专利名称：金属－绝缘体－金属电容器之电极的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种在半导体晶片上制造金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)电容器的方法，特别是涉及一种金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，其中上电极的制作是采用相对低温的无电浆沉积过程，以降低或防止电容的电气性能下降。
背景技术：
在半导体集成电路的过程中，金属导线是用来交互连接半导体晶片上的器件电路中的多个构件。用来在半导体晶片上沉积金属导线图案的一般过程包括在硅晶片衬底上沉积导电层；利用标准光刻技术形成具有所需金属导线图案的光刻胶或其它掩膜，例如氧化钛或氧化硅；对该晶片衬底进行干蚀刻过程，以将未受到掩膜覆盖的区域的导电层移除，而留下具有掩膜导线图案的金属层；以及通常利用反应性电浆与氯气来移除掩膜层，以暴露出金属导线上的表面。一般地，在晶片衬底上连续沉积电气导体与绝缘材料之间的多个交替层，而且晶片上的不同阶层的导体层间彼此可电气连接。通过在绝缘层中蚀刻出介层窗或开口，以及在介层窗中填充铝、钨或其它金属，可在导体层之间建立电气连接。
目前，半导体器件产业的趋势是生产具有尺寸持续缩减且密度逐渐增加的集成电路的半导体器件。通过缩小电路特征的侧向尺寸和垂直尺寸的大小，可以达到上述目标。垂直缩减要求晶片上的栅极氧化层的厚度需缩减到与电路特征在侧向尺寸上的缩减相符的程度。然而，在一些环境下，例如维持晶片上的器件电路与在一标准电压下操作的现行封装集成电路间的操作电压的一致性，晶片上具有较厚的栅极介电层依旧是有利的，但极薄栅极介电层在快速发展的微小/快速器件科技的半导体集成电路的制作上的重要性将与日俱增。
在制作微小化电子集成电路领域上的持续发展已包括在衬底的上表面上制作多层互连层、或电气导体的分离层，以及将衬底的各种功能构件和其它电气连接与集成电路连接。介于衬底上的互连层与功能构件之间的电气连接可通过介层窗互连层来实现，其中介层窗互连层是介于互连层的导体与衬底之间的柱状或插塞状的垂直连接。集成电路通常具有五层或更多的互连层形成于衬底的上表面上。
仅仅在不久前，建构具有超过一层或二层互连层的集成电路还是不可能的或相当困难的一件事。在彼此的上表面上形成多重层所产生的结构样貌的变化导致光刻过程产生相当严重的聚焦深度问题，进而使得后续层的添加几乎不可能达成。然而，在半导体制造的平坦化技术，例如化学机械抛光(CMP)，中的新发展，已经成功地将每一互连层的高度或结构样貌上的较明显的变化予以平滑化。平滑化或平坦化的结果，使得传统的光刻过程可重复使用而无明显限制，所以比起先前所可能形成的互连层，现在可形成的更多的互连层。
虽然多重互连层不一定会占据衬底额外的表面积，但多重互连层在集成电路中会占有体积。然而，因为在集成电路中表面积与体积均为关键的考量点，因此注意力已集中在互连层间的空间的有效利用。通常，互连层之间的空间被绝缘材料所占据，以将这些互连层的不同导体所传导的电子讯号互相隔离或与下方衬底中的功能构件隔离。
互连层之间的空间的一个有效使用是作为电容的一部分，其中这些电容位于分离互连层内金属介电质隔离材料中的互连层之间。这些电容构成集成电路的功能构件的一部分。先前，电容被建构在集成电路制作的第一层中，而直接位于衬底的上方且位于例如晶体管等其它结构旁，因此电容的材料通常与建构其它功能构件所使用的材料相同，例如多晶硅。由这些材料所制成的电容一般称为多晶硅板电容(Poly-plate Capacitor)。
因为互连层的导体为金属架构，形成在互连层之间的电容优选为金属-绝缘体-金属架构，以有利于处理步骤与性能提升。金属-绝缘体-金属电容在许多半导体科技的应用上相当有用。举例而言，金属-绝缘体-金属电容可应用在射频(RF)电路、模拟电路、高功率微处理器(MPU)以及动态随机存取存储单元。一个金属-绝缘体-金属电容具有金属板，这些金属板的形成通常是使用互连层的金属导体。由于互连层的导体需制作金属，因此同时或近乎同时形成的金属电容板可马上完成，而无须加入影响性的额外处理步骤与制造成本。
金属-绝缘体-金属电容制造的一般过程包括冠状电容的图案化、下电极的沉积、下电极的化学机械抛光、介电层的沉积、以及上电极的沉积与图案化。通常，使用具有高介电常数的介电材料来作为电极之间的绝缘介电层。介电层通常为厚度薄(厚度小于100)的低介电常数介电薄膜，以达到低等效氧化物厚度(Equivalent Oxide Thickness，EOT)，相当于高电容值。
金属-绝缘体-金属电容的电极的制作是利用化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)法，来沉积金属，例如氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、以及氮化钨(WN)等，作为电极。通常，基于与半导体过程的兼容性，亦可使用有机金属化学气相沉积(MOCVD)薄膜来作为电极材料。作为逻辑友善(Logic-friendly)嵌入式动态随机存储特征的金属-绝缘体-金属电容则需要低温电极沉积过程(一般低于约500℃)。
一般，受到极薄介电层的影响，位于介电层与下电极之间以及介电层与上电极间的界面层的形成，会严重冲击低等效氧化物厚度的缩减，而导致电容值持续下降。已发现上电极与厚度薄的高介电常数介电材料的交互作用会对金属-绝缘体-金属电容的电气性能造成不利冲击，包括过度的接面漏电流与较低的崩溃电压。近来的研究指出，金属-绝缘体-金属电容电极的电气性能与在介电层上沉积上电极时电浆在介电层中所造成的损伤有强烈关联。这个特定问题是由使用高介电常数介电材料所制备的介电层所引发的。因此，需要一种新颖且改良的电极制作方法，来缩减介电层与电极间的界面层的生成，并防止在衬底上制作金属-绝缘体-金属电容的电极层沉积期间电浆对介电层所造成的伤害。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种制作金属-绝缘体-金属电容的电极的新方法。
本发明的另一目的是，提供一种制作金属-绝缘体-金属电容的电极的新方法，以提升电容的电气性能特性。
本发明的又一目的是，提供一种制作金属-绝缘体-金属电容的电极的新方法，其降低金属-绝缘体-金属电容中界面层的生成。
本发明的再一目的是，提供一种制作金属-绝缘体-金属电容的电极的新方法，通过在金属-绝缘体-金属电容的制造中在介电层上沉积上电极的期间防止电浆损害介电层，来改善金属-绝缘体-金属电容的性能。
本发明的再一目的是，提供一种制作金属-绝缘体-金属电容的电极的新方法，包括图案化衬底，以在衬底中形成冠状的电容开口；在每一电容开口中沉积下电极；对这些下电极进行快速热处理(RTP)或加温退火；在下电极上沉积介电层；在介电层上无电浆沉积上电极；以及图案化上电极。
根据上述或其它目的与优点，本发明基本上是提出一种在金属-绝缘体-金属电容的制造中形成电极的新方法。本方法通过在金属-绝缘体-金属电容制作中，在将上电极沉积在介电层上的期间防止电浆伤害介电层，以及缩减或防止介电层与一电极或多个电极间的界面层的生成，来改善金属-绝缘体-金属电容的性能。本方法一般包括图案化衬底，以在衬底中形成冠状的电容开口；在每一电容开口中沉积下电极；对这些下电极进行快速热处理或炉内退火步骤；在退火后的下电极上沉积介电层；利用无电浆化学气相沉积或原子层沉积过程在介电层上沉积上电极；以及图案化每一个金属-绝缘体-金属电容的上电极。
现在将参照下列附图以举例方式对本发明进行详细描述，其中
图1A至图1G示出了根据本发明的金属-绝缘体-金属电容的电极的制造方法的一种冠状金属-绝缘体-金属电容的制造过程的剖面图。
图2示出了根据本发明的金属-绝缘体-金属电容的电极的制造方法的流程图。
具体实施例方式
本发明基本上涉及在金属-绝缘体-金属电容制造中形成电极的新方法。本方法通过在电容制作期间，在将上电极沉积在介电层上的期间防止电浆伤害高介电常数介电材料，来达到改善金属-绝缘体-金属电容性能的目的。本发明的方法通过在电容制作期间，缩减或防止介电层与上电极和下电极间的界面层的生成，来达到进一步改善电容性能的目的。
在根据本发明的方法的一般过程中，首先图案化衬底，以在衬底中形成多个冠状的电容开口。接下来，在每一个电容开口中沉积下电极，通常为氮化钛。对下电极进行快速热处理或炉内退火步骤，接着在已退火的下电极上沉积介电层。利用无电浆的化学气相沉积或原子层沉积过程，在介电层上沉积上电极。然后，图案化每一个金属-绝缘体-金属电容的上电极。
请参照图1A至图1G，参考数字10一般标识部分完成的金属-绝缘体-金属电容。金属-绝缘体-金属电容10包括衬底12，其中，例如衬底12的材料可为氧化物。衬底12被沉积在晶片(未绘示)上或先前沉积在晶片上的材料层上。如本领域技术人员所知的，在制作完成后，金属-绝缘体-金属电容10设置成与制作在晶片上的电路器件(未绘示)电气接触。
如图1A所示，首先图案化并蚀刻衬底12，以在衬底12中形成多个冠状的电容开口14(仅绘示其中一者)。一般地，形成电容开口14的过程是先在衬底12上沉积光刻胶层13，再在光刻胶层13中形成多个光刻胶开口13a，接着根据光刻胶开口13a的图案与型态在衬底12中蚀刻出电容开口14。在衬底12中蚀刻出电容开口14时，可使用本领域技术人员公知的蚀刻技术。
如图1B所示，接着在每一个电容开口14的侧壁与底部、以及衬底12的上表面沉积下电极16，其中下电极16的材料通常为氮化钛。下电极16的沉积可利用热化学气相沉积过程、原子层沉积过程或其它本领域技术人员所知的其它合适的过程来进行。下电极16的厚度通常约为50至1000。
原子层沉积过程包括在沉积反应室内将一连串的单层沉积在衬底上，其中沉积反应室通常被维持在一次大气压力下。此种方法的一个例子包括将单一汽化前体气体导入沉积反应室中，以在衬底上形成第一单层。接着，停止将前体气体流入反应室，并将干净的惰性气体导入反应室，以移除任何残留在反应室的未反应的前体气体。接下来，将不同于第一前体气体的第二前体气体导入反应室，以在第一单层上形成第二单层。这两种前体气体可交替且重复地导入反应室中，且导入另一前体气体前进行清洁步骤，以形成一连串单层，直到在衬底上形成了具有所需厚度和组成的层时为止。另外，可使用各种彼此不同的一系列前体气体来形成一连串的堆栈单层。
如图1C所示，待下电极16形成后，对此下电极16进行化学机械抛光或蚀刻步骤。这一步骤从衬底12的上表面12a移除了下电极16的上部16a(如第1B图所示)。
如图1D所示，接下来对下电极16进行加温退火步骤。其中，此加温退火步骤可使用氮气18(氮分子)，且在快速热处理退火反应室中或加温退火炉中进行。
如图1E所示，接着在下电极16上和衬底12的上表面12a上沉积介电层20。根据本方法，介电层20是本领域技术人员公知的一中高介电常数介电层，且被沉积在下电极16与衬底12上。制作金属-绝缘体-金属电容的高介电常数介电层的材料优选采用三氧化二铝(Al2O3)。其它合适的介电材料，包括氧化硅、氮化硅、五氧化二钽、氧化铝、氧化铪、氧化锆、锆铝硅化物、硅化铪、铪铝硅化物或其它具有相对高介电常数的介电质。
如图1F所示，接着在介电层20上沉积上电极22。上电极22的材料优选为氮化钛(TiN)，且是使用无有机成分的气体前体而沉积在介电层20上。上电极22是利用无电浆热化学气相沉积过程或原子层沉积过程的方式沉积在介电层20上。举例而言，上电极22可为氮化钛原子层的沉积，其中氮化钛原子层的沉积是使用四氯化钛与氨，而由于所需沉积产物为氮化钛，因此主要的气体副产物为氯化铵或氯化氢气体。
使用无电浆热化学气相沉积过程或原子层沉积过程来制作上电极22可防止电浆在沉积过程期间对高介电常数的介电层20造成伤害。此外，无电浆热化学气相沉积过程或原子层沉积过程的沉积温度优选为不大于约450℃，以防止或减少界面层在上电极22与下方的介电层20之间形成。上电极22的厚度通常为介于约50至1000。
如图1G所示，接下来图案化上电极22与介电层20，以完成完整的金属-绝缘体-金属电容结构10a。该图案化步骤的进行通常是在上电极22上先沉积再图案化一光刻胶层(未示出)。接着，利用本领域技术人员所知的蚀刻技术，将未被图案化的光刻胶层所覆盖的上电极22及下方的介电层20的部分，从衬底12的上表面12a上蚀刻移除。
接着，请参照图2，图2示出了概括本发明方法的处理步骤的顺序的流程图。在处理步骤1中，蚀刻衬底，以在衬底中形成多个冠状的电容开口。在处理步骤2中，在每一个电容开口中沉积下电极。在处理步骤3中，对下电极进行化学机械抛光或蚀刻，以将下电极的上部从衬底的上表面上移除，而留下覆盖在电容开口的侧壁与底部的下电极。在处理步骤4中，对下电极进行快速热处理或加温炉内退火步骤。退火步骤亦可选择性地在化学机械抛光步骤前进行。在处理步骤5中，沉积高介电常数介电材料于下电极上。在处理步骤6中，利用无电浆化学气相沉积或原子层沉积过程，在介电层上沉积上电极。在处理步骤7中，图案化上电极，以完成金属-绝缘体-金属电容结构。
本领域的技术人员将会了解，本发明的金属-绝缘体-金属电容的制造方法可产生金属-绝缘体-金属电容，且所制成的金属-绝缘体-金属电容的特征为电气性能提升。举例而言，对下电极在氮气下进行加温退火处理的步骤已经发现可增加电容值7％。此外，与利用传统方法制造的电容相比，已显示出本制造方法可生产出具有较高崩溃电压与较低漏电流的电容。
虽然本发明已用优选实施例公开如上，但本领域技术人员均会认可并了解到，在本发明的精神和范围内，可以作出各种修改，而所附的权利要求意欲涵盖所有这样的修改。
权利要求
1.一种金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，至少包括提供一衬底；在该衬底中提供一电容开口；在该电容开口中提供一下电极；对该下电极进行一退火步骤；在该下电极上提供一介电层；以及在该介电层上沉积一上电极。
2.根据权利要求1所述的金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，其中该上电极实质上具有一无有机成分。
3.根据权利要求1所述的金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，其中对该下电极所进行的该退火步骤至少包括在对该下电极进行热处理时，将该下电极暴露在氮气下。
4.根据权利要求3所述的金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，其中该上电极实质上具有一无有机之成分。
5.根据权利要求1所述的金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，其中在该介电层上沉积该上电极的步骤所用的沉积温度实质上不大于450℃。
6.根据权利要求5所述的金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，其中该上电极实质上具有一无有机之成分。
7.根据权利要求1所述的金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，其中沉积该上电极的步骤至少包括利用一无电浆沉积过程。
8.根据权利要求7所述的金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，其中该无电浆沉积过程是一热化学气相沉积制程和一原子层沉积过程，二者择一。
9.根据权利要求1所述的金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，其中在提供该下电极的步骤与该退火步骤之间，更至少包括对该下电极进行一化学机械平坦化步骤。
10.根据权利要求1所述的金属-绝缘体-金属电容器之电极的制造方法，其中在该退火步骤与提供该介电层的步骤之间，更至少包括对该下电极进行一化学机械平坦化步骤。
全文摘要
一种在金属－绝缘体－金属(metal－insulator－metal，MIM)电容器制造中制作电极的方法。本方法通过在金属－绝缘体－金属电容制作中，在将上电极沉积在介电层上期间防止电浆伤害介电层，以及缩减或防止介电层与一电极或多个电极间的界面层的生成，来改善金属－绝缘体－金属电容的性能。本方法一般包括图案化衬底，以在衬底中形成冠状的电容开口；在每一冠状开口中沉积下电极；对下电极进行快速热处理(RTP)或炉内退火步骤；将介电层沉积在退火后的下电极上；利用无电浆化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)过程将上电极沉积在介电层上；以及图案化每一个金属－绝缘体－金属电容的上电极。
文档编号H01L21/44GK1677621SQ20041009123
公开日2005年10月5日 申请日期2004年11月17日 优先权日2004年3月29日
发明者吴志达, 林国楹, 黄宗勋, 喻中一, 赵兰璘, 杜友伦, 林杏莲, 蔡嘉雄 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司