專利名稱:金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種金屬-絕緣體-金屬(Metal-Insulator-Metal,縮寫為MIM)電容結(jié)構(gòu)及其制造方法,且特別涉及一種可避免下電極誘發(fā)絕緣層結(jié)晶的金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù):
金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)的電容將是下世代DRAM電容的主要形式,且使用高介電常數(shù)(high-k)材料作為絕緣層,才可在縮小的電容面積下獲得足夠的電容值。而結(jié)晶形態(tài)的電極材料的電阻值較低,具有較佳的導(dǎo)電效果,因此目前的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容結(jié)構(gòu)的電極多采用這種材料。但是在電容制造過程中,結(jié)晶形態(tài)的電極材料會(huì)誘發(fā)其上方的絕緣材料形成結(jié)晶,對(duì)高介電常數(shù)材料而言,將會(huì)產(chǎn)生較大的漏電流。這是因?yàn)榻Y(jié)晶材料內(nèi)晶界的存在,是造成電荷損失最大的因素,且在后續(xù)晶體管高溫?zé)崽幚磉^程中之熱穩(wěn)定性變差,導(dǎo)致電容值下降。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容結(jié)構(gòu),具有低漏電的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的再一目的是提供一種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,以有效提高電容的質(zhì)量,進(jìn)而大幅增加高介電常數(shù)薄膜材料在DRAM電容元件的應(yīng)用可行性。
本發(fā)明提出一種金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容結(jié)構(gòu),包括上電極(upperelectrode)、下電極(lower electrode)以及絕緣層,其中絕緣層位于上電極與下電極之間。而這種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的特征在于下電極包括一層導(dǎo)體層以及金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)(metal nitride multilayer structure)。金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是位于導(dǎo)體層與絕緣層之間,其中金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的氮含量逐漸向絕緣層的方向增加,且金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是非結(jié)晶(amorphous)形態(tài)。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述結(jié)構(gòu),上述之導(dǎo)體層與金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的材料可以是相同的。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述結(jié)構(gòu),上述金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的材料包括TiN或TaN。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述結(jié)構(gòu),上述金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是由幾層超薄膜(ultrathin film)所構(gòu)成,其中金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的每一層超薄膜的厚度約在幾埃至幾十埃之間。此外,前述超薄膜的層數(shù)例如是在三層以上。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述結(jié)構(gòu),上述之導(dǎo)體層的材料包括TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅等導(dǎo)電材料。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述結(jié)構(gòu),絕緣層的材料包括高介電常數(shù)(high-k)材料,如Ta2O5、Al2O3、HfO2或TiO2。
本發(fā)明提出一種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,包括先提供導(dǎo)體層,再于導(dǎo)體層上形成金屬氮化物多層結(jié)構(gòu),以使其與導(dǎo)體層組成下電極。其中,金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是非結(jié)晶形態(tài)且其氮含量隨下電極之層數(shù)逐漸增加。接著,于下電極的該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)上形成絕緣層,再于絕緣層上形成上電極。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述方法,上述于導(dǎo)體層上形成金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的方法是利用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)、物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)或原子層沉積(AtomicLayer Deposition,ALD)等真空薄膜沉積系統(tǒng)。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述方法,上述之導(dǎo)體層與金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的材料可以是相同的。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述方法,上述之金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的材料包括TiN或TaN。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述方法,上述金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是由幾層超薄膜所構(gòu)成。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述方法,上述導(dǎo)體層的材料包括TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅。
依照本發(fā)明的較佳實(shí)施例所述方法,上述絕緣層的材料包括高介電常數(shù)材料,如Ta2O5、Al2O3、HfxAlyO、HfO2或TiO2。
本發(fā)明因?yàn)樵谙码姌O接近絕緣層的部分采用非結(jié)晶形態(tài)的金屬氮化物多層結(jié)構(gòu),且其中金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的氮含量逐漸向絕緣層的方向增加,所以可降低絕緣層的結(jié)晶性,進(jìn)而有效提高電容的質(zhì)量。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂,下文特舉本發(fā)明之較佳實(shí)施例,并配合附圖,作詳細(xì)說明如下。
圖1為依照本發(fā)明之一較佳實(shí)施例之金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2為依照本發(fā)明之另一較佳實(shí)施例之金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容結(jié)構(gòu)的制造流程步驟圖。
主要元件標(biāo)記說明100上電極110下電極112導(dǎo)體層114金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)120絕緣層200~230步驟具體實(shí)施方式
圖1為依照本發(fā)明之一較佳實(shí)施例之金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容結(jié)構(gòu)的剖面圖。
請(qǐng)參照?qǐng)D1,本實(shí)施例的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容結(jié)構(gòu)包括上電極100、下電極110以及絕緣層120,其中絕緣層120位于上電極100與下電極110之間。而且,下電極110是由一層導(dǎo)體層112以及金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)(multilayer structure metal nitride layer)114所構(gòu)成,這層金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)114是位于導(dǎo)體層112與絕緣層120之間,其中金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)114的氮含量逐漸向絕緣層120的方向增加,且金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)114是非結(jié)晶形態(tài)。
請(qǐng)?jiān)賲⒄請(qǐng)D1,上述金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)114是由幾層超薄膜(ultrathinfilm)所構(gòu)成,而每一層超薄膜的厚度例如是約在幾埃()至幾十埃之間,較佳為5~10埃左右。此外,前述超薄膜的層數(shù)例如是在三層以上。而上述金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)114的材料例如是TiN或TaN。導(dǎo)體層112的材料例如是TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅(poly Si)等任何適合的導(dǎo)電材料。因此,導(dǎo)體層112與金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)114的材料可以選擇是相同或不同。當(dāng)金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)114的材料與導(dǎo)體層112相同時(shí),可增加導(dǎo)體層112與絕緣層120之間的附著性,所以此金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)114可視為導(dǎo)體層112與絕緣層120之間的緩沖層(buffer layer),此外可有效降低工藝成本。而絕緣層120的材料較佳為高介電常數(shù)(high-k)材料,如Ta2O5、Al2O3、HfxAlyO、HfO2或TiO2。
由于這個(gè)實(shí)施例采用非結(jié)晶形態(tài)的金屬氮化物多層結(jié)構(gòu),使得絕緣層不易形成結(jié)晶形態(tài),可承受后續(xù)工藝之高溫環(huán)境,同時(shí)改善下電極與絕緣層的界面特性,進(jìn)而有效提高金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。
圖2為依照本發(fā)明之另一較佳實(shí)施例之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造流程步驟圖。
請(qǐng)參照?qǐng)D2,于步驟200中,提供導(dǎo)體層,導(dǎo)體層的材料例如是TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅等任何適合的導(dǎo)電材料。
之后,于步驟210中,于導(dǎo)體層上形成金屬氮化物多層結(jié)構(gòu),以便與導(dǎo)體層組成下電極。其中,金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是非結(jié)晶形態(tài)且其氮含量隨下電極之層數(shù)逐漸增加??衫谜婵毡∧こ练e系統(tǒng)來執(zhí)行這個(gè)步驟,例如是化學(xué)氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)系統(tǒng)。
此外,當(dāng)導(dǎo)體層與金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的材料相同時(shí),可在不增加工藝復(fù)雜度情況下,完成導(dǎo)體層鍍著后,接著利用工藝參數(shù)的調(diào)變,來連續(xù)形成金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)。舉例來說,使用等離子輔助原子層沉積系統(tǒng)時(shí),其步驟是先通入TiCl4前驅(qū)物(precursor),再通氣體將未反應(yīng)的前驅(qū)物帶走,此步驟稱為“purge”。接著,通入含有氮?dú)夂蜌錃?N2/H2)的反應(yīng)氣體(reactant gas)之等離子(plasma)進(jìn)行反應(yīng),此程序?yàn)橐粋€(gè)循環(huán)(cycle),以形成厚度例如是幾十埃的TiN薄膜,以完成下電極的導(dǎo)體層。之后,關(guān)掉TiN的前驅(qū)物,再使用工藝中鍍著TiN薄膜的參數(shù),在其表面沉積同樣為TiN的超薄膜,并隨著超薄膜的層數(shù)增加而增加其氮含量,以完成下電極之金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)。前述超薄膜的厚度極薄(約為幾?!珟资?。由于金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)中的氮(N)相對(duì)于金屬(如Ti或Ta)成分的比例越高,其結(jié)晶性越差,且每一層的厚度愈薄,其結(jié)晶也愈差,所以此金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)將會(huì)以非結(jié)晶形態(tài)出現(xiàn)。此外,由于后續(xù)工藝有可能遭遇高溫?zé)崽幚淼沫h(huán)境,會(huì)使下電極之導(dǎo)體層與絕緣層之間容易相互擴(kuò)散,所以上述金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)還可扮演擴(kuò)散阻障層(diffusion barrier)的角色。
然后,于步驟220中,于下電極的金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)上形成絕緣層,其中絕緣層的材料較佳是高介電常數(shù)(high-k)材料,例如Ta2O5、Al2O3、HfxAlyO、HfO2或TiO2。由于絕緣層是形成在上述非結(jié)晶形態(tài)的金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)上,所以不會(huì)像公知受到下層結(jié)晶的電極材料影響,進(jìn)而能形成非結(jié)晶形態(tài),以降低漏電流的損失,并得到較高的電容值。
最后,于步驟230中,于絕緣層上形成上電極。
綜上所述,本發(fā)明之特點(diǎn)是在形成絕緣層之前,先形成非結(jié)晶形態(tài)的金屬氮化物多層結(jié)構(gòu),以避免絕緣層結(jié)晶化,進(jìn)而防止漏電流的損失。此外,除了有利于形成非結(jié)晶形態(tài)的高介電常數(shù)絕緣層,減少電容的漏電流外,金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)也可提高電容在后續(xù)高溫環(huán)境的結(jié)晶溫度,并改善下電極與絕緣層的界面特性,將可有效提高元件的穩(wěn)定度和可靠度。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上,然其并非用以限定本發(fā)明,任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),當(dāng)可作些許的更動(dòng)與改進(jìn),因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu),包括上電極、下電極以及絕緣層,該絕緣層位于該上電極與該下電極之間,其特征是該下電極包括導(dǎo)體層;以及金屬氮化物多層結(jié)構(gòu),位于該導(dǎo)體層與該絕緣層之間,其中該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的氮含量逐漸向該絕緣層的方向增加,且該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是非結(jié)晶形態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu),其特征是該導(dǎo)體層與該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的材料相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu),其特征是該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的材料包括TiN或TaN。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu),其特征是該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是由多層超薄膜所構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu),其特征是該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的每一層超薄膜的厚度在幾埃至幾十埃之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu),其特征是該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的上述這些超薄膜的層數(shù)在三層以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu),其特征是該導(dǎo)體層的材料包括TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu),其特征是該絕緣層的材料包括高介電常數(shù)材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu),其特征是該絕緣層的材料包括Ta2O5、Al2O3、HfxAlyO、HfO2或TiO2。
10.一種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,其特征是包括提供導(dǎo)體層;于該導(dǎo)體層上形成金屬氮化物多層結(jié)構(gòu),以便與該導(dǎo)體層組成下電極,其中該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是非結(jié)晶形態(tài)且其氮含量隨該下電極之層數(shù)逐漸增加;于該下電極的該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)上形成絕緣層;以及于該絕緣層上形成上電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,其特征是于該導(dǎo)體層上形成該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的方法包括利用真空薄膜沉積系統(tǒng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,其特征是該真空薄膜沉積系統(tǒng)包括化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,其特征是該導(dǎo)體層與該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的材料相同。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,其特征是該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的材料包括TiN或TaN。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,其特征是該金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是由多層超薄膜所構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,其特征是該導(dǎo)體層的材料包括TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,其特征是該絕緣層的材料包括高介電常數(shù)材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述之金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的制造方法,其特征是該絕緣層的材料包括Ta2O5、Al2O3、HfxAlyO、HfO2或TiO2。
全文摘要
一種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu),是至少由上電極、下電極以及絕緣層所構(gòu)成,其中絕緣層位于上電極與下電極之間。而這種金屬-絕緣體-金屬電容結(jié)構(gòu)的特征在于下電極包括一層導(dǎo)體層以及金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)。金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)是位于導(dǎo)體層與絕緣層之間,且其氮含量逐漸向絕緣層的方向增加并為非結(jié)晶(amorphous)形態(tài)。由于金屬氮化物多層結(jié)構(gòu)的關(guān)系,可避免絕緣層形成結(jié)晶,以減少漏電流的損失。
文檔編號(hào)H01L27/102GK1992277SQ20051013745
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者王慶鈞, 李隆盛, 林哲歆, 羅文妙 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院