专利名称：低压化学气相沉积氧化钛簿膜的低漏电流电极的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种制作半导体存储器件存储单元中的电容器电介质的电极的方法，特别是涉及制作高密度半导体存储器件存储单元的电容器电介质的低漏电流电极的方法。更具体地说，本发明涉及可在低压条件下，在一冷壁反应器中制作高密度半导体存储器件的存储电介质的电极的方法，其具有良好的电容与漏电流特性。
高密度的半导体存储器件，特别是动态随机存取存储器(DRAM)，正被发展进入以十亿比特(giga-bit)为单位计的存储密度领域之中。现在密度以百万比特计的存储器件技术范畴中所使用的电介质存储材料仍无法突破大约256M存储器器件的密度。这主要是由于其存储单元中所能维持的电荷量，因不可避免的泄漏现象而在需要进行充电之前，无法持续合理的时间。
在本技术领域中，被考虑选用作为下一代十亿比特存储器件的存储介质材料之中，钛的氧化物，诸如二氧化钛(TiO2)，由于其自有的高电容率(permittivity)以及优良的阶状覆盖(step coverage)特性，似乎是一种适合的材料。不过，在利用目前的制作工艺而使用这类具有高介电常数的材料作为存储单元的存储介质材料时，其高漏电流的性质却构成了实用上的极大问题。截至目前为止，本技术领域中并没有注意到如何可避免或减低TiO2的高漏电流问题，而使得TiO2无法被使用作为半导体存储器件的储存介电材料。
本发明的主要目的在于提供一种半导体存储器件的具有低漏电流特性的电容电介质电极的制作方法。
本发明的另一目的在于提供一种半导体存储器件在低压环境状态下具有低漏电流特性的电容电介质的制作方法。
本发明的又一目的在于提供一种半导体存储器件的低成本而具有低漏电流特性的电容电介质电极的制作方法。
为达到此目的，根据本发明提供一种制作半导体存储器件电容电介质的具有低漏电流特性的电极的方法，该方法的步骤包括首先在一半导体硅基底上沉积一层氧化钛薄膜；接着再对硅基底上所沉积的氧化钛薄膜进行退火处理；之后再在氧化钛薄膜上沉积一层顶电极层；最后执行一次第二退火工艺，以将制作成的存储电容的漏电流予以减低。
本发明的其它目的与特点通过以下结合附图对优选实施例的说明会更加清楚。附图中
图1a-1c分别表示根据本发明的一个优选实施例的方法制作存储器件的存储电介质层及其顶电极的选定步骤的截面示意图；图2表示具有各种电极材料的CVD-TiO2电容在进行退火处理前的漏电流特性；图3表示在进行退火处理前，各种电极材料的CVD-TiO2电容的Vcrit，功函数与电极材料间的关系；图4表示图2中各种电极材料的CVD-TiO2电容在进行退火处理后的漏电流特性；及图5表示用氮化钨作电极退火后用俄歇电子作氮化钨与CVD-TiO2界面成份分析后的结果。
为了提供半导体存储器件的具有低漏电流特性的电容电介质电极，本发明的半导体制作方法将在下面所例举的一个优选实施例中予以说明。注意到图1a-1c中的半导体截面结构尺度并不具备精确的比例，其只用来以示意方式说明本发明的制作方法。步骤1预备一半导体硅基底，以供利用TiO2的薄膜作为高密度存储器件的存储单元电容电介质层。
如图1a所示，基底10可以为，例如，一n+型硅(Si)基底，或一n+型的多晶硅(poly-Si)基底，此硅晶圆可作为待制作的存储器件的存储单元电容的基底电极。步骤2在硅基底上沉积一层TiO2薄膜。
如图1b中所显示的，厚度约为10至20nm的TiO2的一层薄膜12，可以利用在诸如一低压化学气相沉积(LPCVD，low pressure chemical vapordeposition)反应器内，在四异丙基钛化物(TPT，tetra-isopropyl titanate，Ti(i-OC3H7)4)与氧气的混合气体环境中，在大约350℃的温度下沉积而形成在硅基底10上。步骤3对硅基底上所沉积的TiO2薄膜进行退火处理。
对硅基底上沉积的TiO2薄膜12所进行的退火处理工艺，可以在干氧气的环境中，以大约800℃的温度，持续进行大约30分钟。步骤4在TiO2薄膜上沉积一层顶电极层。
电容电介质层的顶电极层，亦即，图1c中所显示的顶电极层14可以利用诸如反应溅射或电子束的方法，而沉积在TiO2薄膜层12上。用于沉积顶电极层14的材料可以包含多种金属与金属氮化物。例如，诸如钨(W)与钼(Mo)等的金属，以及诸如氮化钨(WN)，但氮化钛(TiN)与氮化钽(TaN)等的金属氮化物，都可作为顶电极层的材料。步骤5执行一次退火工艺。
接着再对此阶段被承载在硅基底10表面上的整个半导体器件执行一次退火工艺。此退火工艺可在N2的气体环境中，在大约450℃的温度下持续进行大约30分种。
上述步骤大致构成了本发明制作高存储密度半导体存储器件，其存储单元电容的LPCVD氧化钛薄膜存储介电材料的低漏电流电极的制作方法。为了显示前述步骤4中所描述的顶电极层14沉积形成之后，对整个半导体器件所进行的退火处理工艺所可以产生的效果，沉积有多种前述材料顶电极层14的多种器件样品，在N2的环境中在大约450℃的温度下进行退火处理大约30分种。
图2中显示具有多种不同电极材料，以TiO2作为储存电介质层的平板电极存储单元电容，其在接受前述步骤5中的退火处理前的漏电流特性。如图2所示，这些半导体器件样品的电极包括利用W，Mo，TiN，WN，以及TaN等材料所制作的电极。这些样品电容的顶电极上都被施加了负值偏压。在进行退火处理工艺之前，具有金属氮化物顶电极的这些电容的漏电流，如图所示，要比具有金属顶电极的漏电流小，其中尤其以TaN电极漏电流最小。用负偏压来测量漏电流的原因是电子在负偏压时是自上电极射出(injection)，这时才可验证电极材料对漏电流的影响。
为了验证电极的材料在漏电流上的影响，图3中显示了各种不同电极材料在退火进行之前，其产生1μA/cm2漏电流的电压Vcrit相对于电极的函数φm的函数曲线。在退火处理之前，TaN，TiN，WN，W与Mo的功函数φm分别为约5.41，4.95，5.00，4.75与4.64等，如图中所示。可以发现的是，在进行退火处理之前，在大部分的电极材料中，Vcrit随φm的增加而增加。
换句话说，漏电流会随着电极的功函数φm的增加而减低，所以TaN的漏电流最低。这些结果显示，在施加负偏压的情况下，其导通的机制属于一种电极限制型(electrodc limited type)，在顶电极与TiO2层界面之处的电子的势垒高度限制了漏电流的大小。图4中显示在对顶电极施加负偏压的情况下，在以450℃温度退火处理之后漏电流的特性。与前述未经退火处理的情况相比，各种电极材料对相关的漏电流的差异与退火前迥然不同，这时顶电极功函数对漏电流的影响降低，相比之下，具有WN顶电极的电容则展现较低的漏电流。原因是WN材料热稳定性比TaN高，更能耐高温而不分解，所以经过450℃退火处理后，WN顶电极与下面的TiO2没有互相反应或相互扩散，所以漏电流较低。这一点可由图5得到证实。图5是俄歇分析图，很明显地显示，WN和TiO2经过450℃热处理后，仍然保持完整。
对前述TiO2电容样品的检测结果显示，顶电板材料的功函数决定了TiO2电容在进行退火处理工艺之前的电气特性，而具有较大功函数值的材料，例如TaN，具有较低的漏电流。不过，在进行过大约450℃的退火处理之后，TiO2与顶电极之间的作用便将各种不同电极材料的功函数之间的差异降低，此时电极材料的热稳定性(thermal stability)则变得更为重要，所以WN电极具有较低的漏电流。
上述说明显示，本发明的方法在TiO2的顶电极形成之后所进行的退火工艺，能够使各种金属与金属氮化物材料的顶电极的漏电流特性稳定同一化。除此之外，其漏电流的工艺经此退火工艺处理之后也进一步减低，从而，提供半导体存储器件的一种具有低漏电流特性的电容电介质电极的制作方法。
虽然公开了本发明的一个优选实施例，但是其并非用以限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作出一些更动与改进，因此本发明的保护范围应当由后附权利要求及其等同物来限定。
权利要求
1.一种制作半导体存储器件电容电介质的具有低漏电流特性的电极的方法，该方法包括以下步骤预备一半导体硅基底；在该硅基底上沉积氧化钛的一层薄膜；对硅基底上所沉积的该氧化钛薄膜进行退火处理；在该氧化钛薄膜上沉积一层顶电极层；与执行一第二退火工艺。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该半导体硅基底为一n+型硅基底，或为一n+型多晶硅基底。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该氧化钛薄膜为TiO2薄膜。
4.如权利要求3所述的方法，其中，该TiO2薄膜具有大约10至20nm的厚度。
5.如权利要求4所述的方法，其中，该TiO2薄膜是在一冷壁低压化学气相沉积反应器中形成的。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该TiO2薄膜是在四异丙基钛化物与氧气的混合气体环境之中沉积而成的。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该TiO2薄膜是在大约350℃的温度下沉积而成的。
8.如权利要求3所述的方法，其中，该TiO2薄膜的退火处理是在干O2气体之中进行的。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该TiO2薄膜的退火处理是在大约800℃的温度下进行的。
10.如权利要求9所述的方法，其中，该TiO2薄膜的退火处理持续进行大约30分钟。
11.如权利要求3所述的方法，其中，该顶电极层是利用反应溅射法而沉积在该TiO2薄膜之上的。
12.如权利要求3所述的方法，其中，该顶电极层是利用电子束法而沉积在该TiO2薄膜之上的。
13.如权利要求3所述的方法，其中，该顶电极层是利用反应溅射法，以金属材料沉积在该TiO2薄膜之上的。
14.如权利要求13所述的方法，其中，该金属材料为钨。
15.如权利要求13所述的方法，其中，该金属材料为钼。
16.如权利要求3所述的方法，其中，该顶电极层是利用反应溅射法，以金属氮化物材料沉积在该TiO2薄膜之上的。
17.如权利要求16所述的方法，其中，该金属氮化物材料为氮化钨。
18.如权利要求16所述的方法，其中，该金属氮化物材料为氮化钛。
19.如权利要求16所述的方法，其中，该金属氮化物材料为氮化钽。
20.如权利要求3所述的方法，其中，该顶电极层是利用电子束法，以金属材料沉积在该TiO2薄膜之上的。
21.如权利要求20所述的方法，其中，该金属材料为钨。
22.如权利要求20所述的方法，其中，该金属材料为钼。
23.如权利要求3所述的方法，其中，该顶电极层是利用电子束法，以金属氮化物材料沉积在该TiO2薄膜之上的。
24.如权利要求23所述的方法，其中，该金属氮化物材料为氮化钨。
25.如权利要求23所述的方法，其中，该金属氮化物材料为氮化钛。
26.如权利要求23所述的方法，其中，该金属氮化物材料为氮化钽。
27.如权利要求1所述的方法，其中，该第二退火工艺是在N2的气体环境中进行的。
28.如权利要求27所述的方法，其中，该第二退火工艺是在大约450℃的温度下进行的。
29.如权利要求27所述的方法，其中，该第二退火工艺持续进行大约30分钟。
30.一种制作半导体存储器件电容电介质的具有低漏电流特性的电极的方法，该方法的步骤包括预备一半导体硅基底；在该硅基底上沉积氧化钛的一层薄膜；对硅基底上所沉积的该氧化钛薄膜进行退火处理；在该氧化钛薄膜上沉积一层顶电极层；与在N2的气体环境之中执行一第二退火工艺，在大约450℃的温度下持续进行大约30分钟。
全文摘要
一种制作半导体存储器件电容电介质的具有低漏电流特性的电极的方法,该方法的步骤包含:首先在一半导体硅基底上沉积氧化钛的一层薄膜;接着再对硅基底上所沉积的氧化钛薄膜进行退火处理;之后在氧化钛薄膜上沉积一层顶电极层;最后执行一次第二退火工艺,以将制作成的存储电容的漏电流予以减低。
文档编号H01L21/205GK1185024SQ96121899
公开日1998年6月17日 申请日期1996年12月10日 优先权日1996年12月10日
发明者孙喜眔, 陈再富 申请人:联华电子股份有限公司