专利名称：：高性能金属/绝缘体/金属结构的电容器及其制备方法
技术领域：
：本发明属于半导体集成电路制造
技术领域：
，具体涉及一种高性能电容器及其制备方法。
背景技术：
：电容器件被引入到射频集成电路和混合信号集成电路中以用于电路中的解耦、信号过滤和振荡发生等领域。过去这些电容器件都是采用多晶硅-绝缘体-多晶硅(PIP)结构或金属-氧化层-硅衬底(MOS)结构[1，2]，然而多晶硅与MOS中的衬底都局限于耗尽效应，会产生寄生电容，从而导致不必要的电容值变化和偏置电压的扰动。同时非金属电极都会产生大的寄生电阻，在高频工作环境下严重影响电容的作用。对于射频电路和模拟-数字混合电路，由于精确性的需要，这个问题变得更为严重，使传统结构电容无法满足千兆赫兹频率下的应用需要。金属-绝缘体-金属(MIM)结构电容器件采用了金属作为两个电极，不但能有效降低寄生电容，而且还能减小电容两极的接触电阻。因此导电性强、无损耗的高电容密度MIM成为替代传统集成电路电容器件的新型电容器件。随着无线通讯和纳米器件的快速发展，系统级芯片集成度大大增加，射频和模拟/混合信号也被集成到芯片当中。特别在可移动设备应用中，系统级芯片(SoC)是发展趋势，减小电容所占面积可以增加逻辑部分的面积。同时，为了减小高频率工作下的寄生因素影响，电容器件也逐渐从前端(基于硅衬底)制造变为后端(铜互连层)制造。上述两方面都要求单个电容器所占面积尽可能的小。在总体电容不变的前提下，要缩小电容器面积，必定要提高电容密度。因此，如何获得高电容密度已成为业界的一大课题。我们知道电容密度是绝缘层介质介电常数和厚度的函数C=κ·ϵ0t---(1)]]>其中C为电容密度，κ为绝缘介质的介电常数，ε0为真空介电常数，t为绝缘层厚度。由(1)式可知，使用薄的绝缘层或者高κ材料都可以达到增加电容密度的目的。然而，对已经商品化的传统绝缘介质SiO2(κ＝～4)和Si3N4(κ＝7)来说，厚度的减薄会导致很大的漏电流，甚至隧穿电流，造成低劣的可靠性。因此，使用高κ材料成为获得高电容密度的最可行方案之一。在射频和模拟/混合信号集成电路中，对无源器件的要求极为苛刻，即MIM电容器在具有高电容密度的同时，还必须保持低漏电，良好的可靠性，低的电容电压系数(VCC)和电容温度系数(TCC)，以及与标准工艺兼容性等。[3-6]参考文献[1]T.Iida，M.Nakahara，S.Gotoh，andH.Akiba，“Precisecapacitorstructuresuitableforsubmicronmixedanalog/digitalASICs”，Proc.IEEECustomIntrgrationCircuitsConf.，1990，pp.18.5.1-18.5.4.A.S.StOnge，S.G.Franz，A.F.Puttlitz，A.Kalinoski，B.E.Johnson，andB.El-Kareh，“Designofprecisioncapacitorsforanalogapplications”，IEEETrans.Compon.，Hybirds，Manufact.Technol.，vol.15，no.4，pp.1064-1071，Dec.1992.S.J.Kim，B.J.Cho，L.M.Fu，C.X.Zhu，A.Chin，andD.L.Kwong，“HfO2andLanthanidedopedHfO2MIMcapacitorsforRF/MixedICapplications，”inSymp.VLSITech.Dig.，2003，pp.77-78.X.Yu，C.Zhu，H.Hu，A.Chin，M.F.Li，B.J.Cho，D.-L.Kwong，P.D.Foo，andM.B.Yu，“Ahigh-densityMIMcapacitor(13-fF/μm2)usingALDHfO2dielectrics，”IEEEElectronDeviceLett.，vol.24，pp.63-65，Feb.2003.T.Ishikawa，D.Kodama，Y.Matsui，M.Hiratani，T.Furusawa，andD.Hisamoto，“High-capacitanceCu/Ta2O5/CuMIMstructureforSoCapplicationsfeaturingasingle-maskadd-onprocess，”inIEDMTech.Dig.，2002，pp.940-942.TheinternationalTechnologyRoadmapforsemiconductors，SemiconductorIndustryAssociation，2005.
发明内容本发明的目的是提供一种电容密度高、漏电小、可靠性好、寄生参数低、电容电压系数和电容温度系数低的MIM电容器及其制备方法。本发明提出的MIM电容器，采用TaN做上、下金属电极，用原子层淀积的方法生长的Al2O3/HfO2纳米叠层(nano-laminated)薄膜作为绝缘介质层，Al2O3单层的厚度为0.5-1.5nm，HfO2单层的厚度为5-15nm，与上、下金属电极相连的介质层均为Al2O3单层。绝缘介质层是由Al2O3和HfO2层交替生长而成，整个介质层厚度根据需要来改变，每个Al2O3和HfO2单层的厚度通过原子层淀积的反应循环次数来控制。本发明提出的MIM电容器的制备方法如下1、在硅衬底上化学汽相淀积一层二氧化硅绝缘薄膜；一般厚度为400～1000nm，用来降低寄生效应。2、采用反应溅射的方法淀积一层100～300nm的TaN薄膜用作下电极。一般采用Ta靶，N2和Ar为反应气体。3、采用原子层淀积(ALD)的方法逐层生长Al2O3和HfO2纳米叠层介质薄膜，淀积温度控制在300～350℃。其中，Al2O3的反应源可选用三甲基铝Al(CH3)3和水蒸汽；HfO2的反应源可选用四氯化铪HfCl4和水蒸汽。4、采用同步骤(2)相同的条件淀积上电极。5、涂胶、曝光、显影等步骤后形成图形。6、反应离子束刻蚀，除去上层金属和绝缘介质层，形成上电极，同时露出下电极金属层。7、去胶后，在N2/H2气氛中退火，温度为400～450℃，时间为30～60分钟。本发明具有以下优点1、使Al2O3直接与电极相连，改善了电极/绝缘体的界面特性，提高了电子的发射势垒，有利于降低MIM电容的漏电；2、在绝缘介质中引入非晶的Al2O3层，使得HfO2薄膜被隔离成多个较薄的单层，所以有效地抑制了HfO2的结晶，减少了产生漏电的晶粒边界或缺陷，大大提高了介质的击穿强度；3、采用原子层淀积的方法，可以实现本发明中的绝缘介质在低于350℃下生长，因此与集成电路后道工艺的热预算兼容。此外，该方法生长很薄的薄膜时可以达到精确的厚度控制。图1电容密度随频率的变化图(绝缘介质的厚度分别为13nm和43nm)。图2在25℃和125℃的条件下，漏电流随电压的变化图。图3对应于实例2中56nm的绝缘介质MIM电容的剖面透射电子显微镜照片。具体实施例方式实施例1电容器件是射频旁路电路中必不可少的器件，它的作用是滤掉从敏感区域进入的干扰。为了滤除危害射频的低频噪声，一般要求旁路电容要有较大的电容值。在移动通信设备上，希望电容极板面积越小越好，从而提高集成密度，因此需要高电容密度的电容器件，同时能保持低的漏电流、尽可能小的电容电压和温度系数等。采用TaN做上、下金属电极，用原子层淀积的方法生长的Al2O3/HfO2纳米叠层薄膜作为绝缘介质层，Al2O3单层的厚度为0.5-1.5nm，HfO2单层的厚度为5-15nm，与上下金属电极相连的介质层均为Al2O3单层。绝缘介质层是由Al2O3和HfO2层交替生长而成。制备条件为淀积TaN的厚度为100nm、200nm和300nm；淀积绝缘介质层温度分别300℃、330℃、350℃。交替生长的Al2O3层和HfO2层单层厚度分别为1nm和5nm，最终绝缘介质层的总厚度包括两种13nm和43nm。图1为本实例测得的电容密度随频率的变化。在10kHz到20GHz范围内表现出稳定的电容密度特性，说明该结构适合射频旁路电容的应用。13nm的Al2O3/HfO2纳米叠层介质具有高达12.8fF/μm2的电容密度。图2为本实例的漏电流随电压变化图，显示在室温下3.3V的电压下漏电流密度为3.2×10-8A/cm2，室温下的击穿场强为6MV/cm。表1列出了该MIM电容的电学参数，并和其它绝缘介质进行了比较，如反应溅射(PVD)的掺铽HfO2、原子层淀积(ALD)的HfO2、PVDTa2O5。从表中可以看到，本实例在较高的电容密度下具有最低的漏电流和较低的电压系数，表现出了本实例具有良好应用前景。实施例2在模拟/混合信号电路中，电容器件一般作为保持电容对采样和信号还原起电压保持作用。增大电容可以保持电压的衰减，但会引起采样时间的增大，所以要选用低漏电的电容，并具有良好的环境稳定性。因此，电容器一定要有低的漏电流、低的电压和温度系数，并且具备较高的电容密度。采用TaN做上、下金属电极，用原子层淀积的方法生长的Al2O3/HfO2纳米叠层薄膜作为绝缘介质层，Al2O3单层的厚度为0.5-1.5nm，HfO2单层的厚度为5-15nm，与上下金属电极相连的介质层均为Al2O3单层。绝缘介质层是由Al2O3和HfO2层交替生长而成。制备条件为淀积TaN的厚度为200nm、150nm和300nm；淀积绝缘介质层温度分别300℃、340℃、350℃。交替生长的Al2O3层和HfO2层的单层厚度为分别为1nm和10nm，总的绝缘层厚度为56nm。测得的电容密度为3.13fF/μm2，电压系数分别为100ppm/V2(二次项)及-80ppm/V(一次项)。在3.3V和125℃的条件下漏电流密度仅为1×10-9A/cm2，且在该温度下击穿电场为3.3MV/cm。其剖面的透射电子显微镜照片见图3，清晰地表明了Al2O3和HfO2交替生长的结构。对HfO2单层显微照片放大后观察，发现该单层中只出现部分结晶的现象。表1实例1中MIM电容器的参数与文献报道的其它结果比较权利要求1.一种高性能金属/绝缘体/金属结构的电容器，其特征在于采用TaN做上、下金属电极，用原子层淀积的方法生长的Al2O3/HfO2纳米叠层薄膜作为绝缘介质层，Al2O3单层的厚度为0.5-1.5nm，HfO2单层的厚度为5-15nm，与上、下金属电极相连的介质层均为Al2O3单层。2.一种如权利要求1所述的高性能金属/绝缘体/金属结构的电容器的制备方法，其特征在于具体步骤如下(1)在硅衬底上化学汽相淀积一层二氧化硅绝缘薄膜；(2)采用反应溅射的方法淀积一层100～300nm的TaN薄膜用作下电极；(3)采用原子层淀积的方法逐层生长Al2O3和HfO2纳米叠层介质薄膜，淀积温度控制在300～350℃；(4)采用同步骤(2)相同的条件淀积上电极；(5)涂胶、曝光、显影等步骤后形成图形；(6)反应离子束刻蚀，除去上层金属和绝缘介质层，形成上电极，同时露出下电极金属层；(7)去胶后，在N2/H2气氛中退火，温度为400～450℃，时间为30～60分钟。全文摘要本发明属半导体集成电路制造
技术领域：
，具体为一种适合射频、模拟和混合信号集成电路的高性能金属/绝缘体/金属(MIM)电容器及其制备方法，该电容器以原子层淀积方法制备的Al文档编号H01L29/66GK1851919SQ20061002527公开日2006年10月25日申请日期2006年3月30日优先权日2006年3月30日发明者丁士进,黄宇健,张卫申请人:复旦大学