TWI768447B - 半導體處理系統、金屬-絕緣體-金屬電容器及其形成方法 - Google Patents

半導體處理系統、金屬-絕緣體-金屬電容器及其形成方法 Download PDF

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Abstract

提供一種半導體處理系統以在金屬-絕緣體-金屬電容器中形成電容器介電層。所述半導體處理系統包括：前軀物槽，被配置成從金屬有機固體前軀物產生前軀物氣體；處理室，被配置成執行電漿增強化學氣相沉積；以及至少一個緩衝槽，位於所述前軀物槽與所述處理室之間。所述至少一個緩衝槽通過第一管道耦合到所述前軀物槽，並通過第二管道耦合到所述處理室。

Description

半導體處理系統、金屬-絕緣體-金屬電容器及其形成方法
本公開是有關於一種半導體處理系統以及一種金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal，MIM)電容器及其形成方法。
金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal，MIM)電容器已廣泛應用於射頻(radio frequency，RF)、動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory，DRAM)及類比/混合訊號積體電路領域。一種典型的MIM電容器包括由電容器介電質分隔開的兩個金屬電極。隨著積體電路中裝置的密度增加，即使在電容器面積不斷減少的情況下仍保持足夠高的存儲電容是一個持續的挑戰。
本說明的一個方面涉及一種半導體處理系統。所述半導 體處理系統包括：前軀物槽，被配置成從金屬有機固體前軀物產生前軀物氣體；處理室，被配置成執行電漿增強化學氣相沉積；以及至少一個緩衝槽，位於所述前軀物槽與所述處理室之間。所述至少一個緩衝槽通過第一管道耦合到所述前軀物槽，並通過第二管道耦合到所述處理室。
本說明的另一方面涉及一種金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器。所述MIM電容器包括電容器底部電極，所述電容器底部電極包含第一金屬。所述MIM電容器更包括位於所述電容器底部電極上方的電容器介電層。所述電容器介電層包括位於所述電容器底部電極上方的第一電容器介電層。所述第一電容器介電層包含所述第一金屬的氧化物。所述電容器介電層更包括位於所述第一電容器介電層上方的第二電容器介電層。所述第二電容器介電層包含結合能為約24eV到約26eV的氧化鉭。所述MIM電容器更包括位於所述第二電容器介電層上方的電容器頂部電極。所述電容器頂部電極包含第二金屬。
本說明的又一方面涉及一種形成金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的方法。所述方法包括在基底上方形成包含第一金屬的電容器底部電極。所述方法更包括在所述電容器底部電極上方形成第一電容器介電層。形成所述第一電容器介電層包括使所述電容器底部電極的表面部分氧化。所述方法更包括在所述第一電容器介電層上方形成第二電容器介電層。形成所述第二電容器介電層包括：在前軀物槽中提供固體前軀物；在所述前軀物槽 中使所述固體前軀物汽化以形成前軀物氣體；使含有所述前軀物氣體及載氣的製程氣體從所述前軀物槽流動到至少一個緩衝槽；以及使所述製程氣體從所述至少一個緩衝槽流動到處理室。
100:半導體處理系統
102:載氣槽
104:前軀物槽
104a:前軀物槽的上部
106、106a、106b:緩衝槽
108:處理室
112:管道
112a:端部
114:管道
116:管道
120:殼體
120a:殼體的頂壁
120b:殼體的側壁
121:固體前軀物
122:入口
124:出口
130:基底
131:殼體
132:基底支撐件
134:噴頭
135:射頻(RF)發生器
136:遠程電漿源(RPS)
142:加熱裝置
144:溫度控制元件
150:控制系統
152:處理器
154:計算機可讀記憶體
156:輔助電路
200:MIM電容器
202:基底
210:電容器底部電極
220:電容器介電層
222:第一電容器介電層
224:第二電容器介電層
230:電容器頂部電極
300:方法
302、304、306、308:操作
A、B:MIM電容器
圖1是根據一些實施例的半導體處理系統的示意圖。
圖2是根據一些實施例的MIM電容器的剖視圖。
圖3是根據一些實施例的用於形成MIM電容器的方法的流程圖。
圖4A到圖4D是在圖3所示方法的各種製作階段中的MIM電容器的剖視圖。
圖5是各自示出使用氧化鉭作為電容器介電質的MIM電容器的電容的電壓依賴性(voltage dependence)的曲線圖。
以下公開內容提供許多不同的實施例或實例以實施所提供主題的不同特徵。下文闡述組件、值、操作、材料、排列等的具體實例以使本公開簡明。當然，這些僅是實例且並不旨在進行限制。設想其他組件、值、操作、材料、排列等。舉例來說，在以下說明中，第一特徵形成在第二特徵之上或形成在第二特徵上可包括第一特徵與第二特徵形成為直接接觸的實施例，且還可包 括額外特徵可形成在第一特徵與第二特徵之間以使得第一特徵與第二特徵可能不直接接觸的實施例。另外，本公開可在各種實例中重複使用參考編號和/或字母。此重複是出於簡明及清晰目的，而並非自身指示所論述的各種實施例和/或配置之間的關係。
此外，為便於說明起見，本文中可使用例如“在...之下(beneath)”、“在...下方(below)”、“下部(lower)”、“在...上方(above)”、“上部(upper)”等空間相對用語來闡述一個元件或特徵與另外的元件或特徵之間的關係，如圖中所說明。所述空間相對用語旨在除圖中所繪示的取向外還囊括裝置在使用或操作中的不同取向。設備可具有其他取向(旋轉90度或處於其他取向)，且本文中所用的空間相對描述語可同樣相應地進行解釋。
二氧化矽(SiO2)及氮化矽(Si3N4)是MIM電容器中常用的電容器介電質。然而，二氧化矽及氮化矽的介電常數是相對低的(例如，二氧化矽的介電常數(k)約為3.9，且氮化矽的介電常數約為7)，且因此二氧化矽及氮化矽不能為高級積體電路研發提供足夠的存儲電容。隨著積體電路的最小特徵大小不斷減小，MIM電容器已經開始使用高介電常數介電材料作為電容器介電質。因為MIM電容器的電容與電容器介電質的介電常數成比例，所以具有相對高的介電常數的高介電常數介電材料允許MIM電容器在較小的晶片面積內存儲足夠的能量。
在高介電常數介電材料中，氧化鉭因氧化鉭的高介電常 數(k~25)、低漏電流、良好的介電質擊穿強度(dielectric breakdown strength)及高的熱穩定性及化學穩定性而成為最有前途的高介電常數材料之一。有許多製備氧化鉭薄膜的方法，包括物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)及原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)。PVD方法包括用高能電漿轟擊鉭靶(tantalum target)。然而，PVD方法易於形成具有較高鉭(Ta)原子比的氧化鉭，此使得MIM電容器容易擊穿。在ALD方法中，通過以逐層方式沉積多個單原子層來形成氧化鉭膜。因此，儘管ALD方法能夠形成具有低漏電流的更均勻的氧化鉭膜，但ALD方法的生長速率非常慢(約5×10-3Å/sec)。因此，ALD方法不適合量產。
本公開的實施例提供了一種半導體處理系統，所述半導體處理系統適於由汽化的固體前軀物(vaporized solid precursor)形成例如氧化鉭等電容器介電質。汽化的固體前軀物的沉積是在電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)室中使用化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)製程進行的。氧化鉭的CVD沉積相當快，且適合大規模生產。由固體前軀物形成的氧化鉭膜表現出比由常規液體前軀物形成的氧化鉭的結合能更高的結合能(binding energy)。因此，使用固體前軀物有助於提高所得MIM電容器的電容。
圖1是根據一些實施例的半導體處理系統100的示意圖。半導體處理系統100被配置成沉積多層電容器介電層，而用於製作MIM電容器。在一些實施例中，半導體處理系統100包括 載氣槽102、前軀物槽104、緩衝槽106及處理室108。前軀物槽104位於載氣槽102的下游，並通過管道112與載氣槽102流體耦合。緩衝槽106位於前軀物槽104的下游，並通過管道114與前軀物槽104流體耦合。處理室108位於緩衝槽106的下游，並通過管道116與緩衝槽106流體耦合。
載氣槽102適於向前軀物槽104供應載氣。載氣可用於將前軀物氣體帶出前軀物槽104。在一些實施例中，載氣是例如氦、氬、氖、氪或其混合物等的惰性氣體。載氣槽102通過管道112將加壓載氣提供到前軀物槽104。
前軀物槽104適於容納固體前軀物121，使固體前軀物汽化，並將汽化的前軀物供應到處理室108，而用於CVD沉積。汽化的前軀物在本文中也被稱為前軀物氣體。前軀物槽104包括界定密封內部的殼體120。固體前軀物121填充殼體120的下部。殼體120一般由對固體前軀物121及由此產生的前軀物氣體實質上為惰性的材料製成，並且能夠承受使固體前軀物121汽化所需的壓力及溫度。
前軀物槽104包括延伸穿過殼體120的壁的入口122。入口122耦合到管道112，從而允許載氣通過管道112流入前軀物槽104，並與在前軀物槽中形成的前軀物氣體混合。前軀物槽104更包括延伸穿過殼體120的壁的出口124。出口124耦合到管道114，從而允許作為載氣及前軀物氣體的混合物的製程氣體通過管道114流出前軀物槽104。在一些實施例中，入口122及出口124經 配置以穿過殼體120的頂壁120a。
管道112通過入口122延伸到前軀物槽104中，並終止於前軀物槽104的上部104a。管道112的一端安置在固體前軀物121的上方，使得載氣被引入前軀物槽104的上部104a中。管道112具有成角度的(傾斜的)端部112a，所述端部112a適於引導載氣朝向殼體120的側壁120b流動。因此，管道112的成角度的端部112a有助於防止流出管道112的載氣直接撞擊在固體前軀物121上從而擾動固體前軀物121。使用具有成角度的端部的管道將載氣供應到前軀物槽104中有助於降低處理室108被污染的風險，所述污染是由固體前軀物121的顆粒變得通過空氣傳播(airborne)並被載氣通過出口124帶入處理室108中引起的。在一些實施例中，管道112是L形的，其中成角度的端部112a相對於殼體120的側壁120b垂直延伸。
管道114通過出口124延伸到前軀物槽104中，並終止於前軀物槽104的上部104a。載氣攜帶汽化的固體前軀物(即，前軀物氣體)，並通過管道114流出前軀物槽104。
緩衝槽106設置在前軀物槽104與處理室108之間。緩衝槽106適於在製程氣體通過管道116流入處理室108之前穩定製程氣體的壓力，尤其是當使用固體前軀物時。緩衝槽106因此有助於提高氣體流動的均勻性，此繼而有助於促進前軀物材料在基底(例如，基底130)上的均勻沉積。在一些實施例中，采用多個緩衝槽106(例如，緩衝槽106a及緩衝槽106b)來確保流入處 理室108中的製程氣體的壓力穩定。儘管在圖1中示出了兩個緩衝槽106a及106b，但設想存在任何數量的緩衝槽。在一些實施例中，在前軀物槽104與處理室108之間設置單個緩衝槽106以提高氣體流動均勻性(圖中未示出)。在一些實施例中，在前軀物槽104與處理室108之間設置多於兩個緩衝槽(例如，三個緩衝槽106)以提高製程氣體流動均勻性(圖中未示出)。將緩衝槽的數量進一步增加到多於三個不會顯著提高製程氣體流動的均勻性，但生產成本增加。
處理室108適於將電容器介電質沉積到基底130上。在一些實施例中，處理室108是被配置成執行電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程的電漿沉積工具。在一些實施例中，處理室108被配置成從氧氣源產生氧電漿。
處理室108包括設置在殼體131內的基底支撐件132及噴頭(showerhead)134。在沉積製程期間，基底支撐件132充當陰極，且噴頭134充當陽極。在一些實施例中，基底支撐件132是被配置成支撐基底(例如，在上方形成有MIM電容器的基底130)的基座(pedestal)。在一些實施例中，基底支撐件132更包括適於將基底130的溫度升高到室溫以上的加熱裝置(圖中未示出)。在一些實施例中，加熱裝置是單區或多區(single or multiple zone)加熱器，例如具有徑向內部或外部加熱元件(radially inner or outer heating element)的雙徑向區加熱器(dual radial zone heater)。噴頭134被安置成相對於基底支撐件132。噴頭134包括 多個孔，所述多個孔被配置成允許氧電漿通過噴頭134被均勻地遞送到基底130。
噴頭134耦合到殼體131外部的射頻(RF)發生器135。射頻發生器135與噴頭134結合使用，以激發流入處理室108中的氧從而產生氧電漿。在一些實施例中，氧電漿被配置成從使用包含氧氣及惰性氣體的混合氣體產生的清潔氣體產生電漿。在一些實施例中，氣體混合物包括按體積計為氣體混合物的約2%到約4%的氧濃度。可用於與氧形成氣體混合物的合適的惰性氣體包括但不限於氪、氬及氦。
在一些實施例中，半導體處理系統100更包括位於處理室108的殼體131外部的遠程電漿源(remote plasma source，RPS)136。RPS被配置成從流入處理室108中的含氟清潔氣體產生含氟電漿。在介電質沉積之後，應用含氟電漿來清潔處理室108的內表面。在一些實施例中，含氟電漿是NF3電漿。
半導體處理系統100更包括加熱裝置142，所述加熱裝置142被配置成將前軀物槽104加熱到足以使固體前軀物121汽化的溫度。在一些實施例中且如圖1所示，加熱裝置142是至少圍繞含有固體前軀物121的前軀物槽104的下部的夾套型(jacket-type)加熱裝置。在一些實施例中，加熱裝置142位於前軀物槽104下方，使得加熱裝置142僅從前軀物槽104的底部加熱固體前軀物121(圖中未示出)。在沉積處理期間，前軀物槽104中的固體前軀物121被加熱裝置142加熱到足以將固體前軀物121轉化成蒸 汽的溫度，從而形成前軀物氣體。前軀物氣體與載氣混合，且所得的包含前軀物氣體及載氣的製程氣體通過管道114流出前軀物槽104進入緩衝槽106。製程氣體穿過緩衝槽106，並流入處理室108中進行CVD沉積。為了防止在製程氣體通過管道114及116從前軀物槽104輸送到處理室108時前軀物氣體的再凝固(re-solidification)，沿著製程氣體輸送路徑的管道114及116中的每一者都通過溫度控制元件144絕緣或加熱。在一些實施例中，溫度控制元件144是被配置成對相應的管道114或116進行加熱的加熱裝置。在一些實施例中，溫度控制元件144是纏繞在相應的管道114及116周圍的絕緣材料。當製程氣體流經管道114及116時，所述絕緣材料有助於減少製程氣體的熱損失，從而有助於防止前軀物氣體再凝固。
在一些實施例中，半導體處理系統100包括控制半導體處理系統100的一個或多個操作的控制系統150。舉例來說，在一些實施例中，控制系統150控制加熱裝置142以調節加熱裝置142的溫度，從而解決固體前軀物汽化時檢測到的或預期的壓力變化。在一些實施例中，控制系統150控制溫度控制元件144以調節製程氣體的溫度，從而防止當製程氣體從前軀物槽104流向處理室108時前軀物氣體的再凝固。在一些實施例中，控制系統150控制氧電漿的產生及進入處理室108的製程氣體的流速。
在一些實施例中，控制系統150包括處理器152、計算機可讀記憶體(computer readable memory)154及輔助電路(support circuit)156。在一些實施例中，處理器152是中央處理器(central processing unit，CPU)、多元處理器(multi-processor)、分散式處理系統(distributed processing system)、應用專用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)和/或合適的處理單元。在一些實施例中，計算機可讀記憶體154是電子、磁性、光學、電磁、紅外線和/或半導體系統(或設備或裝置)。舉例來說，計算機可讀記憶體154包括半導體或固態記憶體、磁帶、可移動計算機磁碟(removable computer diskette)、隨機存取記憶體(random access memory，RAM)、惟讀記憶體(read-only memory，ROM)、硬磁碟(rigid magnetic disk)和/或光碟。在使用光碟的一些實施例中，計算機可讀記憶體154包括光碟惟讀記憶體(compact disk-read only memory，CD-ROM)、光碟讀/寫(compact disk-read/write，CD-R/W)和/或數位視頻光碟(digital video disc，DVD)。在一些實施例中，計算機可讀記憶體154包括機器可讀指令，所述指令在被處理器152執行時使得控制系統150向半導體處理系統100的一個或多個組件發送命令訊號。
圖2是根據本公開的一些實施例的MIM電容器200的剖視圖。參照圖2，MIM電容器200包括電容器底部電極210、電容器頂部電極230、以及位於電容器底部電極210與電容器頂部電極230之間的電容器介電層220。電容器介電層220適於將電容器底部電極210與電容器頂部電極230電分離，使得電荷可在電容器介電層220與相應的電容器底部電極210及電容器頂部電極230 之間的界面處累積。累積的電荷在電容器底部電極210與電容器頂部電極230之間產生電場，使得MIM電容器200能夠存儲能量。
電容器底部電極210包含第一導電金屬，例如鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)。在一些實施例中，電容器底部電極210包含TiN。
電容器介電層220具有多層結構。在一些實施例中，電容器介電層220包括第一電容器介電層222及第二電容器介電層224。
第一電容器介電層222設置在電容器底部電極210上，並直接接觸電容器底部電極210。第一電容器介電層222包含通過使位於下方的電容器底部電極210中的金屬氧化而形成的金屬氧化物。舉例來說，在一些實施例中，當電容器底部電極210包含TiN時，第一電容器介電層222包含氧化鈦(TiOx，其中x介於0.5到2的範圍內)。
第二電容器介電層224設置在第一電容器介電層222上方。在一些實施例中，第二電容器介電層224包含氧化鉭(TaxOy，其中y：x不大於2.5)。介電常數大於氮化矽的其他高介電常數介電材料(例如，TiOx、氧化鋯(ZrOx)或氧化鉿(HfOx))也可用於形成第二電容器介電層224。
在一些實施例中，第一電容器介電層222中的金屬氧化物被選擇為具有比第二電容器介電層224中的高介電常數介電材料的介電常數大的介電常數。在此種實施例中，第一電容器介電 層222的存在使得MIM電容器200具有與不具有第一電容器介電層222的MIM電容器相比更高的電容。相對於第二電容器介電層224的厚度而增加第一電容器介電層222的厚度使得MIM電容器200的電容增加，但對時間相關的介電質擊穿(time dependent dielectric breakdown，TDDB)的耐受性降低。因此，對第一電容器介電層222的厚度與第二電容器介電層224的厚度之比例進行選擇，以向MIM電容器200提供最大化的電容，同時保持對TDDB的良好耐受性。在一些實施例中，第一電容器介電層222的厚度介於約5埃(Å)到約50Å，且第二電容器介電層224的厚度介於約50Å到約1000Å。在一些情況下，如果第一電容器介電層222及第二電容器介電層224中的每一者的厚度太大，則MIM電容器200的電容太低。另一方面，在一些實施例中，如果第一電容器介電層222及第二電容器介電層224中的每一者的厚度太小，則MIM電容器200的電流擊穿風險增加。在一些實施例中，電容器介電層220包含介電常數介於約30到約40的雙層TiOx/TaxOy，所得的MIM電容器可具有介於5fF到10fF範圍內的電容。
電容器頂部電極230設置在第二電容器介電層224上。在一些實施例中，電容器頂部電極230包含與提供電容器底部電極210的第一導電金屬相同或不同的第二導電金屬。舉例來說，電容器頂部電極230包含Ti、TiN、Ta或TaN。在一些實施例中，電容器頂部電極230包含TiN。
圖3是根據一些實施例形成MIM電容器(例如，MIM電 容器200)的方法300的流程圖。圖4A到圖4D是根據一些實施例的方法300的各種製作階段中的MIM電容器200的剖視圖。以下參照圖4A到圖4D中的MIM電容器200詳細論述方法300。
參照圖3及圖4A，根據一些實施例，方法300包括操作302，在操作302中，在基底202上方沉積電容器底部電極210。在一些實施例中，電容器底部電極210包含第一導電金屬，例如鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)，並且使用例如PVD等沉積製程沉積在基底202上方。
在一些實施例中，基底202是矽基底。在一些實施例中，基底202包括：元素半導體(elementary semiconductor)，例如鍺；化合物半導體，例如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦和/或銻化銦；或其組合。在一些實施例中，基底202是絕緣體上覆矽(silicon-on-insulator，SOI)結構，其中在基底中具有絕緣體層。示例性絕緣體層可以是掩埋氧化物層(buried oxide layer，BOX)。在一些實施例中，取決於設計要求，基底202更包括各種經摻雜的特徵。所述經摻雜的特徵可用以下摻雜劑摻雜：p型摻雜劑，例如硼；n型摻雜劑，例如磷或砷；或其組合。所述經摻雜的特徵可通過離子注入形成，並且被配置成形成一個或多個裝置，例如場效應電晶體(field effect transistor，FET)、二極體、記憶體裝置或其組合。在一些實施例中，基底202更包括多層互連結構，以耦合各種裝置來形成功能電路。多層互連結構包括垂直互連件(例如，通孔或觸點)以及水平互連件(例如，金屬線)。 使用包括銅、鎢和/或矽化物的各種導電材料來實施各種互連特徵。在一些實施例中，電容器底部電極210被配置在多層互連結構的第n金屬化層中，並且與第n金屬化層同時形成。
參照圖3及圖4B，根據一些實施例，方法300進行到操作304，在操作304中，在電容器底部電極210上方形成第一電容器介電層222。通過使用氧電漿選擇性氧化電容器底部電極210的表面部分而形成第一電容器介電層222。在一些實施例中，電漿氧化製程在半導體處理系統100(圖1)的處理室108中進行。在將基底202安裝到基底支撐件132上之後，使由射頻發生器135產生的氧電漿流入處理室108中。氧電漿通過噴頭134朝向電容器底部電極210的表面流動。電容器底部電極210的表面因此暴露於氧電漿。電容器底部電極210的表面部分中的導電金屬與氧反應，從而在電容器底部電極210的表面上形成第一電容器介電層222。第一電容器介電層222因此在電容器底部電極210的表面部分中包含導電金屬的氧化物。在一些實施例中，電容器底部電極210的表面部分的電漿氧化在介於約300℃到約500℃範圍內的溫度下進行。
參照圖3及圖4C，根據一些實施例，方法300進行到操作306，在操作306中，在第一電容器介電層222上方形成第二電容器介電層224。使用本公開的半導體處理系統100(圖1)由固體前軀物121形成第二電容器介電層224。形成第二電容器介電層224包括首先在前軀物槽104中提供固體前軀物121。然後使用加 熱裝置142將前軀物槽104加熱到固體前軀物121汽化的溫度，從而形成前軀物氣體。前軀物氣體與通過管道112流入前軀物槽104中的載氣混合，以提供製程氣體。包含前軀物氣體及載氣的製程氣體然後從前軀物槽104流向緩衝槽106，在緩衝槽106內使製程氣體的壓力穩定。接下來，製程氣體從緩衝槽106流向處理室108。製程氣體中的前軀物在基底202的表面(即，第一電容器介電層222的表面)分解，以形成含前軀物金屬的層。含前軀物金屬的層中的前軀物金屬然後與氧反應以形成第二電容器介電層224。
在一些實施例中，在製程氣體流入處理室108中以形成第二電容器介電層224之前，停止用於氧化電容器底部電極210的表面部分的氧電漿。在其他實施例中，當製程氣體流入處理室108中以形成第二電容器介電層224時，持續產生用於氧化電容器底部電極210的表面部分的氧電漿。
基於在處理室108中形成的電容器介電質來選擇固體前軀物121的類型。在一些實施例中，前軀物氣體是由含鉭固體前軀物(例如，五(二甲氨基)鉭(pentakis(dimethylamido)tantalum，PDMAT)，Ta(NH2)(CH3)2)5)的汽化形成的含鉭氣體，並且所得的第二電容器介電層224包含y：x不大於2.5的TaxOy。在一些實施例中，通過X射線光電子光譜學(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)測量的本公開的TaxOy的結合能為約24eV到約26eV，此低於由液體前軀物形成的TaxOy的結合能。較低的 結合能指示由含鉭固體前軀物形成的TaxOy中的Ta成分高於平衡相圖(equilibrium phase diagram)中的化學計量成分(stoichiometric composition)。也就是說，TaxOy中的y：x小於2.5。本公開的TaxOy的約24eV到約26eV的結合能範圍對應於約1.9到約2.3的y：x。在一些實施例中，y：x是1.94。TaxOy中鉭濃度增加指示由含鉭固體前軀物形成的TaxOy層具有比由含鉭液體前軀物形成的TaxOy層更高的介電常數。
參照圖3及圖4D，根據一些實施例，方法300進行到操作308，在操作308中，在第二電容器介電層224上方沉積電容器頂部電極230，從而形成包括電容器底部電極210、第一電容器介電層222、第二電容器介電層224及電容器頂部電極230的MIM電容器200。電容器頂部電極230包含與提供電容器底部電極210的導電金屬相同或不同的導電金屬。舉例來說，電容器頂部電極230包含Ti、TiN、Ta或TaN。在一些實施例中，電容器頂部電極230包含TiN，並且通過例如PVD等沉積製程形成。在一些實施例中，電容器頂部電極230被配置在多層互連結構的第n+1金屬化層中，並且與第n+1金屬化層同時形成。
圖5是示出在具有TiN/TiO2/TaxOy/TiN結構的MIM電容器中，當電壓從-100V掃描到+100V時電容變化的曲線圖。MIM電容器(A)中的TaxOy由例如PDMAT等固體前軀物形成，且MIM電容器(B)中的TaxOy由例如叔丁基醯亞胺三(二乙基醯胺基)鉭(tertbutylimidotris(diethylamido)tantalum，TBTDET)等液 體前軀物形成。電容變化被表示為C/C0，其中C代表在所施加電壓下的電容值，且C0代表在0V下的電容值。圖5示出當電壓從0V變化到+/- 100V時，MIM電容器(A)中的最大電容變化約為5%，而當所施加的電壓從0V變化到+/- 100V時，MIM電容器(B)中的最大電容變化約為10%。MIM電容器(B)中的最大電容變化約為MIM電容器(A)中電容變化的2倍。MIM電容器(A)中較小的電容變化指示可獲得更穩定的MIM電容器，因為TaxOy電容器介電質是由固體前軀物形成的。
本說明的一個方面涉及一種半導體處理系統。所述半導體處理系統包括：前軀物槽，被配置成從金屬有機固體前軀物產生前軀物氣體；處理室，被配置成執行電漿增強化學氣相沉積；以及至少一個緩衝槽，位於所述前軀物槽與所述處理室之間。所述至少一個緩衝槽通過第一管道耦合到所述前軀物槽，並通過第二管道耦合到所述處理室。在一些實施例中，所述系統更包括被配置成將載氣供應到所述前軀物槽的載氣槽。所述載氣槽通過第三管道耦合到所述前軀物槽。在一些實施例中，所述第三管道延伸到所述前軀物槽的內部。第三管道具有朝向所述前軀物槽的側壁延伸的成角度的端部。在一些實施例中，所述第三管道的所述成角度的端部以垂直於所述前軀物槽的所述側壁的方向朝向所述前軀物槽的所述側壁延伸。在一些實施例中，所述系統更包括被配置成對所述前軀物槽進行加熱的加熱裝置。在一些實施例中，所述系統更包括第一溫度控制元件，所述第一溫度控制元件被配 置成控制所述第一管道的溫度。在一些實施例中，所述系統更包括第二溫度控制元件，所述第二溫度控制元件被配置成控制所述第二管道的溫度。在一些實施例中，所述系統更包括控制系統，所述控制系統被配置成控制所述加熱裝置、所述第一溫度控制元件及所述第二溫度控制元件中的每一者的操作。在一些實施例中，所述第一管道及所述第二管道被絕緣材料覆蓋。在一些實施例中，所述至少一個緩衝槽包括多個緩衝槽，所述多個緩衝槽中的每一者具有耦合到所述前軀物槽的第一端及耦合到所述處理室的第二端。
本說明的另一方面涉及一種金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器。所述MIM電容器包括電容器底部電極，所述電容器底部電極包含第一金屬。所述MIM電容器更包括位於所述電容器底部電極上方的電容器介電層。所述電容器介電層包括位於所述電容器底部電極上方的第一電容器介電層。所述第一電容器介電層包含所述第一金屬的氧化物。所述電容器介電層更包括位於所述第一電容器介電層上方的第二電容器介電層。所述第二電容器介電層包含結合能為約24eV到約26eV的氧化鉭。所述MIM電容器更包括位於所述第二電容器介電層上方的電容器頂部電極。所述電容器頂部電極包含第二金屬。在一些實施例中，所述電容器底部電極包含氮化鈦，並且所述第一電容器介電層包含氧化鈦。在一些實施例中，所述氧化鉭的分子式為TaxOy，其中y：x小於2.5。在一些實施例中，所述MIM電容器的電容介於5fF到10fF的範 圍內。在一些實施例中，所述第二金屬與所述第一金屬相同。
本說明的又一方面涉及一種形成金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的方法。所述方法包括在基底上方形成包含第一金屬的電容器底部電極。所述方法更包括在所述電容器底部電極上方形成第一電容器介電層。形成所述第一電容器介電層包括使所述電容器底部電極的表面部分氧化。所述方法更包括在所述第一電容器介電層上方形成第二電容器介電層。形成所述第二電容器介電層包括：在前軀物槽中提供固體前軀物；在所述前軀物槽中使所述固體前軀物汽化以形成前軀物氣體；使含有所述前軀物氣體及載氣的製程氣體從所述前軀物槽流動到至少一個緩衝槽；以及使所述製程氣體從所述至少一個緩衝槽流動到處理室。在一些實施例中，形成所述第一電容器介電層包括將所述電容器底部電極的表面暴露於氧電漿。在一些實施例中，在停止所述氧電漿之後，使所述製程氣體流入所述處理室。在一些實施例中，除了所述氧電漿之外，還使所述製程氣體與所述氧電漿一起同時(in-situ)流入所述處理室。在一些實施例中，所述方法更包括在所述第二電容器介電層上方沉積電容器頂部電極。
以上概述了若干實施例的特徵，以使所屬領域中的技術人員可更好地理解本公開的各個方面。所屬領域中的技術人員應理解，其可容易地使用本公開作為設計或修改其他製程及結構的基礎來施行與本文中所介紹的實施例相同的目的和/或實現與本文中所介紹的實施例相同的優點。所屬領域中的技術人員還應認識 到，這些等效構造並不背離本公開的精神及範圍，且他們可在不背離本公開的精神及範圍的條件下對其作出各種改變、代替及變更。
100:半導體處理系統
102:載氣槽
104:前軀物槽
104a:前軀物槽的上部
106、106a、106b:緩衝槽
108:處理室
112:管道
112a:端部
114:管道
116:管道
120:殼體
120a:殼體的頂壁
120b:殼體的側壁
121:固體前軀物
122:入口
124:出口
130:基底
131:殼體
132:基底支撐件
134:噴頭
135:射頻(RF)發生器
136:遠程電漿源(RPS)
142:加熱裝置
144:溫度控制元件
150:控制系統
152:處理器
154:計算機可讀記憶體
156:輔助電路

Claims (11)

  1. 一種半導體處理系統，包括：前軀物槽，被配置成從金屬有機固體前軀物產生前軀物氣體；處理室，被配置成執行電漿增強化學氣相沉積，其中未經游離的所述前軀物氣被提供至所述處理室中而分解且與氧反應而形成介電層；以及至少一個緩衝槽，位於所述前軀物槽與所述處理室之間，所述至少一個緩衝槽通過第一管道耦合到所述前軀物槽，並通過第二管道耦合到所述處理室。
  2. 如請求項1所述的半導體處理系統，更包括被配置成將載氣供應到所述前軀物槽的載氣槽，所述載氣槽通過第三管道耦合到所述前軀物槽。
  3. 如請求項2所述的半導體處理系統，其中所述第三管道延伸到所述前軀物槽的內部，所述第三管道具有朝向所述前軀物槽的側壁延伸的成角度的端部。
  4. 如請求項3所述的半導體處理系統，其中所述第三管道的所述成角度的端部以垂直於所述前軀物槽的所述側壁的方向朝向所述前軀物槽的所述側壁延伸。
  5. 如請求項1所述的半導體處理系統，更包括被配置成對所述前軀物槽進行加熱的加熱裝置。
  6. 如請求項1所述的半導體處理系統，其中所述第一管道及所述第二管道被絕緣材料覆蓋。
  7. 一種金屬-絕緣體-金屬電容器，包括：電容器底部電極，包含第一金屬；電容器介電層，位於所述電容器底部電極上方，所述電容器介電層包括：第一電容器介電層，位於所述電容器底部電極上方，所述第一電容器介電層包含所述第一金屬的氧化物；以及第二電容器介電層，位於所述第一電容器介電層上方，所述第二電容器介電層包含結合能為約24eV到約26eV的氧化鉭；以及電容器頂部電極，位於所述第二電容器介電層上方，所述電容器頂部電極包含第二金屬。
  8. 一種形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，包括：在基底上方形成電容器底部電極；在所述電容器底部電極上方形成第一電容器介電層，其中形成所述第一電容器介電層包括使所述電容器底部電極的表面部分氧化；以及在所述第一電容器介電層上方形成第二電容器介電層，其中形成所述第二電容器介電層包括：在前軀物槽中提供固體前軀物；在所述前軀物槽中使所述固體前軀物汽化以形成前軀物氣體；使含有所述前軀物氣體及載氣的製程氣體從所述 前軀物槽流動到至少一個緩衝槽；以及使所述製程氣體從所述至少一個緩衝槽流動到處理室。
  9. 如請求項8所述的形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，其中形成所述第一電容器介電層包括將所述電容器底部電極的表面暴露於氧電漿。
  10. 如請求項9所述的形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，其中在停止所述氧電漿之後，使所述製程氣體流入所述處理室。
  11. 如請求項9所述的形成金屬-絕緣體-金屬電容器的方法，其中除了所述氧電漿之外，還使所述製程氣體與所述氧電漿一起同時流入所述處理室。
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