專(zhuān)利名稱(chēng)：存儲(chǔ)裝置的電容器及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置，更特別地，本發(fā)明涉及存儲(chǔ)裝置的電容器 及其形成方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體裝置表現(xiàn)出對(duì)有限區(qū)域中的精細(xì)圖案不斷增加的需求。在動(dòng)態(tài)隨
機(jī)存取存儲(chǔ)(DRAM)裝置中，單個(gè)晶體管和單個(gè)電容器構(gòu)成了單個(gè)存儲(chǔ)單 元。DRAM裝置設(shè)計(jì)來(lái)使得電容器可以在有限區(qū)域中獲得最大的電容值。在 80納米或更小的DRAM裝置中，獲得所希望的電容值的電容存在問(wèn)題。
為了增加半導(dǎo)體裝置中的電容器的電容值，使用具有高介電常數(shù)的介電 材料來(lái)形成介電層。通過(guò)增加電容器的下電極的有效表面積可以增加介電層 的有效表面積(例如在柱形電容器中)。
電容器的高度越大，則連接到金屬布線(xiàn)的金屬接觸(例如，M1C型金 屬接觸)的高度越大。因此，由于電容器的高度增加，照相和蝕刻工藝的裕 度快速減小，并且很多缺陷可能在形成電容器的過(guò)程中出現(xiàn)。因此，這些問(wèn) 題導(dǎo)致處理產(chǎn)率的降低。
當(dāng)使用高介電常數(shù)的介電材料時(shí)，電極結(jié)構(gòu)可以由通常的硅-絕緣體-硅 (SIS )結(jié)構(gòu)改變?yōu)榻饘?絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)，從而獲得希望的電容值。 但是，介電層的介電特性或電容器的漏電特性可能由于隨后工藝的熱預(yù)算而 容易改變。為了減小泄漏電流，可以通過(guò)添加低介電常數(shù)的介電材料形成復(fù) 合介電層。但是電容器的電容值可得以增加的限度降低。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的 一 個(gè)方面，形成具有晶體管的存儲(chǔ)裝置的電容器的方法包 括在半導(dǎo)體襯底上形成模具層。該模具層在其中形成有孔。緊鄰每個(gè)孔的底 部邊界形成催化金屬層。在催化金屬層上生長(zhǎng)碳納米管。在碳納米管上沉積 介電層。在介電層上沉積上電極以形成電容器。
碳納米管可以基本正交于催化金屬層生長(zhǎng)。
在形成模具層之前，該方法可以還包括在半導(dǎo)體襯底上形成絕緣層以
覆蓋晶體管；以及，形成在絕緣層之下延伸的絕緣層以將半導(dǎo)體襯底電連接 到下電極層。
催化金屬層可以由鎳(Ni)層、鐵(Fe)層或二者形成。
碳納米管可以通過(guò)反應(yīng)氣體與催化金屬層的催化反應(yīng)生長(zhǎng)。反應(yīng)氣體包 括包含乙烯(C2H4)氣體、甲烷(CH4)氣體或二者的碳?xì)浠衔餁怏w。
介電層可以由通過(guò)原子層沉積工藝沉積的氧化鋁層、氧化鉿層、氧化鋯 層、或它們的組合形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，具有晶體管的存儲(chǔ)裝置的電容器包括形成在 半導(dǎo)體襯底上的催化金屬層。生長(zhǎng)在催化金屬層上的多個(gè)碳納米管，使得碳 納米管基本正交于催化金屬層。形成在碳納米管上的介電層，以及在介電層 上形成的上電極。
碳納米管可以直接生長(zhǎng)在催化金屬層上。該電容器還可以包括在半導(dǎo)體 襯底上形成的模具層。該模具層界定至少一個(gè)孔。緊鄰每個(gè)孔的底部邊界和 側(cè)壁并且在碳納米管上形成的下電極層。該電容器還可以包括形成圍繞碳納 米管的周邊的圓柱形側(cè)壁并覆蓋碳納米管和催化金屬層的下電極。
該電容器還可以包括形成在半導(dǎo)體襯底上以覆蓋晶體管的絕緣層，以及 穿透絕緣層以將半導(dǎo)體襯底電連接到下電極層的連4妄接觸。


圖l到圖5是示意性地圖示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的電容器及其 形成方法的剖面圖；以及
圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電容器的示意性平面圖。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，公開(kāi)了一種電容器，其中優(yōu)選地通過(guò)原子層 沉積(ALD)工藝形成高介電常數(shù)的介電層，并且介電層的有效表面積增力口。
電容器可以使用高介電常數(shù)的介電材料形成。例如，該介電材料可以是 介電常數(shù)大約為9的氧化鋁(A1203)、介電常數(shù)大約為50的氧化鉿(Hf02) 或氧化鋯(Zr02)。使用凹模具或模板形成半導(dǎo)體裝置的電容器。阻擋金屬層形成在該模具 或模板之上以基本上防止導(dǎo)電層或用于形成下電極的金屬層的擴(kuò)散。隨后， 在該阻擋金屬層上沉積用于形成碳納米管的催化劑金屬層或籽晶層。在形成 了碳納米管之后，下電極層、介電層和上電極層順序沉積在碳納米管上以實(shí) 現(xiàn)電容器的有效表面積的顯著增加。通過(guò)所得到的電容器的有效表面積，獲 得了高的電容值。
參考圖1,裝置隔離結(jié)構(gòu)(未示出)通過(guò)淺溝槽隔離(STI)技術(shù)形成在
半導(dǎo)體襯底100上以在半導(dǎo)體襯底100上界定有源區(qū)。4冊(cè)極疊層200形成在 有源區(qū)上。每個(gè)柵極疊層200包括柵極氧化層210、導(dǎo)電多晶硅層230、硅 化鴒(WSix)層250、氮化硅蓋層270以及絕緣間隔壁290。完成形成柵極 疊層200之后，進(jìn)行形成源極和漏極的離子注入工藝以形成晶體管。
應(yīng)該理解，在形成其中單個(gè)晶體管和單個(gè)電容器構(gòu)成存儲(chǔ)單元的DRAM 裝置中使用上述晶體管。但是，本發(fā)明可以用于實(shí)現(xiàn)其它類(lèi)型的半導(dǎo)體裝置。
下絕緣層(未示出)沉積來(lái)填充柵極疊層200之間的間隙。包括導(dǎo)電材 料層(例如，導(dǎo)電多晶硅層)的接觸墊310形成來(lái)穿透下絕緣層。絕緣層間 層400形成來(lái)覆蓋接觸墊310。連接接觸450形成來(lái)穿透絕緣層間層400從 而與接觸墊310對(duì)齊。連接接觸450變?yōu)檫B接到電容器的下電極，并且包括 導(dǎo)電材料層(例如，導(dǎo)電多晶硅層)。雖然未示出，但是應(yīng)該理解，可以另 外進(jìn)行位線(xiàn)形成工藝，使得連接接觸450通過(guò)位線(xiàn)與接觸墊310對(duì)齊。
模具層500形成在絕緣層間層400上以賦予電容器的下電極的三維結(jié) 構(gòu)，比如柱狀結(jié)構(gòu)?？?10形成得穿過(guò)模具層500以與連接接觸450對(duì)齊。 可以理解，模具層500可以是在隨后的工藝中將被去除的犧牲層或用于隔離 和絕緣電容器的絕緣層。因此，模具層500可以由氧化硅層形成，比如 PE-TEOS氧化層?？梢岳斫猓＞邔?00是用于使電容器的下電極具有柱狀 的結(jié)構(gòu)。
籽晶層或催化金屬層610形成在連接接觸450上以形成每個(gè)孔501的底 邊界。催化金屬層610可以由在形成碳納米管的反應(yīng)中可作為反應(yīng)催化劑的 過(guò)渡金屬層形成。例如，催化金屬層610可以通過(guò)沉積鎳(Ni)層而形成。 或者，可以沉積鐵(Fe)層來(lái)形成催化金屬層610以取代鎳層?；蛘撸呋?金屬層610可以由組合鐵、鎳、鈷(Co)或鈦(Ti)所獲得的合金層形成。 例如，催化金屬層610可以由鐵-鎳二元系合金層、鐵-鎳-鈷三元系合金層、
鐵-鎳-鈷-鈦四元系合金層或鐵-鎳-鈦三元系合金層形成。
催化金屬層610被選擇性地沉積在連接接觸450上以形成每個(gè)孔501的 底部邊界，從而不會(huì)延伸到每個(gè)孔501的側(cè)壁。因此，為了防止催化金屬層 610被沉積在每個(gè)孔501的側(cè)壁上，催化金屬層610可以通過(guò)具有較差臺(tái)階 覆蓋性的方法(例如，濺射方法)沉積。或者，為了限制在每個(gè)孔501的底 部邊界處、連接接觸450上的催化金屬層610的形成范圍，在連接接觸450 上沉積和構(gòu)圖催化金屬層610之后形成模具層500。
參考圖2,將反應(yīng)氣體(例如，碳?xì)浠衔餁怏w)提供到催化金屬層610 上，使得碳納米管630通過(guò)該碳?xì)浠衔餁怏w由于催化金屬層610的催化反 應(yīng)形成在催化金屬層610上。碳納米管630基本上與催化金屬層610正交地 形成。碳?xì)浠衔餁怏w的示例可以包括乙炔(C2H2)氣體、乙烯(C2H4)氣 體、丙稀氣體、丙烷氣體和甲烷(CH4)氣體，它們具有20以下的碳單元并 且能夠提供碳二聚物。優(yōu)選地，使用由于三鍵具有較高非飽和度的乙炔。
除了碳?xì)浠衔餁怏w以外，比如氫氣(H2)或氬氣(Ar)的惰性氣體可 以用作載氣。稀釋的氫化物氣體可以隨同反應(yīng)氣體提供。為了促進(jìn)形成碳納 米管的反應(yīng)，處理腔維持在大約200托的壓強(qiáng)以及300 ~ 400'C的溫度。
碳?xì)浠衔餁怏w通過(guò)熱分解反應(yīng)產(chǎn)生碳單元，并且所產(chǎn)生的碳單元吸附 到催化金屬層610的表面上以在催化金屬層610的表面中擴(kuò)散或擴(kuò)散到催化 金屬層610內(nèi)。碳單元在催化金屬層610的表面中或在催化金屬層610中轉(zhuǎn) 化為碳二聚物(OC)。如果催化金屬層610中的碳二聚物達(dá)到超飽和狀態(tài)， 則碳二聚物在催化金屬層610的表面中彼此相互反應(yīng)以產(chǎn)生從上方觀看具有 環(huán)形六邊形的重復(fù)的蜂巢結(jié)構(gòu)。
如果碳二聚物被連續(xù)地提供到催化金屬層610中，則碳納米管630以蜂 巢結(jié)構(gòu)合成和形成在催化金屬層610上。具體而言，碳納米管630形成來(lái)與 催化金屬層610基本上正交。反應(yīng)氣體除碳?xì)浠衔餁怏w之外還可以包括氨 氣(NH3)?？梢岳斫?，氨氣用于促進(jìn)碳納米管630基本正交的取向。
如圖2所示，多個(gè)碳納米管630與催化金屬層610基本正交地形成在每 個(gè)孔501中?？梢岳斫?，碳納米管630可以具有從幾個(gè)到幾十納米的直徑和 從直徑的幾十到幾百倍的長(zhǎng)度。
參考圖3，下電極層650形成來(lái)緊鄰每個(gè)孔501的底部邊界和側(cè)壁并且 覆蓋碳納米管630。例如，在沿著每個(gè)孔501的輪廓形成了導(dǎo)電層之后，通
過(guò)比如回蝕刻或化學(xué)M幾械拋光(CMP)工藝的去除工藝分離下電^L,以對(duì) 于每個(gè)連接接觸450制造基本柱形的單個(gè)下電極。換言之，下電極層650形 成來(lái)制造圍繞碳納米管630的周邊的柱形的側(cè)壁，同時(shí)覆蓋碳納米管630和 催化金屬層610。
上述下電極層650可以通過(guò)ALD工藝沉積以實(shí)現(xiàn)好的階梯覆蓋性。下 電極層650可以由各種導(dǎo)電材料制成，并且更具體而言，可以由氮化鈦(TiN) 層形成?；蛘?，下電極層650可以由鈦/氮化鈦層形成，或者可以由氮化鎢 (WN)、氮化鉭(TaN)、鉑(Pt)、或釕(Ru)層等形成。
如果情況需要，可以省略下電極層650。由于基本正交取向的碳納米管 630可以具有垂直的導(dǎo)電路徑，即，長(zhǎng)度方向的導(dǎo)電路徑，碳納米管630和 在下的催化金屬層610可以構(gòu)成電容器的下電極。
參考圖4，介電層700形成在下電極層650上以遵循由每個(gè)孔501和碳 納米管630界定的三維輪廓。由于碳納米管630以從底部邊界基本正交的方 向形成在每個(gè)孔501的底部邊界，所以介電層700的有效表面積由于碳納米 管630增加。
介電層700由高介電常數(shù)的介電材料制成。例如，介電層700可以由氧 化鋯(Zr02)層形成。氧化鋯層通過(guò)ALD工藝以良好的階梯覆蓋性沿著三 維輪廓沉積。ALD工藝中使用的鋯源可以包括由結(jié)合有機(jī)配體到鋯原子形 成的前驅(qū)體，比如Zr[N(CH3)]4、 Zr[N(CH2CH3、]、 Zr[N(CH3)(CH2CH3)]4、 Zr[N(CH3)2(CH2CH3)2]4等。
上述前驅(qū)體可以在相當(dāng)高的溫度例如在高于大約320°C的溫度熱分解。 當(dāng)鋯源熱分解時(shí)，可以發(fā)生化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝而非ALD工藝。為 了防止出現(xiàn)CVD工藝，優(yōu)選的是沉積溫度低于上述溫度(例如，在大約250 到320。C的范圍內(nèi))。但是，當(dāng)氧化鋯通過(guò)ALD工藝在上述低溫沉積時(shí)，實(shí) 現(xiàn)了相對(duì)低的結(jié)晶，這使得難于獲得所希望的高介電常數(shù)。
因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，進(jìn)行額外的熱處理或結(jié)晶處理以改進(jìn)包括 氧化鋯層的介電層700的結(jié)晶。
雖然介電層700可以由單個(gè)氧化鋯層形成，但是它也可以由比如包括氧 化鋁(A1203 )層和氧化鋯(Zr02)層等的三層的復(fù)合層形成，以獲得更大 的電容值并改進(jìn)漏電特性。A1203/ Zr02疊層結(jié)構(gòu)對(duì)于改進(jìn)漏電特性是有效 的。就批量生產(chǎn)而言，優(yōu)選在相同的處理腔中通過(guò)原位過(guò)程順序進(jìn)行沉積氧
化鋯(Zr02)、氧化鋁(A1203 )和氧化鋯(Zr02)的ALD工藝。
在上述ALD工藝中，鋁源可以包括A1(CH3)3。氧化《告的ALD沉積和氧
化鋁的ALD沉積所需要的氧源可以包括臭氧、水蒸汽(H20)等。
除了上述氧化鋁層或氧化鋯層之外，介電層700可以形成來(lái)具有包括氧
化鉿(Hf02)層的單層或復(fù)合層。仍然優(yōu)選的是使用ALD工藝以獲得改進(jìn)
的階梯覆蓋性。
參考圖5，上電極800形成在介電層700上以完成電容器。上電極800 可以通過(guò)ALD工藝形成以包括比如氮化鈦層的金屬層?；蛘?，上電極800 可以由氮化鴒(WN)、氮化鉭(TaN)、柏(Pt)、或釕(Ru)層等形成。同 時(shí)，包括多晶硅層的蓋電極層850可以額外地提供在上電極800上。
如上述描述清楚的，根據(jù)本發(fā)明，碳納米管優(yōu)選地與半導(dǎo)體襯底正交地 取向從而增加介電層的有效表面積。這具有增加電容器的電容值的效果。
雖然為了說(shuō)明的目的已經(jīng)公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員將理解，不脫離權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍可以進(jìn)行各 種修改、添加和替換。
本申請(qǐng)要求2006年6月29日遞交的韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第10-2006-059917號(hào) 的優(yōu)先權(quán)，將該申請(qǐng)全文引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1、一種形成具有晶體管的存儲(chǔ)裝置的電容器的方法，所述方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成模具層，所述模具層在其中形成有孔；緊鄰每個(gè)孔的底部邊界形成催化金屬層；在所述催化金屬層上生長(zhǎng)碳納米管；在所述碳納米管上沉積介電層；以及在所述介電層上沉積上電極以形成電容器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述碳納米管基本正交于所述催化金 屬層生長(zhǎng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，還包括在每個(gè)孔的底部邊界和側(cè)壁上、直接在所述催化金屬層上和所述碳納米 管上形成導(dǎo)電下電極。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，還包括在所述半導(dǎo)體襯底上方形成絕緣層以覆蓋所述晶體管；以及 形成在所述絕緣層之下延伸的連接接觸以將所述半導(dǎo)體襯底電連接到 所述下電極層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述催化金屬層包括鎳層、鐵層或二者。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述催化金屬層包括鐵-鎳二元系合金 層、鐵-鎳-鈷三元系合金層、鐵-鎳-鈷-鈦四元系合金層或鐵-鎳-鈦三元系合金層、或它們的組合。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述碳納米管通過(guò)反應(yīng)氣體與所述催 化金屬層的催化反應(yīng)生長(zhǎng)，其中所述反應(yīng)氣體包括包含乙烯氣體、曱烷氣體 或二者的碳?xì)浠衔餁怏w。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述碳納米管通過(guò)反應(yīng)氣體與所述催 化金屬層的催化反應(yīng)生長(zhǎng)，其中所述反應(yīng)氣體包括氨氣。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述反應(yīng)氣體包括作為載氣的惰性氣體。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述介電層包括通過(guò)原子層沉積工藝 沉積的氧化鋁層、氧化鉿層、氧化鋯層、或它們的組合。
11、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述沉積所述介電層包括通過(guò)原子層沉積在相同的處理腔中于第 一溫度沉積氧化鋯層、氧化鋁層 和氧化鋯層以形成復(fù)合層；以及在高于所述第一溫度的第二溫度對(duì)所述復(fù)合層進(jìn)行熱處理以增強(qiáng)所述 復(fù)合層的結(jié)晶。12、 一種具有晶體管的存儲(chǔ)裝置的電容器，包括 形成在半導(dǎo)體襯底上的催化金屬層；生長(zhǎng)在所述催化金屬層上的多個(gè)碳納米管，其中所述碳納米管基本正交 于所述催化金屬層；形成在所述碳納米管上的介電層；以及 形成在所述介電層上的上電極。13、 根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，其中所述碳納米管直接生長(zhǎng)在所述催 化金屬層上，所述電容器還包括在半導(dǎo)體襯底上形成的模具層，所述模具層界定至少一個(gè)孔；以及 緊鄰每個(gè)孔的底部邊界和側(cè)壁并且在所述碳納米管上形成的下電極層。14、 根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，還包括形成圍繞所述碳納米管的周邊的柱形側(cè)壁并覆蓋所述碳納米管和所述 催化金屬層的下電極層。15、 根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，還包括 形成在所述半導(dǎo)體襯底上以覆蓋所述晶體管的絕緣層；以及穿透所述絕緣層以將所述半導(dǎo)體村底電連接到所述下電極層的連接接觸。16、 根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，其中所述催化金屬層包括鎳層、鐵層或^者。17、 根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，其中所述催化金屬層包括鐵-鎳二元系 合金層、鐵-鎳-鈷三元系合金層、鐵-鎳-鈷-鈦四元系合金層或鐵-鎳-鈦三元 系合金層、或它們的組合。18、 根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，其中所述介電層包括通過(guò)原子層沉積 工藝沉積的氧化鋁層、氧化鉿層、氧化鋯層或它們的組合。19、 根據(jù)權(quán)利要求12的電容器，其中所述介電層包括復(fù)合層，所述復(fù) 合層包括通過(guò)原子層沉積工藝沉積的氧化鋯層、氧化鋁層和氧化鋯層。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種存儲(chǔ)裝置的電容器及其形成方法。存儲(chǔ)裝置的電容器形成在其上具有晶體管的半導(dǎo)體襯底上。在半導(dǎo)體襯底上形成了其中界定了孔的模具層。催化金屬層緊鄰每個(gè)孔的底部邊界形成。反應(yīng)氣體提供到催化金屬層以通過(guò)與催化金屬層的催化反應(yīng)形成碳納米管。在形成緊鄰每個(gè)孔的底部邊界和側(cè)壁和在碳納米管上的下電極之后，在下電極上沉積介電層。上電極形成在介電層上以形成電連接到晶體管的介電層。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101097889SQ20071009161
公開(kāi)日2008年1月2日 申請(qǐng)日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月29日
發(fā)明者吳在敏 申請(qǐng)人:海力士半導(dǎo)體有限公司