[发明专利]存储装置的电容器及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体装置，更特别地，本发明涉及存储装置的电容器及其形成方法。

背景技术

半导体装置表现出对有限区域中的精细图案不断增加的需求。在动态随机存取存储(DRAM)装置中，单个晶体管和单个电容器构成了单个存储单元。DRAM装置设计来使得电容器可以在有限区域中获得最大的电容值。在80纳米或更小的DRAM装置中，获得所希望的电容值的电容存在问题。

为了增加半导体装置中的电容器的电容值，使用具有高介电常数的介电材料来形成介电层。通过增加电容器的下电极的有效表面积可以增加介电层的有效表面积(例如在柱形电容器中)。

电容器的高度越大，则连接到金属布线的金属接触(例如，M1C型金属接触)的高度越大。因此，由于电容器的高度增加，照相和蚀刻工艺的裕度快速减小，并且很多缺陷可能在形成电容器的过程中出现。因此，这些问题导致处理产率的降低。

当使用高介电常数的介电材料时，电极结构可以由通常的硅-绝缘体-硅(SIS)结构改变为金属-绝缘体-金属(MIM)结构，从而获得希望的电容值。但是，介电层的介电特性或电容器的漏电特性可能由于随后工艺的热预算而容易改变。为了减小泄漏电流，可以通过添加低介电常数的介电材料形成复合介电层。但是电容器的电容值可得以增加的限度降低。

发明内容

根据本发明的一个方面，形成具有晶体管的存储装置的电容器的方法包括在半导体衬底上形成模具层。该模具层在其中形成有孔。紧邻每个孔的底部边界形成催化金属层。在催化金属层上生长碳纳米管。在碳纳米管上沉积介电层。在介电层上沉积上电极以形成电容器。

碳纳米管可以基本正交于催化金属层生长。

在形成模具层之前，该方法可以还包括：在半导体衬底上形成绝缘层以覆盖晶体管；以及，形成在绝缘层之下延伸的绝缘层以将半导体衬底电连接到下电极层。

催化金属层可以由镍(Ni)层、铁(Fe)层或二者形成。

碳纳米管可以通过反应气体与催化金属层的催化反应生长。反应气体包括包含乙烯(C₂H₄)气体、甲烷(CH₄)气体或二者的碳氢化合物气体。

介电层可以由通过原子层沉积工艺沉积的氧化铝层、氧化铪层、氧化锆层、或它们的组合形成。

根据本发明的另一个方面，具有晶体管的存储装置的电容器包括形成在半导体衬底上的催化金属层。生长在催化金属层上的多个碳纳米管，使得碳纳米管基本正交于催化金属层。形成在碳纳米管上的介电层，以及在介电层上形成的上电极。

碳纳米管可以直接生长在催化金属层上。该电容器还可以包括在半导体衬底上形成的模具层。该模具层界定至少一个孔。紧邻每个孔的底部边界和侧壁并且在碳纳米管上形成的下电极层。该电容器还可以包括形成围绕碳纳米管的周边的圆柱形侧壁并覆盖碳纳米管和催化金属层的下电极。

该电容器还可以包括形成在半导体衬底上以覆盖晶体管的绝缘层，以及穿透绝缘层以将半导体衬底电连接到下电极层的连接接触。

附图说明

图1到图5是示意性地图示根据本发明实施例的存储装置的电容器及其形成方法的剖面图；以及

图6是根据本发明实施例的电容器的示意性平面图。

具体实施方式

在本发明的优选实施例中，公开了一种电容器，其中优选地通过原子层沉积(ALD)工艺形成高介电常数的介电层，并且介电层的有效表面积增加。

电容器可以使用高介电常数的介电材料形成。例如，该介电材料可以是介电常数大约为9的氧化铝(Al₂O₃)、介电常数大约为50的氧化铪(HfO₂)或氧化锆(ZrO₂)。

使用凹模具或模板形成半导体装置的电容器。阻挡金属层形成在该模具或模板之上以基本上防止导电层或用于形成下电极的金属层的扩散。随后，在该阻挡金属层上沉积用于形成碳纳米管的催化剂金属层或籽晶层。在形成了碳纳米管之后，下电极层、介电层和上电极层顺序沉积在碳纳米管上以实现电容器的有效表面积的显著增加。通过所得到的电容器的有效表面积，获得了高的电容值。

参考图1，装置隔离结构(未示出)通过浅沟槽隔离(STI)技术形成在半导体衬底100上以在半导体衬底100上界定有源区。栅极叠层200形成在有源区上。每个栅极叠层200包括栅极氧化层210、导电多晶硅层230、硅化钨(WSi_x)层250、氮化硅盖层270以及绝缘间隔壁290。完成形成栅极叠层200之后，进行形成源极和漏极的离子注入工艺以形成晶体管。