专利名称：制造电气元件的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造电气元件的方法，具体而言，涉及一种用于制造DRAM半导体存储器或场效应晶体管的方法，其中制造具有电介质和至少一个连接电极的至少一个电容器。
背景技术：
在半导体工业中，这种类型的方法是已知的，用于制造例如数据存储器或微处理器。在数据存储器的情况下，要在数据存储器的存储单元中存储的信息项，在每种情况下都以电荷的形式存储在电容器中。举例来说，在场效应晶体管的情况下，场效应晶体管的栅电介质和栅连接电极形成电容器结构。
本发明的目的是提供一种制造具有至少一个电容器的电气元件的方法，其中所制造的电容器具有最佳存储特性，尤其对于数据存储或晶体管应用而言，即使在电容器结构很小的情况下也是如此。
根据本发明，通过具有如权利要求1中所述特征的方法实现该目的。在从属权利要求中阐述了根据本发明的方法的有利配置。
因此，根据本发明，在电容器制造期间，提供的电介质或连接电极采用使电介质中的瞬态极化效应得到防止或至少减少的方式来形成。
根据本发明的方法的一个主要优点是由于瞬态极化效应减少，即使利用很小的电容器结构，也能够实现基本不依赖于电容器的在先历史或在前操作的存储特性。归因于电介质的瞬态极化行为或由电介质内的质子引起的瞬态极化效应，尤其在电容器结构非常小的情况下起到非常重要的作用。这些瞬态极化效应导致电容器的存储性能依赖于电容器的在先历史或先前操作；这意味着逻辑“1”的存储性能取决于例如先前存储了逻辑“1”还是逻辑“0”。因此，根据本发明形成电介质和/或连接电极具有如下效果确保了所得到的电容器的存储性能基本不依赖于其先前是怎样操作的。此外，减少了由瞬态极化效应导致的电荷损失，因此可达到的保持时间显著延长。
发明内容
为了实现在电介质内所希望的瞬态极化效应减小的目的，本发明的方法的特别优选的有利配置使用一种材料作为电介质，使用该材料，电介质内的势阱的平均分布，尤其是双势阱的平均分布被破坏，或者至少减少。这是因为发明人已经认识到电介质内的瞬态极化效应很大程度上取决于势阱的平均分布；如果现在以目标方式影响和破坏势阱的平均分布，就可以减少或者甚至完全避免电介质内的瞬态极化效应。
为了避免由于电介质中包含的质子引起的瞬态极化效应，认为有利的是选择用作存在于电介质中的质子的吸气剂的材料用于连接电极。这是因为发明人已经发现当借助于半导体技术中当前常规的方法制造电介质时，在电介质中经常引入氢并由此引入质子，它们对制造完成的电容器的存储性能影响相当大，尤其是电容器结构很小的情况下。通过选择充当质子的吸气剂的材料用于连接电极，电介质内质子的负面影响显著减少，由此所得到的电容器的存储性能大大提高。尤其是，电容器的保持时间也显著增加。
优选的是三元、四元或更高元的材料系统用作电介质，其中至少包括以下成分周期系统的第四过渡族的金属的至少一种氧化物或氮化物或至少一种导电氧化物；周期系统的第三或第四主族或第五过渡族的至少一种元素。
例如，混和了铝或硅的Hf-Ti氧化物或Hf-Ti氮化物可用作电介质。例如，优选HfxAlyTiz氧化物、HfxAlyTiz氮化物、HfxSiyTiz氧化物或HfxSiyTiz氮化物适合用作电介质。
所使用的电介质也可以是混和了铝或硅的Zr-Ti氧化物或Zr-Ti氮化物。例如，优选ZrxAlyTiz氧化物、ZrxAlyTiz氮化物、ZrxSiyTiz氧化物或ZrxSiyTiz氮化物适合用作电介质。
或者，该电介质也可以使用混和了铝或硅的Hf-Ta氧化物或Hf-Ta氮化物。例如，可使用HfxAlyTaz氧化物、HfxAlyTaz氮化物、HfxSiyTaz氧化物或HfxSiyTaz氮化物。
此外，所使用的电介质也可以是混和了铝或硅的Zr-Ta氧化物或Zr-Ta氮化物。例如，可以使用ZrxAlyTaz氧化物、ZrxAlyTaz化物、ZrxSiyTaz氧化物或ZrxSiyTaz氮化物。
此外，所使用的电介质也可以是混和了SiO2和/或TiO2的HfO2。举例而言，可以以如下方式设置混合比，即，SiO2的比例至多等于90％，优选至多40％，且TiO2的比例至少等于5％。
此外，所使用的电介质还可能是混和电介质，至少包括以下材料中的一种HfTaOx、HfAlOx、TaTiOx、AlTiOx、ZrTaOx、ZrTiOx、ZrAlOx、HfZrOx和/或ZrSiOx。
本发明方法的另一优选配置使用混和了镧系元素的金属氧化物作为电介质。所使用的金属氧化物可以是例如HfO2、Al2O3、TiO2、ZrO2或Ta2O5。
所选的电极材料优选是包含周期系统的第八过渡族元素(例如钌或铱)的材料。也可以使用HfN、TiN、NbN或TaN作为电极材料。
例如可以由相同的材料制成这两个连接电极。举例而言，这两个连接电极均由TaN或TiN制成，且电介质由HfTiOx制成。或者，也可以这两个连接电极由钌制成，且电介质由HfTiOx制成。
这两个连接电极也可以使用不同的材料。例如，一个连接电极由TiN或TaN制成，而另一个连接电极由钌制成；在这种情况下，电介质优选包括HfTiOx、HfSiOx或HfO2。例如，电容器的内电极由TiN制成，上(外)电极由钌制成，HfTiO2用作电介质。
该电容器可以在硅衬底的凹槽中制造或制造在硅衬底上。例如，该电容器可以设计成沟道式电容器或层电容器。
优选，使用所述方法制造具有特征尺寸小于60nm的至少一个电容器的DRAM存储模块。该方法也可以用于制造场效应晶体管的栅电介质；在这种情况下，该栅电介质、栅连接电极和相关衬底形成所述电容器。
下面基于示例性实施例解释本发明，在附图中图1示出了使用Al2O3电介质的根据现有技术的DRAM存储单元的存储性能的图示。
图2的图示示出了具有根据本发明得到改善的电介质的存储单元的电荷损失与具有根据现有技术的电介质的存储单元的比较。
图3和图4示出了制造根据本发明的DRAM存储单元的根据本发明的方法的示例性实施例。
具体实施例方式
图1示出了两条曲线10和20，它们表示具有Al2O3电介质的DRAM存储单元的存储性能。这些曲线在各种情况下都表示在不同读取时间的读取误差率点Δt＝0ns表示预定标准读取时间时的读取误差率，而Δt≠0给出更短(t＜0ns)或更长(t＞0ns)读取时间的读取误差率。可以看出读取操作可利用的时间越多，读取误差率fc越低。
曲线10描述如下情况下的读取误差率其中在存储单元中存储了逻辑“1”，并读取该逻辑“1”，在待读取的“1”之前已经存储了逻辑“0”。因此在“存储历史”期间发生了从“0”到“1”的位变化—在图1中由数字序列“0＝＞1”表示。
曲线20描述如下情况下的读取误差率其中在存储单元中存储了逻辑“1”，并读取该逻辑“1”，在现在要读取的“1”之前已经同样地存储了逻辑“1”。因此在“存储历史”中没有发生位变化—在图1中由数字序列“1＝＞1”表示。
从这两条曲线10和20可以看出存储单元的存储性能取决于其在先历史。具体地，与相反情况相比，如果在逻辑“1”之前已经存储了逻辑“0”，则存储性能降低约5％，或者所得到的读取误差率增加约5％。
应当注意，图1示出了归一化形式的读取误差率；该归一化是基于在所存储的逻辑“1”之前已经存储了逻辑“0”时读取逻辑“1”的情况下在标准读取时间(Δt＝0)的读取误差率。因此归一化标准值与情况“0＝＞1”相关。
图2示出了随着时间的推移存储电荷的损失。可以看出，在存储电荷之后0.1秒的时段内，对于氧化铝(Al2O3)和氧氮化物(oxinitride，NO)的情况，电荷损失不到5％。为了清楚起见，在图2中将该值清楚标出。
与此对照，纯HfO2材料具有差得多的存储性能，即，比氧化铝和氧氮化物大得多的存储损失。从图2可以看出，仅在正好10-4秒之后就超过了5％的限度。然而，通过以30∶70(70％HfO2/SiO2)的比例混和SiO2材料，可以实现HfO2电介质的存储容量的显著改善到10-1s的存储时间为止，由于混和的SiO2，已经通过这种方式改善的HfO2电介质的存储性能与氧化铝或氧氮化物的存储性能相似乃至更好。
因此，可以证实通过添加破坏HfO2材料内的势阱分布的另外的材料-在这种情况下是SiO2，可显著改善所得到的电介质的存储性能。
图3和图4示出了根据本发明制造电容器的方法的示例性实施例。这些图示出了硅衬底100，例如通过蚀刻在其中引入凹槽110。内连接电极120首先沿着凹槽110排列，该电极120优选由TiN构成(图3)。
在内连接电极120上沉积HfTiO2电介质130。然后，向该电介质130涂敷由钌构成的上连接电极140。
电介质130的沉积例如通过ALD工艺、CVD工艺或PVD工艺或者作为替代使用组合上述工艺的混和工艺实现。如果使用ALD工艺，压强范围优选在100mTorr至10Torr(托)之间，温度优选在100℃至700℃之间。
此外，可以在沉积期间或沉积之后利用等离子体步骤和/或加热步骤改善电介质130的质量。通过这种类型的后处理，可以消除对电介质的任何污染，以便提高电介质130的结构特性。
在400℃至1100℃之间的温度范围，用于沉积电介质130的沉积工艺的典型的工艺气体的例子包括氮和/或氧和/或NH3，和/或NO和/或N2O和/或氩和/或氢。电介质130的沉积中使用的等离子体可以是“远程的”(间接的，不向晶片施加电压)或“直接的”(向晶片施加电压)。
在图3和4所示的示例性实施例中，外部Ru连接电极140的功能是用作在沉积电介质130期间聚集在电介质130中的质子的吸气剂，以便最小化由于质子引起的瞬态极化，增加所得到的电容器150的保持时间。
HfTiO2电介质130内的TiO2的功能是破坏电介质130内的势阱分布，并减小由该电介质引起的瞬态极化效应。
权利要求
1.一种制造电气元件的方法，该电气元件尤其是DRAM半导体存储器或场效应晶体管，其中制造具有电介质(130)和至少一个连接电极(120，140)的至少一个电容器(150)，其中该电介质(130)或连接电极(120，140)采用使瞬态极化效应得到防止或至少减少的方式来形成。
2.如权利要求1所述的方法，其中向该电介质加入破坏或者至少减少势阱的平均分布，尤其是双势阱的平均分布的材料。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中选择用作该电介质(130)的质子的吸气剂的材料用于连接电极中的至少一个(140)。
4.如前述权利要求之一所述的方法，其中将至少包括以下成分的三元、四元或更高元材料用作电介质-周期系统的第四过渡族的金属的至少一种氧化物或氮化物，或至少一种导电性氧化物，以及-周期系统的第三或第四主族或第五过渡族的至少一种元素。
5.如权利要求4所述的方法，其中将混和了铝或硅的Hf-Ti氧化物、Hf-Ti氮化物、Zr-Ti氧化物或Zr-Ti氮化物用作电介质。
6.如权利要求5所述的方法，其中将HfxAlyTiz氧化物、HfxAlyTiz氮化物、HfxSiyTiz氧化物、HfxSiyTiz氮化物、ZrxAlyTiz氧化物、ZrxAlyTiz氮化物、ZrxSiyTiz氧化物或ZrxSiyTiz氮化物用作电介质。
7.如权利要求4所述的方法，其中将混和了铝或硅的Hf-Ta氧化物、Hf-Ta氮化物、Zr-Ta氧化物或Zr-Ta氮化物用作电介质。
8.如权利要求7所述的方法，其中将HfxAlyTaz氧化物、HfxAlyTaz氮化物、HfxSiyTaz氧化物、HfxSiyTaz氮化物、ZrxAlyTaz氧化物、ZrxAlyTaz氮化物、ZrxSiyTaz氧化物或ZrxSiyTaz氮化物。
9.如权利要求4所述的方法，其中HfO2用作电介质，其中混和的SiO2或TiO2作为破坏势阱的平均分布的材料。
10.如权利要求9所述的方法，其中HfO2用作电介质，其中混和有SiO2和TiO2。
11.如权利要求10所述的方法，其中以如下方式设置混合比SiO2的比例至多等于90％，优选至多40％，且TiO2的比例至少等于5％。
12.如权利要求4所述的方法，其中至少包括下述材料中的一种的混和电介质用作电介质HfTaOx、HfAlOx、TaTiOx、AlTiOx、ZrTaOx、ZrAlOx、HfZrOx、ZrSiOx、ZrTiAl。
13.如前述权利要求1-3之一所述的方法，其中使用包含ZrTiOx或由其构成的电介质。
14.如前述权利要求1-3之一所述的方法，其中将金属氧化物用作电介质，且其中将镧系元素与该金属氧化物混合。
15.如权利要求14所述的方法，其中使用HfO2、Al2O3、TiO2、ZrO2或Ta2O5作为金属氧化物。
16.如前述权利要求之一所述的方法，其中至少一个连接电极用包含周期系统的第八过渡族的元素的材料制造。
17.如前述权利要求之一所述的方法，其中至少一个连接电极用包含HfN、TiN、钌、铱、NbN或TaN的材料制造。
18.如前述权利要求之一所述的方法，其中两个连接电极用相同材料制造。
19.如权利要求18所述的方法，其中两个连接电极用TaN制造，且电介质用HfTiOx制造。
20.如权利要求18所述的方法，其中两个连接电极用TiN制造，且电介质用HfTiOx制造。
21.如权利要求18所述的方法，其中两个连接电极用钌或铱制造，且电介质用HfTiOx制造。
22.如前述权利要求1-17之一所述的方法，其中两个连接电极(120、140)用不同的材料制成。
23.如权利要求22所述的方法，其中一个连接电极(120)由TiN形成，另一个连接电极(140)由钌或铱形成，且电介质由HfTiOx、HfSiOx或HfO2形成。
24.如权利要求22所述的方法，其中一个连接电极由TaN形成，另一个连接电极由钌或铱形成，且电介质由HfTiOx形成。
25.如前述权利要求之一的方法，其中电容器(150)的内连接电极(120)由TiN制造，上电极(140)由钌或铱制造，且HfTiO2用作电介质。
26.如前述权利要求之一的方法，其中电容器(150)形成于在硅衬底(100)中引入的凹槽(110)中，或形成在硅衬底上。
27.如权利要求26所述的方法，其中电容器形成为沟道式电容器或层电容器。
28.如前述权利要求之一所述的方法，其中制造具有特征尺寸小于60nm的至少一个电容器的DRAM存储单元。
29.如前述权利要求之一所述的方法，其中制造场效应晶体管，在该场效应晶体管中，电介质形成栅电介质且连接电极形成栅连接。
全文摘要
本发明涉及制造电气元件的方法，该电气元件尤其是DRAM半导体存储器或场效应晶体管，其中制造至少一个电容器(150)，具有电介质(130)和至少一个连接电极(120，140)。为了使所制造的电容器即使在电容器结构非常小的情况下也具有最佳存储性能，根据本发明，提供的电介质(130)或连接电极(120，140)采用使瞬态极化效应得到防止或至少减少的方式来形成。
文档编号H01L21/336GK1848411SQ200610075219
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月14日 优先权日2005年4月14日
发明者A·阿维兰, T·赫希特, S·亚克施克, U·施勒德尔 申请人:英飞凌科技股份公司