CN1223470A - 半导体器件 - Google Patents
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Abstract
半导体器件含有:一硅基底;其中的一MOS半导体器件,该器件最外层表面上有一硅化物区;一覆盖该器件的第一绝缘膜;一在第一绝缘膜上的电容器元件,该元件包含一下电极、一上电极和一设置在下电极和上电极间的电容膜,该膜包含铁电材料;一覆盖了第一绝缘膜和电容器元件的第二绝缘膜;一在第一绝缘膜和第二绝缘膜中的接触孔;一第二绝缘膜上的互连层,该层使MOS器件与电容器元件电连接,互连层的底部包含除了钛以外的一种导电材料。
Description
本发明涉及一种含有一个MOS(金属氧化物半导体)，半导体器件和一个电容器元件的半导体器件，其中的电容器元件含有一个由具有高介电常数的高介电材料或铁电材料所组成的电容薄膜。
现在将说明一种普通半导体器件1000及其制作方法。
图5是说明该半导体器件1000的截面图。
参见图5，在一个硅基底1上形成有一个CMOS(互补型MOS)晶体管5。CMOS晶体管5含有源区和漏区2和3、一个门极绝缘膜44和一个门极4。源区和漏区2和3以及门极4都由硅组成。在一个氧化物膜6(它形成在硅基底1上)和CMOS晶体管5上形成有一个第一绝缘膜7。第一绝缘膜7具有层状结构，包括一个氧化硅膜和一个氮化硅膜。
在第一绝缘膜7的一个预定位置上形成有一个电容器元件11。电容器元件11含有一个下电极8和一个上电极9，它们都由铂膜做成，在下电极8和上电极9之间还夹有一个由绝缘的金属氧化物所组成的电容膜10。用铂作为制作下电极8和上电极9的材料的原因是，即使在热处理过程中铂也不会与含在电容膜10内的金属氧化物发生反应，而且铂的抗热性特别好。
在第一绝缘膜7和电容器元件11上设置有一个由氧化硅膜组成的第二绝缘膜12。穿过第二绝缘膜12开设了两个接触孔13，分别达到下电极8和上电极9。此外，穿过第一绝缘膜7和第二绝缘膜12还开设了两个接触孔14，分别达到源区和漏区2和3。虽然图中没有示出，不过还开设了一个达到门极4的接触孔。
CMOS晶体管5和电容器元件11由一个互连层15互相连接。互连层15是一个多层膜，在硅基底1上方，自下而上依次包括一个钛层、一个氮化钛层、一个铝层和另一个氮化钛层。在互连层15中，钛层设置得最靠近硅基底1或CMOS晶体管5，使钛能够扩散到CMOS晶体管5的源区和漏区2和3以及门极4的表面内，由此在这些表面中形成低电阻的硅化物。
下面将说明制作普通半导体器件1000的一种方法。
图6A至6E分别示出制作普通半导体器件1000的各个制作步骤。
首先，如图6A所示，在硅基底1上形成CMOS晶体管5，其中包括都是用硅做成的源区和漏区2和3以及门极4。门极4实际上设置在门极绝缘膜44上。接着，如图6B所示，在CMOS晶体管5和形成在硅基底1上的氧化膜6上形成第一绝缘膜7。在第一绝缘膜7上依次形成一个第一铂层8a、一个铁电膜10a和一个第二铂层9a。然后，如图6C所示，对第一铂层8a、铁电膜10a和第二铂层9a进行选择性蚀刻，形成具有下电极8、电容膜10和上电极9的电容器元件11。
接着，如图6D所示，形成覆盖了第一绝缘膜7和电容器元件11的第二绝缘膜12，并穿过第二绝缘膜12开设两个接触孔13，分别达到下电极8和上电极9。此外，穿过第二绝缘级膜12和第一绝缘膜7开设两个接触孔14，分别达到CMOS晶体管5的源区和漏区2和3。虽然图中没有示出，但还开设了另一个达到门极4的接触孔。
最后，如图6E所示，为了使CMOS晶体管5、电容器元件11和其他一些未示出的半导体元件互相发生电接触，在整个基底面积范围内依次形成一个钛膜、一个氮化钛膜、一个铝膜和另一个氮化钛膜，然后对这4层膜进行选择性蚀刻，形成互连层15。虽然图中没有示出，但互连层15也与门极4相连接。接着用通常方法进行随后的一些处理，以完成半导体器件1000。
本发明的一种半导体器件包括：一个硅基底；一个设置在硅基底上的MOS半导体器件，该MOS半导体器件在其一个最外层的表面上有一个硅化物区；一个覆盖了MOS半导体器件的第一绝缘膜；一个设置在第一绝缘膜上的电容器元件，该电容器元件含有一个下电极、一个上电极、以及一个夹在下电极和上电极之间的电容膜；并且该电容膜含有铁电材料；一个覆盖了第一绝缘膜和电容器元件的第二绝缘膜；设置在MOS半导体器件和电容器元件的上方的第一绝缘膜和第二绝膜中的接触孔；以及一个设置在第二绝缘膜上的互连层，它用来使MOS半导体器件与电容器元件发生电连接，其中该互连层的底部含有除了钛以外的导电材料。
硅化物区可以含有下述材料中的一种：硅化肽、硅化钴、硅化铬、硅化钼、硅化钨、硅化钽、硅化钯、硅化铂、硅化钒和硅化锆。
互连层可以是下述各种多层结构中的一种：硅基底上方自下而上依次包含一个氮化钛层、一个铝层和一个氮化钛层的多层结构；硅基底上方自下而上依次包含一个氮化钨层、一个铝层和一个氮化钛层的多层结构；硅基底上方自下而上依次包含一个氮化钽层、一个铝层和一个氮化钛层的多层结构；以及，硅基底上方自下而上依次包含一个氮化钨层、一个铝层和一个氮化钛层的多层结构。
上电极可以含有一个氧化铱层。
这样，这里所说明的本发明使得有可能具有可提供这样一种半导体器件的优点，在这种半导体器件中，利用一个位于MOS半导体元件与电容器元件之间的互连层以低电阻把这两个元件电连接起来，该互连层的底部没有加钛，因此防止了电容器元件的特性受到损害。
熟悉本技术领域的人们在阅读和理解了下面参考附图所作的详细说明之后，本发明的这个优点和其他优点将变得明显。
图1是说明根据本发明一个例子的半导体器件的截面图；
图2是示出普通半导体器件和根据本发明例子的半导体器件的击穿电压的图；
图3是示出普通半导体器件和根据本发明例子的半导体器件的数据保持时间的图。
图4A至4E是说明制作根据本发明例子的半导体器件的各个制作步骤的图；
图5是说明普通半导体器件的截面图；以及
图6A至6E是说明制作普通半导体器件的各个制作步骤的图。
在上述的普通半导体器件1000中，铂膜上电极9通常是用溅射法形成的，因此上电极9具有柱状结晶结构。典型地，在形成了互连层15之后半导体器件1000将要经过热处理，以改善电容器元件11的特性和得到CMOS晶体管5与互连层15之间的良好接触电阻。
然而，本发明的发明人已经发现，在这样的处理中，热处理会使互连层15中的钛通过铂膜的柱状结晶结构的颗粒边界扩散到电容膜10，从而与电容膜10发生反应。这将损害电容器元件11的特性。
本发明就是为了克服上述缺点而提出的，在提出本发明的过程中，发明人重新确认了以往技术的上述缺点。
现在将参考图1至4E说明本发明的一个例子。
图1是说明根据本发明一个例子的一个半导体器件100的截面图。
参见图1，在硅基底1上形成有一个CMOS晶体管5。该CMOS晶体管5含有：源区和漏区2和3、门极绝缘膜44和门极4。不同于普通半导体器件1000的CMOS晶体管5的是，分别在源区和漏区2和3的表面上以自对准的方式形成了低电阻的硅化钛区2a和3a。可以在门极4的表面上形成另一个硅化物区。
在形成于硅基底1上的氧化膜6的上方形成有第一绝缘膜7。第一绝缘膜7个有层状结构，其中包括一个氧化硅膜和一个氮化硅膜。电容器元件11形成在第一绝缘膜7的一个预定位置中。电容器元件11包括下电极8、上电极9和电容膜10，电容膜10由一种绝缘的金属氧化物组成，位于下电极8与上电极9之间。由于铂即使在热处理过程中也不会与含在电容膜10内的金属氧化物发生反应，而且铂的抗热性特别好，所以下电极8和上电极9最好由铂膜做成。
作为电容膜10的一种铁电材料，例如可以使用具有铋分层钙钛矿(perovskite)结构的绝缘金属氧化物。虽然通常把锆钛酸铝、钛酸钡之类用作铁电材料，但上述具有铋分层钙钛矿结构的铁电材料在电荷保持性质和极化反转性质方面要比其它铁电材料优越得多。所以通过使用这样的铁电材料有可能制作出高性能的存储器件。
在第一绝缘膜7和电容器元件11上方设置有由氧化硅膜组成的第二绝缘膜12。开设了穿过第二绝缘膜12并达到下电极8和上电极9的两个接触孔13。开设了穿过第一绝缘膜7和第二绝缘膜12并达到源区和漏区2和3的两个接触孔14。
CMOS晶体管5与电容器元件11由一个互连层25互相连接。互连层25是一个多层膜，许多层膜在硅基底1的上方，自下而上依次包含一个氮化钛层、一个铝层和另一个氮化钛层。
由于CMOS晶体管5的源区和漏区2和3的一个最外层表面是由一种硅化物组成的，所以不需要利用互连层25底部中的钛就能够在互连层25与CMOS晶体管5之间提供良好的电接触。在普通技术中，为了使钛扩散到硅中以形成一个硅化物区，必须在互连层15的底部形成一个钛层。反之，在本发明的上述半导体器件100中，为了上述目的没有必要在互连层25的底部提供钛。其优点就是有可能防止电容膜10的特性受损，否则，由于钛穿过上电极9而扩散到电容膜10中，将会使电容膜10的特性受损。
此外，由于不涉及到扩散处理，所以硅化物区2a和3a可以稳定地保持为设计的构形。
图2是说明普通半导体器件100和根据本发明例子的半导体器件100的击穿电压的图。从图2明显可以看出，本发明使半导体器件的击穿电压从约20V提高到约40V(约改善为2倍)。
图3是说明普通半导体器件1000和根据本发明例子的半导体器件100的数据保持时间的图。从图3明显可以看出，本发明使半导体器件的数据保持时间从约1年提高到约10年(约改善为10倍)。
现在将说明一种制作根据本发明例子的半导体器件100的方法。
图4A至4E分别说明制作半导体器件100的各个制作步骤。
首先，如图4A所示，在硅基底1上形成CMOS晶体管5。CMOS晶体管5含有源区和漏区2和3以及门极4，它们的最外层表面都是硅。门极4实际上形成在例如由氧化硅层组成的门极绝缘膜44上。然后以自对准方式分别在源区和漏区2和3的表面上形成低电阻的硅化钛区2a和3a。硅化物区2a和3a各自的厚度典型地在约40nm至约80nm的范围内，例如为约50nm。
接着，如图4B所示，在CMOS晶体管5和形成于硅基底1上的氧化物膜6的上方形成第一绝缘膜7。在第一绝缘膜7上依次形成第一铂层8a、铁电膜10a和第二铂层9a。然后，如图4C所示，对第一铂层8a、铁电膜10a和第二铂层9a进行选择性蚀刻，以形成具有下电极8、电容膜10和上电极9的电容器元件11。
接着，如图4D所示，形成覆盖了第一绝缘膜7和电容器元件11的第二绝缘膜12。然后，开设穿过第二绝缘膜12并分别达到下电极8和上电极9的两个接触孔13。此外，还开设穿过第二绝缘膜12和第一绝缘膜7并分别达到CMOS晶体管5的源区和漏区2和3的两个接触孔14。
最后，如图4E所示，为了使CMOS晶体管5、电容器元件11和一些未示出的其他半导体元件互相发生电连接，在整个基底面的上方自下而上依次地形成一个氮化钛膜、一个铝膜、和另一个氮化钛膜。为了完成半导体器件100，用普通方法进行后面的一些处理。
虽然图中没有示出，但例如可以借助于又一个接触孔使互连层25设置得也与门极4连接起来。
互连层25可以是：硅基底1上方自下而上依次含有一个氮化钨层、一个铝层和一个氮化钛层的多层膜；硅基底1上方自下而上依次含有一个氮化钽层、一个铝层和一个氮化钛层的多层膜；或者，硅基底1上方自下而上依次含有一个氮化钨层、一个铝层和一个氮化钛层的多层膜。
硅化钛区2a和3a可以替代以用下列材料之一形成；硅化钴、硅化铬、硅化钼、硅化钨、硅化钽、硅化钯、硅化铂、硅化钡、或硅化锆。
此外，如前所述，还可以在门极4的表面上形成另一个硅化物区。
电容器元件11的下电极8和上电极9可以用互相不同的材料形成，或以互相不同的分层结构形成。此外，上电极9和下电极8中的至少一个电极，例如上电极9，可以含有氧化铱。在电极8和9中可以含有一个铱层。
任何本技术领域所已知的适当处理技术都可以用来形成半导体器件100的上述结构中的各个层，或者用来进行蚀刻。
虽然在上述例子中说明的是带有一个CMOS晶体管的半导体器件，但应该看到，该晶体管也可以代之以一个普通的MOS晶体管。
如上所述，在本发明的半导体器件中，在互连层的底部没有用到钛，因此有可能防止否则会因钛扩散到电容膜中而造成的电容膜特性损害。所以，有可能得到一个带有具有极佳特性的电容器元件的半导体器件。
熟悉本技术领域的人们可以在不偏离本发明范畴和精神的情况下明显地看到并容易地实现各种其他的修改。所以不希望把下面所附权利要求的范畴限制在上面给出的说明的范围内，而希望能广义地理解这些权利要求。
Claims (4)
1、一种半导体器件，它包括：
一个硅基底；
一个设置在硅基底上的MOS半导体器件，该MOS半导体器件在其一个最外层表面上含有一个硅化物区；
一个覆盖了MOS半导体器件的第一绝缘膜；
一个设置在第一绝缘膜上的电容器元件，该电容器元件含有一个下电极、一个上电极、和一个设置在下电极和上电极之间的电容膜，该电容膜包含一种铁电材料；
一个覆盖了第一绝缘膜和电容器元件的第二绝缘膜；
一个设置在MOS半导体器件和电容器元件上方的第一绝缘膜和第二绝缘膜中的接触孔；以及
一个设置在第二绝缘膜上的互连层，它用来使MOS半导体器件与电容器元件互相发生电连接，其中互连层的底部含有除了钛之外的一种导电材料。
2、根据权利要求1的半导体器件，其中的硅化物区包括下述各硅化物之一：硅化钛、硅化钴、硅化铬、硅化钼、硅化钨、硅化钽、硅化钯、硅化铂、硅化钒、和硅化锆。
3、根据权利要求1的半导体器件，其中的互连层包括下述各种多层结构之一：硅基底上方自下而上依次含有一个氮化钛层、一个铝层和一个氮化钛层的多层结构；硅基底上方自下而上依次含有一个氮化钨层、一个铝层和一个氮化钛层的多层结构；硅基底上方自下而上依次含有一个氮化钽层、一个铝层和一个氮化钛层的多层结构；以及硅基底上方自下而上依次含有一个氮化钨层、一个铝层和一个氮化钛层的多层结构。
4、根据权利要求1的半导体器件，其中的上电极包括一个氧化铱层。
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