TWI236053B - Method of selectively etching HSG layer in deep trench capacitor fabrication - Google Patents

Method of selectively etching HSG layer in deep trench capacitor fabrication Download PDF

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Description

1236053 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種深渠溝電容器之製法，且特別是 有關於一種選擇性去除深渠溝矽基底上之半球狀；5夕晶粒 (Hemispherical Silicon Grain; HSG)層的方法，係利用 電漿摻雜（pi asma doping)之方式將深渠溝上半部之半球 狀矽晶粒層之片電阻（sheet resistance)降低，以利於後 續進行之半球狀矽晶粒層蝕刻製程時不會傷及深渠溝之石夕 基底材質。 【先前技術】 目前廣泛使用之動態隨機存取記憶體（Dynamic Random Access Memory; DRAM)中的電容器係由兩導電層 表面（即電極板）隔著一層絕緣物質而構成，該電容器儲 存電射之月b力係由絕緣物質之厚度、電極板之表面積及絕 緣物質的電氣性質所決定。隨著近年來半導體製程設計皆 朝著縮小半導體元件尺寸以提高密度之方向發展，記憶體 中記憶胞（memory cell)的基底面積必須不斷減少使積體 電路能容納大量記憶胞而提高密度，但同時，一方記 ，電容之電極板部分必須有足夠之表面積以儲存充足的電 何，其次，更進一步配合使用高介電質介電材料（high_k dielectric materials)使記憶胞之電容量大增。然而隨 著DRAM體積的縮小化，深渠溝型（deep什⑽仏type)電容 器便被廣泛地應用在DRAM中。為達成上述足夠之表面積， 一種利用半球狀矽晶粒（H㈣ispherical SiH⑶n GFain; HSG)之可行技術即被用來廣增渠溝式（trench)電容器電極
1236053 五、發明說明（2) 板之表面積。於美國專利第6 1 77 6 9 6號、6 53787 2號及 65 5 543 0號皆曾說明了於渠溝式（trench)電容器内形成半 球狀矽晶粒（HSG )層之應用。 請參閱第1 A至1 I圖，其顯示習知之應用半球狀矽晶粒 (HSG)層製程於深渠溝電容器之應用。首先，如第丨A圖所 示’提供一半導體矽基底1〇，其包含有一墊氧化層12(pad oxide)、墊氮化層i4(pad nitride)、一深渠溝DT及一領 型介電層1 6於該深渠溝DT上半部側壁。於該深渠溝DT側壁 及底部形成一钱刻終止層（e t c h s t ο p 1 a y e r) 1 5，例如氧 化層。 其次’清參照第1 B圖，於該餘刻終止層1 5上沉積一非 晶石夕層1 7。然後，如第1 c圖所示，施以一磷離子摻雜2 〇於 適當之濃度、流量及時間於該非晶矽層1 7上形成一摻雜絕 緣層而使得該非晶矽層1 7原處（i n-s i tu)生成半球形晶粒 石夕（HSG)層22，其目的為增加深渠溝dT之表面積。 、、之後，請參照第1D圖，形成一第一光阻層26填入該深 渠溝DT，然後凹蝕該第一光阻層2 6以留下預定深度的第一 光阻層2 6在深渠溝DT下半部。接著，以凹蝕第一光阻層2 6 當作罩幕將深渠溝DT上半部之半球狀矽晶粒（HsG )層2 2蝕 刻去除。在蝕刻過程中，由於深渠溝矽基底對半球形晶粒 石夕（HSG )層之#刻選擇比很低，需要一蝕刻終止層作為緩 衝以隔絕並保護深渠溝矽基底。後續，請參照第丨E圖，再 以蝕刻方式將深渠溝上部暴露於光阻層上之蝕刻終止層i 5 去除。之後，再將第一光阻層26從深渠溝])了中去除。曰 0593-A40001TWF(N1);92069;YYHSU.ptd 第6頁 1236053 五 發明說明（3) 之後，請參照第1 F圖，沉積一砷玻璃（ASG )層2 8於該 深渠溝DT底部及側壁。之後，重複先前製程，再形成一第 一光阻層30於上述沉積於深渠溝DT底部及側壁之砷玻璃層 j上，然後進行該第二光阻層3〇凹蝕，留下預定深度的第 二光阻層30在深渠溝DT下半部。接著，請參照第“圖，以 凹蝕之第二光阻層30當作罩幕將深渠溝DT上半部之砷玻螭 層28蝕刻去除。而殘留之第二光阻層3〇也於後續去除之。 ，續，請參照第1 Η圖，於深渠溝底部及側壁上形成— 覆蓋氧化層32(cap oxide)。接著，如第π圖所示，進行 熱製私使砷玻璃層28中之砷原子擴散至深渠溝DT下方區 =，而形成一n+型擴散區34 ,以用來作為深渠溝電容器36 $埋入電極板（buried plate)34。最後，再將深渠溝Μ ?二玻Λ·及覆蓋氧化層32蚀刻去除。此即半球狀石夕 曰曰拉（HSG)層於深渠溝電容器36之習知製作。 六m ^ ^击於上述習知之半球狀矽晶粒（HSG)層深渠溝電 ==中之步驟比較繁複，不僅需用到二道(steps)J 塗佈/凹ϋ製程’亦須另加 果渠溝石夕基底與半球狀雜(HSG)。；；：= 粒⑽G)層深渠溝電容器製程之所以較冗長^ 為t免將半球狀石夕晶粒（HSG)層|接形 内側壁而接觸到深渠溝 ^ 基底之物理性質盘半=基底/其中原因係由於單曰曰“夕 上述_ |對1 # /、 矽晶粒（MO層十分相近，因此 上这一者對㈣之選擇比亦趨於—致 _ 深渠溝内側壁上部半球狀…⑽)層银刻過程時，進：
1236053 五、發明說明（4) 可避免地、，深渠溝内側壁之矽基底亦會因蝕刻而損傷，甚 或造成洙渠溝開口擴大，進而造成次臨界電壓（sub_vt)漏 損的問題。 、此問題雖如前述習知之技藝以一蝕刻終止層形成於深 渠溝側壁之矽基底與半球狀矽晶粒（HSG)層之間以其克服 上述問題。然而，此舉不僅增加製程複雜性，令人遺撼的 是f使電容器電容量下降’其因歸諸於此蝕刻終止層往往 於深渠溝下部之埋入電極板（buried plate)内形成一寄生 電，（paraSltlc capacitance)而影響了整個電容器之電 容夏。 【發明内容】 有鑑於此，本發明的目的在於提供一 器製程中，選擇性去除半球狀矽曰 .木杲溝電谷 suic〇“rain; HSG)層而完V:/r:;sphericai 矽基底的方法。 s而几正無知地保留深渠溝側壁之 此外，本發明之另一目的是提供一 狀矽晶粒層的方法，其以转立 、擇『生去除半球 述之雷將槔雜彳τ 1特思调製之酸蝕刻溶液，配合上 迷之尾水務雜（p lasma d〇Di ησ、制如 ^ , 工 晶粒（HSG)層蝕刻去除。 1耘，有效地將半球狀矽 本發明之第三目的係在提一 π 作，其在製作半球狀石夕晶粒（_/=溝電谷器之製 i_ntatlon)方式形成一埋直 oxide)，以便後續形成半球狀 (collar /日日粒（H S G)層過程時，當
0593 -A40001TWF(N1)；92069;YYHSU.p t d 第8頁 1236053 五、發明說明（5) 作一阻障層（barrier layer)以阻隔（bi〇ck)摻雜物 (dopant)因熱製程而擴散至深渠溝侧壁之美麻 最後，本發明因上述新穎之製程也因此^效地簡化 習知之半球狀矽晶粒（HSG)層於深渠溝電容器之製程。匕了 ^達f上述目的，本發明係提供—種選擇性去'除半球 狀矽晶粒層的方法及深渠溝電容器之製作，藉由進行—^ 漿摻雜（plasma doping)製程而將半球狀矽晶曰粒（hsg)層表 面之片電阻（sheet resistance)降低，進而使半球狀石^ : 粒（HSG)層之蝕刻率（etch rate)增加，而較深渠溝側壁: 矽基底易於蝕刻去除。本發明之方法包括下列步驟·· ^ 先，於一半導體矽基底上形成一墊氧化層、墊氮化層I 一 深渠溝。之後，形成一埋入介電層（]3Uried dieiectr^c layer)於該深渠溝上半部内側壁。形成一半球狀矽晶 (HSG)層於該深渠溝内側壁及底部以增加深渠溝之表面 積。形成一摻雜絕緣層於該深渠溝並覆蓋於該半球狀石夕晶 粒（HSG)上。之後，形成一光阻層填滿該深渠溝，凹蝕該曰曰 光阻層至深渠溝内一預定深度並去除部份暴露於光阻層/之 摻雜絕緣層。電漿摻雜於該暴露於光阻層表面之半球狀石夕 晶粒（HSG)層以形成一電漿摻雜層，隨後再蝕刻去除該電 槳摻雜層以完成選擇性去除半球狀矽晶粒層的方法。形成 一覆蓋氧化層（c a ρ ο X i d e )於該深渠溝底部及側壁。接 著，進行一熱製程以形成一深渠溝電容器的埋入電極板 (buried plate)。最後，再餘刻去除该冰渠溝表面之覆蓋 氧化層及摻雜絕緣層。
0593 -A40001TWF(N1)；92069;YYHSU.p t d 第9頁 1236053 五、發明說明（6) 【實施方式】 請參閱第2A至2H圖，其顯示本發明深渠溝電容器製程 之剖面示意圖。 首先，如第2A圖所示，提供一半導體矽基底1〇〇，其 包含以加熱氧化法（t h e r m a 1 ο X i d a t i ο η)形成一例如厚度 30〜50埃之墊氧化層120(pad oxide layer)、以低壓化學 氣相沉積法（LPCVD)形成一例如厚度1 50 0〜2200埃之墊氮化 層140(pad nitride layer)及一深渠溝DT。之後，藉由離 子佈植（ion implantation)320 方式，以一例如0.5 〜2E18 佈植濃度/50〜70 Kev佈植能量之氧離子佈植（〇+ implantation) 3 2 0參數，輔以傾斜例如8〜12度（最 佳值約1 0度）之佈植角度，再加以一高溫1 〇 〇 〇〜J i / 5 0〜9 0秒熱製程’例如一熱退火（a n n e a η n g )，以形成一 例如厚度300〜40 0埃之埋入介電層（buried dielectric layer)160於該深渠溝DT内側壁上半部之矽基底上。使用 此製程之目的為：1 ·以便後續形成半球狀矽晶粒（HSG )層 過程時’當作一阻障層（barrier layer)以阻隔（block)摻 雜物（dopant)因熱製程而擴散至深渠溝側壁之矽基底内 部’以確保接合面（junction)不致發生反轉效應（adverse effect)。2·由於該埋入介電層之厚度相當薄，故於後續 之諸多熱製程中，其有較寬裕之熱預算“乜”關丨budget) 而不致使膜厚過厚而壓縮元件之空間，而該適當厚度之埋 入介電層亦可有效地壓制電容元件之漏電流（leakage current)問題 〇
0593-A40001TWF(N1);92069;YYHSU.p t d 1236053 五、發明說明（7) 接著，如第2 B圖所示，以低壓化學氣相沉積法 (LPCVD)於5 0 0〜5 5 0 °C順應性沉積一半球狀矽晶粒（HSG)層 2 2 0以覆盍该深渠溝D τ内側壁及底部，其目的為增加深渠 溝DT之表面積，以期增加後續製作之深渠溝電容器之電容 量。隨後，如第2C圖所示，以低壓化學氣相沉積法 (LPCVD)順應性沉積一例如厚度2 50〜380埃之摻雜絕緣層 (doping dielectric layer) 240，例如一砷玻璃（ASG) 層’以覆蓋該半球狀矽晶粒（HSG )層2 2 0。 之後’如第2D圖所示，以旋轉塗佈（spin-coat)方式 形成一遮蔽層（mask layer) 26 0，例如一光阻層，填滿該 深渠溝’並凹蝕該遮蔽層26〇至深渠溝DT内一預定深度以 疋義後續將形成之埋入電極板之位置。接著，以非等向性 乾姓刻法將深渠溝DT内側壁上部之未被該遮蔽層2 6 〇覆蓋 之摻雜絕緣層2 4 0去除。 接下來’請參考第2E圖，暴露於光阻層之深渠溝上半 部的半球狀矽晶粒（HSG)藉由一離子摻雜34〇，例如硼（B+) 以形成一電漿摻雜反應，以佈植例如丨E丨7〜丨E丨9 cm_3之製程 條件而形成一電漿摻雜層（plasma d〇ping layer)36〇。其 目的為利用上述製程將半球狀矽晶粒（HSG)層22〇表面之片 電阻（sheet resistance)降低，進而使其之蝕刻率提高。 此2將電漿摻雜層360與深渠溝矽基底丨〇〇對於蝕刻液之蝕 刻k擇比（etching selectivity)從原先無摻雜時之趨近 值(j : 1)拉開到摻雜後至少i : 2〇 (較佳可達1 : 3〇)，而 使得電漿摻雜層36 0之蝕刻速度比深渠溝矽基底丨〇〇來得快
1236053 五、發明說明（8) 速而易於去除，且不會使深渠溝矽基底受損。 後續’請參考第2F圖，配合上述之電漿摻雜（plasma doing) 340製程，以特意調製之混酸蝕刻溶液，例如一氫 氟酸（HF) ··硝酸（HN〇3) ··醋酸（CH3C〇〇H)以卜！ · 5 ·· 3 〜3· 3 ·· 8〜8 · 2 (最佳值} ·· 3 ·· 8 )之比例調配，藉由濕蝕刻方式將暴 露於光阻層2 6 0外之電漿摻雜層3 6 0 (即低阻值半球狀矽晶 粒（HSG)層））蝕刻去除。之後，再去除殘留之遮蔽層26〇。 接下來，請參考第2G圖，於深渠溝之暴露表面上以電 漿加強化學氣相沉積法（PECVD)形成一覆蓋氧化層28〇(cap oxide)，例如四乙氧基矽烷（TE〇s)，覆蓋於該深渠溝〇丁上 表面，底部及側壁。最後，請參考第2H圖，進行一熱製 私例如一熱退火（anneal )，俾使摻雜絕緣層24〇中之砷 t I f ί ΐ '木渠溝DT下方區域，而形成1+型擴散區30 0， 以用來作為深渠溝電容器32〇的埋入電極板（buried 形成之覆蓋氧化層280之目的係用來確 =擴=00與後續製作之埋入帶外擴散區域之間的絕 ;Γΐ。ΐ ί之；Γ向性濕㈣方式⑽F_dl P+DHF)將 I 絕緣層24°及覆蓋氧化層28°去除。至 【本=:;=】器之下電極(b。— 發明擇性去除半球狀矽晶粒層的方法而言’本 形成1 · μ於H半球狀矽晶粒層之前’以氧離子佈植方式 形成一埋入介電層以取技羽▲ ^ V丨丨但乃八 代白知之領型介電層，以便後續形 第12頁 0593-A4000lTWF(Nl);92069;YYHSU.ptd 1236053 五、發明說明（9) 成半球狀矽晶粒層過程時，去 — 熱製程而擴散至深渠溝側，：：：阻障層a阻隔摻雜物因 致發生反轉效應(adv⑽二'基底内㈣確保接合面不 電層之厚度相當薄，故於後續e c )二，=卜，由於該埋八介 :之熱預算而不致使膜厚過厚’其有較寬 題。 ，政地壓制電容元件之漏電流問 2· 藉由進行一電漿摻雜制和& μ， 面之片電阻降低，進而使半球半/之^曰^層表 而較深渠溝側壁之矽基底易 "蝕」革乓加， 去除半球狀矽晶粒層而完整盔損1 。疋為一種選擇性 底的方法。 凡整無知地保留深渠溝側壁之矽基 3以特意調製之酸蝕刻溶液’配合上述之電漿 製釭，有，地將半球狀矽晶粒層蝕刻去除。 ” 4.習知之半球狀矽晶粒（HSG)層深渠溝電容器製 =驟比較繁複，不僅需用到二道（steps)之光阻塗f佈= ^ ’亦須另加一道蝕刻終止層製程來隔絕深渠溝矽基 氐^球狀矽B曰粒（Η%)。而本發明只需一道光阻塗佈/凹 钱製私且不需任何餘刻終止層。 —雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限^本务明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和耗圍内，當可作些許之更動與潤 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 保濃 第13頁
0593-A40001TWF(Nl)；92069;YYHSU 1236053 圖式簡單說明 為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂， 下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如 下： 圖示說明： 第1 A- 1 I圖為習知之半球狀石夕晶粒層於深渠溝電容器 之製作剖面圖。 第2 A-2H圖為本發明之半球狀矽晶粒層於深渠溝電容 器之製作剖面圖。 【符號說明】 習知技術： 矽基底〜1 0 ; 深渠溝〜DT ; 墊氧化層〜1 2 ; 塾氮化層〜1 4 ; 非晶石夕層〜1 7 ; 領型介電層〜1 6 ; I虫刻終止層〜1 5 ; 第一光阻層〜26 ; 第二光阻層〜30 ; 離子摻雜〜2 0 ; 半球形晶粒矽（HSG)層〜22 ; 砷玻璃（ASG)層〜28 ; 覆蓋氧化層〜32 ; n+型擴散區、埋入電極板〜3 4 ;
0593 -A40001TWF(N1);92069;YYHSU.p t d 第14頁 1236053 圖式簡单說明 深渠漠電容器〜3 6。 本發明技術： 矽基底〜1 0 0 ; 深渠溝〜DT ; 塾氧化層〜120 ; 塾氮化層1 4 0 ; 埋入介電層〜160 ; 氧離子佈植〜3 2 0 ; 半球形晶粒矽（HSG)層〜2 2 0 ; 摻雜絕緣層〜2 4 0 ; 遮蔽層〜2 60 ; 離子摻雜〜3 40 ; 電漿摻雜層〜3 6 0 ; 覆蓋氧化層〜280 ; n+型擴散區、埋入電極板〜3 0 0 ; 深渠溝電容器〜3 2 0。
0593 -A40001TWF(N1);92069;YYHSU.p t d 第15頁

Claims (1)

  1. I236053
    步 案號921330⑽ 申請專利範圍 1. 一種選擇性去除半球狀 驟： 日日粒層的方法，包括下列 提供一半導體矽基底，其包 泪 形成一埋入介電層於$ m 木溝， 电尽於孩渠溝側壁上部· 順應性沉積一半球狀矽晶粒 順應性沉積-摻雜絕緣層於；半;;=側壁及底部； 形成-遮蔽層填入該渠=該=夕晶粒層上； 定深度，m出部份該掺雜絕緣声._該錢層至一預 球狀ΐ = ί被遮蔽層覆蓋之推雜絕緣層，露出部分該半 離子摻雜露出之該半球狀矽θ 雜層於該深渠溝頂部及上，以形成-電漿摻 之敍半球狀石夕晶粒層對渠溝石夕基底以大U 雜層“k#比，蝕刻去除該於渠溝頂部及上侧壁之電漿摻 申請專利範圍第1項所述之選擇性去除半球狀石夕 曰曰粒層的方法，其中該埋入介電層為一氧化層。 曰、，3.如申請專利範圍第2項所述之選擇性去曰除半球狀矽 :粒層的方法，其中該埋入介電層係以氧離子佈植方式形 成。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之選擇性去 晶粒層的方法，其中該電漿摻雜層係以硼離子佈植方式形 成。 5 ·如申明專利範圍苐1項所述之選擇性去除半球狀石夕
    1236053 _ 案號 92133002 六、申請專利範圍 晶粒層的方法，其中形成該電漿摻雜層之佈植條件為 1E17〜1E1 9cm-3。 曰6·如申請專利範圍第1項所述之選擇性去除半球狀矽 晶粒層的方法，其中去除該深渠溝頂部及上 雜層的方法為一濕蝕刻法。 之電水摻 7·如申請專利範圍第6項所述之選擇性去除半球狀矽 ::粒層的方法，其中該濕蝕刻法之蝕刻液為氫氟酸：硝 酉夂·醋酸以1〜1 · 5 : 3〜3 · 3 : 8〜8 · 2混合。 8·· -種選擇性去除半球狀石夕晶粒層的方法，包括下列 提供一基底，其包括有一渠溝； 形成一埋入介電層於該渠溝側壁上部； 形成一半球狀；5夕晶粒層於該渠溝側壁及底部； 形成一摻雜絕緣層於該半球狀矽晶粒層上· ”層填入該渠溝内，並回“遮蔽層至一預 疋冰度，鉻出部份該摻雜絕緣層； 去除該未被遮蔽層覆蓋之摻雜絕緣層，露出 球狀矽晶粒層； θ路出。(W刀5亥+ 離子摻雜露出之該半球狀矽晶粒層， 雜層於該渠溝頂部及上侧壁；以及 形成一電水摻 去除該電漿摻雜層。 9.如申請專利範圍第8項所述之 入介電層為-氧化層。 1 〇 ·如申睛專利範圍第9項所述 只π k之選擇性去除半球狀矽
    第17頁 1236053
    _案號 92]πηη9 六、申請專利範圍 晶粒層的方法，其中該埋入 成。 ；丨電層係以虱離子佈植方式形 11 ·如申請專利節圍箆R 晶粒層的方法，並中兮電將^所述之選擇性去除半球狀矽 成。 八^電水推雜層係以硼離子佈植方式形 1 2 .如申請專利範圍第J J 矽晶粒層的方法，1中形成，員二'之選擇性去除半球狀 1E17〜1E19cm-3。 ” 成μ電水掺雜層之佈植條件為 曰二3.Λ申：專圍第8項所述之選擇性絲^ Ζ粒層的方法，其中去除該電漿摻雜層的方法為—濕敍刻 14.如申請專利範圍第13項所述之選擇性去除半 碎晶粒層的方法，並φ續笼A k 农狀 产Τ θ扪力凌具f該4向性之濕蝕刻法之蝕刻液為ft 鼠酸：硝酸：醋酸以卜1.5 ·· 3〜3·3 : 8〜8·2混合。為虱 1 5 · —種渠溝電容器之製法，包括下列步驟： 提供一基底，其包括有一渠溝； 形成一埋入介電層於該渠溝側壁上部； 形成一半球狀矽晶粒層於該渠溝侧壁及底部； 形成一摻雜絕緣層於該半球狀；^夕晶粒層上； 形成一遮蔽層填入該渠溝内，並回蝕該遮蔽層至一 定深度，露出部份該摻雜絕緣層； 去除該未被遮蔽層覆蓋之摻雜絕緣層，露出部分該 球狀矽晶粒層； 〜 離子摻雜露出之該半球狀矽晶粒層，以形成一電聚換
    〇593-A40〇〇lTWFl(Nl);92069;YYHSU.ptc 1236053 ^^ 92133002 曰 修正 六、申請專利範圍 雜層於該渠溝頂部及上側壁； 去除該渠溝頂部及上側壁之電漿摻雜層，以及去除該 殘留之遮蔽層； 形成一覆蓋氧化層於該渠溝底部及側壁；以及 施行一熱製程於該基底，以形成一電容器埋入電極 板 法 法 法 法 法 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項所述之渠溝電容器之製 其中該埋入介電層為一氧化層。 1 7 ·如申請專利範圍第丨6項所述之渠溝電容器之製 其中該埋入介電層係以氧離子佈植方式形成。 1 8 ·如申請專利範圍第1 5項所述之渠溝電容器之製 其中該電漿摻雜層係以硼離子佈植方式形成。 1 9.如申請專利範圍第丨8項所述之渠溝電容器之製 其中形成該電漿摻雜層之佈植條件為1E17〜lE19cnr3。 20 ·如申請專利範圍第丨5項所述之渠溝電容器之製 其中去除該深渠溝頂部及上側壁之電漿摻雜層的方法 為一濕餘刻法。 2 1 ·如申請專利範圍第2 〇項所述之渠溝電容器之製 法，其中該濕蝕刻法之蝕刻液為氫氟酸：硝酸：醋酸以 1〜1·5 ·3〜3·3 ·8〜8·2混合。
    0593-A40001TWFl(Nl);92069;YYHSU.ptc 第19頁
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