专利名称：电容器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种电容器及其制造方法。
背景技术：
集成电路已经从制造在单个芯片上的少数互连器件发展到数百万个器件。传统的 集成电路具有的性能和复杂度已经远远超出想象。为了实现集成电路复杂度和密度的提 高，对于每一代集成电路，特征尺寸变得越来越小。电路密度的增加不仅提高了集成电路的复杂度和性能，而且也为客户提供了更便 宜的电子器件。一套集成电路或芯片制造设备可能花费成百上千万，甚至十几亿美元。每套 制造设备有一定的晶圆产量，并且在每片晶圆上将会有一定数量的集成电路。因此，通过使 集成电路的单个器件更小，可使更多的器件制作在一片晶圆上，这样就可以增加制造设备 的产量。使器件更小是很有挑战性的，因为集成电路制造中的每一种工艺都存在一个极限， 即通常一种工艺只能处理到某一特定的特征尺寸，这样就需要改变加工方法或改变器件布 局。此外，因为器件要求越来越快的设计，所以通常因为某些传统加工方法和材料而存在限 制。DRAM是最重要的集成电路之一，通常包括阵列式的存储单元。每个存储单元一般 包括与晶体管串联的存储电容器。随着集成电路密度的提高，需要存储单元占用小的面积 而具备大的存储电容。因此如何能保持存储电容的情况下减小占用面积或者保持占用面积 的同时增大存储电容成为亟待解决的问题。在用于DRAM的电容器设计中，在衬底表面多层堆叠形成的电容器称为堆叠电容 器，将衬底刻蚀成沟槽而形成的电容器称为沟槽电容器(如图Ia所示)，这两种电容器都可 以在不增加衬底占用面积的情况下增大电容，但是这两种设计下电容的增大有极限。后来 出现的粗糙表面电容器、半球形颗粒硅电容器(如图Ib所示)，均是通过改变电极的表面形 貌，通过增大有效表面面积以增大电容器电容。对于半球形颗粒硅电容器，工艺中很难控制颗粒的尺寸和质量。在英国专利 GB2327299中描述了控制半球形颗粒硅尺寸的方法硅烷气体在560°C温度下分解，在非晶 硅表面形成晶核；之后退火10分钟，形成半球形颗粒硅；为了防止半球形颗粒硅生长太大 而连接在一起，向反应室供应氧气氧化颗粒硅表面而抑制颗粒生长，最终形成的半球形颗 粒硅尺寸为70nm。由上所述，半球形颗粒硅电容器的颗粒设置于电极上，并且在半球形颗粒硅电容 器的制造过程中，还需要通入氧气以抑制颗粒生长，工艺比较复杂。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种电容器及其制造方法，在简化电容器制造工艺的同 时提高电容器的电容，以提高效率和满足高密度集成电路的需求。为解决上述问题，本发明提供一种电容器，所述电容器包括第一电极，位于所述第一电极上的第一电介质层，位于所述第一电介质层上的硅纳米晶，位于所述纳米晶体和未被 硅纳米晶覆盖的第一电介质层上的第二电介质层，位于所述第二电介质层上的第二电极。可选的，所述硅纳米晶的尺寸小于2nm。可选的，所述第一电介质层、第二电介质层厚度为18 22nm。相应的，本发明还提供一种制造电容器方法，包括以下步骤形成第一电极；在所述第一电极上面形成第一电介质层；在所述第一电极的第一宽度和第一长度所形成的空间形成多个硅纳米晶；在所述硅纳米晶和未被硅纳米晶覆盖的第一电介质层上面形成第二电介质层；在所述第二电介质层上形成第二电极。可选的，所述第一电极、第二电极由在温度低于525°C下沉积的无定形硅材料制 成。可选的，其特征在于，所述硅纳米晶的尺寸小于2nm。可选的，所述硅纳米晶由氯硅烷通过化学气相沉积方法制成。可选的，所述硅纳米晶采用流量为50毫升/分的二氯二氢硅，通入氩气作为载流 气体，在气压为0. 09 0. llTorr，温度为700 900°C条件下生成。可选的，所述硅纳米晶通过先沉积无定形硅，之后在惰性气体或还原气体中对无 定形硅退火的方法制成。可选的，所述无定形硅通过溅射方法或由硅烷通过化学气相沉积的方法制成。可选的，所述无定形硅通过流量为20毫升/分的乙硅烷，通入氩气作为载流气体， 在气压为0. 09 0. llTorr，温度为400 500°C的条件下生成。可选的，所述硅纳米晶由无定形硅在流量为1升/分钟的氦气中快速退火1分钟 生成。可选的，所述第一电介质层、第二电介质层厚度为18 22nm。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明的电容器包括位于第一电介质层 上的硅纳米晶，所述硅纳米晶增加了电介质层与电极的界面面积，在电容器充电时，吸引更 多电荷到界面上，从而提高了电容器电容。本发明制造电容器中的硅纳米晶可采用氯硅烷通过化学气相沉积的方法制成，基 于传统技术，工艺简单。
图Ia是沟槽电容器的简化示意图；图Ib是半球形颗粒硅电容器的简化示意图；图2是本发明电容器的简化示意图；图3到图7示出了本发明电容器制备方法的简化示意图；图8是本发明电容器的实验数据示意图。
具体实施例方式本发明提供一种电容器，所述电容器包括第一电极，位于所述第一电极上的第一电介质层，位于所述第一电介质层上的硅纳米晶，位于所述硅纳米晶和所述第一电介质层 暴露部分上的第二电介质层，位于所述第二电介质层上的第二电极。所述硅纳米晶增加了 电介质层与电极的界面面积，在电容器充电时，吸引更多电荷到界面上，从而提高了电容器 电容。具体实施例参考图2，图2给出了本发明第一实施例的电容器结构示意图，所述 电容器包括第一电极207，所述第一电极由诸如掺杂的多晶硅、导电材料的化合物或金属 制成；所述第一电极207具有第一长度和第一宽度。第一电极207上面覆有第一电介质 层301，所述第一电介质层301由诸如Al2O3 (氧化铝)、HfO2 (氧化铪)、氮化硅、氧氮化硅、 ONO (氧化硅/氮化硅/氧化硅)堆叠、Al2O3MfO2 (氧化铝/氧化铪),AlNyOx (氧氮化铝)、氧化锆)等材料的任意一种或其任意组合制成。依照本实施例第一电介质层301厚 度为18 22nm或更小的尺寸，也可以是其他的尺寸。第一电介质层301上是位于第一电 极207第一宽度和第一长度所构成空间中的多个硅纳米晶401。依照本实施例硅纳米晶401 是2nm或更小的尺寸，但也可以是其他的尺寸。硅纳米晶401和第一电介质层301暴露部 分上面是第二电介质层403，所述第二电介质层403的厚度是18 22nm或更小的尺寸，但 也可以是其他的尺寸。电容器还具有第二电极601，所述第二电极601位于第二电介质层 403上面，由诸如掺杂的多晶硅、导电材料的化合物或金属制成。第二实施例是本发明电容器的制造方法。所述方法包括提供半导体衬底，例如晶 圆；所述方法包括在半导体衬底上形成与晶体管结构耦合的第一电极，由诸如掺杂的多晶 硅、导电材料的化合物或金属制成。所述第一电极具有第一长度和第一宽度。所述方法还 包括在第一电极上面形成第一电容器电介质材料。其中电容器电介质材料由诸如Al2O3 (氧 化铝)、Η 2(氧化铪)、氮化硅、氧氮化硅、0N0(氧化硅/氮化硅/氧化硅)堆叠、Al2O3/ HfO2 (氧化铝/氧化铪),AlNyOx (氧氮化铝)JiO2 (氧化锆)等材料的任意一种或任意组合 制成。这些材料依照具体的实施例可以使用ALD (原子层沉积)、M0CVD (金属有机化学气相 沉积)、UHV-PVD(超真空物理气相沉积)、反应溅射法或化学溶液法制造。所述方法还包括 制造位于由第一电极第一宽度和第一长度所构成的空间中的多个硅纳米晶。所述硅纳米晶 可以使用CVD (化学气相沉积)的方法制造，依照本实施例所述纳米晶具有平均大小为2nm 或更小的尺寸，但也可以是其他的尺寸。所述方法还在多个硅纳米晶上和未被硅纳米晶覆 盖的第一电介质层上形成第二电介质层，所述第二电介质层具有约18 22nm或更小的尺 寸，但也可以是其他的尺寸。所述方法包括在第二电介质材料上面形成第二电极，所述第二 电极由诸如掺杂的多晶硅，导电材料的化合物，金属制成。依照本发明实施例制造电容器设 备的方法可以概括如下1.形成第一电极；2.在第一电极上面形成第一电容器电介质层；3.在第一电极的第一宽度和第一长度所构成空间中形成硅纳米晶；4.在多个硅纳米晶和未被硅纳米晶覆盖的第一电介质层上形成第二电容器电介 质层；5.在第二电容器电介质层上面形成第二电极；6.按照需要执行其他步骤。以上步骤顺序提供了依照本发明实施例的一种方法。本方法使用了步骤的结合，其他的替代例如增加步骤，移除一个或多个步骤，或者以不同顺序排列的一个或多个步骤 不会背离权利要求所限定的范围。在本说明书下文中可以发现本方法和结构更详细和具体 的描述。图3到图7是本发明电容器制备方法的简化示意图。这些示意图仅仅是例子，而 不能用于限定权利要求的范围。本领域技术人员会辨识出许多变化、修改和替代。参考图3，本方法包括提供一半导体衬底201，所述半导体衬底包含MOS元件203， 所述MOS元件203通过插塞结构205耦合至电容器209。如图3所示，本方法还包括起到绝缘和支撑作用的层间介质层208，所述电容器 209的沟槽形成于所述层间介质层中，所述层间介质层依照208可以是单层或多层，所述层 间介质层208可以是掺杂硼磷的硅玻璃，磷硅玻璃，氟化的玻璃，无掺杂玻璃，或任何其他 类似材料。当然，本领域技术人员可以识别出其他变形，修改以及替代。在优选的实施例中，本方法还包括在沟槽内形成耦合到半导体衬底201的第一电 极207。所述第一电极207具有第一长度和第一宽度。所述第一电极207由在温度低于 525°C下沉积的无定形硅材料制成。在优选实施例中，无定形硅材料使用诸如磷或类似物进 行掺杂。所述无定形硅材料通常经过毯式沉积(blanket deposition)且通过化学机械抛 光或类似工艺形成。参考图4，所述方法包括在第一电极207之上形成第一电介质层301。为了使图 示更加清楚，从图4以后将衬底部分省略。依照本实施例，所述第一电介质层301由诸如 Al2O3 (氧化铝)，HfO2 (氧化铪)、氮化硅、氧氮化硅、ONO (氧化硅/氮化硅/氧化硅)堆叠、 Al2O3MfO2 (氧化铝/氧化铪)、AlNyOx (氧氮化铝)、ZrO2 (氧化锆)等材料的任意一种或其 任意组合制成。这些材料依照具体的实施例可以使用ALD、MOCVD, UHV-PVD、反应溅射法或 化学溶液法沉积。在优选实施例中，所述第一电介质层207是Al2O3并且使用诸如ALD的技 术沉积，所述第一电介质的厚度约18 22nm。当然，存在其他的变形，修改和替代。参考图5，所述方法还包括在第一电极的第一宽度和第一长度所构成空间中沉积 多个硅纳米晶401，依照具体实施例，所述硅纳米晶401的每一个具有大约2nm或更小的尺 寸，也可以是其他的尺寸。所述硅纳米晶401可以使用氯硅烷通过化学气相沉积(CVD)方 法在低气压下形成，其中所述氯硅烷包括SiH2Cl2、Si2Cl6, SiHCl3、SiCl4等。在优选实施例 中，采用流量为50毫升/分的SiH2Cl2,通入氩气作为载流气体，在气压为0. 09 0. 1 ITorr, 温度为400 500°C的条件下沉积20分钟生成硅纳米晶。所述硅纳米晶401也可以通过先 沉积无定形硅，之后在惰性气体或还原气体中对无定形硅退火的方法形成硅纳米晶401，其 中无定形硅可以通过溅射方法得到也可以通过硅烷通过化学气相沉积的方法得到。其中硅 烷包括SiH4、Si2H6, Si3H8等。在具体实施例中，采用流量为20毫升/分的Si2H6，通入氩气 作为载流气体，在气压为0. 09 0. 1 ITorr，温度为700 900°C的条件下生成2nm的无定 形硅，之后在流量为1升/分钟的氦气中快速退火1分钟生成硅纳米晶。当然，存在其他变 形，修改和替代。参考图5，所述方法还包括在硅纳米晶401和第一电介质层的未被硅纳米晶401覆 盖部分上面形成第二电介质层403。依靠本实施例，所述第二电介质层403由诸如Al2O3(氧 化铝)，Η 2(氧化铪)、氮化硅、氧氮化硅、0N0(氧化硅/氮化硅/氧化硅)堆叠、Al2O3/ HfO2 (氧化铝/氧化铪),AlNyOx (氧氮化铝)JiO2 (氧化锆)等材料的任意一种或任意组合制成。这些材料依照具体的实施例可以使用ALD、MOCVD, UHV-PVD、反应溅射法或化学溶液 法沉积。在优选实施例中，电介质材料是Al2O3并且沉积厚度为18 22nm。当然，存在其 他的变形，修改和替代。参考图6，给出了依照本发明的一个实施例的电容器电介质堆叠501的放大示意 图。如图6所示，所述电容器电介质堆叠包括第一电介质层301、多个硅纳米晶401和第二 电介质层403。如图6所示，所述硅纳米晶位于第一电极的第一长度和第一宽度所构成的空 间中。当然，存在其他的变形，修改和替代。本发明中，硅纳米晶增加了电介质层与电极的界面面积，当电容器充电时，可吸引 更多电荷到界面上，从而提高了电容器电容。参考图7，所述方法还包括在第二电介质层403上面形成第二电极601。所述第二 电极601由在温度低于525°C下沉积的无定形硅材料制成。在优选实施中，所述无定形硅材 料使用诸如磷或类似物掺杂。所述无定形硅材料通常经过毯式沉积并且通过化学机械抛光 或类似工艺。当然，存在其他的变形，修改和替代。在上述实施例中，第一电介质层与第二电介质层相同。本发明不限定于此，第一电 介质层与第二电介质层可以选择不同的材料，不同的厚度。比如，第一电介质层是氧化铝， 第二电介质层是氧化铪，或者第一电介质层厚度是20nm，第二电介质层厚度是18nm均适用 于本发明。在上述实施例中，第一电极与第二电极相同。本发明不限定于此，第一电极与第二 电极可以选择不同的材料。比如，第一电极是多晶硅，第二电极是金属的实施例也适用于本 发明。图8是使用依照本发明实施例的方法和结构的实验数据简化图。所述简化图仅仅 是例子，而不能用于限定权利要求的范围。本领域技术人员可辨识出许多变化，修改和替 代。如图8所示，纵轴代表累积分布(cumulative distribution)，横轴代表单元电容，单 位是fF/单元。图8中示出了现有技术中包含Al2O3电介质的电容器参考数据线705，现有 的包含Al2O3电介质的电容器其参考数据线在大约20fF/单元的范围内。图8中也示出了 包含硅纳米晶电介质的电容器，即本发明电容器参考数据线709，所述本发明电容器具有大 约30fF/单元的单元电容，这比现有技术的基于Al2O3的电容器大得多。在本实施例中，本 发明电容器结构包括多晶硅制成的第一电极和第二电极、氮化钛制成的阻挡层、Al2O3制成 的第一电介质层和第二电介质层及硅纳米晶。本发明适用于存储装置0. 13微米的技术节 点。当然，存在其他的变形，修改和替代。在上述实施例中，本发明以沟槽电容器为例进行说明，改进了沟槽电容器的电介 质层部分，本发明仍可适用在其他类型的电容器中，例如改进在衬底上叠加电容器的堆叠 式结构的电介质层部分。本领域技术人员可辨识出许多变化、修改和替代。还应当理解，这里所描述的示例和实施方式只是为了说明的目的，本领域技术人 员可以根据上述实施例对本发明进行各种修改和变化，这些修改和变化都在本申请的精神 和范围内，并且也在所附权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种电容器，其特征在于，包括第一电极，位于所述第一电极上的第一电介质层，位 于所述第一电介质层上的硅纳米晶，位于所述纳米晶体和未被硅纳米晶覆盖的第一电介质 层上的第二电介质层，位于所述第二电介质层上的第二电极。
2.如权利要求1所述的电容器，其特征在于，所述硅纳米晶的尺寸小于2nm。
3.如权利要求1所述的电容器，其特征在于，所述第一电介质层、第二电介质层厚度为 18 2&im。
4.一种制备电容器的方法，其特征在于，包括以下步骤形成第一电极；在所述第一电极上面形成第一电介质层；在所述第一电极的第一宽度和第一长度所形成的空间形成多个硅纳米晶在所述硅纳 米晶和未被硅纳米晶覆盖的第一电介质层上面形成第二电介质层；在所述第二电介质层上形成第二电极。
5.如权利要求4所述的制备电容器的方法，其特征在于，所述硅纳米晶由氯硅烷通过 化学气相沉积方法制成。
6.如权利要求5所述的制备电容器的方法，其特征在于，所述硅纳米晶采用流量为50 毫升/分的二氯二氢硅，通入氩气作为载流气体，在气压为0. 09 0. llTorr，温度为700 900°C条件下生成。
7.如权利要求4所述的制备电容器的方法，其特征在于，所述硅纳米晶通过先沉积无 定形硅，之后在惰性气体或还原气体中对无定形硅退火的方法制成。
8.如权利要求7所述的制备电容器的方法，其特征在于，所述无定形硅通过溅射方法 或由硅烷通过化学气相沉积的方法制成。
9.如权利要求8所述的制备电容器的方法，其特征在于，所述无定形硅通过流量为 20毫升/分的乙硅烷，通入氩气作为载流气体，在气压为0. 09 0. 1 ITorr，温度为400 500°C的条件下生成。
10.如权利要求7所述的制备电容器的方法，其特征在于，所述硅纳米晶由无定形硅在 流量为1升/分钟的氦气中快速退火1分钟生成。
11.如权利要求4所述的制备电容器的方法，其特征在于，所述第一电极、第二电极由 在温度低于525°C下沉积的无定形硅材料制成。
12.如权利要求4所述的制备电容器的方法，其特征在于，所述硅纳米晶的尺寸小于2nm。
13.如权利要求4所述的制备电容器的方法，其特征在于，所述第一电介质层、第二电 介质层厚度为18 22nm。
全文摘要
一种电容器及其制造方法，所述电容器包括第一电极，位于所述第一电极上的第一电介质层，位于所述第一电介质层上的硅纳米晶，位于所述硅纳米晶和未被硅纳米晶覆盖的第一电介质层上的第二电介质层，位于所述第二电介质层上的第二电极。所述电容器的制造过程基于传统技术，工艺简单；本发明通过硅纳米晶提高了电容器的电容。
文档编号H01L21/02GK102044569SQ20091019761
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者三重野文健 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司