形成电容器及其介质层的方法及其形成的电容器的制作方法

专利名称：形成电容器及其介质层的方法及其形成的电容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路的制造，尤其涉及金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器的形 成。
背景技术：
随着集成电路的密度的增加，减小例如动态随机存取存储器(DRAM)中相关电容 器的尺寸的需要在增加。然而，也存在增加此类电容器的单位面积电容的需要，在用在高集 成度电路中的电容器的整体尺寸减小的前提下增加电容器的单位面积电容可能是困难的。 例如，已经知道在使用立体结构的金属-绝缘体-半导体(MIS)电容器中使用SW2介质层 以补偿介质层减少的厚度。换句话说，尽管减小了电容器的尺寸，但用立体结构来增加电极 的有效表面积。然而，上述Mis传统电容器不适于用在所有的高度集成的电路中。为了弥补MIS电容器的一些缺点，已知使用金属-绝缘体-金属(MIM)电容器，其 中使用具有高氧亲和势(affinity)的金属氧化物形成介质层。例如，已知使用金属氧化物 例如 Ta2O5, Y2O3> La2O5, Pr2O3> Nb2O5, TiO2, BaO、SrO, HfO2 以及 BST。特别地，HfO2 层可以具 有比较高的介电常数(例如，大约20-25)和高的带隙。HfO2介质层的这些性质(不同于具 有高介电常数的其它介质层)可以在集成电路存储器件中提供较优良的可靠性和稳定性。图1是显示传统的MIM型电容器中漏电流的图表。特别地，图1中所示的电容器 漏电流对应于具有TiN电极和其间的HfO2电介质材料的MIM型电容器。根据图1，曲线(A) 说明在初始形成MIM型电容器之后漏电流可以相对较低。然而，曲线(B)和(C)说明分别 在500°C和550°C退火之后MIM型电容器的漏电流。由于后处理(back-end processing)漏 电流可能增加，该后处理可以包括在形成MIM型电容器之后形成层间电介质、阻挡金属层、 和金属间介质层。阻挡层金属的形成可以发生在550°C至700°C的相对较高的温度下。由于HfO2层的结晶和/或HfO2层和TiN电极之间的反应，发生了上述漏电流的增 加。另外，电极和介质层的热膨胀的差异还可能增大电容器的应力。所有的这些因素都促 进了介质层的等效氧化物厚度增加，这又促进了漏电流的增加。众所周知，HfO2层的结晶度依赖后处理，特别依赖温度和方法。图2显示紧随60A HfO2介质层(曲线A)形成之后、在650°C下的真空中对60人肚02层进行热处理后(曲线 B)、在390°C下的H3等离子体中对60人肚02层进行等离子体处理后(曲线0!1 )2层的结晶 量。根据图2，在390°C下经受热处理的HfO2层展示了与经受高温热处理的介质层所示的 大约相同的结晶量。即使在两个处理之后HfO2层的结晶度相同，因为等离子体处理温度较 低，其漏电流的特性也显著不同。

发明内容
根据本发明的实施例可以提供形成具有独立籽晶(s印arate seed)和主介质层 (main dielectric layer)的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器的方法以及由此形成的MIM 电容器。依据这些实施例，在电容器中形成介质层的方法可以包括在金属氮化物下电极上 形成金属氮氧化物籽晶介质层。在根据本发明的一些实施例中，该方法还包括在金属氮氧化物籽晶介质层上形成 与金属氮氧化物籽晶介质层独立的金属氧化物主介质层。在根据本发明的一些实施例中， 该方法还包括在金属氮氧化物籽晶介质层上形成金属氮氧化物主介质层。在根据该发明的一些实施例中，金属氮化物下电极中的第一金属成分和金属氮氧 化物籽晶介质层中的第二金属成分是不同的金属成分。在根据该发明的一些实施例中，该 不同的金属成分是11、1、1^、肚、21~、或者1^。在根据该发明的一些实施例中，金属氮氧化物 籽晶介质层的第一金属成分和金属氧化物主介质层中的第二金属成分是同样的金属成分。 在根据该发明的一些实施例中，该同样的金属成分是Ti、W、Ta、Hf、Zr、或者La。 在根据该发明的一些实施例中，金属氧化物主介质层中的金属成分和金属氮氧化 物籽晶介质层中的金属成分是同样的金属成分。在根据本发明的一些实施例中，金属氧化 物主介质层中的第二金属成分和金属氮氧化物籽晶介质层中的第一金属成分是不同的金 属成分。在根据本发明的一些实施例中，该不同的金属成分是Ti、W、Ta、Hf、Zr、或者La。在根据本发明的一些实施例中，该方法还包括将金属氮氧化物籽晶介质层形成大 约20至大约60埃的厚度和将金属氧化物主介质层形成为大约40至大约100埃的厚度。在根据本发明的一些实施例中，该方法还包括在金属氮氧化物籽晶介质层上形成 独立的金属氧化物主介质层。在根据本发明的一些实施例中，该方法还包括使用热处理或 者等离子体处理来处理金属氧化物主介质层。在根据本发明的一些实施例中，该方法还包 括在无氧气氛(non-oxygen atmosphere)中使用热处理或者等离子体处理来处理金属氧化 物主介质层。在根据本发明的一些实施例中，无氧气氛包括H2、NH3和/或队。在根据本发明的 一些实施例中，使用热处理来处理金属氧化物主介质层包括在小于大约550摄氏度的温度 下在氧气氛中处理金属氧化物主介质层。在根据本发明的一些实施例中，氧气氛包括A、NO2 和/或队0。在根据本发明的一些实施例中，使用等离子体处理来处理金属氧化物主介质层包 括在小于大约550摄氏度下在氧气氛中使用等离子体处理来处理金属氧化物主介质层。在 根据本发明的一些实施例中，形成金属氮氧化物籽晶介质层包括在金属氮化物下电极上形 成薄的金属氧化物(metal-oxy)籽晶介质层和氮化该薄的金属氧化物籽晶介质层。在根据本发明的一些实施例中，氮化包括在大约200摄氏度至大约550摄氏度的 温度下在氮气氛中使用等离子体处理。在根据本发明的一些实施例中，氮化包括在小于或 等于大约550摄氏度的温度下在氮气氛中的热处理。在根据本发明的一些实施例中，该方法还包括在金属氧化物主介质层上形成上电 极，其中包含在上电极中的金属成分不同于包含在金属氧化物主介质层中的金属成分。在根据本发明的一些实施例中，形成电容器的方法包括在金属氮化物下电极上的 金属氮氧化物籽晶介质层上形成独立的金属氧化物主介质层和使用热处理或者等离子体处理来处理独立的金属氧化物主介质层。在根据本发明的一些实施例中，金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器包括在衬底 上的金属氮化物电容器下电极和在金属氮化物电容器下电极上的金属氮氧化物籽晶介质层。根据本发明的一个方面，提供一种在电容器中形成介质层的方法，包括采用原子 层淀积以包括金属和氧的前体气体直接在金属氮化物下电极上形成金属氮氧化物籽晶介 质层，所述金属为铪、锆或镧；以及利用该金属氮氧化物籽晶介质层作为主介质层的籽晶层 在该金属氮氧化物籽晶介质层上形成该主介质层，该主介质层为金属氧化物主介质层或金 属氮氧化物主介质层，其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质层中包括的相同的金 属成分。根据本发明的另一方面，提供一种形成电容器的方法，包括形成金属氮化物材料 的下电极；采用原子层淀积以包括金属和氧的前体气体直接在包含金属成分的下电极上形 成金属氮氧化物籽晶介质层，所述金属为铪、锆或镧；利用该金属氮氧化物籽晶介质层作为 金属氧化物主介质层的籽晶层，在所述金属氮氧化物籽晶介质层上形成包含所述金属成分 的独立的该金属氧化物主介质层；以及在所述金属氧化物主介质层上形成金属氮化物材料 的上电极，其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质层中包括的相同的金属成分。根据本发明的另一方面，提供一种形成电容器的方法，包括形成金属氮化物材料 的下电极；采用原子层淀积以包括金属和氧的前体气体直接在包含金属成分的所述下电极 上形成金属氮氧化物籽晶介质层，所述金属为铪、锆或镧；利用该金属氮氧化物籽晶介质层 作为金属氮氧化物主介质层的籽晶层，在所述金属氮氧化物籽晶介质层上形成包含所述金 属成分的独立的该金属氮氧化物主介质层；以及在所述金属氮氧化物主介质层上形成金属 氮化物材料的上电极，其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质层中包括的相同的金 属成分。根据本发明的再一方面，提供一种形成电容器的方法，包括利用金属氮氧化物籽 晶介质层作为金属氧化物主介质层的籽晶层，在该金属氮氧化物籽晶介质层上形成独立的 该金属氧化物主介质层，该金属氮氧化物籽晶介质层采用原子层淀积以包括金属和氧的前 体气体直接形成在金属氮化物下电极上，所述金属为铪、锆或镧；以及在无氧气氛中使用热 处理或等离子体处理来处理独立的金属氧化物主介质层，其中该主介质层包括该金属氮氧 化物籽晶介质层中包括的相同的金属成分。根据本发明的再一方面，提供一种形成电容器的方法，包括利用金属氮氧化物籽 晶介质层作为金属氧化物主介质层的籽晶层，在该金属氮氧化物籽晶介质层上形成独立的 该金属氧化物主介质层，该金属氮氧化物籽晶介质层采用原子层淀积以包括金属和氧的前 体气体直接形成在金属氮化物下电极上，所述金属为铪、锆或镧；以及使用热处理或等离子 体处理来处理独立的金属氧化物主介质层，其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质 层中包括的相同的金属成分。根据本发明的又一方面，提供一种金属-绝缘体-金属型电容器，其包括在衬底 上的金属氮化物电容器下电极；采用原子层淀积以包括金属和氧的前体气体直接在所述金 属氮化物电容器下电极上形成的金属氮氧化物籽晶介质层，所述金属为铪、锆或镧；以及该 金属氮氧化物籽晶介质层上的主介质层，该主介质层通过将该金属氮氧化物籽晶介质层用 作该主介质层的籽晶层来形成，其中该主介质层是金属氧化物主介质层或金属氮氧化物主介质层，以及其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质层中包括的相同的金属成分。


图1是说明在制造的不同阶段测量的传统MIM型电容器中的漏电流的图表。图2是显示在制造的不同阶段的传统MIM型电容器中测量的X射线衍射计数据的 图表。图3是根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的剖视图。图4是根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的剖视图。图5-11是说明根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的形成的剖视图。图12是根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的剖视图。图13-14是说明根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的形成的剖视图。图15是根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的剖视图。图16-18是说明根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的形成的剖视图。图19是说明相对于常规技术根据本发明的一些实施例形成的MIM型电容器的漏 电流的图表。图20是说明相对于常规技术根据本发明的一些实施例形成的MIM型电容器的漏 电流的图表。图21是根据本发明的一些实施例形成的MIM型电容器的χ-射线光电子光谱。图22是根据本发明的一些实施例形成的MIM型电容器的不同阶段的漏电流图表。
具体实施例方式下文将参照附图更完全地描述本发明，在附图中显示本发明的实施例。然而，本发 明不局限于在这里阐述的实施例。相反地，提供这些实施例以便彻底地并完全地说明，并完 全地将本发明的范围传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚起见夸大了层和区域 的厚度。全文中相同的数字标识相同的元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括相关所 列项目的一个或多个的任何和所有组合。这里所使用的术语仅仅是为了详细的描述实施例而不是想要限制本发明。如这里 所使用的，除非本文清楚地指出外，否则单数形式“一(a，an)”和“该(the)”也包括复数形 式。还应当理解的是说明书中使用的术语“包括”说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/ 或部件的存在，但是不排除一个或多个其他的特征、整体、步骤、操作、元件、部件、和/或其 组合的存在或者增加。应该理解当将一元件例如层、区域或者衬底称为“在另一个元件上”或者延伸“到 另一个元件之上”时，可以是直接在另一个元件上或者直接延伸到另一个元件之上或者存 在中间元件。相反地，当将一元件称为"直接在另一个元件上"或者"直接延伸到另一个 元件之上"，则就不存在中间元件。也应当理解的是当将一种元件称为“连接”或者“耦合” 至另一个元件时，可以是直接地连接或者耦合到另一个元件或者存在中间元件。相反地，当 将一种元件称为"直接连接"或者"直接耦合"至另一个元件时，就不存在中间元件。应该理解，尽管这里可以使用术语第一、第二等等来描述不同的元件、组件、区域、 层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不受这些术语的限制。这些术语仅仅用于将一个元件、组件、区域、层或者部分与另一个元件、组件、区域、层或者部分区分开。 因而，在不脱离本发明精神的情况下，可以将下文论述的第一元件、组件、区域、层或者部分 称作第二元件、组件、区域、层或者部分。而且，相对术语，例如〃下面〃或者〃底部〃和〃上面〃或者〃顶端〃在这里用 于描述如附图中展示的一个元件与另一个元件的关系。应该理解相对术语除了包括附图中 所述的方向外还包括器件的不同方向。例如，如果翻转图中的器件，则被描述为在另一元件 的下边的元件变为在另一个元件的上边。因此示范性术语"下面"根据图的具体方向包 括"下面"和"上面"两个方向。同样地，如果翻转一个图中的装置，描述为"在其他的元 件下面"或者"在其他的元件之下"的元件定向为在其它元件上方。因此，示范性术语" 在下面"或者"在...之下"包括上面和下面两个方向。这里参照示意性说明本发明的理想化实施例的横截面图(和/或平面图)来描述 本发明的实施例。同样地，可以预计会存在因例如制造工艺和/或容差而导致的与示意图 形状的偏离。因而，不将本发明的实施例认为是对这里说明的区域的具体形状的限制，而是 包括由例如制造导致的形状的偏差。例如，说明为或者描述为矩形的蚀刻区域典型地具有 圆的或者曲线特征。因而，图中说明的区域本质上是示意性的，它们的形状不表示装置区域 的精确的形状也不限制本发明的范围。除非另有限定，这里使用的全部术语(包括技术和科学名词)与本发明所属领域 的普通技术人员通常所理解的具有同样的意义。还应当理解的是术语，例如在常用词典中 定义的术语应当被解释为与相关技术的文献中的意义相协调，除非这里清楚地限定外，不 解释为理想化或者过分形式意义。本领域的技术人员应当理解，对邻近另一部件配置的结 构或功能部件的引用可能具有重叠或者在另一部件之下的部分。如这里具体公开的，在根据本发明的一些实施例中，在金属-绝缘体-金属(MIM) 型电容器的金属氮化物下电极上可以形成金属氮氧化物籽晶介质层。金属氮氧化物籽晶介 质层可以充当阻挡层，以减少在例如用于包含MIM型电容器的集成电路中形成金属化/结 构的上层(upper level)的后处理期间与金属氮化物下电极的反应。金属氮氧化物籽晶介 质层也可以减少在后期热处理期间引起的应力。具体说来，包含在金属氮氧化物籽晶介质 层中的氮能够减少发生在常规MIM电容器中的反应。在根据该发明的另一些实施例中，金 属氧化物主介质层可以形成在金属氮氧化物籽晶介质层上并可以保持与MIM型电容器中 的金属氮氧化物籽晶介质层独立。而且，在根据本发明的一些实施例中，可以稳定(使用， 例如，热处理或等离子体处理)金属氧化物主介质层以消除来自其的缺陷(例如碳)并调 整金属氧化物主介质层的化学计量(stoichiometry)。图3是根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的剖视图。如图3所示，MIM型 电容器的下电极320形成在衬底300(例如多晶硅衬底)上。下电极320包括金属成分，例 如Ti、W、和/或Ta。金属氮氧化物籽晶介质层330位于下电极320上。金属氮氧化物籽晶介质层330 包括不同于包含在下电极320中的第一金属成分的第二金属成分。如上所述，包含在金属 氮氧化物籽晶介质层330中的氮可以充当阻挡层以在后处理期间减少下电极320和介质层 之间的反应，例如，这种反应可能会降低由后处理引起的介质层的结晶度，从而减少等效氧 化物厚度的生长量。金属氮氧化物籽晶介质层330可以是包含在介质层中的相对薄层。例如，金属氮氧化物籽晶介质层具有大约20A至大约60A的厚度。金属氧化物主介质层340位于金属氮氧化物籽晶介质层330上。金属氧化物主介 质层340可以优选包括包含在金属氮氧化物籽晶介质层330中的同样金属成分。而且，金 属氧化物主介质层340可以比金属氮氧化物籽晶介质层330更厚。例如，金属氧化物主介 质层340可以具有大约40A至大约IOOA的厚度。金属氮氧化物籽晶介质层330和金属氧化物主介质层340可以是MIM型电容器电 介质350中独立的层。如上所述，金属氮氧化物籽晶介质层330可以充当阻挡层以减少下 电极和介质层之间的潜在反应，该潜在反应可能会不利地影响MIM型电容器的性质例如漏 电流。位于金属氧化物主介质层340上的上电极360可以包括相同于包含在下电极420 中的材料。它可以包括第三金属成分，该第三金属成分不同于包含在下电极320和金属氮 氧化物籽晶介质层330以及金属氧化物主介质层340中的金属成分。例如，上电极360包 括金属成分例如Ru、Pt、和/或Ir。图4是根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的剖视图。根据图4，TiN下电极 层420位于衬底400上。HfON籽晶介质层430位于TiN下电极420上。在根据本发明的 一些实施例中，籽晶介质层可以是&0N、La0N等等。如上所述，籽晶介质层430可以相对较 薄并可以充当阻挡层以减少下电极420和介质层430之间的反应，该反应可能会不利地影 响MIM型电容器的漏电流。而且，籽晶介质层430可以用于减少在后处理期间引起的应力。 而且，通过减少上述反应的程度，籽晶介质层430可以有效地提高电介质MIM型电容器的结 晶温度。HfO2主介质层440在HfON籽晶介质层上，因此包括HfON籽晶介质层430所用的 同样的金属成分。而且，HfO2主介质层440和HfON籽晶介质层430形成为MIM型电容器的 电介质450的独立层。上电极460形成在电介质450上，包括包含在下电极420中相同的 材料(在这种情况下即，TiN)。在根据本发明的一些实施例中，上电极460可以包括TaN、
WN等等。图5-11是说明根据本发明的一些实施例形成MIM型电容器的剖视图。根据图5， TiN下电极520形成在根据本发明的实施例的MIM型电容器的衬底500上。可以使用原子 层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)、或者金属有机CVD(MOCVD)形成下电极520。使用，例如ALDJf HfO2层525形成在下电极520上。如本领域的技术人员所理解 的，ALD指的是使用前体气体(precursor gas)每次形成一层的结构。具体地，使用包括Hf 的第一前体气体与前体材料一起形成单层第一成分例如Hf，以在衬底上形成单层。引进包 括另一个成分(例如，氧化物)的第二前体气体，该另一成分将与包含在第一前体气体中的 金属成分结合，该第二前体气体与衬底上的单层反应以提供组合第一金属成分和第二前体 气体中的成分的最后的单层，以形成上述的HfO2单层。根据图6，通过热处理或者等离子体处理来氮化HfO2层525以在下电极520上提 供HfON籽晶介质层530。可以在相对较低的温度下(例如大约200°C至大约550°C )执行 热处理。使用相对较低的热处理来氮化HfO2层525可以避免氧化TiN下电极520和/或 TiN下电极520与籽晶HfO2层530之间反应的不利的影响，否则会降低如此形成的介质层 的电介质常数和带隙。在根据本发明的一些实施例中，在含有队、NH3, N2O和/或NO2的气氛中执行HfO2层525的氮化。根据图7，在根据本发明的一些实施例中，在大约200°C至大约550°C的相对较低 的温度下在含有N2、NH3、N2O和/或NO2的气氛中使用等离子体处理来氮化HfO2层525，以 在下电极520上形成HfON籽晶层530。如上所述，在相对较低温度下氮化HfO2层有助于避 免对介质层的不利影响。而且，使用等离子体处理还增进了原子团的形成，这可以进一步增 强HfON籽晶介质层530的合成。根据图8，在HfON籽晶介质层530上作为一独立层，形成HfO2S介质层M0。具 体地，可以使用ALD或者MOCVD在HfON籽晶介质层530上生长HfO2主介质层M0。而且， HfO2主介质层540经稳定处理，以减少HfO2层中的碳杂质，同时改善在较低温度(例如，小 于大约550°C )下形成的HfO2主介质层MO的化学计量。例如，根据图9，在氧环境中执行热稳定处理(使用例如02為0和/或NO2)以将适 量的氧材料提供给主介质层，用于适当形成HfO2主介质层M0。而且，尽管在热稳定处理中 使用了氧气氛，但HfON籽晶介质层530中的氮成分仍充当阻挡层，以防止TiN下电极520氧化。根据图10，在根据本发明的一些实施例中，可以通过使用例如02、N2O和/或NO2 的氧气氛的等离子处理来进行稳定化处理。具体地，在相对较低的温度下(例如低于大约 550°C)执行02气氛中的等离子处理。在等离子体处理期间使用的相对低温有助于减少与 TiN下电极520的反应，同时也将氧提供给HfO2主介质层MO以满足其化学计量要求。另 外，等离子体处理也有助于除去HfO2主介质层540中的碳。而且，如上所述，HfON籽晶介质 层530可以有助于防止下电极520的氧化。在根据本发明的其他的实施例中，如图11所示，可以通过使用例如H2、队和/或 H3在无氧保护气氛中的热处理或等离子体处理来提供稳定化处理，其还可以消除HfO2主介 质层MO中的碳杂质。特别地，为了更完全脱除主介质层MO中的碳杂质而提供H2气氛以 便其化学计量更接近HfO2层。在热或者等离子体稳定化处理中使用队作为气氛另一方面 促进了作为主介质层MO的HfON的形成，然而使用NH3作为热和等离子体稳定化处理中的 气体气氛可以促进上述二者(即，减少碳杂质同时进一步改善籽晶介质层530的阻挡层特 性)。图12是说明根据本发明的另一个实施例的MIM型电容器的剖视图。具体地，包含 第一金属成分例如Ti的下电极在衬底500上。金属氮氧化物籽晶介质层530在下电极520 上并包括不同于包含在下电极520中的第一金属成分的第二金属成分。金属氮氧化物主介 质层540在金属氮氧化物籽晶介质层530上并包括包含在其中的同样的金属成分。要理解 的是，用于主介质层540和籽晶介质层530中的第二金属成分是Hf、Zr、La等等。而且，应 该理解主介质层540和籽晶介质层530的金属氮氧化物成分可以是Hf0N、Zr0N、La0N等等。 而且，优选主介质层540和籽晶介质层530的成分相同。上电极560在主介质层540上。图13-14是说明根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的形成的剖视图。根据 图13，在氮气氛(例如&、NH3j20和/或NO2)中使用热处理或者等离子体处理来氮化籽晶 介质层530 (HfO2)。如上所述，可以使用ALD或者MOCVD形成HfO2层。在大约200°C至大约 550°C的相对低温下进行在氮气氛中的热处理或等离子体处理。如上所述，在相对低温下执 行热处理或者等离子体处理可以减少与下电极520的反应。
根据图14，使用ALD或者MOCVD在籽晶介质层上形成主介质层540并经热或者等 离子体稳定化处理。特别地，在使用n2、NH3, N2O禾Π /或NO2的氮气氛中执行热或者等离子 体稳定化处理。使用氮气氛促进作为金属氮氧化物(例如HfON、ZrON、LaON等等)的主介 质层MO的形成。因此，独立主介质层540和籽晶电介质530具有同样的金属氮氧化物成 分，其还可以改善所得的MIM型电容器的漏电流特性。图15是根据本发明的一些实施例的MIM型电容器的剖视图。导电塞1515穿过中 间介质层1516以接触下面的半导体衬底1500。应该理解导电塞1515可以电连接到形成在 半导体衬底1500上作为集成电路的一部分的MOS晶体管、触点、位线等等。MIM型电容器的下电极1520形成在导电塞1515上并具有圆柱形，其在图15的横 截面中以U形出现。下电极1520可以是金属氮化物层例如TiN、TaN或者WN。而且，蚀刻 停止层1517在下电极1520外侧的中间介质层1516上。根据本发明的一些实施例，籽晶介 质层1530保形地(conformally)在蚀刻停止层1517和下电极1520上。籽晶介质层1530 可以是例如HfON、ZrON或者LaON的金属氮氧化物层。如图15中进一步所示，主介质层1540保形地在作为独立层的籽晶介质层1530上 并结合籽晶介质层1530提供MIM型电容器的介质层1550。主介质层1540可以是金属氧化 物层例如Hf02、Zr0或者LaO。籽晶介质层1530和主介质层1540中的金属成分可以是同样 的。上电极1560在主介质层1540上以完成MIM型电容器。包含在下电极1520和上 电极1560中的金属成分可以是同样的。图16-18是说明根据本发明的一些实施例形成MIM型电容器的剖视图。如图16 所示，中间介质层1516沉积在衬底1500上并被蚀刻以在其中形成暴露下部的衬底1500的 部分的接触孔，其中包含例如装置或者触点。用导电材料例如掺杂多晶硅、TiN或者WN填充 接触孔。平坦化导电材料以暴露中间介质层1516的表面以在接触孔中形成导电塞1515。蚀刻停止层1517沉积在中间介质层1516和导电塞1515上并在其上形成铸模 (mold)氧化层1519。应该理解蚀刻停止层1517可以是氮化硅层。蚀刻蚀刻停止层1517和 铸模氧化层1519以在其中形成暴露下面导电塞1515的孔1519a。在孔1519a中和在铸模 氧化层1519的上表面上形成导电层(例如，TiN、TaN或者WN)。应该理解形成导电层以在 孔1519a中沉积下电极1520并可以使用例如ALD、M0CVD或者CVD形成以促进下电极1520 具有均勻的厚度。在包含在孔1519a的导电层上沉积牺牲层1522，并使用化学机械抛光或者回蚀工 艺来平坦化，其除去了位于铸模氧化层1519上表面上的部分导电层但是留下孔1519a中的 部分，以形成下电极1520。根据图17，使用湿法蚀刻除去牺牲层1522和铸模氧化层1519。在下电极1520的 表面上和在蚀刻停止层1517的表面上形成初步籽晶介质层。应该理解初步籽晶介质层由 金属氧化物材料形成。氮化初步籽晶介质层以形成金属氮氧化物的籽晶介质层1530 (例如Hf0N、Zr0N或 者LaON)。而且，将籽晶介质层1530形成从大约20A至大约60A的厚度。根据图18，使用 ALD或者MOCVD在籽晶介质层1530上形成主介质层1540。应该理解主介质层可以是例如 Hf02、Zr0或者LaO的材料。而且，包含在主介质层1540中的金属成分与包含在籽晶介质层1530中的金属成分相同。主介质层1540经热或者等离子体稳定化处理以除去杂质(例如碳)和调整主介 质层的化学计量。而且，可以在小于大约550°C的温度下执行稳定化处理。而且，可以在 氧气氛中或者在如上所述的无氧气氛中执行用于稳定主介质层1540的热或者等离子体处 理。如果使用氮在无氧保护气氛中执行热或者等离子体处理，那么主介质层1540的金属氧 化物材料可以进一步经受氮化处理，这可以进一步改善由籽晶介质层1530提供的阻挡层 效应。图19是说明根据本发明的一些实施例和根据常规技术的MIM型电容器中的相对 的漏电流密度测定的图表。特别地，图19包含两条曲线“A"和"B"。曲线A代表对 包含HfO2介质层的常规MIM型电容器进行的漏电流密度测定，而B说明对根据本发明实施 例的MIM型电容器做的漏电流密度测定，其中本发明的电容器包含作为其电介质一部分的 独立HfON籽晶层。如图19所示，与曲线A(没有籽晶层)中的漏电流密度相比，根据发明 的一些实施例形成的MIM型电容器的漏电流密度减少了。图20-22显示与常规技术相比通过测试根据本发明的一些实施例的MIM型电容器 而收集的试验数据。具体地，图20是说明经三个不同的稳定化处理的漏电流密度变化的图 表曲线A中所示的没有稳定化处理、如曲线B所示的NH3等离子体处理和如曲线C所示& 等离子体处理。根据图20，曲线C说明，通过使用特别是氧气氛中的等离子体处理的稳定化 可以提供改善的漏电流。而且，图20说明稳定化处理能够提供与形成籽晶层无关的益处。图21是使用X射线光电子光谱学测量的结合能的图表。具体地，图21显示对包 含籽晶介质层和包含在其中的独立主介质层的MIM型电容器测量的结合能。图21中的三 条曲线给出了结合能随用作稳定主介质层的不同的等离子体处理的变化。具体地，曲线A 显示对没经稳定处理的HfO2主介质层的结合能测量。曲线B显示对使用&气氛的等离子 体处理中被稳定的HfO2主介质层的结合能测量。曲线C显示测量具有HfO2主介质层的MIM 型电容器的结合能，其在NH3气氛中使用等离子体处理来稳定。而且，与曲线C有关的图21 所示的区域χ和y分别突出显示了与氮氧化物中的氮和金属氮化物中的氮有关的峰值结合 能。因此，曲线C说明在NH3气氛中使用等离子体处理稳定的主介质层引入了氮。图22是显示根据本发明的一些实施例形成的MIM型电容器的漏电流密度测定的 图表。具体地，在图22中指定为A的曲线代表对在形成结构(包含具有HfON籽晶层的TiN 下电极和其上具有TiN上电极的HfO2主介质层)之后测定的MIM型电容器的漏电流密度。 曲线B代表在结构经大约500°C的后处理之后测定的漏电流密度。曲线C显示在大约550°C 下的后处理之后测定的结构上的漏电流密度。因此，如图22所示，无论是否在比较高的温 度例如500°C或者550°C下执行后处理，都减少了根据本发明的一些实施例形成的MIM型电 容器的漏电流密度测量结果。如上所述，在根据本发明的一些实施例中，在金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器 的金属氮化物下电极上可以形成金属氮氧化物籽晶介质层。金属氮氧化物籽晶介质层充当 阻挡层以减少在例如用于在包含MIM型电容器的集成电路中形成金属化/结构的上层的后 处理期间与金属氮化物下电极的反应。金属氮氧化物籽晶介质层也可以减少在后热处理期 间引起的应力。包含在金属氮氧化物籽晶介质层中的氮减少了发生在常规型MIM电容器的反应的类型。在根据本发明的另一些实施例中，可以在金属氮氧化物籽晶介质层上形成金属氧 化物主介质层并保持与MIM类型电容器中的金属氮氧化物籽晶介质层独立。而且，在根据 本发明的一些实施例中，稳定(使用，例如，热和等离子体处理)金属氧化物主介质层以除 去其间的缺陷(例如，碳)并调整金属氧化物主介质层的化学计量。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，如果在本公开的权益范围内，本领域的 技术人员可以做出一些变化和修改。因此，可以理解的是仅仅为了举例的目的提出所述的 实施例，不应当理解为限制由权利要求限定的发明。因此，阅读权利要求不仅包括字面提出 的元件还包括用基本相同的方法执行基本相同功能以获得基本相同结果的所有等效的元 件。因而，权利要求应当理解为包括上面具体说明和描述的、概念性等效地、以及结合本发 明主要精神的内容。本申请要求2004年4月12日向韩国知识产权局申请的韩国专利申请 No. 10-2004-0024888和2004年4月22日向美国专利局申请的美国专利申请No. 10/830214 的优先权，其整个内容以引用的形式并入本文。
权利要求
1.一种在电容器中形成介质层的方法，包括采用原子层淀积以包括金属和氧的前体气体直接在金属氮化物下电极上形成金属氮 氧化物籽晶介质层，所述金属为铪、锆或镧；以及利用该金属氮氧化物籽晶介质层作为主介质层的籽晶层在该金属氮氧化物籽晶介质 层上形成该主介质层，该主介质层为金属氧化物主介质层或金属氮氧化物主介质层，其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质层中包括的相同的金属成分。
2.根据权利要求1的方法，还包括在所述金属氮氧化物籽晶介质层上形成与金属氮氧化物籽晶介质层独立的金属氧化 物主介质层。
3.根据权利要求1的方法，还包括在所述金属氮氧化物籽晶介质层上形成金属氮氧化物主介质层。
4.根据权利要求1的方法，其中所述金属氮化物下电极中的第一金属成分和所述金属 氮氧化物介质层中的第二金属成分包括不同的金属成分。
5.根据权利要求4的方法，其中所述不同的金属成分包括Ti、W、Ta、Hf、Zr或La。
6.根据权利要求2的方法，其中所述金属氮氧化物籽晶介质层中的第一金属成分和所 述金属氧化物介质层中的第二金属成分包括相同的金属成分。
7.根据权利要求6的方法，其中所述相同的金属成分包括Ti、W、Ta、Hf、& 或La。
8.根据权利要求2的方法，其中所述金属氧化物主介质层中的金属成分和所述金属氮 氧化物籽晶介质层中的金属成分包括相同的金属成分。
9.根据权利要求2的方法，其中所述金属氧化物主介质层中的第二金属成分和所述金 属氮氧化物籽晶介质层中的第一金属成分包括不同的金属成分。
10.根据权利要求9的方法，其中所述不同的金属成分包括Ti、W、Ta、Hf、& 或La。
11.根据权利要求2的方法，还包括将所述金属氮氧化物籽晶介质层形成至大约20至大约60埃厚；以及将所述金属氧化物主介质层形成至大约40至大约100埃厚。
12.根据权利要求1的方法，还包括在所述金属氮氧化物籽晶介质层上形成独立的金属氧化物主介质层。
13.根据权利要求2的方法，还包括使用热处理或等离子体处理来处理所述金属氧化物主介质层。
14.根据权利要求13的方法，其中所述处理包括在无氧气氛中使用热处理或等离子体 处理来处理所述金属氧化物主介质层。
15.根据权利要求14的方法，其中所述无氧气氛包括H2、NH3和/或N2。
16.根据权利要求13的方法，其中使用热处理来处理金属氧化物主介质层包括在小于 大约550摄氏度的温度下在氧气氛中处理金属氧化物主介质层。
17.根据权利要求16的方法，其中所述氧气氛包括02、N02和/或N20。
18.根据权利要求13的方法，其中使用等离子体处理来处理金属氧化物主介质层包括 在小于大约550摄氏度的温度下在氧气氛中使用等离子体来处理金属氧化物主介质层。
19.根据权利要求1的方法，其中形成所述金属氮氧化物籽晶介质层包括在所述金属氮化物下电极上形成薄金属氧化物籽晶介质层；以及氮化所述薄金属氧化物籽晶介质层。
20.根据权利要求19的方法，其中所述氮化包括在大约200摄氏度至大约550摄氏度 下在氮气氛中使用等离子体处理。
21.根据权利要求19的方法，其中所述氮化包括在大于或等于大约550摄氏度的温度 下在氮气氛中的热处理。
22.根据权利要求2的方法，还包括在所述金属氧化物主介质层上形成上电极，其中包含在所述上电极中的金属成分不同 于包含在所述金属氧化物主介质层中的金属成分。
23.一种形成电容器的方法，包括 形成金属氮化物材料的下电极；采用原子层淀积以包括金属和氧的前体气体直接在包含金属成分的下电极上形成金 属氮氧化物籽晶介质层，所述金属为铪、锆或镧；利用该金属氮氧化物籽晶介质层作为金属氧化物主介质层的籽晶层，在所述金属氮氧 化物籽晶介质层上形成包含所述金属成分的独立的该金属氧化物主介质层；以及 在所述金属氧化物主介质层上形成金属氮化物材料的上电极， 其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质层中包括的相同的金属成分。
24.根据权利要求23的方法，其中所述金属成分包括Ti、W、Ta、Hf、& 或La。
25.根据权利要求23的方法，还包括氮化所述薄金属氮氧化物籽晶介质层，其中氮化包括在大约200摄氏度至大约550摄 氏度的温度下在氮气氛中的等离子体处理或在大于或等于大约550摄氏度的温度下在氮 气氛中的热处理。
26.根据权利要求25的方法，还包括稳定所述独立的金属氧化物主介质层，其中稳定包括在无氧气氛中使用热处理或等离 子体处理。
27.根据权利要求沈的方法，其中所述无氧气氛包括H2、NH3和/或N2。
28.根据权利要求25的方法，还包括稳定所述独立的金属氧化物主介质层，其中稳定包括在氧气氛中使用热处理或等离子 体处理。
29.根据权利要求28的方法，其中所述氧气氛包括02、NO2和/或N20。
30.一种形成电容器的方法，包括 形成金属氮化物材料的下电极；采用原子层淀积以包括金属和氧的前体气体直接在包含金属成分的所述下电极上形 成金属氮氧化物籽晶介质层，所述金属为铪、锆或镧；利用该金属氮氧化物籽晶介质层作为金属氮氧化物主介质层的籽晶层，在所述金属氮 氧化物籽晶介质层上形成包含所述金属成分的独立的该金属氮氧化物主介质层；以及 在所述金属氮氧化物主介质层上形成金属氮化物材料的上电极， 其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质层中包括的相同的金属成分。
31.根据权利要求30的方法，其中形成金属氮氧化物籽晶介质层包括 形成包括所述金属成分的薄金属氧化物籽晶介质层；以及在大约200摄氏度至大约550摄氏度的温度下在包含N2、NH3、N2O和/或NO2的氮气氛 中使用等离子体或热处理来氮化所述薄金属氧化物籽晶介质层。
32.根据权利要求30的方法，其中形成独立的金属氮氧化物主介质层包括 在所述金属氮氧化物籽晶介质层上形成包括所述金属成分的相对较厚的独立的金属氧化物主介质层；以及在包含&、NH3j20和/或NO2的氮气氛中使用等离子体或热处理来氮化相对较厚的独 立的金属氧化物主介质层。
33.一种形成电容器的方法，包括利用金属氮氧化物籽晶介质层作为金属氧化物主介质层的籽晶层，在该金属氮氧化物 籽晶介质层上形成独立的该金属氧化物主介质层，该金属氮氧化物籽晶介质层采用原子层 淀积以包括金属和氧的前体气体直接形成在金属氮化物下电极上，所述金属为铪、锆或镧； 以及在无氧气氛中使用热处理或等离子体处理来处理独立的金属氧化物主介质层， 其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质层中包括的相同的金属成分。
34.根据权利要求33的方法，其中所述无氧气氛包括H2、NH3*/或N2。
35.一种形成电容器的方法，包括利用金属氮氧化物籽晶介质层作为金属氧化物主介质层的籽晶层，在该金属氮氧化物 籽晶介质层上形成独立的该金属氧化物主介质层，该金属氮氧化物籽晶介质层采用原子层 淀积以包括金属和氧的前体气体直接形成在金属氮化物下电极上，所述金属为铪、锆或镧； 以及使用热处理或等离子体处理来处理独立的金属氧化物主介质层，其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质层中包括的相同的金属成分。
36.根据权利要求35的方法，其中使用热处理来处理金属氧化物主介质层包括在低于 大约550摄氏度的温度下处理金属氧化物主介质层。
37.根据权利要求35的方法，其中使用等离子体处理来处理独立的金属氧化物主介质 层包括在低于大约550摄氏度的温度下在氧气氛中进行等离子体处理。
38.根据权利要求35的方法，其中处理包括在大约200摄氏度至大约550摄氏度的温 度下在无氧气氛中处理金属氧化物主介质层。
39.根据权利要求38的方法，其中所述无氧气氛包括H2、NH3*/或N2。
40.一种金属-绝缘体-金属型电容器，其包括 在衬底上的金属氮化物电容器下电极；采用原子层淀积以包括金属和氧的前体气体直接在所述金属氮化物电容器下电极上 形成的金属氮氧化物籽晶介质层，所述金属为铪、锆或镧；以及该金属氮氧化物籽晶介质层上的主介质层，该主介质层通过将该金属氮氧化物籽晶介 质层用作该主介质层的籽晶层来形成，其中该主介质层是金属氧化物主介质层或金属氮氧化物主介质层，以及 其中该主介质层包括该金属氮氧化物籽晶介质层中包括的相同的金属成分。
41.根据权利要求40的金属-绝缘体-金属型电容器，还包括在所述金属氮氧化物籽晶介质层上并与所述金属氮氧化物籽晶介质层独立的金属氧化物主介质层。
42.根据权利要求40的金属-绝缘体-金属型电容器，其中所述金属氮氧化物籽晶介 质层具有大约20埃至大约60埃的厚度。
43.根据权利要求41的金属-绝缘体-金属型电容器，其中所述金属氧化物主介质层 具有大约40埃至大约80埃的厚度。
全文摘要
本发明公开了形成电容器及其介质层的方法及其形成的电容器。本发明的一种方法在金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器的金属氮化物下电极上形成金属氮氧化物籽晶介质层。金属氮氧化物籽晶介质层充当阻挡层以减少在例如，用于在包括MIM型电容器的集成电路中形成金属化上层的后处理期间与金属氮化物下电极的反应。包含在金属氮氧化物籽晶介质层中的氮能够减少发生在常规型MIM电容器中的反应的类型。金属氧化物主介质层形成在金属氮氧化物籽晶介质层上并保持与MIM型电容器中的金属氮氧化物籽晶介质层独立。稳定(例如，使用热处理或等离子处理)金属氧化物主介质层以消除其中的缺陷(例如碳)并调整金属氧化物主介质层的化学计量。
文档编号H01L21/8242GK102082079SQ20101053744
公开日2011年6月1日 申请日期2005年4月12日 优先权日2004年4月12日
发明者吴世勋, 崔在亨, 崔正植, 柳次英, 郑正喜, 金基哲, 金晟泰 申请人:三星电子株式会社