專利名稱：具有金屬氧化物電介質(zhì)的電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，特別涉及具有電容器的半導(dǎo)體器件。
電容器件用在許多類型的半導(dǎo)體器件中。在存儲(chǔ)器件中，例如，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)單元和非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(NVRAM)單元中，電容器作為儲(chǔ)能電容器。由于金屬氧化物介質(zhì)層可能具有高介電常數(shù)或鐵電性，因此，金屬氧化物介質(zhì)可以用在DRAM或NVRAM單元的儲(chǔ)能電容器中。就本說(shuō)明書(shū)中的應(yīng)用而言，高介電常數(shù)的意思是，介電常數(shù)高于二氧化硅的介電常數(shù)。
具有金屬氧化物介質(zhì)層的電容器受到的限制是把電容器制造工藝集成到半導(dǎo)體器件的制造工藝流程中去的能力。用一個(gè)NVRAM單元作為特例說(shuō)明一些問(wèn)題。


圖1是帶有鐵電電容器2和晶體管3的一個(gè)NVRAM單元1的電路圖。鐵電電容器2的一個(gè)電極連接到驅(qū)動(dòng)線(DL)上，另一個(gè)電極連接到晶體管3的源/漏區(qū)。晶體管3還包括的另一源/漏區(qū)連接到位線(BL)，柵電極連接到字線(WL)。
一種現(xiàn)有的NVRAM單元包括一個(gè)“疊層”鐵電電容器。在該NVRAM單元中，晶體管形成在基片中，而晶體管的源/漏區(qū)由一導(dǎo)電楔形區(qū)構(gòu)成，并在導(dǎo)電楔形區(qū)上形成鐵電電容器。在形成鐵電電容器時(shí)存在著導(dǎo)電楔形區(qū)是一個(gè)集成方面的問(wèn)題。很多種導(dǎo)電楔形區(qū)包括硅或含金屬的材料。構(gòu)成用于鐵電電容器的介質(zhì)層的典型的金屬氧化物層必須在高于500℃下氧化，以使金屬氧化物層具有鐵電性。就本說(shuō)明書(shū)中的應(yīng)用而言，高溫指的是高于500℃的溫度。導(dǎo)電楔形區(qū)可能經(jīng)受不了這樣的工藝步驟。例如，導(dǎo)電楔形區(qū)可能氧化而形成電導(dǎo)率低的區(qū)域，這就減弱了或消除了電極與位于下面的晶體管的源/漏之間的導(dǎo)電路徑。另一個(gè)例子是來(lái)自含金屬的材料的金屬可能擴(kuò)散進(jìn)基片中。導(dǎo)電楔形區(qū)的材料可能形成一尖鋒狀結(jié)或完全貫穿源/漏區(qū)的硅化物，引起鐵電電容器的一個(gè)電極與基片或阱區(qū)之間短路。使用阻擋層也不會(huì)有什么幫助，因?yàn)榇蠖鄶?shù)阻擋層都不能經(jīng)受500℃以上的高溫處理。
在一個(gè)NVRAM單元中，鐵電電容器構(gòu)成之后，可以在鐵電層的一個(gè)電極與源/漏區(qū)之間形成一金屬條。圖2是包括一個(gè)晶體管93和鐵電電容器95的“條狀”NVRAM單元90的平面圖。金屬導(dǎo)體91作NVRAM單元90的位線，用連接區(qū)911將導(dǎo)體91與作為源/漏區(qū)的第1摻雜區(qū)931連接在一起。導(dǎo)電部件92作為晶體管93的柵電極，并且是字線的一部分。第2摻雜區(qū)932作為晶體管93的另一源/漏區(qū)，它位于導(dǎo)電部件92的另一邊。由場(chǎng)絕緣區(qū)98確定晶體管93的有源區(qū)。
在晶體管93形成之后和鐵電電容器95形成之前形成第1介質(zhì)層(未畫(huà)出)。大多數(shù)鐵電電容器95典型地是形成在場(chǎng)絕緣區(qū)98之上的。鐵電電容器95包括作為驅(qū)動(dòng)線的下電極層96、作為鐵電介質(zhì)的金屬氧化物介質(zhì)層(未畫(huà)出)，和上電極層97。第2絕緣層(未畫(huà)出)形成在單元90上。導(dǎo)電部件94電氣連接鐵電電容器95的上電極層97與第2摻雜區(qū)932。金屬導(dǎo)體91和導(dǎo)電部件94中的虛線表示該單元位于金屬導(dǎo)體91或?qū)щ姴考?4下面的某些下層元件。至少有一層絕緣層位于金屬導(dǎo)體91或?qū)щ姴考?4與那些用虛線指示的下層元件之間。應(yīng)該注意的是，連接區(qū)941、942和911一般在同一工藝步驟中形成，這些連接區(qū)至少延伸通過(guò)第2絕緣層。另外，還要注意，導(dǎo)電部件91和94也是在相同的工藝步驟中形成的。
NVRAM單元90非常大。單元的尺寸受到導(dǎo)電部件91和94相互之間放置得多緊密以及連接區(qū)941、942和911相互之間放置得多近來(lái)限制。而且，由于跨越陣列的位線的典型取向通常垂直于作為字線的導(dǎo)電部件92，因此單元尺寸大。因此，作為單元位線的導(dǎo)電部件91的長(zhǎng)度與作為導(dǎo)電帶的導(dǎo)電部件94平行。晶體管和鐵電電容器從平面圖看基本上是并排形成的。鐵電電容器由于必須給予足夠大的公差而復(fù)蓋住了一小部分晶體管(如果有的話)，以使連接區(qū)942與摻雜區(qū)932接觸，而不與鐵電電容器95的下電極層或上電極層96接觸。
圖3和圖4中所示的其他NVRAM單元會(huì)出現(xiàn)類似問(wèn)題。圖3是包括兩個(gè)晶體管31和33以及兩個(gè)鐵電電容器32和34的NVRAM單元30的電路圖。NVRAM單元30與NVRAM單元1的一個(gè)差別與單根位線(BL)不同使用了兩根互補(bǔ)的位線(BL和BL);圖4是NVRAM單元40的電路圖，它包括兩個(gè)P-溝道晶體管47和44、兩個(gè)h-溝道晶體管42和45，以及兩個(gè)鐵電電容器43和46。該單元與NVRAM單元1的差別是使用了互補(bǔ)的位線(BL和BL)以及互補(bǔ)的字線(WL和WL)。在NVRAM單元30和40中使用的疊層鐵電電容器含有工藝集成的問(wèn)題，條形單元會(huì)占據(jù)大大的基片面積。
圖5是DRAM單元50的電路圖。DRAM單元50和NVRAM單元90的電路是相似的。DRAM單元50包括晶體管55和存儲(chǔ)電容器56。位線(BL)連接到晶體管55的一個(gè)源/漏區(qū)。晶體管55還包括連接到字線(WL)的柵電極和與電容器56的一個(gè)電極相連的另一個(gè)源/漏區(qū)。電容器56的另一個(gè)電極連接到恒定電壓源Vc。單元50用的Vc可以是Css或Vdd電位的一半。
較小的設(shè)計(jì)規(guī)則可能限制DRAM單元的存儲(chǔ)電容器能存儲(chǔ)的電容量的大小。提高儲(chǔ)能電容器的容量而又不增大厚度或尺寸的一個(gè)方法是采用高介電常數(shù)的介電材料，例如用金屬氧化物介電材料。令人遺憾的是，與NVRAM單元類似，帶有金屬氧化物介電層的存儲(chǔ)電容器在存在著集成化的問(wèn)題。對(duì)于普通的含硅介電材料(如二氧化硅和氮化硅)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)金屬氧化物介電材料的許多集成化問(wèn)題。
本發(fā)明涉及一種包括電路元件、電容器和導(dǎo)電部件的半導(dǎo)體器件。電容器覆蓋在電路元件上，它包括一個(gè)第1電極層、覆蓋在第1電極上的金屬氧化物介電層，和覆蓋在介電層上的第2電極層。導(dǎo)電部件使電路元件與第2電極層相互電氣連接，并形成導(dǎo)電部件貫穿電容器的第1電極和介電層的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及半導(dǎo)體器件的制造方法。
本發(fā)明的其他特征及優(yōu)點(diǎn)將由以下結(jié)合附圖所作的詳細(xì)說(shuō)明變得很清楚。
本發(fā)明用實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，但并不限于附圖中所示結(jié)構(gòu)。圖中相同的標(biāo)號(hào)指示類似的元件。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的具有一個(gè)晶體管、一個(gè)鐵電電容器和單根位線的NVRAM單元的電路圖。
圖2是條形NVRAM單元的平面圖;
圖3是具有兩個(gè)晶體管、兩個(gè)鐵電電容器和互補(bǔ)位線的NVRAM單元的電路圖(現(xiàn)有技術(shù))。
圖4是具有四個(gè)晶體管、兩個(gè)鐵電電容器、互補(bǔ)位線和互補(bǔ)字線的NVRAM單元的電路圖(現(xiàn)有技術(shù))。
圖5是DRAM單元的電路圖(現(xiàn)有技術(shù))。
圖6-12是本發(fā)明實(shí)施例的部分半導(dǎo)體基片的橫截面圖，說(shuō)明金屬氧化物電容器的構(gòu)形，該電容器與下層的電路元件電氣連接;
圖13和14分別是按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的具有一個(gè)晶體管和一個(gè)鐵電電容器的NVRAM單元的平面圖和橫截面圖。
圖15是按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的具有兩個(gè)晶體管、兩個(gè)鐵電電容器和互補(bǔ)位線的NVRAM單元的平面圖。
圖16是按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的具有四個(gè)晶體管、兩個(gè)鐵電電容器、互補(bǔ)位線和互補(bǔ)字線的NVRAM的橫截面圖。
本發(fā)明包括金屬氧化物電容器，它具有用這種穿過(guò)電容器本身的導(dǎo)電部件使電極層與下層的電路元件電氣連接的電極層。本發(fā)明對(duì)于制造DRAMs或NVRAMs中的高介電常數(shù)電容器或鐵電電容器特別有用，下面將詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明不受所述實(shí)施例的限制。
圖6是其上形成有多層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體基片10的部分橫截面圖。電路元件11覆蓋在基片10上。電路元件11可以是多種部件中的一種，這些部件包括基片10中的摻雜區(qū)或?qū)щ姴考?如柵電極)、電容器電極、連接區(qū)或通路楔形區(qū)、互連區(qū)、和覆蓋在基片10上的類似部件。電路元件11是可以與所構(gòu)成的高介電常數(shù)的金屬氧化物電容器電氣連接的任何部件?；?0可能是半導(dǎo)體或絕緣材料。在電路元件11上依次形成絕緣層12、下電極層13、金屬氧化物介電層14，和上電極層15。
電路元件11上的各層材料的選擇取決于所形成的器件以及共同或相繼與一個(gè)特殊的層連接的其他層。例如，DRAM需要一個(gè)高介電常數(shù)電容器，但金屬氧化物介電層14不需要具有鐵電性。金屬氧化物層可以包括五氧化二鉭(Ta2O5)、鈦酸鋯(ZrxTiyOz)、鈦酸鍶(SrTiO3)、鈦酸鍶鋇(BST)、鈦酸鋯酸鉛(PZT)、摻鑭的PZT或類似物。本行業(yè)的普通技術(shù)人員認(rèn)為鈦酸鉛鋯和鈦酸鋯酸鉛是同種材料，雖然該同種材料有兩個(gè)不同的名稱。就NVRAM而言，金屬氧化物介電層14必須具有鐵電性，因而，可以包括鈦酸鉍(Bi4Ti3O12)、鈦酸鋇(BaTiO3)、BST、PZT、摻鑭的PZT或類似物。
電極層13和15的材料選擇部分地取決于介電層14所用的材料，鉛與許多含硅化合物反應(yīng)或擴(kuò)散進(jìn)入許多含硅化合物中。假如(1)金屬氧化物介電層含鉛和(2)介電層暴露在高于500℃的溫度下，電極層13和15不應(yīng)包括含硅化合物或允許鉛擴(kuò)散。若有鉛，電極層13和15可以包括釕、錸、銥、鋨、上述四種元素的任何一種導(dǎo)電金屬氧化物、鉑或類似物。假若金屬氧化物介電層包括Ta2O5，電極層13和15實(shí)際上可以包括任何一種摻硅的導(dǎo)電材料、金屬，和含金屬的化合物。絕緣層12可以包括任何普通的半導(dǎo)體絕緣材料，例如二氧化硅、氮化硅、或類似物。絕緣層12包括二氧化硅層和一層薄的二氧化鈦?lái)攲?。在其他?shí)施例中，可能不需要薄的頂層，或者用五氧化二鉭、氧化鎂或類似物代替，或者與五氧化二鉭、氧化鎂或類似物一起使用，特別是當(dāng)金屬氧化物介電層14含鉛而且在高溫處理過(guò)程中金屬氧化物層14可能與絕緣層12接觸在一起時(shí)更是如此。假如絕緣層不包括二氧化鈦薄層，也可以在形成下電極層13之前形成薄的鈦層，鈦層起絕緣層12與下電極層13之間的粘結(jié)層的作用。不用說(shuō)，層12-15的材料選擇取決于器件的類型，而且也取決于與任何專用層連接在一起的那些層。
為了簡(jiǎn)化，假設(shè)要形成鐵電電容器。為了幫助理解本發(fā)明，舉出了一些具體的材料。本發(fā)明不限于這些具體材料。參看圖6，絕緣層12是二氧化硅層，下電極13是鉑，金屬氧化物介電層14是PZT，是用常規(guī)方法(如濺射淀積、溶膠凝膠涂敷法，或化學(xué)汽相淀積法)淀積的。金屬氧化物介電層14在溫度為650-700℃之間的氧化環(huán)境中退火。在快速熱處理中，典型的退火時(shí)間在10-3000秒之間;在普通爐子中，典型的退火時(shí)間在5-30分鐘之間，氧化環(huán)境包括氧，而且可以包括氣體稀釋劑，如氮?dú)?、氦氣、氬氣和類似物。根?jù)金屬氧化物層14所用的材料、淀積的方法以及退火的時(shí)間，層14的退火溫度可以在500-800℃之間。退火后，用鉑形成上電極15。
用常規(guī)方法對(duì)電極層13和15，以及金屬氧化物層14形成圖形。在本實(shí)施例中，可以用濕法或干法刻蝕鉑?？梢杂猛跛芤夯蚋倪M(jìn)型王水溶液進(jìn)行濕法刻蝕。后者是一種含鹽酸(HCl)和硝酸(HNO3)的水溶性溶液，刻蝕溶液的溫度為75℃左右?？涛g溶液含60-80wt%的磷酸(H3PO4)、10-25wt%的乙酸(CH3COOH)、0.1-5wt%的磷酸(HNO3)，其余為水。該刻蝕溶液可以從Olin HuntSpecialty Products公司購(gòu)買(mǎi)，名為M2STM?？梢杂孟箅x子蝕刻那樣的方法進(jìn)行干法刻蝕?？梢杂脻穹ɑ蚋煞涛g技術(shù)，使金屬氧化物介質(zhì)層14形成圖形。用含有氫氟酸、硝酸、和過(guò)氧化氫的溶液進(jìn)行濕法刻蝕?？涛g過(guò)程中溶液溫度保持在室溫。可以用等離子刻蝕或離子蝕刻進(jìn)行干法刻蝕。就等離子刻蝕而言，刻蝕物質(zhì)的化學(xué)組成應(yīng)包括氧、含氟化合物(例如四氟化碳(CF4)及類似物)，或含氯的化合物(例如四氯化碳(CCl4)、氯分子(Cl2)和類似物)。
在該實(shí)施例中，在上電極層15的上面形成第1掩模層(未畫(huà)出)。有離子蝕刻法使上電極層15和金屬氧化物介電層14形成圖形，以使兩層的邊緣基本上彼此重合，以構(gòu)成形成圖形的層。離子蝕刻工序之后，除去第1掩模層。圖7示出了形成圖形的金屬氧化物層14和15。在離子蝕刻過(guò)程中可以刻蝕去某些下電極層13，不過(guò)圖7中未示出。在電極層13和15上形成第2掩模層(未畫(huà)出)。用濕法刻蝕技術(shù)或干法刻蝕技術(shù)中的任何一種使用鉑制成的下電極層13形成圖形。在下電極層13刻蝕出圖形之后，除去第2掩模層。圖8示出了工藝過(guò)程中在該部位的器件。部分下電極層13延伸超出了層14和15，使得隨后形成的連接區(qū)達(dá)到下電極層13。
形成開(kāi)孔41，如圖9所示，它貫穿層12-15到達(dá)電路元件11。在上電極層15上要形成到達(dá)電路元件11的開(kāi)孔41的部位形成第3掩模層(未畫(huà)出)。開(kāi)孔41是用離子蝕刻法穿過(guò)層13至15、然后用等離子刻蝕絕緣層12而構(gòu)成的。離子蝕刻使得層13-15能形成圖形，同時(shí)又保持開(kāi)孔附近的各層的邊緣基本上相互重合。離子蝕刻可能局部延伸進(jìn)入絕緣層12。對(duì)絕緣層的等離子刻蝕通常提供了一種刻蝕方法，這種刻蝕方法對(duì)電路元件11來(lái)說(shuō)是比離子蝕刻法更優(yōu)先的。等離子刻蝕也不需要像離子蝕刻那樣迅速地侵蝕第3掩模層。若第3掩模層的厚度足夠使層12-15完成蝕刻，則用離子蝕刻完全可以形成開(kāi)孔41。其他常規(guī)的刻蝕方法也可以用來(lái)形成開(kāi)孔41，例如濕片刻蝕法或其他干法刻蝕技術(shù)。開(kāi)孔41形成之后，除去第3掩模層。
如圖10所示，沿著層12-15的露出邊緣形成絕緣隔層51和52。絕緣隔層51的材料選擇取決于金屬氧化物介電層14所用的材料以及其隨后經(jīng)受的溫度循環(huán)情況。在該實(shí)施例中的金屬氧化物層14包含鉛(來(lái)自PZT)，若器件暴露在高于500℃的溫度下，鉛可以與含硅絕緣材料反應(yīng)。因此，絕緣隔層51可以包含二氧化鈦(TiO2)、五氧化二鉭(Ta2O5)、氧化鎂(MgO)或類似物。
形成隔離層51和52的一種方法可以是(1)，淀積鈦并使其熱氧化，以形成二氧化鈦，(2)用含氟等離子各向異性地刻蝕二氧化鈦?；蛘?，用反應(yīng)濺射或化學(xué)汽相淀積法淀積TiO2或Ta2O5。然后各向異性刻蝕來(lái)形成隔離層51和52。假如金屬氧化物介電層不含鉛或不暴露在高于500℃的溫度下，隔離層51和52可以用含硅材料。不用說(shuō)，可以用許多不同的材料和不同的材料和不同的淀積、刻蝕方法。通常，絕緣隔離層51和52所用的材料的淀積應(yīng)該是相似的，盡管不要求如此。絕緣隔離層51和52的絕緣材料的淀積厚度在100-3000埃之間。至少應(yīng)把一些絕緣材料淀積在沿著層13和14的露出的側(cè)邊上。為形成隔離層51和52所進(jìn)行的刻蝕應(yīng)基本上是各向異性的。該刻蝕可能包括一些各向同性的(或者說(shuō)均勻)刻蝕，但再一次刻蝕時(shí)，必須至少有一部分絕緣隔離層51靠著層13和14。在形成絕緣隔離層51時(shí)，隔離層51必須有足夠的厚度，以防止隨后在開(kāi)孔41中形成的導(dǎo)電部件與下電極層13或與金屬氧化物介電層14之間的電連接。
如圖11所示，形成將電路元件11連接到上電極層15的導(dǎo)電部件61。導(dǎo)電部件61可以包含硅、金屬、或含金屬的化合物。通常，用常規(guī)方法(如化學(xué)汽相淀積、濺射淀積和類似方法)淀積導(dǎo)電層。在導(dǎo)電層上要構(gòu)成導(dǎo)電部件61的部位形成第4掩模層(未畫(huà)出)?？涛g導(dǎo)電層露出的部分，留下導(dǎo)電部件61。導(dǎo)電件61形成后，除去第4掩模層?？梢杂霉餐螤钚纬啥嗑Ч?、鎢或氮化鈦，并對(duì)其刻圖，形成導(dǎo)電部件61?；蛘?，可以使用那些能夠淀積和刻圖同時(shí)至少留下沿絕緣隔層51的側(cè)邊的某些導(dǎo)電材料的任何一種導(dǎo)電材料。
導(dǎo)電部件可以包括一個(gè)以上的部分。例如，可以形成部分地填充開(kāi)孔41或全部地填充開(kāi)孔41的含鎢、多晶硅或類似物的導(dǎo)電楔形區(qū)?？梢孕纬蛇B接導(dǎo)電楔形區(qū)與上電極層15的局部互連。在這種情況下，導(dǎo)電楔形區(qū)與局部互連組合形成導(dǎo)電部件61。
圖12中示出了一個(gè)基本上完成的器件。在包含導(dǎo)電件61的基片10上形成第2絕緣層71。在第2絕緣層71中順序地形成開(kāi)孔和導(dǎo)電楔形區(qū)72，構(gòu)成與下電極13的電連接。形成互連層73和鈍化層74。如果需要，也可以形成其他層和電連接層(未畫(huà)出)。
從該實(shí)施例中看到了許多優(yōu)點(diǎn)。電容器與和電路元件的連接沒(méi)有現(xiàn)有技術(shù)中占據(jù)有用的基片面積的條帶。在絕大多數(shù)高溫工序完成之后形成導(dǎo)電部件61。在現(xiàn)有的疊層電容器中，電路元件與下電板之間的導(dǎo)電部件是在它的金屬氧化物介電層退火之前形成的。現(xiàn)有的疊層電容器的導(dǎo)電部件在退火中可能與相鄰的層或氧化環(huán)境之間出現(xiàn)有害的相互作用，例如反應(yīng)、變形、熔化、擴(kuò)散和類似的作用。在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，導(dǎo)電部件61是在金屬氧化物介電層14的退火工序之后形成的。因此，在退火中導(dǎo)電部件61與相鄰層或氧化環(huán)境之間沒(méi)有任何有害的相互作用。假若導(dǎo)電部件61是導(dǎo)電的金屬氧化物或可以形成導(dǎo)電的金屬氧化物的金屬，則器件可以經(jīng)得住在導(dǎo)電元件形成之后的氧化環(huán)境。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了器件的制造。工藝集成化問(wèn)題預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)困難。
完整地列出形成金屬氧化物介電電容器的全部可能的方案是很難的。許多方案以前都已經(jīng)使用過(guò)。在形成開(kāi)孔41的任何部分之前可以用許多形式對(duì)層13-15刻出圖形。層13-15中的每一層都可以分別刻圖，層14可以與層13或與層15在一道工序中刻出圖形，或三層在一道工序中同時(shí)刻圖。開(kāi)孔41外邊的層13-15的刻圖也可以在導(dǎo)電部件61形成之后進(jìn)行?？梢杂迷S多不同的方法形成構(gòu)成絕緣隔離層51和52的絕緣層。那種絕緣層可以由化學(xué)淀積或?yàn)R射淀積(反應(yīng)地或其他方式的淀積)形成。正如實(shí)施例所敘述的那樣，可以通過(guò)淀積一種材料、隨后對(duì)其氧化形成絕緣層的方法形成作為絕緣隔層51和52的絕緣層。形成絕緣隔層的氧化過(guò)程可以在隔層形成之后進(jìn)行。在這種情況下，電路元件11必須能受得住熱氧化循環(huán)，而不會(huì)在電路元件11與隨后形成的導(dǎo)電部件61之間形成絕緣層。如果在電路元件11露出之后，氧化隔層材料以形成隔層51和52，電路元件11不會(huì)形成絕緣體。盡管給出了具體的厚度，但也可以用其他的厚度，這并不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。這里所列的方案僅僅是為了說(shuō)明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。
NVRAM單元本發(fā)明在與NVRAM單元結(jié)合時(shí)特別有用。圖13和14中包括具有晶體管103和鐵電電容器105的NVRAM單元100。圖13是NVRAM單元100的平面圖，圖14是NVRAM單元100的橫截面?；ミB區(qū)101作為位線，其長(zhǎng)度通常在圖13的左邊和右邊之間延伸。為了更清晰地表示出位于NVRAM單元100下面的元件，一部分互連區(qū)101在圖13中沒(méi)有畫(huà)出。導(dǎo)電楔形區(qū)1011將互連區(qū)101電氣連接到作為晶體管103源/漏區(qū)的第1摻雜區(qū)109。晶體管103還包括作為NVRAM單元100的字線的導(dǎo)電部件102和作為晶體管103的另一源/漏區(qū)，以及位于鐵電電容器105之下的第2摻雜區(qū)(圖13中未畫(huà)出)。鐵電電容器105包括作為NVRAM單元100的驅(qū)動(dòng)線的下電極層106、作為鐵電電介質(zhì)的金屬氧化物介電層(圖13中未畫(huà)出)，和上電極層107。導(dǎo)電部件117通過(guò)開(kāi)孔104將上電極層107與晶體管103的第2摻雜區(qū)連接起來(lái)。導(dǎo)電部件117既不與鐵電電容器105的下電極層106電氣連接，也不與鐵電電容器105的金屬氧化物介電層電氣連接。圖13包括確定晶體管103的有源區(qū)的場(chǎng)隔離區(qū)108。
圖14是圖13中所示NVRAM單元100的橫截面圖。橫截面的描述基本上按構(gòu)成單元的元件的順序進(jìn)行。在區(qū)域110上形成NVRAM單元100。在區(qū)域110可以是n型基片(未畫(huà)出)中的P型阱區(qū)，或者是在P型基片(未畫(huà)出)中的雜質(zhì)濃度比基片大的P型阱區(qū)。用常規(guī)的場(chǎng)隔離工藝順序，如硅的局部氧化工藝(LOCOS)，構(gòu)成場(chǎng)隔離區(qū)108。形成柵介質(zhì)層113的導(dǎo)電部件102。柵介質(zhì)層可以用熱氧化或化學(xué)汽相淀積法形成。通過(guò)淀積一層導(dǎo)電的或經(jīng)摻入能使其導(dǎo)電的層(如多晶硅、無(wú)定形硅和類似物)的方法形成導(dǎo)電層。對(duì)柵介質(zhì)層和導(dǎo)電層光刻制出圖形以形成圖14中所示的包括柵介質(zhì)層113和導(dǎo)電部件102的柵結(jié)構(gòu)。在柵結(jié)構(gòu)形成之后，在半導(dǎo)體基片110中形成摻雜區(qū)109和112，其形成方法包括(1)用n型雜質(zhì)輕度摻雜基片暴露出的部分，(2)形成鄰接?xùn)沤Y(jié)構(gòu)的側(cè)壁隔層1031，和(3)用n型雜質(zhì)重?fù)诫s基片露出的部分。在工藝中這一點(diǎn)，晶體管103已經(jīng)形成，該晶體管包括摻雜區(qū)109和112、柵介質(zhì)層113、導(dǎo)電部件102，以及溝道區(qū)。溝道區(qū)是基片位于摻雜區(qū)109和112之間并直接埋在柵介質(zhì)層113下面的那部分。
利用工藝順序的后續(xù)部分形成鐵電電容器105。在基片110和晶體管103上形成第一絕緣層114。用結(jié)合金屬氧化物電容器中有關(guān)鐵電電容器部分已描述過(guò)的部分形成層13-15，并對(duì)其刻圖的實(shí)施例中所述的方法形成有關(guān)鐵電電容器的下電極層106、金屬氧化層115和上電極層107，并對(duì)其刻圖。鐵電電容器105需要起鐵電電介質(zhì)作用的金屬氧化物層115。因此，金屬氧化物層115可以包括BST、PZT、摻鑭的PZT，或類似物。下電極層106也作為NVRAM單元100的驅(qū)動(dòng)線。下電極層106必須與上電極層107分開(kāi)來(lái)光刻形成圖形。金屬氧化物層115可以在電極層106或107的同一刻圖步驟中刻圖，也可以分開(kāi)刻圖。另外，在形成鐵電電容器105時(shí)，可以有多種選擇，以及前面的實(shí)施例中所述的可用于構(gòu)成電容器的工藝選擇?？梢栽诘矸e了金屬氧化物層115之后的任何時(shí)間。用與前述相似的氧化環(huán)境進(jìn)行退火處理。在形成導(dǎo)電部件117之前，也可以在工藝順序中的不同點(diǎn)進(jìn)行其他退火工藝，盡管這不是所要求的。
在工序的后續(xù)部分將鐵電電容器105的上電極層107與晶體管103的第2摻雜區(qū)112電連接起來(lái)。穿過(guò)層107、115、106和114直到第2摻雜區(qū)112形成開(kāi)孔104。在開(kāi)孔104中形成絕緣隔層116，在開(kāi)孔104的外部緊鄰層107、115和106的部位形成絕緣隔層1051。如果將絕緣隔層116和1051暴露在大約高于500℃的溫度下，則絕緣隔層不應(yīng)包括含硅的化合物。絕緣隔層116和1051可以包括二氧化鈦、五氧化二鉭、氧化鎂，或類似物。若絕緣隔層116和1051不暴露在高于500℃的溫度下，它就可以包括含硅的化合物，例如，二氧化硅、氮化硅，和類似物。若絕緣隔層116和1051不暴露在高于500℃的溫度下，它就可以包括含硅的化合物，例如，二氧化硅、氮化硅，和類似物。絕緣隔層116和1051形成之后，形成導(dǎo)電部件117。在金屬化合物電容器部分中就形成開(kāi)孔41、絕緣隔層51和52以及導(dǎo)電部件61討論過(guò)的材料和制造工藝的選擇應(yīng)用于開(kāi)孔104、絕緣隔層116和1051和導(dǎo)電部件117的相應(yīng)元件，其選擇程度與本段中所進(jìn)行的論述相一致。
在導(dǎo)電部件117和第1絕緣層114上形成第2絕緣層118。形成貫穿第1和第2絕緣層114和118到第1摻雜區(qū)109的接觸孔。導(dǎo)電楔形區(qū)1011充填在接觸孔中。在導(dǎo)電楔形區(qū)1011上形成互連區(qū)101。在包含互連區(qū)101的器件上形成鈍化層119，以形成基本完成的器件。互連區(qū)101跨過(guò)NVRAM單元100的全長(zhǎng)，如圖14中所示。假若需要，可以形成其他層和電連接區(qū)(未畫(huà)示)。
與現(xiàn)有的NVRAM單元90比較，NVRAM單元100有許多優(yōu)點(diǎn)。互連區(qū)91和94使單元90尺寸變得很大。在連接孔和互連平面上均需要有最小的間隔距離，以確保可靠的工藝處理。單元尺寸一般來(lái)說(shuō)不是由電容器面積限定的，故即使不需要大的電容器面積，也可以使用大的電容器面積。因此，對(duì)四微米的最小特征尺寸而言，單元90可以占約840平方微米的面積，并有約200平方微米的電容器面積。與現(xiàn)有技術(shù)的單元不同，本發(fā)明的NVRAM單元100所具有的單元面積主要由電容器面積決定，而不是與連接區(qū)或互連間隔有關(guān)。用與現(xiàn)有單元相似的設(shè)計(jì)規(guī)則，NVRAM單元100占據(jù)約320平方微米的面積，并有約110平方微米的電容器面積。雖然該NVRAM單元100是現(xiàn)有技術(shù)的單元90的1/3，不過(guò)在使用相似的設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)，本發(fā)明的NVRAM單元面積應(yīng)該至少是現(xiàn)有技術(shù)的條形單元的1/2。
本發(fā)明還有超過(guò)疊層電容器NVRAM單元的優(yōu)點(diǎn)。在疊層NVRAM單元中，一個(gè)導(dǎo)電部件將晶體管的源/漏區(qū)電氣連接到鐵電電容器的下電極層上，該導(dǎo)電部件是在賦予金屬氧化物介電層115鐵電性能的退火工序之前形成的。退火可能引起導(dǎo)電部件氧化，或使其與鄰近導(dǎo)電部件的各層發(fā)生有害的相互反應(yīng)。本發(fā)明的NVRAM單元100直至金屬氧化物層115的退火全部完成之后，才在晶體管103的第2摻雜區(qū)112和鐵電電容器105的上電極層107之間形成導(dǎo)電部件。因而，不會(huì)發(fā)生導(dǎo)電部件117與NVRAM單元100的其他部分之間有害的相互反應(yīng)。
NVRAM單元100是存儲(chǔ)器陣列中許多單元中的一個(gè)典型單元。在陣列中的NVRAM單元100典型地由其四側(cè)的NVRAM單元所包圍。每邊上的單元有一個(gè)NVRAM單元100的鏡像平面圖，如圖13所示?；ミB區(qū)101作為NVRAM單元100及圖13中該單元左邊和右邊的那些單元的位線。
在“金屬氧化物電容器”部分中提到的關(guān)于制造方法的許多方案應(yīng)能應(yīng)用于NVRAM單元100。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型可以互換。
其他NVRAM單元設(shè)計(jì)也可以用于本發(fā)明，圖15中示出了包括用虛線表示的NVRAM單元120的NVRAM存儲(chǔ)器陣列1200一部分的平面圖。NVRAM單元120包括兩個(gè)晶體管121和123，以及兩個(gè)鐵電電容器122和124，其電路圖與圖3所示電路圖相似?；ミB區(qū)1210和1230分別起互補(bǔ)位線BL和BL的作用?；ミB1210和1230整個(gè)延伸橫跨在NVRAM單元120的長(zhǎng)度上，不過(guò)在圖15中一部分互連1210和1230未畫(huà)出，以便可以較清楚地看到埋在下面的元件?；ミB1210與起晶體管121的源/漏區(qū)作用的第1摻雜區(qū)1211相連。晶體管121還包括作為晶體管的另一源/漏區(qū)的第2摻雜區(qū)。導(dǎo)電部件1212起晶體管121的柵電極的作用?；ミB區(qū)1230與起晶體管123的源/漏作用的第3摻雜區(qū)1231相連。晶體管123還包括作為晶體管另一源/漏區(qū)的第4摻雜區(qū)1233。導(dǎo)電部件1212起晶體管123的柵電極的作用。導(dǎo)電部件1212也作為NVRAM單元120的字線。用場(chǎng)隔離區(qū)135限定晶體管121和123的有源區(qū)。
電容器122和124包括下電極層131和上電極層1340和1341。下電極層131起驅(qū)動(dòng)線的作用，并基本上埋在全部上電極1340和1341的下面。開(kāi)孔1342貫穿鐵電電容器122直至第2摻雜區(qū)1213，開(kāi)孔1344貫穿鐵電電容器124直至第4摻雜區(qū)1233。導(dǎo)電部件1346貫穿開(kāi)孔1342將第2摻雜區(qū)1213與鐵電電容器122的上電極1340連接起來(lái)。導(dǎo)電部件1348貫穿開(kāi)孔1344將第4摻雜區(qū)1233與鐵電電容124的上電極1341連接起來(lái)。
圖16為具有與圖4相類似的電路圖的NVRAM單元140。圖16為與位線的一根位線的長(zhǎng)度平行的NVRAM單元的部分橫截面圖。在半導(dǎo)體基片1500中有一個(gè)n阱1501和一個(gè)P阱1502。場(chǎng)隔離區(qū)1503將晶體管141和142相互分開(kāi)。晶體管141包括柵極介質(zhì)層1511、作為柵電極導(dǎo)電部件1522和作為晶體管源/漏區(qū)的第1和第2摻雜區(qū)1524和1525。晶體管142包括柵介質(zhì)層1511、作為柵電極的導(dǎo)電部件1528，和作為晶體管源/漏區(qū)的第3和第4摻雜區(qū)1526和1527。柵電極1522起一根字線(WL)的作用，而柵電極1528起互補(bǔ)字線(WL)的作用。鄰近柵電極的是隔層1523，用形成摻雜區(qū)1524-1527中所用的工藝順序形成。第1和第2摻雜區(qū)1524和1525是P+區(qū)，第3和第4摻雜區(qū)1526和1527是N+區(qū)。在晶體管141和142上形成第1絕緣層1531。
在第1絕緣層1531上形成鐵電電容器143。鐵電電容器143包括作為NVRAM單元140的驅(qū)動(dòng)線的下電極層1541、作為鐵電電介質(zhì)的金屬氧化物介電層1542，和上電極層1543。開(kāi)孔1544貫穿上電極層1543、金屬氧化物介電層1542、下電極層1541，和第1絕緣層1531，直達(dá)第2和第3摻雜區(qū)1525和1526。絕緣隔層1545形成在開(kāi)孔1544中，絕緣隔層1547形成在開(kāi)孔1544中，絕緣隔層1547形成在開(kāi)孔1544的外部鄰接層1541-1543的位置上。導(dǎo)電部件1546位于上電極層1543之上并鄰接開(kāi)孔1544中的絕緣隔層1545的部位。導(dǎo)電部件1546使第2和第3摻雜區(qū)1525和1526與上電極層1543彼此電氣連接。
第2絕緣層1551形成在導(dǎo)電部件1546和第1絕緣層1531上。形成接觸孔，以露出部分第1和第4摻雜區(qū)1524和1527?；ミB區(qū)1552形成在第2絕緣層1551之上及接觸孔之中。起位線(BL)作用的互連區(qū)1552分別與晶體管141和142的第1和第4摻雜區(qū)1524和1527電氣連接。在互連區(qū)1552上形成鈍化層1553，構(gòu)成基本上完成的器件。若需要，還可以形成其他層和電連接區(qū)(未畫(huà)出)。
NVRAM單元140包括另一個(gè)P溝道晶體管、一個(gè)n溝道晶體管、鐵電電容器和互補(bǔ)位線(BL)，但這些都未在圖16中示出。這些其他的元件的排列取自應(yīng)與圖16所示的元件排列取向類似，而且通常應(yīng)該是與互連區(qū)1552的長(zhǎng)度平行，并排在圖16所示元件的正前方或正后方。位線的長(zhǎng)度方向通常與這種排列取向相互平行。驅(qū)動(dòng)線的長(zhǎng)度方向通常垂直于位線。
NVRAM單元140不限于所表示的或所述的實(shí)施例。上述的其他NVRAM單元適合的許多方案也能用于NVRAM單元140。
DRAM單元可以用本發(fā)明形成DRAM單元中的金屬氧化物電容器。圖5為DRAM單元的電路圖。用目測(cè)就可發(fā)現(xiàn)該DRAM單元的實(shí)施例的橫截面圖與圖14所示的NVRAM單元100大致相同。應(yīng)該注意，在DRAM單元的正常工作溫度范圍內(nèi)DRAM單元的電容器不應(yīng)有鐵電特性。用高介電常數(shù)的電容器代替鐵電電容器105，而且不對(duì)金屬氧化物層進(jìn)行處理，使其在DRAM單元的正常工作溫度范圍內(nèi)獲得鐵電特性。金屬氧化物介電層可以包括在高介電常數(shù)電容器部分已描述過(guò)的那些材料中的任何一種材料。盡管為了形成高介電常數(shù)介電層可能需要進(jìn)行退火處理，但也可以不進(jìn)行熱處理而使金屬氧化物介電層具有鐵電特性。
絕緣隔層116的材料選擇取決于金屬氧化物介電層所用的材料和將使絕緣隔層暴露出來(lái)的熱循環(huán)。如果金屬氧化物介電層115含鉛，并且絕緣隔層116被暴露在高于約500℃的溫度下，絕緣隔層116應(yīng)該是不含硅的材料，如TiO2、Ta2O5、MgO和類似物。此外，絕緣隔層可以是含硅材料，例如二氧化硅、氮化硅和類似物。
在上面的說(shuō)明中，已結(jié)合具體的實(shí)施例敘述了本發(fā)明。然而，很明顯，能對(duì)這些實(shí)施例作多種改進(jìn)和改變而不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和所附權(quán)利要求書(shū)中要求保護(hù)的范圍。而且，本說(shuō)明書(shū)和附圖僅用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明而不是限制。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其特征在于包括電路元件(11，103，1525，1526)；覆蓋在電路元件(11，112，1525，1526)上的電容器，其中，電容器包括電極層(13，106，1541)和覆蓋在電極層(13，106，1541)上的金屬氧化物介電層(14，115，1542)；以及覆蓋在介電層(14，115，1542)上的導(dǎo)電部件(161，117，1546)，該導(dǎo)電部件與電路元件(11，112，1525，1526)電連接，導(dǎo)電部件(61，117，1546)貫穿電容器的電極層(13，106，1541)和電介質(zhì)層(14，115，1542)。
2.按權(quán)利要求2的器件，其中，金屬氧化物介質(zhì)層(14，115，1542)包括選自下列材料組的材料，該材料組包括五氧化二鉭、鈦酸鋯、鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇、鈦酸鍶、鈦酸鉍、鈦酸鋯酸鉛，和摻鑭的鈦酸鋯酸鉛。
3.按權(quán)利要求1的器件，其中，埋在下層的電路元件(112，1525，1526)是晶體管(103，141，142)的源/漏區(qū)。
4.按權(quán)利要求1的器件，其中，導(dǎo)電部件(61，117，1546)包括選自下列材料組的材料，該材料組包括硅、高熔點(diǎn)金屬和氮化鈦。
5.按權(quán)利要求1的器件、其特征還在于絕緣隔層(51，116，1545)鄰接導(dǎo)電部件(61，117，1546)、電容器，和電路元件(11，112，1525，1526)，其中，絕緣隔層(51，116，1545)包括選自高熔點(diǎn)金屬氧化物和氧化鎂構(gòu)成的材料組。
6.一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元(100，140)，其特征在于具有源/漏區(qū)(112，1525，1526)的晶體管(103，141，142);覆蓋在源/漏區(qū)(112，1525，1526)上的電容器，其中，電容器包括電極層(106，1541)和覆蓋在電極層(106，1541)上的金屬氧化物介電層(115，1542);和覆蓋在介質(zhì)層(115，1542)上的導(dǎo)電部件(117，1546)，該導(dǎo)電部件與源/漏區(qū)(112，1525，1526)電連接，導(dǎo)電部件(117，1546)貫穿電容器的電極層(106，1541)和介電層(115，1542)。
7.按權(quán)利要求6的存儲(chǔ)器單元，其中該存儲(chǔ)器單元是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元(50);和金屬氧化物介電層(115，1542)包括選自下列材料組的一種材料，該材料組包括五氧化二鉭、鈦酸鋯、鈦酸鍶鋇、鈦酸鍶、鈦酸鋯酸鉛，和摻鑭的鈦酸鋯酸鉛。
8.按權(quán)利要求6的存儲(chǔ)器單元，其中存儲(chǔ)器單元是非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元(100，140);和金屬氧化物介電層(115，1542)包括選自下列材料組的一種材料，該材料組包括鈦酸鍶鋇、鈦酸鋇、鈦酸鉍、鈦酸鋯酸鉛，和摻鑭的鈦酸鋯酸鉛。
9.按權(quán)利要求6的存儲(chǔ)器單元，其中，導(dǎo)電部件(117，1546)包括選自下列材料組的材料，該材料組包括硅、高熔點(diǎn)金屬，和氮化鈦。
10.按權(quán)利要求6的存儲(chǔ)器單元，其特征還在于絕緣隔層(116，1546)鄰接導(dǎo)電部件(117，1546)、電容器，和源/漏區(qū)(112，1525，1526)，其中，絕緣隔層(116，1545)包括選自下列材料組的一種材料，該材料組包括高熔點(diǎn)金屬氧化物和氧化鎂。
全文摘要
公開(kāi)了包括DRAM和NVRAM單元(100，140)的器件及其制造方法。形成一種帶有金屬氧化物介電層的電容器，電容器的上電極層與下層電路元件相連。電容器可以用來(lái)形成DRAM單元和NVRAM單元的存儲(chǔ)電容器。下層電路元件形成后，在電路元件上形成晶體管的源/漏區(qū)、金屬氧化物電容器。形成開(kāi)孔貫穿電容器并延伸到電路元件。形成絕緣隔層，并形成導(dǎo)電部件，這些導(dǎo)電部件將電路元件電氣連接到金屬氧化物電容器的上電極層。
文檔編號(hào)H01L29/792GK1108433SQ9411480
公開(kāi)日1995年9月13日 申請(qǐng)日期1994年7月25日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月2日
發(fā)明者羅伯特·E·瓊斯, 帕普·D·曼尼阿爾, 安德魯·C·埃貝爾, 雷薩·莫阿扎米 申請(qǐng)人:莫托羅拉公司