TW462129B - Method of forming a charge storage electrode having a selective hemispherical grains silicon film in a semiconductor device - Google Patents

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462129 A7 _ B7 五、發明説明（/ ) 發明領域： 本發明係關於一種積體電路之半導體製程，特別是關於 一種利用選擇性半球形晶粒ϊ夕(selective hemispherical grains silicon; HSG silicon)薄膜形成電荷儲存電極 (charge storage electrode)的方法。 發明背景： 當積體電路的集積密度要求不斷提高，使得半導體製程 中的線寬不斷縮減，電容器是否仍能具有足夠的電容量以維 持元件之正常操作特性’是積體電路製程中一直存在的重要 課題之一。 提高電容器之電容値可從兩方面著手進行：一是增加電 容器之電荷儲存電極(即下電極板)的表面積，目前已有許多 利用各種不同之立體結構的電荷儲存電極來增加其表面 積，以增加電容値。然而，此一方法不但在製作電荷儲存電 極時具有高困難度，亦會提高後續製程之困難度。另一是提 高電容器介電層的介電常數，來增加電容値，傳統製程中， DRAM電容器的介電層材質係爲二氧化矽介電材料，爲增加電 容器的介電常數，目前DRAM電容器的介電層材質通常是採 用Γ"氧化砂/氮化政/氧化砂(0N0)」或「氧化砂/氮化砂 (ON)」等複層結構材料，然而其電容値僅有約10左右，仍 無法滿足更高集積密度積體電路之要求。在目前亦有新開發 出之具有高介電常數的材料如：Ta205、dSn—χ)Τι〇3 (即 BST)等’雖然這些材料可具有約3〇〜200左右不等之高介電 常數’但其製程過於繁雜且大多無法實際應用在以矽爲基底 _____.-------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 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇Χ%97公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印裂 4 6212 9 A7 B7 五、發明説明（2) 的積體電路量產上。 最近’將半球形晶粒砂（selective hemispherical grains silicon; HSG silicon)薄膜應用於形成電荷儲存電 極之技術0被使用’此一技術可應用在超過256 MG之高集 積密度之半導體元件上，因爲藉由電極表面之HSG薄膜’可 增加兩倍以上之表面積’故可有效增加電容量。傳統製程 中’形成具有HSG之電荷儲存電極的製程包括有一成長HSG 於整個晶β結構表面之步驟’其中該晶圓已形成有電荷儲存 電極接觸孔(contact h〇le)，接下來還需進行額外之摻雜、 回蝕刻等步驟’然而’這些增加的步驟將容易造成污染微粒 的殘留，及降低產品良率等問題。 欲解決上述之問題，將HSG薄膜特定長在電荷儲存電極 形成位置上之「選擇性HSG製程」技術已被發展出來’此一 技術需要一乾蝕刻步驟以定義電荷儲存電極，其中使用於所 述乾蝕刻步驟之氣體種類是一重要參數，可決定後續選擇性 HSG製程中之可選擇性(s e 1 ec t i b U i t y)及晶粒大小。尤其， 當使用碳鹵化物（carbon halide)氣體（如GHsCRXHF3, CCh等)時，HSG薄膜可能無法形成，或即使形成也無法有效 地分佈於電荷儲存電極的表面，因爲HSG的晶粒尺寸相當 小。這是因爲碳鹵化物蝕刻氣體中的碳(C)成分會殘留於被 蝕刻之非晶矽層表面及絕緣層表面，而阻礙了後續形成HSG 所需要之晶種(seed)的形成’或是阻礙了晶種形成後砍原子 所需之表面移動。 請參閱圖六A〜B，係爲習知技藝中堆疊式結構之具有選 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X%97公釐） ---- J— H I» - n -----Ϊ 訂 n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) B7 462129 五、發明说明（)） 擇性HSG薄膜之電荷儲存電極的掃瞄式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope; SEM)圖，HSG薄膜在電荷 儲存電極的上表面成長之情形可參考圖六A，而HSG薄膜在 電荷儲存電極的側表面成長之情形可參考圖六B。如圖六B 所示，由於電荷儲存電極的側表面受到碳鹵化物蝕亥0氣體中 的碳成分殘留物的影響較小，所以可長出具有某種程度晶粒 尺寸的HSG薄膜；然而，如圖六A所示電荷儲存電極的上表 面受到碳鹵化物蝕刻氣體中的碳成分殘留物較大的影響，所 以無法長出理想的的HSG薄膜。 發明之槪述： 本發明之目的是提供一種在半導體元件中形成具有選 擇性半球形晶粒矽之電荷儲存電極的方法，在不增加元件尺 寸下’利用半球形晶粒矽之粗糙表面提供足夠之電容有效面 積。 本發明技術手段之重點在於定義電荷儲存電極時，使用 一般碳鹵化物氣體作爲主要蝕刻氣體，來選擇性蝕刻部分之 非晶较層’然後再利用不含碳之矽蝕刻氣體(如SF6、Cl2+〇2、 HBr等），選擇性蝕刻剩餘部分之非晶矽層，可避免碳成分之 殘留而不會妨礙後續HSG之成長。 本發明可利用以下兩種製程手段來達到前述之目的： (〜)首先在一已完成前段製程並具有接觸孔(cont ac t holes)的晶圓上方形成一非晶矽層；接著，以碳鹵化物氣體 作爲主荽飽刻氣體，選擇性蝕刻部分之所述非晶矽層；再接 著’以不含碳之矽蝕刻氣髓作爲主要蝕刻氣體，選擇性蝕刻 " _ II —-丨 I ________________ 本纸張尺度適用家標準（CNS ) A4規格（210¾297公釐） -------I 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 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（y) 剩餘部分之所述非晶砍層；最後，於部分所述非晶矽層之表 面，選擇性形成一半球形晶粒较層，以完成本發明。 (二)首先在一已完成前段製程並具有接觸孔的晶圓上 方形成一非晶矽層；接著’以不含碳之矽蝕刻氣體作爲主要 蝕刻氣體，選擇性蝕刻部分之所述非晶矽層；最後，於部分 所述非晶矽層之表面，選擇性形成一半球形晶粒砂層，以完 成本發明。 圖式簡要說明： 圖一 A〜E係爲本發明貫施例中形成電荷儲存電極之製程 剖面示意圖。 圖二A〜B係爲本發明實施例中堆疊式結捧之具有選擇性 半球形晶粒矽之電荷儲存電極的SEM圖。 圖三A〜B係爲本發明實施例中圓柱形結構之具有選擇性 半球形晶粒矽之電荷儲存電極的SEM圖。 圖四A〜E係爲在單一型(single type)設備中，一半球 形晶粒矽薄膜長於部分非晶矽層表面的SEM圖。 圖五A〜E係爲在群組型(batch type)設備中，一半球形 晶粒矽薄膜長於部分非晶矽層表面的SEM圖。 圖六A〜B係爲習知技藝中堆疊式結構之具有選擇性半球 形晶粒矽之電荷儲存電極的SEM圖。 圖號說明： 10-基板 11-絕緣層 12-非晶砂層 13·光阻層 發明詳綑說明： ----------^------IT------0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張Λ度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（2〗0><冬97公釐） A7 B7 462129 五、發明说明（/") 圖一 A~E係繪示本發明實施例之形成電荷儲存電極的製 程剖面示意圖。 首先，請參考圖一 A，一絕緣層11沉積於一矽基板10 的整個表面，其中所述絕緣層11可爲一單層或複層結構， 其材質可爲摻雜氧化層，如硼磷矽玻璃(Boro-Phospho Silicate Glass; BPSG)、硼砂玻璃(Boro Silicate Glass; BSG)、或憐砂玻璃(Phospho Silicate Glass; PSG)等，或 是非摻雜氧化層’如熱氧化層、高溫氧化層(HTO)等，該絕 緣層11之種類並不影響本發明之重點。 接著，請參考圖一 B，利用微影蝕刻方式於所述絕緣層 11中形成接觸孔(contact holes)。然後，請參考圖一 C， 形成一摻雜非晶砂(doped amorphous silicon)層12於整個 基板結構的表面，所述摻雜非晶矽層12之生成反應物包括 有矽之來源的SiH4或Si2H6氣體等，及摻雜物來源之含有磷 之Ptt氣體；當然，一離子佈植步驟實行於一非摻雜非晶矽 沉積步驟之後，亦是形成所述摻雜非晶政層12之方法。 接著，請參考圖一 D，形成一光阻圖案13於所述非晶 矽層12的表面，以定義電荷儲存電極。再接著，請參考圖 一 E，以所述光阻圖案13爲蝕刻罩幕(mask)，對所述非晶矽 層12進行乾蝕刻，以形成電荷儲存電極。其中所述乾蝕刻 包含兩個步驟：第一步驟先以碳鹵化物(carbon halide)氣 體作爲主要蝕刻氣體，選擇性蝕刻部分之所述非晶矽層12， 其中所述碳鹵化物氣體係爲GF6、CF4、CHB或CCU等；第 二步驟再以不含碳之矽蝕刻氣體作爲主要蝕刻氣體，選擇性 ---------*--裝------, I 訂------線 (請先閏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 本紙張尺度適用中國國家標车（CNS ) A4規格（2丨0X^97公釐） 452129 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（‘） 蝕刻剩餘部分之所述非晶矽層12，其中所述不含碳之矽蝕刻 氣體係爲SFe '或Cl2+〇2等。上述之碳鹵化物氣體具有極佳 的蝕刻速率及蝕刻選擇性，而上述之不含碳的矽飩刻氣體則 可防止碳成分抑止後續選擇性HSG薄膜成長的現象。 之後，形成HSG之晶種(seed)以形成HSG薄膜於被圖案 化之非晶砂層12的部分表面，並利用_回火步驟(anneal ing) 使非晶矽層12的部分表面上之矽原子沿表面移動至晶種 處，該回火步驟的溫度約450°C，壓力約爲低於10_4toir之 高真空狀態。 圖二A、B係爲本發明實施例中堆疊式結構之具有選擇 性HSG之電荷儲存電極的SEM圖，係於上述第二蝕刻步驟中 使用SF6氣體的圖一 E剖面之情況。其中圖二A顯示HSG薄 膜長於電荷儲存電極上表面的情形，而圖二B則顯示HSG薄 膜長於電荷儲存電極側表面的情形。如圖二A、B所示，電 荷儲存電極上表面及側表面均確定有足夠晶粒尺寸之HSG， 將圖二A、B比較於習知技藝之圖六A、B，可證明本發明具 有明顯的改善。 圖三A、B係爲本發明實施例中圓柱形結構之具有選擇 性HSG之電荷儲存電極的SEM圖，其中圖三A顯示上述第二 蝕刻步驟中使用SF6氣體之情況，而圖三B則顯示上述第二 蝕刻步驟中使用Ch+〇2氣體之情況。如圖三A、B所示，選擇 性HSG薄膜具有足夠之晶粒尺寸。因此，本發明並不受電荷 儲存電極之形狀的影響。 圖四A~E係爲在HSG成長之單一型設備(single type (清先閱璜背面之ίΐ意事項再嗔寫本頁) -裝- 訂 線 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) Α4規格（210Χ》97公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 2 12 9 A7 B7 五、發明説明（^)) equipment)中，HSG薄膜長於電荷儲存電極上表面的SEM 圖，係顯示於非晶矽層蝕刻步驟中使用不同蝕刻氣體之情 況。其中圖四A顯示蝕刻步驟中只使用GR氣體之情況，圖 四B顯示蝕刻步驟中只使用CHF3+CF4氣體之情況，圖四C顯 示蝕刻步驟中只使用CHF3+Ar氣體之情況，在上述各情況 下’非晶矽層以習用方式被定義圖案化，圖示中顯示選擇性 HSG薄膜之晶粒尺寸很細小，或幾乎無法形成晶粒。另一方 面’圖四D和E顯示蝕刻步驟中只使用Ch+α氣體之 情況’不同的是，圖示中顯示選擇性HSG薄膜具有足夠大的 晶粒尺寸。 圖五A~E係爲在HSG成長之群組型設備(batch type equipment)中’ HSG薄膜長於電何儲存電極上表面的SEM 圖，係顯示於非晶矽層蝕刻步驟中使用不同蝕刻氣體之情 況。其中圖五A顯示蝕刻步驟中只使用(¾氣體之情況，圖 五B顯示蝕刻步驟中只使用CHF3+CF4氣體之情況，圖五C顯 示蝕刻步驟中只使用CHF3+Ar氣體之情況，在上述各情況 下，非晶矽層以習用方式被定義圖案化，圖示中顯示選擇性 HSG薄膜之晶粒尺寸很細小，或幾乎無法形成晶粒。另一方 面’圖五D和E顯示蝕刻步驟中只使用SF6和Ch+α氣體之 情況，不同的是，圖示中顯示選擇性HSG薄膜具有足夠大的 晶粒尺寸。因此，本發明並不受HSG沉積設備種類的影響。 本發明之另一實施例係於上述二步驟選擇性蝕刻非晶 矽層時，使用HBr氣體取代前述實施例中的SF6. Ch+〇2氣 體’此一實施例中HBr氣體可避免碳成分的殘留，幾乎可達 本纸張尺度適用中國國家標率（CMS ) A4規格（21〇><茁7公釐） -----------裝------II------0 . - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財4局=>貝工消費合作社印製 4 6 21 2 9 五、發明説明（/ ) 到前述使用SF6或Ch+α氣體之效果，此外，HBr氣體具有極 佳之蝕刻選擇性的優點。 本發明之再一實施例係不採用前述二實施例之二步驟 選擇性to刻非晶矽層，而是採用單一步驟來選擇性蝕刻非晶 矽層，其主要蝕刻氣體係爲SF6、Ch+α或ΗΒΙ·等不含碳成分 之氣體，以利於之後長成HSG薄膜。在此實施例中，蝕刻速 率較前述使用到碳鹵化物氣體之二步驟触刻慢，因此其具有 生產力較差的缺點，但本實施方式亦具有更能確保HSG薄膜 之晶粒尺寸的優點。 綜上所述，對於傳統上限定使用碳鹵化物蝕刻氣體定義 電荷儲存電極而言，本發明具有防止碳鹵化物蝕刻氣體殘留 之碳成分抑止後續選擇性HSG薄膜成長的現象，而且本發明 可確保HSG薄膜具有足夠的晶粒尺寸。因此，本發明可有效 貢獻於高集積密度之半導體元件製程。 以上所述係利用較佳實施例詳細說明本發明，而非限制 本發明的範圍，因此熟知此技藝的人士應能明瞭，適當而作 些微的改變與調整，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離 本發明之精神和範圍，故都應視爲本發明的進一步實施狀 況。謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。 -----.---.--裝------訂------線 (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X997公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中央橾隼局貝工消費合作社印製 A8 4 6 2 1 2 9 —-......... cl , D8 六、申請專利0 皆 A : 1. 一種形成具有選擇性半球形晶粒矽(HSG)之電荷儲存電極 的方法，係包括： (a) 在一已完成前段製程並具有接觸孔(contact hoies)的 晶圓上方形成一非晶砂(amorphous silicon)層； (b) 以碳鹵化物(carbon halide)氣體作爲主要齡刻氣體， 選擇性蝕刻部分之所述非晶矽層； (c) 以不含碳之矽蝕刻氣體作爲主要蝕刻氣體，選擇性蝕 刻剩餘部分之所述非晶矽層； (d) 於部分所述非晶矽層之表面，選擇性形成一半球形晶 粒矽(HSG)層。 2. 如申請專利範圍第1項所述形成具有選擇性半球形晶粒矽 之電荷儲存電極的方法，其中所述不含碳之砂蝕刻氣體係 至少包含SF6氣體、Ch4〇2氣體及HBr氣體其中之一。 3. 如申請專利範圍第1項所述形成具有選擇性半球形晶粒砂 之電荷儲存電極的方法，其中所述碳鹵化物氣體係至少包 含C2F6氣體、CF4氣體、CHF3氣體及CCU氣體其中之一。 4. 如申請專利範圍第1項所述形成具有選擇性半球形晶粒矽 之電荷儲存電極的方法，其中所述碳鹵化物氣體更可與一 惰性氣體共同使用作爲(b)步驟中之蝕刻氣體。 5. 如申請專利範圍第1項所述形成具有選擇性半球形晶粒砂 之電荷儲存電極的方法，其中所述(d)步驟之後更包含一 退火Unneal ing)製程，其製程壓力不超過1〇4 torr，而 製程溫度至少450°〇 -----------裝——----訂 線 (請先閲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（210X07公釐） A8 B8 C8 D8 4621 2 y 六、申請專利範圍 6. —種形成具有選擇性半球形晶粒矽(HSG)之電荷儲存電極 的方法，係包括： (a) 在一已完成前段製程並具有接觸孔(contact hoies)的 晶圓上方形成一非晶政(amorphous silicon)層； (b) 以不含碳之矽蝕刻氣體作爲主要蝕刻氣體，選擇性蝕 刻部分之所述非晶矽層； (c) 於部分所述非晶矽層之表面，選擇性形成一半球形晶 粒砂(HSG)層。 7. 如申請專利範圍第ό項所述形成具有選擇性半球形晶粒矽 之電荷儲存電極的方法，其中所述不含碳之矽蝕刻氣體係 至少包含SF6氣體、Cl2+〇2氣體及HBr氣體其中之一。 8 ·如申請專利範圍第6項所述形成具有選擇性半球形晶粒政 之電荷儲存電極的方法，其中所述(c)步驟之後更包含一 退火(annealing)製程，其製程壓力不超過l〇_4torr，而製 程溫度至少450°C。 -I n n II II -- n n I In i ; n n J~. I 線 (請先閲讀背面之注項再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS } A4規格（210Χ^9丨7公釐）