專利名稱：集成電路電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路電容器，具體涉及一種金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal，MIM)電容器結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)特別適用于邏輯、模擬、或包括動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)與并合DRAM和邏輯(MergedDRAM and Logic，MDL)兩種器件的電路。
背景技術(shù)：
存在好幾類集成電路電容器，根據(jù)它們的連接結(jié)構(gòu)分類，如金屬-氧化物-硅(MOS)電容器，pn結(jié)電容器，多晶硅-絕緣體-多晶硅(PIP)電容器，和金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器。在上面列舉的除了MIM電容器的所有電容器中，至少一個電極是由單晶硅或多晶硅構(gòu)成的。但是，單晶硅和多晶硅的物理特性限制了電容器電極的阻值的最小化。另外，當(dāng)對單晶或多晶硅電極施加偏置電壓時，可能發(fā)生耗盡，這會造成外加電壓變得不穩(wěn)定。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時，硅電極的容量不能維持在確定的水平。
由于MIM電容器的容量不依賴于偏置電壓或溫度，已經(jīng)提議使用MIM電容器以解決容量變化的問題。MIM電容器同其它類型電容器相比具有較低容量電壓系數(shù)(VCC)和較低容量溫度系數(shù)(TCC)。VCC顯示根據(jù)電壓變化的容量變化和TCC顯示根據(jù)溫度變化的容量變化。因?yàn)榫哂械蚔CC和TCC，MIM電容器特別適于制備模擬產(chǎn)品。新近，MIM電容器被用于制造混合模式信號產(chǎn)品和系統(tǒng)芯片(SOC)產(chǎn)品。例如，MIM電容器被廣泛應(yīng)用于在有線或無線通訊中的模擬或混合模式信號采用的模擬電容器和濾波器，如用于主處理單元板的去耦電容器，如高頻射頻(RF)電容器，以及MIM電容器也應(yīng)用于嵌入式DRAM中。
圖1和圖2分別是R.Liu等人(Proc.IITC，111(2000))和M.Armacost等人(Proc.IEDM，157(2000))描述的兩個常規(guī)MIM電容器的剖面圖。附圖標(biāo)記10和12表示MIM電容器，和附圖標(biāo)記20、30、40、和50分別表示下電極、介質(zhì)層、上電極、和蓋帽層。另外，附圖標(biāo)記C/P_20、C/P_40、C/H、D/D_20、D/D_40、和D/R分別表示下電極接觸塞、上電極接觸塞、接觸孔、接觸下電極的雙鑲嵌布線層(dual damascene wiring layer)、接觸上電極的雙鑲嵌布線層、和鑲嵌區(qū)域(damascene region)。MIM電容器10和12的其它部分對應(yīng)中間層或其它介質(zhì)層。
在圖1所示的MIM電容器10中，下電極20通過下電極接觸塞C/P_20電連接布線層(未示出)，和上電極40通過上電極接觸塞C/P_40電連接另一布線層(未示出)。在具有高縱橫比但不同深度的各接觸孔C/H中形成下電極接觸塞C/P_20和上電極接觸塞C/P_40。特別地，用于C/P_20的C/H比用于C/P_40的C/H更深，因?yàn)镃/P_20接觸下電極20。當(dāng)形成接觸孔C/H時，很難精確控制蝕刻工藝以便使C/H蝕刻同時終止在上電極40的頂面和在下電極20的頂面。因此，必須以預(yù)定厚度形成上電極40以便它能夠承受過蝕刻工藝。但是，當(dāng)上電極40的厚度增加時，更可能將位于上電極40下的介質(zhì)層30暴露在用于構(gòu)圖上電極40的過蝕刻工藝，這樣由于介質(zhì)層30被蝕刻掉而可能暴露下電極20。因此，也必須以預(yù)定厚度形成介質(zhì)層30以便它能承受過蝕刻工藝，這導(dǎo)致整個電容器10的容量降低。
在圖2所示的MIM電容器12中，雙鑲嵌布線層D/D_20和雙鑲嵌布線層D/D_40分別電連接下電極20和上電極40。它們形成于具有高縱橫比但不同深度的各自的鑲嵌區(qū)域D/R中。為獲得用于形成雙鑲嵌區(qū)域D/R的蝕刻工藝的足夠余量，其中應(yīng)該形成雙鑲嵌布線層D/D_40，必須增加上電極40的厚度和介質(zhì)層30的厚度，這伴隨著在整個電容器12中容量的降低。
另外，在形成接觸孔C/H和鑲嵌區(qū)域D/R期間，由于它們具有高縱橫比，產(chǎn)生如聚合物的副產(chǎn)物，導(dǎo)致發(fā)生不良電接觸的可能性很高。換句話說，常規(guī)MIM電容器制備工藝導(dǎo)致包括限制電容器容量的很多不足。
本發(fā)明實(shí)施例解決在現(xiàn)有技術(shù)中的這個和其它局限。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明解決了上述和其它的現(xiàn)有技術(shù)問題。本發(fā)明的一個目的是提供一種集成電路電容器以克服電容器容量的降低。
本發(fā)明的另一目的是提供一種在半導(dǎo)體工藝中形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，以解決伴隨具有高縱橫比的接觸孔的問題。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種形成于半導(dǎo)體襯底上的電容器，其包括第一金屬層的第一電極；第二金屬層的第二電極，其比第一金屬層更接近襯底；介于第一電極和第二電極之間的介質(zhì)材料；和連接至第一電極的下表面的布線。
在一實(shí)施例中，該布線由比第二金屬層更接近襯底的第三金屬層形成。在另一實(shí)施例中，該布線由第二金屬層形成。該布線通過接觸孔連接于第一電極，該接觸孔包括多個分離接觸孔。該布線具有平面化的頂面。該布線包括鑲嵌層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種金屬-絕緣體-金屬電容器，包括形成于第一金屬層中的布線層，該布線層包括第一電極接觸線；形成于第二金屬層中的下電極；形成于第三金屬層中的上電極，該上電極置于下電極上方；介質(zhì)層，分隔下電極和上電極；和接點(diǎn)，形成在第一電極接觸線和上電極的下表面之間。
在一實(shí)施例中，該上電極通過介質(zhì)層中的接觸孔連接于第一電極接觸線，該接觸孔包括多個分離孔。
在一實(shí)施例中，該布線層包括第二電極接觸線，該第二電極接觸線連接于下電極的下表面，具體地，該下電極的下表面的一部分直接接觸第二電極接觸線的上表面并且不通過接觸孔；在另一實(shí)施例中，該下電極通過在絕緣層中的接觸孔連接于第二電極接觸線。該第一和第二電極接觸線均具有平面化的頂面，具體地，該第一和第二電極接觸線通過鑲嵌工藝被平面化；在另一實(shí)施例中，通過在層間介質(zhì)層上執(zhí)行CMP工藝來平面化第一和第二電極接觸線。
在一實(shí)施例中，通過除了平面化外的工藝形成第一和第二電極接觸線的頂表面。
在一實(shí)施例中，該金屬-絕緣體-金屬電容器還包括位于下電極的頂表面上的第二接點(diǎn)，具體地，第二接點(diǎn)延伸得比第三金屬層更遠(yuǎn)離襯底。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種金屬-絕緣體-金屬電容器，包括；第一金屬層，包括下電極和電極接觸線；形成于第二金屬層中的上電極，該上電極置于下電極上方；介質(zhì)層，分隔下電極和上電極；和接點(diǎn)，形成于電極接觸線和上電極的下表面之間。
在一實(shí)施例中，上電極通過介質(zhì)層中的接觸孔連接于電極接觸線，特別地，該接觸孔包括多個分離孔。
在一實(shí)施例中，金屬-絕緣體-金屬電容器還包括位于下電極的頂表面上的第二接點(diǎn)，特別地，該第二接點(diǎn)延伸得比第二金屬層更遠(yuǎn)離襯底。
在一實(shí)施例中，下電極和電極接觸線均具有平面化的頂面，具體地，下電極和電極接觸線通過鑲嵌工藝被平面化；在另一實(shí)施例中，通過在層間介質(zhì)層上執(zhí)行CMP工藝來平面化下電極和電極接觸線。
在一實(shí)施例中，在除了平面化外的工藝中形成下電極和電極接觸線。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于在半導(dǎo)體工藝中形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成絕緣層；形成第一連接布線和第二連接布線；在絕緣層上形成下電極并置于第一連接布線上方；在下電極上方形成介質(zhì)層；形成設(shè)置于下電極上方的上電極；和形成從第二連接布線到上電極的下表面的接點(diǎn)。
在一實(shí)施例中，形成第一連接布線和第二連接布線包括在絕緣層中形成第一和第二溝槽；在第一溝槽和第二溝槽中形成金屬層；和平面化金屬層，以在第一溝槽中形成第一連接布線和在第二溝槽中形成第二連接布線。在另一實(shí)施例中，該方法還包括在第一和第二溝槽中形成金屬層之前，在第一和第二溝槽中形成阻擋層。
具體地，形成阻擋層包括形成主要由過渡金屬、過渡金屬合金、過渡金屬化合物、和它們的任意結(jié)合構(gòu)成的組中選出的材料制成的層。
形成該金屬層包括形成銅層。
在一實(shí)施例中，形成該第一和第二連接布線包括在絕緣層上形成導(dǎo)電層；構(gòu)圖導(dǎo)電層以形成第一連接布線和第二連接布線；在第一連接布線和第二連接布線上淀積層間介質(zhì)層；和平面化第一和第二連接布線以及層間介質(zhì)層。
特別地，平面化第一和第二連接布線以及層間介質(zhì)層包括執(zhí)行CMP工藝。
在一實(shí)施例中，形成第一和第二連接布線包括在絕緣層上形成導(dǎo)電層；和構(gòu)圖導(dǎo)電層，以形成第一連接布線和第二連接布線。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于在半導(dǎo)體工藝中形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成絕緣層；形成第一布線連接和第二布線連接；在第一布線連接和第二布線連接上形成第一層間介質(zhì)層；在第一層間介質(zhì)層中形成第一接觸孔以暴露第一布線連接；在第一層間介質(zhì)層上和第一接觸孔中形成下電極以接觸第一布線連接；在下電極上形成介質(zhì)層；在介質(zhì)層中和在第一層間介質(zhì)層申形成第二接觸孔以接觸第二布線連接；和形成設(shè)置于下電極上方和第二接觸孔中的上電極以接觸第二布線連接。
在一實(shí)施例中，形成第一和第二布線連接包括在絕緣層中形成第一和第二溝槽；在第一溝槽和第二溝槽中形成導(dǎo)電層；和平面化導(dǎo)電層，以在第一溝槽中形成第一布線連接和在第二溝槽中形成第二布線連接。
在另一實(shí)施例中，形成第一和第二布線連接包括在絕緣層上形成導(dǎo)電層；構(gòu)圖導(dǎo)電層以形成第一布線連接和第二布線連接；在第一和第二布線連接上淀積層間介質(zhì)層；和平面化第一和第二布線連接以及層間介質(zhì)層。
在又一實(shí)施例中，形成第一和第二布線連接包括在絕緣層上形成導(dǎo)電層；和構(gòu)圖導(dǎo)電層以形成第一布線連接和第二布線連接。
特別地，形成第一接觸孔包括形成多個分離接觸孔，形成第二接觸孔包括形成第二多個分離接觸孔。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于在半導(dǎo)體工藝中形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成絕緣層；形成第一布線連接和下電極；在第一布線連接和下電極上形成介質(zhì)層；在介質(zhì)層中形成第一接觸孔并設(shè)置在第一布線連接上方；形成設(shè)置于介質(zhì)層上方且位于第一接觸孔中的上電極以接觸第一布線連接；形成設(shè)置于上電極、介質(zhì)層、和下電極上方的層間介質(zhì)層；在層間介質(zhì)層和介質(zhì)層中形成第二接觸孔以暴露下電極；和在第二接觸孔中形成接觸塞并使其接觸下電極的頂表面。
在一實(shí)施例中，形成第一布線連接和下電極包括在絕緣層中形成第一和第二溝槽；在第一溝槽和第二溝槽中形成導(dǎo)電層；和平面化導(dǎo)電層，以在第一溝槽中形成第一布線連接和在第二溝槽中形成下電極。
在另一實(shí)施例中，形成第一布線連接和下電極包括在絕緣層上形成導(dǎo)電層；構(gòu)圖導(dǎo)電層以形成第一布線連接和下電極；在第一布線連接和下電極上淀積層間介質(zhì)層；和平面化第一布線連接、下電極、和層間介質(zhì)層。
在又一實(shí)施例中，形成第一布線連接和下電極包括在絕緣層上形成導(dǎo)電層；和構(gòu)圖導(dǎo)電層以形成第一布線連接和下電極。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于在半導(dǎo)體工藝中和在其上形成有絕緣層的半導(dǎo)體襯底上形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，該方法包括在絕緣層上形成連接線；在絕緣層上形成下電極；形成設(shè)置于下電極上的電容器介質(zhì)層；形成設(shè)置于電容器介質(zhì)層上的上電極；和將連接線連接到上電極的下表面。
在一實(shí)施例中，形成連接線包括在絕緣層中形成第一和第二溝槽；在第一和第二溝槽中形成阻擋層；在阻擋層上形成金屬層；和平面化金屬層。
特別地，形成金屬層包括電鍍該阻擋層。形成阻擋層包括形成包含鈦的層。
在一實(shí)施例中，形成連接線包括在絕緣層上形成金屬層；構(gòu)圖金屬層以形成連接線；在連接線上形成第二絕緣層；和通過化學(xué)機(jī)械拋光工藝平面化金屬層和第二絕緣層。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上電極和介質(zhì)層不需要象它們在常規(guī)技術(shù)中形成得那么厚。換句話說，有可能最小化介質(zhì)層的厚度并且仍然形成具有大容量的MIM電容器。另外，由于其中形成了接觸孔C/H1的介質(zhì)層130的厚度非常小，接觸孔C/H1的縱橫比也非常小。因此，在本發(fā)明中較少發(fā)生伴隨圖1中具有高縱橫比的接觸孔C/H的問題。


從下面給出的詳細(xì)描述和從本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖可以更全面地理解本發(fā)明，但是，不應(yīng)將本發(fā)明局限在具體實(shí)施例中，而是用其幫助解釋和理解。
圖1和圖2是常規(guī)MIM電容器的剖面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIM電容器的等效電路示意圖；圖4是用于形成根據(jù)圖3的示意圖的MIM電容器的示例布局圖；圖5-7是根據(jù)在圖4中描述的布局形成的MIM電容器的剖面圖；圖8是用于形成根據(jù)圖3的示意圖的MIM電容器的示例布局圖；圖9-11是根據(jù)圖8中描述的布局形成的MIM電容器的剖面圖；圖12-13是用于形成根據(jù)圖3的示意圖的MIM電容器的另外示例布局圖；
圖14是根據(jù)本發(fā)明另外實(shí)施例的MIM電容器的等效電路示意圖；圖15是用于形成根據(jù)圖14的示意圖的MIM電容器的實(shí)例布局圖；圖16是用于形成根據(jù)圖14的示意圖的MIM電容器的另一示例布局圖；圖17-18是根據(jù)圖15所示的布局形成的MIM電容器的剖面圖；圖19是根據(jù)圖16所示的布局形成的MIM電容器的剖面圖；圖20是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的MIM電容器的等效電路示意圖；圖21是用于形成根據(jù)圖20的示意圖的MIM電容器的示例布局圖；圖22是用于形成根據(jù)圖20的示意圖的MIM電容器的另一示例布局圖；圖23-24是根據(jù)圖21所示的布局形成的MIM電容器的剖面圖；圖25是根據(jù)圖22所示的布局形成的MIM電容器的剖面圖；圖26-29是說明用于制備圖5中所示的MIM電容器方法的剖面圖；圖30-31是說明用于制備圖6中所示的MIM電容器方法的剖面圖；圖32是說明用于制備圖25中所示的MIM電容器方法的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
在下面的詳細(xì)描述中，為提供對發(fā)明的透徹理解，闡明了許多具體細(xì)節(jié)。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解本發(fā)明不局限于這些具體細(xì)節(jié)。在其它情況中，公知的方法、步驟、元件和電路沒有詳細(xì)描述，免得模糊本發(fā)明。
本發(fā)明實(shí)施例包括大容量的MIM電容器，制造時不會出現(xiàn)影響現(xiàn)有技術(shù)的問題。這樣的電容器包括上電極、下電極、和在上電極和下電極之間的介質(zhì)層。對上電極施加第一電壓和對下電極施加不同于第一電壓的第二電壓。一布線層位于與下電極相同或更低的層次上，通過該布線層將第一電壓施加到上電極。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIM電容器100的等效電路示意圖。MIM電容器100包括在Mn層次中的下電極和在Mn+1層次中的上電極。通過在Mn-1層次中的布線層將第一電壓V1施加到在Mn+1層次中的上電極，Mn-1層次比Mn層次低。通過在Mn-1層次中的布線層將第二電壓V2施加到在Mn層次中的下電極。在本公開文件中，Mn-1到Mn+1代表第n-1到第n+1布線層的層次，N是整數(shù)。根據(jù)應(yīng)用情況，布線層的層次可以變化，并且上電極和下電極和布線層的位置也可變化。
圖3中所示的MIM電容器100可使用圖4所示的布局體現(xiàn)。附圖標(biāo)記112、114、120、140、和C/H1分別代表第一布線層的圖形、第二布線層的圖形、下電極的圖形、上電極的圖形、和用于暴露第一布線層的接觸孔的圖形。對第一布線層112施加第一電壓V1，和對第二布線層114施加第二電壓V2。
使用圖4所示布局形成的MIM電容器可具有沿線A-A’的不同剖面形狀，如圖5到圖7所示。參考圖5，MIM電容器的結(jié)構(gòu)是上電極140疊置在下電極120上，介質(zhì)層130介于上電極140和下電極120之間。上電極140由在Mn+1層次中的導(dǎo)電層構(gòu)成，第一布線層112由在Mn-1層次中的導(dǎo)電層構(gòu)成。通過形成于介質(zhì)層130中的接觸孔C/H1，上電極140接觸被施加第一電壓V1的第一布線層112。下電極120由在Mn層次中的導(dǎo)電層構(gòu)成，并且不使用接觸孔而直接接觸第二布線層114。對第二布線層114施加第二電壓V2。
第二布線層114由與第一布線層112處于相同層次的導(dǎo)電層構(gòu)成。在形成上電極140之前，形成接觸孔C/H1以暴露第一布線層112的表面。因此，因?yàn)樵趫D1中形成接觸孔C/H以暴露上電極40的頂面，所以接觸孔C/H1完全不同于在圖1中所示的常規(guī)MIM電容器10中的接觸孔C/H。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上電極和介質(zhì)層不需要象它們在常規(guī)技術(shù)中形成得那么厚。換句話說，有可能最小化介質(zhì)層的厚度并且形成具有大容量的MIM電容器。另外，由于其中形成有接觸孔C/H1的介質(zhì)層130的厚度非常小，接觸孔C/H1的縱橫比也非常小。因此，在本發(fā)明中較少不太可能發(fā)生伴隨圖1中具有高縱橫比的接觸孔C/H的問題。
如圖5中所示，優(yōu)選地，第一和第二布線層112和114形成在嵌入層間介質(zhì)層105中的鑲嵌布線層中，以便具有平面化的頂面來最小化臺階差異。鑲嵌布線層的形成過程是在形成于層間介質(zhì)層105中的溝槽T1和T2中淀積導(dǎo)電層，并執(zhí)行化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing，CMP)工藝。鑲嵌布線層可包括在每個溝槽T1和T2的內(nèi)壁和下表面處形成的阻擋金屬層110以及填充溝槽T1和T2的導(dǎo)電層111。
用上層間介質(zhì)層覆蓋上電極140以使它同上部結(jié)構(gòu)(未示出)絕緣。上層間介質(zhì)層優(yōu)選包括用于保護(hù)上電極140的蓋帽層150和層間介質(zhì)層155。
在第一和第二布線層112和114與其它布線層之間的連接以及制造位于比Mn+1層次更高的層次中的布線層的工藝可根據(jù)應(yīng)用變化。
上電極140和下電極120的尺寸也可根據(jù)應(yīng)用變化，優(yōu)選地，最大化電容電極的有效面積，即上電極140和下電極120彼此面對的表面面積。
在圖5中通過對導(dǎo)電層執(zhí)行CMP而形成第一布線層112和第二布線層114，圖6不同于圖5所示的結(jié)構(gòu)，通過對層間介質(zhì)層105執(zhí)行CMP形成第一布線層112和第二布線層114。換句話說，導(dǎo)電層形成于下層間介質(zhì)層102上和使用常規(guī)光刻工藝被構(gòu)圖，由此形成第一布線層112和第二布線層114的圖形。接下來，在下層間介質(zhì)層102上淀積層間介質(zhì)層105，對層間介質(zhì)層105執(zhí)行CMP工藝，使得它與第一布線層112和第二布線層114的圖形的頂面處于同一水平。圖6所示的MIM電容器的其它元件和它們的結(jié)構(gòu)與圖5所示的MIM電容器的對應(yīng)元件和它們的結(jié)構(gòu)相同。
參考圖7，第一布線層112和第二布線層114非常薄，因此不需要通過執(zhí)行CMP進(jìn)行平面化。具體地，第一布線層112和第二布線層114是通過構(gòu)圖在下層間介質(zhì)層102上形成的布線圖形。下電極120被構(gòu)圖，以便使其與第一布線層112絕緣但直接接觸第二布線層114。通過形成圖示的介質(zhì)層130，完成第一布線層112與下電極120的絕緣。圖7中所示的MIM電容器的其它元件和它們的結(jié)構(gòu)與圖5中所示的MIM電容器的對應(yīng)元件及它們的結(jié)構(gòu)相同，因此不再更多討論。
圖8是用于形成根據(jù)圖3的示意圖的MIM電容器的另一個實(shí)施例布局。這個布局與圖4中描述的布局的不同之處是還包括一接觸孔C/H2的圖形，通過該接觸孔C/H2暴露第二布線層114的頂面。
圖9到11是根據(jù)圖8所示布局的MIM電容器沿圖8的線B-B’的剖面圖。
參考圖9，在嵌入了第一布線層112和第二布線層114的下層間介質(zhì)層105上形成上層間介質(zhì)層115，在層間介質(zhì)層115上形成下電極120。除了通過形成于上層間介質(zhì)層115中的接觸孔C/H2直接接觸第二布線層114之外，下電極120與圖5的對應(yīng)元件相同。另外，上電極140形成為通過形成于介質(zhì)層130和上層間介質(zhì)層115中的接觸孔C/H1直接接觸第一布線層112。因?yàn)樵诮橘|(zhì)層130和上層間介質(zhì)層115中形成接觸孔C/H1，所以接觸孔C/H1具有低縱橫比。
參考圖10，在層間介質(zhì)層105上執(zhí)行CMP，以使第一布線層112和第二布線層114的頂面處于同一水平。CMP的結(jié)果是，第一布線層112和第二布線層114被嵌入在層間介質(zhì)層105中。
圖11中所示的MIM電容器與圖9中所示的類似，除了在構(gòu)圖第一布線層112和第二布線層114后不執(zhí)行CMP而形成層間介質(zhì)層115。
圖12和13是用于形成根據(jù)圖3的示意圖的MIM電容器的進(jìn)一步示例布局。這些布局圖與圖4和圖8的布局的不同之處是接觸孔C/H1’和C/H2’的圖形包括多個分離圖形。
圖14是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的MIM電容器200的等效電路示意圖。MIM電容器200包括在Mn層次中形成的下電極和在Mn+1層次中形成的上電極。通過在比下電極的層次低的Mn-1層次中形成的布線層，對上電極施加第一電壓V1。通過在Mx層次(此處x＞n+1)中形成的布線層對下電極施加第二電壓V2。
可使用如圖15和圖16中所示的示例布局圖的布局具體實(shí)施根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIM電容器200。附圖標(biāo)記212、220、和240分別代表第一布線層圖形、下電極圖形、和上電極圖形。對布線層圖形212施加第一參考電壓V1。附圖標(biāo)記C/H1和C/H3分別代表用于暴露第一布線層212的接觸孔圖形和用于暴露下電極220的接觸孔圖形。圖16的布局圖形使MIM電容器的有效面積最大化。在圖16中，下電極圖形220具有沿一邊緣的突起和在突起中設(shè)置的接觸孔圖形C/H3。如圖12和圖13中描述的，可用多個分離圖形替代接觸孔圖形C/H2和C/H3。
圖17到19中顯示了使用圖15或圖16所示的布局形成的具有不同結(jié)構(gòu)的MIM電容器的橫截面。
參考圖17，MIM電容器的結(jié)構(gòu)是在下電極220上疊置排列上電極240，和將介質(zhì)層230安置在上電極240和下電極220之間。通過暴露第一布線層212頂面的接觸孔C/H1，上電極240接觸被施加第一電壓V1的第一布線層212。上電極240由在Mn+1層次中的導(dǎo)電層形成，第一布線層212由在Mn- 1層次中的導(dǎo)電層形成，下電極220由在Mn層次中的導(dǎo)電層形成。通過填充接觸孔C/H3的接觸塞C/P_220，下電極220接觸被施加第二電壓V2的、在Mx(這里，x＞n+1)層次中的第二布線層(未示出)。在上層間介質(zhì)層255和250以及介質(zhì)層230中形成接觸孔C/H3，以便暴露下電極220的頂面。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，即使下電極220經(jīng)由接觸塞C/P_220連接到第二布線層，也可形成具有最薄介質(zhì)層的MIM電容器。
圖18表示一種MIM電容器結(jié)構(gòu)，其中在通過執(zhí)行CMP被平面化的層間介質(zhì)層205中嵌入第一布線層212。圖19示出另一種MIM電容器的結(jié)構(gòu)，其中在于下層間介質(zhì)層202上形成第一布線層212后，通過形成另一層間介質(zhì)層215使第一布線層212與下電極220絕緣。在圖19中描述的MIM電容器中，不執(zhí)行CMP工藝。
圖20是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的MIM電容器300的等效電路圖。MIM電容器300包括在Mn層次中形成的下電極和在Mn+1層次中形成的上電極。通過在與下電極相同的層次(Mn)中形成的布線層，對上電極施加第一電壓V1。通過在Mx(這里，x＞n+1)層次中形成的布線層，對Mn層次的下電極施加第二電壓V2。可以使用如圖21或圖22所示的實(shí)施例布局的布局來實(shí)施根據(jù)本實(shí)施例的MIM電容器300。在圖21中，附圖標(biāo)記320、322和340分別代表下電極圖形、被施加第一電壓V1的第一布線層圖形、和上電極圖形。附圖標(biāo)記C/H1和C/H3分別代表暴露第一布線層322的接觸孔圖形和暴露下電極的接觸孔。圖22是用于形成MIM電容器的一種實(shí)例布局圖，以使MIM電容器的有效面積更加最大化。圖22中所示的布局與圖21中所示的相同，除了下電極圖形320具有沿一邊的突起和在突起中設(shè)置的接觸孔圖形C/H3。如圖12和13中所描述，可使用幾個分離圖形形成接觸孔圖形C/H1和C/H3。
使用圖21或圖22中所示布局而實(shí)施的MIM電容器的剖面可以具有不同的結(jié)構(gòu)，如圖23到25所示，其是沿圖21和圖22中線D-D’的MIM電容器的剖面圖。
參考圖23，上電極340疊置排列在下電極320上，在上電極340和下電極320之間安置介質(zhì)層330。通過形成于介質(zhì)層330中以暴露第一布線層322的接觸孔C/H1，上電極340接觸被施加第一電壓V1的第一布線層322。上電極340由在Mn+1層次中的導(dǎo)電層形成，和第一布線層322由Mn層次中的導(dǎo)電層形成，下電極320由Mn層次的導(dǎo)電層形成。形成接觸塞C/P_320以填充接觸孔C/H3，該接觸孔C/H3形成于層間介質(zhì)層355和350中且穿過介質(zhì)層330以暴露下電極320的頂面。下電極320連接到在Mx(這里，x＞n+1)層次中的第二布線層(未示出)。通過形成于接觸孔C/H3中的接觸塞C/P_320，對下電極320施加第二電壓V2。
考慮到最小化臺階差異，優(yōu)選地，下電極320和第一布線層322的頂面處于同一水平。在圖23中，下電極320和第一布線層322是鑲嵌布線層，其形成過程是在形成于介質(zhì)層305中的溝槽Tb和T2中淀積導(dǎo)電層，并使用CMP平面化該導(dǎo)電層。鑲嵌布線層包括在每個溝槽Tb和T2的內(nèi)壁及底部形成的阻擋金屬層310和填充溝槽Tb和T2形成的平面化導(dǎo)電層311。在第一布線層322與其它布線層之間的連接和用于制備在比Mn+1層次高的層次中的布線層的工藝可根據(jù)應(yīng)用變化。
圖24中所示的MIM電容器與圖23中所示的MIM電容器相同，除了將下電極320和第一布線層322定位在下層間介質(zhì)層302上并嵌入通過執(zhí)行CMP被平面化的層間介質(zhì)層305中。
參考圖25，在下層間介質(zhì)層302上薄薄地形成下電極320和第一布線層322。因此，在制造MIM電容器時，如果只使用介質(zhì)層330可使下電極320和第一布線層322電絕緣，則可以不執(zhí)行CMP工藝。
接下來，將參考圖26到圖29，描述使用圖4所示布局制備在圖5中顯示的MIM電容器的示例方法。
參考圖26，在位于襯底(未示出)上的層間介質(zhì)層105中形成溝槽T1和T2。在形成于介質(zhì)層105中的第一和第二溝槽T1和T2的內(nèi)壁和底部形成阻擋層110。阻擋層110可由過渡金屬層、過渡金屬合金層、或過渡金屬化合物層、或它們的任何結(jié)合形成。例如，阻擋層110可由Ta層、TaN層、TaSiN層、TiN層、TiSiN層、WN層、WSiN層形成。引入阻擋層110是為了阻止填充第一溝槽T1和第二溝槽T2的金屬層的金屬原子擴(kuò)散到層間介質(zhì)層105中。接下來，導(dǎo)電層111，例如，金屬層，形成于阻擋層110上以完全填充第一溝槽T1和第二溝槽T2。
導(dǎo)電層111可由任何一種適合鑲嵌工藝的低電阻材料形成。例如，導(dǎo)電層111可由銅(Cu)層形成。具體地，在形成于第一和第二溝槽T1和T2的內(nèi)壁和底部處的阻擋層110上形成銅籽晶層。接下來，由銅層構(gòu)成的導(dǎo)電層111通過電鍍形成于銅籽晶層上以完全填充溝槽T1和T2。
其后，如圖27所示，使用CMP平面化導(dǎo)電層111和阻擋層110，直到暴露層間介質(zhì)層105的頂面。平面化的結(jié)果是，沒有臺階差異地形成在Mn- 1層次的布線層，即，第一布線層112和第二布線層114。
接下來，在Mn層次的導(dǎo)電層被淀積在襯底的整個表面上并用常規(guī)光刻工藝被構(gòu)圖，使得下電極120直接接觸第二布線層114。下電極120可由金屬層、金屬化合物層、或它們的組合形成，例如，下電極120可由Al層、Ta層、TaN層、TaSiN層、TiN層、TiSiN層、WN層、WSiN層或它們的任意組合構(gòu)成?？蛇x地，下電極120可由下列情況形成Ta層和Cu層的雙層，TaN層和Cu層的雙層，Ta層、TaN層和Cu層的三層，或TiN層、AlCu層、和TiN層的三層，等等。
接下來，如圖28所示，介質(zhì)層130被形成其上形成有下電極120的整個襯底表面上并被構(gòu)圖，以形成用于暴露第一布線層112的接觸孔C/H1。介質(zhì)層130可由任何材料形成，只要該材料的介電常數(shù)足夠高以提高最后的MIM電容器的容量。例如，介質(zhì)層130可由SiO2層、SixNy層、SixCy層、SixOyNz層、SixOyCz層、AlxOy層、HfxOy層、或者TaxOy層形成。如果下電極120由銅基材料形成，介質(zhì)層130優(yōu)選由SixNy層、SixCy層、SixNy層和氧化物層的雙層、或SixCy層和氧化物層的雙層形成。例如，介質(zhì)層130可由SixNy層和SixOyCz層的雙層、SixNy層和TEOS層的雙層、SixNy層和PEOX層的雙層、SixCy層和SixOyCz層的雙層、SixCy層和TEOS層的雙層、或者SixCy層和PEOX層的雙層形成。通過將介質(zhì)層130形成為SixNy層和氧化物層的雙層或SixCy層和氧化物層的雙層，可以增強(qiáng)電容器的漏電流特性。其后，Mn+1層次的導(dǎo)電層被淀積在襯底的整個表面上并使用常規(guī)光刻工藝被構(gòu)圖，由此形成上電極140，以通過接觸孔C/H1接觸第一布線層112。這里，上電極140可由與下電極120相同的導(dǎo)電層形成。
接下來，如圖29所示，順次形成蓋帽層150和層間介質(zhì)層155以保護(hù)上電極140。蓋帽層150和層間介質(zhì)層155可由TEOS層、PEOX層、SixOyCz層、SixOyFz層、或SixNy層形成。在第一和第二布線層112和114與其它布線層之間的連接以及制備高于Mn+1層次的布線層的工藝可根據(jù)應(yīng)用變化。
圖30和31是說明使用圖4所示布局制備圖6所示的MIM電容器方法一部分的剖面視圖。
如圖30所示，在Mn-1層次中的導(dǎo)電層被形成在下層間介質(zhì)層102上并使用常規(guī)光刻被構(gòu)圖，因此形成第一布線層112和第二布線層114。以預(yù)定厚度形成層間介質(zhì)層105，以使第一布線層112和第二布線層114彼此絕緣。
如圖31所示，在層間介質(zhì)層105上執(zhí)行CMP工藝，以使其與第一布線層112和第二布線層114的頂面處于同一水平。CMP工藝的結(jié)果是，第一布線層112和第二布線層114電絕緣并被平面化。后續(xù)工藝與上面參考圖27到圖29描述的對應(yīng)工藝相同或相似。
接下來，將參考圖32，描述制備根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的、圖25所示的部分MIM電容器的方法。
在Mn層次中的導(dǎo)電層被形成在下層間介質(zhì)層302上并用常規(guī)光刻工藝被構(gòu)圖，從而形成下電極320和第一布線層322。接下來，淀積介質(zhì)層330并構(gòu)圖，從而形成暴露第一布線層322的接觸孔C/H1。后續(xù)工藝可使用本領(lǐng)域公知的方法執(zhí)行，從而形成具有圖25所示的剖面的MIM電容器。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，這里描述的MIM電容器可通過不同變形來實(shí)現(xiàn)。因此，盡管這里具體說明和描述了各種實(shí)施例，可理解為在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，上面的教導(dǎo)和附加的權(quán)利要求涵蓋本發(fā)明的各種更動和潤飾。
權(quán)利要求
1.一種形成于半導(dǎo)體襯底上的電容器，所述電容器包括第一金屬層的第一電極；第二金屬層的第二電極，其比該第一金屬層更接近該襯底；介于該第一電極和該第二電極之間的介質(zhì)材料；和連接至該第一電極的下表面的布線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中該布線由比該第二金屬層更接近該襯底的第三金屬層形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中該布線由該第二金屬層形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中該布線通過接觸孔連接于該第一電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電容器，其中該接觸孔包括多個分離接觸孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中該布線具有平面化的頂面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的電容器，其中該布線包括鑲嵌層。
8.一種金屬-絕緣體-金屬電容器，包括形成于第一金屬層中的布線層，該布線層包括第一電極接觸線；形成于第二金屬層中的下電極；形成于第三金屬層中的上電極，該上電極置于該下電極上方；介質(zhì)層，分隔該下電極和該上電極；和接點(diǎn)，形成于該第一電極接觸線和該上電極的下表面之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電容器，其中該上電極通過該介質(zhì)層中的接觸孔連接于該第一電極接觸線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的電容器，其中該接觸孔包括多個分離孔。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的電容器，其中該布線層包括第二電極接觸線，和其中該第二電極接觸線連接于該下電極的下表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電容器，其中該下電極的下表面的一部分直接接觸該第二電極接觸線的上表面并且不通過接觸孔。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的電容器，其中，該下電極通過在絕緣層中的接觸孔連接于該第二電極接觸線。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的電容器，其中該第一和第二電極接觸線均具有平面化的頂面。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電容器，其中該第一和第二電極接觸線通過鑲嵌工藝被平面化。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的電容器，其中通過在層間介質(zhì)層上執(zhí)行CMP工藝來平面化該第一和第二電極接觸線。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的電容器，其中在除了平面化外的工藝中形成該第一和第二電極接觸線的頂表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求8的電容器，還包括位于該下電極的頂表面上的第二接點(diǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的電容器，其中該第二接點(diǎn)延伸得比所述第三金屬層更遠(yuǎn)離所述襯底。
20.一種金屬-絕緣體-金屬電容器，包括；第一金屬層，包括下電極和電極接觸線；形成于第二金屬層中的上電極，該上電極置于該下電極上方；介質(zhì)層，分隔該下電極和該上電極；和接點(diǎn)，形成于該電極接觸線和該上電極的下表面之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的電容器，其中該上電極通過該介質(zhì)層中的接觸孔連接于該電極接觸線。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的電容器，其中該接觸孔包括多個分離孔。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的電容器，還包括位于該下電極的頂表面上的第二接點(diǎn)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的電容器，其中該第二接點(diǎn)延伸得比該第二金屬層更遠(yuǎn)離所述襯底。
25.根據(jù)權(quán)利要求20的電容器，其中該下電極和該電極接觸線均具有平面化的頂面。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的電容器，其中該下電極和該電極接觸線通過鑲嵌工藝被平面化。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的電容器，其中通過在層間介質(zhì)層上執(zhí)行CMP工藝來平面化該下電極和該電極接觸線。
28.根據(jù)權(quán)利要求20的電容器，其中在除了平面化外的工藝中形成該下電極和該電極接觸線。
29.一種用于在半導(dǎo)體工藝中形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成絕緣層；形成第一連接布線和第二連接布線；在該絕緣層上形成下電極并置于該第一連接布線上方；在該下電極上方形成介質(zhì)層；形成設(shè)置于該下電極上方的上電極；和形成從該第二連接布線到該上電極的下表面的接點(diǎn)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中形成該第一連接布線和該第二連接布線包括在該絕緣層中形成第一和第二溝槽；在該第一溝槽和第二溝槽中形成金屬層；和平面化該金屬層，以在該第一溝槽中形成第一連接布線和在該第二溝槽中形成第二連接布線。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，還包括在所述于該第一和第二溝槽中形成該金屬層之前在該第一和第二溝槽中形成阻擋層。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述形成阻擋層包括形成主要由過渡金屬、過渡金屬合金、過渡金屬化合物、和它們的任意結(jié)合構(gòu)成的組中選出的材料制成的層。
33.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中形成該金屬層包括形成銅層。
34.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中形成該第一和第二連接布線包括在該絕緣層上形成導(dǎo)電層；構(gòu)圖該導(dǎo)電層以形成第一連接布線和第二連接布線；在該第一連接布線和該第二連接布線上淀積層間介質(zhì)層；和平面化該第一和第二連接布線以及該層間介質(zhì)層。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中平面化該第一和第二連接布線以及該層間介質(zhì)層包括執(zhí)行CMP工藝。
36.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中形成該第一和第二連接布線包括在該絕緣層上形成導(dǎo)電層；和構(gòu)圖該導(dǎo)電層以形成第一連接布線和第二連接布線。
37.一種用于在半導(dǎo)體工藝中形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成絕緣層；形成第一布線連接和第二布線連接；在該第一布線連接和該第二布線連接上形成第一層間介質(zhì)層；在該第一層間介質(zhì)層中形成第一接觸孔以暴露該第一布線連接；在該第一層間介質(zhì)層上和該第一接觸孔中形成下電極以接觸該第一布線連接；在該下電極上形成介質(zhì)層；在該介質(zhì)層中和在該第一層間介質(zhì)層中形成第二接觸孔以接觸該第二布線連接；和形成設(shè)置于該下電極上方和該第二接觸孔中的上電極以接觸該第二布線連接。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中形成該第一和第二布線連接包括在該絕緣層中形成第一和第二溝槽；在該第一溝槽和該第二溝槽中形成導(dǎo)電層；和平面化該導(dǎo)電層，以在該第一溝槽中形成第一布線連接和在該第二溝槽中形成第二布線連接。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中形成該第一和第二布線連接包括在該絕緣層上形成導(dǎo)電層；構(gòu)圖該導(dǎo)電層以形成第一布線連接和第二布線連接；在該第一和第二布線連接上淀積層間介質(zhì)層；和平面化該第一和第二布線連接以及該層間介質(zhì)層。
40.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中形成該第一和第二布線連接包括在該絕緣層上形成導(dǎo)電層；和構(gòu)圖該導(dǎo)電層以形成第一布線連接和第二布線連接。
41.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中形成該第一接觸孔包括形成多個分離接觸孔。
42.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中形成該第二接觸孔包括形成第二多個分離接觸孔。
43.一種用于在半導(dǎo)體工藝中形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成絕緣層；形成第一布線連接和下電極；在該第一布線連接和該下電極上形成介質(zhì)層；在該介質(zhì)層中形成第一接觸孔并設(shè)置在該第一布線連接上方；形成設(shè)置于該介質(zhì)層上方且位于該第一接觸孔中的上電極以接觸該第一布線連接；形成設(shè)置于該上電極、該介質(zhì)層、和該下電極上方的層間介質(zhì)層；在該層間介質(zhì)層和該介質(zhì)層中形成第二接觸孔以暴露該下電極；和在該第二接觸孔中形成接觸塞并將其構(gòu)造成接觸該下電極的頂表面。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中所述形成第一布線連接和下電極包括在該絕緣層中形成第一和第二溝槽；在該第一溝槽和該第二溝槽中形成導(dǎo)電層；和平面化該導(dǎo)電層，以在該第一溝槽中形成第一布線連接和在該第二溝槽中形成下電極。
45.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中所述形成第一布線連接和下電極包括在該絕緣層上形成導(dǎo)電層；構(gòu)圖該導(dǎo)電層以形成第一布線連接和下電極；在該第一布線連接和該下電極上淀積層間介質(zhì)層；和平面化該第一布線連接、該下電極、和該層間介質(zhì)層。
46.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中所述形成第一布線連接和下電極包括在該絕緣層上形成導(dǎo)電層；和構(gòu)圖該導(dǎo)電層以形成第一布線連接和下電極。
47.一種用于在半導(dǎo)體工藝中和在其上形成有絕緣層的半導(dǎo)體襯底上形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，該方法包括在該絕緣層上形成連接線；在該絕緣層上形成下電極；形成設(shè)置于該下電極上的電容器介質(zhì)層；形成設(shè)置于該電容器介質(zhì)層上的上電極；和將該連接線連接到該上電極的下表面。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中所述形成連接線包括在該絕緣層中形成第一和第二溝槽；在該第一和第二溝槽中形成阻擋層；在該阻擋層上形成金屬層；和平面化該金屬層。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中形成金屬層包括電鍍該阻擋層。
50.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中形成阻擋層包括形成包含鈦的層。
51.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中形成連接線包括在該絕緣層上形成金屬層；構(gòu)圖該金屬層以形成連接線；在該連接線上形成第二絕緣層；和通過化學(xué)機(jī)械拋光工藝平面化該金屬層和該第二絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成電路電容器，其容量大并且在制造該電容器時不會出現(xiàn)影響現(xiàn)有技術(shù)的問題。該電容器包括上電極、下電極和位于上電極和下電極之間的介質(zhì)層。對上電極施加第一電壓和對下電極施加不同于第一電壓的第二電壓。一布線層位于與下電極相同或更低的層次中，通過該布線層對上電極施加第一電壓。
文檔編號H01L27/04GK1507055SQ200310118109
公開日2004年6月23日 申請日期2003年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月17日
發(fā)明者安正勛, 李京泰, 鄭武京, 李庸俊 申請人:三星電子株式會社