專利名稱：半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件中集成電路的制造方法，尤其涉及一種半導(dǎo)體器件中電容器的制造方法。
背景技術(shù)：
存儲(chǔ)器件的集成度，尤其是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)，持續(xù)地在增加，而貯存信息基本單元的存儲(chǔ)器單元(cell)面積明顯減少。
存儲(chǔ)器單元面積減少引起單元電容面積的額外降低，因此降低感測(cè)極限和感測(cè)速度。并且導(dǎo)致由α-粒子所產(chǎn)生軟誤差(soft error)的耐久性降低的其它問(wèn)題。因此，發(fā)展出一種在限定的面積內(nèi)獲致足夠的電容量的方法是必須的。
電容器的電容量由下列的數(shù)學(xué)方程式所定義C＝ε·As/d (方程式1)其中，ε，As和d分別表示介電常數(shù)、電極的有效表面積和電極間的距離。
因此，已有數(shù)種已知的方法藉增加電極表面積、減少介電薄層的厚度及增加介電常數(shù)，來(lái)增加電容器的電容量。
在這些方法中，增加電極的表面積是首要的考慮。不同形式的三維結(jié)構(gòu)電容器，如凹面狀、圓柱狀、多層鰭狀等，其目的在于在有限的面積內(nèi)增加電極的有效面積。然而，當(dāng)半導(dǎo)體器件的集成度變得非常高，此方法會(huì)面臨電極的有效面積無(wú)法充分地增加的額外限制。
同時(shí)，由于漏電流隨介電薄層厚度減少而增加，所以其它藉減少介電材料的厚度來(lái)使兩電極間的距離(d)最小化的方法也受到限制。
因此，最新的趨勢(shì)主要是增加介電薄層的介電常數(shù)，因而使電容器獲致充分的電容量。傳統(tǒng)制造的電容器將氧化硅層或氮化硅層用作介電薄層。然而，現(xiàn)今更多的電容器使用金屬層-絕緣層-多晶硅層(以下簡(jiǎn)為MIS)結(jié)構(gòu)，其中使用如氧化鉭(Ta2O5)的高K值介電材料當(dāng)作介電薄層。
圖1為顯示半導(dǎo)體器件中具圓柱狀結(jié)構(gòu)電容器的典型制造方法的剖面圖。
參照?qǐng)D1，層間絕緣層12形成于預(yù)先構(gòu)造有有源區(qū)11的襯底10上，接著形成穿過(guò)層間絕緣層12且接觸到襯底10的有源區(qū)11的接觸孔。其次，將接觸孔填滿導(dǎo)電材料，形成接觸插塞13。在接觸插塞13的頂部，形成具有用于形成電容器的尺寸的電容器絕緣層。
其次，電容器絕緣層被選擇性地蝕刻，以露出接觸插塞13并形成電容器孔。
多晶硅下層電極14在電容器孔洞內(nèi)部形成，且電容絕緣層接著被移除。在形成多晶硅下層電極14后，藉由使用氮化硅(Si3N4)等離子體氣體或快速熱處理來(lái)氮化多晶硅下層電極14的表面，以形成氮化物層15。
于氮化物層15上形成Ta2O5層作為介電薄層16，且一上層電極17接著覆蓋上去。
在此，在形成用于形成介電薄層16的Ta2O5層之前，多晶硅下層電極14的表面用Si3N4等離子體氣體所氮化。事先氮化旨在氧氣氛下執(zhí)行熱處理時(shí)防止氧氣貫穿進(jìn)入且氧化多晶硅下層電極14，以改善介電常數(shù)。
當(dāng)高集成度更進(jìn)一步地實(shí)施于半導(dǎo)體器件，尤其是當(dāng)電容器具凹面狀或圓柱狀的三維結(jié)構(gòu)時(shí)，以固定厚度氮化多晶硅下層電極14的表面是困難的。亦即，典型的等離子體工藝或快速熱處理無(wú)法使氮化物層在多晶硅下層電極14上穩(wěn)定地形成。
假如氮化物層無(wú)法適當(dāng)?shù)匦纬?，則氧氣將貫穿進(jìn)入電容器底層結(jié)構(gòu)，如多晶硅下層電極，且氧化底層結(jié)構(gòu)。此問(wèn)題最終會(huì)降低電容器制造的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種制造電容器的方法，其中在下層電極上穩(wěn)定地形成氮化物層，且獲致充分的電容量及改善的漏電流特性。
依照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種半導(dǎo)體器件中電容器的制造方法，包括下列步驟形成下層電極于襯底上；形成氮化物基第一介電薄層于下層電極上；藉由沉積Al2O3層，形成第二介電薄層于氮化物基第一介電薄層上；形成第三介電薄層于第二介電薄層上；以及形成上層電極于第三介電薄層上。


本發(fā)明的以上和其它目的和特征，可經(jīng)由下列連同附圖的優(yōu)選實(shí)施例的敘述而變得很明顯，其中圖1為顯示依現(xiàn)有技術(shù)制造半導(dǎo)體器件中的電容器的典型方法的剖面圖；以及圖2為顯示依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法的剖面圖。
附圖中的附圖標(biāo)記說(shuō)明如下10襯底11有源區(qū)12層間絕緣層 13接觸插塞14下層電極15氮化物層16介電薄層17上層電極20襯底21有源區(qū)22接觸插塞23層間絕緣層24下層電極25第一氮化物層26第二氮化物層27第二介電薄層28第三介電薄層29第三介電薄層具體實(shí)施方式
圖2為顯示依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法的剖面圖。
參照?qǐng)D2，層間絕緣層23形成于預(yù)先建構(gòu)有一有源區(qū)21的襯底20上；其后，形成一穿過(guò)層間絕緣層23且接觸到襯底20的有源區(qū)21的接觸孔。接觸孔接著填充導(dǎo)電材料以形成接觸插塞22。電容器絕緣層在接觸插塞22的頂部上形成得足夠高以形成電容器。在此，電容器絕緣層可使用氧化物層，如未摻雜的硅酸鹽玻璃、磷硅酸鹽玻璃、硼磷硅酸鹽玻璃等。
然后，電容器絕緣層被選擇性蝕刻，以露出接觸插塞22并形成電容器孔。
于電容器孔內(nèi)部，用于形成下層電極24的多晶硅層被沉積直到具有約100至約500范圍內(nèi)的厚度，且多晶硅層上形成的天然氧化物層藉由使用HF或緩沖氧化蝕刻劑(在后文中稱為BOE)清洗多晶硅層表面而去除。此時(shí)，可以使用NH4OH∶H2O2∶H2O2之比為1∶4∶20的NH4OH、H2O2及H2O2(SC-1)。
也可以通過(guò)以下方法來(lái)形成下層電極24，該方法即在沉積一摻雜多晶硅層到約50至約300厚、且沉積一非摻雜多晶硅層到約50至約300厚之后，通過(guò)在N2氣氛中，在約500℃至約700℃范圍內(nèi)的一溫度下?lián)诫sPH3而形成下層電極。接著，電容器絕緣層被去除。
一種增強(qiáng)式熔爐氮化(enhanced furnace nitride)(以下稱作EFN)工藝被實(shí)施，以按Si3N4的形式形成第一氮化物層25于多晶硅下層電極24上。隨即于EFN工藝后，熱處理在原位條件下在NH3氣體氣氛中進(jìn)行，其中溫度和壓力分別被維持在約500℃至約800℃和約1乇(Torr)至約30乇(Torr)的范圍內(nèi)。然后，NH3氣在上述溫度下再次被使用，以沉積一第二氮化物層26。第一和第二氮化物層25和26成為具有約5至約50的沉積厚度范圍的第一介電薄層。在此，EFN工藝是如下的一種工藝，該工藝經(jīng)由爐內(nèi)熱處理以Si3N4形式來(lái)氮化下層電極表面，接著在用于先前熱處理的相同溫度下在原位環(huán)境下，施加NH3氣以最后形成雙氮化物層。
在現(xiàn)有技術(shù)中，在0.1微米柵極線寬度中，快速熱處理(以下稱作RTP)或等離子體工藝通常被應(yīng)用以形成防止氧氣貫穿進(jìn)入下層電極和半導(dǎo)體器件中其它底層結(jié)構(gòu)的氮化物層。此時(shí)，用于獲得預(yù)設(shè)電容量的氧化層的厚度(后文中稱為Tox)應(yīng)當(dāng)大于約40.8。另一方面，若應(yīng)用EFN工藝形成氮化物層，只要Tox大于約34，也可以獲得特別需求的電容大小。
此外，若在EFN工藝后，再次進(jìn)行N2O等離子體工藝，則雖然Tox大于約30，但是也可獲致特別需求的電容大小。然而，在應(yīng)用N2O等離子體工藝后，漏電流特性通常比先前有更差的表現(xiàn)。即，將氮化物層形成于下層電極上，接著將Ta2O5層沉積于其上作為介電薄層。在沉積后接著進(jìn)行N2O等離子體工藝，且即使介電薄層的厚度相比于其它工藝的應(yīng)用(例如0.1微米柵極線寬度技術(shù)中的約30)有所減小，此N2O等離子體工藝的應(yīng)用仍可提供特別需求的電容大小。
雖有前述的優(yōu)點(diǎn)，但N2O等離子體工藝的應(yīng)用會(huì)使電容器的漏電流特性惡化。因此，取代使用N2O等離子體工藝，本發(fā)明采用一種通過(guò)沉積Al2O3層來(lái)沉積三層介電薄層的方法。
接著，具有較佳漏電流特性的Al2O3層藉由原子層沉積(以下稱作ALD)工藝，沉積在包括第一和第二氮化物層25和26的第一介電薄層上作為一第二介電薄層27，直到具有約20至約100的厚度。
更具體地，對(duì)于用于形成第二介電薄層27的Al2O3層沉積，晶片溫度設(shè)定在約200℃至約500℃的范圍，且反應(yīng)室的壓力維持在約0.1乇(Torr)至約1乇(Torr)。同時(shí)，(CH3)3Al氣體和NH3氣體分別用來(lái)當(dāng)作源氣體和運(yùn)送氣體。該(CH3)3Al氣體連同NH3氣體供應(yīng)持續(xù)約0.1秒至約數(shù)秒(如10秒)，以便在襯底20上被吸收。然后，以氮?dú)饬鹘?jīng)其上數(shù)秒(如由約0.1秒至約10秒)，以清洗未反應(yīng)的(CH3)3Al氣體。
再者，作為供應(yīng)氧氣主要來(lái)源的H2O氣體流經(jīng)襯底20約0.1秒至約數(shù)秒(如10秒)，接著氮?dú)饬鬟^(guò)數(shù)秒(如約0.1秒至約10秒)，以清洗未反應(yīng)的H2O氣體。
如上所述的ALD工藝重復(fù)運(yùn)用，直到獲致需要的厚度且形成第二介電薄層27。
接續(xù)用于形成第二介電薄層27的ALD工藝之后，第三介電薄層28通過(guò)沉積一厚度范圍在約30至約100之間的Ta2O5層于第二介電薄層27上而形成。同時(shí)，溫度和壓力分別保持在約200℃至約500℃和約0.1乇(Torr)至約1.0乇(Torr)的范圍內(nèi)。Ta(C2H5O)5和O2特別用以形成Ta2O5介電層。其中，氧氣作為反應(yīng)氣體。同時(shí)，第三介電薄層28可使用如(Ba，Sr)TiO3的高K值介電材料，或如(Pb，Zr)TiO3，(Pb，La)(Zr，Ti)O3，SrBi2Ta2O9，Bi4-xLaxTi3O12等的鐵電材料。
在形成第三介電薄層28之后，熱處理在N2O或O2的氣氛下，在爐內(nèi)溫度維持在約500℃至約800℃的范圍內(nèi)實(shí)行。
后續(xù)的化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝被運(yùn)用，以連續(xù)地沉積TiN層和多晶硅層在第三介電薄層28上，用于形成上層電極29。接著，在N2氣氛下，在爐內(nèi)維持在約500℃至約700℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行活化退火處理(activation annealing process)。
于是，沉積氮化物層、Al2O3層和Ta2O5層的三層介電薄層于多晶硅下層電極上，這改善了電器容的介電常數(shù)，并藉由略去對(duì)漏電流特性不利的N2O等離子體工藝而改善了漏電流特性。
再者，使用Al2O3層當(dāng)作介電薄層明顯地增加了介電常數(shù)，因而明顯減少了電容器的Tox。綜觀如上，依本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，最終可以制造出具有高介電常數(shù)和更好的漏電流特性的高集成度電容器。
雖然本發(fā)明已經(jīng)以特定的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯然的是，可以在不偏離本發(fā)明所附權(quán)利要求所確定的范圍的情況下，作各種變化和修正。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件中的電容器的方法，包括下列步驟形成下層電極于襯底上；形成氮化物基第一介電薄層于下層電極上；藉由沉積Al2O3層于氮化物基第一介電薄層上來(lái)形成第二介電薄層；形成第三介電薄層于第二介電薄層上；以及形成上層電極于第三介電薄層上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，Al2O3層通過(guò)原子層沉積工藝沉積。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，原子層沉積工藝包括下列步驟在襯底上流過(guò)作為源氣體的(CH3)3Al氣體、以及NH3氣體約0.1秒至10秒；流過(guò)N2氣體約0.1秒至10秒以清除未反應(yīng)的(CH3)3Al氣體；流過(guò)作為向襯底提供氧的源的H2O氣體約0.1秒至10秒；以及流過(guò)N2氣約0.1秒至10秒以清除未反應(yīng)的H2O氣體。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，通過(guò)將晶片的溫度保持在約200℃至約500℃的范圍，且將反應(yīng)室的壓力維持在約0.1乇至約1乇的范圍，來(lái)進(jìn)行原子層沉積工藝。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，Al2O3層沉積來(lái)具有約20至約100的厚度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，形成氮化物基第一介電薄層的步驟包括通過(guò)熱處理在爐內(nèi)氮化下層電極的表面；以及使用NH3氣體于氮化的下層電極上沉積氮化物層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，氮化下層電極的表面和沉積氮化物層的步驟在溫度和壓力分別保持在約500℃至約800℃和約1乇至約30乇的范圍內(nèi)的情形下進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件中電容器的制造方法，尤其涉及可穩(wěn)定地在下層電極上形成氮化物層，并獲得穩(wěn)定的電容量和漏電流特性的改善的電容器的制造方法。本發(fā)明用于制造電容器的方法包括步驟在襯底上形成下層電極；在下層電極上形成氮化物基第一介電薄層；在氮化物基第一介電薄層上，藉沉積Al
文檔編號(hào)H01L21/314GK1467823SQ0312255
公開日2004年1月14日 申請(qǐng)日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月21日
發(fā)明者樸鐘范, 吳勛靜, 金京民 申請(qǐng)人:海力士半導(dǎo)體有限公司