专利名称：一种制作半导体电容元件的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体电容元件的制作方法，特别涉及一种在半导体电
容元件的碳电极表面形成一高介电常数(high-k)电容介电层的方法。
背景技术：
目前，已有人为了更先进半导体存储器工艺上的需要，持续研究并尝试 利用具导电性及热稳定性的碳元素作为电容的上或下电极，例如，金属-绝 缘体-碳(metal-insulator-carbon ,简称MIC)电容、碳-绝缘体-碳 (carbon-insulator-carbon ， 简称 CIC)电容或多晶硅-绝缘体-碳 (polysilicon-insulator-carbon，简称SIC)电容等结构，同时结合高介电常数 (high-k)电容介电层，例如，氧化铪(Hf02)等金属氧化物，由此提高电容值以 及元件的可靠度。
然而，要将碳元素及高介电常数金属氧化物这类先进电容材料与半导体 前段工艺集成仍有些许困难，需要进一步的克服与改善。举例来说，为了获 得高品质的高介电常数金属氧化物，在沉积时需要使用臭氧(ozone)作为氧化 剂，但是另一方面臭氧却会侵蚀已形成在半导体基材表面上的碳电极。因此， 如何在碳电极上形成高品质、高介电常数金属氧化物，同时不影响到碳电极 本身，便成为目前半导体存储器工艺技术上有待突破的一项挑战。
发明内容
本发明的主要目的在提供一种在电容的碳电极表面形成高品质、高介电 常数电容介电层的方法，可以解决已知技艺的不足与缺点。
为达前述目的，本发明提供一种制作半导体电容元件的方法，包含有提 供一基底；在该基底上形成一碳电极层；进行一第一原子层沉积工艺，在该 碳电极层的表面沉积一中间过渡阻障层；进行一第二原子层沉积工艺，在该 中间过渡阻障层上沉积一金属氧化层，其中该金属氧化层与该中间过渡阻障 层反应形成一电容介电层；以及于该电容介电层上形成一电容上电极。根据本发明的 一优选实施例，本发明提供一种制作半导体电容元件的方
法，包含有提供一基底；在该基底上形成一碳电极层；在该碳电极层的表面 沉积一介电层；进行一原子层沉积工艺，在该介电层上沉积一金属氧化层， 其中该金属氧化层与该介电层构成一电容介电层；以及在该金属氧化层上形 成一电容上电才及。
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实 施方式，并配合所附图示，作详细说明如下。然而如下的优选实施方式与图 示仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
图1至图5为依据本发明第一优选实施例一种制作半导体电容元件方法 所绘示的剖面示意图。
图6至图9为依据本发明第二优选实施例一种制作半导体电容元件方法 所绘示的剖面示意图。
附图标记说明
1 半导体电容元件 10 基底
14 中间过渡阻障层 18 金属氮氧层 24 介电层
具体实施例方式
请参阅图1至图5,其为依据本发明第一优选实施例一种制作半导体电 容元件方法所绘示的剖面示意图。如图1所示，首先提供一基底IO,例如， 硅基底，其上形成有 一碳电极层12,其主要是作为本发明实施例的下电极层。 另外，在基底IO上可以形成有其它介电层或元件(图未示)。其中，碳电极层 12可以利用已知的方法来形成，例如，以乙烯(C2H4)为前驱体，通入高温炉 管以形成碳电极12。碳电极层12主要由可导电的碳元素型态所构成，例如， SP2键结的碳元素，其厚度约介于l腿 1000nm。
如图2所示，在基底IO上形成碳电极层12之后，接着进行一沉积工艺，
la 半导体电容元件
12 碳电极层
16 金属氧化层
20 上电极层例如是一原子层沉积(atomic layer exposition,简称ALD),在碳电极层12表 面沉积一 中间过渡阻障层(transitional barrier layer) 14，并且中间过渡阻障层 14需将碳电极层12表面完全覆盖住。根据本发明第一优选实施例，中间过 渡阻障层14为利用ALD工艺所形成的金属氮化物，例如，氮化铝(aluminum nitride)、氮4b4旦(tantalum nitride) 、 fU匕4太(titanium nitride)、氮4匕4告(zirconium nitride)、 氮化铪(hafnium nitride)、 氮化镧(lanthanum nitride)、 氮化铈(cerium nitride)等。
以氮化铪为例，为了能够将碳电极层12表面完全覆盖住，通常需进行3 至5次的ALD循环，在碳电极层12表面沉积1.8埃(angstrom)至3.0埃的氮 化铪(每次的ALD循环约能在碳电极层12表面沉积0.6埃左右的氮化铪)。 但需注意中间过渡阻障层14另一方面不能过厚，以免无法与后续沉积的金 属氧化层完全反应，因此，建议优选为少于10次的ALD循环(<10 ALD cycles)。
前述用来沉积中间过渡阻障层14的ALD循环包括以下四个基本步骤 (1)在反应器中通入有机金属前驱体(organic metal precursor)气体一段时间， 先使有机金属前驱体吸附在基材表面；(2)然后以惰性气体，例如氩气，吹 除反应器内多余的有机金属前驱体；(3)然后在反应器中通入氨气，使氨气 与吸附在基材表面的有机金属前驱体反应成氮化金属层；以及(4)再次以惰 性气体，例如氩气，进行吹除。之后数次的ALD循环会重复进行以上四个 步骤。
如图3所示，在碳电极层12表面沉积中间过渡阻障层14之后，接着利 用ALD工艺，在中间过渡阻障层14表面沉积一金属氧化层16，例如，氧 4匕^吕(aluminum oxide)、 氧4匕钽(tantalum oxide)、 氧4匕4太(titanium oxide)、 氧 4匕4告(zirconium oxide)、氧4匕《合(hafnium oxide)、氧4b镧(lanthanum oxide)、氧 化铈(cerium oxide)等。金属氧化层16需具有高介电常数，用来作为电容介 电层，举例来说，氧化铪(Hf02)的介电常数k约为25。在形成金属氧化层16 的过程中，是利用重复ALD循环的方式，直到金属氧化层16形成至所需的 厚度为止，金属氧化层16的厚度例如是lnm 20nm。
前述用来沉积金属氧化层16的ALD循环包括以下四个基本步骤(1)在 反应器中通入有机金属前驱体气体一段时间，先使有机金属前驱体吸附在基 材表面；(2)然后以惰性气体，例如氩气，吹除反应器内多余的有机金属前驱体；(3)然后在反应器中通入臭氧，使臭氧与吸附在基材表面的有机金属 前驱体反应成金属氧化物；以及(4)再次以惰性气体，例如氩气，进行吹除。
之后数次的ALD循环会重复进行以上四个步骤。
由于在沉积金属氧化层16过程中，碳电极层12表面已有中间过渡阻障 层14保护住，因此在沉积金属氧化层16时所使用到的臭氧不会影响到碳电 极层12。根据本发明第一优选实施例，中间过渡阻障层14与金属氧化层16 的沉积可以在同一反应器中进行，通过导入不同的反应气体，即可分别沉积 不同的材料层。此外，优选者，沉积中间过渡阻障层14与金属氧化层16建 议采用同样的有机金属前驱体气体。
如图4所示，利用沉积金属氧化层16过程中的高温环境(200。C 60(TC)， 可以使金属氧化层16与其下方的中间过渡阻障层14反应形成一金属氮氧层 (metal oxy-nitride layer)18,例如，铪氮氧层(HfON)，其厚度建议小于20纳 米(nanometer)。根据本发明第一优选实施例，金属氮氧层18的介电常数高 于金属氧化层16的介电常数。
如图5所示，然后在金属氮氧层18上形成一上电极层20，其可以为碳 电极、金属电极或者多晶硅电极，如此即完成本发明半导体电容元件1的制 作。其中，根据本发明第一优选实施例，半导体电容元件1包含作为电容下 电极的碳电极层12、作为电容介电层的金属氮氧层18,以及上电极层20。
请参阅图6至图9,其为依据本发明第二优选实施例所绘示的剖面示意 图，其中沿用相同符号表示相同的部位或区域。如图6所示，首先提供一基 底10，例如，硅基底，其上形成有一碳电极层12作为本发明实施例的下电 极层。另外，在基底IO上可以形成有其它介电层或元件(图未示)。其中，碳 电极层12可以利用已知的方法来形成，例如，以乙烯(C2H4)为前驱体，通入 高温炉管以形成碳电极12。碳电极层12主要由可导电的碳元素型态所构成， 例如，SP2 4建结的碳元素，其厚度约介于lnm 1000nm。
如图7所示，在基底IO上形成碳电极层12之后，接着进行一化学气相 沉积工艺，在碳电极层12表面沉积一介电层24,并且介电层24需将碳电极 层12表面完全覆盖住。根据本发明第二优选实施例，介电层24优选为氮化 硅、氧化硅或其它适合的高介电常数材料。。
如图8所示，在碳电极层12表面沉积介电层24之后，接着利用ALD 工艺，在介电层24表面沉积一金属氧化层16，例如，氧化铝(aluminum oxide)、氧化但(tantalum oxide)、氧化铁(titanium oxide)、氧化错(zirconium oxide)、氧 4b《合(hafnium oxide)、 氧4b4阑(lanthanum oxide)、 氧4匕4市(cerium oxide)等。金 属氧化层16需具有高介电常数，用来作为电容介电层，举例来说，氧化铪 (Hf02)的介电常数k约为25。在形成金属氧化层16的过程中，是利用重复 ALD循环的方式，直到金属氧化层16形成至所需的厚度为止，金属氧化层 16的厚度例如是lnm 20nm。
前述用来沉积金属氧化层16的ALD循环包括以下四个基本步骤(1)在 反应器中通入有机金属前驱体气体一段时间，先使有机金属前驱体吸附在基 材表面；(2)然后以惰性气体，例如氩气，吹除反应器内多余的有机金属前 驱体；(3)然后在反应器中通入臭氧，使臭氧与吸附在基材表面的有机金属 前驱体反应成金属氧化物；以及(4)再次以惰性气体，例如氩气，进行吹除。 之后数次的ALD循环会重复进行以上四个步骤。
由于在沉积金属氧化层16过程中，碳电极层12表面已有介电层24保 护住，因此在沉积金属氧化层16时所使用到的臭氧不会影响到碳电极层12。
如图9所示，然后在金属氧化层16上形成一上电极层20,其可以为碳 电极、金属电极或者多晶硅电极，如此即完成本发明半导体电容元件la的 制作。其中，根据本发明第二优选实施例，半导体电容元件la包含作为电 容下电极的碳电极层12、作为电容介电层的金属氧化层16、上电极层20， 以及介于金属氧化层16与上电极层20之间的介电层24。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的等同变 化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种制作半导体电容元件的方法，其特征在于，包含有形成下电极层在基底上；进行第一沉积工艺，沉积中间过渡阻障层在该下电极层的表面；进行第二沉积工艺，沉积金属氧化层在该中间过渡阻障层上，其中该金属氧化层与该中间过渡阻障层反应形成电容介电层；以及形成电容上电极在该电容介电层上。
2. 如权利要求1所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于，该 中间过渡阻障层包含有金属氮化物。
3. 如权利要求2所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于，该 金属氮化物选自以下材料氮化铝、氮化钽、氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化镧、氮化铈。
4. 如权利要求2所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于，该 金属氧化层选自以下材料氧化铝、氧化钽、氧化钛、氧化锆、氧化铪、氧 化镧、氧化铈。
5. 如权利要求4所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于，该金 属氮化物和该金属氧化物具有相同金属元素。
6. 如权利要求1所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于，该 电容介电层包含有金属氮氧层。
7. 如权利要求4所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于，该 第二沉积工艺使用臭氧。
8. 如权利要求1所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于，该下 电极层为碳电极层。
9. 如权利要求1所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于，该第 一沉积工艺包括原子层沉积工艺。
10. 如权利要求9所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于，该 第二沉积工艺包括原子层沉积工艺。
11. 一种制作半导体电容元件的方法，其特征在于，包含有 形成下电极层于基底上； 沉积介电层于该下电极层的表面；进行一原子层沉积工艺，沉积金属氧化层于该介电层上；以及 形成电容上电极于该金属氧化层上。
12. 如权利要求11所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于， 该金属氧化层选自以下材料氧化铝、氧化钽、氧化钛、氧化锆、氧化铪、 氧化镧、氧化铈。
13. 如权利要求12所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于， 该原子层沉积工艺使用臭氧。
14. 如权利要求11所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于， 该介电层包含有氮化硅、氧化硅。
15. 如权利要求11所述的制作半导体电容元件的方法，其特征在于，该 下电极层为碳电极层。
全文摘要
本发明公开了一种制作半导体电容元件的方法，其包含有提供一基底；在该基底上形成一碳电极层；进行一第一原子层沉积工艺，在该碳电极层的表面沉积一中间过渡阻障层；进行一第二原子层沉积工艺，在该中间过渡阻障层上沉积一金属氧化层，其中该金属氧化层与该中间过渡阻障层反应形成一电容介电层；以及在该电容介电层上形成一电容上电极。
文档编号H01L21/02GK101604626SQ20081012546
公开日2009年12月16日 申请日期2008年6月13日 优先权日2008年6月13日
发明者聂鑫誉, 谢君毅, 黄才育 申请人:南亚科技股份有限公司