CN1116702C - 沟槽电容器的低阻硅化物填充物 - Google Patents
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Abstract
用难熔金属硅化物作为沟槽底部区中的沟槽电极元件的方法制造沟槽电容器。含有硅化物的沟槽电极呈现比相似尺寸的常规沟槽电极更小的串联电阻，从而能够降低基本尺寸存储器单元布局和/或降低单元存取时间。本发明的沟槽电容器特别适用于作为DRAM存储器单元的元件。
Description
本发明涉及到集成电路器件的沟槽电容器，特别是用于动态随机存取存储器(DRAM)单元的电容器以及含有这种电容器的新型存储器件的制造和设计。
通常，诸如动态随机存取存储器(DRAM)单元之类的半导体存储器件包含多个用来存储大量信息的存储器单元。每个存储器单元通常包括用来存储电荷的电容器和用来开启和关闭电容器的充电和放电路径的场效应晶体管(FET)。DRAM集成电路芯片的单元数目(以及相应的存储器容量的位数)一直以每三年提高大约四倍的速度而增加；借助于减小存储器单元的尺寸而做到了这一点。不幸的是，较小的单元尺寸也导致用以制造电容器的面积更小。
而且，随着DRAM单元的尺度一代一代地下降，深沟槽存储电容器的截面面积，在沟槽深度保持大致恒定的情况下，反比于基本尺度的平方而减小。沟槽几何形状的这一改变导致由深沟槽中所含有的多晶硅电极所贡献的串联电阻大幅度增大。这一增大的电阻反过来可能有害地限制相应存储器单元的存取速度。
降低DRAM沟槽电容器串联电阻的一种方法是提高深沟槽多晶硅的掺杂浓度。但此方法只勉强地降低串联电阻，因而在尺度降低了的DRAM单元的制造中的适用性很有限。
于是，一直希望有一种能够更有效地解决沟槽电容器和含有这种电容器的器件(例如DRAM芯片)中的串联电阻问题的新的制造工艺和/或设计。
本发明提供了沟槽电容器结构和制造沟槽电容器的方法，其中对于给定的沟槽几何形状，深沟槽电极的分布串联电阻被显著地降低了。
本发明提供了沟槽电容器结构和制造沟槽电容器的方法，其中对于给定的沟槽几何形状，深沟槽电极的串联电容被显著地提高了。
本发明的另一目的是提供一种能够用于常规DRAM和新型存储器单元器件的沟槽电容器结构。
在一种情况下，本发明包含一种工艺，其中在沟槽电容器的底部沟槽区制作难熔金属硅化物材料。沟槽最好是瓶状的。本发明的工艺最好包含：
(a)填充半导体衬底中的存储沟槽，此沟槽具有窄的顶部区和宽的底部区，而多晶硅层在沟槽的宽的底部区留下空洞；
(b)对步骤(a)制得的结构进行整平；
(c)对沟槽的窄的顶部区中的多晶硅层开凹槽，使沟槽的宽的底部区中的空洞暴露；
(d)在包括所述窄的顶部区和所述宽的底部区的所述瓶状存储沟槽上，制作共形难熔金属层；
(e)在所述沟槽的所述宽的底部区中，制作难熔金属硅化物层；
(f)从所述沟槽的所述窄的顶部区腐蚀所述共形难熔金属层；
(g)用多晶硅填充所述沟槽；以及
(h)对步骤(g)制得的结构进行整平。
最好用能够将制作在所述沟槽的宽的底部区中的难熔金属转换成低阻难熔金属硅化物的选择性反应来执行步骤(e)。
本发明的另一种情况涉及到在沟槽中具有硅化物的沟槽电容器结构。本发明的电容器结构可很好地用作DRAM存储器单元的存储电容器。本发明的电容器结构最好包含具有窄的顶部区和宽的底部区的存储沟槽，其中宽的底部区包含其上制作有难熔金属硅化物层的多晶硅外层和多晶硅内层。存储沟槽最好是瓶状的。
本发明的又一种情况的目的在于新型的存储器单元器件，其中至少包含本发明的DRAM单元电容器作为其元件之一。
下面更详细地描述本发明的这些和其它的情况。
图1(a)-(g)是用本发明的工艺步骤制作的含有难熔金属硅化物的瓶状存储沟槽电容器结构的剖面图。
图2是能够由图1(g)所示的电容器结构制造的新型存储器单元器件的剖面图。
下面参照本申请的附图来更详细地描述本发明。应该理解的是，本发明不局限于附图中所示的具体结构。虽然附图示出的是瓶状沟槽，但如下面所述，本发明也可以用其它形状的沟槽和利用其它空洞制作方法来实施。还应该理解的是，本发明不局限于使用任何具体的掺杂剂，只要为各种组分所选择的掺杂剂类型与所希望的器件电学运行一致即可。
图1(a)-(g)示出了用于本发明的制造本发明的DRAM单元电容器结构的各种工艺步骤。具体地说，图1(a)示出了用于本发明步骤(a)中的初始瓶状沟槽结构10的剖面图。图1(a)所示的瓶状沟槽结构包含最好具有轻掺杂外延区14和一个或更多个衬垫介质层24的半导体衬底12。衬垫介质层(通常是氮化硅)在用来制作沟槽16的腐蚀工序中被用作保护层。沟槽16最好具有窄的顶部区16a和宽的底部区16b。在某些情况下，在半导体衬底12与衬垫介质层24之间制作氧化物薄层可能是可取的。
可以用包括但不局限于Si、Ge、GaP、InAs、InP、SiGe、GaAs、或其它III/V族化合物的任何一种常规半导体材料来制作半导体衬底12。在这些半导体材料中，最好用Si来组成半导体衬底12。
在宽的底部沟槽区16b处示出了掩埋的平板外扩散区18和节点介质层20。窄的顶部区16a最好含有可以用硅的局部氧化(LOCOS)或其它方法制作的氧化物颈圈22。
图1(a)所示的初始瓶状结构是用本技术领域熟练人员熟知的常规方法制造的。例如，可以用授予Lu的No.4649625、授予Raieevakumar的No.5658816和授予Rajeevakumar的No.5692281等美国专利所公开的工艺，来制造图1(a)所示的瓶状结构，这些专利的内容在此处列为参考。可以用将导电类型恰当的掺杂剂扩散通过沟槽壁的任何一种常规方法来制作掩埋平板。例如可参见美国专利5395786所公开的方法，此处将其公开列为参考。
根据本发明，图1(a)所示的结构，确切地说是窄的顶部沟槽区16a和宽的底部沟槽区16b，在足以于宽的底部沟槽区16b中形成空洞28的淀积条件下，用多晶硅层26填充。然后整平多晶硅层26以提供图1(b)所示的结构。
图1(b)所示的多晶硅和空洞，是用诸如化学汽相淀积(CVD)或低压化学汽相淀积(LPCVD)之类的常规淀积方法制作在瓶状沟槽电容器结构的底部沟槽区中的。在这些淀积方法中，最好在本发明中用LPCVD来制作多晶硅层26和空洞28。淀积多晶硅层26和制作空洞28过程中所采用的淀积条件，可根据所用的具体方法和沟槽几何形状而改变。在大多数情况下，所用的淀积条件可能是通常用于多晶硅填充的那些条件。沟槽壁上多晶硅的淀积使窄区16a封闭，就可以导致空洞。若所选择的淀积条件不形成所希望的空洞，则可在多晶硅整平之后，利用美国专利5692281所述的腐蚀方法来制作或扩大空洞。
多晶硅可以用常规的整平方法来整平。例如，可以用化学机械抛光(CMP)或腐蚀来执行整平工序。
整平之后，最好如图1(c)所示，将多晶硅填充物26开凹槽，从而选择性地清除窄的顶部沟槽区16a中的多晶硅层26，以暴露宽的底部区16b中的空洞28。可以用任何一种常规的各向异性或各向同性腐蚀工艺来执行开凹槽步骤。作为变通，可以用各向异性和各向同性腐蚀的组合来将多晶硅26开凹槽。适当的腐蚀方法的例子包括离子增强腐蚀、离子感应腐蚀、等离子体腐蚀、反应离子刻蚀、反应离子束刻蚀、微波等离子体刻蚀、化学腐蚀之类的腐蚀方法。最好借助于采用氯或氟之类的卤素作为反应等离子气体的等离子体刻蚀工艺来执行开凹槽。假设先前制作的空洞28有足够的尺寸，所采用的开凹槽工艺最好不从沟槽的宽的底部区16b显著地清除多晶硅。如上所述，作为开凹槽步骤的一部分或在开凹槽步骤之后制作或扩大空洞的尺寸，可能是可取的。
在开凹槽之后，如图1(d)所示，淀积共形难熔金属层30。可以用能够形成共形层的任何一种常规淀积工艺来制作难熔金属层。适当的淀积方法的例子是CVD、溅射、电镀、无电镀之类的淀积工艺。最好用CVD方法来制作难熔金属层30。
各种各样的难熔金属都可以用来制作层30。适当的难熔金属的例子是在存在含硅的材料的情况下退火时能够形成金属硅化物的Ti、Ta、W、Co、Mo之类的难熔金属。于是例如，若制作Ti层，则下面讨论的退火条件能够将Ti转变成TiSix(最好是TiSi2)。
在淀积难熔金属层30之后，如图1(e)所示，利用在区域16b中的难熔金属与多晶硅界面处引起硅化物形成的退火方法，在宽的底部沟槽区16b中制作难熔金属硅化物层32。在窄的顶部沟槽区16a中最好不要形成难熔金属硅化物。借助于颈圈氧化物22，并在开凹槽步骤中从区域16a清除多晶硅，可以防止硅化物区域16a的形成。
本发明所采用的退火步骤最好在存在诸如氦、氮、氩或其混合物的非氧化气氛的情况下进行。退火步骤可以在大气压力或适当的真空下进行。退火最好在大约600-1000℃的温度下进行大约5秒钟至1小时。通常，对于较高的温度，使用较短的退火时间，而对于较低的退火温度通常采用较长的退火时间。在大约700-800℃的温度下，退火步骤进行大约10秒钟至60秒钟则更好。退火步骤可以在设定的温度下进行，也可以利用各种升温(ramp)和徐热(soak)循环，升温到所希望的温度。
用本发明的退火步骤制作的难熔金属硅化物最好具有约为15-150μΩcm的实测电阻率。在退火步骤中制作的难熔金属硅化物的电阻率约为15-25μΩcm则更好。
在沟槽结构的宽的底部区16b中制作所希望的难熔金属硅化物层32之后，清除顶部区16a中的残留难熔金属层30。得到的结构示于图1(f)。最好用对腐蚀难熔金属有很高的选择性的化学湿法腐蚀工艺来清除残留的层30。任何一种能够从电容器结构的顶部沟槽区清除难熔金属的化学腐蚀剂，都可以用于本发明。适当的化学腐蚀剂的例子是H2O2、HCl、HNO3、乙酸、铬酸、磷酸、硫酸、氢氧化铵之类的化学腐蚀剂。也可以使用这些化学腐蚀剂彼此混合或与水混合的混合物。H2O2是最好的化学腐蚀剂。
从沟槽结构的顶部区16a清除难熔金属30之后，利用上述任何一种制作多晶硅层26的淀积工艺，用额外的多晶硅34填充沟槽。然后用上述任何一种整平方法或等离子体腐蚀，整平电容器结构以提供图1(g)所示的电容器结构。
本发明的在沟槽的宽的底部区中含有难熔硅化物层32的电容器结构，比之其中不含有这种金属硅化物层的比较结构，具有显著降低了的串联电阻。通常，对于给定的沟槽几何形状/基本尺度，本发明能够降低深沟槽多晶硅所引起的串联电阻高达100倍。作为变通，本发明可以用来以更小的基本尺寸制造串联电阻与更大的电容器结构相似的电容器结构。
本发明的电容器结构可以用于图2所示的DRAM存储器单元中，或用于其它集成电路器件中。具体地说，图2中的存储器单元包含图1(g)所示的电容器结构以及n夹层区36、p阱48、浅沟槽隔离区38、掩埋条区42、阵列注入区40、栅导体区44和阵列导体区46。
可以用本发明的方法，结合制作浅沟槽隔离、栅导体区和其它存储器单元元件的其它制造步骤，来制造图2所示的存储器单元器件，这些其它制造步骤是本技术领域熟练人员所熟知的。在1998年2月4日公布的欧洲专利申请822599中描述了n夹层区的制作，此处列为参考。这些制造步骤的例子公开于上述专利文件中和/或本技术领域熟练人员早已熟知的其它地方。
除了存储器单元及其制造之外，本发明的电容器结构和制造方法还可以结合其它集成器件结构和器件制造方法而得到应用。
虽然根据最佳实施例对本发明进行了具体的描述，但本技术领域熟练人员可以理解，可以做出形式和细节方面的前述的和其它的改变而不超越本发明的构思与范围。
Claims (28)
1.一种在半导体衬底中制造沟槽电容器结构的方法，所述方法包含：
(a)提供半导体衬底，此衬底具有(i)具有窄的顶部区和宽的底部区的沟槽、(ii)在所述衬底中围绕所述宽的底部区的电极、以及(iii)在所述电极处顺着所述沟槽形成的与电极共形的节点介质层；
(b)用多晶硅层填充所述沟槽，使在所述沟槽的所述宽的底部区中留下空洞；
(c)整平步骤(b)得到的结构；
(d)清除所述沟槽的所述窄的顶部区中的多晶硅层，使所述沟槽的所述宽的底部区中的所述空洞暴露出来；
(e)在所述窄的顶部区和所述宽的底部区中制作与沟槽共形的难熔金属层；
(f)对所述结构进行退火，以便在所述沟槽结构的所述宽的底部区中形成难熔金属硅化物层；
(g)从所述沟槽的所述窄的顶部区清除所述共形难熔金属层；
(h)用多晶硅填充所述沟槽结构；以及
(i)整平从步骤(h)得到的结构。
2.权利要求1的方法，其中所述的半导体衬底是Si。
3.权利要求1的方法，其中所述的电极是外扩散掩埋平板。
4.权利要求1的方法，其中在步骤(b)之前，于所述沟槽的顶部区周围提供颈圈氧化物。
5.权利要求1的方法，其中步骤(b)用低压化学汽相淀积方法进行。
6.权利要求5的方法，其中所述空洞被步骤(b)中淀积的所述多晶硅完全覆盖。
7.权利要求1的方法，其中步骤(c)用化学机械抛光或腐蚀方法进行。
8.权利要求1的方法，其中所述清除步骤(d)包含用各向异性腐蚀、各向同性腐蚀或它们的组合来腐蚀所述多晶硅。
9.权利要求8的方法，其中所述腐蚀用离子增强腐蚀、离子感应腐蚀、等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、反应离子束刻蚀或微波等离子体刻蚀来执行。
10.权利要求1的方法，其中步骤(d)借助于采用卤素作为反应等离子体气体的等离子体刻蚀来进行。
11.权利要求1的方法，其中所述多晶硅在步骤(d)中被完全从所述窄的顶部区清除。
12.权利要求1的方法，其中步骤(e)用化学汽相淀积、溅射、电镀或无电镀来进行。
13.权利要求12的方法，其中步骤(e)用化学汽相淀积来进行。
14.权利要求1的方法，其中所述难熔金属选自Ta、W、Co、Ti和Mo构成的组中的难熔金属。
15.权利要求1的方法，其中所述退火在非氧化气氛中进行。
16.权利要求15的方法，其中所述退火在约为600-1000℃的温度下进行大约5秒钟到1小时。
17.权利要求16的方法，其中所述退火在约为700-800℃的温度下进行大约10-60秒钟。
18.权利要求1的方法，其中所述难熔金属硅化物的电阻率约为15-150μΩcm。
19.权利要求18的方法，其中所述难熔金属硅化物的电阻率约为15-25μΩcm。
20.权利要求1的方法，其中所述难熔金属在步骤(g)中被使用从H2O2、HCl、HNO3、乙酸、铬酸、磷酸、硫酸、氢氧化铵和它们的混合物构成的组中选择的化学腐蚀剂用湿法化学腐蚀清除。
21.一种半导体衬底中的电容器结构，所述电容器结构包含(i)具有窄的顶部区和宽的底部区的沟槽、(ii)在所述衬底中围绕所述宽的底部区的电极、(iii)在所述电极处顺着所述沟槽形成的与电极共形的节点介质层；以及(iv)在所述沟槽中的第二电极，所述宽的底部区中的所述第二电极包含所述节点介质层上的第一多晶硅层、所述第一多晶硅层上的难熔金属硅化物层和所述硅化物上的第二多晶硅层。
22.权利要求21的电容器结构，其中所述的半导体衬底是Si。
23.权利要求22的电容器结构，包含围绕所述窄的顶部沟槽区的颈圈氧化物。
24.权利要求21的电容器结构，其中所述难熔金属硅化物含有选自Ta、W、Co、Ti和Mo构成的组中的难熔金属。
25.权利要求21的电容器结构，其中所述难熔金属硅化物的电阻率约为15-150μΩcm。
26.权利要求25的电容器结构，其中所述难熔金属硅化物的电阻率约为15-25μΩcm。
27.一种包含沟槽电容器结构的存储器单元器件，所述电容器结构包含(i)具有窄的顶部区和宽的底部区的沟槽、(ii)在所述衬底中围绕所述宽的底部区的电极、(iii)在所述电极处顺着所述沟槽形成的与电极共形的节点介质层；以及(iv)在所述沟槽中的第二电极，所述宽的底部区中的所述第二电极包含所述节点介质层上的第一多晶硅层、所述第一多晶硅层上的难熔金属硅化物层和所述硅化物上的第二多晶硅层。
28.一种半导体衬底中的电容器结构，所述电容器结构包含(i)具有顶部区和底部区的沟槽、(ii)在所述衬底中围绕所述底部区的电极、(iii)在所述电极处顺着所述沟槽形成的共形节点介质层；以及(iv)在所述沟槽中的第二电极，所述底部区中的所述第二电极包含所述节点介质层上的第一多晶硅层、所述第一多晶硅层上的难熔金属硅化物层和所述硅化物上的第二多晶硅层。
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