蝕刻步驟、降低制造內含電容器的積體電路的制造成本及降低電容器區(qū)域和非電容器區(qū)域之間的高度落差的功效。
文檔編號H01L21/02GK1402326SQ0210031
公開日2003年3月12日 申請日期2002年1月7日 優(yōu)先權日2001年8月22日
發(fā)明者徐震球, 李世達 申請人:矽統(tǒng)科技股份有限公司