專利名稱：α-鉭層的形成方法、MIM電容及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件及其制法，且尤其涉及一種含有oc-鉭電極板的金 屬-絕緣層-金屬(MIM， metal-insulator-metal)電容器。
背景技術(shù)：
市場上對于兼具模擬與數(shù)字信號處理能力的系統(tǒng)級芯片(System-on-chip) 的需求與日俱增。舉例而言，利用模擬電路提取環(huán)境中的模擬信號，將其數(shù) 字化后，再轉(zhuǎn)成用來驅(qū)動數(shù)字電路與輸出功能的信號。在系統(tǒng)級芯片日益盛 行的趨勢下，組合了數(shù)字模塊與模擬模塊的混合信號模式(mixed-mode)系統(tǒng) 芯片也越來越重要。然而，整合數(shù)字模塊與模擬模塊會遇到電子失配 (electronic mismatch)的問題。
電路元件的電子失配會降低信號處理的質(zhì)量。電路元件在操作環(huán)境下的 物理穩(wěn)定性或操作條件的變異都可能造成電子失配，例如造成MIM結(jié)構(gòu)的 電容值變異。MIM電容的電容值與響應(yīng)受到許多參數(shù)的影響，這些參數(shù)(包 含其操作條件)可能會影響電容介電層的厚度與電容板的電阻值。為了提供可 靠而穩(wěn)定的電容值，必須制作出高穩(wěn)定性、低電阻的MIM結(jié)構(gòu)。
圖1顯示公知一種制作MIM電容的方法。在基底100上沉積厚度約750A 的氮化硅層102。在氮化硅層102上沉積厚度約200A的第一氮化鉭層104。 在第一氮化鉭層104上沉積厚度約1200A的鋁-銅層106，并在鋁-銅層106 上沉積厚度約600A的第二氮化鉅層108，而構(gòu)成MIM電容的下電極109。 在底電極板109上形成介電層110，然后沉積約500A的氮化鉭作為上電極 板112。下電極板的接點(diǎn)可位于下接觸區(qū)114，上電極板的接點(diǎn)可位于上接 觸區(qū)116。
上述電容結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)之一在于厚度太大，不易平坦化。另一缺點(diǎn)在于電 容板的電阻高達(dá)250pQ-cm。此夕卜，公知的MIM電容工藝復(fù)雜，成本不易降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題而提供一種形成Ot-鉭層的方法，包括下列
步驟形成含氮層于半導(dǎo)體基底上；以轟擊元素轟擊該含氮層以形成a-鉭晶 種層；以及，濺鍍鉭層于該a-鉭晶種層上，以形成實(shí)質(zhì)上由a-鉭所構(gòu)成的表 層。本發(fā)明也提供一種形成MIM電容的方法，包括下列步驟形成第一極 板，包括形成含氮層于半導(dǎo)體基底上，該含氮層具有第一含氮量；以轟擊 元素轟擊該含氮層以形成a-鉭晶種層，該a-鉅晶種層具有第二含氮量；以及， 形成實(shí)質(zhì)上由a-鉅所構(gòu)成的表層；形成介電層于該第一極板上；以及，形成 第二極板于該介電層上。
本發(fā)明還提供一種MIM電容，包括第一極板，包括含氮層于半導(dǎo)
體基底上；a-鉭晶種層于該含氮層上；實(shí)質(zhì)上由a-鉭所構(gòu)成的表層于該a-鉭 晶種層上，其中該a-鉭晶種層與a-鉭的晶格失配小于5%;介電層于該第一 極板上；以及，第二極板于該介電層上。本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)之一在于可降 低電極板的電阻，另一優(yōu)點(diǎn)在于可降低電容的厚度。此外，其他優(yōu)點(diǎn)還包括 以較低的成本制作出低電阻、低厚度的MIM電容。
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉 出優(yōu)選實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下


圖1顯示公知一種制作MIM電容的方法。
圖2顯示片電阻202與鉭膜含氮比例204相對于N2流量比206的關(guān)系圖。
圖3a、圖3b、圖3c分別顯示a-Ta、卩-Ta、 TaN的結(jié)晶相。 圖4顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中a-Ta層的形成機(jī)制。 圖5顯示a-Ta層的制作流程。 圖6顯示將oc-Ta層應(yīng)用在MIM電容的制作流程。 圖7顯示具有a-Ta下極板的MIM電容剖面圖。 其中，附圖標(biāo)記說明如下 100~基底 102~氮化硅層106~鋁-銅層
110 介電層
114~下接觸區(qū)
302 Ta
402~Ta
406~氬+
410 TaN(u
104 第一氮化鉭層 108 第二氮化鉭層 112~上電極板 116~上接觸區(qū) 304~N 404~N 408 TaNx 412~a-Ta
502、 504、 506、 508~流程步驟 602、 604、 606、 608、 610、 612、 614 流程步驟 702~基底 704-二氧化硅層 706 TaNx層 708~a-Ta層
710 介電層 712~上電極板 714~下接觸區(qū) 716~上接觸區(qū)
具體實(shí)施例方式
以下將以電容結(jié)構(gòu)為例作詳細(xì)說明，然而本發(fā)明也可應(yīng)用在其他半導(dǎo)體 元件與結(jié)構(gòu)，例如，可將a-鉭層應(yīng)用在電阻或電晶體中。因此，雖然以下的 實(shí)施例是以特定的MIM結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，但本發(fā)明并非以此為限。
鉭膜的結(jié)晶相會隨著膜中含氮濃度而改變。當(dāng)?shù)獫舛鹊陀诩s2%(原子百 分子)時(shí)，鉭膜是由P-Ta所構(gòu)成；當(dāng)?shù)獫舛冉橛诩s8-11%，鉭膜是由a-Ta所 構(gòu)成。在應(yīng)用上，a-Ta優(yōu)于P-Ta，因?yàn)閍-Ta具有較低的片電阻。
圖2顯示片電阻202與鉭膜含氮比例204相對于N2流量比206的關(guān)系 圖。曲線208顯示鉭膜含氮比例204與鉭膜濺鍍時(shí)的N2流量比206的相對 關(guān)系，當(dāng)N2流量體積從0增加到35。/。時(shí)(其余比例可為惰性氣體，如氬)，膜 中的含氮比例204從0增加到75%。曲線210顯示鉭膜的片電阻202與N2 流量比206的相對關(guān)系，當(dāng)N2流量比例為0時(shí)，片電阻約150pQ-cm。區(qū)域 212代表(3-Ta的相區(qū)。當(dāng)N2流量比例約8%時(shí)，片電阻約30|iQ-cm。區(qū)域214 代表a-Ta的相區(qū)。由圖中可看出，在區(qū)域214、 216、 218中，片電阻隨著 N2的流量比例增加，而膜中的含氮比例也隨之增加。區(qū)域216代表Ta(N)區(qū)，其含氮比例高于ot-Ta。最后，區(qū)域218代表TaN區(qū)，其中Ta原子與N原子 構(gòu)成等距間隔的矩陣，且含氮比例至少30%。
圖3a、圖3b、圖3c分別顯示a-Ta、 P-Ta、 TaN的結(jié)晶相。在圖3a中， ot-Ta層為體心立方(body-centered cubic)晶體結(jié)構(gòu)，其中約有10%的N原子 304摻入Ta原子302。如圖2的214區(qū)所示，a-Ta具有約20-40(iQ-cm的低 電阻。
圖3b顯示具有體心正方(tetragonal-body-centered)結(jié)構(gòu)的P-Ta。應(yīng)注意的 是，由于P-Ta的含氮比例小于8%，因此在圖中未繪出N原子。如圖2的212 區(qū)所示，P-Ta具有約160-170pQ-cm的高電阻。相較之下，低電阻的oc-Ta在 電子產(chǎn)品的應(yīng)用上較占優(yōu)勢。
圖3c顯示Ta原子與N原子構(gòu)成等距間隔的矩陣，且含氮比例至少30%。 N原子插入體心立方結(jié)構(gòu)的a-Ta的格隙。
圖4顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中a-Ta層的形成機(jī)制。在區(qū)域408中，Ta 原子402與N原子404為等距間隔的晶格結(jié)構(gòu)，但此區(qū)域也可代表任何的含 氮化合物。區(qū)域410代表低含氮比例的Ta(N)層。區(qū)域412代表含氮比例約 8-10。/。的a-Ta層。雖然在圖4中未繪出(3-Ta，但實(shí)際上當(dāng)Ta層的含氮比例 降低時(shí)，可能存在有部分的P-Ta。
轟擊元素406可為任何用來沖擊408區(qū)的含氮化合物的原子、分子、離 子、或化合物，例如氬離子、氪離子、氬原子、氪原子、氬分子、氪分子、 或前述的組合、或二氟化硼分子等。圖4顯示借由轟擊元素406(在此例中為 氬離子)轟擊TaN層來形成a-Ta層。當(dāng)膜層表面時(shí)受到轟擊元素406沖擊時(shí)， TaN晶格受到擾亂而釋放出Ta與N原子，并在膜層表面重新形成含氮較少 的Ta(N)層。當(dāng)轟擊持續(xù)進(jìn)行在Ta(N)層表面時(shí)，有更多的N原子被釋放出， 并重新形成膜的表層，因而在頂部形成a-Ta。重新形成的表層未必如前述具 有清楚的分層，而是具有從下而上逐漸減少的含氮比例。此外，重新形成的 表層與下方表面可能具有小于5%的晶格失配。含氮化合物受到轟擊的次層 (bomb氬ded sub-layer)厚度約75-85A。轟擊元素406可由等離子體系統(tǒng)或注 入系統(tǒng)產(chǎn)生。轟擊元素406可將厚約IO-卯A的TaN層重組成厚約8-12A的 Ta(N)與a-Ta層。N原子404與轟擊元素406可借由釋氣(outgass)排出系統(tǒng)。
圖5顯示形成oc-Ta層的流程。首先，在半導(dǎo)體基底上沉積介電層，如步驟502。半導(dǎo)體基底可包含或不包含含鋁層(aluminum containing layer)。例如， 在該實(shí)施例中并未包含Al203基板。然而，如果是在半導(dǎo)體基底的金屬間介 電層中形成MIM電容時(shí)，則基底的電路中可包含鋁化合物，例如AlCu層。 介電層的材料可為氧化硅、氮化硅等。接著，沉積含氮化合物以形成含 氮層，如步驟504。含氮化合物可為TaN、 SiN等。然后對含氮化合物進(jìn)行 如圖4所示的轟擊處理，如步驟506，例如可在等離子體反應(yīng)室中以約1200W 的RF功率進(jìn)行。上述的轟擊處理會在含氮化合物表面重新形成oc-Ta表層， 該oc-Ta表層可作為后續(xù)Ta濺鍍工藝的晶種層。含氮層的含氮量大于晶種層 的含氮量，在一個(gè)實(shí)施例中，含氮層的含氮量為晶種層的5倍以上。最后， 在N2流量實(shí)質(zhì)上為零的條件下濺鍍Ta層，如步驟508，如此便完成ot-Ta層 的制作。
圖6顯示將ot-Ta層應(yīng)用在MIM電容的下電極板的制作流程。首先，沉 積Si02層于半導(dǎo)體基底上，如步驟602，接著沉積含氮至少30。/。的TaN層于 Si02層上，如步驟604。以轟擊元素轟擊TaN層以形成a-Ta晶種層，如步驟 606。
將Ta濺鍍在晶種層上以增加ot-Ta的厚度，如步驟608，如此便形成了 MIM電容的下電極板。下電極板的寬度例如大于50000A。 Ta與TaN可利用 Novellus iNOVA系統(tǒng)加以沉積。Ta可在室溫下以約2000W的直流功率沉積。
接下來，將介電層沉積在下電極板，如步驟610。該介電層可為二氧化 硅層，例如可利用Novellus Sequel系統(tǒng)進(jìn)行沉積。此外，該介電層也可為未 摻雜硅玻璃(USQ undoped-silicon-glass)復(fù)合層，例如可利用射頻(RF) (13.56MHz)等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，以硅烷(SiH4)為前驅(qū)氣體、以氮 氣作為載氣進(jìn)行沉積。在沉積時(shí)可將硅烷前驅(qū)氣體與氧化二氮(N20)混合。 氧化二氮/硅垸的流量比例如約60，沉積溫度例如約40(TC。在整個(gè)沉積過程 中，反應(yīng)室壓力維持在2.4Torr，射頻功率維持在500W。之后，形成上電極 板在該介電層上，如步驟612。上電極板可包含P-Ta。最后，形成上電極板 與下電極板的接點(diǎn)，如步驟614。
圖7顯示具有a-Ta下極板的MIM電容剖面圖，可由圖6的制作流程所 制得。半導(dǎo)體基底702可包括硅基底或其他半導(dǎo)體材料，例如絕緣層上覆硅 (SOI)?；衔锇雽?dǎo)體、GaAs、 InP、 Si/Ge、 SiC等也可用來取代硅基底?；?02上可包含前端工藝(FEOL， front end of line)的其他有源元件或電路(未 顯示)。
將二氧化硅層704沉積在基底702上，然后將TaNx層706沉積在二氧 化硅層704上。對TaNx層706進(jìn)行轟擊處理以形成a-Ta晶種層，然后在N2 流量實(shí)質(zhì)上為零的條件下濺鍍Ta以增加oc-Ta的厚度，便形成oc-Ta層708。 接著形成介電層710。介電層710可以是介電常數(shù)(k)大于二氧化硅(1^3.9)的 高介電常數(shù)層，例如Hf02、 HfSiOx等。此外，介電層710也可以是高介電 常數(shù)的復(fù)合層，例如由Hf02、 HfSiOx或其他材料堆疊組合而成。再者，介 電層710也可以是二氧化硅、氮化硅、或前述的組合。
MIM電容的上電極板712可為TaN層或其他適合的導(dǎo)電材料。下電極 板的接點(diǎn)可位于下接觸區(qū)714，上電極板的接點(diǎn)可位于上接觸區(qū)716。
雖然本發(fā)明已以數(shù)個(gè)優(yōu)選實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明， 任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng) 可作任意的改動與變化，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定 的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種形成α-鉭層的方法，包括下列步驟形成含氮層于半導(dǎo)體基底上；以轟擊元素轟擊該含氮層以形成α-鉭晶種層；以及濺鍍鉭層于該α-鉭晶種層上，以形成實(shí)質(zhì)上由α-鉭所構(gòu)成的表層。
2. 如權(quán)利要求1所述的形成a-鉭層的方法，其中該含氮層包括氮化鉭、 氮化硅、或前述的組合。
3. 如權(quán)利要求1所述的形成ot-鉭層的方法，其中該a-鉭晶種層的厚度約 8-12人。
4. 如權(quán)利要求1所述的形成a-鉭層的方法，其中該表層的片電阻約 20-40^iQ-cm。
5. 如權(quán)利要求1所述的形成a-鉭層的方法，其中該轟擊元素包括氬離 子、氪離子、氬原子、氪原子、氬分子、氪分子、或前述的組合。
6. —種形成MIM電容的方法，包括下列步驟形成第一極板，包括形成含氮層于半導(dǎo)體基底上，該含氮層具有第一含氮量； 以轟擊元素轟擊該含氮層以形成a-鉭晶種層，該a-鉭晶種層具有第二含氮量；以及形成實(shí)質(zhì)上由a-鉭所構(gòu)成的表層； 形成介電層于該第一極板上；以及 形成第二極板于該介電層上。
7. 如權(quán)利要求6所述的形成MIM電容的方法，其中該第一含氮量為第二 含氮量的5倍以上。
8. 如權(quán)利要求6所述的形成MIM電容的方法，其中該表層的片電阻約 20-40(xQ國cm。
9. 一種MIM電容，包括第一極板，包括含氮層，位于半導(dǎo)體基底上；a-鉭晶種層，位于該含氮層上；實(shí)質(zhì)上由a-鉭所構(gòu)成的表層，位于該a-鉭晶種層上，其中該a-鉭晶種層與a-鉭的晶格失配小于5%;介電層，位于該第一極板上；以及 第二極板，位于該介電層上。
10.如權(quán)利要求9所述的MIM電容，其中該含氮層的含氮量大于該ot-鉭 晶種層。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種MIM電容、形成α-鉭層的方法、以及形成MIM電容的方法。形成MIM電容的方法包括形成含氮層于半導(dǎo)體基底上。以轟擊元素轟擊含氮層以形成α-鉭晶種層。之后，在N₂流量實(shí)質(zhì)上為零的條件下濺鍍Ta以形成α-鉭的第一極板表層。之后，形成介電層于第一極板上，并形成第二極板于介電層上，以完成MIM電容的制作。本發(fā)明可降低電極板的電阻，可降低電容的厚度，其他優(yōu)點(diǎn)還包括以較低的成本制作出低電阻、低厚度的MIM電容。
文檔編號H01L21/02GK101425453SQ200810146359
公開日2009年5月6日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月1日
發(fā)明者孫鐘仁, 廖茂成, 曹榮志, 陳科維 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司