减少用于显示应用的存储电容器的漏电流的方法
阅读说明：本技术 减少用于显示应用的存储电容器的漏电流的方法 (Method for reducing leakage current of storage capacitor for display application ) 是由 翟羽佳 芮祥新 赵来 崔寿永 杰瑞安·杰瑞·陈 于 2018-12-21 设计创作，主要内容包括：本公开内容的实施方式总体涉及一种形成用于显示应用的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器的方法。所述方法包括：在基板上方形成金属电极；及在处理腔室中将所述金属电极暴露于含氮等离子体。在将所述金属电极暴露于所述含氮等离子体时,维持所述基板在范围为约20摄氏度至约200摄氏度的温度,这将所述金属电极的表面转化为氮化物。所述方法还包括在同一处理腔室中在所述金属电极的氮化物表面上形成高K介电层。通过对所述金属电极的等离子体处理,减少了所述MIM电容器的漏电流并改进了所述MIM电容器的击穿场。(Embodiments of the present disclosure generally relate to a method of forming a metal-insulator-metal (MIM) capacitor for display applications. The method comprises the following steps: forming a metal electrode over a substrate; and exposing the metal electrode to a nitrogen-containing plasma in a processing chamber. Maintaining the substrate at a temperature in a range of about 20 degrees Celsius to about 200 degrees Celsius while exposing the metal electrode to the nitrogen-containing plasma, which converts a surface of the metal electrode to a nitride. The method also includes forming a high-K dielectric layer on the nitride surface of the metal electrode in the same processing chamber. By plasma treating the metal electrode, leakage current of the MIM capacitor is reduced and breakdown field of the MIM capacitor is improved.)
背景技术
领域
本公开内容的实施方式总体涉及一种形成用于显示装置的包括具有高介电常数(高K)值的介电层的层堆叠的方法。尤其是，本公开内容的实施方式涉及一种用于形成在薄膜晶体管(TFT)电路中使用的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器的方法。
相关技术描述
显示装置已经广泛地用于广泛范围的电子应用，诸如TV、监视器、移动电话、MP3播放器、电子书阅读器、个人数字助理(PDA)和类似装置。在一些装置中，显示面板的背板中的像素电路利用TFT和电容器来控制显示屏的每个像素的颜色或亮度。电容器保持电荷以维持驱动TFT的栅极电压，使得在之后两次帧刷新之间维持颜色或亮度。TFT电路中的存储电容器通常是包括布置在两个金属电极之间的一个介电材料层的MIM结构。电容是由电容器的面积和介电材料的介电常数决定。
常规地，已经使用具有约7的介电常数的氮化硅作为介电材料。随着显示器的分辨率的增大，每个像素的面积不断地缩小。因此，存储电容器的面积非常有限。为了获得相同电容，将诸如二氧化锆(ZrO2)之类的高K材料用作介电材料。然而，与氮化硅相比，ZrO2具有较低电子能带隙。当ZrO2与底部电极和顶部电极集成在一起时，电容器漏电流高而击穿场低，这使显示装置不太稳定且不太可靠。
因此，需要的是一种形成MIM电容器以用于制造稳定且可靠的显示装置的方法。
发明内容
本公开内容的实施方式总体涉及一种形成用于显示应用的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器的方法。在一个实施方式中，电容器包括第一金属电极和设置在第一金属电极上的氮化物。氮化物在范围为约20摄氏度至约200摄氏度的温度下形成。电容器还包括设置在氮化物上的高K介电层和设置在高K介电层上的第二金属电极。
在另一个实施方式中，一种方法包括：在基板上形成第一金属电极；及在处理腔室中将第一金属电极暴露于含氮等离子体。第一金属电极的一部分被转化成具有大于4.33eV的功函数的氮化物。氮化物在范围为约20摄氏度至约200摄氏度的温度下形成。方法还包括：在处理腔室中在氮化物上形成高K介电层；及在高K介电层上形成第二金属电极。
在另一个实施方式中，一种方法包括：在基板上形成第一金属电极；及在处理腔室中将第一金属电极暴露于含氮等离子体。维持基板在范围为约50摄氏度至约180摄氏度的温度下，并且将第一金属电极的一部分转化为氮化物。方法还包括：在处理腔室中在氮化物上形成高K介电层；及在高K介电层上形成第二金属电极。
附图说明
以上简要概述本公开内容的上述详述特征可以被详细理解的方式、以及对公开内容的更特定描述，可通过参照实施方式来获得，其中一些实施方式绘示于附图中。然而，应注意，附图仅绘示了本公开内容的典型的实施方式并因此不应视为对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可允许其他等同有效实施方式。
图1是根据本公开内容的一个实施方式的可用于处理金属层的处理腔室的横截面图。
图2是根据本公开内容的一个实施方式的可用于处理金属层的处理腔室的横截面图。
图3是根据本公开内容的一个实施方式的用于形成MIM电容器的方法的流程图。
图4A至图4D图示在图3的方法的不同阶段期间的MIM电容器的示意性横截面图。
为了便于理解，已经尽可能地使用相同的附图标号标示各图共通的相同元件。考虑到，一个实施方式的元件和特征在没有进一步描述下可有益地并入其他实施方式。
具体实施方式
本公开内容的实施方式总体涉及一种形成用于显示应用的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器的方法。所述方法包括：在基板上方形成金属电极；及在处理腔室中将所述金属电极暴露于含氮等离子体。在将所述金属电极暴露于所述含氮等离子体时，维持所述基板在范围为约20摄氏度至约200摄氏度的温度，这将所述金属电极的表面转化为氮化物。所述方法还包括在同一处理腔室中在所述金属电极的氮化物表面上形成高K介电层。通过对所述金属电极的等离子体处理，减少了所述MIM电容器的漏电流并改进了所述MIM电容器的击穿场。
本文所使用的术语“在……上方”、“在……下方”、“在……之间”和“在……上”是指一个层相对于其他层的相对位置。由此，例如，设置在另一个层上方或下方的一个层可与另一个层直接地接触，或者可具有一个或多个中间层。此外，设置在各层之间的一个层可与两个层直接地接触，或者可具有一个或多个中间层。相比之下，“在”第二层“上”的第一层与第二层接触。另外地，假设相对于基板执行操作而不考虑基板的绝对取向，提供一个层相对于其他层的相对位置。
图1是化学气相沉积(CVD)处理腔室100的一个实施方式的示意性横截面图，该CVD处理腔室可用于执行本文所讨论的实施方式。在腔室100内，可用含氮等离子体或含氧等离子体处理金属电极。另外地或替代地，可在处理过的金属电极上沉积高K介电层，诸如ZrO2层。一种合适的CVD处理腔室，诸如等离子体增强CVD(PECVD)处理腔室，可从位于加利福尼亚州圣克拉拉市应用材料公司(Applied Materials,Inc.,located in Santa Clara,CA)获得。设想的是，可利用包括来自其他制造商的那些沉积腔室的其他沉积腔室来实践本公开内容。
腔室100一般包括一个或多个壁142、底部104和盖112，它们限定工艺容积106。气体分配板110和基板支撑组件130设置在工艺容积106内。工艺容积106通过穿过壁142形成的狭缝阀开口108进入，使得基板102可被传送进出腔室100。
基板支撑组件130包括基板接收表面132以用于支撑基板102。杆134将基板支撑组件130耦接到升降系统136，该升降系统使基板支撑组件130在基板传送与处理位置之间升高和降低。阴影框架133可任选地在处理期间放置在基板102的周边上方，以防止在基板102的边缘上发生沉积。升降杆138可移动地设置成穿过基板支撑组件130并经调适以将基板102与基板接收表面132间隔开。基板支撑组件130还可包括加热和/或冷却元件139，该加热和/或冷却元件用于维持基板支撑组件130处于预确定的温度，诸如约200摄氏度或更低，例如在约20摄氏度至约200摄氏度之间，或在约50摄氏度至约180摄氏度之间。在一个实施方式中，在处理期间，基板支撑组件130维持在约100摄氏度至约150摄氏度之间。
基板支撑组件130还可包括接地条带131以在基板支撑组件130的周边周围提供RF返回路径。
气体分配板110在其周边通过悬架114耦接到腔室100的盖112或壁142。气体分配板110还可通过一个或多个中心支撑件116耦接到盖112以帮助防止下垂和/或控制气体分配板110的直度/曲率。设想的是，可利用一个或多个中心支撑件116。气体分配板110可具有不同尺寸的不同配置。气体分配板110具有下游表面150。多个孔111穿过气体分配板110形成。下游表面150面对设置在基板支撑组件130上的基板102的上表面118。孔111可具有不同形状、数量、密度、尺寸和跨气体分配板110的分布。在一个实施方式中，孔111的直径可被选择为在约0.01英寸与约1英寸之间。
气源120耦接到盖112，以使一种或多种气体穿过盖112并然后穿过形成在气体分配板110中的孔111到达工艺容积106。气源120可为含氮气源。真空泵109耦接到腔室100以维持工艺容积106中的气体处于预确定的压力。
RF功率源122耦接到盖112和/或气体分配板110以提供RF功率，该RF功率在气体分配板110与基板支撑组件130之间形成电场，使得等离子体可在气体分配板110与基板支撑组件130之间由一种或多种气体(诸如含氮气体)生成。可在各种RF频率下施加RF功率。例如，可在约0.3MHz与约200MHz之间的频率下施加RF功率。在一个实施方式中，在13.56MHz的频率下提供RF功率。
远程等离子体源124，诸如电感耦合的远程等离子体源，也可耦接在气源120与气体分配板110之间。在处理基板的步骤之间，清洁气体可在远程等离子体源124中被激励以远程地提供用于清洁腔室部件的等离子体。进入工艺容积106的清洁气体可通过由功率源122提供到气体分配板110的RF功率进一步激发。合适的清洁气体包括但不限于NF3、F2和SF6。
在一个实施方式中，可在腔室100中处理的基板102可具有10,000cm2或更大、诸如25,000cm2或更大、例如约55,000cm2或更大的表面积。应理解，在处理之后，可切割基板以形成更小的其他器件。
图2是可用于实践本文所讨论的实施方式的原子层沉积(ALD)腔室200的示意性横截面图。可在腔室200内用含氮等离子体或含氧等离子体处理金属电极。另外地或替代地，可在处理过的金属电极上沉积高K介电层，诸如ZrO2层。在一个实施方式中，ALD腔室200为等离子体增强ALD(PE-ALD)腔室。腔室200一般包括腔室主体202、盖组件204、基板支撑组件206和工艺配件250。盖组件204设置在腔室主体202上，并且基板支撑组件206至少部分地设置在腔室主体202内。腔室主体202包括狭缝阀开口208，该狭缝阀开口形成腔室主体202的侧壁中以提供通向处理腔室的内部的通路。在一些实施方式中，腔室主体202包括与真空系统(例如，真空泵)流体连通的一个或多个孔。孔为腔室200内的气体提供了出口。盖组件204包括一个或多个差动泵和净化组件220。差动泵和净化组件220用波纹管222安装到盖组件204。波纹管222允许泵和净化组件220相对于盖组件204竖直地移动，同时仍保持密封以防止气体泄漏。当工艺配件250升高到处理位置时，工艺配件250上的第一密封件286和第二密封件288与差动泵和净化组件220接触。差动泵和净化组件220与真空系统(未示出)连接并保持在低压下。
如图2所示，盖组件204包括RF阴极210，该RF阴极可在腔室200内和/或在工艺配件250内生成活性物质的等离子体。RF阴极210可通过电加热元件(未示出)加热和通过冷却流体的循环冷却。可使用能够将气体激活成活性物质并保持活性物质的等离子体的任何功率源。例如，可使用基于RF或微波(MW)的功率放电技术。激活还可通过基于热的技术、气体分解技术、高强度光源(例如，UV能量)或暴露于x射线源生成。
基板支撑组件206可至少部分地设置在腔室主体202内。基板支撑组件206包括基板支撑构件或基座230以支撑基板102来在腔室主体内进行处理。基座230通过延伸穿过形成在腔室主体202的底表面中的一个或多个开口226的轴224或数个轴224耦接到基板升降机构(未示出)。基板升降机构通过波纹管228柔性地密封到腔室主体202以防止轴224四周发生真空泄漏。基板升降机构允许基座230在腔室200内在所示的下部机器人进入位置与处理位置、工艺配件传送位置和基板传送位置之间竖直地移动。在一些实施方式中，基板升降机构在比所述的位置更少的位置之间移动。
如图2所示，基座230包括穿过基座234的一个或多个孔口230以容纳一个或多个升降杆236。每个升降杆236被安装成使得升降杆236可在孔口234内自由地滑动。支撑组件206可移动以使得当支撑组件206处于下部位置时，升降杆236的上表面可位于基座230的基板支撑表面238上方。相反地，当支撑组件206处于升高位置时，升降杆236的上表面位于基座230的上部基板支撑表面238下方或基本上与之齐平。当接触腔室主体202时，升降杆236推靠在基板102的下表面上，从而提升基板离开基座230。相反地，基座230可将基板102从升降杆236升起。
在一些实施方式中，可使用真空吸盘(未示出)、静电吸盘(未示出)或机械夹具(未示出)将基板102固定到基座230。基座230的温度可在ALD腔室200中的处理期间(通过例如工艺处理)经控制以影响基板102和工艺配件250的温度，用以改进处理的执行。基座230可通过例如基座230内的电加热元件(未示出)加热。基座230的温度可由腔室200中的高温计(未示出)确定。
在一些实施方式中，基座230包括工艺配件绝缘按钮237，工艺配件绝缘按钮可包括一个或多个密封件239。工艺配件绝缘按钮237可用于在基座230上承载工艺配件250。当基座将工艺配件250提升到处理位置中时，工艺配件绝缘按钮237中的一个或多个密封件239就被压缩。
图3是根据本公开内容的一个实施方式的用于形成MIM电容器的方法300的流程图。图4A至图4D图示在图3的方法300的不同阶段期间的MIM电容器的示意性横截面图。方法300在操作302处通过在基板400上形成第一金属电极402开始，如图4A所示。基板400可为图1和图2中所示的基板102。基板400可具有先前在其上形成的膜、结构或层的不同组合，以促成在基板400上形成不同器件结构或不同膜堆叠。基板400可为玻璃基板、塑料基板、聚合物基板、卷对卷基板或适于在其上形成薄膜晶体管以供显示应用的其它合适的透明基板中的任一种。第一金属电极402可由任何合适的金属制成，所述金属诸如钛(Ti)或钼(Mo)。在一些实施方式中，第一金属电极402是包括两个或更多个金属层的多层堆叠，所述金属层诸如第一Ti层、设置在第一Ti层上的铝(Al)层和设置在Al层上的第二Ti层。第一金属电极402可通过任何合适的方法来形成在基板400上。在一个实施方式中，第一金属电极402通过物理气相沉积(PVD)工艺沉积在基板400上。如图4A所示，第一金属电极402具有范围为约500埃至约5000埃的厚度t1。
在操作304处，将第一金属电极402暴露于含氮等离子体，如图4B所示。含氮等离子体中的诸如氮自由基的活性物质使金属电极402的表面改性并将金属电极402的表面转化为氮化物404。在一个实施方式中，氮化物404为氮化钛或氮化钼。在另一个实施方式中，金属电极402包括在其上形成的天然氧化物(未示出)，并且含氮等离子体中的活性物质将天然氧化物表面转化为氧氮化物。例如，氮化物404是氧氮化钛。
将包括在其上形成的第一金属电极402的基板400放置在处理腔室中，诸如图1中所示的腔室100或图2中所示的腔室200。在一个实施方式中，通过将气体引入处理腔室并激发该气体来形成含氮等离子体。气体可为含氮气体，诸如氨(NH3)。气体是不含氧的。气体不含氧，因为第一金属电极402的任何氧化都可能会导致电容器性能下降。含氮等离子体可为电容耦合、电感耦合或微波感应的。在暴露于含氮等离子体期间，维持基板400在范围为约20摄氏度至约200摄氏度的温度。由于基板400由玻璃或聚合物制成，因此高于200摄氏度的任何温度都可能会损坏基板400。在一个实施方式中，基板的温度维持在约50摄氏度至约180摄氏度，诸如约100摄氏度至约150摄氏度。换句话说，在从约20摄氏度至约200摄氏度、诸如从约50摄氏度至约180摄氏度、例如从约100摄氏度至约150摄氏度的温度下形成氮化物404。将第一金属电极402暴露于含氮等离子体达从约30秒至约10分钟、诸如从约1分钟至约5分钟的持续时间。
氮化物404具有范围为约10埃至约50埃的厚度t2。剩余的第一金属电极402具有范围为约450埃至约4990埃的厚度t3。由于氮化物404是从第一金属电极402的一部分转化的，因此厚度t2和t3的和等于厚度t1，如图4B所示。在一些实施方式中，厚度t2和t3的和不同于厚度t1。通过将第一金属电极402的一部分转化成氮化物404，因为氮化物404的功函数大于第一金属电极402的功函数，所以功函数增大。例如，第一金属功电极402由功函数为4.33eV的Ti制成，并且氮化物404是功函数大于4.33eV、诸如是4.75eV的氮化钛。
接下来，在操作306处，在氮化物404上形成高K介电层406，如图4C所示。高K介电层406由K值为20或更高的任何合适的介电材料制成，所述介电材料诸如ZrO2、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)或二氧化铪(HfO2)。在一些实施方式中，高K介电层406是包括至少一层高K介电材料的多层堆叠。在一个实施方式中，高K介电层406包括ZrO2层和氮化硅(SiN)层。在另一个实施方式中，高K介电层406包括夹在两个介电层之间的高K介电材料层。形成在氮化物404上的高K介电层406具有范围为约20至约50的K值。高K介电层406具有范围为约250埃至约900埃的厚度。在一个实施方式中，在与将第一金属电极402暴露于含氮等离子体或含氧等离子体所在腔室相同的腔室中，沉积高K介电层406。在一个实施方式中，腔室为PE-ALD腔室，诸如图2中所示的腔室200。在一个实施方式中，用于沉积高K介电层406的前驱物包括含锆前驱物和含氧前驱物。合适的含锆前驱物包括锆有机金属前驱物，诸如四(乙基甲基氨基)锆(TEMAZ)、三(二甲基氨基)环戊二烯基锆(C5H5)Zr[N(CH3)2]3或类似物。合适的含氧前驱物包括H2O、O2、O3、H2O2、CO2、NO2、N2O等。在另一个实施方式中，腔室是PECVD腔室，诸如图1中所示的腔室100。
在操作308处，在高K介电层406上形成第二金属电极408，如图4D所示。第二金属电极408可由或可不由与第一金属电极402相同的材料制成。可通过与第一金属电极402相同的沉积工艺来沉积第二金属电极408。可在形成第二金属电极408之后执行后金属化退火工艺。
通过用含氮等离子体处理MIM电容器的第一金属电极，减少了MIM电容器的漏电流并改进了MIM电容器的击穿场。此外，高K介电层的K值不受第一金属电极的等离子体处理的影响。
尽管前述内容针对本公开内容的实施方式，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下，可设计其他和进一步的实施方式，并且本发明的范围由随附的权利要求书确定。