專利名稱：采用Ta的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件的電容器的制造方法，特別是涉及采用Ta2O5薄膜作為電介質(zhì)膜的高容量Ta2O5電容器的制造方法。
眾所周知，電容器在DRAM這樣的存儲器件中的作用，是作為存儲數(shù)據(jù)的存儲處使用的。所述電容器的結(jié)構(gòu)是在下部電極和上部電極之間夾入電介質(zhì)膜，其容量與電極表面積和電介質(zhì)膜的介電常數(shù)成正比，而與電極間隔、也就是電介質(zhì)膜厚度成反比。
擴大電極表面積，使用具有高介電常數(shù)的電介質(zhì)膜、或減小電介質(zhì)膜的厚度，可以增大所述電容器的容量。但是，由于減小所述電介質(zhì)膜厚度的方式受到限制，所以以擴大電極表面積、或者使用高介電常數(shù)的電介質(zhì)膜的方式，努力增大電容器的容量。
將電容器的下部電極形成為三維結(jié)構(gòu)，具有半球(Hemi SphericalGrainHSG)形狀的表面，或者增大高度，由此擴大所述電極表面積。但是，難以形成具有三元結(jié)構(gòu)或半球形表面的下部電極。而且，如果增大下部電極的高度，就會增大單元區(qū)域與周邊電路區(qū)域之間的臺階，不能確保后續(xù)工序例如曝光工序時的焦點深度(DOF)，對集成工序有惡劣影響。
因此，制造高容量電容器的最近努力，主要是在開發(fā)高介電常數(shù)的電介質(zhì)膜方向上進行。
作為一個例子，雖然以往采用氧化膜/氮化膜/氧化膜(ONO)結(jié)構(gòu)的氮化膜作為電介質(zhì)膜，但考慮容量增大的側(cè)面，提出并采用氮化膜/氧化膜(NO)結(jié)構(gòu)的氮化膜作為電介質(zhì)膜。但是，由于所述NO結(jié)構(gòu)的氮化膜的介電常數(shù)(ε)低至4～5左右，所以具有NO結(jié)構(gòu)氮化膜作為電介質(zhì)膜的NO電容器，難以適用于256M以上的第二代DRAM產(chǎn)品，因為這樣的產(chǎn)品為了防止產(chǎn)生軟錯誤和刷新時間縮短，要求具有25fF/單元以上的足夠的容量。由此，提出了用具有25～27左右的高介電常數(shù)的Ta2O5薄膜代替NO結(jié)構(gòu)的氮化膜。由于所述Ta2O5薄膜的介電常數(shù)比NO結(jié)構(gòu)的氮化膜高很多，所以Ta2O5電容器易于適用做256M以上的第二代DRAM產(chǎn)品。
但是，由于以下理由，所述Ta2O5薄膜用作電介質(zhì)膜存在著難度。
第一方面，由于所述Ta2O5薄膜的化學計量比(stoichiometry)不穩(wěn)定，因Ta和O的組成比差，局部存在作為膜內(nèi)泄漏電流原因起作用的氧空位狀態(tài)的置換型Ta原子。因此，為了去除所述氧空位，在形成所述Ta2O5薄膜之后必須進行其他的氧化工序，由此導致工序復雜。
第二方面，所述Ta2O5薄膜的下部電極和上部電極的材料，由于是氧化反應性高的多晶硅或TiN，所以在后續(xù)熱處理時，膜內(nèi)存在的氧通過與所述電極的反應，在各個界面形成低介電的氧化層。因此，界面均勻性降低，結(jié)果電容器的電氣特性劣化。
第三方面，所述Ta2O5薄膜中，通過作為Ta2O5的前驅(qū)物的乙醇鉭(Ta(OC2H5)5)的有機物與O2或N2O氣體反應，膜內(nèi)存在碳原子和CH4、C2H4等碳化合物和水分(H2O)這樣的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)導致泄漏電流增大，使介電特性進一步劣化。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種Ta2O5電容器的制造方法，采用Ta2O5薄膜作為電介質(zhì)膜，可省略用于去除薄膜內(nèi)存在的氧空位的其他氧化工序。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種Ta2O5電容器的制造方法，采用Ta2O5薄膜作為電介質(zhì)膜，可以防止所述薄膜內(nèi)存在的氧與電極之間反應而產(chǎn)生低介電氧化層。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種Ta2O5電容器的制造方法，采用Ta2O5薄膜作為電介質(zhì)膜，通過去除所述薄膜內(nèi)存在的碳成分，可提高泄漏電流特性和介電特性。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的Ta2O5電容器的制造方法包括以下工序提供半導體襯底，其上形成有預定的下部圖形，覆蓋有層間絕緣膜；在所述層間絕緣膜上形成電容器下部電極；對所述下部電極表面進行氮化處理；在所述表面氮化處理后的下部電極上蒸鍍非晶態(tài)Ta2O5薄膜；對所述非晶態(tài)Ta2O5薄膜進行低溫退火；為了獲得作為電介質(zhì)膜的結(jié)晶Ta2O5薄膜，對所述低溫退火后的非晶態(tài)Ta2O5薄膜進行高溫退火；在由所述結(jié)晶Ta2O5薄膜構(gòu)成的電介質(zhì)膜上形成上部電極。
附圖的簡要說明如下

圖1A～圖1D是說明本發(fā)明的半導體器件電容器的制造方法的剖面圖。
以下將參考圖1A-圖1D說明本發(fā)明的Ta2O5電容器的制造方法。
如圖1A所示，提供形成有預定下部圖形、即晶體管和電阻器等基本構(gòu)造物(未示出)的半導體襯底1，在襯底1上形成層間絕緣膜2，覆蓋所述構(gòu)造物。采用公知工序在層間絕緣膜2上形成電容器的下部電極3，使其與襯底1的預定部分接觸。所述下部電極3最好是由摻雜的多晶硅層形成，由此形成層疊結(jié)構(gòu)。而且，所述下部電極3可以用選自TiN、TaN、W、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt中的一種金屬層形成，代替摻雜的多晶硅層。而且，所述下部電極3可以形成為具有圓筒形這樣的三維結(jié)構(gòu)和HSG形狀表面，以便增大表面積。
如圖1B所示，對下部電極3的表面進行氮化處理，結(jié)果在所述下部電極3表面和層間絕緣膜2上形成吸附氮原子的氮化膜4。為了防止后續(xù)形成Ta2O5薄膜或熱處理時，所述下部電板3和Ta2O5薄膜的界面產(chǎn)生過氧化，進行所述氮化處理。
在NH3氣體或N2/H2氣體氣氛的LPCVD室內(nèi)，通過1～5分鐘的等離子體放電，完成所述氮化處理。這時，襯底1的溫度應維持在300～500℃。而且，可以在NH3氣氛中、650～950℃溫度下，利用快速熱處理(RTP)進行退火，完成所述氮化處理。而且，也可以在NH3氣氛中、500～1000℃溫度下，通過爐內(nèi)退火完成所述氮化處理。
為了提高電容器的性能，可以在所述氮化處理前，采用HF蒸汽或HF溶液進行清洗，其結(jié)果，下部電極3表面上產(chǎn)生的自然氧化膜(SiO2)被去除。而且，為了提高所述下部電極3的均勻性，可以在所述采用HF的清洗前后，采用NH4OH溶液或H2SO4溶液進行清洗。
在所述氮化處理后，可以在NO2或O2氣氛中通過退火，進行微量氧化處理。在所述氮化處理之外增加進行所述微量氧化處理，可以更有效地抑制下部電極和Ta2O5薄膜的界面產(chǎn)生的過氧化。
另一方面，可以省略所述氮化處理。此時，在下部電極3上蒸鍍5～30厚的氮化硅膜(Si3N4)，隨后在所述氮化硅膜上緊接著連續(xù)蒸鍍Ta2O5薄膜。
如圖1C所示，在表面形成了氮化膜4的下部電極3上，按非晶狀蒸鍍作為電介質(zhì)膜的Ta2O5薄膜5，之后通過依次進行的低溫退火和高溫退火，形成非晶態(tài)Ta2O5薄膜。
利用例如MFC(Mass Flow Controller)這樣的流量調(diào)節(jié)器，向保持300～600℃溫度和10乇以下壓力的LPCVD室內(nèi)，定量供給Ta化合物蒸汽和作為反應氣體的NH3氣體(10～1000sccm)或O2氣體(10～300sccm)，作為下部電極3表面的表面化學反應結(jié)果，形成所述非晶態(tài)Ta2O5薄膜，厚度是50～150左右。利用MFC向蒸發(fā)器或蒸發(fā)管內(nèi)，按100mg/分鐘以下的定量供給99.999％以上的Ta(OC2H5)5溶液，蒸發(fā)獲得所述Ta化合物蒸汽，之后通過供給管注入反應室內(nèi)。此時，為了防止蒸發(fā)的氣體冷凝，使含有小孔或噴嘴的蒸發(fā)器或蒸發(fā)管以及構(gòu)成Ta蒸汽流路的供給管保持在150～200℃的溫度。
按本地或非本地狀態(tài)，采用O3或UV-O3在300～500℃的溫度下，進行針對所述非晶Ta2O5薄膜的低溫退火。所述低溫退火的結(jié)果，除去了非晶Ta2O5薄膜內(nèi)存在的置換型Ta原子、即氧空位，從而使所述非晶Ta2O5薄膜內(nèi)存在的未結(jié)合碳原子被活性氧氧化，由此產(chǎn)生CO或CO2這樣的揮發(fā)性碳化合物氣體。
在N2O、O2或N2氣體氣氛的爐內(nèi)，在650～950℃溫度進行5～30分鐘的高溫退火，所述退火針對已進行所述低溫退火的非晶Ta2O5薄膜。所述高溫退火的結(jié)果，除去了非晶Ta2O5薄膜內(nèi)作為反應副產(chǎn)物殘留的揮發(fā)性碳化合物氣體這樣的雜質(zhì)，由此使得非晶Ta2O5薄膜結(jié)晶化和致密化。
如圖1D所示，在Ta2O5薄膜5上形成電容器上部電極6，由此制成本發(fā)明的Ta2O5電容器。所述上部電極6形成為金屬層6a和緩沖層6b的層疊結(jié)構(gòu)。這里，所述金屬層6a由選自TiN、TaN、W、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt中的一種金屬形成，最好由TiN形成，其厚度是100～600左右。所述緩沖層6b由摻雜多晶硅層形成，以便防止電容器的電氣特性因后續(xù)的熱處理而劣化。
除此之外，本發(fā)明在不脫離其實質(zhì)的范圍內(nèi)可作出多種變化實施。
如上所述，本發(fā)明的Ta2O5薄膜與已有技術相比，可以容易地去除膜內(nèi)存在的氧空位和碳雜質(zhì)，而且可以抑制上部和下部電極的氧化反應。由此，本發(fā)明Ta2O5電容器具有提高的泄漏電流特性和介電特性。本發(fā)明的Ta2O5電容器由于采用具有25～27介電常數(shù)的Ta2O5薄膜作為電介質(zhì)，故可以獲得高容量。
而且，下部電極即使形成為比較簡單的層疊結(jié)構(gòu)，也能獲得充分的容量，由此可以使下部電極的形成工序簡單化。結(jié)果，可以節(jié)省工序時間和生產(chǎn)成本。此外，由于可以省略針對Ta2O5薄膜的快速熱處理和多階段低溫氧化工序，所以有利于降低成本和提高生產(chǎn)率。
權(quán)利要求
1．一種半導體器件的電容器制造方法，其特征在于，包括以下工序提供半導體襯底，其上形成有預定的下部圖形，覆蓋有層間絕緣膜；在所述層間絕緣膜上形成電容器下部電極；對所述下部電極表面進行氮化處理；在所述表面氮化處理后的下部電極上蒸鍍非晶態(tài)Ta2O5薄膜；對所述非晶態(tài)Ta2O5薄膜進行低溫退火；為了獲得作為電介質(zhì)膜的結(jié)晶Ta2O5薄膜，對所述低溫退火后的非晶態(tài)Ta2O5薄膜進行高溫退火；在由所述結(jié)晶Ta2O5薄膜構(gòu)成的電介質(zhì)膜上形成上部電極。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，所述下部電極由摻雜的多晶硅層形成。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，所述下部電極由選自TiN、TaN、W、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt中的一種金屬層形成。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，還包括在所述下部電極表面氮化處理工序之前，采用HF蒸汽或HF溶液清洗所述下部電極表面的工序。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，還包括在采用所述HF的清洗工序前或后，采用NH4OH溶液或H2SO4溶液清洗所述下部電極表面的工序。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，在NH3氣體或N2/H2氣體氣氛的LPCVD室內(nèi)，通過1～5分鐘的等離子體放電，進行所述氮化處理。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，在所述半導體襯底溫度保持在300～500℃的狀態(tài)，進行所述氮化處理。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，在NH3氣氛中、650～950℃溫度下，利用快速熱處理退火，進行所述氮化處理。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，在NH3氣氛中、500～1000℃溫度下，通過爐內(nèi)退火進行所述氮化處理。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，還包括在所述下部電極表面氮化處理工序之后，在NO2或O2氣氛中進行退火的工序。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，向保持300～600℃溫度和10乇以下壓力的LPCVD室內(nèi)，定量供給Ta化合物蒸汽氣體和作為反應氣體的NH3氣體或O2氣體，形成所述非晶態(tài)Ta2O5。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，所述非晶態(tài)Ta2O5薄膜的厚度是50～150。
13．根據(jù)權(quán)利要求11的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，向維持在150～200℃的蒸發(fā)器或蒸發(fā)管內(nèi)，按100mg/分鐘以下的定量供給Ta(OC2H5)溶液，生成所述Ta化合物蒸汽。
14．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，采用O3或UV-O3在300～500℃的溫度，進行針對所述非晶態(tài)Ta2O5薄膜的低溫退火。
15．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，在N2O、O2或N2氣體氣氛的爐內(nèi)，在650～950℃溫度進行5～30分鐘的針對所述非晶態(tài)Ta2O5薄膜的高溫退火。
16．根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，所述電容器的上部電極由選自TiN、TaN、W、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt中的一種金屬形成。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的半導體器件的電容器的制造方法，其特征在于，所述電容器的上部電極由金屬層和多晶硅材質(zhì)的緩沖層的層疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
全文摘要
一種半導體器件的電容器的制造方法,采用Ta
文檔編號H01L27/108GK1295341SQ0013550
公開日2001年5月16日 申請日期2000年11月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月9日
發(fā)明者李起正, 朱光喆 申請人:現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)株式會社