專利名稱：包括除去光刻膠的等離子體灰化處理的形成半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括除去光刻膠的等離子體灰化處理，更具體而言，涉及一種適用于在半導(dǎo)體器件中形成具有圓柱結(jié)構(gòu)的MIM(金屬-絕緣體-金屬)電容器的方法。
背景技術(shù)：
通過采用減小設(shè)計規(guī)則，DRAM裝置具有日益增加的存儲單元。這種減小設(shè)計規(guī)則必然減小每個存儲單元的占有面積，并且因此需要減小在存儲單元中所使用的堆疊電容器的占有面積，而不降低其電容量。為了獲得減小的占有面積和仍然較大的電容量，通常使用圓柱形電容器作為存儲單元中存儲數(shù)據(jù)的堆疊電容器。
圖10顯示了一種如在專利出版物JP-2002-110674A中所述的常規(guī)圓柱形電容器。這種圓柱形電容器36包括在底部和在厚絕緣膜28上形成的圓柱孔29的側(cè)壁形成的底電極30，在其上形成的電容器絕緣膜32和用電容器絕緣膜32的干涉的、對著底電極30的上電極33。
在圓柱形電容器36的制備中，將構(gòu)成(configuring)底電極30的導(dǎo)電膜沉積在包括圓柱孔29表面的整個表面上，隨后將光刻膠嵌入在該導(dǎo)電膜上的圓柱孔29中。深蝕刻(etch-back)在絕緣膜28頂面上的導(dǎo)電膜的頂部部分，然后除去嵌入在圓柱孔29中的光刻膠，和在其上連續(xù)地沉積電容器絕緣膜32和上電極33。
作為常規(guī)圓柱形電容器，通常使用MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)電容器，其中底電極用多晶硅制成。在MIS電容器中，通過使用含氧氣體例如O2，O3，H2O，N2O和CH3OH的等離子體增強灰化處理(下文，稱作等離子體灰化處理)進行光刻膠的除去。等離子體灰化處理使底電極的表面氧化并且在其上形成氧化硅膜?？梢允褂梦g刻劑選擇性地除去該氧化硅膜。
最近，采用一種MIM電容器，代替MIS電容器，作為提高圓柱形電容器電容量的圓柱形電容器。該MIM電容器包括，例如，由金屬氮化物例如TiN制成的底電極，由AlOx制成的電容器絕緣膜和具有包括TiN膜和鎢(W)膜的雙層結(jié)構(gòu)的上電極。
該電容器的電容量C通常表示為C＝ε×S/d，其中ε，S和d分別為介電常數(shù)，電極的面積和電容器絕緣膜的厚度(或電極之間的距離)。在MIM電容器中，底電極比在MIS電容器中的底電極更少被氧化，以確保電極之間的較小距離。與MIS電容器相比，這增加了MIM電容器的電容量。例如，在專利出版物JP-2004-247559A中描述了所述的MIM電容器。
由本發(fā)明人指出的是，在MIM電容器的制備中用于除去光刻膠的等離子體灰化處理可以涉及其電容量的降低，原因在于含氧氣體的高活性，這在底電極的表面上產(chǎn)生氧化膜例如TiOx膜。在這種情況下，沒有從MIM電容器中的底電極的表面除去TiOx膜的有效技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種通過抑制在等離子體灰化處理中底電極的氧化而形成半導(dǎo)體器件的方法，所述的半導(dǎo)體器件包括具有較高電容量的MIM電容器。
本發(fā)明提供一種制備半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底的表面形成絕緣膜；在該絕緣膜中形成溝槽；在包括溝槽的表面的絕緣膜上形成一層金屬氮化物膜；至少在金屬氮化物膜上的溝槽內(nèi)形成光刻膠膜；除去在絕緣膜上的部分金屬氮化物膜；和通過使用無氧氣體的等離子體的等離子體增強灰化處理，除去所述的光刻膠膜，所述的非氧氣體中不包括氧。
根據(jù)本發(fā)明，在灰化處理中無氧氣體防止了底電極的氧化，因此抑制了金屬氮化物膜的膜質(zhì)量的降低。
優(yōu)選無氧氣體包括N2，NH3，H2或N2與H2的混合物。為了降低底層金屬氮化物膜中的晶體缺陷的數(shù)量，最優(yōu)選N2。如果應(yīng)用于MIM圓柱形電容器中，晶體缺陷的降低改善了底電極和電容器絕緣膜之間的界面。這改善了電容器絕緣膜的膜質(zhì)量。
還優(yōu)選在等離子體增強灰化處理中，將無氧氣體朝著半導(dǎo)體襯底的表面在與其垂直的方向上加速。這可使等離子體有效地到達溝槽的底部，抑制了光刻膠殘余物的出現(xiàn)。在這種情況下，還優(yōu)選用150瓦特或更高的偏壓功率加速無氧氣體。
溝槽可以是縱橫比為15或更大的圓柱孔。金屬氮化物膜和絕緣膜可以在具有電容器絕緣膜上的上電極的電容器中分別用作底電極和電容器絕緣膜。
還優(yōu)選所述的方法在光刻膠的除去步驟之后還包括以下步驟將半導(dǎo)體襯底冷卻到100度或更低的溫度，并且將金屬氧化物膜暴露于大氣中。這些步驟進一步抑制了金屬氮化物膜的氧化。
還優(yōu)選金屬氮化物膜包括TiN、TaN和WN中的一種。在這種情況下，該方法在金屬氮化物形成步驟和光刻膠膜形成步驟之間還包括在金屬氮化物膜上形成金屬氧化物膜的步驟。與其它導(dǎo)電材料相比，金屬氮化物膜更不容易氧化。金屬氧化物膜可以包括Al2O3、HfO2、HfAlO和鈦酸鋇中的至少一種?？梢詫⒈景l(fā)明的方法適用于形成MIM電容器。


圖1A是通過根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的方法制備的DRAM裝置的剖視圖。
圖1B是圖1A的DRAM裝置沿著圖1A中線B-B的剖視圖。
圖2至7是顯示所述實施方案的方法的順序步驟，所述的順序步驟在圖1A和1B中所顯示的步驟之后。
圖8是在所述實施方案的方法中所使用的等離子體灰化系統(tǒng)的剖視圖。
圖9是顯示在所述實施方案的方法中偏壓功率和灰化速率之間關(guān)系的圖表。
圖10是常規(guī)DRAM裝置在其制備步驟中的剖視圖。
圖11是示意性地顯示常規(guī)技術(shù)中缺陷的剖視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在本發(fā)明參考基于其優(yōu)選實施方案的附圖來更詳細描述。圖1A顯示了根據(jù)本發(fā)明實施方案制備的半導(dǎo)體器件的制造過程中的一個步驟，所述半導(dǎo)體器件被構(gòu)成為DRAM裝置。圖1B是沿著圖1A中線B-B的剖視圖。
在DRAM裝置的制造中，如圖1A和1B所示，在硅襯底11的表面上形成的隔離溝槽中形成元件隔離膜12，從而將硅襯底11的區(qū)域隔離成多個細長元件成形區(qū)域。隨后，采用熱氧化技術(shù)氧化硅襯底11的表面，從而形成由SiO2制成的柵極絕緣膜13。其后，通過采用CVD(化學(xué)氣相沉積)技術(shù)將柵極電極14和Si3N4膜15的材料連續(xù)地沉積在柵極絕緣膜13上。柵極電極14可以包括采用PVD(物理氣相沉積)技術(shù)形成的金屬膜。例如，柵極電極14可以包括如從其底部角度觀察的無定形硅膜，鎢(W)膜和氮化鎢(WN)膜。
然后在Si3N4膜15上形成光刻膠膜(沒有顯示)，和然后采用光刻和蝕刻技術(shù)形成圖案，以形成具有柵極電極圖案的光刻膠掩模。然后采用光刻膠掩模作為蝕刻掩模的各向異性蝕刻技術(shù)，將Si3N4膜15形成圖案，從而形成硬掩模15。然后采用硬掩模15作為蝕刻掩模，進行另一各向異性蝕刻步驟，從而將柵極電極14材料形成圖案，以形成柵極電極14。在這個實施方案中，如從垂直方向觀察，細長元件成形區(qū)域在它們之間以45度的角度橫過柵極電極14。
隨后，采用硬掩模15作為注入掩模，進行離子注入，從而形成源極/漏極擴散區(qū)域16a和16b。柵極絕緣膜13、柵極電極14、源極/漏極擴散區(qū)域16a和16b構(gòu)成MOSFET。其后，將Si3N4膜沉積在整個表面上，接著對其進行深蝕刻，以在柵極電極14和硬掩模15的兩側(cè)上形成側(cè)壁膜17。
隨后，通過采用CVD技術(shù)，接著在高溫下的熱退火步驟，將BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)膜18沉積在整個表面。熱退火步驟用BPSG膜18填充了在相鄰的柵極電極14之間形成的窄間隙。其后，進行蝕刻工序，以形成穿過BPSG膜18和柵極絕緣膜13直到源極/漏極擴散區(qū)域16a和16b的接觸孔19。然后用多晶硅填充該接觸孔19，在那里形成接觸插塞20。
然后將SiO2膜21沉積在BPSG膜18上，接著形成暴露接觸插塞20頂部的通孔22a，22b。然后，在用TiN膜覆蓋通孔22a的內(nèi)表面后，用鎢填充通孔22a，從而形成轉(zhuǎn)接插塞23a，23b。轉(zhuǎn)接插塞23a通過接觸插塞20與各自源極擴散區(qū)域16a連接，而插塞23b通過接觸插塞20與各自漏極擴散區(qū)域16b連接。
隨后，在轉(zhuǎn)接插塞23a的頂部和SiO2膜24上形成鎢位線24，接著形成另一SiO2膜25。在另一SiO2膜25中形成通孔26，并且用多晶硅填充，以在其中形成轉(zhuǎn)接插塞27。這樣，得到圖1A和1B中所顯示的結(jié)構(gòu)。后續(xù)相續(xù)顯示于圖2至7中。
然后在SiO2膜25上形成厚度為50至100nm的Si3O4膜(沒有顯示)，接著通過采用等離子體增強的CVD技術(shù)在其上沉積另一SiO2膜28直到厚度為3000nm。SiO2膜28的厚度等于圓柱孔的理想深度。
隨后，在SiO2膜28上沉積無定形碳膜(沒有顯示)直到厚度為600至1000nm，接著在其上沉積包括20nm厚的SiON膜和80nm厚的SiO2膜的蓋膜。蓋膜的總厚度為約100nm。然后在蓋膜的SiO2膜上形成具有用于圓柱孔的圖案的光刻膠掩模。
隨后，采用光刻膠掩模進行各向異性蝕刻工序，將蓋膜和無定形碳膜形成圖案，從而形成硬掩模。其后，采用該硬掩模進行另一各向異性蝕刻，以將SiO2膜28形成圖案，從而在其中形成圓柱孔29。在這蝕刻中，在SiO2膜25上形成的Si3O4膜用作蝕刻停止劑。然后，如圖2所示，通過灰化或清洗除去蝕刻后的硬掩模和殘余物。
隨后，如圖3所示，然后采用CVD技術(shù)在圓柱孔29包括底部和側(cè)壁的整個表面，形成均勻厚度的TiN膜30a。在一個備選方案中，取而代之的是，可以形成金屬氮化物膜例如TaN或WN膜。其后，如圖4所示，將光刻膠31嵌入TiN膜30a上的圓柱孔29中，接著通過采用各向異性干蝕刻在SiO2膜28上蝕刻部分TiN膜30a，從而形成底電極30。在這各向異性干蝕刻中，硬化光刻膠31的頂部31a，如圖5所示。
隨后，如圖6所示，通過采用其中不含氧氣的無氧氣體的等離子體灰化處理，從圓柱孔29的內(nèi)部除去光刻膠31。在這實施方案中，將流量分別為500sccm和15sccm的N2和H2氣的混合物作為無氧氣體供給至灰化系統(tǒng)。將該灰化系統(tǒng)的內(nèi)部壓力維持在1托。在垂直于硅襯底11表面的方向上加速無氧氣體的等離子體。該等離子體蝕刻采用用于在等離子體系統(tǒng)中產(chǎn)生等離子體的3000瓦特的電源功率，并且采用用于加速等離子體的180瓦特的偏壓功率。將襯底溫度維持在250℃。
圖8顯示了可以用于上面工序中的灰化系統(tǒng)。該灰化系統(tǒng)為表面波等離子體源(SWP)類型，并且包括具有進氣口42和出氣口43的室41，其被連接到用于室41抽真空的真空泵44。箭頭45指示氣體流動的方向。
室41在其中容納其上固定硅晶片(或硅襯底)的基座46，和對著在基座46上的硅晶片的上電極47?；?6在其中容納扁平底電極48和加熱器(沒有顯示)。上電極47由介電物質(zhì)例如AlN或石英制成，而底電極48由金屬例如鋁制成。電極47和48兩者都為扁平型，并且分別連接到電源49和50。
在灰化過程中，將氣體通過進氣口42加入到室41，并且電源49和50分別供應(yīng)高頻率的電功率給電極47和48。在上電極47內(nèi)產(chǎn)生駐電磁波，從上電極47發(fā)射電磁波以激發(fā)氣體，并因此在上電極47的表面附近產(chǎn)生等離子體51。在上電極47和底電極48之間所施用的電壓加速了等離子體51在垂直于硅晶片11表面方向上的運動。可以用加熱器加熱硅晶片11。
在完成等離子體灰化處理并且將襯底溫度降低至100℃或更低以后，將硅晶片暴露于大氣環(huán)境中。這防止了可能由大氣導(dǎo)致的底電極30的氧化。其后，用有機洗滌液例如胺除去留在底電極30和SiO2膜28上的光刻膠的殘余物，接著例如通過采用氫氟酸，清洗底電極30的表面。隨后，沉積Al2O3膜作為電容器絕緣膜32。備選地，取而代之的是，可以使用金屬氧化物膜例如HfO2膜，HfAlO膜或鈦酸鋇膜。
其后，通過采用CVD技術(shù)在電容器絕緣膜32上沉積TiN膜34，接著通過采用PVD技術(shù)在包括圓柱孔29的內(nèi)部的整個表面上沉積鎢膜。TiN膜34和鎢膜35構(gòu)成上電極33。這樣，如圖7所示，可以得到由底電極30，電容器絕緣膜32和上電極33構(gòu)成的電容器36。
在上面所述的實施方案中，采用無氧氣體等離子體的等離子體灰化處理防止了TiN底電極30的氧化，從而抑制了圓柱形電容器的電容量的降低。等離子體灰化處理中的N2氣使可以使由TiN制成的底電極30的表面硝化，從而降低了底電極30表面上的缺陷。這改善了底電極30和電容器絕緣膜32之間的界面質(zhì)量，從而改善了電容器絕緣膜32的絕緣性能。
常規(guī)等離子體灰化處理，其不采用等離子體氣體的加速，如果在灰化中采用無氧氣體，要花費長時間去除去圓柱孔中的光刻膠，尤其是在圓柱孔的縱橫比為15或更高的情況下。本文所使用的術(shù)語“縱橫比”定義為孔的深度與寬度的比率。
圖11顯示了在圓柱孔29的縱橫比為15或更高的情況下，常規(guī)等離子體灰化處理中遇到的問題，其中聚合物殘余物37由于等離子體氣體的功能不足而附著在底電極30上。在采用等離子體氣體加速的實施方案中的等離子體灰化處理可以使等離子體氣體到達具有這么高縱橫比的圓柱孔29的底部，從而解決了如圖11中所示的問題。
圖9顯示了偏壓功率和灰化速率之間的關(guān)系，其中曲線(i)表示采用O2等離子體的情況和曲線(ii)表示采用N2等離子體的情況。如果偏壓功率為0瓦特，N2氣等離子體的灰化速率約為O2氣等離子體的灰化速率的三分之一。然而，如從圖9中所了解到的，偏壓功率改善了N2氣等離子體的灰化速率，其中在N2氣等離子體灰化處理中150瓦特的偏壓功率獲得了高于0瓦特偏壓功率下的O2氣等離子體的灰化速率的灰化速率。
通常認為，在采用除O2之外的氧化氣體的情況下和采用除N2之外的無氧氣體的情況下的灰化速率之間的關(guān)系類似于如此上面所述的在采用O2情況下和采用N2的情況下的灰化速率之間的關(guān)系。這樣，如果采用除N2之外的無氧氣體，為了獲得圓柱孔中的光刻膠的有效清除，類似于采用N2等離子體的情況，加速無氧氣體的偏壓功率應(yīng)該為150瓦特或更高。
如在上面的實施方案中所采用的等離子體灰化處理可以用于再加工的光刻膠膜的清除，如果嵌入在圓柱孔中光刻膠膜的表面不均勻或厚度不夠，這可能是需要的。
可以認為，可以采用典型的液體如在剝離光刻膠的常規(guī)技術(shù)中所使用的液體除去嵌入在圓柱孔中的光刻膠。然而，這種液體應(yīng)當包括硫酸，因為可以通過強剝離功能而從下面的金屬氮化物膜選擇性地除去硬化的光刻膠膜。硫酸可能損壞下面的底電極的表面，并且是不優(yōu)選的。
在上面的實施方案中，描述了形成圓柱形電容器的方法。然而，本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于除去任何下面的金屬氮化物膜上的溝槽中的光刻膠。本文所使用的術(shù)語“溝槽”包括孔例如上面所描述的用于在其中形成電容器的圓柱孔。
由于僅作為一個實例描述了上面的實施方案，所以本發(fā)明不限制于上面的實施方案，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不離開本發(fā)明的范圍的情況下容易地從其中進行各種改進或改變。
權(quán)利要求
1.一種制備半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底的表面上形成絕緣膜；在所述的絕緣膜中形成溝槽；在包括所述的溝槽表面的所述絕緣膜上形成金屬氮化物膜；至少在所述金屬氮化物膜上的所述溝槽內(nèi)形成光刻膠膜；除去所述的絕緣膜上的部分所述金屬氮化物膜；和通過使用無氧氣體的等離子體的等離子體增強灰化處理，除去所述的光刻膠膜，所述的非氧氣體中不包括氧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的無氧氣體包括N2，NH3，H2或N2和H2的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述的等離子體增強灰化處理中，將所述的無氧氣體朝著所述的半導(dǎo)體襯底的表面在與其垂直的方向上加速。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中采用150瓦特或更高的偏壓功率加速所述的無氧氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述的溝槽為縱橫比為15或更大的圓柱孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法在所述的光刻膠除去步驟之后還包括以下步驟將所述的半導(dǎo)體襯底冷卻到100℃或更低的溫度，并且將所述的金屬氮化膜暴露于大氣中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的金屬氮化物膜包括TiN、TaN和WN中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法在所述的金屬氮化物膜形成步驟和所述的光刻膠膜形成步驟之間還包括在所述的金屬氮化物膜上形成金屬氧化物膜的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述的金屬氧化物膜包括Al2O3、HfO2、HfAlO和鈦酸鋇中的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在所述的絕緣膜上的金屬膜，其中所述的金屬氮化物膜，所述的絕緣膜和所述的金屬膜構(gòu)成電容器。
全文摘要
一種在DRAM裝置中形成具有金屬氮化物底電極，電容器絕緣膜和上電極的圓柱形電容器的方法包括以下步驟在圓柱孔中的底電極上形成光刻膠膜，通過使用無氧氣體的等離子體灰化處理除去光刻膠膜，和在底電極上連續(xù)地形成絕緣膜和上電極。等離子體灰化處理采用將等離子體氣體加速到圓柱形溝槽中的偏壓。
文檔編號G03F7/36GK1855367SQ20061007369
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月19日
發(fā)明者大內(nèi)雅彥 申請人:爾必達存儲器股份有限公司