专利名称：多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法。
背景技术：
电容器是集成电路中的重要组成单元，广泛运 用于存储器、微波、射频、智能卡、高压和滤波等芯片中。在芯片中广为采用的电容器构造是平行于硅片衬底的金属-绝缘体-金属(MIM,Metal-Insulator-Metal)电容器。其中金属是制作工艺易与金属互连工艺相兼容的铜、铝等，绝缘体则是氮化硅、氧化硅等高介电常数(k)的电介质材料。改进高k电介质材料的性能是提高电容器性能的主要方法之一。等离子体增强型化学气相沉积方法(PECVD, Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)因其沉积温度低而被广泛用于金属互连工艺中的薄膜沉积。利用PECVD方法制作的氮化硅薄膜内残留大量的硅氢键(Si-H)，使其内存在较多电荷，这导致该氮化硅薄膜在电性厚度方面的均匀性较差，而利用该氮化硅薄膜制作的MM电容器在击穿电压、漏电流等各电特性方面也会相应较差。中国专利CN101577227A介绍了一种改进铝-氮化硅-钽化物电容器性能的方法，通过含氧气体处理该氮化硅薄膜，可以有效地减少氮化硅薄膜内残留的硅氢键，从而有效地改善了电容器的性能。然而，随着半导体集成电路制造技术的不断进步，性能不断提升的同时也伴随着器件小型化，微型化的进程。越来越先进的制程，要求在尽可能小的区域内实现尽可能多的器件，获得尽可能高的性能。因此，如何在有限的面积下获得高密度的电容成为一个非常有吸引力的课题。而上述中国专利CN101577227A中并没有获得高密度的电容。垂直于娃片衬底的金属-氧化物-金属(MOM,Metal-Oxide-Metal)电容器由于能在较小的芯片面积内实现较大电容而成为目前研究的热点。其中的氧化物通常为氧化硅，但在实际应用中也可包括氮化硅等高介电常数(k)的电介质材料。MOM电容器制作工艺与金属互连工艺的兼容性比较好，电容器两级的外连可以和金属互连工艺同步实现。不过，利用PECVD制作氧化硅薄膜也会有大量的硅氢键(Si-H)残留在氧化硅薄膜中，从而影响MOM电容器的性能。中国专利CN111654. I介绍了一种制作MOM电容器的工艺方法。其中的氧化硅采用传统的PECVD工艺制作。大量的硅氢键(Si-H)残留在氧化硅薄膜中。虽然该制作方法对传统PECVD工艺制作的氧化硅进行了含氧气体处理，以减少氧化硅薄膜中残留的硅氢键。然而，该方法制备的氧化硅薄膜中仍然残留有大量的硅氢键(Si-H)，不能满足高性能MOM电容器的需求。因此，有必要进一步改进闻k电介质材料的性能和提闻MOM电容器的性能，从而满足不断微型化的芯片对高性能电容器的要求
发明内容
本发明的目的在于提供一种多层金属-氧化娃-金属电容器的制作方法，以改进MOM电容器的性能。为解决上述问题，本发明提出一种多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法，包括如下步骤步骤I，提供衬底；步骤2，在所述衬底上沉积低K值介质层；步骤3，对所述低K值介质层进行光刻及刻蚀，在其上形成MOM电容器槽；步骤4，通过等离子体增强化学气相沉积和含氮气体处理两步循环的方式在所述MOM电容槽中形成氧化硅；
步骤5，在上述化学机械研磨后的结构表面再次沉积低K值介质层；步骤6，通过光刻和刻蚀在低k值介质层中分别形成互连金属槽及电容金属槽，其中，电容金属槽位于氧化硅上方且电容金属槽的底部连通至氧化硅，互连金属槽用于后续形成互连；步骤7，在所述互连金属槽及电容金属槽中填充金属；重复步骤2至步骤7。可选的，所述等离子体增强化学气相沉积采用的反应气体包括硅烷和一氧化二氮。可选的，所述硅烷的流量在500sccm至600sccm之间，所述一氧化二氮的流量在9000sccm至15000sccm之间,娃烧与一氧化二氮的流量比为1:15至1:30之间,成膜速率在1500纳米/分钟至5000纳米/分钟之间。可选的，所述含氮气体包括一氧化氮、一氧化二氮或氮气。并且优选地为氮气。
可选的,所述含氮气体处理所采用的含氮气体流量在2000sccm至6000sccm之间，处理温度在300摄氏度至600摄氏度之间。可选的，所述通过等离子增强化学气相沉积和含氮气体处理两步循环的方式形成氧化硅的过程中，每次沉积的氧化硅厚度为I纳米至10纳米。与现有技术相比，本发明通过先形成低k值介质和高k值氧化硅的混合层；再利用传统工艺的光刻蚀刻分别在低K值介质及高k值氧化硅中形成互连金属槽及电容金属槽，并在槽中填充金属；重复上述步骤在高k值氧化硅区域实现了多层MOM电容结构，在其他区域实现低k值互连。其中，高k值氧化硅的形成采用PECVD沉积和含氮气体处理循环进行的方式，能有效去除氧化硅中的硅氢键。与传统的单一 k值介质结构相比，本发明既能有效提高层内电容器的电容，又改善了 MOM电容器的击穿电压、漏电流等各电特性，以及各器件间的电学均匀性。通过采用垂直电容结构，还能有效提高电容器密度，从而在较小的芯片面积内实现较大电容。
图I为本发明实施例形成多层MOM电容的方法流程图；图2A 图2G为本发明实施例形成多层MOM电容的方法的各步骤对应的器件结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明提出的多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本发明的核心思想在于，提供一种多层金属-氧化娃-金属电容器的制作方法，该方法通过先形成低k值介质和高k值氧化硅的混合层；再利用传统工艺的光刻蚀刻分别在低K值介质及高k值氧化硅中形成互连金属槽及电容金属槽，并在槽中填充金属；重复上述步骤在高k值氧化硅区域实现了多层MOM电容结构，在其他区域实现低k值互连。其中，高k值氧化硅的形成采用PECVD沉积和含氮气体处理循环进行的方式，能有效去除氧化硅中的硅氢键。与传统的单一 k值介质结构相比，本发明既能有效提高层内电容器的电容，又改善了 MOM电容器的击穿电压、漏电流等各电特性，以及各器件间的电学均匀性。通过采用垂直电容结构，还能有效提高电容器密度，从而在较小的芯片面积内实现较大电容。
请参考图I以及图2A至图2G，其中，图I为本发明实施例形成多层MOM电容的方法流程图，图2A 图2G为本发明实施例形成多层MOM电容的方法的各步骤对应的器件结构示意图，结合图I以及图2A至图2G，本发明提供的多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法，包括如下步骤步骤I :提供衬底101 ;本实施例中所提供的衬底101可以为单纯的硅衬底，也可以为表面已形成半导体器件的娃衬底；步骤2，在所述衬底101上沉积低K值介质层102，如图2A所示；所述低k值介质层102采用化学气相沉积或旋转涂覆工艺形成，介电常数为2 3 ;步骤3，对所述低K值介质层102进行光刻及刻蚀，在其上形成MOM电容器槽200，如图2B所示；所述MOM电容器槽200的底部暴露出衬底101表面；步骤4，通过等离子体增强化学气相沉积和含氮气体处理两步循环的方式在所述MOM电容槽200中形成氧化硅103，如图2C所示；具体地，先通过等离子体增强化学气相沉积和含氮气体处理两步循环的方式形成氧化硅103，所述氧化硅103覆盖所述低K值介质102层及所述MOM电容器槽200 ;然后利用化学机械研磨去除露出在所述MOM电容器槽200外的多余的氧化硅103。为了改善传统PECVD方法制作的氧化硅薄膜在电性厚度方面的均匀性，本发明中采用PECVD法沉积氧化硅与含氮气体处理循环进行的方式，即沉积一层氧化硅后，随后进行含氮气体处理，然后再次沉积氧化硅，再进行含氮气体处理，如此循环；每次沉积的氧化硅厚度为I纳米至10纳米，一直到沉积的氧化硅103达到工艺中需要的厚度为止，然后通过化学机械研磨去除低k值介质层102表面上方多余的氧化硅，形成低k值介质和氧化硅的混合层。其中，PECVD采用的反应气体包括硅烷和一氧化二氮，反应的工艺条件为硅烷的流量在500sccm至600sccm之间，一氧化二氮的流量在9000sccm至15000sccm之间，娃烧与一氧化二氮的流量比为1:15至1:30之间，成膜速率在1500纳米/分钟至5000纳米/分钟之间；含氮气体包括一氧化氮、一氧化二氮或氮气；并且优选地为氮气；含氮气体处理所采用的含氮气体流量在2000SCCm至6000SCCm之间，处理温度在300摄氏度至600摄氏度之间。通过沉积一薄层的氧化硅并紧接着对其进行含氮气体处理，可以充分地去除氧化硅薄膜内的硅氢键Si-H，如此循环，可以获得电性厚度均匀性良好的氧化硅。步骤5，在上述化学机械研磨后的结构表面再次沉积低K值介质层102，如图2D所示；步骤6，通过光刻和刻蚀在低k值介质层102中分别形成互连金属槽300及电容金属槽400,如图2E所不；其中，电容金属槽400位于氧化娃103上方且电容金属槽400的底部连通至氧化硅103，电容金属槽400用于后续形成多层MOM电容的电容极板；电容金属槽400可以均匀开设多个，且电容金属槽400的深度等于氧化硅103表面上方低k值介质层的厚度，即电容金属槽400的底部暴露出氧化硅103。互连金属槽300用于后续形成互连， 其深度可以与电容金属槽400相同，也可以根据实际工艺需求对互连金属槽300的个数、大小、深度进行调整。步骤7，在所述互连金属槽300及电容金属槽400中填充金属；该步骤完成后的器件结构如图2F所示；具体地，该步骤包括在互连金属槽300及电容金属槽400内进行铜互连工艺的铜的扩散阻挡层沉积、铜电镀、铜金属层化学机械研磨等工艺步骤，完成铜填充。接着，重复步骤2至步骤7，在高k值氧化硅区域实现多层MOM电容结构，如图2G所示；具体地，包括以下步骤首先在图2F所示的结构表面沉积低K值介质层；接着通过光刻和刻蚀，在低k值介质层中形成MOM电容器槽；然后通过等离子体增强化学气相沉积和含氮气体处理两步循环的方式在所述MOM电容器槽中形成氧化硅；然后在上一步骤完成后的结构的表面再次沉积低K值介质层；接下来在低K值介质层中分别形成互连金属槽及电容金属槽，其中，电容金属槽用于后续形成电容极板，且与图2E中的电容金属槽的位置相对应，互连金属槽用于形成互连；最后在互连金属槽及电容金属槽中填充金属，从而在高K值氧化硅区域实现多层MOM电容结构，在其他区域实现低K值互连。当然，也可以根据需要再次或多次重复步骤2至7直至达到所需的MOM电容层数。
综上所述，本发明提供了一种多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法，该方法通过先形成低k值介质和高k值氧化硅的混合层；再利用传统工艺的光刻蚀刻分别在低K值介质及高k值氧化硅中形成互连金属槽及电容金属槽，并在槽中填充金属；重复上述步骤在高k值氧化硅区域实现了多层MOM电容结构，在其他区域实现低k值互连。其中，高k值氧化硅的形成采用PECVD沉积和含氮气体处理循环进行的方式，能有效去除氧化硅中的硅氢键。与传统的单一 k值介质结构相比，本发明既能有效提高层内电容器的电容，又改善了 MOM电容器的击穿电压、漏电流等各电特性，以及各器件间的电学均匀性。通过采用垂直电容结构，还能有效提高电容器密度，从而在较小的芯片面积内实现较大电容。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤I，提供衬底； 步骤2，在所述衬底上沉积低K值介质层； 步骤3，对所述低K值介质层进行光刻及刻蚀，在其上形成MOM电容器槽； 步骤4，通过等离子体增强化学气相沉积和含氮气体处理两步循环的方式在所述MOM电容槽中形成氧化硅； 步骤5，在上述化学机械研磨后的结构表面再次沉积低K值介质层； 步骤6，通过光刻和刻蚀在低k值介质层中分别形成互连金属槽及电容金属槽，其中，电容金属槽位于氧化硅上方且电容金属槽的底部连通至氧化硅，互连金属槽用于后续形成互连； 步骤7，在所述互连金属槽及电容金属槽中填充金属； 重复步骤2至步骤7。
2.如权利要求I所述的多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法，其特征在于，所述等离子体增强化学气相沉积采用的反应气体包括硅烷和一氧化二氮。
3.如权利要求2所述的多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法，其特征在于，所述娃烧的流量在500sccm至600sccm之间,所述一氧化二氮的流量在9000sccm至15000sccm之间，硅烷与一氧化二氮的流量比为1:15至1:30之间，成膜速率在1500纳米/分钟至5000纳米/分钟之间。
4.如权利要求I所述的多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法，其特征在于，所述含氮气体包括一氧化氮、一氧化二氮或氮气。
5.如权利要求I所述的多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法，其特征在于，所述含氮气体处理所采用的含氮气体流量在2000sccm至6000sccm之间，处理温度在300摄氏度至600摄氏度之间。
6.如权利要求I所述的多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法，其特征在于，所述通过等离子增强化学气相沉积和含氮气体处理两步循环的方式形成氧化硅的过程中，每次沉积的氧化硅厚度为I纳米至10纳米。
全文摘要
本发明公开了一种多层金属-氧化硅-金属电容器的制作方法，该方法通过先形成低k值介质和高k值氧化硅的混合层；再利用传统工艺的光刻蚀刻分别在低K值介质及高k值氧化硅中形成互连金属槽及电容金属槽，并在槽中填充金属；重复上述步骤在高k值氧化硅区域实现了多层MOM电容结构，在其他区域实现低k值互连。其中，高k值氧化硅的形成采用PECVD沉积和含氮气体处理循环进行的方式，能有效去除氧化硅中的硅氢键。与传统的单一k值介质结构相比，本发明既能有效提高层内电容器的电容，又改善了MOM电容器的击穿电压、漏电流等各电特性，以及各器件间的电学均匀性。
文档编号H01L21/02GK102779732SQ20121029266
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月16日 优先权日2012年8月16日
发明者周军, 张月雨, 毛智彪, 王丹 申请人:上海华力微电子有限公司