[发明专利]具有金红石结晶相二氧化钛介电膜的半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种改良的高介电常数(high-k)介电层，使用这种介电层的电容结构，并例示出其制造方法。

背景技术

随着动态随机存取存储器的金属-绝缘-金属电容的微缩，内存工艺中因此有必要导入高介电常数介电材，例如二氧化钛。已知二氧化钛具有不同的结晶相，其介电常数也不同，其中两种已知的二氧化钛结晶相是锐钛矿(anatase)及金红石(rutile)。由于金红石结晶相的二氧化钛具有比锐钛矿结晶相的二氧化钛更高的介电常数(k＞90)，因此通常会希望增加金红石结晶相的二氧化钛在电容介电薄膜中的比例。

二氧化钛介电层通常利用原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)法形成。然而，在原子层沉积过程中，二氧化钛往往是以锐钛矿结晶相为主。为了要形成具有金红石结晶相及低漏电的二氧化钛介电层，仍需要再以掺质掺杂、后退火(600℃或更高温)处理以及/或结合模板层进行的臭氧原子层沉积才能达到。前述掺质掺杂方法的问题是高成本、低产出率，且不容易控制其分布。前述后退火方法的缺点是额外的热预算及机械应力可能影响晶体管器件。前述的结合模板层进行的臭氧原子层沉积法，其问题在于沉积速率过慢(单一ALD循环约)，且可能有刻蚀或氧化下层的风险。

另外一种沉积二氧化钛介电层的作法是利用水基(water-based)原子层沉积法，其在ALD循环中以水蒸气作为氧化剂。这种水基原子层沉积法的沉积速率较前述臭氧原子层沉积法快，因此具有高产出率，然而，以水基原子层沉积法形成的二氧化钛其结晶相是以锐钛矿为主。为了在水基原子层沉积过程中形成金红石结晶相的二氧化钛，必须沉积至少厚达10nm的二氧化钛，或者以相对较高的工艺温度进行。

由上可知，业界目前仍需要改良的方法来沉积高介电常数材料，例如，金红石结晶相的二氧化钛(或简称金红石二氧化钛)，且所述方法具有高沉积/成长速率，同时能保持低漏电特性，并且避免上述先前技艺的诸多缺点。

发明内容

根据本发明实施例，本发明提供一种电容结构，包含有一第一电极，设于一基材上；一模板层，设于所述第一电极上；一二氧化钛介电层，设于所述模板层上，其中所述二氧化钛介电层仅单纯具有金红石结晶相；以及一第二电极，位于所述二氧化钛介电层上。所述二氧化钛介电层是以修正后的水基ALD工艺形成。

为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文中特举出本发明的优选实施方式，并配合附图作详细说明如下。然而如下的优选实施方式与附图仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为依据本发明实施例绘示的部分电容结构的横断面示意图。

图2例示出形成图1中电容结构的流程图。

图3例示出修正后的水基ALD工艺。

图4表示出以修正后的水基ALD形成的二氧化钛的X射线绕射光谱(相对强度对2theta作图)，光谱区间为2theta=20至2theta=60之间。

图5表示出以臭氧脉冲/吹净比例20:1进行修正后的水基ALD形成的二氧化钛层的X射线绕射光谱。

其中，附图标记说明如下：

10  基材              100  制造流程

20  电容结构          102  步骤

22  第一电极          104  步骤

23  模板层            106  步骤

24  高介电常数介电层  108  步骤

26  第二电极

具体实施方式

下文中将参照附图说明本发明细节，该些附图中的内容也构成了说明书细节描述的一部份，并且以可实行实施例的特例描述方式来绘示。下文实施例已描述足够的细节使得本领域的一般技术人员得具以实施。当然，也可实行其它的实施例，或是在不悖离文中所述实施例的前提下作出任何结构性、逻辑性、及电性上的改变。因此，下文的细节描述不应被视为是限制，反之，其中所包含的实施例将由随附的权利要求书来加以界定。