具有金紅石結晶相二氧化鈦介電膜的半導體器件的製作方法
2023-05-14 02:52:26
具有金紅石結晶相二氧化鈦介電膜的半導體器件的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電容結構，包含有一第一電極，設於一基材上；一二氧化鈦介電層，直接形成在所述第一電極上，其中所述二氧化鈦介電層僅單純具有金紅石結晶相；以及一第二電極，位於所述二氧化鈦介電層上。根據本發明實施例，在所述第一電極與所述二氧化鈦介電層之間不需要模版層、晶種層或預處理層。此外，也不需要對所述二氧化鈦介電層進行任何的摻質摻雜處理。
【專利說明】具有金紅石結晶相二氧化鈦介電膜的半導體器件
【技術領域】
[0001]本發明大體上關於一種半導體器件，特別是關於一種改良後的高介電常數(high-k)介電層，使用這種介電層的電容結構，並例示出其製造方法。
【背景技術】
[0002]隨著動態隨機存儲器的金屬-絕緣-金屬電容的微縮，存儲器工藝中因此有必要導入高介電常數介電材，例如，二氧化鈦。已知二氧化鈦具有不同的結晶相，其介電常數也不同，其中兩種已知的二氧化鈦結晶相是銳鈦礦(anatase)及金紅石(rutile)。由於金紅石二氧化鈦具有較高的介電常數(k > 90)，因此在電容介電薄膜工藝中是較希望被增加的成分。
[0003]二氧化鈦介電層通常利用原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)法形成。然而，在原子層沉積過程中，二氧化鈦往往是以銳鈦礦結晶相為主。為了要形成具有金紅石結晶相及低漏電的二氧化鈦介電層，仍需要再以摻質摻雜、後退火^ocrc或更高溫)處理以及/或結合模版層進行的臭氧原子層沉積才能達到。前述摻質摻雜方法的問題是高成本、低產出率，且不容易控制其分布。前述後退火方法的缺點是額外的熱預算及機械應力可能影響電晶體器件。前述的結合模版層進行的臭氧原子層沉積法，其問題在於沉積速率過慢(單一 ALD循環約0.41)，且可能有刻蝕或氧化下層的風險。
[0004]另外一種沉積二氧化鈦介電層的作法是利用水基(water-based)原子層沉積法，其在ALD循環中以水蒸氣作為氧化劑。這種水基原子層沉積法的沉積速率較前述臭氧原子層沉積法快，因此具有高產出率，然而，以水基原子層沉積法形成的二氧化鈦其結晶相是以銳鈦礦為主。為了在水基原子層沉積過程中形成金紅石結晶相的二氧化鈦，必須沉積至少厚達IOnm的二氧化鈦，或者以相對較高的工藝溫度進行。
[0005]由上可知，業界目前仍需要改良的方法來沉積高介電常數材料，例如，金紅石結晶相的二氧化鈦，且該方法須具有高沉積/成長速率，同時能保持低漏電特性，並且避免上述先前技術的諸多缺點。
【發明內容】
[0006]根據本發明實施例，本發明提供了一種電容結構，包含有一第一電極，設於一基材上；一二氧化鈦介電層，直接形成在所述第一電極上，其中所述二氧化鈦介電層僅單純具有金紅石結晶相；以及一第二電極，位於所述二氧化鈦介電層上。根據本發明實施例，在所述第一電極與所述二氧化鈦介電層之間不需要模版層、晶種層或預處理層。此外，也不需要對所述二氧化鈦介電層進行任何的摻質摻雜處理。
[0007]為讓本發明的上述目的、特徵及優點能更為明顯易懂，下文中特舉優選實施方式，並配合所附圖式作詳細說明如下。然而如下的優選實施方式與圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制。【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為依據本發明實施例所繪示的部分電容結構的橫斷面示意圖。
[0009]圖2例示出形成圖1中電容結構的流程圖。
[0010]圖3A及圖3B表示出以水基原子層沉積法沉積的二氧化鈦的X射線衍射譜。
[0011]其中，附圖標記說明如下:
[0012]10 基材100工藝流程
[0013]20 電容結構102步驟
[0014]22 第一電極104步驟
[0015]24 高介電常數介電層 106步驟
[0016]26 第二電極108步驟
【具體實施方式】
[0017]下文中將參照【專利附圖】
【附圖說明】本發明細節，該些附圖中的內容也構成說明書細節描述的一部份，並且以可實行該實施例的特例描述方式來繪示。下文實施例已描述足夠的細節使得所屬領域的一般技術人員得具以實施。當然，本發明也可實行其它的實施例，或是在不悖離文中所述實施例的前提下作出任何結構性、邏輯性、及電性上的改變。因此，下文的細節描述不應被視為是對本發明的一種限制，反之，其中所包含的實施例將由權利要求書來加以界定。
[0018]圖1為依據本發明實施例所繪示的部分電容結構的橫斷面示意圖。如圖1所示，電容結構20設於一基材10上，例如矽基材。當然，基材10也可能是其它的半導體基材，在此不設限。電容結構20包含有一第一電極22、一第二電極26,以及一高介電常數介電層24,其介於第一電極22與第二電極26之間。根據本發明實施例，前述高介電常數介電層24直接接觸到第一電極22,故並無任何模版層(template layer)、晶種層(seed layer)或預處理層(pre-treated layer)介於其間。在其它實施例中，形成高介電常數介電層24之前可選擇在第一電極22上形成如氧化鋁(Al2O3)等介電層。
[0019]前述第一電極22可以是貴金屬材料，例如，釕(Ru)，其具有六方密堆積(hexagonal close-packed, HCP)晶體結構。在另一實施例中，第一電極22可以是由氮化鈦所構成。前述第一電極22可以利用任何適合的方法形成，例如，化學氣相沉積(chemicalvapor deposition, CVD)法、原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)法、物理氣相沉積(physical vapor deposition, PVD)法或派射(sputtering)法。根據本發明實施例，前述直接沉積在第一電極22上的高介電常數介電層24為金紅石結晶相的二氧化鈦，且為單純的金紅石結晶相，僅存有金紅石結晶相。換句話說，從X射線衍射(x-ray diffraction)譜中基本上是看不到相對於銳鈦礦二氧化鈦的信號。根據本發明實施例，高介電常數介電層24的厚度約為7nm或更薄。根據本發明實施例，高介電常數介電層24中不用摻雜如鋁等摻質。前述第二電極26可以是貴金屬材料或其它合適的導電材料，例如金屬氧化物或金屬氮化物。舉例來說，第二電極26可以是釕(Ru)、鉬(Pt)、銥(Ir)、氧化釕(RuO2)、氧化銥(IrO2)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢(WN)等等。
[0020]請同時參閱圖2及圖1，圖2例示出形成電容結構20的流程圖。如圖2所示，工藝流程100包括四個連續的 主要步驟102~108。在步驟102中，第一電極22，例如釕或氮化鈦，被沉積到基材10上。接著進行步驟104,進行一水基原子層沉積(water-basedALD)法，於第一電極22上沉積一過渡非晶相二氧化鈦層(未不於圖1中)。根據本發明實施例，前述過渡非晶相二氧化鈦層的厚度約為7nm或更薄。前述水基原子層沉積法可包含有多個ALD循環，而各ALD循環包含有:(I)於一反應腔中供應一鈦前驅物(鈦脈衝)；(2)以惰性氣體吹除所述反應腔；(3)於所述反應腔中供應水蒸氣(水脈衝)；以及⑷再次以惰性氣體吹除所述反應腔。根據本發明實施例，反應溫度可以介於150°C至450°C之間，例如，285°C。當鈦前驅物，例如四氯化鈦(TiC14)供應到反應腔時，部分鈦前驅物被吸附到基材10的裸露面。吹除氣體，例如氬氣接著將未被吸附的鈦前驅物移除，然後使水蒸氣(作為氧化劑)與吸附到基材10表面的鈦前驅物反應，如此形成單一原子層的二氧化鈦。根據本發明實施例，在前述水基原子層沉積過程中，僅有水蒸氣提供作為氧化劑，以增加沉積或成長速率。
[0021]接著，步驟106，在完成前述水基原子層沉積之後，非晶相的二氧化鈦層接著以氧等離子體處理，藉以將非晶相的二氧化鈦層全部轉換成金紅石結晶相二氧化鈦。根據本發明實施例，前述的氧等離子體處理可以是非現場(ex-situ)處理。例如，前述的氧等離子體處理可以是遠程等離子體技術，例如電感稱合等離子體(inductively coupledplasma, ICP)或去稱合等離子體(de-coupled plasma, DCP)。以氧等離子體處理採用感應率禹合等離子為例，等離子體產生器可以使用500瓦(W)至2500瓦的交流功率(AC power) 0以氧等離子體處理採用去耦合等離子為例，等離子產生器可以使用大於500瓦的交流功率。前述遠程氧等離子體可以含有離子態的氧，以及載氣，如氬氣或氮氣。根據本發明實施例，經過前述的氧等離子體處理後，可以使二氧化鈦層中的氧含量增加。在某些實施例中，前述的氧等離子體處理可以是現場(in-situ)處理，例如，採用等離子增強ALD機臺。最後，進行步驟108，於金紅石結晶相二氧化鈦上形成第二電極或上電極。
[0022]本發明的優點至少包括:不需要於第一電極或下電極表面形成模版層或預處理層。此外，可以省略先前技術中的摻質摻雜或後退火處理。由於水基原子層沉積法具有較高的沉積或成長速率，可以得到較高的產出率。
[0023]圖3A及圖3B表示出水基原子層沉積法沉積的二氧化鈦的X射線衍射譜(相對強度對2theta作圖而光譜區間為2theta=20至2theta=35之間)。從圖3A可看出，在進行等離子體處理之前，7nm厚的二氧化鈦層為非晶相。而進行等離子體處理之後，如圖3B所示，7nm厚的二氧化鈦層被全部轉換成金紅石結晶相二氧化鈦。
[0024]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種電容結構，其特徵在於，包含: 一第一電極，設於一基材上； 一二氧化鈦介電層，直接形成在所述第一電極上，其中所述二氧化鈦介電層僅單純具有金紅石結晶相；以及 一第二電極，位於所述二氧化鈦介電層上。
2.根據權利要求1所述的電容結構，其特徵在於，所述第一電極與所述二氧化鈦介電層之間沒有模版層。
3.根據權利要求1所述的電容結構，其特徵在於，所述第一電極與所述二氧化鈦介電層之間沒有晶種層。
4.根據權利要求1所述的電容結構，其特徵在於，所述第一電極與所述二氧化鈦介電層之間沒有預處理層。
5.根據權利要求1所述的電容結構，其特徵在於，所述第一電極與所述二氧化鈦介電層之間另包含一介電層。
6.根據權利要求1所述的電容結構，其特徵在於，所述第一電極包含釕或氮化鈦。
【文檔編號】H01L29/92GK103915512SQ201310057648
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年2月22日 優先權日:2013年1月2日
【發明者】謝君毅, 丹尼爾·丹哲那賓克 申請人:南亞科技股份有限公司