在集成電路器件的大馬士革銅工藝中電容器製造的方法及其結構的製作方法
2023-05-09 23:12:11 1
專利名稱：在集成電路器件的大馬士革銅工藝中電容器製造的方法及其結構的製作方法
技術領域：
本發明是針對集成電路和半導體器件的製造工藝。更具體地講，本發明提供了一種使用半導體器件製備中的雙大馬士革(damascene)銅工藝製作金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的方法及其結構。比如說，本發明可以應用於各種器件中，如混合信號、模擬電路，信號處理器、微處理器和其他器件。但必須意識到，本發明有更廣闊的應用範圍。
背景技術：
集成電路或「IC」從在矽的單晶片上製造幾個互聯器件逐漸發展到在單晶片上製造成百萬的器件。當前的集成電路提供的性能和複雜性遠遠超過原來的想像。為了在晶片的複雜性和集成度(一定晶片面積上所含器件的數量)上有所提高，每一代IC的最小器件線寬的尺寸，也稱為器件的「幾何尺寸」，都在逐漸變小。現今製造的半導體器件的線寬已經小於0.25微米。
增加的電路集成度不僅提高了集成電路的複雜度和性能，而且還能為客戶降低成本。一個集成電路生產設備通常價值上億美金甚至幾十億美金。每個生產設備都有一定的晶圓片生產能力，每個晶圓片其上只能容納一定數量的集成電路。所以，如果把集成電路的單個器件做得更小，單個晶圓片上就能製造更多器件，這樣，就能增加生產設備的產量。但是製造更小的器件非常具有挑戰性，因為集成電路製造中使用的每道工藝都有一個極限值。也就是說，一道給定的工藝通常只能使器件減小到一定的線寬尺寸，然後就需要要麼改變工藝，要麼改變器件布局。一個普遍的限制就是如何以有效的、精確的方式使用傳統的工藝流程來集成一定的器件。
電容器結構已經集成到各種集成電路製造工藝流程中。這種電容器結構往往是需要將一塊電容器極板通過電容器介電層耦合到另一塊極板。在兩極板之間施加電勢差，從而給電容器充電。這些電容器結構經常需要用高效緊湊的方式得到高電容值。很不幸，在不影響電容器結構提供的電容器值的情況下，很難把電容器做得更小更緊湊。本說明書通篇描述了這些限制以及其他的限制，並且以下將作更具體的描述。因此，一種高效、高精確度的製造半導體器件的改良技術為人們所希望。
發明內容
根據本發明，提供了用於製造半導體器件的方法及其所得的器件結構。更具體地，本發明提供了一種使用製造半導體器件中的雙大馬士革銅工藝來形成金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的方法及其結構。本發明還具有廣闊的應用範圍。具體地，本發明可以用於各種器件，如混合信號、模擬信號、信號處理器、微處理器以及其他器件。
在一個優選的實施例中，本發明提供一種形成用於諸如混合信號這樣的集成電路器件的金屬-絕緣體-金屬電容器結構的方法。本方法包括形成雙大馬士革結構，其中所述結構具有包括銅材料的第一導電部分，通過介電材料所述第一導電部分與第二導電部分隔開。第二導電部分在介電材料下通過第三導電部分耦合到第一導電部分。第一導電部分、介電材料和第二導電部分一起形成相對於第三導電部分的充分平坦的表面。第一導電部分和第二導電部分通過第三導電部分耦合，從而形成第一極板。
本方法選擇性地去除第一導電部分和第二導電部分之間的介電材料，以形成由第一導電部分和第二導電部分確定的開放區域。本方法還在開放區域內形成絕緣層，從而確定電容器介電層。本方法還在絕緣層上形成高於充分平坦的表面的銅層，以形成第二極板。本方法還平坦化銅層來確定第二極板。
在另一優選的實施例中，本發明提供了具有例如MIM這樣的電容器結構的集成電路器件。這種集成電路器件具有半導體襯底和雙大馬士革結構，所述雙大馬士革結構疊加在所述半導體襯底上。具體地，所述雙大馬士革結構具有包括銅材料的第一導電部分，所述第一導電部分耦合到包括銅材料的第二導電材料。第一導電部分和第二導電部分之間確定了一區域。在所述區域下的第三導電部分耦合到第二導電部分和第一導電部分。這裡，「下面的」僅起描述的作用，與重力方向無關。
所述雙大馬士革結構還具有相對於第三導電部分形成的充分平坦的表面。所述充分平坦的表面包括第一導電部分的一部分和第二導電部分的一部分。電容器的第一極板至少由第一導電部分、第二導電部分和第三導電部分形成。器件具有形成在第一導電部分和第二導電部分之間的區域的一部分中的開口。電容器絕緣層形成在所述區域中的所述開口內。平坦化的銅層疊加在絕緣層上。所述平坦化的銅層與充分平坦的表面大約等高。第二極板由所述平坦化的銅層的一部分形成。
通過本發明可以獲得許多優於傳統技術的優點。例如，本發明更容易使用傳統技術的工藝。在一些優選的實施例中，本發明僅使用單個掩模層來形成MIM電容器結構。此外，本發明提供了增加電容的三維結構。優選地，本發明可用於各種應用，例如混合信號和其他設備。根據實施例，可以獲得一個或多個這些好處。在本發明的說明書中詳細地描述了這些以及其他優點。
參考以下詳細的描述和附圖，可以更充分地理解本發明的各種另外的目標、特徵和優點。
圖1A和圖1B是根據本發明的一個優選實施例的用於集成電路器件的完整電容器結構的簡化橫截面圖；和圖2-5是根據本發明的優選實施例說明製作電容器結構的方法的簡圖。
具體實施例方式
本發明提供了用於製造半導體器件的多種技術。具體地，本發明使用半導體器件製造中的雙大馬士革銅工藝製造金屬-絕緣體-金屬(MIM)的方法及其結構。本發明在半導體製造中具有廣泛的應用範圍。而且，本發明可以應用於各種器件，如信號處理器、微處理器和其他器件。
圖1A和1B示出了本發明的其中一個優選實施例。圖1A是根據本發明的優選實施例的用於集成電路器件的MIM電容器結構100的簡化俯視圖。該圖只是作為一個示例，這裡並不應該認為是限制權利要求的範圍。本領域的一位普通技術人員都會認識到可以進行許多其他的變化、更改和替換。如圖1A所示，電容器結構包括電容器絕緣層111、平坦化的銅層113、第一導電部分117和第二導電部分119。
圖1B示出了MIM電容器結構100的橫截面圖。MIM電容器具有半導體襯底101，如，矽晶圓片、絕緣體上矽和外延矽晶圓片。MIM電容器還具有覆蓋在半導體襯底101上而形成的雙大馬士革結構。這種雙大馬士革結構通常具有由銅材料澱積的第一導電部分102和也由銅材料澱積的第二導電部分106。第一導電部分具有在介電材料104內的插塞(plug)區105和疊加(overlying)層區107。第一導電部分102在與介電材料104緊貼的阻障層109內。第二導電部分106通過區110耦合到第一導電部分102，所述區110是第一導電部分102和第二導電部分106之間的中間部分。第三導電部分103耦合到第一導電部分102和第二導電部分106。因此，第三導電部分103位於區110、第一導電部分102和第二導電部分106的下面(underlying)。
相對於第三導電部分103，雙大馬士革結構具有充分平坦的表面。這個充分平坦的表面由第一導電部分102的117部分和第二導電部分106的119部分的端面組成。電容器的第一塊極板至少由第一導電部分102、第二導電部分106和第三導電部分103形成。
如圖1B所示，這個電容器結構具有一個開口，用於填充導電材料。該開口位於第一導電部分102和第二導電部分106之間，。電容器絕緣層111(如，氧化物、二氧化矽、氮化矽和它們的組合)在區110中的所述開口內形成。如圖1A橫截面圖和圖1B俯視圖所示的，所述開口在大馬士革結構之間。在一個優選的實施例中，所述開口的尺寸(即D』)大約為100μm或更大。尺寸(D』)的長度隨具體應用而變化。
平坦化的銅層113疊加在絕緣層111上。平坦化的銅層113包括一表面，所述表面高於或略低於四周充分平坦的其他部分的表面，視應用的具體實施例而定。通過多種技術，包括澱積、電鍍和平坦化可以形成平坦化的銅層113。電容器的第二塊極板由平坦化的銅層113的一部分形成。
優選地，雙大馬士革結構由第一導電部分102和第二導電部分106組成。銅材料澱積在所述第一導電部分102和第二導電部分106中。而且，通過這兩個導電部分102和106之間所確定的區域，第二導電部分106耦合到第一導電部分102。第三導電部分103位於導電部分102和106之間所確定的區域之下。相對於第三導電部分103，雙大馬士革結構也有一個充分平坦的表面。這個充分平坦的表面包括第一導電部分102的一部分和第二導電部分106的一部分。電容器的第一塊極板至少由第一導電部分102、第二導電部分106和第三導電部分103形成。
所述MIM電容器具有另一開口，其形成在第一導電部分102和第二導電部分106之間的所述區域的一部分中。電容器絕緣層111形成在所述區域中的所述開口內。平坦化的銅層113疊加在絕緣層111上。平坦化的銅層113幾乎和四周平坦的表面齊平。電容器的第二塊極板由平坦化的銅層113的一部分形成。本說明書中通篇都可以找到對製造本器件結構的方法的描述。根據本發明，在雙大馬士革工藝中形成電容器結構的優選方法可以概述如下(1)準備半導體襯底；(2)在襯底上形成阻障層(如，鉭，氮化鉭)；(3)在阻障層上形成銅層；(4)在銅層上形成包括氮化矽的阻障層；(5)在阻障層上形成第一介電層(如低K值材料，氟矽玻璃)；(6)在第一介電層上形成氮化物層或氧氮化物層；(7)在氮化物層或氧氮化物層上形成第二介電層(如低K值材料，氟矽玻璃)；(8)在第二介電層上形成覆蓋氮化物層；(9)形成大馬士革結構中的開口；(10)在大馬士革結構中填充銅金屬；(11)平坦化銅金屬的表面；
(12)掩蓋暴露的介電材料上的表面；(13)執行等離子刻蝕工藝(如CH2F2)，以去除暴露的介電材料的第一部分；(14)執行選擇性溼法刻蝕工藝(如HF)來選擇性地去除暴露的介電材料的第二部分，直至阻障材料；(15)在上面兩次刻蝕工藝構建出的開口內形成電容器介電層；(16)在開口內形成阻障層(如，鉭，氮化鉭)；(17)在開口內填充銅金屬；(18)使用化學機械拋光來平坦化銅金屬表面；並且(19)按情況，實施其他工藝。
如上所述的方法提供了一種根據本發明的優選實施例製造電容器結構的方法。工藝根據實際應用，如上所述的方法的一些步驟可以合併，甚至可以拆分。一些步驟可以以不同的順序或次序實施。根據實施例，還可以增加或刪除某些步驟。
圖2-5是說明根據本發明的優選實施例的用於形成電容器結構的方法的簡圖。這些簡圖僅是示例，這裡不應該認為是限制權利要求的範圍。本領域的普通技術人員將認識到可以進行許多其他的變化、更改和替換。這些圖中使用了同樣的標號，但是就像其他數字那樣只作說明用。如圖2所示，本方法開始於提供半導體襯底，如矽晶圓片。本方法在襯底上形成阻障層(如，坦，氮化坦)。本方法然後在阻障層上形成銅層103。包括氮化矽的阻障層再覆蓋在銅層103上，封閉銅層103。本方法在阻障層上形成第一介電層(如，低K材料，氟矽玻璃)。本方法然後在第一介電層上形成氮化物層或氧氮化物層。在氮化物層或氧氮化物層上形成第二介電層(如低K值材料，氟矽玻璃)。在第二介電層106上形成覆蓋氮化物層。再次，形成大馬士革結構中的開口102，106。在開口中澱積銅金屬，再平坦化填充了銅金屬的開口102，106。如圖2所示，大馬士革結構中包括第一部分106和第二部分102，這兩部分被區域203所隔離。區域203由介電材料104所形成，並將在後道工序中被去除。
參考圖3，一種方法在暴露的介電材料上的表面上形成掩模301。掩模可以是光刻材料，其然後將被顯影並圖案化。兩個大馬士革結構之間的區域也將被曝光並圖案化。這裡，本方法實施等離子刻蝕工藝，以去除暴露的介電材料的第一部分102。本方法然後通過溼法刻蝕來選擇性地刻蝕，以去除暴露的介電材料的第二部分106，直至阻障層，如圖4所示。本方法然後在如上的刻蝕工藝中構建出的開口內形成電容器介電層111。這層電容器介電層可以是任何適合的材料，如，氮化矽、氧化矽和它們的組合。電容器介電層也可以通過化學氣相澱積來形成。本方法在槽內電容器絕緣層上形成阻障層(如，鉭，氮化鉭)。
參考圖5，選定銅金屬503來填充開口。使用公知技術來電鍍這層銅金屬。然後，使用化學機械拋光來平坦化這層銅金屬503。區域503的餘下部分就是電容器的第二塊極板。根據實施例，還可以有其他步驟。根據實際應用，如上所述的一些步驟可以合併，甚至可以拆分。一些步驟可以以不同的順序或次序來實施。根據實施例，可以增加或刪除一些步驟。
還應該理解，這裡所述的示例和實施例只起說明的目的，並且本領域的技術人員將根據所述示例和實施例，建議各種更改和變化，這些更改和變化都包括在本申請的精神和範圍以及所附權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種形成用於集成電路器件的金屬-絕緣體-金屬的電容器結構的方法，包括形成雙大馬士革結構，其中所述雙大馬士革結構具有包括銅材料的第一導電部分，通過介電材料所述第一導電部分與第二導電部分隔開，所述第二導電部分在所述介電材料下通過第三導電部分耦合到所述第一導電部分，所述第一導電部分、所述介電材料和所述第二導電部分一起形成相對於所述第三導電部分的充分平坦的表面，所述第一導電部分和所述第二導電部分通過所述第三導電部分耦合，從而形成第一極板；選擇性地去除所述第一導電部分和所述第二導電部分之間的所述介電材料，以形成所述第一導電部分和所述第二導電部分確定的開口；在所述開口內形成絕緣層，從而形成電容器介電層；在所述絕緣層上形成高於所述充分平坦的表面的銅層，以形成第二極板；並且平坦化所述銅層來確定所述第二極板。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述平坦化是化學機械拋光工藝。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述第一極板和所述第二極板包括充分平坦化的銅材料。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分確定的所述開口包括確定在其上的阻障層。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述第一部分和所述第二部分包括約1微米或更高的高度。
6.如權利要求1所述的方法，其中沿著所述開口的所述第一部分和所述第二部分包括約100微米和更大的隔片。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述充分平坦的表面是通過化學機械拋光工藝形成的。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述選擇性地刻蝕是包括含氟物質的等離子刻蝕工藝後，再使用含HF物質的溼法刻蝕工藝。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述含HF物質的濃度為約5％或更少的HF。
10.如權利要求8所述的方法，其中一暴露由所述導電材料的第三部分所確定的阻障材料的一部分，所述等離子刻蝕工藝就結束。
11.一種包括電容器結構的集成電路器件，包括半導體襯底；在所述半導體襯底上形成的形成雙大馬士革結構，所述雙大馬士革結構包括包括銅材料的第一導電部分；包括銅材料的耦合到所述第一導電部分的第二導電部分；所述第一導電部分和所述第二導電部分確定的區域；連接所述第一導電部分和所述第二導電部分的第三導電部分，所述第三導電部分在所述區域以下；相對於所述第三導電部分的充分平坦的表面，所述充分平坦的表面包括所述第一導電部分的一部分和所述第二導電部分的一部分；至少由所述第一導電部分、所述第二導電部分和所述第三導電部分形成的電容器第一塊極板；形成在所述第一導電部分和所述第二導電部分之間的所述區域中的開口；形成在所述區域內的所述開口內的電容器絕緣層；在所述絕緣層上形成的平坦化的銅層，所述平坦化的銅層具有與所述充分平坦的表面大約等高的表面；和由所述平坦化的銅層的一部分所形成的第二極板。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述平坦化的銅層是化學機械拋光形成的。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述第一極板和所述第二極板包括充分平坦化的銅材料。
14.如權利要求11所述的方法，其中由所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分形成的所述開口包括確定在其上的阻障層。
15.如權利要求11所述的方法，其中所述第一部分和所述第二部分高度約1微米或更高。
16.如權利要求11所述的方法，其中所述區域內的所述開口包括約100微米和更大的隔片。
17.如權利要求11所述的方法，其中所述第一導電部分包括第一插塞區和疊加的第一層區域，所述第二導電部分包括第一插塞區和疊加的第一層區域。
全文摘要
本發明提供了一種形成集成電路器件用的金屬－絕緣體－金屬電容器結構的方法及其所得結構。本方法包括形成雙大馬士革結構，所述結構具有包括銅的第一導電部分，通過介電材料第一導電部分與第二導電部分隔開。第二導電部分在介電材料下通過第三導電部分耦合到第一導電部分。第一導電部分、介電材料和第二導電部分形成對於第三導電部分的充分平坦的表面。第一導電部分和第二導電部分通過第三導電部分耦合，形成第一極板。選擇性地去除第一導電部分和第二導電部分間的介電材料，形成第一導電部分和第二導電部分確定的開口。在開口內形成絕緣層，形成電容器介電層。在絕緣層上形成高於充分平坦表面的銅層，形成第二極板。平坦化銅層以確定第二極板。
文檔編號H01L21/02GK1635622SQ200310122959
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月30日 優先權日2003年12月30日
發明者白啟宏 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司