[发明专利]一种新型金属—绝缘层—金属电容结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路制造中的一种电容结构及其制造方法，特别涉及一种金属—绝缘层—金属（Metal—Insulator—Metal,MIM）电容结构及其制造方法。

背景技术

随着将标准的互补型金属氧化物半导体（CMOS）技术应用于模拟与射频互补型金属氧化物半导体（RFCMOS）集成电路领域中的趋势，越来越多的被动组件应运而生。由于利用互补型金属氧化物半导体技术制作的组件具有良好的效能且容易制作，所以金属—绝缘层—金属（Metal—Insulator—Metal,MIM）电容被广泛应用于模拟与射频的目的中。

众所周知，在半导体工艺中，利用金属—绝缘层—金属（MIM）复合式结构所构成的金属电容器已广泛地运用于半导体元件的设计上。由于此种金属电容器具有较低的电阻值（resistance）以及较小的寄生电容（parasitic capacitance），而且没有耗尽层感应电压（induced voltage）偏移的问题，因此目前多采用MIM构造作为金属电容器的主要结构，尤其是具有低电阻的铜电极的MIM电容器更是目前研究的重点方向。

图1所示为传统的金属—绝缘层—金属（MIM）电容结构的剖面示意图。一包含底材的半导体结构110上覆盖MIM的底金属层（bottom metal）112，一介电层114在底金属层112的上方。然而，在部分介电层114上形成MIM的顶金属层（top metal）116，且在介电层114与顶金属层116上形成一金属间介电层（inter-metal dielectric118）。金属间介电层118中形成若干介窗（via）120，介窗120上再形成金属层结构122。

随着半导体器件特征尺寸的减小，半导体后段铜制程取代铝制程成为主流工艺。在混合信号和射频电路中，开发能够完全兼容CMOS逻辑电路及电感的铜大马士革工艺的MIM电容结构及制造流程成为必要。这不仅改善了工艺的复杂性；而且使用低电阻铜作为电极板可改善MIM电容性能。

铜大马士革工艺：在平面基体上淀积一介电层；通过光刻工艺形成光阻图形；以光阻为掩模刻蚀介电层，将光阻图形转移至介电层，并去除剩余光阻；淀积金属阻挡层和铜籽晶层；电镀金属铜填满介电层图形；化学机械研磨平坦化去除介电层上多余金属，形成平面铜互连。

专利US6670237，提出一种铜大马士革单层MIM电容结构及制造工艺：形成绝缘层后，为了避免后续制程对绝缘层的损伤，采用了两次金属化和平坦化工艺分别制作上电极和通孔或其他结构，增加工艺步骤，并提高了化学机械研磨平坦化工艺控制的难度。

传统的金属—绝缘层—金属（MIM）电容制造工艺为：在已形成第一金属互连线和下电极的第一介电层上淀积第一介电阻挡层和第二介电层，作为通孔介电层；光刻形成上电极沟槽光阻图形，光阻作掩模刻蚀通孔介电层，形成上电极沟槽；淀积绝缘层。淀积金属阻挡层和铜籽晶层；电镀金属铜（ECP）填满上电极沟槽；平坦化去除多余金属，形成上电极。淀积介电保护层。光刻和刻蚀通孔介电层形成通孔。淀积金属阻挡层和铜籽晶层；电镀金属铜（ECP）填满通孔；平坦化去除多余金属，研磨至第二介电层形成通孔。

本发明提出的铜大马士革MIM电容制造工艺，能够完全兼容CMOS逻辑电路及电感的铜大马士革工艺，并可以减少工艺步骤，缩短生产周期，降低生产成本，改善工艺复杂性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种本发明提出的金属—绝缘层—金属（MIM）电容结构及其制造工艺，在形成绝缘层后淀积金属保护层，避免后续制程对绝缘层的损伤，可仅采用一次金属化和平坦化工艺同时制作上电极和通孔或其他结构，可以减少工艺步骤，缩短生产周期，降低生产成本，改善工艺复杂性，并能够完全兼容CMOS逻辑电路及电感的铜大马士革工艺，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出的一种新型金属—绝缘层—金属（MIM）电容结构，该电容结构包括：半导体结构；第一介电层在所述半导体结构上，所述的第一介电层已形成下电极和第一金属互连线；第一介电层上淀积第一介电阻挡层和第二介电层，作为通孔介电层，所述通孔介电层有上电极沟槽和通孔，上电极沟槽底部覆盖绝缘层及金属保护层；通孔介电层上淀积第二介电阻挡层和第三介电层，作为沟槽介电层，所述沟槽介电层中，在上电极的通孔介电层上形成第一沟槽，在通孔的通孔介电层上形成第二沟槽；通孔侧壁和底部及上电极沟槽金属保护层上覆盖金属阻挡层和铜籽晶层，上电极沟槽和通孔填满电镀金属铜。