CN107527806A - 介电薄膜、介电层结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种介电薄膜、介电层结构及制作方法,所述介电薄膜的制作方法包括:1)提供一基面;2)于所述基面上形成羟基(OH键);以及3)在所述基面上进行原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD),先后通入包括第一前驱体及第二前驱体的至少两种前驱体,先通入的所述第一前驱体与所述羟基(OH键)的第一部分产生化学吸附并反应形成诱电介电材料,后通入的所述第二前驱体与所述羟基(OH键)的第二部分产生化学吸附并反应形成抗漏电流介电材料,以形成高介电常数且抗漏电流的二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中。本发明的流程方式既能减缓电容值降低的现象,也能大幅提升低漏电的特性,从而优化介电层结构的电容特性。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造领域,特别是涉及一种介电薄膜、介电层结构及制作方法。
背景技术
随着尺寸微缩,高介电常数材料取代传统的二氧化硅(SiO2)介电层,不仅可以维持足够的的驱动电流,且可以在保持相同等效氧化层厚度(equivalent oxide thickness,EOT)的情况下增加氧化层的实际物理厚度,有效抑制量子隧穿效应。
高介电常数材料虽具有较高的介电常数,较高的电容值,但其禁带宽度较窄,具有高漏电的缺点,所以解决高漏电的问题为现阶段急迫的问题。
现有的一种高介电常数材料的制备方法如图1所示,首先提供一基板101,于所述基板上诱电介质材料102。
但是,单一的高介电常数材料虽具有较高的介电常数,但其通常具有较高的漏电,因此,通常所述诱电介质材料与抗漏电的介质材料会交替分布使用,如图2所示,首先提供一基板101,于所述基板上形成诱电介质材料102;接着,在所述诱电介质材料102上形成抗漏电的介质材料103,以抑制所述诱电介质材料102的漏电情况。然而,这种抗漏电的介质材料,其介电常数通常较低,会导致整体的介质层的介电常数的降低。
上述方法虽然可以一定程度上获得低漏电的诱电介质材料,但是,其需由两层介质材料交叠而成,造成其厚度需要设计得比较厚,导致其牺牲了一部分的电容值,并不利于等效氧化层厚度的降低,阻碍了器件尺寸的微缩。
基于以上所述,提供一种低漏电且低厚度的诱电介质材料结构及其制作方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种介电薄膜、介电层结构及制作方法,用于解决现有技术中诱电介电层结构漏电流较大或厚度较大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种介电薄膜的制作方法,所述制作方法包括步骤:1)提供一基面;2)于所述基面上形成羟基(OH键);以及3)在所述基面上进行原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD),先后通入包括第一前驱体及第二前驱体的至少两种前驱体,先通入的所述第一前驱体与所述羟基(OH键)的第一部分产生化学吸附并反应形成诱电介电材料,后通入的所述第二前驱体与所述羟基(OH键)的第二部分产生化学吸附并反应形成抗漏电流介电材料,以形成高介电常数且抗漏电流的二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中。
优选地,所述羟基(OH键)的第二部分占所述羟基(OH键)的第一部分与所述第二部分的总和的比例为5%~40%,以降低所述二元或多元介电薄膜漏电流的同时保证其具有高介电常数。
优选地,所述第一前驱体包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二前驱体包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。(元素请用中文在先,元素代码在后,并括号表示,例如铝(Al)改为铝(铝(Al)))
进一步地,步骤3)中,所述第一前驱体选用为锆(Zr)粒子,所述第二前驱体选用为铝(Al)粒子,先通入锆(Zr)粒子,使所述锆(Zr)粒子与第一部分的所述羟基(OH键)产生化学吸附并反应,然后直接通入所述铝(Al)粒子,使所述铝(Al)粒子与第二部分的所述羟基(OH键)产生化学吸附并反应,以于所述基面上形成氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜。
优选地,步骤3)原子层沉积工艺(ALD)的采用条件包括采用制程压力范围为0.1~2torr,制程温度范围为200~400℃。
优选地,步骤3)所述二元或多元介电薄膜的厚度范围为4~10nm。
优选地,步骤2)中,藉由水(H2O)或臭氧(O3)的导入使位于所述基面表面反应生成所述羟基(OH键)。
本发明还提供一种介电层结构的制作方法,包括步骤:1)提供一基板,于所述基板表面形成第一羟基(OH键),通入第一气源,所述第一气源与所述第一羟基(OH键)产生化学吸附并反应,以形成诱电介电层;2)于所述诱电介电层上形成第二羟基(OH键),并进行原子层沉积,先后通入包括第一前驱体及第二前驱体的至少两种前驱体,先通入的所述第一前驱体与所述第二羟基(OH键)的第一部分产生化学吸附并反应形成诱电介电材料,后通入的所述第二前驱体与所述第二羟基(OH键)的第二部分产生化学吸附并反应形成抗漏电流介电材料,以形成高介电常数且抗漏电流的二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中;以及3)于所述二元或多元介电薄膜表面形成第三羟基(OH键),通入所述第二气源,所述第二气源与所述第三羟基(OH键)产生化学吸附并反应,以形成抗漏电流介电层。
优选地,所述第一气源包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二气源包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。(元素代码缺乏中文)
优选地,在形成所述诱电介电层之前还包括:于所述基板表面形成第四羟基(OH键),通入钛(Ti)粒子,所述Ti粒子与所述第四羟基(OH键)产生化学吸附并反应形成氧化钛(TiOx)薄膜,以提高所述诱电介电层与所述基板的粘附性能。
进一步地,在形成所述诱电介电层之前还包括:于所述氧化钛(TiOx)薄膜上形成若干个由诱电介电基层与抗漏电流介电基层所组成的叠层。
本发明还提供一种介电薄膜,包括:基面,其形成有若干羟基(OH键);以及二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中,包括由第一前驱体与所述基面上所述羟基(OH键)的第一部分化学吸附并反应形成的诱电介电材料,以及由第二前驱体与所述基面上所述羟基(OH键)的第二部分化学吸附并反应形成的抗漏电流介电材料。
优选地,所述羟基(OH键)的所述第二部分占所述羟基(OH键)的所述第一部分与所述第二部分的羟基(OH键)的总和的比例为5%~40%,以降低所述二元或多元介电薄膜漏电流并同时保证其具有高介电常数。
优选地,所述第一前驱体包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二前驱体包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。
进一步地,所述第一前驱体选用为锆(Zr)粒子,所述第二前驱体选用为铝(Al)粒子,铝(Al)粒子为断续的分散在所述原子层沉积层中的锆(Zr)粒子之间。
优选地,所述二元或多元介电薄膜的厚度范围为4~10nm。
本发明还提供一种介电薄膜,包括二元或多元介电薄膜,形成在一原子层沉积层中,所述介电薄膜包含氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜,锆(Zr)粒子和铝(Al)粒子同层地排布在所述原子层沉积层,铝(Al)粒子分散地填补在一基面上锆(Zr)粒子之间的空隙。
优选地,所述铝(Al)粒子占据所述原子层沉积层的面积相对于所述锆(Zr)粒子占据所述原子层沉积层的面积两者比值介于5.3%~67%。
本发明还提供一种介电层结构,包括:诱电介电层,由第一气源与位于一基板上的第一羟基(OH键)化学吸附并反应生成;二元或多元介电薄膜,形成在一原子层沉积层中,包括由第一前驱体与位于所述诱电介电层上的第二羟基(OH键)的第一部分化学吸附并反应形成的诱电介电材料,以及由第二前驱体与位于所述诱电介电层上的第二羟基(OH键)的第二部分化学吸附并反应形成的抗漏电流介电材料;以及抗漏电流介电层,由第二气源与位于所述二元或多元介电薄膜上的第三羟基(OH键)化学吸附并反应生成。
优选地,所述第一气源包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二气源包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。
优选地,所述二元或多元介电薄膜包含氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜,锆(Zr)粒子和铝(Al)粒子同层地排布在所述原子层沉积层,铝(Al)粒子分散地填补在一基面上锆(Zr)粒子之间的空隙。
优选地,所述铝(Al)粒子占据所述原子层沉积层的面积相对于所述锆(Zr)粒子占据所述原子层沉积层的面积两者比值介于5.3%~67%。
优选地,所述诱电介电层与所述基板之间还形成有由钛(Ti)粒子与第四羟基(OH键)化学吸附并反应形成的氧化钛(TiOx)薄膜,以提高所述诱电介电层与所述基板的粘附性能。
进一步地,所述氧化钛(TiOx)薄膜与所述诱电介电层之间还形成有若干个由诱电介电基层与抗漏电流介电基层所组成的叠层。
如上所述,本发明的介电薄膜、介电层结构及制作方法,具有以下有益效果:
本发明采用两种前躯体与基板表面的OH键先后发生化学吸附并反应,由于抗漏电流材料前驱体在沉积过程前,大部分基板上的-OH与高介电常数前驱体产生吸附作用并反应,等到抗漏电流材料前驱体开始沉积生长时,已无足够的-OH与之反应,故所沉积反应出的抗漏电流的介质材料的厚度会比一般沉积厚度还要薄,即可以获得厚度较薄的抗漏电的诱电介质材料层。本发明的流程方式既能减缓电容值降低的现象,也能大幅提升低漏电的特性,从而优化介电层结构的电容特性。
附图说明
图1~图2显示为现有技术中的介电层结构的制作方法各步骤所呈现的结构示意图。
图3~图5显示为本发明的介电薄膜的制作方法各步骤所呈现的结构示意图。
图6~图10显示为本发明的介电层结构的制作方法各步骤所呈现的结构示意图
元件标号说明
101 基板
102 诱电介质材料
103 抗漏电的介质材料
201 基板
202 羟基(OH键)
203 ZrAlOx介电薄膜
204 ZrOx介电基层
205 AlOx介电基层
206 TiOx薄膜
207 ZrOx介电层
208 AlOx介电层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图3~图10。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
如图3~图5所示,本实施例提供一种介电薄膜的制作方法,所述制作方法包括步骤:
如图3所示,首先进行步骤1),提供一基面。
作为示例,所述基面可以由适于形成羟基(OH键)202的半导体衬底、介质层、金属层等提供,例如,所述基面可以为硅衬底的表面、电容电极板的表面、诱电介质材料层表面或抗漏电的介质材料等,且并不限于上述所列举的示例。
如图3所示,然后进行步骤2),于所述基面上形成羟基(OH键)202。
作为示例,藉由水(H2O)或臭氧(O3)的导入使位于所述基面表面反应生成羟基(OH键)202,制程的压力范围为0.1~2torr,制程温度范围为200~400℃。
如图4~图5所示,最后进行步骤3),在所述基面上进行原子层沉积(Atomic LayerDeposition,ALD),先后通入包括第一前驱体及第二前驱体的至少两种前驱体,先通入的所述第一前驱体与所述羟基(OH键)202的第一部分产生化学吸附并反应形成诱电介电材料,后通入的所述第二前驱体与所述羟基(OH键)202的第二部分产生化学吸附并反应形成抗漏电流的介电材料,以形成高介电常数且抗漏电流的二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中。
作为示例,所述第一前驱体包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二前驱体包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。
作为示例,本步骤采用的原子层沉积工艺(ALD)制作所述二元或多元介电薄膜,采用的制程压力范围为0.1~2torr,制程温度范围为200~400℃。在本实施例中,制作所述二元或多元介电薄膜所采用的制程压力范围为1torr,制程温度范围为300℃。
作为示例,所述羟基(OH键)202的第二部分占所述羟基(OH键)202的第一部分与所述第二部的总和的比例为5%~40%,以降低所述二元或多元介电薄膜漏电流的同时保证其具有高介电常数。
在本实施例中,所述第一前驱体选用为锆(Zr)粒子,所述第二前驱体选用为铝(Al)粒子,先通入锆(Zr)粒子,使所述锆(Zr)粒子与第一部分的所述羟基(OH键)202产生化学吸附并反应,然后直接通入所述铝(Al)粒子,使所述铝(Al)粒子与第二部分的所述羟基(OH键)202产生化学吸附并反应,以于所述基面上形成氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜203。
由于氧化铝(AlOx)相较于氧化钛(TiOx)/氧化锆(ZrOx)其介电常数较低,禁带宽度较宽,具有低漏电的优点。但过多的AlOx会导致有效的介电常数下降,因而限制其电荷储存量。而ZrOx具有较高的介电常数,但其禁带宽度较窄,具有高漏电的缺点。为了解决漏电问题,电容介电层的厚度就必须增加,如此一来,反而会牺牲部分的电容值。本发明采用两种前躯体与基板201表面的羟基(OH键)202先后发生化学吸附并反应,反应方程为:O3+Zr+Al→ZrAlOx(ZAO),由于铝(Al)原子在沉积过程前,大部分基板201上的羟基(OH键)202(例如90%或80%的羟基(OH键)202)已与锆(Zr)原子产生吸附作用并反应,等到铝(Al)原子开始沉积生长时已无足够的羟基(OH键)202(例如只剩余的10%或20%的羟基(OH键)202)与之完全反应,因此,本发明所沉积反应出的AlOx厚度会比一般沉积厚度还要薄,即本发明的ZrAlOx的厚度相比于一般的介电性能相同的的ZrOx与AlOx的叠层的厚度要薄。本发明既能减缓电容值降低的现象,也能大幅提升低漏电的特性,从而优化了介电层电容特性。
作为示例,本步骤所述二元或多元介电薄膜的厚度范围为4~10nm,例如,所述二元或多元介电薄膜的厚度可以为4nm、5nm、6nm、7nm8nm、9nm、10nm等,可依据实际需求进行任意的设定。
如图5所示,本实施例还提供一种介电薄膜,包括:基面,其形成有若干羟基(OH键)202;以及二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中,包括由第一前驱体与所述基面上所述羟基(OH键)202的第一部分化学吸附并反应形成的诱电介电材料,以及由第二前驱体与所述基面上所述羟基(OH键)202的第二部分化学吸附并反应形成的抗漏电流的介电材料。
作为示例,所述羟基(OH键)202的所述第二部分占所述羟基(OH键)202的所述第一部分与所述第二部分的羟基(OH键)202的总和的比例为5%~40%,以降低所述二元或多元介电薄膜漏电流并同时保证其具有高介电常数。
作为示例,所述第一前驱体包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二前驱体包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。
作为示例,所述第一前驱体选用为锆(Zr)粒子,所述第二前驱体选用为铝(Al)粒子,所述铝(Al)粒子为断续的分散在所述原子层沉积层中的所述锆(Zr)粒子之间。
作为示例,所述二元或多元介电薄膜的厚度范围为4~10nm。
本实施例还提供一种介电薄膜,包括二元或多元介电薄膜,形成在一原子层沉积层中,所述介电薄膜包含氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜203,锆(Zr)粒子和铝(Al)粒子同层地排布在所述原子层沉积层,铝(Al)粒子分散地填补在一基面上锆(Zr)粒子之间的空隙。
作为示例,所述铝(Al)粒子占据所述原子层沉积层的面积相对于所述锆(Zr)粒子占据所述原子层沉积层的面积两者比值介于5.3%~67%。
本发明采用两种前躯体与基板201表面的羟基(OH键)202先后发生化学吸附并反应,反应方程为:O3+Zr+Al→ZrAlOx(ZAO),由于铝(Al)原子在沉积过程前,大部分基板201上的羟基(OH键)202(例如90%或80%的羟基(OH键)202)已与锆(Zr)原子产生吸附作用并反应,等到铝(Al)原子开始沉积生长时已无足够的羟基(OH键)202(例如只剩余的10%或20%的羟基(OH键)202)与之完全反应,因此,本发明所沉积反应出的铝(Al)Ox厚度会比一般沉积厚度还要薄,即本发明的ZrAlOx的厚度相比于一般的介电性能相同的的锆(Zr)Ox与铝(Al)Ox的叠层的厚度要薄。本发明既能减缓电容值降低的现象,也能大幅提升低漏电的特性,从而优化了介电层电容特性。
实施例2
如图6~图10所示,本发明还提供一种介电层结构的制作方法,包括步骤:
如图6所示,首先进行步骤1),提供一基板201,如电容的下电极板,于所述基板201上形成羟基(OH键),通入钛(Ti)粒子,所述Ti粒子与所述羟基(OH键)产生化学吸附并反应形成氧化钛(TiOx)薄膜206,所述TiOx薄膜206不仅具有较高的介电常数,而且可以有效提高后续的介电层结构与所述基板201的粘附性能。
如图7所示,然后进行步骤2),于所述氧化钛(TiOx)薄膜206上形成若干个由诱电介电基层与抗漏电流介电基层所组成的叠层,在本实施例中,所述由诱电介电基层与抗漏电流介电基层所组成的叠层为3个,所述诱电介电基层包含锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上的氧化物,在本实施例中选用为ZrOx基层204,所述抗漏电流介电基层包含铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种中的氧化物,在本实施例中选用为AlOx基层205。
如图8所示,接着进行步骤4),于所述由诱电介电基层与抗漏电流介电基层所组成的叠层表面形成羟基(OH键),通入第一气源,所述第一气源与所述羟基(OH键)产生化学吸附并反应,以形成诱电介电层。
作为示例,所述第一气源包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,在本实施例中,所述诱电介电层选用为ZrOx层207。
如图9所示,接着进行步骤5),于所述诱电介电层上形成羟基(OH键),并进行原子层沉积,先后通入包括第一前驱体及第二前驱体的至少两种前驱体,先通入的所述第一前驱体与所述羟基(OH键)的第一部分产生化学吸附并反应形成诱电介电材料,后通入的所述第二前驱体与所述羟基(OH键)的第二部分产生化学吸附并反应形成抗漏电流介电材料,以形成高介电常数且抗漏电流的二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中。
作为示例,藉由水(H2O)或臭氧(O3)的导入使位于所述诱电介电层表面反应生成羟基(OH键),制程的压力范围为0.1~2torr,制程温度范围为200~400℃。
在所述诱电介电层上进行原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD),先后通入包括第一前驱体及第二前驱体的至少两种前驱体,先通入的所述第一前驱体与所述羟基(OH键)的第一部分产生化学吸附并反应形成诱电介电材料,后通入的所述第二前驱体与所述羟基(OH键)的第二部分产生化学吸附并反应形成抗漏电流的介电材料,以形成高介电常数且抗漏电流的二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中。
作为示例,所述第一前驱体包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二前驱体包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。
作为示例,本步骤采用的原子层沉积工艺(ALD)制作所述二元或多元介电薄膜,采用的制程压力范围为0.1~2torr,制程温度范围为200~400℃。在本实施例中,制作所述二元或多元介电薄膜所采用的制程压力范围为1torr,制程温度范围为300℃。
作为示例,所述羟基(OH键)的第二部分占所述羟基(OH键)的第一部分与所述第二部的总和的比例为5%~40%,以降低所述二元或多元介电薄膜漏电流的同时保证其具有高介电常数。
在本实施例中,所述第一前驱体选用为锆(Zr)粒子,所述第二前驱体选用为铝(Al)粒子,先通入锆(Zr)粒子,使所述锆(Zr)粒子与第一部分的所述羟基(OH键)产生化学吸附并反应,然后直接通入所述铝(Al)粒子,使所述铝(Al)粒子与第二部分的所述羟基(OH键)产生化学吸附并反应,以于所述基面上形成氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜203。
如图10所示,最后进行步骤6),于所述氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜203表面形成羟基(OH键),通入所述第二气源,所述第二气源与所述羟基(OH键)产生化学吸附并反应,以形成抗漏电流介电层。
作为示例,所述第二气源包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。在本实施例中,所述抗漏电流介电层选用为AlOx层208。
本发明交替的ZrOx介电基层204与AlOx介电基层205的叠层的制作工艺相对较简单,可有效节省工艺成本,并可以使得所述介电层结构达到一定的介电常数以及较一定的漏电性能,之后采用两种前躯体与羟基(OH键)先后发生化学吸附并反应,反应方程为:O3+Zr+Al→ZrAlOx(ZAO),由于铝(Al)原子在沉积过程前,大部分基面上的羟基(OH键)(例如90%或80%的羟基(OH键))已与锆(Zr)原子产生吸附作用并反应,等到铝(Al)原子开始沉积生长时已无足够的羟基(OH键)(例如只剩余的10%或20%的羟基(OH键))与之完全反应,因此,本发明所沉积反应出的AlOx厚度会比一般沉积厚度还要薄,即本发明的ZrAlOx的厚度相比于一般的介电性能相同的的ZrOx与AlOx的叠层的厚度要薄。本发明的ZrAlOx介电薄膜203既能减缓电容值降低的现象,也能大幅提升低漏电的特性,从而优化了介电层电容特性。
如图10所示,本实施例还提供一种介电层结构,包括:基板201、氧化钛(TiOx)薄膜206、若干个由诱电介电基层与抗漏电流介电基层所组成的叠层、诱电介电层、二元或多元介电薄膜以及抗漏电流介电层。
所述氧化钛(TiOx)薄膜206由钛(Ti)粒子与羟基(OH键)化学吸附并反应形成,形成于所述基201上;
所述若干个由诱电介电基层与抗漏电流介电基层所组成的叠层,形成于所述氧化钛(TiOx)薄膜206;在本实施例中,所述诱电介电基层包含锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上的氧化物,在本实施例中选用为ZrOx基层204,所述抗漏电流介电基层包含铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种中的氧化物,在本实施例中选用为AlOx基层205。
所述诱电介电层由第一气源与位于所述叠层上的羟基(OH键)化学吸附并反应生成;所述第一气源包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,在本实施例中,所述诱电介电层选用为ZrOx介电层207。
所述二元或多元介电薄膜,形成在一原子层沉积层中,包括由第一前驱体与位于所述诱电介电层上的羟基(OH键)的第一部分化学吸附并反应形成的诱电介电材料,以及由第二前驱体与位于所述诱电介电层上的羟基(OH键)的第二部分化学吸附并反应形成的抗漏电流介电材料;作为示例,所述第一前驱体包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二前驱体包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种;在本实施例中,所述二元或多元介电薄膜包含氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜203,锆(Zr)粒子和铝(Al)粒子同层地排布在所述原子层沉积层,铝(Al)粒子分散地填补在一基面上锆(Zr)粒子之间的空隙。进一步地,所述铝(Al)粒子占据所述原子层沉积层的面积相对于所述锆(Zr)粒子占据所述原子层沉积层的面积两者比值介于5.3%~67%。
所述抗漏电流介电层,由第二气源与位于所述二元或多元介电薄膜上的羟基(OH键)化学吸附并反应生成。所述第二气源包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种,在本实施例中,所述抗漏电流介电层选用为AlOx介电层208。
如上所述,本发明的介电薄膜、介电层结构及制作方法,具有以下有益效果:
本发明采用两种前躯体与基板表面的羟基(OH键)先后发生化学吸附并反应,由于抗漏电流前驱体在沉积过程前,大部分基板上的-OH与高介电常数前驱体产生吸附作用并反应,等到抗漏电流前驱体开始沉积生长时,已无足够的-OH与之反应,故所沉积反应出的抗漏电流的介质材料的厚度会比一般沉积厚度还要薄,即可以获得厚度较薄的低漏电的诱电介质材料。本发明的流程方式既能减缓电容值降低的现象,也能大幅提升低漏电的特性,从而优化介电层结构的电容特性。
所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (24)
1.一种介电薄膜的制作方法,其特征在于,所述制作方法包括步骤:
1)提供一基面;
2)于所述基面上形成羟基(OH键);以及
3)在所述基面上进行原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD),先后通入包括第一前驱体及第二前驱体的至少两种前驱体,先通入的所述第一前驱体与所述羟基(OH键)的第一部分产生化学吸附并反应形成诱电介电材料,后通入的所述第二前驱体与所述羟基(OH键)的第二部分产生化学吸附并反应形成抗漏电流介电材料,以形成高介电常数且抗漏电流的二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中。
2.根据权利要求1所述的介电薄膜的制作方法,其特征在于:所述羟基(OH键)的第二部分占所述羟基(OH键)的第一部分与所述第二部分的总和的比例为5%~40%,以降低所述二元或多元介电薄膜漏电流的同时保证其具有高介电常数。
3.根据权利要求1所述的介电薄膜的制作方法,其特征在于:所述第一前驱体包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二前驱体包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。
4.根据权利要求3所述的介电薄膜的制作方法,其特征在于:步骤3)中,所述第一前驱体选用为锆(Zr)粒子,所述第二前驱体选用为铝(Al)粒子,先通入锆(Zr)粒子,使所述锆(Zr)粒子与第一部分的所述羟基(OH键)产生化学吸附并反应,然后直接通入所述铝(Al)粒子,使所述铝(Al)粒子与第二部分的所述羟基(OH键)产生化学吸附并反应,以于所述基面上形成氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜。
5.根据权利要求1所述的介电薄膜的制作方法,其特征在于:步骤3)原子层沉积工艺(ALD)的采用条件包括采用制程压力范围为0.1~2torr,制程温度范围为200~400℃。
6.根据权利要求1所述的介电薄膜的制作方法,其特征在于:步骤3)所述二元或多元介电薄膜的厚度范围为4~10nm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的介电薄膜的制作方法,其特征在于:步骤2)中,藉由水(H2O)或臭氧(O3)的导入使位于所述基面表面反应生成所述羟基(OH键)。
8.一种介电层结构的制作方法,其特征在于,包括步骤:
1)提供一基板,于所述基板表面形成第一羟基(OH键),通入第一气源,所述第一气源与所述第一羟基(OH键)产生化学吸附并反应,以形成诱电介电层;
2)于所述诱电介电层上形成第二羟基(OH键),并进行原子层沉积,先后通入包括第一前驱体及第二前驱体的至少两种前驱体,先通入的所述第一前驱体与所述第二羟基(OH键)的第一部分产生化学吸附并反应形成诱电介电材料,后通入的所述第二前驱体与所述第二羟基(OH键)的第二部分产生化学吸附并反应形成抗漏电流介电材料,以形成高介电常数且抗漏电流的二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中;以及
3)于所述二元或多元介电薄膜表面形成第三羟基(OH键),通入所述第二气源,所述第二气源与所述第三羟基(OH键)产生化学吸附并反应,以形成抗漏电流介电层。
9.根据权利要求8所述的介电层结构的制作方法,其特征在于:所述第一气源包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二气源包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。
10.根据权利要求8所述的介电层结构的制作方法,其特征在于:在形成所述诱电介电层之前还包括:于所述基板表面形成第四羟基(OH键),通入钛(Ti)粒子,所述Ti粒子与所述第四羟基(OH键)产生化学吸附并反应形成氧化钛(TiOx)薄膜,以提高所述诱电介电层与所述基板的粘附性能。
11.根据权利要求10所述的介电层结构的制作方法,其特征在于:在形成所述诱电介电层之前还包括:于所述氧化钛(TiOx)薄膜上形成若干个由诱电介电基层与抗漏电流介电基层所组成的叠层。
12.一种介电薄膜,其特征在于,包括:
基面,其形成有若干羟基(OH键);以及
二元或多元介电薄膜在一原子层沉积层中,包括由第一前驱体与所述基面上所述羟基(OH键)的第一部分化学吸附并反应形成的诱电介电材料,以及由第二前驱体与所述基面上所述羟基(OH键)的第二部分化学吸附并反应形成的抗漏电流介电材料。
13.根据权利要求12所述的介电薄膜,其特征在于:所述羟基(OH键)的所述第二部分占所述羟基(OH键)的所述第一部分与所述第二部分的羟基(OH键)的总和的比例为5%~40%,以降低所述二元或多元介电薄膜漏电流并同时保证其具有高介电常数。
14.根据权利要求12所述的介电薄膜,其特征在于:所述第一前驱体包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二前驱体包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。
15.根据权利要求14所述的介电薄膜,其特征在于:所述第一前驱体选用为锆(Zr)粒子,所述第二前驱体选用为铝(Al)粒子,所述铝(Al)粒子为断续的分散在所述原子层沉积层中的所述锆(Zr)粒子之间。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的介电薄膜,其特征在于:所述二元或多元介电薄膜的厚度范围为4~10nm。
17.一种介电薄膜,其特征在于,包括二元或多元介电薄膜,形成在一原子层沉积层中,所述介电薄膜包含氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜,锆(Zr)粒子和铝(Al)粒子同层地排布在所述原子层沉积层,铝(Al)粒子分散地填补在一基面上锆(Zr)粒子之间的空隙。
18.根据权利要求17所述的介电层结构,其特征在于:所述铝(Al)粒子占据所述原子层沉积层的面积相对于所述锆(Zr)粒子占据所述原子层沉积层的面积两者比值介于5.3%~67%。
19.一种介电层结构,其特征在于,包括:
诱电介电层,由第一气源与位于一基板上的第一羟基(OH键)化学吸附并反应生成;
二元或多元介电薄膜,形成在一原子层沉积层中,包括由第一前驱体与位于所述诱电介电层上的第二羟基(OH键)的第一部分化学吸附并反应形成的诱电介电材料,以及由第二前驱体与位于所述诱电介电层上的第二羟基(OH键)的第二部分化学吸附并反应形成的抗漏电流介电材料;以及
抗漏电流介电层,由第二气源与位于所述二元或多元介电薄膜上的第三羟基(OH键)化学吸附并反应生成。
20.根据权利要求19所述的介电层结构,其特征在于:所述第一气源包括锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)及镧(La)所组成群组中的一种或两种以上组合,所述第二气源包括铝(Al)及硅(Si)所组成群组中的一种或两种。
21.根据权利要求19所述的介电层结构,其特征在于:所述二元或多元介电薄膜包含氧化铝锆(ZrAlOx)介电薄膜,锆(Zr)粒子和铝(Al)粒子同层地排布在所述原子层沉积层,铝(Al)粒子分散地填补在一基面上锆(Zr)粒子之间的空隙。
22.根据权利要求21所述的介电层结构,其特征在于:所述铝(Al)粒子占据所述原子层沉积层的面积相对于所述锆(Zr)粒子占据所述原子层沉积层的面积两者比值介于5.3%~67%。
23.根据权利要求19所述的介电层结构,其特征在于:所述诱电介电层与所述基板之间还形成有由钛(Ti)粒子与第四羟基(OH键)化学吸附并反应形成的氧化钛(TiOx)薄膜,以提高所述诱电介电层与所述基板的粘附性能。
24.根据权利要求23所述的介电层结构,其特征在于:所述氧化钛(TiOx)薄膜与所述诱电介电层之间还形成有若干个由诱电介电基层与抗漏电流介电基层所组成的叠层。
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