專(zhuān)利名稱(chēng)：具有氧化鉿與氧化鋁合成介電層的電容器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置，更具體地，涉及一種半導(dǎo)體裝置的電容器及其制造方法。
背景技術(shù)：
在一動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)裝置中，雖然設(shè)計(jì)規(guī)則中的目前最小化的趨勢(shì)導(dǎo)致單元面積減少，但是會(huì)造成儲(chǔ)存節(jié)的縱橫比的增加。由于縱橫比的增加，因此確保每一組件單元能具有足夠的電容量就顯得很重要。同樣地，必須開(kāi)發(fā)一種用以在一具有已增加縱橫比的結(jié)構(gòu)中形成具有均勻厚度的介電層的新技術(shù)。
具體地，已研究使用例如氧化鋁(Al2O3)與氧化鉿(HfO2)的高介電材料，或氧化鋁與氧化鉿的堆疊式結(jié)構(gòu)來(lái)取代氧化物-氮化物-氧化物(oxide-nitride-oxide，ONO)材料，以確保所述所需的電容量。在此，氧化鋁的介電常數(shù)大約為8，氧化鉿的介電常數(shù)大約為20至25。而且，使用原子層沉積技術(shù)(ALD)形成此高介電材料，來(lái)取代化學(xué)汽相沉積(CVD)技術(shù)，以便符合所述已增加的縱橫比的狀況。
因?yàn)樗鲅趸x與氧化鋁的堆疊式結(jié)構(gòu)具有所述氧化鉿所提供的極好的介電特性與所述氧化鋁所提供的極好的泄漏電流特性的組合特性，所以最近將所述氧化鉿及氧化鋁的堆疊式結(jié)構(gòu)視為一高度可應(yīng)用的介電結(jié)構(gòu)。
圖1為一傳統(tǒng)電容器結(jié)構(gòu)的示圖，其中包括氧化鉿及氧化鋁的堆疊式介電層。
如圖所示，所述電容器包括一由多晶硅制成的下電極11、一堆疊式介電層12及一由多晶硅制成的上電極13。在此，所述堆疊式介電層12通過(guò)順序?qū)盈B氧化鋁層12A與氧化鉿層12B而形成。
在所述堆疊式介電層12中，所述氧化鋁層12A與所述下電極11接觸，而所述氧化鉿層12B與所述氧化鋁層12A接觸。在此，所述氧化鋁層12A所需的厚度為大于約20埃()，以改善泄漏電流特性。
具有所述堆疊式介電層12的電容器在低電壓時(shí)會(huì)顯現(xiàn)出極好的泄漏電流特性。但是，在高電壓時(shí)，泄漏電流會(huì)陡然增加而導(dǎo)致低的擊穿電壓。結(jié)果，會(huì)進(jìn)一步降低所述電容器的可靠度。
圖2為顯示一具有堆疊式介電層的傳統(tǒng)電容器的泄漏電流特性的曲線(xiàn)圖，其中所述堆疊式介電層通過(guò)層疊氧化鉿層與氧化鋁層而形成。在圖2中，水平軸與垂直軸分別代表所施加的偏壓與泄漏電流。為測(cè)量所述泄漏電流，在對(duì)所述上電極施加正電壓并確定所述下電極為接地的情況下，可得到曲線(xiàn)CI。另一方面，在對(duì)所述上電極施加一負(fù)電壓并確定所述下電極為接地的情況下，則可獲得曲線(xiàn)CII。
如圖所示，在低電源電壓VL的情況下，所述泄漏電流特性呈現(xiàn)出一漸減坡度。另一方面，在高電源電壓VH的情況下，所述泄漏電流特性呈現(xiàn)出一突增坡度。由于在所述高電源電壓VH的情況下所述泄漏電流會(huì)突增，所以電容器會(huì)有一低擊穿電壓。造成所述低擊穿電壓的原因在于所述與下電極接觸的氧化鋁層。
而且，在所述氧化鋁層上形成所述氧化鉿層，以確保所述介電特性。然而，所述氧化鉿對(duì)熱是不穩(wěn)定的，因此在所述上電極形成后隨后的熱處理會(huì)降低所述泄漏電流與所述介電特性。
圖3A為顯示在實(shí)施所述隨后的熱處理時(shí)一傳統(tǒng)電容器的泄漏電流特性的曲線(xiàn)圖，其中所述傳統(tǒng)電容器僅具有一氧化鋁層。圖3B為顯示在實(shí)施所述隨后的熱處理時(shí)一傳統(tǒng)電容器的泄漏電流特性的曲線(xiàn)圖，其中所述傳統(tǒng)電容器具有氧化鉿與氧化鋁的堆疊式介電層。在圖3A與圖3B中，水平軸與垂直軸分別代表所施加的偏壓與泄漏電流。曲線(xiàn)C1與C3顯示在所述隨后熱處理前所述泄漏電流特性，其中所述隨后熱處理是在所述上電極形成后進(jìn)行的，而曲線(xiàn)C2與C4顯示在所述隨后熱處理實(shí)施后所述泄漏電流特性。在此，所述隨后熱處理在大約750℃進(jìn)行約20分鐘，并在大約675℃下進(jìn)行約70分鐘。
參考圖3A，僅具有所述氧化鋁層的電容器不管是在所述隨后熱處理實(shí)施前還是實(shí)施后，在泄漏電流特性方面是一致的。然而，具有所述氧化鉿與氧化鋁的堆疊式介電層的電容器在所述隨后熱處理實(shí)施前和實(shí)施后則有不同的泄漏電流特性。更具體地，在施加相同偏壓的情況下，在所述隨后熱處理之后所獲得的泄漏電流會(huì)大于在所述隨后熱處理之前所獲得的泄漏電流。如圖3B所示，所述泄漏電流會(huì)突然增加，穿過(guò)由所述隨后熱處理而結(jié)晶的氧化鉿的晶界。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種可防止擊穿電壓在高電源電壓時(shí)下降的電容器及其制造方法，其中所述擊穿電壓的下降是在氧化鉿與氧化鋁的堆疊式介電層的氧化鋁層直接接觸一下電極時(shí)發(fā)生的。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種能夠在隨后熱處理期間防止泄漏電流增加的電容器及其制造方法，其中所述泄漏電流的增加在一氧化鉿與氧化鋁堆疊式介電層的熱不穩(wěn)定氧化鉿層接觸一上電極時(shí)發(fā)生。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一電容器，其包括一下電極；一在所述下電極上形成的介電層；以及一在所述介電層上形成的上電極，其中與所述下電極及所述上電極中之一接觸的所述介電層的部分通過(guò)使氧化鉿與氧化鋁形成合金而形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一電容器，其包括一由多晶硅制成的下電極；一由多晶硅制成的上電極；以及一介電層，其形成于所述下電極與所述上電極之間且在與所述下電極與所述上電極中之一接觸的區(qū)域處使用氧化鉿與氧化鋁來(lái)形成合金。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造電容器的方法，其包括下列步驟形成一下電極；在所述下電極上形成一由氧化鉿與氧化鋁形成合成介電層；以及在所述介電層上形成一上電極。


通過(guò)以下結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行的描述，本發(fā)明的所述和其他的目的和特點(diǎn)將會(huì)更加容易了解，在所述附圖中，圖1為顯示一傳統(tǒng)電容器結(jié)構(gòu)的示圖，其中所述傳統(tǒng)電容器結(jié)構(gòu)包括一氧化鉿及氧化鋁的堆疊式介電層；圖2為顯示一具有氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層的傳統(tǒng)電容器的泄漏電流特性的曲線(xiàn)圖；圖3A為顯示在一上電極形成后實(shí)施隨后熱處理期間一傳統(tǒng)電容器的泄漏電流特性的曲線(xiàn)圖，其中所述傳統(tǒng)電容器只具有一氧化鋁介電層；圖3B為顯示在一上電極形成后實(shí)施隨后熱處理期間一傳統(tǒng)電容器的泄漏電流特性的曲線(xiàn)圖，其中所述傳統(tǒng)電容器具有一氧化鉿及氧化鋁的堆疊式介電層；圖4為顯示依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的一電容器結(jié)構(gòu)的圖示，其中所述電容器結(jié)構(gòu)包括一氧化鉿與氧化鋁合成介電層(alloyed dielectriclayer)；圖5為顯示在依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例通過(guò)采用原子層沉積技術(shù)形成所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層時(shí)將氣體供應(yīng)至一反應(yīng)室的時(shí)序圖；圖6為顯示一氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層、一[A/H/A/H/A/H/A/H/A]疊層介電層及一[HOAOAO]合成介電層的泄漏電流特性的曲線(xiàn)圖，其中“A”、“H”及“O”代表原子或分子；圖7為顯示依據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例的一電容器結(jié)構(gòu)的圖示，其中所述電容器結(jié)構(gòu)包括一氧化鉿與氧化鋁合成介電層；圖8為顯示在依據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例通過(guò)采用ALD技術(shù)形成所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層時(shí)將氣體供應(yīng)至一反應(yīng)室的時(shí)序圖；圖9為顯示依據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實(shí)施例的一電容器結(jié)構(gòu)的圖示。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖4為顯示依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的一電容器結(jié)構(gòu)的圖示，其中所述電容器結(jié)構(gòu)具有一氧化鉿及氧化鋁合成介電層。
如圖所示，所述電容器包括一下電極21、一氧化鉿及氧化鋁合成介電層22及一上電極23。具體地，所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層22通過(guò)以均勻方式使氧化鋁22A與氧化鉿22B形成合金而形成。以下，所述氧化鉿與氧化鋁合成介電層22的分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X，其中x代表分子組成系數(shù)。
更具體地，所述下電極21與所述上電極23由選自包括以下材料的組的材料制成摻雜磷或砷的多晶硅、氮化鈦、釕、氧化釕、鉑、銥及氧化銥。例如所述下電極21及所述上電極23由多晶硅制成，由此形成硅-絕緣層-硅(SIS)的電容器結(jié)構(gòu)。在另一例子中，所述下電極21可由多晶硅制成，而所述上電極23可由金屬與金屬氧化物中的一種制成。由此，形成金屬-絕緣體-金屬(MIM)的電容器結(jié)構(gòu)。此外，所述下電極21可以形成為堆疊式、凹入式或圓柱式。
所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層22是通過(guò)使用ALD技術(shù)沉積形成的。更詳細(xì)地，重復(fù)實(shí)施以原子層為單元沉積所述氧化鋁22A的循環(huán)(cycle)以及以原子層為單元沉積所述氧化鉿22B的循環(huán)，以沉積所述具有所需厚度的氧化鉿及氧化鋁合成介電層22。
在所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層22中，并非所述氧化鋁22A與所述下電極21進(jìn)行直接接觸。同樣地，并非所述氧化鉿22B與所述上電極23進(jìn)行直接接觸。由于所述原子層沉積技術(shù)的特性，使這些結(jié)果成為可能。亦即，可通過(guò)控制重復(fù)所述循環(huán)的次數(shù)來(lái)不連續(xù)地沉積一原子層。因此，在所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層22中，所述氧化鋁22A與所述氧化鉿22B均接觸所述下電極21與所述上電極23。以下，所述以一原子層為單元所形成的氧化鋁22A及氧化鉿22B分別被稱(chēng)為所述氧化鋁層及氧化鉿層。
以下將更詳細(xì)說(shuō)明一種形成所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層22的方法。
如上所述，實(shí)施所述原子層沉積技術(shù)，以形成分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X-1的氧化鉿與氧化鋁合成介電層22，其中所述氧化鋁層22A與所述氧化鉿層22B接觸所述下電極21與所述上電極23。在此時(shí)，控制重復(fù)沉積所述氧化鋁層22A與所述氧化鉿層22B的每個(gè)各自循環(huán)的次數(shù)，直到所述氧化鋁層22A與所述氧化鉿層22B的每個(gè)厚度在大約1埃至10埃間的范圍。所述厚度范圍使每一原子層以不連續(xù)的方式來(lái)形成。因此，如果所述厚度大于10埃，則每一原子層以相當(dāng)連續(xù)的方式來(lái)形成，從而形成一氧化鉿與氧化鋁的堆疊式結(jié)構(gòu)。
圖5為顯示在依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例通過(guò)采用原子層沉積技術(shù)形成所述氧化鉿與氧化鋁合成介電層22時(shí)將氣體供應(yīng)至一反應(yīng)室的時(shí)序圖。
如已知的，首先將源氣體供應(yīng)至一反應(yīng)室，以使所述源氣體分子被化學(xué)地吸收到一基板的表面。然后，通過(guò)供應(yīng)一凈化氣體來(lái)清除那些被物理吸收的源氣體分子。將一反應(yīng)氣體供應(yīng)至所述基板，以便使所述經(jīng)化學(xué)吸收的源氣體分子與所述反應(yīng)氣體進(jìn)行反應(yīng)。依此化學(xué)反應(yīng)，可沉積一單原子層。之后，通過(guò)使用一凈化氣體來(lái)清除所述未反應(yīng)的反應(yīng)氣體。所述連續(xù)步驟構(gòu)成該單原子層沉積的一個(gè)循環(huán)。所述原子層沉積技術(shù)采用一表面反應(yīng)機(jī)制以提供一穩(wěn)定且均勻的薄層。同樣地，與化學(xué)汽相沉積(CVD)技術(shù)相比，因?yàn)樗鲈礆怏w與所述反應(yīng)氣體是分別依序提供及清除，所以所述原子層沉積技術(shù)可通過(guò)汽相反應(yīng)以有效地防止粒子產(chǎn)生。
以下將更詳細(xì)說(shuō)明用以沉積結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X的介電層22的單位循環(huán)。
所述單位循環(huán)可表示成為如下[(Hf/N2/O3/N2)y(Al/N2/O3/N2)z]n單位循環(huán)1在此，鉿及鋁是用以分別形成所述氧化鉿層22B及所述氧化鋁層22A的源氣體。所述下標(biāo)“y”及“z”代表重復(fù)(Hf/N2/O3/N2)及(Al/N2/O3/N2)的各自循環(huán)的次數(shù)。另一下標(biāo)“n”代表重復(fù)[(Hf/N2/O3/N2)y(Al/N2/O3/N2)z]的循環(huán)的次數(shù)。在此，“y”、“z”及“n”為自然數(shù)。
對(duì)所述單位循環(huán)1來(lái)說(shuō)，更具體的是，(Hf/N2/O3/N2)y循環(huán)表示順序提供鉿源氣體、氮凈化氣體、臭氧氧化劑及氮凈化氣體的步驟，且所述循環(huán)被重復(fù)進(jìn)行y次。同樣地，(Al/N2/O3/N2)z循環(huán)表示順序提供鋁源氣體、氮凈化氣體、臭氧氧化劑及氮凈化氣體的步驟，且所述循環(huán)被重復(fù)進(jìn)行z次。重復(fù)所述循環(huán)y次及z次，以分別沉積具有所需厚度的單層的氧化鉿22B及氧化鋁22A。
針對(duì)所述氧化鋁22A的單原子層沉積，首先使維持在室溫的三甲基鋁合金(Al(CH3)3)的源氣體流入一反應(yīng)室大約0.1秒至3秒的時(shí)間。以下將所述三甲基鋁合金簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)MA。在此時(shí)，使所述反應(yīng)室的溫度保持在大約200℃至350℃之間，且使其壓力保持在大約0.1托至10托之間。所述TMA源氣體分子被吸收到所述下電極21上。之后，使一氮凈化氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至約5秒的時(shí)間，以去除未被吸收的TMA源氣體分子。然后，使作為反應(yīng)氣體的臭氧氧化劑流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至3秒的時(shí)間，以引起所述被吸收TMA源氣體分子與所述臭氧氣體分子間的反應(yīng)。所述反應(yīng)會(huì)造成一氧化鋁22A原子層的沉積。接下來(lái)，使一氮凈化氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至5秒的時(shí)間，以清除未反應(yīng)的臭氧分子及所述反應(yīng)的副產(chǎn)物。
所述順序提供TMA源氣體、氮凈化氣體、臭氧反應(yīng)氣體及氮凈化氣體的步驟構(gòu)成一個(gè)單位循環(huán)，該單位循環(huán)被重復(fù)進(jìn)行z次，以沉積所述具有所需厚度的氧化鋁層22A。在此，除了所述TMA之外，可使用改進(jìn)的TMA(MTMA；Al(CH)3N(CH2)5CH3)來(lái)作為鋁源氣體。除了臭氧氣體之外，可使用水及氧氣等離子體來(lái)作為氧化劑。亦可使用如氬氣的惰性氣體作為所述凈化氣體。
針對(duì)所述氧化鉿22B的單原子層沉積，在一汽化器中汽化一選自由HfCl4、Hf(NO3)4、Hf(NCH3C2H5)4、Hf(N(CH3)2)4及Hf(N(C2H5)2)4所組成的組的源氣體，以及使所述汽化的源氣體流入一反應(yīng)室中，由此使該鉿源氣體分子被吸收，其中所述反應(yīng)室的溫度維持在200℃至400℃之間，壓力保持在0.1托至10托之間。然后，使一氮凈化氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至5秒的時(shí)間，以清除未被吸收的鉿源氣體分子。使一臭氧反應(yīng)氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至3秒的時(shí)間，以引導(dǎo)所述被吸收的鉿源氣體分子與所述臭氧氣體分子間的反應(yīng)。從所述化學(xué)反應(yīng)可沉積一氧化鉿22B的單原子層。接下來(lái)，使氮凈化氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至5秒的時(shí)間，以清除未反應(yīng)的臭氧氣體分子及所述反應(yīng)的副產(chǎn)物。
所述順序提供鉿源氣體、氮凈化氣體、臭氧反應(yīng)氣體及氮凈化氣體的步驟構(gòu)成一個(gè)單位循環(huán)，該單位循環(huán)被重復(fù)進(jìn)行y次，以沉積具有所需厚度的氧化鉿層22B。除了所述臭氧氣體之外，可使用水及氧等離子體來(lái)作為所述氧化劑。也可使用如氬氣的惰性氣體來(lái)作為所述凈化氣體。
眾所皆知，所述原子層沉積技術(shù)是以脈沖樣單元(pulse-like unit)來(lái)進(jìn)行。重復(fù)所述單位循環(huán)1，以形成分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-x(Al2O3)x的介電層22，其中以一預(yù)定分子組成系數(shù)均勻地形成所述氧化鉿層22B與所述氧化鋁層22A。
形成所述具有(HfO2)1-x(Al2O3)x分子結(jié)構(gòu)的介電層22需要有下列條件。首先，重復(fù)n次所述單位循環(huán)1，其中所述單位循環(huán)1包括重復(fù)進(jìn)行y次(Hf/N2/O3/N2)的循環(huán)以及重復(fù)進(jìn)行z次(Al/N2/O3/N2)的循環(huán)。但是，特別控制重復(fù)所述每一循環(huán)的次數(shù)，即y及z，使得由所述(Hf/N2/O3/N2)的循環(huán)所形成的氧化鉿層22B的厚度以及由所述(Al/N2/O3/N2)的循環(huán)所形成的氧化鋁層22A的厚度大約在1埃至10埃的范圍內(nèi)，以便最有效地使氧化鉿及氧化鋁均勻地在一起形成合金。如果每一單原子層的厚度大于約10埃，則每一單原子層會(huì)顯示出一連續(xù)特性，進(jìn)而導(dǎo)致相同于傳統(tǒng)氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層的介電特性或者更差的介電特性。
第二，必須適當(dāng)控制重復(fù)所述兩個(gè)循環(huán)的次數(shù)(亦即y及z)的比率，以使所述氧化鋁層22A占大約30％至60％的比率，以便通過(guò)使所述氧化鉿及氧化鋁形成合金來(lái)形成一非晶形薄介電層，進(jìn)而獲得一極好電特性。
圖6為顯示一氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層、一[A/H/A/H/A/H/A/H/A]疊層介電層及一[HOAOAO]合金層的泄漏電流特性的曲線(xiàn)圖。當(dāng)上述所列的層被用作一電容器的介電層時(shí)，可獲得所述泄漏電流特性。在此，“A”、“H”及“O”代表被用作形成所述所需層的一特定結(jié)構(gòu)的原子或分子。
如圖所示，通過(guò)堆疊厚度分別為約20埃和約25埃的氧化鉿及氧化鋁形成所述氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層。所述[A/H/A/H/A/H/A/H/A]疊層是通過(guò)交替層疊每個(gè)厚度約10埃的氧化鋁及氧化鉿而形成的。所述[HOAOAO]合金層是通過(guò)依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例實(shí)施所述(Hf/N2/O3/N2)1(Al/N2/O3/N2)2的單位循環(huán)而形成的。
對(duì)圖6中所述層的泄漏電流特性來(lái)說(shuō)，更具體地，如同所述氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層，由于所述氧化鋁層的接觸特性，基于所述第一優(yōu)選實(shí)施例所形成的[HOAOAO]合金層在一低電源電壓VL情況下顯示出一低泄漏電流特性。同樣地，在所述低電源電壓VL情況下，所述[HOAOAO]合金層顯示出一高起升電壓(take-off voltage)特性。在此，所述起升電壓是指一泄漏電流突然增加的電壓。然而，由于所述氧化鉿的接觸特性明顯優(yōu)于所述氧化鋁的接觸特性，所以在一高電源電壓VH情況下，所述[HOAOAO]合金層顯示出一高擊穿電壓特性。亦即，在所述高電源電壓VH的情況下，所述[HOAOAO]合金層的泄漏電流以平緩斜率來(lái)增加。與所述[HOAOAO]合金層相比，所述氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層及所述[A/H/A/H/A/H/A/H/A]疊層的泄漏電流以陡峭斜率急劇地增加。同樣地，在所述相同高電源電壓VH的情況下，所述[HOAOAO]合金層與其它層相比具有一低泄漏電流密度。
所述[HOAOAO]合金層即使在所述高電源電壓VH情況下仍表現(xiàn)出具有所述特征的泄漏電流特性是因?yàn)橥ǔ４嬖谟谒鲅趸X層中的負(fù)電荷的缺陷及通常存在于所述氧化鉿層中的正電荷的缺陷會(huì)彼此補(bǔ)償。因此，與所述氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層相比，所述[HOAOAO]合成介電層在所述低電源電壓VL情況下與所述高電源電壓VH情況下均顯示出極好的泄漏電流特性。
同樣地，在所述[HOAOAO]合金層中，所述氧化鉿層與上電極及下電極的直接接觸被最小化，由此抑制由在所述上電極形成后進(jìn)行的熱處理所造成的泄漏電流及介電特性的降級(jí)。
圖7為顯示依據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例的一電容器結(jié)構(gòu)的圖示。
如圖所示，所述電容器包括一下電極31、一氧化鉿及氧化鋁介電層32及一上電極33。在此，所述下電極31及所述上電極33由多晶硅制成。同樣地，所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層32是通過(guò)使氧化鋁層32A與氧化鉿層32B均勻地形成合金所形成的。以下，所述所形成的氧化鉿及氧化鋁合成介電層32的分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-x(Al2O3)x，其中x代表一分子組成系數(shù)。
具體地，通過(guò)采用原子層沉積技術(shù)來(lái)形成所述氧化鉿及氧化鋁介電層32。更詳細(xì)地，重復(fù)進(jìn)行一單位循環(huán)，以沉積所述具有所需厚度的氧化鉿及氧化鋁合成介電層32。所述單位循環(huán)可表示成如下[(Hf-Al)/N2/O3/N2]w單位循環(huán)2在此，Hf-Al代表一單分子源氣體，其中Hf及Al混合存在于一單分子中。如HfAl(MMP)2(OiPr)5的物質(zhì)是所述鉿與鋁單分子源氣體的一個(gè)例子。在此，MMP及OiPr分別代表甲基硫丙醛(methylthiopropionaldehyde)及異丙氧化物(isopropoxides)
在第一優(yōu)選實(shí)施例中，分別供應(yīng)所述鉿源氣體及鋁源氣體，如圖5的單位循環(huán)1中所述。然而，在第二優(yōu)選實(shí)施例中，使用如單位循環(huán)2中所示的鉿及鋁的單分子源氣體。所述單分子源氣體的使用簡(jiǎn)化了供應(yīng)所述源氣體的步驟并進(jìn)一步縮短了所述整個(gè)循環(huán)的全部周期。在混合鉿及鋁以形成一單分子時(shí)，可通過(guò)控制每一鉿及鋁的比率來(lái)控制所述鉿及鋁的組成系數(shù)。
圖8為顯示在依據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例通過(guò)采用原子層沉積技術(shù)形成所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層32時(shí)將氣體供應(yīng)至一反應(yīng)室的時(shí)序圖。
如圖所示，所述(Hf-Al/N2/O3/N2)w的單位循環(huán)涉及順序提供Hf-Al單分子源氣體、氮凈化氣體、作為反應(yīng)氣體的臭氧氧化劑及氮凈化氣體的步驟。重復(fù)所述循環(huán)w次，直到所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層32達(dá)到一所需厚度為止。在此，“w”為自然數(shù)。
以下將更詳細(xì)描述所述原子層沉積技術(shù)的單位循環(huán)2。首先，使維持在室溫的源氣體，例如HfAl(MMP)2(OiPr)5)流入一反應(yīng)室大約0.1秒至約3秒的時(shí)間，以使所述HfAl(MMP)2(OiPr)5源氣體被吸收。在此時(shí)，使所述反應(yīng)室的溫度保持在大約200℃至350℃之間，壓力保持在大約0.1托至10托之間。接下來(lái)，使所述氮凈化氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至5秒的時(shí)間，以清除未被吸收的HfAl(MMP)2(OiPr)5分子。之后，使所述臭氧反應(yīng)氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至3秒的時(shí)間，以引導(dǎo)所述被吸收的HfAl(MMP)2(OiPr)5分子與所述所供應(yīng)的臭氧氣體之間的反應(yīng)。依所述反應(yīng)，可沉積一由所述氧化鉿層32B及所述氧化鋁層32A所構(gòu)成的(HfO2)1-x(Al2O3)x原子層。使所述氮凈化氣體再次流入所述反應(yīng)室約0.1秒至5秒的時(shí)間，以清除所述未反應(yīng)的臭氧及所述反應(yīng)的副產(chǎn)物。
重復(fù)w次所述單位循環(huán)2，直到所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層32達(dá)到所需厚度為止，其中，所述單位循環(huán)2包括順序提供所述HfAl(MMP)2(OiPr)5源氣體、所述氮凈化氣體、所述臭氧反應(yīng)氣體及所述氮凈化氣體的步驟。同時(shí)，除了所述臭氧氣體之外，可使用水及氧等離子體作為氧化劑。也可使用如氬的惰性氣體作為所述凈化氣體。
圖9為顯示依據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實(shí)施例的一電容器結(jié)構(gòu)的圖示。
如圖所示，所述電容器包括一下電極41、一第一氧化鉿及氧化鋁合成介電層42A、一氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層43、一第二氧化鉿及氧化鋁合成介電層42B及一上電極44。
具體地，所述下電極41及所述上電極44由選自包括摻雜磷或砷的多晶硅、氮化鈦、釕、氧化釕、鉑、銥及氧化銥的組的材料制成。例如，所述下電極41及所述上電極44由多晶硅所制成，由此形成一SIS電容器結(jié)構(gòu)。另一例子中，所述下電極41由多晶硅所制成，而所述上電極44由金屬及金屬氧化物中之一所制成。此電容器結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為MIS。同樣地，所述下電極41及所述上電極44由金屬及金屬氧化物中之一所制成，由此形成一MIM電容器結(jié)構(gòu)。此外，所述下電極41可以被形成為層疊式、凹入式或圓柱式。
所述第一及第二氧化鉿及氧化鋁合成介電層42A及42B所具有的分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X，該分子結(jié)構(gòu)是通過(guò)重復(fù)地進(jìn)行所述ALD技術(shù)的單位循環(huán)1與單位循環(huán)2形成的。由于通過(guò)ALD技術(shù)形成的該合金結(jié)構(gòu)，因此并非只是與所述下電極41直接接觸的氧化鋁層及與所述上電極44直接接觸的氧化鉿層。亦即，可通過(guò)控制重復(fù)所述單位循環(huán)的次數(shù)以不連續(xù)地形成一原子層。
結(jié)果，在第三優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一及第二氧化鉿及氧化鋁合成介電層42A及42B的氧化鋁及氧化鉿均與所述下電極41與所述上電極44接觸。
同時(shí)，位于所述第一氧化鉿及氧化鋁合成介電層42A與所述第二氧化鉿及氧化鋁合成介電層42B之間的氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層43是通過(guò)順序地層疊所述氧化鉿層及氧化鋁層或所述氧化鋁層及氧化鉿層所形成的。以下，按氧化鉿及氧化鋁次序所順序?qū)盈B的介電層以及按氧化鋁及氧化鉿次序所順序?qū)盈B的介電層可分別表示為Al2O3/HfO2堆疊式介電層及HfO2/Al2O3堆疊式介電層。所述氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層43是通過(guò)同樣使用形成所述第一及第二氧化鉿及氧化鋁合成介電層42A及42B所采用的ALD技術(shù)所形成的。然而，增加重復(fù)所述單位循環(huán)的次數(shù)，以連續(xù)地形成所述多個(gè)原子層。例如，在通過(guò)重復(fù)n次所述(Hf/N2/O3/N2)y(Al/N2/O3/N2)z的單位循環(huán)1以形成所述第一氧化鉿及氧化鋁合成介電層42A之后，重復(fù)進(jìn)行(Al/N2/O3/N2)的循環(huán)，直到所述所沉積的氧化鋁具有約6埃至10埃的厚度為止。然后，重復(fù)進(jìn)行(Hf/N2/O3/N2)的循環(huán)，直到所述所沉積的氧化鉿具有約6埃至10埃的厚度為止。
依據(jù)所述的內(nèi)容，在使用所述單位循環(huán)1來(lái)沉積所述第一及第二氧化鉿及氧化鋁合成介電層42A及42B的情況下，控制重復(fù)由各個(gè)下標(biāo)“y”、“z”及“n”表示的每個(gè)相應(yīng)的循環(huán)的次數(shù)，以形成結(jié)構(gòu)為(Hf/N2/O3/N2)y(Al/N2/O3/N2)z的氧化鉿及氧化鋁合成介電層，其中所述氧化鉿及氧化鋁是以均勻方式來(lái)形成合金。同樣地，控制重復(fù)由所述各下標(biāo)y及z表示的每個(gè)相應(yīng)周期的次數(shù)，以形成所述氧化鉿及氧化鋁堆疊式層43，其中，以及所述氧化鉿層及氧化鋁層被以獨(dú)立的方式沉積。
在本發(fā)明第三優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一及第二氧化鉿及氧化鋁合成介電層42A及42B與所述下電極41及所述上電極44均接觸。然而，仍然可形成只接觸所述下電極41或所述上電極44的氧化鉿及氧化鋁合成介電層。
依據(jù)所述第一至第三優(yōu)選實(shí)施例，使具有好的介電特性的氧化鉿及具有好的泄漏電流特性的氧化鋁一起形成合金，以形成所述同一介電層。因此，與所述下電極直接接觸的層包含有氧化鉿，由此提供增加擊穿電壓的效應(yīng)。同樣地，使氧化鉿及氧化鋁鑄成合金以形成所述介電層，進(jìn)而允許一接觸所述上電極的層包含有氧化鋁。因此，可降低泄漏電流以及可進(jìn)一步制造一具有極好介電特性的高品質(zhì)電容器。
本發(fā)明包含涉及2003年11月22日向韓國(guó)專(zhuān)利局所提出的韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第2003-0083399號(hào)(KR 2003-0083399)的主題。在此將參考引用該韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容。
雖然已以有關(guān)優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但是對(duì)本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯的是可在不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行不同的變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種電容器，包括一下電極；一介電層，形成于所述下電極上；以及一上電極，形成于所述介電層上，其中，與所述下電極和所述上電極中之一接觸的所述介電層的一部分是通過(guò)使氧化鉿與氧化鋁一起形成合金而形成的。
2.如權(quán)利要求1所述的電容器，其中，所述介電層的氧化鉿及氧化鋁是通過(guò)采用原子層沉積技術(shù)而形成的單原子薄層。
3.如權(quán)利要求2所述的電容器，其中，所述氧化鉿及氧化鋁的命名分別為HfO2及Al2O3，且該氧化鉿及氧化鋁合成介電層的分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-x(Al2O3)x，其中x代表分子組成系數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的電容器，其中，所述氧化鉿層及所述氧化鋁層每一個(gè)的厚度均在大約1埃至大約10埃的范圍。
5.如權(quán)利要求3所述的電容器，其中，在所述分子結(jié)構(gòu)(HfO2)1-x(Al2O3)x中，表示所述氧化鋁層的分子組成系數(shù)的下標(biāo)x在大約0.3至大約0.6的范圍。
6.如權(quán)利要求1所述的電容器，其中，所述下電極及所述上電極由選自一包括多晶硅、氮化鈦、釕、氧化釕、鉑、銥及氧化銥的組的材料制成。
7.如權(quán)利要求1所述的電容器，其中，所述介電層與所述下電極進(jìn)行接觸，且在所述介電層與所述上電極之間布置一通過(guò)順序?qū)盈B氧化鋁及氧化鉿而形成的一疊層。
8.如權(quán)利要求7所述的電容器，其中，將所述介電層再置于所述上電極與所述疊層之間。
9.一種電容器，包括由多晶硅制成的一下電極；由多晶硅制成的一上電極；以及形成于所述下電極與所述上電極之間的一介電層，且所述介電層在與所述下電極與所述上電極中之一接觸的一區(qū)域處使用氧化鉿及氧化鋁來(lái)形成合金。
10.如權(quán)利要求9所述的電容器，其中，所述介電層的氧化鉿及氧化鋁是通過(guò)采用原子層沉積技術(shù)而沉積形成的單原子薄層。
11.如權(quán)利要求10所述的電容器，其中，所述氧化鉿及氧化鋁的命名分別為HfO2及Al2O3，且所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層的分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-x(Al2O3)x，其中x代表一分子組成系數(shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的電容器，其中，所述氧化鉿層及所述氧化鋁層每一層的厚度均在大約1埃至大約10埃的范圍。
13.如權(quán)利要求11所述的電容器，其中，在所述分子結(jié)構(gòu)(HfO2)1-x(Al2O3)x中，代表所述氧化鋁層的分子組成系數(shù)的下標(biāo)x在大約0.3至大約0.6的范圍。
14.一種制造電容器的方法，包括下列步驟形成一下電極；在所述下電極上形成一由氧化鉿及氧化鋁形成的合成介電層；以及在所述介電層上形成一上電極。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，在形成所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層的步驟中，所述氧化鉿及所述氧化鋁是通過(guò)采用原子層沉積技術(shù)而沉積的。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，形成所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層的步驟包括下列步驟通過(guò)重復(fù)提供鉿源氣體、凈化氣體、氧化劑及凈化氣體的第一循環(huán)形成一氧化鉿層；通過(guò)重復(fù)提供鋁源氣體、凈化氣體、氧化劑及凈化氣體的第二循環(huán)形成一氧化鋁層；以及通過(guò)重復(fù)將所述第一循環(huán)及所述第二循環(huán)混合所獲得的第三循環(huán)來(lái)形成一分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X的氧化鉿及氧化鋁合金層，其中x代表一分子組成系數(shù)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，在所述第一循環(huán)中，所述鉿源氣體選自包括HfCl4、Hf(NO3)4、Hf(NCH3C2H5)4、Hf(N(CH3)2)4及Hf(N(C2H5)2)4的組，所述氧化劑是臭氧、水及氧等離子體中的一種，且所述凈化氣體是氮?dú)饧皻鍤庵械囊环N。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，在所述第二循環(huán)中，所述鋁源氣體是三甲基鋁及改進(jìn)的三甲基鋁中的一種，所述氧化劑是臭氧、水及氧等離子體中的一種，且所述凈化氣體是氮?dú)饧皻鍤庵械囊环N。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，在所述分子結(jié)構(gòu)(HfO2)1-X(Al2O3)X中，代表所述氧化鋁層的分子組成系數(shù)的下標(biāo)x在大約0.3至大約0.6的范圍。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述氧化鉿層及所述氧化鋁層每一層的厚度在大約1埃至10埃的范圍。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，形成所述氧化鉿及所述氧化鋁合成介電層的步驟包括通過(guò)重復(fù)提供結(jié)合于單分子中的鉿與鋁的源氣體、凈化氣體、氧化劑及凈化氣體的循環(huán)，形成具有(HfO2)1-X(Al2O3)X分子結(jié)構(gòu)的氧化鉿及氧化鋁合金層的步驟，其中，x代表分子組成系數(shù)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述單分子鉿及鋁的源氣體為HfAl(MMP)2(OiPr)5，所述氧化劑為臭氧、水及氧等離子體中的一種，且所述凈化氣體是氮?dú)饧皻鍤庵械囊环N。
23.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述下電極及所述上電極由選自包括多晶硅、氮化鈦、釕、氧化釕、鉑、銥及氧化銥的組的材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有氧化鉿及氧化鋁合成介電層的電容器及其制造方法。所述電容器包括一下電極、一在所述下電極上形成的介電層、以及一在所述介電層上形成的上電極，其中與所述下電極及上電極中之一接觸的所述介電層的部分是通過(guò)使氧化鉿及氧化鋁在一起形成合金而形成的。
文檔編號(hào)H01L21/314GK1619819SQ20041006262
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月22日
發(fā)明者吉德信, 盧載盛, 孫賢哲 申請(qǐng)人:海力士半導(dǎo)體有限公司