專利名稱：含金屬化合物顆粒的介電塊材及其形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種介電材料層及其形成方法，且特別是涉及一種含金屬化 合物顆粒的介電塊材及其形成方法。
背景技術：
利用半導體技術所衍生出來的各式存儲器元件，如動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)、靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)、非揮發(fā)性存儲器(Non-Volatile Memory, NVRAM)等，在目前的半導體產(chǎn)業(yè)中占了舉足輕重的地位。隨著 日益成熟的技術，這些存儲器也被廣泛地應用于個人計算機、移動電話、網(wǎng) 絡等方面，已成為生活中不可或缺的重要電子產(chǎn)品。但由于半導體世代的不斷向下微縮，這些現(xiàn)有的存儲器將面臨一些挑 戰(zhàn)，如動態(tài)隨機存取存儲器的漏電流所造成的功率消耗、靜態(tài)隨機存取存儲 器所占的面積過大、閃存(FLASHmemory)中讀/寫時需高電壓等問題。因 此，亟需開發(fā)新的存儲器元件，其具有高密度、非揮發(fā)性、讀/寫速度快及不 限讀/寫次數(shù)、低操作電壓、低功率消耗、與現(xiàn)有的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)工藝相容等優(yōu)點。目前所開發(fā)的新的存儲器元件中，納米點非揮發(fā)性存儲元件備受矚目。 納米點非揮發(fā)性存儲元件是于電荷儲存層中形成許多納米點，而每一個納米 點可以做為獨立的電荷儲存中心。因此，即使在穿隧氧化層產(chǎn)生漏電路徑的 情況下，納米點非揮發(fā)性存儲器仍可以維持良好的電荷保存能力。當尺寸縮 小后，納米結(jié)晶點存儲器仍然具有良好特性，將電荷儲存在納米結(jié)晶點層里 面，以發(fā)揮存儲器儲存電荷的效果?，F(xiàn)今研究如硅納米結(jié)晶點、鍺納米結(jié)晶 點以及金屬納米點皆可做為儲存電荷層來取代傳統(tǒng)的氮化硅儲存電荷層。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種介電塊材，其含有金屬化合物顆粒，可以用來 儲存電荷。 本發(fā)明的義一目的是提供一種可以泉用簡易的古法來形成會有微鈿顆 粒的介電塊材。本發(fā)明提出 一種含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，此方法是先 在基底上形成堆棧層，此堆棧層包括一金屬氮化物層以及一能隙層，然后， 進行一處理步驟，使金屬氮化物層形變成多個散布于能隙層中的金屬化合物 結(jié)晶顆粒。本發(fā)明又提出 一種含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，此方法是 在基底上形成堆棧層，此堆棧層包括一金屬化合物層以及一能隙層，其中金 屬化合物層與能隙層的材料不同，之后，進行一回火步驟，使堆棧層中的金 屬化合物層形變成多個金屬化合物結(jié)晶顆粒，散布于能隙層中。本發(fā)明提出一種介電塊材，其包括能隙層以及多個散布于能隙層中的金 屬化合物結(jié)晶顆粒，其中能隙層的材料與金屬化合物結(jié)晶顆粒不同。本發(fā)明的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法非常簡單，是一種可 以應用于半導體量產(chǎn)的方法。本發(fā)明的塊材的保存電荷的能力佳，符合這一代與未來的半導體元件的 需求，以應用于金屬氧化物半導體晶體管、非揮發(fā)性存儲元件或電容器中， 用來做為柵間介電層、電荷儲存層、柵間介電層或電容器中的介電質(zhì)。為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，以下配合附 圖以及優(yōu)選實施例，以更詳細地說明本發(fā)明。


圖1A至圖1B是依照本發(fā)明一實施例所繪示的含金屬化合物顆粒的介 電塊材的形成方法的制造流程剖面圖。圖2A至圖2B是依照本發(fā)明另一實施例所繪示的含金屬化合物顆粒的 介電塊材的形成方法的制造流程剖面圖。圖3是依照本發(fā)明實施例所繪示的介電塊材的剖面示意圖。圖4是繪示將本發(fā)明的介電塊材應用于金屬氧化物半導體晶體管的示意圖。圖5是繪示將本發(fā)明的介電塊材應用于閃存的示意圖。圖6是繪示將本發(fā)明的介電塊材應用于只讀存儲元件的示意圖。圖7是繪示將本發(fā)明的介電塊材應用于電容器的示意圖。
簡單符號說明100、 200、 500、 600:基底102、 202:堆棧層104:金屬氮化物層106、 206、 306:能隙層108、 208、 308:金屬化合物結(jié)晶顆粒204:金屬化合物層300:塊材402:金屬氧化物半導體晶體管404:柵極結(jié)構406:柵介電層501:閃存502:對冊介電層504:浮置柵506:柵間介電層508:控制柵602:氮化硅只讀存儲元件604:電荷儲存層606:控制柵702:電容器704、 708:電極706:介電質(zhì)具體實施方式
本實施例的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，是先在基底上形 成含有能隙層與金屬氮化物層或金屬氧化物層的堆棧層，然后，進行一個處 理步驟，使堆棧層中的金屬氮化物層或金屬氧化物層形變成多個金屬化合物 結(jié)晶顆粒，散布于能隙層中。以下將以實施例來說明本發(fā)明，然其并非用以限制本發(fā)明。實施例一圖1A至圖1B是依照本發(fā)明一實施例所繪示的含金屬化合物顆粒的介 電塊材的形成方法的流程剖面圖。請參照圖1A，在基底100上形成一堆棧層102，此堆棧層102包括金屬 氮化物層104以及能隙層106。在圖式中，是以相互堆棧的兩層的金屬氮化 物層104以及兩層能隙層106來表示。在一實施例中，堆棧層102可以是由 兩層能隙層106包夾一層金屬氮化物層104所構成。在另一實施例中，堆棧 層102可以是由兩層金屬氮化物層104包夾一層能隙層106所構成。金屬氮 化物層104的材料包括耐熱金屬氮化物，如氮化鈦、氮化鋯或氮化鉿，其形 成的方法可以采用原子層氣相沉積法(ALD),其形成的厚度可以依照設計 的需要來設定，例如若要形成納米級的金屬化合物結(jié)晶顆粒，則金屬氮化物 層104的厚度必須不大于10埃。在一實施例中金屬氮化物層104的厚度為 3-6埃左右。能隙層106的材料與金屬氮化物層104形變后所形成的金屬化 合物結(jié)晶顆粒的材料不相同。應用于半導體元件時，能隙層106材料的選擇 可以考慮其導帶和價帶跟半導體例如是硅的相對關系，通常，其導帶至少要 比半導體的導帶高leV，而價帶則是比硅低leV，如此才能夠有足夠高的能 隙大小來阻止硅中的電子、空穴(hole)穿透過此能隙層106，達到絕緣的效果。 能隙層106的材料可選自于A1203、 Ta205、 BaO、 Zr02、 LaA103、 La203、 SrO、 Y203、 Si3N4、 SixNy、 HfSiOx、 ZrSiOx、 MgO、 SiOx及Si02所組成的族 群其中之一。能隙層106的厚度可以依照設計的需要來設定。在一實施例中， 每一層能隙層106的厚度例如是5-20埃左右。之后，請參照圖1B，進行處理步驟，使堆棧層102中的金屬氮化物層 104形變成多個散布于能隙層106中的金屬化合物結(jié)晶顆粒108。金屬化合 物結(jié)晶顆粒108例如是金屬氧化物結(jié)晶顆粒，如氧化鈦結(jié)晶顆粒、氧化鋯結(jié) 晶顆?；蜓趸x結(jié)晶顆粒。在一實施例中，此處理步驟是先在一個無氧的環(huán) 境中，例如在氮氣、氬氣、氫氣或氨氣的環(huán)境中，進行一個回火步驟，使堆 棧層102中的金屬氮化物層轉(zhuǎn)變成多個散布于能隙層106中的金屬氮化物顆 粒，然后，在含氧的環(huán)境下，使金屬氮化物顆粒反應成多個金屬氧化物結(jié)晶 顆粒108。在另一個實施例中，處理步驟包括一氧化回火步驟，在含有例如 是空氣、氣氣、 一氧化氮或二氧化氮的環(huán)境中進行回火，以使金屬氮化物層 104直接形變并反應成金屬化合物結(jié)晶顆粒108。在另一個實施例中，金屬 化合物結(jié)晶顆粒108為金屬氧化物結(jié)晶顆粒，其形成的方法是在形成堆棧層 102之后的傳送過程中，堆棧層102可能接觸到空氣中的氧氣，如此在進行
處理步驟時，在無氧或微量氧的環(huán)境中進行回火，堆棧層102所帶的氧即可 以使金屬氮化物層104直接形變并反應成金屬氧化物結(jié)晶顆粒108。 實施例二圖2A至圖2B是依照本發(fā)明另一實施例所繪示的舍金屬化合物顆粒的 介電塊材的形成方法的流程剖面圖。請參照圖2A，在基底200上形成一堆棧層202，此堆棧層202包括金屬 化合物層204以及能隙層206。在圖式中，是以兩層的金屬化合物層204以 及兩層能隙層206相互堆棧而成來表示。在一實施例中，堆棧層202可以是 由兩層能隙層206包夾一層金屬化合物層204所構成。在另一實施例中，堆 棧層202可以是由兩層金屬化合物層204包夾一層能隙層206所構成。金屬 化合物層204的材料包括耐熱金屬氧化物，如氧化鈦、氧化鋯或氧化鉿，其 形成的方法可以采用原子層氣相沉積法，其形成的厚度可以依照設計的需要 來設定，例如若要形成納米級的金屬化合物結(jié)晶顆粒，則金屬化合物層204 的厚度必須不大于10埃。在一實施例中金屬化合物層204的厚度為3埃。 能隙層206的材料與金屬化合物層204的材料不相同，其材料選自于A1203、 Ta205、 BaO、 Zr02、 LaA103、 La203、 SrO、 Y203、 Si3N4、 SixNy、 HfSiOx、 ZrSiOx、 MgO、 SiOx及Si02所組成的族群其中之一。能隙層206的厚度可以 依照設計的需要來設定。在一實施例中，每一層能隙層206的厚度例如是5-20 埃左右。之后，請參照圖2B,進行處理步驟，使堆棧層202中的金屬化合物層 204形變成多個散布于能隙層206中的金屬化合物結(jié)晶顆粒208。金屬化合 物結(jié)晶顆粒208例如是耐熱金屬顆粒，如氧化鈦結(jié)晶顆粒、氧化鋯結(jié)晶顆粒 或氧化鉿結(jié)晶顆粒。在一實施例中，此處理步驟是在一個無氧的環(huán)境中，例 如在氮氣、氬氣、氫氣或氨氣的環(huán)境中，進行一個回火步驟，使堆棧層202 中的金屬化合物層轉(zhuǎn)變成多個散布于能隙層206中的金屬化合物結(jié)晶顆粒 208。在另一個實施例中，處理步驟包括一含氧的回火步驟，在含有例如是 氧氣、 一氧化氮或二氧化氮的環(huán)境中進行回火，以使金屬氮化物層204形變 成金屬氧化物結(jié)晶顆粒208。請參照圖3，上述方法皆可形成介電塊材300，此介電塊材300包括能 隙層306以及散布于能隙層306之中的多個金屬化合物結(jié)晶顆粒308。金屬 化合物結(jié)晶顆粒308包括氧化鈦結(jié)晶顆粒、氧化鋯結(jié)晶顆?；蜓趸x結(jié)晶顆 粒。能隙層306的材料與金屬化合物結(jié)晶顆粒308的材料不同，其可選自于 A1203、 Ta205、 BaO、 Zr02、 LaA103、 La203、 SrO、 Y203、 Si3N4、 SixNy、 HfSiOx、 ZrSiOx、 MgO、 SiOx及Si02所組成的族群其中之一。此介電塊材 300之中的金屬化合物結(jié)晶顆粒308顆粒的大小可以小至納來級且局限在能 隙層306中，因此其電荷的保存的能力佳，可以廣泛地應用于集成電路中。 本發(fā)明的塊材可應用于半導體元件的工藝中。舉例來說，其可以應用于 金屬氧化物半導體晶體管402中做為柵極結(jié)構404中的柵介電層406,如圖 4所示?；蛘?，可以應用于非發(fā)揮性存儲元件中。請參照圖5,例如可以應 用于閃存501中，取代浮置柵504來抓取電荷?；蚴牵垍⒄請D6，此塊材 還可以應用于氮化硅只讀存儲元件602中，取代傳統(tǒng)氧化物/氮化物/氧化物 層，做為控制柵606與基底600之間的電荷儲存層604。此外，請參照圖7， 還可以應用于電容器702中，做為兩個電極704、 708間的介電質(zhì)706。當然 在應用時，可以依照需要單獨使用此塊材或是配合其它的介電材料一起使 用。雖然本發(fā)明以優(yōu)選實施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，本領 域的技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動與潤飾，因 此本發(fā)明的保護范圍應當以后附的權利要求所界定者為準。
權利要求
1. 一種含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，包括 在基底上形成堆棧層，該堆棧層包括金屬氮化物層以及能隙層；以及 進行處理步驟，使該金屬氮化物層形變成多個金屬化合物結(jié)晶顆粒，散布于該能隙層中。
2. 如權利要求1所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其中 該處理步驟包括進行回火步驟，使該堆棧層中的該金屬氮化物層轉(zhuǎn)變成多個金屬氮化物 顆粒，散布于該能隙層中；以及在含氧的環(huán)境下，使該些金屬氮化物顆粒反應成多個金屬化合物結(jié)晶顆粒o
3. 如權利要求2所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其中 該回火步驟是在氮氣、氬氣、氫氣或氨氣的環(huán)境中進行。
4. 如權利要求1所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其中 該處理步驟包括氧化回火步驟。
5. 如權利要求4所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其中 該氧化回火步驟是在含有空氣、氧氣、 一氧化氮或二氧化氮的環(huán)境中進行。
6. 如權利要求1所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其中 該金屬氮化物層包括氮化鈦層、氮化鋯層或氮化鉿層。
7. 如權利要求1所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其中 該金屬氮化物層的形成方法包括原子層氣相沉積法。
8. 如權利要求1所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其中 該金屬氮化物層的厚度不大于10埃。
9. 如權利要求1所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其中 該能隙層的材料選自于A1203、 Ta205、 BaO、 Zr02、 LaA103、 La203、 SrO、 Y203、 Si3N4、 SixNy、 HfSiOx、 ZrSiOx、 MgO、 SiOx及Si02所組成的族群其 中之一。
10. —種含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，包括 在基底上形成堆棧層，該堆棧層包括金屬化合物層以及能隙層，該金屬化合物層與該能隙層的材料不同；以及 進行回火步驟，使該堆棧層中的該金屬化合物層形變成多個金屬化合物 結(jié)晶顆粒，散布于該能隙層中。
11. 如權利要求IO所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其中該金屬化合物層包括氧化鈦層、氧化鋯層或氧化鉿層。
12. 如權利要求IO所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其 中該金屬化合物層的形成方法包括原子層氣相沉積法。
13. 如權利要求IO所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其 中該金屬化合物層的厚度不大于10埃。
14. 如權利要求IO所述的含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，其 中該能隙層的材料選自于A1203、 Ta205、 BaO、 Zr02、 LaA103、 La203、 SrO、 Y203、 Si3N4、 SixNy、 HfSiOx、 ZrSiOx、 MgO、 SiOx及&02所組成的族群其 中之一。
15. —種介電塊材，包括 能隙層；以及多個金屬化合物結(jié)晶顆粒，其散布于該能隙層中且其材料與該能隙層不同。
16. 如權利要求15所述的介電塊材，其中該些金屬化合物結(jié)晶顆粒包括 氧化鈦結(jié)晶顆粒、氧化鋯結(jié)晶顆?；蜓趸x結(jié)晶顆粒。
17. 如權利要求15所述的介電塊材，其中該些金屬化合物結(jié)晶顆粒為納 米級的顆粒。
18. 如權利要求15所述的介電塊材,其中該能隙層的材料選自于八1203、 Ta205、 BaO、 Zr02、 LaA103、 La203、 SrO、 Y203、 Si3N4、 SixNy、 HfSiOx、 ZrSiOx、 MgO、 SiOx及Si02所組成的族群其中之一。
19. 如權利要求15所述的介電塊材，是做為柵間介電層、電荷儲存層或 電容器中的介電質(zhì)。
全文摘要
一種含金屬化合物顆粒的介電塊材的形成方法，此方法是先在基底上形成堆棧層，此堆棧層包括金屬氮化物層以及能隙層，然后，進行一處理步驟，例如氧化回火步驟，使金屬氮化物層形變成多個散布于能隙層中的金屬化合物結(jié)晶顆粒。
文檔編號H01L29/40GK101123189SQ200610110110
公開日2008年2月13日 申請日期2006年8月8日 優(yōu)先權日2006年8月8日
發(fā)明者曾培哲, 林哲歆, 凱 麥 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院