專利名稱：溝槽電容器的低阻硅化物填充物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到集成電路器件的溝槽電容器，特別是用于動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)單元的電容器以及含有這種電容器的新型存儲器件的制造和設(shè)計。
通常，諸如動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)單元之類的半導(dǎo)體存儲器件包含多個用來存儲大量信息的存儲器單元。每個存儲器單元通常包括用來存儲電荷的電容器和用來開啟和關(guān)閉電容器的充電和放電路徑的場效應(yīng)晶體管(FET)。DRAM集成電路芯片的單元數(shù)目(以及相應(yīng)的存儲器容量的位數(shù))一直以每三年提高大約四倍的速度而增加；借助于減小存儲器單元的尺寸而做到了這一點。不幸的是，較小的單元尺寸也導(dǎo)致用以制造電容器的面積更小。
而且，隨著DRAM單元的尺度一代一代地下降，深溝槽存儲電容器的截面面積，在溝槽深度保持大致恒定的情況下，反比于基本尺度的平方而減小。溝槽幾何形狀的這一改變導(dǎo)致由深溝槽中所含有的多晶硅電極所貢獻的串聯(lián)電阻大幅度增大。這一增大的電阻反過來可能有害地限制相應(yīng)存儲器單元的存取速度。
降低DRAM溝槽電容器串聯(lián)電阻的一種方法是提高深溝槽多晶硅的摻雜濃度。但此方法只勉強地降低串聯(lián)電阻，因而在尺度降低了的DRAM單元的制造中的適用性很有限。
于是，一直希望有一種能夠更有效地解決溝槽電容器和含有這種電容器的器件(例如DRAM芯片)中的串聯(lián)電阻問題的新的制造工藝和/或設(shè)計。
本發(fā)明提供了溝槽電容器結(jié)構(gòu)和制造溝槽電容器的方法，其中對于給定的溝槽幾何形狀，深溝槽電極的分布串聯(lián)電阻被顯著地降低了。
本發(fā)明提供了溝槽電容器結(jié)構(gòu)和制造溝槽電容器的方法，其中對于給定的溝槽幾何形狀，深溝槽電極的串聯(lián)電容被顯著地提高了。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能夠用于常規(guī)DRAM和新型存儲器單元器件的溝槽電容器結(jié)構(gòu)。
在一種情況下，本發(fā)明包含一種工藝，其中在溝槽電容器的底部溝槽區(qū)制作難熔金屬硅化物材料。溝槽最好是瓶狀的。本發(fā)明的工藝最好包含(a)填充半導(dǎo)體襯底中的存儲溝槽，此溝槽具有窄的頂部區(qū)和寬的底部區(qū)，而多晶硅層在溝槽的寬的底部區(qū)留下空洞；(b)對步驟(a)制得的結(jié)構(gòu)進行整平；(c)對溝槽的窄的頂部區(qū)中的多晶硅層開凹槽，使溝槽的寬的底部區(qū)中的空洞暴露；(d)在包括所述窄的頂部區(qū)和所述寬的底部區(qū)的所述瓶狀存儲溝槽上，制作共形難熔金屬層；(e)在所述溝槽的所述寬的底部區(qū)中，制作難熔金屬硅化物層；(f)從所述溝槽的所述窄的頂部區(qū)腐蝕所述共形難熔金屬層；(g)用多晶硅填充所述溝槽；以及(h)對步驟(g)制得的結(jié)構(gòu)進行整平。
最好用能夠?qū)⒅谱髟谒鰷喜鄣膶挼牡撞繀^(qū)中的難熔金屬轉(zhuǎn)換成低阻難熔金屬硅化物的選擇性反應(yīng)來執(zhí)行步驟(e)。
本發(fā)明的另一種情況涉及到在溝槽中具有硅化物的溝槽電容器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的電容器結(jié)構(gòu)可很好地用作DRAM存儲器單元的存儲電容器。本發(fā)明的電容器結(jié)構(gòu)最好包含具有窄的頂部區(qū)和寬的底部區(qū)的存儲溝槽，其中寬的底部區(qū)包含其上制作有難熔金屬硅化物層的多晶硅外層和多晶硅內(nèi)層。存儲溝槽最好是瓶狀的。
本發(fā)明的又一種情況的目的在于新型的存儲器單元器件，其中至少包含本發(fā)明的DRAM單元電容器作為其元件之一。
下面更詳細地描述本發(fā)明的這些和其它的情況。


圖1(a)-(g)是用本發(fā)明的工藝步驟制作的含有難熔金屬硅化物的瓶狀存儲溝槽電容器結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是能夠由圖1(g)所示的電容器結(jié)構(gòu)制造的新型存儲器單元器件的剖面圖。
下面參照本申請的附圖來更詳細地描述本發(fā)明。應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不局限于附圖中所示的具體結(jié)構(gòu)。雖然附圖示出的是瓶狀溝槽，但如下面所述，本發(fā)明也可以用其它形狀的溝槽和利用其它空洞制作方法來實施。還應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不局限于使用任何具體的摻雜劑，只要為各種組分所選擇的摻雜劑類型與所希望的器件電學(xué)運行一致即可。
圖1(a)-(g)示出了用于本發(fā)明的制造本發(fā)明的DRAM單元電容器結(jié)構(gòu)的各種工藝步驟。具體地說，圖1(a)示出了用于本發(fā)明步驟(a)中的初始瓶狀溝槽結(jié)構(gòu)10的剖面圖。圖1(a)所示的瓶狀溝槽結(jié)構(gòu)包含最好具有輕摻雜外延區(qū)14和一個或更多個襯墊介質(zhì)層24的半導(dǎo)體襯底12。襯墊介質(zhì)層(通常是氮化硅)在用來制作溝槽16的腐蝕工序中被用作保護層。溝槽16最好具有窄的頂部區(qū)16a和寬的底部區(qū)16b。在某些情況下，在半導(dǎo)體襯底12與襯墊介質(zhì)層24之間制作氧化物薄層可能是可取的。
可以用包括但不局限于Si、Ge、GaP、InAs、InP、SiGe、GaAs、或其它III/V族化合物的任何一種常規(guī)半導(dǎo)體材料來制作半導(dǎo)體襯底12。在這些半導(dǎo)體材料中，最好用Si來組成半導(dǎo)體襯底12。
在寬的底部溝槽區(qū)16b處示出了掩埋的平板外擴散區(qū)18和節(jié)點介質(zhì)層20。窄的頂部區(qū)16a最好含有可以用硅的局部氧化(LOCOS)或其它方法制作的氧化物頸圈22。
圖1(a)所示的初始瓶狀結(jié)構(gòu)是用本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員熟知的常規(guī)方法制造的。例如，可以用授予Lu的No.4649625、授予Rajeevakumar的No.5658816和授予Rajeevakumar的No.5692281等美國專利所公開的工藝，來制造圖1(a)所示的瓶狀結(jié)構(gòu)，這些專利的內(nèi)容在此處列為參考?？梢杂脤?dǎo)電類型恰當(dāng)?shù)膿诫s劑擴散通過溝槽壁的任何一種常規(guī)方法來制作掩埋平板。例如可參見美國專利5395786所公開的方法，此處將其公開列為參考。
根據(jù)本發(fā)明，圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)，確切地說是窄的頂部溝槽區(qū)16a和寬的底部溝槽區(qū)16b，在足以于寬的底部溝槽區(qū)16b中形成空洞28的淀積條件下，用多晶硅層26填充。然后整平多晶硅層26以提供圖1(b)所示的結(jié)構(gòu)。
圖1(b)所示的多晶硅和空洞，是用諸如化學(xué)汽相淀積(CVD)或低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD)之類的常規(guī)淀積方法制作在瓶狀溝槽電容器結(jié)構(gòu)的底部溝槽區(qū)中的。在這些淀積方法中，最好在本發(fā)明中用LPCVD來制作多晶硅層26和空洞28。淀積多晶硅層26和制作空洞28過程中所采用的淀積條件，可根據(jù)所用的具體方法和溝槽幾何形狀而改變。在大多數(shù)情況下，所用的淀積條件可能是通常用于多晶硅填充的那些條件。溝槽壁上多晶硅的淀積使窄區(qū)16a封閉，就可以導(dǎo)致空洞。若所選擇的淀積條件不形成所希望的空洞，則可在多晶硅整平之后，利用美國專利5692281所述的腐蝕方法來制作或擴大空洞。
多晶硅可以用常規(guī)的整平方法來整平。例如，可以用化學(xué)機械拋光(CMP)或腐蝕來執(zhí)行整平工序。
整平之后，最好如圖1(c)所示，將多晶硅填充物26開凹槽，從而選擇性地清除窄的頂部溝槽區(qū)16a中的多晶硅層26，以暴露寬的底部區(qū)16b中的空洞28?？梢杂萌魏我环N常規(guī)的各向異性或各向同性腐蝕工藝來執(zhí)行開凹槽步驟。作為變通，可以用各向異性和各向同性腐蝕的組合來將多晶硅26開凹槽。適當(dāng)?shù)母g方法的例子包括離子增強腐蝕、離子感應(yīng)腐蝕、等離子體腐蝕、反應(yīng)離子刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕、微波等離子體刻蝕、化學(xué)腐蝕之類的腐蝕方法。最好借助于采用氯或氟之類的鹵素作為反應(yīng)等離子氣體的等離子體刻蝕工藝來執(zhí)行開凹槽。假設(shè)先前制作的空洞28有足夠的尺寸，所采用的開凹槽工藝最好不從溝槽的寬的底部區(qū)16b顯著地清除多晶硅。如上所述，作為開凹槽步驟的一部分或在開凹槽步驟之后制作或擴大空洞的尺寸，可能是可取的。
在開凹槽之后，如圖1(d)所示，淀積共形難熔金屬層30?？梢杂媚軌蛐纬晒残螌拥娜魏我环N常規(guī)淀積工藝來制作難熔金屬層。適當(dāng)?shù)牡矸e方法的例子是CVD、濺射、電鍍、無電鍍之類的淀積工藝。最好用CVD方法來制作難熔金屬層30。
各種各樣的難熔金屬都可以用來制作層30。適當(dāng)?shù)碾y熔金屬的例子是在存在含硅的材料的情況下退火時能夠形成金屬硅化物的Ti、Ta、W、Co、Mo之類的難熔金屬。于是例如，若制作Ti層，則下面討論的退火條件能夠?qū)i轉(zhuǎn)變成TiSix(最好是TiSi2)。
在淀積難熔金屬層30之后，如圖1(e)所示，利用在區(qū)域16b中的難熔金屬與多晶硅界面處引起硅化物形成的退火方法，在寬的底部溝槽區(qū)16b中制作難熔金屬硅化物層32。在窄的頂部溝槽區(qū)16a中最好不要形成難熔金屬硅化物。借助于頸圈氧化物22，并在開凹槽步驟中從區(qū)域16a清除多晶硅，可以防止硅化物區(qū)域16a的形成。
本發(fā)明所采用的退火步驟最好在存在諸如氦、氮、氬或其混合物的非氧化氣氛的情況下進行。退火步驟可以在大氣壓力或適當(dāng)?shù)恼婵障逻M行。退火最好在大約600-1000℃的溫度下進行大約5秒鐘至1小時。通常，對于較高的溫度，使用較短的退火時間，而對于較低的退火溫度通常采用較長的退火時間。在大約700-800℃的溫度下，退火步驟進行大約10秒鐘至60秒鐘則更好。退火步驟可以在設(shè)定的溫度下進行，也可以利用各種升溫(ramp)和徐熱(soak)循環(huán)，升溫到所希望的溫度。
用本發(fā)明的退火步驟制作的難熔金屬硅化物最好具有約為15-150μΩcm的實測電阻率。在退火步驟中制作的難熔金屬硅化物的電阻率約為15-25μΩcm則更好。
在溝槽結(jié)構(gòu)的寬的底部區(qū)16b中制作所希望的難熔金屬硅化物層32之后，清除頂部區(qū)16a中的殘留難熔金屬層30。得到的結(jié)構(gòu)示于圖1(f)。最好用對腐蝕難熔金屬有很高的選擇性的化學(xué)濕法腐蝕工藝來清除殘留的層30。任何一種能夠從電容器結(jié)構(gòu)的頂部溝槽區(qū)清除難熔金屬的化學(xué)腐蝕劑，都可以用于本發(fā)明。適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)腐蝕劑的例子是H2O2、HCl、HNO3、乙酸、鉻酸、磷酸、硫酸、氫氧化銨之類的化學(xué)腐蝕劑。也可以使用這些化學(xué)腐蝕劑彼此混合或與水混合的混合物。H2O2是最好的化學(xué)腐蝕劑。
從溝槽結(jié)構(gòu)的頂部區(qū)16a清除難熔金屬30之后，利用上述任何一種制作多晶硅層26的淀積工藝，用額外的多晶硅34填充溝槽。然后用上述任何一種整平方法或等離子體腐蝕，整平電容器結(jié)構(gòu)以提供圖1(g)所示的電容器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的在溝槽的寬的底部區(qū)中含有難熔硅化物層32的電容器結(jié)構(gòu)，比之其中不含有這種金屬硅化物層的比較結(jié)構(gòu)，具有顯著降低了的串聯(lián)電阻。通常，對于給定的溝槽幾何形狀/基本尺度，本發(fā)明能夠降低深溝槽多晶硅所引起的串聯(lián)電阻高達100倍。作為變通，本發(fā)明可以用來以更小的基本尺寸制造串聯(lián)電阻與更大的電容器結(jié)構(gòu)相似的電容器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的電容器結(jié)構(gòu)可以用于圖2所示的DRAM存儲器單元中，或用于其它集成電路器件中。具體地說，圖2中的存儲器單元包含圖1(g)所示的電容器結(jié)構(gòu)以及n夾層區(qū)36、p阱48、淺溝槽隔離區(qū)38、掩埋條區(qū)42、陣列注入?yún)^(qū)40、柵導(dǎo)體區(qū)44和陣列導(dǎo)體區(qū)46。
可以用本發(fā)明的方法，結(jié)合制作淺溝槽隔離、柵導(dǎo)體區(qū)和其它存儲器單元元件的其它制造步驟，來制造圖2所示的存儲器單元器件，這些其它制造步驟是本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員所熟知的。在1998年2月4日公布的歐洲專利申請822599中描述了n夾層區(qū)的制作，此處列為參考。這些制造步驟的例子公開于上述專利文件中和/或本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員早已熟知的其它地方。
除了存儲器單元及其制造之外，本發(fā)明的電容器結(jié)構(gòu)和制造方法還可以結(jié)合其它集成器件結(jié)構(gòu)和器件制造方法而得到應(yīng)用。
雖然根據(jù)最佳實施例對本發(fā)明進行了具體的描述，但本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員可以理解，可以做出形式和細節(jié)方面的前述的和其它的改變而不超越本發(fā)明的構(gòu)思與范圍。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體襯底中制造溝槽電容器結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包含(a)提供半導(dǎo)體襯底，此襯底具有(i)具有窄的頂部區(qū)和寬的底部區(qū)的溝槽、(ii)在所述襯底中圍繞所述寬的底部區(qū)的電極、以及(iii)在所述電極處順著所述溝槽形成的共形節(jié)點介質(zhì)層；(b)用多晶硅層填充所述溝槽，使在所述溝槽的所述寬的底部區(qū)中留下空洞；(c)整平步驟(b)得到的結(jié)構(gòu)；(d)清除所述溝槽的所述窄的頂部區(qū)中的多晶硅層，使所述溝槽的所述寬的底部區(qū)中的所述空洞暴露出來；(e)在所述窄的頂部區(qū)和所述寬的底部區(qū)中制作共形難熔金屬層；(f)對所述結(jié)構(gòu)進行退火，以便在所述溝槽結(jié)構(gòu)的所述寬的底部區(qū)中形成難熔金屬硅化物層；(g)從所述溝槽的所述窄的頂部區(qū)清除所述共形難熔金屬層；(h)用多晶硅填充所述溝槽結(jié)構(gòu)；以及(i)整平從步驟(h)得到的結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述的半導(dǎo)體襯底是Si。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述的電極是外擴散掩埋平板。
4.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(b)之前，于所述溝槽的頂部區(qū)周圍提供頸圈氧化物。
5.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(b)用低壓化學(xué)汽相淀積方法進行。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述空洞被步驟(b)中淀積的所述多晶硅完全覆蓋。
7.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(c)用化學(xué)機械拋光或腐蝕方法進行。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述清除步驟(d)包含用各向異性腐蝕、各向同性腐蝕或它們的組合來腐蝕所述多晶硅。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述腐蝕用離子增強腐蝕、離子感應(yīng)腐蝕、等離子體刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕或微波等離子體刻蝕來執(zhí)行。
10.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(d)借助于采用鹵素作為反應(yīng)等離子體氣體的等離子體刻蝕來進行。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述多晶硅在步驟(d)中被完全從所述窄的頂部區(qū)清除。
12.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(e)用化學(xué)汽相淀積、濺射、電鍍或無電鍍來進行。
13.權(quán)利要求12的方法，其中步驟(e)用化學(xué)汽相淀積來進行。
14.權(quán)利要求1的方法，其中所述難熔金屬選自Ta、W、Co、Ti和Mo構(gòu)成的組。
15.權(quán)利要求1的方法，其中所述退火在非氧化氣氛中進行。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所述退火在約為600-1000℃的溫度下進行大約5秒鐘到1小時。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述退火在約為700-800℃的溫度下進行大約10-60秒鐘。
18.權(quán)利要求1的方法，其中所述難熔金屬硅化物的電阻率約為15-150μΩcm。
19.權(quán)利要求18的方法，其中所述難熔金屬硅化物的電阻率約為15-25μΩcm。
20.權(quán)利要求1的方法，其中所述難熔金屬在步驟(g)中被使用從H2O2、HCl、HNO3、乙酸、鉻酸、磷酸、硫酸、氫氧化銨和它們的混合物構(gòu)成的組中選擇的化學(xué)腐蝕劑用濕法化學(xué)腐蝕清除。
21.權(quán)利要求20的方法，其中所述化學(xué)腐蝕劑是H2O2。
22.一種半導(dǎo)體襯底中的電容器結(jié)構(gòu)，所述電容器結(jié)構(gòu)包含(i)具有窄的頂部區(qū)和寬的底部區(qū)的溝槽、(ii)在所述襯底中圍繞所述寬的底部區(qū)的電極、(iii)在所述電極處順著所述溝槽形成的共形節(jié)點介質(zhì)層；以及(iv)在所述溝槽中的第二電極，所述寬的底部區(qū)中的所述第二電極包含所述節(jié)點介質(zhì)層上的第一多晶硅層、所述第一多晶硅層上的難熔金屬硅化物層和所述硅化物上的第二多晶硅層。
23.權(quán)利要求22的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述的半導(dǎo)體襯底是Si。
24.權(quán)利要求23的電容器結(jié)構(gòu)，包含圍繞所述窄的頂部溝槽區(qū)的頸圈氧化物。
25.權(quán)利要求22的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述難熔金屬硅化物含有選自Ta、W、Co、Ti和Mo構(gòu)成的組中的難熔金屬。
26.權(quán)利要求22的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述難熔金屬硅化物的電阻率約為15-150μΩcm。
27.權(quán)利要求26的電容器結(jié)構(gòu)，其中所述難熔金屬硅化物的電阻率約為15-25μΩcm。
28.一種包含權(quán)利要求22的溝槽電容器結(jié)構(gòu)的存儲器單元器件。
29.一種半導(dǎo)體襯底中的電容器結(jié)構(gòu)，所述電容器結(jié)構(gòu)包含(i)具有頂部區(qū)和底部區(qū)的溝槽、(ii)在所述襯底中圍繞所述底部區(qū)的電極、(iii)在所述電極處順著所述溝槽形成的共形節(jié)點介質(zhì)層；以及(iv)在所述溝槽中的第二電極，所述底部區(qū)中的所述第二電極包含所述節(jié)點介質(zhì)層上的第一多晶硅層、所述第一多晶硅層上的難熔金屬硅化物層和所述硅化物上的第二多晶硅層。
全文摘要
用難熔金屬硅化物作為溝槽底部區(qū)中的溝槽電極元件的方法制造溝槽電容器。含有硅化物的溝槽電極呈現(xiàn)比相似尺寸的常規(guī)溝槽電極更小的串聯(lián)電阻,從而能夠降低基本尺寸存儲器單元布局和/或降低單元存取時間。本發(fā)明的溝槽電容器特別適用于作為DRAM存儲器單元的元件。
文檔編號H01L27/108GK1257309SQ9910668
公開日2000年6月21日 申請日期1999年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月22日
發(fā)明者杰弗里·P·甘姆比諾, 阿爾萊克·格輪寧, 杰克·A·曼得爾門, 卡爾·J·萊得恩斯 申請人:國際商業(yè)機器公司, 西門子公司