[發明專利]金屬－絕緣體－金屬結構及其形成方法

有效

• 申請號: 200710098239.7
• 申請日: 2007-04-20
• 公開（公告）號: CN101060141A
• 公開（公告）日: 2007-10-24
• 發明（設計）人: 王郁仁;林杏蓮;杜友倫
• 申請（專利權）人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號: H01L29/92
• 分類號: H01L29/92;H01L23/522;H01L27/00;H01L21/02;H01L21/768;H01L21/82
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所
• 代理人: 劉新宇

技術領域

本發明是有關金屬-絕緣體-金屬電容器結構，更特別有關具有高電容及低穿隧電流的金屬-絕緣體-金屬電容器結構及其形成方法。

背景技術

在集成電路(IC)中，為了提高內連線層間的空間利用率，一般是將電容形成于半導體晶圓的內連線層之間，若內連線層的導線為金屬時，則此電容結構稱之為金屬-絕緣體-金屬結構(metal-insulator-metal，簡稱MIM)，可儲存多種半導體元件的電荷。舉例來說，在射頻/混合信號集成電路(RF.Mixed-signal?IC)及動態隨機存取存儲器(DRAM)等應用中，MIM結構為關鍵元件之一。

已知MIM結構耗費相對大量的半導體晶圓或晶片的表面積，其設置方向與晶圓表面平行，其結構是介電層夾設于金屬材質的頂電極與底電極之間，而介電層一般是低介電常數材料如二氧化硅或氮化硅。由于電容的參數之一為面積大小，如何縮小MIM占據晶圓的表面積，同時維持高電容一直是業界持續努力的目標。為了減少MIM結構的面積以提高電容密度，多種已知技術揭露如下。

已知的一種方式改用高介電常數材料取代低介電常數材料，如介電常數高于9的Al₂O₃、HfO或Ta₂O₅。但高介電常數材料與金屬電極之間的附著力不佳，容易造成MIM結構分層。另一已知方式則減少介電層厚度以提高電容。電容參數的公式如式1：

C＝k×(A/t)???????????????(式1)

其中C為電容，k為介電層的介電常數，A為介電層與電極接觸的表面積，而t為介電層的厚度。

另一個已知方式則同時采用上述兩種方法：使用高介電常數材料與降低介電層厚度。不幸的是此種組合將造成穿隧電流的問題。當高介電常數材料變薄時，介電層兩端的電極間的漏電流或穿隧電流(tunneling?current)將會提高。如上所述，目前亟需比已知MIM結構的面積更小的MIM結構，且在使用高介電常數材料時不會產生漏電流。

發明內容

為減少電容面積，且在應用高介電常數材料時不會產生漏電流，本發明提供一種金屬-絕緣體-金屬電容器結構，包括第一電極，包括磁性金屬，且其磁矩排列為第一方向；第二電極，包括磁性金屬，且其磁矩排列為第二方向，其中第一方向與第二方向反向平行；以及介電層，夾設于第一電極與第二電極之間，且與第一電極的磁性金屬及第二電極的磁性金屬接觸。

本發明所述的金屬-絕緣體-金屬電容器結構，其中該磁性金屬包括一第一磁性金屬及一第二磁性金屬，且兩者間以非磁金屬間隔物隔開，其中該第一磁性金屬接觸該介電層且其磁矩排列為該第一方向或第二方向，而該第二磁性金屬的磁矩排列與第一磁性金屬的磁矩排列反向平行。

本發明所述的金屬-絕緣體-金屬電容器結構，其中該第一電極與該第二電極更包括一反鐵磁材料形成于該磁性金屬不與該介電層接觸的一側上。

本發明所述的金屬-絕緣體-金屬電容器結構，其中該第一電極的該反鐵磁材料的阻擋溫度高于該第二電極的該反鐵磁材料的阻擋溫度。

本發明所述的金屬-絕緣體-金屬電容器結構，其中該介電層包括介電常數至少為9的高介電常數材料。

本發明更提供一種金屬-絕緣體-金屬電容器結構的形成方法，包括形成底電極，且底電極為磁性金屬；形成介電層于底電極上；形成頂電極于介電層上，且頂電極為磁性金屬；進行回火步驟，使頂電極的磁矩排列朝第一方向、底電極的磁矩排列朝第二方向，且第一方向與第二方向是反向平行。

本發明所述的金屬-絕緣體-金屬電容器結構的形成方法，其中形成該頂電極的步驟更包括：形成一第一磁性金屬；形成一非磁金屬間隔物于該第一磁性金屬上；以及形成一第二磁性金屬于該非磁金屬間隔物上，其中該第一磁性金屬接觸該介電層；并且，形成該底電極的步驟更包括：形成一第二磁性金屬；形成一非磁金屬間隔物于該第二磁性金屬上；以及形成一第一磁性金屬于該非磁金屬間隔物上，其中該第一磁性金屬接觸該介電層；其中該回火步驟更包括回火該頂電極與該底電極，使該頂電極的該第一磁性金屬的磁矩排列朝該第一方向、該底電極的第一磁性金屬的磁矩排列朝該第二方向、該頂電極的該第二磁性金屬的磁矩排列朝該第二方向、及該底電極的第二磁性金屬的磁矩排列朝該第一方向。