金属-绝缘体-金属(mim)电容器结构及其形成方法
【专利说明】金属-绝缘体-金属(Μ I Μ)电容器结构及其形成方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是2013年12月18日提交的标题为“用于形成金属-绝缘体-金属(MM)电容器结构的机制”的第14/133，037号申请的部分继续申请。
技术领域
[0003]本发明涉及集成电路器件，更具体地，涉及金属-绝缘体-金属(MIM)电容器结构及其形成方法。
【背景技术】
[0004]半导体器件用于各种电子应用中，诸如个人计算机、手机、数码相机和其他电子设备。通常通过在半导体衬底上方依次沉积绝缘或介电层、导电层和半导体材料层以及使用光刻图案化各个材料层以在各个材料层上形成电路组件和元件来制造半导体器件。在单个半导体晶圆上通常制造许多集成电路，并且通过沿着划线在集成电路之间锯切来分割晶圆上的单独的管芯。例如，单独的管芯通常以多芯片模块或其他封装类型来分别封装。
[0005]通过不断减小最小部件尺寸(这允许更多的组件集成到给定区域内)，半导体工业不断改进各种电子组件(例如，晶体管、二极管、电阻器、电容器等)的集成度。在一些应用中，这些较小的电子组件也需要比之前的封装件利用更小面积的较小的封装件。
[0006]一种类型的电容器是金属-绝缘体-金属(MIM)电容器，其用于诸如嵌入式存储器和射频器件的混合信号器件和逻辑器件中。MIM电容器用于存储各种半导体器件中的电荷。MIM电容器横向地形成在半导体晶圆上，其中两个金属板将与晶圆表面平行的介电层夹在中间。然而，存在与MM电容器相关的许多挑战。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种金属-绝缘体-金属(MIM)电容器结构，包括:衬底；以及金属-绝缘体-金属(MIM)电容器，形成在所述衬底上，其中，所述MIM电容器包括:电容器顶部金属(CTM)层；电容器底部金属(CBM)层；和绝缘体，形成在所述CTM层和所述CBM层之间，其中，所述绝缘体包括绝缘层和第一高k介电层，并且其中，所述绝缘层包括氮化物层和氧化物层，并且所述氮化物层形成在所述第一高k介电层和所述氧化物层之间。
[0008]在上述MM电容器结构中，其中，所述绝缘体还包括第二高k介电层。
[0009]在上述MM电容器结构中，其中，所述绝缘体还包括第二高k介电层，其中，所述第一高k介电层和所述第二高k介电层形成在所述绝缘层的相对两侧上。
[0010]在上述MM电容器结构中，其中，所述第一高k介电层的相对介电常数在从约4至约400的范围内。
[0011]在上述MM电容器结构中，其中，所述第一高k介电层包括氧化钛(TixOy，X是实数，并且y是实数)、氧化钽(TaxOy，x是实数，并且y是实数)、氮氧化钛(TixOyNz，X是实数，Y是实数，并且z是实数)或氮氧化钽(TaxOyNz，X是实数，y是实数，并且z是实数)。
[0012]在上述MM电容器结构中，其中，所述第一高k介电层的厚度在从约5埃至约50埃的范围内。
[0013]在上述MM电容器结构中，其中，所述第一高k介电层的厚度在从约5埃至约50埃的范围内，其中，所述CBM层包括底部阻挡层、主要金属层和顶部阻挡层，并且其中，所述底部阻挡层和所述顶部阻挡层形成在所述主要金属层的相对两侧上。
[0014]在上述MM电容器结构中，其中，所述第一高k介电层的厚度在从约5埃至约50埃的范围内，其中，所述CBM层包括底部阻挡层、主要金属层和顶部阻挡层，并且其中，所述底部阻挡层和所述顶部阻挡层形成在所述主要金属层的相对两侧上，其中，所述第一高k介电层形成在所述CBM层的所述顶部阻挡层和所述绝缘层之间。
[0015]在上述MM电容器结构中，其中，所述第一高k介电层的厚度在从约5埃至约50埃的范围内，其中，所述CBM层包括底部阻挡层、主要金属层和顶部阻挡层，并且其中，所述底部阻挡层和所述顶部阻挡层形成在所述主要金属层的相对两侧上，其中，所述底部阻挡层和所述顶部阻挡层独立地包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)或氮化钽(TaN)。
[0016]在上述MM电容器结构中，其中，所述第一高k介电层的厚度在从约5埃至约50埃的范围内，其中，所述CBM层包括底部阻挡层、主要金属层和顶部阻挡层，并且其中，所述底部阻挡层和所述顶部阻挡层形成在所述主要金属层的相对两侧上，其中，所述主要金属层包括铜(Cu)、铜合金、铝(Al)、铝(Al)合金、铜铝合金(AlCu)、钨(W)或钨(W)合金。
[0017]在上述MM电容器结构中，其中，所述绝缘层包括氮化硅层和氧化硅层。
[0018]根据本发明的另一方面，提供了一种金属-绝缘体-金属(MIM)电容器结构，包括:CBM层，形成在衬底上，其中，所述CBM层包括底部阻挡层、主要金属层和顶部阻挡层；第一高k介电层，形成在所述CBM层上；绝缘层，形成在所述第一高k介电层上，其中，所述绝缘层包括第一氮化物层、第二氮化物层、第一氧化物层和第二氧化物层，并且所述第一氧化物层形成在所述第一氮化物层和所述第二氮化物层之间；以及CTM层，形成在所述绝缘层上，其中，所述CTM层包括底部阻挡层、主要金属层和顶部阻挡层。
[0019]在上述MM电容器结构中，其中，所述第一高k介电层包括氧化钛(TixOy，X是实数，并且y是实数)、氧化钽(TaxOy，x是实数，并且y是实数)、氮氧化钛(TixOyNz，X是实数，Y是实数，并且z是实数)或氮氧化钽(Tax0yNz，X是实数，y是实数，并且z是实数)。
[0020]在上述MM电容器结构中，其中，所述MM电容器结构还包括:第二高k介电层，形成在所述第二氧化物层和所述CTM层之间。
[0021]根据本发明的又一方面，提供了一种形成金属-绝缘体-金属(MIM)电容器结构的方法，包括:提供衬底；在所述衬底上形成电容器底部金属(CBM)层，其中，所述CBM层包括底部阻挡层、主要金属层和顶部阻挡层；在所述CBM层上形成第一高k介电层；在所述第一高k介电层上形成第一氮化物层；在所述第一氮化物层上形成第一氧化物层；以及在所述第一氧化物层上形成电容器顶部金属(CTM)层。
[0022]在上述方法中，其中，所述方法还包括:在所述第一氧化物层和所述CTM层之间形成第二高k介电层。
[0023]在上述方法中，其中，所述方法还包括:在所述第一氧化物层上形成第二氮化物层；以及在所述第二氮化物层上形成第二氧化物层。
[0024]在上述方法中，其中，在所述CBM层上形成所述第一高k介电层包括:处理所述CBM层的所述顶部阻挡层的表面。
[0025]在上述方法中，其中，在所述CBM层上形成所述第一高k介电层包括:处理所述CBM层的所述顶部阻挡层的表面，其中，通过等离子体离子化方法、微波表面下游离子化方法或熔炉/快速热退火(RTA)方法实施对所述CBM层的所述顶部阻挡层的表面的处理。
[0026]在上述方法中，其中，在所述第一氮化物层上形成所述第一氧化物层包括:对所述第一氮化物层实施等离子体离子化方法，从而使得在所述第一氮化物层上形成所述第一氧化物层。
【附图说明】
[0027]当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各方面。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，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
[0028]图1示出了根据本发明的一些实施例的半导体器件结构的截面图示。
[0029]图2示出了根据本发明的一些实施例的金属-绝缘体-金属(MM)电容器结构的截面图示。
[0030]图3A至图3C示出了根据本发明的一些实施例的形成金属-绝缘体-金属(MM)电容器结构的各个阶段的截面图示。
[0031]图4A至图4E示出了根据本发明的一些实施例的形成金属-绝缘体-金属(MM)电容器结构的截面图示。
[0032]图5示出了根据本发明的一些实施例的金属-绝缘体-金属(MM)电容器结构的截面图示。
[0033]图6A至图6E示出了根据本发明的一些实施例的形成金属-绝缘体-金属(MM)电容器结构的截面图示。
[0034]图7A至图7B示出了根据本发明的一些实施例的形成金属-绝缘体-金属(MM)电容器结构的截面图示。
[0035]图8示出了根据本发明的一些实施例的金属-绝缘体-金属(MM)电容器结构的截面图示。
[0036]图9示出了根据本发明的一些实施例的金属-绝缘体-金属(MM)电容器结构的截面图示。
【具体实施方式】
[0037]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发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。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形成为直接接触的实施例，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，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨