專利名稱：一種制作半導(dǎo)體電容元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體電容元件的制作方法，特別涉及一種在半導(dǎo)體電
容元件的碳電極表面形成一高介電常數(shù)(high-k)電容介電層的方法。
背景技術(shù)：
目前，已有人為了更先進(jìn)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器工藝上的需要，持續(xù)研究并嘗試 利用具導(dǎo)電性及熱穩(wěn)定性的碳元素作為電容的上或下電極，例如，金屬-絕 緣體-碳(metal-insulator-carbon ,簡(jiǎn)稱MIC)電容、碳-絕緣體-碳 (carbon-insulator-carbon ， 簡(jiǎn)稱 CIC)電容或多晶硅-絕緣體-碳 (polysilicon-insulator-carbon，簡(jiǎn)稱SIC)電容等結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合高介電常數(shù) (high-k)電容介電層，例如，氧化鉿(Hf02)等金屬氧化物，由此提高電容值以 及元件的可靠度。
然而，要將碳元素及高介電常數(shù)金屬氧化物這類先進(jìn)電容材料與半導(dǎo)體 前段工藝集成仍有些許困難，需要進(jìn)一步的克服與改善。舉例來說，為了獲 得高品質(zhì)的高介電常數(shù)金屬氧化物，在沉積時(shí)需要使用臭氧(ozone)作為氧化 劑，但是另一方面臭氧卻會(huì)侵蝕已形成在半導(dǎo)體基材表面上的碳電極。因此， 如何在碳電極上形成高品質(zhì)、高介電常數(shù)金屬氧化物，同時(shí)不影響到碳電極 本身，便成為目前半導(dǎo)體存儲(chǔ)器工藝技術(shù)上有待突破的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在提供一種在電容的碳電極表面形成高品質(zhì)、高介電 常數(shù)電容介電層的方法，可以解決已知技藝的不足與缺點(diǎn)。
為達(dá)前述目的，本發(fā)明提供一種制作半導(dǎo)體電容元件的方法，包含有提 供一基底；在該基底上形成一碳電極層；進(jìn)行一第一原子層沉積工藝，在該 碳電極層的表面沉積一中間過渡阻障層；進(jìn)行一第二原子層沉積工藝，在該 中間過渡阻障層上沉積一金屬氧化層，其中該金屬氧化層與該中間過渡阻障 層反應(yīng)形成一電容介電層；以及于該電容介電層上形成一電容上電極。根據(jù)本發(fā)明的 一優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一種制作半導(dǎo)體電容元件的方
法，包含有提供一基底；在該基底上形成一碳電極層；在該碳電極層的表面 沉積一介電層；進(jìn)行一原子層沉積工藝，在該介電層上沉積一金屬氧化層， 其中該金屬氧化層與該介電層構(gòu)成一電容介電層；以及在該金屬氧化層上形 成一電容上電才及。
為讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實(shí) 施方式，并配合所附圖示，作詳細(xì)說明如下。然而如下的優(yōu)選實(shí)施方式與圖 示僅供參考與說明用，并非用來對(duì)本發(fā)明加以限制者。


圖1至圖5為依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例一種制作半導(dǎo)體電容元件方法 所繪示的剖面示意圖。
圖6至圖9為依據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例一種制作半導(dǎo)體電容元件方法 所繪示的剖面示意圖。
附圖標(biāo)記說明
1 半導(dǎo)體電容元件 10 基底
14 中間過渡阻障層 18 金屬氮氧層 24 介電層
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1至圖5,其為依據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例一種制作半導(dǎo)體電 容元件方法所繪示的剖面示意圖。如圖1所示，首先提供一基底IO,例如， 硅基底，其上形成有 一碳電極層12,其主要是作為本發(fā)明實(shí)施例的下電極層。 另外，在基底IO上可以形成有其它介電層或元件(圖未示)。其中，碳電極層 12可以利用已知的方法來形成，例如，以乙烯(C2H4)為前驅(qū)體，通入高溫爐 管以形成碳電極12。碳電極層12主要由可導(dǎo)電的碳元素型態(tài)所構(gòu)成，例如， SP2鍵結(jié)的碳元素，其厚度約介于l腿 1000nm。
如圖2所示，在基底IO上形成碳電極層12之后，接著進(jìn)行一沉積工藝，
la 半導(dǎo)體電容元件
12 碳電極層
16 金屬氧化層
20 上電極層例如是一原子層沉積(atomic layer exposition,簡(jiǎn)稱ALD),在碳電極層12表 面沉積一 中間過渡阻障層(transitional barrier layer) 14，并且中間過渡阻障層 14需將碳電極層12表面完全覆蓋住。根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例，中間過 渡阻障層14為利用ALD工藝所形成的金屬氮化物，例如，氮化鋁(aluminum nitride)、氮4b4旦(tantalum nitride) 、 fU匕4太(titanium nitride)、氮4匕4告(zirconium nitride)、 氮化鉿(hafnium nitride)、 氮化鑭(lanthanum nitride)、 氮化鈰(cerium nitride)等。
以氮化鉿為例，為了能夠?qū)⑻茧姌O層12表面完全覆蓋住，通常需進(jìn)行3 至5次的ALD循環(huán)，在碳電極層12表面沉積1.8埃(angstrom)至3.0埃的氮 化鉿(每次的ALD循環(huán)約能在碳電極層12表面沉積0.6埃左右的氮化鉿)。 但需注意中間過渡阻障層14另一方面不能過厚，以免無法與后續(xù)沉積的金 屬氧化層完全反應(yīng)，因此，建議優(yōu)選為少于10次的ALD循環(huán)(<10 ALD cycles)。
前述用來沉積中間過渡阻障層14的ALD循環(huán)包括以下四個(gè)基本步驟 (1)在反應(yīng)器中通入有機(jī)金屬前驅(qū)體(organic metal precursor)氣體一段時(shí)間， 先使有機(jī)金屬前驅(qū)體吸附在基材表面；(2)然后以惰性氣體，例如氬氣，吹 除反應(yīng)器內(nèi)多余的有機(jī)金屬前驅(qū)體；(3)然后在反應(yīng)器中通入氨氣，使氨氣 與吸附在基材表面的有機(jī)金屬前驅(qū)體反應(yīng)成氮化金屬層；以及(4)再次以惰 性氣體，例如氬氣，進(jìn)行吹除。之后數(shù)次的ALD循環(huán)會(huì)重復(fù)進(jìn)行以上四個(gè) 步驟。
如圖3所示，在碳電極層12表面沉積中間過渡阻障層14之后，接著利 用ALD工藝，在中間過渡阻障層14表面沉積一金屬氧化層16，例如，氧 4匕^呂(aluminum oxide)、 氧4匕鉭(tantalum oxide)、 氧4匕4太(titanium oxide)、 氧 4匕4告(zirconium oxide)、氧4匕《合(hafnium oxide)、氧4b鑭(lanthanum oxide)、氧 化鈰(cerium oxide)等。金屬氧化層16需具有高介電常數(shù)，用來作為電容介 電層，舉例來說，氧化鉿(Hf02)的介電常數(shù)k約為25。在形成金屬氧化層16 的過程中，是利用重復(fù)ALD循環(huán)的方式，直到金屬氧化層16形成至所需的 厚度為止，金屬氧化層16的厚度例如是lnm 20nm。
前述用來沉積金屬氧化層16的ALD循環(huán)包括以下四個(gè)基本步驟(1)在 反應(yīng)器中通入有機(jī)金屬前驅(qū)體氣體一段時(shí)間，先使有機(jī)金屬前驅(qū)體吸附在基 材表面；(2)然后以惰性氣體，例如氬氣，吹除反應(yīng)器內(nèi)多余的有機(jī)金屬前驅(qū)體；(3)然后在反應(yīng)器中通入臭氧，使臭氧與吸附在基材表面的有機(jī)金屬 前驅(qū)體反應(yīng)成金屬氧化物；以及(4)再次以惰性氣體，例如氬氣，進(jìn)行吹除。
之后數(shù)次的ALD循環(huán)會(huì)重復(fù)進(jìn)行以上四個(gè)步驟。
由于在沉積金屬氧化層16過程中，碳電極層12表面已有中間過渡阻障 層14保護(hù)住，因此在沉積金屬氧化層16時(shí)所使用到的臭氧不會(huì)影響到碳電 極層12。根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例，中間過渡阻障層14與金屬氧化層16 的沉積可以在同一反應(yīng)器中進(jìn)行，通過導(dǎo)入不同的反應(yīng)氣體，即可分別沉積 不同的材料層。此外，優(yōu)選者，沉積中間過渡阻障層14與金屬氧化層16建 議采用同樣的有機(jī)金屬前驅(qū)體氣體。
如圖4所示，利用沉積金屬氧化層16過程中的高溫環(huán)境(200。C 60(TC)， 可以使金屬氧化層16與其下方的中間過渡阻障層14反應(yīng)形成一金屬氮氧層 (metal oxy-nitride layer)18,例如，鉿氮氧層(HfON)，其厚度建議小于20納 米(nanometer)。根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例，金屬氮氧層18的介電常數(shù)高 于金屬氧化層16的介電常數(shù)。
如圖5所示，然后在金屬氮氧層18上形成一上電極層20，其可以為碳 電極、金屬電極或者多晶硅電極，如此即完成本發(fā)明半導(dǎo)體電容元件1的制 作。其中，根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例，半導(dǎo)體電容元件1包含作為電容下 電極的碳電極層12、作為電容介電層的金屬氮氧層18,以及上電極層20。
請(qǐng)參閱圖6至圖9,其為依據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例所繪示的剖面示意 圖，其中沿用相同符號(hào)表示相同的部位或區(qū)域。如圖6所示，首先提供一基 底10，例如，硅基底，其上形成有一碳電極層12作為本發(fā)明實(shí)施例的下電 極層。另外，在基底IO上可以形成有其它介電層或元件(圖未示)。其中，碳 電極層12可以利用已知的方法來形成，例如，以乙烯(C2H4)為前驅(qū)體，通入 高溫爐管以形成碳電極12。碳電極層12主要由可導(dǎo)電的碳元素型態(tài)所構(gòu)成， 例如，SP2 4建結(jié)的碳元素，其厚度約介于lnm 1000nm。
如圖7所示，在基底IO上形成碳電極層12之后，接著進(jìn)行一化學(xué)氣相 沉積工藝，在碳電極層12表面沉積一介電層24,并且介電層24需將碳電極 層12表面完全覆蓋住。根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例，介電層24優(yōu)選為氮化 硅、氧化硅或其它適合的高介電常數(shù)材料。。
如圖8所示，在碳電極層12表面沉積介電層24之后，接著利用ALD 工藝，在介電層24表面沉積一金屬氧化層16，例如，氧化鋁(aluminum oxide)、氧化但(tantalum oxide)、氧化鐵(titanium oxide)、氧化錯(cuò)(zirconium oxide)、氧 4b《合(hafnium oxide)、 氧4b4闌(lanthanum oxide)、 氧4匕4市(cerium oxide)等。金 屬氧化層16需具有高介電常數(shù)，用來作為電容介電層，舉例來說，氧化鉿 (Hf02)的介電常數(shù)k約為25。在形成金屬氧化層16的過程中，是利用重復(fù) ALD循環(huán)的方式，直到金屬氧化層16形成至所需的厚度為止，金屬氧化層 16的厚度例如是lnm 20nm。
前述用來沉積金屬氧化層16的ALD循環(huán)包括以下四個(gè)基本步驟(1)在 反應(yīng)器中通入有機(jī)金屬前驅(qū)體氣體一段時(shí)間，先使有機(jī)金屬前驅(qū)體吸附在基 材表面；(2)然后以惰性氣體，例如氬氣，吹除反應(yīng)器內(nèi)多余的有機(jī)金屬前 驅(qū)體；(3)然后在反應(yīng)器中通入臭氧，使臭氧與吸附在基材表面的有機(jī)金屬 前驅(qū)體反應(yīng)成金屬氧化物；以及(4)再次以惰性氣體，例如氬氣，進(jìn)行吹除。 之后數(shù)次的ALD循環(huán)會(huì)重復(fù)進(jìn)行以上四個(gè)步驟。
由于在沉積金屬氧化層16過程中，碳電極層12表面已有介電層24保 護(hù)住，因此在沉積金屬氧化層16時(shí)所使用到的臭氧不會(huì)影響到碳電極層12。
如圖9所示，然后在金屬氧化層16上形成一上電極層20,其可以為碳 電極、金屬電極或者多晶硅電極，如此即完成本發(fā)明半導(dǎo)體電容元件la的 制作。其中，根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例，半導(dǎo)體電容元件la包含作為電 容下電極的碳電極層12、作為電容介電層的金屬氧化層16、上電極層20， 以及介于金屬氧化層16與上電極層20之間的介電層24。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的等同變 化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，包含有形成下電極層在基底上；進(jìn)行第一沉積工藝，沉積中間過渡阻障層在該下電極層的表面；進(jìn)行第二沉積工藝，沉積金屬氧化層在該中間過渡阻障層上，其中該金屬氧化層與該中間過渡阻障層反應(yīng)形成電容介電層；以及形成電容上電極在該電容介電層上。
2. 如權(quán)利要求1所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，該 中間過渡阻障層包含有金屬氮化物。
3. 如權(quán)利要求2所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，該 金屬氮化物選自以下材料氮化鋁、氮化鉭、氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化鑭、氮化鈰。
4. 如權(quán)利要求2所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，該 金屬氧化層選自以下材料氧化鋁、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氧 化鑭、氧化鈰。
5. 如權(quán)利要求4所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，該金 屬氮化物和該金屬氧化物具有相同金屬元素。
6. 如權(quán)利要求1所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，該 電容介電層包含有金屬氮氧層。
7. 如權(quán)利要求4所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，該 第二沉積工藝使用臭氧。
8. 如權(quán)利要求1所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，該下 電極層為碳電極層。
9. 如權(quán)利要求1所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，該第 一沉積工藝包括原子層沉積工藝。
10. 如權(quán)利要求9所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，該 第二沉積工藝包括原子層沉積工藝。
11. 一種制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，包含有 形成下電極層于基底上； 沉積介電層于該下電極層的表面；進(jìn)行一原子層沉積工藝，沉積金屬氧化層于該介電層上；以及 形成電容上電極于該金屬氧化層上。
12. 如權(quán)利要求11所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于， 該金屬氧化層選自以下材料氧化鋁、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、 氧化鑭、氧化鈰。
13. 如權(quán)利要求12所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于， 該原子層沉積工藝使用臭氧。
14. 如權(quán)利要求11所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于， 該介電層包含有氮化硅、氧化硅。
15. 如權(quán)利要求11所述的制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其特征在于，該 下電極層為碳電極層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制作半導(dǎo)體電容元件的方法，其包含有提供一基底；在該基底上形成一碳電極層；進(jìn)行一第一原子層沉積工藝，在該碳電極層的表面沉積一中間過渡阻障層；進(jìn)行一第二原子層沉積工藝，在該中間過渡阻障層上沉積一金屬氧化層，其中該金屬氧化層與該中間過渡阻障層反應(yīng)形成一電容介電層；以及在該電容介電層上形成一電容上電極。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101604626SQ20081012546
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者聶鑫譽(yù), 謝君毅, 黃才育 申請(qǐng)人:南亞科技股份有限公司