專利名稱：制造電氣元件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制造電氣元件的方法，具體而言，涉及一種用于制造DRAM半導體存儲器或場效應晶體管的方法，其中制造具有電介質和至少一個連接電極的至少一個電容器。
背景技術：
在半導體工業(yè)中，這種類型的方法是已知的，用于制造例如數據存儲器或微處理器。在數據存儲器的情況下，要在數據存儲器的存儲單元中存儲的信息項，在每種情況下都以電荷的形式存儲在電容器中。舉例來說，在場效應晶體管的情況下，場效應晶體管的柵電介質和柵連接電極形成電容器結構。
本發(fā)明的目的是提供一種制造具有至少一個電容器的電氣元件的方法，其中所制造的電容器具有最佳存儲特性，尤其對于數據存儲或晶體管應用而言，即使在電容器結構很小的情況下也是如此。
根據本發(fā)明，通過具有如權利要求1中所述特征的方法實現該目的。在從屬權利要求中闡述了根據本發(fā)明的方法的有利配置。
因此，根據本發(fā)明，在電容器制造期間，提供的電介質或連接電極采用使電介質中的瞬態(tài)極化效應得到防止或至少減少的方式來形成。
根據本發(fā)明的方法的一個主要優(yōu)點是由于瞬態(tài)極化效應減少，即使利用很小的電容器結構，也能夠實現基本不依賴于電容器的在先歷史或在前操作的存儲特性。歸因于電介質的瞬態(tài)極化行為或由電介質內的質子引起的瞬態(tài)極化效應，尤其在電容器結構非常小的情況下起到非常重要的作用。這些瞬態(tài)極化效應導致電容器的存儲性能依賴于電容器的在先歷史或先前操作；這意味著邏輯“1”的存儲性能取決于例如先前存儲了邏輯“1”還是邏輯“0”。因此，根據本發(fā)明形成電介質和/或連接電極具有如下效果確保了所得到的電容器的存儲性能基本不依賴于其先前是怎樣操作的。此外，減少了由瞬態(tài)極化效應導致的電荷損失，因此可達到的保持時間顯著延長。

發(fā)明內容
為了實現在電介質內所希望的瞬態(tài)極化效應減小的目的，本發(fā)明的方法的特別優(yōu)選的有利配置使用一種材料作為電介質，使用該材料，電介質內的勢阱的平均分布，尤其是雙勢阱的平均分布被破壞，或者至少減少。這是因為發(fā)明人已經認識到電介質內的瞬態(tài)極化效應很大程度上取決于勢阱的平均分布；如果現在以目標方式影響和破壞勢阱的平均分布，就可以減少或者甚至完全避免電介質內的瞬態(tài)極化效應。
為了避免由于電介質中包含的質子引起的瞬態(tài)極化效應，認為有利的是選擇用作存在于電介質中的質子的吸氣劑的材料用于連接電極。這是因為發(fā)明人已經發(fā)現當借助于半導體技術中當前常規(guī)的方法制造電介質時，在電介質中經常引入氫并由此引入質子，它們對制造完成的電容器的存儲性能影響相當大，尤其是電容器結構很小的情況下。通過選擇充當質子的吸氣劑的材料用于連接電極，電介質內質子的負面影響顯著減少，由此所得到的電容器的存儲性能大大提高。尤其是，電容器的保持時間也顯著增加。
優(yōu)選的是三元、四元或更高元的材料系統(tǒng)用作電介質，其中至少包括以下成分周期系統(tǒng)的第四過渡族的金屬的至少一種氧化物或氮化物或至少一種導電氧化物；周期系統(tǒng)的第三或第四主族或第五過渡族的至少一種元素。
例如，混和了鋁或硅的Hf-Ti氧化物或Hf-Ti氮化物可用作電介質。例如，優(yōu)選HfxAlyTiz氧化物、HfxAlyTiz氮化物、HfxSiyTiz氧化物或HfxSiyTiz氮化物適合用作電介質。
所使用的電介質也可以是混和了鋁或硅的Zr-Ti氧化物或Zr-Ti氮化物。例如，優(yōu)選ZrxAlyTiz氧化物、ZrxAlyTiz氮化物、ZrxSiyTiz氧化物或ZrxSiyTiz氮化物適合用作電介質。
或者，該電介質也可以使用混和了鋁或硅的Hf-Ta氧化物或Hf-Ta氮化物。例如，可使用HfxAlyTaz氧化物、HfxAlyTaz氮化物、HfxSiyTaz氧化物或HfxSiyTaz氮化物。
此外，所使用的電介質也可以是混和了鋁或硅的Zr-Ta氧化物或Zr-Ta氮化物。例如，可以使用ZrxAlyTaz氧化物、ZrxAlyTaz化物、ZrxSiyTaz氧化物或ZrxSiyTaz氮化物。
此外，所使用的電介質也可以是混和了SiO2和/或TiO2的HfO2。舉例而言，可以以如下方式設置混合比，即，SiO2的比例至多等于90％，優(yōu)選至多40％，且TiO2的比例至少等于5％。
此外，所使用的電介質還可能是混和電介質，至少包括以下材料中的一種HfTaOx、HfAlOx、TaTiOx、AlTiOx、ZrTaOx、ZrTiOx、ZrAlOx、HfZrOx和/或ZrSiOx。
本發(fā)明方法的另一優(yōu)選配置使用混和了鑭系元素的金屬氧化物作為電介質。所使用的金屬氧化物可以是例如HfO2、Al2O3、TiO2、ZrO2或Ta2O5。
所選的電極材料優(yōu)選是包含周期系統(tǒng)的第八過渡族元素(例如釕或銥)的材料。也可以使用HfN、TiN、NbN或TaN作為電極材料。
例如可以由相同的材料制成這兩個連接電極。舉例而言，這兩個連接電極均由TaN或TiN制成，且電介質由HfTiOx制成。或者，也可以這兩個連接電極由釕制成，且電介質由HfTiOx制成。
這兩個連接電極也可以使用不同的材料。例如，一個連接電極由TiN或TaN制成，而另一個連接電極由釕制成；在這種情況下，電介質優(yōu)選包括HfTiOx、HfSiOx或HfO2。例如，電容器的內電極由TiN制成，上(外)電極由釕制成，HfTiO2用作電介質。
該電容器可以在硅襯底的凹槽中制造或制造在硅襯底上。例如，該電容器可以設計成溝道式電容器或層電容器。
優(yōu)選，使用所述方法制造具有特征尺寸小于60nm的至少一個電容器的DRAM存儲模塊。該方法也可以用于制造場效應晶體管的柵電介質；在這種情況下，該柵電介質、柵連接電極和相關襯底形成所述電容器。


下面基于示例性實施例解釋本發(fā)明，在附圖中圖1示出了使用Al2O3電介質的根據現有技術的DRAM存儲單元的存儲性能的圖示。
圖2的圖示示出了具有根據本發(fā)明得到改善的電介質的存儲單元的電荷損失與具有根據現有技術的電介質的存儲單元的比較。
圖3和圖4示出了制造根據本發(fā)明的DRAM存儲單元的根據本發(fā)明的方法的示例性實施例。
具體實施例方式
圖1示出了兩條曲線10和20，它們表示具有Al2O3電介質的DRAM存儲單元的存儲性能。這些曲線在各種情況下都表示在不同讀取時間的讀取誤差率點Δt＝0ns表示預定標準讀取時間時的讀取誤差率，而Δt≠0給出更短(t＜0ns)或更長(t＞0ns)讀取時間的讀取誤差率?？梢钥闯鲎x取操作可利用的時間越多，讀取誤差率fc越低。
曲線10描述如下情況下的讀取誤差率其中在存儲單元中存儲了邏輯“1”，并讀取該邏輯“1”，在待讀取的“1”之前已經存儲了邏輯“0”。因此在“存儲歷史”期間發(fā)生了從“0”到“1”的位變化—在圖1中由數字序列“0＝＞1”表示。
曲線20描述如下情況下的讀取誤差率其中在存儲單元中存儲了邏輯“1”，并讀取該邏輯“1”，在現在要讀取的“1”之前已經同樣地存儲了邏輯“1”。因此在“存儲歷史”中沒有發(fā)生位變化—在圖1中由數字序列“1＝＞1”表示。
從這兩條曲線10和20可以看出存儲單元的存儲性能取決于其在先歷史。具體地，與相反情況相比，如果在邏輯“1”之前已經存儲了邏輯“0”，則存儲性能降低約5％，或者所得到的讀取誤差率增加約5％。
應當注意，圖1示出了歸一化形式的讀取誤差率；該歸一化是基于在所存儲的邏輯“1”之前已經存儲了邏輯“0”時讀取邏輯“1”的情況下在標準讀取時間(Δt＝0)的讀取誤差率。因此歸一化標準值與情況“0＝＞1”相關。
圖2示出了隨著時間的推移存儲電荷的損失。可以看出，在存儲電荷之后0.1秒的時段內，對于氧化鋁(Al2O3)和氧氮化物(oxinitride，NO)的情況，電荷損失不到5％。為了清楚起見，在圖2中將該值清楚標出。
與此對照，純HfO2材料具有差得多的存儲性能，即，比氧化鋁和氧氮化物大得多的存儲損失。從圖2可以看出，僅在正好10-4秒之后就超過了5％的限度。然而，通過以30∶70(70％HfO2/SiO2)的比例混和SiO2材料，可以實現HfO2電介質的存儲容量的顯著改善到10-1s的存儲時間為止，由于混和的SiO2，已經通過這種方式改善的HfO2電介質的存儲性能與氧化鋁或氧氮化物的存儲性能相似乃至更好。
因此，可以證實通過添加破壞HfO2材料內的勢阱分布的另外的材料-在這種情況下是SiO2，可顯著改善所得到的電介質的存儲性能。
圖3和圖4示出了根據本發(fā)明制造電容器的方法的示例性實施例。這些圖示出了硅襯底100，例如通過蝕刻在其中引入凹槽110。內連接電極120首先沿著凹槽110排列，該電極120優(yōu)選由TiN構成(圖3)。
在內連接電極120上沉積HfTiO2電介質130。然后，向該電介質130涂敷由釕構成的上連接電極140。
電介質130的沉積例如通過ALD工藝、CVD工藝或PVD工藝或者作為替代使用組合上述工藝的混和工藝實現。如果使用ALD工藝，壓強范圍優(yōu)選在100mTorr至10Torr(托)之間，溫度優(yōu)選在100℃至700℃之間。
此外，可以在沉積期間或沉積之后利用等離子體步驟和/或加熱步驟改善電介質130的質量。通過這種類型的后處理，可以消除對電介質的任何污染，以便提高電介質130的結構特性。
在400℃至1100℃之間的溫度范圍，用于沉積電介質130的沉積工藝的典型的工藝氣體的例子包括氮和/或氧和/或NH3，和/或NO和/或N2O和/或氬和/或氫。電介質130的沉積中使用的等離子體可以是“遠程的”(間接的，不向晶片施加電壓)或“直接的”(向晶片施加電壓)。
在圖3和4所示的示例性實施例中，外部Ru連接電極140的功能是用作在沉積電介質130期間聚集在電介質130中的質子的吸氣劑，以便最小化由于質子引起的瞬態(tài)極化，增加所得到的電容器150的保持時間。
HfTiO2電介質130內的TiO2的功能是破壞電介質130內的勢阱分布，并減小由該電介質引起的瞬態(tài)極化效應。
權利要求
1.一種制造電氣元件的方法，該電氣元件尤其是DRAM半導體存儲器或場效應晶體管，其中制造具有電介質(130)和至少一個連接電極(120，140)的至少一個電容器(150)，其中該電介質(130)或連接電極(120，140)采用使瞬態(tài)極化效應得到防止或至少減少的方式來形成。
2.如權利要求1所述的方法，其中向該電介質加入破壞或者至少減少勢阱的平均分布，尤其是雙勢阱的平均分布的材料。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中選擇用作該電介質(130)的質子的吸氣劑的材料用于連接電極中的至少一個(140)。
4.如前述權利要求之一所述的方法，其中將至少包括以下成分的三元、四元或更高元材料用作電介質-周期系統(tǒng)的第四過渡族的金屬的至少一種氧化物或氮化物，或至少一種導電性氧化物，以及-周期系統(tǒng)的第三或第四主族或第五過渡族的至少一種元素。
5.如權利要求4所述的方法，其中將混和了鋁或硅的Hf-Ti氧化物、Hf-Ti氮化物、Zr-Ti氧化物或Zr-Ti氮化物用作電介質。
6.如權利要求5所述的方法，其中將HfxAlyTiz氧化物、HfxAlyTiz氮化物、HfxSiyTiz氧化物、HfxSiyTiz氮化物、ZrxAlyTiz氧化物、ZrxAlyTiz氮化物、ZrxSiyTiz氧化物或ZrxSiyTiz氮化物用作電介質。
7.如權利要求4所述的方法，其中將混和了鋁或硅的Hf-Ta氧化物、Hf-Ta氮化物、Zr-Ta氧化物或Zr-Ta氮化物用作電介質。
8.如權利要求7所述的方法，其中將HfxAlyTaz氧化物、HfxAlyTaz氮化物、HfxSiyTaz氧化物、HfxSiyTaz氮化物、ZrxAlyTaz氧化物、ZrxAlyTaz氮化物、ZrxSiyTaz氧化物或ZrxSiyTaz氮化物。
9.如權利要求4所述的方法，其中HfO2用作電介質，其中混和的SiO2或TiO2作為破壞勢阱的平均分布的材料。
10.如權利要求9所述的方法，其中HfO2用作電介質，其中混和有SiO2和TiO2。
11.如權利要求10所述的方法，其中以如下方式設置混合比SiO2的比例至多等于90％，優(yōu)選至多40％，且TiO2的比例至少等于5％。
12.如權利要求4所述的方法，其中至少包括下述材料中的一種的混和電介質用作電介質HfTaOx、HfAlOx、TaTiOx、AlTiOx、ZrTaOx、ZrAlOx、HfZrOx、ZrSiOx、ZrTiAl。
13.如前述權利要求1-3之一所述的方法，其中使用包含ZrTiOx或由其構成的電介質。
14.如前述權利要求1-3之一所述的方法，其中將金屬氧化物用作電介質，且其中將鑭系元素與該金屬氧化物混合。
15.如權利要求14所述的方法，其中使用HfO2、Al2O3、TiO2、ZrO2或Ta2O5作為金屬氧化物。
16.如前述權利要求之一所述的方法，其中至少一個連接電極用包含周期系統(tǒng)的第八過渡族的元素的材料制造。
17.如前述權利要求之一所述的方法，其中至少一個連接電極用包含HfN、TiN、釕、銥、NbN或TaN的材料制造。
18.如前述權利要求之一所述的方法，其中兩個連接電極用相同材料制造。
19.如權利要求18所述的方法，其中兩個連接電極用TaN制造，且電介質用HfTiOx制造。
20.如權利要求18所述的方法，其中兩個連接電極用TiN制造，且電介質用HfTiOx制造。
21.如權利要求18所述的方法，其中兩個連接電極用釕或銥制造，且電介質用HfTiOx制造。
22.如前述權利要求1-17之一所述的方法，其中兩個連接電極(120、140)用不同的材料制成。
23.如權利要求22所述的方法，其中一個連接電極(120)由TiN形成，另一個連接電極(140)由釕或銥形成，且電介質由HfTiOx、HfSiOx或HfO2形成。
24.如權利要求22所述的方法，其中一個連接電極由TaN形成，另一個連接電極由釕或銥形成，且電介質由HfTiOx形成。
25.如前述權利要求之一的方法，其中電容器(150)的內連接電極(120)由TiN制造，上電極(140)由釕或銥制造，且HfTiO2用作電介質。
26.如前述權利要求之一的方法，其中電容器(150)形成于在硅襯底(100)中引入的凹槽(110)中，或形成在硅襯底上。
27.如權利要求26所述的方法，其中電容器形成為溝道式電容器或層電容器。
28.如前述權利要求之一所述的方法，其中制造具有特征尺寸小于60nm的至少一個電容器的DRAM存儲單元。
29.如前述權利要求之一所述的方法，其中制造場效應晶體管，在該場效應晶體管中，電介質形成柵電介質且連接電極形成柵連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造電氣元件的方法，該電氣元件尤其是DRAM半導體存儲器或場效應晶體管，其中制造至少一個電容器(150)，具有電介質(130)和至少一個連接電極(120，140)。為了使所制造的電容器即使在電容器結構非常小的情況下也具有最佳存儲性能，根據本發(fā)明，提供的電介質(130)或連接電極(120，140)采用使瞬態(tài)極化效應得到防止或至少減少的方式來形成。
文檔編號H01L21/336GK1848411SQ200610075219
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月14日 優(yōu)先權日2005年4月14日
發(fā)明者A·阿維蘭, T·赫希特, S·亞克施克, U·施勒德爾 申請人:英飛凌科技股份公司