专利名称：在衬底上形成高介电常数的介电层的方法
技术领域：
本发明大体上涉及半导体器件制造，具体而言，涉及在保持低漏电和高可靠性的同时以高产量淀积高介电常数(Hi-K)的介电层的方法以及形成的层。
背景技术：
在先进的半导体器件制造中目前采用高介电常数(Hi-K)的材料。例如，Hi-K材料是例如用在无源器件(特别是金属-绝缘体-金属的电容器)中的二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)的替代介电材料。这样的Hi-K材料依靠其较高的介电常数通过较厚的介电膜增加了电容密度。大体来说，满足100000通电小时(POH)的工业可靠性标准的Hi-K材料是所期望的。对于射频(RF)应用，线性(VCC)、介电损失和介电松弛也是重要的。随着材料介电常数的增加，上述的电参数中的大部分开始下降。
Hi-K材料面临的挑战是在制造过程中获得高产量的晶片，同时保持可靠性。特别地，目前的淀积技术例如原子层淀积(ALD)，由于是单层生长所以非常慢。传统地，有两种广泛使用的能够用于淀积Hi-K介电材料的氧化剂氧(O2)和臭氧(O3)。臭氧具有例如能够比氧高60％的生长率，由此允许较高的产量。不幸的是，臭氧基的膜相比氧基的膜具有较低的可靠性，因此不能一直使用。
考虑到前述问题，本领域中需要一种淀积具有增加的产量而不损失可靠性的Hi-K介电材料的方法。
发明内容
本发明包括形成高介电常数介电层的方法，该方法包括提供工艺室，包括用于支撑衬底的支座；将包括高介电常数(Hi-K)电介质前体和氧(O2)氧化剂的第一气体引入工艺室中，以便在衬底上形成高介电常数介电层的第一部分；以及从第一气体的气流切换到包括Hi-K电介质前体和臭氧(O3)氧化剂的第二气体的气流，以便在第一部分上形成高介电常数介电层的第二部分。在可选的实施例中，可以使用氧作氧化剂在第二部分上形成另一部分。本发明增加至少20％的产量，而不会使得可靠性或漏电变劣，并且不需要额外的设备。
本发明的第一方面涉及一种在衬底上形成高介电常数介电层的方法，该方法包括以下步骤提供工艺室，包括用于支撑衬底的支座；将包括高介电常数(Hi-K)电介质前体和氧(O2)氧化剂的第一气体引入工艺室中，以便在衬底上形成高介电常数介电层的第一部分；以及从第一气体的气流切换到包括Hi-K电介质前体和臭氧(O3)氧化剂的第二气体的气流，以便在第一部分上形成高介电常数介电层的第二部分。
本发明的第二方面包括一种在衬底上形成高介电常数介电层的方法，该方法包括以下步骤提供工艺室，包括用于支撑衬底的支座；将包括高介电常数(Hi-K)电介质前体和氧(O2)氧化剂的第一气体引入工艺室中，以便在衬底上形成高介电常数介电层的第一部分；从第一气体的气流切换到包括Hi-K电介质前体和臭氧(O3)氧化剂的第二气体的气流，以便在第一部分上形成高介电常数介电层的第二部分；从笫二气体的气流切换到包括Hi-K电介质前体和氧(O2)氧化剂的第三气体的气流，以便在笫二部分上形成高介电常数介电层的第三部分；以及在引入和切换步骤过程中将工艺室的温度保持在不小于大约350℃且不大于大约400℃。
本发明的第三方面涉及一种在衬底上形成高介电常数介电层的方法，该方法包括以下步骤提供工艺室，包括用于支撑衬底的支座；将包括高介电常数(Hi-K)电介质前体和氧(O2)氧化剂的第一气体引入工艺室中，以便在衬底上形成高介电常数介电层的第一部分；从第一气体的气流切换到包括Hi-K电介质前体和臭氧(O3)氧化剂的第二气体的气流，以便在第一部分上形成高介电常数介电层的第二部分；以及在引入和切换步骤过程中将工艺室的温度保持在不小于大约350℃且不大于大约400℃。
通过下面本发明实施例的更具体的说明，本发明前述和其它的特征将显而易见。
将参照附图详细说明本发明的实施例，其中相同的标号表示相同的元件，其中图1显示了按照本发明方法的第一实施例的第一步骤；图2显示了按照本发明方法的第一实施例的第二步骤；图3显示了按照本发明方法的可选第二实施例的第三步骤；图4显示了表示各种介电层形成技术的击穿电压范围的图表；图5显示了图4的各种介电层形成技术的击穿电荷对击穿概率的图表。
具体实施例方式
参照附图，图1和2显示了在衬底102上形成高介电常数(Hi-K)介电层100的方法的第一实施例。在图1所示的第一步骤中，该方法包括提供工艺室100，其包括用于支撑衬底102的支座112，例如可以是但不限于铜(Cu)、铝(Al)、硅(Si)，提供例如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)等之一的低介电常数层103(图1中仅虚拟的显示)。接下来，将包括Hi-K电介质前体和氧(O2)氧化剂122的第一气体120的气流引入工艺室110中，以便在衬底102上形成高介电常数介电层100(图2)的第一部分130。Hi-K电介质前体可以包括任何已知的或以后开发的Hi-K前体，例如用于五氧化二钽(Ta2O5)的Ta(OC2H5)5、用于二氧化铪(HfO2)的Hf[N(CH3)2]4和用于氧化锆(ZrO)的Zr[N(CH3)2]4或其它的Hi-K电介质前体。在此步骤期间，工艺室110中的温度优选地保持在大约350℃和大约400℃之间，最优选地在大约380℃。此外，在此步骤期间，工艺室110中的压强可以保持在大约3乇(Torr)。在这些条件下，第一部分130在此步骤中的生长速率大约可以是15.3埃/分钟。然而第一部分130的厚度可以根据应用而改变，在一个实施例中，第一部分130的厚度可以在大约10埃和100埃之间。
如图2所示，接下来的步骤包括(优选地是逐渐地)从第一气体120(图1)的气流切换到包括Hi-K前体和臭氧(O3)氧化剂142的第二气体140的气流，以便在第一部分130上形成高介电常数介电层100的第二部分150。在此步骤期间，工艺室110中的温度也优选地保持在大约350℃和大约400℃之间，最优选地在大约380℃。此外，在此步骤期间，工艺室110中的压强可以保持在大约0.7乇。在这些条件下，第二部分150在此步骤中的生长速率大约可以是24埃/分钟，其明显大于第一部分130的生长速率。然而第一部分130的厚度可以根据应用而改变，在一个实施例中，第二部分150的厚度可以在大约100埃和300埃之间(注意，附图没有按比例绘制)。
按照第一实施例，在此点可以停止Hi-K介电层100的淀积，即，停止第二气体140的气流。但是，在第二可选实施例中，如图3所示，可以继续处理，(优选地是逐渐地)从第二气体140(图2)的气流切换到包括Hi-K前体和氧(O2)氧化剂162的第三气体160的气流，以便在第二部分150上形成高介电常数介电层200的第三部分170。可以在基本上类似于淀积第一部分130的条件下进行此步骤，以便形成基本上与第一部分130相同的第三部分170，由此形成平衡的介电层200。特别地，在此步骤期间，工艺室110中的温度优选地保持在大约350℃和大约400℃之间，最优选地在大约380℃。此外，在此步骤期间，工艺室110中的压强可以保持在大约3乇。在这些条件下，第三部分170的生长速率大约可以是15.3埃/分钟。然而第三部分170的厚度可以根据应用而改变，在一个实施例中，第三部分170的厚度可以在大约10埃和100埃之间，即，基本上与第一部分130相同。
在一个实施例中，第一部分130和第二部分150以及(如果提供了的话还有)第三部分170的每一个都包括五氧化二钽(Ta2O5)。也就是说，在上述的每个步骤期间将钽前体(例如，Ta(OC2H5)5)注入到工艺室110中。应当意识到，也可以使用适当的Hi-K前体，例如分别用于二氧化铪(HfO2)的铪前体(例如，Hf[N(CH3)2]4)和用于氧化锆(ZrO)的锆前体(例如，Zr[N(CH3)2]4)来形成其它的Hi-K电介质，例如二氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)或氧化锆(ZrO)。
在制造期间使用氧-臭氧或氧-臭氧-氧来形成Hi-K介电层100、200明显地增加了晶片的产量。例如，下表给出了产量对所使用的氧化剂。下面所有的数据都是使用350℃的温度产生的。压强如上所述的改变。
从本发明的实施例(情况3-8)可以看出，与使用氧(O2)作为单独的氧化剂相比，产量增加了19.4％到60％不等。
关于可靠性，图4显示了箱形图，给出了按照现有技术(即，只有O2和O3)形成的Hi-K电介质产生的击穿电压(VBD)范围以及本发明上述方法的第一实施例的各种版本产生的击穿电压(VBD)范围(样本具有面积/周长值450Kμm2/6.3Kμm)。垂直轴表示在100μA电流时的击穿电压(Vcap)，水平轴表示不同的氧化剂情况。每个介电层形成250埃的厚度。理想地，VBD的值应当是高的，其表示高的击穿电压，并且是垂直方向较窄(低的分散范围)，其表明淀积技术是可靠和均匀的。第一数据组是针对只使用氧作氧化剂形成的介电层，并且表示出具有低分散范围的高VBD，这是理想的。但是，如上所表示的，只使用氧的技术是很慢的。第二数据组是针对只使用臭氧形成的介电层，并且表示出高的但是不可预测的VBD的值。但是，生长速率是24埃/分钟，这是足够的。第三数据组是针对只使用氧作氧化剂形成的介电层，但是被加速使其具有与只使用臭氧的数据组相同的生长速率，即24埃/分钟。尽管第三数据组与第二数据组具有相同的生长速率-唯一的区别在于氧化剂，但是第三数据组表现出高的VBD以及比第二数据组更好的可靠性。
第四、第五和第六数据组是针对按照本发明的在使用氧之后使用臭氧形成的介电层。如图4的图例所示，第四数据组具有通过氧形成的50埃(5nm)的电介质和使用臭氧形成的200埃的电介质；第五数据组具有通过氧形成的100埃(10nm)的电介质和使用臭氧形成的150埃的电介质；第六数据组具有通过氧形成的150埃(15nm)的电介质和使用臭氧形成的100埃的电介质。如图所示，第四、第五和第六数据组的每个都具有相当高的VBD并具有相当低的分散范围；第六数据组与前三个数据组是相当的。VBD的垂直狭窄度随着从第四到第六数据组氧层厚度的增加而改善，其表示出使用其中一种技术形成的介电层将具有高的和可靠的VBD。在产量方面，臭氧对介电层的贡献越大，则淀积处理就越快。因此，第四数据组是最快的，之后是第五和第六数据组。但是，在膜可靠性的方面，通过氧淀积的介电层越多则可靠性越高。因此，第六数据组将是最可靠的，之后是第五数据组然后是第四数据组。因此优化的工艺可以位于第四数据组和第六数据组之间的某处，但是不必要限于此范围。
回到图5，其显示了针对图4的第六数据组的水平轴上的击穿电荷(QBD)对垂直轴上的击穿概率(％)的图表。图5显示了第四、第五和第六数据组也具有非常紧密的分布以产生击穿电荷QBD(即，非常陡的斜坡)，这是理想的。相反，只有臭氧的数据组是更加分散的。
应当意识到，尽管已经通过各种实施例说明了某些操作条件，但是也可以有利地使用其它条件，并且这些条件也被考虑在本发明范围内。例如，降低淀积第一和第二部分130、170的温度明显地提高了叠层的整体介电特性，由此使得叠层对器件应用更有吸引力。此外，可以通过增加第二部分150淀积期间的压强来提高产量。
尽管已经结合上面概述的具体实施例说明了本发明，但是很明显，许多替换、修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见。因此，上述的本发明实施例倾向于是示例性而非限制性的。在不脱离下面权利要求限定的本发明范围的情况下，可以进行各种改变。
权利要求
1.一种在衬底上形成高介电常数介电层的方法，该方法包括以下步骤提供工艺室，包括用于支撑衬底的支座；将包括高介电常数(Hi-K)电介质前体和氧(O2)氧化剂的第一气体引入工艺室中，以便在衬底上形成高介电常数介电层的第一部分；以及从第一气体的气流切换到包括所述Hi-K电介质前体和臭氧(O3)氧化剂的第二气体的气流，以便在第一部分上形成高介电常数介电层的第二部分。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤从第二气体的气流切换到包括所述Hi-K电介质前体和氧(O2)氧化剂的第三气体的气流，以便在第二部分上形成高介电常数介电层的第三部分。
3.如权利要求1所述的方法，其中高介电常数介电层包括以下其中之一五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化铪(HfO2)和氧化锆(ZrO)。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括在引入步骤过程中将工艺室的温度保持在不小于大约350℃且不大于大约400℃的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其中温度在大约380℃。
6.如权利要求1所述的方法，其中第一气体引入步骤的生长速率大约是15.3埃/分钟；第二气体引入步骤的生长速率大约是24埃/分钟。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括在第一引入步骤过程中将工艺室的压强保持在大约3乇，在第二引入步骤过程中将工艺室的压强保持在大约0.7乇的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其中第一部分具有不小于大约10埃且不大于大约100埃的厚度，第二部分具有不小于大约100埃且不大于大约300埃的厚度。
9.如权利要求1所述的方法，其中衬底包括低介电常数层，该低介电常数层含有以下之一二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)和氧化铝(Al2O3)。
10.如权利要求1所述的方法，其中Hi-K前体包括以下之一Ta(OC2H5)5、Hf[N(CH3)2]4和Zr[N(CH3)2]4。
11.一种在衬底上形成高介电常数介电层的方法，该方法包括以下步骤提供工艺室，包括用于支撑衬底的支座；将包括高介电常数(Hi-K)电介质前体和氧(O2)氧化剂的第一气体引入工艺室中，以便在衬底上形成高介电常数介电层的第一部分；从第一气体的气流切换到包括所述Hi-K电介质前体和臭氧(O3)氧化剂的第二气体的气流，以便在第一部分上形成高介电常数介电层的第二部分；从第二气体的气流切换到包括所述Hi-K电介质前体和氧(O2)氧化剂的第三气体的气流，以便在第二部分上形成高介电常数介电层的第三部分；以及在引入和切换步骤过程中将工艺室的温度保持在不小于大约350℃且不大于大约400℃。
12.如权利要求11所述的方法，其中高介电常数介电层包括五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化铪(HfO2)和氧化锆(ZrO)。
13.如权利要求11所述的方法，其中保持步骤包括将温度保持在大约380℃。
14.如权利要求11所述的方法，其中第一和第三气体引入步骤的生长速率大约是15.3埃/分钟；第二气体引入步骤的生长速率大约是24埃/分钟。
15.如权利要求11所述的方法，其中第一和第三压强是大约3乇，第二压强是大约0.7乇。
16.如权利要求11所述的方法，其中第一和第三部分的每个都具有不小于大约10埃且不大于大约100埃的厚度。
17.如权利要求11所述的方法，其中，第二部分具有不小于大约100埃且不大于大约300埃的厚度。
18.如权利要求11所述的方法，其中Hi-K前体包括以下之一Ta(OC2H5)5、Hf[N(CH3)2]4和Zr[N(CH3)2]4。
19.一种在衬底上形成高介电常数介电层的方法，该方法包括以下步骤提供工艺室，包括用于支撑衬底的支座；将包括高介电常数(Hi-K)电介质前体和氧(O2)氧化剂的第一气体引入工艺室中，以便在衬底上形成高介电常数介电层的第一部分；从第一气体的气流切换到包括所述Hi-K电介质前体和臭氧(O3)氧化剂的第二气体的气流，以便在第一部分上形成高介电常数介电层的第二部分；以及在引入和切换步骤过程中将工艺室的温度保持在不小于大约350℃且不大于大约400℃。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括以下步骤从第二气体的气流切换到包括Hi-K电介质前体和氧(O2)氧化剂的第三气体的气流，以便在第二部分上形成高介电常数介电层的第三部分。
全文摘要
公开了形成高介电常数介电层的方法，该方法包括提供工艺室，包括用于支撑衬底的支座；将包括高介电常数(Hi－K)电介质前体和氧(O
文档编号C23C16/00GK1870228SQ200610084458
公开日2006年11月29日 申请日期2006年5月24日 优先权日2005年5月26日
发明者伊贝尼泽·E·艾舒恩, 道格拉斯·D·考尔保, 库纳尔·瓦伊德, 肯尼斯·J·斯坦恩 申请人:国际商业机器公司