專利名稱：制造半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，更具體地說，本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法，這種半導(dǎo)體器件具有與電容器相連的導(dǎo)電插塞。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中，目前已進(jìn)行了多種研究來消除傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)中的刷新限制且通過在電容器中使用鐵電材料來達(dá)到較大的電容量。鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(下文中稱為FeRAM)是一種可在關(guān)閉狀態(tài)下儲(chǔ)存信息的非易失性存儲(chǔ)器件，其運(yùn)行速度可比得上傳統(tǒng)DRAM的運(yùn)行速度。
通常采用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)或含鉍層的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，例如(Bi，La)4Ti3O12(下文中稱為BLT)、SrBi2Ta2O9(下文中稱為SBT)或Pb(Zr，Ti)O3(下文中稱為PZT)來形成FeRAM器件中電容器的介電層。非易失性存儲(chǔ)器件中使用的鐵電層所具有的介電常數(shù)在幾百至幾千的范圍內(nèi)，并具有兩種穩(wěn)定的剩余極化(Pr)狀態(tài)。
鐵電電容器通過一個(gè)插塞與一個(gè)硅襯底相連，即與晶體管的一個(gè)結(jié)相連以增大集成密度。該插塞是由多晶硅形成的。但是，在利用多晶硅的情況下，由于硅襯底表面上形成的自然氧化物而增大了插塞和硅襯底之間的接觸電阻。因此，利用鎢來制作插塞以消除多晶硅的缺點(diǎn)。
鐵電電容器的下電極是在鎢插塞上利用Pt/IrOx/Ir制作的，以減少漏電流，這阻止了氧的擴(kuò)散及上、下層中材料的互擴(kuò)散。此處所用的符號(hào)“/，，定義了一個(gè)多層薄膜，使得Pt/IrOx/Ir為一個(gè)疊層，其中在該頂部形成有一個(gè)Pt層，而在底部形成有一個(gè)Ir層。
為改進(jìn)鐵電層的性能，需要在氧氣氛中進(jìn)行一個(gè)高溫?zé)崽幚?。因此，為增進(jìn)FeRAM的穩(wěn)定性，重要的是保持具有疊層結(jié)構(gòu)的下電極的穩(wěn)定性，以及防止插塞在高溫?zé)崽幚磉^程中的氧化。
在下電極的底部形成的Ir層對(duì)Ir層的下面形成的諸如氧化硅的層間絕緣層具有低的附著力。因此，在Ir層和層間絕緣層之間應(yīng)引入一個(gè)粘合層。該粘合層通常由絕緣體如Al2O3形成，因此應(yīng)利用一額外的掩模來將粘合層的覆蓋插塞的部分選擇性地蝕刻掉。
此外，如上所述，在鎢插塞上形成鐵電電容器之后進(jìn)行高溫?zé)崽幚頃r(shí)，出現(xiàn)鎢插塞和具有疊層結(jié)構(gòu)的下電極中的Ir層之間的互擴(kuò)散的問題。為防止鎢插塞和Ir層之間的互擴(kuò)散而引進(jìn)了一個(gè)掩埋型阻擋層結(jié)構(gòu)。該掩埋型阻擋層結(jié)構(gòu)58A由接觸孔中的擴(kuò)散阻擋層如TiN或TiAlN形成以覆蓋所述插塞。
為了對(duì)所述掩埋型阻擋層提供一個(gè)空間，執(zhí)行一蝕刻處理過程而將鎢層的形成在接觸孔中的一部分除去。但是，在蝕刻處理之后，在接觸孔的側(cè)壁上剩下殘留的鎢層。因此，該殘余物破壞了FeRAM的熱穩(wěn)定性。
圖1A-1F的剖視圖顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制造FeRAM的方法。
參考圖1A，在半導(dǎo)體襯底10上形成了層間絕緣層12，在半導(dǎo)體襯底10上形成有一個(gè)場(chǎng)氧化層11和n+結(jié)13，且選擇性地蝕刻層間絕緣層12以形成暴露出n+結(jié)13的一個(gè)接觸孔。半導(dǎo)體襯底10是一個(gè)硅層，例如摻雜多晶硅層或通過外延生長(zhǎng)形成的硅層。
按所述順序制作一個(gè)Ti層和一個(gè)TiN層來形成一個(gè)TiN/Ti層14，并進(jìn)行快速熱處理(RTP)以通過誘發(fā)半導(dǎo)體襯底10的硅原子與TiN/Ti層14的反應(yīng)來形成一個(gè)硅化鈦層14A。該硅化鈦層14A起到歐姆接觸層的作用。在進(jìn)行RTP之后，可形成一個(gè)TiN層而使硅化鈦層14A穩(wěn)定。然后，在TiN/Ti層14上形成一個(gè)鎢層15以完全填滿接觸孔。
參考圖1B，執(zhí)行一個(gè)蝕刻過程以在接觸孔中形成鎢插塞15A且暴露出層間絕緣層12上的TiN/Ti層14的表面。通過該蝕刻過程而將鎢插塞15A過蝕刻一預(yù)定的深度，以在接觸孔中為擴(kuò)散阻擋層形成空間。但是，主要是將鎢插塞15A的中心蝕刻掉，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)凹陷R。也就是說，TiN/Ti層14的覆蓋接觸孔入口側(cè)壁的部分上的鎢留下，而不會(huì)被蝕刻掉而降低FeRAM的性能。
參考圖1C，在接觸孔內(nèi)的鎢插塞15A上及在TiN/Ti層14上形成一個(gè)TiN擴(kuò)散阻擋層16。
參考圖1D，通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)來拋光TiN擴(kuò)散阻擋層16和TiN/Ti層14直至露出層間絕緣層12的表面，這樣就在接觸孔中形成了一個(gè)掩埋型的TiN擴(kuò)散阻擋部16A。
如圖1D所示，鎢插塞15A沒有為掩埋型TiN擴(kuò)散阻擋部16A完全覆蓋，因?yàn)橹辉诎枷軷中形成了TiN擴(kuò)散阻擋部16A。因此，鎢插塞15的一部分被暴露出來，該部分即覆蓋接觸孔入口側(cè)壁的TiN/Ti層14上的殘余鎢。
參考圖1E，在接觸孔周圍的層間絕緣層12上形成粘合層17。在利用絕緣體形成粘合層17的情況下，需要對(duì)粘合層17進(jìn)行選擇性蝕刻以暴露出TiN擴(kuò)散阻擋部16A。形成粘合層17以提高層間絕緣層12和將在層間絕緣層12上形成的Ir層之間的附著力。
在對(duì)粘合層17進(jìn)行選擇蝕刻的過程中，鎢插塞15A和TiN擴(kuò)散阻擋部16A暴露出來且被損害。此外，在對(duì)粘合層17進(jìn)行選擇蝕刻的過程中，在暴露出插塞的情況下產(chǎn)生了插塞的橫向氧化問題。隨著器件集成度的增大，橫向氧化的可能性也增大。
參考圖1F，在TiN擴(kuò)散阻擋部16A和粘合層17上形成包括Pt層20/IrOx層19/Ir層18的一個(gè)疊層以形成下電極。然后，在下電極上形成一個(gè)鐵電層21，隨后在鐵電層21上形成一個(gè)上電極22。
形成TiN擴(kuò)散阻擋部16A用于防止下電極的Ir層18和鎢插塞15A之間的互擴(kuò)散。但是，鎢插塞15A的暴露部分，即由圖1E中的“A”所指示的接觸孔入口側(cè)壁上的殘留鎢與Ir層18直接接觸。這樣，不可能完全防止下電極的Ir層18和鎢插塞15A之間的互擴(kuò)散，且在熱處理過程中可引起鎢插塞15A的氧化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的制造方法，該方法可阻止插塞和電容器下電極之間的直接接觸。
因此本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的制造方法，該方法可防止由層間絕緣層和下電極之間形成一個(gè)粘合層所用的掩模的錯(cuò)對(duì)所產(chǎn)生的問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種制造半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法，包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成一個(gè)絕緣層；通過對(duì)該絕緣層進(jìn)行選擇性蝕刻而形成一個(gè)露出半導(dǎo)體襯底的接觸孔；在絕緣層上及在接觸孔中形成一個(gè)第一擴(kuò)散阻擋層；在第一擴(kuò)散阻擋層上形成一個(gè)導(dǎo)電層；通過將導(dǎo)電層除去直至露出絕緣層上的第一擴(kuò)散阻擋層而在接觸孔中形成一個(gè)導(dǎo)電插塞，從而在接觸孔中得到一個(gè)第一凹陷，其中，該第一凹陷由接觸孔中的導(dǎo)電層所包圍；蝕刻絕緣層上的第一擴(kuò)散阻擋層，從而在接觸孔中形成一個(gè)第二凹陷，其中，導(dǎo)電插塞的一部分由第二凹陷所圍繞，而第二凹陷由絕緣層所包圍；將導(dǎo)電插塞由第二凹陷所包圍的部分除去，從而在接觸孔中形成一個(gè)第三凹陷，其中，該第三凹陷由絕緣層所包圍，第三凹陷的底部暴露出第一擴(kuò)散阻擋層和接觸孔中的導(dǎo)電插塞；以及在第三凹陷中形成一個(gè)第二擴(kuò)散阻擋層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種制造半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法，該方法包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成一個(gè)絕緣層；在絕緣層上形成一個(gè)粘合層；在粘合層上形成一個(gè)保護(hù)(capping layer)層；通過選擇性蝕刻保護(hù)層、粘合層和絕緣層而形成一個(gè)露出半導(dǎo)體襯底的接觸孔；在保護(hù)層上及在接觸孔中形成一個(gè)第一擴(kuò)散阻擋層；在第一擴(kuò)散阻擋層上形成一個(gè)導(dǎo)電層；通過將導(dǎo)電層除去直至露出絕緣層上的第一擴(kuò)散阻擋層而在接觸孔中形成一個(gè)導(dǎo)電插塞，從而在接觸孔內(nèi)得到一個(gè)第一凹陷，其中，該第一凹陷由接觸孔中的導(dǎo)電層所包圍；對(duì)保護(hù)層上的第一擴(kuò)散阻擋層進(jìn)行蝕刻，從而在接觸孔內(nèi)形成一個(gè)第二凹陷，其中，導(dǎo)電插塞的一部分由該第二凹陷所包圍，而該第二凹陷由保護(hù)層、粘合層和絕緣層所包圍；將導(dǎo)電插塞上由第二凹陷所包圍的部分除去，從而在接觸孔中形成一個(gè)第三凹陷，其中，該第三凹陷由保護(hù)層、粘合層及絕緣層所包圍，第三凹陷的底部暴露出第一擴(kuò)散阻擋層及接觸孔中的導(dǎo)電插塞；以及在第三凹陷中形成一個(gè)第二擴(kuò)散阻擋層，并將粘合層上的保護(hù)層除去。


結(jié)合附圖，并通過下文中對(duì)所給出的優(yōu)選實(shí)施例的描述可明確本發(fā)明的上述及其他目的和特征，其中圖1A至1F剖視圖顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的FeRAM制造方法；圖2A至2G的剖視圖顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的FeRAM制造方法；以及圖3A至3H的剖視圖顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的FeRAM制造方法。
具體實(shí)施例方式
以下，將參照附圖對(duì)本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器制造方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖2A-2G的剖視圖顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的FeRAM制造方法。
參考圖2A，在半導(dǎo)體襯底30上形成層間絕緣層32，該半導(dǎo)體襯底30上形成有場(chǎng)氧化層31和n+結(jié)33，對(duì)層間絕緣層32進(jìn)行選擇蝕刻以形成暴露n+結(jié)33的接觸孔。半導(dǎo)體襯底30是一個(gè)硅層，例如是摻雜多晶硅層或通過外延生長(zhǎng)形成的硅層。
在接觸孔內(nèi)層間絕緣層32上形成第一擴(kuò)散阻擋層。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，通過按所述順序?qū)盈BTi層和TiN層而將TiN/Ti擴(kuò)散阻擋層34形成為所述第一擴(kuò)散阻擋層。執(zhí)行快速熱處理(RTP)，以通過誘發(fā)半導(dǎo)體襯底30中的硅原子和TiN/Ti層34的反應(yīng)來形成硅化鈦層34A。該硅化鈦層34A起到歐姆接觸層的作用。
該TiN/Ti層34是通過化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(atomic layerdeposition)(ALD)或電化學(xué)沉積(ECD)形成的。形成的Ti層的厚度在約10至約200的范圍內(nèi)，而TiN層的厚度在約50至約500的范圍內(nèi)。在約600℃至約1000℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，在Ar或N2環(huán)境中進(jìn)行RTP約1秒至約10分鐘。
在進(jìn)行RTP之后，可形成一TiN層以將硅化鈦層34A的厚度穩(wěn)定在約50至約500的范圍內(nèi)。
然后，在TiN/Ti層34上形成一個(gè)鎢層35以完全填滿接觸孔。利用CVD、ALD或ECD將鎢層35形成至約500至約5000厚。鎢層35的厚度取決于接觸孔的尺寸。例如，對(duì)于直徑為0.3μm的一個(gè)接觸孔來說，形成的鎢層35的厚度約為3000。
可進(jìn)行諸如爐內(nèi)熱處理(furnace thermal treatment)或RTP的熱處理來提高接觸孔內(nèi)鎢層35的性能。該熱處理在約200℃至約600℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，在Ar、N2或二者的結(jié)合的環(huán)境中進(jìn)行。
參考圖2B，執(zhí)行第一蝕刻處理直至暴露出TiN/Ti層34的表面以在接觸孔中形成一個(gè)鎢插塞35A。利用該第一蝕刻處理將鎢插塞35A過蝕刻一預(yù)定深度，以在接觸孔中制作出第二擴(kuò)散阻擋層所用的空間。在鎢插塞35A的中心部位形成一個(gè)第一凹陷R1。
參考圖2C，執(zhí)行一個(gè)第二蝕刻過程直至露出層間絕緣層32的表面。這樣，將層間絕緣層32上形成的TiN/Ti層34除去，且在鎢插塞35A和層間絕緣層32的側(cè)壁之間形成一個(gè)第二凹陷R2。第二凹陷R2形成至約500至約3000范圍內(nèi)的一深度?？赏ㄟ^采用SC-1溶液的濕式蝕刻過程來進(jìn)行第二蝕刻過程，所述SC-1溶液通過將NH4OH、H2O2和H2O以NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶4∶20的比例混合而成。
參考圖2D，執(zhí)行第三蝕刻過程而將鎢插塞35A的由第二凹陷R2所包圍的部分除去，這樣就在接觸孔內(nèi)形成了一個(gè)第三凹陷R3，其深度在約500至約3000的范圍內(nèi)。在第三凹陷R3的側(cè)壁處暴露出層間絕緣層32，且在第三凹陷R3的底部露出TiN/Ti層34和鎢插塞35A的表面。通過在第三凹陷R3中形成掩埋型阻擋層，在接觸孔的入口處不暴露出鎢或鎢插塞35A的部分。這樣就可防止鎢或鎢插塞35A的部分與鐵電電容器的下電極直接接觸。
參考圖2E，在層間絕緣層32上及在第三凹陷R3中形成一個(gè)第二擴(kuò)散阻擋層36。
參考圖2F，利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)對(duì)第二擴(kuò)散阻擋層36進(jìn)行拋光直至露出層間絕緣層32的表面。這樣，在接觸孔中，即在第三凹陷R3中就形成了一個(gè)掩埋型擴(kuò)散阻擋層36A。第二擴(kuò)散阻擋層36是由TiN、TaN、WN、TiAlN、TiSiN、TaAlN、TaSiN、RuTiN、RuTiO或CrTiN形成的。
可進(jìn)行熱處理或等離子處理以提高掩埋型擴(kuò)散阻擋層36A的性能。對(duì)于熱處理來說，采用爐內(nèi)熱處理或RTP。爐內(nèi)熱處理在約200℃至約500℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約5分鐘至約2小時(shí)。RTP在約200℃至約500℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約1秒至約10分鐘。此外，掩埋型擴(kuò)散阻擋層36A可受在O2、N2、N2O、NH3或O3環(huán)境中產(chǎn)生的等離子體處理。
然后，在圍繞接觸孔的層間絕緣層12上形成粘合層37。形成粘合層37以改進(jìn)層間絕緣層32和將在層間絕緣層32上形成的Ir層之間的附著。在利用絕緣體形成粘合層37的情況下，需要對(duì)粘合層37進(jìn)行選擇蝕刻以暴露出掩埋型的擴(kuò)散阻擋層36A。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，粘合層37由Al2O3形成?？蛇M(jìn)行干法蝕刻或濕式蝕刻以對(duì)粘合層37進(jìn)行蝕刻。在濕式蝕刻的情況下，采用HF溶液或緩沖氧化蝕刻劑(BOE)。
可進(jìn)行熱處理或等離子處理來改進(jìn)附著力及氧擴(kuò)散阻擋層的性能。對(duì)于熱處理來說，采用爐內(nèi)熱處理或RTP。爐內(nèi)熱處理在約400℃至約800℃內(nèi)的一溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中進(jìn)行約5分鐘至約2小時(shí)。RTP在約400℃至約800℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約1秒至約10分鐘。此外，掩埋型擴(kuò)散阻擋層36A可經(jīng)歷O2、N2、N2O、NH3或O3環(huán)境中產(chǎn)生的等離子體的處理。
參考圖2G，在掩埋型擴(kuò)散阻擋部36A和粘合層37上形成包括Pt層40/IrOx層39/Ir層38在內(nèi)的一個(gè)疊層以形成下電極。下電極底部的Ir層38起到阻止氧擴(kuò)散的作用，IrOx層39起到阻止上層和下層中材料的互擴(kuò)散的擴(kuò)散的作用。
Pt層40/IrOx層39/Ir層38疊層通過物理氣相沉積(PVD)、CVD或ALD形成。形成的Pt層40的厚度在約100至約2000的范圍內(nèi)，而IrOx層39的厚度在約10至約1000的范圍內(nèi)，Ir層38的厚度在約100至約2000的范圍內(nèi)。下電極可由Pt/RuTiN疊層、Pt/RuTiO疊層、或Pt/CrTiN疊層形成。
在形成下電極之后，可進(jìn)行熱處理或等離子處理以防止下電極的氧化。對(duì)于熱處理來說，采用爐內(nèi)熱處理或RTP。爐內(nèi)熱處理在約200℃至約800℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中進(jìn)行約5分鐘至約2小時(shí)。RTP在約400℃至約800℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約1秒至約10分鐘。
然后，在下電極上形成一個(gè)鐵電層41，之后在該鐵電層41上形成一個(gè)上電極42。鐵電層41利用旋涂(spin on)法、CVD、ALD、或PVD由(Bi，La)4Ti3O12(BLT)、SrBi2Ta2O9(SBT)、SrBi2(Ta，Nb)2O9(SBTN)、或Pb(Zr，Ti)O3(PZT)形成，其厚度在約50至約2000的范圍內(nèi)。在形成鐵電層41之后，可在約400℃至約800℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，在O2、N2、Ar、O3、He、Ne、Kr或其組合的環(huán)境中進(jìn)行熱處理或等離子處理約10分鐘至約5小時(shí)，以提高鐵電層41的性能。該熱處理利用擴(kuò)散爐法、RTP、或其結(jié)合來進(jìn)行。
上電極42由諸如Pt、Ir或Ru的金屬，諸如TiN、TaN、或WN的金屬氮化物，或諸如IrOx、RuOx、La-Sr-Co-O(LSCO)、或Y-Ba-Co-O(YBCO)的導(dǎo)電氧化物形成。在約50℃至約600℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，利用PVD、CVD、或ALD將所述上電極形成至約100至約2000范圍內(nèi)的一個(gè)厚度。
在形成上電極之后，可通過爐內(nèi)熱處理或RTP進(jìn)行熱處理，以增大上電極的密度。爐內(nèi)熱處理在約400℃至約800℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar、或其組合的環(huán)境中進(jìn)行約5分鐘至約2小時(shí)。RTP在約400℃至約800℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約1秒至約10分鐘。
在利用本發(fā)明第一實(shí)施例的方法制造的FeRAM中，插塞和下電極不直接相互接觸。因此，這樣就阻止了插塞的氧化。
但是，在對(duì)粘合層37進(jìn)行選擇性蝕刻的過程中，掩埋型擴(kuò)散阻擋層36A被露出且受到損害，因此選擇性蝕刻粘合層易于引起插塞的橫向氧化。
利用下述的本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例可消除選擇性蝕刻粘合層過程中所產(chǎn)生的上述問題。
圖3A-3H的剖視圖顯示了本發(fā)明第二實(shí)施例的FeRAM的制造方法。
參考圖3A，在半導(dǎo)體襯底50上按所述順序形成層間絕緣層52、粘合層53和氧化物保護(hù)層54，在該半導(dǎo)體襯底50上形成有一個(gè)場(chǎng)氧化層51和n+結(jié)55，對(duì)層間絕緣層52、粘合層53和氧化物保護(hù)層54進(jìn)行選擇性蝕刻以形成一個(gè)暴露n+結(jié)55的接觸孔。粘合層53通過ALD、CVD、或PVD由Al2O3形成。粘合層53的厚度在約10至約500的范圍內(nèi)。
在形成粘合層53之后，可進(jìn)行熱處理或等離子處理來提高附著性及對(duì)氧的擴(kuò)散阻擋性能。
對(duì)于熱處理來說，采用爐內(nèi)熱處理或RTP。爐內(nèi)熱處理在約400℃至約800℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar、或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約5分鐘至約2小時(shí)。RTP在約400℃至約800℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar、或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約1秒至約10分鐘。在O2、N2、N2O、NH3或O3的環(huán)境中進(jìn)行等離子體處理。
氧化物保護(hù)層54通過CVD、PVD、ALD、或旋涂法由SiOx、SiON、Si3N4、ZrO2或HfO2形成。將氧化物保護(hù)層54形成至約10至約1000范圍內(nèi)的一厚度。
在形成氧化物保護(hù)層54之后，可進(jìn)行熱處理或等離子處理來改進(jìn)氧化物保護(hù)層54的性能。熱處理或等離子處理的各條件與用于粘合層53的熱處理或等離子處理相同。
如上所述，在形成接觸孔的過程中對(duì)粘合層53進(jìn)行選擇性蝕刻。因此，在接觸孔中形成插塞之后就不需要對(duì)粘合層進(jìn)行蝕刻。氧化物保護(hù)層54起到蝕刻阻擋層的作用，且在進(jìn)行CMP以在接觸孔中形成掩埋型阻擋層時(shí)將氧化物保護(hù)層54除去。
參考圖3B，在氧化物保護(hù)層上及在接觸孔側(cè)壁上暴露的層間絕緣層52上形成第一擴(kuò)散阻擋層。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，通過按所述順序?qū)盈BTi層和TiN層而將TiN/Ti層56形成為第一擴(kuò)散阻擋層。執(zhí)行快速熱處理(RTP)，以通過誘發(fā)半導(dǎo)體襯底50中的硅原子和TiN/Ti層56的反應(yīng)來形成硅化鈦層56A。該硅化鈦層56A起到歐姆接觸層的作用。
TiN/Ti層56通過CVD、ALD或ECD形成。Ti層的厚度在約10至約200的范圍內(nèi)，而TiN層的厚度在約50至約500的范圍內(nèi)。
在約60℃至約1000℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，在Ar或N2的環(huán)境中將RTP執(zhí)行約1秒至約10分鐘。
在RTP后，可形成TiN層以將硅化鈦層56A的厚度穩(wěn)定在約50至約500的范圍內(nèi)。
然后，在TiN/Ti層56上形成一個(gè)鎢層57以完全填滿接觸孔。利用CVD、ALD或ECD將鎢層57形成至約500至約5000范圍內(nèi)的一厚度。鎢層57的厚度取決于接觸孔的尺寸。例如，對(duì)于直徑0.3μm的接觸孔來說，鎢層57形成為約3000。
可進(jìn)行如爐內(nèi)熱處理或RTP的熱處理來提高插塞的性能。熱處理在約200℃至約600℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在Ar、N2或其結(jié)合的環(huán)境中進(jìn)行。
參考圖3C，執(zhí)行第一蝕刻處理直至露出TiN/Ti層56的表面以在接觸孔中形成一個(gè)鎢插塞57A。利用第一蝕刻過程對(duì)鎢插塞57A過蝕刻一預(yù)定深度，以在接觸孔中形成一個(gè)用于第二擴(kuò)散阻擋層的空間，這樣就在鎢插塞57A的中心處形成一個(gè)第一凹陷R1。
參考圖3D，執(zhí)行第二蝕刻過程直至露出氧化物保護(hù)層53的表面，這樣，將層間絕緣層52側(cè)壁上的TiN/Ti層56除去，并在鎢插塞57A和層間絕緣層52的側(cè)壁之間形成一個(gè)第二凹陷R2。形成的第二凹陷R2的深度在約500至約3000的范圍內(nèi)。
可通過采用SC-1溶液的濕式蝕刻來進(jìn)行所述的第二蝕刻過程，該溶液通過將NH4OH、H2O2和H2O以NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶4∶20的比例混合而成。
參考圖3E，執(zhí)行第三蝕刻過程而將鎢插塞57A的由第二凹陷R2所包圍的部分除去，從而在接觸孔內(nèi)形成了一個(gè)第三凹陷R3，其深度在約500至約3000的范圍內(nèi)。在第三凹陷R3的側(cè)壁處露出層間絕緣層52，而在第三凹陷R3的底部露出TiN/Ti層56和鎢插塞57A的表面。通過形成第三凹陷R3，在接觸孔的入口處不露出鎢或鎢插塞57A的部分。因此，可阻止鎢插塞57A的鎢或其一部分與鐵電電容器的下電極直接接觸。
參考圖3F，在TiN/Ti層56上及在第三凹陷R3內(nèi)形成第二擴(kuò)散阻擋層58。第二擴(kuò)散阻擋層58由TiN、TaN、WN、TiAlN、TiSiN、TaAlN、TaSiN、RuTiN、RuTiO或CrTiN形成。
參考圖3G，利用CMP對(duì)第二擴(kuò)散阻擋層58和氧化物保護(hù)層54進(jìn)行拋光直至露出粘合層53的表面。這樣，在接觸孔中，即在第三凹陷R3中形成了一個(gè)掩埋型擴(kuò)散阻擋層58A。在CMP過程中，即使氧化物保護(hù)層被完全除去也不會(huì)對(duì)粘合層造成損害，因?yàn)榈诙U(kuò)散阻擋層58相對(duì)于粘合層具有高的蝕刻選擇性。例如，在分別利用TiN和Al2O3形成第二擴(kuò)散阻擋層和粘合層的情況下，TiN對(duì)Al2O3的選擇性為100∶1。
通過在第三凹陷R3中形成掩埋型擴(kuò)散阻擋層，在接觸孔的入口處就不露出鎢插塞57A的鎢或其上的部分。因此，可阻止鎢插塞57A的鎢或其上的部分與鐵電電容器的下電極直接接觸。
可進(jìn)行熱處理或等離子處理，以提高掩埋型擴(kuò)散阻擋層58A的性能。對(duì)于熱處理來說，采用爐內(nèi)熱處理或RTP。爐內(nèi)熱處理在約200℃至約500℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約5分鐘至約2小時(shí)。RTP在約200℃至約500℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約1秒至約10分鐘。此外，掩埋型擴(kuò)散阻擋層58A可經(jīng)歷O2、N2、N2O、NH3或O3環(huán)境中產(chǎn)生的等離子體的處理。
參考圖3H，在掩埋型擴(kuò)散阻擋部58A和粘合層53上形成包括Pt層61/IrOx層60/Ir層59的一個(gè)疊層以形成下電極。下電極底部的Ir層59起到防止氧擴(kuò)散的作用，IrOx層60起到防止上層和下層中材料互擴(kuò)散的擴(kuò)散的作用。
Pt層61/IrOx層60/Ir層59疊層通過PVD法、CVD、或ALD形成。形成的Pt層61的厚度在約100至約2000的范圍內(nèi)。IrOx層60的厚度在約10至約1000的范圍內(nèi)，且Ir層59的厚度在約100至約2000的范圍內(nèi)。下電極可由Pt/RuTiN疊層、Pt/RuTiO疊層、或Pt/CrTiN疊層形成。
在形成下電極之后，可進(jìn)行熱處理或等離子體處理以阻止下電極氧化。對(duì)于熱處理來說，采用爐內(nèi)熱處理或RTP。爐內(nèi)熱處理在約200℃至約800℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中進(jìn)行約5分鐘至約2小時(shí)。RTP在約400℃至約800℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約1秒至約10分鐘。
然后，在下電極上形成一個(gè)鐵電層62，隨后在該鐵電層62上形成一個(gè)上電極63。
鐵電層62利用旋涂法、CVD、ALD、或PVD由(Bi，La)4Ti3O12(BLT)、SrBi2Ta2O9(SBT)、SrBi2(Ta，Nb)2O9(SBTN)、或Pb(Zr，Ti)O3(PZT)形成，其厚度在約50至約2000的范圍內(nèi)。在形成鐵電層62之后，可在約400℃至約800℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，在O2、N2、Ar、O3、He、Ne、Kr、或其組合的環(huán)境中，進(jìn)行熱處理或等離子處理約10分鐘至約5小時(shí)以提高鐵電層62的性能。上述熱處理利用擴(kuò)散爐法、RTP、或其結(jié)合來進(jìn)行。
上電極63由諸如Pt、Ir或Ru的金屬，諸如TiN、TaN或WN的金屬氮化物，或諸如IrOx、RuOx、La-Sr-Co-O(LSCO)、或Y-Ba-Co-O(YBCO)的導(dǎo)電氧化物形成。在約50℃至約600℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，利用PVD法、CVD或ALD法來形成所述上電極，其厚度在約100至約2000的范圍內(nèi)。
在形成上電極之后，可通過爐內(nèi)熱處理或RTP來執(zhí)行熱處理以增大上電極的密度。爐內(nèi)熱處理在約400℃至約800℃內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar、或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約5分鐘至約2小時(shí)。RTP在約400℃至約800℃范圍內(nèi)的一個(gè)溫度下，在N2、O2、Ar、或其組合的環(huán)境中執(zhí)行約1秒至約10分鐘。
在通過根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的方法制造的FeRAM中，插塞和下電極不直接相互接觸。這樣可阻止插塞的氧化。此外，在形成接觸孔的過程中對(duì)粘合層進(jìn)行選擇性蝕刻。因此，可防止掩埋型擴(kuò)散阻擋層58A露出并受到損害，從而可防止由選擇性蝕刻粘合層所引起的插塞的橫向氧化。
雖然已參照具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在不脫離由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行各種改變和變更。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法，包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成一個(gè)絕緣層；通過選擇性地蝕刻該絕緣層而形成一個(gè)露出半導(dǎo)體襯底的接觸孔；在絕緣層上及在接觸孔中形成一個(gè)第一擴(kuò)散阻擋層；在第一擴(kuò)散阻擋層上形成一個(gè)導(dǎo)電層；通過將導(dǎo)電層除去直至露出絕緣層上的第一擴(kuò)散阻擋層而在接觸孔中形成一個(gè)導(dǎo)電插塞，從而在接觸孔中得到一個(gè)第一凹陷，其中，該第一凹陷由接觸孔中的導(dǎo)電層所包圍；蝕刻絕緣層上的第一擴(kuò)散阻擋層，從而在接觸孔中形成一個(gè)第二凹陷，其中，導(dǎo)電插塞的一部分由第二凹陷所圍繞，且第二凹陷由絕緣層所包圍；去除導(dǎo)電插塞的由第二凹陷所包圍的部分，從而在接觸孔中形成一個(gè)第三凹陷，其中，該第三凹陷由絕緣層所包圍，且第三凹陷的底部暴露出第一擴(kuò)散阻擋層和接觸孔中的導(dǎo)電插塞；以及在第三凹陷中形成一個(gè)第二擴(kuò)散阻擋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括形成一個(gè)與第二擴(kuò)散阻擋層相連的電容器的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在形成第二擴(kuò)散阻擋層之后在絕緣層上形成一個(gè)粘合層的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，導(dǎo)電層由鎢形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第二擴(kuò)散阻擋層用從TiN、TaN、WN、TiAlN、TiSiN、TaAlN、TaSiN、RuTiN、RuTiO和CrTiN組成的組中選擇的任一種形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述電容器包括一個(gè)鐵電層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述電容器包括一個(gè)由Ir形成的下電極。
8.一種制造半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法，包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成一個(gè)絕緣層；在絕緣層上形成一個(gè)粘合層；在粘合層上形成一個(gè)保護(hù)層；通過對(duì)保護(hù)層、粘合層和絕緣層進(jìn)行選擇性地蝕刻而形成一個(gè)露出半導(dǎo)體襯底的接觸孔；在保護(hù)層上及在接觸孔中形成一個(gè)第一擴(kuò)散阻擋層；在第一擴(kuò)散阻擋層上形成一個(gè)導(dǎo)電層；通過將導(dǎo)電層除去直至露出絕緣層上的第一擴(kuò)散阻擋層而在接觸孔中形成一個(gè)導(dǎo)電插塞，從而在接觸孔內(nèi)得到一個(gè)第一凹陷，其中，該第一凹陷由接觸孔中的導(dǎo)電層所包圍；對(duì)保護(hù)層上的第一擴(kuò)散阻擋層進(jìn)行蝕刻，從而在接觸孔內(nèi)形成一個(gè)第二凹陷，其中，導(dǎo)電插塞的一部分由該第二凹陷所包圍，且該第二凹陷由保護(hù)層、粘合層和絕緣層所包圍；將導(dǎo)電插塞的由第二凹陷所包圍的部分除去，從而在接觸孔中形成一個(gè)第三凹陷，其中，該第三凹陷由保護(hù)層、粘合層及絕緣層所包圍，且第三凹陷的底部暴露出第一擴(kuò)散阻擋層及接觸孔中的導(dǎo)電插塞；以及在第三凹陷中形成一個(gè)第二擴(kuò)散阻擋層，并將粘合層上的保護(hù)層除去。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括形成一個(gè)與第二擴(kuò)散阻擋層相連的電容器的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括在形成第二擴(kuò)散阻擋層之后，在絕緣層上形成一個(gè)粘合層的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，導(dǎo)電層由鎢形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第二擴(kuò)散阻擋層由從TiN、TaN、WN、TiAlN、TiSiN、TaAlN、TaSiN、RuTiN、RuTiO和CrTiN組成的組中選擇的任一種形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，該電容器包括一個(gè)鐵電層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，該電容器包括一個(gè)由Ir形成的下電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，該保護(hù)層由氧化物形成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制造半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法，該方法包括步驟在一絕緣層上及一接觸孔中形成一第一擴(kuò)散阻擋層；在第一擴(kuò)散層上形成一導(dǎo)電層；通過將導(dǎo)電層除去而在接觸孔中形成一個(gè)導(dǎo)電插塞，從而在接觸孔內(nèi)得到一第一凹陷，其中該第一凹陷由接觸孔中的導(dǎo)電層包圍；對(duì)絕緣層上的第一擴(kuò)散阻擋層進(jìn)行蝕刻，從而在接觸孔內(nèi)形成一個(gè)第二凹陷，其中導(dǎo)電插塞的一部分由該第二凹陷包圍，而該第二凹陷由絕緣層包圍；將導(dǎo)電插塞由第二凹陷所包圍的部分除去，從而在接觸孔中形成一第三凹陷，其中該第三凹陷由絕緣層所包圍，第三凹陷的底部暴露出第一擴(kuò)散阻擋層及接觸孔中的導(dǎo)電插塞；以及在第三凹陷中形成一第二擴(kuò)散阻擋層。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1453854SQ0216089
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月26日
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