TWI248174B - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

Description

1248174 九、發明說明： 一、【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種半導體裝置之製造方法且尤關於一種MIM 型電容器之製造方法。 —、【先前技術】 ^動恶隨機存取記憶體（dram)之記憶體單元通常包含選擇性 兒日日體與電谷斋，且隨著細微處理技術之發展而來的記憶體單元 型化，已引起電谷态之電荷累積量減少的問題。為了解決此 題，目鈾已急速地進行將電容器的構造從金屬一絕緣器一矽 (M+IS)構造轉變成金屬—絕緣器一金屬（MIM)構造的盆 由製造固態電容器而增大雜表面積。尤其， ： ⑽）技賊處理技術已快速地進展， 的 MIM型電容器由於其為可大量製造之技術而(吸引) ^顯示具有MIM型電容器之記憶體單元的 隔之絕緣膜2使纖10之ii面= 包含間電極r ㈣。各獅性電晶體皆 *，形成在層間絕緣膜25:ί與 多晶石夕栓塞12與金屬栓塞7而連接曰 8經由 兩者則穿過絕_ 25。&二' 2雜塞〗2與金屬栓塞7 藉由使形成在層所覆蓋，且 孔部之中作為下電極之釕膜4卜作22之中所具有的 接於多晶雜塞η，又，多崎塞；^ 1248174 極2^^電曰曰〔體ί擴散層區6。第一層配線86形成在作為上命 炫扪釕胰61之上且第一配線8 局上电 絕緣膜27的連接栓塞81而連接。、了浦、、、工由形成為貫穿過層間 職所示之記憶體單元之中的 μ的接一習知例子。在貫穿過層間絕緣^ 為阻障金屬膜32的部之中形成作 賴鮮晶魏應㈣成魏_ =彳^= :域拋光⑽）方法去除 =根據化 圖5)吏口柱孔92的底面之上的阻障金屬膜32之表面露出於取如 圖6)其^菩根據/ff法與CVD方法形成作為下電極的舒膜41(如 " (^k 7) 藉由去除光阻膜9得釕膜(如圖8)且 Γ如Fnn f據麟方法與CVD方法形成作為上電極的舒膜m 基正石夕酸i 絕緣膜27(如圖⑻。使用四乙 方法形成層間絕緣膜2二此丄^才料氣體而根據電漿CVD 的情況下形成層職細（“s、iQ Y ^成本且低溫（$侧。〇 不足造成上雜之;形成有^地被制，但由於 可在氧I氯屬㈣，且’例如’ 進而引起屬電流變大的問題。亦即，-旦下電極的局 1248174 縮，因而將會有岸力^熱處理期間發生改變、變形或收 在將第==iii/GG1-313379號已揭露—種方法，其中 防止方的/一，而作為 下電極之4了趨矣私机熒大之方法。此方法對防止由於 定程度的效果(㈣=蝴阪___已達成一 表面= 化=電之^轩/3可防止由於下電輕之 化所引起之漏電流變大止由於上電極的氧 由於體積產ί = :ΐϊ處理的處理期間將再次還原成釕膜。 三、【發明内容】 方法本目的係提供—種_的麵型電容器之製造 大/、中由於上電極之釕膜的氧化而使電容n之漏電流免= 本發明之一實施樣態為一種半導 面之上、及電容器，其^在+導體基板的主表 極與汲極的其巾—個之;$體早减擇MISFET之源 之間的電容絕緣膜，此半;體裝置電極與娜 成電容絕緣臈；在電絲㈣ft衣4方法包含以下步驟：形 護膜而使其接觸於上•極膜·、‘ ^電極膜；形成上電極保 爛於上屯極膜’及將上電極保護膜與上電極膜侧 1248174 成上電極的外形。 以下簡單說明藉由本發明可獲得的效果。 (1)根據本發明，可在免於造成上電極 形成空洞）的情況下侧上電極之_。 、了袖壞（氧化、 電流的Ϊ大根據本剌，由於使職進行處理_電容器之漏 ((==】:：=二的二靠度。

等等）的可靠度。 /、 生包各為之裝置（DRAM 鉍將參照附隨的圖示，以說明本發明。 > 考符號指示類似的元件。 回不中，相似的參 四、【實施方式】 發明目^明^^佳實施例，俾能清楚瞭解本 (第一實施例） … (〇製造方法 容器·ίίϋ至圖21，俾說明根據本發明之一實施例的聰電 膜32、層間絕絕緣y1、多晶石夕栓塞1卜阻障金屬 射方法與CVD方法料^^92等等（如圖5)。之後’根據濺 極（如圖6)。於此，有之厚度的釕膜41而作為下電 種層而利用CVD方法&二膜射方法所形成之釘膜作為晶 小，俾能抑制』下之上的_之晶粒邊界密度係較 緣膜的熱處理之中將】合恭擴散。㈣’在後續對電容絕 方法形成之釘料使dt崎金相氧化關題。基於CVD 作為材料氣 L之涛膜形成溫度及400Pa之總壓力的條 1248174 之頂面之_，且膜’且歸_位在孔部 除光阻臈’即獲得杯狀的；ηϋ圖=其次’藉由去 ，以加2G%之氮氣加以稀釋）之後j氫氣的環 的在於使釕膜緊密且預先提高其方位性r，、、、ir於ΐΐ ，熱處理期間發生收縮或變形而導:漏於在， 楗之中進行熱處理的原因传 $夂大在氣氣的裱 的雜質分離而提高緊密度加速_了與釕臈之中所含 5,

之臭㈣βΓΪ 重組（如圖1G)。在溫度為410X 心ΪΪ中行G分鐘的熱處理。在臭氧的環境之中谁杆轨 i理的原因係在於：臭氧比氧氣及氧化氮等 =或。更高而小於原=的ί= 1 = C的,里度將無法充分地重組且漏電變 二方

m膜在高於4歡的溫度將氧化且漏電流亦I 之後^艮ί ί^ΐί與cv〇方法形成作為上電極的釕膜& 56 (如圖lS)。彳絲成作為上電極賴膜的第二氧化麵膜 ㈣Γΐίί ί術與乾侧技術將第二氧化组膜56及訂制處 56及舒(如圖16)。目前存在有兩種處理第二氧化组膜 避罩而亦即，此兩種方法為⑴利用光阻膜作為 ‘罩 人部蝕刻第二氧化鈕膜56及釕膜61的方法及（2)利 用光阻膜作為遮罩而蝕刻第二氧化鈕膜允且根據 =方法（1)具有以下缺點：雖然其餘刻處理較簡單，但細微圖 木处理的準確性較差。另一方面，雖然方法（2)之蝕刻處理較複 嘁，但對細微圖案處理的準確性極佳。考慮所需的圖案處理準確 性及處理成本，將可選擇出必要之適當處理。又，若使用氯氣（ 1248174 f三氯化观（BC13)作為綱氧化麵5 實質並未蝕刻到釕膜61，故方法（^ 、 d軋體時，則由於 此外，若使用氧氣及氯氣（Cl2)作為飿 處理優越性。 r於實質並未一 根據本實施:二、 允許使用氮化鈕膜、氮傾膜、金屬膜，但 化鈦臈、氮化鈦銘臈等等。又用化组膜、虱石夕 酸鳃鋇(BST)膜、氧tit Si鈦酸鳃(ST〇)膜、鈦 ，容絕緣膜。允許_數_=二等等二替氧化组膜作為 ⑵特性評估/分析結果 、的桃 (2_1)電容哭转松 方法。 兄月之貝驗條件係基於上述之電容器的製造 18^'i 位（B)為固定且^卜1谷态的平行陣列TEG。在阻障金屬膜的電 障金屬膜Ihf極施加賴的航下，量測流經阻 化组顯(I目的評^結果。若無設置上電極保護膜（氧 前的漏電流小;之^知/技術），則雖然使用氫氣處理之 le-8A/Cm2)，但在使用^=(在±1V時’實際範圍係小於 理30八^^ 使用虱氧處理之後漏電流將變大（在45〇°C處 作溫度Υΐι電時（相當於D讀之操 古品^ i 欠大至5e_7A/cm (如圖19(a)、（b))。另一 右"又上電極保護膜時（如圖18)，使用氫氣處理之後的殘 1248174 (d))’.故可充分地抑制 餘漏電流係小於le-9A/cm2 (如圖IQ (c 漏電流。 一…， (2-2)剖面TEM分析的結果及考_ 為了清楚瞭解基於習知技術（去i士文大的铷制 之使用氫氣處理之後漏電流變大_*、^極保護膜的情況) 式電子顯微鏡）分析。藉由仿製圖$二，剖面TEM (穿透 20⑷、⑻之構造的分析樣本的局部〔而製成具有圖 樣本曝露在類似於上電極處理之蝕 二（d)顯不·使同一 刻環境係包含以下兩個階段。'衣兄之後的條件。於此，蝕 第一階段 二竟::訧⑽2)與氧氣⑻的混合氣體 壓力：1.5Pa 主要目的··钱刻舒（Ru)膜 第二階段 、 環境··四氟化碳（CF )盥氧翁f 、 溫度·· 150。〔 ，、虱虱（〇2)的混合氣體 壓力：lOOPa 主，目的：去除光阻膜（灰化） 子束ίίίΐ刻^竟之後，將明顯地形成異質層與空洞。經由带 化且^、刀，此異質層明顯為二氧化舒（Ru〇2)。舒膜係易於二 化且交成四氣化舒（Ru0) 巧係易於軋 膜之中。又，鄉=触的為在此時形成於舒 分解（不平衡祕舒（ra)被認為再:切著於舒膜且 吾人形成二氧化釘膜⑽2)。 成的空洞後續使用氮氣處理之時穿過已形 成氧氣損耗，嫌）且在電觀緣膜之中形 與氫氣發生二流係變大。又，二氧化朗（响） 的產生被認㈣空物成或應力 12 1248174 钱刻環境^^*上紐棘断’動靖職未曝露在 電流並不會因為使用i==Ru〇4)或空洞。因此’漏 2 3=形成方法與_特性之間的關係 係且藉由Β 21顯示朗軸方法與電容㈣性之間的關 氣處ΐίΓίί$，ζ^細_嶋，财論使用氫 吾人認為··由^在^ 大的漏電流流過（ >le_8A/cm2)。 fif極保護膜時伴隨著電漿i理的話V則不；^用气(产理： 使用氧氣（〇2i作為材作為上電極保護膜之情況而 的局部將結晶化。當使用臭氧f 二1广、巴緣膜之乳化麵膜 流在使用氫氣處理之後將變t 材料氣體時’漏電 =成=極之▲了⑽膜;氧=膜:==)。： 且^此膜被臭氧氧化而形成二氧化钉（灿02)， 漏雜係^。了（Ru〇2)層在使用氫氣處理之時產生收縮，故 如上所述’可在小於或等於5〇〇〇c 1上腎接荽剎田# > 、 IF两上電極保護膜，俾能於 ”上緊接者利用臭乳作為CVD氣體的氧化銘臈。 於此，可利用三甲基化鋁（A1(CH 、 4)祕轉之軸方法與電容器特性之間的關係 13 1248174 盥-，在大約44〇〇C的溫度利用五乙氧基化鈕（Ta(〇C Η η 开;材料氣體而進行氧化鈕膜的形成。在此溫度進“i 形成的原因係在於高於此溫度，覆蓋性較差。另 ’細形成速度係變慢而導致產能降低且如mi 之外物可能含於薄膜之中而使漏電流變大。 4與石反 若在賴之上形成氧化域’則依此情況，薄膜 iff膜形，期触膜之催化作用而異常且快速地升ί皿= °，τ膜之氧化與具雜差之覆紐的氧化域^ 象。以下的量測可有效地防止此種異常現象的發生。成也、吊現 赫t、"?階段進行薄膜的形成：第—階段為形成其初期層， 低於44G°C的溫度及低成長速度進行、及^ ϋ缚膜形成，以大約44〇X的溫度及高成長速度進行可

常現象且f呆產，。原因在於:在低溫的條件匕J =-步的原因在於:一旦釘膜的表面被氧化4覆巧象。 催化作用所引起的異常現象。 +曰毛生任何由_之 從產能及薄膜之中所含的外物而言，第一薄 地在350至歡的溫度條件下進行。初期^ 佳 至2咖即足夠。又，就另—形成方法 予fg為= 的方法亦同樣有效。在這些情況之中， 現象的情況下形成初期層。 克、引I異吞 又m薄卿成隨之巾的氧氣流 胰形成=段之中的氧氣流量係預期有助於薄膜的形成。J於第一缚 (第二實施例） 製造ίί參見圖22顯26,俾說明根據本發明之聰電容器的 本實施例侧於將另-低電阻值層置於上電極齡了膜之上的 14 1248174 s日時，則可將其操作速度提 此種低電阻值臈而言ί所述者。就 大約10—cm之電成之鎢腐係適用。鶴膜為具有

方法的原因係在於：CVD古^^且值膜。採用濺射方法取代CVD 電容器之漏電流變大。在進行上氫氣（¾)而使 制作為硬遮罩。極之_的處理之時，可使用 ⑴製造方法 作為電極保護膜的例子。

^nf i；S 睹A屬膜32、層間絕緣膜22、圓柱孔92、下⑥搞 、、）卜電容絕緣膜（氧化组膜）51、上電極釕膜& K上,ί濺ΐ方法將鎢膜71形成在其上(如圖22) Si $形成$於其形成方法而具有較差 J忒 U ’但電容ϋ之内部仍會形成空洞95。 j 氧化=56形成在其上而作為上電娜_ (如圖^法將弟- 7mΪί if技術與乾侧技術將第二氧她膜兄、鶴膜 阻膜作處Ϊ 極的外形（如圖24)。於此’⑴藉由光 二次全部侧第二氧化组膜56、嫣膜71與釘膜 介ί藉由光阻膜作為遮罩餘刻第二氧化组膜56而利用灰 刻鶴膜71與娜卜又，⑶允許藉由光阻 组，56與鶴膜71而根據灰化方法等等去除光阻膜且接著 化麵膜％與鶴膜71作為遮罩而韻刻釕膜61。考慮所 而的圖案處理準確性及處理成本將可選擇出所需的處理。^ 之後，形成層間絕緣膜27(如圖25)、將連接栓塞81嵌入声 間絕緣膜27之中的it接孔部之中且形成第一層配線％之後，艮曰 可獲得具有圖26所示之構造的電容器。 (2)特性評估與分析的結果 15 1248174 電極侔容器的卜v特性。如同第一實施例’可看出由上 雖铁羽、知例叙膜）是否存在所決定之漏電流的差異。亦即， 之；二漏::2具。上電?保護膜(如圖27)，但使用氬氣處理 i /em (在±ιν祕件下），在使用氫氣處 「5G C處理3G分鐘）的漏電流將變大至5e_7A/cm2。 千夕ϋ若上電極由__成」的條件下、且如本例子所 Ρ =據濺财法而將其它卿成雜膜之上」的條件下， 所職峨崎纽防止因改變 (弟二貫施例） 製造;ί8至圖37，俾說明根據本發明之μιμ電容器的 容^之岸用^施例為具有不同於第一實施例之下電極構造的電 αΐϊ造;^亦即’臺座（柱狀）構造之下電極。 2卜知技術之相同方法依次地形成層間絕緣膜 μ =夕检塞1與轉金屬膜32 (如圖4)。其次，依次地渺 ;ίίί52與層間絕緣膜22且形成貫穿過層間絕緣膜22 ▲ 餅圖 ==根據f射方法與咖方法形 付幻丨都令，乍為下電極（如圖29)0之後，根據CMP方法去除 22而獲得臺座端（ζ®丨。）。利赌侧去除層間絕緣膜 錄質^柱狀）下電極（如®31)。之後，為了提高其方 加以ί理ί乳乳（添㈣％之氮氣加以稀釋）之中加熱_4i 臭氧ΪΪ之法形成具有l5nm之厚度_膜51且在 重組（如圖^仃^1^達1G分鐘的加熱處理’俾使氧化叙膜51 而作為上If ^ ^後’根據濺射方法與CVD方法形成舒膜61 膜!2圖!4; 1/:;:在形成第二釕膜52而作為上電極_ 後，將弟一鈕膜52與釕膜61處理成預期的上電 16 1248174 ：如山圖35)。之後’形成層間絕緣膜27 (如圖36)，且將連 π λ 1嵌入開口的連接孔部之中並形成第一層配線86，故可獲 ^具有如圖37所示之構造的電容器。 特性坪估與分析的結果 雷搞電容器的卜v特性。如同第一實施例，可看出由上 雖然習。i氧ΐ组膜）是否存在所決定之漏電流的差異。亦即， 之前的漏f、☆，不具上電極保護膜（如圖38)，但使用氳氣處理 小於1e-9W (在士1v的條件下)，在使用氫氣處 Li 處理3G *鐘）的漏電流將變大至5e_7A/cm2。 臺座（柱妝電極構造呈杯狀外形」的條件下、且在「其為 侧處理條件1^，健妨止上賴祕膜免於因 岸清齡_本發明’但熟悉本項技藝之人士 ϋ脫離本發明之精神的情況下，可藉由任一 及其變化絲r &㈣。故本㈣之細係包括上述各實施例 五 【圖式簡單說明】 =顯示根據本發明之第一實施 圖2顯示具有麵型電 电面圖。 圖3顯示根據第一 f 圖4顯示根據第—f知^ 53^驟之剖面圖。 圖5顯示根據第一習知方:之i = 之剖面圖。 圖6顯示根據第-習知方法之驟之剖面圖。 圖7顯示根據第-習知電的製造步驟之剖面圖。 圖8顯示根He電容器的製造步驟之剖面圖。 圖9顯示根據第一習知以;=造工驟之剖面圖。 圖U顯示根據第一習知方法之電容 17 1248174 圖12顯示根據第-習知方法之電容 圖13顯示根據第-習知方法之電容器的。 圖14顯示第二習知麵型電容器的剖面驟之面圖。 面圖 面圖 之 圖15顯示根據本發明之第—實關的電容H之製造步驟的剖 面圖圖關示雜本㈣之第—實關的電容器之製造步驟的剖 圖圖17顯示根據本發明之第-實施例的電容器之製造步驟的剖 電本發明之第—實施懒進行卜v 評估_ 圖19 Ϊ示本發明之第-實施_ I-V·之評估結果。 ㈣結構如根據本發明之第-實施例的進行分析所用之樣本的 圖 2] _ 影響。…、示上包極保濩膜之材料及其形成方法對電容器特性的 圖 2? 3 - 驟的剖 面圖。”、員不根據本發明之第二實施例的電容器之製造步 圖23 面圖。顯不根據本發明之第二實施例的電容器之製造步驟的剖 圖 24 - 兩圖。㉝7F根據本發明之第二實施例的電容H之製造步驟的剖 雨圖。如根據本發明之第二實施例的電容H之製造步驟的剖 驟的剖 面圖I 26_不根據本發明之®二實補的電容1之製造步 圖28 ί員示第三習知MIM型電容器的剖面圖。 面圖。項示根據本發明之第三實施例的電容器之製造步驟的剖 18 1248174 圖2 9顯示根據本發明之第三實施例的電容器之製造步驟的剖 面圖。 圖30顯示根據本發明之第三實施例的電容器之製造步驟的剖 面圖。 圖31顯示根據本發明之第三實施例的電容器之製造步驟的剖 · 面圖。 圖32顯示根據本發明之第三實施例的電容器之製造步驟的剖 面圖。 圖33顯示根據本發明之第三實施例的電容器之製造步驟的剖 面圖。 圖34顯示根據本發明之第三實施例的電容器之製造步驟的剖 馨 面圖。 圖35顯示根據本發明之第三實施例的電容器之製造步驟的剖 面圖。 圖36顯示根據本發明之第三實施例的電容器之製造步驟的剖 面圖。 圖37顯示根據本發明之第三實施例的電容器之製造步驟的剖 面圖。 圖38顯示第四習知MIM型電容器的剖面圖。 【主要元件符號說明】 10 矽基板 11、12 多晶矽栓塞 2 絕緣膜 21、22、23、25、26、27 層間絕緣膜 3 閘絕緣膜 31 接觸金屬膜 32 阻障金屬膜 4 閘電極 19 1248174 41 下電極（釕膜） 43 、52 第二釕膜 5、 6 擴散層區 51 電容絕緣膜（氧化鈕膜） 56 第二氧化钽膜 61 釕膜 7 金屬栓塞 71 鎢膜 8 位元線 81 連接栓塞 86 第一層配線 92 圓柱孔 95 空洞 99 光阻膜 20

Claims (1)

1248174 十、申諸直· i選擇=導體裝置包含、記憶艘單 表面之上；及—電ietrt電晶體）’形成在一半導體基板的主 極與該上電極之間的-電容絕^ 電極及权置在该下電 導體裝置之製造方法包含以下步驟·· =ίϊ的形成步驟，形成該電容絕称 上ί極保鳟t’在該電容絕緣膜之上形成-上電極膜； 該上電極膜n a成步驟’形成—上電極保護膜而使其接觸於 外形 Γ步驟，將該上電極保護膜與該上電_侧成該上電極的 體裝置之製造方法，其中，該電 2·如申凊專利範圍第1項之半導 容絕緣膜為一氧化鈕膜。 其中，該上 3電圍第1項之半導體裝置之製造方法， 4·如申請專利範圍第i項之半導體萝 電極膜為—釕膜與-鎢膜的層疊^衣置之製造方法，其中，該上 鎢 5·如申凊專利範圍第4項之半導濟梦 膜係利用濺射方法所形成| 、之‘造方法，其中，該 電極保f以之製造方法，其中，該上 21 1248174 ^ 口申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造方法， 电極保護膜為一氧化鈕膜。 ，、中，該上 ^如申請專利顧第7項之半導财置之製造方法， 化!旦膜係使用五乙氧基化-(Ta( ς中，該氧 形成者。 ”觀作為材料氣體而 9^申請專利細第7項之半導體裝置之製造方法， ^嫌f成步驟係包含一第-膜的形成步驟及-第二膜的 ί驟伽之薄臈形成速度係大於第-物^ 膜 成溫度 lj·如申請專利範圍第9項之半導體裝置造方法，其中一 ^的形成步驟之-氧氣流量制、於第二朗、碱步驟之—氧氣流 R如申請專利範圍第9項之半導體 膜的形成步驟之薄膜形成溫度為35〇至4t〇 c 弟一 13.如申請專利範圍第9項之半導體裝 膜的形成步驟之中所形成的膜厚為0.1至2= / ㈣1項之轉齡置之魏方L在未 电蛾魏的情況下，形成該上電極保護膜。 22 Ϊ248174 U·如申請專利範圍第}項之 電極保護_在-輸環境A 之^方法1中，該上 16.如申請專利範圍第i項之 邊上 Π.如申請專利範圍第i項之 遠上 電極保護難縣肖聽的纽法，其中， 其中， 舌亥上 1 二膜1項之半導體裝置之製造方法’ 19·如申請專利範圍第18項之 ^銘膜係使用Μ基灿（靴 2Λί申f專利範圍第18項之半導體裝置之製迭方丰 峨〜(嶋)3)與臭氧料方二以 ^如申請專利範圍第〗項之半導體裝 刻步驟更包含以下步驟： 方法， f体光阻膜、使該光_曝光與顯影； 去膜作為一遮罩而蝕刻該上電極保雙腺· 去除該光阻膜，·及 电炫你邊％， 利用該上電極保護膜作為一遮罩而_該上電極膜。 十一、圖式: 23