mim电容研究进展

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1、MIM电容研究进展摘要：随着集成电路的发展，传统的电容器件已经不能满足射频电路的要求。金属-绝缘体-金属（MIM）电容器件成为替代传统电容器的新型电容器件。文章介绍了对MIM电容的要求，制备MIM电容的主要方法，总结了MIM电容的研究现状以及待解决的问题。　　关键词：MIM电容；ALD；high-k材料　　：TM53：A：1006-8937（2013）05-0090-02　　电容器在射频集成电路中有广泛的应用，过去这些电容器件都是采用多晶硅-绝缘体-多晶硅结构或金属-氧化层-硅衬底结构，然而这两种结构都会产生寄生电容，同时非金属电极都会产生大的耗散电阻。对于射频电路，这个问题是不

2、能容忍的，因为等比例缩小工艺对电容的稳定性提出了更高的要求。金属-绝缘体-金属（MIM）结构电容器件通过采用金属作为两个电极，有效降低了寄生电容和电容两极的接触电阻。因此导电性强、无损耗的高电容密度MIM电容成为替代传统集成电路电容的新型电容器件。　　1MIM电容的性能要求　　1.1高电容密度　　可以看出，要得到大的MIM电容值，考虑到芯片集成度的问题，通过提高MIM单位面积的电容即电容密度来提高电容值。可以通过下面两种方法实现。第一，减小原有MIM电容介质（SiO2或Si3N4）的厚度来d。第二，改变介质的材料，使用高介电常数（highk）材料。然而，过薄的介质厚度会使MIM电

3、容产生比较大的漏电流以及一些可靠性的问题。因此使用高K绝缘介质成为提高电容密度的必然选择。　　1.2小的电容电压系数（VCCs）　　1.3低漏电　　对于漏电的要求主要是考虑到器件的可靠性和功耗问题。根据ITRS2009，MIM电容的漏电流应该小于10-8A/cm23V。　　2high-k材料制备方法　　在MIM电容制备过程中，对于high-k绝缘介质的制备是非常重要的。有许多制备high-k材料的方法，例如脉冲激光沉积（PLD），原子层淀积（ALD）和等离子体增强的ALD（PEALD）。　　PLD是一种新的薄膜制造技术，适合于氧化物薄膜的外延。但PLD法不能生产大面积薄膜，且均匀

4、性尚不理想。原子层淀积（ALD或ALCVD），又称为原子层外延（ALE），在微电子领域中是制备高K栅介质的最佳途径之一。它基于连续的饱和表面反应，可精确控制薄膜的厚度和组分，实现原子层级的生长，并且生长的薄膜均匀性好。在ALD过程中加入等离子体（即PEALD）可以提高ALD过程中反映前驱体的反应速率以及降低沉积温度。　　3MIM电容研究现状　　3.1对AL2O3材料的研究　　3.2对HfO2材料的研究　　3.3对ZrO2材料的研究　　ZrO2也是最近研究的比较多的一种高k材料，主要用在栅极和DRAM电容中。ZrO2有三种晶相，分别是单斜晶相，四角晶相和立方晶相。其中四角和立方晶相

5、有比较高的介电常数。ALD生长的四角晶相薄膜其介电常数可以达到41，因此可以用来制备高密度MIM电容。但是它也有一些缺点，比如与HfO2相比，其漏电流比较大，因此单独用ZrO2做电容介质不太容易，而是与其他材料结合。Indrek等人研究了ZrO2/Ta2O5纳米薄层MIM电容，以及ZrO2/Nb2O5/Ta2O5，ZrO2/TaxNb1-xO5和Ta2O5/ZrxNbyOz结构的电容。但是实验表明，ZrO2与其他Zr基氧化物与MOSFET技术中其他材料间的兼容性较差，它们的应用前景不如HfO2及Hf基高k氧化物材料。　　3.4MIM电容介质新结构的研究　　尽管HfO2电容介质在电

6、容密度方面比Al2O3有更好的特性，但是HfO2MIM电容仍然面临着一些问题，比如在漏电以及击穿电压方面则没有AL2O3的特性好。为了解决这一问题，可以设计一种新的结构。主要有三明治结构和纳米薄层结构。　　①三明治结构。Shi-JinDing等人研究了Al2O3/HfO2/Al2O3（AHA）这种三明治结构的电学特性。研究表明引入Al2O3薄层后，当Al2O3厚度从1nm增加到3nm时，降低了约四个数量级。而击穿电压则从2.1mV/cm增加到2.7mV/cm。由此可以看出，引入Al2O3后，电容的电学特性得到很大的改善。因此结构或者材料组分也会影响到电容的性能。　　②纳米薄层结构

7、。近几年，纳米薄层结构逐渐引起了人们的广泛关注。对于组成这种结构不同材料，可以取长补短，主要是介电常数和导电性两个方面。相对用单种材料而言，这样可以得到到高电容密度和低漏电。已有很多人做了这方面的研究，如Al2O3/HfO2（AH）结构，Ta2O5/ZrO2（TZ）结构，Al2O3/Ta2O5（AZ）结构。在A摘要：随着集成电路的发展，传统的电容器件已经不能满足射频电路的要求。金属-绝缘体-金属（MIM）电容器件成为替代传统电容器的新型电容器件。文章介绍了对MIM电容的要求，制备