共面的金屬?絕緣體?金屬電容結構的制作方法

本發明實施例涉及共面的金屬-絕緣體-金屬電容結構。

背景技術：

在過去的幾十年間，半導體集成電路工業已經經歷了快速增長。半導體材料和設計的技術進步已經生產出更小且更復雜的電路。由于與處理和制造相關聯的技術也已經經歷了技術進步，這些材料和設計的進步已經成為可能。在半導體發展的過程中，由于可以可靠地產生的最小的部件的尺寸已經減小，每單位面積的互連的器件的數量已經增加。

半導體中的許多技術進步已經發生在存儲器件領域，并且這些中的一些涉及電容結構。例如，這樣的電容結構包括金屬氧化物半導體(MOS)電容器、p-n結電容器和金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器。在一些應用中，與起MOS和p-n結電容器相比，MIM電容器可以提供一定優勢是因為形成在半導體電極中的耗盡層可以限制MOS和p-n結電容器的頻率特性。MIM電容器能夠展示改進的頻率和溫度特性。此外，MIM電容器形成在金屬互連層，從而減小CMOS晶體管工藝集成相互作用或復雜度。

但是，為了將MIM電容器連接至互連線，通孔通常用于橋接MIM電容器的電極和互連線。形成這樣的通孔以橋接常規的MIM電容器可以對MIM電容器的至少一個電極造成損壞并且可以轉而不利地影響MIM電容器的性能(例如，泄漏電流、不期望的頻率性能)。因此，可能需要MIM電容器的改進的結構。

技術實現要素：

根據本發明的一個實施例，提供了一種方法，包括：在襯底上方形成第一金屬層；在所述第一金屬層上方形成絕緣層，其中，所述第一金屬層沿著所述絕緣層的第一側壁設置；沿著所述絕緣層的第二側壁形成第二金屬層，使得所述第一金屬層的第一表面與所述第二金屬層的第二表面基本上共面，其中，所述絕緣層的所述第二側壁與所述絕緣層的所述第一側壁相對；蝕刻所述第一金屬層和所述第二金屬層以從所述絕緣層形成突出于所述第一金屬層和所述第二金屬層之外的鰭部件；以及形成第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔均分別連接至所述第一金屬層和所述第二金屬層。

根據本發明的另一實施例，還提供了一種在襯底上制造金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結構的方法，包括：在所述襯底上方形成圖案化的金屬層；在所述圖案化的金屬層上方形成絕緣層；在所述絕緣層上方形成第二金屬層；去除所述絕緣層的部分和所述第二金屬層的部分，從而形成通過所述圖案化的金屬層、所述絕緣層和所述第二金屬層形成的基本上共面的表面；去除所述第二金屬層的部分和所述圖案化的金屬層的部分以從所述絕緣層形成突出于所述第一金屬層和所述第二金屬層之外的鰭；以及在所述鰭上方形成金屬間介電層。

根據本發明的又另一實施例，還提供了一種金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結構，包括襯底；第一金屬層，位于所述襯底上；位于所述襯底上的絕緣層，圍繞所述第一金屬層的側壁；以及位于所述襯底上的第二金屬層，圍繞所述絕緣層的側壁；其中，所述第一金屬層和所述第二金屬層包括與所述襯底相對的共面的表面。

附圖說明

當結合附圖進行閱讀時，根據下面詳細的描述可以更好地理解本發明的實施例。應該強調的是，根據工業中的標準實踐，對各種部件沒有按比例繪制并且僅僅用于說明的目的。實際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增大或縮小。

圖1描述了金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的截面圖。

圖2描述了制造金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的方法。

圖3A、圖3B、圖3C、圖3D、圖3E、圖3F、圖3G、圖3H、圖3I和圖3J描述了通過使用圖2的方法制造的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的截面圖。

圖4A描述了通過使用圖2的方法制造的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的頂視圖。

圖4B描述了通過使用圖2的方法制造的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的頂視圖。

圖5A描述了通過使用圖2的方法制造的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的頂視圖。

圖5B描述了通過使用圖2的方法制造的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的頂視圖。

通過閱讀以下的詳細描述上文簡要描述的圖中所公開各個部件對本領技術人員將變得更加顯而易見。在各附圖中描述的部件在兩個或更多附圖之間共有的情況下，為了清楚地討論而使用相同的參考標號。

具體實施方式

應該理解，以下公開內容提供了許多用于實現所提供主題的不同特征的不同實施例或實例。下面描述了組件和布置的具體實例以簡化本發明。當然，這些僅僅是實例，而不旨在限制本發明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件形成為直接接觸的實施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之間可以形成額外的部件，從而使得第一部件和第二部件可以不直接接觸的實施例。為了簡化和清楚的目的，可以以不同比例任意繪制附圖中的各種部件。

圖1示出了垂直堆疊的MIM電容器100。MIM電容器100包括底電極102、絕緣體106和頂電極104。為了將底電極102和頂電極104連接(橋接)，形成至少兩個通孔：通孔108配置為將底電極102連接至導電層(例如，互連線)并且通孔110配置為將頂電極104連接至另一導電層(例如，互連線)。在底電極和頂電極的這樣的垂直配置中，在形成各自通孔期間造成損壞。例如，在圖1的所示的實施例中，蝕刻工藝(例如，等離子體誘導蝕刻)可以用來使絕緣層120凹進以形成從絕緣層120的頂面至電極的兩個通道，然后，可以將導電材料填充至形成的通道內以形成各自的通孔。由于頂電極104包括相對高于底電極102的頂面的頂面，所以在形成到達底電極102的頂面的通道的蝕刻工藝期間，蝕刻工藝對頂電極104的頂面造成損壞。

圖2是制造基本上共面的MIM電容器301的方法200的流程圖，基本上共面的MIM電容器301是在制造工藝期間根據本發明的各個方面在一個或更多實施例中以避免損壞電極構造的。參照圖2并且結合附圖3A、圖3B、圖3C、圖3D、圖3E、圖3F、圖3G、圖3H、圖3I和圖3J描述方法200。在一些實施例中，根據公開的方法200制造的MIM電容器301可以是電阻式隨機存取存儲器(RRAM)單元和/或適合類型的各種非易失性計算機存儲單元的存儲元件。應該理解，在方法200之前、期間和之后可以提供額外的步驟，并且對于方法200的額外的實施例，可以替代、刪除和/或移動一些步驟。

方法200開始于提供襯底300的操作202。在一些實施例中，襯底300是絕緣層。在一些具體的實施例中，襯底300可以用作金屬間介電(IMD)層。在操作202期間，襯底300可以包括圖3A中所示的第一金屬層302，或在一些可選實施例中，隨后通過合適的工藝(例如，濺射、電子束蒸發)在襯底300上方形成第一金屬層302。根據目前的實施例，第一金屬層300是由選自由Ta、Ti、TaN、TiN、W、Cu、Al、Ir、Ru、Pt和它們的組合構成的組的導電材料形成的。其他導電材料可以用于形成第一金屬層300并且將仍然落入公開的實施例的范圍內。

然后，方法202繼續進行至形成圖案化的金屬層302’的操作204。在一些實施例中，形成圖案化的金屬層302’可以包括進行光刻工藝、無掩模光刻工藝或用于將圖案轉印至第一金屬層302的各種工藝。這可以通過一些材料去除工藝的組合實現或可以通過單一的材料去除工藝完成。此外，根據各個說明性實施例，圖案化的金屬層302’可以形成各種形狀，諸如，例如圓形(如圖5A和圖5B示出的)、曲線形狀和/或具有圓角的多邊形(如圖5A和5B所示)。

方法200繼續至操作206，如圖3C所示，在圖案化的金屬層302’和襯底300上面形成絕緣層304。絕緣層304可以包括介電層和/或高k介電材料層。在絕緣層304是介電層的實例中，絕緣層304可以厚度在約5納米至約40納米的范圍內的由氧化物、氧化硅和/或SiN形成。在絕緣層304是高k材料層的實例中，絕緣層304可以由Al₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅、HfO₂、La₂O₃、TiO₂、SiO₂或它們的組合形成。另外，這樣的高k材料層可以包括在約1.5納米至約15納米之間的范圍內的厚度。在操作206，可以使用包括化學汽相沉積(CVD)、低壓CVD(LPCVD)、等離子體增強CVD(PECVD)以及原子層沉積(ALD)的各種合適的工藝以形成絕緣層304。

方法200繼續至操作208，如圖3D所示，在絕緣層304上面形成第二金屬層306。根據目前的實施例，第二金屬層306是由選自由Ta、Ti、TaN、TiN、W、Cu、Al、Ir、Ru、Pt和它們的組合構成的組的導電材料形成的。其他導電材料可以用于形成第二金屬層306并且將仍然落入公開的實施例的范圍內。在具體的實施例中，圖案化的金屬層302’可以用作MIM電容器301的第一電極，并且第二金屬層306(或后來的圖案化的第二金屬層)可以用作MIM電容器301的第二電極。以下詳細討論MIM電容器301的電極。

然后，方法200繼續進行至操作210，如圖3E所示，形成基本上共面的表面303。根據目前的實施例，基本上共面的表面可以限定為由至少第一表面和第二表面共用的表面，其中，第一表面和第二表面橫向對準(即，第一表面和第二表面相對于彼此不在平面外)或第一平面和第二平面是有容許值(例如，5％)地在平面外。在實施例中，基本上共平面的表面303的形成可以包括實施化學機械拋光(CMP)工藝和/或濕/干蝕刻工藝。在操作210期間，可以分別去除/凹進/蝕刻第二金屬層306的部分和絕緣層304的部分以形成蝕刻的絕緣層304’和蝕刻的第二金屬層306’，從而形成由圖案化的金屬層302’、蝕刻的絕緣層304’和蝕刻的第二金屬層306’共用的基本上共面的表面303。在一些可選實施例中，在操作210期間，可以進一步圖案化圖案化的金屬層302’。

在實施例中，如圖3F所示的形成圖案化的第二金屬層306”的操作(未示出)可以包括在方法200中。圖案化的第二金屬層306”的形成可以包括進行光刻工藝、無掩模光刻工藝或用于將圖案轉印至蝕刻的第二金屬層306’的各種工藝。這可以通過一些材料去除工藝的組合實現或可以通過單一的材料去除工藝完成。

方法200繼續至操作212，如圖3G所示，形成絕緣層304’的鰭305。根據各個實施例，形成鰭305可以包括濕蝕刻工藝和/或干蝕刻工藝。在實施濕蝕刻工藝的實例中，例如，可以使用包括對絕緣層304/304’具有高選擇性的化學物，諸如標準清洗1(SC1)溶液(即，NH₃、H₂O₂和H₂O的混合物)。同樣地，在蝕刻工藝期間(即，操作212)，絕緣層304/304’可以保持完整。此外，在約15℃和約80℃之間的溫度范圍內，可以實施這樣的濕蝕刻工藝。另一方面，在實施干蝕刻工藝的實例中，可以使用等離子體誘導反應離子蝕刻(RIE)和/或基于氯化物的蝕刻工藝。在一些具體實施例中，在形成鰭305之后，如圖3G的實施例所示可以形成金屬層302”’、金屬層306”。此外，形成的鰭305可以包括從約3埃至約20埃的范圍內的高度“t1”；金屬層306”可以具有寬度差“t2”，寬度差“t2”是金屬層306”的寬度和絕緣層304’的下部之間的距離(這樣的寬度差t2可以在約3埃至約20埃之間的范圍內)；以及金屬層302”’和金屬層306”可以包括從約40納米至約90納米之間的范圍內的相同高度“t3”。相同高度“t3”是指金屬層302”’基本上與金屬層306”共面。根據目前的實施例，基本上共面的表面可以限定為由至少第一表面和第二表面共用的表面，其中，第一表面和第二表面橫向對準(即，第一表面和第二表面相對于彼此不在平面外)或第一平面和第二平面是有容許值(例如，5％)地在平面外。

然后，方法繼續進行至操作214，如圖3H所示，在襯底300上方形成金屬間介電層310。在一些實施例中，在金屬間介電層310和襯底300之間可以形成蝕刻停止層308。

由于MIM電容器301的兩個電極(即，302”’和306”)基本上共面，形成的通孔312和314可以包括相同的高度“h”。更具體的，如圖3I的示出的實施例所示，蝕刻金屬間介電層310以形成兩個溝槽X和Y。溝槽X和Y具有相同的高度“h”。參照圖3J，方法200繼續操作216，其中，在溝槽X&Y內形成導電材料以形成通孔314和312。在一些實施例中，通孔312貫穿金屬間介電層310并且配置為將金屬間介電層310的頂面319上的導電板(例如，電極330)和MIM電容器301的第二電極(例如，306”)連接。此外，在一些實施例中，通孔314貫穿金屬間介電層310并且配置為將金屬間介電層310的頂面319上的導電板(例如，電極340)和MIM電容器301的第一電極(例如，302”’)連接。更具體地，在一些實施例中，通過下面的步驟形成通孔312和314：蝕刻金屬間介電層310以形成從頂面319穿至第一電極(金屬層302”’)和第二電極(金屬層306”)的兩個通道(或溝槽)，并且然后用導電材料填充通道。蝕刻金屬間介電層310可以包括等離子體誘導蝕刻工藝。

由MIM電容器301的第一電極302”’和第二電極306”共用的這樣的基本上共面的表面提供各種優勢。例如，當形成溝槽X和Y時，金屬間介電層310的蝕刻可以不對任何一個電極造成損壞。更具體地，如圖3J的示出的實施例中所示，每個蝕刻的溝槽X和Y(即，未來的通孔)具有相同的高度“h”,這意味著可以使用等量的時間以達到這樣相同高度的溝槽。轉而，兩個電極經歷等量的曝光(例如，等離子體能量)，所以兩個電極都不會經受較長的蝕刻時間，并且因此可以避免由于受到等離子體能量的過度曝光而導致的損壞。這樣，也可以有利地避免額外的蝕刻工藝。

現在參照圖4A和圖4B，從頂視圖分別示出第一電極302”’、絕緣層304’、第二電極306”和相應的通孔312和314的形狀的實例。在圖4A的實例中，第一電極302”’、絕緣層304’和第二電極306”形成同心圓。在圖4B的實例中，第一電極302”’和絕緣層304’形成同心圓，并且第二電極306”包括配置為形成通孔312的突出區域。

參照圖5A和圖5B，從頂視圖分別示出第一電極302”’、絕緣層304’、第二電極306”和相應的通孔312和314的形狀的實例。在圖5A的實例中，第一電極302”’、絕緣層304’、第二電極306”均形成方形。此外，這樣的方形包括四個更圓的角部。在一些可選實施例中，第一電極302”’、絕緣層304’和第二電極306”均可以形成具有至少一個圓角的多邊形并且將仍然落入本發明的范圍內。在圖5B的實例中，與圖5A類似，第一電極302”’和絕緣層304’均形成具有圓角的方形。但是，第二電極306”包括配置為形成通孔312的突出區域。

本發明提供了制造金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的方法的各個實施例。在實施例中，方法包括在襯底上方形成第一金屬層；在第一金屬層上方形成絕緣層，其中，第一金屬層沿著絕緣層的第一側壁設置；沿著絕緣層的第二側壁形成第二金屬層使得第一金屬層的第一表面基本上與第二金屬層的第二表面共面，其中，絕緣層的第二側壁與絕緣層的第一側壁相對；蝕刻第一金屬層和第二金屬層以從絕緣層形成突出于第一金屬層和第二金屬層外的鰭部件；以及形成第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔均分別連接至第一金屬層和第二金屬層。

在另一實施例中，在襯底上制造金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結構的方法包括：在襯底上方形成圖案化的金屬層；在圖案化的金屬層上方形成絕緣層；在絕緣層上方形成第二金屬層；去除絕緣層的部分和第二金屬層的部分，從而形成通過圖案化的金屬層、絕緣層和第二金屬層形成的基本上共面的表面；去除第二金屬層的部分和圖案化的金屬層的部分以從絕緣層形成突出于第一金屬層和第二金屬層外的鰭；以及在鰭上方形成金屬間介電層。

又在另一實施例中，提供了金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結構。MIM電容器結構包括襯底；第一金屬層；位于襯底上；位于襯底上的絕緣層，圍繞第一金屬層的側壁；以及位于襯底上的第二金屬層，圍繞絕緣層的側壁，其中，第一金屬層和第二金屬層包括與襯底相對的共面的平面。

根據本發明的一個實施例，提供了一種方法，包括：在襯底上方形成第一金屬層；在所述第一金屬層上方形成絕緣層，其中，所述第一金屬層沿著所述絕緣層的第一側壁設置；沿著所述絕緣層的第二側壁形成第二金屬層，使得所述第一金屬層的第一表面與所述第二金屬層的第二表面基本上共面，其中，所述絕緣層的所述第二側壁與所述絕緣層的所述第一側壁相對；蝕刻所述第一金屬層和所述第二金屬層以從所述絕緣層形成突出于所述第一金屬層和所述第二金屬層之外的鰭部件；以及形成第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔均分別連接至所述第一金屬層和所述第二金屬層。

在上述方法中，形成所述第二金屬層包括：在所述絕緣層上方形成所述第二金屬層；以及去除所述絕緣層的部分和所述第二金屬層的部分。

在上述方法中，所述去除包括化學機械平坦化(CMP)工藝。

在上述方法中，所述第一通孔和所述第二通孔具有相同的高度。

在上述方法中，其中，俯視時，所述第一金屬層、所述絕緣層和所述第二金屬層是同心圓。

在上述方法中，其中，俯視時，所述第一金屬層、所述絕緣層和所述第二金屬層的每個均形成多邊形。

在上述方法中，所述多邊形包括至少一個圓角。

根據本發明的另一實施例，還提供了一種在襯底上制造金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結構的方法，包括：在所述襯底上方形成圖案化的金屬層；在所述圖案化的金屬層上方形成絕緣層；在所述絕緣層上方形成第二金屬層；去除所述絕緣層的部分和所述第二金屬層的部分，從而形成通過所述圖案化的金屬層、所述絕緣層和所述第二金屬層形成的基本上共面的表面；去除所述第二金屬層的部分和所述圖案化的金屬層的部分以從所述絕緣層形成突出于所述第一金屬層和所述第二金屬層之外的鰭；以及在所述鰭上方形成金屬間介電層。

在上述方中法中，還包括：形成穿過所述金屬間介電層的第一通孔和第二通孔從而分別連通所述圖案化的金屬層和所述第二金屬層。

在上述方中法中，其中，所述的去除所述絕緣層的部分和所述第二金屬層的部分包括化學機械平坦化(CMP)工藝。

在上述方中法中，所述的去除所述第二金屬層的所述部分和所述圖案化的金屬層的所述部分包括濕蝕刻工藝。

在上述方中法中，所述濕蝕刻工藝包括在從約15℃至約80℃的溫度范圍內，對所述襯底施加標準清洗1(SC1)。

在上述方中法中，俯視時，所述圖案化的金屬層、所述絕緣層和所述第二金屬層形成同心圓。

在上述方中法中，俯視時，所述圖案化的金屬層、所述絕緣層和所述第二金屬層的每個均形成具有圓角的多邊形。

在上述方中法中，在去除所述第二金屬層的所述部分和所述圖案化的金屬層的所述部分以從所述絕緣層形成所述鰭之后，所述第一金屬層具有與所述第二金屬層的頂面基本上共面的頂面，使得所述鰭突出于所述第一金屬層和所述第二金屬層的所述頂面之外。

在上述方中法中，還包括：在所述鰭上方形成所述金屬間介電層之前，在所述鰭上方形成蝕刻停止層。

根據本發明的又另一實施例，還提供了一種金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結構，包括襯底；第一金屬層，位于所述襯底上；位于所述襯底上的絕緣層，圍繞所述第一金屬層的側壁；以及位于所述襯底上的第二金屬層，圍繞所述絕緣層的側壁；其中，所述第一金屬層和所述第二金屬層包括與所述襯底相對的共面的表面。

在上述MIM電容器結構中，所述絕緣層包括鰭，所述鰭突出于所述共面的表面外面。

在上述MIM電容器結構中，俯視時，所述第一金屬層、所述絕緣層和所述第二金屬層形成同心圓。

在上述MIM電容器結構中，俯視時，所述第一金屬層、所述絕緣層和所述第二金屬層的每個均形成具有圓角的多邊形。

上面概述了若干實施例的部件、使得本領域技術人員可以更好地理解本發明的方面。本領域技術人員應該理解，他們可以容易地使用本發明作為基礎來設計或修改用于實現與在此所介紹實施例相同的目的和/或實現相同優勢的其他工藝和結構。本領域技術人員也應該意識到，這種等同構造并不背離本發明的精神和范圍、并且在不背離本發明的精神和范圍的情況下，在此他們可以做出多種變化、替換以及改變。