專利名稱：具有至少3層高－k介電層的模擬電容器和制造它的方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2003年9月19日申請的韓國專利申請?zhí)?003-65272的優(yōu)先權(quán)，本文引入其全部內(nèi)容作為參考。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種模擬電容器和制造它的方法，更具體地，涉及一種具有至少3層高-k介電層的模擬電容器和制造它的方法。
2.相關(guān)技術(shù)描述模擬電容器是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、RF設(shè)備、開關(guān)電容濾波器、CMOS圖像傳感器(CIS)等中使用的典型設(shè)備中的一種元件。模擬電容器是一種獲得比特(bits)并基于以下事實運轉(zhuǎn)的電容器，即貯存在位于介電層兩端上的電極中的電荷量相應(yīng)于外加電壓的變化而不同。
當將電壓(V)施加在電容器上時，可以由方程1給出貯存在介電層兩端上的電極中的電荷量(Q)。
方程1Q＝C×V其中，C是電容器的電容。
在電容(C)具有恒定值的情況下，電荷量(Q)與電壓(V)成比例線性升高。當固定電壓(V)時，儲存在電容器中的電荷量(Q)是恒定的。因此，可以在電容器工作電壓的范圍內(nèi)將電壓分解，并使用對應(yīng)于各分解電壓的電荷量作為1比特。
為了在模擬電容器中獲得高的比特，相應(yīng)于各分解電壓的電荷量的差別應(yīng)該是大且恒定的。為此，在模擬電容器中使用的介電層要求，其電容的電壓系數(shù)(VCC)，即電容隨電壓的變化應(yīng)該低，其電容應(yīng)該大，且其漏電流應(yīng)該低。
隨著半導(dǎo)體器件中集成度升高，電容器尺寸日益按比例縮小。因此，為了防止對應(yīng)于電容器尺寸下降的容量下降，使用高-k介電層。將介電常數(shù)高于或等于8的介電層定義為高-k介電層。
典型地，介電層的容量取決于電壓。也就是說，可以用外加電壓(V)的函數(shù)來給出電容((C(V))，并且該電容符合由方程2給出的二次函數(shù)。
方程2C(V)＝C(0)×(a×V2+b×V+1)其中，C(0)是外加電壓為0V時電容器的電容，a是VCC的二次系數(shù)，b是VCC的線性系數(shù)。因此，為了具有低的VCC值，a和b應(yīng)該接近于0。
已知二次系數(shù)與電容器的電極和介電層的界面特性有關(guān)。也就是說，如果當施加電壓時，在電極中發(fā)生消耗，則二次系數(shù)具有負值。與此相反，如果電子滲入介電層中從而降低該介電層的有效厚度，則二次系數(shù)具有正值。
因此，在模擬電容器中用作高-k介電層的介電層要求，其漏電流應(yīng)該低，并且VCC的二次系數(shù)的絕對值應(yīng)該低。然而，使用單層介電層難以同時滿足漏電流特性和VCC特性。
發(fā)明概述本發(fā)明的示范性實施方案提供了一種模擬電容器和制造該模擬電容器的方法，所述模擬電容器具有高-k介電層，能夠使漏電流特性和VCC特性最佳。根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供一種模擬電容器。該模擬電容器包含下電極、面對下電極的上電極和置于下電極與上電極之間的至少3層高-k介電層。該至少3層高-k介電層包含接觸下電極的底介電層、接觸上電極的頂介電層和置于底介電層與頂介電層之間的中介電層。并且，各底介電層和頂介電層是，與中介電層相比，VCC的二次系數(shù)的絕對值相對低的高-k介電層，中介電層是，與底介電層和頂介電層相比，漏電流相對低的高-k介電層。
VCC的二次系數(shù)的絕對值低的高-k介電層接觸電極，將漏電流低的高-k介電層置于電極之間。因此，可以使VCC特性和漏電流特性最佳。
在一個實施方案中，底介電層和頂介電層是不同材料的層。各底介電層和頂介電層可以是選自Ta2O5、摻Ti的Ta2O5、摻Nb的Ta2O5、BST、PZT和TiO2層中的材料層。漏電流相對低的中介電層可以是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的材料層。模擬電容器還可以包含置于底介電層與中介電層之間的緩沖介電層；和置于中介電層與頂介電層之間的另一緩沖介電層。
在一個實施方案中，底介電層和頂介電層中的一層介電層是Ta2O5層。底介電層和頂介電層中的另一層介電層可以是選自BST、PZT和TiO2層中的高-k介電層。在一個實施方案中，漏電流相對低的中介電層是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的高-k介電層。模擬電容器還可以包含置于底介電層與中介電層之間的緩沖介電層；和置于中介電層與頂介電層之間的另一緩沖介電層。
在一個實施方案中，底介電層和頂介電層是相同的材料。該相同的材料層是Ta2O5層。漏電流相對低的中介電層可以是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的高-k介電層。在一個實施方案中，漏電流相對低的中介電層是Al2O3層或HfO2層。模擬電容器還可以包含置于底介電層與中介電層之間的緩沖介電層；和置于中介電層與頂介電層之間的另一緩沖介電層。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供一種模擬電容器，該模擬電容器包含下電極；面對下電極的上電極；置于下電極與上電極之間從而與下電極接觸、由Ta2O5層形成的底介電層；置于下電極與上電極之間從而與上電極接觸、由Ta2O5層形成的頂介電層；和置于底介電層與頂介電層之間、由Al2O3層形成的中介電層。
在一個實施方案中，模擬電容器還包含置于底介電層與中介電層之間的緩沖介電層；和置于中介電層與頂介電層之間的另一緩沖介電層。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供一種模擬電容器，該模擬電容器包含下電極；面對下電極的上電極；置于下電極與上電極之間從而與下電極接觸、由Ta2O5層形成的底介電層；置于下電極與上電極之間從而與上電極接觸、由Ta2O5層形成的頂介電層；和置于底介電層與頂介電層之間、由HfO2層形成的中介電層。
在一個實施方案中，模擬電容器還包含置于底介電層與中介電層之間的緩沖介電層；和置于中介電層與頂介電層之間的另一緩沖介電層。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供一種制造模擬電容器的方法。該方法包括在半導(dǎo)體基片上形成下絕緣層。在下絕緣層上形成下電極層。在具有下電極層的半導(dǎo)體基片上順序形成至少3層高-k介電層。該至少3層高-k介電層包含底介電層、中介電層和頂介電層。各底介電層和頂介電層是，與中介電層的值相比，VCC的二次系數(shù)的絕對值相對低的高-k介電層，中介電層是，與底介電層和頂介電層的值相比，漏電流相對低的高-k介電層。在該至少3層高-k介電層上形成上電極層以與頂介電層接觸。
在一個實施方案中，由與底介電層不同的材料層形成頂介電層。在一個實施方案中，各底介電層和頂介電層可以是選自Ta2O5、摻Ti的Ta2O5、摻Nb的Ta2O5、BST、PZT和TiO2層中的材料層。漏電流相對低的中介電層可以是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的材料層。在一個實施方案中，該方法還包括在形成中介電層之前形成緩沖介電層；和在形成頂介電層之前形成另一緩沖介電層?？梢允褂肅VD法或ALD法形成各底介電層、中介電層和頂介電層?？梢栽?00-500℃的溫度下形成使用CVD法或ALD法形成的各介電層。在一個實施方案中，該方法還包括在含氧的氣氛中退火用CVD法形成的介電層。在一個實施方案中，含氧的氣氛是含選自O(shè)3、O2等離子體和N2O等離子體氣體中至少一種氣體的氣氛。底介電層和頂介電層中的一層介電層可以是Ta2O5層。底介電層和頂介電層中的另一層介電層可以是選自BST、PZT和TiO2層中的高-k介電層。漏電流相對低的中介電層可以是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的高-k介電層。
該方法還可以包括在形成中介電層之前形成緩沖介電層；和在形成頂介電層之前形成另一緩沖介電層。可以使用CVD法或ALD法形成各底介電層、中介電層和頂介電層?？梢栽?00-500℃的溫度下形成使用CVD法或ALD法形成各介電層。
在一個實施方案中，用與底介電層相同的材料層形成頂介電層。相同的材料層可以是Ta2O5層。在一個實施方案中，漏電流相對低的中介電層是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的高-k介電層。漏電流相對低的中介電層是Al2O3層或HfO2層。該方法還可以包括在形成中介電層之前形成緩沖介電層；和在形成頂介電層之前形成另一緩沖介電層。使用CVD法或ALD法形成各底介電層、中介電層和頂介電層。該方法還可以包括在含氧的氣氛中退火由CVD法形成的介電層。
在本發(fā)明的一個示范性實施方案中，在形成至少3層高-k介電層之前，將下電極層形成圖案(patterned)來形成下電極。還在具有下電極的半導(dǎo)體基片上形成中間層絕緣層，并構(gòu)圖(patterned)該中間層絕緣層來形成使下電極暴露的接觸孔。還在具有接觸孔的半導(dǎo)體基片上相似地形成至少3層高-k介電層，并形成上電極層來填充接觸孔。
在本發(fā)明的一個實施方案中，使用光刻法和蝕刻法構(gòu)圖上電極層形成圖上電極。然后，通過光刻法和蝕刻法構(gòu)圖至少3層高-k介電層和下電極層來形成下電極。本文中，下電極的寬度比上電極的寬度大。因為上電極和下電極是由不連續(xù)的蝕刻法形成的，所以可以防止電極之間的電短路。
附圖簡述根據(jù)對本發(fā)明優(yōu)選實施方案更詳細的描述，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)點將變得明顯，當在附圖中說明時，在整個附圖的不同視圖中，相同的參考符號指的是相同的部分。附圖不一定成比例，而是將重點放在說明本發(fā)明的原理上。
在附圖中，為了清楚，夸大了層和區(qū)的厚度。


圖1是說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的模擬電容器的剖視圖。
圖2A-2D是說明制造本發(fā)明實施方案的圖1模擬電容器的方法的剖視圖。
圖3A-3D是說明制造本發(fā)明另一個實施方案的圖1模擬電容器的方法的剖視圖。
圖4A是說明具有單氧化鉭(Ta2O5)層的電容器、具有單氧化鋁(Al2O3)層的電容器和具有介電(Ta2O5-Al2O3-Ta2O5(TAT))層的3組分層的電容器的各漏電流特性的圖示，圖4B是說明各電容器的VCC特性的C-V(電容-電壓)圖。
圖5A是說明具有介電(Al2O3-Ta2O5-Al2O3(ATA))層的3組分層的電容器和具有TAT介電層的3組分層的電容器的各漏電流特性的圖，圖5B是說明具有ATA介電層的3組分層的電容器和具有TAT介電層的3組分層的電容器的各VCC特性的C-V圖。
圖6A是說明具有單氧化鉭(Ta2O5)層的電容器、具有單氧化鉿(HfO2)層的電容器和具有介電(Ta2O5-HfO2-Ta2O5(THT))層的3組分層的電容器的各漏電流特性的圖示，圖6B是說明各電容器的VCC特性的C-V(電容-電壓)圖。
圖7A是說明具有介電(HfO2-Ta2O5-HfO2(HTH))層的3組分層的電容器和具有TAT介電層的3組分層的電容器的各漏電流特性的圖，圖7B是說明具有HTH介電層的3組分層的電容器和具有TAT介電層的3組分層的電容器的各VCC特性的C-V圖。
發(fā)明詳述為了克服具有一層介電層的電容器的限制，在Allman等人，名稱為“Capacitor with multiple-component dielectric and method of fabricating same”的美國專利US 6,341,056中公開了一種具有多層介電層的電容器和制造它的方法。
為了提高VCC特性，在美國專利US 6,341,056中公開的電容器具有介電層，該介電層具有彼此之間相反方向彎曲的電特征曲線。為了防止由于使用高-k介電層帶來的漏電流，將漏電流高的介電層放在中間層中，將漏電流低的介電層放在中介電層的上面和下面。因此，可以在具有防止漏電流的電容器中使用漏電流高的高-k介電層。
然而，美國專利US 6,341,056中公開的電容器具有對VCC特性幾乎沒什么改進的問題。也就是說，如果漏電流低的介電層顯示差的VCC特性，則電容器的VCC特性不會提高。
因此，要求具有高-k介電層的模擬電容器能夠使漏電流特性和VCC特性最佳。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、具有至少3層高-k介電層的模擬電容器的剖視圖。
參考圖1，將至少3層高-k介電層13置于下電極11與上電極15之間。各下電極11和上電極15與電線(lines)連接，從而向電容器施加電壓或使電荷移動。
優(yōu)選地，各下電極11和上電極15是選自鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、銥(Ir)、氧化銥(IrO2)、釕(Ru)和氧化釕(RuO2)層中的至少一層導(dǎo)電層。不要求下電極11和上電極15是沖相同的導(dǎo)電層。
該至少3層高-k介電層13包含接觸下電極11的底介電層13a、接觸上電極15的頂介電層13c和置于底介電層與頂介電層之間的中介電層13b。
底介電層13a是，與中介電層13b相比，VCC的二次系數(shù)的絕對值相對低的高-k介電層，即VCC特性好的高-k介電層。
將底介電層13a和中介電層13b的VCC的二次系數(shù)比較如下。
即，提供一種這樣構(gòu)造的電容器，其包含用與下電極11相同的材料層形成的電極和置于該電極之間的、用與底介電層13a相同的層形成的介電層；以及一種這樣構(gòu)造的電容器，其包含置于該電極之間的、用與中介電層13b相同的層形成的介電層。測量電容器相對于電壓的電容。然后，如方程2所示，將各電容器的電容擬合為(fitted as)電壓的二次函數(shù)，從而確定各電容器的二次系數(shù)。可以通過比較這兩種電容器的二次系數(shù)選擇VCC特征好的介電層。
在一個實施方案中，VCC的二次系數(shù)的絕對值相對低的底介電層13a由選自氧化鉭(Ta2O5)、摻鈦的氧化鉭(摻Ti的Ta2O5)、摻鈮的氧化鉭(摻Nb的Ta2O5)、鈦酸鋇鍶(Ba-Sr-TiO3；BST)、鈦酸鉛鋯(Pb-Zr-TiO3；PZT)和二氧化鈦(TiO2)層中的至少一個材料層，更優(yōu)選地，它由Ta2O5層形成。
而且，頂介電層13c是，與中介電層13b相比，VCC的二次系數(shù)的絕對值相對低的高-k介電層?？梢酝ㄟ^使用由與上電極15相同的材料層形成的電極來比較頂介電層13c和中介電層13b的VCC的二次系數(shù)。
在一個實施方案中，VCC的二次系數(shù)的絕對值相對低的頂介電層13c由選自氧化鉭(Ta2O5)、摻鈦的氧化鉭(摻Ti的Ta2O5)、摻鈮的氧化鉭(摻Nb的Ta2O5)、鈦酸鋇鍶(Ba-Sr-TiO3；BST)、鈦酸鉛鋯(Pb-Zr-TiO3；PZT)和二氧化鈦(TiO2)層中的至少一個材料層形成，更優(yōu)選地，它由Ta2O5層形成。不要求頂介電層13c是與底介電層13a相同的材料層。
與中介電層13b相比，分別接觸下電極11和上電極15的底介電層13a和頂介電層13c具有良好的VCC特性。因此，使用底介電層13a和頂介電層13c可以提高中介電層13b的VCC特性。
與底介電層13a和頂介電層13c相比，中介電層13b是漏電流相對低的介電層。
在一個實施方案中，漏電流相對低的中介電層13b是選自氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)、鋯酸鹽(ZrO2)和氧化鑭(La2O3)層中的層，更優(yōu)選地，它是氧化鋁(Al2O3)層或氧化鉿(HfO2)層。
通常，VCC特性好的高-k介電層具有差的漏電流特性。因此，可以通過將上述漏電流相對低的高-k介電層置于VCC特性好的高-k介電層之間來提高電容器的漏電流特性。
可以將緩沖介電層13d置于底介電層13a與中介電層13b之間?？梢允褂镁彌_介電層13d來除去底介電層13a和中介電層13b的界面缺陷。而且，可以將另一緩沖介電層13e置于中介電層13b與頂介電層13c之間?？梢允褂镁彌_介電層13e來除去中介電層13b和頂介電層13c的界面缺陷。
因此，使VCC特性好的高-k介電層接觸電極，使漏電流特性好的層置于高-k介電層之間，從而使VCC特性和漏電流特性最佳。
圖2A-2D是說明制造本發(fā)明一個實施方案的模擬電容器的方法的剖視圖。
參考圖2A，在半導(dǎo)體基片21上形成下絕緣層23。半導(dǎo)體基片21具有預(yù)先在其上形成的電線(未示出)。下絕緣層23可以由二氧化硅層形成，優(yōu)選為由低-k介電層形成。
在具有下絕緣層23的半導(dǎo)體基片上形成下電極層。下電極層由選自Ti、TiN、Ta、TaN、Al、Cu、W、WN、Ir、IrO2、Ru和RuO2層中的至少一層形成。
可以使用物理氣相沉積(PVD)法、化學氣相沉積(CVD)法或原子層沉積(ALD)法形成下電極層，優(yōu)選為在25-500℃的溫度下形成。
使用光刻法和蝕刻法構(gòu)圖下電極層來形成下電極25。本文中，可以與下電極25一起形成下電線(未示出)。使下電極25與至少一條下電線連接。
參考圖2B，在具有下電極25的半導(dǎo)體基片上形成中間層絕緣層27。中間層絕緣層27可以由氧化硅層或低-k介電層形成。使用光刻法和蝕刻法構(gòu)圖中間層絕緣層27來形成使下電極25暴露的接觸孔27a。
參考圖2C，在具有接觸孔27a的半導(dǎo)體基片上順序并相似地形成底介電層29a、中介電層29b和頂介電層29c。在形成中介電層29b前，還可以形成緩沖介電層(未示出)，在形成頂介電層29c前，還可以形成另一緩沖介電層(未示出)。使用緩沖介電層從而防止會在底介電層29a與中介電層29b之間出現(xiàn)的界面缺陷和會在中介電層29b與頂介電層29c之間出現(xiàn)的界面缺陷。
與中介電層29b相比，各底介電層29a和頂介電層29c由VCC的二次系數(shù)的絕對值相對低的高-k介電層形成。優(yōu)選地，各底介電層29a和頂介電層29c由選自Ta2O5、摻Ti的Ta2O5、摻Nb的Ta2O5、BST、PZT和TiO2層中的材料層形成，更優(yōu)選地，它由Ta2O5層形成。然而，底介電層29a和頂介電層29c不必由相同的高-k介電層形成，可以由不同的高-k介電層形成。然而，在底介電層29a和頂介電層29c是由相同的高-k介電層形成的情況下，可以使用相同的方法來形成底介電層29a和頂介電層29c，就更方便地實施制造方法而言，這是一個優(yōu)點。同時，優(yōu)選形成厚度為10-500的底介電層29a和頂介電層29c。
可以在200-500℃的溫度下使用CVD法或ALD法形成各底介電層29a和頂介電層29c。在使用ALD法形成底介電層29a和/或頂介電層29c的情況下，優(yōu)選的是使用含氧原子的氣體作為反應(yīng)氣體。含氧原子的反應(yīng)氣體可以是選自水蒸汽(H2O)、臭氧(O3)、氧等離子體(O2-等離子體)和一氧化二氮等離子體(N2O-等離子體)中的至少一種氣體。
在使用CVD法形成底介電層29a和/或頂介電層29c情況下，優(yōu)選為在含氧原子的氣氛中形成介電層29a和/或29c。含氧原子的氣氛可包括選自O(shè)2、O3、O2-等離子體和N2O-等離子體中的至少一種氣體。
在使用CVD法形成介電層29a和/或29c情況下，可以在含氧原子的氣氛中退火由CVD法形成的底介電層29a和/或頂介電層29c以提高層的性能。含氧原子的氣氛可以包括選自臭氧(O3)、氧等離子體(O2-等離子體)和氧化氮等離子體(N2O-等離子體)氣體中的至少一種氣體。優(yōu)選地，在200-500℃的溫度下進行退火處理。
與底介電層29a和頂介電層29c相比，中介電層29b由漏電流相對低的高-k介電層形成。優(yōu)選地，中介電層29b可以由選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的高-k介電層形成，更優(yōu)選地由Al2O3層或HfO2層形成?？梢栽谌缟纤龅臍夥罩?，使用CVD法或ALD法形成中介電層29b，優(yōu)選為在200-500℃的溫度下形成厚度為10-500的中介電層29b。
在具有介電層29的半導(dǎo)體基片上形成上電極層31。形成上電極層31來填充圖2B中的接觸孔27a。優(yōu)選地，上電極層31可以由選自Ti、TiN、Ta、TaN、Al、Cu、W、WN、Ir、IrO2、Ru和RuP2層中的至少一層形成，更優(yōu)選地，其通過順序堆疊TiN層和W層形成。
可以使用CVD法或ALD法形成上電極層31，優(yōu)選為在25-500℃的溫度下形成該層。
參考圖2D，使上電極層31和介電層29成為平面(planarized)直至使中間層絕緣層27暴露以在接觸孔27a的內(nèi)部形成上電極31a。
在具有上電極31a的半導(dǎo)體基片上形成導(dǎo)電層。使用光刻法和蝕刻法構(gòu)圖導(dǎo)電層來形成與上電極31a電連接的上電線。
因此，完成了電容器的制造，該電容器包含如上所述的下電極25、介電層29和上電極31a。
圖3A-3D是說明制造本發(fā)明另一個實施方案的模擬電容器的方法的剖視圖。
參考圖3A，如上面圖2A所示，在半導(dǎo)體基片51上形成下絕緣層53和下電極層55。然而，不直接構(gòu)圖下電極層55。
參考圖3B，在下電極層55上順序形成底介電層57a、中介電層57b和頂介電層57c。在形成中介電層57b前，還可以形成緩沖介電層(未示出)，在形成頂介電層57c前，還可以形成另一緩沖介電層(未示出)。
如圖2C所示，可以由相同的高-k介電層形成各底介電層57a、中介電層57b和頂介電層57c。而且，如圖2C所示，可以使用CVD法或ALD法形成各底介電層57a和頂介電層57c。在使用CVD法形成底介電層57a和/或頂介電層57c的情況下，可以如圖2C所示退火底介電層57a和/或頂介電層57c。
可以在底介電層57a與中介電層57b之間和/或中介電層57b與頂介電層57c之間形成更多的介電層。
在介電層57上形成上電極層59。如圖2C所示，可以由相同的材料層形成上電極層59。而且，與圖2C所示，可以使用CVD法或ALD法形成上電極層59。
參考圖3C，使用光刻法和蝕刻法構(gòu)圖上電極層59來形成上電極59a。此時，可以蝕刻介電層57的上表面。
在形成上電極59a后，使用光刻法和蝕刻法構(gòu)圖介電層57和下電極層55來形成下電極55a。形成下電極55a以具有比上電極59a大的寬度。這時，在下絕緣層53的預(yù)定部分上構(gòu)圖下電極層55來形成下電線(未示出)。下電極55a可與至少一條下電線連接。
因為使用不連續(xù)的蝕刻法形成上電極59a和下電極55a，所以可以防止可能在下電極55a與上電極59a之間發(fā)生的、由蝕刻殘余物導(dǎo)致的電短路。
參考圖3D，在其上形成有上電極59a的半導(dǎo)體基片上形成中間層絕緣層61?？梢杂枚趸鑼踊虻?k介電層形成中間層絕緣層61。
然后，使用光刻法和蝕刻法構(gòu)圖中間層絕緣層61來形成使上電極59a暴露的接觸孔。然后，在具有接觸孔的半導(dǎo)體基片上形成導(dǎo)電層，并構(gòu)圖該導(dǎo)電層來形成與上電極59a電連接的上電線63。
因此，完成了電容器的制造，該電容器包含下電極55a、介電層57和上電極59a。
<實施例>
現(xiàn)在，在下文中說明根據(jù)相關(guān)技術(shù)制造的電容器和根據(jù)本發(fā)明制造的電容器的各種測量結(jié)果。
本文中，按照圖2A-2D中所示的工藝程序制造各電容器。然而，通過順序堆疊Ti、TiN、Al、Ti和TiN層形成下電極層，圖2C中的介電層29依各電容器而不同，通過順序堆疊TiN和W層形成圖2C中的上電極層31。并且，在125℃的溫度下測量下面描述中將要提到的所有電容器的漏電流，通過施加100mV的AC電壓和100kHz的頻率測量電容。
圖4A是說明以下電容器漏電流特性的圖，第一電容器(在下文中，稱為T-C)71，它的介電層29是由單Ta2O5層形成的；第二電容器(在下文中，稱為A-C)73，它的介電層29是由單Al2O3層形成的；第三電容器(在下文中，稱為TAT-C)75，它的介電層29是由TAT3層介電層形成的，圖4B是說明各電容器71、73、75的VCC特性的歸一化(normalized)C-V圖。
本文中，在表1中描述了在電容器中形成的介電層的厚度和當量氧化物厚度(EOT)。
表1
如表1所示，電容器71、73、75的EOT顯示了小的差異。而且，根據(jù)Ta2O5層的厚度大于Al2O3層的厚度而獲得相同EOT的數(shù)據(jù)，可以認為Ta2O5層的介電常數(shù)大于Al2O3層的介電常數(shù)。具體地說，Al2O3層的介電常數(shù)約為9，Ta2O5層的介電常數(shù)約為30。
參考圖4A，T-C71的漏電流密度顯著高于A-C73的漏電流密度。當模擬電容器的操作電壓為-5-5V時，T-C71的漏電流密度不在模擬電容器中容許的數(shù)量之內(nèi)。A-C73的漏電流密度非常低，TAT-C75的漏電流密度低于T-C71的漏電流密度，高于A-C73的漏電流密度。然而，當模擬電容器的操作電壓為-5-5V時，TAT-C75的漏電流密度是模擬電容器中容許的數(shù)量。
參考圖4B，T-C71的VCC的二次系數(shù)具有負值，并且與A-C73的值相比，其絕對值相對低。因為A-C73顯示了取決于外加電壓V的大的電容變化，所以其不適于獲得高比特的模擬電容器。
TAT-C75的VCC具有正的二次系數(shù)值，并且與T-C71的值相比，其具有相對高的絕對值。然而，因為與A-C73的值相比，TAT-C75的VCC的二次系數(shù)具有相對低的值，所以與A-C73的情況相比，可以從其中獲得相對多的比特。
因此，T-C71的VCC特性好，但其漏電流特性差，與此相反，A-C73具有好的漏電流特性但具有差的VCC特性。因此，在這些電容器中，能夠滿足漏電流特性和VCC特性的TAT-C75是最合適的模擬電容器。
圖5A是說明TAT-C75和具有3組分層Al2O3-Ta2O5-Al2O3(ATA)的電容器(在下文中，稱為ATA-C)77的各漏電流特性的圖，圖5B是說明電容器75、77各VCC特性的歸一化C-V圖。
本文中，在表2中描述了在電容器上形成的介電層的厚度和當量氧化物厚度。
表2
如表2所示，TAT-C75的EOT低于ATA-C77的EOT。這是因為ATA-C77的Ta2O5和Al2O3層的總厚度大于TAT-C75的Ta2O5和Al2O3層的總厚度。
參考圖5A，ATA-C77的漏電流密度低于TAT-C75的漏電流密度。這與電極和與其接觸的介電層之間的功函數(shù)差(work function difference)有關(guān)。也就是說，如果電極和與該電極接觸的介電層之間的功函數(shù)差高，則漏電流下降。然而，TAT-C75的漏電流密度是模擬電容器中容許的數(shù)量。因此，為了防止漏電流，不必形成Al2O3層來與電極直接接觸。
參考圖5B，TAT-C75的電容依外加電壓(V)的變化比ATA-C77的低。具體地說，ATA-C77的C-V曲線與圖4B中A-C73的C-V曲線相似。而且，如果已經(jīng)形成具有厚度低于上述厚度的Al2O3和Ta2O5層，則為了使ATA-C77的EOT與TAT-C75的EOT相同，VCC特性將更差。
根據(jù)上面的結(jié)果，要意識到，當使VCC特性好的介電層與電極接觸時，可以使電容器的VCC特性最佳，并且無需形成漏電流特性好的介電層來接觸電極。
圖6A是說明以下電容器各漏電流特性的圖含有單Ta2O5層作為圖2C中介電層的電容器T-C81，含有單HfO2層作為介電層29的電容器(在下文中，稱為H-C)83，含有3組分Ta2O5-HfO2-Ta2O5(THT)層作為介電層29的電容器(在下文中，稱為THT-C)85，圖6B是說明電容器81、83、85的各VCC特性的歸一化C-V圖。
本文中，在表3中描述了在電容器上形成的介電層厚度和當量氧化物厚度。
表3
如表3所示，電容器81、83、85的EOT顯示了小的差異。而且，根據(jù)Ta2O5層的厚度大于HfO2層的厚度而獲得相同EOT數(shù)據(jù)的事實，可以認為Ta2O5層的介電常數(shù)大于HfO2層的介電常數(shù)。具體地說，HfO2層的介電常數(shù)約為20，并低于Ta2O5層的介電常數(shù)。
參考圖6A，T-C81的漏電流密度顯著高于H-C83的漏電流密度。如上所述，根據(jù)圖4A，T-C81不適用于模擬電容器。H-C83的漏電流密度具有顯著低的值。然而，因為H-C83具有低的擊穿電壓(BV)，所以它也不適用于模擬電容器。
與此相反，與T-C81的漏電流密度相比，THT-C85的漏電流密度相對低，并且與H-C83的擊穿電壓相比，其擊穿電壓(BV)顯著高。
參考圖6B，如上述圖4B所示，與其它電容器的VCC的二次系數(shù)的絕對值相比，T-C81的值相對低。依外加電壓V的H-C83的電容變化顯著大。與H-C83的VCC的二次系數(shù)的絕對值相比，THT-C85的值相對低。
因此，THT-C85可以滿足漏電流特性、BV特性和VCC特性中的所有特性。
圖7A是說明以下電容器各漏電流特性的圖電容器THT-C85和具有3組分層HfO2-Ta2O5-HfO2(HTH)作為圖2C中其介電層29的電容器(在下文中，稱為HTH-C)87，圖7B是說明電容器85、87的各VCC特性的歸一化C-V圖。
本文中，在表4中描述了在電容器上形成的介電層的厚度和當量氧化物厚度。
表4
如表4所示，THT-C85和HTH-C87的EOT沒有顯示差異。
參考圖7A，HTH-C87的漏電流密度低于THT-C85的漏電流密度。這可以參考圖5A的說明得到理解。而且，因為THT-C85的漏電流密度在模擬電容器中也是容許的，所以不必形成HfO2層來接觸電極。
參考圖7B，對于電容依外加電壓V的變化，THT-C85的電容變化小于HTH-C87的電容變化。具體地說，可以認為，HTH-C87的C-V曲線與圖6B中H-C83的C-V曲線相似。這可以理解電極與接觸該電極的介電層之間的界面影響VCC特性。
因此，當形成VCC特性好的介電層來接觸電極時，可以使電容器的VCC特性最佳。而且，為了防止漏電流，必須使用漏電流特性好的介電層，但是即使漏電流特性好的介電層不直接接觸電極，也可以顯著降低漏電流。
根據(jù)本發(fā)明，在使用高-k介電層的模擬電容器中，可以提供最佳的VCC特性和漏電流特性。
雖然已經(jīng)參考其示范性的實施方案對本發(fā)明進行了具體的說明和描述，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，在形式和細節(jié)方面可以進行各種不背離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明精神和范圍的變化。
權(quán)利要求
1.一種模擬電容器，包含a)下電極；b)面對下電極的上電極；和c)置于下電極與上電極之間的至少3層高-k介電層，該至少3層高-k介電層包含i)接觸下電極的底介電層；ii)接觸上電極的頂介電層；和iii)置于底介電層與頂介電層之間的中介電層，其中各底介電層和頂介電層是，與中介電層相比，電容電壓系數(shù)(VCC)的二次系數(shù)的絕對值相對低的高-k介電層，并且中介電層是，與底介電層和頂介電層相比，漏電流相對低的高-k介電層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的模擬電容器，其中底介電層和頂介電層是不同材料的層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的模擬電容器，其中各底介電層和頂介電層是選自Ta2O5、摻Ti的Ta2O5、摻Nb的Ta2O5、BST、PZT和TiO2層中的材料層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的模擬電容器，其中漏電流相對低的中介電層可以是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的材料層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的模擬電容器，還包含置于底介電層與中介電層之間的緩沖介電層；和置于中介電層與頂介電層之間的另一緩沖介電層。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的模擬電容器，其中底介電層和頂介電層中的一層介電層是Ta2O5層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的模擬電容器，其中底介電層和頂介電層中的另一層介電層是選自BST、PZT和TiO2層中的高-k介電層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的模擬電容器，其中漏電流相對低的中介電層是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的高-k介電層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的模擬電容器，還包含置于底介電層與中介電層之間的緩沖介電層；和置于中介電層與頂介電層之間的另一緩沖介電層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的模擬電容器，其中底介電層和頂介電層是相同的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的模擬電容器，其中相同的材料層是Ta2O5層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的模擬電容器，其中漏電流相對低的中介電層是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的高-k介電層。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的模擬電容器，其中漏電流相對低的中介電層是Al2O3層或HfO2層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的模擬電容器，還包含置于底介電層與中介電層之間的緩沖介電層；和置于中介電層與頂介電層之間的另一緩沖介電層。
15.一種模擬電容器，包含下電極；面對下電極的上電極；置于下電極與上電極之間從而與下電極接觸、由Ta2O5層形成的底介電層；置于下電極與上電極之間從而與上電極接觸、由Ta2O5層形成的頂介電層；和置于底介電層與頂介電層之間、由Al2O3層形成的中介電層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的模擬電容器，還包含置于底介電層與中介電層之間的緩沖介電層；和置于中介電層與頂介電層之間的另一緩沖介電層。
17.一種模擬電容器，包含下電極；面對下電極的上電極；置于下電極與上電極之間從而與下電極接觸、由Ta2O5層形成的底介電層；置于下電極與上電極之間從而與上電極接觸、由Ta2O5層形成的頂介電層；和置于底介電層與頂介電層之間、由HfO2層形成的中介電層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的模擬電容器，還包含置于底介電層與中介電層之間的緩沖介電層；和置于中介電層與頂介電層之間的另一緩沖介電層。
19.一種制造模擬電容器的方法，包括a)在半導(dǎo)體基片上形成下絕緣層；b)在下絕緣層上形成下電極層；c)在具有下電極層的半導(dǎo)體基片上順序形成至少3層高-k介電層，該至少3層高-k介電層包含底介電層、中介電層和頂介電層，其中各底介電層和頂介電層是，與中介電層相比，VCC的二次系數(shù)的絕對值相對低的高-k介電層，并且中介電層是，與底介電層和頂介電層相比，漏電流相對低的高-k介電層；和d)在至少3層高-k介電層上形成上電極層從而與頂介電層接觸。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中頂介電層由與底介電層不同的材料層形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中各底介電層和頂介電層是選自Ta2O5、摻Ti的Ta2O5、摻Nb的Ta2O5、BST、PZT和TiO2層中的材料層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中漏電流相對低的中介電層可以是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的材料層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括在形成中介電層前形成緩沖介電層；和在形成頂介電層前形成另一緩沖介電層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中使用CVD法或ALD法形成各底介電層、中介電層和頂介電層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中在200-500℃的溫度下形成使用CVD法或ALD法形成的各介電層。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括在含氧的氣氛中退火用CVD法形成的介電層。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中含氧的氣氛是含選自O(shè)3、O2等離子體和N2O等離子體氣體中至少一種氣體的氣氛。
28.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中底介電層和頂介電層中的一層介電層是Ta2O5層。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中底介電層和頂介電層中的另一層介電層是選自BST、PZT和TiO2層中的高-k介電層。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中漏電流相對低的中介電層是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的高-k介電層。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，還包括在形成中介電層前形成緩沖介電層；和在形成頂介電層前形成另一緩沖介電層。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中使用CVD法或ALD法形成各底介電層、中介電層和頂介電層。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中在200-500℃的溫度下形成使用CVD法或ALD法形成的各介電層。
34.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中頂介電層由與底介電層相同的材料層形成。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中相同的材料層是Ta2O5層。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中漏電流相對低的中介電層是選自Al2O3、HfO2、ZrO2和La2O3層中的高-k介電層。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中漏電流相對低的中介電層是Al2O3層或HfO2層。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，還包括在形成中介電層前形成緩沖介電層；和在形成頂介電層前形成另一緩沖介電層。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中使用CVD法或ALD法形成各底介電層、中介電層和頂介電層。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，還包括在含氧的氣氛中退火通過CVD法形成的介電層。
全文摘要
提供一種具有至少3層高－k介電層的模擬電容器和制造它的方法。該模擬電容器包含下電極、上電極、置于下電極與上電極之間的至少3層高－k介電層。該至少3層高－k介電層包含接觸下電極的底介電層、接觸上電極的頂介電層和置于底介電層與頂介電層之間的中介電層。而且，各底介電層和頂介電層是，與中介電層相比，VCC的二次系數(shù)的絕對值相對低的高－k介電層，中介電層是，與底介電層和頂介電層相比，漏電流相對低的高－k介電層。因此，由于使用至少3層高－k介電層，可以使模擬電容器的VCC特性和漏電流特性最佳。
文檔編號H01G4/20GK1598981SQ200410082530
公開日2005年3月23日 申請日期2004年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者鄭鏞國, 元皙俊, 權(quán)大振, 金元洪 申請人:三星電子株式會社