專利名稱：具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體元件，且特別是有關(guān)于一種具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器。
但是若電容器的儲存電量若太小，則所提供的訊號將會不穩(wěn)定，因此又必須想辦法增加電容器的儲存電量。因為電容器的電容是和電容器介電層的介電常數(shù)成正比的，因此使用具有高介電常數(shù)的介電材料來作為電容器介電層就成為普遍的需求。但是一般具有高介電常數(shù)的介電材料，其價帶(valence band)至傳導(dǎo)帶(conductive band)的能隙(band gap)一般都不夠大，例如氧化鉭(介電常數(shù)約為20-25)的能隙才約3-5eV而已，因此很容易就因為熱離化放射(thermionic emission)的機制而造成漏電流的問題，使得電容器的儲存電量無法維持較長的一段時間。
而傳統(tǒng)常用的氧化硅介電材料，其能隙值(約8.8eV)較大，使其漏電流較少，但是其介電常數(shù)才約4而已。因此若在深次微米的半導(dǎo)體工藝中，尤其是目前要由0.18微米進入0.13微米的工藝中，應(yīng)用氧化硅來制作電容器將無法有效地縮減電容器所需占據(jù)的面積。
根據(jù)本發(fā)明的上述目的，提出一種具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器與其制造方法。位于基底上的該金屬電容器，自基底依序往上至少包括有第一金屬層、具有高能隙特性的第一介電層、具有高介電常數(shù)的第二介電層、具有高能隙特性的第三介電層以及第二金屬層。
依照本發(fā)明一實施方式，第一金屬層與第二金屬層例如可為以反應(yīng)性濺鍍法所形成的氮化鈦層，第一介電層與第三介電層例如可為以化學(xué)氣相沉積法所形成的氧化硅層或是以反應(yīng)性濺鍍法所形成的氧化鋁層。而第二介電層例如可為Ta2O5、Si3N4、TiO2、ZrO2、HfO2、PZT(lead zirconate titanate)或BST(barium strontium titanate)等材質(zhì)的介電層。
本發(fā)明的另一目的是在提供一種應(yīng)用在混合訊號半導(dǎo)體元件(mixed signal devices)的金屬電容器與其制造方法。該金屬電容器不僅具有高介電常數(shù)與低漏電流特性，且具有近似線性的電容-電壓關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明的上述目的，提出一種應(yīng)用在混合訊號半導(dǎo)體元件的金屬電容器，該金屬電容器具有高介電常數(shù)與低漏電流特性。在基底上的該金屬器容器，由下至上依序有第一金屬層、具有高能隙特性的第一介電層、具有高介電常數(shù)的第二介電復(fù)層、具有高能隙特性的第三介電層與第二金屬層。其中第二介電復(fù)層材質(zhì)的組合足以使該電容器的電容-電壓關(guān)系為近似線性的。
依照本發(fā)明另一實施方式，第一金屬層與第二金屬層例如可為以反應(yīng)性濺鍍法所形成的氮化鈦層，第一介電層與第三介電層例如可為以化學(xué)氣相沉積法所形成的氧化硅層或是以反應(yīng)性濺鍍法所形成的氧化鋁層。而第二介電復(fù)層的各層材質(zhì)例如可分別為Ta2O5、Si3N4、TiO2、ZrO2、HfO2、PZT或BST等材質(zhì)的介電層。
如上所述，本發(fā)明因為將具有高能隙的第一介電層與第三介電層分別與電容器的第一金屬層與第二金屬層相接觸，所以可以減少因熱離化放射所造成的漏電流。然而又將具有高介電常數(shù)的第二介電層或第二介電復(fù)層置于第一介電層與第三介電層之間，所以仍可維持整個介電復(fù)層的高介電常數(shù)特性，以符合集成度集成電路的所需。
圖2A-2C是依照本發(fā)明另一實施例的一種應(yīng)用在混合訊號半導(dǎo)體元件的金屬電容器的制造流程剖面圖。
附圖標記說明100、200基底110、210下電極120、220第一介電層130第二介電層140、240第三介電層
150、250上電極230第二介電復(fù)層請參照

圖1A，在基底100上形成第一金屬層110，做為金屬電容器的下電極。第一金屬層110的材質(zhì)例如可為氮化鈦，其形成方法例如可為反應(yīng)性濺鍍法(reactive sputtering)。
然后再于第一金屬層110的上形成具有高能隙的第一介電層120。第一介電層120的材質(zhì)例如可為氧化硅(介電常數(shù)約為4)或氧化鋁(介電常數(shù)約為9)，其中氧化硅的價帶(valence band)至傳導(dǎo)帶(conductive band)的能隙約為9eV，而氧化鋁的能隙約為8.8eV，皆是能隙較大的介電材質(zhì)。第一介電層120的形成方法，要選擇不會將第一金屬層110氧化的形成方法，以免影響其導(dǎo)電性。第一介電層120的形成方法例如可為等離子體增強式化學(xué)氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapordeposition；PECVD)或功率較低的高密度等離子體化學(xué)氣相沉積法(high-density plasma CVD；HDPCVD)。而第一介電層110的厚度可在5-50埃之間。
請參照圖1B，接著在第一介電層120上形成具有高介電常數(shù)的第二介電層130。第二介電層130的材質(zhì)例如可為Ta2O5、Si3N4、TiO2、ZrO2、HfO2、PZT(lead zirconate titanate)或BST(barium strontium titanate)等，其厚度可約為50-800埃。
在形成第二介電層后，可視需要進行一些后處理。例如可在使用快速熱處理法(rapid thermal process；RTP)或使用爐管(fumace)來加熱的狀況下通入含氮或含氧的氣體(O2、N2、N2O、NH3等)，或者是通入含氮或含氧氣體的等離子體來減少第二介電層130內(nèi)的雜質(zhì)(如碳、氫、氯…等)并讓第二介電層130進行回火以使微觀的晶格結(jié)構(gòu)更完整，以減少漏電流的發(fā)生。
請參照圖1C，在第二介電層130上，接著形成具有高能隙的第三介電層140。和第一介電層120一樣，其材質(zhì)例如可為氧化硅或氧化鋁，其厚度可在5-50埃之間。最后再于第三介電層140上形成第二金屬層150，作為金屬電容器的上電極。第二金屬層150的材質(zhì)可以和第一金屬層110材質(zhì)一樣，例如可為氮化鈦。
由第一金屬層110/第一介電層120/第二介電層130/第三介電層140/第二金屬層150所組成的電容器，其等效電容可以下面的式(1)來計算的1C=1C1+1C2+1C3+Λ---(1)]]>所以若以氮化鈦/25埃厚的氧化硅/100埃厚的氧化鉭/25埃厚的氧化硅/氮化鈦的金屬電容器來說，其所得的等效電容約為氮化鈦/380埃厚的氧化硅/氮化鈦電容的5倍。所以應(yīng)用本發(fā)明，不但可以對金屬電容器的漏電流有很好的控制，又可以得到較高的等效電容。實施例二請參照圖2A-2C，其是依照本發(fā)明另一實施例的一種應(yīng)用在混合訊號半導(dǎo)體元件的金屬電容器的制造流程剖面圖。
請參照圖2A，在基底200上形成第一金屬層210，做為金屬電容器的下電極。第一金屬層210的材質(zhì)例如可為氮化鈦，其形成方法例如可為反應(yīng)性濺鍍法(reactive sputtering)。
然后再于第一金屬層210的上形成具有高能隙的第一介電層220。第一介電層220的材質(zhì)例如可為氧化硅或氧化鋁，皆是能隙較大的介電材質(zhì)。第一介電層220的形成方法，和實施例一同樣地要選擇不會將第一金屬層210氧化的形成方法，以免影響其導(dǎo)電性。所以第一介電層220的形成方法例如可為等離子體增強式化學(xué)氣相沉積法或功率較低的高密度等離子體化學(xué)氣相沉積法。而第一介電層210的厚度可在5-50埃之間。
請參照圖2B，接著在第一介電層220上形成第二介電復(fù)層230。第二介電復(fù)層230是由多層具有高介電常數(shù)的介電層相疊而成的，各層介電層的材質(zhì)例如可分別為Ta2O5、Si3N4、TiO2、ZrO2、HfO2、PZT或BST等，依所需以各種不同的順序來疊覆皆可。
在形成第二介電復(fù)層230的每一層介電層后，可視需要進行一些后處理。例如可在使用快速熱處理法或使用爐管來加熱的狀況下通入含氮或含氧的氣體(O2、N2、N2O、NH3等)，或者是通入含氮或含氧氣體的等離子體來減少第二介電復(fù)層230內(nèi)每一層介電層的雜質(zhì)(如碳、氫、氯…等)并讓第二介電復(fù)層230內(nèi)的每一層介電層進行回火以使微觀的晶格結(jié)構(gòu)更為完整，以減少漏電流的發(fā)生。
請參照圖2C，在第二介電層230上，接著形成具有高能隙的第三介電層240。和第一介電層220一樣，其材質(zhì)例如可為氧化硅或氧化鋁，其厚度可在5-50埃之間。最后再于第三介電層240的上形成第二金屬層250，作為金屬電容器的上電極。第二金屬層250的材質(zhì)可以和第一金屬層材質(zhì)210一樣，例如可為氮化鈦。
因為在混合電路上所應(yīng)用的電容器，理想的狀況為希望在不同電壓下，其電容的大小能維持恒定，或至少兩者為線性的關(guān)系，以使在進行電路設(shè)計與實際操作時能較容易預(yù)測電容器的行為。所以在上述的第二介電復(fù)層230的層數(shù)與介電材質(zhì)的選擇與組合，最好能使組合起來的金屬電容器能有電容-電壓成線性關(guān)系的行為。
一般來說，電容器的電容(C)與電壓(V)的關(guān)系可以下面的式(2)來表示的C(V)＝C0+C1V+C2V2+Λ(2)若電容器的介電層是由多層所組合而成，則其近似的等效電容與電壓的關(guān)系式可以下面的式(3)來表示C(V)=ΣiC0i+ΣiC1iV+ΣiC2iV2+Λ---(3)]]>所以若希望電容器的電容與電壓能成線性關(guān)系，則所組合出的V2前的系數(shù) 數(shù)值最好是趨近于零(＜50ppm/V2)。理想上，最好連 的數(shù)值也很小，則此電容器的電容可以視為在相當大范圍的操作電壓下皆可保持定值。
由上述本發(fā)明實施例可知，應(yīng)用本發(fā)明不僅可讓金屬電容器得到良好的漏電流的控制，而且又可兼顧在深次微米工藝中高介電常數(shù)的電容器介電層的需求，使得本發(fā)明極有潛力可應(yīng)用在0.13微米的半導(dǎo)體工藝中。同時本發(fā)明也提供一種方法可調(diào)整金屬電容器的電容與電壓間的關(guān)系，使其可以呈線性關(guān)系，以利混合電路設(shè)計。
雖然本發(fā)明已以一實施例說明如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當以權(quán)利要求書為準。
權(quán)利要求
1.一種具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器，其特征為該金屬電容器至少包括一第一金屬層位于一基底上；具有高能隙特性的一第一介電層位于該金屬層上；具有高介電常數(shù)的一第二介電層位于該第一介電層上；具有高能隙特性的一第三介電層位于該第二介電層上；以及一第二金屬層位于該第三介電層上。
2.如權(quán)利要求1所述的具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器，其特征為該第一金屬層與該第二金屬層至少包括一氮化鈦層。
3.如權(quán)利要求1所述的具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器，其特征為該第一介電層與該第三介電層至少包括氧化硅層。
4.如權(quán)利要求1所述的具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器，其特征為該第一介電層與該第三介電層至少包括氧化鋁層。
5.如權(quán)利要求1所述的具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器，其特征為該第一介電層與該第三介電層的厚度在5-50埃之間。
6.如權(quán)利要求1所述的具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器，其特征為該第二介電層的材質(zhì)選自于由Ta2O5、Si3N4、TiO2、ZrO2、HfO2、PZT(lead zirconate titanate)與BST(barium strontiumtitanate)所組成的族群。
7.如權(quán)利要求1所述的具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器，其特征為該第二介電層的厚度約為50-800埃。
8.一種應(yīng)用在混合訊號半導(dǎo)體元件的金屬電容器，該金屬電容器具有高介電常數(shù)與低漏電流特性，其特征為該金屬電容器至少包括一第一金屬層位于一基底上；具有高能隙特性的一第一介電層位于該金屬層上；具有高介電常數(shù)的第二介電復(fù)層位于該第一介電層上，該第二介電復(fù)層的材質(zhì)的組合足以使該電容器的電容-電壓關(guān)系為近似線性的；具有高能隙特性的一第三介電層位于該第二介電復(fù)層上；以及一第二金屬層位于該第三介電層上。
9.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用在混合訊號半導(dǎo)體元件的金屬電容器，其特征為該第一金屬層與該第二金屬層至少包括一氮化鈦層。
10.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用在混合訊號半導(dǎo)體元件的金屬電容器，其特征為該第一介電層與該第三介電層至少包括氧化硅層。
11.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用在混合訊號半導(dǎo)體元件的金屬電容器，其特征為該第一介電層與該第三介電層至少包括氧化鋁層。
12.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用在混合訊號半導(dǎo)體元件的金屬電容器，其特征為該第一介電層與該第三介電層的厚度約為5-50埃。
13.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用在混合訊號半導(dǎo)體元件的金屬電容器，其特征為該第二介電復(fù)層的每一層的材質(zhì)分別選自于由Ta2O5、Si3N4、TiO2、ZrO2、HfO2、PZT(lead zirconate titanate)與BST(bariumstrontium titanate)所組成的族群。
全文摘要
一種具有高介電常數(shù)與低漏電流特性的金屬電容器。位于一基底上的該金屬電容器，自基底依序往上至少包括有第一金屬層，具有高能隙特性的第一介電層，具有高介電常數(shù)的第二介電層，具有高能隙特性的第三介電層，以及第二金屬層。
文檔編號H01L27/10GK1458692SQ02120269
公開日2003年11月26日 申請日期2002年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者史望澄, 丁文琪, 李自強, 林志賢, 王是琦 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司