金红石结构氧化钛的制备方法及其叠层结构技术

本发明专利技术揭示形成一种金红石结构氧化钛的叠层结构及其制备方法，其包含形成一氧化钌层于一基板上；形成一氧化镨层于该氧化钌层上；形成一氧化钛层于该氧化镨层上；其中形成于该氧化镨层上的氧化钛层具有一金红石结构。该氧化层是由多个原子层沉积周期而形成，其中该原子层沉积周期使用含有钌的前驱物、镨的前驱物、钛的前驱物以及臭氧。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术关于一种金红石结构氧化钛的叠层结构的制备方法，特别关于形成一氧化钛层于一氧化镨层之上，以使该氧化钛层具有金红石(rutile)的晶体结构的方法。
技术介绍
互补式金属氧化物半导体(CMOS)元件的效能持续依据摩尔定律四十年来的预测而有所进展。当集成电路上的元件数目以指数成长，晶体管的最小特征尺寸每年也以指数方式缩减。动态随机存取内存(DRAM)为一种具有许多记忆单元的元件，任一记忆单元具有一可储存电荷的电容，以代表该记忆单元的数据数值(I或0)，上述两种元件的结构基本上为金属层/绝缘层/金属层(MIM)。为了跟上元件尺寸缩减的脚步，该绝缘层的厚度，典型地例如二氧化硅，已经降至2纳米以下。在这种厚度条件下，不可忽略的漏电流将因为电子直接隧穿该绝缘层而形成。本
的一解决方法为找寻新的材料，一方面具有较厚的绝缘层结构以避免穿隧效应的发生；另一方面具有较高的介电常数以保持必要的电容量。电容量与绝缘层厚度和介电常数的关系可由下列公式描述:C = e 0 e rA/t,其中C为电容量，^为真空介电常数，L为相对介电常数，A为金属层与绝缘层界面的面积，t为该绝缘层的厚度。由该 公式可知，保持L与t于一预定的比值即可有效发现具有高介电常数与足够厚度的新材料。换句话说，新材料能够造成低漏电流，并具有高介电常数以维持一定的eyt比值，即为一种能够解决上述尺寸缩减问题的理想标的。特征尺寸小于3X纳米的DRAM需要有一绝缘层的相对介电常数大于70，因此二氧化钛(TiO2)为一理想的材料。自然存在的二氧化钛具有三种现有的晶体结构:金红石(rutile)、锐钛矿(anatase)、及板钛矿(brookite),其中具有金红石结构的二氧化钛根据不同的形成条件，会具有介于90至170之间的介电常数。然而，现今工业界利用原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)量产的二氧化钛却主要具有锐钛矿晶体结构,该结构具有较低的介电常数。要通过原子层沉积方法形成金红石结构的二氧化钛通常需要额外的模板、掺杂、高温ALD步骤、或后沉积回火(摄氏600度以上)等条件。经由模板以形成金红石结构二氧化钛的方法具有以下几项缺点:例如，图1显示一 ALD步骤使用四氯化钛(TiCl4)作为钛的前驱物以及水作为氧化剂，为了于掠角X光衍射中显现金红石结构二氧化钛的特征波峰，在此种成长条件下，该二氧化钛的厚度必须至少为10纳米以上。除此之外，高成长温度也为必要条件。图2显示掠角X光衍射于不同厚度及处理温度的二氧化钛层的结果。在步骤条件为摄氏450度、二氧化钛层的厚度为70埃的情况下，一明显的金红石结构二氧化钛特征波峰出现于27.5度(2 0 )左右。过高的成长温度将粗化金红石结构二氧化钛的表面形貌，造成较松散的结构进而引发较大的漏电流。进一步而言，一具有模板的ALD步骤使用四氯化钛(TiCl4)作为钛的前驱物以及臭氧作为氧化剂不仅将造成低沉积速率，并且造成下层材料的氧化或蚀刻。例如，在此种生长条件下，若下层材料中具有钌或氧化钌等材料，金红石结构二氧化钛中将会发现钌的污染物。其它额外的成长条件如掺杂和后沉积回火各具有不同的缺点。例如，于ALD中利用硅或锆掺杂的方式非常难以控制，同时低输出及高成本也是待解决的问题；然而，高温处理CMOS相关元件将导入机械应力于已形成的下部结构中。综上可知，工业界需要一除了模板、掺杂、或额外热处理的新方法以形成一具有良好结晶质量的金红石结构二氧化钛薄膜。为了提供一解决办法，本专利技术揭露一叠层结构，不用上述之方法，以形成金红石结构二氧化钛层。
技术实现思路
本专利技术的一目的为揭露一种金红石结构氧化钛的叠层结构，该结构包含一基板；一第一氧化层，叠置于该基板上；包含氧化镨的一第二氧化层，叠置于该第一氧化层上；以及包含氧化钛的一第三氧化层，叠置于该第二氧化层上。本专利技术的另一目的为揭露一种金红石结构(rutile phase)氧化钛的叠层结构的步骤方法。该步骤方法包含形成一氧化钌层于一基板上；形成一氧化镨层于该氧化钌层之上；以及形成一氧化钛层于该氧化镨层上；其中形成于该氧化镨层上的氧化钛层具有一金红石结构。本专利技术之
技术实现思路
及技术特点已揭示如上，然而本专利技术所属
中具有通常知识者应了解，在不背离后附权利要求范围所界定的本专利技术精神和范围内，本专利技术的教示及揭示可作种种的替换及修饰。例如，上文揭示的许多步骤可以不同的方法实施或以其它步骤予以取代，或者采用上述二种方式的组合。附图说明图1显示一掠角X光衍射图(grazing angle XRD),该图显示不同厚度,具有金红石结构的氧化钛层的特征波峰；图2显示一掠角X光衍射图，该图显示不同厚度及在不同处理温度下，具有金红石结构的氧化钛层的特征波峰；图3至图6是一原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)的一周期示意图；图7至图9是堆叠该氧化层的剖面示意图；图10是一电容的剖面叠叠层示意图；图11是于原子层沉积过程中一掺杂层的假想示意图；图12显不一掠角X光衍射图；图13显示图12由掠角20度至40度的放大图；图14显不一掠角X光衍射图；图15显不一掠角X光衍射图。其中，附图标记说明如下:31 基板32吸附区33前驱物33a 主体33b反应部位34第一前驱物35第二前驱物37掺杂前驱物51第二前驱物51a 主体51b反应部位52副产物71基板72第一氧化层73第二氧化层74第三氧化层75上电极具体实施例方式本专利技术构筑于 一重要的薄膜成长技术-原子层沉积(AtomicLayerDeposition, ALD)的基础之上。ALD步骤依据有次序性的饱和表面化学反应,并于任两次添加前驱物之中间添加惰性气体以清除前一次之前驱物。因为具表面控制性质，ALD步骤可用来成长高一致性与高均匀性的表面薄膜，并可精确控制薄膜厚度。图3至6描绘一ALD周期，包含下列步骤:于图3中，一基板31的表面被官能团化而形成一吸附层32，例如暴露该基板于水汽中而形成一羟基层(注意，不同的前驱物或许需要不同的吸附层)；导入第一前驱物33并使其进行化学性吸附，其中第一前驱物33包含一主体33a以及多个反应部位33b，所述反应部位33b用于与该吸附层32进行化学性吸附并与第二前驱物51 (于后续步骤中导入)进行反应。图4描绘导入一第一惰性气体以清理多余未被吸附的第一前驱物33。图5描绘一第二前驱物51，具有一主体51a以及多个反应部位51b，所述反应部位51b用于与该第一前驱物33的反应部位33b进行反应。该第一前驱物33与该第二前驱物51的反应会于反应室中产生副产物52。图6描绘导入一第二惰性气体以清理多余未被吸附的第二前驱物51以及副产物52。任一 ALD周期如图3至6所示将形成一单层(monolayer),经过多个ALD周期即可形成特定厚度与特定材料的薄膜。图7至9为剖面示意图，例示具有金红石结构的氧化钛叠层结构。参见图7，一基板71具有一第一氧化层72沉积于其上。在本专利技术一实施例中，该基板71的材料可选自RuS1、T1、TiS1、TiN、或TaN，而该第一氧化层72包含钌(Ru)与钌的氧化物(RuOxX该Ru/RuOx层由ALD步骤以及一后续的氧化步骤而形成，并具有一较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金红石结构氧化钛的叠层结构，其特征在于，包含：一基板；一第一氧化层，叠置于该基板上；一第二氧化层，叠置于该第一氧化层上，该第二氧化层包含氧化镨；以及一第三氧化层，叠置于该第二氧化层上，该第三氧化层包含氧化钛。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：谢君毅，威斯瓦那斯·保哈，詹妮佛·西格曼，瓦西尔·安托诺夫，徐薇惠，
申请(专利权)人：南亚科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：