α-钽层的形成方法、MIM电容及其形成方法

专利名称：α-钽层的形成方法、MIM电容及其形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体元件及其制法，且尤其涉及一种含有oc-钽电极板的金 属-绝缘层-金属(MIM， metal-insulator-metal)电容器。
背景技术：
市场上对于兼具模拟与数字信号处理能力的系统级芯片(System-on-chip) 的需求与日俱增。举例而言，利用模拟电路提取环境中的模拟信号，将其数 字化后，再转成用来驱动数字电路与输出功能的信号。在系统级芯片日益盛 行的趋势下，组合了数字模块与模拟模块的混合信号模式(mixed-mode)系统 芯片也越来越重要。然而，整合数字模块与模拟模块会遇到电子失配 (electronic mismatch)的问题。
电路元件的电子失配会降低信号处理的质量。电路元件在操作环境下的 物理稳定性或操作条件的变异都可能造成电子失配，例如造成MIM结构的 电容值变异。MIM电容的电容值与响应受到许多参数的影响，这些参数(包 含其操作条件)可能会影响电容介电层的厚度与电容板的电阻值。为了提供可 靠而稳定的电容值，必须制作出高稳定性、低电阻的MIM结构。
图1显示公知一种制作MIM电容的方法。在基底100上沉积厚度约750A 的氮化硅层102。在氮化硅层102上沉积厚度约200A的第一氮化钽层104。 在第一氮化钽层104上沉积厚度约1200A的铝-铜层106，并在铝-铜层106 上沉积厚度约600A的第二氮化钜层108，而构成MIM电容的下电极109。 在底电极板109上形成介电层110，然后沉积约500A的氮化钽作为上电极 板112。下电极板的接点可位于下接触区114，上电极板的接点可位于上接 触区116。
上述电容结构的缺点之一在于厚度太大，不易平坦化。另一缺点在于电 容板的电阻高达250pQ-cm。此夕卜，公知的MIM电容工艺复杂，成本不易降低。

发明内容
本发明为了解决上述技术问题而提供一种形成Ot-钽层的方法，包括下列
步骤形成含氮层于半导体基底上；以轰击元素轰击该含氮层以形成a-钽晶 种层；以及，溅镀钽层于该a-钽晶种层上，以形成实质上由a-钽所构成的表 层。本发明也提供一种形成MIM电容的方法，包括下列步骤形成第一极 板，包括形成含氮层于半导体基底上，该含氮层具有第一含氮量；以轰击 元素轰击该含氮层以形成a-钽晶种层，该a-钜晶种层具有第二含氮量；以及， 形成实质上由a-钜所构成的表层；形成介电层于该第一极板上；以及，形成 第二极板于该介电层上。
本发明还提供一种MIM电容，包括第一极板，包括含氮层于半导
体基底上；a-钽晶种层于该含氮层上；实质上由a-钽所构成的表层于该a-钽 晶种层上，其中该a-钽晶种层与a-钽的晶格失配小于5%;介电层于该第一 极板上；以及，第二极板于该介电层上。本发明实施例的优点之一在于可降 低电极板的电阻，另一优点在于可降低电容的厚度。此外，其他优点还包括 以较低的成本制作出低电阻、低厚度的MIM电容。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举 出优选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下


图1显示公知一种制作MIM电容的方法。
图2显示片电阻202与钽膜含氮比例204相对于N2流量比206的关系图。
图3a、图3b、图3c分别显示a-Ta、卩-Ta、 TaN的结晶相。 图4显示本发明一个实施例中a-Ta层的形成机制。 图5显示a-Ta层的制作流程。 图6显示将oc-Ta层应用在MIM电容的制作流程。 图7显示具有a-Ta下极板的MIM电容剖面图。 其中，附图标记说明如下 100~基底 102~氮化硅层106~铝-铜层
110 介电层
114~下接触区
302 Ta
402~Ta
406~氩+
410 TaN(u
104 第一氮化钽层 108 第二氮化钽层 112~上电极板 116~上接触区 304~N 404~N 408 TaNx 412~a-Ta
502、 504、 506、 508~流程步骤 602、 604、 606、 608、 610、 612、 614 流程步骤 702~基底 704-二氧化硅层 706 TaNx层 708~a-Ta层
710 介电层 712~上电极板 714~下接触区 716~上接触区
具体实施例方式
以下将以电容结构为例作详细说明，然而本发明也可应用在其他半导体 元件与结构，例如，可将a-钽层应用在电阻或电晶体中。因此，虽然以下的 实施例是以特定的MIM结构进行说明，但本发明并非以此为限。
钽膜的结晶相会随着膜中含氮浓度而改变。当氮浓度低于约2%(原子百 分子)时，钽膜是由P-Ta所构成；当氮浓度介于约8-11%，钽膜是由a-Ta所 构成。在应用上，a-Ta优于P-Ta，因为a-Ta具有较低的片电阻。
图2显示片电阻202与钽膜含氮比例204相对于N2流量比206的关系 图。曲线208显示钽膜含氮比例204与钽膜溅镀时的N2流量比206的相对 关系，当N2流量体积从0增加到35。/。时(其余比例可为惰性气体，如氩)，膜 中的含氮比例204从0增加到75%。曲线210显示钽膜的片电阻202与N2 流量比206的相对关系，当N2流量比例为0时，片电阻约150pQ-cm。区域 212代表(3-Ta的相区。当N2流量比例约8%时，片电阻约30|iQ-cm。区域214 代表a-Ta的相区。由图中可看出，在区域214、 216、 218中，片电阻随着 N2的流量比例增加，而膜中的含氮比例也随之增加。区域216代表Ta(N)区，其含氮比例高于ot-Ta。最后，区域218代表TaN区，其中Ta原子与N原子 构成等距间隔的矩阵，且含氮比例至少30%。
图3a、图3b、图3c分别显示a-Ta、 P-Ta、 TaN的结晶相。在图3a中， ot-Ta层为体心立方(body-centered cubic)晶体结构，其中约有10%的N原子 304掺入Ta原子302。如图2的214区所示，a-Ta具有约20-40(iQ-cm的低 电阻。
图3b显示具有体心正方(tetragonal-body-centered)结构的P-Ta。应注意的 是，由于P-Ta的含氮比例小于8%，因此在图中未绘出N原子。如图2的212 区所示，P-Ta具有约160-170pQ-cm的高电阻。相较之下，低电阻的oc-Ta在 电子产品的应用上较占优势。
图3c显示Ta原子与N原子构成等距间隔的矩阵，且含氮比例至少30%。 N原子插入体心立方结构的a-Ta的格隙。
图4显示本发明一个实施例中a-Ta层的形成机制。在区域408中，Ta 原子402与N原子404为等距间隔的晶格结构，但此区域也可代表任何的含 氮化合物。区域410代表低含氮比例的Ta(N)层。区域412代表含氮比例约 8-10。/。的a-Ta层。虽然在图4中未绘出(3-Ta，但实际上当Ta层的含氮比例 降低时，可能存在有部分的P-Ta。
轰击元素406可为任何用来冲击408区的含氮化合物的原子、分子、离 子、或化合物，例如氩离子、氪离子、氩原子、氪原子、氩分子、氪分子、 或前述的组合、或二氟化硼分子等。图4显示借由轰击元素406(在此例中为 氩离子)轰击TaN层来形成a-Ta层。当膜层表面时受到轰击元素406冲击时， TaN晶格受到扰乱而释放出Ta与N原子，并在膜层表面重新形成含氮较少 的Ta(N)层。当轰击持续进行在Ta(N)层表面时，有更多的N原子被释放出， 并重新形成膜的表层，因而在顶部形成a-Ta。重新形成的表层未必如前述具 有清楚的分层，而是具有从下而上逐渐减少的含氮比例。此外，重新形成的 表层与下方表面可能具有小于5%的晶格失配。含氮化合物受到轰击的次层 (bomb氩ded sub-layer)厚度约75-85A。轰击元素406可由等离子体系统或注 入系统产生。轰击元素406可将厚约IO-卯A的TaN层重组成厚约8-12A的 Ta(N)与a-Ta层。N原子404与轰击元素406可借由释气(outgass)排出系统。
图5显示形成oc-Ta层的流程。首先，在半导体基底上沉积介电层，如步骤502。半导体基底可包含或不包含含铝层(aluminum containing layer)。例如， 在该实施例中并未包含Al203基板。然而，如果是在半导体基底的金属间介 电层中形成MIM电容时，则基底的电路中可包含铝化合物，例如AlCu层。 介电层的材料可为氧化硅、氮化硅等。接着，沉积含氮化合物以形成含 氮层，如步骤504。含氮化合物可为TaN、 SiN等。然后对含氮化合物进行 如图4所示的轰击处理，如步骤506，例如可在等离子体反应室中以约1200W 的RF功率进行。上述的轰击处理会在含氮化合物表面重新形成oc-Ta表层， 该oc-Ta表层可作为后续Ta溅镀工艺的晶种层。含氮层的含氮量大于晶种层 的含氮量，在一个实施例中，含氮层的含氮量为晶种层的5倍以上。最后， 在N2流量实质上为零的条件下溅镀Ta层，如步骤508，如此便完成ot-Ta层 的制作。
图6显示将ot-Ta层应用在MIM电容的下电极板的制作流程。首先，沉 积Si02层于半导体基底上，如步骤602，接着沉积含氮至少30。/。的TaN层于 Si02层上，如步骤604。以轰击元素轰击TaN层以形成a-Ta晶种层，如步骤 606。
将Ta溅镀在晶种层上以增加ot-Ta的厚度，如步骤608，如此便形成了 MIM电容的下电极板。下电极板的宽度例如大于50000A。 Ta与TaN可利用 Novellus iNOVA系统加以沉积。Ta可在室温下以约2000W的直流功率沉积。
接下来，将介电层沉积在下电极板，如步骤610。该介电层可为二氧化 硅层，例如可利用Novellus Sequel系统进行沉积。此外，该介电层也可为未 掺杂硅玻璃(USQ undoped-silicon-glass)复合层，例如可利用射频(RF) (13.56MHz)等离子体加强化学气相沉积法，以硅烷(SiH4)为前驱气体、以氮 气作为载气进行沉积。在沉积时可将硅烷前驱气体与氧化二氮(N20)混合。 氧化二氮/硅垸的流量比例如约60，沉积温度例如约40(TC。在整个沉积过程 中，反应室压力维持在2.4Torr，射频功率维持在500W。之后，形成上电极 板在该介电层上，如步骤612。上电极板可包含P-Ta。最后，形成上电极板 与下电极板的接点，如步骤614。
图7显示具有a-Ta下极板的MIM电容剖面图，可由图6的制作流程所 制得。半导体基底702可包括硅基底或其他半导体材料，例如绝缘层上覆硅 (SOI)。化合物半导体、GaAs、 InP、 Si/Ge、 SiC等也可用来取代硅基底。基底702上可包含前端工艺(FEOL， front end of line)的其他有源元件或电路(未 显示)。
将二氧化硅层704沉积在基底702上，然后将TaNx层706沉积在二氧 化硅层704上。对TaNx层706进行轰击处理以形成a-Ta晶种层，然后在N2 流量实质上为零的条件下溅镀Ta以增加oc-Ta的厚度，便形成oc-Ta层708。 接着形成介电层710。介电层710可以是介电常数(k)大于二氧化硅(1^3.9)的 高介电常数层，例如Hf02、 HfSiOx等。此外，介电层710也可以是高介电 常数的复合层，例如由Hf02、 HfSiOx或其他材料堆叠组合而成。再者，介 电层710也可以是二氧化硅、氮化硅、或前述的组合。
MIM电容的上电极板712可为TaN层或其他适合的导电材料。下电极 板的接点可位于下接触区714，上电极板的接点可位于上接触区716。
虽然本发明已以数个优选实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明， 任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当 可作任意的改动与变化，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定 的范围为准。
权利要求
1. 一种形成α-钽层的方法，包括下列步骤形成含氮层于半导体基底上；以轰击元素轰击该含氮层以形成α-钽晶种层；以及溅镀钽层于该α-钽晶种层上，以形成实质上由α-钽所构成的表层。
2. 如权利要求1所述的形成a-钽层的方法，其中该含氮层包括氮化钽、 氮化硅、或前述的组合。
3. 如权利要求1所述的形成ot-钽层的方法，其中该a-钽晶种层的厚度约 8-12人。
4. 如权利要求1所述的形成a-钽层的方法，其中该表层的片电阻约 20-40^iQ-cm。
5. 如权利要求1所述的形成a-钽层的方法，其中该轰击元素包括氩离 子、氪离子、氩原子、氪原子、氩分子、氪分子、或前述的组合。
6. —种形成MIM电容的方法，包括下列步骤形成第一极板，包括形成含氮层于半导体基底上，该含氮层具有第一含氮量； 以轰击元素轰击该含氮层以形成a-钽晶种层，该a-钽晶种层具有第二含氮量；以及形成实质上由a-钽所构成的表层； 形成介电层于该第一极板上；以及 形成第二极板于该介电层上。
7. 如权利要求6所述的形成MIM电容的方法，其中该第一含氮量为第二 含氮量的5倍以上。
8. 如权利要求6所述的形成MIM电容的方法，其中该表层的片电阻约 20-40(xQ國cm。
9. 一种MIM电容，包括第一极板，包括含氮层，位于半导体基底上；a-钽晶种层，位于该含氮层上；实质上由a-钽所构成的表层，位于该a-钽晶种层上，其中该a-钽晶种层与a-钽的晶格失配小于5%;介电层，位于该第一极板上；以及 第二极板，位于该介电层上。
10.如权利要求9所述的MIM电容，其中该含氮层的含氮量大于该ot-钽 晶种层。
全文摘要
本发明揭示一种MIM电容、形成α-钽层的方法、以及形成MIM电容的方法。形成MIM电容的方法包括形成含氮层于半导体基底上。以轰击元素轰击含氮层以形成α-钽晶种层。之后，在N₂流量实质上为零的条件下溅镀Ta以形成α-钽的第一极板表层。之后，形成介电层于第一极板上，并形成第二极板于介电层上，以完成MIM电容的制作。本发明可降低电极板的电阻，可降低电容的厚度，其他优点还包括以较低的成本制作出低电阻、低厚度的MIM电容。
文档编号H01L21/02GK101425453SQ200810146359
公开日2009年5月6日 申请日期2008年8月25日 优先权日2007年11月1日
发明者孙钟仁, 廖茂成, 曹荣志, 陈科维 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司