TWI248165B - Sidewall structure and method of fabrication for reducing oxygen diffusion to contact plugs during CW hole reactive ion etch processing - Google Patents

Sidewall structure and method of fabrication for reducing oxygen diffusion to contact plugs during CW hole reactive ion etch processing Download PDF

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Description

1248165 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明領域 本發明有關降低接點插塞之氧化，更特別有關用於在 5 CW孔活性離子_過程期間降低氧氣擴散經過底電極難 柵之結構及製程。 I[先前 發明背景 在先前技術的COP(插塞上的電容器）元件中，時常使用 10接點插塞作為多位準互連方案中金屬線之間的垂直互連 件。在一使用氧化物活性離子蝕刻（RIE)之c w(接觸窗）孔開 口的過程期間，氧氣形成於覆蓋住電容器的丁£〇5(矽酸四 乙酯)硬遮罩中。一以Ir(銥)為基礎的障壁時常定位在一底電 極(BE)與TE0S基材之間，以阻絕氧氣不會在擴散至插塞時 15 造成損傷。然而，蝕刻製程的TE0S殘留物(“籬柵”)可在底 電極的RIE過程期間形成。這些籬柵可在CW孔RIE過程期間 讓氧氣從TE0S硬遮罩擴散至插塞。此氧氣與譬如多晶矽或 w(鎢）等插塞的材料起反應，造成插塞結構的功能性損傷， 特別是造成接點劣化。 20 一種避免此插塞氧化問題之方式係將底電極RIE製程 製造成不會形成氧氣擴散致能籬栅。然而，用於覆蓋住底 電極的硬遮罩在底電極RIE過程期間具有一陡峭推拔角度 之—般製程中，將難以達成此作用。 另一種避免此插塞氧化問題之方式係在TE0籬柵形成 1248165 之後加以移除。然而，這是困難且複雜的製程。 第1圖顯示一先前技術的鐵電電容器元件n中出現之 上述問題。鐵電（FE)電容器13係包括一嵌夾在一底電極17 與一頂電極19之間的鐵電層15。鐵電層15譬如可包括ρζτ、 5 SBT、或BLT。頂電極19覆蓋有一在頂電極圖案化期間所使 用之TEOS硬遮罩21。TEOS硬遮罩21及電容器13亦由一 Al2〇3氧氣障壁層22所包封。電容器覆蓋有一在底電極17圖 案化期間所使用之額外的TEOS硬遮罩23。此額外的TEOS 硬遮罩23由一額外的AU〇3障壁層24所包封。 10 一Ti膠層25具有將底電極17黏附至FE電容器13的一 TEOS基材27之作用。一插塞29(譬如由多晶矽製成）穿過元 件11以在一主動區（未圖示）與底電極17之間形成一電性連 接。在Ti膠層25與底電極17之間可能為ir(銀）、Ir〇2(銀氧化 物）或用於阻絕氧氣擴散的其他材料之障壁層31。在電容器 15 13製程期間，使用氧氣RTA或其他高溫氧氣處理。這些障 壁層31可阻止自這些製程導入的氧氣損傷到插塞29。 金屬籬柵33及TEOS籬柵35可在底電極17的RIE過程期 間形成。在使用一氧化物RIE製程的一CW孔開口 37處理期 間，氧氣（以點39示意性顯示）進入額外的TE〇s硬遮罩23。 2〇如點39示意性顯示’氧氣從額外的TEOS硬遮罩23移行、經 過TEOS籬栅35且經過TEOS基材27前往插塞29，造成插塞 29的損傷。氧氣可以類似方式通往w-插塞造成損傷性氧化。 需要具有用於降低接點插塞氧化之側壁結構及側壁形 成製程。 1248165 【項^明内容】 發明概要 本叙明提供一種用於在一 FeRAM元件之—鐵電電容器 的cw孔活性離子蝕刻過程期間降低氧氣擴散至接點插塞 5之側壁氧氣擴散障壁及該側壁氧氣擴散障壁之製造方法。 一實施例中，側壁障壁由一基材籬柵形成，另一實施例中， 側壁障壁由-氧氣障壁回姓形成。本發明包括一用於圖案 化形成於一基材上的電極之硬遮罩。一接點插塞穿過基 材並電性連接至電極。一障壁層係位於電極與插塞之間並 10降低電容器加工期間所導入氧氣擴散至插塞。一側壁氧氣 擴散障壁係從硬遮罩延伸至障壁層並對於障壁層形成一氧 密性密封件藉以降低從硬遮罩到插塞之氧氣擴散。 本發明亦包括一種用於製造側壁氧氣擴散障壁之方 法。此方法包括形成一具有一貫穿的接點插塞之基材，用 15以將電容器的一底電極電性連接至一位於下方的主動層； 在基材上方沉積底電極，包括一介於其間的障壁層；在底 電極上沉積一硬遮罩；利用硬遮罩進行蝕刻以將底電極圖 案化，在蝕刻步驟期間形成_從硬遮罩延伸至障壁層之側 壁氧氣擴散障壁，且與障壁層形成一氧密性密封件，以降 20低從硬遮罩至接點插塞之氧氣擴散。 圖式簡單說明 現在+照圖式只藉由範例來描述本發明的其他較佳特 性，其中： 第1圖顯示先前技術之一具有可供氧氣擴散通過的籬 1248165 栅之鐵電電容器元件； 第2圖顯示本發明的第—實施例，其中從基材籬拇形成 一側壁氧氣擴散障壁以降低插塞的氧化； 第3圖為顯示利用具有先前技術的電容器障壁、電容器 5層結構及製程之HCD氮化物來製造第2圖的實施例之製程 的流程圖； 第4圖顯示底電極的蝕刻期間之第二實施例，其中在蝕 刻前線抵達TEOS基材之前停止姓刻； 第5圖顯示一沉積在外部上方之氧氣阻止覆蓋層，此外 10部包括TEOS硬遮罩、金屬籬栅及諸如障壁層及丁丨膠層等其 餘位於下方的層； 第6圖顯示第二實施例之一額外的異向性Rm製程步 驟，其中持續蝕刻至TEOS基材内且將氧阻止覆蓋層回蝕以 形成一側壁氧氣擴散障壁； I5 弟7圖顯示具有第二實施例的一側壁氧氣擴散障壁以 降低插塞的氧化之經處理元件； 第8圖為顯示用於製造第7圖的第二實施例之回姓製程 的流程圖。 【方式]1 20 實施例的詳細描述 第2圖顯示用於降低插塞29的氧化之本發明的第一實 施例。第1圖所示之先前技術的TEOS基材27係由HCD氮化 物（六氯二矽烷SiN)所構成之基材41加以取代。利用HCD氮 化物基材41 ’底電極17圖案化期間形成之所產生的籬柵43 1248165 係由HCD氮化物而非先前技術的TE〇s所構成。Hcd氮化物 具有比TEOS更好的氧氣障壁效能，藉以降低氧氣39從 TEOS硬遮罩23擴散至插塞29。因此，並不使氧氣穿過先前 技術的籬栅35，本實施例的籬栅43具有側壁氧氣擴散障壁 5的功用。這些側壁氧氣擴散障壁從TEOS硬遮罩23延伸至位 於下方的氧氣障壁層31，而與氧氣障壁層31形成一氧密性 密封件。 HCD氮化物亦優於LP氮化物（低壓氮化物），因為其具 有對於金屬障壁具有更好的黏附性質。HCD氮化物亦顯示 10 出諸如低k及高濕|虫刻速率等特殊特徵。 第3圖為顯示使用具有電容器障壁、電容器層結構及先 前技術的製程之HCD氮化物的製程之流程圖。流程圖中， 提及02時係指在氧氣中進行RTA製程。並且，厚度以埃(A) 為單位表示。第3圖所示的一最後步驟中，進行一剝離測試。 15 掃描電子顯微鏡檢查顯示出：包含HCD氮化物層之所產生 的結構可通過剝離測試。 第4至6圖顯示處於導致第7圖的經處理元件之各種處 理步驟期間之本發明第二實施例的元件。第8圖的流程圖顯 示用於製造第二實施例之方法步驟。第8圖的流程圖首先係 20為底電極17之RIE圖案化的步驟101。就像第2圖的第一實施 例，第二實施例導致一從TEOS硬遮罩23延伸至位於下方的 氧氣障壁層31之側壁氧氣擴散障壁47，而與氧氣障壁層31 形成一氧密性密封件(請見第7圖）。 第1圖的先前技術及第2圖的第一實施例中，底電極的 10 1248165 初始姓刻分別一路延續至電容器的基材27及41内。這導致 各別TEOS及HCD氮化物材料形成之籬柵35、43。第二實施 例中，底電極的RIE處理可飯刻至位於下方的氧氣障壁層31 或Ti膠層25内，但如第4圖及第8圖的步驟1〇3所示在蝕刻前 5線抵達TE0S層27之前停止蝕刻。金屬籬栅33在底電極蝕刻 期間形成。 接著，如第5圖及第8圖的步驟1〇5所示，一氧氣阻止覆 盍層45沉積在外部上方，此外部係包括丁]£〇5硬遮罩23、金 屬籬柵33及諸如障壁層31及Ti膠層25等其餘位於下方的層 10等。氧氣阻止覆蓋層45可由譬如HCD氮化物等氮化物或 Al2〇3所構成。譬如可利用PVD(物理氣相沉積）、CVD(化學 氣相沉積）或ALD(原子層沉積）製程來沉積覆蓋層45。 如第8圖的步驟107及第6圖所示，進行一額外的RIE處 理步驟（或先前RIE處理步驟的持續），其中姓刻持續到te〇S 15基材27内。RIE製程為異向性，蝕除了氧氣阻止覆蓋層45 較為水平定向的部分並留下黏到TEOS硬遮罩23、金屬籬柵 33或位於下方的層之氧氣阻止覆蓋層45較為垂直定向的部 分。氧氣阻止覆蓋層之其餘較為垂直定向的部分係變成氧 氣障壁籬柵或側壁氧氣擴散障壁47。易言之，覆蓋層45回 20 蝕以留下側壁氧氣擴散障壁47。 最後，在第8圖的步驟109將一額外的A1203障壁層24沉 積在TEOS硬遮罩23及側壁障壁47周圍。第8圖顯示處理過 後之本發明的一元件。再次，在使用一氧化物RIE製程的CW 孔開口 37的處理期間，氧氣39進入額外的TEOS硬遮罩23。 11 1248165 側壁遮罩47與障壁層％且與氧氣障壁層31形成一氧密性密 封件’以形成一連續包封障壁藉以降低從硬遮罩23通往插 塞29之氧氣39。 第7圖與第6圖的輕微差異在於其顯示出覆蓋層45的 5 RIE處理期間所形成之額外的TEOS籬柵35。甚至藉由這些 籬栅35 ’由於具有覆蓋障壁層24之側壁障壁47，仍可實質 地防止氧氣39從硬遮罩23通往插塞29。 可對於上文描述添加其他材料及方法步驟或加以替 代。因此’雖然上文已經利用特定實施例來描述本發明， 10熟習該技術者瞭解可能在申請專利範圍的範疇内作出許多 變化。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示先前技術之一具有可供氧氣擴散通過的籬 栅之鐵電電容器元件； 15 第2圖顯示本發明的第一實施例，其中從基材籬柵形成 一側壁氧氣擴散障壁以降低插塞的氧化； 第3圖為顯示利用具有先前技術的電容器障壁、電容器 層結構及製程之HCD氮化物來製造第2圖的實施例之製程 的流程圖； 20 第4圖顯示底電極的蝕刻期間之第二實施例，其中在蝕 刻别線抵達TEOS基材之前停止|虫刻； 第5圖顯示一沉積在外部上方之氧氣阻止覆蓋層，此外 部包括TEOS硬遮罩、金屬籬柵及諸如障壁層及耵膠層等其 餘位於下方的層； 12 1248165 第6圖顯示第二實施例之一額外的異向性RIE製程步 驟，其中持續蝕刻至TEOS基材内且將氧阻止覆蓋層回蝕以 形成一側壁氧氣擴散障壁； 第7圖顯示具有第二實施例的一側壁氧氣擴散障壁以 5 降低插塞的氧化之經處理元件； 第8圖為顯示用於製造第7圖的第二實施例之回蝕製程 的流程圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 11...鐵電電容器元件 29...插塞 13...鐵電(FE)電容器 31...氧氣障壁層 15...鐵電層 33...金屬籬柵 17...底電極 35…TE0S籬栅 19...頂電極 37...CW孔開口 21，23...TEOS 硬遮罩 39...氧氣 22...Al2〇3氧氣障壁層 41...HCD氮化物基材 24 障壁層 43...籬栅 25...Ή膠層 45...氧氣阻止覆蓋層 27...TEOS 基材 47...側壁氧氣擴散障壁 13

Claims (1)

124绛l(6$m mo號專羞皁气荦 申請專利範圍修正本 94.09.20 年广月及曰修(象〉正替換頁 圍： 1. 一種COP(插塞上電容器）元件，其包含： 一硬遮罩，其用以圖案化一電極，該電極形成於一 基材上； 5 —接點插塞，其穿過該基材且電性連接至該電極； 一障壁層，其位於該電極與該插塞之間以降低在電 容器處理期間所導入對於該插塞之氧氣擴散；及 一側壁氧氣擴散障壁，其從該硬遮罩延伸至該障壁 層且與該障壁層形成一氧密性密封件以降低從該硬遮 10 罩到該插塞之該氧氣擴散。 2. 如申請專利範圍第1項之COP(插塞上電容器）元件，其中 該基材由HCD氮化物構成且該側壁氧氣擴散障壁係為 一在該電極圖案化期間自該基材形成之HCD氮化物籬 柵。 15 3.如申請專利範圍第1項之COP(插塞上電容器）元件，其中 該硬遮罩係被一額外的障壁層所覆蓋，而與該側壁氧氣 擴散障壁形成一氧密性密封件。 4. 如申請專利範圍第3項之COP(插塞上電容器）元件，其中 在該額外的障壁層覆蓋該硬遮罩之前，將一氧氣阻止覆 20 蓋層沉積在該元件的外部上方然後異向性蝕刻該覆蓋 層藉以形成該側壁氧氣擴散障壁，使得僅保留側壁部 分。 5. 如申請專利範圍第4項之COP(插塞上電容器）元件，其中 該氧氣阻止覆蓋層由氮化物或Al2〇3構成並利用PVD、 14 年7月> 曰修(更)正替換頁 CVD或ALD加以沉積。 6.如申請專利範圍第1項之COP(插塞上電容器）元件，其中 利用一氧化物RIE在一 CW孔的處理期間將該氧氣導入 該硬遮罩内。 5 7.如申請專利範圍第1項之COP(插塞上電容器）元件，其中 該障壁層由銥構成。 8. 如申請專利範圍第1項之COP(插塞上電容器）元件，其中 該硬遮罩由TEOS構成。 9. 如申請專利範圍第6項之COP(插塞上電容器）元件，其中 10 該底電極係身為一具有一嵌夾在該底電極與一頂電極 之間的鐵電層之鐵電電容器的一部分。 10. 如申請專利範圍第9項之COP(插塞上電容器）元件，其中 該CW孔可允許電性連接至該鐵電電容器的頂電極。 11. 一種用於製造COP(插塞上電容器）元件之方法，其包含 15 下列步驟： 形成一基材，其具有一貫穿的接點插塞以將一電極 電性連接至一位於下方的主動層； 將該底電極沉積在該基材上方且包括介於其間的 一障壁層； 20 在該底電極上沉積一硬遮罩； 利用該硬遮罩進行蝕刻以圖案化該底電極；及 在該蝕刻步驟期間形成一從該硬遮罩延伸至該障 壁層之側壁氧氣擴散障壁並與該障壁層形成一氧密性 密封件以降低從該硬遮罩到該接點插塞之該氧氣擴散。 15 ©48+6 于一~— 以日修(更)正替換頁 12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該基材由HCD氮化 物構成且該側壁氧氣擴散障壁係為一在該蝕刻步驟期 間形成之HCD氮化物籬栅。 13. 如申請專利範圍第11項之方法，其進一步包含該以一額 5 外的障壁層來覆蓋該硬遮罩而與該側壁氧氣擴散障壁 形成一氧密性密封件之步驟。 14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中在以該額外的障壁 層來覆蓋該硬遮罩之前，藉由將一氧氣阻止覆蓋層沉積 在該元件的外部上方然後異向性蝕刻該覆蓋層藉以形 10 成該側壁氧氣擴散障壁，所以只保留側壁部分。 15. 如申請專利範圍第11項之方法，其中在該蝕刻前線抵達 該基材之前停止該蝕刻步驟，然後為下列步驟： 將一氧氣阻止覆蓋層沉積在該元件的外部上方； 異向性蝕刻該覆蓋層藉以持續該蝕刻步驟，所以只 15 保留側壁部分以形成該側壁氧氣擴散障壁； 蝕刻至該基材内；及 以一額外的障壁層來覆蓋該硬遮罩，以使一氧密性 密封件形成於該障壁層、該側壁氧氣擴散障壁及該額外 的障壁層之間，藉以降低從該硬遮罩到該接點插塞之該 20 氧氣擴散。 16. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該氧氣阻止覆蓋層 由氮化物或Al2〇3構成並利用PVD、CVD或ALD加以沉 積。 17.如申請專利範圍第11項之方法，其進一步包含下列步 16 驟： 將一鐵電層及一頂電極沉積在該底電極上方形成 一鐵電電容器；及 利用一氧化物RIE來處理一經過該硬遮罩到該頂電 5 極之CW孔，藉以將該氧氣導入該硬遮罩内。 18. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該障壁層由銥構 成。 19. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該硬遮罩由TEOS 構成。 10 20.如申請專利範圍第17項之方法，其中該CW孔可允許電 性連接至該鐵電電容器的頂電極。 17
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