專利名稱：一種mom電容制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MOM電容技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種MOM電容制造方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，性能不斷提升的同時也伴隨著器件小型化和微型化的進(jìn)程。電容器是集成電路中的重要組成單元，廣泛運用于存儲器，微波，射頻，智能卡，高壓和濾波等芯片中，具體用途有帶通濾波器，鎖相環(huán)，動態(tài)隨機(jī)存儲器等等。集成電路芯片中的電容結(jié)構(gòu)多種多樣，如MOS (metal-oxi de-semi conductorField,金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場效應(yīng)管電容，PIP (poly-insulator-poly,聚乙烯-絕緣體-聚乙烯)電容,可變結(jié)電容以及后段互連中的MIM(metal-insulatOr-metal,金屬-絕緣體-金屬)電容和M0M(metal-oxide-metal,金屬-氧化物_金屬)電容。存在于后段互 連層中的電容結(jié)構(gòu)不占用器件層的面積，且電容的線性特征要遠(yuǎn)好于其他類型的電容。目前最常見的后段電容結(jié)構(gòu)有兩種結(jié)構(gòu)如圖I所示的MIM平板電容模型，其最簡單的結(jié)構(gòu)是將水平方向平行的金屬板疊成數(shù)層置于AB兩級之間，將介電層間隔于金屬板之間，這樣所形成的堆疊結(jié)構(gòu)即為M頂電容器。例如一種目前典型的電容器結(jié)構(gòu)是由銅金屬層-電介質(zhì)層-鉭金屬層組成的三明治結(jié)構(gòu)。其下層金屬利用現(xiàn)有的下層互連金屬線或者重新沉積定義，另外一種金屬層有多種材料可選，如銅，鋁，鉭，鈦及其合金等。而介質(zhì)絕緣層也有多種不同介電常數(shù)的材料可選。MIM電容器盡管結(jié)構(gòu)簡單，但形成至少兩層金屬板需要很多額外的工藝步驟，從而增加了許多制造上的成本負(fù)擔(dān)。而另一種電容結(jié)構(gòu)則是MOM (金屬-氧化物-金屬)電容，它主要是利用上下兩層金屬導(dǎo)線及同層金屬之間的整體電容。該種電容器的好處是其可以用現(xiàn)有的的互連制造工藝來實現(xiàn)，即可以同時完成MOM電容與銅互連結(jié)構(gòu)。且電容密度較高，還可以通過堆疊多層MOM電容來實現(xiàn)較大的電容值，因此在高階制程有更為廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有工藝中，因為MOM電容要與互連結(jié)構(gòu)同時完成，所以其介質(zhì)厚度由通孔的高度和金屬線的厚度決定。該厚度會影響金屬線的方塊電阻，通孔的電阻值，互連層的機(jī)械性能及可靠性，無法獨立更改。因此，MOM電容密度受互連工藝參數(shù)決定而在傳統(tǒng)工藝中較難實現(xiàn)電容密度的提高和調(diào)整。隨著芯片尺寸的減少及性能對大電容的需求，如何在有限的面積下獲得高密度的電容成為一個非常有吸引力的課題。根據(jù)電容公式C = ，為了獲得較高單位面積的電容密度，通常采用的方法有三種I.采用更高介電常數(shù)的介電材料來提高電容密度。但是目前可用的高介電材料有限，可以與現(xiàn)有后段工藝結(jié)合的更少，因此換用高介電常數(shù)材料的提升電容密度的方法運用較少。；2.根據(jù)物理學(xué)電容計算原理，減少兩極板的距離也可以增大電容。而在具體制造過程中就是減少介質(zhì)層的厚度。但是很顯然的是，介質(zhì)層厚度降低，則在同等工作電壓下，介質(zhì)材料所承受的電場強(qiáng)度也相應(yīng)增加。而介質(zhì)材料的耐擊穿程度是一定的，為了獲得可靠的器件減少擊穿損壞的危險，通常利用減少介質(zhì)的厚度來實現(xiàn)電容密度提高的程度是有限的，而且犧牲了耐擊穿的可靠性。3.在單層電容器的結(jié)構(gòu)下，利用起伏的形貌或者半球狀晶粒，增加單位面積上的電容極板面積，如中國專利(公開號CN1199245A，“形成集成電路電容器的方法，以及由此形成的電容器”)利用粗糙的高低起伏表面來提高電容器兩極板之間的交疊面積，達(dá)到提高電容密度的效果。但是這種方法，所能提高的幅度有限，而且高低起伏的形貌對工藝帶來很大難度。此外，中國專利(公開號CN1624894A，“堆疊式金屬-絕緣體-金屬電容器及其制造方法”，提到一種利用互連線上下兩層，及層間介質(zhì)層作為電容的多層金屬層電容器堆疊。該方法根本目的在于利用較厚的金屬層間介質(zhì)作為電容器的介質(zhì)層而使電容的擊穿電壓增大。然而由于介質(zhì)層太厚，所以電容密度很低，即便疊加多層也難以達(dá)到普通單層電容器水平。此外，這種方法需要占用多個互連層的空間，在這些電容存在的所有互聯(lián)層區(qū)域都不能存在其它互連線，因此芯片的后段可用布線面積大幅降低，不利于器件的小型化，也為電路設(shè)計帶來困難。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種MOM電容制造方法的技術(shù)方案，具體如下一種MOM電容制造方法，用于增大MOM電容結(jié)構(gòu)的電容密度；所述MOM電容結(jié)構(gòu)包括電容區(qū)和銅互連區(qū)；所述MOM電容結(jié)構(gòu)經(jīng)薄膜沉積后形成刻蝕阻擋層、低介電常數(shù)的介質(zhì)層和金屬硬掩膜層，所述金屬硬掩膜層包括緩沖層、掩膜層和上覆層；其中，具體包括步驟1，在所述緩沖層上生長一層與所述緩沖層同樣材質(zhì)的刻蝕調(diào)整層，；步驟2，定義出所述MOM電容所在區(qū)域的光罩；步驟3，將所述MOM電容所在區(qū)域的刻蝕調(diào)整層去除；步驟4，按照通用工藝進(jìn)行所述MOM電容結(jié)構(gòu)的通孔成形、金屬銅填充和化學(xué)機(jī)械研磨。優(yōu)選地，該MOM電容制造方法，其中，采用化學(xué)氣相沉積的生長方式生成所述刻蝕
調(diào)整層。優(yōu)選地，該MOM電容制造方法，其中，采用原子層沉積的生長方式生成所述刻蝕調(diào)整層。優(yōu)選地，該MOM電容制造方法，其中，采用低溫爐管熱生長的生長方式生成所述刻蝕調(diào)整層。優(yōu)選地，該MOM電容制造方法，其中，將所述刻蝕調(diào)整層的厚度控制在5飛00納米之間。優(yōu)選地，該MOM電容制造方法，其中，將所述刻蝕調(diào)整層和所述緩沖層組合形成緩沖調(diào)整層。優(yōu)選地，該MOM電容制造方法，其中，所述緩沖調(diào)整層采用致密的介質(zhì)材料制成。優(yōu)選地，該MOM電容制造方法，其中，根據(jù)所述銅互連區(qū)與所述電容區(qū)的極板之間的厚度差，以及所述刻蝕調(diào)整層和所述介質(zhì)層的刻蝕速率比，采用預(yù)設(shè)的算法確定所述緩沖調(diào)整層的厚度。優(yōu)選地，該MOM電容制造方法，其中，將所述銅互連區(qū)的金屬硬掩膜刻蝕停止在刻蝕調(diào)整層表面。優(yōu)選地，該MOM電容制造方法，其中，將所述電容區(qū)的金屬硬掩膜刻蝕停止在緩沖層上。本發(fā)明的有益效果可以在不影響正常區(qū)域的銅互連結(jié)構(gòu)的前提下，通過引入刻蝕調(diào)整層，使MOM電容區(qū)的剩余介質(zhì)厚度減小，從 而達(dá)到提高電容密度的目的。電容密度的提高程度由MOM金屬結(jié)構(gòu)的底部介質(zhì)厚度的減少量決定。介質(zhì)厚度的減少量由刻蝕調(diào)整層的厚度以及刻蝕調(diào)整層材質(zhì)與低介電常數(shù)的介質(zhì)層的刻蝕選擇比共同決定。因此可以通過調(diào)節(jié)刻蝕調(diào)整層的厚度和刻蝕參數(shù)來達(dá)到合適的、所需的電容密度。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)中MIM電容結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中MOM電容結(jié)構(gòu)的截面圖；圖3是目前通用的MOM電容結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖4-圖8是通用的MOM電容結(jié)構(gòu)的制作工藝流程圖；圖9-圖14是本發(fā)明中經(jīng)改進(jìn)后的MOM電容結(jié)構(gòu)的制作工藝流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。如圖2和3所示為目前通用的MOM電容結(jié)構(gòu)，該種MOM電容結(jié)構(gòu)的制造工藝流程如圖4-8所示如圖4所示對MOM電容進(jìn)行薄膜沉積，分別有刻蝕阻擋層41、低介電常數(shù)的介質(zhì)層42和金屬硬掩膜層，刻蝕阻擋層下方為金屬互連線43。而金屬硬掩膜層分為三層，分別是緩沖層44、硬掩膜層45和上覆層46 ;其中緩沖層用于防止硬掩膜層對介質(zhì)層的污染，上覆層用于保護(hù)硬掩膜層受到外界條件的影響。如圖5所示，對MOM電容結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬溝槽51的光刻和金屬硬掩膜刻蝕，上述工藝停止在緩沖層44中，隨后去膠和清洗。如圖6所示，對MOM電容結(jié)構(gòu)進(jìn)行通孔61的光刻和部分刻蝕，刻蝕停止在介質(zhì)層42中，并作原位去膠處理；隨后如圖7所示，在刻蝕腔內(nèi)進(jìn)行溝槽51和通孔61的一體化刻蝕，使通孔的底部將刻蝕阻擋層41打開并與下層的金屬互連線43導(dǎo)通，同時使溝槽51達(dá)到指定深度，此時MOM電容區(qū)域的介質(zhì)厚度與金屬互連線43底部的介質(zhì)厚度相同。經(jīng)過清洗后，進(jìn)行擴(kuò)散刻蝕阻擋層(未示出)，銅籽晶層(未示出)生長和電鍍生長銅，金屬銅的厚度需在填滿溝槽和通孔外有一定冗余厚度，最后利用化學(xué)機(jī)械研磨去除多余的材料，形成如圖8所示的最終結(jié)構(gòu)，其中左側(cè)為MOM電容結(jié)構(gòu)181，右側(cè)為通用的雙大馬士革銅互連結(jié)構(gòu)182,兩種結(jié)構(gòu)在該工藝中可以同時形成。本發(fā)明提供了一種MOM電容結(jié)構(gòu)制作工藝的改進(jìn)方案，將硬掩膜層下方的緩沖層加厚，從而使其具有緩沖和厚度調(diào)整的雙重作用。再利用定義出電容區(qū)域的光罩，將電容區(qū)域的低介電常數(shù)介質(zhì)層和刻蝕調(diào)整層去除，從而在后續(xù)刻蝕工程中，使MOM電容所在區(qū)域的介質(zhì)厚度較普通銅互連的溝槽下方的剩余介質(zhì)薄，通過降低電容的介質(zhì)厚度，從而達(dá)到提高電容的目的。本發(fā)明的詳細(xì)解決方案如下首先，在現(xiàn)有銅互連制造工藝的三層金屬硬掩模堆疊中，將緩沖層的厚度加厚，等同于生長了一層與介質(zhì)緩沖層同樣材質(zhì)的刻蝕調(diào)整層，生長方式可用化學(xué)氣相沉積，原子層沉積或低溫爐管熱生長。因此該加厚的薄膜層，上部起到刻蝕調(diào)整的作用，用于實現(xiàn)不同區(qū)域的刻蝕深度；而下部則用于隔離金屬層對低介電常數(shù)材料的污染和去膠清洗工藝的影響。加厚的緩沖調(diào)整層的厚度，由所需調(diào)節(jié)的低介電常數(shù)的厚度差，及刻蝕選擇比共同決定，該刻蝕調(diào)整層和該緩沖層共同構(gòu)成緩沖調(diào)整層，該緩沖調(diào)整層的材質(zhì)是一種致密的介質(zhì)材料，如氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等。由于緩沖調(diào)整層的材質(zhì)相對于低介電常數(shù)介質(zhì)層具有較高的刻蝕選擇比，因此可以用相對較薄的刻蝕調(diào)整層，產(chǎn)生在Low K薄膜上較大的剩余厚度差異。其次，進(jìn)行普通銅互連區(qū)的金屬硬掩模光刻和刻蝕，使銅互連區(qū)的金屬硬掩?？涛g停止在刻蝕調(diào)整層表面。隨后進(jìn)行MOM電容區(qū)的金屬硬掩模光刻和刻蝕，使電容區(qū)的金屬硬掩?？涛g停止在緩沖層上。后續(xù)的通孔成形，金屬銅填充和化學(xué)機(jī)械研磨工藝與通用工藝相同。 由于MOM電容區(qū)的緩沖調(diào)整層被部分去除，而普通銅互連區(qū)域的緩沖調(diào)整層完全保留，因此在后續(xù)的一體化刻蝕中，MOM區(qū)的溝槽在Low K (低介質(zhì)常數(shù)，2.8)介質(zhì)層中的刻蝕深度大于普通金屬互連溝槽。這樣，在保證不影響普通銅互連溝槽深度和通孔高度的情況下，可以使電容區(qū)的介質(zhì)厚度降低，從而達(dá)到提升電容密度，提高M(jìn)OM電容性能的目的。本技術(shù)解決方案主要用于金屬硬掩模和低介電常數(shù)材料的銅互連工藝，而實際應(yīng)用中可以根據(jù)本發(fā)明的原理，利用刻蝕調(diào)整層對不同區(qū)域的介質(zhì)厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到改變電容密度的目的。實際應(yīng)用中，選擇雙層嵌入式銅互連結(jié)構(gòu)作為作用對象，其下層存在銅互連結(jié)構(gòu)，便于表現(xiàn)出互連層之間的連接關(guān)系。該實例中的絕緣介質(zhì)材料，可采用相對介電常數(shù)為K的材質(zhì)，K的范圍為2 4. 2 ;其中MOM電容區(qū)和雙大馬士革銅互連結(jié)構(gòu)可同時進(jìn)行，低介電常數(shù)的介質(zhì)材料采用K=2. 55的第二代黑鉆石。第一，如圖9所示，對MOM電容結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)行各層薄膜沉積，其中晶圓上的基底結(jié)構(gòu)為下層的銅互連結(jié)構(gòu)101，采用化學(xué)氣相沉積的方法，生長有摻氮碳化硅的刻蝕阻擋層102，低介電常數(shù)的介質(zhì)層103，由氧化硅緩沖層和刻蝕調(diào)整層組成的緩沖調(diào)整層104以及物理氣相沉積生長氮化鈦的硬掩膜層105，其上設(shè)有化學(xué)氣相沉積生長氧化硅的上覆層106，上述緩沖調(diào)整層、硬掩膜層和上覆層共同構(gòu)成金屬硬掩膜層；刻蝕調(diào)整層的厚度根據(jù)銅互連區(qū)與電容區(qū)的極板之間的厚度差，以及刻蝕調(diào)整層和介質(zhì)層的刻蝕速率比，采用預(yù)設(shè)的算法決定，例如采用厚度差除以刻蝕速率比來確定刻蝕調(diào)整層的厚度，該刻蝕速率比即為刻蝕選擇比，為不同材質(zhì)中刻蝕速率之比；薄膜的厚度在數(shù)納米到數(shù)百納米之間，根據(jù)實際工藝要求選取，氧化硅緩沖層及刻蝕調(diào)整層較傳統(tǒng)工藝的緩沖層有所加厚，加厚部分與所希望調(diào)節(jié)的刻蝕深度及刻蝕選擇比相關(guān)，約在5飛00納米之間。第二，如圖10所示，進(jìn)行互連結(jié)構(gòu)金屬線的溝槽圖形的光刻和刻蝕，將溝槽互連線結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移到氮化鈦硬掩膜層105上，將普通的互連區(qū)域部分的溝槽圖形的硬掩模層去除，刻蝕停止在氧化硅緩沖調(diào)整層104頂部。第三，如圖11所示，進(jìn)行MOM電容區(qū)域的金屬溝槽圖形的光刻和刻蝕。利用定義好電容區(qū)域的光罩，進(jìn)行MOM電容區(qū)域的金屬硬掩模刻蝕。與上一步普通區(qū)域的硬掩?？涛g有所差異，本步驟的刻蝕先將金屬硬掩模刻蝕完全到達(dá)緩沖調(diào)整層104頂部，隨后進(jìn)行設(shè)定時間的過刻蝕，將部分緩沖調(diào)整層去除，并使其有一定量的剩余，便于保護(hù)后續(xù)去膠清洗步驟不會影響下方介質(zhì)層103的介質(zhì)材料。至此MOM電容區(qū)域的緩沖調(diào)整層104被部分去除，而正?；ミB區(qū)域的緩沖調(diào)整層被保留?？涛g方式采用等離子體干法刻蝕。第四，如圖12所示，進(jìn)行互連通孔的圖形定義。將通孔121的圖形經(jīng)過光刻刻蝕，使其處于合適的位置，并且采用通孔部分刻蝕的方法，使通孔結(jié)構(gòu)暫時停留在介質(zhì)層103中的特定深度，這樣有利于減少最終通孔結(jié)構(gòu)在去除光阻過程中的損傷。第五，如圖13所示，去除光阻后，晶圓表面只保留了具有溝槽圖形特征的金屬硬掩模層。利用金屬硬掩模層的阻擋，對晶圓進(jìn)行溝槽131和通孔121的一體化刻蝕，形成溝槽結(jié)構(gòu)，同時使通孔結(jié)構(gòu)刻蝕到介質(zhì)層103底部，并打開刻蝕阻擋層102，以便于上下互連 結(jié)構(gòu)的連通。第六，利用物理氣相沉積的方法，生長銅的擴(kuò)散阻擋層(未示出)，該阻擋層由鉭或氮化鉭組成，以及生長銅的籽晶層(未示出)。厚度一般在數(shù)個納米左右。并利用電鍍銅，填充所形成的結(jié)構(gòu)，并達(dá)到一定厚度的冗余銅。最后，如圖14所示，采用化學(xué)機(jī)械研磨的方法將多余的銅、硬掩模層和緩沖調(diào)整層去除，只保留所需要的銅互連結(jié)構(gòu)，同時形成MOM電容結(jié)構(gòu)141和雙層嵌入式銅互連結(jié)構(gòu)142。經(jīng)過上述步驟，就獲得了增大電容密度的MOM電容結(jié)構(gòu)。從圖10-16可以看出，由于加厚的緩沖調(diào)整層的存在，MOM電容區(qū)的溝槽厚度大于普通互連區(qū)，因此電容區(qū)極板下方的剩余介質(zhì)厚度減少，從而提高了電容密度，獲得提高電容密度的電容器結(jié)構(gòu)。提升的幅度，由介質(zhì)厚度的減少程度決定，但必須在保證電容器擊穿特性的前提下進(jìn)行提升電容密度。以上所述僅為本發(fā)明較佳的實施例，并非因此限制本發(fā)明的實施方式及保護(hù)范圍，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當(dāng)能夠意識到凡運用本發(fā)明說明書及圖示內(nèi)容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種MOM電容制造方法，用于增大MOM電容結(jié)構(gòu)的電容密度；所述MOM電容結(jié)構(gòu)包括電容區(qū)和銅互連區(qū)；所述MOM電容結(jié)構(gòu)經(jīng)薄膜沉積后形成刻蝕阻擋層、低介電常數(shù)的介質(zhì)層和金屬硬掩膜層，所述金屬硬掩膜層包括緩沖層、掩膜層和上覆層； 其特征在于，具體包括 步驟1，在所述緩沖層上生長ー層與所述緩沖層同樣材質(zhì)的刻蝕調(diào)整層，； 步驟2，定義出所述MOM電容所在區(qū)域的光罩； 步驟3，將所述MOM電容所在區(qū)域的刻蝕調(diào)整層去除； 步驟4，按照通用エ藝進(jìn)行所述MOM電容結(jié)構(gòu)的通孔成形、金屬銅填充和化學(xué)機(jī)械研磨。
2.如權(quán)利要求I所述的MOM電容制造方法，其特征在于，采用化學(xué)氣相沉積的生長方式生成所述刻蝕調(diào)整層。
3.如權(quán)利要求I所述的MOM電容制造方法，其特征在于，采用原子層沉積的生長方式生成所述刻蝕調(diào)整層。
4.如權(quán)利要求I所述的MOM電容制造方法，其特征在于，采用低溫爐管熱生長的生長方式生成所述刻蝕調(diào)整層。
5.如權(quán)利要求I所述的MOM電容制造方法，其特征在于，將所述刻蝕調(diào)整層的厚度控制在5飛00納米之間。
6.如權(quán)利要求2-5中任意一項所述的MOM電容制造方法，其特征在于，將所述刻蝕調(diào)整層和所述緩沖層組合形成緩沖調(diào)整層。
7.如權(quán)利要求6所述的MOM電容制造方法，其特征在于，所述緩沖調(diào)整層采用致密的介質(zhì)材料制成。
8.如權(quán)利要求7所述的MOM電容制造方法，其特征在于，根據(jù)所述銅互連區(qū)與所述電容區(qū)的極板之間的厚度差，以及所述刻蝕調(diào)整層和所述介質(zhì)層之間的刻蝕速率比，采用預(yù)設(shè)的算法確定所述緩沖調(diào)整層的厚度。
9.如權(quán)利要求8所述的MOM電容制造方法，其特征在干，將所述銅互連區(qū)的金屬硬掩膜刻蝕停止在刻蝕調(diào)整層表面。
10.如權(quán)利要求9所述的MOM電容制造方法，其特征在于，將所述電容區(qū)的金屬硬掩膜刻蝕停止在緩沖層上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MOM電容制造方法，用于增大MOM電容結(jié)構(gòu)的電容密度；MOM電容結(jié)構(gòu)包括電容區(qū)和銅互連區(qū)；MOM電容結(jié)構(gòu)經(jīng)薄膜沉積后形成刻蝕阻擋層、低介電常數(shù)的介質(zhì)層和金屬硬掩膜層，金屬硬掩膜層包括緩沖層、掩膜層和上覆層；其中，具體包括步驟1，在緩沖層上生長一層與緩沖層同樣材質(zhì)的刻蝕調(diào)整層,；步驟2，定義出MOM電容所在區(qū)域的光罩；步驟3，將MOM電容所在區(qū)域的刻蝕調(diào)整層去除；步驟4，按照通用工藝進(jìn)行MOM電容結(jié)構(gòu)的通孔成形、金屬銅填充和化學(xué)機(jī)械研磨；本發(fā)明的有益效果通過引入刻蝕調(diào)整層，使MOM電容區(qū)的剩余介質(zhì)厚度減小，從而達(dá)到提高電容密度的目的；可以通過調(diào)節(jié)刻蝕調(diào)整層的厚度和刻蝕參數(shù)來達(dá)到合適的電容密度。
文檔編號H01L21/02GK102867735SQ201210345798
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者張亮 申請人:上海華力微電子有限公司