[发明专利]金属－绝缘体－金属结构及其形成方法

说明书

技术领域

本发明是有关金属-绝缘体-金属电容器结构，更特别有关具有高电容及低穿隧电流的金属-绝缘体-金属电容器结构及其形成方法。

背景技术

在集成电路(IC)中，为了提高内连线层间的空间利用率，一般是将电容形成于半导体晶圆的内连线层之间，若内连线层的导线为金属时，则此电容结构称之为金属-绝缘体-金属结构(metal-insulator-metal，简称MIM)，可储存多种半导体元件的电荷。举例来说，在射频/混合信号集成电路(RF.Mixed-signal IC)及动态随机存取存储器(DRAM)等应用中，MIM结构为关键元件之一。

已知MIM结构耗费相对大量的半导体晶圆或晶片的表面积，其设置方向与晶圆表面平行，其结构是介电层夹设于金属材质的顶电极与底电极之间，而介电层一般是低介电常数材料如二氧化硅或氮化硅。由于电容的参数之一为面积大小，如何缩小MIM占据晶圆的表面积，同时维持高电容一直是业界持续努力的目标。为了减少MIM结构的面积以提高电容密度，多种已知技术揭露如下。

已知的一种方式改用高介电常数材料取代低介电常数材料，如介电常数高于9的Al₂O₃、HfO或Ta₂O₅。但高介电常数材料与金属电极之间的附着力不佳，容易造成MIM结构分层。另一已知方式则减少介电层厚度以提高电容。电容参数的公式如式1：

C＝k×(A/t)               (式1)

其中C为电容，k为介电层的介电常数，A为介电层与电极接触的表面积，而t为介电层的厚度。

另一个已知方式则同时采用上述两种方法：使用高介电常数材料与降低介电层厚度。不幸的是此种组合将造成穿隧电流的问题。当高介电常数材料变薄时，介电层两端的电极间的漏电流或穿隧电流(tunneling current)将会提高。如上所述，目前亟需比已知MIM结构的面积更小的MIM结构，且在使用高介电常数材料时不会产生漏电流。

发明内容

为减少电容面积，且在应用高介电常数材料时不会产生漏电流，本发明提供一种金属-绝缘体-金属电容器结构，包括第一电极，包括磁性金属，且其磁矩排列为第一方向；第二电极，包括磁性金属，且其磁矩排列为第二方向，其中第一方向与第二方向反向平行；以及介电层，夹设于第一电极与第二电极之间，且与第一电极的磁性金属及第二电极的磁性金属接触。

本发明所述的金属-绝缘体-金属电容器结构，其中该磁性金属包括一第一磁性金属及一第二磁性金属，且两者间以非磁金属间隔物隔开，其中该第一磁性金属接触该介电层且其磁矩排列为该第一方向或第二方向，而该第二磁性金属的磁矩排列与第一磁性金属的磁矩排列反向平行。

本发明所述的金属-绝缘体-金属电容器结构，其中该第一电极与该第二电极更包括一反铁磁材料形成于该磁性金属不与该介电层接触的一侧上。

本发明所述的金属-绝缘体-金属电容器结构，其中该第一电极的该反铁磁材料的阻挡温度高于该第二电极的该反铁磁材料的阻挡温度。

本发明所述的金属-绝缘体-金属电容器结构，其中该介电层包括介电常数至少为9的高介电常数材料。

本发明更提供一种金属-绝缘体-金属电容器结构的形成方法，包括形成底电极，且底电极为磁性金属；形成介电层于底电极上；形成顶电极于介电层上，且顶电极为磁性金属；进行回火步骤，使顶电极的磁矩排列朝第一方向、底电极的磁矩排列朝第二方向，且第一方向与第二方向是反向平行。

本发明所述的金属-绝缘体-金属电容器结构的形成方法，其中形成该顶电极的步骤更包括：形成一第一磁性金属；形成一非磁金属间隔物于该第一磁性金属上；以及形成一第二磁性金属于该非磁金属间隔物上，其中该第一磁性金属接触该介电层；并且，形成该底电极的步骤更包括：形成一第二磁性金属；形成一非磁金属间隔物于该第二磁性金属上；以及形成一第一磁性金属于该非磁金属间隔物上，其中该第一磁性金属接触该介电层；其中该回火步骤更包括回火该顶电极与该底电极，使该顶电极的该第一磁性金属的磁矩排列朝该第一方向、该底电极的第一磁性金属的磁矩排列朝该第二方向、该顶电极的该第二磁性金属的磁矩排列朝该第二方向、及该底电极的第二磁性金属的磁矩排列朝该第一方向。