專利名稱：半導體存儲元件的電容器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體元件的電容器及其制造方法，特別是涉及能夠增大電容量同時防止漏電流的半導體元件的電容器及其制造方法。
近來，隨著構(gòu)成DRAM半導體元件的存儲單元數(shù)量的增加，各存儲單元的占有面積日益減少。另一方面，為了正確地讀出存儲數(shù)據(jù)，各存儲單元內(nèi)形成的電容器必須有足夠的容量。因此，現(xiàn)在的DRAM半導體元件要求存儲單元形成具有占據(jù)面積既小、容量又大的電容器。電容器的靜電容量(capacitance)是通過采用高介電常數(shù)的絕緣體、或者擴大下部電極表面積來增大的。目前的高集成化的DRAM半導體元件中，采用介電常數(shù)比NO(氮化物-氧化物)膜更高的氧化鉭膜(Ta2O5)作為電介質(zhì)，形成三維的下部電極。


圖1是顯示已有的半導體存儲元件的電容器的剖面圖。如圖1所示，在預(yù)定部位形成場氧化膜11的半導體襯底10上，按公知方式形成下部帶有柵絕緣膜12的柵電極13。在柵電極13兩側(cè)的半導體襯底10上形成結(jié)區(qū)14而形成MOS晶體管。在形成了MOS晶體管的半導體襯底10上形成第1層間絕緣膜16和第2層間絕緣膜18。在第1和第2層間絕緣膜16、18內(nèi)形成存儲結(jié)點接觸孔h，以露出結(jié)區(qū)14。采用公知方式在存儲結(jié)點接觸孔h內(nèi)形成圓筒狀的下部電極20，用以與露出的結(jié)區(qū)14接觸。為了進一步增大下部電極20的表面積，在下部電極20的表面形成HSG(半球形顆粒)膜21。在HSG膜21表面形成氧化鉭膜23。之后，在含HSG膜21的下部電極20上蒸鍍氧化鉭膜23。此時，采用Ta(OC2H5)5這樣的有機金屬前驅(qū)物蒸鍍氧化鉭膜23。之后，為使氧化鉭膜23結(jié)晶化，在預(yù)定溫度熱處理氧化鉭膜23。采用摻雜多晶硅膜或者金屬層在氧化鉭膜23上形成上部電極25。
但是，由于一般的氧化鉭膜具有不穩(wěn)定的化學計量比(stoichiometry)，所以Ta和O的組成比例產(chǎn)生差異。因此，在薄膜內(nèi)產(chǎn)生代位型Ta原子即空位原子(vacancy atom)。這種空位原子是氧空位，所以成為產(chǎn)生漏電流的原因。
現(xiàn)在，為了去除氧化鉭膜內(nèi)的代位型Ta原子，對氧化鉭膜進行進一步氧化工序。但是，當進行這樣的氧化工序時，則氧化鉭膜與上部和下部電極發(fā)生活躍的氧化反應(yīng)。因此，在氧化鉭膜與下部電極或上部電極的界面上形成介電常數(shù)低的氧化層，降低了界面的均勻性。而且，不僅導致有效氧化膜厚度增加，制造工序也增多。
而且，由于氧化鉭膜是通過含碳成分的有機鉭前驅(qū)物和氧的反應(yīng)形成的，所以蒸鍍工序后，氧化鉭膜內(nèi)殘留碳原子C、碳化合物CH4、C2H4和H2O這樣的反應(yīng)副產(chǎn)物。這樣的反應(yīng)副產(chǎn)物誘發(fā)漏電流，極大地降低了氧化鉭膜的介電強度(dielectric strength)。
為了去除這樣的反應(yīng)副產(chǎn)物，一般蒸鍍至少2層以上的氧化鉭膜，在各蒸鍍工序之后，為了去除氧化鉭膜內(nèi)的反應(yīng)副產(chǎn)物，再進行等離子體處理或UV-O3工序。但是，所述方法存在工序數(shù)量增加的缺點。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠減少漏電流的發(fā)生、具有介電常數(shù)高的電介質(zhì)膜的半導體元件的電容器。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種制造工序能夠簡化的半導體元件的電容器的制造方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的半導體存儲元件的電容器，包括，下部電極；在所述下部電極上形成的電介質(zhì)膜；和在所述電介質(zhì)膜上形成的上部電極，其特征在于，所述電介質(zhì)膜是(TaO)1-x(TiO)N膜。
而且，本發(fā)明的特征在于，包括在半導體襯底上形成下部電極的工序；在所述下部電極上蒸鍍作為電介質(zhì)膜的(TaO)1-x(TiO)N膜的工序；和在所述(TaO)1-x(TiO)N膜上形成上部電極的工序。
再有，本發(fā)明包括在半導體襯底上形成下部電極的工序；對所述下部電極表面進行用于阻止自然氧化膜的產(chǎn)生的表面處理的工序；在所述下部電極上蒸鍍作為電介質(zhì)的(TaO)1-x(TiO)N膜的工序；在釋放所述(TaO)1-x(TiO)N膜內(nèi)雜質(zhì)的同時進行結(jié)晶化的工序；和在所述(TaO)1-x(TiO)N膜上形成上部電極的工序，其特征在于，在保持300-600℃的LPCVD反應(yīng)室內(nèi)，在抑制氣相反應(yīng)的同時，通過Ta化學蒸汽、Ti化學蒸汽、NH3氣體和O2氣體的晶片表面化學反應(yīng)，形成所述(TaO)1-x(TiO)N膜。
圖1是已有的半導體存儲元件的電容器的剖面圖。
圖2A-圖2D是用于說明本實施例的半導體存儲元件的電容器制造方法的各工序剖面圖。
參見圖2A，在具有預(yù)定導電性的半導體襯底30的預(yù)定部位，按公知方式形成場氧化膜31。在半導體襯底30上的預(yù)定部位形成底部具有柵絕緣膜32的柵電極33，在柵電極33的兩側(cè)按公知方式形成隔離層34。在柵電極33兩側(cè)的半導體襯底30上形成結(jié)區(qū)35而制成MOS晶體管。在形成了MOS晶體管的半導體襯底30上形成第1層間絕緣膜36和第2層間絕緣膜38。之后，對第2和第1層間絕緣膜38、36進行布圖，以便露出結(jié)區(qū)35之中的任一個，形成存儲結(jié)點接觸孔H。形成圓筒狀或?qū)盈B狀的下部電極40，用以與露出的結(jié)區(qū)35接觸。為了增大下部電極40的表面積，采用公知方法在下部電極40的表面形成HSG膜41。
之后，在含有HSG膜41的下部電極40與以后形成的電介質(zhì)膜(圖中無顯示)之間的界面上，為了阻止產(chǎn)生低介電常數(shù)的自然氧化膜，對含有HSG膜41的下部電極40和第2層間絕緣膜38進行表面處理。可以采用各種方法進行這種表面處理。其中一種方法是在具有NH3氣體或N2／H2氣體氣氛的LPCVD(低壓化學汽相淀積)反應(yīng)室內(nèi)，就地采用等離子體在300-600℃的溫度下進行熱處理。而且，表面處理的其他方法是在NH3氣體氣氛和500-1000℃的溫度下進行RTN，或者在同樣條件下進行反應(yīng)室熱處理。表面處理的其他方法是采用HF蒸汽(HF vapor)、HF溶液(solution)或者含HF的化合物對下部電極表面進行清洗處理。這時，在清洗處理之前或之后，可以采用NH4OH溶液或H2SO4溶液等進行進一步的界面處理。總之，在N2O或O2氣體氣氛中進行熱處理，可以改善下部電極40表面的由懸空鍵引起的結(jié)構(gòu)缺陷以及不均勻性，抑制自然氧化膜的產(chǎn)生。這里，在利用NH3氣體氣氛下的等離子體進行熱處理、RTN或反應(yīng)室內(nèi)的熱處理的情況，在含HSG膜41的下部電極40和第2層間絕緣膜38上自然地形成氮化硅膜42?？傊?，通過表面處理不能自然地形成氮化硅膜的情況，在表面處理之后，在含HSG膜41的下部電極40和第2層間絕緣膜38上人為地蒸鍍抑制自然氧化膜用的氮化硅膜42。
參見圖2B，在氮化硅膜42上形成作為電介質(zhì)的(TaO)1-x(TiO)N膜(43∶0．01≤x≤0．09)。在保持300-600℃的LPCVD反應(yīng)室內(nèi)，通過Ta化學蒸汽、Ti化學蒸汽、NH3氣體和O2氣體的化學反應(yīng)，形成(TaO)1-x(TiO)N膜43。這里，對Ta(OC2H5)5(乙醇鉭)、Ta(N(CH3)2)5(戊-二甲基-氨基-鉭)這樣的前驅(qū)物定量化后，用保持140-200℃的溫度的蒸發(fā)管進行蒸發(fā)獲得Ta化學蒸汽，對Ti[OCH(CH3)2]4(異丙醇鈦)、TiCl4、TDMAT(四-二甲基酰氨基-鈦)、TDEAT(四-二乙基酰氨基-鈦)等這樣的前驅(qū)物定量化后，用保持200-300℃的溫度的蒸發(fā)管進行蒸發(fā)獲得Ti化學蒸汽。此時，按Ti／Ta為0．01-1的摩爾比供給Ta化學蒸汽和Ti化學蒸汽，在10-1000sccm的范圍內(nèi)分別供給NH3氣體和O2氣體。形成(TaO)1-x(TiO)N膜43時，反應(yīng)室內(nèi)的氣相反應(yīng)(gasphase reaction)在最大抑制的狀態(tài)下，僅在晶片表面產(chǎn)生化學反應(yīng)?？傊?，形成厚約80-150A的(TaO)1-x(TiO)N膜。
之后，如圖2C所示，對非晶態(tài)的(TaO)1-x(TiO)N膜43進行結(jié)晶化處理，同時為了使膜內(nèi)的反應(yīng)副產(chǎn)物向外擴散，在N2O(O2或N2)氣氛和550-950℃的溫度下，對(TaO)1-x(TiO)N膜43進行30秒-30分鐘的RTP或電爐退火。通過這種熱工序，非晶態(tài)的(TaO)1-x(TiO)N膜43轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)的(TaO)1-x(TiO)N膜43a，從而提高了介電常數(shù)，(TaO)1-x(TiO)N膜43內(nèi)殘留的反應(yīng)副產(chǎn)物向外擴散，防止漏電流。
然后，如圖2D所示，在結(jié)晶化的(TaO)1-x(TiO)N膜43a上形成上部電極45。此時，可以由摻雜的多晶硅膜或金屬層形成上部電極45。由金屬層形成上部電極45的情況，金屬層可以選擇TiN、TaN、W、WN、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt之中的任意一種?？傊?，通過LPCVD、PECVD、RF磁濺射法中的任一種形成金屬層。
正如以上詳細說明的那樣，采用(TaO)1-x(TiO)N膜作為電介質(zhì)，可以獲得如下效果。
首先，由于(TaO)1-x(TiO)N膜具有40以上的高介電常數(shù)，所以適合于大容量的電容器。而且，由于(TaO)1-x(TiO)N膜具有以共價鍵結(jié)合的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的四方晶系(tetragonal system)的晶格結(jié)構(gòu)的TiO2，所以機械強度、電子學強度優(yōu)異，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。
由此，也可以耐受外部施加的沖擊，漏電流的產(chǎn)生程度也非常低。
而且，由于與氧化鉭膜相比具有非常穩(wěn)定的化學計量比，所以無需穩(wěn)定化學計量比的其他的低溫氧化工序。由此，可以減少工程工序。
權(quán)利要求
1．一種半導體存儲元件的電容器，包括下部電極，在所述下部電極上形成的電介質(zhì)膜；和在所述電介質(zhì)膜上形成的上部電極，其特征在于，所述電介質(zhì)膜是(TaO)1-x(TiO)N膜。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體存儲元件的電容器，其特征在于，在所述下部電極與所述電介質(zhì)膜之間還插入氮化硅膜。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體存儲元件的電容器，其特征在于，所述下部電極是在表面具有布圖的圓柱形結(jié)構(gòu)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體存儲元件的電容器，其特征在于，所述下部電極是在表面具有布圖的層疊結(jié)構(gòu)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體存儲元件的電容器，其特征在于，所述下部電極或所述上部電極是由摻雜多晶硅膜制成的。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體存儲元件的電容器，其特征在于，所述上部電極是由金屬層制成的。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的半導體存儲元件的電容器，其特征在于，所述金屬層是TiN、TaN、W、WN、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt中的任意一種。
8．一種半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，包括在半導體襯底上形成下部電極的工序；在所述下部電極上蒸鍍作為電介質(zhì)膜的(TaO)1-x(TiO)N膜的工序；和在所述(TaO)1-x(TiO)N膜上形成上部電極的工序。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，在保持300-600℃的LPCVD反應(yīng)室內(nèi)，在抑制氣相反應(yīng)的同時，利用Ta化學蒸汽、Ti化學蒸汽、NH3氣體和O2氣體的晶片表面化學反應(yīng)，形成所述(TaO)1-x(TiO)N膜。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，按Ti／Ta為0．01-1的摩爾比供給所述Ta化學蒸汽和Ti化學蒸汽。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，在140-220℃的溫度蒸發(fā)含鉭的有機金屬前驅(qū)物，從而獲得所述Ta化學蒸汽。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述含鉭的有機金屬前驅(qū)物是Ta(OC2H5)5或者Ta(N(CH3)2)5。
13．根據(jù)權(quán)利要求10的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，在200-300℃的溫度蒸發(fā)含鈦的有機金屬前驅(qū)物，從而獲得所述Ti化學蒸汽。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述含鈦的有機金屬前驅(qū)物是Ti[OCH(CH3)2]4、TiCl4、TDMAT和TDEAT中的任一種。
15．根據(jù)權(quán)利要求9的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，只按10-1000sccm的范圍供給所述NH3氣體和O2氣體。
16．根據(jù)權(quán)利要求8的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，在所述下部電極的形成工序和所述(TaO)1-x(TiO)N膜蒸鍍工序之間，對所述下部電極表面再進行阻止自然氧化膜發(fā)生的表面處理。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述表面處理是在采用具有NH3氣體或N2／H2氣體氣氛的等離子體LPCVD(低壓化學汽相淀積)反應(yīng)室內(nèi)，在300-600℃進行熱處理。
18．根據(jù)權(quán)利要求16的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述表面處理是在具有NH3氣體氣氛的反應(yīng)室內(nèi)，在500-1000℃進行RTN處理。
19．根據(jù)權(quán)利要求16的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述表面處理是在具有NH3氣體氣氛的電爐內(nèi)，在500-1000℃進行熱處理。
20．根據(jù)權(quán)利要求16的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述表面處理是采用HF蒸汽、HF溶液或者含有HF的化合物，清洗下部電極表面。
21．根據(jù)權(quán)利要求20的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，在所述清洗工序之前或之后，利用NH4OH溶液或者H2SO4溶液等再進行界面處理。
22．根據(jù)權(quán)利要求16的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述表面處理是在N2O或O2氣氛中進行熱處理。
23．根據(jù)權(quán)利要求8的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，在所述(TaO)1-x(TiO)N膜的形成工序和上部電極的形成工序之間，還進行一邊使(TaO)1-x(TiO)N膜結(jié)晶化、一邊向外擴散膜內(nèi)的反應(yīng)副產(chǎn)物的工序。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述一邊使(TaO)1-x(TiO)N膜結(jié)晶化、一邊向外擴散反應(yīng)副產(chǎn)物的工序，是在N2O、O2或N2氣氛和550-950℃的溫度中，進行RTP處理。
25．根據(jù)權(quán)利要求23的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述一邊使(TaO)1-x(TiO)N膜結(jié)晶化、一邊向外擴散膜內(nèi)的反應(yīng)副產(chǎn)物的工序，是在N2O、O2或N2氣氛和550-950℃的溫度中，進行電爐退火。
26．一種半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，包括在半導體襯底上形成下部電極的工序；對所述下部電極表面進行阻止自然氧化膜發(fā)生的表面處理的工序；在所述下部電極上蒸鍍作為電介質(zhì)的(TaO)1-x(TiO)N膜的工序；使所述(TaO)1-x(TiO)N膜邊釋放雜質(zhì)邊結(jié)晶化的工序；和在所述(TaO)1-x(TiO)N膜上形成上部電極的工序，其特征在于，在保持300-600℃的LPCVD反應(yīng)室內(nèi)，在抑制氣相反應(yīng)的同時，利用Ta化學蒸汽、Ti化學蒸汽、NH3氣體和O2氣體的晶片表面化學反應(yīng)，形成所述(TaO)1-x(TiO)N膜。
27．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，按Ti／Ta為0．01-1的摩爾比供給所述Ta化學蒸汽和Ti化學蒸汽。
28．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，在140-220℃的溫度蒸發(fā)含鉭的有機金屬前驅(qū)物，從而獲得所述Ta化學蒸汽。
29．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述含鉭的有機金屬前驅(qū)物為Ta(OC2H5)5或者Ta(N(CH3)2)5。
30．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，在200-300℃的溫度蒸發(fā)含鈦的有機金屬前驅(qū)物，從而獲得所述Ti化學蒸汽。
31．根據(jù)權(quán)利要求30的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述含鈦的有機金屬前驅(qū)物為Ti[OCH(CH3)2]4、TiCl4、TDMAT和TDEAT中的任一種。
32．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，只按10-1000sccm的范圍供給所述NH3氣體和O2氣體。
33．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述防止產(chǎn)生自然氧化膜的表面處理，是在采用具有NH3氣體或N2／H2氣體氣氛的等離子體LPCVD(低壓化學汽相淀積)反應(yīng)室內(nèi)，在300-600℃進行熱處理。
34．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述防止產(chǎn)生自然氧化膜的表面處理，是在具有NH3氣體氣氛的反應(yīng)室內(nèi)，在500-1000℃進行RTN處理。
35．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述防止自然氧化膜的表面處理，是在具有NH3氣體氣氛的電爐內(nèi)，在500-1000℃進行熱處理。
36．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述防止產(chǎn)生自然氧化膜的表面處理，是采用HF蒸汽、HF溶液或者含有HF的化合物，清洗下部電極的表面。
37．根據(jù)權(quán)利要求36的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，在所述清洗工序之前或之后，利用NH4OH溶液或者H2SO4溶液等再進行界面處理。
38．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述防止產(chǎn)生自然氧化膜的表面處理，是在N2O或O2氣氛中進行熱處理。
39．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述一邊使(TaO)1-x(TiO)N膜結(jié)晶化、一邊向外擴散膜內(nèi)的反應(yīng)副產(chǎn)物的工序，是在N2O、O2或N2氣體氣氛和550-950℃的溫度下，進行RTP處理。
40．根據(jù)權(quán)利要求26的半導體存儲元件的電容器的制造方法，其特征在于，所述一邊使(TaO)1-x(TiO)N膜結(jié)晶化、一邊向外擴散膜內(nèi)的反應(yīng)副產(chǎn)物的工序，是在N2O、O2或N2氣體氣氛和550-950℃的溫度下，進行電爐退火。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠減少漏電流的發(fā)生、具有介電常數(shù)高的電介質(zhì)膜的半導體元件的電容器。本發(fā)明包括在半導體襯底上形成下部電極;在下部電極表面上進行阻止自然氧化膜發(fā)生的表面處理。在下部電極上蒸鍍作為電介質(zhì)的(TaO)
文檔編號H01L21/8242GK1280391SQ0012402
公開日2001年1月17日 申請日期2000年7月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月1日
發(fā)明者李起正, 金東俊 申請人:現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)株式會社