CN102420106B - 铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容结构及制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺，通过双大马士革工艺制作逻辑电路；双层金属-绝缘层-金属包括三层金属电极和两层金属间绝缘层；与金属互连线同时用大马士革工艺在基体介电层上制作第一金属电极；单独制作第二金属电极，保留第一金属电极上介电阻挡层，作为第一绝缘层；第三金属电极与逻辑电路双大马士革结构同时制作，保留第二金属电极上介电阻挡层，作为第二绝缘层，本发明能够增大金属-绝缘层-金属电容密度，并能够完全兼容逻辑电路的铜双大马士革工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜大马士革工艺，尤其涉及一种铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属（Metal-Insulator-Metal，简称MIM）电容结构及制造工艺。
背景技术
随着半导体器件特征尺寸的减小，半导体后段铜制程取代铝制程成为主流工艺。在混合信号和射频电路中，开发能够完全兼容CMOS逻辑电路及电感的铜大马士革工艺的MIM电容结构及制造流程成为必要。这不仅改善了工艺的复杂性；而且使用低电阻铜作为电极板可改善MIM电容性能。
专利US6329234，铜工艺兼容CMOS金属绝缘层金属电容器的结构及工艺流程，其所采用的技术方案是在双大马士革结构中制作单层大马士革MIM电容。
专利US6670237，铜工艺兼容CMOS金属绝缘层金属电容器的结构及工艺流程，其所采用的技术方案是在单大马士革通孔结构中制作单层大马士革MIM电容。
而且随着半导体尺寸的减小，必须减小MIM电容面积。这就要求必须增加电容密度。
本发明提出的双层MIM电容结构及铜大马士革制造工艺，能够完全兼容CMOS逻辑电路及电感的铜大马士革工艺，并增大MIM电容密度。
发明内容
本发明公开了一种铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容结构及制造工艺，能够完全兼容CMOS逻辑电路及电感的的铜大马士革工艺，并增大MIM电容密度。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，
形成一基体介电层，通过大马士革工艺在基体上形成第一电极沟槽和金属互连线沟槽，并制作第一电极和金属互连线；
在基体介电层上依次淀积第一介电阻挡层和第一介电层；
光刻形成第二电极沟槽图形，刻蚀第一介电层形成第二电极沟槽，使所述第二电极沟槽的底部止于所述第一介电阻挡层，保留所述第一介电阻挡层作为第一绝缘层；
在第二电极沟槽中淀积金属阻挡层和铜籽晶层，并填充金属铜，之后进行化学机械研磨平坦化，去除多余金属，以形成第二电极；
依次在所述第一介电层上淀积第二介电阻挡层和第二介电层；
光刻形成第三电极沟槽图形，刻蚀第二介电层形成第三电极沟槽，使所述第三电极沟槽止于所述第二介电阻挡层，保留所述第二介电阻挡层作为第二绝缘层；
通过双大马士革先通孔后沟槽或先沟槽后通孔工艺光刻和刻蚀制作互连电路通孔和沟槽，所述沟槽打开所述第二介电阻挡层止于所述第一介电层；所述通孔打开所述第一介电阻挡层，与所述金属互连线连接。
在第三电极沟槽及互连电路通孔和沟槽中淀积金属阻挡层和铜籽晶层，并填充金属铜，之后进行化学机械研磨平坦化，去除多余金属，以形成第三电极及通孔和沟槽互连。
如上所述的铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，所述大马士革工艺具体为：通过光刻和刻蚀在基体介电层上形成第一电极沟槽以及金属互连线沟槽，淀积金属阻挡层和铜籽晶层；在第一电极沟槽以及金属互连线沟槽中填充金属铜；化学机械研磨平坦化，以去除多余金属，形成第一电极和金属互连线。
如上所述的铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，通过化学气相淀积形成所述基体介电层、所述第一介电层、所述第二介电层、所述第一介电阻挡层以及所述第二介电阻挡层。
如上所述的铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，淀积所述基体介电层、所述第一介电层及所述第二介电层的材料从SiO2、SiOCH、FSG等中选取。
如上所述的铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，淀积所述第一介电阻挡层及所述第二介电阻挡层的材料选取SiN。
如上所述的铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，通过物理气相淀积形成所述金属阻挡层和铜籽晶层。
如上所述的铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，淀积所述金属阻挡层的材料为TaN或Ta。
如上所述的铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，刻蚀所述第三电极沟槽后淀积一层可导电金属保护层，以避免后续的所述双大马士革制程对所述第二绝缘层的损伤。
如上所述的铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，所述可导电金属保护层从物理气相淀积或化学气相淀积TiN、Ti、TaN、Ta等中选取。
如上所述的铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，所述可导电金属保护层可在所述双大马士革工艺刻蚀形成通孔和沟槽后湿法去除，也可以在后续的所述化学机械研磨去除多余金属过程中去除多余的可导电金属保护层。
一种铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构，其中，
一基底上覆盖有一基体介电层，所述基体介电层的上表面上设有第一电极沟槽以及金属互连线沟槽，所述第一电极沟槽以及所述金属互连线沟槽内表面均覆盖有金属阻挡层，且所述第一电极沟槽及金属互连线沟槽内填充金属铜，分别作为第一电极和金属互连线；
所述基体介电层上依次设有一第一介电阻挡层和一第一介电层，所述第一介电层上开设有第二电极沟槽及通孔，所述第二电极沟槽穿过所述第一介电层止于所述第一介电阻挡层，保留所述第一介电阻挡层作为第一绝缘层，所述通孔穿过所述第一介电层以及所述第一介电阻挡层接触所述金属互连线，所述第二电极沟槽内表面及所述通孔内壁和底部设有金属阻挡层，且所述第二电极沟槽及所述通孔内填充金属铜，为第二电极和通孔连线；
所述第一介电层上依次设有一第二介电阻挡层以及一第二介电层，所述第二介电层上设有第三电极沟槽及互连线路沟槽，所述第三电极沟槽穿过所述第二介电层止于所述第二介电阻挡层，保留所述第二介电阻挡层作为第二绝缘层，所述互连线路沟槽穿过所述第二介电层以及所述第二介电阻挡层，与所述通孔或第二电极连接；所述第三电极沟槽及所述互连线路沟槽内表面覆盖有一金属阻挡层，且所述第三电极沟槽及所述互连线路沟槽内填充金属铜，为第三电极和沟槽互连线路。
如上所述的铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构，其中，所述第二电极置于所述第一电极的上方，所述第三电极置于所述第二电极的上方。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺，通过双大马士革工艺制作逻辑电路；双层金属-绝缘层-金属包括三层金属电极和两层金属间绝缘层；与金属互连线同时用大马士革工艺在基体介电层上制作第一金属电极；单独制作第二金属电极，保留第一金属电极上介电阻挡层，作为第一绝缘层；第三金属电极与逻辑电路双大马士革结构同时制作，保留第二金属电极上介电阻挡层，作为第二绝缘层，本发明能够增大金属-绝缘层-金属电容密度，并能够完全兼容逻辑电路的铜双大马士革工艺。
附图说明
图1是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的形成第一电极和金属互连线后的结构示意图；
图2是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的淀积第一介电阻挡层和第一介电层后的结构示意图；
图3是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的光刻和刻蚀形成第二电极沟槽后的结构示意图；
图4是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的形成第二电极后的结构示意图；
图5是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的淀积形成第二介电阻挡层和第二介电层后的结构示意图；
图6是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的光刻和刻蚀形成第三电极沟槽后的结构示意图；
图7是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的光刻和刻蚀形成第三电极沟槽、通孔、第一连线沟槽和第二连线沟槽后的结构示意图；
图8是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的淀积形成第三电极、通孔连线、第一沟槽连线和第二沟槽连线后的结构示意图。
图9是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
一种铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其中，
图1是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的形成第一电极和金属互连线后的结构示意图，请参见图1，在基底上淀积一基体介电层101，通过大马士革工艺在基体上形成第一电极沟槽3011和金属互连线沟槽4011，并制作第一电极301和金属互连线401；
进一步的，本发明中可以在模腔内直接淀积基体介电层101，或采用其它方式直接淀积基体介电层101，采用本发明的工艺制造的电容具有独立的电路结构，无需依附在基底上，可独立生产。
图2是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的淀积第一介电阻挡层和第一介电层后的结构示意图，在基体介电层101上依次淀积第一介电阻挡层201和第一介电层102，第一介电阻挡层201覆盖基体介电层101以及基体介电层101上的金属连线401和第一电极301，由于第一电极301和金属互连线401形成在第一介电层102上，故第一介电阻挡层201与第一介电层102将第一电极301和金属互连线401同时覆盖；
图3是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的光刻和刻蚀形成第二电极沟槽后的结构示意图，请参见图3，在第一介电层102上旋涂光刻胶，通过光刻形成第二电极302的图形，之后刻蚀第一介电层102形成第二电极沟槽3021，使所述第二电极沟槽3021的底部止于所述第一介电阻挡层201，保留第一介电阻挡层201的作用是将第一介电阻挡层201作为金属-绝缘层-金属第一绝缘层，其中，第二电极沟槽3021置于第一电极301的上方；
图4是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的形成第二电极后的结构示意图，请参见图4，在第二电极沟槽3021中淀积金属阻挡层801和铜籽晶层，并电镀填充金属铜，之后进行化学机械研磨平坦化，去除多余金属，以形成第二电极302，其中，淀积形成的金属阻挡层801和铜籽晶层及电镀金属铜也会覆盖在第一介电层102的上表面，进行化学机械研磨平坦化的工艺过程中，覆盖在第一介电层102上表面的金属阻挡层801和铜籽晶层及电镀铜同时被去除；
图5是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的淀积形成第二介电阻挡层和第二介电层后的结构示意图，请参见图5，依次在所述第一介电层102上淀积第二介电阻挡层202和第二介电层103，其中，由于第二电极302形成在第一介电层102上，故第二介电阻挡层202完全覆盖第一介电层102以及第一介电层102上的第二电极302上；
图6是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的光刻和刻蚀形成第三电极沟槽后的结构示意图，请参见图6，通过光刻和刻蚀形成第三电极沟槽3031，使所述第三电极沟槽3031止于所述第二介电阻挡层202，保留第二介电阻挡层202的目的是将第二介电阻挡层202作为金属-绝缘层-金属第二绝缘层，其中，第三电极沟槽3031置于第二电极302的上方；
图7是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的光刻和刻蚀形成第三电极沟槽、通孔、第一连线沟槽和第二连线沟槽后的结构示意图，请参见图7，通过进行光刻和刻蚀第二介电层103、第二介电阻挡层202、第一介电层102、第一介电阻挡层201形成逻辑电路双大马士革结构，逻辑电路双大马士革结构具体包括：形成通孔4021和第一连线沟槽4031；在形成双大马士革结构的同时形成第二连线沟槽5011，以连接第二电极302；刻蚀过程中使通孔4021穿过所述第一介电阻挡层201连接所述金属互连线401，同时所述第一连线沟槽4031穿过所述第二介电阻挡层202，止于所述第一介电层102，所述第一连线沟槽4031与所述通孔4021相连通；所述第二连线沟槽5011穿过所述第二介电层103和所述第二介电阻挡层202，连接所述第二电极302。
图8是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的淀积形成第三电极、通孔连线、第一沟槽连线和第二沟槽连线后的结构示意图，请参见图8，在所述第三电极沟槽3031、所述逻辑电路双大马士革结构、所述第二连线沟槽5011中淀积形成金属阻挡层801和铜籽晶层，并电镀填充金属铜，之后进行化学机械研磨平坦化，去除多余金属，以形成第三电极303、通孔连线402以及第一沟槽连线403和第二沟槽连线501，其中，淀积形成的金属阻挡层801和铜籽晶层及电镀铜也会覆盖在第二介电层103的上表面，进行化学机械研磨平坦化的工艺过程中，覆盖在第二介电层103上表面的金属阻挡层801和铜籽晶层及电镀铜同时被去除。
本发明中的所述大马士革工艺具体为：图1是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及其制造工艺的形成第一电极301和金属互连线401后的结构示意图，请参见图1，通过光刻和刻蚀在基体介电层101上形成第一电极沟槽3011以及金属互连线沟槽4011，淀积金属阻挡层801和铜籽晶层；在第一电极沟槽3011以及金属互连线沟槽4011中电镀填充金属铜；；化学机械研磨平坦化，以去除多余金属，形成第一电极301和金属互连线401；在淀积金属阻挡层801和铜籽晶层及电镀金属铜的过程中，金属阻挡层801和铜籽晶层及电镀铜会覆盖在基体介电层101的上表面，通过进行化学机械研磨平坦化将覆盖在基体介电层101上表面的金属阻挡层801和铜籽晶层及电镀铜去除。
本发明中通过化学气相淀积（CVD）形成所述基体介电层101、所述第一介电层102、所述第二介电层103、所述第一介电阻挡层201以及所述第二介电阻挡层202。
本发明中淀积所述基体介电层101、所述第一介电层102及所述第二介电层103的材料从SiO2、SiOCH、FSG等中选取。
本发明中淀积所述第一介电阻挡层201及所述第二介电阻挡层202的材料选取SiN。
本发明中通过物理气相淀积（PVD）形成所述金属阻挡层801和铜籽晶层。
本发明中淀积所述金属阻挡层801的材料为TaN或Ta。
本发明中刻蚀所述第三电极沟槽303后淀积一层可导电金属保护层，以避免后续的所述双大马士革制程对所述第二绝缘层的损伤。
本发明中所述可导电金属保护层从物理气相淀积或化学气相淀积TiN、Ti、TaN、Ta等中选取。
本发明中所述可导电金属保护层可在所述双大马士革工艺刻蚀形成通孔和沟槽后湿法去除，也可以在后续的所述化学机械研去除多余金属过程中去除多余的可导电金属保护层。
图8是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的淀积形成第三电极、通孔连线、第一沟槽连线和第二沟槽连线后的结构示意图，请参见图8，一种铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构，其中，
一基底上覆盖有一基体介电层101，所述基体介电层101的上表面上设有第一电极沟槽3011以及金属互连线沟槽4011，所述第一电极沟槽3011以及所述金属互连线沟槽4011内表面均覆盖有金属阻挡层801，且所述第一电极沟槽3011及所述金属互连线沟槽4011内填充金属铜，分别作为第一电极301和金属互连线401；
所述基体介电层101上依次设有一第一介电阻挡层201和一第一介电层102，所述第一介电层102上开设有第二电极沟槽3021及通孔4021，所述第二电极沟槽3021穿过所述第一介电层102止于所述第一介电阻挡层201，保留所述第一介电阻挡层201作为第一绝缘层，所述通孔4021穿过所述第一介电层102以及所述第一介电阻挡层201接触所述金属互连线401，所述第二电极沟槽3021内表面及所述通孔4021内壁和底部设有金属阻挡层801，且所述第二电极沟槽3021及所述通孔4021内电镀填充金属铜，为第二电极302和通孔连线402；
所述第一介电层上102依次设有一第二介电阻挡层202以及一第二介电层103，所述第二介电层103上设有第三电极沟槽3031及第一连线沟槽4031和第二连线沟槽5011，所述第三电极沟槽3031穿过所述第二介电层103止于所述第二介电阻挡层202，保留所述第二介电阻挡层202作为第二绝缘层，所述第一沟槽4031和第二沟槽5011穿过所述第二介电层103以及所述第二介电阻挡层202，与所述通孔4021和第二电极302连接；所述第三电极沟槽3031及所述第一连线沟槽4031和第二连线沟槽5011内表面覆盖有一金属阻挡层801，且所述第三电极沟槽3031及第一连线沟槽4031和第二连线沟槽5011内填充金属铜，为第三电极303及第一沟槽连线403和第二沟槽连线501。
本发明中的第二电极302置于第一电极301的上方，第三电极303置于第二电极302的上方。
由于第一介电阻挡层201、第二介电阻挡层202、金属阻挡层801的厚度与介电层的厚度相比及其微小，故本发明中的第一电极301厚度与金属互连线401的厚度相当，第二电极302的厚度可以与通孔连线402的高度相当，第三电极303的厚度可以与第一沟槽连线403、第二沟槽连线501的厚度相当。
图9是本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺的电路示意图，请参见图9，通过本发明提供的工艺和结构制造出金属-绝缘层-金属电容，形成的电容有两个，第一电极301和第二电极302之间设有一电容，第三电极303与第二电极302之间同样设有一电容。
本发明所公开的结构和工艺步骤是在单层金属层内制作双层金属-绝缘层-金属电容，当然本发明并不仅仅局限于单层金属，本发明所公开的方法和结构也同样适用于多层金属内制作更多层的金属-绝缘层-金属电容。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明铜大马士革工艺金属-绝缘层-金属电容的结构及制造工艺，通过双大马士革工艺制作逻辑电路；双层金属-绝缘层-金属包括三层金属电极和两层金属间绝缘层；与金属互连线同时用大马士革工艺在基体介电层上制作第一金属电极；单独制作第二金属电极，保留第一金属电极上介电阻挡层，作为第一绝缘层；第三金属电极与逻辑电路双大马士革结构同时制作，保留第二金属电极上介电阻挡层，作为第二绝缘层，本发明能够增大金属-绝缘层-金属电容密度，并能够完全兼容逻辑电路的铜双大马士革工艺。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种铜大马士革金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其特征在于，
形成一基体介电层，通过大马士革工艺在基体上形成第一电极沟槽和金属互连线沟槽，并制作第一电极和金属互连线；
在基体介电层上依次淀积第一介电阻挡层和第一介电层；
光刻形成第二电极沟槽图形，刻蚀第一介电层形成第二电极沟槽，使所述第二电极沟槽的底部止于所述第一介电阻挡层，保留所述第一介电阻挡层作为第一绝缘层；
在第二电极沟槽中淀积金属阻挡层和铜籽晶层，并填充金属铜，之后进行化学机械研磨平坦化，去除多余金属，以形成第二电极；
依次在所述第一介电层上淀积第二介电阻挡层和第二介电层；
光刻形成第三电极沟槽图形，刻蚀第二介电层形成第三电极沟槽，使所述第三电极沟槽止于所述第二介电阻挡层，保留所述第二介电阻挡层作为第二绝缘层；
通过双大马士革先通孔后沟槽或先沟槽后通孔工艺光刻和刻蚀制作互连电路通孔和沟槽，所述沟槽打开所述第二介电阻挡层止于所述第一介电层；所述通孔打开所述第一介电阻挡层，与所述金属互连线连接；
在第三电极沟槽及互连电路通孔和沟槽中淀积金属阻挡层和铜籽晶层，并填充金属铜，之后进行化学机械研磨平坦化，去除多余金属，以形成第三电极及通孔和沟槽互连；
其中，所述第二电极置于所述第一电极的上方，所述第三电极置于所述第二电极的上方。
2.根据权利要求1所述的铜大马士革金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其特征在于，所述大马士革工艺具体为：通过光刻和刻蚀在基体介电层上形成第一电极沟槽以及金属互连线沟槽，淀积金属阻挡层和铜籽晶层；在第一电极沟槽以及金属互连线沟槽中填充金属铜，化学机械研磨平坦化，以去除多余金属，形成第一电极和金属互连线。
3.根据权利要求1所述的铜大马士革金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其特征在于，通过化学气相淀积形成所述基体介电层、所述第一介电层、所述第二介电层、所述第一介电阻挡层以及所述第二介电阻挡层。
4.根据权利要求1所述的铜大马士革金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其特征在于，淀积所述基体介电层、所述第一介电层及所述第二介电层的材料从SiO2、SiOCH、FSG等中选取。
5.根据权利要求1所述的铜大马士革金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其特征在于，淀积所述第一介电阻挡层及所述第二介电阻挡层的材料选取SiN。
6.根据权利要求1所述的铜大马士革金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其特征在于，通过物理气相淀积形成所述金属阻挡层和铜籽晶层。
7.根据权利要求1所述的铜大马士革金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其特征在于，淀积所述金属阻挡层的材料为TaN或Ta。
8.根据权利要求1所述的铜大马士革金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其特征在于，刻蚀所述第三电极沟槽后淀积一层可导电金属保护层，以避免后续的所述双大马士革制程对所述第二绝缘层的损伤。
9.根据权利要求8所述的铜大马士革金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其特征在于，所述可导电金属保护层从物理气相淀积或化学气相淀积TiN、Ti、TaN、Ta等中选取。
10.根据权利要求8所述的铜大马士革金属-绝缘层-金属电容制造工艺，其特征在于，所述可导电金属保护层可在所述双大马士革工艺刻蚀形成通孔和沟槽后湿法去除，也可以在后续的所述化学机械研磨去除多余金属过程中去除多余的可导电金属保护层。
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