TW417289B - Capacitor and a method for fabricating the same - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 417289 A7 4803pif.doc/006 β? 五、發明說明（/') 本發明爲主張於1998年7月3日申請之韓國專利申 請案第98-26919號，其內容全部於此處倂入參考。 本發明是有關於一種半導體的製造方法，且特別是有 關於一種柱狀U Pillar type)儲存節點及其製造方法。 當動態隨機存取記憶體（DRAM)元件的尺寸縮小到約 0.25μηι的線寬時，電容器所佔的二度空間面積也愈來愈 小。換言之，因爲電容器的電容値必須維持在一定的水準， 發展許多方法以在逐漸縮小二度空間面積下維持電容器電 容値所。 有一種方法是利用增加電容器高度的方式來製造三度 空間結構的電容器，藉以增加可利用的記憶胞表面積。然 而，電容器高度增加會在記億胞陣列區與周邊線路區之間 彤成一個大階梯（a large step)，進而導致不易形成金屬內連 線. 另一種方法是增加電容器介電層的介電常數。最近1 像鈦酸緦（SrTi03)、鈦酸鋇緦（(Ba_Sr)Ti03)或者介電常數超 過10000的高介電材料已被採用爲介電層的材料。然而， 當多晶矽被使用爲一電容器儲存節點時，一低介電特性層 在多晶矽層與高介電層的界面形成，使得高介電層增加漏 電流。 一般相信，當採用高介電材料如鈦酸緦及鈦酸鋇鋸等 爲介電層時，像鉛（Pt)或類似的過渡金屬則較會被採用爲 電容器儲存節點。然而，在高積集度電路元件中使用這樣 的過渡金屬還是有些問題會發生。例如，在儲存節點間隔 4 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) f --------訂---------, ( 48从2娜 A7 ___B7___ 五、發明說明（之） 約〇_丨到0_2μ1Ώ時的應用中，乾式蝕刻的過程中被飩刻的 過渡性金屬會留在儲存節點的側壁。結果，產生儲存節點 間的電性橋接(electricl bridge)效應。 一由H.Yamaguchi等人在IDEM 1996-675中所發表的 參考文獻名爲”A Stacked Capacitor with an M0CVD(Ba-Sr)Ti03 Film and a Ru02/Ru storage Node on a TiN-capped Plug for 4Gbit DRAMs and beyond”。第 1 圖係根 據H.Yamaguchi等人的參考文獻顯示一個堆疊式儲存節點 的剖面圖。製造該堆疊式儲存節點的方法是利用電子束微 影法（electron beam lithography)及反應性離子融刻法在一絕 緣層14裡形成一至半導體基底1〇的接觸窗15。在接觸窗 15內及絕緣層14上沉積一厚約2000埃的磷摻雜多晶矽 層。之後，再回蝕該多晶矽層而產生一自絕緣層上表面深 及接觸窗15約1000埃的凹槽(標記16)。在氮氣（Ν2)狀態 下，沉積鈦並進行快速熱回火（Rapid Thermal AnneaHng-RTA) 以形成矽化鈦（TiSiJ層來降低接觸電阻。沉積一厚約4000 埃的金屬阻障層（barrier metal layer)(標記17)，比如是氮化 鈦，然後再利用化學機械硏磨法平坦化以形成儲存接觸插 塞18。至於儲存節點，乃利用以釕（Ruthenium)爲金屬f巴的 直流電濺鍍法（DC sputtering)沉積厚約4500埃的過渡金屬 層19(含5()0埃厚的釕及4000埃厚的二氧化釕）。然後，過 渡金屬層19再蝕刻成彼此間隔0.15 m的儲存節點20。接 著，在包含儲存節點20之絕緣層Μ上沉積高介電層21 ° 然而，上述的方法仍存在一些問題。例如，不易蝕刻 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公笼） f請先閱讀背面之;i意事項再填寫本頁) 袭-------訂·! I -線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 417289 A7 4803pif.doc/006 1 B7 _ 五、發明說明（彡） 彼此間隔爲0.15 m的過渡金屬層。誠如之前所提及的，. 乾式蝕刻的過程會使得被蝕刻的過渡金屬再沉積 (redeposite)於儲存節點的側壁。結果導致儲存節點具有斜 面化（sloped)的側壁，而且與鄰近的儲存節點產生雩性橋 ί妾。 ' 本發明企圖解決這些問題，而且本發明的目的在提供 一種具有局電容値且有佳的橫向輪廓之儲存節點，該儲存 節點包含一厚的多晶矽層、一金屬阻障層金屬以及—薄的 過渡金屬層。 本發明的另一目的是提供一種具有高電容値且有佳的 橫向輪廓以及在儲存節點間無電性橋接的堆疊式電容器之 製造法。 本發明提供的堆暨式電容器具有多晶矽底層、阻障層 /間隙壁、以及具有實質垂直側壁外形之過渡金屬層/間隙 壁。金屬阻障的材料係選自於氮化鈦鋁（Ti/UN)、氮化鈦矽 (TiSiN)、氮化钽鈦（TaTiN)或氮化鉅鋁（TaAiN)中的一種。 過渡性金屬層包括鉑（Ρΐ)、銥（Ir)、钌(ru)或類似的材料中。 該金屬阻障層/間隙壁阻止多晶矽層與過渡金屬層間的反 應。同時，該金屬阻障層/間隙壁也阻止了多晶矽層與和過 渡金屬層/間隙壁相連的高介電層間之反應。爲了增加電容 値’多晶矽層最好被加厚’其厚度例如爲1〇⑻到60⑻埃 之間。爲了防止因太厚而造成斜面蝕刻，過渡金屬層被形 成較薄，其厚度例如爲450到500埃之間。金屬阻障層的 厚度要足以防止發生反應，其厚度例如爲500到1000埃 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ---- < --------^ ----I--1—^ , 1- C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 417Γ.33 4803pif.doc/006 ^ 五、發明說明（¥ ) 之間。 根據本發明，形成一電容器之多晶矽/金屬阻障/過渡 金屬電極乃利用形成一電晶體在半導體基底之主動區上。 絕緣體，即場氧化層，圍繞該主動區。在結果結構上形成 一絕緣層。在絕緣層內形成接觸窗至預定主區。將一導體 層沉積入接觸窗開口內及絕緣層上並平坦化以形成一接觸 窗插塞。在該接觸窗插塞及該絕緣層上沉積一摻雜化多晶 矽層至厚度約爲1000到6000埃之間。然後，爲了在後續 氧化環境下的製程保護多晶矽層，在多晶矽層上沉積一第 一金屬阻障層至厚度約爲500到1000埃之間。在第一金 屬阻障層上薄薄地沉積一第一過渡金屬層至厚度約爲450 到500埃之間。接著，蝕刻第一過渡金屬層、第一金屬阻 障層及多晶矽層的預定部份而形成一與接觸窗插塞相連接 的堆疊式儲存節點。 爲了保護曝露出的側壁多晶矽，在堆疊式儲存節點的 側壁上形成導電間隙壁。一第二金屬阻障層被沉積在整個 堆疊式儲存節點上，然後再回蝕以在堆疊式儲存節點的側 壁上形成金屬阻障間隙壁。該金屬阻障間隙壁防止側壁多 晶矽的氧化。一第二過渡金屬層被沉積在結果結構上，然 後再回蝕以在堆疊式儲存節點的側壁上形成過渡金屬間隙 壁。一高介電層沉積在絕緣層上包括該儲存節點。 形成薄的過渡性金屬層是爲了防止蝕刻斜面。藉著調 整多晶矽層及金屬阻障層的厚度可以增加可利用的表面 積。因此，在儲存節點間無微橋接的高電容値電容器便可 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） '^i —---ί — 訂 ---11---線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 417289 A7 4803pif.doc/006 取 五、發明說明（f) 以獲得。 爲了瞭解本發明以及讓其技術更明顯的目的，乃配合 如下附圖以爲參考： 圖式之簡單說明： 第1圖係一習知電容器的堆疊式儲存節點剖面圖； 第2A至2C圖係根據本發明之一較佳實施例顯示一最新製 造電容器儲存節點之方法流程圖。 圖示標記說明： 10、 30 :半導體基底 11、 31 :場氧化層 12、 32 :鬧極氧化層 13、 33 :聞極 14、 34 :絕緣層 15、 35 :接觸窗 16 :多晶矽層 Π、38 :金屬阻障層 18 ' 36 :接觸插塞 19、 39 :過渡金屬層 20、 40 :儲存節點 21、 43 :高介電層 37 :第二導電層（多晶矽層） 41 :金屬阻障間隙壁 42:過渡金屬間隙壁 實施例： 8 本紙張尺度適用争國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） I---t-------—訂---------線- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4s4plf.^2)^9________ d/ 五、發明說明（6) 本發明根據附圖而被更完整地描述，該圖顯示本發明 的較佳實施例。然而*本發明可以用不同方式實施，而不 應該限制在本實施例的詮釋中。再者，提供此實施例是爲 了讓本揭露可以完備，並可以完全地傳達本發明的技藝。 在附圖中，爲了詮釋，其層與區域厚度是被誇大的。有些 描述也應該被瞭解，當描述有一層在另一層或基底之上表 示有一層在另一層或基底之正上方，或者中間可能有隔 層。相反的，當描述有一層在另一組成上表示中間沒有隔 層。另外爲了較易了解本發明及在附圖上的詮釋，只有一 電晶體及一電容器在附圖上繪示出來。 本發明是關於一堆疊式電容器的製造法。因此，爲了 更能瞭解本發明，在動態隨機存取記憶體製造上已實際操 作的場氧化層及電晶體結構的形成只大體描述。 在第2A圖中，爲了定義出主動區，有一場氧化層31 形成於一半導體基底30之上。場氧化層31圍繞每一主動 區。一電晶體形成於該主動區上。該電晶體包含一閘極氧 化層32、一閘極33、側壁間隙壁，及一對源極/汲極區（未 顯示）。一絕緣層34，比如是一硼磷矽玻璃（BPSG)或一無 摻雜ΐ夕玻璃（Undoped Silicate Glass)或類似的材質形成於包 含電晶體的半導體基底30之上。 在絕緣層3 4上形成一第一光阻，然後該第一光阻被圖 案化成預定組態以定義出儲存接觸區。使用圖案化的光阻 層，蝕刻絕緣層以形成到達一源極/汲極區之接觸窗開口 35 ° 9 I----- 1 [ I ---—訂 ---I--I 1^. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^17239 A7 4803pif'doc/006 ^ 五、發明說明（^) 在接觸窗35內及絕緣層34上沉積第一導電層並且平坦化 至絕緣層的上表面以形成一接觸插塞36。第一導電層的材 料係選自於多晶砂、鎢或銘其中的〜種。 在絕緣層34包括接觸插塞36上沉積一第二導電層37。 第二導電層37最好由多晶砂層組成，其厚度約爲1 〇〇〇到 6000埃之間。多晶矽層的厚度與預定的電容値有關 在第二導電層37上沉積一金屬阻障層％至厚度約爲 500到1000埃之間。金屬阻障層38的材料係選自於氮化 鈦銘(TiAlN)、氮化矽鈦（TiSiN)、氮化钽鈦（TaTiN)或氮化 鉅鋁(Ta/UN)中的一種。在後續的製程中，金屬阻障層％ 被當成氧化阻障層。氧會從高介電層43(見第2C圖）擴散 至多晶砂而在多晶较層37及高介電層43的界面形成一例 如是一氧化砂的低介電特性層。 在金屬阻障層38上沉積一過渡金屬層39。該過渡金屬 層39的材料係選自於鋁(pt)、銥(ir)或釘(Ru)中的一種。 因爲過渡金屬層39不易蝕刻，所以必須沉積較薄，比如 厚約450至500埃，以避免斜面蝕刻。 在過渡金屬層39上沉積一第二光阻層（未顯示），然後 爲定義儲存節點區’圖案化該第二光阻層以形成預定組 態。利用第二圖案化光阻層，依序蝕刻過渡性金屬層39 ' 金屬阻障層38及第二導電層37,藉以形成一儲存節點40。 因爲過渡性金屬層39較薄，所以斜面蝕刻不會發生，因 此儲存節點40可以形成整齊的垂直側壁。 接著’在第2B圖中顯示側壁間隙壁的形成過程。首先， 10 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---- ί — 訂· I —---I I 1^. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 417289 a? 4803pif.doc/006 ____B7_ 五、發明說明（$ ) 在絕緣層34及儲存節點40上沉積一第二金屬阻障層。之 後，回蝕第二金屬阻障層，而在儲存節點40的側壁形成 一厚約450至500埃的金屬阻障間隙壁41。第二金屬阻障 層的材料與第一金屬阻障層相同。一第二過渡金屬層沉積 在結果結構上。回蝕第二過渡金屬層以在金屬阻障間隙壁 41上形成一厚約450至500埃的過渡金屬間隙壁42。金屬 阻障間隙壁41及過渡性金屬間隙壁42並不只是一氧化阻 障層而已。 在第2C圖中，有一高介電層43沉積在絕緣層34及具 間隙壁的儲存節點40之上。該高介電層43則由鈦酸鋸 (SrT〗03)或鈦酸鋇緦（(Ba，Sr)Ti03)組成。 在另一種改變的實施方式中，多晶矽層的厚度可以是 約500至1000埃，而金屬阻障層的厚度約爲〖000至6000 埃。在這種情況下，由於多晶矽層的側壁面積變小，所以， 側壁間隙壁形成與否會變的不那麼重要。 本發明是提供一種具有高電容値以及在儲存節點間無 微橋接的堆疊式電容器。並且利用沉積薄的過渡金屬層來 防止斜面蝕刻的發生，以及利用厚的多晶矽層和金屬阻障 層來增加可利用的表面積，進而增加電容値。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) "-------訂-----1---

Claims (1)

1. 417239 盆 4803pif.doc.O06 ^ 々、申請專利範圍 1. 一種製造堆疊式電容器的方法，該方法包括： (請先閱讀背而之注意事領再填寫本頁} 形成一接觸窗插塞於一半導體基底上的一絕緣層內； 依序形成一導電層、一金屬阻障層及一過渡性金屬層 於該接觸窗插塞及該絕之上，其中，該金屬阻障層防 止該導電層的上表面被~^★而該過渡性金屬層的厚度薄 於該導電層及該金屬阻障¥_厚度； 依序鈾刻該導電層、1<金_阻障層及該過渡性金屬層 以形成一儲存節點； 形成一金屬阻障間隙壁在該儲存節點的側壁上以防止 該導電層側壁被氧化； 形成一過渡性金屬間隙壁在該金屬阻障間隙壁上； 形成一高介電層在該絕緣層及該儲存節點之上。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該接觸插 塞的材料係選自於多晶矽、鎢或鋁其中的一種。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該導電層 的組成材料爲一多晶砂層。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該金屬阻 障層的材料係選自於氮化鈦錫(TiAIN)、氮化砂駄(TiSiN)、 氮化钽鈦(TaTiN)或氮化钽絕(TaAIN)其中的一種。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該導電層 的厚度約爲1000至6000埃之間，而該金屬阻障層的厚度 約爲500至1000埃之間。 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該導電層 的厚度約爲500至1000埃之間，而該金屬阻障層的厚度 本紙張尺度適用中國國家棹準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A8 B8 Γ8 D8 417289 4S03pif.doc/006 力、申請專利範圍 約爲1000至6000埃之間。 7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該過渡性 金屬層的材料係選自於鉛（Pt)、銥（Ιι.)或釕（RU)其中的一 種。 8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該過渡性 金屬層的厚度約爲500埃。 9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該金屬阻 障間隙壁的材料係選自於氮化鈦鋁（ΊΊΑ1Ν)、氮化矽鈦 (TiSi，简化鉬鈦(TaTi N)或氮化鉬鋁(TaAIN)其中的一種。 10-维靑專利範圍第1項所述之方法，其中，該高介 ，· ·、· \ 電層則由輪_鋸（SrTi03)或鈦酸鋇緦（(Ba.Sr)Ti03)組成。 11 一"的一儲存節點，包含： 一接觸垂塞，其中，該接觸窗插塞形成於一絕緣層 內直至一半導體基底上； 一堆疊式儲存節點，而該堆疊式儲存節點形成於該接 觸窗插塞上； 該儲存節點包含： 一導電層； --金屬阻障層，該金屬阻障層形成於該導電層頂部表 面及其側壁上； 一過渡金屬層，而該過渡金屬層形成於該金屬阻障層 頂部表面及其側壁上； ---高介電層，而該高介電層形成於該過渡金屬層頂部 表面及其側壁上。 13 裝-- (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度逋用中國國家標华（CNS ) A4規格（210X297公釐） 417289 Λί< 4S〇3pif.doc/〇〇6 88 ——C"8 '~~ ------- D8 申請專利範国 12‘如^申請專利範圍第u項所述之電容器儲存節點，其 中’ s亥接觸插塞的材料係選自於多晶矽、鎢或鋁其中的一 種。 13.如申請專利範圍第丨丨項所述之電容器儲存節點，其 中，s亥導電層的組成材料爲一多晶矽層^ 如申請專利範圍第丨丨項所述之電容器儲存節點，其 中’ 3亥金屬阻障層的材料係選自於氮化鈦鋁(TlA1N)、氮化 砂駄（TiSiN) '氮化鉅鈦（TaTlN)或氮化鉅鋁（TaA丨N)其中的 一種。 15.如申請專利範圍第u項所述之電容器儲存節點，其 中’該過渡性金屬層的材料係選自於鉑(Pt)、銥（Ir)或釕(Ru) 其中的一種。 16_如申請專利範圍第丨丨項所述之電容器儲存節點，其 中，該高介電層則由鈦酸緦（SrTi03)或鈦酸鋇緦（(Ba.Sr)Ti〇^ 組成。 3 : i— t I (诗先!«讀背Λ之注意事邛再填寫本頁) 绖濟部智慧財產局員工消費合作社印製 14 準 標 家 囷 國 |中 用 適 尺 張 紙 一 S