專利名稱：用于半導(dǎo)體器件的金紅石介質(zhì)材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，特別涉及改進(jìn)的介質(zhì)層及其形成方法。
半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元包括由晶體管存取從而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的電容器。數(shù)據(jù)根據(jù)電容器的狀態(tài)存儲(chǔ)為高或低位。在進(jìn)行存取以讀出數(shù)據(jù)時(shí)，電容器的充電或未充電表示高或低，電容器充電或放電以將數(shù)據(jù)寫入。
用于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的各種電容器中有深溝槽(DT)電容器。深溝槽電容器一般埋置于器件的半導(dǎo)體襯底中，鄰近或在存取晶體管之下。
為獲得半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件例如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的最佳性能，應(yīng)使存儲(chǔ)溝槽電容器的電容C最大，同時(shí)應(yīng)使到包圍電容器的區(qū)域的電荷泄漏最小。這些需要決定了電容器極板間應(yīng)采用高質(zhì)量的介質(zhì)材料。
溝槽電容器的電容值由式C＝ε·A/d給出，其中C是電容值，ε是介于電容器極板間材料的介電常數(shù)，A是電容器極板的面積，d是隔開電容器極板的介質(zhì)材料的厚度。
在常規(guī)溝槽電容器制造中，一般用氮氧化物作介質(zhì)材料。氮氧化物材料與電流深溝槽電容器制造工藝和材料能很好地兼容，在形成深溝槽電容器期間的高溫處理時(shí)(高達(dá)1100℃)能保持穩(wěn)定。然而，氮氧化物的介電常數(shù)一般約為7，在不使電容器漏電特性退化條件下不改變電容器幾何形狀時(shí)，不足以得到需要的電容值。
因此，需要一種增大深溝槽電容器電容，同時(shí)不使器件漏電特性退化的方法和裝置。從上述公式可知，通過利用具有較高介電常數(shù)ε同時(shí)與深溝槽電容器形成工藝兼容的介質(zhì)材料，可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。
根據(jù)本發(fā)明形成半導(dǎo)體器件的方法包括以下步驟在硅襯底上提供深溝槽，深溝槽具有下部，通過用包括金紅石相的二氧化鈦(TiO2)的介質(zhì)材料作深溝槽下部的襯里，在深溝槽中形成介質(zhì)層。
形成半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件的另一方法包括以下步驟在襯底中提供深溝槽，深溝槽具有下部，在硅襯底上和深溝槽中形成超薄(厚度小于約1nm)的阻擋層例如氮化硅(Si3N4)，淀積二氧化鈦(TiO2)層，氧化并退火二氧化鈦層，形成金紅石晶體結(jié)構(gòu)，用導(dǎo)電填充材料填充深溝槽的一部分，形成存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，去掉部分二氧化鈦介質(zhì)層，使二氧化鈦層和阻擋層作為深溝槽下部的襯里。
阻擋層厚度優(yōu)選小于約1nm。形成介質(zhì)的步驟可以包括用化學(xué)汽相淀積工藝淀積金紅石(TiO2)。也可以包括在淀積金紅石(TiO2)之前提供前體材料的步驟。形成介質(zhì)層的步驟可以包括通過在深溝槽的下部分淀積TiN層，并氧化TiN層，形成金紅石(TiO2)，從而形成介質(zhì)層。氧化步驟還可以包括等離子氧化TiN層的步驟。氧化步驟可以包括快速熱氧化法氧化TiN層的步驟。
半導(dǎo)體器件包括具有形成于其中的溝槽的襯底，形成于溝槽中且容性耦合到襯底的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，和形成于電容器極板間溝槽中的介質(zhì)層，介質(zhì)層作為溝槽下部的襯里，其中介質(zhì)層包括氧化鈦。
在另一實(shí)施例中，介質(zhì)層可以包括氮化硅阻擋層。該層的厚度可以小于約1nm。介質(zhì)層可以包括氧化鈦層。氧化鈦層的厚度優(yōu)選在約15nm到約35nm之間。
結(jié)合各附圖閱讀了以下例示本發(fā)明實(shí)施例的具體介紹后，本發(fā)明的這些和其它目的、特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將變得更清楚。
下面結(jié)合各附圖細(xì)介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的俯視平面圖；圖2是沿圖1的線2-2取的剖面圖，展示了本發(fā)明的深溝槽電容器結(jié)構(gòu)；圖3是為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明制備的深溝槽的剖面圖；圖4是展示根據(jù)本發(fā)明在圖3的溝槽中淀積的阻擋層的剖面圖；圖5是展示根據(jù)本發(fā)明在圖4的溝槽中淀積的金紅石層的剖面圖；圖6是圖5的溝槽的剖面圖，展示了根據(jù)本發(fā)明改變金紅石層結(jié)晶結(jié)構(gòu)的處理步驟；圖7是圖6的溝槽的剖面圖，展示了根據(jù)本發(fā)明淀積于其中的填充材料；圖7A是圖6的溝槽的剖面圖，展示了根據(jù)本發(fā)明在溝槽中淀積填充材料之前淀積第二阻擋層的另一實(shí)施例；圖8是圖7的溝槽的剖面圖，展示了根據(jù)本發(fā)明的介質(zhì)。
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，特別涉及改進(jìn)的介質(zhì)層及其形成方法。通過提高介質(zhì)材料的介電常數(shù)，可以得到較高電容，從而增加在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上信息位存儲(chǔ)的保持時(shí)間。溝槽電容器的電容值可由以下表達(dá)式表示C＝εA/d，其中C是電容值，ε是介質(zhì)材料的介電常數(shù)，A是電容器極板的面積，d是介質(zhì)材料的厚度。假定A是常數(shù)，如果ε增大且d減小，則電容值增大。用金紅石(氧化鈦(TiO2))代替常規(guī)介質(zhì)材料(氮氧化物或氮化物(ON))，電容值可以增大一個(gè)量級(jí)。這是由于介電常數(shù)不同，例如，對(duì)于ON，ε約等于7，對(duì)于金紅石，ε約等于86到約170之間。金紅石的ε值和漏電流的量取決于金紅石膜的結(jié)晶取向和質(zhì)量。這與這里所述的高淀積和退火溫度有關(guān)。根據(jù)本發(fā)明，通過引入金紅石作介質(zhì)，漏電流可以低于10-10Acm-2。
存儲(chǔ)單元電容器的電容對(duì)于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)器件的性能來說很重要。一般情況下，深溝槽(DT)技術(shù)中用氮化物作介質(zhì)。氮化物的介電常數(shù)約為7。氮化物介質(zhì)的厚度d已達(dá)到其最下限3.5nm，該值在隧穿范圍內(nèi)。DT電容值向著約40fF/單元的最小臨界值的調(diào)節(jié)變得越來越難以用常規(guī)工藝實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明介紹了一種利用金紅石作介質(zhì)材料的裝置和方法。金紅石的介電常數(shù)在具有垂直于表面的光軸(c-軸)的晶體取向時(shí)的約86和具有平行于表面的c-軸時(shí)的170間。相應(yīng)地，如果采用類似的節(jié)點(diǎn)厚度，電容值至少可以增大一個(gè)量級(jí)。
具體參見各附圖，其中類似的參考數(shù)字表示類似或相同的部件，圖1和2展示了根據(jù)本發(fā)明制造的深溝槽電容器10。半導(dǎo)體襯底12包括形成于其中的溝槽(深溝槽)14。襯底12包括阱區(qū)16和埋置電容極板18。埋置極板18容性耦合到形成于溝槽14內(nèi)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)20。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)20包括導(dǎo)電材料，例如多晶硅(多晶硅)。根據(jù)本發(fā)明，溝槽14的下部24用金紅石作襯里，在埋置電容器極板18和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)20之間形成介質(zhì)層26。
存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)20通過埋置細(xì)條28電耦合到存取晶體管30。存取晶體管包括優(yōu)選由氧化硅形成且通過例如硅化鎢等金屬硅化物和/或多晶硅接觸的柵32。在激活柵32時(shí)，電荷在擴(kuò)散區(qū)34和36間流動(dòng)，因而允許電荷通過位線接觸40流到位線38和從位線38流出。
存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)20通過形成于溝槽14中的軸環(huán)42與阱區(qū)16電隔離。軸環(huán)42優(yōu)選包括氧化硅。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)20還通過淺溝槽隔離46與穿通字線柵44隔離。柵32和44優(yōu)選沿半導(dǎo)體芯片延伸，并形成如圖1所示的字線。
參見圖3，圖3示出了形成金紅石介質(zhì)的方法。溝槽14的腐蝕優(yōu)選利用反應(yīng)離子腐蝕(RIE)進(jìn)行。溝槽14的深度可以為約2到10微米。溝槽14自上而下的形狀可以是圓到橢圓形，直徑可以在約50和400nm之間。形成溝槽前，氧化襯底12，形成厚約5nm的基層氧化層48(二氧化硅)。在基層氧化層48上淀積基層氮化層50(氮化硅)?；鶎拥瘜?0厚可以在約200-240nm范圍內(nèi)。在基層氮化層50上形成例如硼硅玻璃(BSG)的玻璃層52。玻璃層52厚可以為約700nm。應(yīng)注意，上述尺寸和材料不重要，可以根據(jù)需要改變。
基層氧化層48、基層氮化層50和玻璃層52可以統(tǒng)稱為基層疊層54。根據(jù)已有技術(shù)例如光刻法構(gòu)圖并顯影基層疊層54。在將要形成溝槽14的位置形成孔，其中基層疊層54的剩余部分作隨后形成深溝槽的RIE的硬掩模。
優(yōu)選采用溝槽側(cè)壁摻雜形成埋置電容極板18?？梢圆捎貌煌墓に囘M(jìn)行這種摻雜，例如，砷玻璃(ASG)淀積，然后通過擴(kuò)散推進(jìn)砷原子，氣相摻雜和/或等離子摻雜。軸環(huán)42可以在該方法的此階段例如通過硅局部氧化(LOCOS)工藝或化學(xué)汽相淀積(CVD)技術(shù)形成?；蛘?，可以在側(cè)壁摻雜前或以下將進(jìn)一步驟介紹的介質(zhì)淀積后形成軸環(huán)42。
對(duì)露出的溝槽側(cè)壁表面進(jìn)行退火，從側(cè)壁表面上去掉任何自然氧化膜，露出硅襯底12(對(duì)于硅襯底來說)的硅。退火步驟優(yōu)選在約600℃到約800℃的溫度范圍內(nèi)，在氫(H2)氣氛中進(jìn)行。
參見圖4，形成阻擋層56(即Si3N4)，作為溝槽側(cè)壁14的襯里。該阻擋層56可通過將溝槽暴露于熱(約500-700℃)的NH3氣氛中形成。氮化硅阻擋層的厚度由暴露于NH3的時(shí)間、暴露的容器內(nèi)的壓力和溫度控制。優(yōu)選阻擋層56的厚度形成為低于約1nm。為防止自然氧化物生長，在淀積阻擋層前不應(yīng)暴露于空氣中。阻擋層56用作隨后處理步驟中氧化物擴(kuò)散到溝槽14內(nèi)露出的硅中的屏障。此外，阻擋層56使從存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)20到埋置極板18的漏電荷最少。由于阻擋層56優(yōu)選包括氮化物，其自身是介質(zhì)層，且其使完成的疊層的介電常數(shù)減小，即層56會(huì)作為串聯(lián)電容器。為使此效應(yīng)最小，優(yōu)選盡可能薄地形成阻擋層56。例如，阻擋層56的氮化層厚度可以是1nm以下，優(yōu)選為0.5nm以下。這種薄氮化層有利于例如高達(dá)約1100℃的溫度等高溫下的穩(wěn)定性。隨后的處理步驟中將使用這種溫度。
參見圖5，在阻擋層56上淀積二氧化鈦層58。在一種方法中，層58包括利用化學(xué)汽相淀積(CVD)工藝淀積的TiO2。在優(yōu)選實(shí)施例中，在層58淀積前采用前體。前體包括TDMAT(四(二甲胺)鈦)、TDEAT(四(乙二胺)鈦)、Ti(O-iPr)4(thd)2(二(異丙氧)二(四甲基eptanedionato)鈦)或四氯化鈦。盡管四氯化鈦會(huì)導(dǎo)致最保形的淀積，但必須考慮半導(dǎo)體器件中氯沾污。包括TiO2的層58的厚度優(yōu)選在約15nm到約35nm之間，較好是約25nm。
或者，層58包括利用化學(xué)汽相淀積(CVD)工藝淀積的TiN。TiN可高度保形地淀積。包括TiN的層58的厚度優(yōu)選在約15nm到約30nm之間，較好是約20nm。然后，TiN淀積物優(yōu)選通過等離子氧化或高溫(約800℃-約1000℃)爐氧化轉(zhuǎn)變成TiO2。在氧氣氣氛中發(fā)生以下反應(yīng)
N2以氣消散。為形成良好的絕緣體，必須高度氧化TiN，形成合適的2∶1化學(xué)計(jì)量的TiO2。
參見圖6，一旦淀積和/或形成后，進(jìn)一步處理層58，使介電常數(shù)最大。這可以通過形成二氧化鈦層58的需要結(jié)晶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的方法包括在例如約750℃-約1000℃等很高的溫度下氧化，例如爐或快速熱氧化(RTO)。該工藝期間，熱動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的TiO2(金紅石)結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成層58。為進(jìn)一步驟防止該工藝期間氧擴(kuò)散到襯底12中(無論是否有阻擋層56)，該氧化后，可以加入在例如Ar、He等惰性氣氛中的退火步驟。
如圖7所示，淀積填充材料60，通過填充溝槽14形成存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)20。如圖7A所示，淀積填充材料前，可以淀積第二氮化硅阻擋層59，以防止填充材料氧化。填充材料60優(yōu)選多晶硅。通過濕法腐蝕工藝，例如HF腐蝕，去掉未被填充材料60保護(hù)區(qū)域中的層58和阻擋層56，如圖8所示。使填充材料凹下，形成軸環(huán)42，如以上所述(圖2)。如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明，溝槽14中殘留的阻擋層56和層58形成介質(zhì)。如所屬領(lǐng)域中已知的那樣繼續(xù)進(jìn)行其它處理。
通過提高介質(zhì)材料的介電常數(shù)，可得到較高的電容值，從而增加存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)20上信息位存儲(chǔ)的保持時(shí)間(圖2)。電容值可以增大一個(gè)量級(jí)。對(duì)于金紅石來說ε在約86和約170(多晶金紅石的介電常數(shù)為約110)之間，漏電流的量(取決于金紅石膜的結(jié)晶取向和質(zhì)量)減少。根據(jù)本發(fā)明，通過引入金紅石作介質(zhì)，漏電流可以降低到10-10A-cm-2。
以上介紹了用于半導(dǎo)體器件的金紅石介質(zhì)的新穎裝置和方法的優(yōu)選實(shí)施例(意在例示而非限制)，應(yīng)注意，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在上述教導(dǎo)下可以做出改形和改變。因此，應(yīng)理解，對(duì)所附權(quán)利要求界定的本發(fā)明范圍和精神內(nèi)所公開的本發(fā)明的特定實(shí)施例可以進(jìn)行變化。根據(jù)專利法的具體和特定要求對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了介紹，所要求和需要受專利保護(hù)的內(nèi)容記載于所附權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在襯底中提供深溝槽，深溝槽具有下部；及通過用介質(zhì)層作深溝槽下部的襯里，在深溝槽中形成介質(zhì)層，該介質(zhì)層包括金紅石晶體形式的二氧化鈦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在氫氣氛退火襯底，以去掉襯底表面上的自然氧化膜的步驟，所說退火在提供所說溝槽和形成所說介質(zhì)層的步驟之間進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括在所說退火步驟后形成阻擋層的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中形成所說阻擋層的所說步驟包括在至少約500℃-最多約700℃的溫度范圍內(nèi)，將所說溝槽暴露于HN3氣氛中的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所說退火步驟和形成所說阻擋層的所說步驟在普通容器中進(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中阻擋層的厚度小于約1nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成介質(zhì)層的步驟包括利用化學(xué)汽相淀積淀積二氧化鈦的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括以下步驟氧化二氧化鈦層；及退火二氧化鈦層，從而得到合適的1∶2化學(xué)計(jì)量的金紅石結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括在淀積金紅石(TiO2)前提供前體材料的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成介質(zhì)層的步驟包括通過以下步驟形成介質(zhì)在深溝槽的下部中淀積TiN層；及氧化TiN層，形成金紅石(TiO2)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中氧化步驟包括通過等離子氧化來氧化TiN層的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中氧化步驟包括通過快速熱氧化來氧化TiN層的步驟。
13.一種形成半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件的方法，包括以下步驟在襯底中提供深溝槽，深溝槽具有下部；在氫氣氛中退火襯底；將所說溝槽暴露于HN3氣氛，形成第一阻擋層；在深溝槽中形成二氧化鈦金紅石介質(zhì)層；在所說金紅石層上淀積第二阻擋層；用導(dǎo)電填料至少局部填充深溝槽，從而形成存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；及去掉部分介質(zhì)層，從而金紅石和阻擋層作為深溝槽下部的襯里。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所說形成金紅石層的步驟包括以下步驟在深溝槽中淀積一層二氧化鈦；氧化二氧化鈦層；及退火二氧化鈦層，得到金紅石晶體結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所說退火步驟在約750℃到約1050℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所說第一阻擋層的厚度小于約1nm。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中淀積二氧化鈦層的步驟包括化學(xué)汽相淀積工藝。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括在形成所述金紅石層的所說步驟之前提供前體材料的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中形成二氧化鈦金紅石層的步驟包括以下步驟在深溝槽中淀積TiN層；及氧化TiN層，形成金紅石(TiO2)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中氧化步驟包括通過等離子氧化來氧化TiN層的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中氧化步驟包括通過快速熱氧化來氧化TiN層的步驟。
22.一種半導(dǎo)體器件，包括具有形成于其中的溝槽的襯底；形成于溝槽中且容性耦合到襯底的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；及形成于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和襯底之間的溝槽中的介質(zhì)層，該介質(zhì)層作為溝槽下部的襯里，其中介質(zhì)層包括氧化鈦。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的半導(dǎo)體器件，其中介質(zhì)層包括氮化物層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的半導(dǎo)體器件，其中氮化物層的厚度小于1nm。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的半導(dǎo)體器件，其中氧化鈦層的厚度在約15nm到約35nm之間。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明形成半導(dǎo)體器件的方法包括以下步驟:在襯底中提供深溝槽,深溝槽具有下部,通過用介質(zhì)層作襯里,在深溝槽中形成介質(zhì)層,該介質(zhì)層包括鈦。一種半導(dǎo)體器件包括具有形成于其中的溝槽的襯底;形成于溝槽中且容性耦合到襯底的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn);及形成于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和襯底之間的溝槽中的介質(zhì)層,該介質(zhì)層作為溝槽下部的襯里,其中介質(zhì)層包括氧化鈦。
文檔編號(hào)H01L21/8242GK1270414SQ9912482
公開日2000年10月18日 申請(qǐng)日期1999年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月17日
發(fā)明者A·邁克爾斯 申請(qǐng)人:西門子公司