專(zhuān)利名稱(chēng)：具有電容器的半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件；更進(jìn)一步講，涉及在存儲(chǔ)單元中使用的具有電容器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
眾所周知，包括晶體管和電容器的存儲(chǔ)單元的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)主要通過(guò)微型化來(lái)減小尺寸而具有較高的集成度。然而，這仍然需要降低存儲(chǔ)單元的面積。
因此，為了滿(mǎn)足這種需要，已提出幾種方法，如溝槽型結(jié)構(gòu)或疊層型電容器，這些電容器在存儲(chǔ)器件中對(duì)于電容器來(lái)說(shuō)以三維形式排列來(lái)實(shí)現(xiàn)減小存儲(chǔ)單元面積的目的。然而，制造三維排列的電容器是一個(gè)長(zhǎng)而且耗時(shí)的過(guò)程并且通常需要高的制造成本。因此，迫切需要一種新的存儲(chǔ)器件，這種存儲(chǔ)器件能減小單元面積并確保必要的信息量而不需要復(fù)雜的制造步驟。
因此，DRAM器件使用一種高介電常數(shù)材料作電容器薄膜如鈦酸鋇鍶(BST)和氧化鉭(Ta2O5)來(lái)滿(mǎn)足這種需要。但是，DRAM存儲(chǔ)器具有易失性的缺點(diǎn)并且每秒必須刷新多次的問(wèn)題，盡管它的優(yōu)點(diǎn)是小，便宜，快速，和能耗低。
為了解決DRAM的上述問(wèn)題，已提出一種鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)，其中用具有鐵電性質(zhì)的電容器薄膜如鉭酸鍶鋇(SBT)和鋯鈦酸鉛(PZT)代替了常規(guī)的氧化硅膜或氮化硅膜，F(xiàn)eRAM由于鐵電材料的剩余極化而具有非易失性特性以及能在低電壓下使用。
在制造存儲(chǔ)器件如DRAM和FeRAM中，為了在一種外部有害的環(huán)境如潮濕，顆粒等中保護(hù)半導(dǎo)體器件，具有在金屬導(dǎo)電層之上形成鈍化層的步驟。鈍化層是利用一種方法如等離子化學(xué)氣相淀積(PECVD)在富氫的環(huán)境中形成的。然而，在鈍化層的制造過(guò)程中，通過(guò)PECVD過(guò)程產(chǎn)生的氫氣使存儲(chǔ)單元的電容器退化。那就是，氫氣和離子滲透到上電極和電容器的側(cè)面，進(jìn)而到達(dá)電容器薄膜并同組成電容器薄膜的鐵電材料中的氧原子反應(yīng)。
因而，這些問(wèn)題導(dǎo)致了獲得所需要的重復(fù)制造、可靠性和制造存儲(chǔ)單元的產(chǎn)量方面的困難。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種半導(dǎo)體器件，具有由鈦層和原硅酸四乙酯(TEOS)提供的雙氫阻擋層，用于在形成金屬連接之后的防止電容器的氫損傷。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種其內(nèi)具有雙氫阻擋層為了防止在形成鈍化層過(guò)程中電容器的氫損傷的半導(dǎo)體器件的制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種在存儲(chǔ)單元中使用的半導(dǎo)體器件，包括設(shè)有晶體管和形成在晶體管四周的第一絕緣層的有源矩陣；電容器結(jié)構(gòu)，形成在第一絕緣層之上，由底電極，位于底電極上的電容器薄膜和形成在電容器薄膜上的上電極構(gòu)成；第二絕緣層，形成在晶體管和電容器結(jié)構(gòu)上；金屬互連，形成在第二絕緣層和有源矩陣上，將晶體管電連接到電容器結(jié)構(gòu)；和氫阻擋層，形成在金屬互連之上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種在存儲(chǔ)單元中使用的半導(dǎo)體器件的制造方法，該方法包括以下步驟a)制備一個(gè)設(shè)有晶體管和形成在晶體管的四周的第一絕緣層的有源矩陣；b)在第一絕緣層之上形成一個(gè)電容器結(jié)構(gòu)，所述電容器結(jié)構(gòu)包括由鐵電材料構(gòu)成的電容器薄膜；c)在電容器和晶體管結(jié)構(gòu)上形成第二絕緣層；d)形成金屬互連層并布圖金屬互連成為預(yù)定形狀，使其將晶體管和電容器結(jié)構(gòu)電連接；和e)在金屬互連之上形成氫阻擋層。
通過(guò)下面結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述，可以使本發(fā)明的上述和其它目的以及特點(diǎn)更明顯易懂。附圖中

圖1是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的剖面圖；以及圖2A至2G是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件的制造方法的示意剖面圖。
圖1和圖2A至2G是用于存儲(chǔ)單元的半導(dǎo)體器件100的剖面圖根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法。在圖1和圖2A至2G中，相同的部分用相同的數(shù)字做標(biāo)記。
圖1提供了本發(fā)明的半導(dǎo)體器件100的剖面圖，包括有源矩陣110，電容器結(jié)構(gòu)150，第二絕緣層126，位線(xiàn)134，金屬互連136，和由原硅酸四乙酯(TEOS)SiO2138和Ti金屬層140提供的雙氫阻擋層142。
此外，鈍化層144形成在位線(xiàn)134之上，Ti金屬層140和第二絕緣層126通過(guò)等離子化學(xué)氣相淀積(PECVD)技術(shù)，在富氫氣環(huán)境中高溫下完成，例如，320～400℃。半導(dǎo)體器件100中，位線(xiàn)134是與擴(kuò)散區(qū)106之一電連接，并且電容器結(jié)構(gòu)150的上電極是通過(guò)金屬互連136與另一擴(kuò)散區(qū)106電連接，所述位線(xiàn)134和金屬互連136彼此沒(méi)有電連接。電容器結(jié)構(gòu)150的底電極可以與平板線(xiàn)(圖中未示出)連接，以提供一個(gè)恒定的電位。而且，在底電極和上電極之間，具有由鐵電材料例如SBT(SrBiTaOx)，PZT(PbZrTiOx)等構(gòu)成的電容器薄膜。這里，數(shù)字標(biāo)記125表示形成在上電極上的TiN粘結(jié)層，是為了增強(qiáng)上電極和金屬互連136的連接。這里，雙氫阻擋層142起著重要的防止由于氫的滲透導(dǎo)致半導(dǎo)體器件100的電容器劣化的作用。因?yàn)闅湓拥臄U(kuò)散速率在Ti金屬里顯著降低。
圖2A至2G是表示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件100的制造方法的示意剖面圖。
半導(dǎo)體器件100的制造步驟是首先制備包括半導(dǎo)體襯底102的有源矩陣110，隔離區(qū)104，擴(kuò)散區(qū)106，柵氧化物112，柵導(dǎo)線(xiàn)113，間隔114和第一絕緣層116，如圖2A所示。擴(kuò)散區(qū)106之一作為源區(qū)和另一擴(kuò)散區(qū)106作為漏區(qū)。第一絕緣層116由材料如硼磷硅玻璃(BPSG)或中等溫度氧化物(MTO)等構(gòu)成。
此后，緩沖層118，例如由Ti或TiOx構(gòu)成，形成在第一絕緣層116上具有50～250nm的厚度范圍。然后，第一金屬層120，介質(zhì)層122和第二金屬層124是形成在緩沖層118上。在本優(yōu)選實(shí)施例中，介質(zhì)層122由鐵電材料如鈦酸鍶鋇(SBT)，鋯鈦酸鉛(PZT)等構(gòu)成，通過(guò)如旋涂、化學(xué)氣相淀積(CVD)的方法形成。
隨后的步驟如圖2B所示，將第二金屬層124布圖為第一預(yù)定形狀得到上電極124A和電容器薄膜122A。然后，將介質(zhì)層122，第一金屬層120和緩沖層118是布圖在第二預(yù)先構(gòu)成的電容器薄膜122A和底電極結(jié)構(gòu)上，因而形成緩沖118A，底電極120A，電容器薄膜122A和上電極124A的電容器結(jié)構(gòu)150。在以下步驟中最好底電極120A的尺寸不同于上電極128A的尺寸來(lái)形成平板線(xiàn)(圖中未示出)。
下面的步驟如圖2C所示，第二絕緣層126，由材料如BPSG、MTO、或BPSG和原硅酸四乙酯(TEOS)基氧化物組成的雙層構(gòu)成，通過(guò)使用如CVD方法形成在電容器結(jié)構(gòu)150和第一絕緣層116上，并且通過(guò)BPSG回流步驟或化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)平坦化，如圖2C所示。
隨后的步驟是，通過(guò)如光刻和等離子刻蝕方法，例如，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，將第一和第二開(kāi)槽128、130形成在擴(kuò)散區(qū)106的上方，分別穿過(guò)第二和第一絕緣層126、116。并且，通過(guò)一種方法如光刻和等離子刻蝕，將第三開(kāi)槽132形成在電容器結(jié)構(gòu)150的上方，穿過(guò)第二絕緣層126。并且，為了增強(qiáng)上電極124A和金屬互連136的連接，如圖2D所示，TiN層125是通過(guò)第三開(kāi)槽132形成在電容器結(jié)構(gòu)150的上電極124A上。但是，TiN層125是可以省略的。
然后，金屬互連層136，例如，由Ti/Ti/Al構(gòu)成，是形成在包括開(kāi)槽128、130、132的內(nèi)部的整個(gè)表面上并布圖成第三形狀形成位線(xiàn)134和金屬互連層136，如圖2E所示。然后，TEOS-SiO2層138和Ti金屬層140形成在金屬互連136上，并布圖成第三預(yù)定形狀，如圖2F所示。這里，其中TEOS-SiO2層138和Ti金屬層140是通過(guò)一種方法如CVD和PVD方法形成的，TEOS-SiO2和Ti金屬層140的厚度分別至少為50nm和20nm。要提到的是雙氫阻擋層142應(yīng)充分覆蓋電容器結(jié)構(gòu)來(lái)有效防止在以后的鈍化步驟中電容器結(jié)構(gòu)150的氫損傷。
最后，例如用未攙雜的硅玻璃(USG)和Si3N4制作的鈍化層140，通過(guò)一種方法如PECVD方法形成在金屬互連136和第二絕緣層126上用來(lái)保護(hù)半導(dǎo)體器件100不被外圍環(huán)境如潮濕、顆粒等的損壞，如圖2F所示。該鈍化步驟是在富氫環(huán)境中高溫下進(jìn)行的，如320～400℃。
如前面所述的本發(fā)明形成的半導(dǎo)體器件100，是能夠防止電容器結(jié)構(gòu)150因氫的滲透被損壞。也就是說(shuō)，通過(guò)由TEOS-SiO2138和Ti金屬層140形成的雙氫阻擋層142，因?yàn)闅湓拥臄U(kuò)散速率在Ti金屬里顯著的降低而有效的避免了氫損傷。
根據(jù)上述實(shí)施例描述的本分明，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不離開(kāi)本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍時(shí)，顯然可以做各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于存儲(chǔ)單元的半導(dǎo)體器件包括有源矩陣，由晶體管和在晶體管四周形成的第一絕緣膜提供；電容器結(jié)構(gòu)，形成在第一絕緣膜上，由底電極，位于底電極上的電容器薄膜和形成在電容器薄膜上的上電極構(gòu)成；第二絕緣層，形成在晶體管和電容器結(jié)構(gòu)上；金屬互連，形成在第二絕緣層和有源矩陣上，并將晶體管電連接到電容器結(jié)構(gòu)；以及氫阻擋層，形成在金屬互連上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，還包括TiN粘結(jié)層，用于Ti金屬互連和上電極的連接，該TiN粘結(jié)層形成在上電極之上；以及鈍化層，在富氫環(huán)境下通過(guò)等離子CVD形成在金屬互連之上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，氫阻擋層具有雙層結(jié)構(gòu)，由原硅酸四乙酯(TEOS)-SiO2和Ti金屬提供。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中，TEOS-SiO2的厚度至少為50nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中，Ti金屬的厚度至少為20nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，氫阻擋層充分覆蓋電容器結(jié)構(gòu)用于防止器件的氫損傷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，電容器薄膜是從包括SBT(SrBiTaOx)、PZT(PbZrTiOx)等組成的組中選擇出的鐵電材料構(gòu)成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于鈍化層是由非摻雜的硅玻璃(USG)和Si3N4構(gòu)成。
9.一種用于存儲(chǔ)單元的半導(dǎo)體器件的制造方法，該方法包括以下步驟a)制備有源矩陣，由晶體管和形成在晶體管的四周的第一絕緣層提供b)在第一絕緣層之上形成電容器結(jié)構(gòu)，其中，電容器結(jié)構(gòu)包括由鐵電材料制成的電容器薄膜；c)在晶體管和電容器結(jié)構(gòu)上形成第二絕緣層；d)形成金屬互連層，并將金屬互連布圖為預(yù)定形狀，使晶體管和電容器結(jié)構(gòu)電連接；以及e)在金屬互連之上形成氫阻擋層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，在步驟c)之后，還包括在上電極上形成TiN粘結(jié)層的步驟，用于Ti金屬互連和上電極的連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，在步驟e)之后，還包括在富氫環(huán)境下通過(guò)等離子CVD方法在金屬互連上形成鈍化層的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中，氫阻擋層是具有雙層結(jié)構(gòu)，并由TEOS-SiO2和Ti金屬提供。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體器件，其中，TEOS-SiO2的厚度至少為50nm。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體器件，其中，Ti金屬的厚度至少為20nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中，氫阻擋層充分覆蓋所述電容器結(jié)構(gòu)來(lái)防止所述器件的氫損傷。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中，電容器薄膜是從包括SBT(SrBiTaOx)、PZT(PbZrTiOx)等組成的組中選擇出的鐵電材料構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，鈍化層是由非摻雜的硅玻璃(USG)和Si3N4制成。
全文摘要
一種用于存儲(chǔ)單元的半導(dǎo)體器件,包括:有源矩陣,由晶體管和在晶體管四周形成的第一絕緣膜提供;電容器結(jié)構(gòu),形成在第一絕緣膜上,由底電極,位于底電極上的電容器薄膜和形成在電容器薄膜上的上電極構(gòu)成;第二絕緣層,形成在晶體管和電容器結(jié)構(gòu)上;金屬互連,形成在第二絕緣層和有源矩陣上,使晶體管和電容器結(jié)構(gòu)電連接;以及氫阻擋層,形成在金屬互連上。
文檔編號(hào)H01L21/316GK1302086SQ00126799
公開(kāi)日2001年7月4日 申請(qǐng)日期2000年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月30日
發(fā)明者梁飛龍, 洪錫敬, 李承錫, 姜南守 申請(qǐng)人:現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社