[發明專利]MIM電容的制造方法

在審

• 申請號: 201310071805.0
• 申請日: 2013-03-06
• 公開（公告）號: CN104037120A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 董天化;朱賽亞;王亮
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司 11018
• 代理人: 牛崢;王麗琴

技術領域

本發明涉及半導體制造技術，特別涉及一種MIM（Metal?Insulator?Metal，金屬-絕緣層-金屬）電容的制造方法。

背景技術

圖1至圖3示出了現有半導體芯片中的MIM電容的制造過程演化圖。其中，如圖1所示，首先在襯底1上沉積底層金屬層201，其材料例如Cu（銅）。然后，如圖2所示，在底層金屬層201上沉積絕緣層202，其材料例如SiN（氮化硅）。最后，如圖3所示，在絕緣層202上沉積頂層金屬層203，其材料例如Cu。

在WAT（Wafer?Acceptance?Test，晶片允收測試）中，對于0.11um和/或0.13um工藝節點下的BEOL（Back?End?Of?Line，后段工藝）中所制造的容量為2fF（F：法拉，電容單位，1fF=10^-15F）的MIM電容的擊穿率很高（大約為0.1%），這使得MIM電容的可靠性下降，進而無法滿足大規模生產的需要。

為了尋找上述2fF的MIM電容擊穿率高的原因，利用FA（Failure?Analysis，故障分析）發現，在MIM電容中，底層金屬層201（如Cu材料）上形成有凸包（hillock）結構2011，如圖4所示，該凸包結構2011會導致沉積于底層金屬層201上的SiN材料的絕緣層202的厚度不均勻，位于底層金屬層201的凸包結構2011之上的絕緣層202的厚度大約為100A（埃），而位于凸包結構2011以外的底層金屬層201的其它部分之上的絕緣層202的厚度大約為300A。由于凸包結構2011的影響，造成了絕緣層202位于凸包結構2011之上部分的厚度小于絕緣層202的其它部分的厚度，這樣，絕緣層202位于凸包結構2011之上的部分由于厚度更小，更易造成擊穿，進而使得含有凸包結構2011的MIM電容的BV（Breakdown?Voltage，擊穿電壓）降低，并且可使得含有凸包結構2011的MIM電容不能長時間工作于較高的電壓下。

通過分析發現，造成凸包結構2011產生的原因主要在于沉積絕緣層202時，由于環境溫度過高、周圍等離子體環境以及氫離子（H⁺）在電場下的加速影響，加速了底層金屬層201銅金屬的應力釋放，進而使得底層金屬層201產生顯著的變形，導致了大量凸包結構2011的產生。

為避免上述2fF的MIM電容擊穿率高，不能長時間工作于較高電壓下的問題，Fab（晶圓代工廠）一般采用以下2種替代手段：

1）利用1.0fF或者1.5fF的MIM電容以替代2fF的MIM電容進行芯片設計，這樣可使得擊穿電壓（BV）能夠達到20V，并且可長時間穩定工作，但是這將增加芯片面積，降低每片晶圓上所生產的芯片的數量，進而增加了制造成本。

2）針對2fF的MIM電容，采用2-plate（2層板）結構的MIM電容以獲得較高的擊穿電壓，該2-plate結構的MIM電容的制造過程如下。

如圖5所示，在襯底1上依次沉積底層金屬層201、絕緣層202和頂層金屬層203，其中，襯底1為經過FEOL（Front?End?Of?Line，前段工藝）所形成的襯底，該襯底1也可進一步經過了部分BEOL（Back?End?Of?Line，后段工藝）。

之后，如圖6所示，定義MIM電容區域，并進行針對頂層金屬層203的刻蝕，以去除部分頂層金屬層203和部分絕緣層202。該過程中需要進行光刻工藝，其中采用了定義頂層金屬層203和絕緣層202刻蝕區域的光罩（mask）。

然后，如圖7所示，進行針對底層金屬層201的刻蝕，以去除部分底層金屬層201，并形成2-plate結構MIM電容。該過程也需要進行光刻工藝，其中采用了定義底層金屬層201刻蝕區域的光罩（mask）。

為了在刻蝕過程中對襯底1進行保護，本領域技術人員依據現有技術，可以在沉積底層金屬層201之前在襯底1上先沉積一層隔離層作為刻蝕底層金屬層201時的阻擋層，同樣，在光刻工藝中，本領域技術人員依據現有技術還可在進行光刻時，在光刻表面涂覆DARC（Dielectric?Anti?Reflective?Coating，電介質抗反射層）等。

由上述介紹可以看出，2-plate結構MIM電容的制造過程中會增加更多工藝步驟并使用更多光罩（mask），這將使得制造成本上升，并且該2-plate結構MIM電容中會采用金屬Al（鋁）作為底層金屬層的材料，進而由于Al的應力會使得2-plate結構MIM電容在X射線物相照片（topograph）中發現較差的結構。