专利名称：埋入的金属双重镶嵌板电容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体晶片上金属层中的电容器的制造，更具体地说，涉及半导体晶片上的金属层制造中用铜双重镶嵌工艺的一部分的金属电容器制造。
芯片的前端线(FEOL)元件变得越来越小，越来越多，越来越复杂和越来越牢固，已增加了后端线(BEOL)层的数量。因为，FEOL器件的尺寸和密度，BEOL层中互连线的宽度和横截面积已被减小。但是，这种横截面积减小使所用的铝互连线的电阻值增大。因此，近年来有在BEOL结构中用铜的动向，因为铜有较低电阻值的特性。用铜就需要在铜双重镶嵌制造技术基础上的全新制造技术。
过去，用于半导体芯片的去耦电容器是放在外壳中的。但是，现在的半导体芯片在给定的高频下工作，放在外壳中的去耦电容器的长的导电路径常常是不能允许的。从半导体芯片的BEOL层上的形成互连线的铝反应离子腐蚀工艺中迁移出的反应离子进入铜双重镶嵌互连线，在需要减小去耦电容器的导电线的长度的同时，需要提供新的芯片级集成去耦电容器结构及其制造方法。
本发明的目的是，提供半导体芯片上金属层中的金属电容器的制造方法和制造装置。
本发明的另一目的是，提供在芯片上金属电容器的制造方法作为铜双重镶嵌制造工艺的一部分。
本发明的又一目的是，提供在半导体芯片上的精密金属电容器的制造方法作为铜双重镶嵌制造工艺的一部分。
提供已通过至少一层金属制成器件的晶片上制造金属电容器的方法，就能达到发明相符的这些目的和其它目的。该方法包括以下步骤淀积绝缘层；在绝缘层上形成第一金属极板，之后，在第一金属极板上面设介质材料。之后，形成伸过介质材料并与第一金属极板接触的通孔，最后，通孔中和第一绝缘材料面上淀积金属，形成第二金属极板。
按本发明的另一方案，提供在半导体晶片的金属层中制成的电容器。电容器包括绝缘层和放置在绝缘层的第一侧面上的导电材料制成的第一极板。第一极板有凸出部分。此外，电容器有覆盖除凸出部分之外的第一极板的介质材料，和通孔，它向下伸过介质材料并包括第一极板的凸出部分。金属销位于通孔中，与凸出部分接触。第二极板设在邻接介质材料处，使介质材料位于第一极板与第二极板之间。
图1A-1F是在半导体晶片上的金属层中制造金属电容器的一个制造方法的工艺步骤的横截面图作为双重镶嵌制造工艺一部分；图1G是图1A-1F中所需的制造方法中包括的附加步骤以提供第二种可用的替代方法；图2A和2B是金属电容器的另一制造方法的初始步骤的横截面图，它是图1A-1F所示方法的一个变化；图3A和3B是金属电容器的又一制造方法的初始步骤的横截面图，它是图1A-1F所示方法的改变。
图4A和4B是金属电容器又一制造方法的初始步骤的横截面图，它是图1A-1F所示方法的变化。
图5A-5I是作为双重镶嵌制造工艺一部分的在半导体晶片上的金属化层中金属电容器的另一制造方法。
本发明用BEOL双重镶嵌制造工艺在金属化的层中制造埋入金属电容器。
图1A-1F示出按本发明的电容器的制造方法。电容器在半导体芯片19上的金属层中制造。图1A画出了这种芯片的一部分。通常19有经至少第一金属层21制成的器件。金属层21有绝缘层22，绝缘层22中埋入已钝化的金属互连层23和24。第一金属层21上形成由例如SiO2，氟化二氧化硅(FSG)、聚芳醚(PAE)、气凝胶、氢倍半硅氧烷(HSQ)、甲基倍半硅氧烷(MSQ)或类似材料制成的第一绝缘层25。第一绝缘层25最好用低介电常数K(例如，最好3以下)绝缘体制作。用常规的淀积和腐蚀步骤形成用作电容器的埋入金属极板的金属极板27。极板27可以用钨制作，或用与相邻材料兼容的有好的导电率的类似的难熔金属制造。此外，极板27要用在各个制造步骤中不含有晶粒生长或破坏它上面的电容器的绝缘体动向的材料制造。介质层29淀积在第一金属层21和极板27上。本发明的这个实施例中，正如下述的，介质层29用作腐蚀停止层和用作电容器介质。介质层29用(SiNxHy),(SiCxHy)，二氧化硅(SiO2)或其它类似材料制成。介质层最好是用较高的介电常数K(例如5以上)的绝缘体。
参见图1B，下一步骤中，分别在互连线23和24的正上方形成通孔35和37，以便与第一金属层21接触。通孔35和37的形成方法是，淀积光刻胶层，用适合于形成通孔35和37的掩模进行光构图，经腐蚀和去掉光刻胶层形成通孔35和37。由于淀积光刻胶层，用掩模光构图，腐蚀和去掉光刻胶层的技术是已知技术，因此在完全说明和示范形成通孔或沟槽的整个工艺时，不是每次都要说明工艺。以下作更详细说明，形成通孔37是为了容纳连接下层的金属互连线24和埋入的金属极板27的金属(例如钨或铜)销。为此，形成通孔37，使介质层29的部分29A从较下面的极板27上被移开，使凸出部分27A露出。通孔35容纳典型的垂直互连线或金属层21与上面的金属层之间的金属销。
参见图1C，在介质层29上和通孔35和37中，淀积与第一绝缘层25的相同或不同材料制成的第二绝缘层39。绝缘层39也最好用较低介电常数K(例如K小于3)的材料制造。
参见图1D，用合适的光刻技术在绝缘层39中形成下面的沟槽41,42和43。同一步骤中，通孔35和37分别向下伸过绝缘层25至金属互连线23和24。29A部分处的介质层29用作腐蚀停止层，使沟槽41的腐蚀暂停。由于通孔35和37在图1B所示的腐蚀步骤之前已在介质层29中形成，在通孔35和37继续腐蚀向下到金属互连线23和24。沟槽42和43可以比孔35和37宽。而且，通常不要与图1D所示的通孔准确对准。
图1D中所示的腐蚀步骤必须有高的选择性，因此，它不会损坏将作为电容器介质的部分29A。用于形成沟槽41、42和将通孔35、37延伸到金属层21的刻蚀工艺有如下属性，刻蚀绝缘体39和25很有效，但是对钨板27或介质层29几乎无刻蚀作用。为此，当用氮化硅或类似材料制成介质层29时，用常规的全氟化碳(PFC)和氢氟化碳(HFC)腐蚀能完成图1D所示步骤适合的腐蚀。
如图1E所示，下一步骤是在通孔35和37和沟槽41,42和43中，绝缘层39的顶上淀积阻挡层51。优选实施例中，Ta,TaN,Wn,TiN,TaSiN,TiSiN和溅射的铜籽晶层中的一种或多种的材料制成阻挡层51。通常，可用难熔金属、难熔金属硅化物和/或难熔金属的氮化物的任何混合物制造阻挡层51。这点上形成阻挡层51的密封结构，使它与要在最后的步骤中电镀的铜隔开。设计薄的铜籽晶层是为在会结晶的铜上形成表面。某些情况下，阻挡层51中不必包括籽晶层。之后，阻挡层51上电镀铜层53。
电容器结构的最后制造步骤中，如图1F所示，用平整步骤去掉铜层53向下到表面55，平整步骤在优选实施例中是常规的化学-机械抛光(CMP)步骤。平整化步骤去掉多余的铜层向下到绝缘层59的平面55。在沟槽41中的上极板59与铜销61和63有效隔离。上极板59形成电容结构的顶极板。最好用铜构成膜层53，但本发明没有这种限制。因此，铝、铝/铜合金或其它金属均可用于膜层53。膜层53不用铜制造时，通常不用溅射的籽晶层作为阻挡层51的一部分。
因此，图1F中出现了完全的基本电容结构，它包括底板27。顶板59和位于它们之间的介质层29A。绝缘层25和介质层29A几乎完全包围底板27，用极板59使它与任何电接触隔开。凸出部分27A只是极板27露出的一部分，它伸进通孔37中。凸出部分和边缘27A在通孔37中与金属销63构成电接触。膜层51A是在电镀铜层53之前淀积的阻挡层51的一部分。而且，它本身是导电层。因此，图1F中画出的电容结构已经互连到晶片上的电路的剩余部分。极板59的表面66是用于上极板59的接点，通孔37中的金属销63是用于下极板27接点。
上述的制造工艺中包括的附加步骤提供了上述电容器结构的制造方法中的有益变化。本发明的第二实施例是在形成第二绝缘层39之前加了第二掩模和腐蚀步骤来给电容器介质29构图而得到的。参见图1B，第二掩模和腐蚀步骤去掉介质层29的29B和29C部分。图1G画出了该掩模和腐蚀步骤之后但在加第二绝缘层39被用上之前的晶片。由于电容器介质29最好是高介电常数材料，这就使互连线之间的线到线的电容量变化减小。
图2A和2B中画出了图1A-1F所示的通孔第一整体图的一个替代结构。本实施例中，制成下极板27之后，淀积介质层29和绝缘层39，在绝缘层39上设光刻胶层80。之后，对光刻胶层80光刻构图，形成通孔35和37，如图2A所示。
参见图2B，之后，分别腐蚀通孔35和37，向下穿过绝缘层39，介质层29和第一绝缘层25至互连线23和24，如关于图1D的上述说明。因此，通孔35和37的形成至互连接23、24的所有方式都是用单个掩模进行的。之后，加另一光刻胶层(没画出)，并光刻构图，形成沟槽41,42和43，由此构成与图1D所示相同的结构。此后，用上述的和图1E和1F的后续工艺步骤制成芯片19。
按图1A-1F和图2A和2B所示的工艺构成的电容器结构功能很有效而且已经能制造，但是，可能会在半导体芯片19中的金属线之间存在比所述的情况更大的电容量和干扰。这是因为介质层29有较大的介电常数而且位于半导体芯片19中的金属线之间所致。图3A和图3B所示的本发明的实施例设计成能克服这种潜在的缺点。
本实施例中，金属层(没画出)形成下极板27，并淀积介质层29。之后，加光刻胶层(没画出)，用单个掩模腐蚀构图，形成金属/介质叠层，如图3A所示。形成光刻胶带之后，淀积绝缘层39。之后，绝缘层39上淀积光刻胶层80并构图，形成通孔35和37，如图3A所示。之后，腐蚀通孔35和37，向下到互连线23和24，对应于上述图3B的说明。之后，绝缘层39中形成沟槽41,42和43，如图3B所示，和相应于上述图2B的说明。最后，如上述的和图1E和1F所示的，完成半导体芯片19。
图4A和4B是图1A-1F所示方法的又一变化。该方法与图3A和3B所示方法相同，用单个掩模给下极板27的介质层29构图。这样，布线之间没有大K值介质。但是，本实施例与图3A和3B所示实施例的差别是，在第一绝缘层25和下极板27/介质层29的叠层上淀积低K值介质腐蚀停止层82。腐蚀停止层82适用的材料包括SiCxHy和SiOx。它们通常的淀积厚度是20-50nm。之后，腐蚀停止层82上淀积绝缘层39，并对它构图，形成上述的通孔35和37，沟槽41,42和43。沟槽41,42和43的形成包括除去沟槽内的腐蚀停止层82，如图4B所示。之后用关于图1A-1F的上述的后续工艺步骤完成芯片19的制造。
设腐蚀停止层82的优点是，能精确控制在后续工艺步骤中在绝缘层39中形成的金属布线结构(没画出)的深度。这就能在腐蚀停止层82上要形成布线结构的绝缘层39中停止沟槽形成。控制沟槽深度和布线结构厚度。能避免或明显减小布线之间的耦合电容量，因而能形成不同厚度的布线结构。
图5A-5I画出了按本发明另一实施例的制造方法，它有与图1F所示电容结构基本相同的电容结构。图5A是有经至少第一金属层174制造的器件的半导体芯片172的小部分的横截面图。通常层174有绝缘层175，绝缘层175中形成有金属互连线176和178。第一步骤是淀积绝缘层180，之后给金属极板182构图，如上所述，金属极板182的材料通常是钨或适用于极板27的其它材料。用于绝缘层25的材料可用于绝缘层180。芯片172上淀积与绝缘层180相同或不同材料的第二绝缘层184。最后，加光刻胶层186。
参见图5B，进行光刻构图，形成在绝缘层184中的电容器槽188和金属线槽190。
之后，在绝缘层184和金属极板182的露出部分上淀积高介电常数介质材料的薄层192(图5C)。通常用于膜层29的材料也用于膜层192。
如图5D所示，淀积第二光刻胶层194。之后，给光刻胶层194构图，形成在介质层192上截止的通孔196和198。之后，如图5E所示，通孔196和198延伸穿过高K值介质层192和绝缘层180，使通孔截止在互连线176和178上。通孔196的大小以露出金属极板182中的凸出部分182A为准。之后，去掉光刻胶层194，达到图5F所画结构。
之后，介质层192和确定通孔196和198的表面上淀积阻挡层200，图5G所示。阻挡层200用与阻挡层51相同的材料制成，如上所述，用例如，TaN薄层和溅射的铜籽晶薄层。下一步中，在阻挡层200上电镀厚铜层202，见图5H。如上所述，在阻挡层200通常不包括溅射的铜籽晶层的情况下膜层202可用除铜以外的其它材料制造。
如图5I所示，用化学机械抛光或类似的方法从芯片172表面去掉多余的金属，并去掉上部的，阻挡层200的水平伸出部分和介质层，到表面203截止，进行平整处理。该工艺制成了电容器成品，它有下极板182、介质层192A和上极板204。电容器下级板182的凸出部分182A构成与金属销206即通孔196中金属的电接触。于是，电容器已与芯片172的电路的其它部分连接。极板的顶表面204A构成与上极板204的接触，在通孔196中的金属销206的顶表面206A构成与下极板182的接触。
铜双重镶嵌制造工艺用于本发明是很理想的。但是，上述的全部镶嵌金属结构，例如，互连线23或金属层53，可以用任何合适的金属制造而不仅仅用铜制造。在不用铜时，下层阻挡层例如阻挡层51的组成的改变，包括省略铜籽晶层。
已结合优选实施例说明了发明，但是，应该知道本发明不限于此。相反，它全部替换，改善和等效的方法，均包括在本发明要求保护的发明精神和范围之内。
权利要求
1．在已通过至少一层金属层制成器件的晶片上的金属电容器的制造方法，包括以下步骤a)设置第一绝缘层；b)所述第一绝缘层顶上形成第一金属极板；c)所述第一金属极板顶上形成第一介质材料；d)形成通孔，它延伸通过所述介质材料并接触所述第一金属极板；和e)在所述通孔中和所述第一介质材料顶面上淀积金属，形成第二金属极板。
2．按权利要求1的方法，其中，所述步骤e包括以下步骤a)在所述介质材料上形成第二绝缘层；b)在所述第二绝缘层中形成电容器沟槽，使所述介质材料留在所述沟槽与所述第一金属极板之间；c)在所述第二绝缘层和与所述的金属极板接触的所述介质材料中形成通孔沟槽；和d)形成所述第二金属极板。
3．按权利要求1的方法，其中，所述步骤d和e包括以下步骤a)在所述介质上形成第二绝缘层；b)形成所述的通孔，穿过所述第二绝缘层和所述介质材料，以便与所述第一金属极板接触；c)在所述第一金属极板上在所述第二绝缘层中形成沟槽，使所述介质材料留在所述沟槽与所述第一金属极板之间；并且d)在所述沟槽中形成所述第二金属极板。
4．按权利要求1的方法，其中，所述步骤d和e包括以下步骤a)设置第一光刻胶层；b)用掩模光刻图，在所述第一光刻胶层中形成通孔；c)所述通孔向下延伸穿过所述介质材料到与所述第一金属极板接触；d)除去多余的光刻胶；e)设置第二绝缘层；f)设置第二光刻胶层；g)在所述第二绝缘层中形成沟槽和所述通孔，其中，所述介质材料用作所述沟槽的腐蚀停止层；和h)除去多余的光刻胶。
5．按权利要求1的方法，其中，所述淀积步骤e包括以下步骤a)在所述介质材料上和所述通孔中设置阻挡层，其中，所述阻挡层防止铜迁移；b)在所述阻挡层上淀积铜籽晶层；c)在所述铜籽晶层上电镀铜层；和d)对所述的晶片进行平整处理，去掉所述电镀铜层，所述阻挡层和所述铜籽晶层的多余部分。
6．按权利要求1的方法，还包括进行所述的步骤d和e之前的去掉部分所述介质材料的步骤。
7．按权利要求1的方法，其中，所述步骤c至e包括以下步骤a)在所述第一绝缘材料和所述第一金属极板上形成第二绝缘层；b)淀积光刻胶层；c)光刻所述光刻胶层，去掉所述第一极板上的所述第二绝缘层；d)腐蚀所述的晶片，去掉所述第一极板上的所述的光刻胶层和所述的第二绝缘层，形成电容器极板沟槽；e)除去所述第一光刻胶层的剩余部分；f)淀积大介电常数介质材料薄层；g)淀积第二光刻胶层；h)在所述第二光刻胶层中光刻构图至少一个通孔；i)形成所述通孔，通到所述光刻胶层的已光刻构图的部分，所述大介电常数薄层，并穿过所述绝缘层，于是，所述通孔与所述第一金属板接触；和j)除去所述光刻胶层的剩余部分。
8．按权利要求7的方法，其中，步骤h包括腐蚀所述通孔，使通孔穿过所述大介电常数介质薄层，穿过所述第二绝缘层，于是，所述通孔接触第一金属极板，并穿过所述第一绝缘层到至少一层金属层。
9．按权利要求1的方法，其中，所述步骤c包括淀积相对介电常数大于5的介质材料。
10．按权利要求1的方法，其中，所述步骤a包括淀积绝缘材料，绝缘材料选自SiO2，氟化二氧化硅(FSG)，聚芳醚(PAE)，和气凝胶，氢倍半硅氧烷(HSQ)，甲基倍半硅氧烷(MSQ)和SiOxCyH2。
11．按权利要求1的方法，其中，所述步骤b包括形成铝制成的第一金属板。
12．按权利要求1的方法，其中，所述步骤d包括以下步骤ⅰ)在所述介质层上设置第二绝缘层；和ⅱ)用单个掩模形成所述通孔，通过所述第二绝缘层，所述介质层和所述第一绝缘层，以接触所述第一金属极板。
13．按权利要求1的方法，其中，所述步骤b和c包括以下步骤ⅰ)淀积金属层；ⅱ)在所述金属层顶上淀积所述介质材料层，和ⅲ)用单个掩模腐蚀所属介质材料层和所述金属层，形成所述第一金属极板。
14．按权利要求1的方法，还包括在所述步骤d之前在所述第一金属极板和所述介质材料上淀积腐蚀停止层的步骤。
15．按权利要求1的方法，还包括在所述步骤e之后对所述金属进行平整处理的步骤。
16．在半导体晶片的金属层中形成的电容器，包括a)第一绝缘层；b)第一极板由所述第一绝缘层的第一侧面上的导电材料制成，所述第一极板有凸出部分；c)覆盖除所述的凸出部分以外的所述第一极板的介质材料；d)通孔，向下伸过所述介质材料，并包括所述第一极板的所述凸出部分；e)金属销，在所述通孔中接触所述凸出部分；和f)第二极板，在邻近的所述介质材料上放置的导电材料制成，使所述介质材料位于所述第一极板与第二极板之间。
17．按权利要求16的装置，还包括分隔金属销和所述第二极板的第二绝缘层。
18．按权利要求16的装置，还包括有互连线的金属层，其中，所述金属销接触所述互连线。
19．按权利要求16的装置，其中，所述第一极板用难溶材料制成。
20．按权利要求16的装置，其中，所述第二极板用铜制成，所述装置还包括阻挡层，它使所述第二极板与所述的介质层隔开，所述金属销与所述的第二绝缘层隔开，由此保护所述介质层，并使所述第二绝缘层与所述铜第二极板隔开。
21．按权利要求16的装置，其中，所述的第一和第二绝缘层用选自以下的材料构成，这些材料是包括SiO2的组，氟化二氧化硅(FSG)，聚芳醚(PAE)，气凝胶，氢倍半硅氧烷(HSQ)，甲基倍半硅氧烷(MSQ)和SiOxCyH2。
22．按权利要求16的装置，其中，所述的介质材料是选自SiNxHy，和SiOxCy中SiO2中的一种或多种的材料。
23．按权利要求16的装置，其中，所述第一金属极板有外边缘，所述介质材料不能超过所述外边缘。
24．按权利要求16的装置，还包括腐蚀停止层，它覆盖所述第一极板和所述介质材料。
全文摘要
金属电容器由晶片的BEOL中的金属双重镶嵌工艺的一部分构成。电容器的下极板(27)夹在绝缘层(25)与介质层(29)之间。对边上的绝缘层邻接金属层(23,24),并且介质层把电容器的下极板层(27)与上极板层(59)分隔开。下极板的一部分(27A)介进要用铜(63)填充的邻近的通孔(37)中。通孔向上伸到有上极板的公用表面但与上极板电隔开。通孔还向下延伸到金属层。
文档编号H01L27/04GK1314705SQ0111126
公开日2001年9月26日 申请日期2001年3月15日 优先权日2000年3月16日
发明者R·M·格福肯, A·K·斯塔珀 申请人:国际商业机器公司