專利名稱：半導(dǎo)體器件的電容器及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的電容器及其形成方法。
隨著半導(dǎo)體器件更加高度集成，有必要減小電容器占用的面積，但這樣會(huì)降低電容。要解決這個(gè)問題，可以改變電容器的結(jié)構(gòu)或使用高介電常數(shù)的材料。例如，有人提出一種使用比通常用做動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的氧化物/氮化物/氧化物(ONO)層結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)高的Ta2O5介質(zhì)層或(Ba,Sr)TiO3(BST)介質(zhì)層的方法。
然而，完成該方法需要復(fù)雜的工藝。通常的電容器結(jié)構(gòu)為硅/絕緣體/硅(SIS)層結(jié)構(gòu)，其中摻有雜質(zhì)的多晶硅層用做平板和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。然而，對(duì)于使用Ta2O5層的情況需要金屬/絕緣體/硅(MIS)層或金屬/絕緣體/金屬(MIM)層結(jié)構(gòu)，對(duì)于使用BST層的情況需要MIM層結(jié)構(gòu)。就是說，電容器的結(jié)構(gòu)必須改變。
如果使用Ta2O5層，那么為了克服低臺(tái)階覆蓋，必須在低溫下使用化學(xué)汽相淀積(CVD)形成層，這是一種表面動(dòng)力規(guī)范，能引起氧氣不足、剩余的碳化氫殘留在層中或結(jié)晶退化。由此，介電常數(shù)降低，絕緣特性變差。因此，要克服這些問題，需要附加高溫下干O2退火工藝。此外，還公開了一種使用干退火工藝產(chǎn)生的Ta2O5層下的氧化層補(bǔ)償Ta2O5層的絕緣特性的方法(Y.Ohyi,“Ta2O5 Capacitor Dielectric Material for Giga-bit DRAMs”,IEDM Tech.Dig.,1994.p831)。
同時(shí)，晶界處原子排列的不連續(xù)很容易引起擴(kuò)散。因此，當(dāng)形成厚氧化層以補(bǔ)償Ta2O5層的漏電流特性時(shí)，到晶界內(nèi)的氧氣擴(kuò)散增加，由此氧化了平板節(jié)點(diǎn)。因此，在Ta2O5層和電容器的平板節(jié)點(diǎn)之間需要防止反應(yīng)層，以防止Ta2O5層與平板節(jié)點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)(US專利No.4,891,684)。
同時(shí)，為了得到優(yōu)良的漏電流特性，必須在BST層和電極之間形成肖特基阻擋層。為了形成肖特基阻擋層，電極應(yīng)由如金屬等的高功函數(shù)的材料形成，(Soon Oh Park,“Fabrication and Electrical Characterizationof Pt/(Ba,Sr)TiO3/Pt Capacitors for Ultralarge-scale Integrated DynamicRandom Access Memory Applications”,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.35,1996,p1548～1552)。為了使用金屬電極，必須在金屬電極和摻有雜質(zhì)的多晶硅層之間的界面上形成歐姆接觸。就是說，必須形成形成有歐姆接觸的中間層，并且必須使用阻擋層。
如Ta2O5層或BST層的高介電常數(shù)的材料層需要復(fù)雜的工藝和結(jié)構(gòu)，即需要將電容器的結(jié)構(gòu)改變?yōu)镸IM或MIS結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種半導(dǎo)體器件的電容器，使用含硅的導(dǎo)電層作為存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以增加電容。
本發(fā)明的另一目的是提供一種形成半導(dǎo)體器件的電容器的方法，使用含硅的導(dǎo)電層作為存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以增加電容。
因此，要達(dá)到第一目的，本發(fā)明的電容器包括存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、介質(zhì)層和平板節(jié)點(diǎn)。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)為含硅的導(dǎo)電層，例如摻有雜質(zhì)的多晶硅層。此外，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)為選自由堆疊型、半球晶粒的硅層型和柱型構(gòu)成的組中的一種三維結(jié)構(gòu)。
由非晶Al2O3形成的介質(zhì)層形成在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上。這里，由每個(gè)源提供的汽相反應(yīng)材料傳輸?shù)诫S后進(jìn)行反應(yīng)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)形成非晶Al2O3層。使用原子層淀積法，介質(zhì)層的厚度為10～300埃，非晶Al2O3介質(zhì)層的厚度為40～70埃。此外，防止反應(yīng)層由選自氧化硅、氮化硅和氮氧化硅層構(gòu)成的組中的一個(gè)形成。
平板節(jié)點(diǎn)形成在介質(zhì)層上。這里，平板節(jié)點(diǎn)由選自摻有雜質(zhì)的多晶硅、WSi2、MoSi2、TaSi2、TiSi2、W、Mo、Ta、Cr和TiN構(gòu)成的組中的一種導(dǎo)電層形成。
要達(dá)到第二目的，在本發(fā)明中，形成了存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。這里，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)為摻有雜質(zhì)的多晶硅層，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)為選自由堆疊型、半球晶粒的硅層型和柱型構(gòu)成的組中的一種三維結(jié)構(gòu)。
然后，在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上形成非晶Al2O3層構(gòu)成的介質(zhì)層。這里，在形成介質(zhì)層的步驟(b)之前還進(jìn)行存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上形成防止反應(yīng)層的步驟。此時(shí)，防止反應(yīng)層在300～1200℃下通過退火存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)形成。具體地，使用如NH3氣體等的N2源作為環(huán)境氣體在約900℃下進(jìn)行快速熱氮化(RTN)工藝。因此，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的防止反應(yīng)層可以由氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)或氮氧化硅(SiON)形成。
此外，通過來自幾個(gè)源的每一個(gè)的反應(yīng)汽相材料依次提供到將與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)反應(yīng)的層上，通過例如原子層淀積(ALD)法循環(huán)進(jìn)行淀積反應(yīng)，形成10～300埃的非晶Al2O3層。具體地，形成40～80埃的非晶Al2O3層。這里，使用選自由Al(CH3)3和AlCl3構(gòu)成的組中的一個(gè)作為鋁源進(jìn)行原子層淀積法，在進(jìn)行原子層淀積法之前通過氫氣鈍化處理存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。
然后，在介質(zhì)層上形成平板電極。這里，平板節(jié)點(diǎn)由選自摻有雜質(zhì)的多晶硅、WSi2、MoSi2、TaSi2、TiSi2、W、Mo、Ta、Cr和TiN構(gòu)成的組中的一種導(dǎo)電層形成。此外，在形成平板節(jié)點(diǎn)的步驟(c)之后，在低于非晶Al2O3層的結(jié)晶溫度即150～900℃下，通過退火非晶Al2O3介質(zhì)層，在非晶Al2O3介質(zhì)層上進(jìn)行初步致密。
使用選自由O2、NO和N2氣體構(gòu)成的組的一種氣體作為環(huán)境氣體或在真空中進(jìn)行退火。具體地，在850℃下進(jìn)行初步致密。
此外，在形成平板節(jié)點(diǎn)的步驟(c)之前，使用選自由O2、NO和N2氣體構(gòu)成的組的一種氣體作為環(huán)境氣體或在真空中，在低于非晶Al2O3層的結(jié)晶溫度即150～900℃下，通過退火非晶Al2O3介質(zhì)層，在非晶Al2O3介質(zhì)層上再進(jìn)行二次致密。具體地，用O2氣作為環(huán)境氣體在約450℃下進(jìn)行退火。
根據(jù)本發(fā)明，含硅的導(dǎo)電層可用做存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，可以增加電容。
通過參考附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)介紹，本發(fā)明的以上目的和優(yōu)點(diǎn)將更明顯。


圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電容器剖面圖；圖2到4為用于實(shí)施例的電容器的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)剖面圖；圖5為在半導(dǎo)體襯底上形成存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的步驟剖面圖；圖6為在圖5的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上形成介質(zhì)層的步驟剖面圖；圖7為60埃的非晶Al2O3層的等同氧化物層的厚度與施加的驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系曲線圖；圖8為漏電流密度與施加到具有60埃的非晶Al2O3層的電容器上的驅(qū)動(dòng)電壓之間的曲線圖；以及圖9為形成非晶Al2O3層后在約450℃下退火根據(jù)不同的條件變量電容器的電特性曲線圖。
下面參考附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明，其中顯示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)出許多不同的形式，并不局限于這里介紹的實(shí)施例。而且，提供這些實(shí)施例是為了公開充分和完整，并向本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全轉(zhuǎn)達(dá)出本發(fā)明的范圍。在圖中，為清楚起見放大了層和區(qū)域的厚度。類似的元件采用了類似的數(shù)字。也應(yīng)該明白當(dāng)層稱做在另一層或襯底“上”時(shí)，它可以是直接位于另一層或襯底上，或也可以有插入層。
參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電容器包括存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200、介質(zhì)層400和平板節(jié)點(diǎn)500。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200通過形成在覆蓋半導(dǎo)體襯底100的層間絕緣層150中的接觸孔電連接到半導(dǎo)體襯底100的有源區(qū)。如摻有雜質(zhì)的多晶硅層等的含硅導(dǎo)電層被用做存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200。
非晶氧化鋁Al2O3層用做覆蓋存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200的介質(zhì)層400。Al2O3層在它的結(jié)晶相例如α-Al2O3和γ-Al2O3與它的非晶相之間的介電常數(shù)幾乎沒有差別，其介電常數(shù)約為10。然而，非晶Al2O3層比氧化硅更容易氧化，并具有低堿離子滲透性和優(yōu)良的性質(zhì)。此外，非晶Al2O3層具有平滑的形態(tài)和很高的抗穿過晶界的擴(kuò)散性，因此通過它可以抑制氧氣的擴(kuò)散。
來自幾個(gè)源的每一個(gè)的反應(yīng)汽相材料依次提供到層上，即存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上形成本實(shí)施例的非晶Al2O3層。特別是，重復(fù)薄膜的形成得到整個(gè)非晶Al2O3層。例如可以使用原子層淀積(ALD)法。
當(dāng)使用ALD法順序地將反應(yīng)汽相材料提供到層上進(jìn)行形成Al2O3層的反應(yīng)形成非晶Al2O3層時(shí)，可以得到高度一致性，并且臺(tái)階覆蓋可以達(dá)到約100％。此外，由于ALD法的工藝特性，沒有什么雜質(zhì)留在Al2O3層中。現(xiàn)已知濺射形成的Al2O3層有較差的臺(tái)階覆蓋，如果通過CVD形成Al2O3層，很難除去殘留的雜質(zhì)并形成薄層。因此，在本實(shí)施例中，通過ALD法形成非晶Al2O3層，由此具有高臺(tái)階覆蓋，并顯示出高度的非晶態(tài)。此時(shí)，形成10～300埃的非晶Al2O3層，優(yōu)選40～80埃。
此外，在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200和介質(zhì)層400之間可進(jìn)一步形成氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)或氮氧化硅(SiON)構(gòu)成的防止反應(yīng)層300。然而，由于非晶Al2O3層具有低氧氣擴(kuò)散性，因此可以省略防止反應(yīng)層300。形成在介質(zhì)層400上的平板節(jié)點(diǎn)500由如摻有雜質(zhì)的多晶硅、WSi2、MoSi2、TaSi2、TiSi2、W、Mo、Ta、Cr或TiN等的導(dǎo)電材料形成。
同時(shí)，根據(jù)本實(shí)施例電容器的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200、200a、200b和200c的結(jié)構(gòu)可以形成為三維結(jié)構(gòu)。例如，電容器結(jié)構(gòu)可以采用如圖l所示的堆疊型存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200。此外，可以在圖2所示的電極表面上形成半球晶粒硅(HGS)層，由此存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200a具有HGS結(jié)構(gòu)，由于它的不規(guī)則性使表面積增加?？梢允褂萌鐖D3所示的柱型存儲(chǔ)電極200b或如圖4所示的半球晶粒硅層形成在柱型電極的表面上以增加表面積的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200c。即使使用三維存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200、200a、200b和200c，由于通過ALD工藝形成非晶Al2O3層，在本實(shí)施例的非晶Al2O3層中可以實(shí)現(xiàn)高度的一致性。高度的一致性避免了如較差的臺(tái)階覆蓋等問題。
參考圖5，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200形成在形成有層間絕緣層150的半導(dǎo)體襯底100上。此時(shí)，本實(shí)施例的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200可以形成為參考圖2到4介紹的半球晶粒硅層型或柱型，而不是堆疊型的三維結(jié)構(gòu)。此外，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200由如摻有雜質(zhì)的多晶硅層的含硅族的導(dǎo)電層形成。
然后，可以通過快速熱工藝(RTP)退火存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200，由此再形成覆蓋存儲(chǔ)電極200的防止反應(yīng)層300。此時(shí)，在300～1200℃優(yōu)選900℃的溫度下，使用NH3氣體作氮源通過快速熱氮化(RTN)進(jìn)行60秒的退火。通過退火，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200的硅與氮反應(yīng)，由此形成SiN層，用做防止反應(yīng)層300。此外，可以使用氧化硅或氮氧化硅層代替氮化硅層作為防止反應(yīng)層300。
防止反應(yīng)層300可以在以后使用氧氣的環(huán)境氣體進(jìn)行的熱退火期間更完全地防止氧氣擴(kuò)散到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200內(nèi)。即，可以防止氧化層的等效厚度(ET)由于氧氣的擴(kuò)散增加。然而，在本實(shí)施例中，不必通過RTP形成氮化硅層。這是由于通過Al2O3層保持了低氧氣擴(kuò)散性。
參考圖6，通過氫鈍化處理將留在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200上的自然氧化層完全除去。
然后，通過來自幾個(gè)源的每個(gè)反應(yīng)汽相材料逐步地提供到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200上的方法，在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200上形成非晶Al2O3層。這可以不同的方式獲得，特別是ALD法。通過ALD法，使用鋁源在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200上形成鋁(Al)層到原子尺寸厚度的程度。然后，用氧化劑氧化Al層形成原子尺寸厚度程度的Al2O3層，即約0.5～50埃。隨后，周期地進(jìn)行形成原子尺寸厚度程度的Al2O3層的步驟，由此形成10～300埃的非晶Al2O3層。優(yōu)選形成厚度為40～80埃的非晶Al2O3層。
具體地，Al(CH3)3或AlCl3，優(yōu)選Al(CH3)3作為鋁源。優(yōu)選汽化的H2O作為氧化劑。此時(shí)，當(dāng)進(jìn)行使用氧化劑氧化Al層的步驟時(shí)，半導(dǎo)體襯底100的溫度為150～400℃，優(yōu)選約350℃。此外，每個(gè)周期非晶Al2O3層生長(zhǎng)到約2埃的厚度。根據(jù)ALD工藝的特性可以實(shí)現(xiàn)非晶Al2O3層的非晶相。此外，根據(jù)ALD工藝的特性Al2O3層具有高度的一致性。由此可以實(shí)現(xiàn)近似100％的臺(tái)階覆蓋。
然后，如圖1所示的平板電極500形成在介質(zhì)層400上。此時(shí)，平板電極500由如摻有雜質(zhì)的多晶硅、WSi2、MoSi2、TaSi2、TiSi2、W、Mo、Ta、Cr或TiN等的導(dǎo)電層形成。
同時(shí)，這樣生長(zhǎng)的非晶Al2O3層的折射率約1.64λ，其中λ=633.0nm。非晶Al2O3層可以通過隨后的退火工藝致密。致密化的程度可以通過測(cè)量折射率和層的厚度判斷。即，生長(zhǎng)非晶Al2O3層，然后在O2環(huán)境氣體下退火，之后測(cè)量退火的Al2O3層的折射率估計(jì)致密程度。
(表1)生長(zhǎng)Al2O3層之前和之后的特性
如表1所示，通過O2退火，非晶Al2O3層的折射率增加，導(dǎo)致非晶Al2O3層通過退火致密化。由此，非晶Al2O3層的介電常數(shù)增加，使得氧化物的等效厚度(ET)最小化。
此外，測(cè)量形成在裸晶片上的SiO2層的厚度。即，在用標(biāo)準(zhǔn)的清洗劑I和HF處理的裸晶片上形成不同厚度的非晶Al2O3層，然后在約800℃的O2環(huán)境氣體下退火非晶Al2O3層。然后，使用分光鏡橢圓計(jì)測(cè)量形成的SiO2層的厚度。結(jié)果顯示在表2中。
如表2所示，非晶Al2O3層抑制了O2的擴(kuò)散。即，如果沒有形成非晶Al2O3層，SiO2層生長(zhǎng)到約66.6埃。如果使用非晶Al2O3層，SiO2層的厚度陡然減少。如果使用約100埃的非晶Al2O3層，那么SiO2層的厚度減少到約2埃。如上所述，本實(shí)施例的非晶Al2O3層抑制了O2的擴(kuò)散，由此不必通過RTP形成防止反應(yīng)層300，就可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的電容器性質(zhì)。然而，在隨后的退火工藝期間，可以使用防止反應(yīng)層300以完全防止O2的擴(kuò)散。
(表2)SiO2層的厚度與Al2O3層的厚度
為了增加介電常數(shù)，通過退火在非晶Al2O3層上進(jìn)行初步的致密化?？梢栽谛纬煞蔷l2O3層之后的任何時(shí)間進(jìn)行用于致密化的所述退火，優(yōu)選在形成平板節(jié)點(diǎn)500之后進(jìn)行。此時(shí)，在約150～900℃，優(yōu)選850℃，該溫度低于非晶Al2O3層的結(jié)晶溫度，使用O2、NO氣體或N2氣體作為環(huán)境氣體或在真空中進(jìn)行退火。優(yōu)選在N2的環(huán)境氣體中進(jìn)行約30分鐘的退火。
當(dāng)非晶Al2O3層的厚度約60埃時(shí)，非晶Al2O3層給出接近例如約26埃的理論ET值的ET值，Al2O3的介電常數(shù)假定為9。然而，可以進(jìn)一步進(jìn)行退火以實(shí)現(xiàn)接近理論ET值的值。即，形成非晶Al2O3層之后立即通過退火進(jìn)行二次致密，二次致密為初步致密的預(yù)處理。
這里，在150～900℃，優(yōu)選450℃，該溫度低于非晶Al2O3層的結(jié)晶溫度，使用O2、NO氣體或N2氣體作為環(huán)境氣體或在真空中進(jìn)行二次致密。優(yōu)選在O2氣體的環(huán)境氣體中進(jìn)行約30分鐘的二次致密。
表3示出了為了說明二次致密的效果在組合條件下測(cè)量的不同電特性。即，由形成在半導(dǎo)體襯底100上的多晶硅層形成存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200，形成非晶Al2O3層，并測(cè)量電容器的電性質(zhì)。表3包含十個(gè)測(cè)量結(jié)果，顯示出在900℃下進(jìn)行或不進(jìn)行NH3的RTN工藝時(shí)，形成60埃或300埃的非晶Al2O3層，使用O2在約450℃下進(jìn)行30分鐘二次致密、在約800℃下進(jìn)行30分鐘二次致密、或不進(jìn)行二次致密的效果。
如表3所示，不考慮其它的條件，約300埃的Al2O3層的漏電流密度為20nA/cm2或更低。然而，其它條件改變了約60埃的Al2O3層的漏電流。即，在不進(jìn)行RTN、800℃下進(jìn)行二次致密、60埃的第7個(gè)Al2O3層例子的ET接近57埃，厚度為所有情況中最厚的。在進(jìn)行RTN的第1個(gè)例子中，ET約47埃，高于理論的ET值30埃，即，RTN層4埃+Al2O326埃。這意味著在以上的情況中生長(zhǎng)了等量的氧化層。
然而，在Al2O3層為60埃厚的第3個(gè)例子中，二次致密的溫度為450℃，進(jìn)行RTN,ET為40埃，在Al2O3層為60埃厚的第6個(gè)例子中，二次致密的溫度為450℃，不進(jìn)行RTN,ET為37埃。然而，在第6個(gè)例子中，接近700nA/cm2的漏電流密度高于第3個(gè)例子中接近45nA/cm2的漏電流密度。從該結(jié)果我們可以看出在450℃進(jìn)行二次致密的例3中，電容器的電特性優(yōu)良。此外，如果在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200和介質(zhì)層400之間通過如RTN的退火形成如SiN2層、SiO2層或SiON層等的防止反應(yīng)層300，電容器的電特性增強(qiáng)。
(表3)與二次致密有關(guān)的電容器的電特性
如上所述，當(dāng)使用非晶Al2O3層作為介質(zhì)層400并進(jìn)行二次致密時(shí)，電容器的電特性增強(qiáng)。然而，在以上條件下得到的ET值沒有達(dá)到理論值30埃。因此，下面將介紹形成平板節(jié)點(diǎn)500之后進(jìn)行初步致密的效果。即，在表3所示的條件下形成平板節(jié)點(diǎn)500，然后使用N2作環(huán)境氣體在約850℃下退火30分鐘進(jìn)行初步致密，然后測(cè)量十次電容器的電特性，如表4所示。
(表4)與初步致密有關(guān)的電容器電特性
<p>在表4中，‘C’,‘B’,‘T’,‘L’和‘R’分別代表晶片的中心，下，上，左和右部分。初步致密可以減小表4所示所有情況下的ET值。在Al2O3層在二次致密工藝期間約450℃下退火并進(jìn)行RTN的情況下(No.3-C),ET值為35埃。在其它條件與No.3-C相同但不進(jìn)行RTN工藝的情況中(No.6-C),ET值為31埃。兩個(gè)結(jié)果都接近理論值30埃。由此，這些結(jié)果意味著非晶Al2O3層的二次致密增加了電容。
圖7示出了根據(jù)施加的電壓在表4中60埃的非晶Al2O3層的ET值。即，參考數(shù)字710,715,730和735分別表示根據(jù)電壓的表4的1,7,3和6的ET值。如圖7所示，如果使用O2在450℃下進(jìn)行30分鐘的二次致密，并在850℃下進(jìn)行30分鐘的N2初步致密(730和750)，即表4的3和6的情況中，測(cè)量的ET值接近于理論的ET值30埃。
參考圖8，參考數(shù)字810,815,830和835分別代表根據(jù)電壓的表4的7,1,6和3的漏電流密度。如圖8所示，在接近圖7所示的理論ET值的730和735的情況中，即表4的3和4的情況中，驅(qū)動(dòng)電壓為2V以下漏電流密度降低的情況對(duì)應(yīng)于參考數(shù)字835的曲線，即No.3的情況。由于，如果在表4的No.3的條件下約450℃使用O2進(jìn)行30分鐘的二次致密，即RTN工藝后，在850℃下使用N2進(jìn)行30分鐘的初步致密，之后電容器的電特性優(yōu)良。
下面說明二次致密的效果。二次致密的溫度設(shè)置為450℃，可以實(shí)現(xiàn)上面介紹的電容器優(yōu)良的電特性。此外，無論二次致密的環(huán)境氣體不是O2(即N2)，還是進(jìn)行二次致密，都預(yù)先定為變量。此外，二次致密的時(shí)間和非晶Al2O3層的厚度都預(yù)定為變量，由此可以測(cè)量ET值和漏電流密度。條件顯示在表5中。
參考圖9，參考數(shù)字940代表最低的ET和最高的漏電流密度。然而，約60埃的非晶Al2O3層的參考數(shù)字950,960,970和980代表相互類似的ET和漏電流密度。此外，非晶Al2O3層接近于40埃(910),ET值類似并且漏電流密度增加。因此，在約60埃的非晶Al2O3層中，電容器特性幾乎不隨是否進(jìn)行了二次致密、或二次致密的時(shí)間和環(huán)境氣體而改變。這意味著二次致密不總是需要的步驟。換句話說，二次致密是補(bǔ)償初步致密。即使平板節(jié)點(diǎn)500形成在不進(jìn)行二次致密的介質(zhì)層400上，也可以得到具有優(yōu)良特性的電容器。即，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)200的RTN工藝之后形成非晶Al2O3層和平板節(jié)點(diǎn)500時(shí)，然后在約850℃下使用N2進(jìn)行30分鐘的初步致密，電容器的電特性優(yōu)良。
(表5)
根據(jù)本發(fā)明，使用將來自幾個(gè)源的每個(gè)反應(yīng)汽相材料提供到層上即存儲(chǔ)電極上的方法，在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上形成非晶Al2O3介質(zhì)層，其中使用例如ALD法周期地進(jìn)行反應(yīng)例如淀積。在形成非晶Al2O3層期間，使用向?qū)由咸峁┓磻?yīng)汽相材料周期性進(jìn)行反應(yīng)的方法得到非晶相。此外，通過這種方法，在非晶Al2O3層中沒有雜質(zhì)殘留。此時(shí)，非晶Al2O3層具有低O2擴(kuò)散性。由此，當(dāng)使用含硅族的導(dǎo)電層做存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以防止過量生長(zhǎng)等效的氧化層。即，可以實(shí)現(xiàn)SIS結(jié)構(gòu)的電容器，與ONO結(jié)構(gòu)的電容器類似，由此可以克服電容器結(jié)構(gòu)改變?yōu)镸IS結(jié)構(gòu)或MIM結(jié)構(gòu)造成的困難。
此外，具有平滑形態(tài)和高度一致性的非晶Al2O3層可實(shí)現(xiàn)近似100％的臺(tái)階覆蓋。因此，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可以形成柱型、HSG型或堆疊型，由此增加了電容。非晶Al2O3層的介電常數(shù)等于晶相鋁層的介電常數(shù)，由此可以得到高電容。
在非晶Al2O3層上形成平板節(jié)點(diǎn)后，在低于Al2O3的結(jié)晶溫度例如約850℃下退火來致密化非晶Al2O3層。致密化減小了非晶Al2O3層的厚度并增加了折射率。即，非晶Al2O3層的介電常數(shù)增加。此外，等效氧化層的厚度減小，所以可以得到接近理論ET值例如約30埃的厚度，由此增加了電容。
可以在非晶Al2O3層和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間形成防止反應(yīng)層，以減小等效氧化層的厚度并有助于電容器穩(wěn)定工作。附加地進(jìn)行致密以補(bǔ)償致密化非晶Al2O3層的步驟，由此等效氧化層的厚度接近于理論ET值，由此增加了電容。
在圖中和說明書中公開了本發(fā)明典型的優(yōu)選實(shí)施例，雖然使用了特定的術(shù)語，但使用這些術(shù)語僅為概括和說明的意義，并不是為了限定。本發(fā)明的范圍在下面的權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體器件的電容器，包括存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上由非晶Al2O3形成的介質(zhì)層；以及形成在介質(zhì)層上的平板節(jié)點(diǎn)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)為摻有雜質(zhì)的多晶硅層。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)為選自由堆疊型、半球晶粒的硅層型和柱型構(gòu)成的組中的一種三維結(jié)構(gòu)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中由依次將反應(yīng)汽相材料提供到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的方法形成非晶Al2O3介質(zhì)層。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的電容器，其中由依次將反應(yīng)汽相材料提供到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的方法為原子層淀積法。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中介質(zhì)層的厚度為10～300埃。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的電容器，其中非晶Al2O3層的厚度為40～80埃。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中還在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和介質(zhì)層之間形成防止反應(yīng)層。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的電容器，其中防止反應(yīng)層由選自氧化硅、氮化硅和氮氧化硅層構(gòu)成的組中的一種形成。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其中平板節(jié)點(diǎn)由選自摻有雜質(zhì)的多晶硅、WSi2、MoSi2、TaSi2、TiSi2、W、Mo、Ta、Cr和TiN構(gòu)成的組中的一種導(dǎo)電層形成。
11．一種形成半導(dǎo)體器件的電容器的方法，包括步驟(a)形成存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；(b)在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上形成非晶Al2O3的介質(zhì)層；以及(c)在介質(zhì)層上形成平板節(jié)點(diǎn)。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)為摻有雜質(zhì)的多晶硅層。
13．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)為選自由堆疊型、半球晶粒的硅層型和柱型構(gòu)成的組中的一種三維結(jié)構(gòu)。
14．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中在形成介質(zhì)層的步驟(b)之前還包括在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上形成防止反應(yīng)層的步驟。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中防止反應(yīng)層由選自氧化硅、氮化硅和氮氧化硅層構(gòu)成的組中的一種形成。
16．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中防止反應(yīng)層在300～1200℃下通過退火存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)形成。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中使用快速熱工藝在N2源氣體環(huán)境中進(jìn)行退火。
18．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所形成的非晶Al2O3介質(zhì)層厚10～300埃。
19．根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所形成的非晶Al2O3介質(zhì)層厚40～80埃。
20．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中由依次將反應(yīng)汽相材料提供到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的方法形成非晶Al2O3介質(zhì)層。
21．根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中由依次將反應(yīng)汽相材料提供到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的方法為原子層淀積法。
22．根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中選自由Al(CH3)3和AlCl3構(gòu)成的組中的一種作為鋁源進(jìn)行原子層淀積法。
23．根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中在進(jìn)行原子層淀積法之前通過氫氣鈍化處理形成存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。
24．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中在形成平板節(jié)點(diǎn)的步驟(c)之后，在非晶Al2O3介質(zhì)層上進(jìn)行初步致密。
25．根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中在低于非晶Al2O3層的結(jié)晶溫度下通過退火非晶Al2O3介質(zhì)層進(jìn)行初步致密。
26．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中在150～900℃下進(jìn)行初步致密。
27．根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中在850℃下進(jìn)行初步致密。
28．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中使用選自由O2、NO和N2氣體構(gòu)成的組的一種氣體作為環(huán)境氣體或在真空中進(jìn)行退火。
29．根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中在形成平板節(jié)點(diǎn)的步驟(c)之前，在非晶Al2O3介質(zhì)層上附加地進(jìn)行二次致密。
30．根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中在低于非晶Al2O3層的結(jié)晶溫度下通過退火非晶Al2O3介質(zhì)層進(jìn)行二次致密。
31．根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中在150～900℃下進(jìn)行二次致密。
32．根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中使用選自由O2、NO和N2氣體構(gòu)成的組的一種氣體作為環(huán)境氣體或在真空中進(jìn)行二次致密。
33．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中平板節(jié)點(diǎn)由選自摻有雜質(zhì)的多晶硅、WSi2、MoSi2、TaSi2、TiSi2、W、Mo、Ta、Cr和TiN構(gòu)成的組中的一種導(dǎo)電層形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用含硅導(dǎo)電層作為存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的高電容的電容器及其形成方法。電容器包括存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、非晶Al
文檔編號(hào)H01L21/822GK1222765SQ9811594
公開日1999年7月14日 申請(qǐng)日期1998年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月6日
發(fā)明者金榮寬, 樸仁善, 李相旼, 樸昌洙 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社