专利名称：金属－绝缘体－金属电容结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal，缩写为MIM)电容结构及其制造方法，且特别涉及一种可避免下电极诱发绝缘层结晶的金属-绝缘体-金属电容结构及其制造方法。
背景技术：
金属-绝缘体-金属(MIM)结构的电容将是下世代DRAM电容的主要形式，且使用高介电常数(high-k)材料作为绝缘层，才可在缩小的电容面积下获得足够的电容值。而结晶形态的电极材料的电阻值较低，具有较佳的导电效果，因此目前的金属-绝缘体-金属(MIM)电容结构的电极多采用这种材料。但是在电容制造过程中，结晶形态的电极材料会诱发其上方的绝缘材料形成结晶，对高介电常数材料而言，将会产生较大的漏电流。这是因为结晶材料内晶界的存在，是造成电荷损失最大的因素，且在后续晶体管高温热处理过程中之热稳定性变差，导致电容值下降。
发明内容
本发明的目的就是提供一种金属-绝缘体-金属(MIM)电容结构，具有低漏电的优点。
本发明的再一目的是提供一种金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，以有效提高电容的质量，进而大幅增加高介电常数薄膜材料在DRAM电容元件的应用可行性。
本发明提出一种金属-绝缘体-金属(MIM)电容结构，包括上电极(upperelectrode)、下电极(lower electrode)以及绝缘层，其中绝缘层位于上电极与下电极之间。而这种金属-绝缘体-金属电容结构的特征在于下电极包括一层导体层以及金属氮化物多层结构(metal nitride multilayer structure)。金属氮化物多层结构是位于导体层与绝缘层之间，其中金属氮化物多层结构的氮含量逐渐向绝缘层的方向增加，且金属氮化物多层结构是非结晶(amorphous)形态。
依照本发明的较佳实施例所述结构，上述之导体层与金属氮化物多层结构的材料可以是相同的。
依照本发明的较佳实施例所述结构，上述金属氮化物多层结构的材料包括TiN或TaN。
依照本发明的较佳实施例所述结构，上述金属氮化物多层结构是由几层超薄膜(ultrathin film)所构成，其中金属氮化物多层结构的每一层超薄膜的厚度约在几埃至几十埃之间。此外，前述超薄膜的层数例如是在三层以上。
依照本发明的较佳实施例所述结构，上述之导体层的材料包括TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅等导电材料。
依照本发明的较佳实施例所述结构，绝缘层的材料包括高介电常数(high-k)材料，如Ta2O5、Al2O3、HfO2或TiO2。
本发明提出一种金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，包括先提供导体层，再于导体层上形成金属氮化物多层结构，以使其与导体层组成下电极。其中，金属氮化物多层结构是非结晶形态且其氮含量随下电极之层数逐渐增加。接着，于下电极的该金属氮化物多层结构上形成绝缘层，再于绝缘层上形成上电极。
依照本发明的较佳实施例所述方法，上述于导体层上形成金属氮化物多层结构的方法是利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)或原子层沉积(AtomicLayer Deposition，ALD)等真空薄膜沉积系统。
依照本发明的较佳实施例所述方法，上述之导体层与金属氮化物多层结构的材料可以是相同的。
依照本发明的较佳实施例所述方法，上述之金属氮化物多层结构的材料包括TiN或TaN。
依照本发明的较佳实施例所述方法，上述金属氮化物多层结构是由几层超薄膜所构成。
依照本发明的较佳实施例所述方法，上述导体层的材料包括TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅。
依照本发明的较佳实施例所述方法，上述绝缘层的材料包括高介电常数材料，如Ta2O5、Al2O3、HfxAlyO、HfO2或TiO2。
本发明因为在下电极接近绝缘层的部分采用非结晶形态的金属氮化物多层结构，且其中金属氮化物多层结构的氮含量逐渐向绝缘层的方向增加，所以可降低绝缘层的结晶性，进而有效提高电容的质量。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明之较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1为依照本发明之一较佳实施例之金属-绝缘体-金属(MIM)电容结构的剖面图。
图2为依照本发明之另一较佳实施例之金属-绝缘体-金属(MIM)电容结构的制造流程步骤图。
主要元件标记说明100上电极110下电极112导体层114金属氮化物多层结构120绝缘层200～230步骤具体实施方式
图1为依照本发明之一较佳实施例之金属-绝缘体-金属(MIM)电容结构的剖面图。
请参照图1，本实施例的金属-绝缘体-金属(MIM)电容结构包括上电极100、下电极110以及绝缘层120，其中绝缘层120位于上电极100与下电极110之间。而且，下电极110是由一层导体层112以及金属氮化物多层结构(multilayer structure metal nitride layer)114所构成，这层金属氮化物多层结构114是位于导体层112与绝缘层120之间，其中金属氮化物多层结构114的氮含量逐渐向绝缘层120的方向增加，且金属氮化物多层结构114是非结晶形态。
请再参照图1，上述金属氮化物多层结构114是由几层超薄膜(ultrathinfilm)所构成，而每一层超薄膜的厚度例如是约在几埃()至几十埃之间，较佳为5～10埃左右。此外，前述超薄膜的层数例如是在三层以上。而上述金属氮化物多层结构114的材料例如是TiN或TaN。导体层112的材料例如是TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅(poly Si)等任何适合的导电材料。因此，导体层112与金属氮化物多层结构114的材料可以选择是相同或不同。当金属氮化物多层结构114的材料与导体层112相同时，可增加导体层112与绝缘层120之间的附着性，所以此金属氮化物多层结构114可视为导体层112与绝缘层120之间的缓冲层(buffer layer)，此外可有效降低工艺成本。而绝缘层120的材料较佳为高介电常数(high-k)材料，如Ta2O5、Al2O3、HfxAlyO、HfO2或TiO2。
由于这个实施例采用非结晶形态的金属氮化物多层结构，使得绝缘层不易形成结晶形态，可承受后续工艺之高温环境，同时改善下电极与绝缘层的界面特性，进而有效提高金属-绝缘体-金属电容结构的质量。
图2为依照本发明之另一较佳实施例之金属-绝缘体-金属电容结构的制造流程步骤图。
请参照图2，于步骤200中，提供导体层，导体层的材料例如是TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅等任何适合的导电材料。
之后，于步骤210中，于导体层上形成金属氮化物多层结构，以便与导体层组成下电极。其中，金属氮化物多层结构是非结晶形态且其氮含量随下电极之层数逐渐增加。可利用真空薄膜沉积系统来执行这个步骤，例如是化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)系统。
此外，当导体层与金属氮化物多层结构的材料相同时，可在不增加工艺复杂度情况下，完成导体层镀着后，接着利用工艺参数的调变，来连续形成金属氮化物多层结构。举例来说，使用等离子辅助原子层沉积系统时，其步骤是先通入TiCl4前驱物(precursor)，再通气体将未反应的前驱物带走，此步骤称为“purge”。接着，通入含有氮气和氢气(N2/H2)的反应气体(reactant gas)之等离子(plasma)进行反应，此程序为一个循环(cycle)，以形成厚度例如是几十埃的TiN薄膜，以完成下电极的导体层。之后，关掉TiN的前驱物，再使用工艺中镀着TiN薄膜的参数，在其表面沉积同样为TiN的超薄膜，并随着超薄膜的层数增加而增加其氮含量，以完成下电极之金属氮化物多层结构。前述超薄膜的厚度极薄(约为几埃～几十埃)。由于金属氮化物多层结构中的氮(N)相对于金属(如Ti或Ta)成分的比例越高，其结晶性越差，且每一层的厚度愈薄，其结晶也愈差，所以此金属氮化物多层结构将会以非结晶形态出现。此外，由于后续工艺有可能遭遇高温热处理的环境，会使下电极之导体层与绝缘层之间容易相互扩散，所以上述金属氮化物多层结构还可扮演扩散阻障层(diffusion barrier)的角色。
然后，于步骤220中，于下电极的金属氮化物多层结构上形成绝缘层，其中绝缘层的材料较佳是高介电常数(high-k)材料，例如Ta2O5、Al2O3、HfxAlyO、HfO2或TiO2。由于绝缘层是形成在上述非结晶形态的金属氮化物多层结构上，所以不会像公知受到下层结晶的电极材料影响，进而能形成非结晶形态，以降低漏电流的损失，并得到较高的电容值。
最后，于步骤230中，于绝缘层上形成上电极。
综上所述，本发明之特点是在形成绝缘层之前，先形成非结晶形态的金属氮化物多层结构，以避免绝缘层结晶化，进而防止漏电流的损失。此外，除了有利于形成非结晶形态的高介电常数绝缘层，减少电容的漏电流外，金属氮化物多层结构也可提高电容在后续高温环境的结晶温度，并改善下电极与绝缘层的界面特性，将可有效提高元件的稳定度和可靠度。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种金属-绝缘体-金属电容结构，包括上电极、下电极以及绝缘层，该绝缘层位于该上电极与该下电极之间，其特征是该下电极包括导体层；以及金属氮化物多层结构，位于该导体层与该绝缘层之间，其中该金属氮化物多层结构的氮含量逐渐向该绝缘层的方向增加，且该金属氮化物多层结构是非结晶形态。
2.根据权利要求1所述之金属-绝缘体-金属电容结构，其特征是该导体层与该金属氮化物多层结构的材料相同。
3.根据权利要求1所述之金属-绝缘体-金属电容结构，其特征是该金属氮化物多层结构的材料包括TiN或TaN。
4.根据权利要求1所述之金属-绝缘体-金属电容结构，其特征是该金属氮化物多层结构是由多层超薄膜所构成。
5.根据权利要求4所述之金属-绝缘体-金属电容结构，其特征是该金属氮化物多层结构的每一层超薄膜的厚度在几埃至几十埃之间。
6.根据权利要求4所述之金属-绝缘体-金属电容结构，其特征是该金属氮化物多层结构的上述这些超薄膜的层数在三层以上。
7.根据权利要求1所述之金属-绝缘体-金属电容结构，其特征是该导体层的材料包括TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅。
8.根据权利要求1所述之金属-绝缘体-金属电容结构，其特征是该绝缘层的材料包括高介电常数材料。
9.根据权利要求8所述之金属-绝缘体-金属电容结构，其特征是该绝缘层的材料包括Ta2O5、Al2O3、HfxAlyO、HfO2或TiO2。
10.一种金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，其特征是包括提供导体层；于该导体层上形成金属氮化物多层结构，以便与该导体层组成下电极，其中该金属氮化物多层结构是非结晶形态且其氮含量随该下电极之层数逐渐增加；于该下电极的该金属氮化物多层结构上形成绝缘层；以及于该绝缘层上形成上电极。
11.根据权利要求10所述之金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，其特征是于该导体层上形成该金属氮化物多层结构的方法包括利用真空薄膜沉积系统。
12.根据权利要求11所述之金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，其特征是该真空薄膜沉积系统包括化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积系统。
13.根据权利要求10所述之金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，其特征是该导体层与该金属氮化物多层结构的材料相同。
14.根据权利要求10所述之金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，其特征是该金属氮化物多层结构的材料包括TiN或TaN。
15.根据权利要求10所述之金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，其特征是该金属氮化物多层结构是由多层超薄膜所构成。
16.根据权利要求10所述之金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，其特征是该导体层的材料包括TiN、TaN、Ru、Pt或多晶硅。
17.根据权利要求10所述之金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，其特征是该绝缘层的材料包括高介电常数材料。
18.根据权利要求17所述之金属-绝缘体-金属电容结构的制造方法，其特征是该绝缘层的材料包括Ta2O5、Al2O3、HfxAlyO、HfO2或TiO2。
全文摘要
一种金属－绝缘体－金属电容结构，是至少由上电极、下电极以及绝缘层所构成，其中绝缘层位于上电极与下电极之间。而这种金属－绝缘体－金属电容结构的特征在于下电极包括一层导体层以及金属氮化物多层结构。金属氮化物多层结构是位于导体层与绝缘层之间，且其氮含量逐渐向绝缘层的方向增加并为非结晶(amorphous)形态。由于金属氮化物多层结构的关系，可避免绝缘层形成结晶，以减少漏电流的损失。
文档编号H01L27/102GK1992277SQ20051013745
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月30日 优先权日2005年12月30日
发明者王庆钧, 李隆盛, 林哲歆, 罗文妙 申请人:财团法人工业技术研究院