一种MIM电容制备方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种MIM电容制备方法。

背景技术

随着半导体领域的发展，人们对电容的稳定性及耐压性能提出了更高的要求。现有技术中，对电解质层，如氮化硅(SiN)层进行淀积时，SiN层膜厚不均匀，厚度差异较大，导致耐压较低，可靠的经时绝缘击穿电压较低，通常小于3.3V。

为此，需要一种新的MIM电容制备方法。

发明内容

为此，本发明提供一种MIM电容制备方法，以力图解决或者至少缓解上面存在的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种MIM电容制备方法，方法包括步骤：对第一蚀刻材料进行沟槽蚀刻得到梯形沟槽，梯形沟槽的上底边长于下底边，梯形沟槽的腰与下底边的夹角大于100°；在有梯形沟槽的第一蚀刻材料上进行材料淀积；对淀积的材料进行化学机械抛光，得到包括梯形沟槽的第一蚀刻材料和嵌入的梯形淀积材料；在第一蚀刻材料和梯形淀积材料上进行第二蚀刻材料淀积；根据第一蚀刻材料和第二蚀刻材料设置第一介质和第二介质，得到包括介质、梯形淀积材料和蚀刻材料的MIM电容。

可选地，在根据本发明的方法中，第一蚀刻材料包括从下到上层叠的NDC层、金属氧化物层、MIM蚀刻层。

可选地，在根据本发明的方法中，第一蚀刻材料下包括次顶层金属层，次顶层金属层包括位于梯形沟槽下方的第一铜金属区。

可选地，在根据本发明的方法中，在有梯形沟槽的第一蚀刻材料上进行材料淀积包括：在第一蚀刻材料上进行底部金属层淀积；在底部金属层上进行电介质层淀积；在电介质层上进行上层金属淀积。

可选地，在根据本发明的方法中，在电介质层上进行上层金属层淀积包括：在电介质层上进行氮化钛层淀积；在氮化钛层上进行钨层淀积。

可选地，在根据本发明的方法中，根据第一蚀刻材料和第二蚀刻材料设置第一介质和第二介质包括：对第二蚀刻材料进行蚀刻得到淀积第一介质的第一区域，对第一蚀刻材料和第二蚀刻材料进行蚀刻得到淀积第二介质的第二区域；在第一区域淀积第一介质，在第二区域淀积第二介质。

可选地，在根据本发明的方法中，第一区域底部与梯形淀积材料的上底边相接，顶部与第二蚀刻材料的表面相持平。

可选地，在根据本发明的方法中，第二区域的底部与次顶层金属层的第二铜金属区的上表面相接，第二区域的顶部与第二蚀刻材料的表面相持平。

可选地，在根据本发明的方法中，还包括：根据第一介质和第二介质淀积第一顶层金属和第二顶层金属。

可选地，在根据本发明的方法中，第一顶层金属的底部与第一介质和第二蚀刻材料的上表面相接，第二顶层金属的底部与第二介质和第二蚀刻材料的上表面相接。

本发明的一种MIM电容制备方法，方法包括步骤：对第一蚀刻材料进行沟槽蚀刻得到梯形沟槽，梯形沟槽的上底边长于下底边，梯形沟槽的腰与下底边的夹角大于100°；在有梯形沟槽的第一蚀刻材料上进行材料淀积；对淀积的材料进行化学机械抛光，得到包括梯形沟槽的第一蚀刻材料和嵌入的梯形淀积材料；在第一蚀刻材料和梯形淀积材料上进行第二蚀刻材料淀积；根据第一蚀刻材料和第二蚀刻材料设置第一介质和第二介质，得到包括介质、梯形淀积材料和蚀刻材料的MIM电容。通过本发明使得进行材料淀积时所淀积的各层材料较为均匀，提高了金属击穿电压，并且由于梯形淀积材料所在的沟槽为梯形，腰与下底边的夹角增大，使得相同的电容可以有更高的耐压。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了现有技术中MIM电容的结构图；

图2示出了根据本发明一个示范性实施例的MIM电容制备方法100的流程示意图；

图3a示出了根据本发明一个示范性实施例的第一蚀刻材料和次顶层金属层的示意图；

图3b示出了根据本发明一个示范性实施例的对第一蚀刻材料进行蚀刻后的示意图；

图3c示出了根据本发明一个示范性实施例的底部金属层淀积的示意图；

图3d示出了根据本发明一个示范性实施例的电介质层淀积的示意图；

图3e示出了根据本发明一个示范性实施例的氮化钛层淀积的示意图；

图3f示出了根据本发明一个示范性实施例的钨层淀积的示意图；

图3g示出了根据本发明一个示范性实施例的化学机械抛光的示意图；

图3h示出了根据本发明一个示范性实施例的第二蚀刻材料淀积的示意图；

图3i示出了根据本发明一个示范性实施例的对第一蚀刻材料和第二蚀刻材料进行蚀刻的示意图；

图3j示出了根据本发明一个示范性实施例的淀积第一介质和第二介质的示意图；

图3k示出了根据本发明一个示范性实施例的淀积第一顶层金属和第二顶层金属的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

MIM(metal-insulator-matal)电容是指金属-绝缘体-金属电容结构。根据本发明的一个实施例，MIM电容可通过Cu制程进行制备，Cu制程是指将栅极和源漏电极金属替换成Cu的制备方法，本发明对MIM电容的具体制备方法不做限制。

现有技术中，采用Cu制程工艺的1飞法(fF)的MIM电容，在保证10年可靠性的前提下可以保证的最大工作电压(VOPMAX)可以达到5V，即PASS10(通过可靠性考核，寿命超过10年)的情况下，VOPMAX达到5V。

图1示出了现有技术中MIM电容的结构图。如图1所示的MIM电容为2fF，采用Cu制程工艺的MIM电容，其中，POEX是指使用PECVD方式生长的二氧化硅，NDC(NitrideDopedsiliconcarbide)是指掺杂碳化硅薄膜，简称NDC。W是指钨。TiN是指化氮化钛。TM-1(Cu)是指用Cu做的top-1METAL层次，也就是次顶层金属。TM是指TOPMETAL，就是顶层金属。氮化钽(TaN)层在淀积后，靠近Cu层的底部与靠近POEX材料的位置夹角接近90°，在对氮化硅(SiN)层进行淀积时，SiN层膜厚不均匀，厚度差异较大，导致耐压较低，可靠的经时绝缘击穿电压较低，通常小于3.3V。

并且由于淀积后的SiN材料角度约呈直角，在淀积生长的时候在底部材料上覆盖效果不好，不均匀，直角处生长时气体分子不容易落到直角处，导致其他平坦的区域膜厚超过规定的厚度，但是直角处往往会偏薄，如果某些区域的电容介质层SiN偏薄的话就会影响到电容的耐压，从而影响到可靠性。SiN材料角度形状约呈直角构成尖端，使MIM电容的上下极板在底部直角处会形成比较突出的尖角，极板上有尖角就会有尖端放电的问题，也影响到电容的耐压性。

为此，本发明提出了一种新的MIM电容制备方法。图2示出了根据本发明一个示范性实施例的MIM电容制备方法100的流程示意图。一种MIM电容制备方法200始于步骤210，对第一蚀刻材料进行沟槽蚀刻得到梯形沟槽，梯形沟槽的上底边长于下底边，梯形沟槽的腰与下底边的夹角大于100°。

根据本发明的一个实施例，本发明在制备MIM电容时，先在第一蚀刻材料上进行蚀刻得到梯形沟槽。第一蚀刻材料包括从下到上层叠的NDC层、金属氧化物层和MIM蚀刻层。其中，金属氧化物层可具体实现为MCTOxide层。梯形是指沟槽的横截面为梯形。

根据本发明的一个实施例，第一蚀刻材料下包括次顶层金属层，次顶层金属层包括位于梯形沟槽下方的第一铜金属区。

根据本发明的一个实施例，对第一蚀刻材料上进行蚀刻得到梯形沟槽时，可通过调整蚀刻配置(trenchETCHrecipe)，使沟槽底部与沟槽侧边所构成的角度大于100度，得到梯形沟槽，使后续材料淀积时进行底部膜度可以更均匀。

根据本发明的一个实施例，调整蚀刻配置时，可修改蚀刻气体的比例，蚀刻气体中包括产生polymer的气体和主蚀刻气体。在修改蚀刻气体的比例时，具体的将产生polymer的气体比例增加，提高1-2倍，实现提高产生polymer的气体流量，从而减少主刻蚀气体的比例，构建梯形沟槽。根据本发明的一个实施例，在提升钱，正常产生polymer的气体比例为3％-6％。本领域技术人员可根据具体蚀刻需求确定提高产生polymer的气体比例的大小。

通过设置梯形沟槽，使在进行材料淀积时(包括电介质层，即氮化硅层)，由于在进行材料淀积时是将分子一层层的铺设到表面。而分子方向是随机的，如果沟槽底部与沟槽侧边所构成的角度变大的话，分子沉积到夹角处的概率就会接近落到沟槽底部的概率，这样膜厚均匀性就会改善，使膜厚更加均匀，从而提高MIM电容可靠性。

根据本发明的一个实施例，沟槽底部与沟槽侧边所构成的角度越大约好，在具体设置角度时，可考虑到材料结构和加工工艺，将角度设置为100度以上，即可实现预定电学需求。

图3a示出了根据本发明一个示范性实施例的第一蚀刻材料和次顶层金属层的示意图。如图3a所示，最下面一层为次顶层金属层，次顶层金属层包括位于第一铜金属区和第二铜金属区。第一铜金属区和第二铜金属区中间不相连，并填充有其他介质。

次顶层金属层上为第一蚀刻材料。第一蚀刻材料从下到上分别为NDC层、MCTOxide层和MIM蚀刻层。

图3b示出了根据本发明一个示范性实施例的对第一蚀刻材料进行蚀刻后的示意图。如图3b所示，对第一蚀刻材料进行蚀刻后，MIM蚀刻层被完全蚀刻，暴露出金属氧化物层，并且在位于第一铜金属区上方蚀刻出梯形沟槽。梯形沟槽的上底边长于下底边，梯形沟槽的腰与下底边的夹角大于100°。梯形沟槽的下底边即为第一铜金属区。梯形沟槽的两腰从下到上分别为NDC层和金属氧化物层。

回到图2，随后执行步骤220，在有梯形沟槽的第一蚀刻材料上进行材料淀积；具体的：在第一蚀刻材料上进行底部金属层淀积；在底部金属层上进行电介质层淀积；在电介质层上进行上层金属淀积。

根据本发明的一个实施例，底部金属层可具体实现为氮化钽层。

图3c示出了根据本发明一个示范性实施例的底部金属层淀积的示意图。如图3c所示，底部金属层为TaN层，淀积在MCTOxide层和第一铜金属区上。底部金属层沉积覆盖在梯形沟槽上时，下底上的底部金属层和腰上的底部金属层的夹角大于90°，进一步的可大于100°。梯形

根据本发明的一个实施例，电介质层可具体实现为氮化硅层。

图3d示出了根据本发明一个示范性实施例的电介质层淀积的示意图。如图3d所示，底部金属层为SiN层，淀积在TaN层上。电介质层沉积覆盖在梯形沟槽上时，下底上的电介质层和腰上的电介质层的夹角大于90°，进一步的可大于100°。

根据本发明的一个实施例，在电介质层上进行上层金属层淀积包括：在电介质层上进行氮化钛层淀积；在氮化钛层上进行钨层淀积。上层金属可包括氮化钛层和钨层。

图3e示出了根据本发明一个示范性实施例的氮化钛层淀积的示意图。如图3e所示，TiN层淀积在SiN层上。氮化钛层沉积覆盖在梯形沟槽上时，下底上的氮化钛层和腰上的氮化钛层的夹角大于90°，进一步的可大于100°。

图3f示出了根据本发明一个示范性实施例的钨层淀积的示意图。如图3f所示，钨层淀积在氮化钛层。钨层淀积在氮化钛层时，将氮化钽层所形成的梯形沟槽进行填充，并在氮化钛层上形成一层钨层。

随后，执行步骤230，对淀积的材料进行化学机械抛光，得到包括梯形沟槽的第一蚀刻材料和嵌入的梯形淀积材料。化学机械抛光可实现为CMP抛光。

图3g示出了根据本发明一个示范性实施例的化学机械抛光的示意图。

如图3g所示，化学机械抛光时将第一蚀刻材料上淀积的材料以及梯形沟槽外淀积的材料进行抛光，仅保留梯形沟槽内淀积的材料，使第一蚀刻材料包括的梯形沟槽内淀积有梯形淀积材料。梯形淀积材料从下到上分别为：底部金属层、电解质层和上层金属层。上层金属层包括氮化钛层和钨层。

随后，执行步骤240，在第一蚀刻材料和梯形淀积材料上进行第二蚀刻材料淀积。

图3h示出了根据本发明一个示范性实施例的第二蚀刻材料淀积的示意图。如图3h所示，第二蚀刻材料包括从下到上层叠的NDC层和MCTOxide层。

最后，执行步骤250，根据所述第一蚀刻材料和所述第二蚀刻材料设置第一介质和第二介质，得到包括介质、梯形淀积材料和蚀刻材料的MIM电容；具体的：对第二蚀刻材料进行蚀刻得到淀积第一介质的第一区域，对第一蚀刻材料和第二蚀刻材料进行蚀刻得到淀积第二介质的第二区域；在所述第一区域淀积第一介质，在所述第二区域淀积第二介质。

图3i示出了根据本发明一个示范性实施例的对第一蚀刻材料和第二蚀刻材料进行蚀刻的示意图。如图3i所示，对第二蚀刻材料进行蚀刻得到第一区域，第一区域为矩形区域，矩形是指第一区域的横截面为矩形。第一区域的底部与梯形淀积材料的上底边相接，整个第一区域位于梯形淀积材料的上方。第二区域的顶部与第二蚀刻材料的表面相持平。

对第二蚀刻材料和第一蚀刻材料进行蚀刻得到第二区域，第二区域为矩形区域，矩形是指第二区域的横截面为矩形。第二区域的底部与次顶层金属层的第二铜金属区的上表面相接，整个第一区域位于第二铜经书区的上方。第二区域的顶部与第二蚀刻材料的表面相持平。

图3j示出了根据本发明一个示范性实施例的淀积第一介质和第二介质的示意图。如图3j所示，第一区域淀积有第一介质，第二区域淀积有第二介质，第一介质和第二介质具体可实现为钨。

根据本发明的一个实施例，本发明方法还包括：根据所述第一介质和第二介质淀积第一顶层金属和第二顶层金属。

图3k示出了根据本发明一个示范性实施例的淀积第一顶层金属和第二顶层金属的示意图。如图3k所示，第一顶层金属和第二顶层金属的横截面为矩形，第一顶层金属的底部与第一介质和第二蚀刻材料的上表面相接，第二顶层金属的底部与第二介质和第二蚀刻材料的上表面相接。MIM电容还包括第一顶层金属和第二顶层金属。第一顶层金属和第二顶层金属可具体实现为铝。

根据本发明的一个实施例，本发明通过将MIM电容底部设置梯形沟槽的形貌，梯形沟槽的上底边长于下底边，梯形沟槽的腰与下底边的夹角大于100°，使得进行材料淀积时所淀积的各层材料较为均匀，通过本发明的MIM电容制备方法所制备的2fF的MIM电容金属击穿电压(TDDB)，可提升到5V以上，将VOPMAX提升到9V，并且由于梯形淀积材料所在的梯形沟槽的腰与下底边的夹角增大，使得相同的电容可以有更高的耐压。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。