專利名稱：帶疊置電容器的存儲器單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動態(tài)隨機存取存儲器，特別涉及使用疊置電容器用于所述存儲器的存儲器單元，以及疊置電容器的制造方法。
標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)，例如硅芯片的大陣列中形成的存儲器單元，利用了通常為MOSFET的開關(guān)與存儲二進制數(shù)(位)用于以后恢復(fù)信息的存儲電容器的串聯(lián)組合。在一種形式的DRAM中，通過在硅芯片的上表面上形成疊置的層形成存儲電容器，同時MOSFET開關(guān)形成在芯片上表面附近區(qū)域內(nèi)。導(dǎo)電栓塞通常提供了芯片中MOSFET的源／漏區(qū)和作為存儲電容器的下極板(下電極)的疊層之間的低電阻連接。
在DRAM中要獲得高容量，將單元制作得很小并相互設(shè)置得很近很重要。因此重要的是即使DRAM中的疊置電容器使用芯片表面上很少的表面空間，但仍然提供相當(dāng)高的電容值，以便提高存儲節(jié)點的可靠性。
本發(fā)明為包括改進的疊置電容器的DRAM以及這種DRAM的制造工藝?，F(xiàn)已公知，通常主要在晶片上進行制造，最后晶片被切為容納有一個或多個DRAM的芯片。因此為方便起見主要針對含有單個存儲器單元的部分芯片討論工藝。
首先通過在覆蓋含有一個開關(guān)晶體管的部分硅芯片上表面的介質(zhì)層中形成接觸孔形成用于存儲器單元的改進的電容器的主要部件。用于每個電容器的接觸孔形成在電容器要連接的開關(guān)晶體管的區(qū)域上。然后，通常為摻雜的多晶硅的導(dǎo)電栓塞提供在接觸孔的下部，低電阻連接到晶體管的所述區(qū)域，所述區(qū)域?qū)?yīng)于單元的存儲節(jié)點。通常首先用導(dǎo)體填充接觸孔，然后除去填充的上部分來完成。這樣僅留下了底部的部分栓塞。然后通過腐蝕使接觸孔變空的上部分變寬?，F(xiàn)在用導(dǎo)電層覆蓋變寬的槽壁，優(yōu)選使用鉑，形成覆蓋層和導(dǎo)電栓塞之間的低電阻連接。所述導(dǎo)電層作為電容器的下極板(下電極)。當(dāng)導(dǎo)電栓塞為需要防止擴散到作為電容器下極板的導(dǎo)體內(nèi)的材料時，例如導(dǎo)體為鉑時，需要在栓塞和下極板之間插入作為所述擴散阻擋層的材料層。淀積導(dǎo)電層之后，構(gòu)圖擴散阻擋層和導(dǎo)電層，使它們僅局限在變寬槽的內(nèi)部，以便于隔離。然后用介電常數(shù)適合于用做電容器介質(zhì)的材料覆蓋導(dǎo)電層。目前優(yōu)選使用鈦酸鍶鋇層，因為它的介電常數(shù)很高可以有效地用做電容器介質(zhì)。之后介質(zhì)層覆蓋有導(dǎo)電層，也優(yōu)選鉑。所述鉑層作為電容器的上極板(上電極)。當(dāng)然，需要采取措施以避免電容器的上和下電極之間的電短路。
所述電容器設(shè)計的優(yōu)點為存儲槽基本上自對準(zhǔn)，由此可以減少光刻步驟的數(shù)量完成電容器的制造。所述電容器的另一優(yōu)點為與現(xiàn)有設(shè)計中使用的層相比，可以容易地用較薄的鉑層制成電容器。優(yōu)選鉑是由于它有利的功函數(shù)和耐氧化。
隔離分立的存儲單元很重要。因此，構(gòu)圖第一層和任何擴散阻擋層以避免以上討論的短路很重要。然而，作為電容器介質(zhì)的介質(zhì)層和作為電容器上極板的導(dǎo)電層可以在芯片上延伸，在存儲器單元陣列的其它單元中起相同的作用。
在本發(fā)明的一個方案中，本發(fā)明涉及包括晶體管和電容器的存儲器單元的形成方法。該方法包括以下步驟在半導(dǎo)體芯片中形成晶體管，晶體管具有一種導(dǎo)電類型的第一和第二區(qū)，由相反導(dǎo)電類型的區(qū)域沿所述芯片的上表面隔開；在芯片的上表面上形成介質(zhì)層；通過各向異性腐蝕，在介質(zhì)層中形成側(cè)壁基本上垂直的接觸孔，露出晶體管的所述第二區(qū)域的部分上表面；用導(dǎo)電填充物填充接觸孔，提供到所述第二區(qū)域的低電阻連接；除去接觸孔上部分的導(dǎo)電填充物，在導(dǎo)電填充物中形成槽，并露出接觸孔中的介質(zhì)層；各向異性地腐蝕露出的介質(zhì)層，使槽變寬并擴大介質(zhì)層中接觸孔的表面積；在接觸孔的變大的接觸孔的表面區(qū)域上保形地淀積第一導(dǎo)電層，作為存儲電容器的下極板；構(gòu)圖所述導(dǎo)電層，將它基本上限制在接觸孔的內(nèi)部，淀積高介電常數(shù)的材料層，覆蓋第一導(dǎo)電層；以及在最后提到的介質(zhì)層上保形地淀積第二導(dǎo)電層，用做電容器的上極板，該電容器包括電隔離的上和下極板，由高介電常數(shù)層分開。
在本發(fā)明的另一個方案中，本發(fā)明涉及在硅晶片的上表面形成疊置的電容器，用做與硅晶片的上表面部分內(nèi)形成的開關(guān)晶體管串聯(lián)的存儲電容器。該方法包括以下步驟在硅晶片的上表面形成第一介質(zhì)層；在覆蓋的介質(zhì)層中形成接觸孔，露出將與存儲電容器的下極板電連接的部分硅晶體管；用摻雜的多晶硅部分地填充接觸孔，形成到硅晶體管所述部分的電連接；使接觸孔未填充部分變寬成杯形，擴大未填充部分的表面積；在摻雜的多晶硅上形成擴散阻擋的導(dǎo)電層；在接觸孔未填充部分的表面上保形地淀積第一導(dǎo)電層，作為電容器的所述下極板；離子腐蝕以從第一介質(zhì)層的上表面除去任何導(dǎo)電材料，以便完全地分離和隔開分立的存儲單元槽；在第一導(dǎo)電層和接觸孔上保形地淀積第二介質(zhì)層，作為電容器的介質(zhì)；以及，在第二介質(zhì)層上保形地淀積第二導(dǎo)電層，作為電容器的上極板，不會與電容器的下極板電短路。
對于本發(fā)明的裝置方案，本發(fā)明涉及在動態(tài)隨機存取存儲器中使用的存儲器單元。存儲器單元包括硅芯片，它的有源區(qū)為一種導(dǎo)電類型，它的上表面為相反導(dǎo)電類型的分離的區(qū)；以及，覆蓋在包括杯形接觸孔的所述上表面的介質(zhì)覆蓋層，包括下栓塞部分的杯形接觸孔低電阻連接到一個分離區(qū)，在接觸孔的杯形壁上覆蓋保形的下導(dǎo)電層、層間介質(zhì)層和上導(dǎo)電層，所述下和上導(dǎo)電層由所述層間介質(zhì)層電隔離，形成存儲單元的存儲電容器。
下面參考附圖更詳細(xì)地介紹工藝和所得電容器。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的存儲器單元的剖面圖；以及圖2－6的每一個示出了在具有本發(fā)明存儲器單元特點的疊置電容器的形成過程中不同階段的部分硅芯片。
應(yīng)該指出附圖沒有按比例。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明包括疊置電容器的存儲單元的部分硅芯片20的剖面圖。例如為p型電阻率的硅芯片20在它的上表面21包括隔開的第一和第二區(qū)22a和22b，分別為n型電導(dǎo)，形成n溝道MOSFET。這兩個區(qū)域作為開關(guān)的電流端，作為MOSFET的源和漏工作。為方便起見，下文將區(qū)域22a作為源，區(qū)域22b作為漏，當(dāng)邏輯信息寫入或讀出存儲單元時，它們的作用相反。柵電極23覆蓋隔開的n型區(qū)域22a和22b之間的p型區(qū)域，并通過柵氧化物25以MOSFET特色的方式與表面隔開。覆蓋上表面21的是介質(zhì)覆蓋層26，一般主要為氧化硅，最終包括位線和字線導(dǎo)體(未示出)，需要提供到單元的連接，以通常的方式寫入或讀出存儲在單元內(nèi)的位。為進行存儲，存儲電容器需要與作為存儲節(jié)點的晶體管區(qū)，即第二(漏)區(qū)22b串聯(lián)連接。為此，電容器包括低電阻連接到第二區(qū)22b的導(dǎo)電栓塞27，作為電容器的第一(下)極板基本為杯形的第一導(dǎo)電層37、覆蓋和隔離第一導(dǎo)電層37的覆蓋介質(zhì)層38，以及，覆蓋介質(zhì)層38并作為電容器的上或第二極板的保形的第二導(dǎo)電層39。所述第二導(dǎo)電層39一般連接到電源的一端，一般為地。通常第一導(dǎo)電區(qū)22a連接到位線，柵電極23連接到DRAM的字線。
雖然如前所述不是電容器的主要部分，當(dāng)使用鉑和多晶硅時，通常有利地包括第一鉑層37下的層36，層36的材料為如TiN、TaSiN或TiAlN等的材料，保形地位于所示開口的整個表面上，或僅選擇性地位于多晶硅栓塞上。該層提高了鉑的潤濕性，還減小了栓塞27和鉑層之間的互擴散或相互作用，并防止在高溫處理步驟(例如淀積高介質(zhì)材料)期間形成高阻界面層。
在介紹電容器制造中使用的隨后的圖中，僅示出了硅晶片20的一部分22b和介電常數(shù)覆蓋層26。
在電容器的制造中，首先在介質(zhì)覆蓋層26上形成光刻膠層31，構(gòu)圖光刻膠層作為形成覆蓋層26中接觸孔的腐蝕掩模，露出開關(guān)晶體管的表面區(qū)域22b。優(yōu)選腐蝕為各向異性反應(yīng)離子腐蝕(RIE)，僅使用有限的芯片表面部分形成帶有垂直側(cè)壁較窄的垂直孔33，如圖2所示。
除去光刻膠并適當(dāng)?shù)厍逑葱酒?0的表面21之后，接觸孔部分填充導(dǎo)體，通常為多晶硅，形成到區(qū)域22b低電阻連接的栓塞34，如圖3所示。栓塞的高度優(yōu)選使電容器大部分形成在表面上，對介質(zhì)層中其它導(dǎo)體的干擾很小。
要形成栓塞34，通常的做法是過填充接觸孔，如果需要使用化學(xué)機械拋光(CMP)平面化表面，然后通過適當(dāng)?shù)母g在多晶硅填充中形成溝槽33，通常為各向同性的干法腐蝕，得到圖3所示的結(jié)構(gòu)。
接下來，使用各向同性腐蝕，通過適當(dāng)?shù)臐窕瘜W(xué)劑或化學(xué)順流腐蝕，拓寬溝槽或接觸孔33，形成基本上為杯形的開口35，如圖4所示。這里使用的基本上為杯形包括大致的圓柱形。如果需要，可以填加額外的步驟使多晶硅栓塞34的上表面與變寬的溝槽下表面同高。
如圖5所示，在開口35上形成導(dǎo)電阻擋層36，然后在接觸孔的杯形表面上保形地淀積金屬層37，用做電容器的第一極板。淀積之后，如果不需要，清洗掉所述金屬層37和阻擋層36，例如介質(zhì)覆蓋層26的上表面，將層限制到接觸孔的內(nèi)部。通常選擇離子束腐蝕(IBE)、化學(xué)輔助的IBE、或反應(yīng)IBE進行清洗。所述腐蝕優(yōu)選用離子與介質(zhì)覆蓋層26的上表面有掠射角進行，以限制將側(cè)壁和接觸孔的底部暴露到離子束，如圖5所示。相對于晶片的表面法線，束的入射角度約70°，以確保在接觸孔中基本上不腐蝕電容器極板材料或阻擋層。
如前所述，優(yōu)選在淀積作為電容器下極板的第一層37之前，包括導(dǎo)電阻擋層36，可以僅在栓塞上部，或整個開口表面上，如圖所示。
接下來，在金屬層37上保形地淀積適合于作為電容器介質(zhì)的材料層38，優(yōu)選鈦酸鍶鋇層，是由于它有利的高介電常數(shù)。也可以使用其它類似的高介電常數(shù)材料。
要完成電容器并得到圖6的結(jié)構(gòu)，金屬仍然優(yōu)選鉑，保形地淀積在溝槽介質(zhì)覆蓋的表面，形成層39作為電容器的第二(上)極板。本發(fā)明的杯形電容器顯示在圖6中。
電容器的典型尺寸如下孔的寬度在100和500nm之間，深度與寬度的比值一般在2和3之間，雖然可以在0．5和5．0的范圍內(nèi)選擇，但很大程度上取決于可以使用的空間。
此外如上所述，介質(zhì)層38和外部金屬層39可以為連續(xù)的層，作為某個陣列的所有存儲電容器的電容器介質(zhì)和外電極。
應(yīng)該明白介紹的示例性存儲單元僅為本發(fā)明的一般原則?？梢允褂门c本發(fā)明的精神和范圍一致的其它的各種實施例。特別是，可以使用提到之外的其它材料。例如，如銥、鉭、釕、氧化釕、銅和鋁等的其它導(dǎo)體也可以用做電容器層。
權(quán)利要求
1．一種存儲單元的形成方法，包括晶體管和電容器，包括以下步驟在半導(dǎo)體芯片中形成晶體管，晶體管具有一種導(dǎo)電類型的第一和第二區(qū)，由相反導(dǎo)電類型的區(qū)域沿所述芯片的上表面隔開；在芯片的上表面上形成介質(zhì)層；通過各向異性腐蝕，在介質(zhì)層中形成側(cè)壁基本上垂直的接觸孔，露出晶體管的所述第二區(qū)域的部分上表面；用導(dǎo)電填充物填充接觸孔，提供到所述第二區(qū)域的低電阻連接；除去接觸孔上部分的導(dǎo)電填充物，在導(dǎo)電填充物中形成槽，并露出接觸孔中的介質(zhì)層；各向同性地腐蝕露出的介質(zhì)層，使槽變寬并擴大介質(zhì)層中接觸孔的表面積；在接觸孔的變大的表面區(qū)域上保形地淀積第一導(dǎo)電層，作為存儲電容器的下極板；構(gòu)圖所述第一導(dǎo)電層，將它基本上限制在接觸孔的內(nèi)部；淀積高介電常數(shù)的材料層，覆蓋第一導(dǎo)電層；以及在最后提到的介質(zhì)層上保形地淀積第二導(dǎo)電層，用做電容器的上極板，該電容器包括電隔離的上和下極板，由高介電常數(shù)層分開。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中填充接觸孔使用的導(dǎo)電材料為摻雜的多晶硅，第一和第二導(dǎo)電層為金屬。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其中用作第一和第二導(dǎo)電層的金屬為鉑。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其中導(dǎo)電擴散阻擋層淀積在摻雜的多晶硅和第一鉑層之間。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其中導(dǎo)電擴散阻擋層為選自TiN、TaSiN或TiAlN組成的組中的一種材料。
6．如權(quán)利要求4所述的方法，其中高介電常數(shù)的材料為鈦酸鍶鋇層。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其中構(gòu)圖包括離子束腐蝕第一導(dǎo)電層上部分的步驟。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其中變寬后的溝槽基本為杯形。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一介質(zhì)層大部分為二氧化硅。
10．一種疊置電容器的形成方法，該電容器位于硅晶片的上表面，用做與硅晶片的上表面部分內(nèi)形成的開關(guān)晶體管串聯(lián)的存儲電容器，包括以下步驟在硅晶片的上表面形成第一介質(zhì)層；在覆蓋的介質(zhì)層中形成接觸孔，露出將與存儲電容器的下極板電連接的部分硅晶體管；用摻雜的多晶硅部分地填充接觸孔，形成到硅晶體管所述部分的電連接；使接觸孔未填充部分變寬基本成杯形，擴大未填充部分的表面積；在摻雜的多晶硅上形成擴散阻擋的導(dǎo)電層；在接觸孔未填充部分的表面上保形地淀積第一導(dǎo)電層，作為電容器的所述下極板；離子腐蝕去掉接觸孔中第一導(dǎo)電層的上部；在第一導(dǎo)電層和接觸孔上保形地淀積第二介質(zhì)層，作為電容器的介質(zhì)；以及在第二介質(zhì)層上保形地淀積第二導(dǎo)電層，作為電容器的上極板，不會與電容器的下極板電短路。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中第二介質(zhì)層和第二導(dǎo)電層在硅晶片的上表面上延伸，用于硅晶片中其它疊置的電容器。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中首先在第一介質(zhì)層中形成的接觸孔有垂直的側(cè)壁，通過各向異性反應(yīng)離子腐蝕形成，而后通過各向同性腐蝕，接觸孔變寬，基本上為杯形。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中第一介質(zhì)層主要為二氧化硅，第一和第二導(dǎo)電層為鉑，電容器的介質(zhì)為鈦酸鍶鋇層，擴散阻擋導(dǎo)電層選自TiN、TaSiN和TiAlN組成的組。
14．一種存儲單元，在動態(tài)隨機存取存儲器中使用，包括硅芯片，它的有源區(qū)為一種導(dǎo)電類型，沿它的上表面為相反導(dǎo)電類型的分離的區(qū)；以及覆蓋在包括杯形接觸孔的所述上表面的介質(zhì)覆蓋層，包括下栓塞部分的杯形接觸孔低電阻連接到一個分離區(qū)，在接觸孔的杯形壁上覆蓋的是保形的下導(dǎo)電層、層間介質(zhì)層和上導(dǎo)電層，所述下和上導(dǎo)電層由所述層間介質(zhì)層電隔離，形成存儲單元的存儲電容器。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的存儲器單元，還包括接觸孔中下導(dǎo)電層和下栓塞部分之間的擴散阻擋導(dǎo)電層。
16．根據(jù)權(quán)利要求14的存儲器單元，其中擴散阻擋導(dǎo)電層為TaSiN，下和上導(dǎo)電層為鉑，中間介質(zhì)層為鈦酸鍶鋇層。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的存儲器單元，其中下栓塞部分為摻雜的多晶硅。
全文摘要
一種半導(dǎo)體存儲器單元,包括連接到存儲電容器的場效應(yīng)晶體管,電容器為單元的硅芯片表面上的多個疊層。通過在覆蓋芯片表面的氧化硅層中的杯形接觸孔表面上的三個保形層形成電容器。
文檔編號H01L27/108GK1278658SQ9912083
公開日2001年1月3日 申請日期1999年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月29日
發(fā)明者M·古特舍 申請人:西門子公司