TW437010B - A layer-arrangement with a material-layer and a diffusion-barrier against diffusable material-components - Google Patents
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Description
A7 B7 43701 0 五、發明說明（'） 本發明係關於一種具有材料層和擴散位障之層配置， 其係用來阻擋可擴散之材料成份，本發明亦涉及此種 擴散位障（用來阻擋可擴散之成份）之製造方法。 一般所遇到之問題是：在製造過程或操作過程中令產 生一種不期望之材料成份擴散效應，這應被禁止。此處 通常所使用之方式是設置一種擴散位障。 特別是在半導體技術中通常可使用一些材料層，其須 要一種在高溫中進行之產生步驟或處理步驟。這例如是 針對鐵.電性材料或介電常數較大之介電材料，其例如可 用在電容器中作爲介電層或鐵電層。在此種記憶胞中例 如可使用這些材料：SBTSrBi2Ta209' SBTN SrBi 2(Ta Nb x) 20 9 ' PZT Pb χΖ τ ^^TiO BST B a x S r i _ x T i 0 3。這些材料例如在 D E 1 9 6 4 0 2 7 3 和 D E 19640240中已為人所知e但亦可使用Ta2 0ς， Ti03氣 化物或氣化之氮化物β在使用上述鐵電性材料或介電常 數較大之介電材料來製造積體電路用之電容器時，需要 高達8GCTC之溫度以便在氧氣中進行退火步驟。 在氧存在時之此種高溫有利於材料成份由這些材料層 擴散至相鄰之各層，且亦有利於此種退火時所需氧氣之 擴散。氧化物因此可由於此種不期望之擴散過程而漏出， 這些氧化物（例如，Bi2o3或PbO)可較容易地擴散至 相鄰之材料層。氧氣本身之擴散在此種條件下亦大大地 有利。因此，在所使用之此種高溫中有利於已漏出之成 份會與相鄰之各層起反應。於是會產生下述危險性：所 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------- - 1 I i ----訂--------* I —r (♦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 A7 437 0 1 0 B7 五、發明說明（> ) 漏出之材料成份會不利地影響其它之操作步驟或損害相 鄰之各層。相鄰之電極層會由於所漏出之氧化物或氧氣 而被氧化且因此使導電性連接區中斷，或者會發生一種 經由電極層（例如，鉑層）之擴散作用，其中此氧化物 或氧可與此種與電極相鄰接之黏合中間層或隔離層（例 如，Si02)起反應。這樣當然會在相反方向中造成不期 望之擴散過程，即，材料成份由相鄰之各層擴散至上述 之材料層。 類似之問題在下述各處都會產生：材料成份藉由擴散. 而由材料層漏出之處或在確定之區域或空間中存在一些 不期望之易擴散之材料成份時以及在周圍中存在一些 層、區域、氣體或空間，例如，材料層、導電區、塗層 室或分析室等之情況時 > 這些層或區域會由於所擴散之 材料成份而受干擾或損害。本發明之應用因此不限於此 種具有介電層或鐵電層之半導體配置，本發明之理念可 用於所有之領域中，其中可防止不期望之材料成份之擴 散。 由 R . E . Jones, S.B. Desu: Process Integration for Nonvolatile Ferroelectric Memory Fabrication, MRS Bulletin, Juni 1996，page 55-58 中已知：TiN 或 TaN 特 別是可作爲半導體配置用之位障材料。但這些材料在高 溫時不是特別穩定且在較短時間之後特別會被氧化物所 侵蝕。另一方面亦建議使用氧化鈦或氧化銷作爲擴散位 障以防止氧化物由含氧化物之材料層往外擴散。但通常 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 297公釐） ----I-------裝------- 訂------- 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 43701 Ο Α7 Β7 五、發明說明（今 亦建議 散過程 本發 述之擴 之特徵 已證 種擴散 意義是 由.於防 蓋物。 擴散 可形成 可使這 粒邊界 用"這 質是經 使物質 位障6 因此 幾乎不 (inerl^ 之邊界 情況下 在製程 使用一種各別之位障層以便抑制此種不期望之擴 明之目的 散過程。 來達成。 實的是： 位障可造 :在顆粒 止擴散用 但較佳是 位障之形 上述之擴 些物質由 中，這樣 對於抑制 由顆粒邊 引入材料 因此是提供一種改良之方式以便防止上 此目的是由申請專利範圍第1和1 2項 請 先 閱. 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填二寫裝 頁 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 主要是 成一種 邊界中 之物質 此種擴 成例如 散防止 於物質 即可在 物質之 界而由 層之顆 形成於 有效之 除了形 而使材 散位障 可藉由 作用） 之沈積 顆粒邊 擴散作 材料層 粒邊界 材料層之 擴散防止 成上述之 料層之表 只形成在 適當物質 而在材料 作用而儲 界中形成 用是特別 顆粒邊 效用。 擴散位 面存在 顆粒邊 之過度 層中達 存在材 一種擴 重要的 擴散而出。在此 中是一種非常有 界中之此 這主要之 障之外會 很少之覆 界中。 溶解（其 成。因此 料層之顆 散防止作 ，這些物 種情況下 效之擴散 須選取這些待儲存之物質，使其對此材料層而言 起反應，即，對此材料層而言是完全鈍化的 ，至少在製造及使用材料層和擴散位障時在所需 條件不須是完全鈍化的。這些待儲存之物質在此 相對於其它物質或層是完全有反應性的，例如， 中相對於輔助層，或相對於可擴散之材料成份（其 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 卜 43701 Ο Α7 _Β7_ 五、發明說明（4 ) 擴散須被抑制）都是具有反應性的。 但另一方面爲了形成此種擴散位障亦可使用一些物 質，其會與材料層之材料形成一種化學上之化合物。 本發明之特殊優點是：所設置之此種擴散位障不必塗 佈成另一種獨立層。而是可積體化於一已存在之材料層 中。此種擴散位障因此可直接積體化於一種待屏蔽之材 料層中，或積體化於直接或間接與此待屏蔽之材料層相 鄰之一層或多層之材料層中。待屏蔽之材料層可以是含 有可擴散之成份之此種層，或可以是一種對可擴散.之成 份較敏感之層。只須確保這些可擴散之成份可被這些層 或區域（其會受到這些成份之不良影響）所阻止即可。 因此，此種擴散位障例如在先前所述電容器之情況可 直接施加於介電層或鐵電層上或設置在相鄰接之電極 (例如，鉑電極）上。在介電質和電極之間配置一種完 整之層以作爲擴散位障在U S 5 3 3 0 9 3 1中已爲人所知。作 爲儲存用之物質可參考先前技藝中一些已爲人所知之材 料，其中可決定一種防止擴散用之作用。較佳是使氮化 物或碳儲存在材料層中或顆粒邊界中。 本發明因此可形成一種非常簡化之元件，其不需另外 沈積及處理一種作爲擴散位障用之層。因此亦不會由於此· 種額外增加之層而產生不良之影響。現有之材料層就其 特性而言完全不會由於此種擴散位障之產生而受到影 響。承載此種擴散位障所用之層幾乎不會改變性質 > 這 是因爲先前實際上只儲存此種擴散防止用之可形成位障 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） --------------------— 一訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 43701 0 A? _B7五、發明說明（，） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 述力’ 造之層種化塗散 此用它化散解沈 一 中散 上砠# 構後電 | 體來擴 於作其氧擴溶接 用 Μ 界擴 入se 於隨介在積序種 化化將種物度直 使fr邊述 植，料 由中之存可順一 體氧可此化過是 可 W 粒上 是S材 其法物若如種生 積熱亦在氮由要 時h«顆成 佳#之 ，方化間例何產 應由上是使藉主 此nit在達 較 + 化 上本氧之障以來 障藉則於時中， ，防C 可 ,Ur氧 層且含層位慮用 位可原。同其中 層 層在 障(CM 料能種離種考可 散如中中。，界 化 W 料現 位原些 材功一隔此須面 擴例其層物中邊 氮«材域 散復一 在障在或則，表 ί 這，化化層粒 之 Λ 之區 擴種在 用位，層，此層 面，化氧氮極顆 化法後面 之一存 可散如電時因種 表層氮於之電之。氧方理表 明行若 是擴例導層。何 層化被入化之層中種刻處之 發進 # 式之。之極中， 枓氧後引氧化極域此蝕式} 本後⑤。方效換感電層即 材種然} 種氧電區除是方物 成隨tn法之有轉敏之極， 之一層者 一 未在之去別種化 製，理方想備地物感電層 化生化述成之積方面特此氮 了質處之理具易化敏或料 氧產氧所形方沈下表 t 以之 爲物熱述較而簡氧不中材 可上此上上下物層由法。存 。 之由下法式可對物層之 種}。 如面層化化，方中儲 質存藉用方方驟種化電別 。一中生 t 表化氮氧後準界所 物儲是使本之步 j 氧介各障在面產質之氧使在最標邊有 之待式可 上各和對於佈位 表來物層至而積 些粒具 * ! I I !丨訂----- (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（210 X 297公釐） 437 ϋ 1 Ο Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（k ) 位障之功能。由於此種方法中使用一種氧化步驟作爲第 一步驟，則此種方法在可氧化之材料層存在之地方都可 有效地使用。在材料層可不被氧化之情況下，此種植入 物質所用之方法可提供一種有效之另一種選擇。 一種特殊之實施形式將依據第1至第5圖以及隨後之 以DRAM-記憶胞或F RAM-記憶胞爲例子來詳述。圖式 簡單說明如下： 第1圖 依據先前技藝由記憶電容器和選擇電晶體所 構成之記憶胞之橫切面。 . 第2圖 已氧化之材料層。 第3圖 氮化之氧化層。 第4圖 在去除氧化之氮化層之後顆粒邊界中具有氮 化物之材料層。 第5圖 記憶電容器之層配置，其在電極層中具有一 些擴散位障。
先前技藝之記億胞是由選擇電晶體2和記憶電容器4 所構成，它們是藉由導電性之插頭連接區5(例如由鎢， 多晶矽或其它適當之導電性材料所構成）而互相連接。 選擇電晶體2埋置於半導體基板1中而第一隔離層3是 由Si02所構成，插頭連接區5亦經由此隔離層3。在隔 離層3上存在著記億電容器4，其具有二個由可氧化之 導電性材料（例如，I r、R u )或多晶矽所構成之電極7，9 以及一種記憶體介電質8，其由SBT SrBi2Ta20、SBTN SrBi^Ta^^Nb^)^,' PZT P b Z r T i 0 3 ^ B ST 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I------------ 裝------ - 訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 43701 0 五、發明說明（7 )
Ba^SruTiC^所構成或由Ta205、Ti02或其它介電材料或 鐵電性材料所構成。 在此二個電極之下部電極7和導電性插頭連接區5之 間存在一種擴散位障層6，其主要可防止氧或氧化物（例 如B i 20 3或P b Ο )由記憶體介電質8經由下部電極9而 擴散，特別是用在溫度達800 °C時在電容器製造用之加 熱過程中，因此，可防止：與此種隔離層3之Si02起反 應，與黏合中間層（其設置在電極9和其下之層之間） 起反應，或與導電性插頭連接區5(其連通至非導電性 或揮發性之氧化物（例如，Si02或W03)中）起反應。 依據本發明1擴散位障層6現在不是必要的。現在可 將氮化物12儲存至下部電極層9之顆粒邊界中或此二 個電極層7,9之顆粒邊界中。本方法例如以下部電極層 9來描述，其是選取可氧化之材料來製成。在此種前提 下首先進行一種氧化步驟以便產生一種厚度大約是50A 之氧化層10，例如可在氧（02)-大氣中在925 °C時進行一 種熱氧化作用約達6 0秒之久。然後對此氧化層1 0進行 一種氮化作用，這樣可使氧化層10轉換成氧化之氮化 層11。這可在NH3-大氣中在1050 °C時藉由快速之熱氮 化作用（RT N )進行3 0秒之久。氮化物經由氧化之氮化層 11繼續移動至電極層9中。在電極層9之直接相鄰之未 氧化之部份之顆粒邊界中產生一些氮化物儲存區12，氮 化物沈積在此區域12中。在氧化之氮化層11和電極層 9之間的界面區域中因此有較大濃度之氮化物。隨著電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I I---I--- I I [ I Ϊ I--- I I Ϊ 訂11 I J1 — · -ί- (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 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 437 0 1 0 at Β7 五、發明説明（3 ) 極層9逐漸增加之深度，則顆粒邊界中之氮化物濃度逐 漸下降。但亦能以目前之方法而在電極層9中達成足夠 之氮化物直至30至40nm區域中之深度爲止》 最後，氧化層1 1藉由蝕刻步驟來分離，這例如是以穩 定之H F來進行之處理法（B H F )例如以4 G : 1之B H F進行7 G秒 來逹成。在顆粒邊界中仍保存一些氮化物12，其可滿足 上述擴散防止用之位障之功能。在施加介電質8之後可 在此種配置上施加上部電極層7。在上部電極層7中同樣 可在顆粒邊界中設置一種氮化物儲存區13,此種儲存區 13可類似於上逑方法中之步驟來達成。 符號說明 1…半導體基板 2…選擇電晶體 3…隔離層 4…記憶電容器 5…導電性插頭連接區 6…擴散位障層 7，9…電極 8…記億體介電質 1 0…氧化層 1 1…氧化之氮化層 I 2…氮化物 本紙張尺度適用中國國家標牟（CNS ) A4規格（210X297公釐） --------^---装------訂------^ Γ---- t請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
Claims (1)
- 4370 1 0 8 8 88 ABCD^vf.,'-c- 申請專利範圍 .了TWi 4月修正）备幻 -JATilr— 年 種阻if可擴散之材料成份用之擴散位障（1 2 )和材料公¢/ ff- η ΐ：ϊ tQ 層（9)所形成之層配置，其是配置在材料層（9)之層邊 界之匾域中，其待歡為：擴散位障（12)主要是形成在 材料層（9)之顆粒邊界中。2. 如申請專利範圍第1項之層配置，其中擴散位障（12) 是由對材枓層（9)是完全鈍化之此種物質所構成。 3. 如申請專利範圍第1項之層配置，其中擴散位障（12) 是由此種能與材料層（9)之材料形成一種化學上之化合 物時所用之物質所構成。4. 如申請專利範圍第1、2或3項之層配置，其中材料層（9)是由一種層所構成，可擴散之材料成份可由此種 層中漏出。 修所 正提 。之 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -11. 穿 圍 範 利 專 身 -1-° 如 5 或 層 枓 材 1 另 於 接 鄰 \—/ 9 /t% 層 種 料一 材或 ¢- 域 其區 ，種 置一 配於 層接 之鄰 項或 份 成 料 材 之 散 擴 可 間 空 或 2 is 第 圍 範 利 專 請 Φ 如 6 〇 位 出散 漏擴 中中 間其 空 ， 或置 域配 區層 種之 此項 由 3 層 料 材 在 成 形 而 式 形 區 存 儲 之 硝 或 物 化 氮 以 是 中 界 邊 粒 顆 之 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 或 2 IX 第 圍 範 利 專 請 申 如 層 料 材 在 成 ί 9 r( 2)層 (1料 障材 位由 散 擴 中 其 置 配 層 之 項 顆 之 η ο 3 之 起 算 面 表 之 種 1 至 少 至 中度 界深 遴之 粒處 中 置 配 層 種 此 中 其 置 配 層 之 項 1S 第 圍 範 利 專 請 串 如 配 體 導 半 之 用 路 電 體 積 成 精 層 之 項 8 第 圍 範 利 專 請 申 如 9 。置 置配 置 配 體 導 半 此 中 其 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐） A8 B8 C8 D8 43701 〇 申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 是一種積體電路用之記憶胞（2，4 )，其具有記憶電容器 (4 )和選擇電晶體（2 )，其中擴散位障（1 2 )是配置在記憶 體之鐵電性介電質（或介電常數較大之介電質）（8)和對 擴散敏感之材料層（5 )之間。 1 0 .如申請專利範圍第9項之層配置，其中作爲擴散位障 (12)用之儲存區配置在電極層（7,9)中至少一層-或記憶 電容器（4)之介電質（12)之顆粒邊界中。 1 1 .如申請專利範圍第9或1 0項之層配置，其中鐵電性 介電質或介電常數較高之介電質（8)是由SBT SrBi2Ta209、SBTN SrBi2(TaqNbx)2〇9、PZT Pb yZr uTiO 3 或 BST B a 尤 S r 卜^· T i O 3所構成。 12. —種擴散位障（12)之製造方法，擴散位障（l2)是用來 阻擋材料層（9)之層邊界之區域中之可擴散之材料成 份，其特徵爲：擴散位障（12)主要是形成在材料層（9) 之顆粒邊界中。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項^^法，其中引入至材料層 (9 )中之物質須達到一種濃^^使其超過此種物質在材 料層（9 )中之溶解度。 丨旷、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 4 .如申請專利範圍第1 2項法，其中引入至材料層 (9)中之物質須達到一種濃度，使其超過由此種物質以及 此材料層（9)中之材料所構成之化^ 化合物之溶解 度。 .二法，其中使氮化物 或碳儲存在材料層（9)中 本紙張尺度遘用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 437 0 1 〇 II D8 申請專利範圍經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 6 .如申請專利範圍第1 2 , 1 3或1 4y 質儲存在材料層（9 )中是藉由 復（cure)作用來達成。 1 7 ·如申請專利範圍第1 5項之^方法，其中使物質儲存在 材料層（9)中是藉由植入步驟及隨後^^復（c u r e ) 作用來達成。 1 8 .如申請専利範圍第1 2 , 1 3或1 法，其中物質 之儲存是由下述步驟來達成：層（9 )之表面之氧 化作用， 使物質儲存在整値氧化層（10)中，較佳是藉由此物 質與氣化層形成化學上之化而逹成， 將材料層（9 )之表面上之變之氣化層（11)整平。 19, 如申請專利範圍第15項法，其中物質之儲存是 由下逑步驟來逹成：材料@9)之表面之氧化作用， 使物質儲存在整値氣化Ί (10)中，較佳是藉由此物 質與氧化層形成化學上之化合物而逹成， 將材料層（9)之表面上之戸,變之氧化層（11)整平。 20. 如申請專利範圍第18項法，其中材料層（9 )之 氧化作用是藉由熱氣化作進行。 2 1 .如申請專利範圍第1 8項法，其中已改變之氧化 層（11)之整平作用是以一 刻步驟來達成。 法，其中使物 驟及隨後之熱恢變之氧化 成 22. 如申請專利範圍第20項 層（Π)之整平作用是以一種蝕刻步 23. 如申請專利範圍第12， 13或14項法， 其中使物 質儲存在至少一個電極層（7,9)中^儲存在積體電路 之記憶電容器（4)之介電質（12)中。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS M4規格（3丨公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}
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