CN101060141A - 金属－绝缘体－金属结构及其形成方法 - Google Patents

金属－绝缘体－金属结构及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭露一种金属－绝缘体－金属结构及其形成方法，该结构具有较高电容并可减少穿隧电流。在较佳实施例中，该结构具有第一电极，包含一磁矩为第一方向的磁性金属；以及第二电极，包含一磁矩为第二方向的磁性金属，其中第一方向与第二方向是反向平行。此外，更包括接触第一电极与第二电极的介电层，此介电层隔开第一电极与第二电极。本发明所述的金属－绝缘体－金属结构及其形成方法，可避免介电层的漏电流，并可增加MIM结构的电容同时缩减其厚度。

Description

金属-绝缘体-金属结构及其形成方法
技术领域
本发明是有关金属-绝缘体-金属结构，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，且接触磁性金属。
本发明所述的金属-绝缘体-金属结构，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上。
本发明所述的金属-绝缘体-金属结构，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-金属结构的形成方法，其中形成该顶电极与该底电极的步骤更包括：形成一第一磁性金属；形成一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。
本发明所述的金属-绝缘体-金属结构的形成方法，其中形成该底电极与该顶电极的步骤更包括形成一反铁磁材料于该磁性金属上，其中该回火步骤更包括以高温的回火步骤使顶电极的磁矩排列朝该第一方向，并以低温的回火步骤使底电极的磁矩排列朝该第二方向。
本发明所述的金属-绝缘体-金属结构的形成方法，其中使顶电极的磁矩排列朝该第一方向需要进行阻挡温度为Tb1的回火步骤，而使底电极的磁矩排列朝该第二方向需要进行阻挡温度为Tb2的回火步骤，其中Tb1大于Tb2。
本发明所述的金属-绝缘体-金属结构的形成方法，其中该介电层包括介电常数至少为9的高介电常数材料。
本发明所述的金属-绝缘体-金属结构及其形成方法，可避免介电层的漏电流，并可增加MIM结构的电容同时缩减其厚度。
附图说明
图1A显示本发明较佳实施例的MIM结构；
图1B显示图1A的MIM结构中顶电极与底电极的磁矩方向；
图2显示磁矩组合与电阻的对应曲线图；
图3显示本发明一较佳实施例的MIM结构；
图4显示本发明另一较佳实施例的MIM结构。
具体实施方式
图1A显示本发明较佳实施例的MIM结构100，包括一顶电极110及底电极120，两者间夹设一高介电常数的介电层130。此处定义的高介电常数至少为9。合适的高介电常数材料可为Al2O3、SiO2、Ta2O5、MgO、HfO或其他合适的材料。
如图1B所示，本发明与已知技术的MIM的差别在于顶电极110与底电极120的磁矩的排列方向是反向平行。特别的是，上述现象是形成于本发明的MIM结构100完成时。已知技术中，高介电常数的介电层在MIM结构可能导致漏电流。此外，当电极采用铁磁材料时，电极之间的磁矩将决定MIM结构的穿隧电流大小。
当本发明的顶电极110与底电极120的磁矩排列为反向平行时，高介电常数的介电层130不会产生漏电流。原理见下列公式：
TMR = I ↑ ↑ - I ↑ ↓ I ↑ ↓ = 2 P L P R 1 - P L P R 式2
式2中，磁矩的排列方向为同向平行时见式3，磁矩的排列方向为反向平行时见式4。
I ↑ ↑ ∝ n L ↑ n R ↑ + n L ↓ n R ↓ 式3
I ↑ ↓ ∝ n L ↑ n R ↓ + n L ↓ n R ↑ 式4
式2的PL及PR指的是铁磁左旋及右旋的极化方向，其定义见式5及式6：
P L = n L ↑ - n L ↓ n L ↑ + n L ↓ 式5
P R = n R ↑ - n R ↓ n R ↑ + n R ↓ 式6
图2显示电阻与磁矩排列方向的对应关系。介电层两旁的电极的磁矩排列为反向平行时，电阻最大；而磁矩排列若同向平行时，则电阻最小。而图1A的MIM结构的介电层130其电阻则可通过顶电极110与底电极120的磁矩的排列方向控制。下面将详述如何使顶电极110与底电极120的磁矩排列为反向平行的技术。
与已知技术中较薄的介电层相较，本发明的MIM结构的介电层130在非常薄的情况下亦不会产生漏电流。在本发明的许多实施例中，介电层130可薄至只有几埃。举例来说，当介电层130选用Al2O3配合等效氧化物(equivalent of oxide，EOT)的厚度只有3埃。
图3显示本发明一实施例的MIM结构100，其具有顶电极110及底电极120，各自具有磁性金属110c及120a邻接介电层130。顶电极110具有磁性金属110a及110c，两者间夹设非磁金属间隔物110b。与顶电极110类似，底电极120亦具有磁性金属120a及120c，两者间夹设非磁金属间隔物120b。上述的非磁金属间隔物110b及120b可为Co、Cr、Ru或其他合适的金属。而磁性金属110a、110c、120a、及120c可为Fe、Co、Ni或上述的合金。
在此实施例中，可通过单一回火步骤使MIM结构100的顶电极110及底电极120的磁矩排列为反向平行。此外，此实施例结构的介电性质与结构的反铁磁材料无关。以非磁金属间隔物110b、120b分别隔开磁性金属110a、110c与120a、120c将使顶电极110与底电极具有RKKY效应(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida effect)。只要一道退火制程，即可将堆叠的MIM结构100的顶电极110与底电极120的磁矩排列互相反向平行。由于顶电极110与底电极120之间的RKKY效应，非磁金属间隔物的厚度将大幅影响磁矩的排列状况，但在本发明需要缩减MIM结构100厚度的前提下不会造成问题，甚至利用非磁金属间隔物的厚度调整RKKY效应为本发明的优点之一。在本发明一实施例中，该单一回火步骤的温度约介于100℃至400℃之间。
图4显示本发明另一较佳实施例的MIM结构200，其具有顶电极210及底电极220，两者间夹设高介电常数的介电层230。与图3的实施例不同，此实施例并不具有磁性金属夹设非磁金属间隔物的多层结构。此实施例的顶电极210及底电极220各自具有磁性金属210a及220a，且两者的一侧各自邻接介电层230，两者的另一侧邻接一反铁磁材料210b及220b。合适的反铁磁材料210b及220b可为FeMn、PtMn、NiMn、上述的合金或其他合适的材料。
图4所示的MIM结构200需要进行较高温的回火步骤，在较佳实施例中，此较高温为高温Tb(blocking temperature，阻挡温度)。经较高温的回火步骤后，磁性金属210a的磁矩排列将极化至某一特定方向。接着进行较低温的回火步骤，在较佳实施例中，此较低温为低温Tb。在本发明另一实施例中，该较高温的回火步骤的温度及较低温的回火步骤的温度约介于100℃至400℃之间，且该较高温比该较低温约高100℃。根据理论，高于阻挡温度的情况下会造成转换偏向(exchange biasingdirection)。由于本发明的反铁磁材料210b与220b不同，具有高温Tb的反铁磁材料于较高温回火步骤造成的转换偏向，不会被低温Tb的反铁磁材料的转换偏向所需的较低温回火制程影响。经上述不同温度的回火步骤后，底电极220的磁性金属220a的磁矩排列将极化至某一特定方向，与顶电极210的磁性金属210a的磁矩排列方向互相反向平行。在不违背本发明的精神下，除了上述的两步回火制程，亦可增加或减少回火步骤以完成本发明。
如上所述，本发明的MIM结构可避免介电层的漏电流，并可增加MIM结构的电容同时缩减其厚度。在本发明大部分的例子中，介电层厚度将缩减至只有几埃。本发明主要着重于介电层两侧的磁性金属的磁矩排列彼此互相反向平行。本发明亦可使用半金属(half metal)以避免穿隧电流。本发明只需添加回火步骤，便可改良已知MIM结构，使介电层两侧的磁性金属具有反向平行的磁矩排列。在另一实施例中，本发明中新的MIM结构其形成方法需应用两步回火制程，使介电层两侧的磁性金属具有反向平行的磁矩排列。此外，本发明的MIM结构可应用于多种IC元件，如射频/混合信号集成电路及DRAM。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
100、200：MIM结构
110、210：顶电极
120、220：底电极
130、230：介电层
110a、110c、120a、120c、210a、220a：磁性金属
110b、120b：反磁金属间隔物
210b、220b：反铁磁材料

Claims (10)

1.一种金属-绝缘体-金属结构，其特征在于，包括：
一第一电极，包括一磁性金属，且其磁矩排列为一第一方向；
一第二电极，包括一磁性金属，且其磁矩排列为一第二方向，其中该第一方向与该第二方向反向平行；以及
一介电层，夹设于该第一电极与该第二电极之间，且接触该磁性金属。
2.根据权利要求1所述的金属-绝缘体-金属结构，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的金属-绝缘体-金属结构，其特征在于，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上。
4.根据权利要求3所述的金属-绝缘体-金属结构，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的金属-绝缘体-金属结构，其特征在于，该介电层包括介电常数至少为9的高介电常数材料。
6.一种金属-绝缘体-金属结构的形成方法，其特征在于，包括：
形成一底电极，且该底电极为一磁性金属；
形成一介电层于该底电极上；
形成一顶电极于该介电层上，且该顶电极为一磁性金属；
进行一回火步骤，使该顶电极的磁矩排列朝一第一方向、该底电极的磁矩排列朝一第二方向，且该第一方向与该第二方向是反向平行。
7.根据权利要求6所述的金属-绝缘体-金属结构的形成方法，其特征在于，形成该顶电极与该底电极的步骤更包括：
形成一第一磁性金属；
形成一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。
8.根据权利要求6所述的金属-绝缘体-金属结构的形成方法，其特征在于，形成该底电极与该顶电极的步骤更包括形成一反铁磁材料于该磁性金属上，其中该回火步骤更包括以高温的回火步骤使顶电极的磁矩排列朝该第一方向，并以低温的回火步骤使底电极的磁矩排列朝该第二方向。
9.根据权利要求8所述的金属-绝缘体-金属结构的形成方法，其特征在于，使顶电极的磁矩排列朝该第一方向需要进行阻挡温度为Tb1的回火步骤，而使底电极的磁矩排列朝该第二方向需要进行阻挡温度为Tb2的回火步骤，其中Tb1大于Tb2。
10.根据权利要求6所述的金属-绝缘体-金属结构的形成方法，其特征在于，该介电层包括介电常数至少为9的高介电常数材料。
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