高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明有关一种高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，应用于复合半导体集成 电路、手机电路中，其中电容器中的绝缘体为一介电材料层，其是由复数层二氧化铪（HfO2) 层与复数层二氧化硅（SiO2)层交替堆叠而成厚度大于500A的介电材料层，具有高电容密 度、低漏电流以及高崩溃电压等特点。
【背景技术】
[0002] 金属-绝缘体-金属电容器的应用很广泛，但在不同的应用时，对金属-绝缘 体-金属电容器的崩溃电压的需求却截然不同。例如，请参阅图6、图6A以及图6B(分别为 "Berthelot, A. ; Caillat, C. ; Huard, V. ; Barno I a, S. ; Boeck, B. ; Del-Puppo, Η. ; Emonet, N. & Lalanne, F. (2006). Highly Reliable TiN/Zr02/TiN 3D Stacked Capacitors for 45 nm Embedded DRAM Technologies, Proc. of ESSDERC 2006, pp. 343 - 346, Montreux, Switzerland, Sept. 2006" 中的 Figure 5、Figure 11 以及 Figure 4)，现有应用于动态随机存取记忆体Dynamic Random Access Memory (DRAM)的 金属-绝缘体-金属电容器，其崩溃电压的要求通常都在6V以下。
[0003] 请参阅图6,其为针对DRAM应用所设计的金属-绝缘体-金属电容器，其设计为下 层金属层为氮化钛（TiN),介电层为二氧化错（ZrO2),上层金属层为氮化钛（TiN)。其中介电 层亦可为二氧化铪（HfO2)或氧化铝（A1203)。请同时参看图6A以及图6B，以氧化铝（Al 2O3) 为例，当氧化铝（Al2O3)的膜厚接近50A (等效二氧化硅（SiO2)约20A)时，其崩溃电压约在 5. 5V左右。而在二氧化铪（HfO2)以及二氧化锆（ZrO2)的例子中，其崩溃电压更是低于4V。 然而，在手机的应用上，对金属-绝缘体-金属电容器的崩溃电压的要求却是高达50V，与 DRAM的应用差距甚大。
[0004] 不仅仅对崩溃电压的要求有所不同，应用在DRAM以及应用在手机时对金属-绝缘 体-金属电容器的生命期的要求亦大不相同。时间-介电崩溃生命期测试是半导体常用来 测试IC元件的可靠度的方法。测试金属-绝缘体-金属电容器时，是于高温之下，对电容 器施加以一固定电压，来量测其崩溃的时间，由此结果推估其生命期的大小是否符合要求。 对应用于DRAM的金属-绝缘体-金属电容器的要求通常为施加电压为3V时，生命期必须 大于或等于10年（3. IxlO8sec);而对应用于手机的金属-绝缘体-金属电容器，则是在温 度125°C之下，施加20V的电压，其生命期必须大于或等于20年（6. 3xlOssec)。很显然地， 应用于DRAM的金属-绝缘体-金属电容器的设计不论在生命期的要求或是在崩溃电压的 要求皆无法满足应用于手机的金属-绝缘体-金属电容器的设计。
[0005] 请参阅图7,为一现有技术为设计适用于手机的金属-绝缘体-金属电容器所使用 的设计。于一砷化镓（GaAs)基板上依序形成一隔离层、一第一金属层（Au)、一氮化娃介电 层（Si3N4)、一粘合层（Ti)以及一第二金属层（Au)。当氮化硅介电层（Si3N 4)的厚度为1000A 时，经时间-介电崩溃生命期的测试，在施加电压为20V时，其生命期可达到大于或等于20 年（6. 3xlOssec)的要求。而其崩溃电压为81. 5V，也可达到手机应用上的要求。然而，其电 容密度却只有580 (pF/mm2)。对于越来越密集的集成电路设计需求，需要更高的电容密度 的金属-绝缘体-金属电容器的设计。
[0006] 电容密度越高，代表单位面积的电容越高，换句话说，当需要电容固定时，电容密 度较高的金属-绝缘体-金属电容器设计所占的面积小于电容密度较低的金属-绝缘 体-金属电容器设计。例如，当设计手机电路时，如果能使用电容密度较高的金属-绝缘 体-金属电容器的设计，贝1J金属-绝缘体-金属电容器所占的面积将大幅缩小。由于电容器 占手机电路上相当大的比例，因此，设计出具有高电容密度的金属-绝缘体-金属电容器， 将能大幅降低成本，使产品具有更高的竞争性。
[0007] 有鉴于此，本发明人发展出新的设计，能够克服一般现有金属-绝缘体-金属电 容器的设计的缺陷，并设计出具有高电容密度的金属-绝缘体-金属电容器，又能通过时 间-介电崩溃生命期的测试，在施加电压为20V时，其生命期可达到大于或等于20年（6. 3 X 10s sec)的要求，且同时其崩溃电压也可达到50V以上，以符合手机应用的高崩溃电压值 的需求。
【发明内容】
[0008] 本发明所欲解决的技术问题在于如何提高金属-绝缘体-金属电容器的崩溃电压 以及降低金属-绝缘体-金属电容器的漏电电流，其崩溃电压的要求必须在50V以上，于此 同时又要使金属-绝缘体-金属电容器具有高电容密度，以符合复合半导体集成电路应用 的需求，降低成本，并且金属-绝缘体-金属电容器要能通过时间-介电崩溃生命期的测 试，在施加电压为20V时，其生命期可达到大于或等于20年（6. 3xlOssec)的要求。
[0009] 为解决前述问题，以达到所预期的功效，本发明提供一种高崩溃电压金属-绝缘 体-金属电容器，可应用于复合半导体集成电路、手机电路上，包括一基板、一隔离层、一第 一金属层、一介电材料层、一粘合层以及一第二金属层；其中该隔离层形成于该基板之上； 该第一金属层形成于该隔离层之上；该介电材料层形成于该第一金属层之上；该粘合层形 成于该介电材料层之上；该第二金属层形成于该粘合层之上；其中该介电材料层是由复数 层二氧化铪（HfO2)层与复数层二氧化硅（SiO2)层交替堆叠而成。
[0010] 其中该复数层二氧化铪（HfO2)层的每一层的厚度大于30A且小于100A，借此使得 该复数层二氧化铪（HfO2)层的每一层的二氧化铪（HfO2)的漏电流降低以及崩溃电压提高 且同时保有高电容密度。
[0011] 且其中由该复数层二氧化铪（HfO2)层与该复数层二氧化硅（SiO2)层交替堆叠而 成的该介电材料层的厚度大于500A，借此使得该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器的 崩溃电压提高至50V以上。
[0012] 于一实施例中，前述的该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，其中该介电材料 层的厚度大于500A且小于1000A。
[0013] 于另一实施例中，前述的该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，其中该复数层 二氧化硅（SiO2)层的每一层的厚度大于5A且小于50A。
[0014] 于再一实施例中，前述的该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，其中该复数层 二氧化铪（HfO2)层的总厚度大于450A且小于800A。
[0015] 于又一实施例中，前述的该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，其中该复数层 二氧化娃（SiO2)层的总厚度大于5〇A且小于20〇A。
[0016] 于又再一实施例中，前述的该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，其中该复数 层二氧化硅（SiO2)层的总厚度占该介电材料层的厚度的比例大于5%且小于25%。
[0017] 此外，本发明还提供一种高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，一基板、一隔离 层、一第一金属层、一介电材料层、一粘合层以及一第二金属层；其中该隔离层形成于该基 板之上；该第一金属层形成于该隔离层之上；该介电材料层形成于该第一金属层之上；该 粘合层形成于该介电材料层之上；该第二金属层形成于该粘合层之上；其中该介电材料层 是由复数层二氧化铪（HfO2)层与复数层间隔介电层交替堆叠而成；且该复数层间隔介电层 的每一层为一二氧化硅（SiO2)层或一氧化铝（Al2O3)层，其中该复数层间隔介电层包括至少 一二氧化娃（SiO2)层以及至少一氧化错（Al2O3)层。
[0018] 其中该复数层二氧化铪（HfO2)层的每一层之厚度系大于30A且小于100A，借此使 得该复数层二氧化铪（HfO2)层的每一层的二氧化铪（HfO2)的漏电流降低以及崩溃电压提 高且同时保有高电容密度。
[0019] 且其中由该复数层二氧化铪（HfO2)层与该复数层间隔介电层交替堆叠而成的该 介电材料层的厚度大于500A，借此使得该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器的崩溃电 压提高至50V以上。
[0020] 于一实施例中，前述的该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，其中该介电材料 层的厚度大于500A且小于1000A。
[0021] 于另一实施例中，前述的该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，其中该复数层 间隔介电层的每一层的厚度大于5A且小于100A。
[0022] 于再一实施例中，前述的该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，其中该复数层 二氧化铪（HfO2)层的总厚度大于450A且小于800A。
[0023] 于又一实施例中，前述的该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，其中该复数层 间隔介电层的总厚度大于50A且小于300A。
[0024] 于又再一实施例中，前述的该高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，其中该复数 层间隔介电层的总厚度占该介电材料层的厚度的比例大于5%且小于35%。
[0025] 此外，本发明也提供一种高崩溃电压金属-绝缘体-金属电容器，应用于复合半 导体集成电路，包括：一基板、一隔离层、一第一金属层、一介电材料层、一粘合层以及一第 二金属层；其中该隔离层形成于该基板之上；该第一金属层形成于该隔离层之上；该介电 材料层形成于该第一金属层之上；该粘合层形成于该介电材料层之上；该第二金属层形成 于该粘合层之上；其中该介电材料层是由复数层二氧化锆（ZrO2)层与复数层间隔介电