CN1311531A - 具有钌电极的半导体存储器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于存储单元的半导体存储器,包括:一有源矩阵,该有源矩阵具有:一半导体衬底,形成于所述半导体衬底上的多个晶体管,一形成于所述晶体管和半导体衬底上的绝缘层,和一与所述晶体管电连接的接触孔;一形成于所述接触孔和绝缘层上的第一钌(Ru)层;以及一形成于所述第一钌层上的具有一粗糙表面的第二钌层。本发明还涉及此种采存储器的制造方法。

Description

具有钌电极的半导体存储器及其制造方法
本发明涉及一种半导体存储器，尤其涉及一种可获得大电容的具有一钌(Ru)电极的半导体存储器；还涉及一种制造该半导体存储器的方法。
众所周知，一种具有至少一个存储单元的动态随机存取存储器(DRAM)，其集成程度较高，主要是通过微粉化(micronization)而使其小型化，其中的存储单元包括一晶体管和一电容器。然而，人们还迫切希望存储单元的面积更加小型化。
因此，为满足此要求，人们已经提出了几种方法，如一种沟槽式(trench type)或一种堆叠式(stack type)电容器，其在存储器中以三维方式排列，以减少单元的面积而得到该电容器。然而，三维排列电容器的制造过程既漫长又冗长乏味，因而制造成本高。所以，人们仍然强烈需求一种新的存储器，既能减少单元面积，又能确保所需的信息容量，而无需复杂的制造步骤。
为满足此要求，DRAM使用一种高介电常数材料作为电容器薄膜，如钛酸钡锶(BST)和氧化钽(Ta2O5)。同时，铁电随机存取存储器(FeRAM)使用一种铁电材料作为电容器薄膜，如钽酸锶铋(SBT)和锆钛酸铅(PZT)，而取代传统的氧化硅膜或氮化硅膜。
然而，即使将所述高介电常数材料作为电容器薄膜，但是仍存在一个问题，即，使用传统的方法来形成堆叠式或沟槽式电容器的结构，其电容的增加会受到限制。
因此，本发明的一个目的是提供一种具有一钌(Ru)电极的半导体存储器，该钌电极具有粗糙的表面，其中，该粗糙表面是用一种热化学蒸汽沉积(TCVD)技术，通过沉积一第二钌沉积层而获得的。
本发明的另一目的是，提供一种制造具有一钌电极的半导体存储器的方法，该钌电极具有粗糙的表面，其中，该粗糙表面是用一种热化学蒸汽沉积(TCVD)技术，通过沉积一第二钌沉积层而获得的。
按照本发明的一个方面，提供一种用于存储单元的半导体存储器，包括：一有源矩阵，其具有一半导体衬底，形成于所述半导体衬底上的多个晶体管，一形成于所述晶体管和半导体衬底之上的绝缘层，以及一与所述晶体管电连接的接触孔；一第一钌(Ru)层覆盖在所述接触孔和绝缘层上；一具有一粗糙表面的第二钌层形成在所述第一钌层上。
按照本发明的另一个方面，提供一种制造一用于存储单元的半导体存储器的方法，该方法包括以下步骤：a)制备一有源矩阵，该有源矩阵具有一半导体衬底，形成于所述半导体衬底上的多个晶体管，一与所述晶体管电连接的接触孔和一形成于所述晶体管之上的绝缘层；b)在所述接触孔和绝缘层上形成一第一钌层；c)在所述第一钌层上形成一具有一粗糙表面的第二钌层。
本发明的上述目的和其它目的以及特征将通过结合下面的附图对本发明的实施例的描述而得到进一步说明。在这些附图中：
图1为一横断面视图，示出制造根据本发明第一优选实施例的半导体存储器；
图2A至2C为图解横断面视图，示出一种制造半导体存储器的方法的优选实施例；
图3为一横断面视图，示出根据本发明第二优选实施例的半导体存储器；以及
图4A至4D为图解横断面视图，示出一种制造根据本发明第二优选实施例的半导体存储器的方法。
如图1及2A至2C所示，分别是一种具有一沟槽式电容器的半导体存储器100的横断面视图，以及表示一种根据本发明优选实施例制造半导体存储器的方法的图解横断面视图。应该注意，在图1和图2A至2C中，相同的部件使用相同的附图标记表示。
如图1所示，该横断面视图示出根据本发明优选实施例的一种半导体存储器100，其包括：一有源矩阵110和一钌(Ru)电极构件140。所述有源矩阵110包括：一硅衬底102，形成于所述硅衬底102上的多个晶体管，一用于隔离晶体管的隔离区104，一位线118和一字线120。每一晶体管均具有扩散区106，一栅氧化层108，一栅极线112，一字线硬掩模(hardmask)113和一侧壁114。
在所述半导体存储器100中，所述位线118与所述扩散区106之一电连接，以提供一电势。尽管所述位线118实际上向右和左方向扩展而绕过一接触孔，但是图中未示出所述位线118的这些部分。所述Ru电极构件140可以与一板极线(plate line)(未示出)连接以提供一共用电势(common potential)。
根据上述实施例，所述电极构件140具有一带粗糙表面的第二钌层132，以增大电极的表面积，而没有增大其侧面尺寸。
图2A至2C为图解横断面视图，示出本发明的一种制造半导体存储器100的方法。
所述制造半导体存储器100的方法，首先是制备一有源矩阵110，该有源矩阵110包括：一硅衬底102，一隔离区104，扩散区106，栅氧化层108，栅极线112，侧壁114，一位线118和一绝缘层122，如图2A所示。所述位线118与所述扩散区106之一电连接，以提供一电势。尽管所述位线118实际上向右和左方向扩展而绕过所述接触孔，但是图中未示出所述位线118的这些部分。电极构件140可以与一板极线(未示出)连接以提供一共用恒定电势。所述绝缘层122由一种诸如硼磷硅玻璃(BPSG)的材料制成。
随后的步骤如图2B所示，通过使用一种诸如溅射(sputtering)技术和化学机械抛光(CMP)技术的方法，在所述接触孔和所述绝缘层122上形成一第一钌层130。
接下来的步骤如图2C所示，通过使用一种热化学蒸汽沉积(TCVD)技术，在所述第一钌层130上形成一具有粗糙表面的第二钌层132，因而得到一钌电极构件140。象一种常规的半球状颗粒硅(HSGs)一样，所述第二钌层132具有一半球状颗粒状的粗糙表面，以便增大电极的表面积进而增大电容。这里，所述TCVD技术是在这样的条件下实现的：使用的气体是Ru(C5H5)2/O2，温度范围从约200℃至约400℃，压力范围从约40毫乇(mTorr)至约200毫乇。为了形成所述第二钌层132的粗糙表面，沉积温度应该低一些，因为在该低温下，钌的核很难长大。另外，钌表面的粗糙度随着在第二钌层132中的氧含量的不同而不同。
参见图3和图4A至4D，分别显示一种具有一堆叠式电容器的半导体存储器200的横断面视图，以及显示一种根据本发明另一优选实施例制造半导体存储器的方法的图解横断面视图。应该注意，在图3和图4A至4D中，相同的部件使用相同的附图标记表示。
如图3所示，该横断面视图示出根据本发明另一优选实施例的一种半导体存储器200，其包括：一有源矩阵210和一钌(Ru)电极构件240。所述有源矩阵210具有：一硅衬底202，形成于所述硅衬底202上的多个晶体管，一用于隔离晶体管的隔离区204，一位线218和一字线220。每一晶体管均具有扩散区206，一栅氧化层208，一栅极线212，一字线硬掩模213和一侧壁214。
在所述半导体存储器200中，所述位线218与所述扩散区206之一电连接，以提供一电势。尽管所述位线218实际上向右和左方向扩展而绕过一接触孔，但是图中未示出所述位线218的这些部分。所述Ru电极构件240可以与一板极线(未示出)连接以提供一共用恒定电势。
根据上述实施例，所述电极构件240具有一带粗糙表面的第二钌层232，以增大电极的表面积，而没有增大其横向尺寸。
图4A至4D为图解横断面视图，示出本发明的一种制造半导体存储器200的方法。
所述制造半导体存储器200的方法，首先是制备一有源矩阵210，该有源矩阵210具有：一硅衬底202，一隔离区204，扩散区206，栅氧化层208，栅极线212，侧壁214，一位线218，一传导塞子224，一扩散阻挡层226和一绝缘层222，如图4A所示。所述传导塞子224由一种诸如多晶硅，钨或类似的材料制成。在本发明中，所述扩散阻挡层226由氮化钛制成。所述位线218与所述扩散区206之一电连接，以提供一电势。尽管所述位线218实际上向右和左方向扩展而绕过所述接触孔，但是图中未示出所述位线218的这些部分。电极构件240可以与一板极线(未示出)连接以提供一共用恒定电势。所述绝缘层222由一种诸如硼磷硅玻璃(BPSG)的材料制成。
随后的步骤如图4B所示，当所述扩散阻挡层226和所述绝缘层222的上表面被化学机械抛光(CMP)方法弄平之后，在所述扩散阻挡层226和所述绝缘层222的上表面上形成一第一钌层230。可以采用一种溅射技术和化学机械抛光(CMP)技术形成所述第一钌层230。
接下来的步骤如图4C所示，第一钌层230被构图而成为一预定的外形，从而获得一被构图的钌层230A。
最后，通过使用一种热化学蒸汽沉积(TCVD)技术，在所述被构图的钌层230A上形成一第二钌层232，因而得到一钌电极构件240，如图4D所示。所述TCVD技术是在这样的条件下实现的：使用的气体是Ru(C5H5)2/O2，温度范围从约200℃至约400℃，压力范围从约40毫乇(mTorr)至约200毫乇。为了形成所述第二钌层232的粗糙表面，沉积温度应该低一些，因为在该低温下，钌的核很难长大。
至于常规的半球状颗粒硅(HSGs)，HSGs是在沉积后在退火工序中形成的。然而，在本发明的方法中，钌半球状颗粒是使用一种TCVD技术通过在第一钌层上沉积所述第二钌层而形成的，因此，钌的电容增大了。虽然本发明的优选实施例已经进行了表示和说明，但是，应当知道，本领域的技术人员可以在不背离本发明的精神的条件下进行各种变化和修改，本发明的范围由权利要求书限定。

Claims (14)

1、一种用于存储单元的半导体存储器，包括：
一有源矩阵，其具有：一半导体衬底，形成于所述半导体衬底上的多个晶体管，一形成于所述晶体管和半导体衬底上的绝缘层，和一与所述晶体管电连接的接触孔；
一形成于所述接触孔和绝缘层上的第一钌(Ru)层；以及
一形成于所述第一钌层上的具有一粗糙表面的第二钌层。
2、根据权利要求1所述的半导体存储器，其中，所述的第二钌层具有一半球状颗粒的形状。
3、根据权利要求2所述的半导体存储器，其中，所述的第二钌层是通过使用一种热化学蒸汽沉积(TCVD)技术而形成的。
4、根据权利要求1所述的半导体存储器，其中，所述的第一钌层是通过使用选自下列组中的一种方法而形成的：一种溅射技术和一种化学蒸汽沉积(CVD)技术。
5、根据权利要求1所述的半导体存储器，其中，所述半导体存储器的电容器结构为沟槽式。
6、根据权利要求1所述的半导体存储器，其中，所述半导体存储器的电容器结构为堆叠式。
7、一种制造用于存储单元的半导体存储器的方法，包括下列步骤：
a)制备一有源矩阵，该有源矩阵具有：一半导体衬底，形成于所述半导体衬底上的多个晶体管，一与所述晶体管电连接的接触孔，以及一形成于所述晶体管上的绝缘层；
b)在所述接触孔和绝缘层上形成一第一钌层；
c)在所述第一钌层上形成一具有粗糙表面的第二钌层。
8、根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二钌层具有一半球状颗粒的形状。
9、根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二钌层是通过使用一种热化学蒸汽沉积(TCVD)技术而形成的。
10、根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一钌层是通过使用选自下列组中的一种方法而形成的：一种溅射技术和一种化学蒸汽沉积(CVD)技术。
11、根据权利要求7所述的方法，其中，实现所述步骤c)使用了一种气体Ru(C5H5)2/O2。
12、根据权利要求7所述的方法，其中，实现所述步骤c)所用的温度范围从约200℃至400℃，压力范围从约40毫乇至约200毫乇。
13、根据权利要求7所述的方法，其中，所述半导体存储器的电容器结构为沟槽式。
14、根据权利要求7所述的方法，其中，所述半导体存储器的电容器结构为堆叠式。
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