專利名稱：具有高k電介質(zhì)存儲電容器的dram及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件和方法，尤其是涉及一種具有高K電介質(zhì)存儲電容器的DRAM及其制造方法。
背景技術(shù)：
動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)是可以用來存儲信息的存儲器件。DRAM在一些應(yīng)用中受到偏愛，是因為它們可以相當廉價地以很高密度制造。每個DRAM單元典型地包括兩個元件，也就是存儲電容器和存取晶體管。通過將電荷經(jīng)由存取晶體管傳遞到電容器中，可以將數(shù)據(jù)存儲到存儲電容器中并且從存儲電容器讀出。作為實例，由電容器按照每一次施加的電壓保持的電容量或電荷量以法拉計量，且取決于極板的面積、極板之間的距離和絕緣體的介電值。DRAM單元設(shè)計的一個目的是使存儲電容器的電容量最大化。
DRAM設(shè)計的另一個目的是使從存儲電容器的電荷泄漏減到最小。在任一實際器件中，電荷會從電容器慢慢泄漏。結(jié)果，必須周期性地刷新存儲單元。降低從單元的泄漏帶來一個或多個優(yōu)點?？梢栽黾又芷谒⑿轮g的時間，由此降低了被器件消耗的功率，以及增加了器件可用于其它功能的時間量。另一個可能性是降低工作電壓，以便可以在單元中存儲較少量的電荷。最后，如果同量地增加電介質(zhì)材料的介電常數(shù)，則在不降低電容量的條件下可以使電容器更小。
對于DRAM電容器，對于亞70nm技術(shù)的一些關(guān)鍵要求是低的泄漏電流、低的等效氧化物厚度(EOT)、多晶硅耗盡的最小化、足夠的能帶偏移(對于電介質(zhì))和在隨后處理期間的熱穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)這些要求，公知的想法是利用MIS(金屬-絕緣體-硅)或MIM(金屬-絕緣體-金屬)電容器。關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是使各種界面特性最優(yōu)化以及使用具有高電容量的電介質(zhì)。
用于電容器的多種高介電常數(shù)材料是公知的。已提議用作電容器電介質(zhì)的高介電常數(shù)材料的例子是五氧化二鉭、氧化鈦、鈦酸鍶鋇和氧化鈦。為了得到大于10的介電常數(shù)，現(xiàn)有技術(shù)已關(guān)注了基于HfuAlvSiwOxNy或LauAlvSiwOxNy系的材料(其中下標指的是各元素的原子比例，每個都在0至100％之間變化，以使得下標總計為100％，不包括雜質(zhì)如Cl、H、C)。這些材料的最大介電常數(shù)為30左右。

發(fā)明內(nèi)容
通過本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，大體解決或避開了這些和其它問題，且大體獲得了技術(shù)優(yōu)點，該實施方案公開了具有高K電介質(zhì)存儲電容器的DRAM及其制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，動態(tài)隨機存取存儲單元包括形成于半導(dǎo)體主體中的晶體管。電容器連接到晶體管上且包括由硅形成的第一電容器極板。金屬層鄰接且電連接到第一電容器極板。電容器電介質(zhì)層與金屬層相鄰。電容器電介質(zhì)層包括具有介電常數(shù)約大于5(或10或20)的材料。第二電容器極板與電容器電介質(zhì)相鄰。電容器可以是溝槽電容器或?qū)盈B電容器。
在另一實施方案中，存儲單元的制造方法包括形成第一電容器電極。形成與第一電容器電極物理接觸的金屬層。金屬層可以由對氧具有高親合力且熔點在約1000℃以上的材料形成。形成與金屬層物理接觸的高K電介質(zhì)材料層。高K電介質(zhì)材料具有大于約5的介電常數(shù)。在高K電介質(zhì)材料層上形成導(dǎo)電層?？梢酝ㄟ^進行退火步驟(例如，RTA或熔爐)改性高K電介質(zhì)層和金屬層/硅主體之間的界面?？梢詫⒐柚黧w內(nèi)的晶體管電連接到導(dǎo)電層或第一電容器電極之一上。
本發(fā)明的各種實施方案基于至少兩個核心原理。第—個原理是使用氧/氮吸雜層(由于它可以部分地或完全地轉(zhuǎn)換成新相，所以本質(zhì)上是犧牲的)作為改性電介質(zhì)層和半導(dǎo)體層之間界面的手段。在第二個原理中，可以使用基于HfuTivTawOxNy混合膜或納米疊層的高K層來獲得超過25至35的介電常數(shù)。
諸如鈦的金屬與氧形成固溶體，且因此作為吸雜層很有效。此外，在界面處形成導(dǎo)電硅化物層對于制造MIM電容器很有用?？蛇x地，如果選擇處理條件使得形成硅酸鹽層，則均勻且高介電常數(shù)的這種層將有助于使對EOT的界面作用減到最小?？梢哉{(diào)整氧的分離(通過溫度、時間和分壓控制)，以便使純硅化物與硅襯底接觸，且在硅化物層之上形成硅酸鹽/氧化物。
高K層以TiO2為基礎(chǔ)，其具有在80范圍內(nèi)的介電常數(shù)。然而，由于低的帶隙(≅3.05eV)]]>和對于Si可忽略的導(dǎo)帶偏移(接近0eV)，所以只有TiO2本身是不夠的。TiO2與較高帶隙的材料(即使可具有較低的介電常數(shù))結(jié)合是一個可能性。一些可能性包括HfO2、Ta2O5、SrO(SrTiO3的介電常數(shù)接近100)和某些電介質(zhì)氮化物(例如，Hf3N4、ZrN4)。這里提議的兩個寬范疇的電介質(zhì)是基于Ti和Ta的混合氧化物/氮化物(Hf-Ti-Ta-O-N)或它們的納米層疊(使用TiO2、HfO2、Hf3N4、Ta2O5……的組合或其子集)。通過單獨成分(例如，使用TEMAHf和O3或H2O的HfO2、使用TiCl4或Ti(OEt)4和O3或H2O的TiO2、使用TBTEMT和O3或H2O的Ta2O5、使用具有NH3的TEMAHf的Hf3N4等)的ALD來沉積混合膜，并且各層厚度被調(diào)節(jié)為確保緊密的膜混合的厚度。通過使用較厚的每個成分膜子層(sub-layer)形成納米層疊結(jié)構(gòu)。該納米層疊結(jié)構(gòu)在防止晶粒生長和控制電介質(zhì)膜的結(jié)晶行為方面提供了重要的好處。


為了更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在結(jié)合附圖參考下面的描述，其中圖1a是第一實施方案的溝槽存儲單元的截面圖；圖1b是圖1a(以及圖2和9)的單元的電路圖；圖2是第二實施方案的溝槽存儲單元；圖3-8示例了制造溝槽存儲單元的工藝流程的各階段；以及圖9是可以利用本發(fā)明各方面的疊式電容器存儲單元。
具體實施例方式
在下面詳細地論述了目前優(yōu)選實施方案的制作和使用。然而，應(yīng)當意識到，本發(fā)明提供了可以具體化為多種具體范圍的許多可應(yīng)用的發(fā)明原理。所論述的具體實施方案僅僅是制作和使用本發(fā)明的示例性的具體方式，并不限制本發(fā)明的范圍。
將參考優(yōu)選實施方案在具體的范圍中描述本發(fā)明，也就是DRAM單元。然而，還可將本發(fā)明應(yīng)用到其它包括電容器的器件上。例如，使用電容器的任一集成電路都會受益于本發(fā)明的教導(dǎo)。
圖1a示出了可以使用本發(fā)明原理的DRAM單元10的第一實例。圖1b示出了圖1a的單元的示意圖。圖1a的實施方案包括形成于半導(dǎo)體主體14中的溝槽電容器12。電容器包括兩個極板和中間的電介質(zhì)層。在所示的實例中，第一極板由襯底區(qū)16形成，第二極板是溝槽內(nèi)的導(dǎo)電材料18。在兩個電容器極板之間沿著溝槽的側(cè)壁和底部形成電介質(zhì)層20。在所示的實施方案中，電容器電極16由掩埋的n摻雜區(qū)形成，且共用于多個電容器。
如電路圖以及截面圖所示，存儲極板18電連接到存取晶體管28的源/漏區(qū)22上。在該實施方案中，形成于溝槽上部部分中的導(dǎo)電帶30使存儲極板18電連接到摻雜區(qū)22上。提供了隔離環(huán)32以使電容器電極16與摻雜區(qū)22電隔離。淺溝槽隔離區(qū)36使溝槽電容器12與相鄰的任意器件(例如，相鄰存儲器的存儲單元)電隔離。
存取晶體管28包括形成于半導(dǎo)體主體14中的源/漏區(qū)22和24。源/漏區(qū)24典型地連接到位線(未示出)上。柵電極26覆在溝道34上面以便控制溝道的導(dǎo)電性，由此提供對存儲單元12的存取。柵電極26典型地連接到字線(未示出)上。
一方面，本發(fā)明關(guān)注于掩埋極板16和電容器電介質(zhì)20以及電極18之間的界面上。特別地，優(yōu)選控制半導(dǎo)體主體14的硅(其易于形成自然氧化物)和電極18(其可包括金屬)或電介質(zhì)20之間的界面以獲得小于1nm的EOT(有效氧化物厚度)。在界面附近的電極18中使用純金屬層有助于使界面層對EOT的貢獻減到最小。將該金屬電極與具有高介電常數(shù)的合適的電介質(zhì)層20結(jié)合有助于使EOT減到最小。如下面將論述的，本發(fā)明的一個實施方案提議使用硅襯底、之后是純金屬閃光層(例如，Ti、Ru、Hf和/或Ta)和各種高K混合膜或納米層疊電介質(zhì)體系。
圖2示例了明確示出形成在掩埋極板16的半導(dǎo)體材料和電介質(zhì)層20之間的金屬層40的實施方案。在所示實施方案中，金屬層40與硅襯底14直接接觸。在一個實例中，金屬層40優(yōu)選可以是對氧具有高親合力且熔點在約1000℃以上的任一金屬(對于與氧的固溶體和氧化物兩者)。在各種實施方案中，金屬層40可以只包括閃光金屬(例如，Ti)、具有另一金屬電極的閃光金屬(例如，TiN、TaN、Ru或其它)或只有該金屬電極。
現(xiàn)在將參考圖3-8描述本發(fā)明的DRAM單元的形成方法。首先參考圖3，提供了半導(dǎo)體襯底14。襯底14可以是體硅(bulk silicon)襯底的上部部分或另一層之上的硅層。例如，硅層可以是絕緣體上硅(SOI)襯底的一部分、在另一層上面的外延生長層(例如，鍺化硅上的硅)或由晶片接合技術(shù)形成的硅層。硅層還可以是形成在襯底之上的層，例如用作柵電極的多晶硅層或用于疊式電容器中的電極。還可以使用除了硅之外的半導(dǎo)體，例如鍺、鍺化硅、砷化鎵和其它。
在襯底14之上沉積硬掩模層42。選擇硬掩模材料，以使得可以用硬掩模42選擇性地蝕刻硅。在優(yōu)選實施方案中，硬掩模是氮化硅(例如，Si3N4)。利用公知的光刻技術(shù)使該層形成圖案，且以與掩模42對準的方式將溝槽蝕刻進入半導(dǎo)體主體14中。在優(yōu)選實施方案中，將溝槽蝕刻成約35nm～約350nm的直徑以及約4μm～約9μm的深度。
參考圖4，沉積金屬層40。在第一個實例中，第一金屬層40可以是形成為約1～約10nm厚度的鈦。可以利用熱工藝(優(yōu)選)或合適的等離子體增強沉積工藝、例如具有H2等離子體的Ti(OEt)4或TiCl4，通過原子層沉積來沉積該層。例如，可以利用合適的前體和原子層沉積(ALD)工藝沉積金屬層40。等離子體增強會促進減小附著在襯底上之后的金屬配體。這種沉積工藝的例子是使用PEALD(等離子體增強的ALD)來沉積Ti。TiCl4是用于Ti的前體，且使用原子氫(用RF等離子體制造)作為還原劑。在2002年5/6月的Joumal of Vacuum Science and Technology、A20(3)、第802-808頁中的Kim等人的“Growth kinetics and initial stage growth during plasma-enhanced Ti atomic layer deposition”中描述了Ti ALD的合適例子，在此引用該論文作為參考。
在其它實施方案中，可以使用其它的沉積技術(shù)。例如，對于深溝槽，如在此描述的那些，可使用熱ALD工藝來確保足夠的臺階覆蓋度(step coverage)。其它選擇包括利用TiCl4、Ti-酰胺或具有H2O或O3的Ti-醇鹽的熱ALD。在其它實施方案中，可以使用其它方法來沉積Ti，例如來自Ti靶的物理汽相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)或分子束外延(MBE)。
在共同未決的專利申請系列No.＿＿(2004P54458)中提供了關(guān)于金屬層的其它細節(jié)，在此引用該專利申請作為參考。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案使用氧/氮吸雜層40(由于它可部分地或全部地轉(zhuǎn)換成新的相，所以本質(zhì)上是犧牲的)作為改性電介質(zhì)層20和襯底14之間界面的手段。諸如鈦的金屬可與氧形成固熔體，因此作為吸雜層是很有效的。此外，在界面處形成硅化物層將對MIM電容器非常有用?？梢哉{(diào)整氧的分離(通過溫度、時間和分壓控制)，以便使純硅化物與硅襯底接觸，且在硅化物層之上形成硅酸鹽/氧化物。
現(xiàn)在參考圖5，在層40上沉積電介質(zhì)20?？梢允褂枚喾N電介質(zhì)。例如，電介質(zhì)20可以是氧化物(例如，二氧化硅)或氮化物(如氮化硅，例如Si3N4)。還可以使用氧化物和氮化物的組合。例如，電介質(zhì)20可以是氮氧化硅(SiON)或組合層如氧化物-氮化物-氧化物(ONO)層。利用氧化硅、氮化硅和它們的組合，并取決于電介質(zhì)20的介電常數(shù)，該層優(yōu)選的物理厚度在約1nm和10nm之間，優(yōu)選約為3nm。
本發(fā)明的工藝使用高K電介質(zhì)是特別有用的，高K電介質(zhì)例如為在一個實施方案中的具有介電常數(shù)大于約10和在另一個實施方案中之介電常數(shù)大于約20的那些材料。合適的例子包括Hf或Al基氧化物，如Al2O3、HfO2和Hf-Al-Ox。其它例子包括氧化鈦(TiO2)、氧化鑭(例如，La2O3)、鈦酸鋇鍶(BST)((BaSr)TiO3或BSTO)和鈦酸鍶(STO)。
共同未決的申請系列No.＿＿(代理號No.2004P54456)描述了在本發(fā)明實施方案中特別有用的多種高K電介質(zhì)。例如，該申請?zhí)峁┝艘环NK大于25且與硅有足夠的導(dǎo)帶偏移的電介質(zhì)層。在共同未決的申請中提議的示例性實施方案使用以下材料體系HfuTivTawOxNy、HfuTivOxNy、TiuSrvOxNy、TiuAlvOxNy和HfuSrvOxNy(其中u、v、w、x和y是電介質(zhì)疊層中的元素的原子比例)。
在優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明使用滿足所需的介電常數(shù)和其它特性以獲得低泄漏和高電容量的材料體系。在優(yōu)選實施方案中，這些材料體系以TiO2為基礎(chǔ)，其具有80左右的介電常數(shù)但與硅具有非常低的導(dǎo)帶偏移(Ec)(＜1.2eV)和低的帶隙(Eg≅3.5eV).]]>與TiO2結(jié)合的候選物是Ta2O5(k＝26，Ec＜1.5eV，Eg≅4.5]]>)、Al2O3(k＝9，Ec＝2.8eV，Eg≅8]]>)、HfO2(k＝20，Ec＝1.5eV，Eg＝5.8eV)、La2O3(k＝30，Ec＝2.3eV，Eg＝4.3eV)、SrTiO3(k＞100)、Hf3N4(k≅30)]]>和其它的。還可以是這些材料的組合。
在優(yōu)選實施方案中，可以通過原子層沉積(ALD)來沉積單獨成分。合適的前體將用于以上所列出的各種成分(氧化物、氮化物)的沉積。例如，HfO2，使用具有O3或H2O的TEMAHf；Hf3N4，使用具有NH3的TEMAHf。
如圖5所示，在襯底14之上形成電介質(zhì)層20(如果包括的話，還有金屬層40)。在優(yōu)選實施方案中，通過單獨成分的ALD來沉積電介質(zhì)層20。以下提供了材料的具體例子。該層的厚度(典型為約2nm至約20nm)、單獨子層的厚度和上述層的順序都是可變的，且取決于要獲得的電容量增強。
在第一實施方案中，電介質(zhì)層20包括由具有高介電常數(shù)的第一材料的連續(xù)層和相對硅具有高能帶偏移(例如，大于約1.5至2eV)的后續(xù)層形成的納米疊層。材料的這種組合是優(yōu)選的，因為高介電常數(shù)材料將保持電荷，而高的能帶偏移能避免泄漏。例如，如上所述，TiO2具有80左右的優(yōu)良的介電常數(shù)，但導(dǎo)帶偏移很低。因此TiO2本身不是優(yōu)選的。相反，優(yōu)選的這種材料與有助于增加能帶偏移的某些材料結(jié)合。另外，第一層也可以是對硅具有高導(dǎo)帶偏移的材料(例如，Al2O3、HfO2和其它的)。后續(xù)層可以是具有高介電常數(shù)的材料(例如，TiO2)。如下所述，有或沒有添加另外的二元膜(binary film)都可以重復(fù)該序列，直至獲得所需的膜厚度。
對于納米疊置的電介質(zhì)層20，單獨層(例如，SrO、Al2O3、TiO2、Hf3N4、AlN、HfO2)是幾nm厚。在優(yōu)選實施方案中，該厚度優(yōu)選為約0.5nm至約4nm，典型約為1nm。由于是沉積的，所以上述層是理想地完整的。然而，在高溫退火期間在各層之間的界面處會出現(xiàn)一些混雜/反應(yīng)。
在另一實施方案中，電介質(zhì)20可以是混合化合物。在該情況下，形成薄層，然后對該結(jié)構(gòu)退火以形成例如單化合物。對于混合化合物，單層厚度(如沉積的)典型小于0.5nm，以確保更同質(zhì)的膜。高溫退火之后，理想的情景是不存在膜的結(jié)晶且沒有分離成幾種不同的化合物(取決于膜的組分，其是可能的)。典型的方式是使用量子化學計算、分子軌道理論和自由能最小化技術(shù)，該方式可用于預(yù)測退火之后存在何種相。因為對混合化合物的退火效應(yīng)的真實細節(jié)是非常難以預(yù)測的，這是由于它可能不是完全穩(wěn)定的熱力學系統(tǒng)，所以任一實施均需使用如高分辨率TEM、電子能量損耗光譜、盧瑟福反向散射、X射線光電子光譜或其它技術(shù)的技術(shù)組合進行實際的驗證。無論如何，本發(fā)明都包含從納米疊層到混合化合物及其中間的所有相。
在另一實施方案中，形成低泄漏和高電容量的電容器的方法包括基于TiO2的氧化物/氮化物/氮氧化物和鈣鈦礦如SrTiO3的適當混合。這里公開了五個示例性體系?，F(xiàn)在將論述這些中的每一個。這些體系可以實施為納米疊層或混合化合物。
第一體系使用HfuTivTawOxNy。在優(yōu)選實施方案中，0＜u＜60，0＜v＜60，0＜w＜60，0＜x＜50和0＜y＜50，以及u+v+w+x+y≅100.]]>(可依賴于沉積工藝而存在一些雜質(zhì)如Cl、C和H。為了確定體系中材料的比率忽略了這些雜質(zhì))。該實施方案包括混合的氧化物、氮化物和氮氧化物的所有可能的組合。例如，可以通過沉積Hf3N4、HfO2、TiO2和Ta2O5的交替的層形成混合氧化物?？梢酝ㄟ^增加子層的厚度將它轉(zhuǎn)換成納米層疊結(jié)構(gòu)。可以通過改變每個子層的重復(fù)次數(shù)來調(diào)整該混合物。
舉例來說，將Hf3N4層沉積到約0.5nm～約3nm的厚度，優(yōu)選約2nm。接下來將HfO2層沉積到約0.5nm～約3nm的厚度，優(yōu)選約2nm。可以將TiO2層沉積到約0.5nm～約3nm的厚度，優(yōu)選約2nm。最后，可以將Ta2O5層沉積到約0.5nm～約3nm的厚度，優(yōu)選約2nm?？梢灾貜?fù)這四層約1～10次。
還可以改變沉積的順序和單獨層的厚度以改性隨之發(fā)生的電介質(zhì)疊層的性質(zhì)。這是形成納米疊層結(jié)構(gòu)的方式?？梢酝ㄟ^將層厚度減小到1nm或更小(優(yōu)選更接近于單層或約0.5nm厚)以混合氮氧化物的形式來加工相同的二元混合物的組。另一變形是只使用這些二元混合物的子集。例如，可以使用HfO2和TiO2來生長HfuTivOx(其是在HfuTivTawOxNy中將w和y設(shè)置等于0的結(jié)果)。
第二個實例使用HfuTivOxNy體系，包括混合氧化物、氮化物和氮氧化物的所有可能的組合。在優(yōu)選實施方案中，0＜u＜60，0＜v＜60，0＜x＜50和0＜y＜50，以及u+v+x+y≅100]]>(一些雜質(zhì)如Cl、C和H可依賴于沉積工藝存在)。例如，可以通過交替沉積Hf3N4、HfO2和TiO2的層形成混合氧化物?？梢酝ㄟ^增加子層的厚度將它轉(zhuǎn)換成納米疊層結(jié)構(gòu)。例如，可以形成TiO2和HfO2的納米疊層。可以通過使用合適的氮化退火(例如，在形成氣體、NH3氣氛或N2氣氛中)將氮引入到該結(jié)構(gòu)中?？梢酝ㄟ^改變每個子層的重復(fù)次數(shù)來調(diào)整該混合物。
另一選擇是沉積HfO2、TiO2和Ti層(這是在HfuTivOxNy中將y設(shè)置等于0的實例)。于是可以獨立地控制該疊層的Ti含量?？梢允褂肨i的吸雜效應(yīng)來控制各種氧化物的氧含量。例如，可以沉積第一層Ti(例如，0.3至1nm厚)。這之后是HfO2層(0.3至1nm厚)。還可以沉積另一Ti層(例如，0.3至1nm厚)。接下來可以沉積一層TiO2(例如，0.3至1nm厚)?？梢灾貜?fù)該順序以得到富Ti結(jié)構(gòu)?？梢允褂枚旌衔锏妮^厚層(1nm或更大)來形成納米疊層結(jié)構(gòu)。為了減少Ti含量，例如可以除去HfO2和TiO2之間的Ti層。另外，還可以增加Ti層相對于HfO2或TiO2層的厚度的相對厚度。
另一個體系使用TiuSrvOxNy且包括混合氧化物、氮化物和氮氧化物的所有可能的組合。在優(yōu)選實施方案中，0＜u＜60，0＜v＜60，0＜x＜50和0＜y＜50，以及u+v+x+y≅100]]>(一些雜質(zhì)如Cl、C和H可依賴于沉積工藝存在)。例如，可以通過交替沉積SrO、Sr3N2和TiO2的層形成混合氧化物?？梢酝ㄟ^增加子層的厚度將它轉(zhuǎn)換成納米層疊結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^改變每個子層的重復(fù)次數(shù)來調(diào)整該混合物。
在原子層沉積(ALD)工藝中，通過交替引入前體(例如TiCl4，其可以作為Ti源)、用惰性氣體(比方說氬)凈化處理室、引入含有化合物膜的剩余成分的前體/反應(yīng)劑(例如NH3，其可以作為N源)、之后是用惰性氣體(比方說氬)凈化以便抽空該室來沉積化合物膜。這組成一個ALD周期。如果使處理參數(shù)最優(yōu)化，ALD會導(dǎo)致自限制生長，最終的厚度是ALD周期數(shù)的函數(shù)。通過改變不同的二元混合物的順序和周期數(shù)，可以使用ALD來產(chǎn)生納米疊層或混合氮氧化物，上述二元混合物用于沉積電介質(zhì)膜。例如，可以重復(fù)SrO、Sr3N2和TiO2中每一個的一個ALD周期直至獲得所希望的厚度。另外，還可以在兩個周期的SrO之后是三個周期的Sr3N2和一個周期的TiO2。作為該方法的擴展，可以形成各種混合物，且對于u、v、x和y可以產(chǎn)生不同的設(shè)置。
合適的前體將用于沉積以上所列出的各種成分(氧化物、氮化物)。例如，可能的源為a.氧是H2、O2或O3b.氮是NH3、N2c.鉿是金屬烷基氨化物(例如，三乙甲基氨基鉿)、金屬鹵化物(例如HfCl2)、金屬醇鹽
d.鈦是金屬鹵化物(例如，TiCl4)、金屬有機化合物(例如，TDMAT)、金屬醇鹽(例如，Ti(OEt)4)e.鋁是金屬烷基氨化物(例如，三甲基鋁)、金屬醇鹽。
f.鉭是金屬烷基氨化物(例如，叔丁基亞氨基三-二乙基氨基鉭或TBTDET)、金屬有機化合物、金屬醇鹽g.釕是金屬茂(例如，Ru(Cp)2-二茂釕，Ru(ethylCp)2)h.鍶是金屬茂、金屬烷基氨化物、金屬β-二酮酸鹽(diketonate)、金屬醇鹽另一種方式是例如通過改變TiO2和SrO的層來形成混合氧化物。一旦形成了TixSruOx氧化物，則可以通過使用合適的氮化退火(例如，在形成氣體、NH3氣氛或N2氣氛中)將氮引入該結(jié)構(gòu)中。在所示的實例中，在沉積混合氧化物膜的沉積之后進行該退火。RTP退火是優(yōu)選的方法，是在約400℃～1000℃的溫度高達60秒的方法。還可以通過使用在約500℃～1100℃的溫度達5至30分鐘的熔爐獲得滲氮。
RTP會使金屬層40與襯底14反應(yīng)。例如，如果金屬是如鈦等難熔金屬，則去除硅化物將是有挑戰(zhàn)的。為了去除該材料，如果希望去除該金屬，則將必須進行對于硅化物具有高選擇性的干法或濕法蝕刻，如同溝槽電容器的情況一樣。在疊式電容器(下面所更詳細論述的)的情況下，不需要去除多余的金屬。
對于電介質(zhì)20的另一選擇是沉積SrO、TiO2和Ti層。于是可以獨立地控制該疊層的Ti含量。可以使用Ti的吸雜效應(yīng)來控制各種氧化物的氧含量。在這里該方式與以上描述的相同。例如，如果使用ALD，則可以重復(fù)SrO、Ti和TiO2中每一個的一個ALD周期直至獲得所希望的厚度。另外，還可以在兩個周期的SrO之后是三個周期的Ti和一個周期的TiO2。作為該方法的擴展，可以形成各種混合物，且對于u、v、x和y可以產(chǎn)生不同的設(shè)置。
另一個體系使用TiuAlvOxNy，包括混合的氧化物、氮化物和氮氧化物所有可能的組合。在優(yōu)選實施方案中，0＜u＜60，0＜v＜60，0＜x＜50和0＜y＜50，以及u+v+x+y≅100]]>(一些雜質(zhì)如Cl、C和H可依賴于沉積工藝存在)。例如，可以通過交替沉積Al2O3、AlN和TiO2的層形成混合氧化物?？梢酝ㄟ^增加子層的厚度將它轉(zhuǎn)換成納米層疊結(jié)構(gòu)。可以將以上所述的ALD方法再一次應(yīng)用到該實施方案。
另一種方式是例如通過改變TiO2和Al2O3層來形成混合氧化物。一旦形成了TixAluOx氧化物，則可以通過使用合適的氮化退火(例如，在形成氣體、NH3氣氛或N2氣氛中)將氮引入該結(jié)構(gòu)中。在完成了混合氧化物膜沉積之后進行該退火。優(yōu)選方法是在約400℃～1000℃的溫度下進行高達約60秒的RTP退火。還可以通過使用在約500℃～1100℃的溫度的加熱爐進行達約5至30分鐘的加熱來獲得滲氮。如上所論述的，在工藝流程中的該步驟使用RTP退火的任一制法更適合于疊式電容器。
這里描述的最后實施方案是HfuSrvOxNy體系，包括混合氧化物、氮化物和氮氧化物所有可能的組合。在優(yōu)選實施方案中，0＜u＜60，0＜v＜60，0＜x＜50和0＜y＜50，以及u+v+x+y≅100]]>(一些雜質(zhì)如Cl、C和H可依賴于沉積工藝存在)。例如，可以通過交替沉積HfO2、SrO、Sr3N2和/或Hf3N4的層來形成混合氧化物?？梢酝ㄟ^增加子層的厚度將它轉(zhuǎn)換成納米層疊結(jié)構(gòu)。可以再一次使用以上所述的ALD方法。
另一種方式是例如通過改變HfO2和SrO層來形成混合氧化物。一旦形成了HfxSruOx氧化物，則可以通過使用合適的氮化退火(例如，在形成氣體、NH3氣氛或N2氣氛中)將氮引入該結(jié)構(gòu)中。在完成了混合氧化物膜沉積之后進行該退火。優(yōu)選方法是在約400℃～1000℃的溫度下進行高達約60秒的RTP退火。還可以通過使用加熱爐在約500℃～1100℃的溫度下進行約5至30分鐘的加熱來獲得滲氮。
在沉積了足夠膜厚的電介質(zhì)之后，可以轉(zhuǎn)送晶片以沉積頂層金屬電極44。圖6示例了用金屬層44和填充導(dǎo)體46實現(xiàn)存儲節(jié)點電極18(如圖2中標記的)的實施方案。金屬層44可以由純金屬(例如，Ru、Hf、Ti、Ta和其它的)、氮化物(例如，TiN、TaN、HfN、及其混合物)或碳-氮化物(例如，TiCN、NbCN、HfCN、TaCN)形成。例如，TiN可以使用TiCl4和NH3通過ALD來沉積。
在優(yōu)選實施方案中，填充導(dǎo)體46是多晶硅。該層是可選的。例如可以只用金屬層44的金屬填充溝槽。另外，還可以除去金屬層44，且可以只用多晶硅填充該溝槽。
在一個實施方案中(其未示出)，在電介質(zhì)20之上形成諸如用于層40的金屬閃光層。如果在電介質(zhì)20之上使用一層上述祠料，則在一些實施方案中可除去該層。如果電介質(zhì)層20足夠薄，例如2至10nm厚，則可以在該位置由金屬閃光將電介質(zhì)層20和襯底14之間的界面清理干凈。電介質(zhì)的厚度可以是1至3nm左右。在任選的退火步驟之后可以是金屬閃光層沉積。該退火可以是在約400℃～1100℃的溫度下加熱約10至60秒，且對于退火RTP是在約400℃～1000℃的溫度下加熱約5至30分鐘?？梢钥刂圃撏嘶鹨员阈纬蒚iOx固溶體或Ti的氧化物(例如TiO2)。如同層20一樣，該附加(替代的)金屬層可只包括閃光金屬(例如Ti)、具有另一金屬電極的閃光金屬(例如，TiN、TaN、Ru或其它的)或只包括金屬電極。
現(xiàn)在參考圖7，在溝槽內(nèi)回蝕(etch back)電容器材料40、20、44和46。隨后可以對該結(jié)構(gòu)進行退火。該退火會在電介質(zhì)20界面處產(chǎn)生合適的反應(yīng)。在混合化合物電介質(zhì)的情況下，還將合適的層形成整體。優(yōu)選使用具有可控氣氛的快速熱退火(RTP)來進行退火。另外還可以使用可控加熱爐退火。在RTP實例中，可以將該結(jié)構(gòu)在約400℃～約1100℃的溫度下加熱約10至約60秒的時間。在加熱爐退火實例中，可以將該結(jié)構(gòu)在約400℃和約1000℃的溫度下加熱約5至約30分鐘的時間。
現(xiàn)在參考圖8，完成溝槽結(jié)構(gòu)。在該工藝中，通過熱氧化溝槽側(cè)壁的露出部分來形成氧化物環(huán)32。然后可以用諸如多晶硅48的導(dǎo)體填充溝槽。然后回蝕多晶硅48和氧化物環(huán)32以暴露出襯底14的側(cè)壁部分50。該側(cè)壁部分50將形成存取晶體管28和電容器12之間的界面。
在回蝕環(huán)32之后，通過沉積諸如摻雜多晶硅的導(dǎo)電材料來完成掩埋帶30。在優(yōu)選實施方案中，雖然可使用其它摻雜劑(例如，磷)，但多晶硅區(qū)30、48和46都是用砷摻雜的。而且，用于區(qū)域30、48和46的任何或所有的材料都可以是除多晶硅之外的導(dǎo)電材料(例如，金屬)。
然后可以圖案化和蝕刻帶材料30和半導(dǎo)體主體14以形成STI區(qū)域?？梢杂猛ㄟ^高密度等離子體工藝(即HDP氧化物)沉積的諸如氧化物的絕緣體填充STI區(qū)域36?？砂ê线m的襯墊。
然后形成晶體管28以形成圖1(和2)所示的結(jié)構(gòu)。這里為了簡明起見沒有描述其它的工藝步驟，如電介質(zhì)形成和金屬化。另外，這里描述的工藝步驟是示例性的，且在不脫離本發(fā)明的精神的條件下，可進行任意種類的變形。
例如，圖1和2示例了平面晶體管28。本發(fā)明設(shè)想使用具有垂直晶體管的新型電容器12，該垂直晶體管包括形成在溝槽內(nèi)的柵極26和沿著溝槽側(cè)壁形成的源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)22、24、34。
圖9示出了可以使用本發(fā)明創(chuàng)造方面的DRAM單元的又一實例。在該情況下，電容器12是疊式電容器(由于兩個極板都位于襯底之上)。該疊式電容器包括第一電極16，其優(yōu)選由多晶硅形成。該電極16例如經(jīng)由通孔52電連接到晶體管28的源/漏區(qū)24上。通孔52可以由與電容器電極16相同的材料或不同的材料形成。
在優(yōu)選實施方案中，在電極16之上形成金屬層40。該層可以通過在此或在共同未決申請系列No.＿＿(2004P54458)中描述的任一工藝形成。例如，可以通過原子層沉積來沉積鈦層40?？梢栽谛纬呻娊橘|(zhì)層之前或之后退火該層。
在電容器電極16(如果存在，和金屬40)之上沉積電介質(zhì)層20。再一次，電介質(zhì)層20優(yōu)選是如以上和在共同未決申請系列No.＿＿(2004P54456)中描述的那些高K電介質(zhì)。如同溝槽電容器實例一樣，高K電介質(zhì)20可以是納米疊層或混合化合物。
電容器電極18覆在電介質(zhì)20上面。如上所述，電容器電極18可以由多晶硅形成。另外，電極18還可以是或還包括如上所公開的金屬。電容器電極18典型電連接到遍及該陣列的其它存儲單元中的相同電極上。
雖然已參考示例性實施方案描述了該本發(fā)明，但該描述不是限制性的。參考該描述，本發(fā)明的示例性實施方案以及其它實施方案的各種修改和組合對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。因此指的是所附的權(quán)利要求包含任一這樣的修改或?qū)嵤┓桨浮?br> 權(quán)利要求
1.一種動態(tài)隨機存取存儲單元，包括形成于半導(dǎo)體主體中的晶體管；和連接至晶體管的電容器，該電容器包括包括硅的第一電容器極板；與第一電容器極板相鄰且電連接的第一純金屬層；與金屬層相鄰的電容器電介質(zhì)層，該電容器電介質(zhì)層包括介電常數(shù)大于約10的材料；以及與金屬層相鄰的第二電容器極板。
2.如權(quán)利要求1的存儲單元，進一步包括與第一金屬層相鄰的第二化合物金屬層。
3.如權(quán)利要求1的存儲單元，在電介質(zhì)層和第二電容器極板之間進一步包括第三純金屬層。
4.如權(quán)利要求3的存儲單元，進一步包括與第三金屬層相鄰的第四化合物金屬層。
5.如權(quán)利要求1的存儲單元，其中電容器包括溝槽電容器，以及其中第一電容器極板包括形成在半導(dǎo)體主體內(nèi)的溝槽側(cè)壁。
6.如權(quán)利要求1的存儲單元，其中電容器包括疊式電容器。
7.如權(quán)利要求1的存儲單元，其中電容器電介質(zhì)包括Hf、Ti、O和N。
8.如權(quán)利要求7的存儲單元，其中電容器電介質(zhì)包括Hf、Ti、Ta、O和N。
9.如權(quán)利要求1的存儲單元，其中電容器電介質(zhì)包括Ti、Sr、O和N。
10.如權(quán)利要求1的存儲單元，其中電容器電介質(zhì)包括Ti、Al、O和N。
11.如權(quán)利要求1的存儲單元，其中電容器電介質(zhì)包括Hf、Sr、O和N。
12.一種存儲單元的制造方法，該方法包括提供硅主體；形成第一電容器電極，該第一電容器電極包括硅；形成與第一電容器電極物理接觸的金屬層，該金屬層由對氧具有親合力且熔點在約1000℃以上的材料形成；形成與金屬層物理接觸的高K電介質(zhì)材料層，該高K電介質(zhì)材料具有大于約5的介電常數(shù)；在高K電介質(zhì)材料層之上形成導(dǎo)電層；通過進行退火步驟改性高K電介質(zhì)層和金屬層/硅主體之間的界面；以及在硅主體內(nèi)形成晶體管，將晶體管電連接至導(dǎo)電層或第一電容器電極。
13.如權(quán)利要求12的方法，進一步包括形成與第一金屬層接觸的化合物金屬層。
14.如權(quán)利要求12的方法，其中存儲單元包括溝槽DRAM單元，其中晶體管電連接至第一電容器電極，其中形成第一電容器電極包括在硅主體內(nèi)形成溝槽，以及其中形成金屬層包括沿著溝槽的側(cè)壁沉積金屬層。
15.如權(quán)利要求12的方法，其中存儲單元包括疊式電容器DRAM單元，其中將晶體管電連接到導(dǎo)電層，以及其中形成第一電容器電極包括在硅主體之上沉積多晶硅。
16.如權(quán)利要求12的方法，其中金屬層包括鈦層。
17.如權(quán)利要求16的方法，其中改性步驟包括形成硅化鈦。
18.如權(quán)利要求16的方法，其中改性步驟包括形成氧化鈦。
19.如權(quán)利要求16的方法，其中高K電介質(zhì)包括選自HfuTivTawOxNy、HfuTivOxNy、TiuSrvOxNy、TiuAlvOxNy和HfuSrvOxNy的材料，其中u、v、w、x和y是該電介質(zhì)材料中的元素的原子比例。
20.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括提供半導(dǎo)體主體；在半導(dǎo)體主體中蝕刻溝槽；用金屬層給溝槽的側(cè)壁加襯；在金屬層之上沉積電介質(zhì)層，該電介質(zhì)層具有大于5的介電常數(shù)；沉積導(dǎo)體以填充溝槽；回蝕金屬層、電介質(zhì)層和導(dǎo)體；以及進行退火，以改性電介質(zhì)層和半導(dǎo)體之間的界面。
21.如權(quán)利要求20的方法，進一步包括在半導(dǎo)體主體中形成晶體管，該晶體管電連接到導(dǎo)體。
22.如權(quán)利要求20的方法，其中沉積金屬層包括沉積鈦。
23.如權(quán)利要求22的方法，其中改性界面包括形成硅化鈦。
24.如權(quán)利要求22的方法，其中沉積電介質(zhì)層包括沉積由選自HfuTivTawOxNy、HfuTivOxNy、TiuSrvOxNy、TiuAlvOxNy和HfuSrvOxNy的至少一種材料形成的電介質(zhì)，其中u、v、w、x和y是該電介質(zhì)材料中的元素的原子比例。
25.如權(quán)利要求24的方法，其中沉積電介質(zhì)層包括沉積納米疊層。
26.如權(quán)利要求24的方法，其中沉積電介質(zhì)層包括沉積混合氮氧化物層。
全文摘要
一種動態(tài)隨機存取存儲單元包括形成于半導(dǎo)體主體中的晶體管。電容器連接至晶體管上且包括由硅形成的第一電容器極板。金屬層與第一電容器極板相鄰且與之電連接。電容器電介質(zhì)層與金屬層相鄰。該電容器電介質(zhì)層包括具有介電常數(shù)大于約5的材料。第二電容器極板與電容器電介質(zhì)相鄰。電容器可以是溝槽電容器或疊式電容器。
文檔編號H01L21/8242GK1828905SQ20061000402
公開日2006年9月6日 申請日期2006年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者S·戈文達拉詹 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司