专利名称：Mim电容器及其制造方法、半导体器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种金属-介质-金属 (Metal-Insulator-Metal, MIM)电容器及其制造方法、包含有MIM电容器 的半导体器件及其制造方法。
背景技术：
MIM电容器具有高容量、低电阻率等优点，被广泛应用于射频电路 或高速模拟电路中。MIM电容器还与铜互连结构具有很好的匹配特性， 常常与铜互连结构集成制造。专利公开号为CN 1627477 A (7>开日2005 年6月15日)的中国专利申请文件公开了 一种具有MIM电容器的半导体器 件的制造方法。
图1至图4为所述的中国专利申请文件公开的具有MIM电容器的半导 体器件的制造方法的各步骤相应结构的剖面示意图。
如图1所示，在具有互连结构(未标示)的半导体结构上形成第一金 属层135,所述第一金属层135可以是铝；在所述第一金属层135上形成电 介质层140;
如图2所示，图形化所述电介质层140，以便部分电介质层140a保留 于所述第一金属层135上；
如图3所示，在所述电介质层140a和第一金属层135上形成第二金属 层145;可选的，在所述第二金属层145上形成抗反射层150;
如图4所示，图形化所述第二金属层145和第一金属层135,从而形成 包括下电极135b、电介质层140b和上电极145b的MIM电容器；
在形成MIM电容器的同时，也形成半导体器件的其它结构(未标示)。
在所述的具有MIM电容器的半导体器件的制造方法中，用于形成 MIM电容器下极板135b的第一金属层135—般由铝构成，铝的晶粒尺寸较 大，为0.5um至4um,使形成的下极板135b比较粗糙，平坦度较差，进而 使在下极板135b上形成的电介质膜140b的平坦度变差，如图5所示的剖面
示意图；导致形成的电容器的电容性能变差，特别是随着半导体制造器 件的日益减小，电介质层140b越做越薄，由于下极板135b的不平坦的缺 陷引起的电容性能下降的问题也越来越严重。
发明内容
本发明提供一种MIM电容器及其制造方法、包含有MIM电容器的 半导体器件及其制造方法，本发明能够提高MIM电容器下极板的平坦 度。
本发明提供的一种MIM电容器的制造方法，包括 提供半导体基底；
在所述半导体基底上形成第 一金属层；
在所述第一金属层上形成第二金属层，平坦化所述第二金属层；
在所述第二金属层上形成介质层；
在所述介质层上形成第三金属层；
图形化所述第三金属层、介质层、第二金属层和第一金属层，形成 以第一金属层图形和第二金属层图形为下极板、第三金属层图形为上极 板、介质层图形为电介质的MIM电容器。
可选的，所述第一金属层为铝或铝铜合金。
可选的，所述第二金属层为钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合。
可选的，平坦化所述第二金属层的方法为化学机械研磨。 可选的，所述介质层为氮化硅或氧化硅。
可选的，所述第二金属层为铝、钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种 或组合。
本发明还提供一种半导体器件的制造方法，包括 提供半导体基底，在所述半导体基底中具有互连层； 在所述半导体基底上形成第一金属层；
在所述第一金属层上形成第二金属层，平坦化所述第二金属层；
在所述第二金属层上形成第 一介质层； 在所述第 一介质层上形成第三金属层；
图形化所述第三金属层、第一介质层、第二金属层和第一金属层， 形成以第一金属层图形和第二金属层图形为下极板、第三金属层图形为 上极板、第一介质层图形为电介质的MIM电容器，且所述上极板的面 积小于下纟及板的面积；
在所述MIM电容器和半导体基底上形成第二介质层； 在所述第二介质层中形成第一开口、第二开口和第三开口，所述第 一开口底部露出所述第三金属层图形的表面，所述第二开口底部露出所 述第二金属层图形的表面，所述第三开口底部露出所述互连层表面；
在所述第一开口、第二开口和第三开口中填充金属材料。 可选的，所述第一金属层为铝或铝铜合金。
可选的，所述第二金属层为钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合。
可选的，平坦化所述第二金属层的方法为化学机械研磨。 可选的，所述第一介质层为氮化一e圭或氧化硅。 可选的，所述第二金属层为铝、钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种 或组合。
可选的，所述第二介质层为低介电常数材料。 本发明还提供一种MIM电容器，包括 半导体基底；
所述半导体基底上的第 一金属层图形和第二金属层图形形成的下 极板；所述第二金属层图形上的介质层图案形成的电介质层；以及
所述介质层图案上的第三金属层图案形成的上极板；
其中，所述第二金属层图案具有平坦的上表面。
可选的，所述第一金属层为铝。
可选的，所述第二金属层为钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组
合。
本发明还提供一种半导体器件，包括 具有互连层的半导体基底；
所述半导体基底上的第一金属层图形和第二金属层图形形成的下 极板；所述第二金属层图形上的介质层图案形成的电介质层；所述介质 层图案上的第三金属层图案形成的上极板；以及
所述上极板和半导体基底上的第二介质层；和
所述第二介质层中的第 一连接插塞、第二连接插塞和第三连接插
塞；
其中，
所述上极板的面积小于所述下电极的面积；
所述第 一连接插塞与所述上极板连接，所述第二连接插塞与所述下 极板连接，所述第三连接插塞与所述互连层连接。 可选的，所述第一金属层为铝。
可选的，所述第二金属层为钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
通过在所述第一金属层上形成第二金属层，并对所述第二金属层进 行平坦化，第一金属层和平坦化的第二金属层組合用于形成MIM电容 器的下极板，从而提高MIM电容器下极板的平坦度， 一方面有利于形 成电容值较为准确的电容器；另一方面也可以提高形成的MIM电容器 的性能；
该第二金属层也可以作为阻挡层，阻挡与MIM电容器下极板连接 的接触插塞的金属向第一金属层中扩散，例如，当所述连接插塞为铜时， 钽可以阻止铜的扩散；
此外，通过沉积第二金属层并进行平坦化的工艺来提高MIM电容 器下极板的平坦度的方法工艺较为简单。
图1至图4为现有4支术中的一种具有MIM电容器的半导体器件的 制造方法的各步骤相应结构的剖面示意图5为具有缺陷的MIM电容器的剖面示意图； 图6至图11为本发明的MIM电容器的制造方法的各步骤相应结构 的剖面示意图12至图19为本发明的半导体器件的制造方法的各步骤相应结构 的剖面示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。 图6至图IO为本发明的MIM电容器的制造方法的实施例的各步骤 相应结构的剖面示意图。
如图6所示，提供半导体基底10，所述半导体基底10中形成有互 连层12;所述互连层12的表面被露出，该互连层12的材质可以为铜或 铝；除所述互连层12的表面区域外，所述半导体基底IO的表面为绝缘 材料，所述绝缘材料可以为氧化硅、氮化硅、碳化硅、碳氧硅化合物、 碳氮硅化合物、氟硅玻璃、磷珪玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、黑钻石 中的一种。
如图7所示，在所述半导体基底IO上形成第一金属层14,在所述 第一金属层14上形成第二金属层16。
所述第一金属层14为电阻率的较低的材料，例如铝或铝铜合金； 在其中的一个实施例中，所述第一金属层14为铝，形成所述铝材质的 第一金属层14的方法为物理气相沉积；所述第一金属层14的厚度为500 至1500A;在形成铝或铝铜合金之前，可以先形成一金属阻挡层(图未 示)，例如TiN,以阻止铝或铝铜合金向半导体基底10中扩散。
所述第二金属层16为晶粒尺寸较小且易于平坦化的金属，例如钛、 氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合；在其中的一个实施例中，所述第 二金属层16为钽；形成所述第二金属层16的方法为物理气相沉积或化
学气相沉积。
如图8所示，对所述第二金属层16进行平坦化；所述平坦化的方 法可以为化学机械研磨。
由于所述第一金属层14的材质铝具有较大的晶粒尺寸，且晶粒尺 寸大小不均匀，在沉积所述第一金属层14后，该第一金属层14的表面 粗糙度较大，平坦度较差，而该第一金属层14将用于形成MIM电容器 的下基板，这使得在形成MIM电容器时，下极板的面积难以控制，获 得电容值较为准确的电容器变得较为困难；此外，下极板的粗糙表面也 引起在该下极板上形成的电介质膜的平整度变差，进而使得形成的MIM 电容器性能下降。
通过在所述第一金属层14上形成第二金属层16,并对所述第二金 属层16进行平坦化，该第一金属层14和第二金属层16组合用于形成 电容器的下极板，而由于第二金属层16的平坦度较好，使形成的MIM 电容器的下极板的平坦度提高， 一方面有利于形成电容值较为准确的电 容器；另一方面也可以提高形成的MIM电容器的性能。
此外，该第二金属层16也可以作为阻挡层，阻挡与该下极板连接 的接触插塞的金属向第一金属层14中扩散，例如，当所述连接插塞为 铜时，钽可以阻止铜的扩散。
通过化学机械研磨进行平坦化会使所述第二金属层16的厚度减小， 可以通过首先沉积较厚的第二金属层16，然后通过化学机械研磨进行平 坦化，同时去除部分第二金属层16的材料，使其厚度减小至目标厚度， 通过控制化学机械研磨的时间可以控制研磨后剩余的厚度；通过沉积第 二金属层16并进行平坦化的工艺来提高MIM电容器下极板平坦度的工 艺较为简单。
如图9所示，在所述经过平坦化的第二金属层16上形成介质层18, 在所述介质层18上形成第三金属层20;该介质层18用于形成MIM电 容器的电介质膜，第三金属层20用于形成MIM电容器的上极板。
所述介质层18的可以是氮化硅或氧化硅或其组合，所述介质层18
也可以是低介电常数材料；形成所述介质层18的方法可以是物理气相 沉积或化学气相沉积或原子层沉积；所述介质层18的材质和厚度根据 MIM电容的目标值确定。
所述第三金属层20为铝、钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组 合，其形成的方法包括物理气相沉积或化学气相沉积。
如图IO所示，在所述第三金属层20上旋涂光刻胶层，并通过曝光 显影形成光刻胶图形22。
以所述光刻胶图形22作为刻蚀阻挡层，刻蚀未被所述光刻胶图形 22覆盖的第三金属层20、介质层18、第二金属层16和第一金属层14， 形成第三金属层图形20a、介质层图形18a、第二金属层图形16a和第 一金属层图形14a,即形成以第三金属层图形20a作为上极板、介质层 图形18a作为电介质膜、第一金属层图形14a和第二金属层图形16a作 为下极板的MIM电容器。
接着，去除所述光刻胶图形22。
在另外的实施例中，可通过再次光刻和刻蚀去除部分第三金属层图 形20a,形成第三金属层图案20b，如图ll所示，使该第三金属层图案 20b的面积小于所述第二金属层图形16a的面积，以^^于所述第二金属 层图形16a和上层的互连结构互连。
图12至图19为本发明的包含有MIM电容器的半导体器件的制造 方法的实施例的各步骤相应结构的剖面示意图。
如图12所示，提供半导体基底40,所述半导体基底40中具有有互 连层42;所述互连层42的表面^皮露出，该互连层42材质可以为铜或铝； 除所述互连层42的表面区域外，所述半导体基底40的表面为绝缘材料， 所述绝缘材料可以为氧化硅、氮化硅、碳化硅、碳氧硅化合物、碳氮硅 化合物、氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、黑钻石中的一 种。
如图13所示，在所述半导体基底40上形成第一金属层44,在所述 第一金属层44上形成第二金属层46。
所述第一金属层44为电阻率的较低的材料，例如铝或铝铜合金； 在其中的一个实施例中，所述第一金属层44为铝，形成所述铝材质的 第 一金属层44的方法为物理气相沉积；所述第 一金属层44的厚度为500 至1500A。在形成铝或铝铜合金之前，可以先形成一金属阻挡层(图未 示)，例如TiN,以阻止铝或铝铜合金向半导体基底40中扩散。
所述第二金属层46为晶粒尺寸较小且易于平坦化的金属，例如钬、 氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合；在其中的一个实施例中，所述第 二金属层46为钽；形成所述第二金属层46的方法为物理气相沉积或化 学气相沉积。
如图14所示，对所述第二金属层46进行平坦化；所述平坦化的方 法可以为化学机械研磨。
由于所述第一金属层44的材质铝具有较大的晶粒尺寸，且晶粒尺 寸大小不均匀，在沉积所述第一金属层44后，该第一金属层44的表面 粗糙度较大，平坦度较差，而该第一金属层44将用于形成MIM电容器 的下基板，这使得在形成MIM电容器时，下极板的面积难以控制，获 得电容值较为准确的电容器变得较为困难；此外，下极板的粗糙表面也 引起在该下极板上形成的电介质膜的平整度变差，进而使得形成的MIM 电容器性能下降。
通过在所述第一金属层44上形成第二金属层46,并对所述第二金 属层46进行平坦化，该第一金属层44和第二金属层46组合用于形成 电容器的下极板，而由于第二金属层46的平坦度较好，使形成的MIM 电容器的下极板的平坦度提高， 一方面有利于形成电容值较为准确的电 容器；另一方面也可以提高形成的MIM电容器的性能；此外，该第二 金属层46也可以作为阻挡层，阻挡与该下极板连接的接触插塞的金属 向第一金属层44中扩散，例如，当所述连接插塞为铜时，钽可以阻止 铜的扩散。
通过化学机械研磨进行平坦化会使所述第二金属层46的厚度减小， 可以通过首先沉积较厚的第二金属层46，然后通过化学机械研磨进行平 坦化，并同时去除部分第二金属层46的材料，使其厚度减小至目标厚度，通过控制化学机械研磨的时间可以控制研磨后剩余的厚度；通过沉
积第二金属层46并进行平坦化的工艺来提高MIM电容器下极板平坦度 的工艺较为简单。
如图15所示，在所述经过平坦化的第二金属层46上形成第一介质 层48，在所述第一介质层48上形成第三金属层50;该第一介质层48 用于形成MIM电容器的电介质膜，第三金属层50用于形成MIM电容 器的上极板。
所述第一介质层48的可以是氮化硅或氧化硅或其组合，所述第一 介质层48也可以是低介电常数材料；形成所述第一介质层48的方法可 以是物理气相沉积或化学气相沉积或原子层沉积；所述第一介质层48 的材质和厚度根据MIM电容的目标值确定。
所述第三金属层50为铝、钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组 合，其形成的方法包括物理气相沉积或化学气相沉积。
如图16所示，在所述第三金属层50上旋涂光刻胶层，并通过曝光 显影形成光刻胶图形52。
以所述光刻胶图形52作为刻蚀阻挡层，刻蚀未被所述光刻胶图形 52覆盖的第三金属层50、第一介质层48、第二金属层46和第一金属层 44，形成第三金属层图形50a、第一介质层图形48a、第二金属层图形 46a和第一金属层图形44a,即形成以第三金属层图形50a作为上极板、 第一介质层图形48a作为电介质膜、第一金属层图形44a和第二金属层 图形46a作为下极板的MIM电容器。
接着，去除所述光刻胶图案52。
通过再次光刻和刻蚀去除部分第三金属层图形50a,形成第三金属 层图案50b,如图17所示，使该第三金属层图案50b的面积小于所述第 二金属层图形46a的面积，以便于所述第二金属层图形46a和上层的互 连结构互连。
如图18所示，在所述半导体基底40和所述MIM电容器上形成第 二介质层54,所述第二介质层54为低介电常数材料，例如可以是氟硅
玻璃或黑钻石中的一种。
在所述第二介质层54中形成第一开口 56、第二开口 58和第三开口 60,其中第一开口 56、第二开口 58和第三开口 60可以是连接孔或者是 连接孔和沟槽的组合。
所述第一开口 56底部露出所述第三金属层图形50b,所述第二开口 58底部露出所述第二金属层图形46a,所述第三开口 60底部露出所述 互连层42的表面。
接着，如图19所示，在所述第一开口 56、第二开口 58和第三开口 60中填充金属材料，形成第一连接插塞56a、第二连接插塞58a和第三 连接插塞60a;所述金属材料可以是铜。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明， 任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能 的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的 范围为准。
权利要求
1、一种MIM电容器的制造方法，其特征在于，包括提供半导体基底；在所述半导体基底上形成第一金属层；在所述第一金属层上形成第二金属层，平坦化所述第二金属层；在所述第二金属层上形成介质层；在所述介质层上形成第三金属层；图形化所述第三金属层、介质层、第二金属层和第一金属层，形成以第一金属层图形和第二金属层图形为下极板、第三金属层图形为上极板、介质层图形为电介质的MIM电容器。
2、 如权利要求1所述的MIM电容器的制造方法，其特征在于所 述第一金属层为铝或铝铜合金。
3、 如权利要求1所述的MIM电容器的制造方法，其特征在于所 述第二金属层为钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合。
4、 如权利要求3所述的MIM电容器的制造方法，其特征在于平 坦化所述第二金属层的方法为化学才几械研磨。
5、 如权利要求1所述的MIM电容器的制造方法，其特征在于所 述介质层为氮化硅或氧化硅。
6、 如权利要求1所述的MIM电容器的制造方法，其特征在于所 述第二金属层为铝、钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合。
7、 一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括 提供半导体基底，在所述半导体基底中具有互连层； 在所述半导体基底上形成第一金属层；在所述第一金属层上形成第二金属层，平坦化所述第二金属层； 在所述第二金属层上形成第一介质层；在所述第一介质层上形成第三金属层；图形化所述第三金属层、第一介质层、第二金属层和第一金属层， 形成以第一金属层图形和第二金属层图形为下极板、第三金属层图形为 上极板、第一介质层图形为电介质的MIM电容器，且所述上极板的面 积小于下极板的面积；在所述MIM电容器和半导体基底上形成第二介质层；在所述第二介质层中形成第一开口、第二开口和第三开口，所述第 一开口底部露出所述第三金属层图形的表面，所述第二开口底部露出所 述第二金属层图形的表面，所述第三开口底部露出所述互连层表面；在所述第一开口、第二开口和第三开口中填充金属材料。
8、 如权利要求7所述的半导体器件的制造方法，其特征在于所 述第一金属层为铝或铝铜合金。
9、 如权利要求7所述的半导体器件的制造方法，其特征在于所 述第二金属层为钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合。
10、 如权利要求9所述的半导体器件的制造方法，其特征在于平 坦化所述第二金属层的方法为化学机械研磨。
11、 如权利要求7所述的半导体器件的制造方法，其特征在于所 述第 一介质层为氮化硅或氧化硅。
12、 如权利要求7所述的半导体器件的制造方法，其特征在于所 述第二金属层为铝、钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合。
13、 如权利要求7所述的半导体器件的制造方法，其特征在于所 述第二介质层为低介电常数材料。
14、 一种MIM电容器，其特征在于，包括 半导体基底；所述半导体基底上的第 一金属层图形和第二金属层图形形成的下 极板；所述第二金属层图形上的介质层图案形成的电介质层；以及所述介质层图案上的第三金属层图案形成的上极板；其中，所述第二金属层图案具有平坦的上表面。
15、 如权利要求14所述的MIM电容器，其特征在于所述第一金 属层为铝。
16、 如权利要求14所述的MIM电容器，其特征在于所述第二金 属层为钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合。
17、 一种半导体器件，其特征在于，包括 具有互连层的半导体基底；所述半导体基底上的第一金属层图形和第二金属层图形形成的下 极板；所述第二金属层图形上的介质层图案形成的电介质层；所述介质 层图案上的第三金属层图案形成的上极板；以及所述上极板和半导体基底上的第二介质层；和所述第二介质层中的第一连接插塞、第二连接插塞和第三连接插塞；其中，所述上核il的面积小于所述下电^L的面积；所述第 一连接插塞与所述上极板连接，所述第二连接插塞与所述下 极板连接，所述第三连接插塞与所述互连层连接。
18、 如权利要求17所述的半导体器件，其特征在于所述第一金 属层为铝。
19、 如权利要求17所述的半导体器件，其特征在于所述第二金 属层为钛、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或组合。
全文摘要
一种MIM电容器的制造方法，包括提供半导体基底；在所述半导体基底上形成第一金属层；在所述第一金属层上形成第二金属层，平坦化所述第二金属层；在所述第二金属层上形成介质层；在所述介质层上形成第三金属层；图形化所述第三金属层、介质层、第二金属层和第一金属层，形成以第一金属层图形和第二金属层图形为下极板、第三金属层图形为上极板、介质层图形为电介质的MIM电容器。本发明还提供一种MIM电容器，本发明还提供一种半导体器件及其制造方法。本发明能够提高MIM电容器下极板的平坦度。
文档编号H01L21/28GK101364532SQ20071004481
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月9日 优先权日2007年8月9日
发明者胡友存 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司