專利名稱：堆疊電容器存儲單元及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)，特別涉及一種用于包括場效應(yīng)晶體管和堆疊電容器的DRAM的存儲單元及其制造方法。
DRAM是最重要的集成電路之一。一種典型的DRAM包括排列成行和列的大陣列的存儲單元，各存儲單元用于存儲可以控制單元的讀入和讀出的二進(jìn)制數(shù)字(位)。為了存儲寫和讀操作間的數(shù)據(jù)位，每個存儲單元一般包括與一般為MOS晶體管的開關(guān)串聯(lián)的電容器。為了在單個硅片上提供大陣列的存儲單元，重要的是采用占用小硅片面積且可以密集封裝的存儲單元。由于這種開關(guān)晶體管必須位于硅晶片中，所以存儲單元的一種形成通過在硅芯片的上表面上而不是在硅芯片內(nèi)部形成存儲電容器從而節(jié)約空間。由于一般由硅芯片上表面上的多層疊層形成，所以這樣形成的電容器通常稱為堆疊電容器。
由于芯片上表面上的這種電容器的尺寸小密度高，所以需要形成它們的工藝，本發(fā)明提供一種形成這種堆疊電容器的改進(jìn)工藝。
本發(fā)明致力于包括晶體管和堆疊電容器的存儲單元及其制造方法。
該存儲單元如下制造首先，制備其上表面上形成了具有漏和源區(qū)的場效應(yīng)晶體管的硅芯片。源區(qū)與堆疊電容器的下極板電連接。為了方便稱這種電流端為漏。一般情況下，芯片的上表面具有覆蓋介質(zhì)層，除堆疊電容器外，其中還將包括提供向存儲單元寫入和從存儲單元讀出用的位線和字線的各層。
為形成堆疊電容器，首先在介質(zhì)覆蓋層中形成與用作存儲單元的存儲節(jié)點(diǎn)的源對準(zhǔn)的接觸孔。優(yōu)選是這種孔利用各向異性腐蝕形成，從而該孔可以具有基本垂直的側(cè)壁。
形成孔后，用導(dǎo)體填充該孔，形成一般由高摻雜的多晶硅構(gòu)成的導(dǎo)電栓塞，從而形成與用作存儲節(jié)點(diǎn)的晶體管漏區(qū)的低阻連接。為了確保栓塞產(chǎn)生良好連接，優(yōu)選是過填充該栓塞，然后一般利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)平面化該表面。
雖然可以省略，優(yōu)選是接著用擴(kuò)散阻擋層覆蓋栓塞的上表面，該層將產(chǎn)生與栓塞和隨后將淀積于阻擋層上最好為鉑的金屬層的導(dǎo)電連接，該金屬層將作為堆疊電容器的第一極板或存儲節(jié)點(diǎn)。該擴(kuò)散阻擋層例如將用作阻擋層，阻止任何不需要的材料例如多晶硅擴(kuò)散到該金屬層中。在這種金屬層由不希望與硅反應(yīng)的鉑構(gòu)成時這尤其重要。合適的阻擋層材料包括TiN、TaSiN和TiAlN。
形成阻擋層后，覆蓋介質(zhì)層。光刻構(gòu)圖該介質(zhì)層，在原介質(zhì)層中留下以導(dǎo)電栓塞為中心的有限的部分。介質(zhì)層的該限定部分側(cè)壁的表面積將很大程度上確定所提供的電容量，所以要合適地選擇該部分的大小。
然后，在該限定部分的側(cè)壁上淀積金屬，優(yōu)選是鉑。任選地，該金屬還可以覆蓋上表面。該金屬將用作電容器的下極板。
然后，腐蝕阻擋層，使之保形。然后，在鉑層上保形地形成適于用作堆疊電容器的介質(zhì)的材料層。
最后，在電容器介質(zhì)上淀積第二金屬層，優(yōu)選也是鉑，完成電容器。這將形成電容器的第二(上)極板，該極板一般保持在固定電位，一般是地電位。
從裝置方面看，本發(fā)明致力于存儲單元。該存儲單元包括在其上表面具有由相反導(dǎo)電類型的中間區(qū)隔開的一種導(dǎo)電類型的第一和第二區(qū)的半導(dǎo)體本體，用于形成晶體管和電容器。該電容器形成于第一區(qū)上，包括與所說第一區(qū)電接觸的導(dǎo)電栓塞；構(gòu)成疊于所說栓塞上的擴(kuò)散阻擋層的導(dǎo)電層；疊于所說阻擋層上且定位在所說栓塞上的介質(zhì)層部分；至少所說介質(zhì)層的側(cè)壁上的第一金屬層，該層與阻擋層電接觸，用作電容器的內(nèi)極板；保形地包圍所說的介質(zhì)層部分的上和側(cè)壁表面的介質(zhì)材料層，該層材料用作電容器介質(zhì)；第二金屬層，其保形地疊于最后提到的介質(zhì)材料層上，用作電容器的外極板。
從工藝方面來看，本發(fā)明致力于形成存儲單元的方法。該方法包括以下步驟在硅本體的上表面上形成晶體管的隔開的源和漏區(qū)；在硅本體的上表面上形成介質(zhì)覆蓋層；在疊于將用作單元的存儲節(jié)點(diǎn)的隔開區(qū)的介質(zhì)覆蓋層的一部分中，形成具有基本垂直側(cè)壁的接觸孔；用導(dǎo)電體填充該接觸孔，形成到所說最后提到的隔開區(qū)域的導(dǎo)電栓塞；在導(dǎo)電栓塞上形成導(dǎo)電阻擋層；在導(dǎo)電阻擋層上形成介質(zhì)層部分；在介質(zhì)層部分的至少側(cè)壁上形成導(dǎo)電層，用作存儲電容器的內(nèi)極板；在所說最后提到的導(dǎo)電層上形成介質(zhì)層，該介質(zhì)層部分的上部適于作為存儲電容器的介質(zhì)層；在介質(zhì)電容器層上形成導(dǎo)電層，用作存儲電容器的外極板。
從以下結(jié)合各附圖的具體介紹中，可以更好地理解本發(fā)明。


圖1展示了典型現(xiàn)有DRAM的存儲單元的電路圖和半導(dǎo)體剖面；圖2展示了包括示意性示于其上表面上的堆疊電容器的存儲芯片；及圖3-9展示了采用了圖2的存儲單元的本發(fā)明堆疊電容器的制造方法。
注意，各附圖沒有按比例繪制。
圖1展示了用于目前許多DRAM的典型現(xiàn)有存儲單元10。以電路圖形式示出了存儲單元10及以剖面圖示出了半導(dǎo)體器件。該單元包括具有第一和第二極板18a和18b的電容器18，和絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGFET)，該晶體管已知為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。IGFET形成于半導(dǎo)體本體(襯底)11中，包括被襯底11的一部分隔開的漏區(qū)12和源區(qū)13。介質(zhì)層14覆蓋將區(qū)12和13隔離的那部分襯底11，表示為柵氧化物。與DRAM的字線耦合的柵導(dǎo)體15覆蓋層14。至少覆蓋漏的一部分的是耦合到DRAM的位線的接觸16。至少覆蓋區(qū)13的一部分的是耦合到電容器18的極板18a的接觸17。電容器18的極板18b一般耦合到固定電位，示出為地19。已表示為漏的區(qū)12在存儲單元10操作的某些部分變?yōu)樵?。已表示為源的區(qū)12在存儲單元10操作的某些部分變?yōu)槁Ｒr底11一般為n型硅，區(qū)12和13為p型。對于n溝道晶體管來說，襯底11是p型，區(qū)12和13為n型。信號施加于位線和字線后，二進(jìn)制數(shù)字寫入電容器18和從電容器18讀出。
圖2示出了大得足以容納本發(fā)明的一個存儲單元的硅本體(襯底)20的p型部分的剖面圖。在襯底20的上表面21中，形成兩個被襯底20的一部分隔開的n型區(qū)20a和20b，形成晶體管的源和漏。介質(zhì)層22a即柵氧化物疊于區(qū)20a和20b間的襯底20的部分上，柵22b疊于層22a上。上表面21上覆蓋有主要為介質(zhì)材料的層24，一般為氧化硅和氮化硅層的組合，其中包括用作位線和字線及連接晶體管端子與這些線的接觸栓塞(未示出)的各種導(dǎo)電層(未示出)。
示出為堆疊電容器的電容器將形成于延伸穿過層24向下到達(dá)區(qū)20a的溝槽23中。
圖3展示了圖2的結(jié)構(gòu)的一部分，包括區(qū)20a、層24和接觸孔23。為形成本發(fā)明的堆疊電容器，首先在介質(zhì)層24中形成接觸孔23，露出襯底20的區(qū)20a的一部分。該接觸孔優(yōu)選是有垂直側(cè)壁，一般在由已知光刻構(gòu)圖技術(shù)形成的掩模控制下，利用各向異性腐蝕的反應(yīng)離子腐蝕(RIE)形成。
在隨后的附圖中，只示出了部分介質(zhì)層24，其中形成有低阻連接晶體管的n型區(qū)20a的堆疊電容器。
如圖4所示，用一般為n型摻雜的多晶硅的導(dǎo)電材料填充該接觸孔，形成到襯底20的底層區(qū)20a的低阻導(dǎo)電接觸栓塞26。為了可靠地填充，一般利用化學(xué)汽相淀積(CVD)淀積足夠的多晶硅，以覆蓋介質(zhì)層24表面，然后利用已知的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)平面化該表面，只留下填充物。
還如圖4所示，然后，包圍接觸栓塞26的區(qū)優(yōu)選用一般為TaSiN等導(dǎo)電材料的導(dǎo)電阻擋層27覆蓋，可以用于限制n型摻雜劑的外擴(kuò)散或硅從多晶硅填充物中的遷移。其厚度不需要較厚，只要足以有效地阻擋便可。然后用一般為氧化硅、氮化硅或氧氮化硅中任一種的介質(zhì)層28覆蓋該阻擋層。
然后，如圖5所示，將該介質(zhì)層28修整為基本上以接觸栓塞26為中心的層28a，該層一般具有大于栓塞的截面，因?yàn)槠鋫?cè)壁的表面積基本上是電容器極板的表面積。
然后，如圖6所示，至少在介質(zhì)層28a的側(cè)壁上形成優(yōu)選為鉑的金屬層29。最好是，其還可以淀積成覆蓋介質(zhì)層28a的上表面，如以后將討論的圖9所示。如果需要將層29只限制到側(cè)壁上，一般優(yōu)選是在層28a的所有暴露表面上均勻淀積鉑，然后利用已知方式例如離子銑去掉不需要部位的鉑。然后，再去掉阻擋層27的其余暴露部分，留下圖7所示的結(jié)構(gòu)。保留在層28a側(cè)壁上的鉑層29將用作電容器的下極板，該極板將與開關(guān)晶體管的電流端連接，如圖1所示。
接著，如圖8所示，進(jìn)而淀積將用作電容介質(zhì)的介質(zhì)層30和將用作電容器上極板的金屬層31。介質(zhì)層30應(yīng)該由具有高介電常數(shù)的材料構(gòu)成，例如鈦酸鍶鋇，以提供存儲電容器所需要的高電容。金屬層31應(yīng)該由良好的導(dǎo)體優(yōu)選是鉑構(gòu)成。一般需要用作電容器介質(zhì)的介質(zhì)層30的一部分延伸以充分防止電容器各部分與接觸栓塞的任何對不準(zhǔn)。用作電容器外極板的外層31一般將在芯片的表面上延伸，以充當(dāng)與陣列中其它單元中類似的角色。
在所示實(shí)施例中，接觸栓塞26上表面上的堆疊電容器的高度約為0．25微米，層27的厚度為約200-500埃，層29的垂直側(cè)壁間的介質(zhì)層28a的寬度約為三個特征尺寸。層28的深度約為一個特征尺寸。
圖9示出了本發(fā)明另一個實(shí)施例，除圖7的層29延伸成為在層28a上的層29a外，該實(shí)施例與圖8的實(shí)施例非常類似。層29的該延伸部分29a增大了堆疊電容器的電容。
由于金屬層31一般在地電位工作，所以在地電位工作的其它層可以與之連接。
應(yīng)理解，所介紹的實(shí)施例只用于展示本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出各種改形。例如，一般為氧化硅的層28a和一般為鉑的層29之間可以用氮化硅層，以改善層28a、29和29a的粘附性。此外，可以用除上述材料外的材料代替上述材料，只要這些其它材料具有所用各具體層的特性即可。例如，可以用例如銥、銅或金等金屬代替鉑形成電容器?？梢杂镁哂懈呓殡姵?shù)的類似其它材料代替鈦酸鍶鋇。此外，可以按要求選擇一般基本上為矩形的接觸栓塞和層28a的截面的形狀，以便于制造。
權(quán)利要求
1·一種存儲單元，包括半導(dǎo)體本體，其上表面的一部分具有由相反導(dǎo)電類型的中間區(qū)隔開的一種導(dǎo)電類型的第一和第二區(qū)，用于形成晶體管；形成于第一區(qū)上的電容器，包括與所說第一區(qū)電接觸的導(dǎo)電栓塞；形成疊于所說栓塞上的擴(kuò)散阻擋層的導(dǎo)電層；疊于所說阻擋層上并位于所說栓塞上的介質(zhì)層部分；至少所說介質(zhì)層側(cè)壁上的第一金屬層，其與阻擋層電接觸，用作電容器的內(nèi)極板；保形地包圍所說介質(zhì)層部分的上和側(cè)壁表面的介質(zhì)材料層，用作電容器介質(zhì)；及保形地疊于所說最后提到的介質(zhì)材料層上的第二金屬層，用作電容器的外極板。
2·根據(jù)權(quán)利要求1的存儲單元，其中導(dǎo)電栓塞由摻雜成一種導(dǎo)電類型的多晶硅構(gòu)成。
3·根據(jù)權(quán)利要求2的存儲單元，其中兩個金屬層都由鉑構(gòu)成。
4·根據(jù)權(quán)利要求3的存儲單元，其中阻擋層由選自TiN、TaSiN和TiAlN中的一種材料構(gòu)成。
5·根據(jù)權(quán)利要求1的存儲單元，其中第一金屬層還在所說介質(zhì)層的上表面上延伸。
6·根據(jù)權(quán)利要求3的存儲單元，其中用作電容器電極的介質(zhì)層由鈦酸鍶鋇構(gòu)成。
7·根據(jù)權(quán)利要求1的存儲單元，其中半導(dǎo)體本體是硅。
8·一種形成存儲單元的方法，包括以下步驟在硅本體的上表面上形成晶體管的隔開的源和漏區(qū)；在硅本體的上表面上形成介質(zhì)覆蓋層；在疊于將用作單元的存儲節(jié)點(diǎn)的隔開的區(qū)的介質(zhì)覆蓋層的一部分中，形成具有基本垂直側(cè)壁的接觸孔；用導(dǎo)電體填充該接觸孔，形成到所說最后提到的被隔開區(qū)域的導(dǎo)電栓塞；在導(dǎo)電栓塞上形成導(dǎo)電阻擋層；在導(dǎo)電阻擋層上形成介質(zhì)層部分；在介質(zhì)層部分的至少側(cè)壁上形成導(dǎo)電層，用作存儲電容器的內(nèi)極板；在所說最后提到的導(dǎo)電層上形成介質(zhì)層，該介質(zhì)層部分的上部適于作為存儲電容器的介質(zhì)層；及在介質(zhì)層上形成導(dǎo)電層，用作存儲電容器的外極板。
9·根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中接觸孔形成為具有垂直側(cè)壁，構(gòu)成電容器的極板的導(dǎo)電層由鉑構(gòu)成。
10·根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中阻擋層選自TiN、TaSiN和TiAlN。
11·根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中電容器介質(zhì)是鈦酸鍶鋇。
12·根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中半導(dǎo)體本體是硅，導(dǎo)電栓塞是多晶硅，各金屬層是鉑，電容器介質(zhì)是鈦酸鍶鋇，擴(kuò)散阻擋層由選自TiN、TaSiN和TiAlN的材料構(gòu)成。
全文摘要
一種存儲單元包括場效應(yīng)晶體管和堆疊電容器。該堆疊電容器具有由位于介質(zhì)層部分的側(cè)壁上的鉑層形成的一個極板,所說介質(zhì)層疊于與連接到單元的存儲節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)電栓塞接觸的導(dǎo)電層上。電容器介質(zhì)疊于該介質(zhì)層部分的側(cè)壁和上部,電容器的另一極板由電容器介質(zhì)上的鉑層形成。
文檔編號H01L21/70GK1290038SQ9912076
公開日2001年4月4日 申請日期1999年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月28日
發(fā)明者沈華, G·昆克爾, M·古特舍 申請人:西門子公司