專利名稱：氧化鉻及氧化鋁合成介電層及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置，具體地，涉及一種電容的介電層及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，通過熱處理或快速熱處理生長的二氧化硅(SiO2)被用作動態(tài)隨機存儲器(DRAM)裝置與邏輯裝置的柵極氧化層。由于半導(dǎo)體裝置的設(shè)計規(guī)則已轉(zhuǎn)向最小化，用于產(chǎn)生隧道效應(yīng)的所述柵極氧化層的有效厚度已減至約25～30，此為發(fā)生隧道效應(yīng)的最小厚度。在利用約0.1μm設(shè)計規(guī)則的裝置中，所述柵極氧化層的期望的厚度范圍為約25至約30。然而，注意到由直接的隧道效應(yīng)而引起的關(guān)閉電流的增加會對該裝置的操作產(chǎn)生負面影響。具體的，主要焦點在于電流存儲裝置降低泄漏電流。
作為解決上述問題的一種嘗試，已對由具有高介電常數(shù)的材料，即高k值介電材料構(gòu)成的柵極氧化層進行了積極的研究。所述高k值介電例如氧化鉭(Ta2O5)、氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)與氧化鉿(HfO2)。另外，半導(dǎo)體存儲裝置加速的集成度已導(dǎo)致單位單元面積的急劇下降。而且，操作電壓也已被降低至一低電平。
然而，雖然單元面積已減少，但操作記存儲裝置所需的最小電容仍要大于25fA/單元，用以防止發(fā)生軟錯誤與縮短更新時間。因此，已對用作電容器介電層的高介電材料進行了積極的研究，以期大規(guī)模集成半導(dǎo)體裝置所需的有效的電容，其中所述高介電材料例如Ta2O5、TiO2、Al2O3或HfO2，它們的介電常數(shù)高于例如以下材料的介電常數(shù)二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)與一氧化氮(NO)。具體的，HfO2與Al2O3的堆疊式介電層因其兼具HfO2層帶來的良好的介電特性與Al2O3層帶來的良好的泄漏電流特性，目前已被視為柵極氧化層與電容器最可能應(yīng)用的介電層。
圖1為一電容器結(jié)構(gòu)的示圖，包括氧化鉿及氧化鋁的堆疊式介電層。
如圖所示，電容器包括一由多晶硅制成的下電極11、一堆疊式介電層12及一由多晶硅制成的上電極13。在此，所述堆疊式介電層12通過順序?qū)盈B氧化鋁層12A與氧化鉿層12B而形成。
在所述堆疊式介電層12中，所述氧化鋁層12A接觸所述下電極11，而所述氧化鉿層12B接觸所述氧化鋁層12A。在此，所述氧化鋁層12A所需的厚度為大于約20埃()，以改善泄漏電流特性。
具有所述堆疊式介電層12的電容器在低電壓時會顯現(xiàn)出極好的泄漏電流特性。但是，在高電壓時，泄漏電流會陡然增加而導(dǎo)致低的擊穿電壓。結(jié)果，會進一步降低所述電容器的可靠度。
圖2為顯示一具有堆疊式介電層的傳統(tǒng)電容器的泄漏電流特性的曲線圖，其中所述堆疊式介電層通過層疊氧化鉿層與氧化鋁層而形成。在圖2中，水平軸與垂直軸分別代表所施加的偏壓與泄漏電流。為測量所述泄漏電流，在對所述上電極施加正電壓并確定所述下電極為接地的情況下，可得到曲線CI。另一方面，在對所述上電極施加一負電壓并確定所述下電極為接地的情況下，則可獲得曲線CII。
如圖所示，在低電源電壓VL的情況下，所述泄漏電流特性呈現(xiàn)出一漸減坡度。另一方面，在高電源電壓VH的情況下，所述泄漏電流特性呈現(xiàn)出一突增坡度。由于在所述高電源電壓VH的情況下所述泄漏電流的陡然增加增，所以電容器會有一低擊穿電壓。
而且，在所述氧化鋁層上形成所述氧化鉿層，以確保所述介電特性。然而，所述氧化鉿對熱是不穩(wěn)定的，因此在所述上電極形成后隨后的熱處理會使所述泄漏電流與所述介電特性降級。
圖3A為顯示在實施所述隨后的熱處理時一傳統(tǒng)電容器的泄漏電流特性的曲線圖，其中所述傳統(tǒng)電容器僅具有一氧化鋁層。圖3B為顯示在實施所述隨后的熱處理時一傳統(tǒng)電容器的泄漏電流特性的曲線圖，其中所述傳統(tǒng)電容器具有氧化鉿與氧化鋁的堆疊式介電層。在圖3A與圖3B中，水平軸與垂直軸分別代表所施加的偏壓與泄漏電流。曲線C1與C3顯示在所述隨后熱處理前所述泄漏電流特性，其中所述隨后熱處理是在所述上電極形成后進行的，而曲線C2與C4顯示在所述熱處理實施后所述泄漏電流特性。在此，所述隨后熱處理在大約750℃進行約20分鐘，并在大約675℃下進行約70分鐘。
參考圖3A，僅具有所述氧化鋁層的電容器不管是在所述隨后熱處理實施前還是實施后，在泄漏電流特性方面是一致的。然而，具有所述氧化鉿與氧化鋁的堆疊式介電層的電容器在所述隨后熱處理實施前和實施后則有不同的泄漏電流特性。更具體地，在施加相同偏壓的情況下，在所述隨后熱處理之后所獲得的泄漏電流會大于在所述隨后熱處理之前所獲得的泄漏電流。如圖3B所示，所述泄漏電流會突然增加，穿過由所述隨后熱處理而結(jié)晶的氧化鉿的晶界。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種半導(dǎo)體裝置的介電層及其制造方法，在通過順序?qū)盈B氧化鉿(HfO2)層與氧化鋁(Al2O3)層形成介電層時，其能夠防止擊穿電壓在高電源電壓下被降低。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種半導(dǎo)體裝置的介電層，其能夠防止在后續(xù)的熱處理期間由氧化鉿(HfO2)與氧化鋁(Al2O3)疊層介電層引起的漏電流的增加。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種半導(dǎo)體裝置的介電層，其包含通過利用原子層沉積技術(shù)而形成的氧化鉿與氧化鋁合成介電層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種制造半導(dǎo)體裝置的介電層的方法，其包含下列步驟通過重復(fù)進行原子層沉積技術(shù)的第一循環(huán)，沉積一氧化鉿單原子層；通過重復(fù)進行原子層沉積技術(shù)的第二循環(huán)，沉積一氧化鋁單原子層；及通過重復(fù)進行包含混合第一與第二循環(huán)的第三循環(huán)，沉積由氧化鉿單原子層與氧化鋁單原子層形成的合成介電層。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供一種制造氧化鉿與氧化鋁合成介電層的方法，包含重復(fù)進行一單位循環(huán)，所述單位循環(huán)包括順序提供鉿與鋁的單分子源氣體、凈化氣體、氧化劑與凈化氣體。


通過以下結(jié)合附圖對優(yōu)選實施例進行的描述，本發(fā)明的所述和其他的目的和特點將會更加容易了解，在所述附圖中，圖1為顯示一電容器結(jié)構(gòu)的示圖，其中所述電容器結(jié)構(gòu)包括傳統(tǒng)的氧化鉿及氧化鋁的堆疊式介電層；圖2為顯示一具有傳統(tǒng)的氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層的電容器的泄漏電流特性的曲線圖；圖3A為顯示在一后續(xù)熱處理期間一電容器的泄漏電流特性的曲線圖，其中所述電容器只具有一傳統(tǒng)的氧化鋁介電層；圖3B為顯示在一后續(xù)熱處理期間一電容器的泄漏電流特性的曲線圖，其中所述電容器具有一傳統(tǒng)的氧化鉿及氧化鋁的堆疊式介電層；圖4為顯示依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的一氧化鉿與氧化鋁合成介電層的示圖；圖5為顯示在依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例通過采用原子層沉積技術(shù)形成所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層時將氣體供應(yīng)至一反應(yīng)室的時序圖；圖6為顯示依據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的一氧化鉿與氧化鋁合成介電層的圖示；圖7A為顯示在依據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例通過采用ALD技術(shù)形成所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層時將氣體供應(yīng)至一反應(yīng)室的時序圖；圖7B為顯示由Hf-Al單分子源氣體和臭氧反應(yīng)氣體之間的反應(yīng)形成的(HfO2)1-X(Al2O3)X的合成狀態(tài)的示圖；圖8為顯示一電容器的氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層、一[A/H/A/H/A/H/A/H/A]疊層介電層及一[HOAOAO]合成介電層的泄漏電流特性的曲線圖，其中“A”、“H”及“O”代表原子或分子。
具體實施例方式
以下將結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖4為顯示依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的一氧化鉿及氧化鋁合成介電層的圖示。
如圖所示，所述介電層20通過使氧化鋁21與氧化鉿22一起形成合金而形成，以便所述介電層20的分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X，其中x代表分子組成系數(shù)。
具體地，通過使用原子層沉積(ALD)技術(shù)沉積介電層20。例如，在一原子層單位內(nèi)重復(fù)進行沉積Al2O321的循環(huán)，然后在一原子層單位內(nèi)重復(fù)進行沉積HfO222的循環(huán)。其后，連續(xù)重復(fù)進行該二循環(huán)的混合循環(huán)，直到達到氧化鉿(HfO2)與氧化鋁(Al2O3)所需的厚度。
還有，如圖4所示，Al2O321與HfO222形成于一層內(nèi)。所述Al2O321與HfO222在一層內(nèi)同時形成的原因是原子層沉積技術(shù)的特性，其通過控制循環(huán)的次數(shù)而允許單原子層不連續(xù)地形成。即，如果該循環(huán)重復(fù)進行的次數(shù)較少，則不連續(xù)地沉積形成Al2O321單原子層。以下，分別將在原子層的單位內(nèi)形成的每個Al2O321與HfO222稱作Al2O3層與HfO2層。
對于形成結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X的介電層20的方法，更詳細的是利用ALD技術(shù)可在單層內(nèi)形成Al2O3層21與HfO2層22。此時，控制重復(fù)單獨形成Al2O3層21與HfO2層22的每一循環(huán)的次數(shù)，以使所獲得的Al2O3層21與HfO2層22的期望厚度在約1至10的范圍。這里，所述厚度為每一個不連續(xù)生成的Al2O321與HfO222單層的厚度。若每一單層的厚度大于10，則形成連續(xù)單層，因而形成疊層結(jié)構(gòu)而不是合成結(jié)構(gòu)。
圖5為顯示在依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例通過采用原子層沉積技術(shù)形成分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X的介電層20時將氣體供應(yīng)至一反應(yīng)室的時序圖。
如已知的，首先將源氣體供應(yīng)至一反應(yīng)室，以使所述源氣體分子被化學(xué)地吸收到一基板的表面。然后，通過供應(yīng)一凈化氣體來清除那些被物理吸收的源氣體分子。將一反應(yīng)氣體供應(yīng)至所述基板，以便使所述經(jīng)化學(xué)吸收的源氣體分子與所述反應(yīng)氣體進行反應(yīng)。依此化學(xué)反應(yīng)，可沉積一單原子層。之后，通過使用一凈化氣體來清除所述未反應(yīng)的反應(yīng)氣體。上述連續(xù)步驟構(gòu)成該單原子層沉積的一個循環(huán)。上述原子層沉積技術(shù)采用一表面反應(yīng)機制來提供一穩(wěn)定且均勻的薄層。同樣地，與化學(xué)汽相沉積(CVD)技術(shù)相比，因為所述源氣體與所述反應(yīng)氣體是分別依序提供及在隨后清除，所以所述原子層沉積技術(shù)可通過汽相反應(yīng)以有效地防止粒子產(chǎn)生。
以下將更詳細說明用以沉積分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X的介電層20的單位循環(huán)。
所述單位循環(huán)可表示成為如下[(Hf/N2/O3/N2)y(Al/N2/O3/N2)z]n單位循環(huán)1這里，鉿及鋁是用以分別形成所述氧化鉿層22及所述氧化鋁層21的源氣體。所述下標“y”及“z”代表重復(fù)(Hf/N2/O3/N2)及(Al/N2/O3/N2)的各自循環(huán)的次數(shù)。另一下標“n”代表重復(fù)[(Hf/N2/O3/N2)y(Al/N2/O3/N2)z]的循環(huán)的次數(shù)。在此，“y”、“z”及“n”為自然數(shù)。
對所述單位循環(huán)1來說，更具體的是，(Hf/N2/O3/N2)y循環(huán)表示順序提供鉿源氣體、氮凈化氣體、臭氧氧化劑及氮凈化氣體的步驟，且所述循環(huán)被重復(fù)進行y次。同樣地，(Al/N2/O3/N2)z循環(huán)表示順序提供鋁源氣體、氮凈化氣體、臭氧氧化劑及氮凈化氣體的步驟，且所述循環(huán)被重復(fù)進行z次。重復(fù)所述循環(huán)y次及z次，以分別沉積具有所需厚度的氧化鉿22及氧化鋁21的單層。
針對所述氧化鋁21的單原子層沉積，首先使維持在室溫的三甲基鋁合金(Al(CH3)3)的源氣體流入一反應(yīng)室大約0.1秒至3秒的時間。以下將所述三甲基鋁合金簡稱為TMA。在此時，使所述反應(yīng)室的溫度保持在大約200℃至350℃之間，且使其壓力保持在大約0.1托至10托之間。所述TMA源氣體分子被吸收到所述下電極21上。之后，使一氮凈化氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至約5秒的時間，以去除未被化學(xué)吸收的TMA源氣體分子。然后，使作為反應(yīng)氣體的臭氧氧化劑流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至3秒的時間，以引起所述被吸收的TMA源氣體分子與所述臭氧氣體分子間的反應(yīng)。所述反應(yīng)會造成一氧化鋁21原子層的沉積。接下來，使一氮凈化氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至5秒的時間，以清除未反應(yīng)的臭氧分子及所述反應(yīng)的副產(chǎn)物。
上述順序提供TMA源氣體、氮凈化氣體、臭氧反應(yīng)氣體及氮凈化氣體的步驟構(gòu)成一個單位循環(huán)，該單位循環(huán)被重復(fù)進行z次，以沉積所述具有所需厚度的氧化鋁層21。在此，除了所述TMA之外，可使用改進的TMA(MTMA；Al(CH)3N(CH2)5CH3)來做為鋁源氣體。除了臭氧氣體之外，可使用水及氧氣等離子體來作為氧化劑。亦可使用如氬氣的惰性氣體做為所述凈化氣體。
針對所述氧化鉿22的單原子層沉積，在一汽化器中汽化一選自由HfCl4、Hf(NO3)4、Hf(NCH3C2H5)4、Hf(N(CH3)2)4及Hf(N(C2H5)2)4所組成的組的源氣體，并使所述汽化的源氣體流入一反應(yīng)室中，由此使該鉿源氣體分子被吸收，其中所述反應(yīng)室的溫度維持在200℃至400℃之間，壓力保持在0.1托至10托之間。然后，使一氮凈化氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至5秒的時間，以清除未被吸收的鉿源氣體分子。使一臭氧反應(yīng)氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至3秒的時間，以引導(dǎo)所述被吸收的鉿源氣體分子與所述臭氧氣體分子間的反應(yīng)。從所述化學(xué)反應(yīng)可沉積一氧化鉿22的單原子層。接下來，使一氮凈化氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至5秒的時間，以清除未反應(yīng)的臭氧氣體分子及所述反應(yīng)的副產(chǎn)物。
所述順序提供鉿源氣體、氮凈化氣體、臭氧反應(yīng)氣體及氮凈化氣體的步驟構(gòu)成一個單位循環(huán)，該單位循環(huán)被重復(fù)進行y次，以沉積具有所需厚度的氧化鉿層22。除了所述臭氧氣體之外，可使用水及氧等離子體來做為所述氧化劑。也可使用如氬氣的惰性氣體來做為所述凈化氣體。
眾所皆知，所述原子層沉積技術(shù)是以脈沖樣單元(pulse-like unit)來進行。重復(fù)所述單位循環(huán)1，以形成分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-x(Al2O3)x的介電層20，其中以一預(yù)定分子組成系數(shù)均勻地形成所述氧化鉿層22與所述氧化鋁層21。
形成所述具有(HfO2)1-x(Al2O3)x分子結(jié)構(gòu)的介電層20需要有下列條件。首先，重復(fù)n次所述單位循環(huán)1，其中所述單位循環(huán)1包括重復(fù)進行y次(Hf/N2/O3/N2)的循環(huán)以及重復(fù)進行z次(Al/N2/O3/N2)的循環(huán)。但是，特別控制重復(fù)這兩個循環(huán)中每一循環(huán)的次數(shù)，即y及z，使得由所述(Hf/N2/O3/N2)的循環(huán)所形成的氧化鉿層22的厚度以及由所述(Al/N2/O3/N2)的循環(huán)所形成的氧化鋁層21的厚度大約在1埃至10埃的范圍內(nèi)，以便最有效地使氧化鉿及氧化鋁均勻地在一起形成合金。如果每一單原子層的厚度大于約10埃，則每一單原子層會顯示出連續(xù)特性，進而導(dǎo)致相同于傳統(tǒng)氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層的介電特性或者更差的介電特性。
第二，必須適當控制重復(fù)所述兩個循環(huán)的次數(shù)(亦即y及z)的比率，以使所述氧化鋁層21占大約30％至60％的比率，以便通過使所述氧化鉿層22及氧化鋁層21形成合金來形成一非晶形薄介電層，進而獲得一極好的電特性。
圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的HfO2與Al2O3合成介電層的示圖。
如圖所示，通過使Al2O331與HfO232一起均勻形成合金而形成介電層30，使得介電層30具有(HfO2)1-X(Al2O3)x的分子結(jié)構(gòu)，其中x表示分子組成比例。此處，通過利用ALD技術(shù)沉積介電層30。
與圖4中的介電層20不同，因為使用Al與Hf的單分子源氣體進行介電層30的沉積，所以介電層30具有不同的Al2O3與HfO2的合金結(jié)構(gòu)。還進行另一種形式的單位循環(huán)來形成介電層30，該單位循環(huán)使用上述A1與Hf的單分子源氣體。此單位循環(huán)可以下式表示[(Hf-Al)/N2/O3/N2]w單位循環(huán)2這里，Hf-Al代表一單分子源氣體，其中，Hf及Al混合存在于一單分子中。如HfAl(MMP)2(OiPr)5的物質(zhì)是所述鉿與鋁單分子源氣體的一個例子。在此，MMP及OiPr分別代表甲基硫丙醛(methylthiopropionaldehyde)及異丙氧化物(isopropoxides)在第一優(yōu)選實施例中，分別供應(yīng)所述鉿源氣體及鋁源氣體，如在圖5的單位循環(huán)1中所述。然而，在第二優(yōu)選實施例中，使用如單位循環(huán)2中所示的鉿及鋁的單分子源氣體。所述單分子源氣體的使用簡化了供應(yīng)所述源氣體的步驟并進一步縮短了所述整個循環(huán)的全部周期。在混合鉿及鋁以形成一單分子時，可通過控制每一鉿及鋁的比率來控制所述鉿及鋁的組成系數(shù)。
圖7A為顯示在依據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例通過采用原子層沉積技術(shù)形成所述分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X的合成介電層32時將氣體供應(yīng)至一反應(yīng)室的時序圖。圖7B圖為顯示基于Hf-Al單分子源氣體與O3反應(yīng)氣體之間的反應(yīng)形成上述(HfO2)1-X(Al2O3)X分子結(jié)構(gòu)的示圖。
參見圖7A，所述(Hf-Al/N2/O3/N2)w的單位循環(huán)涉及順序提供一Hf-Al單分子源氣體、氮凈化氣體、作為反應(yīng)氣體的臭氧氧化劑及氮凈化氣體的步驟。重復(fù)所述循環(huán)w次，直到分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X的合成介電層32達到一所需厚度為止。在此，“w”為自然數(shù)。
以下將更詳細描述原子層沉積技術(shù)的上述循環(huán)。首先，使維持在室溫的源氣體，例如HfAl(MMP)2(OiPr)5)流入一反應(yīng)室大約0.1秒至約3秒的時間，以使所述HfAl(MMP)2(OiPr)5源氣體被吸收。在此時，使所述反應(yīng)室的溫度保持在大約200℃至350℃之間，壓力保持在大約0.1托至10托之間。接下來，使所述氮凈化氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至5秒的時間，以清除未被吸收的HfAl(MMP)2(OiPr)5分子。之后，使所述臭氧反應(yīng)氣體流入所述反應(yīng)室大約0.1秒至3秒的時間，以引導(dǎo)所述被吸收的HfAl(MMP)2(OiPr)5分子與所述所供應(yīng)的臭氧氣體之間的反應(yīng)。依所述反應(yīng)，可沉積一由所述氧化鉿層32及所述氧化鋁層31所構(gòu)成的(HfO2)1-x(Al2O3)x原子層。使所述氮凈化氣體再次流入所述反應(yīng)室約0.1秒至5秒的時間，以清除所述未反應(yīng)的臭氧及所述反應(yīng)的副產(chǎn)物。圖7B中示出上述結(jié)構(gòu)(HfO2)1-x(Al2O3)x。
重復(fù)w次所述單位循環(huán)2，直到所述氧化鉿及氧化鋁合成介電層32達到所需厚度為止，其中，所述單位循環(huán)2包括順序提供所述HfAl(MMP)2(OiPr)5源氣體、所述氮凈化氣體、所述臭氧反應(yīng)氣體及所述氮凈化氣體的步驟。同時，除了所述臭氧氣體之外，可使用水及氧等離子體作為氧化劑。也可使用如氬的惰性氣體作為所述凈化氣體。
圖8為顯示一HfO2/Al2O3堆疊式介電層、一[A/H/A/H/A/H/A/H/A]疊層介電層及一[HOAOAO]合成層的泄漏電流特性的曲線圖。當上述所列的層被用作一電容器的介電層時，可獲得所述泄漏電流特性。在此，“A”、“H”及“O”代表被用作形成所述所需層的一特定結(jié)構(gòu)的原子或分子。
如圖所示，通過堆疊厚度分別為約20埃和約25埃的氧化鉿及氧化鋁形成所述氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層。所述[A/H/A/H/A/H/A/H/A]疊層是通過交替層疊每個厚度約10埃的氧化鋁及氧化鉿而形成的。所述[HOAOAO]合成層是通過依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例實施所述(Hf/N2/O3/N2)1(Al/N2/O3/N2)2的單位循環(huán)而形成的。
對圖8中所述層的泄漏電流特性來說，更具體地，如同所述氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層，由于所述氧化鋁層的接觸特性，基于所述第一優(yōu)選實施例所形成的[HOAOAO]合成層在一低電源電壓VL情況下顯示出一低泄漏電流特性。同樣地，在所述低電源電壓VL情況下，所述[HOAOAO]合成層顯示出一高起升電壓(take-off voltage)特性。在此，所述起升電壓是指一泄漏電流突然增加的電壓。然而，由于所述氧化鉿的接觸特性明顯優(yōu)于所述氧化鋁的接觸特性，所以在一高電源電壓VH情況下，所述[HOAOAO]合成層顯示出一高擊穿電壓特性。亦即，在所述高電源電壓VH的情況下，所述[HOAOAO]合成層的泄漏電流以平緩斜率來增加。與所述[HOAOAO]合成層相比，所述氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層及所述[A/H/A/H/A/H/A/H/A]疊層的泄漏電流以陡峭斜率急劇地增加。同樣地，在所述相同高電源電壓VH的情況下，所述[HOAOAO]合成層與其它層相比具有一低泄漏電流密度。
所述[HOAOAO]合成層即使在所述高電源電壓VH的情況下仍表現(xiàn)出具有所述特征的泄漏電流特性是因為通常存在于所述氧化鋁層中的負電荷的缺陷及通常存在于所述氧化鉿層中的正電荷的缺陷會彼此補償。因此，與所述氧化鉿及氧化鋁堆疊式介電層相比，所述[HOAOAO]合成介電層在所述低電源電壓VL情況下與所述高電源電壓VH情況下均顯示出極好的泄漏電流特性。
同樣地，在所述[HOAOAO]合成層中，所述氧化鉿層與上電極及下電極的直接接觸被最小化，由此抑制由在所述上電極形成后進行的熱處理所造成的泄漏電流及介電特性的降級。
根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例和第二優(yōu)選實施例，可以制造具有高介電系數(shù)、高擊穿電壓特性與良好漏電流特性的高品質(zhì)的介電層。
應(yīng)注意的是，根據(jù)本發(fā)明的第一和第二優(yōu)選實施例所形成的介電層僅可應(yīng)用于作為電容器的柵極氧化層或介電層。
本申請包含與韓國專利申請KR 2003-0083398相關(guān)的主題，該申請于2003年11月22日向韓國專利局提出申請，在此參考引用其整個內(nèi)容。
雖然已以有關(guān)優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了說明，但是對本專業(yè)技術(shù)人員來說很明顯的是可在不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下進行不同的變化和改進。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置的介電層，包含通過采用原子層沉積技術(shù)而形成氧化鉿與氧化鋁合成介電層。
2.如權(quán)利要求1所述的介電層，其中，所述氧化鉿與氧化鋁分別為HfO2與Al2O3，且所述氧化鉿與氧化鋁合成介電層所具有的分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X，其中，x表示分子組成比例。
3.如權(quán)利要求2所述的介電層，其中，所述HfO2層與所述Al2O3層的每一層的厚度范圍在約1至10的范圍。
4.如權(quán)利要求2所述的介電層，其中，在所述(HfO2)1-X(Al2O3)X分子結(jié)構(gòu)中，表示Al2O3層的分子組成比例的下標x在約0.3至約0.6的范圍。
5.一種制造半導(dǎo)體裝置的介電層的方法，包含下列步驟通過重復(fù)進行原子層沉積技術(shù)的第一循環(huán)，沉積一氧化鉿單原子層；通過重復(fù)進行原子層沉積技術(shù)的第二循環(huán)，沉積一氧化鋁單原子層；及通過重復(fù)進行包含混合所述第一與第二循環(huán)的第三循環(huán)，沉積一由所述氧化鉿單原子層與所述氧化鋁單原子層形成的合成介電層。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述氧化鉿單原子層與氧化鋁單原子層分別為HfO2層與Al2O3層，且所述氧化鉿與氧化鋁合成介電層所具有的分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X，其中，x表示分子組成比例。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述HfO2層與Al2O3層的每一層的厚度在約1至10的范圍。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，控制所述第一循環(huán)與所述第二循環(huán)的比例使表示Al2O3層分子比例的下標x在約0.3至約0.6的范圍。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第一循環(huán)為一單位循環(huán)，其包含順序提供鉿源氣體、凈化氣體、氧化劑與凈化氣體的步驟。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第一循環(huán)為一單位循環(huán)，其包含順序提供鉿源氣體、凈化氣體、氧化劑與凈化氣體的步驟。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述鉿源氣體選自包含HfCl4、Hf(NO3)4、Hf(NCH3C2H5)4、Hf[N(CH3)2]4與Hf[N(C2H5)2]4的組；所述氧化劑為O3、H2O與O2等離子體中的一種；且所述凈化氣體為N2與Ar中的一種。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述鉿源氣體選自包含HfCl4、Hf(NO3)4、Hf(NCH3C2H5)4、Hf[N(CH3)2]4與Hf[N(C2H5)2]4的組；所述氧化劑為O3、H2O與O2等離子體中的一種；且所述凈化氣體為N2與Ar中的一種。
13.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第二循環(huán)為一單位循環(huán)，其包含順序提供鋁源氣體、凈化氣體、氧化劑與凈化氣體的步驟。
14.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第二循環(huán)為一單位循環(huán)，其包含順序提供鋁源氣體、凈化氣體、氧化劑與凈化氣體的步驟。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述鋁源氣體為三甲基鋁(TMA)與改良的TMA(MTMA)中的一種；所述氧化劑為O3、H2O與O2等離子體中的一種；所述凈化氣體為N2與Ar中的一種。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述鋁源氣體為三甲基鋁(TMA)與改良的TMA(MTMA)中的一種；所述氧化劑為O3、H2O與O2等離子體中的一種；所述凈化氣體為N2與Ar中的一種。
17.一種制造由氧化鉿與氧化鋁形成的合成介電層的方法，其包含重復(fù)進行一單位循環(huán)的步驟，所述單位循環(huán)包括順序提供鉿與鋁的單分子源氣體、凈化氣體、氧化劑與凈化氣體。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述氧化鉿層與氧化鋁的命名分別為HfO2與Al2O3，且所述氧化鉿與氧化鋁合成介電層所具有的分子結(jié)構(gòu)為(HfO2)1-X(Al2O3)X，其中x表示分子組成比例。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述鉿與鋁的單分子源氣體為HfAl(MMP)2(OiPr)5；所述氧化劑為O3、H2O與O2等離子體中的一種；且所述凈化氣體為N2與Ar中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化鉿及氧化鋁合成介電層及其制造方法。所述介電層通過采用原子層沉積技術(shù)沉積形成。制造氧化鉿及氧化鋁合成介電層的方法包含下列步驟通過重復(fù)進行原子層沉積技術(shù)的第一循環(huán)沉積氧化鉿單原子層；通過重復(fù)進行原子層沉積技術(shù)的第二循環(huán)沉積氧化鋁單原子層；及通過重復(fù)進行包含混合第一與第二循環(huán)的第三循環(huán)，沉積氧化鉿單原子層與氧化鋁單原子層的介電層。
文檔編號H01L21/316GK1619820SQ200410062628
公開日2005年5月25日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月22日
發(fā)明者吉德信, 盧載盛, 孫賢哲 申請人:海力士半導(dǎo)體有限公司