电容器及制造电容器的方法、半导体装置和液晶显示装置的制作方法

专利名称：电容器及制造电容器的方法、半导体装置和液晶显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电容器，其中第一电极、具有包括多个亚层的堆叠层结 构的介电层和第二电极被顺序地堆叠，还涉及制造该电容器的方法、包括该 电容器的半导体装置和液晶显示装置。
背景技术：
作为增加金属-绝缘体-金属(MIM)电容器的电容的技术，已经研究了 包括具有高的相对介电常数的丁3205的电容器。然而，因为丁3205的物理特 性，没有满意地获得漏电流特性的改善。
因此，已经研究了相对介电常数有些低但具有优秀的I (电流)-V (施 加电压)特性的Hf02、八1203及由这些化合物组成的堆叠层。此外，也研究 了每个都包括具有优秀的漏电流特性的A1203等和具有高的相对介电常数的 Ta20s的堆叠层结构。
电容器的介电层的已知结构是丁3205亚层被夹在由A1203制成的亚层中 间的结构，Ta205是当前通常使用的材料(例如参见，Tsuyoshi Ishikawa et al.， "High-Capacitance Cu/ Ta205/Cu MIM Structure for SoC Applications Featuring a Single-Mask Add-on Process",正DM 2002 (此后称为"文档1"))。
包括具有由多个HfD2亚层和A1203亚层组成的多层结构(层叠结构)的 电容器也是已知的(例如见，Hang Huetal.， "High performance ALDHf02-2003 IEDM (此后称为"文档2" ); Shi画Jin Ding et al., "RF， DC and Reliability Characteristics ALD HfG2- A1203 Laminate MIM Capacitors for Si RF IC Applications",正EE Trans-Electron devices Vol. 51， No. 6， June 2004 (此后称 为"文档3");以及Shi-Jin Ding et al., "Evidence and Understanding of ALD HfD2- A1203 Laminate MIM Capacitors Outperforming Sandwich Counterparts",
正EE Electron devices Letter Vol. 25, No. 10, October 2004 (此后^皮称为"文 档4"))。在这些电容器结构中，漏电流特性可得以改善。尤其是，按照文档2和 文档3，这样的结构的漏电流密度在低电压范围内约为5xl(T9[A/cm2]，这样 实现了令人满意的特性。按照文档4，具有其中由A1203( 1 [nm] )-HfQ2( 12 [nm] )-Al203( 1 [nm]) 组成的亚层被重复的堆叠层结构的介电层比具有Al203-Hf02 -A1203的堆叠 层结构的介电层更优越。前者介电层具有更优越的特性。更具体地，在低电 压的漏电流密度为lxlO一[A/cm勺和漏电流开始显著地增加时的电压约为7 [V]。此外，已知漏电流特性通过层叠多个结晶的H幻2和八1203亚层被改善 (见Shi-Jin Ding et al., "Evidence and Understanding of ALD Hf02- A1203 Laminate MIM Capacitors Outperforming Sandwich Counterparts", IEEE EDL Vol. 25, No. 10， October)。另外，在电容器的介电层的结构中，Ta205亚层被夹在Hf02亚层中间， 其漏电流特性通过加入Si到Hf02中被改善(例如见，日本专利申请公开 No. 2004-79687 )。发明内容例如，当上述的MIM电容器4皮使用在存储装置、逻辑装置或特定的低 电压工作装置中时，主要进行了改善单位电容的开发，并且单位电容的改善 是令人满意的。然而，当MIM电容器被使用在于相对高的电压下使用的装置中时，例 如^f莫拟装置(例如，RF应用)或混合信号装置，或者当MIM电容器为方便 电路配置而被使用在靠近外部终端的部分中时，最好结合击穿承受电压 (breakdown withstand voltage )和j氐漏电流，并且还期望高的单4立电容。因 此，已知的电容器结构不能必然地令人满意地满足所有这些需要。更具体地，在应用到存储装置或逻辑装置中，考虑施加到电容器的电压 最多2 [V]就足够了。然而，在混合信号装置的情况中，经常必须击穿承受 电压是通常3[V]，根据信号幅度两倍于其，或者此外包括余量(margin)的 7[V]或者更高。
例如，在文档1和文档2描述的上面提及的电容器显示了由于PF传导 机制的漏电流特性，从约1.7 [MV/cm]电流密度开始显著地增加。在绝缘薄 膜中的电传导机制主要在肖特基(Schottky)漏电流、福勒-诺德海姆 (Fowler-Nordheim)隧穿电流(FN电流)、普尔-弗兰克尔(Poole画Frenkel， PF )电流等方面描述。在绝缘薄膜中流动的漏电流开始显著地增加的原因是， 在这些电传导机制中，尤其是PF电流变得占优势。这里，漏电流开始显著 地增加时的开始电压被称为"PF-电流-开始电压"。例如，当目标为6 [fF/jim2] 的单位电容时，PF-电流-开始电压约为5.3 [V],这对于3 [V]的电源是有效 的。然而，当考虑高至7[V]或高于7[V]的电压时，上面提及的电压是不令 人满意的。此外，在文档3中描述的电容器的单位电容低；约3.2 [fF4im2],其在高 密度装置被期望的近些年是不令人满意的。如上所述，许多注意力被付于高击穿电压结合高相对介电常数的实现、 对更低的漏电流密度的追求、和更高单位电容的实现上。然而，在很多情况， 电容器的结构是复杂的，难以控制成分，或任何一个上述特性都是差的。因 此，适用于模拟应用的高性能电容器元件依然不能以低的成本容易地形成。例如，使用比如镧系元素的稀有金属作为改善方法已经得到研究。然而， 这种方法导致高的制造成本。此外，在这种改善方法中非常难于通过添加稀 有金属来控制组分。期望MIM电容器的材料尽可能地通用(versatile),并实现具有更简单 结构的MIM电容器。期望实现具有高单位电容和低漏电流密度的电容器和包括该电容器的 装置。按照本发明的实施例的电容器包括顺序堆叠的第 一 电极、介电层和第二 电极。在电容器中，介电层具有包括预定数目的铪氧化物亚层和预定数目的 钽氧化物亚层的堆叠层结构。此外，堆叠层结构中亚层的数目，亚层的材料 和亚层的厚度被确定以使得预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的 总厚度的比率具有一范围，在该范围内，在显示施加在第一电极和第二电极 之间的电压和漏电流之间的关系的电压-漏电流特性中，当堆叠层结构中预 定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率变化时，开始电压 满足3[MV/cm]或更高的电场强度的条件，在该开始电压电流增加相对于电
压增加的斜率在施加的电压低于介电击穿电压的电压范围内开始整体上不 连续地增加，以及预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比 率在一个厚度比率范围以使得开始电压在所述范围内。
在介电层的堆叠层结构中，优选的是，与第一电极"^妄触的亚层和与第二 电极接触的亚层都由铪氧化物亚层组成。
更具体地，包括在介电层内的预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率在0.05到0.45的范围。
进一步优选的是，包括在介电层内的预定数目的钽氧化物亚层的总厚度 与介电层的总厚度的比率在0.2到0.45的范围。
此外，包括在介电层的每个铪氧化物亚层最好具有就由转换铪氧化物亚 层的厚度到二氧化硅层的厚度所确定的厚度而言的1.6 [nm]或者更大的厚 度。
漏电流可以是肖特基漏电流、福勒-诺德海姆(FN)隧穿电流、普尔画弗 兰克尔(PF)电流或前述电流组合的电流，并且开始电压可以是PF电流增 加并成为漏电流的占优势的部分的电压范围的下限电压。
一种按照本发明的实施例制造电容器的方法包括的步骤有在形成于基 板上的绝缘薄膜上形成第一电极；在第一电极上形成介电层，该介电层具有 包括预定数目的铪氧化物亚层和预定数目的钽氧化物亚层的堆叠层结构；在 介电层上形成第二电极。在形成介电层的步骤中，组成介电层的亚层以提供 堆叠层结构的亚层的材料、亚层的厚度和堆叠的亚层的数目依次形成，其中 预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率有一范围，在该 范围内，在显示施加在第一电极和第二电极之间的电压和漏电流之间的关系 的电压-漏电流特性中，当堆叠层结构中预定数目的钽氧化物亚层的总厚度 与介电层的总厚度的比率变化时，开始电压满足3[MV/cm]或更高的电场强 度的条件，在该开始电压电流增加相对于电压增加的斜率在施加的电压低于 介电击穿电压的电压范围内开始整体上不连续地增加，以及预定数目的钽氧 化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率在一个厚度比率范围以使得开 始电压在所述范围内。
按照本发明的实施例的半导体装置包括半导体基板；至少一个设于半 导体基板上的绝缘薄膜；和电容器，其包括顺序堆叠在绝缘薄膜上的第一电 极、介电层和第二电极。在半导体装置中，介电层具有包括预定数目的铪氧
化物的亚层和预定数目的钽氧化物的亚层的堆叠层结构。此外，在半导体装 置中，堆叠层结构中亚层的数目、亚层的材料和亚层的厚度^^皮确定以4吏得预 定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率有一范围，在该范 围内，在显示施加在第一电极和第二电极之间的电压和漏电流之间的关系的 电压-漏电流特性中，当堆叠层结构中预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率变化时，开始电压满足3[MV/cm]或更高的电场强度 的条件，在该开始电压电流增加相对于电压增加的斜率在施加的电压低于介 电击穿电压的电压范围内开始整体上不连续地增加，以及预定数目的钽氧化 物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率在一个厚度比率范围以使得开始 电压在所述范围内。电容器最好提供为模拟电路的元件，模拟电路中的模拟交流电信号被施 加到第一电极和第二电极中的至少一个。一种按照本发明的实施例的液晶显示装置包括显示单元，其中对基板 (counter substrate )与驱动基板交迭以施加电场到液晶上，液晶净皮填充到夹 置于两个基板之间的每个像素内。在液晶显示装置的驱动基板的多层互联结 构中，设有数据线、控制从数据线到液晶的信号的施加和保持施加到液晶上 的电压的保持电容器。每个保持电容器包括第一电极、第二电极和设于第一 电极和第二电极之间的介电层，该介电层具有包括预定数目的铪氧化物亚层 和预定数目的钽氧化物亚层的堆叠层结构。在堆叠层结构中，亚层的数目， 亚层的材料和亚层的厚度被确定以使得预定数目的钽氧化物亚层的总厚度 与介电层的总厚度的比率有一范围，在该范围内，在显示施加在第一电极和 第二电极之间的电压和漏电流之间的关系的电压-漏电流特性中，当堆叠层 结构中预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率变化时， 开始电压满足3[MV/cm]或更高的电场强度的条件，在该开始电压电流增加 相对于电压增加的斜率在施加的电压低于介电击穿电压的电压范围内开始 整体上不连续地增加，以及预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总 厚度的比率在一个厚度比率范围以使得开始电压在所述范围内。按照本发明的实施例的上述的结构，预定数目的钽氧化物亚层的总厚度 与包括预定数目的铪氧化物亚层和预定数目的钽氧化物亚层的介电层的总 厚度的比率满足下面的条件第一，预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率有一
厚度比率范围，在这个范围中开始电压满足3 [MV/cm]或更高的电场强度的 条件。这里，术语"开始电压，，指以下电压在显示施加在第一电极和第二 电极之间的电压和漏电流之间的关系的电压-漏电流特性中，电流增长相对 于电压增长的斜率在施加的电压低于介电击穿电压的电压范围内整体上开 始不连续地增长时的电压被称为开始电压。第二，预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率在一 个厚度比率范围内，在这个范围内开始电压满足3 [MV/cm]或更高的电场强 度的条件。也就是，在按照本发明的实施例电容器中，介电层的堆叠层结构中亚层 的数目、亚层的材料和亚层的厚度被确定以满足这两个条件。因此，当电容器通过在第一电极和第二电极之间施加电压被使用时，开 始电压保持高的水平，这样漏电流能够被抑制。在这种情况下，电场强度高 3[MV/cm]或更高。因此，即使当施加的电压增加时，漏电流也不增加。因此，单位电容(每单位面积的电容)相应地高。按照本发明，具有高单位电容和低漏电流密度的电容器和包括该电容器 的装置能够被实现。


图1是显示本发明的实施例的电容器的基本结构的截面图； 图2是显示介电击穿特性的E-J曲线图；图3是显示丁&205亚层厚度比率和在击穿承受电压和PF-电流-开始电压 的电场之间的关系的图；图4是显示电场和电流(漏电流密度)之间的关系的图；图5是显示在单位电容和有效相对介电常数改变的情况下层厚的变化的表；图6A至6E每个是显示在单位电容和有效相对介电常数改变的情况下 电场强度变4t的表；图7是在Ta205亚层厚度比率相同、HfD2亚层厚度变化的情况下E-J曲线图；图8是实例1的E-J曲线图； 图9是实例2的E-J曲线图10是显示实例3的装置结构的截面图；图11是实例4的液晶像素的电路图；和图12是实例4的液晶显示装置中阵列基板的截面图。
具体实施方式
将结合附图描述本发明的实施例。电容器的基本结构图1显示了该实施例的电容器的基本结构。该实施例的电容器1具有这样的结构，其中第一电极2、介电层3和第 二电极4被顺序地堆叠，并且介电层3具有包括多个金属氧化物亚层的堆叠 层结构。在这个堆叠层结构中亚层的数目和每个亚层的材料和厚度从开始电压 的观点决定，如下面详细描述的。介电层3的堆叠层结构的重要特征是与第 一 电极2接触的底介电亚层3b 和与第二电极4接触的顶介电亚层3t都由铪氧化物(Hf02)亚层组成。中 间层(中间介电亚层3i)可以包括单一金属氧化物亚层或多个亚层，在该多 个亚层中由不同材料制成的金属氧化物亚层被交替地重复。中间介电亚层3i 的亚层结构没有在图1中示出，因为该亚层结构能被自由地确定。在一个更优选的实施例中，介电层3具有堆叠层结构，其中至少一组堆 叠亚层被重复地堆叠在设置于第一电极2上的铪氧化物亚层上(底介电亚层 3b),该一组堆叠亚层包括由具有高于铪氧化物的相对介电常数的介电材料 制成的高介电亚层和铪氧化物亚层。在这种重复的形成中最后形成的铪氧化 物亚层组成顶介电亚层3t，如图1所示。钽氧化物(Ta205)、铌氧化物(Nb205)、锆氧化物(Zr02)等任何其中 之一可以被用作具有相对介电常数高于铪氧化物的相对介电常数的介电材 料。尤其是，Ta20s是优选的，其具有更高的相对介电常iL为了获得本发明的优点，介电层的结构包括三个亚层是足够的。然而， 亚层的数目在这些实施例中不限于此，并且介电层可以由包括三个或更多亚 层的多个亚层组成，例如，五个亚层或七个亚层。现在将描述具有三层结构的介电层3的特性、堆叠层结构的参数、实例 等，该三层结构中铪氧化物(Hf02)亚层被布置于钽氧化物(Ta205)亚层 的两侧上。作为本发明的甚至更优选的实施例，形成了包括具有HfOrTa205-Hf02 的堆叠层结构的介电层的MIM电容器。该介电层结构是简单的三层堆叠结 构并能够使用一般的Hf02和Ta20s的沉积系统实现，比如金属有机物气相 沉积(MOCVD)、等离子化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、溅 射等。另外，"Ta205亚层厚度与总介电层厚度的比率(此后也称为'Ta20s亚 层厚度比率，)被设置在0.05至0.45的范围内，更优选地在0.2至0.45的范 围内"。更优选地，"每个Hf02亚层的厚度为1.6 [nm] (EOT:等价氧化物 厚度)或更多"。这里，等价氧化物厚度是由以层的相对介电常数与二氧化 硅(Si02)的层的相对介电常数的比率为基础转换层的厚度获得的。在这个甚至更优选的实施例中选择堆叠层结构及其结构参数的根据将 以各种试验结果为基础作描述。单一亚层的介电击穿特性第一，将描述由铪氧化物(Hf02)单一亚层和钽氧化物(Ta205 )单一 亚层的介电击穿特性。图2示出了介电击穿特性。图2的垂直轴代表每单位面积的漏电流密度(单位[A/cn^]，对数坐标)， 和其水平轴代表在层厚方向上的(垂直)电场强度(单位[MV/cm])。这个 介电击穿特性图在此后被称为"E (垂直电场)-J (电流密度)特性"或"E-J 曲线图"。在图中，由符号"5a"所示的曲线是在钽氧化物(Ta205)单一亚层中的 介电击穿特性曲线(观测值)。由符号"5b"所示的曲线是在铪氧化物(Hf02) 单一亚层中的介电击穿特性曲线(观测值)。在比如是钽(Ta)或铌(Nb)的金属的氧化物层的情况，由于这些金属 材料的氧化物的形成自由能不是特别地大，所以由于沉积材料的层中的氧空 位和比如有机物质的杂质有助于电导，以及由于PF传导机制的电流(PF电 流)从低电场范围流动。这导致漏电流特性的退化。如图2中特性曲线5a中所示，在钽氧化物(Ta205)单一亚层中，漏电
流从低电场在绝缘层中流动，和漏电流的量比Hf02的特性曲线5b中的漏电 流的量高几倍到几个量级。Ta20s的特性曲线5a具有一个斜率-改变点a，从 这里在高于斜率-变化点的电场范围电流量增加的斜率显著地增加。这意味 着，在先前的漏电流机制之中，从斜率-改变点a， PF电流开始占优势地流 动。当电场强度进一步地增加时，丁3205单一亚层承受击穿高至一个明显高 的电场。如图中由虚线所示，漏电流密度显著地增加的点b是介电击穿点。 斜率-改变点a代表上面定义的"PF-电流-开始电压(或电场)"。在另一方面，金属氧化物层，比如八1203、 Hf02和Zr02层，它们的杂质 含量低且成分接近于化学计量比，具有低的漏电流水平但表现出它们比钽氧 化物(Ta205)更易受介电击穿的特性。如图2中由Hf02的特性曲线5b所示，当电场增加时，Hf02单一亚层保 持非常令人满意的漏电流特性，甚至在电场强度超过在Ta205的特性曲线5a 中PF电流变得占优势的斜率-改变点a之后。这是因为PF电流不会在Hf02 单一亚层中流动，这样，电流的显著的增加不会出现。然而，在电场强度超过斜率-改变点a之后，介电击穿(点b)发生在相 对低的电场强度。如上所述，铪氧化物(Hf02)具有低漏电流特性但易受介 电击穿。这个击穿电压依赖于层厚改变。然而，在由同样的材料组成的层中， 击穿电压实质上就电场而言^^皮确定为一个常数值。在Hf02的情况，获得大 约2.5 [MV/cm]的击穿电压。如上所述，在Ta20s的情况，PF电流流动，击穿承受电压相应地高。相 反地，A1203、 Hf02和Zr02等具有相反的特性因为PF电流不流动，它们 在低电场范围被击穿。了这些亚层的优点并补偿这些亚层的缺点，并且由比如层厚比率的结构参数 具体地定义了 Hf02和Ta205的堆叠层结构。堆叠层的结构参数下面，将描述具体说明图1所示的介电层3的堆叠层结构的参数。 图3是在Hf02 (顶介电亚层3t) -Ta205 (中间介电亚层3i) -Hf02 (底 介电亚层3b)的结构中丁&205亚层(中间介电亚层3i)的厚度与总介电层厚 度的比率与在击穿承受电压和PF-电流-开始电压的电场的曲线图。因为这些
电场强度与击穿电压有关，所以这些电场的强度在图中由"EBV，，示出。在图中，虚线代表击穿承受电压(介电击穿电压)，实线代表PF-电流-开始电压。这里,术语"PF-电流-开始电压，，代表图2中漏电流的斜率改变 的点a的电场强度。在图3中，当丁3205亚层厚度与介电层3的总厚度的比率增加时，PF-电流-开始电压#皮示出增加。如下所述，在这个范围(范围A),由于击穿承 受电压是占优势的，所以击穿承受电压和PF-电流-开始电压被示出是相互交 迭的。在上述厚度比率高于范围A中的厚度比率的范围(范围B)， PF-电流 -开始电压从某个点(杆)P3a开始下降。在另一方面，当化205亚层厚度与介电层3的总厚度的比率增加时，在 击穿承受电压的电场增加。当PF-电流-开始电压高时，总漏电流水平低，这 对降低漏电流是有效的。此外，在击穿承受电压的电场也优选尽可能地高。 然而，即使当在击穿承受电压的电场高时，如果PF-电流-开始电压低，则总 漏电流水平高，这不是优选的。在该实施例，PF-电流-开始电压和击穿承受电压被平衡的最佳的范围通 过集中注意力在PF-电流-开始电压具有局部最大值的范围被指定。在图3中，在PF-电流-开始电压和击穿承受电压的曲线中点Pl、 P2、 P3a、 P3b、 P4a、 P4b、 P5a、 P5b、 P6a和P6b被示出。图4示出表现在上面提及的十个点具有PF-电流-开始电压或击穿承受电 压的电场强度与电流(漏电流密度)之间的关系，从而曲线相互交迭。丁3205亚层厚度与介电层3的总厚度的比率与电场强度EBv之间的关系 将参照图3和图4描述。在图3中，点P1示出铪氧化物单一亚层的情况(其中丁3205亚层厚度与 介电层3的总厚度的比率是零)。在这种情况，如图4所示，介电击穿发生 在点Pl, PF-电流-开始电压不存在。这是因为介电击穿发生在PF电流开始 增加之前。如图3所示，当Ta20s亚层厚度比率从点Pl增加，其中该介电 击穿占优势和PF-电流-开始电压未出现为特性的范围(范围A)，继续向上 至比率约为0.15的点P2。因此，图4所示的具有点P2的曲线具有一个形状， 其中具有点Pl的曲线的击穿承受电压在击穿承受电压增加的方向被移动。如图3所示，当Ta20s亚层厚度比率从点P2进一步地增加时，由虚线示 出的击穿承受电压的曲线和由实线示出的PF-电流-开始电压的曲线从作为
边界点的点P2被相互分离。更具体地，击穿承受电压单调增加，而PF-电流-开始电压在点P3a达到峰值和然后单调降低。如图4所看到的，在上述比率比具有点P2略高的曲线中，PF-电流-开 始电压P3a出现，并且曲线也具有比电压P3a高的击穿承受电压P3b。连接 PF-电流-开始电压P3a和击穿承受电压P3b的基本线性的范围是PF电流占 优势的范围。当上面的比率被进一步增加时，击穿承受电压逐渐增加到点P4b、 P5b 和P6b,然而PF-电流-开始电压逐渐降低至点P4a、 P5a和P6a。参照图4， 结果，PF电流占优势的基本线性的区域延伸至更宽的范围。从高击穿承受电压的观点而言，上述的比率高于点P2的比率的范围(范 围B)是优选的，但在这个范围PF电流增加。因此，层的特性从后者的角 度而言被退化。击穿承受电压满足某个期望的电场强度的水平是足够的。相 反地，当PF-电流-开始电压的值降低时，在上述期望的电场强度的漏电流不 受欢迎地增加。结果，范围B是PF-电流-开始电压主要影响层特性的范围。在该实施例中，优选的层厚度比率被如下指定"Ta20s亚层厚度与总介 电层厚度的比率在0.05至0.45的范围"。这是因为作为在图3中期望的电场 强度的值的实例，3 [MV/cm]或更高是满意的。期望的电场强度是3 [MV/cm]或更高的原因将被描述。图5示出为在介电层3的每个有效相对介电常数s实现每个每单位面积 的电容(单位电容Cdens)的层厚的关系。图6 (A)到图6 (E)示出在介 电层3的单位电容(Cdens)和有效相对介电常数s变化的情况下在介电层 厚度方向上的电场强度(单位[MV/cm])。图6 (A)示出3.3 [V]的电源电 压的情况，图6 (B)示出5 [V]的电源电压的情况，图6 (C)示出6.6 [V] 的电源电压的情况，图6 (D)示出7[V]的电源电压的情况，图6(E)示出 13.2 [V]的电源电压的情况。在一般的电子装置和移动装置中，3 [V]的电源电压是被广泛使用的。当 在这个电源电压的条件下包括击穿承受电压的余量比如噪音时，则有必要保 证在约两倍于电源电压的电压(即，电源电压在约6到7 [V]范围内)被施 加的情况下同样的特性。当前期望的单位电容Cdens在约6到8 [ff/iim勺范围内。在Hf02 (顶介 电亚层3t) -Ta205 (中间介电亚层3i) -HfQ2 (底介电亚层3b )的结构中有
效的(或平均)相对介电常数s在20到24的范围。这里，8 [fF/pm勺最高单 位电容Cdens的情况在20的相对介电常数s作为目标被实现的情况被关注， 其中高密度电容的实现是最困难的。在这种情况下，为了保证在约两倍于电 源电压的电压被施加的情况下的同样的特性，如从图6 (C)和图6 (E)可 见的，有必要保证3 [MV/cm]或更高的电场强度。这就是为什么结构参数被指定为3 [MV/cm]或更高的电场强度的原因。在该实施例中，更优选的层厚比率被如下指定"丁&205亚层厚度与总介 电层厚度的比率在0.2至0.45的范围"。为此的原因如下。在图3所示的图 中，在从上述比率是0.05的点到PF-电流-开始电压达到峰值的点P3a的范围 和从点P3a到点P5a的范围中，期望的3 [MV/cm]或更高的电场强度被令人 满意的。然而，后一个从点P3a到点P5a的范围是更优选的，因为击穿承受 电压高于前者的范围的击穿承受电压。或者，层厚比率的另一个更优选的范 围能被指定以使得PF-电流-开始电压达到峰值的点P3a被布置在中间。如上所述，在该实施例，击穿电压和PF电流的抑制通过以PF-电流-开 始电压为基础指定上述比率的范围可在高水平能被平衡。下面，"Hf02的层厚"的条件及其原因将4皮描述。在杂质含量低且成分接近于化学计量比的Hf02层中，存在上述特性能 够被保持的厚度的极限。就EOT (EOT:等价氧化物厚度)而言，Hf02的 层厚的极限是l,6[nm]。图7是三个电容器的E-J曲线图，每个电容器具有相同的0.3的Ta205 亚层厚度与总介电层厚度的比率并包括Hf02亚层，也就是，顶介电亚层3t 和底介电亚层3b,该Hf02亚层具有就EOT而言的1.5、 2.0或3.0 [nm]的厚 度。参照图，当Hf02亚层的厚度为2.0 [nm] (EOT)和3.0 [nm] (EOT)时， 漏电流的增加没有被发现。相反地，当每个Hf02亚层的厚度为1.5 [nm]时， PF-电流-开始电压就电场强度而言从约3 [MV/cm]下降到约2.2 [MV/cm]。因 此，漏电流密度显著地增加，没有满足在3 [MV/cm]的电场强度漏电流密度 为lxl(T7 [A7cn^]或更低的条件，该条件决定漏电流密度是否在一个可接受 的范围内的标准。虽然图中没有示出，试验结果示出了 ，当每个Hf02亚层的厚度是1.6 [nm] (EOT)时，PF-电流-开始电压的下降被发现，但1.6[nm] (EOT)的每个 Hf02亚层的这个厚度是其中能够获得期望的漏电流特性的极限。如上所述，通过由于Hf02抑制介电击穿和由于丁3205抑制PF-电流-开始 电压的下降，实现了 lxl0-"A/cn^]或更低的漏电流密度和3 [MV/cm]或更高 的高击穿承受电压特性，同时防止了漏电流的增加和保持了 6 [fF/nm勺或更 高的高单位电容。此外，如从图3中可见的，当丁&205亚层厚度与总介电层厚度的比率被 设置在0.2至0.45的范围内时，击穿承受电压能被提高至约3.7 [MV/cm]或 更高而不会由于Ta205引起PF-电流-开始电压的下降。更多的具体实例将4皮描述。实例1在丁3205和Hf02的相对介电常数分別为24和21和形成具有例如8 [ff/lim勺的单位电容的电容器的情况下，当丁&205亚层厚度与总介电层厚度的 比率为0.15时，由Hf02、 Ta205、和Hf02组成的亚层的厚度大致被分别确 定为10、 3.5和10 [nm]。在上述情况，当Ta205亚层厚度比率约为0.3时， 类似地，每个亚层的厚度大致被确定为8[nm]。在这种情况，由于每个HfG2 亚层的厚度就EOT而言对应于1.5 [nm],所以上述"1.6 [nm] (EOT)或更 高"的条件没有得到满足，这是不被期望的。形成具有上述两种类型的亚层厚度结构的介电层3，并评估其E-J特性。 结果在图8中示出。制备具有Hf02-Ta205-Hf02的介电层结构的电容器，其中丁&205厚度比 率约为0.15和每个Hf02亚层的厚度就EOT而言为1.9[nm]。这个电容器的 特性在图8中由"HTH-10: 3.5: 10nm"示出。在图8中由"HTH=8: 8: 8 nm"示出的电容器的特性是具有如图7中 由"HfO: 1.5 nm (EOT)"示出的电容器的相同的介电层结构的电容器的特 性。参照图8中所示的结果，确认了如下内容即使当图3中所示的亚层厚 度比率超出最优选的0.2至0.45的范围，在亚层厚度比率在0.05至0.45的 优选的范围内和每个HfQ2亚层的厚度就EOT而言为1.6 [nm]或更厚的情况 下，能够实现8[伊/|11112]的高单位电容，以及3 [MV/cm]或更高的击穿电压和 在3 [MV/cm]的lxl(T7 [A/cm勺或更低的低漏电流密度。 实例2在实例2中，形成具有与实例1中的相同的相对介电常数和具有例如6 [fFVr^]的单位电容的电容器。在这种情况，当选择0.3为Ta20s厚度比率时， Hf02 (顶介电亚层3t)、 Ta205 (中间介电亚层3i)和Hf02 (底介电亚层3b) 的厚度被大致分别确定为11、 10或者11 [nm]。形成具有上述亚层厚度的介电层3，并评估其E-J特性。结果在图9中 示出。在图9中，具有"HTH= 11、 10、 11 [nm]"的这个电容器的特性由"Ta205 比率0.3"示出。在这个特性中，尽管PF-电流-开始电压约为3 [MV/cm]， 但是击穿承受电压高于4 [MV/cm]。相反地，至于以相同的单位电容为目标同时具有丁3205厚度比率为0.14 的电容器的特性，尽管PF-电流-开始电压超过3[MV/cm]，但是击穿发生在 3.5[MV/cm]。如上所述，即使当单位电容是相同的，通过适当地选择丁3205厚度比率， 击穿承受电压能被进一步地改善而不退化漏电流特性。实例2的结果示出，当丁3205厚度比率在更优选的0.2至0.45的范围时， 击穿承受电压能够被进一 步改善。在实例1和实例2中，亚层厚度的组合能被自由地确定，将丁3205亚层 夹在中间的顶和底Hf02亚层的厚度不一定是相同的，只要满足"丁3205亚层 厚度与总介电层厚度的比率被设置在0.05至0.45的范围，更优选地在0.2 至0.45的范围内，且每个Hf02亚层的厚度为1.6 [nm] (EOT:等价氧化物 厚度)或更多"的条件即可。例如，为了防止在形成顶电极过程中引起的破坏，上H幻2亚层(顶介 电亚层3t)形成以具有大于下Hf02亚层的厚度的厚度是有效的。在这种情 况，当上述Ta205亚层厚度比率被设置在0.05至0.45的范围内，和每个Hf02 亚层的厚度为1.6[nm] (EOT)或更厚被满足时，能够获得上述满意的特性。在该实施例中，能够获得上述满意的特性的原因是，第一，如图l所示， 与第一电极2接触的介电亚层和与第二电极4接触的介电亚层都由Hf02亚 层组成。这从在丁&205直接与电极接触的介电层结构中发现漏电流增加的事 实是明显的。
该实施例示出，当上述条件在这种情况被满足时，能够获得满意的特性。 装置应用的两个实例将在下面描述。实例3实例3涉及包括电容器的半导体装置。图IO是示出半导体装置的MIM电容器附近的结构的实例的截面图。包括具有上述Hf02-Ta205-Hf02的堆叠层结构的介电层3的MIM电容 器1设于设在半导体基板(或由另一种材料制成的基板)(没有示出)上的 绝缘薄膜50上。第一电极2设于绝缘薄膜50上，介电层3设于第一电极2 上，第二电极4进一步设于介电层3上。设有层间绝缘薄膜51以覆盖MIM电容器1。连接至MIM电容器1的 第二电极4的上层配线(wiring) 52设于层间绝缘薄膜51上。上层配线52 于第二电极4之间的连接经由层间绝缘薄膜51中的插塞53建立。在另一方 面，第一电极2被连接至由与第一电极2相同的层组成的导电层55，并经由 其它插塞54被连接至上层配线56。这个装置部分通过例如下面的方法来形成。第一，在绝缘薄膜50上单独地或作为单一薄膜形成第一电极2和导电 层55。临近这些层侧面的间隙用绝缘材料填充以平整化表面，然后暴露第一 电极2的顶表面。然后在其上通过顺序地沉积介电层结构3的亚层形成按照 本发明的实施例的具有堆叠层结构的介电层3。形成这个介电层3的方法没有特别限制。然而，沉积通过例如原子层沉 积(ALD)、金属有机物化学气相沉积(MO-CVD)、等离子增强化学气相沉 积(PE-CVD)、等离子增强原子层沉积(PE-ALD)或溅射来进行。在这个步骤，沉积条件被确定以使得残余杂质的含量被最小化并且成分 尽可能地接近化学计量比。为了改善层的质量，热处理、附加的氧化处理等 可以作为后处理进行。然而，当热处理导致金属氧化物层的结晶和该结晶引 起漏电流的增加时，不需要热处理的PE-CVD或PE-ALD被优选地用作沉积 方法。下面，沉积第二电极4，然后该电极被处理以至于具有期望的尺寸。 下面，介电层3被处理以除去不必要的部分。这样，完成了MIM电容 器1的主要部分。
接下来，形成层间绝缘薄膜51，然后其表面被平整化。在层间绝缘薄膜51中形成用于形成插塞53和54的通路孔。形成的通路孔用钨(W)等填充 以形成插塞53和54。分别连接至插塞53和54的上层配线52和56形成于 层间绝缘薄膜51上。在其上形成绝缘薄膜或保护薄膜。这样，完成了 MIM 电容器部分。第一电极2和第二电极4的材料至少在与Hf02亚层接触的部分优选是 氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN)。尤其是，氮化钽(TaN)具有与HfQ2亚层 满意的亲和力，这样氮化钽(TaN)是更优选的。实例3示出包括具有堆叠层结构的介电亚层的介电层3的MIM电容器 1在半导体装置中的应用，结构和形成装置的方法不限于上面所述的那些。 除了涉及图1中所示的电容器的结构的部分之外，任何结构和方法可以被组 合使用。由于具有图10中所示的举例的结构的半导体装置包括该实施例的电容 器1，所以这个半导体装置尤其适用于处理模拟信号的应用和处理模拟信号 和数字信号的混合信号的应用。当要被处理的信号包括模拟信号和具有大振幅的模拟信号被施加到具 有图1所示的结构的电容器1时，具有高绝对值和高精度的单位电容、电容 的满意的温度依赖特性、高击穿承受电压、在高的施加电压范围满意的绝缘 性能、和绝缘性能的满意的温度依赖特性是必要的。此外，对模拟应用尤其必要的特性是满意的电容对电压的依从关系。这里，术语"电容对电压的依从关系"指当输入电容器的电压以大幅度 被改变时电容对输入电压的依从关系。当这种依从关系高时，电容响应电压 中的变化的效果而改变。因此，输入模拟信号在输出过程被扭曲。相反地， 当电容对电压的依从关系低时，大幅度的模拟信号能被理想地输出而没有扭 曲。电容对电压的依从关系由电容的电压系数(vcc)的测量来确定。越小 的vcc意味着越令人满意的电容对电压的依从关系。vcc与电容器的介电层3(见图l)的绝对层厚T成反比。因此，更大的绝对层厚T能降低VCC， 因此改善电容对电压的依从关系。在本发明的实施例中，在图1中铪氧化物(HfG2)被用作顶介电亚层 3t和底介电亚层3b,钽氧化物(Ta205)被包含在中间介电层3i中。在由
Hf02和Ta2Os制成的两个金属氧化物亚层的这种结合中，这两种材料的相 对介电常数e高；即，超过20。因此，电容器1的绝对层厚T能够被增力口， 这对VCC能够被相应地降低是有利的。结果，这些材料被结合使用的电容 器1适用于模拟应用和混合信号应用。实例4实例4描述电容器l在液晶显示器中的应用。图11是示出液晶显示器的像素电路的结构的实例的电路图。像素41被以矩阵的方式二维地排列在液晶显示面板(没有示出)上。液晶显示面板由在一对(两个)基板之间设置液晶物质来制备。像素41的主要部分形成于两个基板中的阵列基板的多层互联结构中。每个像素41包括薄膜晶体管(TFT) 42，连接至TFT42的漏极的液晶单元43和其中一个电极连接至TFT 42的漏极的存储电容器44。 TFT 42控制液晶单元43的像素电极的开关。TFT42的栅极连接至扫描线45， TFT42的源极被连接至数据线46。为了保持施加到像素电极的信号电压的电势，存储电容器44被电连接至液晶单元43的像素电极。对于这种存储电容器44，高的单位电容是必要的。对这种需要，存储电容器44被设置以具有应用了本发明的如图1所示的相同的电容器结构。液晶显示单元43的对电极(counter electrode )和存储电容器44的另一个电极都被连接至公共线47。公共线47提供给液晶单元43的对电极和存储电容器44的另一个电极对每个像素公共的公共电压Vcom。图12是阵列基板的一部分的截面图，这部分包括存储电容器44。 阵列基板10例如由玻璃基板、石英基板或硅基板组成。堆叠层结构包括存储电容器44、扫描线45、数据线46、像素电极ll等，它们与上述的那些相同，并设于阵列基板10上。在这个堆叠层结构中，第一层包括扫描线45，第二层包括包含在TFT42中的半导体层12,第三层包括TFT42的栅电极14，以及第四层包括数据线46等。此外，第五层包括存储电容器44的第一电极2，第六层包括存储电容器 44的第二电极4。具有如图1所示的相同层结构的介电层3被插入第一电极
2和第二电极4之间。在这个结构中，介电层3由三个金属氧化物亚层組成，三个金属氧化物亚层具有从底基板顺序的Hf02-Ta205-Hf02堆叠层结构。 第七层包括固定电极层17,第八层包括像素电极11。 接下来，将描述连接存储电极44的方法。形成TFT42的栅电极14，然后形成层间绝缘薄膜23。接下来，在层间 绝缘薄膜23和布置于其下的层间绝缘薄膜22中形成接触孔29。该接触孔 29与数据线46的接触孔一起同时形成。要形成于第一电极2中的导电薄膜形成于层间绝缘薄膜23上。这种导 电薄膜至少在与HfQ2亚层接触的一部分优选由氮化钛(TiN )或氮化钽(TaN) 制成。尤其是，氮化钽(TaN)具有与Hf02亚层令人满意的亲和力，这样氮 化钽(TaN)是更优选的。接触孔29在该导电薄膜的形成过程中被充分地嵌 入。然后该导电薄膜^^皮图形化以形成第一电极2。在这个步骤，考虑到工艺， 最好同时形成数据线46。然而，为了降低电阻率，数据线46可以使用另一 种合适的材料来形成。介电层3如实例3中通过PE-ALD等沉积在第一电极2上。此外，第二 电极被沉积，然后该电极;故处理以具有期望的尺寸。接下来，介电层3和第一电极2被处理以除去不必要的部分。这样，完 成了存储电容器44的主要部分。接下来，进行层间绝缘薄膜24的沉积、连接器(connector) 25的形成 和固定电极层17的沉积，因此完成了存储电容器44的连接部分。此外，形 成像素电极ll等作为第八层，这样完成了阵列基板。按照本发明的实施例，利用通用的设备使用比如Hf02和Ta205的通用的 材料，能够形成保持高单位电容、具有3[MV/cm]或更高的高击穿承受电压 和高PF-电流-开始电压的MIM电容器。结果，高电容元件在高电源电压装置、高振幅装置等中的应用可以^皮扩 展。此外，高电容元件的可靠性，比如静电击穿强度和对于等离子致毁坏 (PID)高抵抗力，能够;波改善。本领域的技术人员应了解，各种修改、组合、子组合和变化可以依赖如 它们在权利要求及其等同物的范围的范围内的设计需要和其它因素而进行。
权利要求
1.一种电容器，包括顺序堆叠的第一电极、介电层以及第二电极，其中所述介电层具有包括预定数目的铪氧化物亚层和预定数目的钽氧化物亚层的堆叠层结构，和所述堆叠层结构中的亚层的数目、亚层的材料和亚层的厚度被确定来得所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度和所述介电层的总厚度的比率有一范围，在所述范围内，在显示施加在所述第一电极和所述第二电极之间的电压和漏电流之间的关系的电压-漏电流特性中，当所述堆叠层结构中所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与所述介电层的总厚度的比率变化时，开始电压满足3MV/cm或更高的电场强度的条件，在所述开始电压电流增加相对于电压增加的斜率在施加的电压低于介电击穿电压的电压范围内开始整体上不连续地增加，以及所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与所述介电层的总厚度的比率在一个厚度比率范围以使得所述开始电压在所述范围内。
2. 如权利要求1所述的电容器，其中，在所述介电层的堆叠层结构中，与所述第一电极接触的亚层和与 所述第二电极接触的亚层都由铪氧化物亚层组成。
3. 如权利要求2所述的电容器，其中包括在所述介电层内的所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与 所述介电层的总厚度的比率在0.05至0.45的范围内。
4. 如权利要求3所述的电容器，其中包括在所述介电层内的所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与 所述介电层的总厚度的比率在0.2至0.45的范围内。
5. 如权利要求3或4所述的电容器，其中包括在所述介电层的每个所述铪氧化物亚层具有就通过转换所述 铪氧化物亚层厚度到二氧化硅层厚度所确定的厚度而言的1.6 nm或更厚的 厚度。
6. 如权利要求1所述的电容器，其中所述漏电流是肖特基漏电流、福勒-诺德海姆隧穿电流、普尔-弗兰 克尔电流或前述电流的组合电流，和 所述开始电压是所述普尔-弗兰克尔电流增加并且所述普尔-弗兰克尔电 流成为所述漏电流的占优势的部分的电压范围的下限电压。
7. —种制作电容器的方法，包括步骤在形成于基板上的绝缘薄膜上形成第一电极；在所述第一电极上形成具有包括预定数目的铪氧化物亚层和预定数目的钽氧化物亚层的堆叠层结构的介电层；以及 在所述介电层上形成第二电极，其中，在形成所述介电层中，组成所述介电层的亚层以提供堆叠层结构 的所述亚层的材料、所述亚层的厚度和所迷堆叠亚层的数目被依次形成，其 中所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度和所述介电层的总厚度的比率有 一范围，在所述范围内，在显示施加在所述第一电极和所述第二电极之间的 电压和漏电流之间的关系的电压-漏电流特性中，当所述堆叠层结构中所述 预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与所述介电层的总厚度的比率变化时，开 始电压满足3MV/cm或更高的电场强度的条件，在所述幵始电压电流增加相 对于电压增加的斜率在施加的电压低于介电击穿电压的电压范围内开始整 体上不连续地增加，以及所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与所述介电 层的总厚度的比率在一个厚度比率范围以4吏得所述开始电压在所述范围内。
8. —种半导体装置，包括 半导体基板；设于所述半导体基板上的至少一个绝缘薄膜；以及 电容器，其包括—皮顺序地堆叠在所述绝缘薄膜上的第一电极、介电层和 第二电极，其中所述介电层具有包括预定数目的铪氧化物亚层和预定数目的钽氧 化物亚层的堆叠层结构，和在所述堆叠层结构中所述亚层的数目、所述亚层的材料和所述亚层的厚 度被确定以使得所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度和所述介电层的总 厚度的比率有一范围，在所述范围内，在显示施加在所述第一电极和所述第 二电极之间的电压和漏电流之间的关系的电压-漏电流特性中，当所述堆叠 层结构中所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与所述介电层的总厚度的 比率变化时，开始电压满足3MV/cm或更高的电场强度的条件，在所述开始 电压电流增加相对于电压增加的斜率在施加的电压j氐于介电击穿电压的电 压范围内开始整体上不连续地增加，以及所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与所述介电层的总厚度的比率在一个厚度比率范围以使得所述开始电 压在所述范围内。
9. 如权利要求8所述的半导体装置，其中所述电容器被设为模拟电路的元件，在所述模拟电路中模拟交流电 信号被施加到所述第一电极和所述第二电极中的至少一个。
10. 如权利要求8所述的半导体装置，其中，在所述介电层结构的堆叠层结构中，与所述第一电极接触的亚层 和与所述第二电极接触的亚层都由铪氧化物亚层组成。
11. 一种液晶显示装置，包括显示单元，在所述显示单元中对基板与驱动基板交迭以施加电场到液 晶，所述液晶被填充在布置在所述两个基板之间的每个像素内， 其中，在所述驱动基板的多层互联结构中设有 数据线，晶体管，其控制从所述数据线到所迷液晶的信号的施加，和 保持电容器，其保持施加到所述液晶的电压，每个保持电容器都包括第一电极、第二电极和设于所述第一电极和所述 第二电极之间的介电层，所述介电层具有包括预定数目的铪氧化物亚层和预定数目的钽氧化物 亚层的堆叠层结构，和在所述堆叠层结构中所述亚层的数目、所述亚层的材料和所述亚层的厚 度被确定以使得所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度和所述介电层的总 厚度的比率有一范围，在所述范围内，在显示施加在所述第一电极和所述第 二电极之间的电压和漏电流之间的关系的电压-漏电流特性中，当所述堆叠 层结构中所述预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与所述介电层的总厚度的 比率变化时，开始电压满足3MV/cm或更高的电场强度的条件，在所述开始 电压电流增加相对于电压增加的斜率在施加的电压低于介电击穿电压的电 压范围内开始整体上不连续地增加，以及所迷预定数目的钽氧化物亚层的总 厚度与所述介电层的总厚度的比率在一个厚度比率范闺以使得所述开始电 压在所述范围内。
12. 如权利要求11所述的液晶显示装置，其中，在所述介电层的堆叠层结构中，与所述第一电才及^接触的亚层和与 所述第二电招j妄触的亚层都由铪氧化物亚层组成。
全文摘要
本发明公开了一种电容器及制造电容器的方法、半导体装置和液晶显示装置。该电容器包括被顺序地堆叠的第一电极、介电层和第二电极。该介电层具有包括预定数目的铪氧化物亚层和预定数目的钽氧化物亚层的堆叠层结构。亚层的数目、材料和厚度被确定以使得厚度比率有一范围，在该范围内，在显示施加在第一电极和第二电极之间的电压和漏电流之间的关系的电压-漏电流特性中，当堆叠层结构中预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率变化时，开始电压满足3[MV/cm]或更高的电场强度的条件，以及预定数目的钽氧化物亚层的总厚度与介电层的总厚度的比率在一个厚度比率范围以使得开始电压在所述范围内。
文档编号H01L21/02GK101118903SQ20071013829
公开日2008年2月6日 申请日期2007年8月3日 优先权日2006年8月3日
发明者堀内悟志, 足立研 申请人:索尼株式会社