CN114583049B - Mim电容器的制作方法及mim电容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体领域，提供一种MIM电容器的制作方法及MIM电容器。所述MIM电容器的制作方法包括：在基板上形成下极板；在下极板上沉积温度系数低的导热电阻材料，形成第一薄膜电阻层；在第一薄膜电阻层上形成介质层；在介质层上沉积温度系数低的导热电阻材料，形成第二薄膜电阻层，使第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层全包覆介质层；在第二薄膜电阻层上形成上极板。本发明通过两层温度系数低的薄膜电阻层将MIM电容器的介质层全包覆住，可以降低MIM电容器整体的温度系数，提高MIM电容器的温度线性度性能。

Description

MIM电容器的制作方法及MIM电容器

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地涉及一种MIM电容器的制作方法以及一种MIM电容器。

背景技术

MIM（metal-insulator-metal，金属-绝缘体-金属）电容器具有高电容、低电阻率、低寄生效应等优点，被广泛应用于射频电路和高速模拟电路中。常规的MIM电容器从上至下依次为上极板、介质层、下极板，以及下极板的铝铜等金属材料。通常需要将上极板之外的介质层刻蚀掉，而刻蚀会对介质层产生等离子体损伤，降低电容器的性能，导致电容随温度变化的线性度性能变差，或者导致电容可靠性失效。MIM电容随温度变化的线性度性能差，大大制约了MIM电容在混频芯片上的应用。例如，在高精度ADC核电容阵列架构中，需要大量串并联的MIM电容器，温度系数较大会导致环境因素的波动直接引起MIM电容大小发生差异，进而导致混频芯片的读写和运算性能大幅降低，因此MIM电容器的温漂性能（温度线性度性能）亟需进一步改善。

发明内容

本发明的目的是提供一种MIM电容器的制作方法及MIM电容器，以改善MIM电容器的温度线性度性能，提升MIM电容器的可靠性。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种MIM电容器的制作方法，所述方法包括：

在基板上形成下极板；

在下极板上沉积导热电阻材料形成第一薄膜电阻层，所述导热电阻材料的温度系数低于10^-4 ppm/℃；

在第一薄膜电阻层上形成介质层；

在介质层上沉积导热电阻材料形成第二薄膜电阻层，使第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层全包覆所述介质层，所述导热电阻材料的温度系数低于10^-4 ppm/℃；

在第二薄膜电阻层上形成上极板。

进一步地，所述在第二薄膜电阻层上形成上极板，包括：

在第二薄膜电阻层上沉积导电金属材料形成上极板材料层；

对上极板材料层进行刻蚀，形成上极板。

进一步地，所述对上极板材料层进行刻蚀，形成上极板，包括：

在上极板材料层上涂覆光刻胶，对涂覆光刻胶的上极板材料层进行第一次刻蚀，去除两侧边缘的上极板材料；

以第一次刻蚀后的上极板材料层为硬掩膜，对第二薄膜电阻层和介质层进行刻蚀，去掉上极板材料层所覆盖区域以外的第二薄膜电阻层和介质层；

对第一次刻蚀后的上极板材料层进行第二次刻蚀，去掉介质层边缘上方的上极板材料；

去除第二次刻蚀后剩余的光刻胶，以使第二次刻蚀后的上极板材料层形成为上极板。

进一步地，所述方法还包括：在上极板材料层的侧方形成氧化层侧墙。

进一步地，所述在上极板材料层的侧方形成氧化层侧墙，包括：

在上极板材料层的上方和侧方沉积氧化物；

利用上极板材料层及上极板材料层侧方的氧化物作为硬掩膜，对介质层进行刻蚀，去掉上极板材料层及上极板材料层侧方的氧化物所覆盖区域以外的介质层；

去掉上极板材料层上方的氧化物，上极板材料层侧方的氧化物作为氧化层侧墙。

进一步地，所述导热电阻材料为SiCr、NiCr、TiNiCr、TaN中任意一种。

进一步地，所述第一薄膜电阻层的厚度小于1μm，所述第二薄膜电阻层的厚度小于1μm。

本发明另一方面提供一种MIM电容器，包括下极板、介质层、上极板，还包括：第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层；所述第一薄膜电阻层位于所述下极板与所述介质层之间，所述第二薄膜电阻层位于所述介质层与所述上极板之间，所述第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层全包覆所述介质层；所述第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的材料为温度系数低于10^-4 ppm/℃的导热电阻材料。

进一步地，所述介质层的覆盖面积大于所述上极板的覆盖面积。

进一步地，所述MIM电容器还包括：氧化层；

所述氧化层形成于所述上极板的未被所述介质层覆盖的侧墙区域。

进一步地，所述第一薄膜电阻层的厚度小于1μm，所述第二薄膜电阻层的厚度小于1μm。

进一步地，所述第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的材料为SiCr、NiCr、TiNiCr、TaN中任意一种。

本发明的MIM电容器制作方法及MIM电容器，通过两层温度系数低（温度线性度高）的薄膜电阻层将MIM电容器的介质层全包覆住，可以降低MIM电容器整体的温度系数，提高MIM电容器的温度线性度性能。

此外，本发明的介质层全覆盖上极板且面积大于上极板，可以保护电容结构的介质层在刻蚀过程中不受到等离子体损伤，提升MIM电容器的可靠性。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明实施方式提供的MIM电容器的制作方法的流程图；

图2A是本发明实施例一提供的MIM电容器的制作方法的第一步骤形成的剖面结构示意图；

图2B是本发明实施例一提供的MIM电容器的制作方法的第二步骤形成的剖面结构示意图；

图2C是本发明实施例一提供的MIM电容器的制作方法的第三步骤形成的剖面结构示意图；

图3A是本发明实施例二提供的MIM电容器的制作方法的第一步骤形成的剖面结构示意图；

图3B是本发明实施例二提供的MIM电容器的制作方法的第二步骤形成的剖面结构示意图；

图3C是本发明实施例二提供的MIM电容器的制作方法的第三步骤形成的剖面结构示意图；

图3D是本发明实施例二提供的MIM电容器的制作方法的第四步骤形成的剖面结构示意图；

图4A是本发明实施例三提供的MIM电容器的制作方法的第一步骤形成的剖面结构示意图；

图4B是本发明实施例三提供的MIM电容器的制作方法的第二步骤形成的剖面结构示意图；

图4C是本发明实施例三提供的MIM电容器的制作方法的第三步骤形成的剖面结构示意图；

图4D是本发明实施例三提供的MIM电容器的制作方法的第四步骤形成的剖面结构示意图；

图5A是本发明实施例四提供的MIM电容器的制作方法的第一步骤形成的剖面结构示意图；

图5B是本发明实施例四提供的MIM电容器的制作方法的第二步骤形成的剖面结构示意图；

图5C是本发明实施例四提供的MIM电容器的制作方法的第三步骤形成的剖面结构示意图；

图5D是本发明实施例四提供的MIM电容器的制作方法的第四步骤形成的剖面结构示意图。

附图标记说明

1-基板，2-下极板，3-第一薄膜电阻层，4-介质层，

5-第二薄膜电阻层，6-上极板，7-光刻胶，8-氧化层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

如背景技术中所介绍的，MIM（metal-insulator-metal，金属-绝缘体-金属）电容器具有高电容、低电阻率、低寄生效应等优点，被广泛应用于射频电路和高速模拟电路中。常规的MIM电容器从上至下依次为上极板、介质层、下极板，以及下极板的铝铜等金属材料。通常需要将上极板之外的介质层刻蚀掉，而刻蚀会对介质层产生等离子体损伤，降低电容器的性能，导致电容随温度变化的线性度性能变差，或者导致电容可靠性失效。MIM电容随温度变化的线性度性能差，大大制约了MIM电容在混频芯片上的应用。例如，在高精度ADC核电容阵列架构中，需要大量串并联的MIM电容器，温度系数较大会导致环境因素的波动直接引起MIM电容大小发生差异，进而导致混频芯片的读写和运算性能大幅降低，因此MIM电容器的温漂性能（温度线性度性能）亟需进一步改善。

为了改善上述问题，本发明实施例提供了一种MIM电容器的制作方法，该方法在基板上形成下极板；在下极板上沉积温度系数低的导热电阻材料，形成第一薄膜电阻层；在第一薄膜电阻层上形成介质层；在介质层上沉积温度系数低的导热电阻材料，形成第二薄膜电阻层，使第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层全包覆所述介质层；在第二薄膜电阻层上形成上极板。本发明通过两层温度系数低的薄膜电阻层将MIM电容器的介质层全包覆住，可以降低MIM电容器整体的温度系数，提高MIM电容器的温度线性度性能。以下对上述方案进行详细阐述。

图1是本发明实施方式提供的MIM电容器的制作方法的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的MIM电容器的制作方法，包括以下步骤：

S1、在基板上形成下极板；

S2、在下极板上沉积温度系数低的导热电阻材料，形成第一薄膜电阻层；

S3、在第一薄膜电阻层上形成介质层；

S4、在介质层上沉积温度系数低的导热电阻材料，形成第二薄膜电阻层，使第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层全包覆介质层；

S5、在第二薄膜电阻层上形成上极板。

本方法在形成介质层之前沉积生长一层温度系数低的薄膜电阻层，在形成介质层之后再沉积生长一层温度系数低的薄膜电阻层，通过两层薄膜电阻层将介质层全包覆，一方面可以有效保护上极板边缘的介质层，避免在形成上极板的过程中刻蚀处理对介质层的等离子损伤；另一方面，温度系数低的薄膜电阻层具有高线性度性能，可以使MIM电容器整体的温度系数进一步降低，显著提高器件的线性度性能，使MIM电容器在集成电路的设计和应用中稳定性更高，对电路综合性能有大幅提升。

本发明实施方式提供以下几种MIM电容器制作方法的实施例。

实施例一

本实施例提供的MIM电容器制作方法，包括：第一步骤，参照图2A，在基板1上沉积形成下极板2，在下极板2上沉积温度系数低的导热电阻材料形成第一薄膜电阻层3；在第一薄膜电阻层3上沉积形成介质层4，在介质层4上沉积温度系数低的导热电阻材料形成第二薄膜电阻层5，使第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5全包覆介质层4；在第二薄膜电阻层5上沉积导电金属材料形成作为上极板6的材料层。第二步骤，参照图2B，在上极板6的材料层上涂覆光刻胶7，通过曝光、显影形成光刻胶图形，然后对涂覆光刻胶的上极板6的材料层进行刻蚀，去除两侧边缘的上极板材料，形成如图2B所示的结构。第三步骤，去除光刻胶7，形成如图2C所示的上极板6。

本实施例中，基板的材料可采用P型硅，上极板和下电极板的材料可采用铝、铜、银等导电金属，介质层的材料可采用、氮化硅、氧化铝、氧化铪等绝缘材料。第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层采用温度系数低的导热电阻材料，其温度系数低于10^-4 ppm/℃，例如SiCr，NiCr，TiNiCr，TaN等低温漂材料。第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的厚度小于1μm，薄膜电阻层作为MIM电容器的介质层与金属层之间的连接层，薄膜电阻层的厚度做小形成超薄的电阻层薄膜，目的是不影响MIM电容器的整体电容值大小。薄膜电阻层的方块电阻（膜电阻）范围为10~5000Ω/□（Ω/□，欧姆每方块，是表面电阻率的单位）。薄膜电阻层的温度系数小于普通电阻的温度系数，具体而言，薄膜电阻层的温度系数低于10^-4 ppm/℃。低温度系数的薄膜电阻层，其特性随温度的变化率非常低，温度特性稳定，温漂性能好（环境温度变化引起器件参数的变化小），温度线性度高。采用低温度系数的薄膜电阻层，将MIM电容器的介质层全包覆住，可以降低MIM电容器整体的温度系数，提高MIM电容器的温度线性度性能（温漂性能）。

基于实施例一提供的MIM电容器的制作方法，形成的MIM电容器如图2C所示。MIM电容器包括下极板2、介质层4、上极板6，还包括第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5。第一薄膜电阻层3位于下极板2与介质层4之间，第二薄膜电阻层5位于介质层4与上极板6之间，第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5全包覆介质层4。第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的材料为温度系数低于10^-4 ppm/℃的导热电阻材料。第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层采用温度系数低的导热材料，例如SiCr、NiCr、TiNiCr、TaN等低温漂材料。薄膜电阻层作为MIM电容器的介质层与金属层之间的连接层，第一薄膜电阻层的厚度和第二薄膜电阻层的厚度均小于1μm，因此不会影响MIM电容器的整体电容值大小。第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的方块电阻范围为10~5000Ω/□。低温度系数的薄膜电阻层，将MIM电容器的介质层全包覆住，可以降低MIM电容器整体的温度系数，提高MIM电容器的温度线性度性能。

实施例二

本实施例提供的MIM电容器制作方法，包括：第一步骤，参照图3A，在基板1上沉积形成下极板2，在下极板2上沉积温度系数低的导热电阻材料形成第一薄膜电阻层3；在第一薄膜电阻层3上沉积形成介质层4，在介质层4上沉积温度系数低的导热电阻材料形成第二薄膜电阻层5，使第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5全包覆介质层4；在第二薄膜电阻层5上沉积导电金属材料形成作为上极板6的材料层。第二步骤，参照图3B，在上极板6的材料层上涂覆光刻胶7，通过曝光、显影形成光刻胶图形，然后对涂覆光刻胶的上极板6的材料层进行第一次刻蚀，去除两侧边缘的上极板材料。以第一次刻蚀后的上极板6的材料层为硬掩膜，对介质层4和第二薄膜电阻层5进行刻蚀，去掉上极板的材料层覆盖区域以外的介质层和第二薄膜电阻层，形成如图3B所示的结构。第三步骤，对上极板6的材料层进行第二次刻蚀，去掉介质层边缘上方的上极板材料，形成如图3C所示的结构。第四步骤，去除光刻胶7，形成如图3D所示的上极板6，其中介质层4的覆盖面积大于上极板6的覆盖面积。

本实施例的MIM电容器制作方法，通过两层薄膜电阻层将MIM电容器的介质层全包覆住，可以降低MIM电容器整体的温度系数，提高MIM电容器的温度线性度性能；并且，本实施例形成的介质层全覆盖上极板且面积大于上极板，可以保护电容结构的介质层在刻蚀过程中不受到等离子体损伤，提升电容器的可靠性。

基于实施例二提供的MIM电容器的制作方法，形成的MIM电容器如图3D所示。MIM电容器包括下极板2、介质层4、上极板6，还包括第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5。第一薄膜电阻层3位于下极板2与介质层4之间，第二薄膜电阻层5位于介质层4与上极板6之间，第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5全包覆介质层4。第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的材料为温度系数低于10^-4 ppm/℃的导热电阻材料。薄膜电阻层作为MIM电容器的介质层与金属层之间的连接层，第一薄膜电阻层的厚度和第二薄膜电阻层的厚度均小于1μm，因此不会影响MIM电容器的整体电容值大小。第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的方块电阻范围为10~5000Ω/□，第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的温度系数小于10^-4 ppm/℃。低温度系数的薄膜电阻层，将MIM电容器的介质层全包覆住，可以降低MIM电容器整体的温度系数，提高MIM电容器的温度线性度性能。

此外，所述MIM电容器的介质层的覆盖面积大于上极板的覆盖面积，可以保护电容结构的介质层在刻蚀过程中不受到等离子体损伤，提高MIM电容器的可靠性。

实施例三

本实施例提供的MIM电容器制作方法，包括：第一步骤，参照图4A，在基板1上沉积形成下极板2，在下极板2上沉积温度系数低的导热电阻材料形成第一薄膜电阻层3；在第一薄膜电阻层3上沉积形成介质层4，在介质层4上沉积温度系数低的导热电阻材料形成第二薄膜电阻层5，第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5全包覆住介质层4；在第二薄膜电阻层5上沉积导电金属材料形成作为上极板6的材料层。第二步骤，参照图4B，在上极板6的材料层上涂覆光刻胶7，通过曝光、显影形成光刻胶图形，然后对涂覆光刻胶的上极板6的材料层进行第一次刻蚀，去除两侧边缘的上极板材料。以刻蚀后的上极板6的材料层为硬掩膜，对介质层4和第二薄膜电阻层5进行刻蚀，去掉上极板的材料层所覆盖区域以外的介质层和第二薄膜电阻层，形成如图4B所示的结构。第三步骤，在上极板6的材料层覆盖区域以外的区域涂覆光刻胶，通过曝光、显影形成光刻胶图形，对上极板材料层进行第二次刻蚀，形成如图4C所示的结构。第四步骤，去除光刻胶7，形成如图4D所示的上极板6，其中介质层4的覆盖面积大于上极板6的覆盖面积。

本实施例的MIM电容器制作方法，通过两层薄膜电阻层将MIM电容器的介质层全包覆住，可以降低MIM电容器整体的温度系数，提高MIM电容器的温度线性度性能；并且，本实施例形成的介质层全覆盖上极板且面积大于上极板，可以保护电容结构的介质层在刻蚀过程中不受到等离子体损伤，提升MIM电容器的可靠性。

基于实施例三提供的MIM电容器的制作方法，形成的MIM电容器如图4D所示。MIM电容器包括下极板2、介质层4、上极板6，还包括第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5。第一薄膜电阻层3位于下极板2与介质层4之间，第二薄膜电阻层5位于介质层4与上极板6之间，第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5全包覆介质层4。第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的材料为温度系数低于10^-4 ppm/℃的导热电阻材料。所述MIM电容器的上极板为凹槽结构，介质层的覆盖面积大于上极板的覆盖面积，可以保护电容结构的介质层在刻蚀过程中不受到等离子体损伤。

实施例四

本实施例提供的MIM电容器制作方法，包括：第一步骤，参照图5A，在基板1上沉积形成下极板2，在下极板2上沉积温度系数低的导热电阻材料形成第一薄膜电阻层3；在第一薄膜电阻层3上沉积形成介质层4，在介质层4上沉积温度系数低的导热电阻材料形成第二薄膜电阻层5，第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5全包覆住介质层4；在第二薄膜电阻层5上沉积导电金属材料形成作为上极板6的材料层。第二步骤，参照图5B，在上极板6的材料层上涂覆光刻胶7，通过曝光、显影形成光刻胶图形，然后对涂覆光刻胶的上极板6的材料层进行第一次刻蚀，去除两侧边缘的上极板材料，形成如图5B所示的结构。第三步骤，去除光刻胶7，在上极板6的上方和侧方沉积氧化物，形成如图5C所示的氧化层8。第四步骤，对氧化层8进行刻蚀，形成如图5D所示的氧化层8，将图5D中所示的氧化层8作为器件的氧化层侧墙。在后续的步骤中（附图未示出），可以利用上极板和上极板侧方的氧化层侧墙作为硬掩膜，对介质层进行刻蚀，去掉上极板和氧化层侧墙所覆盖区域以外的介质层材料，形成特定形状的MIM电容结构。

基于实施例四提供的MIM电容器的制作方法，形成的MIM电容器如图5D所示。MIM电容器包括下极板2、介质层4、上极板6，还包括第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5。第一薄膜电阻层3位于下极板2与介质层4之间，第二薄膜电阻层5位于介质层4与上极板6之间，第一薄膜电阻层3和第二薄膜电阻层5全包覆介质层4。第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的材料为温度系数低于10^-4 ppm/℃的导热电阻材料。所述MIM电容器还包括氧化层8，所述氧化层8形成于上极板6的未被介质层4覆盖的侧墙区域。上极板侧墙区域的氧化层可以保护上极板边缘的介质层，避免刻蚀带来的等离子损伤，有利于提高MIM电容器的可靠性。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施例之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (3)

1.一种MIM电容器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

在基板上形成下极板；

在下极板表面上沉积导热电阻材料形成第一薄膜电阻层；

在第一薄膜电阻层表面上形成介质层；

在介质层表面上沉积导热电阻材料形成第二薄膜电阻层，使第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层全包覆所述介质层；

在第二薄膜电阻层表面上沉积导电金属材料形成上极板材料层；

对上极板材料层进行刻蚀，形成上极板；

在上极板的上方和侧方沉积氧化物；

利用上极板及上极板侧方的氧化物作为硬掩膜，对介质层进行刻蚀，去掉上极板及上极板侧方的氧化物所覆盖区域以外的介质层；

去掉上极板上方的氧化物，将上极板侧方的氧化物作为氧化物侧墙；

其中，第一薄膜电阻层的导热电阻材料和第二薄膜电阻层的导热电阻材料的温度系数低于10^-4 ppm/℃，第一薄膜电阻层和第二薄膜电阻层的方块电阻为10Ω/□。

2.根据权利要求1所述的MIM电容器的制作方法，其特征在于，所述导热电阻材料为SiCr、NiCr、TiNiCr、TaN中任意一种。

3.根据权利要求1所述的MIM电容器的制作方法，其特征在于，所述第一薄膜电阻层的厚度小于1μm，所述第二薄膜电阻层的厚度小于1μm。

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