專利名稱:制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體器件的方法，具體涉及制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件正變得高度集成，因此確保所需電容水平變得困難。為了確保所需的電容水平，需要減少介電層的厚度或者有必要使用高K介電層。
目前，在亞80nm動態(tài)隨機存儲器(DRAM)中，通常使用二氧化鉿(HfO2)層和氧化鋁(Al2O3)層的堆疊結(jié)構(gòu)來增加介電電容而不增加漏電流。但是，難于獲得小于12的等效氧化物厚度。對于在亞60nm DRAM中的電容器而言，等效氧化物厚度需要小于8，因此，通常需要采用釕(Ru)、鉑(pt)和銥(Ir)的金屬電極以及具有高介電常數(shù)的介電材料。
圖1是表示制造半導(dǎo)體器件中電容器的傳統(tǒng)方法的截面圖。
如圖所示，層間絕緣層12形成在襯底11上，存儲節(jié)點接觸塞13被埋入層間絕緣層12中，使得存儲節(jié)點接觸塞13與襯底11的各個部分接觸。構(gòu)成DRAM所必需的器件隔離區(qū)、字線和位線可以在存儲節(jié)點接觸塞13形成之前形成。
在存儲節(jié)點接觸塞13上形成蝕刻停止層14和存儲節(jié)點氧化物層15。順序蝕刻存儲節(jié)點氧化物層15和蝕刻停止層14以形成暴露各個存儲節(jié)點塞13的存儲節(jié)點孔16。在存儲節(jié)點氧化物層15上和在存儲節(jié)點孔16的側(cè)壁上形成存儲節(jié)點17，并且與暴露在存儲節(jié)點孔16的下方的存儲節(jié)點塞13接觸。存儲節(jié)點17由釕(Ru)形成。
圖2A和2B是說明與圖1所示方法相關(guān)的缺陷的透射電子顯微鏡法(TEM)顯微圖。使用相同的附圖標記表示與圖1中所述相同的元件。
如圖所示，利用原子層沉積法(ALD)在存儲節(jié)點氧化物層15上和在存儲節(jié)點孔16的側(cè)壁上沉積Ru層作為存儲節(jié)點17。由于原料更傾向于附著在已經(jīng)沉積Ru層的區(qū)域，因此Ru層可以在特定區(qū)域上積累，產(chǎn)生如圖2B中由標記字母“A”表示的Ru島。而且，如圖2A中標記字母“B”所示，Ru層在存儲節(jié)點17的底部上常常沉積不均勻，并且有時沉積不連續(xù)。
在金屬例如Ru被用作存儲節(jié)點材料的情況下，可能難以實施相關(guān)的處理。例如，在Ru作為存儲節(jié)點材料的亞60nm器件中，存儲節(jié)點接觸孔的臨界尺寸(CD)需要小于100nm并且所需的深寬比是20∶1或更大。除了這種困難的加工條件之外，對于上述具有高深寬比的接觸孔的階梯覆蓋(step coverage)的要求水平需要大于90％，并且需要沉積幾乎沒有雜質(zhì)的特定金屬。
為了滿足上述條件，已經(jīng)進行許多研究以發(fā)展結(jié)合ALD的方法。但是，目前ALD法遇到的困難在于，在初始的幾百個循環(huán)期間存儲節(jié)點材料幾乎不沉積在存儲節(jié)點氧化層上。亦即，目前使用的ALD法具有長的潛伏周期，化學(xué)氣相沉積法(CVD)通常具有類似的缺陷。在幾百個循環(huán)之后，存儲節(jié)點材料層(例如Ru)在存儲節(jié)點氧化層的整個表面上形成，然后存儲節(jié)點材料以每個循環(huán)0.8的正常沉積速率沉積。
如上所述，即使發(fā)生沉積，源材料很可能附著在已經(jīng)沉積Ru的區(qū)域并連續(xù)積累，產(chǎn)生Ru沉積島，如圖1中附圖標記17A所示。結(jié)果，可能增加粗糙度并且不能均勻形成存儲節(jié)點。
另外，源材料可能達不到具有高深寬比的存儲節(jié)點的底部，因此在存儲節(jié)點的底部上沉積存儲節(jié)點材料(例如Ru)可能花費比在其它部位上更長的時間。這種延長的沉積時間可使得難以獲得期望的階梯覆蓋水平。
更具體而言，存儲節(jié)點氧化物層具有-OH基并因此是親水性的。因此，Ru源材料例如二(乙基環(huán)戊二烯基)釕[Ru(EtCp)2]、尤其是Cp族，幾乎不附著于存儲節(jié)點氧化物層。結(jié)果，存儲節(jié)點可生長為島狀。
對利用金屬例如Ru形成存儲節(jié)點的ALD法使用等離子體可以改善長的潛伏周期。但是，對ALD法的等離子體實施可能增加循環(huán)周期，這種增加的循環(huán)周期可進一步減少器件的產(chǎn)量。
此外，由于沉積在存儲節(jié)點氧化層上的Ru層的附著性差，因此在后續(xù)加工期間可能發(fā)生剝落事件，而造成各種缺陷。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法，當(dāng)形成存儲節(jié)點時，該方法適合于改善階梯覆蓋特性，同時減少潛伏循環(huán)周期。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法，包括在襯底上形成絕緣層；將金屬源鋪填(flushing)在絕緣層上以改變絕緣層的表面特性，從而改善金屬基材料對絕緣層表面的附著性；在鋪填的絕緣層上形成包含金屬基材料的存儲節(jié)點；和隨后在金屬基存儲節(jié)點上順序形成介電層和平板電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法，包括在襯底上形成具有親水性表面的絕緣層；將金屬源鋪填在絕緣層上以改變絕緣層親水性表面的特性，從而改善金屬基材料對絕緣層表面的附著性；在鋪填的絕緣層上形成包含金屬基材料的存儲節(jié)點；和隨后在金屬基存儲節(jié)點上順序形成介電層和平板電極。
本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點將在下面的說明中部分說明，并根據(jù)該說明而變得明顯，或者可以從本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點將部分變得明顯，或者可以通過實施本發(fā)明而理解本發(fā)明的實施中學(xué)習(xí)。本發(fā)明的特性和優(yōu)點將利用所述權(quán)利要求
中具體指出的元件和組合而實現(xiàn)和獲得。
應(yīng)該理解的是，前述一般說明和下面的詳細說明均是示例性和解釋性的，并且是用于對所要求的本發(fā)明提供進一步的解釋。
根據(jù)以下結(jié)合附圖的示例性實施方案的描述將更好地理解本發(fā)明的上述和其它特性，其中
圖1是說明半導(dǎo)體器件的傳統(tǒng)電容器結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2A和2B是說明與傳統(tǒng)制造方法相關(guān)的缺陷的透射電子顯微鏡法(TEM)的顯微圖；圖3A-3F是說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的制造半導(dǎo)體器件中電容器的方法的截面圖；圖4A-4C是說明通過根據(jù)本發(fā)明實施方案的制造方法實現(xiàn)的改進的TEM顯微圖。
具體實施方式下文中，將參考附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施方案。
圖3A-3F是說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的制造半導(dǎo)體器件中電容器的方法的截面圖。
參考圖3A，層間絕緣層32形成在襯底31上，存儲節(jié)點接觸插塞33形成在層間絕緣層32中并且與襯底31的特定部分接觸。雖然沒有圖解說明，但是在存儲節(jié)點接觸插塞33形成之前，形成構(gòu)成DRAM所必需的器件隔離區(qū)、位線和字線。
存儲節(jié)點接觸插塞33包括多晶硅、鎢或鈦。圖3A的部分(a)說明當(dāng)存儲節(jié)點接觸插塞33包括多晶硅或鎢的情況，而圖3A的部分(b)說明當(dāng)存儲節(jié)點接觸插塞33包括鈦的情況。例如，如圖3A的部分(a)所示，當(dāng)在該插塞材料上實施回蝕刻過程時，使插塞材料凹陷一定深度，可以在凹陷的插塞材料33A上形成硅化鈦層33B，從而形成歐姆接觸。
在存儲節(jié)點接觸插塞33和層間絕緣層32上形成蝕刻停止層34和第一存儲節(jié)點層35。第一存儲節(jié)點層35包括氧化物基材料。第一存儲節(jié)點層35提供用于形成圓柱形存儲節(jié)點的孔，并且由于具有-OH端基而是親水性的。蝕刻停止層34用作蝕刻阻擋層以防止當(dāng)蝕刻第一存儲節(jié)點層35時蝕刻底部結(jié)構(gòu)。順序蝕刻第一存儲節(jié)點層35和蝕刻停止層34，以形成暴露存儲節(jié)點接觸插塞33的存儲節(jié)點孔36。
參考圖3B，在上述襯底結(jié)構(gòu)的上述全部表面上實施金屬源鋪填過程，以改善親水性的第一存儲節(jié)點層35的特性。在此，經(jīng)過金屬源鋪填處理的第一存儲節(jié)點層35將被稱為“第二存儲節(jié)點層”并且用附圖標記35A表示。
鋪填處理是在CVD或ALD腔內(nèi)隨后形成存儲節(jié)點之前實施的預(yù)處理。更具體而言，鋪填處理在約100℃-約500℃下進行約1秒-約500秒。鋪填處理可以連續(xù)進行約1秒-約500秒，或者間斷進行多次，每一次持續(xù)幾秒，通過分割約1秒-約500秒的全部實施周期來確定。
用于鋪填處理的金屬源包括金屬基有機源。金屬選自鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鋯(Zr)和鉿(Hf)。更具體而言，金屬源包括Ti前體源、Ta前體源、HfCl4、TiCl4或AlCl3。Ti前體源選自四(乙基甲基氨基)鈦(TEMAT)、四(二甲基氨基)鈦(TDMAT)、四(二乙基氨基)鈦(TDEAT)和四異丙氧基鈦(TTIP)，Ta前體源選自TBTEMT、Ta(N(C2H5)CH3)5(PEMATa)和聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。
在親水性第一存儲節(jié)點層35上實施金屬源鋪填引起第一存儲節(jié)點層35特性的改變，使得金屬可以容易地附著于所產(chǎn)生的第二存儲節(jié)點層35A。結(jié)果，后續(xù)存儲節(jié)點的源材料(例如Ru)可以容易地被吸附在第二存儲節(jié)點層35A上，因此，存儲節(jié)點可以均勻地形成而沒有潛伏周期。
根據(jù)用于鋪填處理的金屬源，金屬元素可以保留在第二存儲節(jié)點層35A和包括Ru的存儲節(jié)點之間的界面上。但是，保留的金屬元素可以通過在圓柱形存儲節(jié)點形成之后的清洗處理來去除。因此保留的金屬元素不影響后續(xù)電容器的性能。而且，如果考慮到將在存儲節(jié)點形成后形成的介電材料而利用金屬源來實施鋪填處理，則可以使用所選擇的金屬源，而不用考慮在圓柱形存儲節(jié)點形成之后去除殘留物。
參考圖3C，在通過鋪填處理而具有改變的表面特性的第二存儲節(jié)點層35A上形成導(dǎo)電層37。導(dǎo)電層37包括Ru、鉑(Pt)或銥(Ir)。
導(dǎo)電層37通過采用下列方法之一來形成原子層沉積(ALD)法、等離子體增強原子層沉積(PEALD)法、ALD和化學(xué)氣相沉積(CVD)的組合方法、具有等離子體處理的ALD法和循環(huán)CVD法。
典型的ALD法包括供應(yīng)源氣體、清除未反應(yīng)的源氣體、供應(yīng)反應(yīng)氣體和清除未反應(yīng)的反應(yīng)氣體的單元循環(huán)，這種單元循環(huán)重復(fù)一定的次數(shù)。
至于ALD和CVD的組合方法，同時供應(yīng)源氣體和反應(yīng)氣體，CVD反應(yīng)在短時期內(nèi)進行。之后，進行清除操作，然后進行退火處理同時僅供應(yīng)反應(yīng)氣體。
至于具有等離子體處理的ALD，在上述典型的ALD步驟中，實施等離子體處理同時僅供應(yīng)反應(yīng)氣體。等離子體處理在下列條件下實施等離子體功率為約10W-約1500W，溫度為約150℃-約500℃。對于等離子體處理，反應(yīng)氣體選自O(shè)2、NH3、N2O、N2H4、(CH3)2NH2、H2及其組合。
循環(huán)CVD是將典型ALD法中的清除時間減少到約為0的一種方法。更具體而言，CVD反應(yīng)可以在ALD步驟的每一個結(jié)束間隔中發(fā)生，因此循環(huán)時間可以被縮短并且可以提高沉積速率。雖然連續(xù)供應(yīng)反應(yīng)氣體和間斷供應(yīng)源氣體，但是當(dāng)供應(yīng)源氣體時利用CVD法發(fā)生沉積。
在上述循環(huán)CVD法中，當(dāng)供應(yīng)反應(yīng)氣體時，可以使用等離子體。當(dāng)與典型的ALD或PEALD法相比較時，循環(huán)時間可以被縮短，并且由于周期性采用CVD法，因此可以增加薄膜的沉積速率。由于循環(huán)CVD法包括在單元循環(huán)內(nèi)去除已反應(yīng)材料的步驟，因此沉積薄膜的特性要好于通過典型CVD法沉積的薄膜的特性。
在形成導(dǎo)電層37后，可以在每一個循環(huán)中的ALD法之后附加實施等離子體處理，以改進薄膜例如導(dǎo)電層37的特性。
參考圖3D，實施隔離過程以隔離導(dǎo)電層37，從而在存儲節(jié)點孔36內(nèi)形成上述圓柱形存儲節(jié)點37A。通過采用化學(xué)機械拋光(CMP)過程或回蝕刻過程來實施隔離過程，其移除位于第二存儲節(jié)點層35A上的部分導(dǎo)電層37，但是保留了在存儲節(jié)點孔36中的部分導(dǎo)電層37。
由于包括拋光劑和在隔離過程中產(chǎn)生的蝕刻顆粒的雜質(zhì)可以附著于圓柱形存儲節(jié)點37A，因此可以首先將具有良好階梯覆蓋特性的光刻膠填入存儲節(jié)點孔36中，然后實施隔離過程以暴露第二存儲節(jié)點層35A。之后，實施灰化過程以移除光刻膠層。
參考圖3E，第二存儲節(jié)點層35A經(jīng)過濕蝕刻過程，更具體而言是完全浸出過程，以暴露存儲節(jié)點37A的內(nèi)壁和外壁。完全浸出過程使用Hf溶液，并且不蝕刻在第二存儲節(jié)點層35A下方的蝕刻停止層34，這是因為蝕刻停止層34包括在濕蝕刻過程中對氧化物基第二存儲節(jié)點層35A具有高蝕刻選擇性的氮化硅材料。
參考圖3F，在存儲節(jié)點37A上順序形成介電層38和平板電極39。介電層38包括選自下列材料的單層或多層、Al2O3、ZrO2、La2O3、Ta2O5、TiO2、BaSrTiO3(BST)、SrTiO3、PZT、BLT、SPT和Bi2Ti2O7。
介電層38包含利用濺射法、CVD法或ALD法獲得的混合物層例如HfxAlyOz。在介電層38是形成在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的情況下，ALD法的單元循環(huán)限定如下[(Hf/N2/O3/N2)m(Al/N2/O3/N2)n]，其中m和n小于約10。
還可以通過實施使用等離子體的PECVD法獲得混合物層，在ALD步驟中，供應(yīng)O3氣體的步驟被供應(yīng)用作等離子體的O2氣體的步驟所取代。
在介電層38形成之后，利用O2氣體、O3氣體或O2等離子體在約200℃-約500℃下實施后處理。
平板電極39包括Ru、Pt或Ir。通過實施選自下列方法的一種方法來獲得平板電極39ALD法、PEALD法、ALD和CVD的組合方法、具有等離子體處理的ALD法和循環(huán)CVD法。
在平板電極39形成之后，可以在每一個循環(huán)中的ALD法之后附加實施等離子體處理，以改進薄膜即平板電極39的特性。
圖4A-4C是說明通過根據(jù)本發(fā)明實施方案的制造方法實現(xiàn)的改進的透射電子顯微鏡法(TEM)的顯微圖。
參考圖4A，被分成頂部、中部和底部的存儲節(jié)點的截面圖表明，形成了具有均勻厚度的存儲節(jié)點。利用TBTEMT通過鋪填處理實現(xiàn)均勻厚度的存儲節(jié)點，因此可以獲得改善的階梯覆蓋特性的存儲節(jié)點。
參考圖4B和4C，示出圓柱形存儲節(jié)點及其截面圖。階梯覆蓋特性的水平約為100％。
如上所述，在存儲節(jié)點孔形成之后，在形成存儲節(jié)點之前利用金屬在具有親水性表面的存儲節(jié)點層上實施鋪填處理，以改善存儲節(jié)點層的表面特性。
因此，在形成包括Ru的存儲節(jié)點的ALD法中，源材料可以容易地附著在存儲節(jié)點層上。結(jié)果，可以形成具有均勻厚度的存儲節(jié)點，并且可提供具有優(yōu)異階梯覆蓋特性的存儲節(jié)點材料(例如Ru)薄膜，而不減少產(chǎn)量。根據(jù)經(jīng)過鋪填處理的源材料，通常是金屬基材料的源材料保留在包括氧化物基材料的存儲節(jié)點層和包括Ru的存儲節(jié)點之間的界面上。這種源材料殘留物可以通過在圓柱形存儲節(jié)點形成之后的清洗過程來去除，因此不影響電容器特性。
雖然在示例性實施方案中舉例說明了圓柱形存儲節(jié)點，但是存儲節(jié)點可以形成為其它的結(jié)構(gòu)例如凹陷結(jié)構(gòu)。
基于本發(fā)明的示例性實施方案，當(dāng)制造特征尺寸小于約60nm的DRAM電容器時，可以減少包括Ru的存儲節(jié)點的潛伏周期，并且可以改善存儲節(jié)點的階梯覆蓋特性。結(jié)果，可以改善器件的產(chǎn)量和器件特性，并且還可以改善附著特性，由此減少在后續(xù)電容器形成過程中缺陷的產(chǎn)生。這種效果提供了電容器制造工藝的穩(wěn)定性，其進一步增加器件產(chǎn)量和成本效率。
雖然已經(jīng)根據(jù)特定優(yōu)選的實施方案描述了本發(fā)明，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，可以在不偏離如所附的權(quán)利要求
中限定的本發(fā)明精神和范圍下做出各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法，包括在襯底上形成絕緣層；將金屬源鋪填到絕緣層上以改變絕緣層的表面特性，從而改善金屬基材料對絕緣層表面的附著性；在鋪填的絕緣層上形成包含金屬基材料的存儲節(jié)點；和隨后在金屬基存儲節(jié)點上順序形成介電層和平板電極。
2.權(quán)利要求
1的方法，其中鋪填金屬源在化學(xué)氣相沉積(CVD)腔室和原子層沉積(ALD)腔室之一中實施。
3.權(quán)利要求
2的方法，其中鋪填金屬源連續(xù)實施約1秒-約500秒，或者間斷實施多次，每一次持續(xù)數(shù)秒，所持續(xù)的秒數(shù)通過對約1秒-約500秒的全部實施周期進行分割來確定。
4.權(quán)利要求
3的方法，其中鋪填金屬源在約100℃-約500℃下實施。
5.權(quán)利要求
1的方法，其中金屬源包括金屬基有機材料，所述金屬基有機材料包括選自鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鋯(Zr)和鉿(Hf)的金屬。
6.權(quán)利要求
5的方法，其中金屬源包括選自Ti前體源、Ta前體源、HfCl4、TiCl4和AlCl3中的一種，其中Ti前體源選自四(乙基甲基氨基)鈦(TEMAT)、四(二甲基氨基)鈦(TDMAT)、四(二乙基氨基)鈦(TDEAT)和四異丙氧基鈦(TTIP)，Ta前體源選自TBTEMT、Ta(N(C2H5)CH3)5(PEMATa)和聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。
7.權(quán)利要求
1的方法，還包括在絕緣層中形成孔。
8.權(quán)利要求
1的方法，其中形成存儲節(jié)點包括形成凹陷結(jié)構(gòu)和圓柱形結(jié)構(gòu)之一的金屬基存儲節(jié)點。
9.權(quán)利要求
8的方法，其中金屬基存儲節(jié)點包括選自釕(Ru)、鉑(Pt)和銥(Ir)中的一種。
10.權(quán)利要求
1的方法，其中絕緣層包括具有親水性表面的氧化物基層。
11.權(quán)利要求
1的方法，其中平板電極包括選自Ru、Pt和Ir中的一種。
12.一種制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法，包括在襯底上形成具有親水性表面的絕緣層；將金屬源鋪填到絕緣層上以改變絕緣層親水性表面的特性，從而改善金屬基材料對絕緣層表面的附著性；在鋪填的絕緣層上形成包含金屬基材料的存儲節(jié)點；和隨后在金屬基存儲節(jié)點上順序形成介電層和平板電極。
13.權(quán)利要求
12的方法，其中鋪填金屬源在化學(xué)氣相沉積(CVD)腔室和原子層沉積(ALD)腔室之一中實施。
14.權(quán)利要求
13的方法，其中鋪填金屬源連續(xù)實施約1秒-約500秒，或者間斷實施多次，每一次持續(xù)數(shù)秒，所持續(xù)的秒數(shù)通過對約1秒-約500秒的全部實施周期進行分割來確定。
15.權(quán)利要求
14的方法，其中鋪填金屬源在約100℃-約500℃下實施。
16.權(quán)利要求
12的方法，其中金屬源包括金屬基有機材料，所述金屬基有機材料包括選自自鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鋯(Zr)和鉿(Hf)的金屬。
17.權(quán)利要求
16的方法，其中金屬源包括選自Ti前體源、Ta前體源、HfCl4、TiCl4和AlCl3中的一種，其中Ti前體源選自四(乙基甲基氨基)鈦(TEMAT)、四(二甲基氨基)鈦(TDMAT)、四(二乙基氨基)鈦(TDEAT)和四異丙氧基鈦(TTIP)，Ta前體源選自TBTEMT、Ta(N(C2H5)CH3)5(PEMATa)和聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。
18.權(quán)利要求
12的方法，還包括在絕緣層中形成孔。
19.權(quán)利要求
18的方法，其中絕緣層包括氧化物基材料。
20.權(quán)利要求
12的方法，其中形成存儲節(jié)點包括形成凹陷結(jié)構(gòu)和圓柱形結(jié)構(gòu)之一的金屬基存儲節(jié)點。
21.權(quán)利要求
20的方法，其中金屬基存儲節(jié)點包括選自釕(Ru)、鉑(Pt)和銥(Ir)中的一種。
專利摘要
提供一種制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法。該方法包括在襯底上形成絕緣層；將金屬源鋪填到絕緣層上以改變絕緣層的表面特性，從而改善金屬基材料對絕緣層表面的附著性；在鋪填的絕緣層上形成包含金屬基材料的存儲節(jié)點；和隨后在金屬基存儲節(jié)點上順序形成介電層和平板電極。
文檔編號H01L27/108GK1992163SQ200610149857
公開日2007年7月4日 申請日期2006年10月27日
發(fā)明者廉勝振, 吉德信, 金珍赫, 樸基善, 宋翰相, 盧載盛 申請人:海力士半導(dǎo)體有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan