專利名稱：電容器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種電容器的制造方法，特別是有關(guān)于一種用于集成電路的金屬-絕緣體-金屬(Metal-Insulator-Metal；MIM)電容器的制造方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)今的超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integration；VLSI)中，電容器是常用的被動(dòng)元件之一。電容器經(jīng)常整合在雙載子(Bipolar)晶體管或互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary MetalOxide Semiconductor；CMOS)晶體管等主動(dòng)元件之中。這些電容器通常有多晶硅-絕緣體-多晶硅(Polysilicon-Insulator-Polysilicon；PIP)、金屬-絕緣體-硅(Metal-Insulator-Silicon；MIS)、或金屬-絕緣體-金屬等形式?；谂c工藝的兼容性與工藝的簡易性，這些不同形式的電容器都為平面式。
對(duì)于用在混合信號(hào)(Mixed-signal)或是射頻(Radio Frequency；RF)的應(yīng)用而言，MIM電容器較PIP電容器或MIS電容器具有較多的優(yōu)點(diǎn)。首先，MIM電容器是在工藝后端(Back End Of Line；BEOL)形成，且僅需低工藝溫度(小于450℃)，因此對(duì)于晶體管的參數(shù)所造成的干擾最小。其次，由于MIM電容器不會(huì)產(chǎn)生如PIP電容器或MIS電容器的缺乏效應(yīng)(Depletion Effect)，故可提供較佳的線性度(Linearity)與對(duì)稱度(Symmetry)。因此，MIM電容器與邏輯工藝完全兼容且適合用于現(xiàn)今混合信號(hào)或是射頻的應(yīng)用中。典型的MIM電容器具有以等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法于450℃所形成的氧化介電層(厚度400)。此典型的MIM電容器為平面式結(jié)構(gòu)，且其電容密度約為1fF/μm2。
對(duì)于日益復(fù)雜的混合信號(hào)或是射頻的應(yīng)用而言，平面式MIM電容器的面積成為限制晶片尺寸的重要參數(shù)。因此，有必要在更小的空間中制造出電容器，也就是尋求更高的電容密度。提高電容密度的方法之一是減小介電層厚度，不過代價(jià)是降低了線性度，且由于較大的操作電場而導(dǎo)致較大的漏電流。提高電容密度的另一方法是使用高介電常數(shù)(High-k)的材料，例如五氧化二鉭，然而在復(fù)雜的工藝整合中須用到特殊結(jié)構(gòu)的電極材料。提高電容密度的再一方法則是設(shè)法增加電容器的有效電極面積。
請(qǐng)參考圖1A至圖1I的公知平面式MIM電容器的制造方法的結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖1A，首先提供基材10。接著，形成黏著層20于基材10上。接著，形成金屬層30于黏著層20上。接著，形成黏著層40于金屬層30上。如圖1B，接著形成介電層50于黏著層40上。如圖1C，接著形成黏著層60于介電層50上。接著，形成金屬層70于黏著層60上。接著，形成黏著層80于金屬層70上。如圖1D，于黏著層80上進(jìn)行底部抗反射涂布(Bottom Anti-Reflective Coating；BARC)，以形成抗反射層90。接著，形成光阻層100于部分的抗反射層90上，其中光阻層100具有后續(xù)形成電容器上金屬層(CapacitorTop Metal；CTM)所需的圖形。接著以光阻層100為罩幕，蝕刻部分的抗反射層90、黏著層80、金屬層70、以及黏著層60，如圖1E使暴露部分的介電層50，且形成黏著層65、電容器上金屬層75、黏著層85、以及抗反射層95。此電容器上金屬層75的表面積約為625μm2(25μm×25μm)，此即為此電容器的有效電極面積。如圖1F，接著以沉積、微影、與蝕刻工藝形成抗反射層110覆蓋抗反射層95與部分的介電層50，借以暴露出部分的基材10，且形成介電層55、黏著層45、金屬層35、以及黏著層25。如圖1G，接著形成金屬間介電層120且以微影/蝕刻工藝形成介層洞130。接著，以金屬填滿介層洞130，再輔以平坦化工藝，以形成如圖1H的介層140。接著，如圖1I，以沉積、微影、以及蝕刻工藝形成黏著層150、金屬層160、以及黏著層170，即完成公知平面式MIM電容器的制造過程。
上述以公知平面式MIM電容器的制造方法所形成的MIM電容器的有效電極面積約為625μm2(25μm×25μm)，且電容密度約為1fF/μm2。若想進(jìn)一步增加MIM電容器的有效電極面積以及電容密度，則可設(shè)法采用其它非平面式的MIM電容器。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述發(fā)明背景中，公知平面式MIM電容器的有效電極面積約為625μm2(25μm×25μm)，且電容密度約為1fF/μm2，若想進(jìn)一步增加MIM電容器的有效電極面積以及電容密度，則需設(shè)法采用其它非平面式的MIM電容器。
因此本發(fā)明的目的為提供一種MIM電容器的制造方法，可用以增加電容器的有效電極面積。
依據(jù)本發(fā)明的上述目的，因此本發(fā)明提供一種電容器的制造方法。本發(fā)明提供的第一種電容器的制造方法至少包括提供基材；接著，形成金屬層于基材上；接著，形成第一介電層于金屬層上；接著，微影/蝕刻第一介電層，使第一介電層具有立體島形外觀；接著，形成第一黏著層于第一介電層上；接著，微影/蝕刻部分的第一黏著層與第一介電層，使第一黏著層具有間隙壁結(jié)構(gòu)；接著，形成第二黏著層于第一黏著層上與部分的金屬層上；接著，形成第二介電層于第二黏著層上；接著，形成第三黏著層于第二介電層上；接著，形成電容器上金屬層于第三黏著層上；接著，形成第四黏著層于電容器上金屬層上；以及蝕刻部分的第四黏著層、部分的電容器上金屬層、與部分的第三黏著層，使第四黏著層、部分的電容器上金屬層、與部分的第三黏著層具有電容器的上表面積。
本發(fā)明提供的第二種電容器的制造方法至少包括提供基材；接著，形成金屬層于基材上；接著，形成第一介電層于金屬層上；接著，微影/蝕刻部分的第一介電層，使第一介電層具有錐形孔；接著，微影/蝕刻部分的第一介電層，使第一介電層具有間隙壁結(jié)構(gòu)；接著，形成第一黏著層于第一介電層上與部分的金屬層上；接著，形成一第二介電層于第一黏著層上；接著，形成一第二黏著層于第二介電層上；接著，形成電容器上金屬層于第二黏著層上；接著，形成第三黏著層于電容器上金屬層上；以及蝕刻部分的第三黏著層、部分的電容器上金屬層、與部分的第二黏著層，使第三黏著層、部分的電容器上金屬層、與部分的第二黏著層具有電容器的上表面積。
圖1A至圖1I為公知平面式MIM電容器的制造方法的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2A至圖2N為本發(fā)明的第一較佳實(shí)施例的立體式MIM電容器的制造方法的結(jié)構(gòu)剖面圖；以及圖3A至圖3N為本發(fā)明的第二較佳實(shí)施例的立體式MIM電容器的制造方法的結(jié)構(gòu)剖面圖。
10基材 20黏著層25黏著層 30金屬層35金屬層 40黏著層45黏著層 50介電層55介電層 60黏著層65黏著層 70金屬層75電容器上金屬層 80黏著層85黏著層 90抗反射層95抗反射層 100光阻層110抗反射層120金屬間介電層130介層洞 140介層150黏著層 160金屬層170黏著層 210基材
220黏著層 225黏著層230金屬層 235金屬層240介電層 245介電層250光阻層 260黏著層265黏著層 270黏著層280黏著層 285黏著層290介電層 295介電層300黏著層 305黏著層310金屬層 315電容器上金屬層320黏著層 325黏著層330抗反射層335抗反射層340光阻層 345抗反射層350金屬間介電層360介層洞370介層380黏著層390金屬層 400黏著層410基材420黏著層425黏著層 430金屬層435金屬層 440介電層445介電層 448介電層449介電層 450光阻層460光阻層 470黏著層475黏著層 490介電層
495介電層 500黏著層505黏著層 510金屬層515電容器上金屬層 520黏著層525黏著層 530抗反射層535抗反射層540光阻層545抗反射層550金屬間介電層560介層洞 570介層580黏著層 590金屬層600黏著層具體實(shí)施方式
本發(fā)明有關(guān)于一種立體式MIM電容器的制造方法。圖2A至圖2N為本發(fā)明的第一較佳實(shí)施例的立體式MIM電容器的制造方法的結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖2A，首先提供基材210，其中此基材210上已預(yù)先形成有部分CMOS元件(未繪示)。接著，形成黏著層220于基材210上，其中此黏著層220的材料例如可為氮化鈦，且此黏著層220的厚度例如可約為250。此黏著層220的用途是用來加強(qiáng)后續(xù)工藝中金屬層與基材210的附著力以及作為阻障層之用，且本說明書中所出現(xiàn)的其它黏著層的用途都為加強(qiáng)金屬層與其它層的附著力以及作為阻障層。接著，形成金屬層230于黏著層220上，其中此金屬層230的材料例如可為鋁-銅合金且此金屬層230的厚度例如可約為4000。其中，金屬層230的用途是做為電容器的下電極的一部份。
如圖2B，接著形成介電層240于金屬層230上。此步驟例如可以等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition；PECVD)于約400℃的低溫來達(dá)成。介電層240的材料例如可為二氧化硅且此介電層240的厚度例如可約為1000至15000。
如圖2C，接著以微影工藝定義出具特定圖案的光阻層250。接著，蝕刻圖2B的介電層240，使介電層240成為具立體島形外觀的介電層245，并約暴露出部分的金屬層230。
接著，去除光阻層250。然后如圖2D，形成共形的黏著層260覆蓋介電層245與部分的金屬層230。黏著層260的材料例如可為氮化鈦且此黏著層260的厚度例如可約為250。
接著，以微影/蝕刻工藝定義位于介電層245上方的黏著層260與全部的介電層245，借以暴露出部分金屬層230的表面，使形成如圖2E的具間隙壁結(jié)構(gòu)的黏著層265。
如圖2F，接著形成共形的黏著層270覆蓋黏著層265與部分的金屬層230。黏著層270的材料例如可為氮化鈦且此黏著層270的厚度例如可約為250。
本發(fā)明的第一較佳實(shí)施例的最主要特征即為黏著層270具有立體杯形外觀的間隙壁結(jié)構(gòu)。此具有立體杯形外觀的間隙壁結(jié)構(gòu)可較公知大幅增加MIM電容器的電極面積。至于實(shí)際增加的幅度視間隙壁的高度、任兩個(gè)間隙壁的間距、與每一間隙壁的直徑而定。若后續(xù)工藝中所產(chǎn)生的電容器上金屬層的上表面積約為625μm2(25μm×25μm)，則以間隙壁的高度約為8000、任兩個(gè)間隙壁的間距約為0.5μm、以及每一間隙壁的直徑約為0.5μm來計(jì)算，則可得有效電極面積約為3520μm2，較公知平面式MIM電容器的有效電極面積625μm2增加約4.6倍之多。
由于黏著層270與黏著層265為相同材質(zhì)，因此可共同組成圖2G的黏著層280。而且，黏著層280、黏著層220與金屬層230共同構(gòu)成電容器的下電極。接著，形成介電層290于黏著層280上。此步驟例如可以等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積于約400℃的低溫來達(dá)成。介電層290的材料例如可為二氧化硅且此介電層290的厚度例如可約為400。
如圖2H，接著形成黏著層300于介電層290上，其中黏著層300的材料例如可為氮化鈦且此黏著層300的厚度例如可約為250。接著，形成金屬層310于黏著層300上，其中金屬層310的材料例如可為鋁-銅合金且此金屬層310的厚度例如可約為1200。接著，形成黏著層320于金屬層310上，其中黏著層320的材料例如可為氮化鈦且此黏著層320的厚度例如可約為700。
如圖2I，接著形成抗反射層330于黏著層320上，以避免后續(xù)微影工藝中圖案轉(zhuǎn)移不正確，其中抗反射層330的材料例如可為氮氧化硅且此抗反射層330的厚度例如可約為300。接著以微影工藝形成光阻層340于抗反射層330上，其中光阻層340具有后續(xù)形成電容器上金屬層所需的圖案。
接著，以光阻層340為罩幕，蝕刻部分的抗反射層330、黏著層320、金屬層310、以及黏著層300，如圖2J所示使暴露部分的介電層290，且形成黏著層305、電容器上金屬層315、黏著層325、以及抗反射層335。
接著依序以沉積、微影、與蝕刻工藝形成抗反射層345覆蓋抗反射層335與部分的介電層290，如圖2K所示借以暴露出部分的基材210，且形成介電層295、黏著層285、金屬層235、以及黏著層225，其中抗反射層345的厚度例如可約為300。暴露出的部分基材210可分隔每一個(gè)獨(dú)立的電容器。
接著以金屬間介電層的沉積與平坦化以及介層洞的微影與蝕刻等一連串工藝形成如圖2L的金屬間介電層350與以及介層洞360，其中金屬間介電層350的材料例如可為氟硅玻璃(Fluorinated SilicateGlass；FSG)且厚度例如可約為10000至20000。
接著以例如為鎢的金屬填滿介層洞360，再輔以例如為化學(xué)機(jī)械研磨(Chemical Mechanical Polishing；CMP)或回蝕的平坦化工藝，使去除部分的金屬直至約暴露出金屬間介電層350以形成如圖2M的介層370。
接著，如圖2N，以沉積、微影、以及蝕刻等一連串工藝形成黏著層380、金屬層390、以及黏著層400，即完成本發(fā)明的第一較佳實(shí)施例的立體式MIM電容器的制造過程。
圖3A至圖3N為本發(fā)明的第二較佳實(shí)施例的立體式MIM電容器的制造方法的結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖3A，首先提供基材410，其中此基材410上已于先前工藝形成部分CMOS元件(未繪示)。接著，形成黏著層420于基材410上，其中此黏著層420的材料例如可為氮化鈦且此黏著層420的厚度例如可約為250。接著，形成金屬層430于黏著層420上，其中此金屬層430的材料例如可為鋁-銅合金且此金屬層430的厚度例如可約為4000。
如圖3B，接著形成介電層440于金屬層430上。此步驟例如可以等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition；PECVD)于約400℃的低溫來達(dá)成。介電層440的材料例如可為二氧化硅且此介電層440的厚度例如可約為1000至15000。
如圖3C，接著以微影工藝定義出具特定圖案的光阻層450。接著，蝕刻圖3B的介電層440，使介電層440成為如圖3C的具錐形孔的介電層445，并約暴露出部分的金屬層430。
接著，以光阻填滿介電層445的錐形孔，再輔以平坦化工藝，例如使用回蝕刻工藝或是CMP平坦化工藝，平坦化光阻直至約曝露出介電層445的表面，即可形成如圖3D所示的光阻層460。
接著，以非等向性蝕刻法，例如反應(yīng)性蝕刻(RIE)法將介電層445蝕刻成為如圖3E所示的具間隙壁結(jié)構(gòu)的介電層448。
接著，去除光阻層460。如圖3F，接著形成共形的黏著層470覆蓋介電層448與部分的金屬層430。黏著層470的材料例如可為氮化鈦且此黏著層470的厚度例如可約為250。
本發(fā)明的第二較佳實(shí)施例的最主要特征即為黏著層470具有立體杯形外觀的間隙壁結(jié)構(gòu)。此具有立體杯形外觀的間隙壁結(jié)構(gòu)可較公知大幅增加MIM電容器的電極面積。至于實(shí)際增加的幅度視間隙壁的高度、任兩個(gè)間隙壁的間距、與每一間隙壁的直徑而定。若后續(xù)工藝中所產(chǎn)生的電容器上金屬層的上表面積約為625μm2(25μm×25μm)，則以間隙壁的高度約為8000、任兩個(gè)間隙壁的間距約為0.5μm、以及每一間隙壁的直徑約為0.5μm來計(jì)算，則可得有效電極面積約為3520μm2，較公知平面式MIM電容器的有效電極面積625μm2增加約4.6倍之多。
如圖3G，接著形成介電層490于黏著層470上。此步驟例如可以等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積于約400℃的低溫來達(dá)成。介電層490的材料例如可為二氧化硅，且此介電層490的厚度例如可約為400。
如圖3H，接著形成黏著層500于介電層490上，其中黏著層500的材料例如可為氮化鈦且此黏著層500的厚度例如可約為250。接著，形成金屬層510于黏著層500上，其中金屬層510的材料例如可為鋁-銅合金且此金屬層510的厚度例如可約為1200。接著，形成黏著層520于金屬層510上，其中黏著層520的材料例如可為氮化鈦，且此黏著層520的厚度例如可約為700。
如圖3I，接著形成抗反射層530于黏著層520上，以避免后續(xù)微影工藝中圖案轉(zhuǎn)移不正確，其中抗反射層530的材料例如可為氮氧化硅且此抗反射層530的厚度例如可約為300。接著以微影工藝形成光阻層540于抗反射層530上，其中光阻層540具有后續(xù)形成電容器上金屬層所需的圖案。
接著，以光阻層540為罩幕，蝕刻部分的抗反射層530、黏著層520、金屬層510、以及黏著層500，如圖3J所示使暴露部分的介電層490，且形成黏著層505、電容器上金屬層515、黏著層525、以及抗反射層535。
接著以沉積、微影、與蝕刻工藝形成抗反射層545覆蓋抗反射層535與部分的介電層490，如圖3K所示借以暴露出部分的基材410，且形成介電層495、黏著層475、金屬層435、以及黏著層425，其中抗反射層545的厚度例如可約為300。暴露出的部分基材410可分隔每一個(gè)獨(dú)立的電容器。
接著以金屬間介電層的沉積與平坦化以及介層洞的微影與蝕刻等一連串工藝形成如圖3L的金屬間介電層550與以及介層洞560，其中金屬間介電層550的材料例如可為氟硅玻璃(Fluorinated SilicateGlass；FSG)且厚度例如可約為10000至20000。
接著以例如為鎢的金屬填滿介層洞560，再輔以例如為化學(xué)機(jī)械研磨或回蝕的平坦化工藝，使去除部分的金屬直至約暴露出金屬間介電層550以形成如圖3M的介層570。
接著，如圖3N，以沉積、微影、以及蝕刻等一連串工藝形成黏著層580、金屬層590、以及黏著層600，即完成本發(fā)明的第二較佳實(shí)施例的立體式MIM電容器的制造過程。
綜合上述，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為提供一種MIM電容器的制造方法，運(yùn)用本發(fā)明的MIM電容器的制造方法可借著在平面的金屬表面上形成立體杯形之間隙壁結(jié)構(gòu)以增加電容器的有效電極面積。若電容器上金屬層的上表面積約為625μm2(25μm×25μm)，則以間隙壁的高度約為8000、任兩個(gè)間隙壁的間距約為0.5μm、以及每一間隙壁的直徑約為0.5μm來計(jì)算，則可得有效電極面積約為3520μm2，較公知平面式MIM電容器的有效電極面積625μm2增加約4.6倍之多。
權(quán)利要求
1.一種電容器的制造方法，其特征是，該方法至少包括提供一基材；形成一金屬層于該基材上；形成一第一介電層于該金屬層上；定義該第一介電層，使該第一介電層具有一立體島形外觀；形成一第一黏著層于該第一介電層上；定義部分的該第一黏著層與該第一介電層，使該第一黏著層具有一間隙壁結(jié)構(gòu)；形成一第二黏著層于該第一黏著層上與部分的該金屬層上；形成一第二介電層于該第二黏著層上；形成一第三黏著層于該第二介電層上；形成一電容器上金屬層(capacitor top metal；CTM)于該第三黏著層上；形成一第四黏著層于該電容器上金屬層上；去除部分的該第四黏著層、部分的該電容器上金屬層、與部分的該第三黏著層，使該第四黏著層、部分的該電容器上金屬層、與部分的該第三黏著層具有該電容器的一上表面積；形成一抗反射層于該第四黏著層與部分的該第二介電層上；以及去除部分的該抗反射層、部分的該第二介電層、部分的該第一黏著層、以及部分的該金屬層，借以暴露出部分的該基材。
2.如權(quán)利要求1所述的電容器的制造方法，其特征是，該金屬層的厚度約為4000。
3.如權(quán)利要求1所述的電容器的制造方法，其特征是，該第一介電層的厚度約為1000至15000。
4.如權(quán)利要求l所述的電容器的制造方法，其特征是，該第二介電層的厚度約為400。
5.如權(quán)利要求1所述的電容器的制造方法，其特征是，該電容器上金屬層的厚度約為1200。
6.一種電容器的制造方法，其特征是，該方法至少包括提供一基材；形成一金屬層于該基材上；形成一第一介電層于該金屬層上；定義部分的該第一介電層，使該第一介電層具有多個(gè)錐形孔；形成一光阻層覆蓋該第一介電層并填滿該些錐形孔；去除部分的該光阻層，使約暴露出該第一介電層；定義部分的該第一介電層，使該第一介電層具有一間隙壁結(jié)構(gòu)；去除該光阻層；形成一第一黏著層于該第一介電層上與部分的該金屬層上；形成一第二介電層于該第一黏著層上；形成一第二黏著層于該第二介電層上；形成一電容器上金屬層于該第二黏著層上；形成一第三黏著層于該電容器上金屬層上；去除部分的該第三黏著層、部分的該電容器上金屬層、與部分的該第二黏著層，使該第三黏著層、部分的該電容器上金屬層、與部分的該第二黏著層具有該電容器的一上表面積；形成一抗反射層于該第三黏著層與部分的該第二介電層上；以及去除部分的該抗反射層、部分的該第二介電層、部分的該第一黏著層、部分的該第一介電層、以及部分的該金屬層，借以暴露出部分的該基材。
7.如權(quán)利要求6所述的電容器的制造方法，其特征是，該金屬層的厚度約為4000。
8.如權(quán)利要求6所述的電容器的制造方法，其特征是，該第一介電層的厚度約為1000至15000。
9.如權(quán)利要求6所述的電容器的制造方法，其特征是，該第二介電層的厚度約為400。
10.如權(quán)利要求6所述的電容器的制造方法，其特征是，該電容器上金屬層的厚度約為1200。
全文摘要
一種金屬－絕緣體－金屬(Metal－Insulator－Metal；MIM)電容器的制造方法。本發(fā)明的MIM電容器的制造方法是借著在平面的金屬表面上形成立體杯形的間隙壁結(jié)構(gòu)以增加電容器的電極面積。本發(fā)明的MIM電容器的制造方法與現(xiàn)今互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor；CMOS)晶體管的制造技術(shù)完全兼容且可用于未來具混合信號(hào)(Mixed－signal)或是射頻(Radio Frequency；RF)應(yīng)用的系統(tǒng)整合晶片(System On Chip；SOC)上。
文檔編號(hào)H01L21/70GK1459840SQ0212022
公開日2003年12月3日 申請(qǐng)日期2002年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月20日
發(fā)明者林大成, 季明華 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司