專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體設(shè)備的電容器和使用同樣電容器的存儲(chǔ)器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體設(shè)備，具體而言涉及半導(dǎo)體設(shè)備的電容器以及使用同樣電容器的存儲(chǔ)器設(shè)備。
背景技術(shù)：
一種例如存儲(chǔ)器設(shè)備的半導(dǎo)體設(shè)備包括晶體管和電容器。電容器應(yīng)當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間將數(shù)據(jù)保持在正常狀態(tài)。為此，電容器具有大于某個(gè)值的電容。
由于增加了存儲(chǔ)器設(shè)備的集成化程度，所以減少了形成電容器的區(qū)域。然而，電容器的電容應(yīng)當(dāng)增加或者至少不減少。
根據(jù)這一情況，對(duì)于能夠被應(yīng)用到高集成化的存儲(chǔ)器設(shè)備上的電容器的研究已經(jīng)取得了進(jìn)步。在該研究中，使用了使介電層變薄的方法、利用鐵電物質(zhì)的方法，以及組合使用這兩種方法的方法。
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體設(shè)備所包含的電容器的橫截面圖。
參見(jiàn)圖1，傳統(tǒng)的電容器包括下部電極10、氧化鉿層12以及上部電極14。
由于增加了存儲(chǔ)器設(shè)備的集成化程度，所以增加了傳統(tǒng)的電容器的漏電流。
也就是說(shuō)，用作介電層的氧化鉿層12最好盡可能薄。然而，隨著氧化鉿層12變薄，例如大約4.5nm厚，電容器的漏電流顯著地增加。因此，包括傳統(tǒng)電容器的存儲(chǔ)器設(shè)備不能正常工作。
圖2是根據(jù)氧化鉿層12的厚度表示圖1中電容器的漏電流密度的曲線(xiàn)圖。
參見(jiàn)圖2，第一和第二曲線(xiàn)G1和G2表示當(dāng)氧化鉿層12遠(yuǎn)遠(yuǎn)厚于4.5nm時(shí)的漏電流的特性，同時(shí)第三和第四曲線(xiàn)G3和G4表示當(dāng)氧化鉿層12的厚度大約是4.5nm時(shí)的漏電流的特性。而且，第一和第三曲線(xiàn)G1和G3給出當(dāng)將氧化鉿層12沉積為比目標(biāo)厚度薄的厚度時(shí)的漏電流密度。此外，第二和第四曲線(xiàn)G2和G4給出當(dāng)將氧化鉿層12沉積為目標(biāo)厚度時(shí)的漏電流密度。將第一和第二曲線(xiàn)G1和G2與第三和第四曲線(xiàn)G3和G4相比，當(dāng)氧化鉿層12的厚度大約為4.5nm時(shí)，電容器的漏電流顯著地增加了。
可以使用具有多種組成的鐵電層，例如STO(SrTio3)層代替氧化鉿層12。當(dāng)電容器具有類(lèi)似圖3中的電容器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，鐵電層M3中陽(yáng)離子的比率發(fā)生變化，并且降低了電容器的電特性。參見(jiàn)圖4，第五曲線(xiàn)G5表示鐵電層M3例如STO層中Sr比Ti的比率，其中以在圖3中電容器中的多個(gè)點(diǎn)1…9測(cè)量該STO層。
根據(jù)第五曲線(xiàn)G5，雖然，在鐵電層M3的頂面Sr的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于Ti的含量。然而，在鐵電層M3的下面，Ti的含量少于Sr的含量。
在圖3的電容器中沒(méi)有示出上部電極。在圖3中，參考標(biāo)記M1指示二氧化硅(SiO2)層，并且參考標(biāo)記M2指示下部電極。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上和其它問(wèn)題，本發(fā)明提供了半導(dǎo)體設(shè)備的電容器，其包括納米級(jí)的厚度的介電層，并具有大電容以及極好的漏電流特性，還提供了使用該電容器的存儲(chǔ)器設(shè)備。
本發(fā)明還提供具有該電容器的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種半導(dǎo)體設(shè)備的電容器，其包括下部電極；介電層，它具有多個(gè)帶隙；以及上部電極。
具體地，介電層包括第一介電層，具有第一帶隙，并且被形成于下部電極上；第二介電層，具有第二帶隙，并且被形成于第一介電層上；以及第三介電層，具有第三帶隙，并且被形成于第二介電層上。
第一至第三介電層可滿(mǎn)足以下條件中的至少一個(gè)i)第二帶隙＜第一帶隙＝第三帶隙ii)第二帶隙＜第一帶隙＜第三帶隙iii)第二帶隙＜第三帶隙＜第一帶隙此外，在第一和第二介電層之間還包括介電層，該介電層具有位于第一和第二帶隙之間的帶隙。同樣，在第二和第三介電層之間還包括介電層，該介電層具有位于第二和第三帶隙之間的帶隙。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了存儲(chǔ)器設(shè)備，包括晶體管；以及被連接到晶體管的電容器，其中電容器包括被連接到晶體管的下部電極；介電層，具有多個(gè)帶隙，被形成于下部電極上；以及上部電極，被形成于介電層上。
因此，利用以上的本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)包括納米厚的介電層以及具有大電容和低于傳統(tǒng)電容器的漏電流的電容器。也能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性的存儲(chǔ)器設(shè)備。


通過(guò)參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的以上和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，其中圖1是半導(dǎo)體設(shè)備中所包含的傳統(tǒng)電容器的橫截面圖；圖2是表示根據(jù)圖1中電容器所包含的氧化鉿層的厚度與圖1中電容器的漏電流密度關(guān)系的曲線(xiàn)圖；圖3是具有鐵電層但結(jié)構(gòu)復(fù)雜的傳統(tǒng)電容器的橫截面圖；圖4是在圖3電容器中的多個(gè)點(diǎn)處所測(cè)量的圖3鐵電層中所包含的原子的比的曲線(xiàn)圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體設(shè)備的電容器的橫截面；圖6是表示圖5中電容器的漏電流密度的曲線(xiàn)圖，其中在層積介電層之前測(cè)量該電容器漏電流密度；圖7是表示在層積介電層之后，圖5中電容器的漏電流密度的曲線(xiàn)圖；以及圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，包括圖5中半導(dǎo)體設(shè)備的電容器的存儲(chǔ)器設(shè)備的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更全面地描述本發(fā)明，其中給出了其示例性實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式實(shí)施，并且不應(yīng)當(dāng)被解釋為是限定在此所述的實(shí)施例；相反，提供這些實(shí)施例，以便此處的公開(kāi)將是完全且徹底的，并且將本發(fā)明的原理充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在圖中，為了清楚起見(jiàn)，放大了元件的形狀。為便于理解，在全部附圖中，對(duì)于同樣的元件使用同一參考標(biāo)號(hào)。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體設(shè)備的電容器的橫截面圖。
參見(jiàn)圖5，根據(jù)本發(fā)明的電容器包括下部電極40和上部電極50，上部電極50面對(duì)著下部電極40。
下部電極40最好是其中摻雜了導(dǎo)電雜質(zhì)的Si層。但是，也可以使用其它導(dǎo)電層例如TiN層。上部電極50最好是TiN層。但是，也可以使用其它導(dǎo)電層例如其中摻雜了導(dǎo)電雜質(zhì)的Si層。介電層DL位于下部電極40和上部電極50之間。
通過(guò)順序地沉積具有不同帶隙，由此具有不同的介電常量的介電層形成介電層DL，。
具體地，通過(guò)順序地形成三層不同的介電層而形成介電層DL。即，在下部電極40上形成第一介電層42，在第一介電層42上形成第二介電層44，以及在第二介電層44上形成第三介電層46。第一介電層42具有第一帶隙，第二介電層44具有第二帶隙，以及第三介電層46具有第三帶隙。第二帶隙最好小于第一帶隙和第三帶隙。第一和第三帶隙相等就更好。
如果第一至第三介電層42、44和46具有以上的帶隙分布，則電子穿過(guò)具有大帶隙的介電層例如第三介電層46就遇到具有小帶隙的介電層、即第二介電層44，并且使得聲子散射。因此，電子不能穿過(guò)與第二介電層44相鄰的帶隙，也就是第一介電層42。
結(jié)果，減少了介電層DL的漏電流。不是由于第一至第三介電層42、44和46的厚度的關(guān)系，而是由于形成介電層DL的第一至第三介電層42、44和46之間的帶隙關(guān)系導(dǎo)致漏電流的減少。因此，即使第一至第三介電層42、44和46的厚度變薄，也能夠極好地保持介電層DL的漏電流特性。因此，形成了厚度薄的介電層DL。例如，可以使第一至第三介電層42、44和46的厚度形成為2nm～10nm。
最好是，第一至第三介電層42、44和46具有在2nm～10nm范圍內(nèi)的相同的厚度。
最好是，第一和第三介電層42和46中每一個(gè)都是從一個(gè)組中選出的，該組是由氧化鉿層(HfO2)、氧化鋁層(Al2O3)以及氧化鐠層(Pr2O3)組成的。最好是，第二介電層44是氧化鈦層(TiO2)，但也可以是從以下組中選出的，該組是由氧化鉭(Ta2O5)層、STO(SrTiO3)層、BTO(BaTiO3)層、PTO(PbTiO3)層、TNO((Ta，Nb)2O5)層、以及TWO((Ta，W)2O5)組成的。
現(xiàn)在將描述測(cè)試根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電容器的漏電流特性的優(yōu)越性的實(shí)驗(yàn)。
在第一實(shí)驗(yàn)中，分別用LaO層、TiO2層和LaO層形成第一至第三介電層42、44和46。在第二實(shí)驗(yàn)中，分別用HfO層、TiO2層和HfO層形成第一至第三介電層42、44和46。所形成的第一至第三介電層42、44和46的整個(gè)厚度大約是納米厚。
圖6和7是表示以上實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的曲線(xiàn)圖。
圖6表示在將第一至第三介電層42、44和46層積到目標(biāo)厚度之前測(cè)量的，例如在只層積了第一介電層42之后測(cè)量的第一漏電流密度。圖7表示在將第一至第三介電層42、44和46完全形成目標(biāo)厚度之后圖5中的電容器的第二漏電流密度。
參見(jiàn)圖6和7，第六和第八曲線(xiàn)G6和G8表示在水平放置的襯底的一個(gè)位置上所測(cè)量的漏電流密度，并且，第七和第九曲線(xiàn)G7和G9表示在襯底的另一個(gè)位置上所測(cè)量的漏電流密度。
該一個(gè)位置可以是接近襯底的平坦區(qū)域的一個(gè)地點(diǎn)，而另一個(gè)位置可以是在與平坦區(qū)域相對(duì)一側(cè)的另一個(gè)地點(diǎn)。
從圖6的曲線(xiàn)圖與圖7的曲線(xiàn)圖的比較中可以看出，第二漏電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第一漏電流密度。
還有，當(dāng)圖2中的第三和第四曲線(xiàn)G3和G4與圖7中的第八和第九曲線(xiàn)G8和G9相比較時(shí)，當(dāng)提供了預(yù)定電壓例如±1V時(shí)，傳統(tǒng)電容器的漏電流密度大約為0.01A/cm2，但根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電容器的漏電流密度的范圍是在1E-7A/cm2和1E-6A/cm2之間。
因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電容器的漏電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電容器的漏電流密度，并且因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電容器的電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)電容器的電容。
同時(shí)，通過(guò)將第一至第三介電層42、44和46順序地層積在下部電極40上，然后在第三介電層46上層積上部電極50，可以形成圖5的電容器。可以在2nm至10nm的厚度范圍內(nèi)形成第一至第三介電層42、44和46。
此外，還可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法形成第一至第三介電層42、44和46?？紤]到形成的第一至第三介電層42、44和46的厚度是納米級(jí)，最好通過(guò)原子層沉積(ALD)形成第一至第三介電層42、44和46。
下面將描述包括圖5中的電容器的存儲(chǔ)器設(shè)備。
圖8是一存儲(chǔ)器設(shè)備的剖面圖，該存儲(chǔ)器設(shè)備包括本發(fā)明實(shí)施例圖5中的半導(dǎo)體設(shè)備的電容器。
參見(jiàn)圖8，存儲(chǔ)器設(shè)備包括襯底70。襯底70包括第一和第二區(qū)域74和76，在這些區(qū)域中摻入了雜質(zhì)，并且上述兩個(gè)區(qū)域以預(yù)定的距離被分開(kāi)。第一區(qū)域74是源極區(qū)，而第二區(qū)域76是漏極區(qū)。溝道區(qū)位于襯底70中第一和第二區(qū)域74和76之間，并且在溝道區(qū)上形成柵層積材料72。柵層積材料72根據(jù)所施加的電壓使溝道區(qū)導(dǎo)通或截止。柵層積材料72包括柵絕緣層(未示出)和柵導(dǎo)電層(未示出)。襯底70、第一和第二區(qū)域74和76以及柵層積材料72構(gòu)成金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。在襯底70上形成覆蓋柵層積材料72的第一夾層絕緣層78，并且在第一夾層絕緣層78中形成使第二區(qū)域露出的第一接觸孔80。第一接觸孔80用第一導(dǎo)電塞82，例如摻雜了雜質(zhì)的多晶硅進(jìn)行填塞。在第一夾層絕緣層78上形成覆蓋第一導(dǎo)電塞82的電容器C。電容器C最好是圖5中所示的電容器C。還有，最好是，電容器C的下部電極40和第一導(dǎo)電塞82最好用相同的導(dǎo)電材料形成，然而，也可以使用不同的導(dǎo)電材料。在第一夾層絕緣層78上形成覆蓋電容器C的第二夾層絕緣層84。在第一和第二夾層絕緣層78和84中形成使第一區(qū)域74的一部分露出的第二接觸孔86。第二接觸孔86用第二導(dǎo)電塞88填塞。最好是，第二導(dǎo)電塞86是摻雜了導(dǎo)電雜質(zhì)的多晶硅，但也可以是其它導(dǎo)電材料。在第二夾層絕緣層84上形成覆蓋第二導(dǎo)電塞88的導(dǎo)電層90。導(dǎo)電層90是位線(xiàn)，并且垂直于柵層積材料72。最好是，導(dǎo)電層90和第二導(dǎo)電塞88用相同的導(dǎo)電材料形成，但也可以使用不同的導(dǎo)電材料。
在根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)器設(shè)備中，被存儲(chǔ)在電容器中的數(shù)據(jù)能夠長(zhǎng)時(shí)間保持正常狀態(tài)。即，這就意味著，即使當(dāng)存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)并且過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間之后讀取數(shù)據(jù)時(shí)，被存儲(chǔ)在電容器中的數(shù)據(jù)也能正常地被讀出，并且因此增強(qiáng)了存儲(chǔ)器設(shè)備的可靠性。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電容器的介電層包括具有不同帶隙的多個(gè)介電層。與其它介電層相比，當(dāng)穿過(guò)具有大帶隙的介電層的電子到達(dá)具有較小帶隙的介電層時(shí)，這些電子能夠聲子散射。因此，電子不能穿過(guò)緊鄰具有小帶隙的介電層放置的具有大帶隙的介電層。因此，即使電容器的介電層具有納米級(jí)的厚度，也不會(huì)增加電容器的漏電流。此外，介電層的厚度是具有納米級(jí)的厚度。因此，極大地增強(qiáng)了電容器的電容。
雖然此處給出了詳細(xì)的說(shuō)明，但是本發(fā)明可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)施，并且不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為其被限定為此處所闡述的實(shí)施例范圍；相反，提供前述優(yōu)選實(shí)施例，以便此處的公開(kāi)將是完全且徹底的，并且將本發(fā)明的原理充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。例如，第一和第三介電層42和46可以用具有不同帶隙但大于第二介電層44的帶隙的介電層代替。還有，在第一和第三介電層42和46之間可以包括多個(gè)第二介電層44。同樣，在該多個(gè)第二介電層44中還可以包括具有與第一或第三介電層的帶隙相同的帶隙的另一個(gè)介電層。此外，在該多個(gè)第二介電層44之間還可以包括具有比第二介電層44的帶隙小的另一個(gè)介電層。這種電容器也可以被用在除了圖8中的存儲(chǔ)器設(shè)備之外的其它存儲(chǔ)器設(shè)備中。
盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例具體示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離如后附的權(quán)利要求書(shū)所規(guī)定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在不同形式和細(xì)節(jié)方面進(jìn)行許多改變。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體設(shè)備的電容器，該電容器包括下部電極；在下電極上形成的介電層，具有多個(gè)帶隙；以及形成于介電層上的上部電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中介電層包括第一介電層，具有第一帶隙并且形成于下部電極上；第二介電層，具有第二帶隙并且形成于第一介電層上；以及第三介電層，具有第三帶隙并成形成于第二介電層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電容器，其中第一至第三帶隙滿(mǎn)足第二帶隙＜第一帶隙＝第三帶隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的電容器，其中第一至第三帶隙滿(mǎn)足第二帶隙＜第一帶隙＜第三帶隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的電容器，其中第一至第三帶隙滿(mǎn)足第二帶隙＜第三帶隙＜第一帶隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的電容器，其中還在第一和第二介電層之間提供具有帶隙在第一和第二帶隙之間的介電層。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的電容器，其中還在第二和第三介電層之間提供具有帶隙在第二和第三帶隙之間的介電層。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的電容器，其中第一介電層是從由HfO2層、Al2O3層、La2O3層和Pr2O3層組成的組中選出的一層。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的電容器，其中該第二介電層是從由TiO2層、Ta2O5層、SrTiO3層、BaTiO3層、PbTiO3層、(Ta，Nb)2O5層、以及(Ta，W)2O5層組成的組中選出的一層。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的電容器，其中第三介電層是從由HfO2層、Al2O3層、La2O3層和Pr2O3層組成的組中選出的一層。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的電容器，其中在第二和第三介電層之間還提供具有帶隙在第二和第三帶隙之間的介電層。
12.一種半導(dǎo)體設(shè)備的存儲(chǔ)器設(shè)備，包括晶體管；以及被連接到晶體管的電容器，其中電容器包括連接到晶體管的下部電極，介電層，具有多個(gè)帶隙并且形成于下部電極上，以及形成于介電層上的上部電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中介電層包括第一介電層，具有第一帶隙并且形成于下部電極上；第二介電層，具有第二帶隙并且形成于第一介電層上；以及第三介電層，具有第三帶隙并成形成于第二介電層上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中第一至第三帶隙滿(mǎn)足第二帶隙＜第一帶隙＝第三帶隙。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中第一至第三帶隙滿(mǎn)足第二帶隙＜第一帶隙＜第三帶隙。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中第一至第三帶隙滿(mǎn)足第二帶隙＜第三帶隙＜第一帶隙。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中還在第一和第二介電層之間提供具有帶隙在第一和第二帶隙之間的介電層。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中還在第二和第三介電層之間提供具有帶隙在第二和第三帶隙之間的介電層。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中第一介電層是從由HfO2層、Al2O3層、La2O3層和Pr2O3層組成的組中選出的一層。
20.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該第二介電層是從由TiO2層、Ta2O5層、SrTiO3層、BaTiO3層、PbTiO3層、(Ta，Nb)2O5層、以及(Ta，W)2O5層組成的組中選出的一層。
21.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中第三介電層是從由HfO2層、Al2O3層、La2O3層和Pr2O3層組成的組中選出的一層。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中在第二和第三介電層之間還提供具有帶隙在第二和第三帶隙之間的介電層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體設(shè)備的電容器以及包括同樣電容器的存儲(chǔ)器設(shè)備。電容器包括下部電極、具有多個(gè)帶隙并且形成于下部電極上的介電層、以及上部電極。介電層包括具有第一帶隙并且形成于下部電極上的第一介電層、具有第二帶隙并且形成于第一介電層上的第二介電層、以及具有第三帶隙并且形成于第二介電層上的第三介電層。
文檔編號(hào)H01L29/76GK1617337SQ20041009030
公開(kāi)日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月13日
發(fā)明者李正賢, 徐范錫 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社