專(zhuān)利名稱(chēng)：電容器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造技術(shù)，并且更具體地涉及具有金屬-氧化物-金屬(MOM)結(jié)構(gòu)的電容器。

背景技術(shù)：
嵌入半導(dǎo)體芯片中的電容器分為金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)，以下稱(chēng)為MIM電容器，以及金屬-氧化物-金屬(MOM)結(jié)構(gòu)，以下稱(chēng)為MOM電容器。MIM電容器需要附加工藝來(lái)單獨(dú)形成上電極、下電極和絕緣體，而MOM電容器不需要附加工藝，這是因?yàn)槠涫褂迷谏a(chǎn)線后端(BEOL)工藝期間所形成的互連之間的寄生電容。
然而，由于MOM電容器在BEOL工藝之后使用寄生電容，所以需要增加MOM電容器的尺寸以在單元中獲得高的靜電電容。因此，有源器件不可避免地占據(jù)半導(dǎo)體芯片中的大的面積，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施方案涉及具有高靜電電容而尺寸沒(méi)有增加的電容器結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種電容器結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置為包括多個(gè)開(kāi)口的第一電極；在每個(gè)開(kāi)口的中心中形成的第二電極；和形成為包圍第二電極并填充第一電極的開(kāi)口的介電層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種電容器結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置為包括多個(gè)第一層的第一電極，每個(gè)第一層均具有至少一個(gè)開(kāi)口并通過(guò)多個(gè)第一通路彼此垂直地連接以形成筒狀結(jié)構(gòu)；設(shè)置為包括對(duì)應(yīng)于第一層的多個(gè)第二層的多個(gè)第二電極，每個(gè)第二層通過(guò)多個(gè)第二通路彼此垂直地連接并形成于第一電極的開(kāi)口中；和形成于第一電極和第二電極之間以包圍第二電極并填充第一電極的開(kāi)口的介電層。



圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的電容器結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖2是圖1中顯示的電容器結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖3是沿著線I-I’截取的圖2顯示的電容器結(jié)構(gòu)的截面圖。

具體實(shí)施例方式 通過(guò)參考附圖對(duì)實(shí)施方案的以下描述，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)、特征和方面將顯得顯而易見(jiàn)，其如以下所述。
附圖中，為清楚說(shuō)明起見(jiàn)，將層和區(qū)域的尺寸進(jìn)行放大。附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，因此將其描述省略。也應(yīng)該理解，當(dāng)層(或膜)稱(chēng)為在另一層或襯底之“上”時(shí)，其可以直接在所述另一層或襯底之上，或也可存在中間層。此外，應(yīng)理解，當(dāng)層被稱(chēng)為在另一層之“下”的時(shí)候，其可以直接在所述另一層之下，也可存在一個(gè)或更多個(gè)中間層。另外，也應(yīng)理解，當(dāng)層被稱(chēng)為在兩層“之間”時(shí)，其可以是在所述兩層之間僅有的層，或也可存在一個(gè)或更多個(gè)中間層。此外，也應(yīng)理解，當(dāng)元件“形成為具有相同形狀”時(shí)，其可形成為具有相同的整體形狀，但是寬度、厚度和尺寸可以不同。
實(shí)施方案 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的電容器結(jié)構(gòu)的立體圖。圖2是圖1中顯示的電容器結(jié)構(gòu)的平面圖。圖3是沿著線I-I’截取的圖2顯示的電容器結(jié)構(gòu)的截面圖。
參考圖1～3，根據(jù)該實(shí)施方案的電容器結(jié)構(gòu)包括第一電極100和第二電極102以及其間形成的介電層104。
第一電極100包括多個(gè)導(dǎo)電層ML1～ML4，每個(gè)均具有至少一個(gè)開(kāi)口，即一個(gè)或更多個(gè)開(kāi)口。第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4具有內(nèi)部包括多個(gè)柱狀物以形成格條型的板型(flat-type)結(jié)構(gòu)。第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4形成為基本相同的形狀。第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4可形成為具有基本相同的尺寸、寬度和厚度。第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4可形成為具有基本相同的寬度，或形成為具有不同的尺寸和寬度。例如，板型結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成具有多個(gè)柱狀物以形成格條型，該板型結(jié)構(gòu)包括柱狀物和包圍柱狀物的邊界。每個(gè)邊界的寬度可大于每個(gè)柱的寬度。邊界的寬度可為約0.1μm～約1μm。
第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4的開(kāi)口沿垂直方向相互對(duì)準(zhǔn)。開(kāi)口形成為多邊形(例如三角形、四邊形、五邊形、六邊形和八邊形等)、圓、半圓和橢圓形。開(kāi)口可形成為正方形。
此外，在第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4之間交替設(shè)置多個(gè)第一通路V1～V3。即，第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4通過(guò)第一通路V1～V3彼此垂直地連接，使得導(dǎo)電層ML1～ML4和第一通路V1～V3交替設(shè)置于第一電極100內(nèi)部。結(jié)果，第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4的開(kāi)口彼此連接，使得第一電極100具有筒狀結(jié)構(gòu)。
第一通路V1～V3設(shè)置于第一電極100的相應(yīng)的導(dǎo)電層ML1～ML4之間，并具有和導(dǎo)電層ML1～ML4基本相同的形狀。例如，和導(dǎo)電層ML1～ML4相同，第一通路V1～V3可形成為內(nèi)部具有多個(gè)柱狀物以形成格條型的板型結(jié)構(gòu)。此處，第一通路V1～V3可形成為具有和第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4基本相同的形狀，但是可具有與導(dǎo)電層ML1～ML4不同的尺寸、厚度和寬度。即，第一通路V1～V3可具有基本上等于或者窄于第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4的寬度。而且，第一通路V1～V3可具有寬于第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4的寬度。此外，每個(gè)第一通路V1～V3均可形成為具有彼此不同的寬度和厚度，但是具有和第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4基本相同的形狀。
第二電極102包括對(duì)應(yīng)于第一電極100的多個(gè)導(dǎo)電層ML1′～ML4′。第二電極102設(shè)置為與第一電極100間隔預(yù)定距離L。預(yù)定距離L可為約0.1μm～約1μm。第二電極102設(shè)置于第一電極100的每個(gè)開(kāi)口，并通過(guò)另外的金屬互連彼此連接。此處，對(duì)于每個(gè)金屬互連的結(jié)構(gòu)沒(méi)有限制。金屬互連形成為棒型或板型結(jié)構(gòu)，并通過(guò)另外的絕緣體與第一電極100電隔離。
第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′具有和第一電極100的導(dǎo)電層基本相同的寬度。第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4可具有約0.1μm～約1μm的第一寬度W1，第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′具有約0.1μm～約1μm的第二寬度W2。
此外，在第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′之間交替設(shè)置多個(gè)第二通路V1′～V3′。即，第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′通過(guò)第二通路V1′～V3′彼此垂直連接。第二通路V1′～V3′設(shè)置于第二電極102的相應(yīng)的導(dǎo)電層ML1′～ML4′之間，并具有和第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′基本相同的形狀。結(jié)果，第二電極102具有其中第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′彼此垂直連接的棒型結(jié)構(gòu)。與第一電極100的開(kāi)口相同，第二電極102為多邊形或者圓形。
此處，第二通路V1′～V3′可形成為具有和第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′基本相同的形狀，但是可具有與導(dǎo)電層ML1′～ML4′不同的尺寸、厚度和寬度。即，第二通路V1′～V3′可具有基本上等于或者窄于第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′的寬度。而且，第二通路V1′～V3′的寬度可寬于第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′的寬度。此外，每個(gè)第二通路V1′～V3′可形成為具有彼此不同的寬度和厚度，但是具有和第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′基本相同的形狀。
第一和第二電極100和102的導(dǎo)電層ML1～ML4和ML1′～ML4′利用相同材料形成。因?yàn)閷?dǎo)電層與互連在制造半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)線后段(BEOL)工藝期間同時(shí)形成，所以導(dǎo)電層由用于形成半導(dǎo)體芯片的互連的金屬材料形成。例如，用于形成半導(dǎo)體芯片的互連的所有材料可用作導(dǎo)電層。導(dǎo)電層可由鋁(Al)、銅(Cu)或者鉑(Pt)形成。
第一和第二通路V1～V3和V1′～V3′可使用鑲嵌工藝由相同材料形成。第一和第二通路V1～V3和V1′～V3′可由與導(dǎo)電層相同的材料形成。特別地，第一和第二通路V1～V3和V1′～V3′由金屬材料形成。例如，金屬材料可為鋁(Al)、銅(Cu)或者鉑(Pt)。當(dāng)導(dǎo)電層由鋁(Al)形成時(shí)，第一和第二通路V1～V3和V1′～V3′可由銅(Cu)形成。
在第一電極100和第二電極102之間形成介電層104。具體地，介電層104形成為填充第一電極100中的導(dǎo)電層ML1～ML4的開(kāi)口。介電層104可包括具有介電常數(shù)的任何材料，其可包括二氧化硅(SiO2)層。此外，介電層104可包括具有高介電常數(shù)的金屬氧化物材料。金屬氧化物材料包括氧化鉿(HfO2)層、氧化鋯(ZrO2)層、二氧化鈦(TiO2)層、氧化鋁(Al2O3)層或氧化鉭(Ta2O5)層，每個(gè)均具有高于3.5的介電常數(shù)。
在第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4的之上和之下形成第一下部阻擋金屬層108和第一上部阻擋金屬層110。第一下部阻擋金屬層108在第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4的基礎(chǔ)上與第一上部阻擋金屬層110形成垂直的對(duì)稱(chēng)性。通過(guò)在氧化工藝期間同時(shí)圖案化第一下部和上部阻擋金屬層108和110，使得它們形成為具有與第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4基本相同的形狀。第一下部和上部阻擋金屬層108和110包括氮化鈦(TiN)層、氮化鉭(TaN)層、氮化鎢(WN)、鈦和氮化鈦(Ti/TiN)的堆疊層、或者鉭和氮化鉭(Ta/TaN)的堆疊層。
在第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′之上和之下形成第二下部阻擋金屬層112和第二上部阻擋金屬層114。第二下部阻擋金屬層112在第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′基礎(chǔ)上與第二上部阻擋金屬層114形成垂直的對(duì)稱(chēng)性。通過(guò)在氧化工藝期間同時(shí)圖案化第二下部和上部阻擋金屬層112和114，使得它們形成為與第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′具有基本相同的形狀。第二下部和上部阻擋金屬層112和114包括氮化鈦(TiN)層、氮化鉭(TaN)層、氮化鎢(WN)、鈦和氮化鈦(Ti/TiN)的堆疊層、或者鉭和氮化鉭(Ta/TaN)的堆疊層。
第一和第二電極100和102的堆疊結(jié)構(gòu)可通過(guò)使用第一和第二通路V1～V3和V1′～V3′的鑲嵌工藝和導(dǎo)電層的BEOL工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。介電層104的介電材料可包括用于鑲嵌工藝和BEOL工藝的絕緣材料。第一和第二電極100和102的導(dǎo)電層ML1～ML4和ML′～ML4′可使用物理氣相沉積(PVD)工藝或化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝形成。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的電容器結(jié)構(gòu)中，第一通路V1～V3形成為具有與第一電極100的導(dǎo)電層ML1～ML4相同的形狀，所述形狀為其內(nèi)部具有多個(gè)柱狀物以形成格條型的板型結(jié)構(gòu)。在水平方向與第一通路V1～V3間隔預(yù)定距離L，第二通路V1′～V3′形成為具有與第二電極102的導(dǎo)電層ML1′～ML4′相同的形狀。結(jié)果，能夠獲得第一和第二通路V1～V3和V1′～V3′之間的水平靜電電容、以及第一和第二電極100和102的導(dǎo)電層ML1～ML4和ML1′～ML4′之間的水平和垂直靜電電容。
為使得第一和第二通路V1～V3和V1′～V3′之間的水平靜電電容最大化，第一電極100包括負(fù)(-)電極，第二電極102包括正(+)電極，如圖1和2所示。此外，在第一電極100的每個(gè)開(kāi)口的基礎(chǔ)上形成筒狀結(jié)構(gòu)的單元電容器中，第一電極100的開(kāi)口為多邊形或者圓形。因此，第一電極100具有中心圍繞第二電極102的兩維陣列結(jié)構(gòu)，其中第二電極102設(shè)置于每個(gè)開(kāi)口的中心。因此，易于增大靜電電容。
以下，將根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的一個(gè)實(shí)施方案的具有金屬-氧化物-金屬(MOM)結(jié)構(gòu)(以下稱(chēng)為MOM電容器)的電容器的總電容與常規(guī)MOM電容器的總電容進(jìn)行詳細(xì)比較。
表1顯示本發(fā)明實(shí)施方案的MOM電容器和常規(guī)MOM電容器的比較表 表1
在表1中，“金屬”表示第一和第二電極100和102的導(dǎo)電層ML1～ML4和ML1′～ML4′，“IMD”表示作為金屬間介電層的介電層104。“FSG”表示氟化硅酸鹽玻璃，“TEOS”表示原硅酸四乙酯。
通常，MOM電容器包括金屬互連即導(dǎo)電層ML1～ML4之間的第一電容器和由通路產(chǎn)生的第二電容器。與第一電容器相比，第二電容器具有相對(duì)小的電容。
假定在常規(guī)的MOM電容器中，金屬互連之間的第一電容器的電容為1，由通路產(chǎn)生的第二電容器的電容為1。如表1所示，在根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的MOM電容器中，第一電容器的電容為1.19，第二電容器的電容為2.6。即，根據(jù)示例性實(shí)施方案的MOM電容器在相同面積中具有優(yōu)異的單元靜電電容特性。即使不考慮具有相對(duì)小電容的由通路產(chǎn)生的第二電容器，本發(fā)明示例性實(shí)施方案也可改善單元靜電電容約19％。通過(guò)將單元電容器形成為柱狀結(jié)構(gòu)，能夠最大化單元電容器的面積。
如上所述，本發(fā)明形成用作電容器電極的多個(gè)導(dǎo)電層(即金屬互連)，所述電容器為其內(nèi)部具有多個(gè)柱狀物以形成格條型的板型結(jié)構(gòu)，并在相應(yīng)的導(dǎo)電層之間設(shè)置多個(gè)通路，以由此使得相應(yīng)的導(dǎo)電層垂直連接。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的電容器結(jié)構(gòu)具有高的靜電電容而沒(méi)有增加其尺寸。
雖然本發(fā)明已經(jīng)對(duì)于具體的實(shí)施方案進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可顯而易見(jiàn)地做出各種變化和改變而未脫離在以下的權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種電容器結(jié)構(gòu)，包括
設(shè)置為包括多個(gè)開(kāi)口的第一電極；
在每個(gè)所述開(kāi)口的中心中形成的第二電極；和
形成為包圍所述第二電極并填充所述第一電極的開(kāi)口的介電層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第二電極與所述第一電極間隔開(kāi)約0.1μm～約1μm的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中第一電極的所述開(kāi)口為多邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中第一電極的所述開(kāi)口為圓形、半圓形或者橢圓形。
5.一種電容器結(jié)構(gòu)，包括
設(shè)置為包括多個(gè)第一層的第一電極，每個(gè)第一層具有至少一個(gè)開(kāi)口并通過(guò)多個(gè)第一通路彼此垂直連接；
設(shè)置為包括對(duì)應(yīng)于所述第一層的多個(gè)第二層的多個(gè)第二電極，每個(gè)第二層通過(guò)多個(gè)第二通路彼此垂直連接并形成于所述第一電極的開(kāi)口中；和
在所述第一電極和所述第二電極之間形成為包圍所述第二電極并填充所述第一電極的開(kāi)口的介電層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第一通路設(shè)置于相應(yīng)的所述第一層之間以具有和所述第一層基本相同的形狀，所述第二通路設(shè)置于相應(yīng)的所述第二層之間以具有和所述第二層基本相同的形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第一電極的所述第一層形成為內(nèi)部包括多個(gè)柱狀物以形成格條型的板型結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第二電極包括棒型結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第二電極的所述第二層通過(guò)另外的金屬互連彼此連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第二電極與所述第一電極間隔開(kāi)約0.1μm～約1μm的距離。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第二電極設(shè)置于所述第一電極的每個(gè)開(kāi)口處。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第一電極的所述開(kāi)口為多邊形。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第一電極的所述開(kāi)口為圓形、半圓形或者橢圓形。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第一通路的寬度基本等于或者窄于所述第一電極的寬度。
15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第二通路的寬度基本等于或者窄于所述第二電極的寬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述第一電極的所述開(kāi)口沿垂直方向?qū)?zhǔn)。
全文摘要
一種電容器結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置為包括多個(gè)開(kāi)口的第一電極；在開(kāi)口的每個(gè)中心中形成的第二電極；和形成為包圍第二電極并填充第一電極開(kāi)口的介電層。
文檔編號(hào)H01L23/528GK101752363SQ20091020568
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者柳惟信 申請(qǐng)人:美格納半導(dǎo)體有限會(huì)社