專利名稱：鐵電隨機存取存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制作方法，尤其涉及一種鐵電隨機存取存儲器(FeRAM)的制作方法。
背景技術(shù)：
如何利用鐵電層構(gòu)成鐵電體電容來開發(fā)一種大規(guī)模半導(dǎo)體內(nèi)存器件，克服動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)固有的刷新瓶頸，一直是人們研究的熱點。這種使用鐵電層制作的FeRAM是一種非易失性存儲器。這就是說FeRAM具有一種固有的優(yōu)勢，斷電后也能讀取其中的數(shù)據(jù)。同時，F(xiàn)eRAM由于其響應(yīng)速度和DRAM速度相當(dāng)，而作為下一代存儲器的候選，成為人們關(guān)注的焦點。
鐵電電容器的上電極和下電極，一般使用導(dǎo)電性好的材料，如Pt、Ir、Ru。然而，當(dāng)把這種貴金屬作為下電極時，它和層間絕緣層之間的粘附性很差，尤其是氧化層。因此，在后繼的介質(zhì)層生長工藝中，比如熱處理、清洗工藝，往往導(dǎo)致層間絕緣層和下電極發(fā)生脫離現(xiàn)象，進一步導(dǎo)致器件變形，嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的制作。為了解決這個問題，本發(fā)明提出在下電極和層間絕緣層之間加入一層粘附層。
圖1A至圖1E是現(xiàn)有技術(shù)中FeRAM的制作方法的截面示意圖。
參照圖1A，在基片11上形成場氧化層12，形成雜質(zhì)結(jié)面區(qū)13，比如晶體的源/漏區(qū)。在基片11上生長第一個具有多層結(jié)構(gòu)的層間絕緣層14。在本例子中，在多層結(jié)構(gòu)中生長第一層間絕緣層14是為了在形成存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)(storage node contact，SNC)之前把字線(word line)、套圈塞(land plug)和位線(bit line)進行絕緣。
接著，刻蝕層間絕緣層14，形成存儲節(jié)點接觸孔15，露出雜質(zhì)結(jié)面區(qū)13的一部分。然后在上述結(jié)構(gòu)(包括存儲節(jié)點接觸孔15和第一層間絕緣層14)上，依次生長鈦(Ti)層16和第一氮化鈦(TiN)層17，形成勢壘金屬層。然后，進行快速熱退火(rapid thermal annealing，RTA)處理，在雜質(zhì)結(jié)面區(qū)13和鈦層16之間形成硅化鈦層18。硅化鈦層18是歐姆接觸層。
然后，在第一氮化鈦層17上生長第二氮化鈦層19，形成另一勢壘金屬層。在第二氮化鈦層19上生長鎢(W)層20，鎢層的厚度應(yīng)該能夠填充整個存儲節(jié)點接觸孔15。
參照圖1B，鎢層20，第一氮化鈦層17和第二氮化鈦層19用于回蝕工藝，以便在存儲節(jié)點接觸孔15中刻蝕出特定深度的凹槽。也就是說，經(jīng)過回蝕工藝后，在存儲節(jié)點接觸孔15中形成特定深度的鎢塞20A。
在結(jié)構(gòu)(包括鎢塞20A和第一層間絕緣層14)上生長第三氮化鈦層21，形成另一勢壘金屬層。然后進行機械化學(xué)拋光(chemical mechanicalpolishing，CMP)，直到露出第一層間絕緣層14的表面。CMP之后，第三氮化鈦層21中只有存儲節(jié)點接觸孔15中的鎢塞20A上的那部分還保留。最后，存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)包括三重勢壘金屬層(第一氮化鈦層17，第二氮化鈦層19和第三氮化鈦層21)和鎢塞20A。
參照圖1C，在拋光后的層間絕緣層14和第三氮化鈦層21上生長粘附層22。在本例子中，粘附層22使用氧化鋁材料(Al2O3)。
接著，對粘附層22進行光刻、刻蝕，在鎢塞20A的上方開出一個預(yù)定部分。也就是說，在粘附層22上涂上一層光敏物質(zhì)，然后進行曝光，在粘附層22上形成刻蝕掩膜。然后，利用該掩膜，對粘附層22進行刻蝕，在鎢塞20A的上方開一個窗口。
參照圖1D，在上述結(jié)構(gòu)上生長銥(Ir)層23和氧化銥層(IrO2)24和鉑(Pt)層25。銥層23，氧化銥層24和鉑層25依次被刻蝕，形成下電極。最后，通過鉑層25、氧化銥層24和銥層23構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)，在鎢塞20A的上方形成下電極，粘附層22仍然保留在下電極的銥層23和第一層間絕緣層14之間。
形成下電極之后，在整個器件表面(包括下電極)上生長第二層間絕緣層26。然后對該第二層間絕緣層26進行CMP處理，直到露出鉑層25的表面。CMP處理之后，第二層間絕緣層26的剩余部分圍繞在下電極的周圍。
接著在第二層間絕緣層26和鉑層25上生長鐵電層27，然后在鐵電層27上形成上電極28。然后對鐵電層27進行高熱處理，以使其晶化。
參照圖1E，對上電極28進行刻蝕，然后進行恢復(fù)熱處理，恢復(fù)鐵電層27在上電極28的刻蝕工藝中受到的損傷。
上述方法存在諸多缺點，比如需要附加工藝刻蝕粘附層22，以把鎢塞20A的上部分暴露出來。另外，隨著半導(dǎo)體器件的高度集成化，對于下電極而言，將沒有足夠的空間用于刻蝕粘附層22。
正因為沒有足夠的富余空間，可能就無法在下電極和第一層間絕緣層14之間形成粘附層22。因此，在鐵電層27晶化高溫?zé)崽幚硪约盎謴?fù)熱處理工藝中，在沒有形成粘附層22的地方，氧就可能會沿著下電極和第一層間絕緣層14之間的界面擴散。在圖1D和1E中氧的擴散在圖中用粗的箭頭29標(biāo)出。
圖2是鐵電層經(jīng)過高溫晶化處理之后第三氮化鈦層的透射電鏡(transmission electron microscopy，TEM)照片。
如圖所示，在高溫?zé)崽幚磉^程中，由于氧沿著下電極和第一層間絕緣層之間的界面擴散，第三氮化鈦層被氧化。特別是，由于高溫?zé)崽幚頃r氧擴散，第三氮化鈦層嚴(yán)重擴散，第三氮化鈦層的結(jié)構(gòu)元素轉(zhuǎn)變成氣態(tài)。第三氮化鈦層上的氧化層可能會增加漏電流。
圖3所示為使用現(xiàn)有技術(shù)制作的器件的歐姆接觸電阻測量值。
如圖所示，橫坐標(biāo)代表接觸電阻，單位是歐姆(Ω)/鎢塞，而縱坐標(biāo)代表累積比例(％)。另外，用，▲，■，●標(biāo)出的曲線分別代表著下電極和存儲節(jié)點接觸之間不同層疊程度下的接觸電阻值。比如，BEover45表示下電極和存儲節(jié)點接觸大面積重疊情況。而BEover22■就表示下電極和存儲節(jié)點接觸之間重疊最小。
更具體的說，下電極和鎢塞之間的接觸電阻值在50MΩ和100MΩ之間。如上所述，下電極和鎢塞通過經(jīng)粘附層的光刻和刻蝕工藝形成的開口互相電連接。接觸電阻的測量值相對偏高，存儲節(jié)點接觸和下電極之間重疊面積越大，接觸電阻越小。
如上所述，在現(xiàn)有技術(shù)中，可能沒有足夠的富余空間進行光刻和刻蝕，以在粘附層上刻蝕出一個窗口。這就導(dǎo)致在鐵電層的高溫晶化熱處理工藝中，氧容易向氮化鈦層擴散，導(dǎo)致氮化鈦層氧化。結(jié)果，氧化后的氮化鈦導(dǎo)致漏電流增加，反過來導(dǎo)致下電極和鎢塞之間的接觸電阻增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鐵電隨機存取存儲器(FeRAM)的制作方法，它能夠有效解決在高溫?zé)崽幚砉に囍杏捎谙码姌O和層間絕緣層之間的氧擴散而導(dǎo)致存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)的勢壘金屬層的氧化問題。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種鐵電隨機存取存儲器(FeRAM)的制作方法，它能夠有效解決在粘附層光刻和刻蝕工藝(在粘附層中，在鎢塞上方刻蝕出一個窗口)中出現(xiàn)的富余空間不足的問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種鐵電隨機存取存儲器(FeRAM)的制作方法，包括如下步驟(a)在一個預(yù)先長有晶體管的基片上生長第一層間絕緣層；(b)刻蝕第一層間絕緣層，形成存儲節(jié)點接觸孔，露出一部分基片；(c)在存儲節(jié)點接觸孔中掩埋存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)，包括塞子和勢壘金屬層；(d)在第一層間絕緣層和存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)上生長粘附層；(e)促使塞子上方的粘附層的特定部分被撕裂；(f)有選擇地刻蝕上述被撕裂部分，露出塞子上方的勢壘金屬層的表面；以及(g)通過勢壘金屬層露出的表面形成一個和塞子相連接的鐵電體電容。


結(jié)合附圖，閱讀完下面的較佳實施例之后，本發(fā)明的上述以及其他目的和特征將都變的一目了然。
圖1A～1E是現(xiàn)有方法中FeRAM的制作方法的截面示意圖；圖2是一張透射電鏡照片，它顯示了在現(xiàn)有技術(shù)中鐵電層經(jīng)過高溫晶化處理之后氮化鈦的變化情況；圖3是利用現(xiàn)有技術(shù)制作的器件的接觸電阻測試結(jié)果；圖4A～4G是本發(fā)明第一較佳實施例的FeRAM的制作方法的截面示意圖；圖5是本發(fā)明第一較佳實施例的鐵電層經(jīng)過恢復(fù)熱處理的照片；圖6是本發(fā)明第一較佳實施例的接觸電阻測試結(jié)果；圖7A～7H是本發(fā)明第二較佳實施例的FeRAM的制作方法的截面示意圖；圖8A～8F是本發(fā)明第三較佳實施例的FeRAM的制作方法的截面示意圖；圖9是本發(fā)明第四較佳實施例的FeRAM的制作方法的截面示意圖。
具體實施例方式
在下文中，本發(fā)明的較佳實施例的詳細(xì)細(xì)節(jié)將結(jié)合附圖進行描述。
圖4A～4G揭示了圖7A～7H是本發(fā)明第一較佳實施例的FeRAM的制作過程。
參照圖4A，在基片31上生長場氧化層32，在基片31上形成雜質(zhì)結(jié)面區(qū)33，比如晶體管的源/漏區(qū)。然后，在基片31上生長第一層間絕緣層34。在本例子中，第一層間絕緣層34是一個多層結(jié)構(gòu)，它能夠在形成存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)之前把字線、套圈塞和位線絕緣開來。優(yōu)選的，第一層間絕緣層34的制作材料選自硅氧化物，包括高密度等離子(HDP)氧化物、硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、中溫氧化物(MTO)、高溫氧化物(HTO)和四乙基原硅酸鹽(TEOS)氧化物。生長好第一層間絕緣層34之后，進行CMP處理，提高表面平整度，或者進行熱處理，使該絕緣層變的致密。在本例子中，熱處理溫度范圍是400℃～800℃，在氮氣、氧氣、氬氣、氦氣、氖氣、氪氣或者臭氧氣氛中進行，熱處理持續(xù)時間為1秒至2小時。
接著，對第一層間絕緣層34進行刻蝕，形成存儲節(jié)點接觸孔35，露出雜質(zhì)結(jié)面區(qū)33的預(yù)定部分。然后在上述器件表面(包括第一層間絕緣層34和存儲節(jié)點接觸孔35)上依次生長鈦層36和第一氮化鈦(TiN)層37，形成勢壘金屬層。在本例子中，鈦層36的厚度大約是1nm至50nm，第一氮化鈦層37的厚度大約是5nm至100nm。鈦層36和第一氮化鈦37層使用物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和原子沉積(ALD)技術(shù)中的其一生長。
接著進行RTA處理，在雜質(zhì)結(jié)面區(qū)38和鈦層36之間形成硅化鈦層(TiSix)38。在本例子中，硅化鈦層38用于形成歐姆接觸。優(yōu)選的，形成硅化鈦層38的RTA處理溫度范圍為600℃～1000℃，在氮氣、氨氣(NH3)、氬氣、氦氣、氖氣或氪氣氣氛中進行，熱處理持續(xù)時間為1秒至10分鐘。硅化鈦層38的另一種形成方法是在擴散爐中進行熱處理。在本例子中，熱處理持續(xù)時間為10分鐘至60分鐘。
形成硅化物層歐姆接觸，除了使用由第一氮化鈦層37和鈦層36構(gòu)成的勢壘金屬層疊結(jié)構(gòu)，還可以使用其他層疊結(jié)構(gòu)，比如氮化鉭(TaN)層加上鉭(Ta)層、氮化鈦鋁(TiAlN)層加上鈦層、氮化鉭硅(TaSiN)層加上鉭層、氮化鈦硅(TiSiN)層加上鉭層、氮化鉭鋁(TaAlN)層加上鉭層、氮化鈦釕(RuTiN)層加上鈦層以及氮化釕鉭(RuTaN)層加上鉭層。
形成硅化鈦層38后，在上面生長第二氮化鈦層39，在第一氮化鈦層37上形成另一勢壘金屬層。在第二氮化鈦層39上生長鎢(W)層40，直到把存儲節(jié)點接觸孔35填充滿為止。在本例子中，第二氮化鈦層39用于阻止鎢層40的鎢和雜質(zhì)結(jié)面區(qū)33中的硅之間的相互擴散。優(yōu)選的，第二氮化鈦層39的厚度是5nm至100nm。鎢層40的厚度取決于塞子的尺寸。當(dāng)塞子的直徑約0.3微米時，鎢層40的厚度取300nm比較合適。
參照圖4B，鎢層40，第一氮化鈦層37和第二氮化鈦層39用于回蝕工藝，以在存儲節(jié)點接觸孔35中刻蝕出具有特定深度的凹槽。也就是說，經(jīng)過回蝕工藝后，在存儲節(jié)點接觸孔35中形成具有特定深度的鎢塞40A。在本例子中，其特定深度范圍優(yōu)選的是50nm至300nm。
然后，在上述結(jié)構(gòu)(包括鎢塞40A和第一層間絕緣層34)上生長第三氮化鈦層41，形成另一個勢壘金屬層。在本例子中，第三氮化鈦層41的厚度由特定深度來決定。優(yōu)選的，當(dāng)特定深度為大約100nm時，考慮到工藝富余的話，第三氮化鈦層41的生長厚度應(yīng)該超過150nm。
生長完第三氮化鈦層41后，進行CMP，直到露出第一層間絕緣層34的表面。經(jīng)過CMP后，在第三氮化鈦層41中，只有存儲節(jié)點接觸孔35內(nèi)鎢塞40A上方的那部分還保留著。
最后，存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)將包括鎢塞40A以及三重勢壘金屬層(包括第一氮化鈦層37，第二氮化鈦層39和第三氮化鈦層41)。存儲節(jié)點接觸孔35中的鎢塞40A上使用的最后一層勢壘金屬層材料除了可以使用氮化鈦材料外，也可以使用其他材料，比如氮化鉭、氮化鈦鋁、氮化鈦硅、氮化鉭硅、氮化鈦釕、氮化鉭鋁、氮化釕鉭、氮化鉻鈦(CrTiN)或者氮化鉻鉭(CrTaN)。
參照圖4C，在上述拋光后的結(jié)構(gòu)(包括第一層間絕緣層34和第三氮化鈦層41)上生長粘附層42。在本例子中，粘附層42是氧化鋁(Al2O3)材料，其厚度大約是1nm至50nm。把粘附層42的生長厚度控制在一個比較薄的范圍內(nèi)，是希望通過熱處理的方法就可以去除該粘附層42，而不需要刻蝕。也就是說，使用上述厚度只保證具有一定的粘附性。此外，粘附層42的材料可以是氧化鈦(TiO2)，也可以是氧化鉭(TaO2)。
然后，進行RTA處理，鎢塞40A上方的粘附層42的預(yù)定部分就被撕裂。在本例子中，RTA的處理溫度范圍是400℃～1000℃，在氮氣或者氬氣氣氛中進行。這種處理氣氛避免了鎢塞40A被氧化。粘附層42的被撕裂的預(yù)定部分在圖4C中標(biāo)為43。
粘附層中只有鎢塞40A上方的特定區(qū)域43那部分被撕裂，這是因為鎢的熱膨脹系數(shù)大約比第一層間絕緣層34材料(氧化硅)的熱膨脹系數(shù)大10倍。
具體來說，鎢的熱膨脹系數(shù)是4×10-6K-1，而氧化硅的熱膨脹系數(shù)是0.5×10-6K-1。因此，在熱處理過程中，鎢塞40A發(fā)生膨脹，對第三氮化鈦層41和粘附層42產(chǎn)生張力。這種張力的結(jié)果是導(dǎo)致粘附層42中的預(yù)定部分43被撕裂。同時，第一層間絕緣層34在RTA工藝中也膨脹。然后，它的膨脹系數(shù)比鎢塞40A小的多，第一層間絕緣層34上方的粘附層42的其它部分沒有發(fā)生撕裂現(xiàn)象。作為參考，粘附層42所使用的材料氧化鋁的膨脹系數(shù)是6.5×10-6K-1，第三氮化鈦層41的膨脹系數(shù)是9.3×10-6K-1。
參照圖4D，使用化學(xué)清洗一號液SC-1進行清洗，時間1分鐘至60分鐘，清洗液的配方是氨水(NH4OH)、雙氧水(H2O2)和水(H2O)，配比大約為1∶4∶20。除了使用一號液外，還可以使用硫酸雙氧水清洗液(SPM)，它是硫酸和雙氧水的混合物。在本例子中，一號液對第三氮化鈦層41、粘附層42、以及第一層間絕緣層34的刻蝕速率分別大約是2nm/min，0.5nm/min，0.5nm/min。特別的，對粘附層42的撕裂部分43的刻蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其他部分要高。
因此，一號清洗液對第一層間絕緣層34部分的刻蝕作用不大，但容易把氮化鈦(TiN)層刻蝕掉，所以，就有可能利用這個特點有選擇地把粘附層42中的撕裂部分43和第三氮化鈦層41刻蝕掉。
清洗工藝完成后，后續(xù)下電極和鎢塞40A之間的結(jié)面區(qū)，比如第三氮化鈦層41的表面就會露出。在本例子中，露出來的區(qū)域在圖4D標(biāo)記為44。在本例子中，露出的區(qū)域44被一號清洗液刻蝕掉一部分，并向下收縮。也就是說，一號清洗液穿透撕裂部分43，從而部分刻蝕第三氮化鈦層41。
參照圖4E，在上述刻蝕過的粘附層42上，利用PVD技術(shù)、CVD技術(shù)或者ALD技術(shù)，依次生長銥層45，氧化銥層46和鉑層47。在本例子中，銥層45的厚度大約是10nm至200nm。氧化銥層46的厚度大約是1nm至50nm。鉑層47的厚度大約是10nm至200nm。特別的，銥層45具備防止氧在垂直方向上的擴散的功能。除了銥層45具有此功能外，其他材料也具備此功能，比如，氮化鈦釕(RuTiN)，氮化鉻鈦(CrTiN)，或者氮化鉻鉭(CrTaN)，氮化釕鉭(RuTaN)。
接著，對鉑層47、氧化銥層46、銥層45以及粘附層42依次進行刻蝕，形成下電極。最后，在鎢塞40A上方的暴露區(qū)形成層疊式下電極，包括鉑層47、氧化銥層46和銥層45。粘附層42仍然保留在下電極的銥層45和第一層間絕緣層34之間。在本例子中，氧化銥層46和銥層45構(gòu)成氧化阻擋層，防止鎢塞40A被氧化。氧化阻擋層還可以是其他材料，比如氮化鈦釕(RuTiN)、氮化鉻鈦(CrTiN)、氮化釕鉭(RuTaN)或者氮化鉻鉭(CrTaN)。
形成下電極后，在整個器件表面上(包括下電極在內(nèi))生長第二層間絕緣層48。然后對第二層間絕緣層48進行拋光，直到露出鉑層47的表面，這樣下電極就由第二層間絕緣層48包圍著。上述拋光工藝，可以使用CMP的方法，也可以使用回蝕的方法。此外，拋光工藝也可以分成兩步，先進行CMP，然后進行回蝕工藝。如果使用兩步拋光工藝的話，當(dāng)?shù)诙娱g絕緣層48在鉑層47上的剩余部分的厚度達(dá)到預(yù)定厚度時，完成第一步CMP。然后，進行回蝕處理，直到露出鉑層47的表面為止。采用兩步拋光的方法，可以保護鉑層47不受損傷，如果只使用CMP的話就可能劃傷鉑層。
第二層間絕緣層48所使用的材料可以是HDP氧化物、BPSD、PSG、MTO、HTO或TEOS氧化物，厚度大約是300nm至3000nm，生長技術(shù)可以是PVD、CVD、ALD或者旋涂(spin-on)技術(shù)。
同時，第二層間絕緣層48可以設(shè)計成兩層結(jié)構(gòu)，以加強熱穩(wěn)定性和氧阻擋功能。首先生長一層氧阻擋層，其材料具有良好的氧阻擋特性，比如氧化鋁(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)或者氮氧化硅(SiON)。接著生長第二層材料，比如HDP氧化層、BPSG、PSG、MTO、HTO或者TEOS氧化層。在本例子中保留氧阻擋層，這樣，在下電極的周圍包圍著一層氧阻擋層，能夠有效防止在后繼熱處理工藝中氧向下電極擴散，同時防止氧向下電極以下區(qū)域擴散。
可以對器件進行熱處理，以改善第二層間絕緣層48的表面平整性，并固化該絕緣層，同時除去水氣。在本例子中，熱處理的溫度范圍大約為400℃～800℃，在氮氣、氧氣、氦氣、氪氣或者臭氧氣氛中進行，熱處理持續(xù)時間約為1秒至2小時。
參照圖4F，在第二層間絕緣層48和露出的鉑層47上生長鐵電層49。在本例子中，鐵電層49的生長厚度大約是5nm至200nm，生長技術(shù)可以是CVD、ALD、金屬有機物沉積(MOD)技術(shù)或者旋涂技術(shù)。鐵電層49的材料可以選自下列一組材料中的其中一種，比如鍶鉍鉭(SBT)，鉛鋯鈦(PZT)，鉍鑭鈦(BLT)，也可以選自下列一組材料中的一種，比如在SBT、PZT、BLT以及鍶鉍鉭鈮(SBTN)中摻入雜質(zhì)，或者把它們按照一定比例混合。
在鐵電層上生長上電極50。在本例子中，上電極50可以是單層結(jié)構(gòu)，其材料可以是鉑、銥、釕、氧化銥、氧化釕(RuO2)，或者層疊結(jié)構(gòu)，比如Pt/IrO2，Pt/IrO2/Ir，IrO2/Ir，RuO2/Ru或者Pt/RuO2。
上電極50生長完之后，進行RTA處理，使鐵電層49晶化。
參照圖4G，對上電極50和鐵電層49同時進行刻蝕，或者先刻蝕上電極50，有選擇地刻蝕鐵電層49中的一部分。刻蝕工藝完成后，進行恢復(fù)熱處理，以恢復(fù)上述刻蝕工藝對鐵電層49造成的損傷。
依照本發(fā)明第一較佳實施例，生長在鎢塞40A上方的粘附層42不需要使用附加光刻和刻蝕工藝去除，就能在粘附層的預(yù)定部分開設(shè)一個口，從而保證了有足夠的處理空間。結(jié)果，下電極和粘附層42之間的粘附面積變大，從而減小了熱處理工藝中的氧擴散。相應(yīng)地，就有可能避免第三氮化鈦層41因氧的擴散而被氧化。
圖5是本發(fā)明第一較佳實施例中的鐵電層經(jīng)過恢復(fù)熱處理后的照片。在圖5中，第三氮化鈦層的厚度大約為100nm。粘附層(氧化鋁材料)的厚度大約是1nm。銥層、氧化銥層、鉑層、鐵電層(BLT材料)以及上電極(Pt材料)的厚度分別是100nm、10nm、100nm、100nm和150nm。
如圖所示，下電極和鎢塞通過撕裂的預(yù)定部分電連接，在粘附層上獲得該撕裂部分是利用熱膨脹系數(shù)的差別，而無需使用附加的光刻和刻蝕工藝。在圖中也可以看出，第三氮化鈦層并沒有被氧化，這是因為在本例子中把下電極和第一層間絕緣層之間的粘附層最大限度的保護起來，防止了氧在垂直方向上的擴散。
圖6是本發(fā)明第一較佳實施例的接觸電阻測試結(jié)果。圖6中使用的參考標(biāo)記和圖3使用的標(biāo)記含義一樣，在圖中省略了參考標(biāo)記的詳細(xì)描述。
如圖所示，接觸電阻很小，約為1kΩ～10KΩ。存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)和下電極之間的重疊面積越大，接觸電阻越小。
圖7A～7H是本發(fā)明第二較佳實施例的FeRAM的制作方法的截面示意圖。
參照圖7A，在基片71上生長場氧化層72，在基片71上形成雜質(zhì)結(jié)面區(qū)73，比如晶體管的源/漏區(qū)。然后，在基片71上生長第一層間絕緣層74。在本例子中，第一層間絕緣層74具有一個能夠在形成存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)之前把字線、套圈塞、位線絕緣開來的多層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，第一層間絕緣層74的制作材料選自硅氧化物，包括HDP氧化物、BPSG、PSG、MTO、HTO和TEOS氧化物。生長好第一層間絕緣層74之后，進行CMP處理，提高表面的平整度，或者進行熱處理，使該絕緣層變的致密。在本例子中，熱處理溫度范圍大約是400℃至800℃，在氮氣、氧氣、氬氣、氦氣、氖氣、氪氣或者臭氧氣氛中進行，熱處理持續(xù)時間約為1秒至2小時。
接著，對第一層間絕緣層74進行刻蝕，形成存儲節(jié)點接觸孔75，露出雜質(zhì)結(jié)面區(qū)73的預(yù)定部分。然后在器件(包括第一層間絕緣層74和存儲節(jié)點接觸孔75)上依次生長鈦層76和第一氮化鈦(TiN)層77，形成勢壘金屬層。在本例子中，鈦層76的厚度大約是1nm至50nm，而第一氮化鈦層77的厚度大約是5nm至100nm。鈦層76和第一氮化鈦77層使用PVD、CVD或者ALD技術(shù)生長。
接著進行RTA處理，在雜質(zhì)結(jié)面區(qū)73和鈦層76之間形成硅化鈦層78。在本例子中，硅化鈦層78用于形成歐姆接觸。優(yōu)選的，形成硅化鈦層78的RTA處理溫度范圍約為600℃～1000℃，在氮氣、氨氣、氬氣、氦氣、氖氣或者氪氣氣氛中進行，熱處理持續(xù)時間約為1秒至10分鐘。硅化鈦層78的另一種形成方法是在擴散爐中進行熱處理。在本例子中，熱處理持續(xù)時間約為10分鐘至60分鐘。
形成硅化物層歐姆接觸，除了使用由第一氮化鈦層77和鈦層76構(gòu)成的勢壘金屬層疊結(jié)構(gòu)，還可以使用其他層疊結(jié)構(gòu)，比如氮化鉭層加上鉭層、氮化鈦鋁層加上鈦層、氮化鉭硅層加上鉭層、氮化鈦硅層加上鈦層、氮化鉭鋁層加上鉭層、氮化鈦釕層加上鈦層或者氮化釕鉭層加上鉭層。
形成硅化鈦層78后，在第一氮化鈦層77上生長第二氮化鈦層79，以形成另一勢壘金屬層。在第二氮化鈦層79上生長鎢(W)層80，直到把存儲節(jié)點接觸孔75填充滿為止。在本例子中，第二氮化鈦層79用于阻止鎢層80的鎢和雜質(zhì)結(jié)面區(qū)73中的硅之間的相互擴散。優(yōu)選的，第二氮化鈦層79的厚度是5nm至100nm。鎢層80的厚度取決于塞子的尺寸。當(dāng)塞子的直徑約0.3微米時，鎢層80的厚度取300nm比較合適。
參照圖7B，鎢層80、第一氮化鈦層77和第二氮化鈦層79用于回蝕工藝，以在存儲節(jié)點接觸孔75中刻蝕出具有特定深度的凹槽。也就是說，經(jīng)過回蝕工藝后，在存儲節(jié)點接觸孔75中形成具有特定深度的鎢塞80A。在本例子中，其特定深度范圍約為50nm至300nm。
然后，在上述所得器件(包括鎢塞80A和第一層間絕緣層74)上生長第三氮化鈦層81，形成另一個勢壘金屬層。在本例子中，第三氮化鈦層81的厚度由特定深度來決定。優(yōu)選的，當(dāng)特定深度大約為100nm時，第三氮化鈦層81的生長厚度應(yīng)該超過150nm。
生長完第三氮化鈦層81后，進行CMP處理，直到露出第一層間絕緣層74的表面。經(jīng)過CMP處理后，第三氮化鈦層81只有在存儲節(jié)點接觸孔75內(nèi)鎢塞80A上方的那部分還保留著。
最后，存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)包括鎢塞80A以及三重勢壘金屬層(包括第一氮化鈦層77，第二氮化鈦層79和第三氮化鈦層81)。存儲節(jié)點接觸孔75內(nèi)鎢塞80A上使用的最后一層勢壘金屬層材料除了可以使用氮化鈦材料外，也可以使用其他材料，比如TaN、TiAlN、TiSiN、TaSiN、RuTiN、TaAlN、RuTaN、CrTiN或者CrTaN。
參照圖7C，在上述拋光后的結(jié)構(gòu)(包括第一層間絕緣層74和第三氮化鈦層81)上生長粘附層82。在本例子中，粘附層82采用的是氧化鋁(Al2O3)材料，其厚度為1nm至50nm。把粘附層82的生長厚度控制在一個比較薄的范圍內(nèi)，是希望通過熱處理的方法就可以去除該粘附層82，而不需要刻蝕。也就是說，使用上述厚度只保證具有一定的粘附性。當(dāng)然，粘附層82的材料可以是TiO2，也可以是TaO2。
然后，進行RTA處理，位于鎢塞80A和第三氮化鈦層81上方的粘附層82中的預(yù)定部分83將被撕裂。在本例子中，RTA的處理溫度范圍是400℃～1000℃，在氮氣或者氬氣氣氛中進行。這種處理氣氛避免了鎢塞80A被氧化。粘附層82中被撕裂的預(yù)定部分83在圖7C中標(biāo)為83。
粘附層中只有特定部分83(也就是鎢塞80A和第三氮化鈦層81上方的那部分)被撕裂，這是因為鎢的熱膨脹系數(shù)大約比第一層間絕緣層74材料(氧化硅SiOx)的膨脹系數(shù)大10倍。
具體來說，鎢的熱膨脹系數(shù)是4×10-6K-1，而氧化硅的熱膨脹系數(shù)是0.5×10-6K-1。因此，在熱處理過程中，鎢塞80A發(fā)生膨脹，對第三氮化鈦層81和粘附層82產(chǎn)生張力。這種張力的結(jié)果導(dǎo)致粘附層82中的特定部分83被撕裂。同時，第一層間絕緣層74在RTA工藝中也膨脹。然而，由于它的膨脹系數(shù)比鎢塞80A小的多，第一層間絕緣層74上方的粘附層82的其它部分沒有發(fā)生撕裂現(xiàn)象。作為參考，粘附層82所使用的材料氧化鋁的膨脹系數(shù)是6.5×10-6K-1，第三氮化鈦層81的膨脹系數(shù)是9.3×10-6K-1。
參照圖7D，使用化學(xué)清洗一號液SC-1進行清洗，時間約為1分鐘至60分鐘，清洗液的配方是氨水(NH4OH)、雙氧水(H2O2)和水(H2O)，配比大約為1∶4∶20。除了使用一號液外，還可以使用硫酸雙氧水清洗液(SPM)，它是硫酸和雙氧水的混合物。在本例子中，一號液對第三氮化鈦層81、粘附層82以及第一層間絕緣層74的刻蝕速率分別大約是2nm/min，0.5nm/min，0.5nm/min。特別的，對粘附層撕裂部分83的刻蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比粘附層其他未被撕裂部分82要高。
因此，一號清洗液對第一層間絕緣層74部分的刻蝕作用不大，但容易把氮化鈦(TiN)層刻蝕掉，所以，就有可能利用這個特點有選擇地把粘附層82中的撕裂部分83和第三氮化鈦層81刻蝕掉。
清洗工藝完成后，下電極和鎢塞80A之間的結(jié)面區(qū)，比如第三氮化鈦層81的表面就會露出。在本例子中，露出來的部分在圖7D中標(biāo)記為84。在本例子中，露出的部分84被一號清洗液刻蝕掉一部分，并向下收縮。也就是說，一號清洗液穿透被撕裂的預(yù)定部分83，從而部分刻蝕第三氮化鈦層81。
參照圖7E，在上述刻蝕過的粘附層82上生長銥層85。然后，對銥層85和粘附層82進行刻蝕，形成下電極的第一層(包括粘附層82)。在本例子中，銥層85的厚度大約是10nm至200nm，生長技術(shù)是PVD，CVD，或者ALD。特別的，當(dāng)銥層85的厚度超過100nm，它能夠防止氧在垂直方向上的擴散。除了銥具有此功能外，其他材料也具備此功能，比如，RuTiN、CrTiN、CrTaN以及RuTaN。同時，粘附層82完全保留在下電極的銥層85和第一層間絕緣層74之間。
參照圖7F，在第一層間絕緣層74和銥層85上生長第二層間絕緣層86。然后對第二層間絕緣層86進行拋光，直到露出銥層85的表面。經(jīng)過拋光處理，下電極的第一層，也就是銥層85，就由第二層間絕緣層86包圍著。上述拋光工藝，可以使用CMP的方法，也可以使用回蝕的方法。當(dāng)然，拋光工藝也可以分成兩步，先進行CMP，然后進行回蝕工藝。如果使用兩步拋光工藝的話，當(dāng)?shù)诙娱g絕緣層86在銥層85上的剩余部分的厚度達(dá)到特定厚度時，完成第一步CMP。然后使用回蝕處理，直到露出銥層85的表面為止。采用兩步拋光的方法，可以保護銥層85免受損傷，如果只使用CMP的話就可能劃傷銥層。
在本例子中，第二層間絕緣層86所使用的材料可以是HDP氧化物、BPSD、PSG、MTO、HTO或TEOS氧化物，厚度大約是300nm至3000nm，生長技術(shù)可以是PVD，CVD，ALD或者旋涂技術(shù)。
同時，第二層間絕緣層88可以設(shè)計成兩層結(jié)構(gòu)，以加強熱穩(wěn)定性和氧阻擋功能。首先生長一層氧阻擋層，其材料具有良好的氧阻擋特性，比如Al2O3、Si3N4、SiON。接著生長第二層材料，比如HDP氧化層、BPSG、PSG、MTO、HTO或者TEOS氧化層。在本例子中保留氧阻擋層，這樣，在下電極銥層85的周圍包圍著一層氧阻擋層，能夠有效防止在后繼熱處理工藝中氧向銥層85擴散，同時防止氧向銥層85以下區(qū)域擴散。
可以對器件進行熱退火處理，以改善第二層間絕緣層86的表面平整性，并固化該絕緣層，同時除去水氣。在本例子中，熱處理的溫度范圍大約為400℃～800℃，在氮氣、氧氣、氦氣、氪氣或者臭氧氣氛中進行，熱處理持續(xù)時間約為1秒至2小時。
接著，在上述拋光后的第二層間絕緣層86和銥層85上，利用PVD技術(shù)、CVD技術(shù)或者ALD技術(shù)，依次生長氧化銥層87和鉑層88。在本例子中，氧化銥層87的厚度大約是1nm至50nm。鉑層88的厚度大約是10nm至200nm。然后，在鉑層88上生長鐵電層89。在本例子中，鐵電層89的生長厚度大約是5nm至200nm，生長技術(shù)是CVD技術(shù)、ALD技術(shù)、MOD技術(shù)、溶膠-凝膠技術(shù)或者旋涂技術(shù)。鐵電層89的材料可以選自下列一組材料中的其中一種，比如SBT、PZT、BLT，也可以選自下列一組材料中的一種，比如在SBT、PZT、BLT以及SBTN中摻入雜質(zhì)，或者把它們按照一定比例混合。
然后，對鐵電層89進行晶化熱處理，除去雜質(zhì)。如果鐵電層89采用BLT材料，生長完鐵電層89后，先進行第一步RTA處理，去除產(chǎn)生的有機雜質(zhì)，接著依次進行第二步RTA處理和高爐退火處理，第二步RTA處理有助于形成BLT晶核，這些BLT晶核在高爐退火處理中長大。
例如，在150℃～250℃溫度范圍內(nèi)烘烤能夠有效去除有機雜質(zhì)，接著進行的約475℃RTA處理(氧氣氣氛、約60秒)能進一步有效去除有機雜質(zhì)。其后進行的第二步約600℃RTA處理(氧氣氣氛、約120秒)有助于BLT生長。高爐退火工藝在擴散爐中進行，650℃，氧氣氣氛，時間大約60分鐘，最大限度的促使BLT晶化。
如上所述，在鐵電層89的晶化熱處理以及去除有機雜質(zhì)工藝中，鐵電層89下面的鉑層88覆蓋了整個下電極結(jié)構(gòu)，從而能夠有效地保證了鐵電材料的特性不受影響。
參照圖7G，同時對鐵電層89，鉑層88以及銥層87進行刻蝕，構(gòu)成階梯狀結(jié)構(gòu)，形成鐵電層89和下電極的第二層。在本例子中，下電極的第二層包括鉑層88和氧化銥層87。
然后在上述所得器件的整個表面上生長第三層間絕緣層90。對第三層間絕緣層90進行拋光，直到露出鐵電層89的表面。在拋光工藝中，保留第三層間絕緣層90的一部分，這樣下電極的第二層和鐵電層89的周圍始終有絕緣層包圍著。
在本例子中，拋光工藝可以使用CMP或者回蝕工藝。也可以分成兩步，先進行CMP處理，然后使用回蝕工藝。如果使用兩步拋光工藝的話，當(dāng)?shù)谌龑娱g絕緣層90在鐵電層89上的剩余部分的厚度達(dá)到特定厚度時，完成第一步CMP。然后，進行回蝕處理，直到露出鐵電層89的表面為止。采用兩步拋光的方法，可以保護鐵電層89免受損傷，如果只使用CMP的話就可能劃傷鐵電層89。
在本例子中，第三層間絕緣層90所使用的材料可以是HDP氧化物BPSD、PSG、MTO、HTO或TEOS氧化物，厚度大約是300nm至3000nm，生長技術(shù)可以是PVD、CVD、ALD或者旋涂技術(shù)。
同時，第三層間絕緣層90可以設(shè)計成兩層結(jié)構(gòu)，以加強熱穩(wěn)定性和氧阻擋功能。首先生長一層氧阻擋層，其材料具有良好的氧阻擋特性，比如Al2O3、Si3N4、SiON。接著生長第二層材料，比如HDP氧化層、BPSG、PSG、MTO、HTO或者TEOS氧化層。在本例子中保留氧阻擋層，這樣，在下電極周圍包圍著一層氧阻擋層，能夠有效防止在后繼熱處理工藝中氧向下電極擴散，同時防止氧向下電極以下區(qū)域擴散。
可以對器件進行熱退火處理，以改善第三層間絕緣層90的表面平整性，并固化該絕緣層，同時除去水氣。在本例子中，熱處理的溫度范圍大約為400℃～800℃，在氮氣、氧氣、氦氣、氪氣或者臭氧氣氛中進行，熱處理持續(xù)時間約為1秒至2小時。
參照圖7H，在露出的鐵電層89和第三層間絕緣層90上生長上電極91。在本例子中，上電極91可以是單層結(jié)構(gòu)，其材料可以是Pt、Ir、Ru、IrO2，RuO2，或者層疊結(jié)構(gòu)，比如Pt/IrO2、Pt/IrO2/Ir、IrO2/Ir、RuO2/Ru、Pt/RuO2/Ru或者Pt/RuO2。之后，把上電極91刻成條型。
其間，在上電極91生長之前或之后，可以對鐵電層89進行熱退火處理。因為在鐵電層89之下有鉑層88保護，所有即使經(jīng)過熱處理，鐵電層89依然能夠保持鐵電特性不變。
依照本發(fā)明第二較佳實施例，位于鎢塞80A之上的粘附層82中的預(yù)定部分83，可以在不使用光刻和刻蝕工藝的前提下除去。因此，就有可能保證有足夠的富余空間，從而下電極和粘附層82之間的粘附面積得到提高。粘附面積增大后，可以把熱處理過程中的氧擴散降低到最小。從而，可以避免第三氮化鈦層81因氧擴散而被氧化。
同時，在鐵電層89的晶化熱處理以及去除有機雜質(zhì)工藝中，鐵電層89下面有鉑層88保護，保證了鐵電層89的鐵電特性不受影響。
另外，和第一較佳實施例一樣，本例子的接觸電阻同樣很小。
圖8A～8F是本發(fā)明第三較佳實施例的FeRAM的制作方法的截面示意圖。
參照圖8A，在基片101上生長場氧化層102，在基片101上形成雜質(zhì)結(jié)面區(qū)103，比如晶體管的源/漏區(qū)。然后，在基片101上生長第一層間絕緣層104。在本例子中，第一層間絕緣層104包含一個能夠在形成存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)之前把字線、套圈塞、和位線絕緣開來的多層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，第一層間絕緣層104的制作材料選自硅氧化物，包括HDP氧化物、BPSG、PSG、MTO、HTO和TEOS氧化物。生長好第一層間絕緣層104之后，進行CMP處理，提高表面的平整度，或者進行熱處理，使該絕緣層變的致密。在本例子中，熱處理溫度范圍大約是400℃至800℃，在氮氣、氧氣、氬氣、氦氣、氖氣、氪氣或者臭氧氣氛中進行，熱處理持續(xù)時間約為1秒至2小時。
接著，對第一層間絕緣層104進行刻蝕，形成存儲節(jié)點接觸孔105，露出雜質(zhì)結(jié)面區(qū)103的一部分。然后在器件表面(包括第一層間絕緣層104和存儲節(jié)點接觸孔105)上生長多晶硅層。該多晶硅層用于在回蝕工藝中形成多晶硅塞106，該多晶硅塞部分填充存儲節(jié)點接觸孔105。在本例子中，多晶硅的凹陷深度大約是50nm至300nm。
在第一層間絕緣層104和多晶硅塞106上生長一層鈦層，厚度大約是1nm至50nm，在圖中沒有標(biāo)出。在本例子中，生長鈦層可以使用PVD、CVD或者ALD技術(shù)。
接著進行RTA處理，在多晶硅塞106上形成硅化鈦層107，用于歐姆接觸。在本例子中，RTA溫度范圍大約為600℃至1000℃，在氮氣、氨氣、氬氣、氦氣、氖氣或氪氣氣氛中進行，熱處理持續(xù)時間約為1秒至10分鐘。硅化鈦層107的另一種形成方法是在擴散爐中進行熱處理，熱處理持續(xù)時間大約為10分鐘至60分鐘。
然后，使用濕法刻蝕的方法，除去未反應(yīng)的或者剩余的鈦層，接著在硅化鈦層107和第一層間絕緣層104上生長氮化鈦層108，直到氮化鈦層108完全填充滿存儲節(jié)點接觸孔105為止。在本例子中，氮化鈦層108的厚度取決于多晶硅層的凹陷深度。如果凹陷深度大約是100nm，考慮到工藝富余的話，氮化鈦層108的生長厚度應(yīng)該超過150nm。
然后，形成掩埋式氮化鈦結(jié)構(gòu)。比如，對氮化鈦層108進行CMP處理，直到露出第一層間絕緣層104的表面。CMP處理之后，在氮化鈦層108中，只有存儲節(jié)點接觸孔105內(nèi)多晶硅塞106上方的那部分還保留著。換句話說，氮化鈦層108具有掩埋式結(jié)構(gòu)。最后，存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)具有層疊式結(jié)構(gòu)，包括多晶硅塞106、硅化鈦層107和氮化鈦層108。
勢壘金屬層材料除了可以使用氮化鈦層108外，也可以使用其他材料，比如TiN/Ti、TaN、TiAlN、TiSiN、TaSiN、TaSiN、RuTiN、TaAlN、RuTaN、CrTiN或者CrTaN。當(dāng)然，Ta也可以用于形成硅化物層歐姆接觸，和硅化鈦107類似。因此，可以使用如下層疊結(jié)構(gòu)，比如TaN/Ta、TiAlN/Ti、TaSiN/Ta、TiSiN/Ti、TaAlN/Ta、RuTiN/Ti或者RuTaN/Ta。
參照圖8B，在上述拋光后的結(jié)構(gòu)(包括第一層間絕緣層104和第一氮化鈦層108)上生長粘附層109，生長技術(shù)是PVD、CVD或者ALD。在本例子中，粘附層109是Al2O3材料，其厚度大約是1nm至50nm。把粘附層109的生長厚度控制在一個比較薄的范圍內(nèi)，是希望通過熱處理的方法就可以去除該粘附層109，而不需要刻蝕。也就是說，上述厚度只保證具備一定的粘附性。當(dāng)然，粘附層109的材料可以是TiO2，也可以是TaO2。
然后，進行RTA處理，位于多晶硅塞106上方的粘附層109中的預(yù)定部分110將被撕裂。在本例子中，RTA的處理溫度范圍是大約400℃～1000℃，在氮氣或者氬氣氣氛中進行。這種處理氣氛避免了多晶硅塞106被氧化。
粘附層中只有特定區(qū)域110(也就是多晶硅塞106和氮化鈦層108上方的那部分)被撕裂，這是因為多晶硅的熱膨脹系數(shù)大約比第一層間絕緣層104(氧化硅SiOx材料)的膨脹系數(shù)大7倍。
具體來說，多晶硅的熱膨脹系數(shù)大約是3.5×10-6K-1，而氧化硅的熱膨脹系數(shù)大約是0.5×10-6K-1。因此，在熱處理過程中，多晶硅塞106發(fā)生膨脹，對氮化鈦層108和粘附層109產(chǎn)生張力。這種張力的結(jié)果導(dǎo)致粘附層109中的預(yù)定部分110被撕裂。同時，第一層間絕緣層104在RTA工藝中也膨脹。然而，它的膨脹系數(shù)比多晶硅塞106小的多，因此第一層間絕緣層104上方的那部分粘附層109沒有發(fā)生撕裂現(xiàn)象。作為參考，粘附層109所使用的材料氧化鋁的膨脹系數(shù)是6.5×10-6K-1，氮化鈦層108的膨脹系數(shù)是9.3×10-6K-1。
參照圖8C，使用化學(xué)清洗一號液SC-1進行清洗，時間約為1分鐘至60分鐘，清洗液的配方是NH4OH、H2O2和H2O，配比大約為1∶4∶20。除了使用一號液外，還可以使用硫酸雙氧水清洗液(SPM)，它是硫酸和雙氧水的混合物。在本例子中，一號液對氮化鈦層108、粘附層109以及第一層間絕緣層104的刻蝕速率分別大約是2nm/min、0.5nm/min以及0.5nm/min。特別的，對粘附層撕裂的預(yù)定部分110的刻蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比粘附層109其他未被撕裂的部分高。
因此，一號清洗液對第一層間絕緣層104部分的刻蝕作用不大，但容易把氮化鈦(TiN)層108刻蝕掉，所以，就有可能利用這個特點有選擇地把粘附層109中的撕裂部分110和氮化鈦層108刻蝕掉。
清洗工藝完成后，下電極和多晶硅塞106之間的結(jié)面區(qū)，舉例來說，氮化鈦層108的上表面就會露出。在本例子中，露出的部分被一號清洗液部分刻蝕，并向下收縮。也就是說，一號清洗液穿透撕裂的預(yù)定部分110，進而部分刻蝕氮化鈦層108。
參照圖8D，在上述粘附層109和多晶硅塞106的露出部分上，利用PVD、CVD或者ALD技術(shù)依次生長銥層111、氧化銥層112和鉑層113。在本例子中，銥層111的厚度大約是10nm至200nm。氧化銥層112的厚度大約是1nm至50nm。鉑層113的厚度大約是10nm至200nm。特別的，銥層111能夠防止氧在垂直方向上的擴散。除了銥層具有此功能外，其他材料也具備此功能，比如，RuTiN、CrTiN、CrTaN或者RuTaN。
接著，依次對鉑層113、氧化銥層112、銥層111以及粘附層109進行刻蝕，形成下電極。最后，在多晶硅塞106的上方開口處形成層疊式下電極，包括鉑層113、氧化銥層112和銥層111。粘附層109保留在下電極的銥層111和第一層間絕緣層104之間。在本例子中，氧化銥層112和銥層111構(gòu)成氧阻擋層，防止多晶硅塞106被氧化。氧阻擋材料可以是RuTiN、CrTiN、RuTaN或者CrTaN。
形成下電極后，粘附層109的剩余部分中有大面積和下電極相接觸。另外，因為粘附層109的剩余部分完全填充了下電極和第一層間絕緣層104之間的空間，下電極和第一層間絕緣層104之間被隔開。
形成下電極之后，在上述整個器件表面(包括下電極)上生長第二層間絕緣層114。然后對第二層間絕緣層114進行拋光，直到露出鉑層113的表面，這樣第二層間絕緣層包圍在下電極的周圍。上述拋光工藝，可以使用CMP的方法，也可以使用回蝕的方法。當(dāng)然，拋光工藝也可以分成兩步，先進行CMP，然后進行回蝕工藝。如果使用兩步拋光工藝的話，當(dāng)?shù)诙娱g絕緣層114在鉑層113上的剩余部分的厚度達(dá)到特定厚度時，完成第一步CMP。然后使用回蝕處理，直到露出鉑層113的表面為止。采用兩步拋光的方法，可以保護鉑層113免受損傷，如果只使用CMP的話就可能劃傷鉑層。
在本例子中，第二層間絕緣層114所使用的材料可以是HDP氧化物、BPSD、PSG、MTO、HTO或TEOS氧化物，厚度大約是300nm至3000nm，生長技術(shù)可以是PVD、CVD、ALD或者旋涂技術(shù)。
同時，第二層間絕緣層114可以設(shè)計成兩層結(jié)構(gòu)，以加強熱穩(wěn)定性和氧阻擋功能。首先生長一層氧阻擋層，其材料具有良好的氧阻擋特性，比如Al2O3，Si3N4，SiON。接著生長第二層材料，比如HDP氧化層、BPSG、PSG、MTO、HTO或者TEOS氧化層。在本例子中保留氧阻擋層，這樣，在下電極的周圍包圍著一層氧阻擋層，能夠有效防止在后繼熱處理工藝中氧向下電極擴散，同時防止氧向下電極以下區(qū)域擴散。
可以對器件進行熱退火處理，以改善第二層間絕緣層114的表面平整性，并固化該絕緣層，同時除去水氣。在本例子中，熱處理的溫度范圍大約為400℃～800℃，在氮氣、氧氣、氦氣、氪氣或者臭氧氣氛中進行，熱處理持續(xù)時間約為1秒至2小時。
參照圖8E，在第二層間絕緣層114和露出的鉑層113上生長鐵電層115。在本例子中，鐵電層115的生長厚度大約是5nm至200nm，使用CVD、ALD、MOD技術(shù)或者旋涂技術(shù)生長。鐵電層115的材料可以選自下列一組材料中的其中一種，比如SBT、PZT、BLT，也可以選自下列一組材料中的一種，比如在SBT、PZT、BLT以及SBTN中摻入雜質(zhì)，或者把它們按照一定比例混合。
在鐵電層115上生長上電極116。在本例子中，上電極116可以是單層結(jié)構(gòu)，其材料可以是Pt、Ir、Ru、IrO2、RuO2或者層疊結(jié)構(gòu)，比如Pt/IrO2、Pt/IrO2/Ir、IrO2/Ir、RuO2/Ru、Pt/RuO2/Ru或者Pt/RuO2。
形成上電極116之后，對鐵電層115進行高溫晶化處理。
參照圖8F，同時刻蝕上電極116和鐵電層115，或者先刻蝕上電極116，有選擇的刻蝕一部分鐵電層115?？涛g完成之后，進行恢復(fù)熱處理，恢復(fù)鐵電層115在上述刻蝕工藝中受到的損傷。
依照本發(fā)明第三較佳實施例，位于多晶硅塞106之上的粘附層109，可以在不使用掩膜刻蝕工藝的前提下除去，形成粘附層109的預(yù)定部分109，從而保證了足夠的富余空間。由此，下電極和粘附層109之間的粘附面積得到提高。粘附面積增大后，可以把熱處理過程中的氧擴散降低到最小。從而，可以避免氮化鈦層108因氧擴散而被氧化。
另外，和第一較佳實施例一樣，本例子的接觸電阻同樣很小。
圖9是本發(fā)明第四較佳實施例的FeRAM的制作方法的截面示意圖。值得注意的是本較佳實施例是組合使用上述較佳實施例而成。在形成下電極之前，其工藝步驟和第三較佳實施例的工藝步驟一樣。對于鐵電體電容的制作方法，包括下電極、鐵電層、上電極，其工藝步驟和第二較佳實施例一樣。
具體來說，在基片121上生長場氧化層122，在基片121上形成雜質(zhì)結(jié)面區(qū)123，比如晶體管的源/漏區(qū)。然后，在基片121上生長帶有多層結(jié)構(gòu)的第一層間絕緣層124。接著，對第一層間絕緣層124進行刻蝕，形成存儲節(jié)點接觸孔125，然后在該存儲節(jié)點接觸孔中掩埋存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)(包括多晶硅塞126，硅化鈦層127和氮化鈦層128)。然后在上述所得的結(jié)構(gòu)上生長粘附層129，接著進行RTA處理，位于多晶硅塞126上方的那部分粘附層129的預(yù)定部分將被撕裂。然后使用化學(xué)清洗一號液SC-1或者SPM清洗液進行清洗，去除上述被粘附層129的被撕裂的預(yù)定部分。
在粘附層129的露出部分上生長銥層131，接著刻蝕銥層131和粘附層129。生長第二層間絕緣層134A之后，進行拋光。
在上述經(jīng)過拋光的第二層間絕緣層134A和銥層131上依次生長氧化銥層132、鉑層133和鐵電層135。然后對鐵電層135進行晶化熱處理，同時除去雜質(zhì)。
接著，依次刻蝕鐵電層135、鉑層133和氧化銥層132，然后生長第三層間絕緣層134B，之后拋光。第三層間絕緣層134B的拋光工藝完成后，在鐵電層135和第三層間絕緣層134B上面生長上電極136，然后進行刻蝕。
依照本發(fā)明第四較佳實施例，位于多晶硅塞126之上的粘附層129的預(yù)定部分，可以在不使用掩膜刻蝕工藝的前提下除去，從而保證了足夠的富余空間。下電極和粘附層129之間的粘附面積得到提高。粘附面積增大后，可以把熱處理過程中的氧擴散降低到最小。從而，可以避免氮化鈦層128因氧擴散而被氧化。
同時，在鐵電層135的晶化熱處理以及去除有機雜質(zhì)工藝中，鐵電層135下面有鉑層133保護，保證了鐵電層135的鐵電特性不受影響。
另外，和第一較佳實施例一樣，本例子的接觸電阻同樣很小。
根據(jù)本發(fā)明的第一至第四較佳實施例，完全可以制作熱穩(wěn)定性優(yōu)異，電學(xué)特性良好的高密度FeRAM。正因為此，工藝可以更簡單，從而提高質(zhì)量，降低成本，提高該半導(dǎo)體器件的產(chǎn)量。
盡管本發(fā)明是通過較佳實施例描述的，這不應(yīng)該就認(rèn)為它是本發(fā)明的所有內(nèi)容或內(nèi)涵。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，只要閱讀完上面對本發(fā)明的詳細(xì)闡述后，毫無疑問能夠?qū)Ρ景l(fā)明的那些技術(shù)進行各種各樣的替換和修正。因此，可將后附權(quán)利要求解釋成涵蓋在本發(fā)明原始精神與領(lǐng)域下的所有改變與修正。
權(quán)利要求
1.一種鐵電隨機存取存儲器的制作方法，包括如下步驟(a)在一個預(yù)先長有晶體管的基片上生長第一層間絕緣層；(b)刻蝕第一層間絕緣層，形成存儲節(jié)點接觸孔，露出一部分基片；(c)在存儲節(jié)點接觸孔中掩埋存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)，包括塞子和勢壘金屬層；(d)在第一層間絕緣層和存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)上生長粘附層；(e)促使塞子上方的粘附層的特定部分被撕裂；(f)有選擇地刻蝕上述被撕裂部分，露出塞子上方的勢壘金屬層的表面；以及(g)通過勢壘金屬層露出的表面形成一個和塞子相連接的鐵電體電容。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述塞子由導(dǎo)電材料制成，其熱膨脹系數(shù)比第一層間絕緣層大。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一層間絕緣層由硅氧化物系列材料制成，塞子由多晶硅材料或者鎢材料制成。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(e)所述的撕裂由快速熱退火引起。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述快速熱退火處理溫度大約是400℃～1000℃，在氮氣或氬氣氣氛中進行。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(f)包括清洗工藝，時間約為1分鐘至60分鐘，清洗液是SC-1液，其配方是氨水、雙氧水和水，配比大約為1∶4∶20，或者是硫酸雙氧水清洗液(SPM)，其配方是硫酸和雙氧水的混合物。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘附層是Al2O3、TiO2或者TaO2。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘附層的厚度大約是1nm至50nm。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(g)包括如下步驟在露出的勢壘金屬層和粘附層上生長下電極的導(dǎo)電層；刻蝕導(dǎo)電層和粘附層，形成下電極；形成上表面經(jīng)過拋光且包圍著下電極的第二層間絕緣層；在下電極和第二層間絕緣層上生長鐵電層；以及在鐵電層上生長上電極。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟(g)包括如下步驟在露出的勢壘金屬層和粘附層上生長下電極所需要的第一層材料；刻蝕第一層材料和粘附層，形成第一層疊結(jié)構(gòu)；形成上表面經(jīng)過拋光且包圍著第一層疊結(jié)構(gòu)的第二層間絕緣層；在第一層疊結(jié)構(gòu)和第二層間絕緣層上依次形成下電極的第二層和鐵電層，以及；刻蝕鐵電層和第二層，形成第二層疊結(jié)構(gòu)；形成上表面經(jīng)過拋光且包圍著第二層疊結(jié)構(gòu)的第三層間絕緣層；以及在鐵電層上形成上電極。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在形成上電極的步驟之前或者之后進行鐵電層晶化熱處理，同時除去雜質(zhì)。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一層所用的材料選自Ir、RuTiN、CrTaN、CrTiN、RuTaN中的其中一種，所述第二層由Pt層和IrO2層層疊而成。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二層間絕緣層包括兩層，一層是氧阻擋層，其所用的材料選自Al2O3、Si3N4和SiON中的一種，另一層是絕緣層，其所用的材料選自高密度等離子(HDP)氧化物、硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、中溫氧化物(MTO)、高溫氧化物(HTO)和四乙基原硅酸鹽(TEOS)氧化物中的一種，或者是一個單層絕緣層。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二層間絕緣層包括兩層，一層是氧阻擋層，其所用的材料選自Al2O3、Si3N4和SiON中的一種，另一層是絕緣層，其所用的材料選自HDP氧化物、BPSG、PSG、MTO、HTO和TEOS氧化物中的一種，或者是一個單層絕緣層。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第三層間絕緣層包括兩層，一層是氧阻擋層，其所用的材料選自Al2O3、Si3N4和SiON中的一種，另一層是絕緣層，其所用的材料選自HDP氧化物、BPSG、PSG、MTO、HTO和TEOS氧化物中的一種，或者是一個單層絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鐵電隨機存取存儲器的制作方法。該方法包括如下步驟(a)在一個預(yù)先長有晶體管的基片上生長第一層間絕緣層；(b)刻蝕第一層間絕緣層，形成存儲節(jié)點接觸孔，露出一部分基片；(c)在存儲節(jié)點接觸孔中掩埋存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)，包括塞子和勢壘金屬層；(d)在第一層間絕緣層和存儲節(jié)點接觸結(jié)構(gòu)上生長粘附層；(e)促使塞子上方的粘附層的特定部分被撕裂；(f)有選擇地刻蝕上述被撕裂部分，露出塞子上方的勢壘金屬層的表面；以及(g)通過勢壘金屬層露出的表面形成一個和塞子相連接的鐵電體電容。
文檔編號H01L21/82GK1532915SQ20031012083
公開日2004年9月29日 申請日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月30日
發(fā)明者權(quán)純?nèi)? 廉勝振 申請人:海力士半導(dǎo)體有限公司