專利名稱：一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，且特別涉及一種金屬-絕緣體-金
屬(MIM)電容器的結(jié)構(gòu)與制造方法。
背景技術(shù)：
電容器可在金屬層或多晶硅之間建立。平面式電容器是為了簡化工藝，而 立體式電容器可減少電容器所占用的面積，該技術(shù)通常用于嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存 取存儲器(eDRAM)元件。
嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器元件由記憶單元陣列所組成，用于執(zhí)行兩個(gè)基 本的工作，其中晶體管控制數(shù)據(jù)資料讀取，電容器則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)資料的儲存，二 進(jìn)制的數(shù)據(jù)以電荷的形式存儲在動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器元件的電容器中。由于漏 電流的因素，嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器必須在一定的時(shí)間間隔對存儲器的內(nèi) 容做讀取與補(bǔ)充的動(dòng)作，所以儲存的信息有時(shí)間周期的限制。典型的嵌入式動(dòng) 態(tài)隨機(jī)存取存儲器結(jié)構(gòu)為晶體管的一端接電容器，而電容器的另一端則接上參 考電壓。
通常嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器用的電容器稱之為金屬-絕緣體-金屬電 容器。電容器的電容量與絕緣體的面積、厚度以及介電常數(shù)有關(guān)，為了增加電 容容量，絕緣層最好具有高介電常數(shù)(k值)。然而在卯納米和65納米的工 藝技術(shù)中，絕緣體的厚度一般在100埃以下，而在可靠性測試中，具有該厚度 的高介電常數(shù)電容器僅能勉強(qiáng)通過單位時(shí)間對電介質(zhì)擊穿(time dependent dielectric breakdown; TTDB)的測試。在下一代的集成電路中，高介電常數(shù)絕 緣體的厚度將會持續(xù)下降，這會進(jìn)一歩降低電容器的壽命，電容器也許無法通 過單位時(shí)間對電介質(zhì)擊穿的測試。從另一個(gè)角度來說，需要新的電容器結(jié)構(gòu)和 制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，并具體 提供一種形成電容器的方法，該方法可以改進(jìn)金屬-絕緣體-金屬電容器的可靠 性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法包括形成底 電極，接著在含氧環(huán)境中處理底電極，轉(zhuǎn)化底電極的上層部分以形成緩沖層， 再于該緩沖層上形成絕緣層，然后形成上電極覆蓋于絕緣層上。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，依照本發(fā)明的另一方面，提出一種形成電容器的方法 包括形成一底電極，接著在含有氧環(huán)境中退火底電極，轉(zhuǎn)化底電極的上層部 分以形成緩沖層，其中含氧的環(huán)境包含氣體或等離子體與其結(jié)合物，等離子體 選自于基本上由氧氣或和臭氧所組成的族群，再于該緩沖層上形成絕緣層，然 后形成上電極覆蓋于絕緣層上。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，依照本發(fā)明的又一方面，提出一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的 方法包括提供一半導(dǎo)體襯底，接著在半導(dǎo)體襯底的表面形成晶體管。其中晶 體管包含一個(gè)柵極于半導(dǎo)體襯底上，以及漏極和源極分別鄰近柵極。接著形成 一第一內(nèi)層電介質(zhì)層(ILD)于晶體管上，并在第一內(nèi)層電介質(zhì)層中形成一第 一接觸與一第二接觸，其中第一接觸與第二接觸分別電性連接漏極和源極。再 形成第二內(nèi)層電介質(zhì)層于第一內(nèi)層電介質(zhì)層上，然后形成開口于第二個(gè)內(nèi)層電 介質(zhì)層中，并在開口處形成電容器。而形成電容器的步驟包括形成底電極層 連接至第一接觸，接著形成光刻膠層于底電極層上，圖案化底電極層以形成底 電極，接著灰化光刻膠層，再于含氧的氣體或等離子體中處理底電極以轉(zhuǎn)化金 屬氮化物的上層部分形成緩沖層，接著形成絕緣層于緩沖層上，以及形成上電 極覆蓋于絕緣層上。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，依照本發(fā)明的又一方面，提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括 一具有含金屬氮化物的底電極， 一含有金屬氮氧化物的緩沖層位于底電極上， 其中緩沖層和底電極含有相同的金屬，緩沖層厚度大于約50埃， 一絕緣層形 成于緩沖層上，以及一上電極覆蓋于絕緣層上。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，依照本發(fā)明的又一目的，提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括 一位線和一晶體管。其中晶體管包括柵極、漏極和源極，其中漏極和源極分別 鄰近柵極，并將源極連接位線。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括 一第一內(nèi)層電介質(zhì)層位于晶體管上， 一第一接觸與一第二接觸形成于第一內(nèi)層電介質(zhì)層中，其中第一接 觸與第二接觸分別連接漏極和源極， 一第二內(nèi)層電介質(zhì)層位于第一 內(nèi)層電介質(zhì) 層上， 一開口位于第二內(nèi)層電介質(zhì)層中，以及一電容器位于開口處。其中電容 器包括含金屬氮化物的底電極，而底電極可選擇性連接源極或是漏極， 一含有 金屬氮氧化物的緩沖層位于底電極上，其中緩沖層和底電極含有相同的金屬， 緩沖層厚度大于約50埃， 一絕緣層位于緩沖層上，以及一上電極覆蓋于絕緣
層上o
本發(fā)明具有改進(jìn)金屬-絕緣體-金屬電容器的可靠性的優(yōu)點(diǎn)。


為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一
較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下
圖1-8是依照本發(fā)明一較佳實(shí)施例的一種皇冠型金屬-絕緣體-金屬電容器 的制造流程剖面圖9為平面電容器的剖面圖。主要元件符號說明
1:晶體管2:襯底
4:柵極6:柵極電極
8:漏極10:源極
12:內(nèi)層電介質(zhì)層14、16:接觸
17:蝕刻終止層18:內(nèi)層電介質(zhì)層
19:開口21:底電極層
211:金屬層212:金屬氮化物層
22:底電極23:光刻膠
24:緩沖層、242:界面層
30:絕緣層32:上電極
38:上電極接觸40:底電極接觸
42:虛線Ti、T2、 T3:厚度
具體實(shí)施例方式
一種金屬-絕緣體-金屬電容器的形成包括沉積以及圖案化底電極、絕緣層 與上電極。發(fā)明人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)灰化光刻膠使底電極圖案化，會對金屬-絕緣 體-金屬電容器的底電極的表面情況造成不良的影響，這會導(dǎo)致金屬-絕緣體-金屬電容器性能變差?；谠搯栴}，進(jìn)而提供新的金屬-絕緣體-金屬電容器結(jié) 構(gòu)以及制造方法。以下為本發(fā)明的各種實(shí)施例，附圖標(biāo)記中相同的號碼代表相 同的元件。
請參照圖1-8，其示出依照本發(fā)明一較佳實(shí)施例的一種皇冠形式的金屬-絕緣體-金屬電容器的制造流程剖面圖。請參照圖l，該結(jié)構(gòu)一開始包括襯底2 以及晶體管1形成于襯底2表面上，其中晶體管1包含漏極8、源極10、柵極 4和柵極電極6。 一個(gè)接觸蝕刻終止層(圖中未標(biāo)示)可形成在晶體管1上方， 接著一內(nèi)層電介質(zhì)層(inter-layerdielectric; ILD) 12形成于晶體管1上，其中 內(nèi)層電介質(zhì)層12可包含硼磷硅玻璃(borophosphosilicate glass; BPSG)、 二氧 化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、含碳低介電常數(shù)電介質(zhì)以及其它合適的材 料。然后接觸14和接觸16形成于內(nèi)層電介質(zhì)層12中，分別連接漏極8與源 極10。
蝕刻終止層17于內(nèi)層電介質(zhì)層12之上，接著于其上形成內(nèi)層電介質(zhì)層 18，也被稱之為皇冠形氧化物(crown oxide)。盡管一般內(nèi)層電介質(zhì)層18的材 料可使用低介電常數(shù)的材料，不過內(nèi)層電介質(zhì)層18的材料亦可使用氧化物， 例如可為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition; PE-CVD)氧化物或高密度等離子體(high-densityplasma; HDP) 氧化物。而內(nèi)層電介質(zhì)層18厚度l在800埃至20000埃之間為佳，在7000 埃左右為最佳。然而對一本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，說明書中所示例的尺寸只是 例舉出運(yùn)用在集成電路制造方面的相關(guān)技術(shù)，其可根據(jù)集成電路的尺寸規(guī)格的 改變而變化?；瘜W(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polish; CMP)終止層(圖 中未標(biāo)示)可選擇性形成于內(nèi)層電介質(zhì)層18上，然后形成開口 19,并暴露接 觸14。
圖2A和圖2B所示為形成一底電極層21。底電極層21為一含金屬的導(dǎo) 電性層為佳，其中導(dǎo)電性金屬選自由鈦、鉭、鈷、鎢、鋁及其金屬結(jié)合物所組 成的族群。在此較佳具體實(shí)施例中，底電極層21使用原子層沉積(atomic-layerdeposition; ALD)法或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉禾只(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)法或其相似技術(shù)所形成為佳，而底電極層21的厚度T2 可介于約50埃至約400埃之間。
依照本發(fā)明一實(shí)施例，請參照圖2A，其中底電極層21為金屬氮化物層， 或是請參照圖2B，底電極層21的形成可包括形成金屬層2h，接著氮化金屬 層21卜結(jié)果，金屬層2h的部分表層會被氮化以形成金屬氮化物層212，并殘 留金屬層2h的底層部分。在其它的實(shí)施例中，金屬層21,實(shí)質(zhì)上全部被氮化。
請參照圖3，施加一光刻膠23。圖4A及圖4B，圖案化底電極層21。在 一實(shí)施例中，執(zhí)行一化學(xué)機(jī)械拋光以移除超出的光刻膠23和底電極層21，直 到暴露出內(nèi)層電介質(zhì)層18或選擇性形成的化學(xué)機(jī)械拋光終止層(未標(biāo)示)。請 參照圖4A所示，在內(nèi)層電介質(zhì)層18上的部分底電極層21因而被移除并留下 底電極22。在另一實(shí)施例中亦可先圖案化光刻膠23，再對暴露出的部分底電 極層21進(jìn)行蝕刻，形成如圖4B所示的結(jié)構(gòu)。
請參照圖5，使用灰化的方式移除光刻膠23。依照本發(fā)明一較佳實(shí)施例， 此灰化工藝在一氧等離子體中執(zhí)行，以ICP (美商得升科技的商標(biāo))產(chǎn)生氧等 離子體用于灰化為佳。而灰化的溫度最好是低于攝氏300度，依照本發(fā)明一較 佳的實(shí)施例中，灰化的溫度為攝氏100度左右，或是使用Hiland (美商得升科 技的商標(biāo))灰化為佳。
灰化期間由于氧等離子體存在，界面層2^在失控的狀態(tài)下形成，并對于 金屬-絕緣體-金屬電容器的性能造成不佳的影響。依照本發(fā)明一更佳的實(shí)施例 中，通過在低溫狀態(tài)下操作ICP設(shè)備或Hiland設(shè)備，可使界面層24,的厚度減 少，其中界面層24,的厚度小于約15埃為佳。更佳的是用無氧工藝除去光刻 膠23，則不會形成界面層24p
請參照圖5，處理底電極22，然后底電極22的上層部分轉(zhuǎn)化成界面層242。 假如以金屬氮化物形成底電極22，則界面層242可能包括金屬氮氧化物，其中 界面層2+與界面層242都被歸類為緩沖層24。更好的處理方式還包括底電極 22的氧化。依照本發(fā)明一較佳實(shí)施例，以氮化鈦形成底電極22，因此形成氮 氧化釹的底電極22，使緩沖層24的厚度T3大于50埃，而更佳的厚度是介于 50埃至300埃之間。
依照本發(fā)明一實(shí)施例，底電極22浸泡在臭氧中進(jìn)行處理。在一較佳實(shí)施例中，在一反應(yīng)室中形成前述段落所描述的結(jié)構(gòu)，而臭氧以一較大的流動(dòng)率引
入反應(yīng)室中，舉例來說，每分鐘流動(dòng)率超過500毫升，所以造成底電極22的 上層部分被氧化。在此實(shí)施例中，底電極22是以金屬氮化物形成，其中金屬 氮化物轉(zhuǎn)化成金屬氮氧化物(緩沖層24)。反應(yīng)室最好控制臭氧的壓力介于約 l托耳至20托耳之間，最好可在室溫或溫度略高于室溫下進(jìn)行處理，處理的 時(shí)間間隔可介于約30秒至10分鐘之間。
依照本發(fā)明一實(shí)施例，最好在含氧環(huán)境中進(jìn)行熱處理，其中反應(yīng)溫度高于 攝氏300度，最好是大約介于攝氏100度至攝氏500度之間。依照本發(fā)明一實(shí) 施例，在一反應(yīng)室中進(jìn)行處理為佳，而臭氧是以每分鐘流動(dòng)率介于約500毫升 至15000毫升間引入反應(yīng)室中。在另一實(shí)施例中，或是使用氧氣或其它反應(yīng)氣 體，例如可為一氧化二氮。處理時(shí)間最好是介于30秒至IO分鐘之間，并可根 據(jù)氧化速率調(diào)整處理時(shí)間。
上述所討論的本發(fā)明實(shí)施例中，因?yàn)槭峭ㄟ^氧化底電極22來形成緩沖層 24，因此其中無論是底電極22或是緩沖層24中，氮原子和金屬原子的比例大 體上相同。
請參照圖6，在緩沖層24上形成絕緣層30，其中絕緣層30的介電常數(shù)(k 值)最好大于3.9，因此絕緣層30亦可稱為高介電常數(shù)層30。依照本發(fā)明一 實(shí)施例，高介電常數(shù)層30包括高介電常數(shù)的金屬氧化物，例如可為二氧化鉿、 三氧化二鋁、二氧化鋯、五氧化二鉭以及其結(jié)合物。通過原子層沉積(ALD) 技術(shù)、分子束外延(MBE)技術(shù)、化學(xué)汽相沉積(CVD)法以及其它合適的 技術(shù)形成高介電常數(shù)層30，其中高介電常數(shù)層30的厚度最好小于100埃。
圖7示出上電極32的形成。上電極32的形成所用的主要材料和底電極 22相同，但亦可使用不同材料和工藝方式，其中上電極32的厚度介于50埃 至1000埃之間為佳。然后圖案化絕緣層30與上電極32。
上述所討論的本發(fā)明實(shí)施例中， 一皇冠式金屬-絕緣體-金屬電容器被形 成。圖9描繪一平面式金屬-絕緣體-金屬電容器，包括底電極22、緩沖層24、 絕緣層30以及上電極32，其中底電極22與緩沖層24的形成以采用和上述討 論相同的工藝方式為佳。
請參照圖9，上電極接觸38與底電極接觸40分別覆蓋在上電極32與底 電極22之上。依照本發(fā)明一實(shí)施例，底電極接觸40可陷入緩沖層24中。事實(shí)上金屬氮氧化物(如氮氧化鈦)比起金屬氮化物(如氮化鈦)有較高的電阻
性。底電極接觸40可穿過緩沖層24并實(shí)質(zhì)接觸底電極22，請參照圖9以虛 線42表示的。
由本發(fā)明較佳實(shí)施例可知，本發(fā)明具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。金屬-絕緣體-金屬電容 器己知的工藝和方法，例如原子層沉積法與金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法， 一般是 運(yùn)用在形成金屬-絕緣體-金屬電容器的底電極。在微工藝集成電路，這些方法 會導(dǎo)致底電極的表面平坦度不佳而造成絕緣層無法更薄。不過緩沖層的形成是 可以掌控的，由此改善底電極22與絕緣層30之間的界面。如此一來，可降低 底電極的表面粗糙度。
依照本發(fā)明較佳的實(shí)施例，本發(fā)明具有改善金屬-絕緣體-金屬電容器壽命 的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中對第一組電容器和第二組電容器做比較，其中第一組電容器的 底電極22是經(jīng)過臭氧退火形成，第二組電容器則沒有經(jīng)過臭氧退火形成，在 單位時(shí)間對電介質(zhì)擊穿的測試中，第一組電容器的壽命約為第二組電容器壽命 的兩倍以上。另一實(shí)驗(yàn)中，第三組電容器和第四組電容器分別在有臭氧和無臭 氧的環(huán)境中退火，其中第三組電容容量約高出第四組電容容量6.6個(gè)百分比， 而且第三組電容器的正、負(fù)擊穿電壓分別高出第四組電容器的正、負(fù)擊穿電壓 約15.4個(gè)百分比及25.9個(gè)百分比。因此推斷出一個(gè)結(jié)論，就是由上述本發(fā)明 一較佳實(shí)施例所形成的金屬-絕緣體-金屬電容器的性能優(yōu)于已知的金屬-絕緣 體-金屬電容器。
雖然本發(fā)明已以一較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何 本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的改變與變 形，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。
10
權(quán)利要求
1、一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括形成一底電極；在一含氧環(huán)境中處理該底電極以將該底電極的上層轉(zhuǎn)化成一緩沖層；形成一絕緣層于該緩沖層上；以及形成一上電極覆蓋于該絕緣層上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求第1所述的形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，處理 該底電極的歩驟至少包含將該底電極浸泡在一含臭氧的環(huán)境中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求第2所述的形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在該 含臭氧的環(huán)境中，臭氧每分鐘流動(dòng)率超過500毫升。
4、 根據(jù)權(quán)利要求第2所述的形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，浸泡 該底電極的步驟在室溫下完成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求第1所述的形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，處理 該底電極的步驟至少包含熱處理該底電極。
6、 根據(jù)權(quán)利要求第1所述的形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，處理 該底電極的步驟至少包含等離子體處理。
7、 根據(jù)權(quán)利要求第1所述的形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該緩 沖層毗連該底電極以及該絕緣層，并且該絕緣層毗連該上電極。
8、 根據(jù)權(quán)利要求第l所述的形成一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，還 包括形成一光刻膠于該底電極上；圖案化該底電極；以及在處理該底電極的步驟前灰化該光刻膠。
9、 根據(jù)權(quán)利要求第8所述的形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，經(jīng)由 灰化的步驟形成一界面層，并且該界面層厚度小于15埃。
10、 根據(jù)權(quán)利要求第8所述的形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在 無氧環(huán)境中執(zhí)行灰化的步驟。
11、 一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該形成該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方 法包括提供一半導(dǎo)體襯底；形成一晶體管于一半導(dǎo)體襯底的表面，其中該晶體管至少包含一柵極位于該半導(dǎo)體襯底上，以及一漏極和一源極鄰近該柵極； 形成一第一 內(nèi)層電介質(zhì)層于該晶體管上；形成一第一接觸與一第二接觸于該內(nèi)層電介質(zhì)層中，其中該第一接觸與 該第二接觸分別連接該漏極和該源極；形成一第二內(nèi)層電介質(zhì)層于該第一內(nèi)層電介質(zhì)層上； 形成一開口于該第二內(nèi)層電介質(zhì)層；以及 形成一電容器于該開口中，至少包括形成一底電極層電性連接至該第一接觸；形成一光刻膠于該底電極層上；圖案化該底電極層以形成一底電極；灰化該光刻膠；在一含氧的氣體或等離子體中處理該底電極以轉(zhuǎn)化一金屬氮化物的 上層部分成為一緩沖層；形成一絕緣層于該緩沖層上；以及 形成一上電極于該絕緣層上。
12、 根據(jù)權(quán)利要求第ll所述的形成半導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，處理 步驟至少包括將該底電極浸泡于一含臭氧的環(huán)境中。
13、 根據(jù)權(quán)利要求第ll所述的形成半導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，處理 的步驟至少包括在一含氧的環(huán)境中熱處理該底電極。
14、 根據(jù)權(quán)利要求第ll所述的形成半導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在低 于攝氏300度的環(huán)境中執(zhí)行灰化該光刻膠的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括形成一底電極，接著在含氧環(huán)境中處理該底電極以將底電極的上層部分轉(zhuǎn)化形成緩沖層，再于該緩沖層上形成一絕緣層，然后形成上電極覆蓋于絕緣層上。
文檔編號H01L21/8242GK101330003SQ200810085960
公開日2008年12月24日 申請日期2008年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月20日
發(fā)明者劉源鴻, 吳志達(dá), 張舒雯, 徐晨祐, 李正德, 杜友倫, 林杏蓮, 王從建, 王郁仁, 羅際興, 蔡嘉雄, 蔡明志, 陳佳麟 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司