專利名稱：用于制造半導(dǎo)體存儲器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，更具體地涉及一種半導(dǎo)體存儲器件的制造方法，其中金屬氧化物介電膜被用作電容性絕緣膜。
背景技術(shù)：
在DRAM(動態(tài)隨機(jī)存取存儲器)中，優(yōu)選使用氧化鉭(TaO)或別的金屬氧化物電介質(zhì)作為單元電容器的電容性絕緣膜的材料。下面所述的是形成用于DRAM的單元電容器的常規(guī)方法，其中使用這種電容性絕緣膜。
首先，在其上已經(jīng)形成單元晶體管的基體結(jié)構(gòu)的表面上形成由多晶硅制成的下電極。在此情況下，優(yōu)選在下電極的表面上形成半球形硅顆粒(HSG)(參見日本專利特許-公開號2004-063964)。然后在約650℃以上，在氨氣(NH3)氣氛中，或在等離子激活的氨氣(NH3)氣氛中，通過使該基體結(jié)構(gòu)經(jīng)受快速熱氮化(RTN)，在下電極的表面上形成防氧化的氮化硅膜(Si3N4)(參見日本專利特許-公開號2003-115548)。
接著通過CVD淀積用作電容性絕緣膜的非結(jié)晶氧化鉭(參見日本專利特許公開號2001-036031)。然后進(jìn)行中間退火，以提高非結(jié)晶氧化鉭膜的質(zhì)量，此后執(zhí)行高溫退火，以晶化該非結(jié)晶氧化鉭膜。最后在電容性絕緣膜上形成包括氮化鈦(TiN)的上電極。
除氧化鉭(TaO)之外，公知的用于DRAM的電容性絕緣膜是氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)及其他金屬氧化物電介質(zhì)(參見日本專利特許公開號2002-094015)。近年來這些物質(zhì)特別引人注目，因為與氧化鉭(TaO)相比，它們與用作下電極的多晶硅電極膜的優(yōu)異相容性。
用于DRAM的單元電容器的上述常規(guī)制造具有一個問題頻繁的熱處理激活硅襯底中的重金屬、影響結(jié)點損壞的雜質(zhì)及其他污染物，因此刷新性能不利地受結(jié)泄漏增加影響。為了解決該問題，可以考慮一種方法，在形成其中使用氧化鉭(TaO)作為電容性絕緣膜的單元電容器之后，為了吸氣的目的，增加緩慢冷卻工序。但是，這方案不僅易于導(dǎo)致由于增加的勞動而減小制造效率，而且減小包括氧化鉭(TaO)的電容性絕緣膜的質(zhì)量。
鑒于上述問題，可以集中于這樣的事實在其中使用氧化鉭(TaO)作為電容性絕緣膜的情況下形成非結(jié)晶氧化鉭膜之后，必須執(zhí)行高溫退火，以便晶化該薄膜，并且考慮這樣一種方法通過在高溫退火步驟過程中進(jìn)行緩慢冷卻工序吸收污染物。
但是，當(dāng)氧化鋁(Al2O3)和氧化鉿(HfO2)被用作電容性絕緣膜時，對于該薄膜是氧化鉭(TaO)的情況，不需要高溫退火來晶化該薄膜，形成過程中的加熱溫度不是非常高，大約450℃，該過程直接提前到形成電容性絕緣膜之后的上電極形成步驟。因此，遇到其中在電容性絕緣膜形成之后沒有機(jī)會進(jìn)行緩慢冷卻工序的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體存儲器件的制造方法，充分地減小來自結(jié)點的泄漏和來自電容性絕緣膜的泄漏，以及即使電容性絕緣膜使用金屬氧化物如氧化鋁和氧化鉿，也具有良好的刷新性能。
通過一種半導(dǎo)體存儲器件的制造方法實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，該方法至少包括以下步驟在其上形成了存儲單元的主要部分的基體結(jié)構(gòu)上形成下電極，以預(yù)定溫度熱處理該下電極，在下電極上形成電容性絕緣膜，以及在電容性絕緣膜上形成上電極，其中用于熱處理下電極的步驟包括，在加熱至預(yù)定溫度之后緩慢地冷卻的步驟。
在此使用的術(shù)語“緩慢冷卻”指與加熱之后的正常情況相比更逐漸地降低溫度。更具體地說，在正常環(huán)境下，考慮高溫爐的冷卻能力及其他條件，爐溫優(yōu)選被盡可能迅速地減小，以便通過減少完成一個步驟需要的時間，提高制造效率。但是，在本發(fā)明中，溫度不被盡可能迅速地減小，而是在允許發(fā)生吸氣效應(yīng)的速率下被逐漸地降低。由此下電極被熱處理以及基本上同時被吸氣。
在本發(fā)明中，緩慢冷卻過程中的溫度下降速率優(yōu)選為3℃/分鐘以下。這是由于如果溫度下降速率在該范圍內(nèi)可以獲得優(yōu)異的吸氣效應(yīng)的事實。
在本發(fā)明中，下電極可以是多晶硅，以及可以是金屬或金屬化合物。在下電極是多晶硅的情況下，用于熱處理下電極的步驟優(yōu)選是用于熱氮化多晶硅的步驟。
在本發(fā)明中，用于熱處理下電極的預(yù)定溫度優(yōu)選是600℃以上。由此可以減小下電極的消耗。
在本發(fā)明中，電容性絕緣膜優(yōu)選是包括氧化鋁(Al2O3)的單層膜，或優(yōu)選是包括氧化鋁(Al2O3)和氧化鉿(HfO2)的多層膜。這些物質(zhì)具有高介電常數(shù)和與多晶硅膜的良好兼容性。在包括氧化鋁(Al2O3)的單層膜的特定情況中，薄膜形成較簡單，如果該薄膜是包括氧化鋁(Al2O3)和氧化鉿(HfO2)的多層膜，那么電容性絕緣膜的介電常數(shù)可以被進(jìn)一步增加。
在本發(fā)明中，優(yōu)選使用高溫爐進(jìn)行用于熱處理下電極的步驟，該高溫爐可以同時加熱多個基體結(jié)構(gòu)。由此可以解決由下電極熱處理步驟過程中引入緩慢冷卻工序所引起的降低制造效率(處理量)的問題，以及可以提供一種加熱裝置，該加熱裝置對于長時間熱處理是很合適的。
此外，通過一種半導(dǎo)體存儲器件的制造方法可以實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，該方法設(shè)有用于形成下電極的步驟，用于在下電極上形成電容性絕緣膜的步驟，以及用于在電容性絕緣膜上形成上電極的步驟，其中用于形成電容性絕緣膜的步驟包括第一步驟和第二步驟，第一步驟用于形成第一絕緣膜，第二步驟用于形成包括與第一絕緣膜不同材料的第二絕緣膜，該方法還包括在用于形成下電極的步驟和第二步驟之間加熱至預(yù)定溫度之后，執(zhí)行緩慢冷卻的加熱/緩慢冷卻步驟。
在本發(fā)明中，因為在用于形成下電極的步驟和第二步驟之間增加了加熱至預(yù)定溫度之后的加熱/緩慢冷卻步驟，所以在該步驟中可以獲得吸氣效應(yīng)。此外，由于該加熱/緩慢冷卻步驟在第二步驟之前進(jìn)行，第二步驟中形成的第二絕緣膜可以由氧化鉿或具有高介電常數(shù)的其他材料構(gòu)成，這些材料在較低溫度下晶化，以及其中通常通過晶化增加泄漏。
在此情況下，加熱/緩慢冷卻步驟可以在用于形成下電極的步驟和第一步驟之間進(jìn)行，或可以在第一和第二步驟之間進(jìn)行。前一方法使之可以避免勞動力的增加，因為緩慢冷卻可以在用于氮化多晶硅的步驟中進(jìn)行，該多晶硅是下電極材料。后一種方法使之可以提高第一步驟中形成的第一絕緣膜的質(zhì)量和減少泄漏，因為熱處理是在第一和第二步驟之間進(jìn)行的。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，因為在下電極的熱處理步驟過程中進(jìn)行緩慢冷卻工序，由重復(fù)的熱處理激活的污染物可以被吸收。具體，不需要用于吸氣的分開的獨立的緩慢冷卻工序，并且不發(fā)生電容性絕緣膜的質(zhì)量下降和污染物的擴(kuò)散。這是因為在其形成之后不需要在薄膜的結(jié)晶溫度以上熱處理電容性絕緣膜的步驟。因此，來自結(jié)點的泄漏和來自電容性絕緣膜的泄漏可以被充分地減小，以及可以制造具有優(yōu)異的刷新性能的半導(dǎo)體存儲器件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，即使當(dāng)電容性絕緣膜包括至少兩個絕緣膜時，也可以有效地吸收污染物。


通過結(jié)合附圖參考本發(fā)明的下列詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的上述及其他目的、特點和優(yōu)點變得更明顯，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例形成用于DRAM的單元電容器的工藝流程圖；圖2示意地示出了基體結(jié)構(gòu)的布局的剖面圖；圖3示意地示出通過使用下電極的形成步驟獲得的基體結(jié)構(gòu)布局的剖面圖；圖4示意地示出了通過使用熱氮化步驟獲得的基體結(jié)構(gòu)布局的剖面圖；圖5示意地示出通過使用電容性絕緣膜的形成步驟獲得的基本布局的剖面圖；圖6示意地示出了通過使用上電極的形成步驟獲得的基體結(jié)構(gòu)布局的剖面圖；圖7示出了下電極的熱氮化步驟的細(xì)節(jié)的順序圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例形成用于DRAM的單元電容器的工藝流程圖；圖9示意地示出通過使用第一電容性絕緣膜的形成步驟獲得的基體結(jié)構(gòu)布局的剖面圖；圖10示意地示出通過使用第二電容性絕緣膜的形成步驟獲得的基體結(jié)構(gòu)布局的剖面圖；圖11示意地示出了通過使用上電極的形成步驟獲得的基體結(jié)構(gòu)布局的剖面圖；以及圖12示出了測量DRAM存儲單元保持“1”作為信息的能力(tREF性能)的結(jié)果曲線。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1是半導(dǎo)體存儲器件的制造工序的一部分，且是流程圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例形成用于DRAM的單元電容器的工藝流程圖。圖2至5示意地示出了通過使用圖1所示的步驟獲得的基體結(jié)構(gòu)布局的剖面圖。
在根據(jù)本實施例的單元電容器的形成中，首先制備基體結(jié)構(gòu)200，其上形成了DRAM的存儲單元的主要部分(步驟S101)。如圖2所示，本實施例的存儲單元的主要部分包括p-型硅襯底201、用作布置在p-型硅襯底201的后表面附近的吸氣位置的多晶硅層202、在p-型硅襯底201內(nèi)部形成的STI(淺溝槽隔離)203、作為單元晶體管的源/漏區(qū)的n-型擴(kuò)散區(qū)204、形成在p-型硅襯底201上的柵絕緣膜205、柵電極206，柵電極206是在柵絕緣膜205上形成的字線、用于電連接這些層的接觸栓塞207、層間絕緣膜208以及由鎢或其他高熔點金屬構(gòu)成的位線209。n-型擴(kuò)散區(qū)204、柵絕緣膜205以及柵電極206構(gòu)成單元晶體管。
在用于在這種基體結(jié)構(gòu)200上形成單元電容器的第一步驟中，在基體結(jié)構(gòu)200上形成下電極210(步驟S102)，如圖3所示。為了使電極表面面積盡可能大，連同深單元電容器孔211一起，在基體結(jié)構(gòu)200上形成層間絕緣膜208a，以及在深單元電容器孔211的內(nèi)表面上形成下電極210。
本實施例的單元電容器是MIS(金屬絕緣體硅)電容器，以及使用多晶硅作為下電極210的材料。在該步驟中，通過使用CVD方法淀積多晶硅，形成具有約30nm厚度的多晶硅膜。優(yōu)選在多晶硅膜的表面上形成半球形硅顆粒(HSG)，以便進(jìn)一步增加靜電電容。此外，優(yōu)選用磷或其他n-型雜質(zhì)摻雜該多晶硅。以此方式形成的下電極210通過接觸栓塞207連接到n-型擴(kuò)散區(qū)204。
下一步驟是用于熱氮化多晶硅膜的熱氮化步驟，該多晶硅膜是下電極210，在多晶硅膜的表面上形成薄的、防氧化氮化硅膜(Si3N4)212，如圖4所示(步驟S103)。該步驟通常在通過濕法刻蝕預(yù)先除去多晶硅膜的表面上形成的自然氧化膜之后進(jìn)行。該熱氮化步驟在高溫爐中執(zhí)行，并且通過在600℃以上優(yōu)選地在650℃以上，將該基體結(jié)構(gòu)暴露于氨(NH3)氣環(huán)境約1分鐘，在下電極210的表面形成具有約1nm厚度的氮化硅膜(Si3N4)212。設(shè)置熱氮化需要的溫度為600℃以上的理由是該溫度可以減小下電極210的消耗。
在此情況下，與熱氮化步驟一起進(jìn)行用于吸氣的緩慢冷卻工序。更具體地說，當(dāng)在高溫爐中氮化了基體結(jié)構(gòu)200和此后爐溫被降低時，在與氮化需要的加熱時間(約1分鐘)相比足夠長的時期內(nèi)，爐溫被逐漸降低至預(yù)定溫度。緩慢冷卻過程中加熱爐內(nèi)部可以允許保持氨氣氣氛，或可以是氮氣(N2)氣氛。溫度下降速率優(yōu)選是3℃/分鐘以下，以及更優(yōu)選是1.5至3℃/分鐘。這是因為如果溫度下降速率是在陳述的范圍內(nèi)，那么可以獲得良好的吸氣效應(yīng)。
優(yōu)選使用可以處理大量基體結(jié)構(gòu)作為一組(作為一批)的垂直爐作為高溫爐。在例如熱氮化步驟中采用常規(guī)RTP(快速熱處理)設(shè)備的情況下，即使在晶片處理中，也可以用規(guī)定的時間量順序地處理規(guī)定數(shù)目的基體結(jié)構(gòu)，因為可以在相同的步驟中可以進(jìn)行用鹵素?zé)舻鹊瓤焖偌訜岷屠鋮s。
但是，將緩慢冷卻工序引入熱氮化步驟是不利的，因為如果基體結(jié)構(gòu)被每次一個處理，熱氮化步驟進(jìn)展不是很好。這是因為從始至終熱氮化步驟的單循環(huán)需要長時間。鑒于該情況，本實施例通過使用加熱爐作為加熱裝置，以及通過特別使用可以同時處理大量基體結(jié)構(gòu)的垂直爐解決這種問題。在高溫爐中可以被處理為一批的基體結(jié)構(gòu)的數(shù)目優(yōu)選是幾十個以上更具體地說是25個以上。
在下一步驟中，在其上已經(jīng)形成氮化硅膜(Si3N4)212的下電極210的表面上形成電容性絕緣膜213，如圖5所示(步驟S104)。氧化鋁(Al2O3)和氧化鉿(HfO2)或其他金屬氧化物介電膜用于該電容性絕緣膜。在單層氧化鋁膜形成為電容性絕緣膜的情況下，TMA(Al(CH3)3三甲基鋁)被用作起始材料氣體，以及在約350至450℃的溫度通過ALD(原子層淀積)淀積具有約6nm厚度的Al2O3膜。當(dāng)通過ALD形成該膜時，通過重復(fù)薄膜形成步驟幾十至幾百次實現(xiàn)希望的薄膜厚度，因為在一個周期中可以形成僅僅0.05nm的厚度。
包括氧化鋁(Al2O3)和氧化鉿(HfO2)的多層膜可以形成為電容性絕緣膜213。由此與由氧化鋁(Al2O3)構(gòu)成的單層膜相比可以使該電容性絕緣膜的介電常數(shù)更高。在此情況下，通過使用ALD淀積氧化鋁，此后還通過使用ALD，在氧化鋁的表面上淀積氧化鉿(HfO2)。在此情況下，使用TEMAH(Hf(N(CH3)(C2H5))4四乙基甲基氨鉿(tetraethyl methyl amino hafnium)作為起始材料氣體，以及在約250℃的溫度淀積薄膜。由此形成由Al2O3和HfO2構(gòu)成的多層膜至約6nm的總厚度，其中Al2O3膜和HfO2膜的每個厚度例如是3nm。
當(dāng)使用氧化鉭(TaO)作為金屬氧化物介電膜時，首先形成非晶的氧化鉭膜，該薄膜必須通過約780℃的高溫退火晶化，以提高TaO的介電常數(shù)。但是，當(dāng)使用Al2O3和HfO2時，不需要這種高溫退火。因此，電容性絕緣膜形成之后的步驟不激活存在于結(jié)點附近的重金屬也不激活破壞結(jié)點的雜質(zhì)。
在本實施例中的最后步驟中，在電容性絕緣膜213的表面上形成上電極214，如圖6所示。使用，例如，氮化鈦(TiN)作為上電極214，通過CVD，在500至550℃的溫度淀積氮化鈦(TiN)，此后通過使用光刻和蝕刻構(gòu)圖金屬膜而形成上電極214。然后在上電極214的表面上形成層間絕緣膜215，以結(jié)束一系列制造工序。
圖7更詳細(xì)的示出了熱氮化步驟的順序圖。
在熱氮化步驟中，首先基體結(jié)構(gòu)200被裝載到預(yù)熱至300℃的高溫爐中，如圖7所示(S701)。由于裝載過程而變化的高溫爐內(nèi)部的預(yù)熱溫度被穩(wěn)定在300℃一固定時段(S702)，然后，在一次操作中將高溫爐內(nèi)部的溫度增加到650℃。此時，該爐被維持10分鐘，直到溫度穩(wěn)定在650℃(S704)。這是因為通過重復(fù)過沖(overshooting)和下沖(undershooting)，高溫爐內(nèi)部的溫度，在到達(dá)650℃之后，逐漸會聚在該目標(biāo)溫度。
在650℃，基體結(jié)構(gòu)200被暴露于氨氣氛(NH3)約1分鐘(S705)，此后開始緩慢冷卻工序(S706)。在緩慢冷卻工序中，基體結(jié)構(gòu)200被加熱，而爐溫以例如3℃/分鐘的溫度下降速率從650℃降低。然后用氮氣清潔高溫爐(S707)，高溫爐的內(nèi)部被冷卻至300℃(S708)，此后基體結(jié)構(gòu)200被移走(S709)以及熱氮化步驟結(jié)束。
因此，當(dāng)在熱氮化步驟中引入緩慢冷卻工序時，在結(jié)點附近的重金屬或破壞結(jié)點的雜質(zhì)被激活，以及這些雜質(zhì)可以被包括大量晶體缺陷的多晶硅層202和由多晶硅構(gòu)成的接觸栓塞207吸收。因此，可以減小結(jié)漏泄電流和可以提高DRAM的刷新性能。
如上所述，根據(jù)本實施例，在形成電容性絕緣膜之前的下電極的熱氮化步驟過程中進(jìn)行緩慢冷卻工序。因此，可以減小結(jié)漏泄電流，而不降低電容性絕緣膜的質(zhì)量，以及可以提高DRAM的刷新性能。也可以進(jìn)行緩慢冷卻工序，而不損失處理量，因為在熱氮化步驟中可以使用允許用一批處理大量基體結(jié)構(gòu)的高溫爐作為加熱裝置。
接下來描述本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例形成用于DRAM的單元電容器的工藝流程圖。
本實施例是與上述實施例相同的工序，除了完成下電極(步驟S102)之后的步驟至用于形成上電極的步驟(步驟S105)不同之外，如圖8所示。
首先，制備其上形成了DRAM的存儲單元的主要部分的基體結(jié)構(gòu)200(步驟S101)，然后在基體結(jié)構(gòu)200上形成下電極210(步驟S102)，以及下電極210經(jīng)受熱氮化(步驟S210)，如圖2和3所示。在該步驟中，通過熱氮化在多晶硅膜的表面上形成防氧化的氮化硅膜(Si3N4)212，該多晶硅膜是下電極210，如圖4所示。
但是，在本實施例中，在本步驟中不執(zhí)行緩慢冷卻工序。更具體地說，在基體結(jié)構(gòu)200被加熱之后，以正常速率降低溫度。因此，與上述實施例相反，在本步驟中不能獲得吸氣效應(yīng)。因此，在本步驟中可以使用晶片型RTP(快速熱處理)設(shè)備。
在下一步驟中，在其上形成氮化硅膜212的下電極210的表面上形成第一絕緣膜213a，第一絕緣膜213a是電容性絕緣膜的一部分(步驟S202)，如圖9所示。優(yōu)選選擇氧化鋁(Al2O3)作為第一絕緣膜213a的材料。如上所述，可以使用TMA(Al(CH3)3三甲基鋁)作為起始材料氣體，以便形成氧化鋁，以及可以通過ALD(原子層淀積)在約350至450℃的溫度形成該薄膜。由此第一絕緣膜213a形成至約2nm的厚度。
接著進(jìn)行氧氣退火，以便提高由氧化鋁(Al2O3)構(gòu)成的第一絕緣膜213a的質(zhì)量(步驟S203)。通過加熱該基體結(jié)構(gòu)至約700℃以及將基體結(jié)構(gòu)暴露至包含氧氣(O2)氣氛約5分鐘進(jìn)行氧退火。作為第一絕緣膜213a的氧化鋁(Al2O3)中的缺陷被修復(fù)，薄膜質(zhì)量被提高。被不可避免地布置在氮化硅膜212和第一絕緣膜213a之間的薄的、不完全的氧化硅膜被增強(qiáng)，以及單元電容器的可靠性被提高。
在本實施例中，為了吸氣，進(jìn)行緩慢冷卻工序。更具體地說，當(dāng)基體結(jié)構(gòu)200被加熱用于氧退火和然后降低爐溫度時，爐溫度在比氧退火(約5分鐘)需要的加熱時間足夠長的時段上被逐漸降低至預(yù)定溫度。緩慢冷卻過程中，爐內(nèi)部可以允許保持氧氣氣氛，或可以是氮氣(N2)氣氛。用和如上所述的實施例相同的方法，溫度下降速率優(yōu)選是3℃/分鐘以下，更優(yōu)選是1.5至3℃/分鐘。這是因為如果溫度下降速率是在所述的范圍內(nèi)，那么可以獲得良好的吸氣效應(yīng)。
對于緩慢冷卻工序有利的垂直爐優(yōu)選被用作氧退火中的高溫爐。這是因為上述實施例中的熱氮化步驟中優(yōu)選使用可以同時處理大量基體結(jié)構(gòu)的垂直爐的相同理由，而不是RTF(快速熱處理)設(shè)備。
氧退火過程中的加熱溫度等于或大于吸氣需要的溫度，并且該溫度必須設(shè)置在低于為第一絕緣膜213a的材料的氧化鋁(Al2O3)的結(jié)晶溫度。這是由于當(dāng)該溫度設(shè)為或超過氧化鋁(Al2O3)的結(jié)晶溫度(約800℃)時，因為氧化鋁(Al2O3)晶化，泄漏增加的事實。
在下一步驟中，在第一絕緣膜213a的表面上形成第二絕緣膜213b(步驟S204)，第二絕緣膜213b是電容性絕緣膜的其余部分，如圖10所示。優(yōu)選選擇氧化鉿(HfO2)作為第二絕緣膜213b的材料。如上所述，可以使用TEMAH(Hf(N(CH3)(C2H5))4四乙基甲基氨鉿作為起始材料氣體，以便形成氧化鉿，以及可以使用ALD.(原子層淀積)在約250℃的溫度淀積薄膜。由此第二絕緣膜213b形成至約2nm的厚度。
氧化鉿(HfO2)在約500℃晶化，該溫度是比氧化鋁(Al2O3)的結(jié)晶溫度更低的溫度。由于氧化鉿(HfO2)也具有由于晶化增加泄漏的性能，因此在形成氧化鉿(HfO2)之后不能進(jìn)行熱處理步驟以用于吸氣。但是，在本實施例中，可以在不晶化氧化鉿(HfO2)的條件下，獲得吸氣效應(yīng)，因為在形成氧化鋁(Al2O3)膜之后和在氧化鉿(HfO2)膜形成之前，執(zhí)行加倍作為氧退火的加熱/緩慢冷卻步驟(步驟S203)，該氧化鋁(Al2O3)膜具有較高結(jié)晶溫度，該氧化鉿(HfO2)膜具有較低結(jié)晶溫度。
以此方式形成的第一和第二絕緣膜213a和213b對應(yīng)于上述實施例中的電容性絕緣膜213。
用和上述實施例相同的方法進(jìn)行剩余步驟，其中在電容性絕緣膜213的表面上形成上電極214(步驟S105)，以及在上電極214上形成層間絕緣膜215，以完成一系列制造工序，如圖11所示。
如上所述，在本實施例中，可以保持高介電常數(shù)，同時降低泄漏，因為使用由第一和第二絕緣膜213a和213b構(gòu)成的疊層作為電容性絕緣膜213。此外，在使用具有高介電常數(shù)和低結(jié)晶溫度的材料如氧化鉿(HfO2)作為第二絕緣膜213b的材料時，通過加熱/緩慢冷卻步驟可以產(chǎn)生吸氣效應(yīng)。這是因為在第一絕緣膜213a的形成之后和在第二絕緣膜213b的形成之前進(jìn)行加倍作為氧退火的加熱/緩慢冷卻步驟(步驟S203)。
本發(fā)明決不局限于上述實施例，而是在權(quán)利要求所述的本發(fā)明的范圍內(nèi)各種改進(jìn)是可能的，以及自然地這些改進(jìn)被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，在如上所述的第一實施例中，描述了其中在多晶硅膜的熱氮化步驟中進(jìn)行緩慢冷卻工序的情況，該多晶硅膜是MIS電容器的下電極，但是本發(fā)明不局限于該布局，可以在MIM(金屬絕緣體金屬)電容器的下電極的熱處理步驟中進(jìn)行緩慢冷卻工序。當(dāng)?shù)?TiN)被作為下電極時，有時在薄膜形成之后在氨氣環(huán)境中進(jìn)行熱處理，以便保證更致密的薄膜，以及緩慢冷卻工序可以在熱處理步驟過程中進(jìn)行。本發(fā)明不局限于氮化鈦作為MIM電容器的下電極，可以使用氮化鎢(WN)或其他金屬膜。
此外，在如上所述的第二實施例中，電容器具有MIS結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)采用MIM結(jié)構(gòu)時，可以在氮氣(N2)和氬氣(Ar)氣氛中進(jìn)行退火以代替氧退火，以及此后可以進(jìn)行緩慢冷卻。
此外，在如上所述的第二實施例中，使用氧化鋁(Al2O3)作為第一絕緣膜213a的材料，但是可以使用其他材料，只要在吸氣需要的溫度下該材料不晶化。如第二實施例所述，氧化鋁(Al2O3)是這種材料的最好例子。
例子首先，使用氧化鋁(Al2O3)作為電容性絕緣膜，以制備600個單元的DRAM存儲單元樣品#1，這些單元在為下電極的多晶硅薄膜的熱氮化過程中已經(jīng)被慢慢地冷卻。下面是DRAM存儲單元樣品#1的制造過程。
首先，在其上形成了上述存儲單元的主要部分的基體結(jié)構(gòu)中形成深單元電容器孔，以及在該孔的內(nèi)表面中形成下電極。形成具有HSG的多晶硅膜作為下電極。該基體結(jié)構(gòu)在650℃下被暴露在氨氣氛中1分鐘，以在多晶硅膜的表面上形成薄的氮化膜至1nm厚度，以及此后為了吸氣進(jìn)行緩慢冷卻工序。
在緩慢冷卻工序中，溫度下降速率被設(shè)為3℃/分鐘，以及緩慢冷卻時間是1小時20分鐘。接著通過ALD形成由氧化鋁構(gòu)成的單層膜至6nm的厚度，作為電容性絕緣膜，此后通過CVD形成氮化鈦膜至30nm的厚度，作為上電極。
作為比較例子，除了在熱氮化步驟過程中不進(jìn)行緩慢冷卻工序之外，以與DRAM存儲單元樣品#1相同的單位數(shù)量在制備DRAM存儲單元樣品#1的相同條件下制造DRAM存儲單元樣品#2。
接下來，測量DRAM存儲單元樣品#1和#2保持“1”作為信息的能力。DRAM存儲單元保持“1”作為信息的能力示出當(dāng)信息被寫入單元之后“1”被丟失時流逝的時間量。換句話說，該結(jié)果示出了DRAM存儲單元的刷新性能。
圖12示出了測量DRAM存儲單元樣品#1和#2保持“1”作為信息的能力(tREF性能)的結(jié)果曲線。在該曲線圖中，水平軸是信息保持時間t(這反映標(biāo)準(zhǔn)化時間而不是實際時間)，垂直軸是DRAM存儲單元樣品的成品率(％)由圖12可以明顯看出，滿足條件t＝0.5的樣品成品率是100％，樣品#1和#2都滿足條件t＝0.5。隨著tREF條件逐漸更嚴(yán)格，當(dāng)t＝4.5達(dá)到時，每個樣品#1和#2的成品率變?yōu)?％。在沒有經(jīng)歷緩慢冷卻工序的樣品#2中，在t＝2.5時，成品率約為90％，在t＝3.5時，成品率基本上是0％。
相反，在熱氮化過程中經(jīng)受緩慢冷卻的樣品#1中，在t＝2.5時，成品率約為96％，在t＝3.5時，約21％。由如上所述的測量結(jié)果，很明顯看出，與其中不進(jìn)行緩慢冷卻工序的情況相比，當(dāng)在熱氮化步驟過程中進(jìn)行緩慢冷卻工序時，單元保持信息的能力更好。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體存儲器件的制造方法，包括用于在其上形成了存儲單元的主要部分的基體結(jié)構(gòu)上形成下電極的步驟；用于以預(yù)定溫度熱處理所述下電極的步驟；用于在所述下電極上形成電容性絕緣膜的步驟；以及用于在所述電容性絕緣膜上形成上電極的步驟，其中用于熱處理所述下電極的步驟包括在加熱至所述預(yù)定溫度之后緩慢冷卻的步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中緩慢冷卻過程中的溫度下降速率是3℃/分鐘以下。
3.如權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述下電極包括多晶硅，用于熱處理所述下電極的步驟為用于熱氮化所述多晶硅的步驟。
4.如權(quán)利要求3所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述預(yù)定溫度是600℃以上。
5.如權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述下電極由金屬或金屬化合物制成。
6.如權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述電容性絕緣膜包括氧化鋁(Al2O3)。
7.如權(quán)利要求6所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述電容性絕緣膜包括具有氧化鋁(Al2O3)和氧化鉿(HfO2)的多層膜。
8.如權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中使用高溫爐進(jìn)行用于熱處理所述下電極的步驟，所述高溫爐可以同時加熱多個基體結(jié)構(gòu)。
9.一種半導(dǎo)體存儲器件的制造方法，包括用于形成下電極的步驟；用于在所述下電極上形成電容性絕緣膜的步驟；以及用于在所述電容性絕緣膜上形成上電極的步驟，其中用于形成所述電容性絕緣膜的步驟包括第一步驟和第二步驟，第一步驟用于形成第一絕緣膜，第二步驟用于形成由與所述第一絕緣膜不同的材料制成的第二絕緣膜，所述方法還包括在用于形成下電極的步驟和所述第二步驟之間加熱至預(yù)定溫度之后執(zhí)行緩慢冷卻的加熱/緩慢冷卻步驟。
10.如權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中加熱/緩慢冷卻過程中的溫度下降率是3℃/分鐘以下。
11.如權(quán)利要求9或10所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述第二絕緣膜的結(jié)晶溫度低于所述第一絕緣膜的結(jié)晶溫度。
12.如權(quán)利要求11所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述第一絕緣膜包括氧化鋁(Al2O3)，所述第二絕緣膜包括氧化鉿(HfO2)。
13.如權(quán)利要求11所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述預(yù)定溫度低于所述第一絕緣膜的所述結(jié)晶溫度而高于所述第二絕緣膜的所述結(jié)晶溫度。
14.如權(quán)利要求9或10所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述加熱/緩慢冷卻步驟在用于形成所述下電極的步驟和所述第一步驟之間進(jìn)行。
15.如權(quán)利要求9或10所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述加熱/緩慢冷卻步驟在所述第一和第二步驟之間進(jìn)行。
16.如權(quán)利要求15所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，還包括在用于形成所述下電極的步驟之后和所述第一步驟之前以預(yù)定溫度熱處理所述下電極的步驟。
17.如權(quán)利要求16所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述下電極包括多晶硅，用于熱處理所述下電極的步驟為熱氮化多晶硅的步驟。
18.一種半導(dǎo)體存儲器件的制造方法，包括用于形成下電極的步驟；用于熱處理所述下電極的第一熱處理步驟；用于在所述下電極上形成第一絕緣膜的步驟；以及用于熱處理所述第一絕緣膜的第二熱處理步驟；用于在所述第一絕緣膜上形成第二絕緣膜的步驟；以及用于在所述第二絕緣膜上形成上電極的步驟，其中所述第二熱處理步驟中的冷卻時段比所述第一熱處理步驟中的冷卻時段更長。
19.如權(quán)利要求18所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述第一絕緣膜包括氧化鋁(Al2O3)，所述第二絕緣膜包括氧化鉿(HfO2)。
20.如權(quán)利要求18或19所述的制造半導(dǎo)體存儲器件的方法，其中所述第二熱處理步驟中的加熱溫度低于所述第一絕緣膜的結(jié)晶溫度并高于所述第二絕緣膜的結(jié)晶溫度。
全文摘要
首先，制備提供了存儲單元的主要部分的基體結(jié)構(gòu)，以及此后在該基體結(jié)構(gòu)上形成包括多晶硅膜的下電極。接下來，在預(yù)定溫度熱氮化下電極的表面以形成氮化硅膜。在下電極的熱氮化中，溫度被增加到預(yù)定氮化溫度，此后以比通常更平緩的速率降低溫度。此后在下電極上形成氧化鋁(Al
文檔編號H01L21/314GK1909213SQ200610110139
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者荒尾孝, 小柳賢一, 米田賢司, 中西成彥, 五味秀樹 申請人:爾必達(dá)存儲器株式會社