MIM电容器及其形成方法技术

本发明专利技术的实施例提供了金属

【技术实现步骤摘要】
MIM电容器及其形成方法
[0001]本申请是于2016年12月27日提交的申请号为201611222600.8的名称为“MIM电容器及其形成方法”的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术的实施例涉及MIM电容器及其形成方法。

技术介绍

[0003]集成芯片包括数百万或数十亿的晶体管器件，其配置为充当开关和/或以产生功率增益，以确保用于集成芯片的逻辑功能(例如，形成配置为实施逻辑功能的处理器)。集成芯片通常还包括诸如电容器、电阻器、电感器、变容二极管等的无源器件。无源器件广泛地用于控制集成芯片特性(例如，增益、时间常数等)并提供具有宽范围的不同功能的集成芯片(例如，在同一管芯上制造模拟和数字电路)。MIM(金属
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绝缘体
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金属)电容器是一种特定类型的电容器，其具有被绝缘材料分隔开的顶金属板和底金属板，其通常集成到集成电路的后段制程金属互连层中。

技术实现思路

[0004]本专利技术的实施例提供了一种形成金属
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绝缘体
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金属(MIM)电容器的方法，包括：在半导体衬底上方形成第一金属板；在所述第一金属板上形成具有第一介电常数的第一介电层；在所述第一介电层上形成具有第二介电常数的第二介电层；在所述第二介电层上形成具有第三介电常数的第三介电层；在所述第三介电层上形成第二金属板；其中，所述第二介电常数不同于所述第一介电常数和所述第三介电常数。
[0005]本专利技术的另一实施例提供了一种形成电容器件的方法，包括：形成第一金属板；在所述第一金属板上形成多个介电层；以及在所述多个介电层上形成第二金属板，其中，所述多个介电层包括至少一个掺杂钽(Ta)的介电层。
[0006]本专利技术的又一实施例提供了一种电容器件，包括：第一金属板；第一介电层，设置在所述第一金属板上；第二介电层，设置在所述第一介电层上；第三介电层，设置在所述第二介电层上；以及第二金属板，设置在所述第三介电层上；其中，所述第一介电层具有第一介电常数，所述第二介电层具有第二介电常数以及所述第三介电层具有第三介电常数，并且所述第二介电常数不同于所述第一介电常数和所述第三介电常数。
附图说明
[0007]当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳地理解本专利技术的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。
[0008]图1是根据一些实施例示出MIM电容器的截面图的图。
[0009]图2是根据一些实施例示出形成MIM电容器的方法的流程图。
[0010]图3至图11是根据本专利技术的一些实施例的在各个阶段处制造MIM电容器的截面图。
具体实施方式
[0011]以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本专利技术。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本专利技术。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本专利技术可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
[0012]下面详细地讨论了本专利技术的实施例。然而，应该理解，本专利技术提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的专利技术构思。所讨论的特定实施例仅仅是说明性的，且并不用于限制本专利技术的范围。
[0013]而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在
…
下方”、“在
…
下面”、“下”、“在
…
之上”、“上”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
[0014]尽管描述本专利技术的宽范围的数值范围和参数是近似值，在特定实例中的描述的数值设尽可能精确地报告。任何数值，然而，固有地包含在各自的测试测量结果中发现的由标准偏差产生的某些必然误差。同样，正如此处使用的术语“约”一般指在给定值或范围的10％、5％、1％或0.5％内。或者，术语“约”意思是在本领域普通的技术人员可以考虑到的可接受的平均标准误差内。除了在操作/工作的实例中，或除非另有明确规定，所有的数值范围、总额、值和百分比，例如用于材料数量、持续时间、温度、操作条件、数额以及本专利技术此处公开的其他型似物，应该被理解为在所有情况下被术语“约”修改。因此，除非有相反规定，本专利技术和所附权利要求所描述的数值参数是可以根据要求改变的近似值。至少，每个数值参数应该至少被解释为根据被报告的有效数字的数目，并应用普通的四舍五入技术。此处范围可以表示为从一个端点到另一个端点或在两个端点之间。此处公开的所有范围包括端点，除非另有说明。
[0015]MIM(金属
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绝缘体
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金属)电容器是一种特定类型的电容器，其具有被电容器介电层分隔开的顶金属板和底金属板，其通常在集成电路的后段制程(BEOL)金属互连层中实现。随着在先进的半导体制造技术中按比例缩小MIM电容器，电容器介电层的可靠性成为MIM电容器的一个主要问题。例如，当MIM电容器的尺寸按比例缩小到约10nm时，电容器介电层中使用的高k(高介电常数)材料(例如，氧化铪(HfO2))可以很容易地在高温处结晶。结晶的介电层可引起顶金属板和底金属板之间的泄漏电流。其结果是，MIM电容器的时间依赖的电介质击穿(TDDB)可能无法满足10年/125℃的目标，即使HfO2具有在约28
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30Ff/μm2范围内的相对较高的电容密度。
[0016]因此，本专利技术提供了一种具有高结晶温度和高介电常数的新型介电结构以用于提高电容器件的TDDB的电容器件。此外，本专利技术提供了形成电容器件的相关方法。电容器件可
以是MIM(金属
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绝缘体
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金属)电容器或MIM去耦电容器。图1是根据一些实施例示出MIM电容器100的截面图的图。MIM电容器100设置在集成电路10的金属层结构或后段制程(BEOL)中的两个金属层之间。用于说明性的目的，第一金属层是金属层结构中的第七金属层M7(即，顶金属层)，以及第二金属层是金属层结构中的第六金属层M6(即，第二高金属层)。本专利技术不限于此。MIM电容器100包括第一金属板102、多个介电层104和第二金属板106。多个介电层104设置在第一金属板102和第二金属板106之间。根据一些实施例，多个介电层104设置在第一金属板102的表面1022上方。多个介电层104包括至少一个掺杂钽(Ta)的介电层。根据一些实施例，多个介电层104包括第一介电层10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种形成金属
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绝缘体
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金属(MIM)电容器的方法，包括：在半导体衬底上方形成第一金属板；在所述第一金属板上形成具有第一介电常数的第一介电层；在所述第一介电层上形成具有第二介电常数的第二介电层；在所述第二介电层上形成具有第三介电常数的第三介电层；在所述第三介电层上形成第二金属板；在所述第二金属板上方形成覆盖所述第二金属板并且围绕所述第二金属板的侧壁的覆盖层，其中，所述覆盖层从所述第二金属板上方通过所述第二金属板的侧壁连续延伸至所述第三介电层上方；实施第一蚀刻工艺以去除部分所述第二金属板；以及实施第二蚀刻工艺以蚀刻所述覆盖层的一部分并且停止在所述第一金属板的顶面上以形成暴露所述第一金属板的顶面的第一凹槽，并且还蚀刻所述覆盖层的另一部分并且停止在所述第二金属板的顶面上以形成暴露所述第二金属板的顶面的第二凹槽，形成接触所述第一金属板的第一通孔；以及形成接触所述第二金属板的第二通孔；其中，所述第一金属板以及所述第一介电层至所述第三介电层嵌入在第四介电层中，并且所述第四介电层下面形成有第五介电层，并且其中，所述第五介电层中形成有第一金属线和第二金属线，其中，界面层设置在所述第四介电层和所述第五介电层之间，并且其中，所述第一金属板通过所述第四介电层与所述界面层间隔开，其中，所述第一通孔和所述第二通孔分别连接至第一导电线和第二导电线，并且所述第一导电线和所述第二导电线位于相同的层上，其中，所述方法还包括，在与所述第一导电线和所述第二导电线相同的层中形成顶金属线，其中，所述第一金属线通过设置为远离所述第一金属板的第三通孔电连接至所述顶金属线，并且其中，所述第二金属线由所述第一金属板覆盖并且与所述第一金属板电隔离，其中，所述第二介电常数不同于所述第一介电常数和所述第三介电常数，所述第二介电层是五氧化二钽，并且其中，所述第一介电层至所述第三介电层所形成的钽掺杂的氧化铪层的介电常数高于所述第四介电层的介电常数，从所述第二介电层的顶面和所述第二介电层的底面测量所述第二介电层的厚度，所述顶面与所述第三介电层直接接触，所述底面与所述第一介电层直接接触，以及所述第二介电层的厚度小于所述第一介电层的厚度并且小于所述第三介电层的厚度，其中，所述第二介电层的表面的面积大于所述第一介电层的表面的面积并且大于所述第三介电层的表面的面积。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一导电线、所述第二导电线和所述顶金属线都穿过蚀刻停止层延伸。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一介电常数等于所述第三介电常数，并且所述第二介电常数小于所述第一介电常数并且小于所述第三介电常数。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一介电层具有第一结晶温度，所述第二介电层具有第二结晶温度，并且所述第三介电层具有第三结晶温度，以及所述第二结晶温度
高于所述第一结晶温度并且高于所述第三结晶温度。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一介电层具有第一带隙能量，所述第二介电层具有第二带隙能量，并且所述第三介电层具有第三带隙能量，以及所述第二带隙能量不同于所述第一带隙能量并且不同于所述第三带隙能量。6.一种形成电容器件的方法，包括：在后段制程的第一金属层和第二金属层之间的层间介电层上形成第一金属板；在所述第一金属板上形成多个介电层；在所述多个介电层上形成第二金属板；在所述第二金属板上方形成覆盖所述第二金属板并且围绕所述第二金属板的侧壁的覆盖层，其中，所述覆盖层从所述第二金属板上方通过所述第二金属板的侧壁连续延伸至所述多个介电层的最顶部的第三介电层上方；实施第一蚀刻工艺以去除部分所述第二金属板；以及实施第二蚀刻工艺以蚀刻所述覆盖层的一部分并且停止在所述第一金属板的顶面上以形成暴露所述第一金属板的顶面的第一凹槽，并且还蚀刻所述覆盖层的另一部分并且停止在所述第二金属板的顶面上以形成暴露所述第二金属板的顶面的第二凹槽；在所述第一凹槽和所述第二凹槽中分别形成第一金属通孔结构和第二金属通孔结构；以及在所述覆盖层上方形成另一层间介电层，使得所述第一金属板和所述多个介电层嵌入在所述另一层间介电层中，其中，所述界面层设置在所述第一金属层和所述层间介电层之间，并且其中，所述第一金属板通过所述层间介电层与所述界面层间隔开，其中，所述多个介电层包括第一介电层、第二介电层和第三介电层，所述第二介电层夹在所述第一介电层和所述第三介电层之间，所述第二介电层是五氧化二钽(Ta2O5)，并且其中，所述第一介电层至所述第三介电层所形成的钽掺杂的氧化铪层的介电常数高于所述另一层间介电层的介电常数，从所述第二介电层的顶面和所述第二介电层的底面测量所述第二介电层的厚度，所述顶面与所述第三介电层直接接触，所述底面与所述第一介电层直接接触，以及所述第二介电层的厚度小于所述第一介电层的厚度并且小于所述第三介电层的厚度，其中，所述第一金属层设置在所述层间介电层下面，所述第一金属层中形成有第一金属线和第二金属线，并且其中，所述第一金属线通过设置为远离所述第一金属板、多个介电层和所述第二金属板的通孔电连接至所述层间介电层上面的第二金属层中的相应导电部件，而所述第二金属线由所述第一金属板覆盖并且与所述第一金属板电隔离，其中，所述第二介电层的表面的面积大于所述第一介电层的表面的面积并且大于所述第三介电层的表面的面积，其中，所述层间介电层围绕并接触所述第一金属板的底面和侧壁。7.一种电容器件，包括：第一金属板，设置在后段制程的第一金属层和第二金属层之间的层间介电层上；第一介电层，设置在所述第一金属板上；第二介电层，设置在所述第一介电层上；
第三介电层，设置在所述第二介电层上；以及第二金属板，设置在所述第三介电层上；覆盖层，位于所述第二金属板上方并且围绕所述第二金属板的侧壁；第一金属通孔结构，配置为穿过所述覆盖层、所述第三介电层、所述第二介电层和所述第一介电层，以连接所述第一金属板；第二金属通孔结构，配置为穿过所述覆盖层以连接所述第二金属板；界面层，设置在所述第一金属层和所述层间介电层之间，并且其中，所述第一金属板通过所述层间介电层与所述界面层间隔开，其中，所述第一金属板以及所述第一介电层至所述第三介电层嵌入在第四介电层中，并且所述第四介电层下面形成有第五介电层，并且其中，所述第五介电层中形成有第一金属线和第二金属线，并且其中，所述第一金属线通过设置为远离所述第一金属板的第三金属通孔结构电连接至所述第四介电层上方的相应导电部件，而所述第二金属线由所述第一金属板覆盖并且与所述第一金属板电隔离，其中，所述层间介电层围绕并接触所述第一金属板的底面和侧壁，其中，所述覆盖层从所述第一金属通孔结构连续地延伸至所述第二金属通孔结构，其中，所述第一介电层具有第一介电常数，所述第二介电层具有第二介电常数以及所...

【专利技术属性】
技术研发人员：林杏莲，金海光，蔡正原，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：