在襯底上形成高介電常數的介電層的方法
2023-05-19 21:30:26 1
專利名稱：在襯底上形成高介電常數的介電層的方法
技術領域：
本發明大體上涉及半導體器件製造，具體而言，涉及在保持低漏電和高可靠性的同時以高產量澱積高介電常數(Hi-K)的介電層的方法以及形成的層。
背景技術：
在先進的半導體器件製造中目前採用高介電常數(Hi-K)的材料。例如，Hi-K材料是例如用在無源器件(特別是金屬-絕緣體-金屬的電容器)中的二氧化矽(SiO2)和氮化矽(Si3N4)的替代介電材料。這樣的Hi-K材料依靠其較高的介電常數通過較厚的介電膜增加了電容密度。大體來說，滿足100000通電小時(POH)的工業可靠性標準的Hi-K材料是所期望的。對於射頻(RF)應用，線性(VCC)、介電損失和介電鬆弛也是重要的。隨著材料介電常數的增加，上述的電參數中的大部分開始下降。
Hi-K材料面臨的挑戰是在製造過程中獲得高產量的晶片，同時保持可靠性。特別地，目前的澱積技術例如原子層澱積(ALD)，由於是單層生長所以非常慢。傳統地，有兩種廣泛使用的能夠用於澱積Hi-K介電材料的氧化劑氧(O2)和臭氧(O3)。臭氧具有例如能夠比氧高60％的生長率，由此允許較高的產量。不幸的是，臭氧基的膜相比氧基的膜具有較低的可靠性，因此不能一直使用。
考慮到前述問題，本領域中需要一種澱積具有增加的產量而不損失可靠性的Hi-K介電材料的方法。
發明內容
本發明包括形成高介電常數介電層的方法，該方法包括提供工藝室，包括用於支撐襯底的支座；將包括高介電常數(Hi-K)電介質前體和氧(O2)氧化劑的第一氣體引入工藝室中，以便在襯底上形成高介電常數介電層的第一部分；以及從第一氣體的氣流切換到包括Hi-K電介質前體和臭氧(O3)氧化劑的第二氣體的氣流，以便在第一部分上形成高介電常數介電層的第二部分。在可選的實施例中，可以使用氧作氧化劑在第二部分上形成另一部分。本發明增加至少20％的產量，而不會使得可靠性或漏電變劣，並且不需要額外的設備。
本發明的第一方面涉及一種在襯底上形成高介電常數介電層的方法，該方法包括以下步驟提供工藝室，包括用於支撐襯底的支座；將包括高介電常數(Hi-K)電介質前體和氧(O2)氧化劑的第一氣體引入工藝室中，以便在襯底上形成高介電常數介電層的第一部分；以及從第一氣體的氣流切換到包括Hi-K電介質前體和臭氧(O3)氧化劑的第二氣體的氣流，以便在第一部分上形成高介電常數介電層的第二部分。
本發明的第二方面包括一種在襯底上形成高介電常數介電層的方法，該方法包括以下步驟提供工藝室，包括用於支撐襯底的支座；將包括高介電常數(Hi-K)電介質前體和氧(O2)氧化劑的第一氣體引入工藝室中，以便在襯底上形成高介電常數介電層的第一部分；從第一氣體的氣流切換到包括Hi-K電介質前體和臭氧(O3)氧化劑的第二氣體的氣流，以便在第一部分上形成高介電常數介電層的第二部分；從笫二氣體的氣流切換到包括Hi-K電介質前體和氧(O2)氧化劑的第三氣體的氣流，以便在笫二部分上形成高介電常數介電層的第三部分；以及在引入和切換步驟過程中將工藝室的溫度保持在不小於大約350℃且不大於大約400℃。
本發明的第三方面涉及一種在襯底上形成高介電常數介電層的方法，該方法包括以下步驟提供工藝室，包括用於支撐襯底的支座；將包括高介電常數(Hi-K)電介質前體和氧(O2)氧化劑的第一氣體引入工藝室中，以便在襯底上形成高介電常數介電層的第一部分；從第一氣體的氣流切換到包括Hi-K電介質前體和臭氧(O3)氧化劑的第二氣體的氣流，以便在第一部分上形成高介電常數介電層的第二部分；以及在引入和切換步驟過程中將工藝室的溫度保持在不小於大約350℃且不大於大約400℃。
通過下面本發明實施例的更具體的說明，本發明前述和其它的特徵將顯而易見。
將參照附圖詳細說明本發明的實施例，其中相同的標號表示相同的元件，其中圖1顯示了按照本發明方法的第一實施例的第一步驟；圖2顯示了按照本發明方法的第一實施例的第二步驟；圖3顯示了按照本發明方法的可選第二實施例的第三步驟；圖4顯示了表示各種介電層形成技術的擊穿電壓範圍的圖表；圖5顯示了圖4的各種介電層形成技術的擊穿電荷對擊穿概率的圖表。
具體實施例方式
參照附圖，圖1和2顯示了在襯底102上形成高介電常數(Hi-K)介電層100的方法的第一實施例。在圖1所示的第一步驟中，該方法包括提供工藝室100，其包括用於支撐襯底102的支座112，例如可以是但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、矽(Si)，提供例如二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)等之一的低介電常數層103(圖1中僅虛擬的顯示)。接下來，將包括Hi-K電介質前體和氧(O2)氧化劑122的第一氣體120的氣流引入工藝室110中，以便在襯底102上形成高介電常數介電層100(圖2)的第一部分130。Hi-K電介質前體可以包括任何已知的或以後開發的Hi-K前體，例如用於五氧化二鉭(Ta2O5)的Ta(OC2H5)5、用於二氧化鉿(HfO2)的Hf[N(CH3)2]4和用於氧化鋯(ZrO)的Zr[N(CH3)2]4或其它的Hi-K電介質前體。在此步驟期間，工藝室110中的溫度優選地保持在大約350℃和大約400℃之間，最優選地在大約380℃。此外，在此步驟期間，工藝室110中的壓強可以保持在大約3乇(Torr)。在這些條件下，第一部分130在此步驟中的生長速率大約可以是15.3埃/分鐘。然而第一部分130的厚度可以根據應用而改變，在一個實施例中，第一部分130的厚度可以在大約10埃和100埃之間。
如圖2所示，接下來的步驟包括(優選地是逐漸地)從第一氣體120(圖1)的氣流切換到包括Hi-K前體和臭氧(O3)氧化劑142的第二氣體140的氣流，以便在第一部分130上形成高介電常數介電層100的第二部分150。在此步驟期間，工藝室110中的溫度也優選地保持在大約350℃和大約400℃之間，最優選地在大約380℃。此外，在此步驟期間，工藝室110中的壓強可以保持在大約0.7乇。在這些條件下，第二部分150在此步驟中的生長速率大約可以是24埃/分鐘，其明顯大於第一部分130的生長速率。然而第一部分130的厚度可以根據應用而改變，在一個實施例中，第二部分150的厚度可以在大約100埃和300埃之間(注意，附圖沒有按比例繪製)。
按照第一實施例，在此點可以停止Hi-K介電層100的澱積，即，停止第二氣體140的氣流。但是，在第二可選實施例中，如圖3所示，可以繼續處理，(優選地是逐漸地)從第二氣體140(圖2)的氣流切換到包括Hi-K前體和氧(O2)氧化劑162的第三氣體160的氣流，以便在第二部分150上形成高介電常數介電層200的第三部分170。可以在基本上類似於澱積第一部分130的條件下進行此步驟，以便形成基本上與第一部分130相同的第三部分170，由此形成平衡的介電層200。特別地，在此步驟期間，工藝室110中的溫度優選地保持在大約350℃和大約400℃之間，最優選地在大約380℃。此外，在此步驟期間，工藝室110中的壓強可以保持在大約3乇。在這些條件下，第三部分170的生長速率大約可以是15.3埃/分鐘。然而第三部分170的厚度可以根據應用而改變，在一個實施例中，第三部分170的厚度可以在大約10埃和100埃之間，即，基本上與第一部分130相同。
在一個實施例中，第一部分130和第二部分150以及(如果提供了的話還有)第三部分170的每一個都包括五氧化二鉭(Ta2O5)。也就是說，在上述的每個步驟期間將鉭前體(例如，Ta(OC2H5)5)注入到工藝室110中。應當意識到，也可以使用適當的Hi-K前體，例如分別用於二氧化鉿(HfO2)的鉿前體(例如，Hf[N(CH3)2]4)和用於氧化鋯(ZrO)的鋯前體(例如，Zr[N(CH3)2]4)來形成其它的Hi-K電介質，例如二氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(Al2O3)或氧化鋯(ZrO)。
在製造期間使用氧-臭氧或氧-臭氧-氧來形成Hi-K介電層100、200明顯地增加了晶片的產量。例如，下表給出了產量對所使用的氧化劑。下面所有的數據都是使用350℃的溫度產生的。壓強如上所述的改變。
從本發明的實施例(情況3-8)可以看出，與使用氧(O2)作為單獨的氧化劑相比，產量增加了19.4％到60％不等。
關於可靠性，圖4顯示了箱形圖，給出了按照現有技術(即，只有O2和O3)形成的Hi-K電介質產生的擊穿電壓(VBD)範圍以及本發明上述方法的第一實施例的各種版本產生的擊穿電壓(VBD)範圍(樣本具有面積/周長值450Kμm2/6.3Kμm)。垂直軸表示在100μA電流時的擊穿電壓(Vcap)，水平軸表示不同的氧化劑情況。每個介電層形成250埃的厚度。理想地，VBD的值應當是高的，其表示高的擊穿電壓，並且是垂直方向較窄(低的分散範圍)，其表明澱積技術是可靠和均勻的。第一數據組是針對只使用氧作氧化劑形成的介電層，並且表示出具有低分散範圍的高VBD，這是理想的。但是，如上所表示的，只使用氧的技術是很慢的。第二數據組是針對只使用臭氧形成的介電層，並且表示出高的但是不可預測的VBD的值。但是，生長速率是24埃/分鐘，這是足夠的。第三數據組是針對只使用氧作氧化劑形成的介電層，但是被加速使其具有與只使用臭氧的數據組相同的生長速率，即24埃/分鐘。儘管第三數據組與第二數據組具有相同的生長速率-唯一的區別在於氧化劑，但是第三數據組表現出高的VBD以及比第二數據組更好的可靠性。
第四、第五和第六數據組是針對按照本發明的在使用氧之後使用臭氧形成的介電層。如圖4的圖例所示，第四數據組具有通過氧形成的50埃(5nm)的電介質和使用臭氧形成的200埃的電介質；第五數據組具有通過氧形成的100埃(10nm)的電介質和使用臭氧形成的150埃的電介質；第六數據組具有通過氧形成的150埃(15nm)的電介質和使用臭氧形成的100埃的電介質。如圖所示，第四、第五和第六數據組的每個都具有相當高的VBD並具有相當低的分散範圍；第六數據組與前三個數據組是相當的。VBD的垂直狹窄度隨著從第四到第六數據組氧層厚度的增加而改善，其表示出使用其中一種技術形成的介電層將具有高的和可靠的VBD。在產量方面，臭氧對介電層的貢獻越大，則澱積處理就越快。因此，第四數據組是最快的，之後是第五和第六數據組。但是，在膜可靠性的方面，通過氧澱積的介電層越多則可靠性越高。因此，第六數據組將是最可靠的，之後是第五數據組然後是第四數據組。因此優化的工藝可以位於第四數據組和第六數據組之間的某處，但是不必要限於此範圍。
回到圖5，其顯示了針對圖4的第六數據組的水平軸上的擊穿電荷(QBD)對垂直軸上的擊穿概率(％)的圖表。圖5顯示了第四、第五和第六數據組也具有非常緊密的分布以產生擊穿電荷QBD(即，非常陡的斜坡)，這是理想的。相反，只有臭氧的數據組是更加分散的。
應當意識到，儘管已經通過各種實施例說明了某些操作條件，但是也可以有利地使用其它條件，並且這些條件也被考慮在本發明範圍內。例如，降低澱積第一和第二部分130、170的溫度明顯地提高了疊層的整體介電特性，由此使得疊層對器件應用更有吸引力。此外，可以通過增加第二部分150澱積期間的壓強來提高產量。
儘管已經結合上面概述的具體實施例說明了本發明，但是很明顯，許多替換、修改和變化對於本領域技術人員將是顯而易見。因此，上述的本發明實施例傾向於是示例性而非限制性的。在不脫離下面權利要求限定的本發明範圍的情況下，可以進行各種改變。
權利要求
1.一種在襯底上形成高介電常數介電層的方法，該方法包括以下步驟提供工藝室，包括用於支撐襯底的支座；將包括高介電常數(Hi-K)電介質前體和氧(O2)氧化劑的第一氣體引入工藝室中，以便在襯底上形成高介電常數介電層的第一部分；以及從第一氣體的氣流切換到包括所述Hi-K電介質前體和臭氧(O3)氧化劑的第二氣體的氣流，以便在第一部分上形成高介電常數介電層的第二部分。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟從第二氣體的氣流切換到包括所述Hi-K電介質前體和氧(O2)氧化劑的第三氣體的氣流，以便在第二部分上形成高介電常數介電層的第三部分。
3.如權利要求1所述的方法，其中高介電常數介電層包括以下其中之一五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化鉿(HfO2)和氧化鋯(ZrO)。
4.如權利要求1所述的方法，進一步包括在引入步驟過程中將工藝室的溫度保持在不小於大約350℃且不大於大約400℃的步驟。
5.如權利要求4所述的方法，其中溫度在大約380℃。
6.如權利要求1所述的方法，其中第一氣體引入步驟的生長速率大約是15.3埃/分鐘；第二氣體引入步驟的生長速率大約是24埃/分鐘。
7.如權利要求1所述的方法，進一步包括在第一引入步驟過程中將工藝室的壓強保持在大約3乇，在第二引入步驟過程中將工藝室的壓強保持在大約0.7乇的步驟。
8.如權利要求1所述的方法，其中第一部分具有不小於大約10埃且不大於大約100埃的厚度，第二部分具有不小於大約100埃且不大於大約300埃的厚度。
9.如權利要求1所述的方法，其中襯底包括低介電常數層，該低介電常數層含有以下之一二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)和氧化鋁(Al2O3)。
10.如權利要求1所述的方法，其中Hi-K前體包括以下之一Ta(OC2H5)5、Hf[N(CH3)2]4和Zr[N(CH3)2]4。
11.一種在襯底上形成高介電常數介電層的方法，該方法包括以下步驟提供工藝室，包括用於支撐襯底的支座；將包括高介電常數(Hi-K)電介質前體和氧(O2)氧化劑的第一氣體引入工藝室中，以便在襯底上形成高介電常數介電層的第一部分；從第一氣體的氣流切換到包括所述Hi-K電介質前體和臭氧(O3)氧化劑的第二氣體的氣流，以便在第一部分上形成高介電常數介電層的第二部分；從第二氣體的氣流切換到包括所述Hi-K電介質前體和氧(O2)氧化劑的第三氣體的氣流，以便在第二部分上形成高介電常數介電層的第三部分；以及在引入和切換步驟過程中將工藝室的溫度保持在不小於大約350℃且不大於大約400℃。
12.如權利要求11所述的方法，其中高介電常數介電層包括五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化鉿(HfO2)和氧化鋯(ZrO)。
13.如權利要求11所述的方法，其中保持步驟包括將溫度保持在大約380℃。
14.如權利要求11所述的方法，其中第一和第三氣體引入步驟的生長速率大約是15.3埃/分鐘；第二氣體引入步驟的生長速率大約是24埃/分鐘。
15.如權利要求11所述的方法，其中第一和第三壓強是大約3乇，第二壓強是大約0.7乇。
16.如權利要求11所述的方法，其中第一和第三部分的每個都具有不小於大約10埃且不大於大約100埃的厚度。
17.如權利要求11所述的方法，其中，第二部分具有不小於大約100埃且不大於大約300埃的厚度。
18.如權利要求11所述的方法，其中Hi-K前體包括以下之一Ta(OC2H5)5、Hf[N(CH3)2]4和Zr[N(CH3)2]4。
19.一種在襯底上形成高介電常數介電層的方法，該方法包括以下步驟提供工藝室，包括用於支撐襯底的支座；將包括高介電常數(Hi-K)電介質前體和氧(O2)氧化劑的第一氣體引入工藝室中，以便在襯底上形成高介電常數介電層的第一部分；從第一氣體的氣流切換到包括所述Hi-K電介質前體和臭氧(O3)氧化劑的第二氣體的氣流，以便在第一部分上形成高介電常數介電層的第二部分；以及在引入和切換步驟過程中將工藝室的溫度保持在不小於大約350℃且不大於大約400℃。
20.如權利要求19所述的方法，進一步包括以下步驟從第二氣體的氣流切換到包括Hi-K電介質前體和氧(O2)氧化劑的第三氣體的氣流，以便在第二部分上形成高介電常數介電層的第三部分。
全文摘要
公開了形成高介電常數介電層的方法，該方法包括提供工藝室，包括用於支撐襯底的支座；將包括高介電常數(Hi－K)電介質前體和氧(O
文檔編號C23C16/00GK1870228SQ200610084458
公開日2006年11月29日 申請日期2006年5月24日 優先權日2005年5月26日
發明者伊貝尼澤·E·艾舒恩, 道格拉斯·D·考爾保, 庫納爾·瓦伊德, 肯尼斯·J·斯坦恩 申請人:國際商業機器公司