TW462106B - Method of manufacturing a capacitor in a semiconductor device - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 462106 Α7 ------B7 五、發明説明（/) 發明領域: 本發明係關於一種於半導體元件中形成一電容的方 法，特別是一種形成電容於半導體元件中的方法，而其元 件可以避免軟錯(soft error)、維持一穩定的操作以及於 DRAM中具有良好的漏電流的特性。 發明背景： 一半導體元件的製程技術必須涉及改善電晶體與電容 之表現的研究，尤其是，為了要避免軟錯以及維持dram 的铋疋操作，需要一尚於每單位25fF的電晶體，並且漏電 流必須足夠。現今已存在的介電質，如Sl3N4/si〇2(N〇)或 Ta2〇5並不具足夠的介電常數，然而，對於高介電常數的研 發’如SrTi〇3與(Ba，Sr)Ti〇3 (銅錄鈥酸鹽，自此稱為bst) 已經對於GigaDRAM之高介電常數電容上有大的進展，同 時，對儲存電容之下電極的研究也已經如火如荼地開展。 一傳統技術，利用高介電常數物質所組成之薄膜，而製 程的電容，將參考第一圖與第二圖以作為說明，該物質如 8印03與BST之具有高介電常數的物質。 、 第一圖是一元件的剖面圖’用以說明第一傳統技術中， 製程一半導體元件之電容的方法。 如圖所示，第一内層絕緣層12與第二内層絕緣層丨3依 序地沈積於基材11之上，該基材】丨之下層結構已經形成。 然後，對基材11之垂直打線(wiring)與電容器，蝕刻第二 13與第一内層絕緣層12之被選擇區域，以形成—接觸洞: ~ _ 2 本紙^度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（2K)X297公釐）^ --- ^---------&------订------^ {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 462106 經濟部智慧財產局S工消費合作社印製 A7 五、發明説明（《2 ) 接者’接觸洞以多晶碎填滿’並打平以形成一電容栓14。 接著，一接觸層15與一避免擴散層16形成於整個基材上， 圖案化下電極物質、避免擴散層16、以及接觸層15以形成 下電極Π。然後’利用BST形成一介電層18與一上電極 19於整個結構上，以完成電晶體的製程。 然而，於上述技術中，當半導體元件的設計規則 (design rule)更小’大於80。的角度必須維持在—個下電極 17之給定的高度。然而，有一個問題是給定的角度因蝕刻 製程的困難而不易維持，而且，當介電層18形成時，有 一個問題是接觸層15與避免擴散層16於下電極的側表面 處於暴露的狀態。 第二圖是一元件的剖面圖，用以說明第二傳統技術， 於半導體元件中，製造一電容器的方法。 如圖所示，於第一内層絕緣層22與第二内層絕緣層^ 依序形成於下層結構已形成之半導體基材21後，對基材幻 之垂直打線(wmng)與電容器，蝕刻第二23與第—内^絕緣 層22之被選擇區域，以形成一接觸洞。接著，接觸洞以多 晶魏至特定的高度，-接觸層25與—避免擴散層％ ^ 成於多晶石夕層，並將之平坦化，所以，接觸洞的内部利用 多晶石夕層埋著電容栓24 ’接觸層25形成於電容拾Μ 避免擴散層26之上。接著，在下電極物質形成於整個 之上以及圖案化成下電極27之後，利用跪形成介 28與上電極29於整個結構上’以完成電晶體的製程。 然而，於上述第二傳統之形成電容器的技術中，為了 本i尺度制巾關家ϋ CNS)峨格（ -----Μ-----士衣------1Τ------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 4 6 21 〇6 A7 一--------一 B7 五、發明説明（）） " ' — 避免暴露接觸層25與金屬/氧避免擴散層26，形成介電層 28 ’接觸層25與避免擴散層26形成-個栓型，所以，它 們只位於接，洞的内部。然而，避免下電極光罩與接觸洞 光罩的錯位是不可能的，所以，避免擴散層栓處於暴露的 狀態。因此’有一個問題是在BST，在介電層形成之後， 降低了漏電流的特性。 曼明目的及概述： 本發明的目的係提供一種於半導體元件中形成電容器 的方法’其中下電極可以形成需要的高度，而不需要侧 下電極的製程’因為利用BST的製程，對形成多層結構之 也合态會有困難，會產生蝕刻下電極之電容栓與下電極之 間錯位的情形可叫皮避免，而且當沈積介電層時之氧的擴 散可以被社’因為金屬/氧聽擴散層齡電層間的直接 接觸’可以被避免。 為了元成上述之目的，本發明提供一種於半導體元件 中形成電容器的方法，該方法至少包含：形成一第一内層 絕緣層於半導體基材上，基材具有一下層結構，蝕刻部^ 電谷器將形成於其中之第一内層絕緣層，因而形成第一接 觸洞；形成一多晶矽層於整個包括該第一接觸洞的結構， 並钱刻该多晶妙層；依序形成一黏著層與一避免擴散層於 該多晶矽層之上，並平坦化該黏著層與該避免擴散層，以 填滿該弟一接觸洞；依序形成一第二内層絕緣層與〇3_psg 薄膜於整個避免擴散層形成其中的結構，並去除部份該 ------4_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公着） ____^------Λ------訂------線 (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _ 4621 0 6 五'發明説明（ Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3- SG祕與該第二内層絕緣層，以形成第二接觸洞；形 ::下電極物質於該第二接觸洞已形成的整個結構，依序 /、位於違〇rPSG 薄膜上之下電極物質與該OrPSG薄 膜，因而完成下電極；及依序形成—介電層與一上電極於 戎下電極已形成之整個結構上。 圖式簡單說明； 本發明則述之觀點與特徵，將於下列的敘述隨同附圖 做解释，其中： 第-圖為半導體元件喊面圖，圖中顯示第—傳統技 術中於半導體元件形成電容胃的方法。 第二圖為半導體元件喊面圖，ϋ巾顯示第二傳統技 術中於半導體元件形成電容器的方法。 一第二Α圖至第三G圖為半導體元件的戴面圖，圖中薄 不本發明巾於半導體元件形成電容ϋ的方法。 圖號說明: (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 11基材 13第二内層絕緣層 15接觸層 17下電極 19上電極 21基材 23弟二内層絕緣層 25接觸層 12第一内層絕緣層 14電容栓 16避免擴散層 18介電層 22第一内層絕緣層 24電容栓 26避免擴散層 本紙張尺度顧中s國家縣（CNS ) Α4規格（2丨Gx 297公楚） 28介電層 32第一内層絕緣層 34黏著層 36第二内層絕緣層 38下電極 40上電極 462106 A7 _______ B7 五、發明説明（f ) 27下電極 29上電極 31基材 33多晶石夕層 35避免擴散層 37 0rPSG 薄膜 39介電層 發明詳細說明: 自此，本發明之較佳實施例將與參考的附圖—同敘 述，其中相同的部份將分別以相同的號碼標示。 第三A圖至第三G圖為半導體元件的截面圖，圖中顯 示本發明中於半導體元件形成電容器的方法。 如弟二A圖所示，第一内層絕緣層32先形成於具有下 層結構的基材31上’接著，用以基材31之垂直打線(winng) 的第一接觸洞與電容器形成於第一内層絕緣層32的部份， 其中電容器將形成，接著，形成一多晶矽層33，並全面式 地蝕刻，此後，形成厚度500〜50⑻埃的多晶矽層33，並全 面式地蝕刻，所以，從第一接觸洞的邊界往内部的方向仍 保有500〜3000埃的厚度，或是沈積一選擇性的多晶矽至需 要的厚度。 如第三B圖所示，一黏著層34形成於多晶矽層33之 上形成黏者層之後，鈦或组沈積於整個基材上，執行回 火步驟以形成石夕化金屬層或鈦石夕化金屬層，因此元件具有 歐姆特性，並且去除未反應的鈕或鈦。此時，利用化學氣 適iiTS 國家標準（CNS )威格（21〇>^97公£7~-----— I,---^------士-衣------1T------^ (請先聞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 2 6 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五 0 6 A? ------------ B7 發明説明（‘） —----- :=法’形成厚約·〜2_埃_或鈦，·快速熱氣 、/ ( TN)，執行回火步驟’其溫度約為55〇〜95〇。。，時間 為30〜120秒。 、如第二C圖所不，於形成一避免擴散層35於整個結構 並將之平坦化之後’依序形成_第二内層絕緣層36與一 OrPSG薄膜37於整個結構上，此時，利用沈積厚度為 200_ 7000 i矢之氮鈦鋁(TiAiN)、氮化|E(TaN)、氮化鈦(TlN) 或氮钱(Τ·)的其巾之―，II著缝或化學氣象沈積 法，形成避免擴散薄膜層35。平坦化製程是利用化學機械 研磨法完成，再者，第二内層絕緣層36的厚度為2〇〇〜2〇⑻ 埃’而OrPSG薄膜37的厚度為200〜7000埃。 如弟二D圖所示，利用光罩，並藉著微影與餘刻製程， 去除部份之OrPSG薄膜37與第二内層絕緣層36，即電容 器將形成的部份，以形成一第二接觸洞。 如第二E圖所示’形成一下電極物質於第二接觸洞已 形成的整個結構上，依序去除位於〇rPSG薄膜37上的下 電極物質與〇rPSG薄膜37，已形成一下電極38。此時， 下電極物質可為Pt、Ru與Ir，尤其是，當下電極物質為pt 時’其厚度為100~2000八，並利用由[(〇13)3(〇13(：5：94)?1;] (Methyl cyclopentadienyl trimethyl platinum)或[(C2h5) 3 (C2H5C5H4)2pt] (Ethyl-cyclopentadienyl-Pt-trietchyl, (EtCP)PtMe3)所組成之反應性原始物質，於溫度250〜550°C 下以化學氣象沈積法形成，壓力為0.1〜5 Torr，並提供 0〜500sccm之Ar、02、Η2氣體。當下電極物質為Ru時， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210XM7公釐） ——^J-----^------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 4 6 210 6 A7 B7 五、發明説明（7 ) 利用由 Ru[(C2H5C5H4)2] (Ru-EtCP2)或 RU[(CUH1902) 3] (Ru-DPM3)或 3](RiHris(2,4 Octanedionato)所組 成之反應性原始物質。再者’當去除位於〇rPSG薄膜上的 下電極物質時，可利用全面式餘刻或化學機械研磨法。 如第三F圖所示，形成一介電層39於下電極38已形 成之整個結構上’接著’如第三G圖所示，一上電極4〇形 成於介電層39之上，同時完成電容器的製程。 上述之製程，介電層39的形成可利用沈積具有高介電 常數的BST或SrTi〇3的物質，其厚度為100〜；1〇⑻埃，製 程溫度為300〜750°C;或依序形成厚度為1〇〇〜]〇⑻埃之bst 與100〜1000埃之的BST雙薄膜，然而其製程溫度分別為 300〜55CFC與300〜750〇C。而且，藉由化學氣相沈積法，沈 積Pt' Ru〇2與Ir〇2的其中之一，以形成上電極4〇，其厚声 為500〜2000埃’接著，利用外形(physiognomy)回火，於气 氣環境下’溫度300〜750T，對整個基材進行1〇〜6〇分鐘^ 回火步驟。再者，於介電層39與上電極40形成之後，於 溫度300~750。(：下與氮/氧的環境下，接著對基材進^ 1 (K240秒的快速熱製程(rtp)。 订 上述所提之電容器的製程方法，包括依序形成—下層 結構、一第一接觸洞、一多晶石夕層、一具有第一接觸^ 接觸層、一避免擴散層’以改善具有多層結構之電容器、 特性。接著’包括形成第二接觸洞、沈積—下電極、移= 一絕緣層以完成一具有多層結構的下電極。接著，形成: 问介電詹’如BST，與-上電極，以完成電容器的製程。 本紙張尺度_標準丨叫—-------- ——^---：-----文------訂------線 (請先聞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 6 2 10 6 Α7 ____Β7 五、發明説明（/ ) ~~~ ~~~〜 多層結構係以此方法完成，可以形成一特定高度的下^ 極，因為對不易被蝕刻之下電極所進行的蝕刻可以被， 略，因此，增加了電容器中之儲存電極的有效面積^而^忽 電容栓與下電極之間的錯位可以被避免。再者，當沈積Bs 薄膜時之氧的擴散可以被避免，因為金屬/氧避免擴散屉ST BST介電層間的直接接觸，可以被避免n本^輿 以改善電容器的介電特性。 β ^ 如上所述，本發明依序沈積一接觸層、一第一接觸~ 内的避免擴散層，以形成栓中栓形狀’形成第二接觸洞同 沈積一下電極物質、並移除氧薄膜以形成下電極，所以， 本發明具有下列效果：（1)下電極的有效面積增加，因為， 因為對不易被蝕刻之下電極所進行的蝕刻可以被忽略，（2) 會產生蝕刻下電極之電容栓與下電極之間錯位的情形可以 被避免’（3)當沈積BST薄膜時之氧的擴散可以被避免，因 為金屬/氧避免擴散薄膜與BST介電層間的直接接觸，可以 被避免。所以，本發明可以改善電容器的電性特性。 以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限 毛本發明之申请專利範圍；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。 本紙張i度適用中國國家標隼(CNS) ——I----------V------、耵------.^ Γ請先閱讀背兩之注意事項再填焉本1}

Claims (1)

1. 2 1 r) 6 ^、曱請專利範圍 】·—種於半導體元件中形成 下列步驟： &電谷益的方法，該方法至少包含 有一:U崎絕緣層於半導體基材上’該基材具 有下I。構，餘刻部份電容器將形成於盆中之 内層絕緣層，因而形成第-接觸洞；八。人 祕==輕個包括該第一接觸洞的結構， 依序軸-黏著層與1免概層於衫晶石夕層之 接觸=坦化該歸層與該避免擴散層，以填滿該第— 形成—第二内層絕緣層與0rpsG薄膜於整個 Η散層械其t的結構，縣除部份該Q3_psG薄膜 與該第二内層絕緣層，以形成第二細洞； 、 形成-下電極物質於該第二接觸洞已形成的整個結 m序去除位於該03_PSG薄膜上之下電極物質與該 OrPSG溥膜，因而完成下電極；及 依序形成-介電層與-上電極於該下電極 整個結構上。 2. 如申請專利範項之於半導體元件_形成電容器的 方法，其中上述之多晶石夕層已形成，其厚度為獨〜漏 埃，並經過全面式地軸,！，自該第_接觸_界面至其内 部’其厚度為500〜3000埃。 3. 如申請專繼項之於半導體元件中形成電容器的 夂歧張尺度遣用中國國家橾準（CNS ) A4規格（21Gx 297^F7 .--------/------1T------線 (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部皙总財.-4吣：^工4費合作钍印製 in 462106 A8 B8 g 六、申請專利範圍 '~~ 方法’其中上述之避免擴散層的厚度為2⑻〜7⑻〇埃之氮 鈦紹(ΤιΑΙΝ)、氮化鈕(丁別）、氮化鈦(TiN)或氮矽鈦(TiSiN) 的其中之一，其係藉著藏锻或化學氣象沈積法。 4. 如申請專職㈣1項之於半導體元件中形成電容器的 方法’其中上述之第二内層絕緣層的厚度為2〇〇〜2〇〇〇 埃，。 5. 如申請專利範圍帛丨項之於半導體耕中形成電容器的 方法’其中上述之〇rPSG薄膜的厚度為200〜7000埃。 6’如申凊專利範U第1項之於半導體元件巾形成電容器的 方法，其中上述之下電極物質係利用的其中 之一形成。 7·如申請專利範圍第丨項之於半導體元件中形成電容器的 方法，其中上述之介電層的形成係利用沈積具有高介電常 數的BST或SrTi〇3的物質，其厚度為ι〇〇〜ι〇〇〇埃，製程 溫度為300〜75〇。〇 8·如申請專利範圍第1項之於半導體元件中形成電容器的 方法’於介電層形成之後，於氮/氧的環境下’進行1〇〜240 秒的供速熱製程，其溫度為300〜750。(：。 如申叫專利範圍第1項之於半導體元件中形成電容器的 方法’於上電極形成之後，於氮/氧的環境下，進行1〇〜240 秒的快速熱製程，其溫度為300〜750。(：。 I J---.-------/------訂------線 (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智asn ·-? Η工合作社印t '失尺度相中國國家縣（CNi； .) Λ4規格（：1〇Χ 297公楚）