專利名稱：介電層的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種介電層的形成方法，特別是涉及一種高電容值電容結(jié)構(gòu)的形成方法。
目前制造集成電路存儲器的趨式，傾向于增加存儲密度及在單一晶片上的數(shù)據(jù)存儲量。較高密度的存儲器提供較密集的存儲；且在單一位元上的儲存，與提供于多個晶片上等效的儲存量相比，較為經(jīng)濟。集成電路的密度可由減小結(jié)構(gòu)(如導(dǎo)線及晶體管柵極)的體積，及減小結(jié)構(gòu)之間的間隔而增加。減小電路結(jié)構(gòu)通?？梢暈榧呻娐分圃熘校O(shè)計規(guī)則(Design Rule)的減小。
在一動態(tài)隨機存儲器(DRAM)中，應(yīng)用設(shè)計規(guī)則的減小，減小了基底表面積，因此，用以形成DRAM的電荷儲存電容器的有效面積亦隨之減小，而減小了電荷儲存電容器的電荷儲存量(亦即電容值)。電容器的儲存量的減少，導(dǎo)致各種不同的問題，包括因為較大的介電極化率(Susceptibility)，造成機械性惡化及電荷泄漏，而產(chǎn)生的電位損失。較大的介電極化率形成的電荷損失，可引起DRAM需要更頻繁的更新周期，此為一不欲得到的結(jié)果，因為在更新動作時，存儲器可能無法運作數(shù)據(jù)的儲存及讀出的處理。此外，減少電荷儲存的程度可能需要更復(fù)雜的數(shù)據(jù)讀出計劃，或更靈敏的電荷感應(yīng)放大器。因此，在減小DRAM胞的基底面積時，針對新式的DRAM需要增加的電容值程度，一種復(fù)雜的三度空間電容器結(jié)構(gòu)已被揭露，然而，考慮高生產(chǎn)產(chǎn)量及高產(chǎn)值，此種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而難以制造。
除了形成一三維空間的電容器之外，增加電容值的方法還包括了調(diào)整電容器介電層的厚度，以及使用高介電常數(shù)的介電材料。然而，基于介電層均勻度及穩(wěn)定度的考慮較薄的介電層的形成仍無法適當?shù)膽?yīng)用。目前，針對高介電常數(shù)的介電材料的使用，已經(jīng)有相當多的研究及發(fā)展，例如，使用介電常數(shù)大約為氮化硅三倍的氧化鉭作為電容器的介電層。然而，利用氧化鉭作為電容器介電層的缺點，在于其易引起相當大的泄漏電流。為改善此一缺點，業(yè)界及學術(shù)界已提出有相當多的方法，例如，在美國專利第5，444，006、5，508，221和5，786，248號中揭露了減低應(yīng)用氧化鉭的電容器所產(chǎn)生的泄漏電流的方法。在這些現(xiàn)有方法中，都針對下電極層與氧化鉭層之間所產(chǎn)生相互作用而形成一氧化層或氮化層，以防止因彼此之間的相互作用所引起的泄漏電流。然而，已知介電質(zhì)層是介于上下電極之間的一薄膜層，除了與下電極層的相互作用之外，其還會在形成上電極時，與其形成的氣體源反應(yīng)，或與沉積于其上的電極層產(chǎn)生相互作用，而引起相當可觀的泄漏電流，因此，現(xiàn)有技術(shù)僅局部地減低了包括氧化鉭層的電容器的泄漏電流，對于日趨精密及高功能的半導(dǎo)體元件或集成電路而言，仍然無法達到理想的要求。
本發(fā)明提供了一種介電層的形成方法，先對一導(dǎo)電層實施一氮化反應(yīng)，再沉積形成一氧化鉭層，經(jīng)過熱處理之后，再實施一等離子處理或一深紫外光臭氧(UVO3)處理，以終止氧化鉭內(nèi)部及表面的未鍵結(jié)鍵，以在氧化鉭的表面分布有與表面未鍵結(jié)(懸置鍵Dangling Bond)的氧。在化學氣相沉積開始，反應(yīng)形成氮化鈦上電極時，在氧化鉭的表面會形成一非常薄的氮氧化鈦，其實際厚度取決于氧化鉭表面鉭的未鍵結(jié)鍵的數(shù)量及等離子中所提供的氧的量，這樣使得化學氣相沉積氮化鈦上電極得以在較不損害氧化鉭的情形下鍍制，而完成電容結(jié)構(gòu)體。
在氮化反應(yīng)中，導(dǎo)電層的表面形成了一層薄薄的氮化硅生成物層，以提供一阻障效果，使得氧化鉭層不致與下電極產(chǎn)生相互作用，引起泄漏電流或其他缺點。
在實施熱處理時，也可同時實施一結(jié)晶化步驟，已知結(jié)晶態(tài)的氧化鉭，可以得到比非結(jié)晶態(tài)高的介電常數(shù)，然而，由于結(jié)晶的形成，晶粒邊界自然因而形成，造成了一泄漏電流的途徑，所以，是否實施結(jié)晶化步驟，必須依據(jù)實際所需的電容規(guī)格而定。此外，由于結(jié)晶化需要較高的溫度，很有可能造成工藝熱預(yù)算的降低。
等離子處理包括了直接等離子(Direct Plasma)、遙距等離子(RemotePlasma)、以及下游等離子(Down-Stream Plasma)，其不同點主要在于等離子的輸入方式。在經(jīng)過等離子處理或深紫外光臭氧處理之后，在氧化鉭層上方會形成一層氧原子終結(jié)的表面，在后續(xù)的氮化鈦上電極形成時，先行自然形成氮氧化鈦層而阻絕了氧化鉭與反應(yīng)氣體源之間的進一步作用，因此，使得氧化鉭層的品質(zhì)惡化降至最低。
本發(fā)明又提供了一種電容器的制造方法，提供一下電極，對下電極進行一氮化反應(yīng)，之后，形成一氧化鉭層，再進行一熱處理步驟，以重整氧化鉭的內(nèi)部排列。接著，實施一等離子處理步驟或一深紫外光臭氧處理步驟，再形成一上電極。
由本發(fā)明所提供的方法，形成了一高電容值的電容器，且由于氮化反應(yīng)及等離子處理或深紫外光臭氧處理的步驟，使得氧化鉭的介電特性不會惡化，而得到一個可靠度高的電容器。
為使本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
圖l為一流程圖，繪示出依據(jù)本發(fā)明的一實施例中，電容器形成的流程；圖2A至圖2D為剖面圖，繪示出依據(jù)本發(fā)明的實施例中，電容器的形成步驟；圖3為放大示意圖，繪示在

圖1及圖2C中，等離子處理或深紫外光臭氧處理之后，氧化鉭表面的結(jié)構(gòu)；圖4繪示出在攝氏530度制造下電極的條件下，電容器的泄漏電流及施加電壓之間的關(guān)系；圖5繪示出在攝氏580度制造下電極的條件下，電容器的泄漏電流及施加電壓之間的關(guān)系。
本發(fā)明提供一種介電層的制造方法，可應(yīng)用于電容器的制造，其制造流程可參考圖1及圖2A至圖2D。
參考圖1及圖2A，提供一導(dǎo)電層114，如果是應(yīng)用于一動態(tài)隨機存儲器中電容器的制造，此導(dǎo)電層114可為一下電極，其形成在一基底110上，且通過一穿越介電層112的導(dǎo)電插塞108，與基底上的金氧半晶體管一漏極104電連接?；?00還可包括一隔離結(jié)構(gòu)102，例如一場氧化層，一導(dǎo)線或金氧半晶體管的一柵極106及一源極(未繪示于圖中)，以及形成于介電層110上方，用以絕緣相鄰下電極116的絕緣層112。下電極114的材料通常包括多晶硅。接著，如圖2A中的第二步驟所示，實施一氮化反應(yīng)，結(jié)果，在下電極114的表面上形成了一層很薄的氮化物層116，例如，大約為10至20埃左右。若是采用多晶硅為下電極層116的材料，此氮化物層則為氮化硅層(Si3N4)。在此，也可以形成不同的絕緣層，例如氧化物層以取代此氮化層116。氮化物層116的形成，在于阻絕下電極114和后續(xù)形成的介電層之間的相互作用。然而，需注意的是，若是以一介電常數(shù)較低的絕緣層來取代氮化物層116，會導(dǎo)致介電層介電特性的惡化。
參考圖1及圖2B，在導(dǎo)電層114(包括氮化物層116)表面上，形成一高介電常數(shù)的介電層118，例如介電常數(shù)大約介于22至25的氧化鉭(五氧化二鉭(Ta2O5))。其形成方法包括化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)。在較早的現(xiàn)有技術(shù)中，將氧化鉭直接形成在下電極114上，氧化鉭與下電極產(chǎn)生相互的化學作用，使得氧化鉭中的氧與下電極產(chǎn)生反應(yīng)形成一氧化硅層。在集成度高的半導(dǎo)體元件中，尤其是在進入深次微米的制造技術(shù)中，介電層118本身的厚度已相當?shù)谋。绻溆忠驗楹拖码姌O114的相互作用而損失，其介電特性便嚴重地惡化。此外，氧化硅的介電常數(shù)相當?shù)?，?dǎo)致介電層118整體的介電常數(shù)大幅度減低，因而降低了電容值。所以，在此，本發(fā)明在沉積介電層118之前，先進行一氮化反應(yīng)，以在下電極114上形成一氮化物層116。然而，由于氮化物的介電常數(shù)亦僅有氧化鉭的三分之一，所以仍然會降低電容器整體的介電常數(shù)，所以，要達到能夠有效阻絕與氧化鉭的相互作用，又要維持一定的介電常數(shù)值，其厚度必需適當調(diào)整。如以上所述，在本發(fā)明中，氮化物層116的厚度大約介于10至20埃之間。
參考圖1及圖2C，在圖1的第四個步驟中，進行一結(jié)晶(Crystallization)步驟及一熱處理步驟，熱處理步驟例如是一熱退火。熱處理的作用，在于使得介電層118的結(jié)構(gòu)得以重整，以得到一個最佳的介電特性。已知結(jié)晶結(jié)構(gòu)較非結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)具有較高的介電常數(shù)，因此，此步驟可以增加電容器的電容值。然而，伴隨著結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成，自然產(chǎn)生了晶粒邊界，而導(dǎo)致了一個較高的泄漏電流。此外，結(jié)晶步驟所需的溫度大約為攝氏700度左右，可能無法配合工藝的熱預(yù)算。因此，是否進行結(jié)晶步驟，或結(jié)晶步驟的條件及介電層118所需達到的結(jié)晶程度，都需要配合實際產(chǎn)品的規(guī)格要求。
參考圖1及圖2D，接著進行第五步驟，即實施一氧等離子處理或一深紫外光臭氧處理。等離子處理包括直接等離子處理，遙距等離子處理以及下游等離子處理，其主要不同點在于等離子供應(yīng)的方式。以遙距等離子處理為例，其條件為提供流量約為每分鐘1-10標準立方厘米(sccm)的氧等離子，操作溫度在攝氏溫度450至800之間，操作壓力1-5乇(torr)之間，及操作功率約為2000至4000瓦左右進行15-900秒。這樣，使得在氧化鉭中未能鍵結(jié)完全的鉭得以氧化而終結(jié)，同時，在氧化鉭表面所產(chǎn)生的未鍵結(jié)鍵，也得以藉氧等離子而終結(jié)。其結(jié)構(gòu)的放大圖可參考圖3，其中，氧化鉭層的表面，具有一些與氧化鉭鍵結(jié)的氧。
此外，等離子處理可由一深紫外光臭氧處理取代，其目的與等離子處理一樣，在于提供一具有活性的氧，以達到終結(jié)氧化鉭層中的未鍵結(jié)鍵。利用深紫外光照射臭氧，在不需高溫的條件下，可使得一個臭氧分子分解為一個氧分子及一個氧原子，而提供了活性極高的氧，得以和氧化鉭中，鉭的未鍵結(jié)鍵結(jié)合，而增加氧化鉭的穩(wěn)定性，同時使得氧化鉭的表面，包括了一些與氧化鉭鍵結(jié)的氧。
參考圖1及圖2D，在等離子處理或深紫外光處理之后，在介電層118上形成一導(dǎo)電層，在此為一上電極層122。在本實施例中上電極122是一利用化學氣相沉積法形成的氮化鈦，以氨(NH3)及四氯化鈦(TiCl4)為氣體源形成的。在形成上電極層122初始，由于介電層118表面分布有終結(jié)其未鍵結(jié)鍵的氧，因此，在化學氣相沉積法形成氮化鈦的開始，氨及四氯化鈦會與分布在介電層118的氧產(chǎn)生反應(yīng)，而形成一薄薄的氮氧化物層120，在本實施中，其厚度大約為10埃左右。然而，其實際厚度乃取決于分布在介電層118表面上的氧的含量，當所有的氧消耗完畢之后，氮氧化物120便不再繼續(xù)形成，即，氮氧化物層120的厚度不會再增加。當介電層118的材料為氧化鉭且上電極層122為氮化鈦時，此一氮氧化物則為氮氧化鈦。因此，本發(fā)明不需考慮控制氮氧化物120的厚度，因為在介電層118上附著的氧含量相當有限，所以不會造成任何因過厚的氧氮化物120形成而衍生的缺點。接著，上電極122在氮氧化物層120上形成。
在形成上電極層122時，若是使介電層118直接曝露于反應(yīng)氣體中，例如本實施例中的氨氣及四氯化鈦，介電層118會直接與反應(yīng)氣體產(chǎn)生反應(yīng)，而降低品質(zhì)，增加泄漏電流。在本發(fā)明中，經(jīng)過上述的等離子處理或深紫外光臭氧處理，在介電層表面分布了氧，這些氧便與反應(yīng)氣體反應(yīng)，而形成了一層薄氮氧化物于介電層上，例如氮氧化鈦，而形成了對于介電層的保護及屏障作用。
以氮化鈦制造上電極材料為例，其制造溫度通常介于攝氏500度至700度之間，而其中又以攝氏580度及680度具有較佳效果，圖4繪示出依據(jù)本發(fā)明所形成的一電容器的泄漏電流與施加電壓之間的關(guān)系。其中，上電極的形成溫度約在攝氏530度。由附圖可知，在施加電壓為+1V時，經(jīng)過遙距等離子氧化(Remote Plasma Oxidation，RPO)處理的電容器具有大約0.79×10-8A/cm2的泄漏電流值，而未經(jīng)過RPO處理的電容器則大約為1.79×10-8A/cm2。而在施加電壓為-1V時，經(jīng)過RPO處理的電容器約為0.21×10-8A/cm2，而未經(jīng)RPO處理的電容器約為0.42×10-8A/cm2。然而，如以上所述，欲得一較好品質(zhì)的氮化鈦上電極，其操作溫度通常要高于攝氏580度，所以，圖5繪示了依據(jù)本發(fā)明所形成的一電容器的泄漏電流與施加電壓之間的關(guān)系。其中，上電極的形成溫度約在攝氏580度。由附圖可知，在施加電壓為+1V時，經(jīng)過RPO處理的電容器具有大約0.87×10-8A/cm2的泄漏電流值，而未經(jīng)過RPO處理的電容器則大約為44.86×10-8A/cm2。而在施加電壓為-1V時，經(jīng)過RPO處理的電容器約為0.24×10-8A/cm2，而未經(jīng)RPO處理的電容器約為125.52×10-8A/cm2。
由以上可知，本發(fā)明提供了一種電容器及其介電層的制造方法，其不但有效提高了電容值，且具有較現(xiàn)有技術(shù)小的泄漏電流。
雖然本發(fā)明已結(jié)合一優(yōu)選實施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作出各種更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當由后附的權(quán)利要求所界定。
權(quán)利要求
1．一種介電層的制造方法，可應(yīng)用于一電容器介電層，包括提供一第一導(dǎo)電層；實施一氮化反應(yīng)；形成一介電層；實施一氧等離子處理，以終結(jié)該介電層中的懸置鍵，并在該介電層表面分布與該懸置鍵鍵結(jié)的氧。形成一第二導(dǎo)電層。
2．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中該第一導(dǎo)電層為一下電極。
3．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中該第一導(dǎo)電層為一多晶硅層。
4．如權(quán)利要求3所述的介電層的制造方法，其中該氮化反應(yīng)步驟使得在該多晶硅上，形成了一氮化硅層。
5．如權(quán)利要求4所述的介電層的制造方法，其中該氮化硅層的厚度大致介于10至20埃。
6．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中該氮化反應(yīng)步驟使得在該第一導(dǎo)電層上，形成了一氮化物層。
7．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中該介電層包括氧化鉭。
8．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中該氧等離子處理選自于一直接氧等離子處理，一遙距氧等離子處理及一下游氧等離子處理。
9．如權(quán)利要求8所述的介電層的制造方法，其中該遙距氧等離子處理的條件包括氧流量介于每分鐘1至10標準立方厘米左右；操作溫度介于攝氏450至800度左右；操作壓力介于1至5乇左右；操作功率介于2000至4000瓦左右；以及操作時間介于15至900秒左右。
10．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中該氧等離子處理步驟由一深紫外臭氧步驟取代。
11．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中該第二導(dǎo)電層為一上電極。
12．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中該第二導(dǎo)電層為一氮化鈦層。
13．如權(quán)利要求12所述的介電層的制造方法，其中該氮化鈦為在攝氏溫度約500至700度之間形成的。
14．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中該第二導(dǎo)電層的形成，是利用氨及四氯化鈦為氣體源沉積而成的。
15．如權(quán)利要求14所述的介電層的制造方法，其中，在沉積該氮化鈦層的初始，會先形成一氮氧化鈦層于該介電層上。
16．如權(quán)利要求15所述的介電層的制造方法，其中該氮氧化鈦層的厚度約為10埃。
17．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中在沉積該第二導(dǎo)電層的初始，形成該第二導(dǎo)電層所使用的氣體源會與該介電層表面分布的氧反應(yīng)形成一保護層。
18．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中還包括一熱處理步驟，在形成該介電層之后實施。
19．如權(quán)利要求18所述的介電層的制造方法，其中該熱處理步驟包括一熱退火步驟。
20．如權(quán)利要求1所述的介電層的制造方法，其中又包括一結(jié)晶化步驟，在形成該介電層之后實施。
21．一種動態(tài)隨機存儲器的制造方法，包括提供一基底，該基底上至少包括一源極及與該源極電連接的一下電極；在該下電極表面形成一第一阻障層；在該第一阻障層上形成一高介電常數(shù)的一介電層；在該介電層表面形成一第二阻障層；以及形成一上電層。
22．如權(quán)利要求21所述的動態(tài)隨機存儲器的制造方法，其中該下電極為一多晶硅層。
23．如權(quán)利要求21所述的動態(tài)隨機存儲器的制造方法，其中該第一阻障層為利用一氯化反應(yīng)形成的。
24．如權(quán)利要求23所述的動態(tài)隨機存儲器的制造方法，其中該第一阻障層為一氮化物層。
25．如權(quán)利要求21所述的動態(tài)隨機存儲器的制造方法，其中該介電層為一氧化鉭層。
26．如權(quán)利要求21所述的動態(tài)隨機存儲器的制造方法，其中該第二阻障層的形成，包括對該介電層實施一熱處理步驟；對該介電層實施一氧等離子處理步驟，以氧化終結(jié)該介電層內(nèi)部及表面的懸置鍵，并使該介電層表面分布有氧；以及利用沉積形成該上電極所使用的氣體源，使該氣體源與該介電層表面分布的氧反應(yīng)。
27．如權(quán)利要求21所述的動態(tài)隨機存儲器的制造方法，其中該第二阻障層的厚度大約為10埃。
28．如權(quán)利要求21所述的動態(tài)隨機存儲器的制造方法，其中該下電極為一氮化鈦層。
29．如權(quán)利要求28所述的動態(tài)隨機存儲器的制造方法，其中該第二阻障層為一氮氧化鈦層。
30．如權(quán)利要求21所述的動態(tài)隨機存儲器的制造方法，其中該氧等離子處理由一深紫外光臭氧處理步驟取代。
31．一種電容器，可應(yīng)用于一動態(tài)隨機存儲器的制造，該電容器包括一下電極；一第一阻障層，在該下電極層的表面形成；一介電層，由高介電常數(shù)的介電材料形成于該第一阻障層上；一第二阻障層，形成于該介電層的表面；以及一下電極。
32．如權(quán)利要求31所述的電容器，其中該動態(tài)隨機存儲器還包括一金氧半晶體管，其源極與該下電極電連接。
33．如權(quán)利要求31所述的電容器，其中該下電極為一多晶硅層。
34．如權(quán)利要求31所述的電容器，其中該第一阻障層為一與該下電極氮化的氮化物層。
35．如權(quán)利要求31所述的電容器，其中該介電層為一氧化鉭層。
36．如權(quán)利要求31所述的電容器，其中該上電極為一氮化鈦層。
37．如權(quán)利要求35所述的電容器，其中該第二阻障層為一氮氧化鈦層，由經(jīng)過一等離子處理過的該氧化鉭層表面與一形成氮化鈦的該上電極的氣氛而生成。
38．如權(quán)利要求31所述的電容器，其中該第一阻障層的厚度為10至20埃。
39．如權(quán)利要求31所述的電容器，其中該第二阻障層的厚度約為10埃。
全文摘要
一種介電層的制造方法,可應(yīng)用于電容器。首先提供第一導(dǎo)電層,再對第一導(dǎo)電層實施一氮化反應(yīng),以在其表面形成一氮化物層。再形成一具有高介電常數(shù)的介電層,并對介電層先后實施一熱處理及一氧等離子處理,以終結(jié)該介電層中的懸置鍵,并在該介電層表面吸附布置與懸置鍵鍵結(jié)的氧。這在介電層表面的一層活性氧原子使得后續(xù)的氮化鈦在鍍制時,自然形成一層極薄的氮氧化物,此氮氧化物薄膜有穩(wěn)定界面,保護介電層的效果。
文檔編號H01L21/3205GK1284745SQ9911796
公開日2001年2月21日 申請日期1999年8月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月17日
發(fā)明者史望澄, 彭冠杰, 趙蘭璘 申請人:世界先進積體電路股份有限公司