專利名稱:薄膜電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種電容器(capacitor),特別是涉及一種具有摻雜介電層(doped dielectric)的薄膜電容器(thin film capacitor)。
背景技術(shù):
參閱圖1,顯示有一種三層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有電容器1,包含一個(gè)第一電極11、一個(gè)與 該第一電極11相反設(shè)置的第二電極12,及一層夾置于該等電極11、12間且是由絕緣材料 (insulator)所構(gòu)成的介電層(dielectriclayer) 13。如以下公式(I)所示
C-rA<formula>formula see original document page 3</formula>]...................................................(Ι)該三層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有電容器1的電容值(capacitance,C)是正比于任意一個(gè)電極 11、12的面積(A)與該介電層13的介電系數(shù)(permittivity,ε ),而且是反比于該介電層 13的厚度(d)。一般而言,經(jīng)由增加任意一個(gè)電極11、12的面積㈧與該介電層13的介電 系數(shù)(ε ),或減少該介電層13的厚度可提升該現(xiàn)有電容器1的電容值(C)。當(dāng)該現(xiàn)有電容器1被充電(charging)后,將于該現(xiàn)有電容器1產(chǎn)生一電場(chǎng) (electric field);其中,介電系數(shù)(O的數(shù)值在上述公式(I)中的意義則涉及其介電材 料本身的絕緣特性、在該電場(chǎng)下產(chǎn)生感應(yīng)耦極矩(induced dipole moments)的能力、自激 耦極矩(self-excited dipolemoments)的強(qiáng)度等介電材料本身的特性。此等介電材料本 質(zhì)上的特性可防止該現(xiàn)有電容器1在該電場(chǎng)的作用下所產(chǎn)生的漏電流(current leakage) 與介電崩潰(breakdown),并提升電荷儲(chǔ)存量,以使得電容值(C)得以增加。因此,此技術(shù)領(lǐng) 域者一方面是尋求巨介電材料(giant dielectrics)來(lái)提升電容值(C),如,CaCu3Ti4O12t5此處需說(shuō)明的是,一般用來(lái)做為電容器使用的介電材料需具備有低孔隙率 (porosity)與優(yōu)異的結(jié)晶質(zhì)量(crystal property)等特點(diǎn),才足以抵擋形成于電容 器內(nèi)的電場(chǎng)。然而,此等結(jié)晶質(zhì)量?jī)?yōu)異的介電材料不但需透過(guò)800°C以上的燒結(jié)制程 (sintering)才可制成;此外,經(jīng)由燒結(jié)制程所制得的介電層的厚度(d)往往已高達(dá)數(shù)個(gè)微 米( μπι)或數(shù)十個(gè)微米厚。因此,對(duì)于提升電容器的電容值(C)而言,其貢獻(xiàn)度有限。再 者,以高溫的燒結(jié)制程及其最終制得的介電層的厚度來(lái)說(shuō),其并不利于被整合至集成電路 (integrated circuit, IC)中。又,利用化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor exposition,簡(jiǎn)稱CVD)等薄膜制程 (thin film process)來(lái)制作介電層,雖然可降低介電層的厚度(d)。然而,所制得的介電 層的結(jié)晶品質(zhì)差,且孔隙率高。因此,崩潰電壓(breakdown voltage)低,且易有漏電流的 問題產(chǎn)生。經(jīng)上述說(shuō)明可知,提供一種崩潰電壓高且漏電流低的薄膜電容器,以利于將其整 合至由薄膜制程所構(gòu)成的集成電路中,是此技術(shù)領(lǐng)域者所需改進(jìn)的課題。由此可見,上述現(xiàn)有的薄膜電容器在結(jié)構(gòu)與使用上,顯然仍存在有不便與缺陷,而 亟待加以進(jìn)一步改進(jìn)。為了解決上述存在的問題,相關(guān)廠商莫不費(fèi)盡心思來(lái)謀求解決之道,但長(zhǎng)久以來(lái)一直未見適用的設(shè)計(jì)被發(fā)展完成,而一般產(chǎn)品又沒有適切結(jié)構(gòu)能夠解決上述問 題,此顯然是相關(guān)業(yè)者急欲解決的問題。因此如何能創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的薄膜電容器,實(shí)屬 當(dāng)前重要研發(fā)課題之一,亦成為當(dāng)前業(yè)界極需改進(jìn)的目標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于,克服現(xiàn)有的薄膜電容器存在的缺陷,而提供一種新型結(jié)構(gòu)的 薄膜電容器,所要解決的技術(shù)問題是薄膜電容器的崩潰電壓高且漏電流低,有利于被整合 至集成電路中。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出 的一種薄膜電容器,包含一個(gè)第一電極;一個(gè)與該第一電極相對(duì)立設(shè)置的第二電極;及一 層夾置于該第一、二電極間的介電膜層結(jié)構(gòu);其中該介電膜層結(jié)構(gòu)具有一層經(jīng)摻雜的介電 層,該經(jīng)摻雜的介電層具有一大于零且小于IOki原子/cm3的摻雜濃度的摻雜物。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。前述的薄膜電容器,其中該經(jīng)摻雜的介電層的摻雜濃度是介于IO6原子/cm3至 IOltl 原子/cm3 間。前述的薄膜電容器,其中該經(jīng)摻雜的介電層是由一氧化物所構(gòu)成;該經(jīng)摻雜的介 電層的摻雜物是Co、Fe、Ni、Ga、Mn、As、Al、Zn、Ti、P,或前述摻雜物的組合。前述的薄膜電容器,其中該經(jīng)摻雜的介電層的厚度是介于50nm至3000nm間。前述的薄膜電容器,其中該經(jīng)摻雜的介電層的厚度是介于50nm至500nm間。前述的薄膜電容器,其中該介電膜層結(jié)構(gòu)還具有至少一層未經(jīng)摻雜的介電層。前述的薄膜電容器,其中該介電膜層結(jié)構(gòu)具有二層未經(jīng)摻雜的介電層,且該經(jīng)摻 雜的介電層是被夾置于所述未經(jīng)摻雜的介電層中。前述的薄膜電容器,其中該未經(jīng)摻雜的介電層是由一氧化物所構(gòu)成。前述的薄膜電容器,其中該未經(jīng)摻雜的介電層的厚度是介于50nm至3000nm間。前述的薄膜電容器,其中該未經(jīng)摻雜的介電層的厚度是介于50nm至500nm間。前述的薄膜電容器,其中該第一、二電極至少其中一個(gè)是由一導(dǎo)電材料所構(gòu)成。前述的薄膜電容器,其中該第一、二電極至少其中一個(gè)是由一磁性材料所構(gòu)成。前述的薄膜電容器,其中該磁性材料是鐵磁性材料或反鐵磁性材料。前述的薄膜電容器,其中該鐵磁性材料是鐵基合金、鈷基合金、鎳基合金,或前述 合金的組合;該反鐵磁性材料是錳或錳基合金。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。由以上可知,為,達(dá)到上述目 的,本發(fā)明提供了一種薄膜電容器,其包含一個(gè)第一電極、一個(gè)與該第一電極相對(duì)立設(shè)置 的第二電極,及一層夾置于該第一、二電極間的介電膜層結(jié)構(gòu)。該介電膜層結(jié)構(gòu)具有一層經(jīng) 摻雜的介電層。該經(jīng)摻雜的介電層具有一大于零且小于IOki原子/cm3的摻雜濃度的摻雜 物。借由上述技術(shù)方案,本發(fā)明薄膜電容器至少具有下列優(yōu)點(diǎn)及有益效果本發(fā)明提供崩潰電壓高且漏電流低的薄膜電容器,以利于將其整合至集成電路 中。上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述,為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段,而可依照說(shuō)明書的內(nèi)容予以實(shí)施,并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠 更明顯易懂,以下特舉較佳實(shí)施例,并配合附圖,詳細(xì)說(shuō)明如下。
圖1是一正視示意圖,說(shuō)明現(xiàn)有一種電容器;圖2是一正視示意圖,說(shuō)明本發(fā)明的薄膜電容器的一第一較佳實(shí)施例;圖3是一正視示意圖,說(shuō)明本發(fā)明的薄膜電容器的一第二較佳實(shí)施例;圖4是一正視示意圖,說(shuō)明本發(fā)明的薄膜電容器的一第三較佳實(shí)施例;圖5是一電流對(duì)電壓(I-V)曲線圖,說(shuō)明本發(fā)明的薄膜電容器的一具體例1與一 比較例的電性比較。
具體實(shí)施例方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效,以下結(jié)合 附圖及較佳實(shí)施例,對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的薄膜電容器其具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其功 效,詳細(xì)說(shuō)明如后。在本發(fā)明被詳細(xì)描述前,要注意的是,在以下的說(shuō)明內(nèi)容中,類似的組件是以相同 的編號(hào)來(lái)表示。參閱圖2,本發(fā)明的薄膜電容器的一第一較佳實(shí)施例是經(jīng)由濺鍍法(sputtering) 所制得。本發(fā)明的薄膜電容器的第一較佳實(shí)施例,包含一個(gè)第一電極2、一個(gè)與該第一電 極2相對(duì)立設(shè)置的第二電極3,及一層夾置于該第一、二電極2、3間的介電膜層結(jié)構(gòu)4。該 介電膜層結(jié)構(gòu)4具有一層經(jīng)摻雜的介電層41。該經(jīng)摻雜的介電層41具有一大于零且小于 IO10原子/cm3的摻雜濃度的摻雜物。此處需說(shuō)明的是,本發(fā)明于呈絕緣性的介電材料內(nèi)摻 雜入摻雜濃度低于IOki原子/cm3的摻雜物;因此,該經(jīng)摻雜的介電層41是被定義為半絕緣 層(semi-insulated layer)0較佳地,該經(jīng)摻雜的介電層41的摻雜濃度是介于IO6原子/cm3至IOki原子/cm3 間。較佳地,該經(jīng)摻雜的介電層41是由一氧化物(oxide)所構(gòu)成;該經(jīng)摻雜的介電層 41的摻雜物是Co、Fe、Ni、Ga、Mn、As、Al、Zn、Ti、P,或前述摻雜物的組合。在本發(fā)明一具體 例中,構(gòu)成該經(jīng)摻雜的介電層41的氧化物是SiO2。較佳地,該第一、二電極2、3至少其中一個(gè)是由一導(dǎo)電材料 (conductivematerial)所構(gòu)成;更佳地,該第一、二電極2、3至少其中一個(gè)是由一磁性材料 (magnetic material)所構(gòu)成。適用于本發(fā)明的磁性材料是鐵磁性材料(ferromagnetic material)或反鐵磁 性材料(antiferromagnetic material)。較佳地,該鐵磁性材料是鐵基合金(Fe-based alloy)、鈷基合金(Co-based alloy)、鎳基合金(Ni-based alloy),或前述合金的組合;該 反鐵磁性材料是錳(Mn)或錳基合金(Mn-based alloy)。此處值得說(shuō)明的是,本發(fā)明利用 濺鍍法來(lái)鍍制該等電極2、3(即,磁性材料)時(shí),可同時(shí)經(jīng)由對(duì)一鍍制該磁性材料的反應(yīng)室 (圖未示)提供一預(yù)定方向的外加磁場(chǎng)(applied magnetic field)來(lái)設(shè)定該磁性材料內(nèi)的 磁矩(magnetic moment)方向,借以提升其凈磁化量(netmagnetization)。
較佳地,該經(jīng)摻雜的介電層41的厚度是介于50nm至3000nm間;更佳地,該經(jīng)摻雜 的介電層41的厚度是介于50nm至500nm間。參閱圖3,本發(fā)明的薄膜電容器的一第二較佳實(shí)施例大致上是相同于該第一較佳 實(shí)施例,其不同的地方是在于,該介電膜層結(jié)構(gòu)4還具有至少一層未經(jīng)摻雜的介電層42。較佳地,該未經(jīng)摻雜的介電層42是由一氧化物所構(gòu)成(例如SiO2等)。較佳地,該未經(jīng)摻雜的介電層42的厚度是介于50nm至3000nm間;更佳地,該未經(jīng) 摻雜的介電層42的厚度是介于50nm至500nm間。參閱圖4,本發(fā)明的薄膜電容器的一第三較佳實(shí)施例大致上是相同于該第二較佳 實(shí)施例,其不同的地方是在于,該介電膜層結(jié)構(gòu)4具有二層未經(jīng)摻雜的介電層42,且該經(jīng)摻 雜的介電層41是被夾置于所述未經(jīng)摻雜的介電層42中。<具體例1>本發(fā)明的薄膜電容器的一具體例1是經(jīng)由濺鍍法所制得,其包含兩個(gè) 對(duì)立設(shè)置且是由一鐵鈷鎳合金(FeCoNi alloy)的鐵磁性材料所構(gòu)成的尺寸為 200 μ mX 600 μ mX30nm的電極,及一層夾置于該等電極間且厚度50nm的經(jīng)Al與Co摻雜的 SiO2層,借以于該具體例1的薄膜電容器內(nèi)產(chǎn)生一約6800e至15000e的內(nèi)建磁場(chǎng)(build-in magnetic field)。在本發(fā)明該具體例1中,該薄膜電容器的膜層結(jié)構(gòu)為FeCoNi Alloy/Al, Co-dopedSi02/FeCoNi Alloy,且該經(jīng) Al 與 Co 摻雜的 SiO2 層的摻雜濃度約 107atoms/cm3。本發(fā)明該具體例1的薄膜電容器經(jīng)電源供應(yīng)系統(tǒng)量測(cè),在275V的外加電壓下仍然 沒有崩潰,且經(jīng)數(shù)據(jù)收集器(KEITHLEY 2400)量測(cè)取得該具體例1的薄膜電容器在5V的外 加電壓下的漏電流只有約10_8A。< 比較仿Ij > 本發(fā)明的薄膜電容器的一比較例大致上是相同于該具體例1,其不同的地方是在 于,以一厚度約50nm的未經(jīng)摻雜的SiO2層來(lái)取代該經(jīng)Al與Co摻雜的SiO2層,且該等電極 是由鉬(Pt)所構(gòu)成。在本發(fā)明該比較例中,該薄膜電容器的膜層結(jié)構(gòu)為Pt/imdoped-SiO2/ Pt。本發(fā)明該比較例的薄膜電容器經(jīng)量測(cè)取得的崩潰電壓只有約7至8V,且該比較例 的薄膜電容器在5V的外加電壓下的漏電流約高達(dá)10、。為了更明確顯示本發(fā)明的薄膜電容器所具有的低漏電流的優(yōu)點(diǎn),圖5顯示該具體 例1及比較例所量測(cè)的漏電流比較圖。如圖5所示,在OV至5V的外加電壓范圍下,該具體 例1的漏電流一直維持在IiT8A以下;然而,該比較例在此相同的外加電壓范圍下的漏電流 最高已達(dá)到10_6A。以上所述,僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制,雖 然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上,然而并非用以限定本發(fā)明,任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人 員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi),當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾 為等同變化的等效實(shí)施例,但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容,依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì) 對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種薄膜電容器,包含一個(gè)第一電極;一個(gè)與該第一電極相對(duì)立設(shè)置的第二電極;及一層夾置于該第一、二電極間的介電膜層結(jié)構(gòu);其特征在于該介電膜層結(jié)構(gòu)具有一層經(jīng)摻雜的介電層,該經(jīng)摻雜的介電層具有一大于零且小于1010原子/cm3的摻雜濃度的摻雜物。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜電容器,其特征在于該經(jīng)摻雜的介電層的摻雜濃度是介 于IO6原子/cm3至IOki原子/cm3間。
3.如權(quán)利要求1所述的薄膜電容器,其特征在于該經(jīng)摻雜的介電層是由一氧化物所 構(gòu)成;該經(jīng)摻雜的介電層的摻雜物是Co、Fe、Ni、Ga、Mn、As、Al、Zn、Ti、P,或前述摻雜物的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的薄膜電容器,其特征在于該經(jīng)摻雜的介電層的厚度是介于 50nm 至 3000nm 間。
5.如權(quán)利要求4所述的薄膜電容器,其特征在于該經(jīng)摻雜的介電層的厚度是介于 50nm 至 500nm 間。
6.如權(quán)利要求1所述的薄膜電容器,其特征在于該介電膜層結(jié)構(gòu)還具有至少一層未 經(jīng)摻雜的介電層。
7.如權(quán)利要求6所述的薄膜電容器,其特征在于該介電膜層結(jié)構(gòu)具有二層未經(jīng)摻雜 的介電層,且該經(jīng)摻雜的介電層是被夾置于所述未經(jīng)摻雜的介電層中。
8.如權(quán)利要求6所述的薄膜電容器,其特征在于該未經(jīng)摻雜的介電層是由一氧化物 所構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求6所述的薄膜電容器,其特征在于該未經(jīng)摻雜的介電層的厚度是介于 50nm 至 3000nm 間。
10.如權(quán)利要求9所述的薄膜電容器,其特征在于該未經(jīng)摻雜的介電層的厚度是介于 50nm 至 500nm 間。
11.如權(quán)利要求1所述的薄膜電容器,其特征在于該第一、二電極至少其中一個(gè)是由 一導(dǎo)電材料所構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求1所述的薄膜電容器,其特征在于該第一、二電極至少其中一個(gè)是由 一磁性材料所構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求12所述的薄膜電容器,其特征在于該磁性材料是鐵磁性材料或反鐵 磁性材料。
14.如權(quán)利要求13所述的薄膜電容器,其特征在于該鐵磁性材料是鐵基合金、鈷基合 金、鎳基合金,或前述合金的組合;該反鐵磁性材料是錳或錳基合金。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種薄膜電容器,一種薄膜電容器,包含一個(gè)第一電極、一個(gè)與該第一電極相對(duì)立設(shè)置的第二電極,及一層夾置于該第一、二電極間的介電膜層結(jié)構(gòu)。該介電膜層結(jié)構(gòu)具有一層經(jīng)摻雜的介電層,該經(jīng)摻雜的介電層具有一大于零且小于1010原子/cm3的摻雜濃度的摻雜物。
文檔編號(hào)H01G4/06GK101807478SQ20101011117
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月12日
發(fā)明者葉家福 申請(qǐng)人:源泰投資股份有限公司