防止堆疊電容器的部件間相互作用的延伸溝槽的製作方法
2023-06-09 19:38:01
專利名稱：防止堆疊電容器的部件間相互作用的延伸溝槽的製作方法
本公開涉及半導體製造，特別涉及一種延伸溝槽，用於減小阻擋層和製造半導體存儲器的堆疊電容器所用的高介電常數材料間相互作用。
半導體存儲單元包括由電晶體存取從而存儲數據的電容器。數據根據電容器的狀態存為高或低位。在存取以讀取數據時，電容器有或沒有電荷表示高或低，電容器充電或放電將數據寫入。
堆疊電容器為半導體存儲器所用的多種電容器中的一種。堆疊電容器一般位於用於存取電容器的節點的電晶體的頂上，與埋置於器件襯底中的溝槽電容器相對。
半導體存儲器例如動態隨機存取存儲器(DRAM)中，高介電常數電容器形成工藝包括澱積高介電材料。一種高介電常數電容器中，在氧化氣氛中澱積高介電常數材料層，例如氧化鈦酸鍶鋇(BSTO)。
參見
圖1，該圖示出了具有堆疊電容器的結構2。堆疊電容器3包括由介質層18隔開的兩個電極，一般為鉑(Pt)的上電極或存儲節點4，和下電極12。存取電晶體5包括柵6，在被激活時，該柵通過位線接觸8將位線7耦合到栓塞14。栓塞14通過擴散阻擋層16連接到電極12，在電極12中存儲電荷。
電極12通過擴散阻擋層16與栓塞14隔開。栓塞14較好是多晶矽(polysilicon或poly)。處理期間，介質層18澱積在電極12上。介質層18一般是具有高介電常數的材料，例如BSTO。採用擴散阻擋層16防止電極12和擴散阻擋層16間形成氧化層。
如果各層材料相互作用，則會使介質層18和阻擋層16間材料性質退化。另外，如果每層中的化合物彼此接觸，則介質層18(BSTO)與擴散阻擋層16反應。對於圖1所示常規設計中兩種材料的給定接近度，這種反應發生並且使堆疊電容器3的特性退化的可能性增大。
因此，需要通過封閉阻擋層來防止由於處理和擴散造成的高介電常數層和阻擋層退化，從而提高堆疊電容器的電容。還需要一種通過增大下電極表面積來增大堆疊電容器的電容的方法。
根據本發明的堆疊電容器包括設置於連接存取器件的溝槽內的導電栓塞。阻擋層形成於該栓塞上，並設置於溝槽內。介質層形成於溝槽之上，穿通電介層形成有孔，從而至少露出阻擋層的一部分。第一電極形成於孔內，從孔延伸出。電容器介質層形成於第一電極上，隔開第一電極與第二電極，介質層和第一電極基本上防止了形成電容器介質層時所用的氧化環境與阻擋材料的化學作用。
根據本發明另一半導體存儲器的堆疊電容器包括設置於連接存取電晶體的溝槽內的導電栓塞。阻擋層形成於栓塞上，並設置於溝槽內。介質層形成於溝槽之上，穿通電介層形成孔，至少露出阻擋層的一部分。第一電極形成於孔內，從孔延伸，第一電極由導電材料形成，從而由於澱積導電材料，在導電層的上表面上形成曲線外形，這種曲線外形使第一電極上表面的表面積大於基本平坦的第一電極上表面的表面積。電容器介質層與第一電極的外形一致，隔開第一電極與第二電極，所說介質層和第一電極基本上防止了形成電容器介質層時所用的氧化環境與阻擋材料的化學作用。
在另一實施例中，介質層可以包括氮化物。電容器介質層可以包括氧化鈦酸鍶鋇。介質層中的孔有意或無意與溝槽不對準，這樣介質層的一部分在阻擋層上延伸，第一電極的一部分延伸到溝槽側壁之外。第一電極較好包括鉑。介質層厚較好為約20nm到約250nm。阻擋層較好至少包括TaN、CoSi、TiN、WSi和TaSiN中的一種。第一電極上表面的曲線外形較好是使堆疊電容器的電容比具有平坦上表面的第一電極增大約2.5％到約25％。
製造堆疊電容器的方法包括以下步驟提供溝槽內的栓塞和形成於栓塞上的阻擋層，所說溝槽形成於第一介質層中，在第一介質層和阻擋層上形成第二介質層，在第二介質層中構圖孔，至少露出阻擋層的一部分，在第二介質層上和所說孔中澱積導電層，構圖所說導電層，形成第一電極，在第一電極上形成電容器介質層，在電容器介質層上形成第二電極。
此外，構圖孔的步驟可以包括以下步驟，構圖與溝槽對不準的孔，從而介質層的一部分在阻擋層上延伸，第一電極的一部分延伸到溝槽側壁外。在第二介質層上和所說孔中澱積導電層的步驟可以包括導電層上表面上對應於孔的位置外形成曲線外形的步驟。構圖導電層形成第一電極的步驟可以包括形成包括上表面上曲線外形的第一電極的步驟。第一電極上表面的曲線外形較好是使堆疊電容器的電容比具有平坦上表面的第一電極增大約2.5％到約25％。形成第二介質層的步驟可以包括形成厚約20到約250nm的介質層的步驟。
從以下對本發明例示實施例的詳細介紹中，本發明的這些和其它目、特點及優點將變得更清楚，這些介紹可以結合附圖閱讀。
下面將結合各附圖詳細介紹優選實施例，各附圖中圖1是包括堆疊電容器和存取電晶體的現有技術存儲單元的剖面圖；圖2是具有形成於介質層中的溝槽和形成於溝槽中的導電栓塞的介質層的剖面圖；圖3是使栓塞凹下後圖2結構的剖面圖；圖4是澱積了阻擋層後圖3結構的剖面圖；圖5是平面化阻擋層和介質層後圖4結構的剖面圖；圖6是根據本發明在其上澱積附加介質層後圖5結構的剖面圖；圖7是展示根據本發明構圖成與溝槽側壁重合的附加介質層的圖6結構的剖面圖；圖8是展示根據本發明構圖成相對於溝槽側壁偏移的附加介質層的圖7結構的剖面圖；圖9是展示澱積於根據本發明結構上的導電層的圖8結構的剖面圖；圖10是展示根據本發明構圖形成具有曲線外形表面的第一或下電極的導電層的圖9所示結構的剖面圖；圖11是展示根據本發明在第一電極上澱積並構圖的高介電常數介質層的圖10結構的剖面圖；及圖12是展示根據本發明形成於高介電電容器介質層上的第二電極或上電極的圖11結構的剖面圖。
本公開涉及半導體器件的堆疊電容器，特別涉及一種延伸溝槽，用於減小阻擋層和製造形成半導體存儲器的堆疊電容器所用的高介電常數材料的氧化環境間的相互作用。延伸溝槽還可以防止阻擋層和高介電常數材料自身間的相互作用。本發明包括用於延伸溝槽的介質層，所說溝槽中包括栓塞和阻擋材料。有利的是介質層封閉阻擋材料，使之與堆疊電容器的上電極和下電極間澱積的高介電常數材料隔開。通過封閉阻擋層使之與高介電常數材料隔開，可以防止這些材料間的相互作用及由於這種相互作用造成的退化。由於該介質層用於延伸溝槽，所以在澱積下電極時，下電極包括曲線外形。該曲線外形增大了堆疊電容器的表面積，因而增大了堆疊電容器的電容。以下將更具體地介紹這種曲線外形。
現具體參見各附圖，各圖中類似的參考數字表示類似或相同的部件，圖2展示了本發明一個方案的堆疊電容器100。在介質層108中形成溝槽105，並於其中澱積導電材料，從而在介質材料108內形成栓塞106。通過例如化學機械拋光(CMP)平面化上表面。栓塞106較好是包括多晶矽材料，例如摻雜的多晶矽。介質層108可以包括氧化物，例如氧化矽。
參見圖3，較好是通過腐蝕使栓塞凹下。腐蝕工藝可以包括對於介質層108具有選擇性的幹法腐蝕。栓塞106凹下預定深度，以提供用於本方法下一步澱積阻擋層的區域。
參見圖4，使栓塞106凹下後，在栓塞106的上部和介質層108的上表面111上形成擴散阻攔層110或阻擋層110。擴散阻擋層110可以包括TaN、CoSi、TiN、WSi和TaSiN或類似材料。擴散阻擋層110利用所屬領域技術人員熟知的工藝澱積。擴散阻擋層110用於防止下電極104(圖10)和栓塞106間原子擴散。
參見圖5，從上表面111上去掉用於形成擴散阻擋層110的材料。在優選實施例中，利用化學機械拋光工藝平面化上表面111。擴散阻擋層110留在溝槽105中，因而擴散阻擋層110的上表面109基本上與介質層108的上表面111共平面。
參見圖6，根據本發明澱積附加的介質層112。介質層112可以包括例如氧化矽等氧化物、例如氮化矽等氮化物、或例如硼磷矽玻璃(BPSG)等玻璃。介質層112較好包括可以利用化學汽相澱積工藝(CVD)或等離子增強CVD(PECVD)工藝澱積的二氧化矽。介質層112的厚度較好為約20nm到約250nm。
參見圖7和8，構圖介質層112以延伸溝槽105。介質層112的構圖較好是利用所屬領域技術人員熟知的方法進行，例如，在介質層112上澱積光刻膠材料，掩蔽合適區域的光刻膠，將光刻膠暴露於紫外光中，並顯影光刻膠。然後，用該光刻膠作腐蝕掩模，在介質層112中形成孔114。如圖7所示，孔114可以與溝槽105的壁對準，即孔114與溝槽105同樣大。然而，在優選實施例中，如圖8所示，孔114可以偏移，與溝槽105不重合。介質112的孔114的這種偏移提供了重疊部分和非重疊部分，增大了對不準公差。根據本發明，介質層112中的孔114有效地延伸了溝槽105。
參見圖9，在孔114和介質層112的表面118上，澱積導電材料120，從而在擴散阻擋層110上形成下電極104(圖10)。儘管可以採用其它導電材料，例如銥(Ir)、釕(Ru)或氧化釕(RuO2)等，但導電材料120較好是由鉑構成。導電材料120較好是利用物理汽相澱積(PVD)工藝例如濺射或蒸發澱積工藝等澱積。導電材料120覆蓋介質層112，並填充孔114。結果，在孔114這上形成由導電材料120構成的曲線外形122。
參見圖10，構圖導電材料120，形成電極104。利用所屬領域技術人員熟知的技術進行構圖，例如光刻及隨後的腐蝕。電極104較好與孔114同心或對準，構圖電極104後，曲線外形122保留於電極104的上表面上。
參見圖11，在電極104上澱積並構圖高介電常數層102。高介電常數層102較好由氧化鈦酸鍶鋇(BSTO)構成。BSTO較好在高溫下澱積。然而，由於高溫會增加擴散，所以BSTO澱積溫度必須限制為減少例如氧等材料的擴散。然而，本發明中，有益的是，由於阻擋層110通過電極104與高介電常數層102封閉隔開，所以層102的澱積溫度可以提高，卻不會造成性能退化。處理和工作期間，介質層112和電極104可以阻止元素從高介電常數層102和/或從氧化澱積環境中擴散到阻擋層110，反之也如此。介質層112較好包括氮化矽，電極104較好包括鉑，兩種材料都具有優異的抗擴散性，因此減少了擴散。另外，由於第一區124和第二區126的界面偏移，所以元素從高介電常數層102和/或阻擋層110的擴散路徑，與現有技術相比明顯變長。
參見圖12，在高介電常數層102上形成上電極128。上電極128和下電極104構成本發明的堆疊電容器100。堆疊電容器100較好採用曲線外形122，以增大電極104和128的表面積。由此增大存儲器件的電容。例如，電容可以增大約2.5％到25％。此後，如所屬領域技術人員所了解的，進行完成堆疊電容器100結構的其它工藝。
以上介紹了防止堆疊電容器的部件間相互作用的延伸溝槽的優選實施例(這些實施例意在例示，而非限制)，應注意，所屬領域的技術人員在上述教導下可以做出改變和變化。因此，應理解，對所公開的本發明特定實施例的改變，都將落在由所附權利要求書所限定的範圍內。所以，具體介紹了本發明，這是專利法的特別要求，所要求專利保護的內容記載於所附的權利要求書中。
權利要求
1.一種堆疊電容器，包括設置於溝槽內連接到存取器件的導電栓塞；形成於栓塞上且設置於溝槽內的阻擋層；形成於溝槽之上的介質層，穿通該介質層形成有孔，以至少露出阻擋層的一部分；形成於所說孔內並從孔延伸出的第一電極；形成於第一電極上隔開第一電極與第二電極的電容器介質層；介質層和第一電極基本上防止了與阻擋層材料化學作用。
2.如權利要求1所述的堆疊電容器，其中介質層包括氮化物。
3.如權利要求1所述的堆疊電容器，其中電容器介質層包括氧化鈦酸鍶鋇。
4.如權利要求1所述的堆疊電容器，其中介質層中的孔與溝槽不對準，因而介質層的一部分在阻擋層上延伸，第一電極的一部分延伸到溝槽側壁外。
5.如權利要求1所述的堆疊電容器，其中第一電極包括鉑。
6.如權利要求1所述的堆疊電容器，其中介質層厚為約20nm到約250nm。
7.如權利要求1所述的堆疊電容器，其中阻擋層至少包括TaN、CoSi、TiN、WSi和TaSiN中的一種。
8.一種半導體存儲器的堆疊電容器，包括設置於溝槽內連接存取電晶體的導電栓塞；形成於栓塞上並設置於溝槽內的阻擋層；形成於溝槽之上的介質層，穿通該電介層形成有孔，至少露出阻擋層的一部分；形成於孔內並從孔延伸的第一電極，第一電極由導電材料形成，從而由於澱積導電材料，在導電層的上表面上形成曲線外形，這種曲線外形使第一電極上表面的表面積大於基本平坦的第一電極上表面的表面積；外形與第一電極的外形一致且隔開第一電極與第二電極的電容器介質層；所說介質層和第一電極基本上防止了與阻擋層的化學作用。
9.如權利要求8所述的堆疊電容器，其中介質層包括氮化物。
10.如權利要求8所述的堆疊電容器，其中電容器介質層包括氧化鈦酸鍶鋇。
11.如權利要求8所述的堆疊電容器，其中介質層中的孔與溝槽不對準，從而介質層的一部分在阻擋層之上延伸，第一電極的一部分延伸到溝槽側壁外。
12.如權利要求8所述的堆疊電容器，其中第一電極包括鉑。
13.如權利要求8所述的堆疊電容器，其中介質層厚為約20nm到約250nm。
14.如權利要求8所述的堆疊電容器，其中阻擋層至少包括TaN、CoSi、TiN、WSi和TaSiN中的一種。
15.如權利要求8所述的堆疊電容器，其中第一電極上表面的曲線外形較好是使堆疊電容器的電容比具有平坦上表面的第一電極增大約2.5％到約25％。
16.一種製造堆疊電容器的方法，包括以下步驟提供溝槽內的栓塞和形成於栓塞上的阻擋層，所說溝槽形成於第一介質層中；在第一介質層和阻擋層上形成第二介質層；在第二介質層中構圖孔，至少露出阻擋層的一部分；在第二介質層上和所說孔中澱積導電層；構圖所說導電層，形成第一電極；在第一電極上形成電容器介質層；及在電容器介質層上形成第二電極。
17.如權利要求16所述的方法，其中構圖孔的步驟可以包括以下步驟構圖與溝槽不對準的孔，從而介質層的一部分在阻擋層上延伸，第一電極的一部分延伸到溝槽側壁外。
18.如權利要求16所述的方法，其中在第二介質層上和所說孔中澱積導電層的步驟包括在導電層上表面上對應於孔的位置處形成曲線外形的步驟。
19.如權利要求18所述的方法，其中構圖導電層形成第一電極的步驟包括形成包括上表面上的曲線外形的第一電極的步驟。
20.如權利要求19所述的方法，其中第一電極上表面的曲線外形是使堆疊電容器的電容比具有平坦上表面的第一電極增大約2.5％到約25％。
21.如權利要求16所述的方法，其中形成第二介質層的步驟可以包括形成厚約20nm到約250nm的介質層的步驟。
22.如權利要求16所述的方法，其中電容器介質層包括氧化鈦酸鍶鋇。
23.如權利要求16所述的方法，其中第一電極包括鉑。
24.如權利要求16所述的方法，其中阻擋層至少包括TaN、CoSi、TiN、WSi和TaSiN中的一種。
全文摘要
根據本發明的堆疊電容器包括設置於溝槽內的連接存取器件的導電栓塞。阻擋層形成於該栓塞上,並設置於溝槽內。介質層形成於溝槽之上,穿通電介層形成有孔,從而至少露出阻擋層的一部分。第一電極形成於孔內,從孔延伸出。電容器介質層形成於第一電極上,隔開第一電極與第二電極,所說介質層和第一電極基本上防止了阻擋層材料和電容器介質層材料及形成電容器介質層時所用的氧化環境間的化學作用。還涉及一種製造方法。
文檔編號H01L21/8242GK1256518SQ99126739
公開日2000年6月14日 申請日期1999年12月10日 優先權日1998年12月10日
發明者C·林, A·克諾爾 申請人:西門子公司