TWI263247B - Method for manufacturing tantalum oxy nitride capacitor - Google Patents

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TWI263247B TW090130330A TW90130330A TWI263247B TW I263247 B TWI263247 B TW I263247B TW 090130330 A TW090130330 A TW 090130330A TW 90130330 A TW90130330 A TW 90130330A TW I263247 B TWI263247 B TW I263247B
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gas
mixture
doping
nitrogen oxide
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Dong-Su Park
Kwang-Seok Jeon
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Hynix Semiconductor Inc
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Description

1263247 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於半導體元件製造方法’係利用氮氣化 钽溥膜製帛’且特別有關於電容器之製造，以減少樂、牛 驟，從而以在MPS形成之後在下電極進繼雜以増力:： 效果，在氮氧化㈣膜形成之前1行形成氮化物薄膜了 且為防止磷（phosphor)隼中力πτ φ技：士 巾在下電極表面現象會因傳統的 >月洗步驟而降低，故在形成氮 风虱化物潯步驟及形成氮氧化 、旦濤膜步驟之間去除傳統的清^ ^ ^ ^ ^ ^ 電容值。 ^進而增加電容器的 【先前技術】 一般而言’半導體以電容器做為儲存電荷之用。半 =高度積體性，隨單元尺寸的減小，元件電容值的 每單=升^目前，_则以上之電容值需求超過30: 口此，隨著半導體元件的高度積 化#日如舌面 又積版化，電容器的微] Γ 不過’為滿足所需之電容值，對尺寸的— ’仍限制’因此也造成了電容器微型化之困難。 、 為了解決目前所遇到的㈣，電容
i亲钊担古+ A 又文夕種結構J 違到拨同電容值的目的。本方法為了拗 值’包含之方式有使用氮氧化组或BST等/人W之電； 料做為介電層以及增加電容器表面積之方：:丨電常數之4 在上述方法中，在此簡述傳統製
〜用有向介電常I 5142-4527-PF3 6 1263247 J氮氧化1旦為介電層之電容哭制 , 电A為製程： 百先，利用未摻雜之石 雜之石夕之其中之1可長t、低推雜石夕、已換雜混合未摻 形成下電極100 (此為(gr〇Wth)成為MPS之材料以 乾钱刻上述所形成 11極$成步驟），#做濕餘刻或 、卜電極層，定差、 之氣體形成MPS (此Α # 、電極區域；用含矽 々开》成MPS夕半®、. 氣體做摻雜（此為摻 乂 ”’ ，用含磷之混合 ^ 肝s之步驟）。 接下來，為了清除乂 物镜胺斗… ’、土述步驟中在表面所產吐沾-/ 物4艇或氦化物薄膜 厅產生的乳化 中之-做清洗步驟，τ=^、臟、H〜及心其 102，因此形成5〜20 A之ς•與乳反應形成氮化物薄膜 化鈕前製程之步驟）。 在下包極表面（此為氮氧 在氮氧化鈕前製程步 氣在S鬥主 '、後，釗用含有钽成分之化鐵# 4在日日0表面引起化學 之化子游 為开3 ώ用而儿積一層非晶的薄 為形成虱氧化Μ薄膜之步^ 。 ’1ϋ4(此 最後’利用電漿法硝化 表面，強化紝槿 ^ 处之已形成之薄膜 步驟）。之德，掩田人 為亂乳化鈕後製程 豎金屬層做為上電極1 06，則此f 1 π 电谷益凡成（此為形成上電極步驟）。 在傳統電容器製程中，在么 西以 見乳化組刖製程步驟，兔7 要^加Si -Ν的鍵社作用，e卢 為了 導致温度的二在電漿的激發狀態之下，因而 (LPC脚： 乳化鈕薄膜在化學辅助氣相沉積 ”在晶圓上沉積不均勻的現象而難以達到掣程 而求的條件。特別是氮氧化組的沉積溫度需…咐， 5142~4527-pf3 7 1263247 /斤以 >里度的增加勢必 ψ L ^後束的製程產生嚴重的問題。 另外’在MPS摻雜| _也尸 牛_ . Λ /驟一氮化物薄膜步驟之間的清洗 步驟’會減低嶙隼中太τ α ^ 〜在下電極表面現象而導致電容器之電 各值降低。 【發明内容】 本知明主要在於提供-氮氧化鈕電容器製造方法，以 、、二Α步驟:在MPS形成之後在下電極進行構摻雜以增 ' ’、 在氮氧化鈕薄膜形成之前在同一腔體内先行形 物薄膜’防止碟—。r)集中在下電極表面現 b □在φ成氮化物薄膜步驟及形成氮氧化叙薄膜步驟之 閟去除傳統的清洗步驟而降低’進而增加電容器的電容值。 為了達到以上所述之功效，本發明提供—具體化的氣 乳化鈕電容器製造步驟：使用摻雜之矽、低摻雜矽、已摻 雜混合未摻雜之石夕之其中之一在半導體基板形成下電極； 在濕钱刻或乾钱刻下電極定義其形狀後，用含^來㈣ 分之氣體形成MPS;用含磷之混合氣體做摻雜；在摻雜㈣ 之同—腔體沉積氮化物薄膜為氮氧化组之前製程步驟，利 用含有组之化學蒸氣在氮化薄膜上沉積氮氧化组薄膜；在 上述之沉積表面利用硝化或氮硝化表面做氮氧化鈕之後製 程；最後再上述之全部表面利用堆積一金屬層方式形成上 電極。 在傳統方法中，MPS有一長膜用腔體、Mps摻雜用腔 肢X及氮氧化组長旗用腔體，而利用前述之本發明步驟， 5142-4 527-PF3 8 1263247 從MPS形成步驟到氮氧化组薄膜沉積步驟皆可在同一腔體 π統中進仃’其中包括下列四個步驟：Mps形成步驟、 ”隹v ’氮化物》儿積步驟以及氮氧化鈕薄膜沉積步驟。 …根據本發明之氮氧化钽電容器製造方法中，氮氧化鈒 薄膜"L積v騍岫的Mps摻雜步驟及氮化物沉積步驟皆在同 一腔體中進行’則不需要去除氧化層的清洗步驟，因而防 止電谷為之電容值降低現象。 另外，依據本發明之氮氧化钽製造方法，因為氮氧化 组沉積步驟前的MPS摻雜步驟及氮化物沉積步驟皆在同— 2體中進行，所以不會發生類似因為電槳激發狀態所導致 盟度'a加而引起氮氧化叙薄膜沉積不均勻的問題。 依據本發明之氮氧化组製造方法，下電極之银刻可利 用合有HF之氣體特別是HF和Μ混合氣體、hf和㈣混 合氣體、BOE、HF和CH3COOH和混合氣體。 此 依據本發明之氮氧化鈕製造方法，在MPS形成步驟 中3有石夕之氣體，其成分為Si{h、nCh其中之 其壓力在5· 0E’以下’溫度低於7。。。。（以晶圓溫 度為準）。 β ，據本發明之氮氧化鈕製造方法，其中Mps摻雜 屋力耗圍在l.0E_03〜500t〇rr，溫度在5〇〇~i〇〇『c。含磷 之混合氣體成分為包含有混合Ρίί3之氣體。其中混合J : 體成分為包含抓與Ν2之混合物、版與Η2之混合物、= 與S1扒之混合物、或ΡΗ3與Ar之混合物。 依據本發明之氮氧化组製造方法，氮化物沉積步驟步 5142-4527_PF3 9 1263247 驟中，使用NIL·氣體且壓力範圍在〇1〜2〇〇t〇rr ,溫度在 6 00〜850°C之間。 此外，在氮氧化鈕薄膜沉積步驟中，一種鈕的混合物， 譬如鈕的乙醇化物（如乙醇鈕），被置於一蒸餾器或蒸發管 中，透過一流s控制器，譬如氣體流量控制器（mfc， flow Controller),用以決定氣體流量。其蒸發溫度在 ΙΰΟ〜2 00 C之間，得到含有鈕成分之化學蒸氣。換言之，上 述方法之化子条氣及反應氣體含有過量的&及，3氣體， 其中〇2及Nh氣體流量皆被控制在1〇〜1〇〇〇sccm範圍内， 在溫度於300〜60(TC範圍内之LpcVD腔體内做表面反應以 付到非結晶型的氮氧化组薄膜。 同樣地’在氮氧化组後製程中，利肖NH”化和H2混 〇乱妝10攻eh氣體其中之一硝化，使用電漿法，溫度 在2。0’0。(：範圍内；或利用-或〇2氣體其中之一氮確 化由於上述所达之氮氧化纽後製程，微小破裂及位於交 界面的針孔等結構缺陷可以被強化，以及均質性也會增 進雖，、、、：口為上逑方法增進了氮氧化叙之特性，故增加 了一個步驟，若在電性上需要在下一步驟做高溫處理，則 此步驟可以省略。牲Η丨丨ώΑ 10 » 特別的疋，在氮氧化鈕薄膜沉積之後， 如果需要使用快速熱處理（RTp，rapid I随i wss) 或電爐，可經由在龍q、W W、日/v γ Ν2和Η2 >吧合氧體、ν2〇或〇2其中之 一種氣體下，經過3 〇糾、$]| 1 9 η八技， ^ 杉到120分鐘的硝化或氧化，溫度在 650〜950 C範圍内，以達到結晶之作用。 此外在上電極形成步驟中，上電極乃是由沉積金屬 5142-4527-PF3 10 1263247 或堆疊金屬結構而來，其、 WSi、RU、Ru0。、J 、刀為多晶石夕、TiN、TaN、W、WN、 1 、或 Pt 。 L貫施方式】 實施例： 茲配合圖式說明本發 ψ λ m ^ ^ X月之較佳實施例。 弟1圖到第5圖Λ备— 意圖。 ”、、虱化钽電容器製造方法之製程示 根據本發明之製程， 形成於半導體基板工。表面。？舉於第1圖’下電極_ MPS之材料包括摻雜：：、。此:夺’下電極成分是由可形成 之矽之其中之一所形 、低摻雜矽、已摻雜混合未摻雜 成非晶之矽笼 、此日守下電極在溫度低於560°C形 成弃日日之矽涛胺，利用含矽 ^ SiH2C1, 〇 , 虱體，其成分為 SiH4、Si2H6、 a mh2ci2。進行MPS摻雜 之氣體，如ΡΗ3· Nsn 混合氣體可為混合PH3
SlH4之、、η人铷Du 化5物、PH3與H2之混合物、ph3與 之此合物、ρΐί3與 I#产吾及颅士 △ 此a物其中之一。此步驟之氣
成長技術）。 、擇性夕晶矽成長技術（MPS 接下來，依上述方法 -^ ^ ^ ^ ^ ，成之下電極，利用含有HF之 -口亂體如HF與h2〇之 HF ^ ΓΗ Γπηπ ^ 初 HF 與 H2〇2 之混合物、B0E、 HF與CH3C00H與N〇2之混合 ^ ^ 做乾餘刻或渴ϋ刻，並置 於-定壓保持在… 弋刻I置 下恭榀夕v加 7月工體之内。當MPS形成於
Sl二二利用含碎之氣體，其成分為SiH,、Sl2H6、 2 2-之一，其壓力在5.〇Ε〜〇4ΐ(^以下(Mps形成 5142-4527-PF3 11 1263247 步驟）。但由於MPS之开^ #半跡此丄 、 形成步驟非本發明之特徵，故在圖 式中未標示出。 於上述製程之後’以混合PH3氣體成分為包含服與 之混合物、PH3與^之混合物、服與抓之混合物、M3 與Ar之混合物其中之— 做，备雜，其壓力範圍於 1.0E魯漏町之間，溫度範圍在嶋。c之間（ 摻雜步驟）。第2圖為下電極上部Mps做磷摻雜之示意圖。 接下來，在同-腔體（in —Sltu)，以随3氣體形成氮 化物薄膜102，壓力範圚名〇 1 9〇n + 一视国在ϋ·：1〜200t〇rr且溫度範圍在 6 00〜8 5(TC。關3與下電極之ςι·埒處 ^ ^ 电位之h反應，而在卜電極表面上形 成5〜20 A厚的Sl-N鍵結’如第3圖所示（氮氧化组前製 程步驟）。 在氮氧化鈕前製程步驟之後，以一種鈕的混合物，譬 如鈕的乙醇化物（如乙醇鈕），被置於一蒸餾器或蒸發管 中，透過一流量控制器，譬如氣體流量控制器（MFC，腿“ flow controller)，用以決定氣體流量。其蒸發溫度在 150〜20 0°C之間，得到含有鈕成分之化學蒸氣。換言之，上 述方法之化學蒸氣及反應氣體含有過量的〇2及NH3氣體， 其中〇2及關3氣體流量皆被控制在i〇〜i〇〇〇Sccin範圍内， 在溫度於300〜60(Tc範圍内之LPCVD腔體内做表面反應以 得到非結晶型的氮氧化鉅薄膜丨〇 4。如第4圖所示。 接下來，在氮氧化鈕後製程中，利用NH3、N2和H2混 a氣體、N2 0或〇2氣體其中之一硝，化，.使用電漿法，溫度 在200〜600°C範圍内；或利用10或〇2氣體其中之一氮石肖 5142-4527-PF3 12 1263247 ;上述所述之氮氧化组後製程’微小破裂及位於交 :。咕針孔等結構缺陷可以被強化，以及均質性也會增 +別的疋’在氮氧化钽薄膜沉積之後 快速熱處理⑽，邮dth⑽lp_ss)或 …_3，和H2混合氣體、_或〇2其中 經過3〇秒至M20分鐘的硝化或氧化，、.田产才㈡⑽广 乂儿化服度在6b0〜95(TC範 ’以達到結晶之作用。（氮氧化组後製程步驟）。 在經氮氧化叙後製程步驟之後，如第5圖所示，形成 ^極咖，即可以依本發明完成氮氧化组電容器。依上 二上電極乃是由沉積單一金屬或堆疊數種金屬結構而 /、、成分為多晶矽、TlN、TaN ' [ WN、WSi、Ru、Ru〇2、 Ir、或pt (上電極形成步驟）。 二:所述’本發明在於提供一氮氧化"容器製造方 二门mm於自MPS㈣步驟到氮氧化组前製程步驟均 在同一腔體（ln-Situ)，可以防 冼表面而造成磷 在下电極表面集申減低。因此，本 魃I以月之電各為的電容值 將g杧加，避免因清洗造成Mps 工Μ & 了于間的破壞，而MPS粒 結將更穩固，因而減低元件的位元錯誤。 开，=外’在本發明中’由於自MPS接雜步驟到氮氧化组 形成乂驟均在同一腔體（ln_sltu)以及同—系統中，所以 设備投貧及製程時間將減低，將可增加製程之生產力。 2本發明之較佳實例以揭露如上，然其並非用以限 =内月’:壬何熟習此項技藝者’在不脫離本發明之精神 和辄圍内，仍可做些許的更動和潤飾，因此本發明之保護 5142-4527-PF3 13 1263247 乾圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準 【圖式簡單說明】 ，為使本發明之上述目的、特徵和優點能更顯而易懂， »'文，列舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。 土弟1圖到第5圖為氮氧化M電容器製造方法之製程示 思、圖，其中。 第1圖為形成下電極以及名 ^ ^ ^以及在下電極上方形成MPS (圖 面未標示）之示意圖。 々第2圖為第i圖之所述材料做㈣摻雜示意圖。 示意^。3圖為沉積氮化物薄媒做為氮氧化叙沉積之前步驟 上部 _第4圖為沉積氮氧化組薄膜在第3圖所述之材料 之示意圖。 上電極，氮氧 化 第5圖為在第4圖所述材料上部形成 起電容器完成示意圖。 【主要元件符號說明】 1 0 0〜下電極； 1 0 2〜氮化物薄膜； 1 〇 4〜氮氧化叙薄膜； 106〜上電極。 5142-4527-PF3 14

Claims (1)

  1. 修正日期：95.4·ι：ι 號申請專利範圍修正本 十、申請專利範圍： a) 利用摻雜之碎、低摻㈣、已摻雜/未換雜之了 之-者：材料來形成一下電極在半導體基板表面· b) 前述之下電極經濕钱刻或乾姓刻後，利 氣體形成MPS(MPS Metastable p〇iy s⑴⑺…之 c) 利用含磷之混合氣體做Mps之摻雜； d) 沉積氮化物薄膜，在與Mps摻雜用之同一腔體 中’作為氮氧化鈕之前製程步驟； e) 利用包含有鈕之化學蒸氣以化學氣相沉積方式在 氮化物薄膜上沉積氮氧化叙薄膜； f) 在沉積步驟之後，利用硝化或氮硝化處理薄膜表 面，做氮氧化鈕後製程；以及 g)利用堆疊一層金屬在所有材料上形成一上電極； 且上述之MPS形成步驟、mps摻雜步驟 '氮化物沉積 步驟以及氮氧化钽沉積步驟均在同一腔體。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在濕蝕 刻或乾餘刻下電極時，是使用包含有HF之氣體。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該包含 有HF之氣體，包括肝與to之混合物、HF與H2〇2之混 合物、BOE、或HF與CKhCOOH與N〇2之混合物。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中使用在 MPS形成步驟含矽之氣體，包括siH4、Si2H6、或SiLCl2。 5·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中MPS摻 5142-4527-PF3 15 1263247 雜步驟在壓力範圍於1. 0x10 —s〜5 0 0 torr之間，以及溫度 範圍在5 0 0〜1 〇 〇 〇 t：之間。 6 ·如申請專利範圍第丨項所述之方法，其中該含磷 之混合氣體包括一含有Pfj3之氣體。 L如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該含有 PL之氣體包括pi與I之混合物、pH3與H2之混合物、 PL與SiL之混合物、或抑3與之混合物。 8. 如申請專利範圍第丨項所述之方法，其中氮化物 溥膜之沉積步驟使用氣體。 9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中氮化物 薄膜之沉積步驟，壓力範圍在O.HOhOH之間，以及 溫度範圍在6 0 0〜8 5 0 °C之間。 1〇·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該包含 有叙之化學蒸氣包括蒸發之乙醇組。 11 ·如申請專利範圍第丨項所述之方法，其中氮氧化 钽後製程乃是利用NH3 c或N2與H2混合）氣體硝化表面 或利用10 (或& )氣體氮硝化表面。 12. 如申請專利範圍第丨項所述之方法，其中氮氧化 鈕後製程利用電漿其溫度範圍在於2 〇 〇〜6 〇 〇它之間。 13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該上電 極包括多晶矽、TiN、TaN、W、WN、WSi、Ru、Ru〇” 卜、 或Pt之單層結構，或上述單層結構組合之堆疊結構。 5142-4527-PF3 1263247 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（5 )圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 1 0 0〜下電極； 102〜氮化物； 104〜氮氧化钽； 1 0 6〜上電極。 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式 〇 4 5142-4527-PF3 5
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