TW451470B - Miniaturized capacitor with solid-dielectric especially for integrated semiconductor-memory, for example, DRAMs, and its production method - Google Patents

Description

45147〇 A7 B7 五、發明說明（，） 本發明係關於一種具有固體介電質之小型電容器（ (請先開讀背面之涑項再填寫本頁) 電容器或MIS電容器），其特別是可有利地用於積體半導 體電路中，較佳是用於記憶體（例如，DRAMs)中。此 種電容器例如由 US-A-5760434、GB-A-2294591、BP-A-0553791、IEDM 1998 San Francisco: Y.S, Chun et al. and 1 997 Symp. on VLSI Tech. Digest of Tech. Papers: J.M. Drynan et. al·，page 151，i52 中已爲人所知。 氧化鉅（Ta2O 5)電容器數十年來已爲人所知，其較高之 比（specif ic)電容基本上是與較高之介電常數及氧化鉬-介電層之較小厚度有關。此外，就較高之比電容而言一 種儘可能大之表面是很重要的，其中特別是由電解式電 容器中已知者是··電極之表面以儘可能粗糙之方式使面 積增大是很重要的。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 就DRAMs (動態隨機存取記憶體）而言長久以來已使 用 MIM- /MIS 電容器。由 Drynan et al, 1997，Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Pagers, page 151 to 152中已知有一種電容器，其具有一種由鎢所構成之 第一電極，一種五氧化鉬-介電質以及一種例如由氮化鈦 (TiN)所構成之第二電極。由EP-0553791中亦已知有一種 電容器，其具有矽-半導體電極，此電極之粗糙表面是藉 由陽極蝕刻、選擇性蝕刻、以額外之紫外（UV)光入射來 進彳了之餓刻、妙或非晶形（amorphous)较層之乾式触刻或 藉由事先已設置之非晶形矽層之再結晶（習知之稱爲 HSG(Hemispherical Graining)之方法）來達成。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 451470 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 __:_B7_五、發明說明（* ) 由1)3-入-576〇434中已知有一種01^]\/1電容器及其製造 方法。電容器其中一個電極（稱爲底部電極，其是與記 憶胞之電晶體相連接）是由TiN所構成，該電極是一葎：+ 薄層，其以杯狀之形式形成在此種圍繞側壁之氧化矽 上。此種以杯狀形式構成之TiN層之內壁須以矽塗佈。 此種矽是藉助於HSG方法而轉換成半球形之粒狀矽，使 此種仍保留而未改變之TiN底層上之矽具有習知之粒狀 之結構/結構表面（其已放大數倍）。此種導電性H SG-多晶矽之已放大之表面形成其中一個電極之表面，此表 面上是以介電質來塗佈，此介電質上則塗佈第二電極（頂 部電極）以製成此電容器。 本發明之目的是提供一種與上述情況有關之電容器， 其中此二個鄰接於介電質之電極（特別是底部電極之表 面）是由較高導電性之導電性金屬所構成且電極面因此 具有一種很大之放大表面，就像其以HSG方法而可爲半 導體材料所達成者一樣，此外，本發明之目的亦包括： 對本發明之電容器之製造而言，提供一種有利且可靠之 可再生性之製造方法。 上述目的是以申請專利範圍第I項之電容器及相對應 之方法來達成。本發明之其它構造敘述在申請專利範園 其餘各項附屬項中。 本發明之特點特別是可由本發明小型固體電容器之隨 後所述之有利的本發明之製造方法中得知。 就DRAM電容器而言，已爲人所知的是其第一（即， (請先閱讀背面之注意事項再成寫本買) "& --線' 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） 45 ί 47 0 Α7 Β7 五、發明說明（+ ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁> 底部）電極設置成一種在巨觀（macr〇 skopic)上具有較大 表面之形式，這除了鐘形外例如亦可以是一種鑽孔之形 式，例如，圓柱之形式。這些巨觀之形式就相關之電容 器而言可達成一種很高之電容已爲人所熟悉。 在本發明中之設計方式是：第一電極之材料至少在其 電極表面內部區域中導電性須儘可能地良好。依據本發 明，其設計方式因此是：整個電極或至少此電極之靠近 表面之區域是由電子式（即，導電性良好之金屬式）矽 化鎢所構成。就先前所述之第二情況而言，本發明另一 方式是亦可設置多晶矽以作爲此種靠近表面之矽化鎢匾域 之核心。 依據本發明之設置方式是：第一電極之矽化鎢或至少 其靠近表面之區域含有化學計量（stochiometrical)上是過 量（over)之矽。WSi^中之矽成份可以設定成X = 2.0至 2.5。 --線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在此種較佳是化學計量上過量之矽化鎢之表面上現在 施加一種由化學計量上是欠量（under)之矽化鎢所構成之 第一層，例如，WSi 18，其矽成份X例如介於1.5至1.9 之間。此種層之厚度大約是1 〇至3 Onm。此種層例如是 在以氟化鎢（WF6)和矽烷（SiUne)進行習知之CVD沈積方 法之後施加的。 在第一層上施加另一由純矽或不含任何添加物之矽所 構成之層，這例如也是藉助於CVD沈積法而達成，此層 例如是10至30nm厚。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 1 47〇 五、發明說明（4 ) 具有上述二個塗層之第一（即，底部）電極於是例如 在8 00°c至1 〇〇〇°c時在例如1至1 0秒之期間中於鈍性之 大氣中被退火。在此種退火過程中，此種化學計量上欠 量之第一層之材料轉換成化學計量上至少是廣泛的矽化 鎢WSi2。在本發明中利用此種過程中給定之參數値，隨 著轉換成化學計量上之矽化鎢時須生長一種晶粒。這是 —種在第一層中或至少在第一層之表面上之晶粒生長。 這樣所產生之第一層之晶粒就第一電極之與電容器相關 之電極面積而言可使表面大大地增大。 在本發明隨後之步驟中使第二層之仍然存在之矽被往 下蝕刻而去除直至目前仍具有晶粒之第一層爲止。矽化 鎢表面因此完全裸露出來。現在對第一電極之晶粒狀表 面進行一種鈍化作用。適當之方式因此是在一種單層（其 厚度例如小於lnm)中進行一種熱氮化物塗層》此種氮 化物之形成特別是可藉由nh3之作用來達成。鈍化之意 義是：在電極表面上避免每一個二氧化矽之形成，否則 會大大地降低電容器之電容。

於是在第一電極之此種表面已擴大很多倍之電極面 (其是藉由本發明所形成之晶粒所達成）上施加電容器 之特定的（例如，SiN)介電質。適當之方式因此是進行 SiN (例如由NH 3和矽烷（silane)所形成）之CVD沈積過 程。此外，爲了降低缺陷（defect)密度，則有利之方式是 使氮化物氧化，但較佳是只一部份被氧化，因此可形成 一種薄之氧化層，此即所謂頂部（top)氧化物。此種在SiN 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規搞 <幻0 X 297公t ) <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) *.e. -線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 451^70 A7 ___._B7_ 五、發明說明（） 介電層中例如直至inm深之氧化作用會造成一種去飽和 • 之斷開的鍵結（bonding)現象。 另一方式是以介電質方式在氮化物鈍化層上藉由CVD 沈積法沈積五氧化鉅層或沈積一種由習知之已爲人所使 用之有機鉅化合物或類似物所構成之層。建議使先前已 施加之氧化鉬介電質之表面在一種含氧之大氣中受到一 種退火作用。此種方式之效用是可使介電層中缺陷密度 降低，特別是可使介電質之晶粒邊界中之缺陷密度降低。 於是可使電容器之漏電流（其是一種缺陷）大大地降低。 利用以上二種降低缺陷密度所用之方法，則亦可降低 針孔（pin bole)密度。 各別介電層之厚度是針對電容器所需之電壓強度來設 置。較厚之層可使電容器所可達成之比電容之値減小， 但可提高電容器之電壓強度。此種層之氧化物等效厚度 典型上是介於大約lnm和5nm之間。 介電質之裸露之表面是以電容器之第二電極來覆蓋。 第二電極例如可由氮化鈦、多晶矽、鎢、氮化鎢、矽化 --一---^-----~---1^,--------訂---------線 —ly— 'K—J (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 明 說 單 簡 式 圖 ο 述 詳 來 式 圖 各 之 。 示 成所 構後 所隨 物以 的將 似明 類發 及本 鲁 Λ$ 下 如 驟 步 - 第 之 用 所 極 電 一 第 器 容 電 之 明 發 本 造 製 圖 11 第 驟 步 各 它 其 示 顯 圖 ο 第藝 至技 br 2 fe a ϊ 2 圖 2 6 第第 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 A7 B7 五、發明說明（t ) 在第1圖中顯示形成二個相鄰之dram記憶胞所用之 第一步驟之切面圖。含有二個此種記憶胞之記憶體（未 顯示字元線）之電路所具有之習知構造是以2表示。二 條已顯示之位元線是以2 1表示。此二個記憶胞之源極-/汲極區是以22表示。所謂降落墊（lan ding pads)是以23 表示其可在各源極區和仍將描述之記憶電容器之間形 成一種電性連接。半導體基板以24表示’電性上之隔離 層以25表示且習知之作爲中間介電質（BPS G)用之層是以 2 6表示。此餍2 6是以乍爲蝕刻停止層用之例如由氮化物 所構成之層27所覆蓋。 第1圖之結構中以3表示之區域是作爲本發明之電容 器及其製造用/一種以整面方式施加於層27上之例如由 氧化矽所構成之氧化層是以3 1表示。此層亦習稱爲架構 (frame)層，其厚度例如是500至lOOOnm。由第1圖明顯 可知者是：就本發明之各別之電容器而言’須在氧化餍 31中分別蝕刻出一個凹口（此處是孔洞3 2 )。凹口之形 式依據第一電極所期望之巨觀形式來決定。就各別孔洞 32之定位而言*須在氧化層31之上部表面上進行一種微 影術式之遮罩作用。各孔洞32被蝕刻至各別之降落墊 之上部表面爲止，即，穿過蝕刻停止層27而到達該隔離 層25中。此種孔洞32之大槪尺寸例如是150nm。 在架構層31中製成上述各孔洞32之後，這些孔洞32 中依據上述第一種型式以化學計量上含有過量之矽之此 種矽化鎢（WSi 2_2.5)塡入。因此’氧化層3 1又藉由蝕刻而 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --.--^--------^装---------訂---------線 —\J. ·\ 、 (請先閱讀背面之注項再填寫本頁) k 5M7〇 · A7 一 B7 五、發明說明（？） <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 被去除。蝕刻停止層27上之矽化鎢將變成一種中空之圓 柱形本體〗3 2，其與降落塾2 3在電性上相接觸且因此與 記憶體電晶體之源極區22相接觸。 上述已提及：第一（即，底部）電極特別是在其靠近 表面之區域中是由已設定之矽化鎢所構成且此電極之核 心例如亦可以是多晶矽。相對於先前所述之方式而言’ 則在本發明之另一方式中該架構層31中之各孔洞32中 亦能以導電性之已摻雜之多晶矽塡入。在氧化層31被蝕 刻去除之後由多晶矽所構成之圓柱2 3 2因此須以如上所 述之矽化鎢來塗佈至一種厚度爲止以作爲上述之靠近表 面之區域，使此區域相較於一種只由矽化鎢所構成之電 極而言會產生一種實際上是同樣好之導電性電容器電 極。第2a圖是此種圓柱1 32'之一部份，其具有由多晶矽 所構成之核心23 2以及由給定之矽化鎢所構成之靠近表 面之區域232'。 第2b圖是第一（即，底部）電極之巨觀形式的另一種 形式。在此種由第1圖所製成之凹口（例如，孔洞32) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 中，在層31中在此種凹口 /孔洞32之壁上沈積本發明 中爲第一電極而至少在此電極之靠近表面之區域中所設 置之矽化鎢層，因此可形成一種與該降落墊23間的電性 連接（因此亦與源極區22相連接）。須構成此種矽化鎢 靥，使其在層31之其餘部份對應於隨後之步驟而完全去 除時可穩定地保持著以作爲中空之圓柱體132"。第2b圖 顯示此種情況，其具有一種沈積在圓柱體132”上之層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 45 1^70 A7 B7 五、發明說明（#) 33。依據所製成之電容器之實施方式而在該電容器之內 側及/或外側上沈積此層3 3。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明之本質是在圓柱132、132’之表面（在本體（例 如，132")之其它形式中，其是在132"之表面上）上如 上所述沈積一種化學計量上是欠量（under)之矽化鎢。第 2a至2b圖顯示一種因此而產生之層33。此種沈積是以 非均勻之厚度來進行，使此層27表面之以133來表示之 矽化鎢塗層之厚度大約只有此種在圓柱132上所沈稹之 矽化鎢之厚度之一半。所沈積之矽化鎢就像先前所詳述 的一樣在化'學計量上是欠量的。隨後對某一部份進行RIE 蝕刻，藉此蝕刻使較薄之塗層133至少一部份被去除直 至各別圓柱】32之塗層33在電性上互相隔離時爲止。於 是此圓柱132之塗層33變薄。 但由於先前存在較厚之層，則本發明之上述塗層可保 持足夠厚。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明其它主要特點是：於是在此種蝕刻之後仍保存 之此塗層33’上施加另一由純（多晶）矽所構成之層34。 下一個主要步驟是對目前所達成之結構進行退火。於是 此層33'之,化學計量上是欠量之矽化鎢與此層34之矽一 起轉換成一種矽化鎢，此種矽化鎢依據本發明具有或會 顯示該表面之上述晶粒41(請參閱第4圖）。於是可使電 極4之表面放大很多倍。下一個步驟是對殘留在目前是 晶粒狀之矽化鎢表面（及此層27之表面）上之其餘之矽 往下又進行蝕刻去除之過程直至已形成之晶粒表面爲 -1 0- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 451470 A7 B7_ 五、發明說明（9 ) 止。這亦可藉由濕式化學蝕刻去除作用來進行β目前則 仍保存各別記憶胞之電容器之第一（即，底部）電極4β 為了完成此電容器，則建議對本發明之矽化鎢（底部） 電極4之晶粒狀表面進行一種介電式（dielectric)鈍化 作用（passivation),這例如可以是一種熱氮化作用， 其單層之厚度小於lnm。例如設置氮化砂以作為電容器 之介電質，這可由NH和矽烷（silane)藉助於CVD沈積法 而施加於第一電極4之表面上以作為層5。本發明具有晶 粒狀矽化鎢表面之第一電極亦能以五氣化鉋來塗佈以作 為介電質。改良此介電質所用之方法已描逑在先前所逑 之一些段落中。 可設置氮化鈦以作為第二（即，頂部）電極6,這是藉 由共形（conforai)方式之沈稹而施加在介電質之層上β其 它適用於第二電極之材料在上逑一些段落中已提及。第5 圔顯示已製成之本發明之電容器1。 以上之描逑號己説明了本發明之電容器及其製造方 法，其是以第一（即，底部）電極4 (其具有巨觀形式之 圓柱132)開始進行。但本發明亦可用於第一電極是其它 形式之電容器，其結果相同。情況需要時亦可依據其它 構成方式選取氣化層中之凹口 （此處是孔洞32)或另一 方式是亦可以其它較寬之方式來製成第一電極之核心之 巨觀肜式。 第6圖顯示本說明書中導言所述記億體電容器之由 Drynan所發表文件之第3圖所構成之結構。頭形之第一 電極是以64表示。介電層65位於電極64之表面上，介 -11- 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> 成--------訂----- 線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 4 5147〇 _B7_ 五、發明說明（^) 電層65上是頂部電極64。介電質65是第一（即，底部） 電極之鎢之表面上之五氧化鉅。 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _. 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. ABCD

   —明示’本—是雲更原實質内容經濟部智慧財產！工消費合作社印製 451470 六、申請專利範圍 、 一 第89102495號「特別是用於積體半導體記憶體（例如，之具 有固體介電質之小型電容器及其^造方法」專利案 （89年8月修正) :.一種小型電容器，其包括：第一金屬電極⑷，其具 有預先給定之巨觀形式（132，132’，132”）；固體介電 質⑸，其位於第一電極⑷上：第二電極⑹，其位於 介電質⑸上，此種小型電容器之特徵爲： 第一電極⑷至少在其靠近表面之區域（232，）中是 由矽化鎢（％3“，又=2至2.5)所構成且在此區域之表 面上存在一種由晶粒狀矽化鎢所生長之層（41)，其 對介電質之設置在其上之層（5)而言具有表面放大作 用。 么如申請專利範圍第1項之小型電容器，其中該靠近 表面之區域（232’）之矽化鎢是在由多晶矽所構成之 核心上。 3. 如申請專利範圍第1或第2項之小型電容器，其中 介電質是一種雙層式（NO-)氮化物-氧化物。 4. 如申請專利範圍第1或第2項之小型電容器，其中 介電質是五氧化姐》 5. 如申請專利範圍第1項之小型電容器，其中第二電 極⑹由氮化鈦所構成。 6. 如申請專利範圍第1項之小型電容器，其中第二電 極⑹由矽化鎢所構成。 7. —種小型電容器之製造方法，該小型電容器是申請 專利範圍第1至6項中任一項所述者，以巨觀之形 -13- 本紙張尺度適用中围國家標率（CNS ) A4規格（2丨0 X 297公釐） ^--. — 破，、1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫表買) 訂 線· A8 B8 C8 D8 5 l 47 0 申請專利範圍 式在氧化層（31)之凹口中製成第一（即，底部）電極 ⑷之本體（132,132’，132”）且其上以介電質和第二電 極來塗佈，本方法之特徵爲： 所製成之至少在其靠近表面之區域中由矽化鎢 (WSU，X = 2 至 2.5)所構成之本體（132,132’，132”）是 以一種在化學計量上欠量（under)之矽化鎢（WSi,，X 介於1.5和1.9之間）所構成之層（33)來塗佈，其上 施加另一由無添加物之矽所構成之層（34)， 此二層（33,34)所形成之結構然後在一種鈍性之大 氣中退火，直至一種由化學計量上欠量之矽化鎢層 (33)所構成之晶粒層（41)形成爲止* 8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中以巨觀方式形 成之本體（132)通常是由矽化鎢（WSip X = 2至2.5)所 製成。 9. 如申請專利範圍第7項之方法，其中製成由多晶矽 所構成之以巨觀方式形成之本體（132，）且此本體以 矽化鎢（\^3“，又=2至2.5)塗佈以作爲靠近表面之區 域。 10. 如申請專利範圍第7至9項中任一項之方法，其中 施加化學計量上是欠量之鎢層（33)，其厚度介 於10和30nm之間。 11. 如申請專利範圍第7、9項之方法，其中須施 加化學計量上是欠量之鎢層（33)，使得在本體 _崎_ ik紙張^度適用中國國家標準（CNS V A4規格（2丨0 X 297公嫠） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) l1T 4. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 451 470 劈 D8 六、申請專利範圍 (132,132，，132”）上所施加之層（33)之厚度至少較相 鄰之面（133)上之層厚度大二倍。 让如申請專利範圍第7項之方法，其中施加矽層（34)， 其厚度.介於10和30nm之間。 诅如申請專利範圍第7項之方法’其中在鈍性之大氣 中800°C至1100°C時持續地進行退火過程1至10秒 之久8 ϋ如申請專利範圍第7、12或13項之方法’其中在晶 粒層（41)上在退火之後去除矽層（34)之殘留之成 份。 15.如申請專利範圍第7項之方法，其中使晶粒層（41) 之表面鈍化。 m如申請專利範圍第15項之方法’其中該鈍化作用藉 由熱氮化物塗層來進行。 17如申請專利範圍第16項之方法’其中鈍化作用是以 單層厚度小於Inm之方式來進行。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 A 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公嫠）