TWI283475B - Bottom electrode of a metal-insulator-metal capacitor and method of manufacturing the same - Google Patents

Description

Ttwf.doc/g 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種金屬-絕緣體-金屬 (Metal-Insulator-Meta卜縮寫為MIM)電容及其製造方法， 且特別是有關於一種金屬-絕緣體_金屬電容的下電極及其 製造方法。 ~ 【先前技術】 半導體記憶體主要包含電晶體與電容，而當半導體記 憶體進人高深寬_製程，意味著電容在元件上可使用的 空間減少了。由於電職體所需記憶空間成長速度遽辦， 也隨之增加。因此，半導體製程技術為了曰滿 足化樣的㈤求’必須在製程技術上有所改變。 〜^、 不浪費空間的方法是採用高介電係數 陶)電容，以僮，二製作的一種金屬'絕緣體-金屬 值。並且，還可的電容面積下獲得足夠的電容 表面積來達到“=屬·絕緣體-金屬電容的下電極 【發明内容】 本發明的目的就是 (MIM)電容的下電極， /、一種金屬_絕緣體-金屬 增加下電極接觸面積/猎電極材料本身的相變化來 ^發明的再—目的是提供一種金 下電：方法’以利用簡便的製程製作出 -絕緣體-金屬電容 具有奈米級圖形的 12834^, ,、本^明的另一目的是提供一種金屬-絕緣體-金屬電 容’以增加下電極接觸面積。 本發明提出一種金屬-絕緣體-金屬（Mim)電容的下電 極，包括一過渡金屬層。這個過渡金屬層包括一奈米級圖 形區以及一相變化區，且奈米級圖形區的高度低於 區的高度。 -q < 依照本發明的較佳實施例所述下電極，上述之過渡金 屬層的相變化區包括過渡金屬層的氮化區、氧化區或氫化 區。 依照本發明的較佳實施例所述下電極，上述之過渡金 屬層的材料包括Pt、Ru、Ir或Ti。 •本發明再提出一種金屬-絕緣體_金屬電容的下電極的 製造方法，包括先於一基板上形成一過渡金屬層，再於過 渡金屬層上形成具有奈米級圖形的一自組性高分子膜，並 露=部分過渡金屬層。接著，以自組性高分子膜作為罩幕， 使露出的過渡金屬層發生相變化。然後，移除前述自組性 高分子膜。 依照本發明的較佳實施例所述方法，上述使露出的過 渡金屬層發生相變化之方法，包括將過渡金屬層置於一氣 體的氣氛中，使得這種氣體以原子態進入過渡金屬層的表 面’而造成相變化。其中，前述氣體包括〇2、Ν2、θ或 ΝΗ3 〇 依照本發明的較佳實施例所述方法，上述於基板上形 成過渡金屬層的方法包括化學氣相沉積法(Chemical Vap0r 6 ^Tli2wtwf.doc/g

Deposition，CVD)、物理氣相沉積法（Physical vap〇r Deposition ’ PVD)或原子層沈積法（At〇mic Layer Deposition，ALD)。 依照本發明的較佳實施例所述方法，上述過渡金屬層 的材料包括Pt、Ru、Ir或Ti 依照本發明的較佳實施例所述方法，上述移除該自組 性尚分子膜之後更包括蝕刻該過渡金屬層，以增加該過渡 金屬層之表面高度差。 依照本發明的較佳實施例所述方法，上述自組性高分 子膜的材料包括聚苯乙烯(P〇lystyrene，pS)、聚丙烯酸曱酯 (PMMS) 〇 本發明另提出一種金屬-絕緣體_金屬電容，包括一層 導體層、一層過渡金屬層與一層電容介電層。其中，導體 層疋作為電容的上電極，而位於導體層下的過渡金屬層則 作為電谷的下電極。其_，過渡金屬層包括奈綠圖形區 ，及相㉔倾，其巾奈米級圖形區的高度低於相變化區的 π度。再者’電容介電層是位於導體層與過渡金屬層之間。 ☆依照本發日_較佳實施例所述之金屬_絕緣體·金屬電 其中過渡金屬層的相變化區包括過渡金屬層的氮化 區、氧化區或氳化區。 、依照本發_較佳實施例所述之金屬_絕緣體·金屬電 各’其中過渡金屬層的材料包括Pt、Ru、MTi。 電利用過渡金屬層不同相的體積差異來增加 電夺接觸表面積’所以能在不增加元件二維面積的情況， 7 doc/g doc/g ’最大電容的效果。 增加下電極表面積，而達_同面積下 並且避免提高製造成本。 、 為讓本發明之上述和其他 易懂，下文特舉較佳實施例， 明如下。 目的、特徵和優點能更明顯 並配合所附圖式，作詳細說 【實施方式】 令属依照本發明之—較佳實施例之金屬·絕緣體-

金屬（MIM)電容的下電極之俯視圖，而® 1B為圖1A之 B-B線段的剖面圖。 勹圃 ^ ^同時參照圖U與圖1B，本實施例的金屬_絕緣體_ 金屬(MIM)電容的下電極是形成在—基板獅上的一層過 渡金屬層’這個過渡金屬層包括—奈米級圖形區1〇2以及 -相變化區104 ’且奈米級圖形區1〇2的高度低於相變化 區104的高度。此外，過渡金屬層的相變化區1〇4例如是 過渡金屬層的氮化區、氧傾或氫化區。社述過渡金屬 廣的材料可以是Pt、Ru、ΙΓ或Ti。

圖2A至圖2D為依照本發明之另一較佳實施例之金屬 -絕緣體金屬（MIM)電容的製造流程剖面示意圖。 請參照圖2A，先在一基板2〇〇上形成一過渡金屬層 202,其材料例如Pt，Ru，Ir4Ti等金屬，且形成過渡金屬 層202的方法例如是化學氣相沉積法（chemicai vapor

Deposition，CVD)、物理氣相沉積法（Physical vapor Deposition ’ PVD)或原子層沈積法（Atomic Layer Deposition ’ ALD); —般以原子層沈積法可達到較佳的彼 8 I2834172^twf.d〇c/g 覆性及均勻性。之後，在過渡金屬層202上塗佈一層自組 性高分子膜(self-assembling polymer film)204，此時的自組 性高分子膜204為非平衡態(non-equilibrium state)。其中， 自組性南分子膜204的材料例如是聚苯乙稀(p〇lystyrene， PS)、聚丙烯酸甲酯(PMMS)等高分子材料。 接著，請參照圖2B，利用如加熱、照光等方式，使非 平衡態的自組性高分子膜204轉變為平衡態的自組性高分 子膜204a，此時的自組性高分子膜204a具有奈米級圖形， .並露出部分206的過渡金屬層202。而且，可藉由調變最 初的自組性高分子膜204(請見2A)的濃度、厚度，以達到 所欲設計之圖形。 之後’請參照圖2C，以自組性高分子膜204a作為罩 幕，使露出的過渡金屬層202在部位206發生相變化，而 形成相變化區202a。其中，使露出的過渡金屬層202發生 相變化的方法例如是將過渡金屬層202置於一氣體的氣氛 中’使得這種氣體以原子態進入過渡金屬層202的表面， ► 而造成相變化，並且改變晶格常數，使金屬局部體積膨脹。 而刖述氣體例如是〇2、N2、Η:或NH3。接著，可利用不 同相的蝕刻選擇比差異，以增加過渡金屬層2〇2之表面高 度差，進而達到控制下電極表面粗糙度；舉例來說，當過 渡金屬層202的材料是Ru且相變化區202a的材料是Ru〇2 時，可使用如NH4〇H或CHsCOOH加上NH4〇H的蝕刻 液來蝕刻整個過渡金屬層202，以增加其表面高度差。 然後，請參照圖2D，移除上述自組性高分子膜2〇4a(請 12834iZ^twf.doc/g 見圖2C)，而留下分離相的過渡金屬層2〇2與相變化區 202a。接著，在基板2〇0上形成一層介電層208覆蓋由過 渡金屬層202與相變化區202a所構成的下電極，其中介電 層208的材料例如是Hf〇2, Al2〇3, TaW5, BaTi〇3等具有高 介電常數特性的材料。之後，於介電層208上形成一層^ 電極層210，·即完成金屬-絕緣體-金屬電容的製作。 综上所述，本發明專利之特點在於利用自組性高分子 膜所構成的奈米級圖形，使得下電極的過渡金屬層能達到 奈米級的相分離，而更加容易控制所需要的電容特性。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限疋本發明’任何熟習此技藝者，在賴離本發明之精神 =範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 ^ ^L1A t紐本判之—難實_之金屬絕緣體-金屬（MIM)電谷的下電極之俯視圖。 圖1B為圖1A之B-B線段的剖面圖。 圖2A至圖2D為依照本發明之另一較佳實施例之金屬 '絕緣體·金屬(MIM)電容的製造流程剖面示意圖 【主要元件符號說明】 100、200 :基板 102 ··過渡金屬層的奈米級圖形區 104 :過渡金屬層的相變化區 202 :過渡金屬層 12834¾ twf.doc/g 202a ··發生相變化的過渡金屬層 204 :自組性高分子膜 206 :部位 208 :介電層 210 :上電極

Claims (1)

1. rtwf.doc/g 十、申請專利範圍： 1· 一種金屬_絕緣體-金屬（MIM)電容的下電極，包括： 一過渡金屬層，該過渡金屬層包括： 一奈米級圖形區；以及 一相變化區，其中該奈米級圖形區的高度低於該相變 化區的南度。 2·如申請專利範圍第1項所述之金屬_絕緣體_金屬電 容的下電極，其中該過渡金屬層的該相變化區包括該過渡 金屬層的氮化區、氧化區或氫化區。 3·如申請專利範圍第1項所述之金屬_絕緣體_金屬電 容的下電極’其中該過渡金屬層的材料包括pt、Ru、Ir或 T卜 4·一種金屬-絕緣體-金屬電容的下電極的製造方法，包 括： 於一基板上形成一過渡金屬層； 於該過渡金屬層上形成具有奈米級圖形的一自組性高 分子膜，並露出部分該過渡金屬層； 以邊自組性高分子膜作為罩幕，使露出的該過渡金屬 層發生相變化；以及 移除該自組性高分子膜。 5·如申請專利範圍第4項所述之金屬-絕緣體-金屬電 容的下電極的製造方法，其中使露出的該過渡金屬層發生 相變化之方法包括將該過渡金屬層置於一氟體的氣氛中， 使得該氣體以原子態進入該過渡金屬層的表面，而造成相 12 doc/g I2834^57twf, 變化。 6·如申請專利範圍第5項所述之金屬-絕緣體-金屬電 容的下電極的製造方法，其中該氣體包括〇2、Ν2、Η2或 ΝΗ3。 7·如申請專利範圍第4項所述之金屬_絕緣體-金屬電 容的下電極的製造方法，其中於該基板上形成該過渡金屬 層的方法包括化學氣相沉積法、物理氣相沉積法或原子層 沈積法。 8·如申請專利範圍4項所述之金屬-絕緣體-金屬電容 的下電極的製造方法，其中該過渡金屬層的材料包括Pt、 Ru、Ir 或 Ti 〇 9·如申請專利範圍第4項所述之金屬-絕緣體-金屬電 容的下電極的製造方法，其中移除該自組性高分子膜之後 更包括蝕刻該過渡金屬層，以增加該過渡金屬層之表面高 度差。 10·如申請專利範圍第4項所述之金屬_絕緣體_金屬電 容的下電極的製造方法，其中該自組性高分子膜的材料包 括聚苯乙烯(polystyrene，PS)或聚丙烯酸甲酯(PMMS)。 11· 一種金屬-絕緣體-金屬電容，包括： 一導體層，作為一電容的上電極； 一過渡金屬層，位於該導體層下，作為該電容的下電 極，其中該過渡金屬層包括： 一奈米級圖形區；以及 一相變化區，其中該奈米級圖形區的高度低於該相 13 12834,¾ twf.doc/g 變化區的高度； 一電容介電層，位於該導體層與該過渡金屬層之間。 12. 如申請專利範圍第11項所述之金屬-絕緣體-金屬 電容，其中該過渡金屬層的該相變化區包括該過渡金屬層 的氦i化區、氧化區或氣化區。 13. 如申請專利範圍第11項所述之金屬-絕緣體-金屬 電容，其中該過渡金屬層的材料包括Pt、Ru、Ir或Ti。