專利名稱：制造非晶金屬氧化物膜的方法以及制造具有非晶金屬氧化物膜的電容元件和半導體器件 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造非晶金屬氧化物膜的方法以及制造具有非晶金屬氧化物膜的電容元件和具有非晶金屬氧化物膜的半導體器件的方法，例如，制造利用由非晶氧化鉭薄膜形成的非晶金屬氧化物膜作為介電絕緣膜的靜電電容元件方法，例如，制造包括非晶氧化鉭薄膜的半導體器件的方法。
背景技術(shù)：
半導體器件，例如，半導體集成電路器件通常利用氮化硅膜(Si3N4膜)作為靜電電容元件的電容絕緣膜。隨著對半導體器件微型化的需要以及對半導體器件集成度的增長和增加半導體器件的運行速度的需要正在逐漸地增長，迄今為止已形成用于淀積Al2O3膜、氧化鉭膜、BaSrTiO膜、SrTaO膜和PbTiO3-PbZrO3膜的各種研究和發(fā)展。這些金屬膜當中，氧化鉭膜受到了顯著地關(guān)注。當具有MIS(金屬-絕緣體-半導體)結(jié)構(gòu)的電容元件形成時，接下來的方法現(xiàn)在經(jīng)常用于淀積其電容絕緣層的氧化鉭膜，例如，

圖1是作為參考用來說明淀積氧化鉭膜的方法的流程圖。如圖1所示，在步驟S1把襯底，即半導體晶片放入采用低壓CVD(化學汽相沉積)方法的系統(tǒng)中，此后在步驟S2淀積氧化鉭膜。通常，當?shù)矸e大部分的氧化鉭膜時，五乙基氧化鉭(pentaethoxytantalum)(Ta(OC2H5)5)被用作原材料，在減壓下大約450℃的熱能處汽化，然后與氧發(fā)生反應。
然而，按照這種膜淀積方法，大量的碳(C)和氫氧基團殘留在淀積膜上。此外，淀積的膜缺乏氧以致鉭和氧不能充分地結(jié)合。
結(jié)果，僅通過這樣淀積的膜，是不能得到充足的電特性的，特別是，漏電流特性、耐壓特性、介電常數(shù)，等等。
為了解決這些問題，有必要去實行膜性能改善處理。在這種膜性能改善處理中，在步驟S3把淀積的膜從上述的低壓CVD系統(tǒng)運送到膜性能改善系統(tǒng)，例如在步驟3中在臭氧氣氛中溫度從400℃到500℃范圍的紫外線輻射退火處理(所謂的UV-O3處理)系統(tǒng)中，其中在步驟S4對淀積的膜進行退火。然后，在步驟S5從該處理系統(tǒng)中取出這樣退火的晶片并且在步驟S6進一步在超出600℃的氧氣氛中退火。
當?shù)矸e上述的膜時，通過常規(guī)的多室CVD系統(tǒng)淀積這種膜。圖2示出了這樣的多室CVD系統(tǒng)的布置的示意圖。如圖2所示，這種多室CVD系統(tǒng)包括最大限度為襯底準備的四個室101a到101d，例如，其中淀積襯底或晶片的晶片運送室。通過傳送機構(gòu)103把襯底從襯底盒裝載鎖存室102移送到各自的反應室101a到101d，反過來也一樣。
然后，在該系統(tǒng)中，設置兩個反應室作為膜淀積反應室并且設置剩余的兩個反應室作為UV-O3反應室用于氧化后處理晶片的反應室。通過膜淀積反應室中的任何一個淀積氧化鉭膜以及在UV-O3室中的任何一個中通過后處理工藝處理氧化鉭膜。
然后，在至少含有氧的氧氣氛中在高于600℃的溫度下對通過后處理工藝這樣處理的氧化鉭膜進行退火，從而改善其性能。
然而，最近幾年，要求半導體器件可以快速的運行，因此必要的層例如電極層和互連層應該由金屬層形成的趨勢日益增多。在半導體器件制造工藝中，與上述的增長的需要和趨勢保持一致，要求應在低溫下完成熱處理工藝。例如，在半導體集成電路中作為電路元件的電容元件引入當電極層或互連層由金屬層形成時獲得的所謂MIM(金屬-絕緣體-金屬)結(jié)構(gòu)有增長的需求。
當在上述的情形下形成具有MIM結(jié)構(gòu)或類似結(jié)構(gòu)的電容元件時，如果通過需要上述高溫處理的上述的膜淀積方法形成作為介電絕緣層的金屬氧化膜，例如氧化鉭膜，那么將會引起在電容元件，即半導體器件的特性和可靠性方面的問題。
特別地，在形成要求上述高溫處理的金屬膜的階段，當金屬層已經(jīng)存在時，即金屬層具有在下層的電極金屬層已經(jīng)存在于MIM結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)，例如，該金屬層不得不由抗熱性強且電阻率低的高熔點金屬形成，即例如像Pt(鉑)和Ru(釕)的貴重金屬。然而，當這些金屬作為微型化圖型形成時，獲得的這些金屬不可避免具有極差的可工作性。此外，這些金屬需要復雜的制造工藝和復雜的制造系統(tǒng)以及由此使得金屬層變得昂貴是不可避免。
另一方面，作為用于上述的使用高溫的后處理的替代技術(shù)，迄今為止，已經(jīng)考察了在淀積金屬層后，通過O2等離子體氧化處理金屬層的方法。圖3是作為參考用來說明上述可替代的技術(shù)的流程圖。如圖3所示，在步驟S10把襯底，即半導體晶片放入采用低壓CVD方法的系統(tǒng)中，此后在步驟S11把氧化鉭膜淀積在半導體晶片上。然后，在步驟S12中把淀積的膜從上述的低壓CVD系統(tǒng)運送到膜性能改善系統(tǒng)，即在臭氧氣氛中溫度從400℃到500℃范圍的紫外線輻射退火處理系統(tǒng)中，其中在步驟S13中淀積的膜通過O2等離子體處理進行加工。然后，在步驟S14中從該處理系統(tǒng)中取出通過O2等離子體處理加工的半導體晶片。然而，通過常規(guī)二極管平行板等離子體處理系統(tǒng)執(zhí)行的等離子體氧化處理不能充分地提供高的膜特性。
此外，在該例中，有必要準備兩個用于淀積膜的CVD系統(tǒng)和高密度等離子體系統(tǒng)。即使當這些系統(tǒng)是作為單一系統(tǒng)形成時，也不可避免的很昂貴地生產(chǎn)金屬層。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述的方面，本發(fā)明的一個目的是提供通過低溫處理淀積非晶氧化鉭膜，即作為介電絕緣層具有良好特性的非晶金屬氧化膜的方法，以及能低廉地制造電容元件和半導體器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在制造非晶金屬氧化膜和電容元件的方法中，提供制造利用非晶金屬氧化膜的電容元件和作為電容絕緣膜的非晶金屬氧化膜的方法。該制造方法包括用于淀積非晶金屬氧化膜的步驟和用于改善所述非晶金屬氧化膜的膜性能的膜性能改善處理步驟，其中使所述非晶金屬氧化物膜維持在非晶狀態(tài)，其是通過基于離子和自由基反應的高密度等離子體輻射處理保持所述非晶金屬氧化物膜的非晶狀態(tài)，且所述離子和自由基反應在高于5mA/cm2的離子電流密度下至少包含氧。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供制造包括非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法，該方法包括用于淀積非晶金屬氧化膜的步驟和用于改善所述非晶金屬氧化膜的膜性能的膜性能改善處理步驟，其中使所述非晶金屬氧化物膜維持在非晶狀態(tài)，其是通過基于離子和自由基反應的高密度等離子體輻射處理保持所述非晶金屬氧化物膜的非晶狀態(tài)，且所述離子和自由基反應在高于5mA/cm2的離子電流密度下至少包含氧。
在根據(jù)本發(fā)明的制造電容元件和半導體器件的方法中，包括用于淀積非晶金屬氧化膜的處理的所有處理可以在低溫下進行，具體地，在溫度低于430℃以下進行。結(jié)果，使用具有低電阻率的低熔點金屬層，其作為下層電極和互連層等具有極好的可工作性成為可能。
根據(jù)本發(fā)明的制造方法，由于膜淀積工藝和膜性能改善工藝能在同一反應室內(nèi)實行，系統(tǒng)可以在排布上簡化并且它的可工作性被提高。
附圖描述圖1是作為參考用來說明根據(jù)相關(guān)技術(shù)淀積電容絕緣層的氧化鉭膜的方法的流程圖；圖2示出了用于相關(guān)技術(shù)中的常規(guī)的多室CVD系統(tǒng)布置的示意圖；圖3是作為參考用來說明根據(jù)相關(guān)技術(shù)作為用高溫淀積的氧化鉭膜的后處理方法的可替代的技術(shù)的流程圖；圖4是作為參考用來說明根據(jù)本發(fā)明用于淀積非晶氧化鉭薄膜的方法的一個實施例的流程圖；圖5是作為參考用來說明根據(jù)本發(fā)明用于淀積非晶氧化鉭薄膜的方法的另一個
具體實施例方式
現(xiàn)在將結(jié)合附圖描述本發(fā)明。
首先，將結(jié)合圖4描述根據(jù)本發(fā)明的制造非晶金屬氧化物膜、具有非晶氧化物膜的電容元件和半導體器件的方法。圖4作為參考的流程圖，將說明制造非晶金屬氧化物膜，例如，根據(jù)本發(fā)明的非晶氧化鉭膜的步驟。如圖4所示，在襯底上淀積非晶氧化鉭膜，例如，在步驟S20把硅半導體晶片放入非晶氧化鉭膜的膜淀積系統(tǒng)內(nèi)，之后在步驟S21將非晶氧化鉭膜淀積在硅半導體晶片上。
在下一步驟S22中，在這樣的狀態(tài)下通過氧等離子體處理對用于提高非晶氧化鉭薄膜的膜性能的性能改善處理是有效的通過基于離子和自由基反應的高密度等離子體輻射處理，例如螺旋等離子體輻射處理，保持所述非晶氧化鉭膜的非晶狀態(tài)，其中離子和自由基反應在高于5mA/cm2的離子電流密度下至少包含氧。
用于淀積非晶金屬氧化物薄膜，例如，非晶氧化鉭薄膜的步驟，可以用主要由使用上述提及的高密度等離子體源的自由基反應組成的膜淀積工藝來替代，以及在膜淀積步驟中等離子體電功率可選擇大于40W并小于200W。
在膜性能改善處理步驟中等離子體電功率可選擇大于500W并小于2000W。
當非晶金屬氧化膜的目標膜厚大于15nm時，例如，如圖4所示，重復膜淀積步驟以及后續(xù)的膜性能改善處理步驟，并且淀積的各自的膜具有小于15nm的膜厚，以便非晶金屬氧化膜的全部的膜厚可成為大于15nm的目標膜厚。然后，在步驟S23中，從上述提及的系統(tǒng)中取出這樣制備的晶片。
圖5作為參考的流程圖將用來說明根據(jù)本發(fā)明用于淀積非晶氧化鉭薄膜的方法的另一個實例。在圖5中，和圖4一樣的那些步驟用同一參考標記標注，因此不需要詳細的描述。如圖5所示，用于上述提及的非晶金屬氧化膜的膜淀積步驟以及膜性能改善處理步驟可以在由參考標記200標注的同一反應室中進行。
此外，用于上述提及的非晶金屬氧化膜的這兩個膜淀積步驟和膜性能改善步驟都應在小于430℃的溫度下進行。
根據(jù)本發(fā)明的制造電容元件的方法是其中含有由非晶金屬氧化膜構(gòu)成的介電絕緣層的電容元件的制造方法。特別地，該介電絕緣層是由上述提及的根據(jù)本發(fā)明制造非晶金屬氧化膜的方法形成的。
此外，根據(jù)本發(fā)明制造半導體器件的方法是制造含有非晶金屬氧化膜的半導體器件方法。特別地，非晶金屬氧化膜是由上述提及的根據(jù)本發(fā)明制造非晶金屬氧化膜的方法形成的。
首先，將參考附圖6描述用于有效實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的制造方法的作為使用高密度等離子體源的等離子體處理系統(tǒng)的螺旋等離子體處理系統(tǒng)。
圖6示出了螺旋等離子體系統(tǒng)的布置的示意圖。如圖6所示，該螺旋等離子體處理系統(tǒng)，一般由參考標記1表示，包括螺旋等離子體發(fā)生源2和與其內(nèi)產(chǎn)生等離子體的石英鐘罩3相通的反應室4。
在反應室4內(nèi)，設置含有加熱器(未示出)的基座6，用于在預定的溫度下加熱放置其內(nèi)的膜淀積襯底5，例如，半導體晶片。
反應室4包括用于引入處理氣體的氣體引入進口7和用于通過排氣泵(未示出)排放處理氣體的排氣出口8，通過壓力調(diào)節(jié)器(未示出)調(diào)節(jié)在反應室4內(nèi)的真空度到預定的值。
在等離子體發(fā)生源2中，螺旋天線9設置環(huán)繞在鐘罩3的外部周邊并且13.56MHz的RF電功率從高頻(RF)發(fā)生器10通過阻抗匹配裝置11施加到螺旋天線9。
一內(nèi)部線圈12A和一外部線圈12B纏繞在鐘罩3的緊密靠近部分。彼此在相反方向流動的直流電(DC)從DC電源13A和13B通過電流控制裝置14A和14B提供到這些內(nèi)部和外部線圈12A和12B以由此形成磁場。通過調(diào)整這些電流值和這些電流值之間的比率，傳播螺旋波以用于從鐘罩3吸引等離子體。同時，通過在這樣吸引的螺旋波和由設置在反應室4側(cè)表面的永久磁鐵或電磁鐵形成的磁場發(fā)生裝置15產(chǎn)生的磁場之間的相互作用來調(diào)整襯底5附近的等離子體的均勻性。
根據(jù)具有上述的布置的等離子體處理系統(tǒng)1，通過適當?shù)刈兓峁┑臍怏w的種類進行膜淀積處理和氧化處理。
其次，雖然將要描述用于通過使用上述的等離子體處理系統(tǒng)1實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的制造方法的發(fā)明實例，然而本發(fā)明當然可以不局限于下面的發(fā)明實施例。第一發(fā)明實例在該發(fā)明實例中，淀積非晶氧化鉭膜。首先，選擇小于200W的RF電功率以及在主要由沒有侵蝕性地使用螺旋波傳播的自由基反應構(gòu)成的范圍內(nèi)執(zhí)行膜淀積處理步驟。
其次，從氣體引入進口7提供含有氧的氧化氣體例如氧氣，以及產(chǎn)生侵蝕性的使用螺旋傳播的離子和自由基混合高密度等離子體氣氛。其中RF電功率在500W到2000W的范圍內(nèi)，在這種氣氛下，被預先淀積的非晶氧化鉭膜在繼續(xù)保持其非晶狀態(tài)下被氧化。在這種方式下，由膜淀積步驟引起的不足的膜性能改善處理步驟被執(zhí)行。
在那時，當在膜淀積步驟中需要的等離子體電功率，也就是，RF電功率被選擇小于200W時，非晶膜，也就是，其中不會產(chǎn)生很小的晶粒的非晶膜被淀積。那么，證實當RF電功率被選擇高于200W時，在膜淀積期間會產(chǎn)生很小的晶粒以致很難淀積理想的非晶膜。此外，證實當RF電功率被選擇低于40W時，不能獲得穩(wěn)定的等離子體放電以致不能穩(wěn)定地淀積非晶膜。特別地，在膜淀積步驟中需要的等離子體電功率應該選擇高于40W并小于200W。
圖7示出了當RF電功率改變時得到的漏電流密度的測量結(jié)果的特征曲線圖。從在圖7所示的這幅特征曲線圖中，可以理解能得到在RF電功率在從200W到40W的范圍內(nèi)低漏電流密度的淀積膜。
圖8示出了在氧化步驟中，即，在膜性能改善步驟中當RF電功率改變時得到的漏電流密度的測量結(jié)果的特征曲線圖。如圖8所示的特征曲線圖的研究顯示當RF電功率小于500W時膜性能改善處理效果是不充分的。而且，從在圖8所示的這幅特征曲線圖中，同樣地可以理解當RF電功率超出2000W時漏電流密度迅速地增加。這樣的原因是膜破損或部分結(jié)晶。因此，在基于氧化步驟的膜性能改善處理中RF電功率選擇高于500W并小于2000W。
在該發(fā)明實例中，用于完成膜淀積步驟和膜性能改善處理步驟的處理系統(tǒng)不局限上述的系統(tǒng)并且可以有各種修改。圖9示出了這樣修改的處理系統(tǒng)的排布的示意圖。如圖9所示，該處理系統(tǒng)包括擁有第一和第二反應室21和22的襯底傳送室20并且其中在第一和第二反應室21和22內(nèi)通過膜淀積處理和膜性能改善的氧化處理能單獨地處理從裝載鎖存(load-lock)室24提供的已淀積的襯底，其中在裝載鎖存室24中設置襯底盒。第二發(fā)明實例在該發(fā)明實例中，如前面圖4提到的流程圖所示，進行由大量的膜淀積處理和每一次膜淀積處理后執(zhí)行的膜性能改善處理的氧化處理組成的重復工作。按照這種重復工作，從時間的立場上能非常有效地提高足夠優(yōu)質(zhì)的膜性能。
圖10示出了膜厚度相對于當?shù)矸e的膜的膜厚度，也就是，淀積的氧化鉭(Ta2O5)膜的膜厚度變化時得到的漏電流密度的測量結(jié)果的特征曲線圖，并且使用膜性能改善處理的氧化處理時間作為參數(shù)。在圖10中，特征曲線71、72、73顯示當氧化處理時間的時間周期分別地選擇為30秒、60秒和90秒時，各自得到的測量結(jié)果。
圖7、8和10示出的漏電流密度是在與外加電壓的增加相一致的漏電流快速增加的點得到的電流密度，也就是，漏電流開始移動到所謂的儲集池弗侖克爾(Pool Frenkel)電流區(qū)。
根據(jù)圖10示出的測量結(jié)果中，可以理解當膜厚度超出15nm時，根據(jù)處理時間相對于氧化時間的漏電流的抑制效果比率是較低的。
因此，在該發(fā)明實例中，當具有大于15nm的膜厚度的非晶金屬氧化膜被淀積時，如圖4的流程圖所示，進行由大量的小于15nm的膜厚度的膜淀積處理步驟和每一次膜淀積處理后執(zhí)行的膜性能改善處理的氧化處理步驟組成的重復工作。
例如，當具有大于15nm的膜厚度的非晶金屬氧化膜被淀積時，用于淀積具有小于15nm的膜厚度的非晶金屬氧化膜的膜淀積處理和氧化處理被重復整數(shù)倍的次數(shù)是非常有效的。例如，當具有30nm的膜厚度的非晶金屬氧化膜被淀積時，具有10nm的膜厚度的膜淀積處理和氧化處理步驟的循環(huán)被重復三次就能得到30nm的厚度的結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的實例，從時間的立場上能非常有效地得到足夠的膜厚度。
根據(jù)上述的發(fā)明實例，膜淀積步驟和膜性能改善處理步驟能夠在不同的反應室中分別進行，在此情況下，運送襯底5進入不同的反應室以及從不同的反應室退出襯底5所需的時間會引起工時的損耗。
特別地，如上所述當具有大于15nm的膜厚度的非晶金屬氧化膜被淀積時，用于重復地運送襯底5進入不同的反應室以及從不同的反應室退出襯底5的工作成為必須。結(jié)果，在工時上的時間損耗將會顯著地降低生產(chǎn)率。第三發(fā)明實例在該發(fā)明實例中，如圖5的流程圖所示，在同一間反應室內(nèi)連續(xù)地進行膜淀積處理和氧化處理。
本發(fā)明實例是由使用高密度等離子體發(fā)生源例如螺旋等離子體發(fā)生源的膜淀積步驟和膜性能改善處理組成的膜淀積工藝。
特別地，根據(jù)前面提及的使用噴頭的二極管平行板等離子體CVD系統(tǒng)，產(chǎn)生的等離子體的密度太低以致于不能提供實用的膜性能和實用的工藝。
這下面將參考圖12的流程圖描述。在圖12示出的流程圖中，和圖4、5一樣的那些步驟用同一參考標記標注，因此不需要詳細的描述。
如圖12的流程圖所示，直到膜淀積完成所需要的步驟包括在同上述的第一和第二發(fā)明實例相同的在步驟S21的膜淀積步驟結(jié)束后排出膜淀積殘余氣體和在S30設置氧化條件的步驟。此后，在步驟S22執(zhí)行氧化步驟，即，O2等離子體處理。
然后，在該氧化步驟結(jié)束的階段，如果目標膜厚度小于15nm，那么非晶金屬氧化膜，例如非晶氧化鉭膜的膜淀積步驟結(jié)束。當該膜淀積步驟結(jié)束時，在實際操作中，在步驟S31從反應室中清除氣體，隨后，在步驟S23從反應室中移走襯底。
如果目標膜厚度大于15nm，如圖12的流程圖所示，那么為了完成上述的第二膜淀積步驟，在步驟S32預先提供用于安排膜淀積條件的膜淀積條件準備步驟。然后，在步驟S21實行膜淀積步驟。進一步，依靠膜淀積氣體的排出和O2等離子體處理來設置膜性能改善處理步驟的條件，即在步驟S32執(zhí)行準備步驟以及在步驟S22執(zhí)行O2等離子體處理。反復進行這種重復的工作直到可以獲得目標膜厚度。此后，在步驟S31從反應室中清除氣體以及隨后在步驟S23從反應室中取出襯底。
在上述的發(fā)明實施例中的所有的膜淀積步驟和所有的膜性能改善處理步驟在溫度保持低于430℃下的區(qū)域內(nèi)實行。
對于這樣的原因是本申請的受讓人發(fā)現(xiàn)當溫度在超出430℃的區(qū)域內(nèi)時膜性能下降。特別地，當溫度區(qū)域超過430℃時，該溫度區(qū)域轉(zhuǎn)移成其中通過熱反應就可開始膜淀積反應的溫度帶。如果等離子體能量應用于這樣的溫度帶，那么就有過量的等離子體能量應用于這樣的溫度帶。結(jié)果，引起原材料過分地分解并且加速反應超過了必要范圍，結(jié)果是剩余反應物或不必要的元素很容易混和到膜內(nèi)。從而，膜性能不可避免地惡化。
下面將舉例說明本發(fā)明的發(fā)明實例中的用于淀積非晶金屬氧化膜的條件和膜性能改善處理的氧化處理的條件。發(fā)明實例膜淀積條件五乙基氧化鉭(pentaethoxytantalum)分壓1.7mTorr氧分壓 4.2mTorrRF電功率 100W溫度 300℃氧化條件氧分壓 8mTorrRF電功率 1500W溫度 300℃然后，在通過本發(fā)明的方法得到的非晶金屬氧化膜的電特性中，理想的漏電流值應該近似小于1×10-8[A/cm2]，如圖11的虛線所示。
在選擇如下的膜淀積條件和氧化條件下能得到這樣的電特性和膜厚度的均勻性。
膜淀積條件五乙基氧化鉭(pentaethoxytantalum)分壓0.15至4.3mTorr氧分壓 0.7至8.6mTorrRF電功率40至200W溫度100至430℃氧化條件氧分壓 5至15mTorrRF電功率500至2000W溫度100至430℃如上面描述，根據(jù)本發(fā)明，非晶金屬氧化膜，例如具有優(yōu)良膜性能和漏電流特性和相應的具有高可靠性的非晶氧化鉭膜，能被制得充分的薄。
那么，根據(jù)本發(fā)明的制造電容元件的方法，當在適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)中例如MIM(金屬—絕緣體—金屬)結(jié)構(gòu)中以在上電極和下電極之間插入的介電絕緣層被淀積時，與根據(jù)本發(fā)明制造非晶金屬氧化膜的上述方法一樣的步驟可以應用到這樣的膜淀積步驟。
在根據(jù)本發(fā)明的制造半導體器件的方法中，當安排電路元件中的介電層或絕緣層或電容元件時，與根據(jù)本發(fā)明制造非晶金屬氧化膜的上述方法一樣的步驟可以應用到上述方法。
例如，圖13示出了在應用本發(fā)明的半導體集成電路器件中作為電路元件的MIM電容元件的例子的剖面示意圖。
在該實施例中，如圖13所示，局部熱氧化膜，即基于LOCOS(硅的局部氧化)工藝的隔離絕緣層51淀積在包括半導體集成電路的半導體襯底50，即硅半導體襯底表面上的電路元件之間。層間絕緣層52淀積在隔離絕緣層51上。
包含MIM電容元件的下電極層53淀積在層間絕緣層52上，以及由根據(jù)本發(fā)明的非晶金屬氧化膜形成的介電絕緣層54淀積在下電極層53上。上金屬電極層55淀積在與下金屬電極層53相對位置的介電絕緣層54上。以這種方式，制成其中具有在下金屬電極層53和上金屬電極層55之間形成靜電容量的MIM電容元件56。
然后，例如SiO2層的絕緣層57淀積在整個表面上，并且通過與該電容元件56相對的兩個終端，即下金屬電極層54和上金屬電極層55鉆出接觸通孔58和59。如圖13所示，接觸通孔58穿過介電絕緣層53延伸以致能接觸到下金屬電極層54。
通過接觸通孔58和59，淀積具有預先布圖的由鋁合金形成的層間互連層59，其內(nèi)由TiN構(gòu)成的保護膜60形成在其表面上。
當其它電路元件形成時可以同時地形成該電容元件。
這樣制造的電容元件和半導體器件是有非常高的可靠性并且可以獲得在電特性上優(yōu)良的電容元件和半導體器件。
根據(jù)制造非晶金屬氧化膜，例如非晶氧化鉭膜以及具有非晶金屬氧化膜的電容元件和半導體器件的上述方法，所有的處理可以在低溫下進行，具體地，在430℃以下，從而具有極好的可工作性及低的電阻率的低熔點金屬層可以在適合的組件例如下層電極和互連中作為導電層。
因此，材料可以有很強的自由度進行選擇，和金屬WN、TiN’如Al和Cu是價廉的，具有極好的可工作性，可以形成作為微型化布圖及低的電阻率，可以用作適合的組件，例如下層電極和互連。
進一步，由于具有極好特性的非?？煽康姆蔷Ы饘傺趸?，例如非晶氧化鉭膜可作為介電絕緣層形成，因此可能形成充分薄的介電絕緣層。此外，由于工作性極好的金屬層可以用作上述的電極和互連，電容元件可以更微型化。從而，在半導體集成電路中的電路元件可以提高密度并且可以實現(xiàn)MIM結(jié)構(gòu)以便電路元件可以高速運轉(zhuǎn)。
而且，由于膜淀積步驟和膜性能改善處理步驟可以在同一間反應室內(nèi)進行，在工業(yè)生產(chǎn)的立場上，可以帶來很多的利益，也就是，系統(tǒng)可以在結(jié)構(gòu)上簡單化、便于操作、可提高工作性、可靠性和生產(chǎn)率并從而降低制造成本。
雖然參考附圖描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本發(fā)明并不局限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白在不脫離如所附權(quán)利要求書限定的精神和范圍的情況下可以做出各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種制造非晶金屬氧化膜的方法，包括用于淀積非晶金屬氧化膜的步驟；和用于改善所述非晶金屬氧化膜的膜性能的膜處理步驟，其中使所述非晶金屬氧化物膜維持在非晶狀態(tài)，其是通過基于離子和自由基反應的高密度等離子體輻射處理保持所述非晶金屬氧化物膜的非晶狀態(tài)，且所述離子和自由基反應在高于5mA/cm2的離子電流密度下至少包含氧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制造非晶金屬氧化膜的方法，其中，所述高密度等離子體輻射處理是螺旋等離子體輻射處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制造非晶金屬氧化膜的方法，其中，用于淀積所述非晶金屬氧化膜的所述步驟是利用所述高密度等離子體輻射源的膜淀積工藝，所述高密度等離子體輻射源主要是由自基由反應組成，并且在所述膜淀積步驟中需要的等離子體電功率選擇大于40W并小于200W。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制造非晶金屬氧化膜的方法，其中，所述膜處理步驟中使用等離子體電功率選擇大于500W并小于2000W。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的制造非晶金屬氧化膜的方法，其中，所述膜淀積步驟和所述膜處理步驟在同一間反應室內(nèi)進行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的制造非晶金屬氧化膜的方法，其中，在所述非晶金屬氧化膜的膜厚度被選擇小于15nm的狀態(tài)下進行多次所述膜淀積步驟，并且在每次所述膜淀積步驟后進行膜處理步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的制造非晶金屬氧化膜的方法，其中，當所述非晶金屬氧化膜的目標膜厚度大于15nm時，在所述非晶金屬氧化膜的膜厚度小于15nm的狀態(tài)下進行多次所述膜淀積步驟，并且在每次所述膜淀積步驟后進行膜處理步驟，以便使所述非晶金屬氧化膜的全部膜厚度達到大于15nm的目標膜厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的制造非晶金屬氧化膜的方法，其中，所述非晶金屬氧化膜是非晶氧化鉭薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的制造非晶金屬氧化膜的方法，其中，所述非晶金屬氧化膜的所有的膜淀積步驟和膜處理步驟都在低于430℃的溫度下進行。
10.一種制造具有非晶金屬氧化膜的電容元件的方法，在制造包括非晶金屬氧化膜的電容元件的方法中，其中非晶金屬氧化膜是用作電容絕緣膜，包括用于淀積所述非晶金屬氧化膜的膜淀積步驟；用于改善所述非晶金屬氧化膜的膜性能的膜處理步驟，其中使所述非晶金屬氧化物膜維持在非晶狀態(tài)，其是通過基于離子和自由基反應的高密度等離子體輻射處理保持所述非晶金屬氧化物膜的非晶狀態(tài)，且所述離子和自由基反應在高于5mA/cm2的離子電流密度下至少包含氧。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的制造具有非晶金屬氧化膜的電容元件的方法，其中，所述高密度等離子體處理是螺旋等離子體輻射處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的制造具有非晶金屬氧化膜的電容元件的方法，其中，所述非晶金屬氧化膜的膜淀積步驟是利用所述高密度等離子體輻射源的膜淀積步驟，所述高密度等離子體子輻射源主要是由自由基反應組成，并且在所述膜淀積步驟中需要的等離子體電功率選擇大于40W并小于200W。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的制造具有非晶金屬氧化膜的電容元件的方法，其中，所述膜處理步驟中的等離子體電功率選擇大于500W并小于2000W。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的制造具有非晶金屬氧化膜的電容元件的方法，其中，所述膜淀積步驟和所述膜處理步驟在同一間反應室內(nèi)進行。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的制造具有非晶金屬氧化膜的電容元件的方法，其中，在所述非晶金屬氧化膜的膜厚度被選擇小于15nm的狀態(tài)下進行多次所述膜淀積步驟，并且在每次所述膜淀積步驟后進行膜處理步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的制造具有非晶金屬氧化膜的電容元件的方法，其中，當所述非晶金屬氧化膜的目標膜厚度大于15nm時，在所述非晶金屬氧化膜的膜厚度小于15nm的狀態(tài)下進行多次所述膜淀積步驟，并且在每次所述膜淀積步驟后進行膜處理步驟，以便使所述非晶金屬氧化膜的全部膜厚度達到大于15nm的目標膜厚度。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的制造具有非晶金屬氧化膜的電容元件的方法，其中，所述非晶金屬氧化膜是非晶氧化鉭薄膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的制造具有非晶金屬氧化膜的電容元件的方法，其中，所述非晶金屬氧化膜的所有的膜淀積步驟和膜處理步驟都在低于430℃的溫度下進行。
19.在制造具有非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法中，一種制造具有非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法，包括用于淀積非晶金屬氧化膜的步驟；和用于改善所述非晶金屬氧化膜的膜性能的膜處理步驟，其中使所述非晶金屬氧化物膜維持在非晶狀態(tài)，其是通過基于離子和自由基反應的高密度等離子體輻射處理保持所述非晶金屬氧化物膜的非晶狀態(tài)，且所述離子和自由基反應在高于5mA/cm2的離子電流密度下至少包含氧。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的制造具有非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法，其中，所述高密度等離子體處理是螺旋等離子體輻射處理。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的制造具有非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法，其中，用于淀積所述非晶金屬氧化膜的所述步驟是利用所述高密度等離子體輻射源的膜淀積步驟，所述高密度等離子體輻射源主要是由自由基反應組成，并且在所述膜淀積步驟中需要的等離子體電功率選擇大于40W并小于200W。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的制造具有非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法，其中，所述膜處理步驟中使用等離子體電功率選擇大于500W并小于2000W。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的制造具有非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法，其中，所述膜淀積步驟和所述膜性能改善處理步驟在同一間反應室內(nèi)進行。
24.根據(jù)權(quán)利要求19的制造具有非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法，其中，在所述非晶金屬氧化膜的膜厚度被選擇小于15nm的狀態(tài)下進行多次所述膜淀積步驟，并且在每次所述膜淀積步驟后進行膜處理步驟。
25.根據(jù)權(quán)利要求19的制造具有非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法，其中，當所述非晶金屬氧化膜的目標膜厚度大于15nm時，在所述非晶金屬氧化膜的膜厚度小于15nm的狀態(tài)下進行多次所述膜淀積步驟，并且在每次所述膜淀積步驟后進行膜處理步驟，以便所述非晶金屬氧化膜的全部的膜厚度達到大于15nm的目標膜厚度。
26.根據(jù)權(quán)利要求19的制造具有非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法，其中，所述非晶金屬氧化膜是非晶氧化鉭薄膜。
27.根據(jù)權(quán)利要求19的制造具有非晶金屬氧化膜的半導體器件的方法，其中，所述非晶金屬氧化膜的所有的膜淀積步驟和膜處理步驟都在低于430℃的溫度下進行。
全文摘要
進行一種用于淀積非晶金屬氧化膜，例如非晶氧化鉭膜的膜淀積工藝以及一種用于改善所述非晶金屬氧化膜的膜性能的膜處理工藝，其中使所述非晶金屬氧化物膜維持在非晶狀態(tài)，其是通過基于離子和自由基反應的高密度等離子體輻射處理保持所述非晶金屬氧化物膜的非晶狀態(tài)，且所述離子和自由基反應在高于5mA/cm
文檔編號C23C16/56GK1455441SQ0313845
公開日2003年11月12日 申請日期2003年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月26日
發(fā)明者足立研, 堀內(nèi)悟志, 幸本徹哉 申請人:索尼公司, Cvr株式會社