专利名称：集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及大规模集成电路中的电容器结构，尤其涉及一种“金属-绝缘体-金属”构型的电容器以及这种电容器的制造方法，属于集成电路芯片制造加工技术领域。
背景技术：
“金属一绝缘体一金属”(Metal-Insulator-Metal，简称MIM)构型的电容器是大规模集成电路的常用器件，特别是用在RFCMOS集成电路。
MIM电容器有多种构型，平行板“金属一绝缘体一金属”电容器是最常见一种，如美国专利US6342734、US5406447、US6894364、US6940114，以及中国专利CN200310102992、CN200410100720、CN200310122877等文献所揭示。图1a是集成电路中平行板MIM电容器的基本结构，它只具有“金属一绝缘体一金属”单层结构，并在电容器两金属电极板与上层互连金属层之间的介电材质中蚀刻多个通孔104～109，以便引出电容器的二个电极。其制程为沉积分别包含有底部金属层101、绝缘体层102及中间金属层103的三层结构，然后以传统微影及蚀刻技术，蚀刻该中间金属层103及绝缘体102作出图案，其中也可以只部分蚀刻该绝缘层102；接着，再以传统微影及蚀刻技术，蚀刻该底部金属层101，以作出图案；随后，再沉积一金属间介质材料111并进行化学机械研磨(CMP)，随后，在该金属间介电材料111中，蚀刻多个通孔104～109；最后，沉积并作出图案，以形成分别经由金属内连线104、105、106、107、108及109与底部金属层101及中间金属层103作连接的顶部金属层110。
随着集成电路技术的进步，集成度在不断提高，芯片面积不断缩小，要求“金属一绝缘体一金属”电容器芯片占用面积减小。为保证电路设计所需电容值，减小电容器芯片占用面积的途径有三条一是将金属间的介质厚度减薄；二是采用高介电常数(k)的材料，例如Ta2O5；三是对电容器的结构进行改进创新。然而，金属间的介质厚度减薄要求电容器上电极金属蚀刻不能过蚀刻MIM介质，这是因为电容器边缘电场强度较高，蚀刻上电极时如果过蚀刻MIM介质较多，漏电电流容易穿过比MIM介质质量差的金属隔离介质，也会导致电容器的耐击穿性能下降。采用高介电常数Ta2O5的方法需要增加额外的沉积工具、避免交叉污染的绝缘制程步骤以及新材料整合的制程时间及人员投资，而且高介电常数材料的引入，容易引起泄露电流密度的问题。因此，这两条途径的工业化应用具有较大的局限性。
至于第三条途径，据申请人检索，目前关于MIM电容器结构改进的代表性报道有US6977198和CN200310122877采用平行板电容堆叠的方法增加电容值，US6423996和US6717193(或CN02820001)提出利用金属侧壁面增大电容的方法，US6069051在淀积金属隔离介质前先淀积性能好的介质来保护边缘，但各有优缺点。
US6977198采用平行板电容堆叠的方法的优点是，在几乎相同芯片面积上电容值可增大一倍，但存在三个缺点①必须增加一层光刻掩膜板，②制造步骤上也增加了一道介质和金属淀积以及一道光刻和金属蚀刻，③电容器边缘长度增加一倍，边缘潜在漏电加重。CN200310122877是将US6977198平行板结构做在二层或多层互连金属上，然后再并联，也同样存在上述的三个缺点。
US6717193(或CN02820001)是将上电极金属和下电极金属做成手指状或梳状(Finger)，利用下电极金属侧壁面与侧壁电极金属112构成侧壁MIM电容器以增大电容值，如图1b所示。其优点是每增加一条Finger，就增加两个侧壁电容器，只要Finger之间距离小于下电极高度的一半，总的电容值就会增加；缺点是①边缘长度随着Finger数目增加而大幅度增加，边缘潜在漏电现象加重，②由于上下电极都呈Finger状，光刻对准要求Finger宽度不能太窄，在一定面积内不能蚀刻出最多的下电极槽而获得最大的侧壁电容。
US6423996专利也提到利用金属侧壁面来增大电容，如图1c所示，但缺点是工艺处理之后的下电极侧壁的水平面边缘太尖锐(Sharp)，容易引起电场集中和尖端放电，电容器击穿电压下降；而且，申请人并没有提出如何最大程度利用侧壁电容。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，旨在节约电容器的芯片占用面积，并且有效解决电容器边缘漏电和尖端放电两个技术难题。
本发明的第二个目的是提供上述“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法。
为实现本发明的第一个目的，一种集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，自下而上依次包括下电极金属、上电极金属和上层互连金属，下电极金属和上电极金属之间、以及上电极金属和上层互连金属之间，均填充有绝缘介质，下电极金属与上层互连金属之间、以及上电极金属与上层互连金属之间，通过对应的上通孔实现电连接，使得下电极金属和上电极金属分别在上层互连金属上面形成相应的电极引出端，其特征在于所述下电极金属呈网格状和/或条形状排布，其竖直方向的侧表面衬有侧壁金属层，该侧壁金属层与下电极金属共同构成电容器的下电极，并且，所述侧壁金属层的侧表面的上端与下电极金属的上表面之间以圆弧面平滑过渡；相应地，上电极金属自上而下罩住下电极，上电极金属的下表面和侧表面与下电极金属的上表面以及侧壁金属层的侧表面之间的间隙内部均匀填充有绝缘介质，该绝缘介质的厚度在各个方向上比较匀称一致。
进一步地，上述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其中，所述侧壁金属层在竖直方向上的高度大于或等于下电极金属的垂直厚度。
更进一步地，上述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其中，在下电极金属的下方设置有下层互连金属，下电极金属与下层互连金属之间也填充有绝缘介质层，在该绝缘介质层的内部设置有下通孔，下电极金属与下层互连金属之间通过该下通孔实现电连接。
更进一步地，上述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其中，所述侧壁金属层是Ti(50～150A)/TiN(50～300A)金属复合层，或者是100～300A的Ti或TiN或Ta或TaN或Ta/TaN金属层。
更进一步地，上述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其中，所述下电极与上电极金属的内表面之间均匀填充的绝缘介质是SiO2、SixNy、SiOxNy、HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5或者是SiO2/SixNy复合介质层。
更进一步地，上述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其中，所述下电极金属是集成电路的倒数第二层互连金属，下电极金属的垂直厚度为3～7μm，其材质为Al，或者是Ti/TiN-Al-Ti/TiN复合金属层，所述复合金属层中Ti的厚度为50～150A，TiN的厚度为50～300A。
再进一步地，上述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其中，所述上电极金属是厚度为300～4000A的Ti或者TiN或者Ti/TiN复合层或者Ti/TiN与W或Al的复合层。
为实现本发明的第二个目的，集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法，包括下电极金属、上电极金属、上层互连金属、下电极金属与上电极金属之间的MIM介质、上电极金属与上层互连金属之间的绝缘介质以及上通孔的设置工序，其特征在于首先，下电极金属淀积之后，按照光照版图对其蚀刻，构成网格状和/或条形状的下电极金属，使之增加垂直方向的侧表面；然后在蚀刻后的下电极的上表面和侧表面沉积一薄层金属，该薄层金属淀积完成之后，采用反应离子各向异性法对其进行回蚀，使得该薄层金属在下电极金属的垂直侧面形成侧壁金属层，该新增的侧壁金属层与下电极金属合为一体，共同构成电容器的下电极，并且，侧壁金属层的侧表面的上端与下电极金属的上表面之间以圆弧面平滑过渡；接着再淀积MIM介质和上电极金属，上电极金属淀积之后经过蚀刻处理，然后再淀积一层绝缘介质，该绝缘介质的表面经过平整处理之后再淀积上层互连金属；最后采用集成电路行业通用的通孔和金属处理工艺，用电容器上层互连金属和上通孔引出电容器的上下两个电极。
进一步地，上述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法，其中，所述下电极金属被蚀刻之后，再增加一步下电极金属下方紧邻的绝缘介质沿垂直方向的蚀刻，然后在蚀刻后的下电极金属和绝缘介质的表面淀积并回蚀薄层金属，使得形成的侧壁金属层在竖直方向上的高度大于下电极金属的垂直厚度。
再一步地，上述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法，其中，在淀积下电极金属之前，预先设置下层互连金属以及下层互连金属与下电极之间的绝缘介质，并在该介质层内部设置下通孔，然后再淀积下电极金属层。
更进一步地，上述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法，其中 所述侧壁薄层金属的淀积采用化学气相淀积方法，或者采用有机金属氧化物化学气相淀积方法，或者采用原子层化学气相淀积方法； 所述MIM介质层是采用等离子增强化学气相淀积法形成的SiO2、SixNy、SiOxNy或者SiO2/SixNy复合介质层，或者是采用原子层化学气相淀积法形成的HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5等高介电常数介质层； 所述上电极金属的淀积采用化学气相淀积方法，或者采用有机金属氧化物化学气相淀积方法，或者采用物理气相淀积法。
本发明的突出的实质性特点和显著进步主要体现在 (1)本发明从提高集成电路芯片面积利用率出发，利用金属侧壁增加MIM构型电容器的有效电容面密度值，将下电极设计成网格状或条形状，下电极金属线宽和距离大小在设计规则范围内尽量小，使得在一定设计面积下能够获得最大的金属侧壁利用率； (2)本发明工艺处理过程中，在对下电极金属蚀刻之后，可以进一步增加对下电极金属与下层互连金属之间介质在垂直方向的蚀刻，完成上述步骤以后再进行一次薄层金属沉积，所沉积的金属可以为Ti、TiN、Ta金属层，或者是Ta/TaN、Ti/TiN复合层，从而在下电极金属的侧壁新增一层侧壁层。该新增侧壁层再经过回蚀处理，其垂直面的上端与下电极金属的衔接部位被处理成为非常光滑的过渡曲面，这样，不仅使得电容器的芯片占用面积节约一半以上，而且有效解决了下电极侧壁水平面边缘尖锐易导致介质击穿电压降低问题； (3)本发明MIM电容器的下电极采用下层互连金属层引出，电容器的上电极覆盖所有下电极，由于这种结构电容器边缘附近上下两电极之间的距离大于传统平行板结构，克服了现有技术所存在的电容器边缘漏电的缺点。
图1a、1b、1c是现有技术三种MIM电容器的剖面结构； 图2a是本发明的一种光罩版图示意图； 图2b是本发明的另一种光罩版图示意图； 图2c是网格状下电极设计图案； 图2d是条形状下电极设计图案； 图2e是经过工艺处理之后的风格状下电极图案； 图2f是经过工艺处理之后的条形状下电极图案； 图3是本发明MIM电容器的一种剖面结构； 图4是本发明MIM电容器的另一种剖面结构； 图5是本发明MIM电容器的侧壁金属与水平面金属拐角衔接部位的局部结构示意图； 图6a～图6g是图4所示MIM电容器剖面结构的主要制造过程示意图。
以上各图当中的附图标记的含义是 101-下电极金属，102-绝缘体，103-上电极金属，104～109-通孔，110-上层互连金属，111-介电材料，112-侧壁电极金属； x01-下层互连金属，x02-下通孔，x02a-连接下层互连金属和下电极的下通孔，x02b-连接下层互连金属和下电极互连金属的下通孔，x03a-下电极金属，x03b-下电极互连金属，x04-上电极金属，x05-上通孔，x05a-连接上层互连金属和上电极金属的上通孔，x05b-连接上层互连金属和下电极互连金属的上通孔，x06-上层互连金属，x06a-上电极金属在上层互连金属的引出端，x06b-下电极金属在上层互连金属的引出端，以上附图标记中x为2或3； 303c-下电极金属采用复合金属时的上表层金属，303d-下电极金属采用复合金属时的下表层金属，307-下层互连金属与下电极金属之间的介质，308-下电极侧壁金属层，309-MIM介质，310-上电极金属与上层互连金属之间的介质。
本文主要术语解释如下 MIM介质指MIM电容器上下电极之间的介质； 下电极金属指MIM介质下面电极用的金属层； 下电极互连金属是集成电路中的互连线，工艺上和下电极金属是同一层，但蚀刻后与电容器下电极金属隔离开，本发明电容器中与下通孔、上通孔、上层互连金属以及下层互连金属连接，引出电容器下电极； 上电极金属指MIM介质上面电极用的金属层； 下层互连金属指下电极下面的最近一层的互连金属； 下通孔指连接下层互连金属和下电极金属、或者下层互连金属和下电极互连金属的通孔； 上层互连金属指上电极上面的最近一层的互连金属； 上通孔指连接上层互连金属和上电极金属、或者上层互连金属和下电极互连金属的通孔。
具体实施例方式 以下将参照附图更全面地描述本发明技术方案，其中示出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同方式来实施，而不应该被认为局限于这里所提出的实施例。相反，提供这些实施例可使本发明技术方案公开得更彻底、更全面，并且将充分地向本领域技术人员传达本发明的保护范围。在附图中，为了清晰起见，有关的尺寸和形状可能被加以放大。
如图2a～图2f所示，本发明将电容器下电极203a设计成网格状(图2a、2c、2e)或者条形状(图2b、2d、2f)，下电极金属203a的线宽和距离大小在设计规则范围之内尽量小，以便在一定设计面积下可获得最大侧壁利用率。下电极203a通过下通孔202a与下层互连金属201连接，下层互连金属201再经过对应的下通孔202b、下电极互联金属203b和上通孔205b从上层互连金属206b引出。相应地，上电极金属204通过对应的上通孔205a被引至上层互连金属206a。从图中可以看出，本发明的上电极204覆盖所有下电极金属203a，这是为了能够克服以前大多数发明存在的电容器边缘漏电的缺点。
图3、图4是本发明MIM电容器的两种剖面结构。图3中，自下而上依次是下层互连金属301、下层互连金属与下电极金属之间的介质307、下电极金属303a和下电极互连金属303b、上电极金属304、上电极金属与上层互连金属之间的介质310、上层互连金属306。在介质307内部设有下通孔302a，用于下层互连金属301与下电极金属303a之间电连接。而在介质310内部设有上通孔305a，用于上电极金属304与上层互连金属306a之间电连接，形成上电极金属在上层互连金属的引出端306a；同时，在介质310和介质307内部还分别设有专门的上通孔305b和下通孔302a/302b，通过下电极互连金属303b和下层互连金属301将下电极303a引至上层互连金属306b。下电极303a有两个侧面是侧壁金属层308，侧壁金属层308的表面以及下电极303a的上表面与上电极金属304之间均匀填充有MIM介质309。图4的结构与图3类似，不同之处在于，侧壁金属层308沿竖直方向向下延伸，部分进入307介质层，其厚度超过了下电极金属303a的厚度。图3和图4的共同特点是，侧壁金属层308的表面比较光滑，尤其是该侧表面的上端与下电极的上表面之间呈平滑过渡，如图5所示。
下面以形成图4结构为例，详述其主要工艺处理步骤。
如图6a～6g所示，MIM电容器的制造工艺从半导体(或者其它材料上外延半导体)的表面上做好半导体器件以及下互连金属层以下的通孔和互连后开始。首先，按照常规CMOS工艺步骤做好下互连金属301及下互连金属与下电极和下电极互连用的金属层303之间的介质层307，在介质层307内部设置下通孔302，然后淀积下电极和下电极互连用的金属层303，如图6a所示。通常，金属层303往往是CMOS集成电路的倒数第二层互连金属，该层金属一般为Al或者Ti/TiN-Al-Ti/TiN复合金属层，金属层的总厚度为3～7μm，Ti厚度为50～150A(埃，10-8厘米)，TiN厚度为50～300A，图中示意的是Ti/TiN-Al-Ti/TiN复合金属层。
接着，按照图2a或2b所示光罩版图蚀刻金属层303形成下电极金属303a和下电极互连金属303b。然后增加一步介质307沿垂直方向的蚀刻，例如采用反应离子各向异性法，原则上应当使得下层互连金属301上方的介质307的厚度H大于500A。这步工艺为选择项，若不蚀刻介质307，将形成图3所示MIM结构。完成上述两个蚀刻过程之后，截面形状如图6b所示。
在图6b的基础上，在下电极303a和下电极互连金属303b以及介质307的表面沉积一薄层金属308，如图6c所示。新增的这一层金属层308可以是Ti(50～150A)/TiN(50～300A)金属复合层，也可以是100～300A的Ti或TIN或Ta或TaN或Ta/TaN层，其淀积方法采用台阶覆盖性能好的化学气相淀积方法(CVD)，或者有机金属氧化物化学气相淀积方法(MOCVD)以及原子层化学气相淀积法(ALCVD)。
采用反应离子各向异性法回蚀(etchback)前面淀积的薄层金属308，直到将下电极金属303a和下电极互连金属303b之间、下电极金属303a之间、下电极互连金属303b之间以及电容器下电极303a顶部的Ti/TiN蚀刻干净，如图6d所示。经过这步工艺处理以后，新增金属层308与下电极金属303a合为一体，形成带有两个侧壁的下电极，并且，其侧壁层308的上边缘变得非常光滑，侧面上Al与Al上下的Ti/TiN金属层303c和303d的交界面也得到光滑修复。在此基础上淀积MIM介质309，可使厚度比较均匀，如图5和6e所示。相比之下，若不采用淀积薄层金属加回蚀方法对下电极边缘进行光滑处理(像背景技术US642399那样)，电容器在淀积MIM介质时，边缘的介质厚度不均匀，且下电极金属边缘很尖锐，这两者或者两者中的任何一种因素都会引起边缘电场强度增大，增加了电容器的漏电，降低了电容器的耐击穿性能。本发明将下电极边缘进行光滑处理之后，MIM介质淀积的厚度比较均匀，电力线也分散，边缘附近的电场强度降低，使电容器的耐击穿特性得到有效提高。
图6c、6d、6e是本发明中制造技术的关键，它新增了侧壁金属层308，并且形成了光滑的下电极金属侧面。如果介质307被蚀刻，下电极侧壁面积将得到进一步增加，即电容值获得增加。在淀积MIM介质309时，可以采用等离子增强化学气相淀积法(PECVD)形成SiO2、SixNy、SiOxNy或者SiO2/SixNy复合介质层，也可以采用原子层化学气相淀积法(ALCVD)形成HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5等高介电常数介质。
接下来再进行电容器上电极金属304的淀积，如图6f所示。上电极金属304的厚度选择根据电容器下电极之间的间隙以及下电极互连金属的最小距离来定。原则上是上电极金属304填满之前较小的间隙，而且保证上电极金属蚀刻后留在硅片表面的空隙足够大，以便让其后的介质310填充满，如图6g所示。或者选择较薄上电极金属304，使得其淀积后在硅片表面留下的间隙较大，以便保证之后的介质310能将所有间隙填满。上电极金属304的厚度一般为300～4000A，较薄时材料可选用Ti、TiN或者Ti/TiN复合层，较厚时可用Ti/TiN与W或Al的复合层。淀积方法采用化学气相淀积方法(CVD)或者采用有机金属氧化物化学气相淀积方法(MOCVD)，对于Al材料可用物理气相淀积法(PVD)。
上电极金属304淀积完成之后经过蚀刻处理，然后再淀积上电极304与上层互连金属306之间的绝缘介质310，并且对介质310的表面进行平整，如图6g所示。操作时可以采用填充性好的高密度等离子化学气相淀积法(HDPCVD)或者等离子增强化学气相淀积法(PECVD)淀积SiO2、SiOxFy或者Core、Blank-diamond等低介电常数介质淀积310介质层，然后用化学机械抛光法(CMP)平整表面；或者用旋图法(spin-on)淀积SiO2或Silk等低介电常数介质，以作为绝缘介质310。
最后，采用IC通用的通孔和金属工艺，用电容器上层互连金属306和上通孔305a和305b引出电容器的上下二个电极，形成图4所示的剖面结构。其它钝化层和PAD开孔也采用IC通用工艺，本文不赘述。
如上文所述以及图6b所示，在对金属层303与下层互连金属301之间的介质307进行垂直方向的蚀刻时，下层互连金属301上方的介质厚度应大于500A。这步蚀刻增大了侧壁面积和侧壁电容，保留一定厚度是为了抑制电容器边缘漏电。据估算(详见下文)，对于0.15～0.35μm CMOS工艺，每增加3000A厚度的介质蚀刻，可以使有效电容面密度增加0.5～1倍。这步改进方案为选择项，不选时的结构如图3所示，例如0.18μmCMOS工艺不选择这步工艺改良时，电容器的有效电容面密度也比平行板结构的增大一倍以上，选择后可以增大1.5倍以上。不过，选择这步工艺一是要求以后的金属间介质淀积填充性好；二是下电极侧壁金属和下层互连金属之间距离增大。当然，也可以不增加额外的光刻掩膜板和蚀刻，只增加MIM区域介质307的蚀刻。
本发明MIM电容器的下电极采用下层互连金属层引出，电容器的上电极覆盖所有下电极，上下电极边缘距离为下电极下方介质蚀刻留下的厚度和MIM介质之和，不存在背景技术所述MIM电容器受边缘漏电限制的缺点。回过头来分析US6717193，其Finger结构电容器在增加侧壁电容的同时也增加了电容器边缘长度，每增加一个Finger或两个侧面电容，电容器边缘长度共增加四倍finger长度，潜在边缘漏电较为严重。换言之，采用US6717193的结构必须增加MIM介质厚度并减少上电极蚀刻时的过蚀刻，才能保证电容器的耐击穿性能和低漏电，比较矛盾的是，增加MIM厚度必然又将减少电容值。这种对比进一步表明，本发明技术方案很好地解决了电容器边缘潜在漏电问题以及带来的MIM厚度限制问题。
另外，本发明MIM电容器的下电极光刻版图设计成网格状或条形状，下电极金属线宽和距离大小在设计规则范围内尽量小，以便在一定设计面积下可获得最多的侧壁。如果工艺上不选用下电极蚀刻后介质蚀刻，下电极金属线宽和距离大小可按照设计规则最小值设计。如果为更多增加有效电容密度工艺上选用下电极蚀刻后介质蚀刻，那么下电极金属距离可按照设计规则最小值设计，线宽则应该略大于下通孔尺寸，以便保证工艺处理之后下电极金属覆盖住下通孔。相比之下，US6717193结构的上下电极都用Finger状，光刻对准要求Finger宽度不能太窄，也就是说一定面积内不能挖出最多的下电极槽获得最大侧壁电容。
具体实施时，本发明工艺过程中金属侧壁的垂直方向的边一般不会构成直角形状，通常都是变成圆弧状，如图2e、2f所示。在此基础上淀积MIM介质会更均匀，保证了MIM电容器具有较好的耐击穿能力。如果圆弧形状不理想，可以通过调节下电极金属蚀刻工艺或者调节下电极光罩版图OPC处理工序等方法来优化蚀刻形状，以保证具有良好耐击穿性能前提下获得最大侧壁电容。另外，蚀刻形成下电极金属时可以调节蚀刻工艺使得下电极金属略微倾斜(截面成梯形状)，有利于本发明具体实施。
下面对本发明MIM电容器电容值的增大倍数进行估算—— 本发明的电容器与制作在平整化表面的平行板电容器相比，包含了金属侧壁引起的侧壁电容，电容有效面密度得到提高。假设网格状下电极的金属线宽为w，金属之间距离为s，金属厚度为h，则本发明电容器的电容值与平行板的比值a为 实际上当下电极设计为图2c所示的网格状时，工艺处理后正方形空隙会变成2e所示的形状，即四个直角会变成弧状，这样侧壁面积比上述公式计算结果要小。假设最严重时为圆形，上述公式将变为 类似地，下电极如果采用条形状，电容器的电容值与平行板的比值为 对于0.15～0.35μm铝互连工艺，一般倒数第二层金属厚度h是其最小设计规则尺寸的1.5～2倍，w和s越小，上面三种情况的a值就越大。当w＝s＝最小设计规则尺寸时，a值最大。表1计算出一组采用典型0.15～0.35μm的CMOS工艺和设计规则时，本发明电容器与平行板电容器的电容比值。当设计为网格状时，实际值应该介于正方形网格和圆形网格对应的数值之间；采用条形状时，也介于二者之间。由表1可见，对于0.15～0.35μm工艺，本发明的电容器占用面积可以比平行板结构电容器节省一半以上，最高可省75％左右的面积。
权利要求
1.集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，自下而上依次包括下电极金属、上电极金属和上层互连金属，下电极金属和上电极金属之间、以及上电极金属和上层互连金属之间，均填充有绝缘介质，下电极金属与上层互连金属之间、以及上电极金属与上层互连金属之间，通过对应的上通孔实现电连接，使得下电极金属和上电极金属分别在上层互连金属上面形成相应的电极引出端，其特征在于所述下电极金属呈网格状和/或条形状排布，其竖直方向的侧表面衬有侧壁金属层，该侧壁金属层与下电极金属共同构成电容器的下电极，并且，所述侧壁金属层的侧表面的上端与下电极金属的上表面之间以圆弧面平滑过渡；相应地，上电极金属自上而下罩住下电极，上电极金属的下表面和侧表面与下电极金属的上表面以及侧壁金属层的侧表面之间的间隙内部均匀填充有绝缘介质，该绝缘介质的厚度在各个方向上匀称一致。
2.根据权利要求1所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其特征在于所述侧壁金属层在竖直方向上的高度大于或等于下电极金属的垂直厚度。
3.根据权利要求1所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其特征在于在下电极金属的下方设置有下层互连金属，下电极金属与下层互连金属之间也填充有绝缘介质层，在该绝缘介质层的内部设置有下通孔，下电极金属与下层互连金属之间通过该下通孔实现电连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其特征在于所述侧壁金属层是Ti(50～150A)/TiN(50～300A)金属复合层，或者是100～300A的Ti或TiN或Ta或TaN或Ta/TaN金属层。
5.根据权利要求1或2或3所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其特征在于所述下电极与上电极金属的内表面之间均匀填充的绝缘介质是SiO2、SixNy、SiOxNy、HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5或者是SiO2/SixNy复合介质层。
6.根据权利要求1或2或3所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其特征在于所述下电极金属是集成电路的倒数第二层互连金属，下电极金属的垂直厚度为3～7μm，其材质为Al，或者是Ti/TiN-Al-Ti/TiN复合金属层，所述复合金属层中Ti的厚度为50～150A，TiN的厚度为50～300A。
7.根据权利要求1或2或3所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构，其特征在于所述上电极金属是厚度为300～4000A的Ti或者TiN或者Ti/TiN复合层或者Ti/TiN与W或Al的复合层。
8.集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法，包括下电极金属、上电极金属、上层互连金属、下电极金属与上电极金属之间的MIM介质、上电极金属与上层互连金属之间的绝缘介质以及上通孔的设置工序，其特征在于首先，下电极金属淀积之后，按照光照版图对其蚀刻，构成网格状和/或条形状的下电极金属，使之增加垂直方向的侧表面；然后在蚀刻后的下电极的上表面和侧表面沉积一薄层金属，该薄层金属淀积完成之后，采用反应离子各向异性法对其进行回蚀，使得该薄层金属在下电极金属的垂直侧面形成侧壁金属层，该新增的侧壁金属层与下电极金属合为一体，共同构成电容器的下电极，并且，侧壁金属层的侧表面的上端与下电极金属的上表面之间以圆弧面平滑过渡；接着再淀积MIM介质和上电极金属，上电极金属淀积之后经过蚀刻处理，然后再淀积一层绝缘介质，该绝缘介质的表面经过平整处理之后再淀积上层互连金属；最后采用集成电路行业通用的通孔和金属处理工艺，用电容器上层互连金属和上通孔引出电容器的上下两个电极。
9.根据权利要求8所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法，其特征在于所述下电极金属被蚀刻之后，再增加一步下电极金属下方紧邻的绝缘介质沿垂直方向的蚀刻，然后在蚀刻后的下电极金属和绝缘介质的表面淀积并回蚀薄层金属，使得形成的侧壁金属层在竖直方向上的高度大于下电极金属的垂直厚度。
10.根据权利要求8所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法，其特征在于在淀积下电极金属之前，预先设置下层互连金属以及下层互连金属与下电极之间的绝缘介质，并在该介质层内部设置下通孔，然后再淀积下电极金属层。
11.根据权利要求8或9或10所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法，其特征在于所述侧壁薄层金属的淀积采用化学气相淀积方法，或者采用有机金属氧化物化学气相淀积方法，或者采用原子层化学气相淀积方法。
12.根据权利要求8或9或10所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法，其特征在于所述MIM介质层是采用等离子增强化学气相淀积法形成的SiO2、SixNy、SiOxNy或者SiO2/SixNy复合介质层，或者是采用原子层化学气相淀积法形成的HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5高介电常数介质层。
13.根据权利要求8或9或10所述的集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构的制造方法，其特征在于所述上电极金属的淀积采用化学气相淀积方法，或者采用有机金属氧化物化学气相淀积方法，或者采用物理气相淀积法。
全文摘要
本发明涉及集成电路中“金属-绝缘体-金属”电容器结构及其制造方法。该结构自下而上包括下电极金属、MIM绝缘介质、上电极金属、绝缘介质和上层互连金属，其特点是下电极金属下方设有下层互连金属，下电极金属呈网格状或条形状排布，其侧表面衬有侧壁金属层，侧壁金属层的侧表面的上端与下电极金属的上表面之间以圆弧面平滑过渡；上电极金属自上而下罩住所有下电极，上下电极之间均匀填充厚度一致的MIM绝缘介质。本发明使得MIM电容器的芯片占用面积节约一半以上，并且有效解决了边缘漏电和下电极侧壁水平面边缘尖锐引起击穿电压降低两个技术难题。
文档编号H01L21/70GK101192568SQ200610097969
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月24日 优先权日2006年11月24日
发明者高文玉, 李秋德 申请人:和舰科技(苏州)有限公司