TWI271821B - Method for fabricating capacitor of semiconductor device - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明與-種製造一半導體元件之電容器的方法 有關’並且更特別的是針對—種為形成—半導體元件 MIM(金屬-絕緣體-金屬）電容器的貯存節點電極的方 【先前技術】 目前’根據—方法，其中包括形成-接觸插栓以用 在整合度為128百萬位元的DR則形成—般的Mm堆 氮化鈦⑽）貯存節點電極，在-基板上形成-位元 線（在此基板上還有包括金屬或矽晶層-氧化物-半導體 等的電晶體的半導體線路形成），而後形成絕緣層再形 成一貯存節點接觸洞’再貯存節點接觸有一更低的部分 包括-個梦基板，並且_晶塗蓋或心晶方式長石夕 晶。之後’在貯存節點接觸的内部透過使用一種化學 物氣相沈積方法填充滿多晶矽之後，貯存節點接觸插栓 以CMP或者反蝕回方式縮短之。 第1E到1A圖是解釋形成一半導體元件之電容 器的一種傳統方法之過程的截面圖。 首先，如第1A圖中所示，在有著一個閘電極， 一個源/汲極等的半導體基板丨上形成第一氧化物層3 之後’一個暴露源極或j：及極的貯存節點接觸4透過選擇 性蝕刻第一氧化物層3而形成。第一矽氮化物層（未 不於，）在有著贿_細4的基板上沈積，然後 圍繞貝T存節點接觸4之内部侧壁的間隔物5透過細石夕 氮^物層而形成。此後，—多晶破層在上述過程所導致 的結構上沈積，以使之填補包括間隔物5的貯存節點接 觸4 ’然後貯存節點插栓7透過·多晶石夕層而形成。 接下來，在第二矽氮化物層9在包含有貯存節點插栓7 的基板之總表面上沈積到有著5〇〇到15〇〇A的厚度之 後’第二氧化物層u在第二矽氮化物層9之上形成， 到有著15000到3〇〇〇〇A的厚度。在此，第二石夕氣化物 層9乃作為在為了形成洞以用於形成電容器的貯存節 點電極的蝕刻步驟裡的蝕刻停止層，而第二氧化物層 11則作為形成貯存節點電極的一個犧牲性氧化物層。 下一步，如第1B圖中所示，在第二氧化物層被 #刻到第二矽氮化物層9被暴露之後，洞12透過選擇 性蚀刻第二矽氮化物層9而形成。在此時，間隔物5其 中之一部份被在蝕刻第二矽氮化物層的步驟中被姓刻。 此後，如第1C圖所示，對上述姓刻的結果進行 清潔步驟13。 然後，如第1D圖中所示，在一鈦（τ〇層（未 示於圖）在基板（此基板透過CVD或PVD完成的清潔步 驟以使得有著50A的厚度）上沈積之後，接著進行退火 步驟以形成一石夕化鈦類（TiSix)層15。在此，石夕化 欽類（TiSix)層15藉由貯存節點插栓7中鈦層（Ti) 與矽的反應而形成。此後，沒參與反應的鈦（Ti)層透 過濕式蝕刻步驟去除，因此降低了在貯存節點插栓7及 在後續步驟將形成貯存節點電極的氮化鈦（TiN)層（未 示於圖）之接觸面間的電阻。 下一步，如第1E圖中所示，用於貯存節點電極 的氮化鈦（TiN)層（未示於圖）在有著石夕化鈦類（Ti&x) 層15的基板的總表面上沈積，然後透過矽化鈦類 (TiSix)層15與貯存節點插栓7連成通路的電容器之 貯存節點電極S卜藉由反蚀回氮化鈦⑽）層而形 成。之後，電容器的製程，透過接續地在電容器貯存 節點電極S1上形成介電質層17和用於盤電極的氮化欽 (TiN)層19而完成。 第2圖是用於解釋傳統技術之問題的TEM圖。 在傳統技術方面，在形成洞的蝕刻過程中，如 第2圖所示，在此貯存節點插栓之側壁上的間隔物被侵 蝕，因此產生一個裂縫。裂縫的上部的寬度介於3〇〇 到侧A的範圍内。此後，因為有著一厚度5〇 a的氮 化鈦（TiN)層，和有著50到1〇〇人厚度的介電質層 接續地在裂縫已形成的基板之總表面上形成，裂縫在置 放盤電極的氮化鈦（谓）層時被封閉或縮小。因此， 因為盤電極的亂化鈦（TiN)層沒正確地置放，可能導 致電容器的漏電的尖端或結構上的缺陷，在介電質層或 盤電極的氮化鈦（TiN)層裡形成。 在測5式電容器的電位時，由於漏電，可以導致電容 器失去作用。如果這樣的現象發生，對應的單元亦立 1271821 p失去作肖@且對應晶片有失敗的高可能性。在一 個多晶石夕層用作貯存節點電極的材料的情況裡，即使 裂縫形成’ 11為乡晶#層的步㈣蓋特性（step

Hagecharacteristics)極為良好，裂縫可以被很 子Η補。另一方面，在麵電容器的情況，一種金 屬被用作貯存節點電極的材料，㈣吏以勘方法置 放，金屬層的步驟涵蓋特性不如多钟的，裂縫—般不 能被很好地填補。

【發明内容】 —因此’本發_實侧與形成-轉體元件的電 谷时有關本杳明的一個實施例和一種製造半導體元 件之電容i的方法錢，這種綠能在形料二貯存 節點接觸的侧步驟中’透過對貯存節點赌側壁的間 隔物之侵蝕而防止由於裂縫所導致的漏電。

根據本實施例，我們提供製造半導體元件之電 容器的-種方法，此方法包括以下步驟：在有著貯存節 點插栓半導體基板上_個形成第緣層，·在有著第 一個絕緣層的基板上接續地形成蝕刻停止層和第二絕 緣層；透過利用侧停止層而選擇性地糊第二絕緣層 的方式形成一個暴露貯存節點插栓其中之一部份的 洞；使貯存節點插栓因為洞而暴露的部分内凹；在此内 凹的貯存節點插栓的表面上形成一個屏障金屬層；形成 一個透過_的屏障金屬層連接到貯存節點插检的貯 10 1271821 2點電極’以及切存節點f極上接續地形成-介電 貝層和-個盤電極的金屬層。 勉刻停止層和第二絕緣層的總厚度介於酬到 0_之間。糊停止層乃透過使用—魏化物層之 料以使之有著⑽到2嶋的厚度_成。第二絕緣 層則使用單氧化物層和乡氧化物的層 (使用CVD過程） 其中之一。 内凹步驟最好被因為透過濕式侧執行 ，藉由使 用一種使蝕刻停止層相對於貯存節點插栓以及第一絕 緣層相對於貯存節點插检的姓刻比至少1 : 的化學 物，並且藉由濕式蝕刻的内凹步驟執行到除去100到 1200 A的厚度。 内凹步驟透過使用氫氧化銨/水⑽4〇H/H2〇)和 良化氫/罐酸（HF/HN03)其中之一種混合物的濕式蝕 刻進行。氫氧化銨/水（NH40H/H20)混合物製品透過 混合NH4〇H和H2〇以使之有著介於1〇 : 1到1 : 5〇〇之間 的體積比。氟化氫/硝酸（HF/ HN〇3)混合物透過混合 HF和HN〇3以使之有著介於20 ·· 1到1 : 1〇〇之間的體積 比。更進一步地，在内凹過程中，恆溫槽的溫度設定維 持在介於4到100 °C之間，並進行浸鍍5到3600秒。 内凹步驟乃藉由只除去一個矽層並留下一氧化物 層的乾式蝕刻而進行。乾式蝕刻透過使用溴化氫（HBr) 和氯（Ch)之混合氣體而進行。 形成屏障金屬層的步驟包括以下：在包含被内凹 11 1271821 的貯存節點插栓之基板的總表面上置放一層由鈦 (Ti)、鈷（Co)和锆（Zr)中選出來的金屬層，對基 板經上述過程所導致的結構處理進行一熱處理，以使在 金屬層和貯存節點插栓之間發生一化學反應。然後， 屏障金屬層形成，此方法更進一步地包含對沒參與反應 ~ 之金屬層的部分濕式蝕刻的步驟。

一 形成貯存節點電極的步驟最好包括透過CVD和ALD 其中之一過程在有著屏障金屬層之基板的總表面形成 • 一氮化鈦（TiN)層的步驟的，並且蝕刻氮化鈦（TiN) 層，直到第二絕緣層被暴露。氮化鈦（TiN)層有著 50到1000A的厚度。蝕刻氮化鈦（TiN)層的步驟透過 使用反蝕回或CMP其中之一種方法而進行。 介電質層最好使用一層從由Ta0N，Ta2〇5，Ti〇2，

Al3〇3 ’ Hf〇2，HfN，Si:Ti〇3，（Ba，Sr)Ti〇3，和（Pb，Sr)Ti〇3 中選出來的材料或使用上述材料的組合，並且透過使 • 用M0CVD和ALCVD過程其中之一形成到有著5〇到4〇〇人 ‘ ❺厚度。盤電極的金屬層最好使用-層導電的氮化鈦 (ΤιΝ)或釕（RU)，並且透過使用CVD和ALD其中之 一過程形成到有著50Q到3〇〇〇A的厚度。 【實施方式】 在下文，將伴隨相關圖示，詳細說明本發明的 一個或更多實施例。 第3G到3A囷解釋根據本發明之某一實施例形 12 1271821 成一半導體元件之電容器的一種方法的過程截面圖。 首先，如第3A圖所示，第一絕緣層33在一有 著閘電極的電晶體（未示於圖）和一源/没極等的半導 體基板31上形成，一個暴露源極或汲極的貯存節點接 觸34透過選擇性蝕刻第一絕緣層而形成。

之後’ 晶♦層（未示於圖）在有著貯存節點接觸 34的基板的總表面上沈積，和覆蓋貯存節點接觸料的 貯存節點插栓35藉由反蝕回多晶矽層而形成。此後， 一個矽氮化物層37和第二絕緣層39接續地在有著貯存 節點插栓35的基板的總表面上形成。_，石夕氮化物 37層在之後將形成洞的蝕刻步驟中作為蝕刻停止層， 並且有著介於1GG到2GGGA之間的厚度。第二絕緣層作 為為形成電容器的貯存節點電極的步驟中的—個^牲 的氧化物層，並且使用單個氧化物層或衫氧 (使用CVD過程）其中夕_。里 曰 …哲- 方面，石夕氮化物層

和第一絕緣層39的總厚度介於6_到3〇_ a之 ial ® 丨，，如弟北圖所示♦給邱/刀、的貯存節, 插栓35的洞40，读矾佔田访#儿此財 即 刻第一絕緣層39而形成 透過使财祕物層37 刻第二絕綾届如& w丄、 凡俊，如第3C圖所示，藉由洞4〇而 子即點插栓35的部分被内凹（參照參寺數字^ =二:_ A的厚度。此時，内凹步驟藉由 的方式而進行，域簡的溫度_持在以 13 1271821 C内’並且浸鍍進行5到3600秒。進行内凹步驟的濕 式蝕刻使用一種使蝕刻停止層相對於貯存節點插栓以 及第一絕緣層相對於貯存郎點插检的珍成分之姓刻速 率比至少為1 : 10的化學物。 濕式蝕刻使用氫氧化銨/水（腿OH/H2〇)和氟化 氫/硝酸（HF/HN03)其中之一的混合物。在氫氧化錢 /水（NH40H/H20)混合物作為潤濕的化學物之情況裡， 透過混合NH4〇H和压0以使之有著介於1〇 ·· 1到1 : 5QQ 之間的體積比。更進一步地，在氟化氫/硝酸（Hf/hn〇3 ) 混合物作為潤濕的化學物的情況裡，透過混合Hj?和hn〇3 以使之有著介於20 ·· 1到1 : 100之間的體積比。 内凹步驟被也藉由乾式蝕刻進行，在此情形 下，使用一種溴化氫（HBr)和氯（ci2)的混合氣體， 且只有矽層被除去，留下氧化物層。 根據目前的實施例，這種過程處理方法包括： 在形成屏障金屬層之前在洗淨裝置過程中對只增加一 個化學物，即，〈HF浸鍍步驟—DiW (去離子水 Deionized Water)沖洗步驟—乾燥步驟〉和透過施 行〈處理氫氧化銨/水（腿〇H/H20)和氟化氫/硝酸 (HF/ HN0O兩種混合物中的一種的—diw沖洗步驟 -mF浸鐘步驟^> DIW沖洗步驟—乾燥步驟〉。因此， 因為處理方法其中之一使用洗淨裝置，貯存節點插栓的 内凹步驟與在屏障金屬層的形成之前的洗淨步驟一起 執行。 14 1271821 此後’如第3D圖所示，屏障金屬層43在内凹 白f存節點插检35的表面上形成。在此，根據形成 障的步驟，屏障金屬層在内凹的貯存節點插检的表 面上形成，透過置放—層（未示於圖）由鈦㈤、始 (Co)和!σ (Zr)中選出來的金屬在内凹之基板的表面 ' h然後’聽板因上述步驟所形成的結構進行熱處理， . 以引起在金屬層和貯存節點插栓之間的化學反應。然 後’獅金屬層形成’沒參與反應的金屬層藉由濕式银 鲁 刻除去。 下一步，如第3E圖中所示，氮化鈦（TiN)層 (未示於圖）藉由CVD和ALD其中之一過程，在包含屏 障1屬層43的總表面上形成，以使之有著5〇到i咖 A的厚度。 此後，如第3F圖中所示，透過屏障金屬層43 f接到貯存節點插栓35的貯存電極節點S2，藉由蝕刻 • 氮化鈇（TiN)層，直到第二絕緣層39被暴露，在洞 40的内部形成。在此，蝕刻氮化鈦（TiN)層的步驟 使用反蝕回和CMP的其中之一的方法。 此後，電谷器透過接續地形成一個介電質 層47和用於盤電極的貯存節點電極犯上的金屬層49 而完成。在此，介電質層47透過使用M0CVD和ALCVD其 中之一過程形成到使之具有5〇到4〇〇 A的厚度。介電 質層 47 使用一層從由 Ta0N，Ta2〇5，Ti〇2，Ah〇3，Hf〇2，

HfN ’ SrTi〇3，（Ba，Sr)Ti〇3，和(Pb，Sr)Ti〇3 中選出來的 15 1271821 材料或使用上述材料的組合。更進一步地，盤電極的 金屬層49形成，以使得透過使用CVD和ALD其中之一 有著500到3000 A的厚度處理，並且使用一層導電的 氮化鈦（TiN)或者釕（ru)。 根據目前的實施例，此貯存節點插栓可能透過使透 過洞而暴露的貯存節點插栓内凹然後形成屏障金屬層 而受到保護。因此，漏電的來源可以有效地被除去。 亦即’根據目前的實施例，在這種形成洞蝕刻過 程期間’藉由對貯存節點插检側壁的間隔物的侵钮，因 為裂縫而產生的漏電被有效地消除。因此，可以製造一 穩定元件而晶_產率可藉著消除_個晶目減產的原 因而增加。 儘管我們在前文中描述本發明的優先實例以作 為介紹，然而任何熟習此技術者皆瞭解，在不違背本發 明的範圍與精神下，仍有可能有不_修改、變化、增 附或替代。本發明的範圍與精神將由以下的申請專利範 圍來顯明。 16 1271821 【圖式簡單說明】 第1E到1A圖是解釋形成半導體元件之電容器的 一種傳統方法的過程截面圖； 第2圖為用於解釋傳統技術之問題的TEM圖； 第3G到3A圖解釋根據本發明的一個實施例形 • 成一半導體元件電容器其中之一種方法的過程截面的 圖。 • 【圖式中元件名稱與符號對照】 I :半導體基板 3:第一氧化物層 4:貯存節點接觸 5 :間隔物 7:貯存節點插栓 9:第二矽氮化物層 II :第二氧化物層 • 12 :洞 15 :砂化鈦類（TiSix)層 Π:介電質層 19 ··氮化鈦（TiN)層 31 :半導體基板 33 :第一絕緣層 34 :貯存節點接觸 35 :貯存節點插栓 17 1271821 37 :石夕氮化物層 39 :第二絕緣層 40 :洞 43 :屏障金屬層 45 :氮化鈦層 47:介電質層 49 :金屬層 51 :貯存節點電極 52 :貯存電極節點

Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： I 一種製備半導體元件之電容闕方法，此方法 包括以下步驟·· 在一個有著一個貯存節點插栓的半導體基板上形 成一個第-個絕緣層的第1步驟； 在有著第一絕緣層的基板上接續地形成蝕刻停止 層和第二絕緣層的第2步驟； Μ用姓刻停止層而選擇性地姓刻第二絕緣層以形 成一個洞來暴露部分的貯存節點插栓的第3步驟； 使透過洞而暴露的貯存節點插栓之部分内凹的第 4步驟； 在此内凹之貯存節點插栓的表面上形成一個屏障 金屬層的第5步驟； 形成一個貯存節點電極，使之透過洞内之屏障金 屬層連接到貯存節點插栓的第6步驟；以及 在貯存節點電極上接續地形成一金屬層和一盤電 極的介電質層的第7步驟。 2·如申請專利範圍第丨項的方法，其中蝕刻停止 層和第二絕緣層的總厚度介於6000到30000 Α之間。 3·如申請專娜圍第丨_方法，侧停止料 地方，透過使用-個魏化物層的材料而形成，敍刻停 止層有著100到2000A的厚度。 4·如申請專利範圍第1項的方法，其中第二絕 緣層使用單氧化物層和多氧化物層的其中之一，第二絕 !271821 緣層藉由一 CVD過程而形成。 5·如申請專利範圍第丨項之方法，其中内凹的第 4 ^驟，係藉由濕式姓刻而進行，此濕式钱刻使用一種 使蝕刻停止層相對於貯存節點插栓以及第一絕緣層相 對於貯存節點插栓的蝕刻比至少1 : 10的化學物。 6·如申請專利範圍第1項的方法，其中内凹的第4 步驟，係藉由濕式蝕刻進行到使之除去100到12〇〇 A 的厚度。

   7·如申明專利範圍第1項的方法，其中内凹的第4 步驟，係藉由使用從氫氧化錢/水（励和氟 化虱/硝酸（HF/HN03)兩種混和物其中之一種混和物 的濕式敍刻進行。 8.如巾請專娜圍第7_方法，財氫氧化銨 水（NH4〇H/H2〇)的混合物透過混合丽4〇11和ω以使之 有著介於1Q:1到1:5GG的體積比。

   ί·：«口甲滑專利範圍第 貝的方法，其中的氟# j酸（HF/ _)混合物透過混合册和動3使之 者介於20:1到1:100的體積比。 又甲晴寻利範圍幻項的方法，其中内凹的 4步驟係，恆溫_溫度被_在介於_ 1 〇〇τ之严 浸鍍被執行5到3600秒。 Ε 11·如申請專利制約項之方法，其中内 4步驟，係藉由只除去一 e 、 的乾式_而進行 謂亚且留下-個氧化板 20 1271821 ，12·如帽專娜圍第n項之方法，其中乾式侧 透過使用>臭化氫（HBr)和氯（Cl2)的混合氣體而進行。 13·如申請專利範圍第丨項的方法，其中形成屏障 金屬層之第5步驟’包括：在包含被内凹的貯存節點插 栓之基板的總表面上沉積一層由鈦（Ti)、鈷（c〇)和 ^ 鍅（Zr)中選出來的金屬層的第8步驟，以及，對基板 經上述過程所導致的結構處理進行一熱處理，以使在金 屬層和貯存節點插栓之間發生一化學反應，而在所述貯 • 存節點插栓的已内凹之表面形成所述屏障金屬層者。 14·如申請專利範圍第13項的方法，其更進一步 地包括：在屏障金屬層形成後，濕式蝕刻沒參與反應的 金屬層的部分。 15·如申請專利範圍第1項的方法，其中形成電極 的第6步驟包括：透過CVD和ALD其中之一過程，在有 著屏障金屬層之基板的總表面形成一氮化鈦（Τα)層 的第11步驟；並且钮刻氮化鈦（TiN)層，直到第二絕 • 緣層被暴露出來的第12步驟。 16·如申請專利範圍第15項的方法，其中的氮化 鈥（TiN)層有著50到1000A的厚度。 17·如申請專利範圍第15項的方法，其中餘刻氮 化鈦（TiN)層的第12步驟中，透過使用反姓回或cj^p 其中之一種方法而進行。 18.如申請專利範圍第i項的方法，其中的介電質 層使用一層從由 TaON，Ta2〇5，Ti〇2，Al3〇3，Hf〇2，HfN , 21 1271821 SrTi〇3 ’（Ba, Sr)Ti〇3，和（Pb，Sr)Ti〇3 中選出來的材 料，或使用上述材料的組合複合層者。 19·如申請專利範圍第18項的方法，其中的介電 質層透過使用MOCVD和ALCVD過程其中之一形成到5〇 至400A的厚度。 20·如申請專利範圍第1項的方法，其中盤電極 的金屬層使用一層導電的氮化鈦（TiN)或者釘（RU)。 21 ·如申5青專利枕圍第20項的方法，其中盤電 極的金屬層透過使用CVD和ALD其中之一過程，形成到 有著500到3000Α的厚度者。 22