TW444399B - Method to form a capacitor with hemispherical silicon grain - Google Patents

Description

4443 9 9 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明說明（丨） 發明領域： 本發明係與賴-_1 +之電容器的技術相關，制 是一種形成具有足夠機械強度之半球型矽晶粒層的方法。 發明背景：_ 當半導體城藉㈣㈣得越來越冑，DRAM記憶胞 之電容所佔有的面積也跟著縮小，這會導致電容器的電阻 變“電谷器的電阻減少，則必須時常對電容器充電， 以避免儲存訊號因洩漏電流（leakage current)而流失。再 者，電容器面積的縮小會導致電容器更容易被〇〇粒子輻射所 干擾。 至今，已有很多研究朝向增加電容器的電容而努力， 以達到讀取記憶胞時的高訊號/雜訊比（high signal-to~noise ratio)，並期待減少因〇^粒子輻射所造成 的軟錯記憶。如下所述，業界中已研發數種方法，用以增 加電容器儲存電荷的能力：（丨）用高介電常數物質取代傳統 之介電材一例如，用Ta2〇s及Ti〇2取代Si〇1，（2)減少電容 器的介電層厚度—因為Fowler-Nordheimn穿遂效應，介電 層的厚度有一個最小值的限制，因此，在這方面，我們不 可能得到太多的改善’（3)改變電容器之電極的形狀：電容 器可有凸出或凹陷等等的形狀，以增加電容器電極的表面 面積’（4)增加電容器電極之導電層與介電層之間的接觸面 積：導電層及介電層之間的接觸表面可改為粗糙狀的表 面’而不再是一平面的接觸表面。 ------------ ---ϊ 1--- 訂---------線') - , <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 本紙張尺度適用+困國家揉準（CNS)A4規格⑽χ挪公爱） 4443 9 9 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 B7 玉、發明說明（>) 如前所述之第三種方法，已被大量地使用，且一冠狀 電容或U型電容器已被發展出來，而最後一種方法，其中 一種例子即為粗糙狀多晶矽層，下面即針對此兩種方法的 結合，說明傳統應用的情形β 參考第-圖，其為半導體基材的截面圖，圖中顯示習 知技術中開始電容器製程的步驟，圖中具有兩個字元結構 102、主動區域110與場氡化區1〇3，主動區域11〇與肫踫 陣列中的其他主動區域之間，係以場氧化區1〇3隔離，而 其中一個字元結構102位於場氧化區1〇3之上。 如第一圖所示，字元結構102包括第一氧化層1〇6、形 成於第一氡化層106上的多晶梦層log、形成於多晶石夕層 108上的反射層i〇5、形成於反射層上的水平間隙層 104、以及一對垂直形成於字元結構1〇2之側壁的間隙壁 112。水平間隙層104與間隙壁112係為氮化矽或二氧化矽 物質，其作用係用以保護字元結構1〇2於蝕刻過程中受侵 触’並避免摻雜的原子進入通道。再者，於DRAM的操作期 間’水平間隙層104與間隙壁112提供閘極1〇2與主動區 域110之間的電性隔離。 參考第二圖，其為半導體基材的截面圖，圖中顯示習 知技術中形成蝕刻終止層116、犧牲層（sacrificial layer)118 '遮罩層120與光阻層122的情形。一最好包含 二氧化矽層得蝕刻終止層116 —致性地形成於第一圖的基 材100上。接著’一最好具有多晶矽物質的犧牲層116以 均勻的厚度形成於蝕刻終止層116之上，具有多晶矽的犧 3 本紙張尺度適用中國®家標率（CNS)A4規格（210 X 297公* ) 1----------I --------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费合作社印¾ 4443 99 A7 _ B7 發明說明（1 ) 牲層116可於製程期間減少應力。隨後，於犧牲層ii6之 上沈積遮罩層120，填滿字元結構1〇2之間的空隙，遮罩層 120 通常為硼碟石夕玻璃（b〇r〇ph〇sphosi 1 icate glass, BPSG) ’並利用化學機械研磨法（chemical Mechanical Polish，CMP)平坦化遮罩層丨20的表面以提供一可以覆蓋字 元結構102之平坦的上表面12卜之後，於遮罩層120之上， 沈積一光阻層122。 參考第三圖’其為半導體基材的截面圖，圖中說明習 知技術中形成一接觸洞126的情形。利用微影製程圖案化 光阻層122 ’以形成接觸洞126於光阻層122之中。然後， 以圊案化之光阻層126為遮罩，依序蝕刻遮罩層12〇與犧 牲層118 ’以形成接觸洞126於遮罩層120與犧牲層118之 中ρ 參考第四圖，其為半導體基材的截面圖，圖中說明習 知技術中移除蝕刻終止層116並形成半球型矽晶粒層 (Hemispherical silicon grain，HSG)128 的情形。利用乾 蝕刻製程’移除接觸洞126中的蝕刻終止層11δ，以曝露主 動區域110與部份之字元結構1〇2。然後，以乾蝕刻方法去 除餘留的光阻層122，並形成半球型晶粒層（HSG)128於接 觸洞126的表面以及遮罩層12〇的上表面，半球型晶粒層 (HSG)128係為未來將形成之電容器的下電極。 參考第五圖’其為半導體基材的截面圖，圖中說明習 知技術中移除遮罩層12〇上表面之半球型矽晶粒膚 (HSGH28的情形。對基材1〇〇實施化學機械研磨法(CMp), 4 本纸張尺度適用令困國家標準<CNS)A4規格<21〇χ 297公爱） ---------------------訂----------線、W------ f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 4443 99 绶濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 __BT^__ 五、發明說明（+ψ ) 以移除遮罩層120之上表面的半球型石夕晶粒層（j^(；)128。 參考第六圖’其為半導體基材的截面圖，圖中說明習 知技術中依序去除餘留之遮罩層12〇與犧牲層118的情 形。CMP製程之後，利用選擇性钱刻製程，餘留之遮罩層 120與犧牲層118依序被移除。半球型麥晶，（η%)層128 之直立部份127雖然大大地增加了接觸面積，然而，直立 部份的每一個半球型矽晶粒之間的連結僅賴於晶粒邊緣的 微弱連接，因此，直立部份127非常缺乏機械強度 (mechanical strength)。機械強度的缺乏可能造成直立部 份127的斷裂，而損失了電容器因變化其形狀與增加其接 觸面積所增加的性能。 ' 因此，改善半球型>6夕晶粒的機械強度，實是非常重要。 發明目的及概沭： 本發明提供一製程方法用以增加半球型矽晶粒層之機 械強度的方法。 0 於本發明中，基材上具有一字元結構與一主動區域， 首先，沈積一厚度均勻的钱刻終止層於字元結構與主動區 域上，接著，形成一犧牲層與一遮罩層於蝕刻終止層之上， 並實施化學機械研磨法以平坦化遮罩層的上表面。然後， 形成一接觸洞於該犧牲層、該遮罩層與該蝕刻終止層之 中’以曝露部份之字元結構與主動區域。 沈積-具有厚度50至2GGG埃的多晶料於接觸洞的 表面與遮罩層的遮罩層的上表面，然後，形成一具有厚产 5 &"張尺度適用中因固家標準（CNS>A4規格（21〇 χ 297公» ) -- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂· — t 1 1 線J· 4443 9 9 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明（.（） 10至500埃的半球型矽晶粒層於多晶矽層之上，接著，對 基材實施化學機械研磨法，以去除位於遮罩層上方之多晶 矽層與半球型矽晶粒層，並利用乾蝕刻製程，移除遮罩層 與犧牲層。最後’沈積一介電層於半球型矽晶粒層上，並 形成一導電層於介電層之上以形成電容器。 圖式簡單說明： 參考下列的細部說明及附圖，本發明之物件、特徵及 優點，將更顯而易見。 第一圖，其係為半導體基材的截面圖，圖中顯示習知 技術中開始電容器製程的步驟。 第二圖，其係為半導體基材的截面圖，圖中顯示習知 技術中形成蝕刻終止層、犧牲層、遮罩層與光阻層的情形。 第二圖，其係為半導體基材的截面圖，圖中說明習知 技術中形成一接觸洞的情形。 第四圖，其係為半導體基材的截面圖，圖中說明習知 技術中移除蝕刻終止層並形成半球型矽晶粒層（HSG )的情 形。 第五圖，其係為其為半導體基材的截面圖，圖中說明 為知技術中移除遮罩層上表面之半球型石夕晶粒層（路⑺的 情形。 第六圖，其係為半導體基材的截面圖’圖中說明習知 技術中依序去除餘留之遮罩層與犧牲層的情形。 第七圖，其係為半導體基材的截面圖，圖中顯示本發 -------- 丨丨^^ ----it------- (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 4443 9 9 A7 --—------B7 —____ 五、發明說明（·{：) 明開始電容器製程的步驟。 第八圊’其係為半導體基材的截面圖，圖中顯示本發 明中形成侧終止層、犧牲層、遮罩層與光阻層的情形。 第九圖’其係為半導體基材的截面圖，圖中說明本發 明中形成一接觸洞的情形》 第十圖，其係為半導體基材的截面囷，圖中說明本發 明中移除蚀刻終止層並形成第一導電層與半球型石夕晶粒廣 (HSG)的情形。 第十圖’其係為其為丰導體基村的截面圖，圖中說 明本發明中移除遮罩層上表面之第一導電層與半球型石夕晶 粒層（HSG)的情形。 第十一圖’其係為半導體基材的截面圖，圖中說明本 發明中依序去除餘留之遮罩層與犧牲層的情形。 第十二圖，其係為半導體基材的截面圖，圖中說明本 發明形成一介電層於半球型矽晶粒層（HSG)的情形。 第十四圖，其係為半導體基材的截面圖，圖中說明本 發明形成上電極的情形。 發明詳細說明： 自此’本發明之較佳實施例將與參考的附圖一同敘 述，其中相同的部份將分別以相同的號碼標示。

參考第七圖’其為半導體基材的截面圖，圖中顯示本 發明中開始電容器製程的步驟，圖中具有兩個字元結構 202、主動區域210與場氧化區203，主動區域210與DRAM 7 本紙張尺度適用中國困家棵準（CNS)A4規格（2lij X 297公爱> (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ------- —訂---------線· 4443 99 B7_ — 五、發明說明（^?) 陣列中的其他主動區域之間，係以場氧化區2〇3隔離，而 其中一個字元結構202位於場氧化區2〇3之上& 如第七圖所示’字元結構2〇2包括第一氧化層2〇6、形 成於第一氧化層206上的多晶矽層208、形成於多晶矽層 208上的反射層205、形成於反射層205上的水平間隙層 204、以及一對垂直形成於字元結構2〇2之側壁的間隙壁 212。水平間隙層204與間隙壁212係為氮化矽或二氧化矽 物質，其作用係用以保護字元結構202於蝕刻過程中受侵 蝕，並避免摻雜的原子進入通道。再者，於DRAM的操作期 間，水平間隙層204與間隙壁212提供閘極202與主動區 域210之間的電性隔離。 參考第八圖’其為半導體基材的截面圖’圖中顯示本 發明中形成蝕刻終止層216、犧牲層（sacHf icial layer)218、遮罩層220與光阻層222的情形。一最好包含 二氧化矽層得蝕刻終止層2述一致性地形成於第七圖的基 材200上。接著，一最好具有多晶矽物質的犧牲層216以 均勻的厚度形成於姓刻终止層216之上，具有多晶石夕的犧 牲層216可於數程期間減少應力。隨後，於犧牲層^6之 上沈積遮罩層220，填滿字元結構202之間的空隙，遮罩層 220通常為硼磷矽玻璃（BPSG)，並利用化學機械研磨法(CMp) 平坦化遮罩層220的表面，以提供一可以覆蓋字元結構2〇2 之平坦的上表面22b之後，於遮罩層220之上’沈積一光 阻層222。 參考第九圖，其為半導髅基材的截面圖，圖中說明本 3 ^紙張尺度適用+國國家標準（CNS)A4規格<21〇 x 297公爱)------ <請先閱讀背面之注奇¥項再填寫本頁) 1-------- 訂---------線 _w— — 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 4443 9 9 ____ _ B7 五、發明說明（) 發明中形成一接觸洞226的情形。利用微影製程圖案化光 阻層222，以形成接觸洞226於光阻層222之中。然後，以 圖案化之光阻層226為遮罩，依序飯刻遮罩層220與犧牲 層218’以形成接觸洞226於遮罩層220與犧牲層218之中。 參考第十圖，其為半導體基材的截面圖，圖中說明本 發明中移除银刻終止層216並形成第一導電層229與半球 型矽晶粒層（HSG)228的情形。利用乾蝕刻製程，移除接觸 洞226中的蝕刻終止層216,以曝露主動區域21〇與部份之 子元結構202。然後，以乾餘刻方法去除餘留的光阻層222。 接著，一致性地形成第一導電層229，於接觸洞226的表面 上以及犧牲層220的上表面。第一導體層229係為一非晶 矽層，在較佳實施例之中，第一導體層229係為一摻雜之 多晶矽層，並可使用如化學氣相沈積製程，藉由同步摻雜 的方式加入η塑的雜質於其中；在本實施例中，第一導體 層229的厚度約為50至2000埃之間，為後續將形成的半 球型矽晶粒(HSG)層228提供足夠的機械強度a 在第一導體層229沈積之後，即形成半球型矽晶粒層 228於第一導體層229上’本實施例中半球型矽晶粒層228 可為一摻雜之半球型矽晶粒層，其形成之厚度約為丨〇至 500埃之間。 在較佳實施例之中’可於形成半球型矽晶粒層228之 前加入一種子層（seed layer)，以利於顆粒狀矽的形成， 例如可使用氮化鈦層均勻的形成於第一導體層229上，並 可使用如低壓化學氣相沈積法(LPCVD)，以形成此氮化鈦 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公爱〉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,-------訂---------線、). 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4443 9 9 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（了） 層至大約為100-300埃之厚度。氮化鈦層提供形成半球型 矽晶粒層（HSG)228之成核區域（nucleation site)。 而在未應用氮化鈦層之種子層時，則可由第一導體層 229表面的矽材質或粒子直接提供形成半球型矽晶粒層 (HSG)228的成核區域《於形成半球型梦晶粒層（jjsg)228 時’多晶矽成核於種子層的表面’以氣相逐漸形成多數個 半球狀顆粒於第一導電層229上’如第十圖所示。第一導 電層229與半球型晶粒層（HSG)228係為未來將形成之電容 器的下電極。 參考第十一圖，其為半導體基材的截面圖，圖中說明 本發明中移除遮罩層220上表面之第一導電層229與半球 型矽晶粒層（HSG)228的情形。對基材2〇〇實施化學機械研 磨法(CMP)，以移除遮罩層220之上表面之第一導電層229 與半球型矽晶粒層（HSG)228，其結果如第十一圖所示。 參考第十一圖，其為半導體基材的截面圖，圖中說明 本發明中依序去除餘留之遮罩層220與犧牲層218的情 形。CMP製程之後’利用選擇性蚀刻製程，餘留之遮罩層 220與犧牲層218依序被移除。1半球型石夕晶粒(hsg)層228 之直立部份227大大地增加了接觸面積，於本發明中，直 立部份的每一個半球型矽晶粒之間的連結不僅依賴於晶粒 邊緣的微弱連接，而且亦賴於第一導電層229與半球型矽 晶粒228之間的連結，所以，大大地增加了直立部份227 的機械強度。 參考第十三圖，一介電層230 —致性地形成於基材 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------I---訂·！----線，^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4443 9 9 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 發明說明（（。） 200之上。介電層230是電容器中的介電層，以一本發明 的較佳實施例，第三介電層230可以是厚度約為1〇至1〇〇〇 埃之間的氮氧氮(ΟΝΟ)薄膜、氤氧化矽（NO)、五氧化二钽 (TaA)、二氧化鈦(TiO〇、BST (BaSiTi〇3)、PZT (lead zirconate titanate) ° 參考第十四圖’作為電容器之上電極的第二導電層 233形成於介電層230之上，一較佳實施粒而言，第二導電 層233可以是多晶矽、鎢或鋁，且其厚度約為1〇〇至3〇〇〇 埃’最後，圖案化第二導電層233以定義上電極。 綜上所述，本發明提供一改善半球型矽晶粒（HSG)層 228之機械強度的方法’直立部份227的每一個半球型石夕晶 粒之間的連結不僅味賴於晶粒邊緣的微弱連接，而且亦賴 於第一導電層229與半球型矽晶粒228之間的連結，所以， 大大地增加了直立部份227的機械強度。此種改善，著實 讓變化電容器形狀與增加接觸面積的方法可以好好地發揮 其功能。 上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定 本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精 神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專 利範圍内。^ 11 本紙張尺度適用+國國家標準<CNS)A4規格（210x297公爱〉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) J------- — 訂--------I ^ — i

Claims (1)

1. “43 99 Α8 B8 C8 D8 申請專利範圍 1. 一種形成具有半球型矽晶粒層之下電極於基材 法，該基材至少包含一字元結構與一主動區 j的方 至少包含： II i i I HI In I I . Ί (許先閲讀背面之注意事項再填寫本wj 沈積一蝕刻終止層於該字元結構與該主 上； 唆域 形成一具有平坦上表面的介電層於該蝕 之上； x、"、止層 形成一接觸洞於該介電層與該蝕刻终止層 以曝露部份之該字元結構與該主動區域； 申， 沈積一導電層於該接觸洞的表面； 形成該半球型矽晶粒層於該導電層之上. 移除該介電層。 & 訂. 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法’其中上述之 的厚度範圍約為50至2000埃之間。 電層 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述 至少包含TiN層。 、 導電層 經齊部智慧財4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，其中上述之 係為摻雜之多晶矽層。 電層 5·如申請專利_第丨項所狀方法，其中上述之 矽晶粒層的厚度係為1〇至5〇〇埃之間。 里 6. 如申請專利第丨項所述之方法，其中上述之介 係為多晶珍層。 7. 如申請專鄉"丨賴狀方法，其t上述之介電層 12 ( CNS ) A4«l^ { 210Χ 2974^¾y 4443 9 9 經濟部智"时是局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 _______ D8 六、申請專矛— 係為硼磷矽玻璃層。 8·種形成具有半球型l層之電容器於基材上的方 法’該紐至少包含-字元結構與_主祕域，該 至少包含： •沈積-姓刻終止層於該字元結構與該主動區域 形成一犧牲層於該蝕刻終止層之上； •形成一具有平坦上表面的遮罩層於該犧牲層之 ， 形成一接觸洞於該犧牲層、該遮罩層與該蝕刻終 止層之中’以曝露部份之該字元結構與該主動區域； 沈積一矽層於該接觸洞的表面； 形成該半球型<5夕晶粒層於該梦層之上； 移除該遮罩層與該犧牲層； 形成一介電層於該半球型矽晶粒層之上；及 形成一導電層於該介電層之上。 9. 如申請專利範圍第8項所狀方法，其巾上述之石夕層的 厚度範圍約為50至2000埃之間。 10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中上述之半球型 珍晶粒層的厚度範圍約為10至500埃之間。 11. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其申上述之介電層 至少包含氮氡氤⑽〇)薄膜、氮氧化石夕⑽）。 12. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中上述之介電層 至少包含五氧化二钽(TasOs)、二氧化鈦(Ti〇2)。 13 本紙張尺度( CNS ) ( 21GXW公釐) — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . -訂· \ A8 B8 C8 D8 这443 99 六、申請專利範圍 13·如申請專利範圍第8項所述之方法，其中上述之介電層 至少包含 BST (BaSiTiOs)、PZT (lead zirconate titanate)。 14. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中上述之石夕層係 為多晶層。 15. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中上述之石夕層係 為非晶碎層。 16. 如申請專利範圍第8項所述之方法’其中上述之犧牲層 係為多晶矽層。 Π.如申請專利範圍第8項所述之方法，其中上述之遮罩層 係為硼磷矽玻璃層。 ---------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財/!.局員工消费合作钍印製 本紙張尺度適用中钃國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐）