TW200306006A - Thin-film capacitor having multi-layer dielectric film including silicon dioxide and tantalum pentoxide - Google Patents

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200306006 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及囷式簡單說明） L發明所屬之技術領域3 發明領域 本發明係有關於一種製造半導體薄膜電容器之方法。 5 更特別的是’本發明係有關於一種製造具氧化|旦介電薄膜 之薄膜電容器之方法。 I：先前技術3 發明背景 薄膜電容器的操作特性愈來愈重要，因為包含這些電 10 谷裔的各種線路的操作頻率愈來愈增加。此種線圈的範例 包括在動態隨機存取記憶體中，薄膜電容器係作為一儲存 電池；在濾波器中，薄膜電容器係作為RC網路的一部分 ;以及在多晶片模組中，薄膜電容器係作為一解耦電容器 (decoupling capacitor) 〇 15 薄膜電容器所希望的操作特性包括高電容密度、低漏 電量以及高崩潰電壓（breakdown voltage)。此外，亦希望 電容器可與後續線路製造步驟相容。 由於其優異的介電特性，已有大量研究使用五氧化鈕 (Ti2〇5)，以反應錢鑛、化學蒸鑛沉積與電漿增強化學蒸鍍 2〇沉積法製作電容器。如美國專利6, 235, 572中等 人所述，五氧化鈕通常於無晶型狀態下沉積。為了增進五 氧化鈕之介電性質，該薄膜係以熱處理方式產生一具晶體 結構之薄膜。具晶體結構之五氧化鈕呈現一多晶薄膜，其 具有晶粒邊界（grain bGundary)，會在相對電極之間形成漏 5 200306006 玖、發明說明 電現象。雖然增加薄膜厚度可減少漏電現象並增加電容， 但過度增加厚度卻會因為增加五氧化鈕薄膜之壓力，而使 漏電現象更惡化。為了減少漏電現象，並維持足夠電容， Kunitomo等人提出使用cVD技術形成多層五氧化鈕。 5 美國專利號5, 936, 831中，Kola等人發現以陽極反應 濺鍍Ta^5所製造之電容器具有令人滿意之漏電與崩潰特 性，但在200°C以上熱退火溫度下卻會耗損。此種耗損會 不可逆地增加電容溫度係數（TCC)與耗損因素（dissipati〇n factor)。一般認為這是由於電極金屬原子擴散至介電層中 10 ，並擴散出氧原子，造成氧原子不足缺陷。為了克服此種 耗損，Kola等人探討了多種作為電極之金屬，包括鋁（A1) 、鉻（Cr)、銅（Cu)、氮化鈕（TaNx)、氮化鈦（ΉΝχ)與嫣（w) 。結果，Kola等人提出以具有氮或矽_摻雜之五氧化鈕介 電質形成薄膜電容器，以及至少一具有鉻之電極，其由陽 15極氧化TaN或Ta〗Si並形成一 Cr電極而製得。 美國專利6,207,489，Nam等人揭露了一種製造具有五 氧化鈕介電薄膜電容器之方法。該方法包括形成一與一半 導體基板的活性區域電性連接之較低電極。一預先處理薄 膜’包含選自由二氧化矽、氮化矽，及其結合物群組之元 2〇件，係形成於該較低電極之表面。一介電薄膜，係以以前 趨物形成於該預先處理之薄膜上。該介電薄膜包含一在第 -溫度下沉積之第-介電層，該溫度係選自於一設定之溫 度粑圍。一在第二溫度下沉積之第二介電層，該溫度不同 於第一溫度。之後將該介電薄膜於氧氣氛圍下進行熱處理。 200306006 玖、發明說明 因此，目前需要提出一種新的技術，用以製造具有足 夠電容與崩潰電壓之薄膜電容，並可降電流漏失量降至最 低。 t發明内容3 5 發明概要 於此揭鉻一種電容器及其製造方法，範例之一包括於 該基板上之第一與第二具空間上區隔之多層介電薄膜。該 多層介電薄膜包含具有不同粗縫程度的第一與第二層。該 具有至少部分粗糙度之介電薄膜係沉積於該第一電極附近 10 15 。於該第一電極附近沉積該第二層之後，該第二層即進行 退火步驟。一般認為該減少該第一電極的粗糙度可降低該 第-電極的針孔現象產生。在此情況下，所形成之薄膜電 谷斋便可預防或減少漏電現象，而提供適當的電容或崩潰 電壓。範例之一為該薄膜電容器由二氧化矽（si〇j與五氧 化组（Ti2〇5)所形成之介電材料所組成。為了提供該電容器 適田之才呆作特性，五氧化组層之厚度約大於二氧化石夕層之 三倍。最後，在一方法範例中，該第一電極係由三氣：璘 (p〇ci3)經化學沉積法形成。該二氧化石夕層係將石夕於氧氣 中進仃熱乳化而形成。而該五氧化經層収將叙㈣於 Μ圍下濺錄於該二氧切層上。經退火後使該五氧化奴 層抢度增加。之後，係沉 、欽、氮化鈦與鈦師itungstin)所組成群組之材料形 銅 _ 檟弟一電極，以選自由鋁、鉻 成 本發明之以上與其他範例 以及其優點與特徵將於下 20 200306006 玖、發明說明 文與各圖表中詳加說明。 圖式簡單說明 第1圖為本發明薄膜電容器之一範例之橫截面圖； 第2®為第1圖之薄膜電容$基板之橫截面圖，該基板 5 上具有一熱氧化層； 第3圖為第2圖基板之橫截面目，該基板之氧化層移除； 第4圖為第3圖基板之橫截面圖，顯示該基板上擴散磷 區域； 第5圖為第4圖基板之橫截面圖，顯示沉積於該基板上 10鄰近擴散磷區域的多層介電薄膜； 第6圖為第5圖基板之橫截面圖，顯示其上所蝕刻之通 孔，其延伸過該介電層與鄰近擴散磷區域終端； 第7圖為第6圖基板之橫截面圖，其上具有一接觸點以 及一額外電極； 15 第8圖為第7圖基板之橫截面圖，顯示一苄基環丁烯 (BCB)層係沉積於該接觸點頂部、額外電極以及介電薄膜。 【實施方式3 較佳實施例之詳細說明 第1圖為本發明範例之一薄膜電容器1〇之橫截面圖， 2〇其係形成於一基板12上。電容器10包含一對具空間上區隔 之電極14與16，並在兩者中間沉積有一多層介電膜18。通 孔20係自多層介電薄膜18延伸至表面19，終止於電極14。 導電接觸點22係形成於通孔2〇中，意即自電極14延伸至介 電材料18之表面24處。接觸點22係於鄰近，但空間上仍有 8 200306006 玖、發明說明 區隔，電極16處形成。形成於鄰近電容器結構的是一由节 基玉衣丁晞（BCB)形成之介電層，BCB層為26。第一通道28 ”第通道30係形成於BCB層26中。第一通道28自BCB層 26之上表面32延伸，終止至接觸點22附近；而第二通道30 5自BCB層26之上表面32延伸，終止至電極16附近。第一金 屬連、34係形成於該第一通道28中，並與接觸點^形成電 路机L第一金屬連結36係形成於該第二通道3〇中，並與 電極16形成電路流通。 電容器10範例中，電極14係由擴散鱗導電層形成。電 10 15 ㈣、接觸點22與金屬連結34與36皆可以任何半導體技術 可用之導電金屬材料製造’包括铭（Α1)、絡（Cr)、銅㈣ 、鈦ΟΌ、氮化鈦(TiN)、鎢（w)與鈦鎢（Tiw)，或其組合物。 為了提供電容器1〇優良的操作特性，介電薄膜18包括 一五氧化组（Ti205)層18a。介電薄膜18係為多層結構以克 服製造電容器10所遭遇之困難。尤其，為了達到所希望的 電合值與崩潰電壓，並將兩電極之間的漏電量降至最低， 在二氧化矽與五氧化鈕之間形成一介面層是有幫助的。希 望此介面賴具有良好輕體性，並在過渡區域有光滑的 介面。熱二氧化梦符合這些需要。其係為—具高度整體性 之薄膜，其上針孔密度非常低，且介面與頂部表面暴露處 之表面粗链度亦最低。這些二氧切之特性使高品質五氧 化鈕薄膜可濺鍍於該氧化物薄膜上。若在該二氧化矽介面 上有-薄、密、高品質之薄膜，便可增加該電容之崩潰電 壓，並減少該電容之漏電量。 20 200306006 玖、發明說明 目別3忍為漏電現象係起因於之五氧化组層晶粒邊界之 粗糙程度，其在退火時密度會增加。為了克服此困難，介 電缚膜18係包含一介電材料組成之第二層，如二氧化砍層 (Si〇2) 18b。使用二氧化矽層（Si〇2) 18b是因為其粗糙程度 5小於五氧化鈕層18a。一般認為降低二氧化矽層18b之粗糙 程度’便可大幅降低介電層18中之針孔形成。因此，該電 谷裔10之電流漏電量亦可大幅降低，若未被消除。為了維 持五氧化鈕層18a之良好特性，希望能將二氧化矽層丨8b厚 度降至最低。最後，電容器1〇之一範例為該五氧化鈕層 10 18a之部分18c，疊置於該二氧化矽層18b上，其厚度至少 為二氧化矽層18b之三倍。 在電容器10範例中，該二氧化矽層18b厚度約為5〇人， 而該五氧化鈕層18a厚度約為i5〇A。電極14係由擴散至3微 来深之碟製造，而提供2-3 〇hms/cm2之頁電阻。電極16與 15接觸點22係由沉積於五氧化鈕阻隔層（圖上未顯示）上之一 微米鋁製得。BCB層26約為3微米厚。金屬連結“與刊係 由銅形成，並具有一由鈦、鉻或鈦鎢（Tiw)組成之附著薄 膜。此種組裝使得電容器10具有電容值約27〇_3〇〇 nanofarad/cm2，以及超過7伏特之崩潰電壓，且有最小之 2〇 失電流漏失。 請參照第1圖與第2圖，電容器10之製造牵涉到形成一 熱氧化層40於該基板12上。雖然基板12可以任何適用之半 導體材料製造，在本例中該基板12係以石夕⑻)製得。因此 ，该乳化層便包含二氧化矽。通常，該氧化層約為加，刚 10 200306006 玖、發明說明 至30,000 A厚。 請參照第1圖與第3圖，一光阻圖樣（圖上未顯示）係沉 積於該氧化層40上，並使用蝕刻步驟移除氧化層區域4〇， 將基板12部分表面42曝光，並加速形成電極14。緩衝氧化 5 蝕刻（BOE)氫氟酸蝕刻法為移除該氧化層區域4〇之一方法 範例，用於移除曝光部分區域42。在此種製程中，該氧化 層圖樣40係以BOE (緩衝氧化蝕刻）氫氟酸蝕刻法處理約 30分鐘。之後，移除該光阻圖樣（圖上未顯示），一富含磷 之玻璃續成長於該氧化層40與部分區域42上，經由p〇cl3 10 與〇2在熱擴散試管中反應，以化學沉積法形成。 請參照第1圖與第4圖，在富含磷之玻璃續成長於該氧 化層40與部分區域42上之後，該基板係於約l〇〇(TC熱烘烤 約2小時。此會導致磷由富含磷之玻璃中擴散至基板12之 區域44中，因此形成電極14。電極14約為3微米深，並完 15 全延伸至區域44，以及氧化層40之開口邊緣下方部分。此 後’第3圖之結構係曝露於氫氟酸（HF)溶液中，以移除磷 擴散來源之富含碟玻璃氧化物，而形成底部電極。該氫氟 酸濃度為10:1，亦即，10份水對1份氫氟酸。 請參照第1圖與第5圖，以氫氟酸移除富含磷之玻璃氧 20 化物之後，二氧化矽層18b係於鄰近氧化層40與區域44之 曝光表面附近熱成長，經由熱氧化該曝光後的矽。特殊的 是’ 18b層係於約85〇。(：的氧氣環境下成長，可長成30-50A 的Si〇2薄膜。在區域44表面熱氧化形成二氧化矽層18b之 後，鈦金屬係於富含氧的濺鍍室中進行濺鍍，形成一五氧 200306006 玖、發明說明 化鈕（Ti2〇5)層18a。五氧化鈕層18a具有一厚度，其面積延 伸超過至區域44，範圍為90至150A。將如第5圖之結構置 於溫度範圍750至900°C，20%氧氣/氮氣混合物中使五氧 化叙層18a緻岔化，因此形成一由熱氧化物（8丨〇2) 與五 5 氧化钽（Ti2〇5)18a組成之多層介電薄膜。 請參照第1圖與第6圖，光罩（圖上未顯示）置於五氧化 组層18a上，使用電漿蝕刻法形成通孔5〇，係利用氟電裝 化學法，如CHF3，SF0等。之後移除該光罩，並沉積一層 由氮化鈦形成之阻隔層（圖上未顯示）。之後沉積一鋁或鋼 1〇層，以光蝕刻方式定義圖樣，並蝕刻形成接觸點22與電極 16，如第7圖所示。移除光阻後，在場區域中之阻隔層係 以氟電漿蝕刻法去除。移除場區域中之阻隔層後，係於晶 圓表面施加一層BCB(节基環丁烯）光敏感薄膜。如第8圖所 不，BCB層26曝光並顯影，以形成電容器電極頂端與底端 15之通孔接觸點28與30(通道）。；6(：3層26於21〇。(：氮氣環境下 半固化之後，沉積一金屬附著薄膜（圖上未顯示）與一導電 金屬薄膜（圖上未顯示），該金屬圖樣係依標準光㈣步驟 定義。將該已顯影之光阻圖樣進行硬烤，該金屬餘刻，之 後形成導電連結34與36。之後移除用於定義圖樣所使用之 20 光阻（圖上未顯示）。 雖然本發明已以特定實施例進行說明，這些實施例僅 為範例。由實施例所作之變化亦落於本發明㈣中。本發 明不僅侷限於上述說明中，而應以下面所列之申請專利範 圍為準，其包含所有等效物範圍。 12 200306006 玖、發明說明 式簡單說明】 第1圖為本發明薄膜電容器之一範例之橫截面圖； 第2圖為第1圖之薄膜電容器基板之橫截面圖，該基板 上具有一熱氧化層； 第3圖為第2圖基板之橫截面圖，該基板之氧化層移除； 第4圖為第3圖基板之橫截面圖，顯示該基板上擴散磷 區域； 第5圖為第4圖基板之橫截面圖，顯示沉積於該基板上 _近擴散鱗區域的多層介電薄膜； 第6圖為第5圖基板之橫截面圖，顯示其上所餘刻之通 孔’其延伸過該介電層與鄰近擴散磷區域終端； 弟7圖為第6圖基板之橫截面圖，其上具有一接觸點以 及一額外電極； 弟8圖為弟7圖基板之橫截面圖，顯示一苄基環丁婦 15 (BCB)層係沉積於該接觸點頂部、額外電極以及介電薄膜。 【圓式之主要元件代表符號表】 …薄膜電容器 2 0 · · · 1¾ 孑L 12…基板 22…導電接觸點 14…電極 24…表面 16…電極 26…BCB層 18…多層介電膜 28…第一通道 18a···五氧化钽（Ti205)層 30···第二通道 18b···二氧化矽層（Si02) 32…上表面 19…表面 34···第一金屬連結 13 200306006 玖、發明說明 36…第二金屬連結 44…基板之區域 40…熱氧化層 50…通孔 4 2…部分表面

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Claims (1)

1. 200306006 拾、申請專利範圍 一種於半導體基板上製造電容器之方法，該方法包含： 於該基板上沉積一導電層以形成一第一電極； 於该第一電極附近沉積一多層介電膜，其中該介 電層包括第一與第二層，該第一層係沉積於該第一電 極附近，並具有一伴生之粗糙度，該粗糙度較該第二 層之粗糙度小；以及

   於该第二層附近沉積一額外導電層以形成一第二 電極。 2. 10 3. 4. 15 如申請專利範圍第W之方法，其中該介電膜之沉積更 包括藉由熱氧化方式形成二氧化矽而成長該第一層。 如申請專利範圍第！項之方法，其中該第一層係由一 二氧化矽層組成，且該第二層係由一五氧化鈕層組成 ，其中該第二層之厚度約為第一層之三倍。 如申請專利範圍第3項之方法，其中該二氧化石夕層之 厚度為3G至5GA ’以及該五氧化组層之厚度為％至 150A 〇

   之方法，其中該第一電極之形 5·如申請專利範圍第1項 成步驟更包含沉積_層富含磷氧化玻璃。 20 6·如申請專利範圍第1項 成步驟更包含以選自由 之方法，其中該第二電極之形 鋁、鉻、銅、鈦、氮化鈦與鈦 鎢（titungstin)所組成群組之材料形成該導電層。 如申请專利範圍第1項之方法，其進_步包含形成一 由該第-電極延伸通過並通過該多層介電材料之通孔 ，且該第二電極之形成更包含於該多層介電膜與該通 15 200306006 拾、申請專利範圍 孔附近沉積該額外導電層，並蝕刻該額外導電層以形 成該第二電極與一接觸點，且該接觸點係自該通孔延 伸，以界定出一電容器結構。 8·如申請專利範圍第7項之方法，其進一步包含於該電 容器結構附近沉積一苄基環丁烯（BCB)層，並於該 BCB層内形成第一與第二通道，其中該第一通道延伸 至該第二電極，且該第二通道延伸至該接觸點，並形 成一第一金屬連結延伸於該第一通道而與該第二電極 形成電路流通，並形成一第二金屬連結以延伸於該第 二通道以與該接觸點形成電路流通。 9· 一種於半導體基板上製造電容器之方法，該方法包含·· 於該基板上沉積一導電層以形成一第一電極； 於該矽基板上藉由熱氧化方式於該第一電極附近 成長一二氧化矽層； 於該二氧化矽層附近形成一五氧化鈕層，其係於富 含氧之環境下，藉由濺鍍沉積方式形成一鈕金屬層而 達成；以及 於孩S鋰層附近沉積一額外導電層以形成 20 電極

   10.如申請專利範圍第9項之方法，其中該第_層係由 二氧化矽層組成，且該第二層係由一五氧化鈕層組 ，其中該第二層之厚度約為該第一層之三倍。 11·如申請專利範圍第10項之方法，其中該二氧化矽層 厚度為30至50A，且該五氧化㈣之厚度為9〇至15〇入。 16 200306006 拾、申請專利範圍 12·如申請專利範圍第11項之方法，其中該第一電極之形 成步驟的步驟，進一步包含成長一層由二氧化矽、磷 與氧組成之富含磷的氧化玻璃。 3·如申请專利範圍第12項之方法，其中該第二電極之形 成步驟的步驟，進一步包含以選自由鋁、鉻、銅、鈦 、氮化鈦與鈦鎢（titungstin)所組成群組之材料形成該 導電層。 14·如申請專利範圍第13項之方法，其進一步包含形成一 由該第一電極延伸至該多層介電材料之通孔，且該第 二電極之形成步驟步驟進一步包含於該多層介電膜與 該通孔附近沉積該額外導電層，並蝕刻該額外導電層 以形成該第二電極與一接觸點，且該接觸點延伸自該 通孔，以界定出一電容器結構。 5.如申研專利範圍第14項之方法，其更包含於該電容器 、、、口構附近，儿積一苄基環丁烯（BCB)層，並於該BCB層 内形成第-與第二通道，其中該第一通道延伸至該第 二電極，且該第二通道延伸至該接觸點，並形成一第 一金屬連結，其係延伸至該第一通道以與該第二電極 形成電路流通，且形成一第二金屬連結，其係延伸至 该第二通道以與該接觸點形成電路流通。 16·種於一基板上形成之薄膜電容器，該電容器包含： 位於該基板上分離的之第一與第二導電薄膜；以及 包5第-與第二層之多層膜，其係設置於該第 一與該第二導電薄膜之間，其中該第-層包含秒且該 17 200306006 拾、申請專利範圍 第二層包含鈕，且該第一層係沉積於該第二層與該第 ‘電薄膜之間’並具有一伴生的粗糙度，該粗糙度 車父该第二層之粗糙度小，且其厚度足以消除該第二層 與該第一導電薄膜之間的針孔產生。 5 17·如申請專利範圍第16項之電容器，其中該第一層係由 二氧化矽（Si〇2)組成，且該第二層係由五氧化钽 (TaWO，其中該第二層之厚度約為第一層之三倍。 18·如申請專利範圍第16項之電容器，其中該第一層係由 一氧化石夕（Si〇2)組成，且該第二層係由五氧化钽 3 (Τ~〇5)組成，且其中該二氧化矽層之厚度為川至”人 ’以及該五氧化鈕層之厚度為9〇至15〇a。 .如申明專利範圍弟16項之電容器，其中該第一導電層 係由擴散有磷之二氧化矽組成，且該第二導電層包含 丨選自由鋁、鉻、銅、鈦、氮化鈦與鈦鎢（titungstin)所 組成群組之材料。 20·如申請專利範圍第16項之電容器，其更包含於該電容 器結構附近沉積-节基環丁烯（BCB)層，並於該bcb 層内形成第-與第二通道，其中該第一通道延伸至該 ，帛二電極，且該第二通道延伸至該接觸點；延伸至該 1 帛—通道並與該第二電極形成電路流通之-第一金屬 連結；以及形成-第二金屬連結，其係延伸至該第二 通道並與邊接觸點形成電路流通。 18