一種製作半導體電容元件的方法

2023-05-20 09:50:56

專利名稱：一種製作半導體電容元件的方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體電容元件的製作方法，特別涉及一種在半導體電
容元件的碳電極表面形成一高介電常數(high-k)電容介電層的方法。
背景技術：
目前，已有人為了更先進半導體存儲器工藝上的需要，持續研究並嘗試 利用具導電性及熱穩定性的碳元素作為電容的上或下電極，例如，金屬-絕 緣體-碳(metal-insulator-carbon ,簡稱MIC)電容、碳-絕緣體-碳 (carbon-insulator-carbon ， 簡稱 CIC)電容或多晶矽-絕緣體-碳 (polysilicon-insulator-carbon，簡稱SIC)電容等結構，同時結合高介電常數 (high-k)電容介電層，例如，氧化鉿(Hf02)等金屬氧化物，由此提高電容值以 及元件的可靠度。
然而，要將碳元素及高介電常數金屬氧化物這類先進電容材料與半導體 前段工藝集成仍有些許困難，需要進一步的克服與改善。舉例來說，為了獲 得高品質的高介電常數金屬氧化物，在沉積時需要使用臭氧(ozone)作為氧化 劑，但是另一方面臭氧卻會侵蝕已形成在半導體基材表面上的碳電極。因此， 如何在碳電極上形成高品質、高介電常數金屬氧化物，同時不影響到碳電極 本身，便成為目前半導體存儲器工藝技術上有待突破的一項挑戰。

發明內容
本發明的主要目的在提供一種在電容的碳電極表面形成高品質、高介電 常數電容介電層的方法，可以解決已知技藝的不足與缺點。
為達前述目的，本發明提供一種製作半導體電容元件的方法，包含有提 供一基底；在該基底上形成一碳電極層；進行一第一原子層沉積工藝，在該 碳電極層的表面沉積一中間過渡阻障層；進行一第二原子層沉積工藝，在該 中間過渡阻障層上沉積一金屬氧化層，其中該金屬氧化層與該中間過渡阻障 層反應形成一電容介電層；以及於該電容介電層上形成一電容上電極。根據本發明的 一優選實施例，本發明提供一種製作半導體電容元件的方
法，包含有提供一基底；在該基底上形成一碳電極層；在該碳電極層的表面 沉積一介電層；進行一原子層沉積工藝，在該介電層上沉積一金屬氧化層， 其中該金屬氧化層與該介電層構成一電容介電層；以及在該金屬氧化層上形 成一電容上電才及。
為讓本發明的上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉優選實 施方式，並配合所附圖示，作詳細說明如下。然而如下的優選實施方式與圖 示僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。


圖1至圖5為依據本發明第一優選實施例一種製作半導體電容元件方法 所繪示的剖面示意圖。
圖6至圖9為依據本發明第二優選實施例一種製作半導體電容元件方法 所繪示的剖面示意圖。
附圖標記說明
1 半導體電容元件 10 基底
14 中間過渡阻障層 18 金屬氮氧層 24 介電層
具體實施例方式
請參閱圖1至圖5,其為依據本發明第一優選實施例一種製作半導體電 容元件方法所繪示的剖面示意圖。如圖1所示，首先提供一基底IO,例如， 矽基底，其上形成有 一碳電極層12,其主要是作為本發明實施例的下電極層。 另外，在基底IO上可以形成有其它介電層或元件(圖未示)。其中，碳電極層 12可以利用已知的方法來形成，例如，以乙烯(C2H4)為前驅體，通入高溫爐 管以形成碳電極12。碳電極層12主要由可導電的碳元素型態所構成，例如， SP2鍵結的碳元素，其厚度約介於l腿 1000nm。
如圖2所示，在基底IO上形成碳電極層12之後，接著進行一沉積工藝，
la 半導體電容元件
12 碳電極層
16 金屬氧化層
20 上電極層例如是一原子層沉積(atomic layer exposition,簡稱ALD),在碳電極層12表 面沉積一 中間過渡阻障層(transitional barrier layer) 14，並且中間過渡阻障層 14需將碳電極層12表面完全覆蓋住。根據本發明第一優選實施例，中間過 渡阻障層14為利用ALD工藝所形成的金屬氮化物，例如，氮化鋁(aluminum nitride)、氮4b4旦(tantalum nitride) 、 fU匕4太(titanium nitride)、氮4匕4告(zirconium nitride)、 氮化鉿(hafnium nitride)、 氮化鑭(lanthanum nitride)、 氮化鈰(cerium nitride)等。
以氮化鉿為例，為了能夠將碳電極層12表面完全覆蓋住，通常需進行3 至5次的ALD循環，在碳電極層12表面沉積1.8埃(angstrom)至3.0埃的氮 化鉿(每次的ALD循環約能在碳電極層12表面沉積0.6埃左右的氮化鉿)。 但需注意中間過渡阻障層14另一方面不能過厚，以免無法與後續沉積的金 屬氧化層完全反應，因此，建議優選為少於10次的ALD循環(<10 ALD cycles)。
前述用來沉積中間過渡阻障層14的ALD循環包括以下四個基本步驟 (1)在反應器中通入有機金屬前驅體(organic metal precursor)氣體一段時間， 先使有機金屬前驅體吸附在基材表面；(2)然後以惰性氣體，例如氬氣，吹 除反應器內多餘的有機金屬前驅體；(3)然後在反應器中通入氨氣，使氨氣 與吸附在基材表面的有機金屬前驅體反應成氮化金屬層；以及(4)再次以惰 性氣體，例如氬氣，進行吹除。之後數次的ALD循環會重複進行以上四個 步驟。
如圖3所示，在碳電極層12表面沉積中間過渡阻障層14之後，接著利 用ALD工藝，在中間過渡阻障層14表面沉積一金屬氧化層16，例如，氧 4匕^呂(aluminum oxide)、 氧4匕鉭(tantalum oxide)、 氧4匕4太(titanium oxide)、 氧 4匕4告(zirconium oxide)、氧4匕《合(hafnium oxide)、氧4b鑭(lanthanum oxide)、氧 化鈰(cerium oxide)等。金屬氧化層16需具有高介電常數，用來作為電容介 電層，舉例來說，氧化鉿(Hf02)的介電常數k約為25。在形成金屬氧化層16 的過程中，是利用重複ALD循環的方式，直到金屬氧化層16形成至所需的 厚度為止，金屬氧化層16的厚度例如是lnm 20nm。
前述用來沉積金屬氧化層16的ALD循環包括以下四個基本步驟(1)在 反應器中通入有機金屬前驅體氣體一段時間，先使有機金屬前驅體吸附在基 材表面；(2)然後以惰性氣體，例如氬氣，吹除反應器內多餘的有機金屬前驅體；(3)然後在反應器中通入臭氧，使臭氧與吸附在基材表面的有機金屬 前驅體反應成金屬氧化物；以及(4)再次以惰性氣體，例如氬氣，進行吹除。
之後數次的ALD循環會重複進行以上四個步驟。
由於在沉積金屬氧化層16過程中，碳電極層12表面已有中間過渡阻障 層14保護住，因此在沉積金屬氧化層16時所使用到的臭氧不會影響到碳電 極層12。根據本發明第一優選實施例，中間過渡阻障層14與金屬氧化層16 的沉積可以在同一反應器中進行，通過導入不同的反應氣體，即可分別沉積 不同的材料層。此外，優選者，沉積中間過渡阻障層14與金屬氧化層16建 議採用同樣的有機金屬前驅體氣體。
如圖4所示，利用沉積金屬氧化層16過程中的高溫環境(200。C 60(TC)， 可以使金屬氧化層16與其下方的中間過渡阻障層14反應形成一金屬氮氧層 (metal oxy-nitride layer)18,例如，鉿氮氧層(HfON)，其厚度建議小於20納 米(nanometer)。根據本發明第一優選實施例，金屬氮氧層18的介電常數高 於金屬氧化層16的介電常數。
如圖5所示，然後在金屬氮氧層18上形成一上電極層20，其可以為碳 電極、金屬電極或者多晶矽電極，如此即完成本發明半導體電容元件1的制 作。其中，根據本發明第一優選實施例，半導體電容元件1包含作為電容下 電極的碳電極層12、作為電容介電層的金屬氮氧層18,以及上電極層20。
請參閱圖6至圖9,其為依據本發明第二優選實施例所繪示的剖面示意 圖，其中沿用相同符號表示相同的部位或區域。如圖6所示，首先提供一基 底10，例如，矽基底，其上形成有一碳電極層12作為本發明實施例的下電 極層。另外，在基底IO上可以形成有其它介電層或元件(圖未示)。其中，碳 電極層12可以利用已知的方法來形成，例如，以乙烯(C2H4)為前驅體，通入 高溫爐管以形成碳電極12。碳電極層12主要由可導電的碳元素型態所構成， 例如，SP2 4建結的碳元素，其厚度約介於lnm 1000nm。
如圖7所示，在基底IO上形成碳電極層12之後，接著進行一化學氣相 沉積工藝，在碳電極層12表面沉積一介電層24,並且介電層24需將碳電極 層12表面完全覆蓋住。根據本發明第二優選實施例，介電層24優選為氮化 矽、氧化矽或其它適合的高介電常數材料。。
如圖8所示，在碳電極層12表面沉積介電層24之後，接著利用ALD 工藝，在介電層24表面沉積一金屬氧化層16，例如，氧化鋁(aluminum oxide)、氧化但(tantalum oxide)、氧化鐵(titanium oxide)、氧化錯(zirconium oxide)、氧 4b《合(hafnium oxide)、 氧4b4闌(lanthanum oxide)、 氧4匕4市(cerium oxide)等。金 屬氧化層16需具有高介電常數，用來作為電容介電層，舉例來說，氧化鉿 (Hf02)的介電常數k約為25。在形成金屬氧化層16的過程中，是利用重複 ALD循環的方式，直到金屬氧化層16形成至所需的厚度為止，金屬氧化層 16的厚度例如是lnm 20nm。
前述用來沉積金屬氧化層16的ALD循環包括以下四個基本步驟(1)在 反應器中通入有機金屬前驅體氣體一段時間，先使有機金屬前驅體吸附在基 材表面；(2)然後以惰性氣體，例如氬氣，吹除反應器內多餘的有機金屬前 驅體；(3)然後在反應器中通入臭氧，使臭氧與吸附在基材表面的有機金屬 前驅體反應成金屬氧化物；以及(4)再次以惰性氣體，例如氬氣，進行吹除。 之後數次的ALD循環會重複進行以上四個步驟。
由於在沉積金屬氧化層16過程中，碳電極層12表面已有介電層24保 護住，因此在沉積金屬氧化層16時所使用到的臭氧不會影響到碳電極層12。
如圖9所示，然後在金屬氧化層16上形成一上電極層20,其可以為碳 電極、金屬電極或者多晶矽電極，如此即完成本發明半導體電容元件la的 製作。其中，根據本發明第二優選實施例，半導體電容元件la包含作為電 容下電極的碳電極層12、作為電容介電層的金屬氧化層16、上電極層20， 以及介於金屬氧化層16與上電極層20之間的介電層24。
以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的等同變 化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，包含有形成下電極層在基底上；進行第一沉積工藝，沉積中間過渡阻障層在該下電極層的表面；進行第二沉積工藝，沉積金屬氧化層在該中間過渡阻障層上，其中該金屬氧化層與該中間過渡阻障層反應形成電容介電層；以及形成電容上電極在該電容介電層上。
2. 如權利要求1所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，該 中間過渡阻障層包含有金屬氮化物。
3. 如權利要求2所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，該 金屬氮化物選自以下材料氮化鋁、氮化鉭、氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化鑭、氮化鈰。
4. 如權利要求2所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，該 金屬氧化層選自以下材料氧化鋁、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氧 化鑭、氧化鈰。
5. 如權利要求4所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，該金 屬氮化物和該金屬氧化物具有相同金屬元素。
6. 如權利要求1所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，該 電容介電層包含有金屬氮氧層。
7. 如權利要求4所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，該 第二沉積工藝使用臭氧。
8. 如權利要求1所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，該下 電極層為碳電極層。
9. 如權利要求1所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，該第 一沉積工藝包括原子層沉積工藝。
10. 如權利要求9所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，該 第二沉積工藝包括原子層沉積工藝。
11. 一種製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，包含有 形成下電極層於基底上； 沉積介電層於該下電極層的表面；進行一原子層沉積工藝，沉積金屬氧化層於該介電層上；以及 形成電容上電極於該金屬氧化層上。
12. 如權利要求11所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於， 該金屬氧化層選自以下材料氧化鋁、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、 氧化鑭、氧化鈰。
13. 如權利要求12所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於， 該原子層沉積工藝使用臭氧。
14. 如權利要求11所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於， 該介電層包含有氮化矽、氧化矽。
15. 如權利要求11所述的製作半導體電容元件的方法，其特徵在於，該 下電極層為碳電極層。
全文摘要
本發明公開了一種製作半導體電容元件的方法，其包含有提供一基底；在該基底上形成一碳電極層；進行一第一原子層沉積工藝，在該碳電極層的表面沉積一中間過渡阻障層；進行一第二原子層沉積工藝，在該中間過渡阻障層上沉積一金屬氧化層，其中該金屬氧化層與該中間過渡阻障層反應形成一電容介電層；以及在該電容介電層上形成一電容上電極。
文檔編號H01L21/02GK101604626SQ20081012546
公開日2009年12月16日 申請日期2008年6月13日 優先權日2008年6月13日
發明者聶鑫譽, 謝君毅, 黃才育 申請人:南亞科技股份有限公司