專利名稱：半導體器件的電容器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件的電容器及其制造方法，更特別地，涉及這樣一種半導體器件的電容器和制造該半導體器件電容器的方法，通過形成Nb基Ta2O5層的介電層，該電容器甚至在低溫下也可以使該半導體器件電容器的介電層結晶，并可以提高該半導體器件的性能。
背景技術：
由于半導體加工工藝的精密化(sophistication)，所以半導體集成電路的集成密度和配有這種半導體集成電路的半導體器件的運行速度顯著提高。已經(jīng)對許多方式進行了大量的研究以增加具有電容器的半導體存儲器設備(semiconductor memory devices)如動態(tài)隨機存取存儲器(DRAMs)的存儲容量，同時降低半導體存儲器設備的尺寸。此外，為了獲得至少最低限度所需的有效電容，同時提高半導體器件的集成密度，已經(jīng)開發(fā)了許多形狀的電容器，例如疊層形(stack-type)、圓筒形和針型電容器。而且，即使當使用高介電材料以提高半導體器件的集成密度時，也付出了許多努力來降低數(shù)據(jù)存儲用半導體器件的氧化物厚度(TOX)。
圖1是具有由高介電材料形成的電容器的常規(guī)半導體器件的截面圖。參考圖1，半導體器件包括半導體基片11如硅基片和在半導體基片11上形成的多晶硅層12。在常規(guī)半導體器件的電容器中，在多晶硅層12上順序堆疊下電極層、介電層和上電極層16。下電極層是由TiN層13和Ru層14的雙層形成的。這里，TiN層13作為防止來自基片11的雜質擴散到上層中的阻擋層。介電層是由Ta2O5層15形成的。在Ta2O5層15上形成上電極層16。
可以通過使用化學氣相沉積(CVD)法或原子層沉積(ALD)法將高介電材料Ta2O5涂覆在基片11上而形成典型的DRAM。使Ta2O5層結晶，從而使其具有電特性(electrical characteristics)。為了使Ta2O5層15具有電特性，必須通過在約700℃或更高的溫度下對Ta2O5層15進行熱處理過程而使Ta2O5層15結晶。然而，在熱處理Ta2O5層15的過程中，Ru層14中所含的氧自由基可以擴散到位于Ru層14下面的TiN層13中，在這種情況下，TiN層14會不希望地被氧化或變形。為了防止TiN層14氧化或變形，應該在低溫下熱處理Ta2O5層15。然而，當在低溫下進行熱處理時，不能使Ta2O5層15結晶，因而使其電特性變差。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種具有電容器的半導體器件和制造該半導體器件的電容器的方法，該電容器可以防止下電極氧化，同時保證電容器介電層(例如，Ta2O5層)優(yōu)異的電特性。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種半導體器件的電容器。該電容器包括下電極層、介電層和上電極層。該介電層含鉭氧化物和周期表第5族元素的氧化物。
周期表第5族元素可以是Nb或V。
介電層可以含TaO和NbO。
下電極層可以包括TiN層和在該TiN層上形成的Ru層。
上電極層可以包括TiN或Ru層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種制造半導體器件的電容器的方法，該電容器含下電極層、介電層和上電極層。該方法包括(a)在半導體基片上形成下電極層；(b)在該下電極層上形成介電層，該介電層含鉭氧化物層和周期表第5族元素的氧化物層；和(c)在該介電層上形成上電極層。
(a)可以包括在半導體基片上形成TiN層，因此可以防止來自半導體基片的雜質擴散到上層中；和在TiN層上形成Ru層。
(b)可以包括在下電極層上形成鈮氧化物層；在該鈮氧化物層上形成鉭氧化物層；和在約600℃的溫度下熱處理該鈮氧化物層和該鉭氧化物層。
(b)可以包括在下電極層上形成鉭氧化物層；在該鉭氧化物層上形成鈮氧化物層；和在約600℃的溫度下熱處理該鉭氧化物層和該鈮氧化物層。
(b)可以包括在下電極層上順序形成鉭氧化物層、鈮氧化物層和另一鉭氧化物層；和在約600℃的溫度下熱處理鉭氧化物層、鈮氧化物層和鉭氧化物層的疊層。
在(c)中，可以通過將TiN或Ru沉積在介電層上形成上電極。


參考附圖，通過詳細描述本發(fā)明示范性的實施方案，本發(fā)明的上述和其它特點和優(yōu)點將變得更明顯，其中圖1是常規(guī)半導體器件的截面圖；圖2是本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的截面圖；圖3A-3E是說明制造本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的方法的截面圖；圖4A和4B是本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的介電層變化的截面圖；圖5A是說明本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的X-射線衍射圖的圖；和圖5B是說明本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的氧化物厚度(TOX)相對于勢能的變化的圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考附圖更充分地描述本發(fā)明示范性實施方案的具有電容器的半導體器件和制造該半導體器件的方法。
圖2是本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的截面圖。參考圖2，半導體器件包括半導體基片21如硅基片和在半導體基片21上形成的多晶硅層22。在多晶硅層22上順序形成下電極層、介電層25和上電極層26。下電極層由TiN層23和Ru層24的雙層形成，并作為防止來自基片21的雜質擴散到上層中的阻擋層。介電層25由Ta2O3層形成，并且在介電層25上形成上電極層26。
在本發(fā)明中，介電層25含鉭氧化物和鈮(Nb)氧化物。這里，可以用周期表第5族中的另一種元素如釩(V)替代Nb。通過形成具有鉭氧化物和鈮氧化物組合的介電層25，可以甚至在約650℃的低溫下熱處理介電層25，然后使其結晶。
圖3A-3E是制造本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的方法的截面圖。
參考圖3A，在半導體基片21如硅基片上形成多晶硅層22。通過濺射過程在多晶硅層22上形成TiN層23。TiN層23作為防止來自半導體基片21的雜質擴散到上層中的阻擋層。
參考圖3B，與現(xiàn)有技術一樣，可以通過汽相沉積工藝在TiN層23上形成Ru層24。
參考圖3C，通過CVD法或ALD法，通過在Ru層24上順序形成鈮氧化物層25a和鉭氧化物層25b，由鈮氧化物層25a(例如，Nb2O5層)和鉭氧化物層25b(例如，Ta2O5層)的雙層形成介電層25。優(yōu)選但不必須地，形成的鉭氧化物層25b比鈮氧化物層25a厚?？梢杂弥芷诒淼?族中的任意元素的氧化物層替換鈮氧化物層25a?？梢酝ㄟ^蒸發(fā)乙醇鈮和乙醇鉭至能夠與氧氣(O2)反應，并在約250-400℃的溫度下將反應產物，即鈮氧化物和鉭氧化物沉積在Ru層24上來形成鈮氧化物層25a和鉭氧化物層25b。
這里，可以通過在Ru層24上順序形成鉭氧化物層25b和鈮氧化物層25a來形成介電層25。或者，可以通過在Ru層24上順序形成鉭氧化物層25b、鈮氧化物層25a和另一鉭氧化物層25b來形成介電層25。在圖4A和4B中說明了介電層25的這些變化。更具體地說，圖4A說明了這樣一種介電層25的實例，該介電層含有在Ru層24上形成的鉭氧化物層25b和在該鉭氧化物層25b上形成的鈮氧化物層25a；圖4B說明了這樣一種介電層25的實例，該介電層含有在Ru層24上形成的鉭氧化物層25b、在該鉭氧化物層25b上形成的鈮氧化物層25a和在該鈮氧化物層25a上形成的另一鉭氧化物層25b。換句話說，可以通過順序形成鈮氧化物層25a，然后鉭氧化物層25b，順序形成鉭氧化物層25b和鈮氧化物層25a或順序形成鉭氧化物層25b、鈮氧化物層25a和另一鉭氧化物層25b來形成介電層25。
此后，為了使鈮氧化物層25a和鉭氧化物層25b具有電特性，通過在高溫下對介電層25進行熱處理過程而使介電層25結晶。優(yōu)選但不必須地，在約600℃或更低的溫度下熱處理介電層25以防止Ru層24中所含的氧自由基擴散到TiN層23中。因為可以在約550℃的溫度下使鈮氧化物層25a結晶，所以可以在相對低的溫度，例如600℃下使與鈮氧化物層25a接觸的鉭氧化物層25b結晶，盡管鉭氧化物層25b如Ta2O3層通常在約700℃的溫度下結晶。一旦通過使用氮氣(N2)作為氣氛氣體而在600℃的溫度下熱處理介電層25，介電層25就逐漸被冷卻下來。熱處理介電層25能夠使鈮氧化物層25a中的鈮和鉭氧化物層25b中的鉭分別擴散到鉭氧化物層25b和鈮氧化物層25a中。
參考圖3E，在介電層25上形成上電極層26。可以通過將高電導率的材料如TiN或Ru沉積在介電層25上形成上電極層26。
圖5A是說明本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的X-射線衍射(XRD)圖的圖。參考圖5A，通過形成厚度為約60的Nb2O5層25a，形成厚度為約120的Ta2O5層25b，以及在約600℃的溫度下熱處理Nb2O5層25a和Ta2O5層25b來形成本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器。本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的XRD分析表明，Nb2O5層25a和Ta2O5層25b全都結晶，因為在23°檢測到Nb2O5層25a的
晶面的峰，在46°檢測到Ta2O5層25b的
晶面的峰。在33°和42°處檢測到的峰是Ru層的晶面峰，Ru層作為本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的電極。
圖5B是說明本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的氧化物厚度(TOX)相對于向其施加的勢能的變化的圖。參考圖5B，本發(fā)明示范性實施方案的半導體器件的電容器的TOX在-2至2V的勢能范圍內達到7.8，這非常低。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過在低溫下熱處理介電層以使介電層具有電特性可保證電容器的結構穩(wěn)定性，并使用該電容器獲得高密度的半導體器件。
雖然已經(jīng)參考其示范性的實施方案對本發(fā)明進行了詳細的說明和描述，但本領域普通技術人員可以理解在形式和細節(jié)方面可以進行各種不背離如以下權利要求所限定的本發(fā)明精神和范圍的變化。
權利要求
1.一種半導體器件的電容器，其包含下電極層；介電層；和上電極層，其中，所述介電層含鉭氧化物和周期表第5族元素的氧化物。
2.權利要求1的電容器，其中周期表第5族元素是Nb或V。
3.權利要求1的電容器，其中介電層含TaO和NbO。
4.權利要求1的電容器，其中下電極層含TiN層和在該TiN層上形成的Ru層。
5.權利要求1的電容器，其中上電極層含TiN層或Ru層。
6.一種制造半導體器件的電容器的方法，該電容器含下電極層、介電層和上電極層，所述方法包括(a)在半導體基片上形成下電極層；(b)在該下電極層上形成介電層，該介電層含鉭氧化物層和周期表第5族元素的氧化物層；和(c)在該介電層上形成上電極層。
7.權利要求6的方法，其中(a)包括在該半導體基片上形成TiN層，由此可以防止來自半導體基片的雜質擴散到上層中；和在該TiN層上形成Ru層。
8.權利要求6的方法，其中(b)包括在該下電極層上形成鈮氧化物層；在該鈮氧化物層上形成鉭氧化物層；和在約600℃的溫度下熱處理該鈮氧化物層和該鉭氧化物層。
9.權利要求6的方法，其中(b)包括在該下電極層上形成鉭氧化物層；在該鉭氧化物層上形成鈮氧化物層；和在約600℃的溫度下熱處理該鉭氧化物層和該鈮氧化物層。
10.權利要求6的方法，其中(b)包括在下電極層上順序形成鉭氧化物層、鈮氧化物層和另一鉭氧化物層；和在約600℃的溫度下熱處理鉭氧化物層、鈮氧化物層和鉭氧化物層的疊層。
11.權利要求6的方法，其中在(c)中，通過將TiN或Ru沉積在介電層上形成上電極。
全文摘要
提供一種半導體器件的電容器和制造該半導體器件電容器的方法。該電容器含下電極層、介電層和上電極層，介電層由鉭氧化物和周期表第5族元素的氧化物如鈮氧化物或釩氧化物形成。因此，能夠通過在低的溫度下熱處理介電層而使介電層具有電特性，并保證整個電容的結構穩(wěn)定性。
文檔編號H01L27/10GK1630085SQ20041010218
公開日2005年6月22日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權日2003年12月15日
發(fā)明者樸星昊, 李正賢 申請人:三星電子株式會社