专利名称：一种金属－绝缘层－金属电容结构及其制作方法
技术领域：
本发明提供一种金属-绝缘层-金属(metal-insulator-metal，MIM)电容结构，特指一种包含有铜电极的金属-绝缘层-金属(MIM)电容结构及其制作方法。
参阅
图1-图2所示，为传统于一半导体芯片10上制作一金属电容器26的方法示意图。
如图1所示，半导体芯片10表面包含有一基底(未显示)，以及一介电层12设于该基底之上。传统方法是先于半导体芯片10上的介电层12表面均匀形成一铜金属层的金属下电极(bottom plate)14图案。接着于金属下电极14表面依序沉积一绝缘层以及另一金属层，并利用黄光(lithography)制程定义金属上电极18的图案，以将多余的金属层、绝缘层加以去除，形成内金属绝缘层(inter-metal insulator，IMI)16以及金属上电极18，完成金属电容器26的制作。
如图2所示，接着于该金属电容器26上覆盖一内金属介电层(inter-metaldielectric，IMD)20，并以一化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)制程将内金属介电层20的表面磨至平坦。然后于内金属介电层20表面涂布(coating)一光阻层(未显示)，并利用一黄光制程来定义接触洞(via hole)28的位置。接着去除多余部份的光阻层，并以残余的光阻层为罩幕进行一干蚀刻制程，向下蚀刻未被罩幕覆盖部份的内金属介电层20，形成接触洞28。最后剥除(strip)残余的光阻层。
然后以溅镀(sputtering)方式将接触洞28内填入金属层(未显示)，再利用一回蚀刻或化学机械研磨(CMP)制程将填满于接触洞28内的金属层约略切齐至内金属介电层20表面，以形成接触插塞22。接着再于内金属介电层20表面均匀沉积一金属层(未显示)，并利用一蚀刻制程，以于接触插塞22顶部表面形成金属导线24。接触插塞22主要用来电连接金属导线24与金属电容器26。其主要缺陷在于1、然而传统技术中的金属下电极14是由与绝缘层的附着性不佳的铜所构成，在后续形成内金属绝缘层16时，容易造成金属下电极14与内金属绝缘层16之间发生剥落(peeling)的问题。
2、此外，金属下电极14中的铜离子极易向上扩散至内金属绝缘层16中，或侧向扩散至内金属介电层20内，进而影响金属电容器26的电性功能(electrical performance)，严重降低产品可靠度。
因此如何找出一种形成一MIM电容，并可同时避免铜离子扩散的方法，已成为半导体业界最重要的课题。
本发明的目的是这样实现的一种金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是它包含有一金属层；一位于该金属层上方的合金层；一位于该合金层上方的金属氧化物层；以及一位于该金属氧化物层上方的上垫层。
该金属层为一双镶嵌结构中的铜导线。该金属层以及该合金层是用作该电容的一下电极板，该金属氧化物层是用作该电容结构的电容介电层，而该上垫层是用作该电容的一上电极板。该合金层是由一第一金属与该金属层的化合物所构成，该金属氧化物层是一由该第一金属的氧化物所构成的绝缘层。该第一金属对该金属层具有良好的固态溶解度。该第一金属为铝。该合金层是用来作为该金属层的一第一防铜离子扩散阻障层。该金属氧化物层是用来作为该金属层的一第二防铜离子扩散阻障层。该上垫层包含有氮化钛或氮化钽的导电材料。
本发明还提供一种金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是它包含有一铜金属层设于一基底上的一介电层中；一完全覆盖于该铜金属层上方的合金层，该合金层顶面切齐于该介电层顶面；一位于该合金层上方的金属氧化物层；一位于该金属氧化物层上方的上垫层；一第一介层插塞；以及一第二介层插塞。
该铜金属层是一双镶嵌结构中的铜导线。该铜金属层以及该合金层是用作该电容的一下电极板，该金属氧化物层是用作该电容结构的电容介电层，该上垫层是用作该电容的一上电极板。该上垫层包含有氮化钛或氮化钽的导电材料。该合金层是由一第一金属与该铜金属层的化合物所构成，该金属氧化物层是为一由该第一金属的氧化物所构成的绝缘层。该第一金属是一对铜固态溶解度良好的金属层。该第一金属是铝。该合金层是用来作为该铜金属层的一第一防铜离子扩散阻障层。该金属氧化物层是用来作为该铜金属层的一第二防铜离子扩散阻障层。该金属氧化物层是不完全覆盖该合金层顶面。该第一介层插塞电连接于该上垫层，该第二介层插塞电连接于未被该金属氧化物层所覆盖的该合金层。
本发明又提供一种金属-绝缘层-金属电容结构的制作方法，其特征是该方法包含有下列步骤(1)在包含有一第一金属层的基底上，进行一溅镀制程，以形成一完全覆盖该第一金属层的第二金属层；(2)进行一快速热氧化制程，以使与该第一金属层的上表面接触的该第二金属层与该第一金属层反应而形成一合金层，并同时氧化剩余的该第二金属层，形成一金属氧化物层；(3)于该金属氧化物层上方形成一上垫层。
该第一金属层是一双镶嵌结构中的铜导线。该第一金属层以及该合金层是用作该电容的一下电极板，该金属氧化物层是用作该电容结构的电容介电层，而该上垫层是用作该电容的一上电极板。该金属氧化物层是一绝缘层。该第二金属对该第一金属层具有良好的固态溶解度。该第二金属为铝。该合金层是用来作为该第一金属层的一第一防铜离子扩散阻障层。该金属氧化物层是用来作为该第一金属层的一第二防铜离子扩散阻障层。该上垫层包含有氮化钛或氮化钽导电材料。
在本发明的最佳实施例中，该MIM电容结构是包含有一铜金属层、一合金层、一金属氧化物层以及一上垫层(top pad layer)。该铜金属层是设于一基底上的一介电层中，该合金层则是位于该铜金属层的上方。而该金属氧化物层是位于该合金层的上方，且该上垫层是位于该金属氧化物层的上方。
由于本发明的制作方法是利用一快速热氧化(rapid thermal oxidation，RTO)制程，于该铜金属层上形成该合金层，并同时于该合金层上形成与该合金层附着良好的该金属氧化物层，因此可避免发生传统技术中金属下电极14与内金属绝缘层16之间发生剥落(peeling)现象的问题。此外，该合金层与该金属氧化物层可分别用作该铜金属层的第一与第二防铜离子扩散阻障层(copper-diffusion-preventing barrier layer)，故亦可避免该铜金属层中的铜离子向上或侧向扩散的问题，进而确保该MIM电容结构的电性功能(electrical performance)及产品可靠度。
下面结合较佳实施例和附图进一步说明。
图3-图7为形成本发明的电容结构的方法示意图。
图8为本发明的电容结构的实施例2的示意图。
如图3所示，一铜金属层44设于一基底40上的一介电层42中。在本发明的最佳实施例中，铜金属层44是为一双镶嵌(dual damascene)结构(未显示)中的铜导线。
如图4所示，首先进行一溅镀(sputtering)制程，以于铜金属层44上形成一完全覆盖铜金属层44的第一金属层46。随后进行一快速热氧化(rapidthermal oxidation，RTO)制程，以使与铜金属层44的上表面接触的第一金属层46与铜金属层44反应，以形成一合金层48，并同时部份氧化或完全氧化剩余的第一金属层46，形成金属氧化物层50，覆盖于第一金属层46与合金层48的表面，用来当作金属-绝缘层-金属(MIM)电容结构的电容介电层。其中第一金属层46是为一对铜具有良好的固态溶解度(solid solubility)的金属层，例如在本发明的最佳实施例中，第一金属层46是为一铝层，故合金层48为铝铜合金(Al-Cu alloy)，而金属氧化物层50则是由三氧化二铝(aluminum oxide，Al2O3)所构成，其厚度约介于500-1000埃(angstrom)。此外，合金层48与金属氧化物层50是分别用作铜金属层44的第一与第二防铜离子扩散阻障层(copper-diffusion-preventing barrier layer)，以避免铜金属层44中的铜离于向上扩散。
如图5所示，接着于金属氧化物层50上形成一由氮化钛(titaniumnitride，TiN)或氮化钽(tantalum，TaN)等导电材料所构成的上垫层(toppad layer)52，并随后在位于铜金属层44正上方的上垫层52表面形成一光阻层54。
如图6所示，之后，进行一黄光(lithography)制程与一蚀刻(etching)制程，并利用合金层48作为该蚀刻制程的停止层(stop layer)，以将来被光阻层54覆盖的上垫层52、金属氧化物层50与第一金属层46完全去除。最后将光阻层54完全去除，以形成一MIM电容结构56。
其中铜金属层44以及合金层48是用作MIM电容结构56的一下电极板，金属氧化物层50是用作MIM电容结构56的电容介电层，而上垫层52则是用作MIM电容结构56的一上电极板。在后续制程中，可依产品规格与电性需求，于MIM电容结构56上方覆盖一介电层58，并于介电层58中形成一电连接于上垫层52的插塞(plug)60，如图7所示。而下电极板则是利用设于铜金属层44底部的双镶嵌结构中的插塞(未显示)或双镶嵌结构中的导线来与其它电路相电连接。
实施例2参阅图8所示，为本发明MIM电容结构56的另一实施例的示意图。
如图8所示，金属氧化物层50与上垫层52亦可仅覆盖部份的合金层48与铜金属层44，而合金层48的顶面则约略切齐于介电层42的顶面。在后续制程中，则亦可依产品规格与电性需求，于MIM电容结构56上方覆盖一介电层66后，形成一第一介层插塞(via plug)62与一第二介层插塞64，以分别电连接于上垫层52与未被金属氧化物层50所覆盖的合金层48。由于本实施例2中的第一金属层46、合金层48、金属氧化物层50以及上垫层52的形成方法与功能皆同于本发明的最佳实施例1，故不在此另行赘述。
相较于传统技术，本发明的制作方法是先以于铜金属层44上形成一第一金属层46，再通过进行快速热氧化制程，于铜金属层44上，利用自行对准的方式，直接形成合金层48以完全覆盖于铜金属层44表面，并同时于合金层48上形成与合金层48附着良好的金属氧化物层50，因此可避免发生传统技术中下电极板与电容介电层之间发生剥落(peeling)现象的问题。此外，合金层48与金属氧化物层50更可分别用作铜金属层44的第一与第二防铜离子扩散阻障层，故能有效解决铜金属层44中的铜离子向上或侧向扩散的问题，进而确保MIM电容结构56的电性功能(electrical performance)及产品可靠度。
以上所述仅本发明的较佳实施例，凡依本发明所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是它包含有一金属层；一位于该金属层上方的合金层；一位于该合金层上方的金属氧化物层；以及一位于该金属氧化物层上方的上垫层。
2.根据权利要求1所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该金属层为一双镶嵌结构中的铜导线。
3.根据权利要求1所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该金属层以及该合金层是用作该电容的一下电极板，该金属氧化物层是用作该电容结构的电容介电层，而该上垫层是用作该电容的一上电极板。
4.根据权利要求1所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该合金层是由一第一金属与该金属层的化合物所构成，该金属氧化物层是一由该第一金属的氧化物所构成的绝缘层。
5.根据权利要求1所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该第一金属对该金属层具有良好的固态溶解度。
6.根据权利要求1所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该第一金属为铝。
7.据权利要求1所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该合金层是用来作为该金属层的一第一防铜离子扩散阻障层。
8.根据权利要求1所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该金属氧化物层是用来作为该金属层的一第二防铜离子扩散阻障层。
9.根据权利要求1所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该上垫层包含有氮化钛或氮化钽的导电材料。
10.一种金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是它包含有一铜金属层设于一基底上的一介电层中；一完全覆盖于该铜金属层上方的合金层，该合金层顶面切齐于该介电层顶面；一位于该合金层上方的金属氧化物层；一位于该金属氧化物层上方的上垫层；一第一介层插塞；以及一第二介层插塞。
11.根据权利要求10所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该铜金属层是一双镶嵌结构中的铜导线。
12.根据权利要求10所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该铜金属层以及该合金层是用作该电容的一下电极板，该金属氧化物层是用作该电容结构的电容介电层，该上垫层是用作该电容的一上电极板。
13.根据权利要求10所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该上垫层包含有氮化钛或氮化钽的导电材料。
14.根据权利要求10所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该合金层是由一第一金属与该铜金属层的化合物所构成，该金属氧化物层是为一由该第一金属的氧化物所构成的绝缘层。
15.根据权利要求14所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该第一金属是一对铜固态溶解度良好的金属层。
16.根据权利要求14所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该第一金属是铝。
17.根据权利要求10所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该合金层是用来作为该铜金属层的一第一防铜离子扩散阻障层。
18.根据权利要求10所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该金属氧化物层是用来作为该铜金属层的一第二防铜离子扩散阻障层。
19.根据权利要求10所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该金属氧化物层是不完全覆盖该合金层顶面。
20.根据权利要求10所述的金属-绝缘层-金属电容结构，其特征是该第一介层插塞电连接于该上垫层，该第二介层插塞电连接于未被该金属氧化物层所覆盖的该合金层。
21.一种金属-绝缘层-金属电容结构的制作方法，其特征是该方法包含有下列步骤(1)在包含有一第一金属层的基底上，进行一溅镀制程，以形成一完全覆盖该第一金属层的第二金属层；(2)进行一快速热氧化制程，以使与该第一金属层的上表面接触的该第二金属层与该第一金属层反应而形成一合金层，并同时氧化剩余的该第二金属层，形成一金属氧化物层；(3)于该金属氧化物层上方形成一上垫层。
22.根据权利要求21所述的制作方法，其特征是该第一金属层是一双镶嵌结构中的铜导线。
23.根据权利要求21所述的制作方法，其特征是该第一金属层以及该合金层是用作该电容的一下电极板，该金属氧化物层是用作该电容结构的电容介电层，而该上垫层是用作该电容的一上电极板。
24.根据权利要求21所述的制作方法，其特征是该金属氧化物层是一绝缘层。
25.根据权利要求21所述的制作方法，其特征是该第二金属对该第一金属层具有良好的固态溶解度。
26.根据权利要求25所述的制作方法，其特征是该第二金属为铝。
27.根据权利要求21所述的制作方法，其特征是该合金层是用来作为该第一金属层的一第一防铜离子扩散阻障层。
28.根据权利要求21所述的制作方法，其特征是该金属氧化物层是用来作为该第一金属层的一第二防铜离子扩散阻障层。
29.根据权利要求21所述的制作方法，其特征是该上垫层包含有氮化钛或氮化钽导电材料。
全文摘要
本发明提供一种金属－绝缘层－金属电容结构及其制作方法。该电容结构包含有一设于一基底上的一介电层中的铜金属层、一位于铜金属层上方的合金层、一位于该合金层上方的金属氧化物层以及一位于金属氧化物层上方的上垫层。具有克服传统制作方法中铜离子扩散的问题，进而确保电容结构的电性功能及产品可靠度的功效。
文档编号H01L21/02GK1459809SQ02159059
公开日2003年12月3日 申请日期2002年12月27日 优先权日2002年5月22日
发明者李秋德 申请人:联华电子股份有限公司