嵌入式金属-绝缘体-金属电容器的制造方法
【技术领域】
[0001]本揭露通常涉及集成电路领域，尤其涉及金属-绝缘体-金属电容器。
【背景技术】
[0002]集成电路通常包括大量电路元件，这些电路元件构成电路。除主动装置例如场效应晶体管和/或双极性晶体管以外，集成电路可包括被动装置，例如电阻器、电感器和/或电容器。
[0003]随着半导体装置的集成密度增加，由独立装置占据的面积持续缩小。尽管如此，但用以存储数据的电容器(例如动态随机访问存储器(DRAM))需要有足够的电容，而不论该电容器所占据的面积降低。除原生电容器(其利用集成电路中金属线之间的原生或“寄生”金属间容量)以外，还有金属-绝缘体-金属(metal-1nsulator-metal ；MIM)电容器。相应地，金属-绝缘体-金属(M頂)电容器被用于许多集成电路产品中，且在金属-绝缘体-金属(M頂)电容器中，下电极与上电极由金属构成并被绝缘材料层隔离。金属-绝缘体-金属电容器可用于CM0S、BICM0S以及双极性集成电路。金属-绝缘体-金属电容器的典型应用包括例如模拟-数字转换器或数字-模拟转换器中的滤波及模拟电容器，射频振荡器、谐振电路以及匹配网络中的去耦电容器、射频耦合及射频旁路电容器。
[0004]另外，MIM电容器已被广泛用于执行模拟-数字转换及数字-模拟转换的半导体装置中。模拟与数字信号之间的转换要求用于此类转换的电容器稳定，也就是电容器的电容在一范围的应用电压及温度内必须较稳定。具有多晶硅电极的电容器的电容往往较不稳定，因为该电容器结构往往随温度及应用电压变化而变化。因此，具有多晶硅电极的电容器通常不用于此类转换应用。除其中装备有连接集成电路的主动电路元件(例如晶体管)的电性导线的互连级以外，提供额外的互连级，金属-绝缘体-金属电容器可设于该额外的互连级中。
[0005]金属-绝缘体-金属电容器的关键属性可包括在较宽电压范围内的较高线性、较低串联电阻、较好匹配属性、较小温度系数、较低漏电流、较高击穿电压以及足够的介电可靠性。
[0006]用以形成金属-绝缘体-金属电容器的技术可包括在半导体结构的平坦化表面上沉积金属-绝缘体-金属堆叠并图案化该金属-绝缘体-金属堆叠。该金属-绝缘体-金属堆叠可包括底部电极层、介电层以及顶部电极层。可通过光刻工艺来图案化该金属-绝缘体-金属堆叠。不过，该金属-绝缘体-金属堆叠的光吸收和/或反射主要依赖于所使用的材料以及该金属-绝缘体-金属堆叠中的层的厚度。因此，能够穿过该金属-绝缘体-金属堆叠的光学对准的材料组合很有限。
[0007]在形成Μ頂电容器的上下金属电极时，通常执行蚀刻工艺来图案化金属层。不过，随着半导体装置的集成密度持续增加，蚀刻此类金属层变得更加困难。尤其，可能难以蚀刻具有良好电迀移抗性(electromigrat1n resistance)以及理想低电阻率的铜。因此，已提出通过镶嵌(damascene)工艺(也就是不涉及蚀刻金属层的工艺)来形成上下金属电极的各种方法。铜镶嵌工艺通常包括在绝缘层中形成用于铜结构的沟槽，形成足够量的铜来过填充该沟槽，以及自衬底移除多余的铜，从而在该沟槽中保留该铜结构。不过，用于形成基于铜的电容器及导线以及过孔的镶嵌工艺耗时且昂贵，并包括许多步骤，在这些步骤中总是存在形成不良缺陷的可能。
[0008]此外，现有技术的电容器存在下列问题。垂直自然电容器以及指状金属-氧化物-金属电容器因所用的超低k介电材料的低介电常数值而显示不足的电容，原则上，无论如何，它们需要大面积来提供较大电容。另一方面，原则上，横向电容器的电压受所用的超低k介电材料的操作可靠性限制。此外，金属化/导线层中的传统Μ頂电容器需要复杂的集成方案。
[0009]因此，需要改进电容器结构以及形成工艺，例如用于半导体装置制造，以与导电接触形成工艺较好地合并。
[0010]本揭露提供改进的电容器结构及其制造工艺，以妥善解决上述问题并克服或至少减轻所提到的现有技术的问题。
【发明内容】
[0011]下面提供本发明的简要总结，以提供本发明的一些态样的基本理解。本
【发明内容】
并非详尽概述本发明。其并非意图识别本发明的关键或重要元件或划定本发明的范围。其唯一目的在于提供一些简化的概念，作为后面所讨论的更详细说明的前序。
[0012]这里所揭露的一种制造包括电容器结构的半导体装置的示例方法包括步骤:在半导体衬底上方形成包括第一介电层以及充当该电容器结构的下电极的第一导电层的第一金属化层；在该第一金属化层上形成充当该电容器结构的电容器绝缘体的阻挡层；在该阻挡层上形成金属层；以及蚀刻该金属层，以形成该电容器结构的上电极。
[0013]依据另一种制造半导体装置的示例方法，执行下列步骤:在金属化层的第一介电层中形成沟槽并使用第一金属层填充该沟槽，以形成该Μ頂电容器的下电极；在该第一金属层及该第一介电层上形成由低k材料构成的阻挡层，以形成该Μ頂电容器的电容器绝缘体；在该阻挡层上形成第二金属层，以形成该Μ頂电容器的上电极；在该第二金属层上形成第二介电层；在该第二介电层中形成止于该第二金属层的过孔；以及使用接触材料填充该过孑L。
[0014]此外，这里提供一种形成金属-绝缘体-金属(metal-1nsulator-metal ;ΜΙΜ)电容器的方法，包括步骤:在金属化层的第一介电层中形成沟槽并使用第一金属层填充该沟槽，以形成该Μ頂电容器的下电极；在该第一金属层及第一介电层上形成由低k材料构成的阻挡层，以形成该Μ頂电容器的电容器绝缘体；在该阻挡层上形成第二金属层，以形成该ΜΙΜ电容器的上电极，其中，与该第一金属层相比，该第二金属层沿横向方向具有较大的横向尺寸；在该第二金属层上形成第二介电层；在该第二介电层中形成过孔，在沿该横向方向不重叠该第一金属层的该上电极的周边区域中，该过孔延伸穿过该上电极；以及使用接触材料填充该过孔。
[0015]此外，这里提供一种半导体装置，包括:第一金属化层，其包括第一介电层以及第一导电层；低k阻挡层，其形成于该第一金属化层上；第二导电层，其形成于该低k阻挡层上；第二介电层，其形成于该第二导电层上；接触层，其形成于该第二介电层中并延伸至该第二导电层；以及电容器结构，其包括该第一导电层、该阻挡层以及该第二导电层。
[0016]另外，这里提供一种半导体装置，包括:第一金属化层，其包括第一介电层以及第一导电层；低k阻挡层，其形成于该第一金属化层上；第二导电层，其形成于该低k阻挡层上，且沿横向方向所具有的横向尺寸大于沿该横向方向的该第一导电层的横向尺寸；第二介电层，其形成于该第二导电层上；接触层，其形成于该第二介电层中并在不重叠该第一导电层的该第二导电层的周边区域中延伸穿过该第二导电层；以及电容器结构，其包括该第一导电层、该阻挡层以及该第二导电层。
[0017]依据所揭露的方法及半导体装置，形成的Μ頂电容器包括:包括于金属化或互连级层中的导电层形式的第一电极，以及直接形成于较薄阻挡层上的第二电极，该较薄阻挡层充当电容器绝缘体且直接形成于该金属化或互连级层上。尤其，该金属化或互连级层可包括或由超低k材料组成，且该阻挡层可包括或由具有低介电常数(k)的低k材料组成，但该介电常数大于该超低k材料的介电常数。