集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構及其制造方法

專利名稱：集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構及其制造方法
技術領域：
本發明涉及大規模集成電路中的電容器結構，尤其涉及一種“金屬-絕緣體-金屬”構型的電容器以及這種電容器的制造方法，屬于集成電路芯片制造加工技術領域。

背景技術：
“金屬一絕緣體一金屬”(Metal-Insulator-Metal，簡稱MIM)構型的電容器是大規模集成電路的常用器件，特別是用在RFCMOS集成電路。
MIM電容器有多種構型，平行板“金屬一絕緣體一金屬”電容器是最常見一種，如美國專利US6342734、US5406447、US6894364、US6940114，以及中國專利CN200310102992、CN200410100720、CN200310122877等文獻所揭示。圖1a是集成電路中平行板MIM電容器的基本結構，它只具有“金屬一絕緣體一金屬”單層結構，并在電容器兩金屬電極板與上層互連金屬層之間的介電材質中蝕刻多個通孔104～109，以便引出電容器的二個電極。其制程為沉積分別包含有底部金屬層101、絕緣體層102及中間金屬層103的三層結構，然后以傳統微影及蝕刻技術，蝕刻該中間金屬層103及絕緣體102作出圖案，其中也可以只部分蝕刻該絕緣層102；接著，再以傳統微影及蝕刻技術，蝕刻該底部金屬層101，以作出圖案；隨后，再沉積一金屬間介質材料111并進行化學機械研磨(CMP)，隨后，在該金屬間介電材料111中，蝕刻多個通孔104～109；最后，沉積并作出圖案，以形成分別經由金屬內連線104、105、106、107、108及109與底部金屬層101及中間金屬層103作連接的頂部金屬層110。
隨著集成電路技術的進步，集成度在不斷提高，芯片面積不斷縮小，要求“金屬一絕緣體一金屬”電容器芯片占用面積減小。為保證電路設計所需電容值，減小電容器芯片占用面積的途徑有三條一是將金屬間的介質厚度減薄；二是采用高介電常數(k)的材料，例如Ta2O5；三是對電容器的結構進行改進創新。然而，金屬間的介質厚度減薄要求電容器上電極金屬蝕刻不能過蝕刻MIM介質，這是因為電容器邊緣電場強度較高，蝕刻上電極時如果過蝕刻MIM介質較多，漏電電流容易穿過比MIM介質質量差的金屬隔離介質，也會導致電容器的耐擊穿性能下降。采用高介電常數Ta2O5的方法需要增加額外的沉積工具、避免交叉污染的絕緣制程步驟以及新材料整合的制程時間及人員投資，而且高介電常數材料的引入，容易引起泄露電流密度的問題。因此，這兩條途徑的工業化應用具有較大的局限性。
至于第三條途徑，據申請人檢索，目前關于MIM電容器結構改進的代表性報道有US6977198和CN200310122877采用平行板電容堆疊的方法增加電容值，US6423996和US6717193(或CN02820001)提出利用金屬側壁面增大電容的方法，US6069051在淀積金屬隔離介質前先淀積性能好的介質來保護邊緣，但各有優缺點。
US6977198采用平行板電容堆疊的方法的優點是，在幾乎相同芯片面積上電容值可增大一倍，但存在三個缺點①必須增加一層光刻掩膜板，②制造步驟上也增加了一道介質和金屬淀積以及一道光刻和金屬蝕刻，③電容器邊緣長度增加一倍，邊緣潛在漏電加重。CN200310122877是將US6977198平行板結構做在二層或多層互連金屬上，然后再并聯，也同樣存在上述的三個缺點。
US6717193(或CN02820001)是將上電極金屬和下電極金屬做成手指狀或梳狀(Finger)，利用下電極金屬側壁面與側壁電極金屬112構成側壁MIM電容器以增大電容值，如圖1b所示。其優點是每增加一條Finger，就增加兩個側壁電容器，只要Finger之間距離小于下電極高度的一半，總的電容值就會增加；缺點是①邊緣長度隨著Finger數目增加而大幅度增加，邊緣潛在漏電現象加重，②由于上下電極都呈Finger狀，光刻對準要求Finger寬度不能太窄，在一定面積內不能蝕刻出最多的下電極槽而獲得最大的側壁電容。
US6423996專利也提到利用金屬側壁面來增大電容，如圖1c所示，但缺點是工藝處理之后的下電極側壁的水平面邊緣太尖銳(Sharp)，容易引起電場集中和尖端放電，電容器擊穿電壓下降；而且，申請人并沒有提出如何最大程度利用側壁電容。


發明內容
本發明的第一個目的是提供一種集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，旨在節約電容器的芯片占用面積，并且有效解決電容器邊緣漏電和尖端放電兩個技術難題。
本發明的第二個目的是提供上述“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法。
為實現本發明的第一個目的，一種集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，自下而上依次包括下電極金屬、上電極金屬和上層互連金屬，下電極金屬和上電極金屬之間、以及上電極金屬和上層互連金屬之間，均填充有絕緣介質，下電極金屬與上層互連金屬之間、以及上電極金屬與上層互連金屬之間，通過對應的上通孔實現電連接，使得下電極金屬和上電極金屬分別在上層互連金屬上面形成相應的電極引出端，其特征在于所述下電極金屬呈網格狀和/或條形狀排布，其豎直方向的側表面襯有側壁金屬層，該側壁金屬層與下電極金屬共同構成電容器的下電極，并且，所述側壁金屬層的側表面的上端與下電極金屬的上表面之間以圓弧面平滑過渡；相應地，上電極金屬自上而下罩住下電極，上電極金屬的下表面和側表面與下電極金屬的上表面以及側壁金屬層的側表面之間的間隙內部均勻填充有絕緣介質，該絕緣介質的厚度在各個方向上比較勻稱一致。
進一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其中，所述側壁金屬層在豎直方向上的高度大于或等于下電極金屬的垂直厚度。
更進一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其中，在下電極金屬的下方設置有下層互連金屬，下電極金屬與下層互連金屬之間也填充有絕緣介質層，在該絕緣介質層的內部設置有下通孔，下電極金屬與下層互連金屬之間通過該下通孔實現電連接。
更進一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其中，所述側壁金屬層是Ti(50～150A)/TiN(50～300A)金屬復合層，或者是100～300A的Ti或TiN或Ta或TaN或Ta/TaN金屬層。
更進一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其中，所述下電極與上電極金屬的內表面之間均勻填充的絕緣介質是SiO2、SixNy、SiOxNy、HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5或者是SiO2/SixNy復合介質層。
更進一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其中，所述下電極金屬是集成電路的倒數第二層互連金屬，下電極金屬的垂直厚度為3～7μm，其材質為Al，或者是Ti/TiN-Al-Ti/TiN復合金屬層，所述復合金屬層中Ti的厚度為50～150A，TiN的厚度為50～300A。
再進一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其中，所述上電極金屬是厚度為300～4000A的Ti或者TiN或者Ti/TiN復合層或者Ti/TiN與W或Al的復合層。
為實現本發明的第二個目的，集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法，包括下電極金屬、上電極金屬、上層互連金屬、下電極金屬與上電極金屬之間的MIM介質、上電極金屬與上層互連金屬之間的絕緣介質以及上通孔的設置工序，其特征在于首先，下電極金屬淀積之后，按照光照版圖對其蝕刻，構成網格狀和/或條形狀的下電極金屬，使之增加垂直方向的側表面；然后在蝕刻后的下電極的上表面和側表面沉積一薄層金屬，該薄層金屬淀積完成之后，采用反應離子各向異性法對其進行回蝕，使得該薄層金屬在下電極金屬的垂直側面形成側壁金屬層，該新增的側壁金屬層與下電極金屬合為一體，共同構成電容器的下電極，并且，側壁金屬層的側表面的上端與下電極金屬的上表面之間以圓弧面平滑過渡；接著再淀積MIM介質和上電極金屬，上電極金屬淀積之后經過蝕刻處理，然后再淀積一層絕緣介質，該絕緣介質的表面經過平整處理之后再淀積上層互連金屬；最后采用集成電路行業通用的通孔和金屬處理工藝，用電容器上層互連金屬和上通孔引出電容器的上下兩個電極。
進一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法，其中，所述下電極金屬被蝕刻之后，再增加一步下電極金屬下方緊鄰的絕緣介質沿垂直方向的蝕刻，然后在蝕刻后的下電極金屬和絕緣介質的表面淀積并回蝕薄層金屬，使得形成的側壁金屬層在豎直方向上的高度大于下電極金屬的垂直厚度。
再一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法，其中，在淀積下電極金屬之前，預先設置下層互連金屬以及下層互連金屬與下電極之間的絕緣介質，并在該介質層內部設置下通孔，然后再淀積下電極金屬層。
更進一步地，上述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法，其中 所述側壁薄層金屬的淀積采用化學氣相淀積方法，或者采用有機金屬氧化物化學氣相淀積方法，或者采用原子層化學氣相淀積方法； 所述MIM介質層是采用等離子增強化學氣相淀積法形成的SiO2、SixNy、SiOxNy或者SiO2/SixNy復合介質層，或者是采用原子層化學氣相淀積法形成的HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5等高介電常數介質層； 所述上電極金屬的淀積采用化學氣相淀積方法，或者采用有機金屬氧化物化學氣相淀積方法，或者采用物理氣相淀積法。
本發明的突出的實質性特點和顯著進步主要體現在 (1)本發明從提高集成電路芯片面積利用率出發，利用金屬側壁增加MIM構型電容器的有效電容面密度值，將下電極設計成網格狀或條形狀，下電極金屬線寬和距離大小在設計規則范圍內盡量小，使得在一定設計面積下能夠獲得最大的金屬側壁利用率； (2)本發明工藝處理過程中，在對下電極金屬蝕刻之后，可以進一步增加對下電極金屬與下層互連金屬之間介質在垂直方向的蝕刻，完成上述步驟以后再進行一次薄層金屬沉積，所沉積的金屬可以為Ti、TiN、Ta金屬層，或者是Ta/TaN、Ti/TiN復合層，從而在下電極金屬的側壁新增一層側壁層。該新增側壁層再經過回蝕處理，其垂直面的上端與下電極金屬的銜接部位被處理成為非常光滑的過渡曲面，這樣，不僅使得電容器的芯片占用面積節約一半以上，而且有效解決了下電極側壁水平面邊緣尖銳易導致介質擊穿電壓降低問題； (3)本發明MIM電容器的下電極采用下層互連金屬層引出，電容器的上電極覆蓋所有下電極，由于這種結構電容器邊緣附近上下兩電極之間的距離大于傳統平行板結構，克服了現有技術所存在的電容器邊緣漏電的缺點。



圖1a、1b、1c是現有技術三種MIM電容器的剖面結構； 圖2a是本發明的一種光罩版圖示意圖； 圖2b是本發明的另一種光罩版圖示意圖； 圖2c是網格狀下電極設計圖案； 圖2d是條形狀下電極設計圖案； 圖2e是經過工藝處理之后的風格狀下電極圖案； 圖2f是經過工藝處理之后的條形狀下電極圖案； 圖3是本發明MIM電容器的一種剖面結構； 圖4是本發明MIM電容器的另一種剖面結構； 圖5是本發明MIM電容器的側壁金屬與水平面金屬拐角銜接部位的局部結構示意圖； 圖6a～圖6g是圖4所示MIM電容器剖面結構的主要制造過程示意圖。
以上各圖當中的附圖標記的含義是 101-下電極金屬，102-絕緣體，103-上電極金屬，104～109-通孔，110-上層互連金屬，111-介電材料，112-側壁電極金屬； x01-下層互連金屬，x02-下通孔，x02a-連接下層互連金屬和下電極的下通孔，x02b-連接下層互連金屬和下電極互連金屬的下通孔，x03a-下電極金屬，x03b-下電極互連金屬，x04-上電極金屬，x05-上通孔，x05a-連接上層互連金屬和上電極金屬的上通孔，x05b-連接上層互連金屬和下電極互連金屬的上通孔，x06-上層互連金屬，x06a-上電極金屬在上層互連金屬的引出端，x06b-下電極金屬在上層互連金屬的引出端，以上附圖標記中x為2或3； 303c-下電極金屬采用復合金屬時的上表層金屬，303d-下電極金屬采用復合金屬時的下表層金屬，307-下層互連金屬與下電極金屬之間的介質，308-下電極側壁金屬層，309-MIM介質，310-上電極金屬與上層互連金屬之間的介質。
本文主要術語解釋如下 MIM介質指MIM電容器上下電極之間的介質； 下電極金屬指MIM介質下面電極用的金屬層； 下電極互連金屬是集成電路中的互連線，工藝上和下電極金屬是同一層，但蝕刻后與電容器下電極金屬隔離開，本發明電容器中與下通孔、上通孔、上層互連金屬以及下層互連金屬連接，引出電容器下電極； 上電極金屬指MIM介質上面電極用的金屬層； 下層互連金屬指下電極下面的最近一層的互連金屬； 下通孔指連接下層互連金屬和下電極金屬、或者下層互連金屬和下電極互連金屬的通孔； 上層互連金屬指上電極上面的最近一層的互連金屬； 上通孔指連接上層互連金屬和上電極金屬、或者上層互連金屬和下電極互連金屬的通孔。

具體實施例方式 以下將參照附圖更全面地描述本發明技術方案，其中示出了本發明的典型實施例。但是，本發明可以以許多不同方式來實施，而不應該被認為局限于這里所提出的實施例。相反，提供這些實施例可使本發明技術方案公開得更徹底、更全面，并且將充分地向本領域技術人員傳達本發明的保護范圍。在附圖中，為了清晰起見，有關的尺寸和形狀可能被加以放大。
如圖2a～圖2f所示，本發明將電容器下電極203a設計成網格狀(圖2a、2c、2e)或者條形狀(圖2b、2d、2f)，下電極金屬203a的線寬和距離大小在設計規則范圍之內盡量小，以便在一定設計面積下可獲得最大側壁利用率。下電極203a通過下通孔202a與下層互連金屬201連接，下層互連金屬201再經過對應的下通孔202b、下電極互聯金屬203b和上通孔205b從上層互連金屬206b引出。相應地，上電極金屬204通過對應的上通孔205a被引至上層互連金屬206a。從圖中可以看出，本發明的上電極204覆蓋所有下電極金屬203a，這是為了能夠克服以前大多數發明存在的電容器邊緣漏電的缺點。
圖3、圖4是本發明MIM電容器的兩種剖面結構。圖3中，自下而上依次是下層互連金屬301、下層互連金屬與下電極金屬之間的介質307、下電極金屬303a和下電極互連金屬303b、上電極金屬304、上電極金屬與上層互連金屬之間的介質310、上層互連金屬306。在介質307內部設有下通孔302a，用于下層互連金屬301與下電極金屬303a之間電連接。而在介質310內部設有上通孔305a，用于上電極金屬304與上層互連金屬306a之間電連接，形成上電極金屬在上層互連金屬的引出端306a；同時，在介質310和介質307內部還分別設有專門的上通孔305b和下通孔302a/302b，通過下電極互連金屬303b和下層互連金屬301將下電極303a引至上層互連金屬306b。下電極303a有兩個側面是側壁金屬層308，側壁金屬層308的表面以及下電極303a的上表面與上電極金屬304之間均勻填充有MIM介質309。圖4的結構與圖3類似，不同之處在于，側壁金屬層308沿豎直方向向下延伸，部分進入307介質層，其厚度超過了下電極金屬303a的厚度。圖3和圖4的共同特點是，側壁金屬層308的表面比較光滑，尤其是該側表面的上端與下電極的上表面之間呈平滑過渡，如圖5所示。
下面以形成圖4結構為例，詳述其主要工藝處理步驟。
如圖6a～6g所示，MIM電容器的制造工藝從半導體(或者其它材料上外延半導體)的表面上做好半導體器件以及下互連金屬層以下的通孔和互連后開始。首先，按照常規CMOS工藝步驟做好下互連金屬301及下互連金屬與下電極和下電極互連用的金屬層303之間的介質層307，在介質層307內部設置下通孔302，然后淀積下電極和下電極互連用的金屬層303，如圖6a所示。通常，金屬層303往往是CMOS集成電路的倒數第二層互連金屬，該層金屬一般為Al或者Ti/TiN-Al-Ti/TiN復合金屬層，金屬層的總厚度為3～7μm，Ti厚度為50～150A(埃，10-8厘米)，TiN厚度為50～300A，圖中示意的是Ti/TiN-Al-Ti/TiN復合金屬層。
接著，按照圖2a或2b所示光罩版圖蝕刻金屬層303形成下電極金屬303a和下電極互連金屬303b。然后增加一步介質307沿垂直方向的蝕刻，例如采用反應離子各向異性法，原則上應當使得下層互連金屬301上方的介質307的厚度H大于500A。這步工藝為選擇項，若不蝕刻介質307，將形成圖3所示MIM結構。完成上述兩個蝕刻過程之后，截面形狀如圖6b所示。
在圖6b的基礎上，在下電極303a和下電極互連金屬303b以及介質307的表面沉積一薄層金屬308，如圖6c所示。新增的這一層金屬層308可以是Ti(50～150A)/TiN(50～300A)金屬復合層，也可以是100～300A的Ti或TIN或Ta或TaN或Ta/TaN層，其淀積方法采用臺階覆蓋性能好的化學氣相淀積方法(CVD)，或者有機金屬氧化物化學氣相淀積方法(MOCVD)以及原子層化學氣相淀積法(ALCVD)。
采用反應離子各向異性法回蝕(etchback)前面淀積的薄層金屬308，直到將下電極金屬303a和下電極互連金屬303b之間、下電極金屬303a之間、下電極互連金屬303b之間以及電容器下電極303a頂部的Ti/TiN蝕刻干凈，如圖6d所示。經過這步工藝處理以后，新增金屬層308與下電極金屬303a合為一體，形成帶有兩個側壁的下電極，并且，其側壁層308的上邊緣變得非常光滑，側面上Al與Al上下的Ti/TiN金屬層303c和303d的交界面也得到光滑修復。在此基礎上淀積MIM介質309，可使厚度比較均勻，如圖5和6e所示。相比之下，若不采用淀積薄層金屬加回蝕方法對下電極邊緣進行光滑處理(像背景技術US642399那樣)，電容器在淀積MIM介質時，邊緣的介質厚度不均勻，且下電極金屬邊緣很尖銳，這兩者或者兩者中的任何一種因素都會引起邊緣電場強度增大，增加了電容器的漏電，降低了電容器的耐擊穿性能。本發明將下電極邊緣進行光滑處理之后，MIM介質淀積的厚度比較均勻，電力線也分散，邊緣附近的電場強度降低，使電容器的耐擊穿特性得到有效提高。
圖6c、6d、6e是本發明中制造技術的關鍵，它新增了側壁金屬層308，并且形成了光滑的下電極金屬側面。如果介質307被蝕刻，下電極側壁面積將得到進一步增加，即電容值獲得增加。在淀積MIM介質309時，可以采用等離子增強化學氣相淀積法(PECVD)形成SiO2、SixNy、SiOxNy或者SiO2/SixNy復合介質層，也可以采用原子層化學氣相淀積法(ALCVD)形成HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5等高介電常數介質。
接下來再進行電容器上電極金屬304的淀積，如圖6f所示。上電極金屬304的厚度選擇根據電容器下電極之間的間隙以及下電極互連金屬的最小距離來定。原則上是上電極金屬304填滿之前較小的間隙，而且保證上電極金屬蝕刻后留在硅片表面的空隙足夠大，以便讓其后的介質310填充滿，如圖6g所示。或者選擇較薄上電極金屬304，使得其淀積后在硅片表面留下的間隙較大，以便保證之后的介質310能將所有間隙填滿。上電極金屬304的厚度一般為300～4000A，較薄時材料可選用Ti、TiN或者Ti/TiN復合層，較厚時可用Ti/TiN與W或Al的復合層。淀積方法采用化學氣相淀積方法(CVD)或者采用有機金屬氧化物化學氣相淀積方法(MOCVD)，對于Al材料可用物理氣相淀積法(PVD)。
上電極金屬304淀積完成之后經過蝕刻處理，然后再淀積上電極304與上層互連金屬306之間的絕緣介質310，并且對介質310的表面進行平整，如圖6g所示。操作時可以采用填充性好的高密度等離子化學氣相淀積法(HDPCVD)或者等離子增強化學氣相淀積法(PECVD)淀積SiO2、SiOxFy或者Core、Blank-diamond等低介電常數介質淀積310介質層，然后用化學機械拋光法(CMP)平整表面；或者用旋圖法(spin-on)淀積SiO2或Silk等低介電常數介質，以作為絕緣介質310。
最后，采用IC通用的通孔和金屬工藝，用電容器上層互連金屬306和上通孔305a和305b引出電容器的上下二個電極，形成圖4所示的剖面結構。其它鈍化層和PAD開孔也采用IC通用工藝，本文不贅述。
如上文所述以及圖6b所示，在對金屬層303與下層互連金屬301之間的介質307進行垂直方向的蝕刻時，下層互連金屬301上方的介質厚度應大于500A。這步蝕刻增大了側壁面積和側壁電容，保留一定厚度是為了抑制電容器邊緣漏電。據估算(詳見下文)，對于0.15～0.35μm CMOS工藝，每增加3000A厚度的介質蝕刻，可以使有效電容面密度增加0.5～1倍。這步改進方案為選擇項，不選時的結構如圖3所示，例如0.18μmCMOS工藝不選擇這步工藝改良時，電容器的有效電容面密度也比平行板結構的增大一倍以上，選擇后可以增大1.5倍以上。不過，選擇這步工藝一是要求以后的金屬間介質淀積填充性好；二是下電極側壁金屬和下層互連金屬之間距離增大。當然，也可以不增加額外的光刻掩膜板和蝕刻，只增加MIM區域介質307的蝕刻。
本發明MIM電容器的下電極采用下層互連金屬層引出，電容器的上電極覆蓋所有下電極，上下電極邊緣距離為下電極下方介質蝕刻留下的厚度和MIM介質之和，不存在背景技術所述MIM電容器受邊緣漏電限制的缺點。回過頭來分析US6717193，其Finger結構電容器在增加側壁電容的同時也增加了電容器邊緣長度，每增加一個Finger或兩個側面電容，電容器邊緣長度共增加四倍finger長度，潛在邊緣漏電較為嚴重。換言之，采用US6717193的結構必須增加MIM介質厚度并減少上電極蝕刻時的過蝕刻，才能保證電容器的耐擊穿性能和低漏電，比較矛盾的是，增加MIM厚度必然又將減少電容值。這種對比進一步表明，本發明技術方案很好地解決了電容器邊緣潛在漏電問題以及帶來的MIM厚度限制問題。
另外，本發明MIM電容器的下電極光刻版圖設計成網格狀或條形狀，下電極金屬線寬和距離大小在設計規則范圍內盡量小，以便在一定設計面積下可獲得最多的側壁。如果工藝上不選用下電極蝕刻后介質蝕刻，下電極金屬線寬和距離大小可按照設計規則最小值設計。如果為更多增加有效電容密度工藝上選用下電極蝕刻后介質蝕刻，那么下電極金屬距離可按照設計規則最小值設計，線寬則應該略大于下通孔尺寸，以便保證工藝處理之后下電極金屬覆蓋住下通孔。相比之下，US6717193結構的上下電極都用Finger狀，光刻對準要求Finger寬度不能太窄，也就是說一定面積內不能挖出最多的下電極槽獲得最大側壁電容。
具體實施時，本發明工藝過程中金屬側壁的垂直方向的邊一般不會構成直角形狀，通常都是變成圓弧狀，如圖2e、2f所示。在此基礎上淀積MIM介質會更均勻，保證了MIM電容器具有較好的耐擊穿能力。如果圓弧形狀不理想，可以通過調節下電極金屬蝕刻工藝或者調節下電極光罩版圖OPC處理工序等方法來優化蝕刻形狀，以保證具有良好耐擊穿性能前提下獲得最大側壁電容。另外，蝕刻形成下電極金屬時可以調節蝕刻工藝使得下電極金屬略微傾斜(截面成梯形狀)，有利于本發明具體實施。
下面對本發明MIM電容器電容值的增大倍數進行估算—— 本發明的電容器與制作在平整化表面的平行板電容器相比，包含了金屬側壁引起的側壁電容，電容有效面密度得到提高。假設網格狀下電極的金屬線寬為w，金屬之間距離為s，金屬厚度為h，則本發明電容器的電容值與平行板的比值a為 實際上當下電極設計為圖2c所示的網格狀時，工藝處理后正方形空隙會變成2e所示的形狀，即四個直角會變成弧狀，這樣側壁面積比上述公式計算結果要小。假設最嚴重時為圓形，上述公式將變為 類似地，下電極如果采用條形狀，電容器的電容值與平行板的比值為 對于0.15～0.35μm鋁互連工藝，一般倒數第二層金屬厚度h是其最小設計規則尺寸的1.5～2倍，w和s越小，上面三種情況的a值就越大。當w＝s＝最小設計規則尺寸時，a值最大。表1計算出一組采用典型0.15～0.35μm的CMOS工藝和設計規則時，本發明電容器與平行板電容器的電容比值。當設計為網格狀時，實際值應該介于正方形網格和圓形網格對應的數值之間；采用條形狀時，也介于二者之間。由表1可見，對于0.15～0.35μm工藝，本發明的電容器占用面積可以比平行板結構電容器節省一半以上，最高可省75％左右的面積。


權利要求
1.集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，自下而上依次包括下電極金屬、上電極金屬和上層互連金屬，下電極金屬和上電極金屬之間、以及上電極金屬和上層互連金屬之間，均填充有絕緣介質，下電極金屬與上層互連金屬之間、以及上電極金屬與上層互連金屬之間，通過對應的上通孔實現電連接，使得下電極金屬和上電極金屬分別在上層互連金屬上面形成相應的電極引出端，其特征在于所述下電極金屬呈網格狀和/或條形狀排布，其豎直方向的側表面襯有側壁金屬層，該側壁金屬層與下電極金屬共同構成電容器的下電極，并且，所述側壁金屬層的側表面的上端與下電極金屬的上表面之間以圓弧面平滑過渡；相應地，上電極金屬自上而下罩住下電極，上電極金屬的下表面和側表面與下電極金屬的上表面以及側壁金屬層的側表面之間的間隙內部均勻填充有絕緣介質，該絕緣介質的厚度在各個方向上勻稱一致。
2.根據權利要求1所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其特征在于所述側壁金屬層在豎直方向上的高度大于或等于下電極金屬的垂直厚度。
3.根據權利要求1所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其特征在于在下電極金屬的下方設置有下層互連金屬，下電極金屬與下層互連金屬之間也填充有絕緣介質層，在該絕緣介質層的內部設置有下通孔，下電極金屬與下層互連金屬之間通過該下通孔實現電連接。
4.根據權利要求1或2或3所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其特征在于所述側壁金屬層是Ti(50～150A)/TiN(50～300A)金屬復合層，或者是100～300A的Ti或TiN或Ta或TaN或Ta/TaN金屬層。
5.根據權利要求1或2或3所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其特征在于所述下電極與上電極金屬的內表面之間均勻填充的絕緣介質是SiO2、SixNy、SiOxNy、HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5或者是SiO2/SixNy復合介質層。
6.根據權利要求1或2或3所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其特征在于所述下電極金屬是集成電路的倒數第二層互連金屬，下電極金屬的垂直厚度為3～7μm，其材質為Al，或者是Ti/TiN-Al-Ti/TiN復合金屬層，所述復合金屬層中Ti的厚度為50～150A，TiN的厚度為50～300A。
7.根據權利要求1或2或3所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構，其特征在于所述上電極金屬是厚度為300～4000A的Ti或者TiN或者Ti/TiN復合層或者Ti/TiN與W或Al的復合層。
8.集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法，包括下電極金屬、上電極金屬、上層互連金屬、下電極金屬與上電極金屬之間的MIM介質、上電極金屬與上層互連金屬之間的絕緣介質以及上通孔的設置工序，其特征在于首先，下電極金屬淀積之后，按照光照版圖對其蝕刻，構成網格狀和/或條形狀的下電極金屬，使之增加垂直方向的側表面；然后在蝕刻后的下電極的上表面和側表面沉積一薄層金屬，該薄層金屬淀積完成之后，采用反應離子各向異性法對其進行回蝕，使得該薄層金屬在下電極金屬的垂直側面形成側壁金屬層，該新增的側壁金屬層與下電極金屬合為一體，共同構成電容器的下電極，并且，側壁金屬層的側表面的上端與下電極金屬的上表面之間以圓弧面平滑過渡；接著再淀積MIM介質和上電極金屬，上電極金屬淀積之后經過蝕刻處理，然后再淀積一層絕緣介質，該絕緣介質的表面經過平整處理之后再淀積上層互連金屬；最后采用集成電路行業通用的通孔和金屬處理工藝，用電容器上層互連金屬和上通孔引出電容器的上下兩個電極。
9.根據權利要求8所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法，其特征在于所述下電極金屬被蝕刻之后，再增加一步下電極金屬下方緊鄰的絕緣介質沿垂直方向的蝕刻，然后在蝕刻后的下電極金屬和絕緣介質的表面淀積并回蝕薄層金屬，使得形成的側壁金屬層在豎直方向上的高度大于下電極金屬的垂直厚度。
10.根據權利要求8所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法，其特征在于在淀積下電極金屬之前，預先設置下層互連金屬以及下層互連金屬與下電極之間的絕緣介質，并在該介質層內部設置下通孔，然后再淀積下電極金屬層。
11.根據權利要求8或9或10所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法，其特征在于所述側壁薄層金屬的淀積采用化學氣相淀積方法，或者采用有機金屬氧化物化學氣相淀積方法，或者采用原子層化學氣相淀積方法。
12.根據權利要求8或9或10所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法，其特征在于所述MIM介質層是采用等離子增強化學氣相淀積法形成的SiO2、SixNy、SiOxNy或者SiO2/SixNy復合介質層，或者是采用原子層化學氣相淀積法形成的HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5高介電常數介質層。
13.根據權利要求8或9或10所述的集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構的制造方法，其特征在于所述上電極金屬的淀積采用化學氣相淀積方法，或者采用有機金屬氧化物化學氣相淀積方法，或者采用物理氣相淀積法。
全文摘要
本發明涉及集成電路中“金屬-絕緣體-金屬”電容器結構及其制造方法。該結構自下而上包括下電極金屬、MIM絕緣介質、上電極金屬、絕緣介質和上層互連金屬，其特點是下電極金屬下方設有下層互連金屬，下電極金屬呈網格狀或條形狀排布，其側表面襯有側壁金屬層，側壁金屬層的側表面的上端與下電極金屬的上表面之間以圓弧面平滑過渡；上電極金屬自上而下罩住所有下電極，上下電極之間均勻填充厚度一致的MIM絕緣介質。本發明使得MIM電容器的芯片占用面積節約一半以上，并且有效解決了邊緣漏電和下電極側壁水平面邊緣尖銳引起擊穿電壓降低兩個技術難題。
文檔編號H01L21/70GK101192568SQ200610097969
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月24日 優先權日2006年11月24日
發明者高文玉, 李秋德 申請人:和艦科技(蘇州)有限公司