电容器和具有其的半导体装置制造方法及图纸

提供了一种电容器和一种具有该电容器的半导体装置。所述电容器包括：下电极，包括第一金属材料并且具有几纳米的范围内的第一晶粒尺寸；介电层，覆盖下电极并且具有值为晶粒膨胀比乘以第一晶粒尺寸的值的第二晶粒尺寸；以及上电极，包括第二金属材料并且覆盖介电层。上电极具有比第二晶粒尺寸小的第三晶粒尺寸。

Capacitors and semiconductor devices with them

【技术实现步骤摘要】
电容器和具有其的半导体装置本申请要求在2018年10月17日在韩国知识产权局提交的第10-2018-0123588号韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用全部包含于此。
专利技术构思涉及电容器和具有所述电容器的半导体装置，更具体地，涉及MIM(金属-绝缘体-金属)电容器和具有所述电容器的半导体装置。专利技术构思还涉及制造电容器的方法，更具体地，涉及MIM(金属-绝缘体-金属)电容器和具有所述电容器的半导体装置。
技术介绍
多晶硅的物理性质和化学性质对PIP(多晶硅-绝缘体-多晶硅)电容器的上电极和下电极的电阻施加了下限。另外，当向PIP电容器施加偏置电压时，在多晶硅中产生耗尽区，并且电极电压趋于根据偏置电压而变化。因此，PIP电容器的电容趋于根据上电极和下电极的电压变化而变化。由于该原因，MIM电容器已被广泛地用于代替PIP电容器。MIM电容器的电极由导电金属而不是多晶硅组成，并且介电层置于上金属电极与下金属电极之间。如果要达到当今半导体装置所要求的集成度，就需要减小电容器的尺寸。例如，如果要缩小DRAM装置的尺寸，则需要增大电容器的集成度。同样，如果要缩小模拟装置的尺寸，则需要提高BEOL电容器的集成度。因此，虽然MIM电容器在半导体装置中占据相对小量的面积，但为了提供高电容，MIM电容器的介电层应当具有高介电常数。
技术实现思路
根据专利技术构思的方面，提供了一种电容器，所述电容器包括：下电极，包括第一金属材料并且具有几纳米的晶粒尺寸；介电层，包括覆盖第一金属材料的介电材料；以及上电极，覆盖介电层。覆盖第一金属材料的介电材料的晶粒尺寸是晶粒膨胀比乘以第一金属材料的晶粒尺寸的值。上电极包括第二金属材料并且具有比介电材料的晶粒尺寸小的晶粒尺寸。根据专利技术构思的另一方面，提供了一种半导体装置，所述半导体装置包括基底、布置在基底上并通过接触件结构电连接到周围的多个存器单元结构、支撑件和上面描述的电容器，其中，电容器的下电极与接触件结构连接并且至少由支撑件支撑。根据专利技术构思的另一方面，提供了一种电容器，所述电容器包括：下电极，包括晶粒尺寸在3纳米至10纳米范围内的第一金属材料层；电介质，覆盖下电极的第一金属材料层，并且包括晶粒尺寸为第一金属材料层的晶粒尺寸的5至20倍的介电材料层；以及上电极，覆盖电介质，上电极包括晶粒尺寸小于介电材料层的晶粒尺寸的金属材料层。根据专利技术构思的另一方面，提供了一种电容器(产品)，所述电容器(产品)通过包括以下步骤的工艺制成：形成下电极；将介电材料直接沉积在下电极的金属材料层上，并且使介电材料外延生长以形成具有与下电极的金属材料层的晶粒尺寸基本相同的晶粒尺寸的介电材料的初始层；以及随后对介电材料的初始层进行热处理，热处理使介电材料的初始层的晶粒以其各个组而合并在一起，从而形成晶粒尺寸是下电极的金属材料层的晶粒尺寸的倍数的介电材料层。通过该工艺形成的电容器具有：下电极，包括金属材料层；电介质，位于下电极上，并且包括晶粒尺寸大于下电极的金属材料层的晶粒尺寸的介电材料层；以及上电极，设置在电介质上。设置在电介质上的上电极包括晶粒尺寸小于电介质的介电材料层的晶粒尺寸的金属材料层。附图说明通过参考参照附图描述的专利技术构思的示例，专利技术构思的这些和其他特征将变得更加清楚，在附图中：图1是根据本专利技术构思的电容器的示例的示意性剖视图；图2是根据本专利技术构思的电容器的另一示例的示意性剖视图；图3A、图3B、图3C、图3D和图3E是在图1中示出的电容器的制造期间的图1中示出的电容器的剖视图并一起示出根据本专利技术构思的制造电容器的方法；图4是根据本专利技术构思的具有电容器的半导体装置的示例的平面图；图5是沿着图4的线A-A截取的剖视图；以及图6是根据本专利技术构思的具有电容器的半导体装置的另一示例的剖视图。具体实施方式现在将参照附图来解释本专利技术构思。在所有附图中，同样的附图标记可以表示同样的组件。图1示出了根据本专利技术构思的电容器的示例。参照图1，根据本专利技术构思的电容器90可以包括第一晶粒尺寸S1在几纳米范围内的下金属电极(也被称为下电极或金属下电极)10、因晶粒膨胀比(crystalexpansionratio)而具有比第一晶粒尺寸S1大的第二晶粒尺寸S2的介电层20以及具有比第二晶粒尺寸S2小的第三晶粒尺寸S3的上金属电极(也被称为上电极或金属上电极)30。例如，下电极10可以包括具有良好导电性的第一金属，并且可以具有在几纳米范围内的晶粒尺寸。下金属电极10的晶粒尺寸可以被称为第一晶粒尺寸S1，因此第一晶粒尺寸S1可以在几纳米的范围内。第一金属的示例包括氮化钛(TiN)、氮化钛铝(TiAlN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)、钌(Ru)、氧化钌(RuO2)、铱(Ir)、氧化铱(IrO2)和氮化铌(NbN)。这些物质可以单独使用或以其组合使用。第一金属可以通过用于形成下电极10的层形成工艺以具有几纳米尺寸的微小晶粒形成在基体板(未示出，例如硅基底)上。如在下文中将详细描述的，具有与下金属电极10的尺寸相同的尺寸的预定数量的微小晶粒可以合并在一起成为介电层20的单个晶粒。在本示例中，氮化钛(TiN)层和氮化铌(NbN)层中的一个通过沉积工艺在基体板上形成为下金属电极10。在这种情况下，可以以使第一晶粒尺寸S1在大约3nm至大约10nm的范围内这样的方式来控制沉积工艺的工艺条件。假设具体金属材料的所有晶粒的半径或最大宽度基本相同，则第一晶粒尺寸S1可以是晶粒的半径或最大宽度。因此，在该示例中，氮化钛(TiN)层或氮化铌(NbN)层的第一晶粒尺寸S1是氮化钛(TiN)或氮化铌(NbN)的晶粒的半径或最大宽度。其他金属材料可以用于下金属电极10，只要金属材料的晶粒尺寸小于氮化钛(TiN)或氮化铌(NbN)的晶粒尺寸即可。根据电容器90的特性，下电极10可以具有各种形式。例如，下金属电极10可以具有诸如平板的二维形式或诸如圆柱或柱的三维形式。对于后者，下电极10也可以大致具有任何三维形式，只要该形式起到增大下金属电极10的有效表面积的作用即可。即，电容器90的电容取决于下金属电极10的有效表面积，因此相对于电极的给定占据面积(footprint)，下金属电极10的形式可以增大电容。介电层20设置在下电极10上。例如，介电层20可以与下电极10的表面轮廓共形。因此，介电层20可以与下电极10进行表面接触，并且下电极10可以被介电层20充分覆盖。因此，当下电极10具有二维形式时，介电层20可以具有与下电极10的表面轮廓共形的二维形式。同样地，当下电极10具有三维形式时，介电层20可以具有与下电极10的表面轮廓共形的三维形式。此外，介电层20的介电常数可以大于形成介电层20的介电材料的介电常数。如在下文中将详细描述的，介电层20的晶粒尺寸可以大于下电极10的晶粒尺寸，并且由于介电层20与下电极10之间的晶粒尺寸差异，介电层20的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容器，所述电容器包括：/n下电极，包括第一金属材料并且具有几纳米的晶粒尺寸；/n介电层，包括覆盖第一金属材料的介电材料，并且介电层的晶粒尺寸是晶粒膨胀比乘以第一金属材料的晶粒尺寸的值；以及/n上电极，覆盖介电层，上电极包括第二金属材料并且具有比介电层的晶粒尺寸小的晶粒尺寸。/n

【技术特征摘要】
20181017 KR 10-2018-01235881.一种电容器，所述电容器包括：
下电极，包括第一金属材料并且具有几纳米的晶粒尺寸；
介电层，包括覆盖第一金属材料的介电材料，并且介电层的晶粒尺寸是晶粒膨胀比乘以第一金属材料的晶粒尺寸的值；以及
上电极，覆盖介电层，上电极包括第二金属材料并且具有比介电层的晶粒尺寸小的晶粒尺寸。


2.根据权利要求1所述的电容器，其中，下电极的晶粒尺寸是构成下电极的金属材料的最小的晶粒尺寸。


3.根据权利要求2所述的电容器，其中，下电极包括氮化钛和氮化铌中的至少一种。


4.根据权利要求3所述的电容器，其中，上电极包括氮化钛和氮化铌中的至少一种。


5.根据权利要求2所述的电容器，其中，下电极的第一金属材料具有<111>晶向。


6.根据权利要求2所述的电容器，其中，晶粒膨胀比由用于形成介电层的热处理的工艺条件确定。


7.根据权利要求6所述的电容器，其中，晶粒膨胀比在5至20的范围内。


8.根据权利要求7所述的电容器，其中，下电极的晶粒尺寸在3nm至10nm的范围内，并且介电层的晶粒尺寸在15nm至200nm的范围内。


9.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述介电层包括氧化锆、氧化铪、氧化钽、氧化铝、氮化铝、氮化硼、氮化锆、氮化铪和镧系元素中的至少一种。


10.一种半导体装置，所述半导体装置包括基底、布置在基底上并通过接触件结构电连接到周围的多个存器单元结构、支撑件和根据权利要求1所述的电容器，
其中，电容器的下电极与接触件结构连接并且至少由支撑件支撑。


11.根据权利要求10所述的半导体装置，其中，电容器的下电极的晶粒尺寸是构成下电极的金属材料的最小的晶粒尺寸。


12.根据权利要求11所述的半导体装置，其中，下电极包括氮化钛和氮化铌中的至少一种。


13.根据权利要求11所述的半导体装置，其中，下电极的第一金属材料具有<111>晶向。


14.根据权利要求11所述的半导体装置，其中，晶粒膨胀比由用于形成介电层的热处理的工艺条件确定。


15.一种电容器，所述电容器包括：
下电极，包括晶粒尺寸在3纳米至10纳米的范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：金恩善，姜相列，郑圭镐，曺圭镐，文孝植，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR