專利名稱：半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，特別是涉及一種半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，能夠充分確保半導(dǎo)體器件所要求的充電容量同時(shí)能夠獲得優(yōu)秀的電氣特性。
一般，由于細(xì)微化的半導(dǎo)體工程技術(shù)的開(kāi)發(fā)，加速了存儲(chǔ)器產(chǎn)品的高集成化，單位單元的面積當(dāng)然隨之大大地減小，實(shí)現(xiàn)了工作電壓的低電壓化。
但是，在存儲(chǔ)元件工作所必需的充電容量方面，盡管單元面積減小了，但是為了防止發(fā)生軟錯(cuò)誤(soft error)和縮短刷新時(shí)間(refresh time)，要求25fF/單元以上充分的充電容量。
以往，在象氮化膜/氧化膜(NO)結(jié)構(gòu)那樣，使用氮化膜作為電介質(zhì)的DRAM用的電容器的情況下，為了增大有效表面積、確保充電容量，下部電極形成立體結(jié)構(gòu)，或使下部電極的高度增大。
但是，下部電極形成為立體結(jié)構(gòu)，由于工程上有難度，在確保充電容量方面存在極限。
而且，如果下部電極高度增大，由于高度增加所產(chǎn)生的單元區(qū)域與周邊電路區(qū)域之間的臺(tái)階，在后續(xù)的曝光工序時(shí)，不能確保焦點(diǎn)深度(Depth ofFocus)，使布線工序后的集成工序受到不利影響。
但是，采用以往的NO結(jié)構(gòu)的電容器，在確保256M以上的第二代DRAM元件所必需的充電容量方面存在限制。
最近，為了克服這種NO電容器的極限，代替介電常數(shù)為4～5的NO薄膜，開(kāi)發(fā)了使用介電常數(shù)為25～27的Ta2O5薄膜作為電介質(zhì)膜的Ta2O5電容器。
但是，由于Ta2O5薄膜的化學(xué)計(jì)量比不穩(wěn)定，薄膜內(nèi)存在Ta與O的組成比例差引起的置換型Ta原子。
即，Ta2O5薄膜由于物質(zhì)本身的化學(xué)組成比例不穩(wěn)定，所以薄膜內(nèi)常常局部存在氧空位(Oxygen vacancy)狀態(tài)的置換型Ta原子。
特別是，雖然Ta2O5薄膜的氧空位的數(shù)量根據(jù)成分含量和結(jié)合程度不同，多少會(huì)有些差異，但不能完全去除。
結(jié)果，為了防止電容器的泄漏電流，使Ta2O5薄膜的不穩(wěn)定的化學(xué)計(jì)量比例穩(wěn)定化，使電介質(zhì)薄膜內(nèi)殘存的置換型Ta原子氧化的其他氧化工序是必需的。
而且，由于Ta2O5薄膜與作為上部電極和下部電極使用的多晶硅(氧化物系電極)或TiN(金屬系電極)的氧化反應(yīng)性大，所以薄膜內(nèi)殘存的氧在界面移動(dòng)，形成低介電氧化層，同時(shí)界面的均勻性大幅度降低。
因此，形成薄膜時(shí)，通過(guò)作為T(mén)a2O5薄膜前驅(qū)物的Ta(OC2H5)有機(jī)物與O2或者N2O氣體的反應(yīng)，作為雜質(zhì)的碳(C)原子和CH4、C2H4等碳化合物以及水分(H2O)同時(shí)存在。
結(jié)果，由于Ta2O5薄膜內(nèi)以雜質(zhì)存在的碳原子、離子和游離基，產(chǎn)生電容器的泄漏電流增大、介電特性劣化的問(wèn)題。
因此，本發(fā)明是為了解決上述以往諸多問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的，本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，能夠充分確保高集成元件所要求的充電容量，同時(shí)獲得優(yōu)秀的電氣特性。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，可以省略下部電極面積增加所帶來(lái)的各種復(fù)雜的電容器制造工序，減少單位工序數(shù)量，縮短單位工序時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，省略形成電介質(zhì)膜之前實(shí)施的熱處理和氧化工序，降低成本，同時(shí)提高生產(chǎn)率。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法包括以下工序在形成有用于形成半導(dǎo)體器件的各種構(gòu)造物的半導(dǎo)體襯底上形成下部電極；在所述下部電極上形成非晶TaON薄膜后，實(shí)施低溫和高溫?zé)崽幚砉ば?，形成TaON電介質(zhì)膜；在所述TaON電介質(zhì)膜上形成上部電極。
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法包括以下工序在形成有用于形成半導(dǎo)體器件的各種構(gòu)造物的半導(dǎo)體襯底上形成下部電極；在所述下部電板上形成非晶TaON薄膜后，實(shí)施300～500℃的低溫?zé)崽幚砉ば蚝?50～950℃的高溫?zé)崽幚砉ば?，形成TaON電介質(zhì)膜；在所述TaON電介質(zhì)膜上形成上部電極。
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法包括以下工序在形成有用于形成半導(dǎo)體器件的各種構(gòu)造物的半導(dǎo)體襯底上形成下部電極；對(duì)所述下部電極表面進(jìn)行氮化處理形成氮化膜；在所述下部電板上形成非晶TaON薄膜后，通過(guò)300～500℃的低溫?zé)崽幚砉ば蚝?50～950℃的高溫?zé)崽幚砉ば?，形成TaON電介質(zhì)膜；在所述TaON電介質(zhì)膜上形成上部電極。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明如下

圖1～圖4是用于介紹本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法的半導(dǎo)體器件剖面圖。
以下，參考附圖對(duì)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖l～圖4是用于介紹本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法的半導(dǎo)體器件剖面圖。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，首先在形成有用于形成半導(dǎo)體器件的各種構(gòu)造(圖中未示出)的半導(dǎo)體襯底11上，形成層間絕緣膜12，在所述層間絕緣膜12內(nèi)，形成用于接觸所述下部電極的接點(diǎn)(圖中未示出)。
之后，在含所述接點(diǎn)的層間絕緣膜12的上面形成下部電極用導(dǎo)電物質(zhì)層，對(duì)此進(jìn)行構(gòu)圖，形成電容器的下部電極13。
此時(shí)，所述下部電極13由摻雜的多晶硅、摻雜的非晶硅等硅系物質(zhì)形成，或使用TiN、TaN、W、WN、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt這些金屬系物質(zhì)中的任意一種形成。
而且，所述下部電極13形成為簡(jiǎn)單的層疊結(jié)構(gòu)(simple stacked structure)，或者如圖所示，形成以圓筒結(jié)構(gòu)為基本的雙重和三重結(jié)構(gòu)等三維結(jié)構(gòu)，增大有效表面積，也可進(jìn)一步形成為半球形多晶硅，增大有效表面積。
之后，如圖2所示，氮化(nitridation)所述下部電極13的表面，在所述下部電極13的表面形成薄氮化膜14。
此時(shí)，所述氮化膜14的作用是，防止通過(guò)后續(xù)工序進(jìn)行的電容器電介質(zhì)膜形成時(shí)或后續(xù)的熱處理，在電介質(zhì)膜與下部電極的界面生成具有低介電常數(shù)的自然氧化膜(SiO2)。
而且，在低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD)室形成電介質(zhì)膜之前，采用本地(In-situ)或非本地(Ex-situ)狀態(tài)等離子體放電，在NH3氣體或者N2/H2氣體氣氛氮化，形成所述氮化膜14。
此時(shí)，所述半導(dǎo)體襯底11保持在300～500℃的溫度。
代替使用等離子體氮化的方法，可以采用快速熱處理(Rapid ThermalProcess；RTP)，在650～950℃的溫度和NH3氣氛中退火，形成所述氮化膜14，也可以采用電爐，在500～1000℃的溫度和NH3氣氛中形成所述氮化膜14。
另一方面，為了防止因后續(xù)工序進(jìn)行的電容器電介質(zhì)膜形成時(shí)或后續(xù)的熱處理，而在電介質(zhì)膜與下部電極的界面生成具有低介電常數(shù)的自然氧化膜(SiO2)，可以采用HF蒸汽(HF vapor)或者HF溶液除去自然氧化膜，在所述下部電極13表面形成電介質(zhì)膜，以代替形成氮化膜14。
而且，代替所述氮化膜14，可以在采用HF化合物處理下部電極13表面前后清洗界面，或者為了提高均勻性(uniformity)的目的，使用NH4ON溶液或H2SO4溶液等化合物，進(jìn)行界面處理之后，形成電介質(zhì)膜。
如上所述，為了在電容器電介質(zhì)膜形成前提高抗氧化性，可采用等離子體或快速熱處理工序(RTP)，在NH3氣體或者N2/H2氣體氣氛中，在300～950℃的溫度范圍，氮化下部電極13表面，或在NO2或O2氣氛中熱處理，改善因懸掛鍵(dangling bond)引起的結(jié)構(gòu)缺陷以及結(jié)構(gòu)不均勻性，提高泄漏電流特性。
其次，如圖3所示，在含有所述氮化膜14的整體結(jié)構(gòu)上部面，形成TaON薄膜15，作為電容器電介質(zhì)膜使用。
此時(shí)，所述TaON薄膜15是這樣形成的，向低壓化學(xué)汽相淀積室內(nèi)定量供給Ta化合物蒸汽氣體和反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體是10～1000sccm的NH3氣體或0～300sccm的O2氣，利用MFC(Mass Flow Controller)保持在300～600℃的溫度和10乇以下的壓力，通過(guò)晶片上產(chǎn)生的表面化學(xué)反應(yīng)形成厚50～150的非晶薄膜，之后進(jìn)行低溫?zé)崽幚砗透邷責(zé)崽幚砉ば颉?br> 而且，使用MFC這樣的流量調(diào)節(jié)器，所述Ta化合物蒸汽氣體按100mg/分鐘以下的定量，向保持在150～200℃溫度的蒸發(fā)器或蒸發(fā)管內(nèi)，供給99.99％以上的Ta(OC2H5)5溶液。
此時(shí)，為了防止Ta蒸汽冷凝，含有小孔或噴嘴的蒸發(fā)器和作為T(mén)a蒸發(fā)器流路的供給管應(yīng)經(jīng)常保持在150～200℃的溫度范圍。
而且，在形成所述TaON薄膜15的工序中，形成非晶薄膜后實(shí)施的低溫?zé)崽幚恚褂肬V-O3在300～500℃溫度下進(jìn)行。
此時(shí)，通過(guò)低溫?zé)崽幚砉ば?，非晶態(tài)的TaON薄膜15內(nèi)的置換型Ta原子殘留的氧空位和碳雜質(zhì)被氧化，從而去除了產(chǎn)生泄漏電流的原因。
所述低溫?zé)崽幚碇髮?shí)施的高溫?zé)崽幚砉ば?，是?50～950℃溫度和N2O、O2或N2氣氛的電爐中進(jìn)行5～30分鐘。
此時(shí)，所述高溫?zé)崽幚砉ば虍?dāng)然可除去所述低溫?zé)崽幚砉ば蛑笤诜蔷B(tài)TaON薄膜15內(nèi)殘留的揮發(fā)性碳化合物、并且防止產(chǎn)生泄漏電流，同時(shí)也誘導(dǎo)所述非晶態(tài)TaON薄膜15的結(jié)晶化，提高介電常數(shù)。
然后，如圖4所示，在所述TaON薄膜15上形成上部電極16，制成電容器。
此時(shí)，作為所述上部電極16，采用TiN、TaN、W、WN、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt中任意一種金屬物質(zhì)形成金屬物質(zhì)層16a，從而形成上部電極。
而且，作為所述上部電極16的其他實(shí)施例，在所述TaON薄膜15上首先形成100～600厚的金屬物質(zhì)層16a，然后，為了防止因后續(xù)熱處理使電容器電氣特性劣化，在所述金屬物質(zhì)層16a上，層疊作為緩沖層的摻雜多晶硅層16b，形成上部電極，制成電容器。
如上所述，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法具有如下效果。
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，作為電容器電介質(zhì)膜使用的TaON薄膜的介電常數(shù)是23-25。
因此，本發(fā)明的TaON薄膜，與已有的NO薄膜相比介電常數(shù)高，化學(xué)結(jié)合結(jié)構(gòu)也具有比已有的Ta2O5薄膜更為穩(wěn)定的Ta-O-N結(jié)合結(jié)構(gòu)，所以可以承受從外部施加的更強(qiáng)的電氣沖擊。
特別是，雖然比Ta2O5電介質(zhì)的介電常數(shù)低，但是可以有效地抑制Ta2O5薄膜的蒸鍍和后續(xù)熱處理過(guò)程在上部和下部電極界面產(chǎn)生的氧化反應(yīng)。
亦即，本發(fā)明的TaON薄膜可以解決因已有電介質(zhì)膜不穩(wěn)定的化學(xué)計(jì)量比產(chǎn)生的氧空位和碳雜質(zhì)產(chǎn)生泄漏電流的問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明，由于抑制了下部電極和電解質(zhì)膜界面產(chǎn)生的低介電氧化膜的形成，所以可以防止因形成不均勻的氧化膜而產(chǎn)生的泄漏電流，可以把電容器的有效氧化膜厚度控制在不足35的薄膜程度。
而且，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使用TaON薄膜作為電介質(zhì)膜，盡管單位單元面積減少，仍可以充分獲得256M級(jí)以上的第二代DRAM產(chǎn)品所必需的25fF/單元以上的充電容量值。
因此，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使用TaON薄膜作為電介質(zhì)膜，即使電容器形成簡(jiǎn)單的層疊(stack)結(jié)構(gòu)也能獲得充分的充電容量，所以無(wú)需象已有技術(shù)那樣為了增加下部電極的面積而采用雙重或三重結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電容器模件，減少了單位工序數(shù)，具有工序時(shí)間縮短和生產(chǎn)成本降低的效果。
另一方面，本發(fā)明無(wú)需象已有的Ta2O5電容器制造工序那樣，在Ta2O5蒸鍍前處理工序?qū)嵤┑目焖贌崽幚?RTA)工序和多階段低溫?zé)嵫趸ば蛲耆槐匾?，所以具有降低成本和提高生產(chǎn)率的經(jīng)濟(jì)效果。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，包括以下工序在半導(dǎo)體襯底上形成下部電極，所述襯底上形成了用于形成半導(dǎo)體器件的各種結(jié)構(gòu)物；在所述下部電極上形成非晶TaON薄膜之后，進(jìn)行低溫和高溫?zé)崽幚恚纬蒚aON電介質(zhì)膜；在所述TaON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(dǎo)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多晶硅或非晶硅這樣的硅系物質(zhì)形成。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)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上形成半球形多晶硅的工序。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，所述下部電極由TiN、TaN、W、WN、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt中的任意一種金屬系物質(zhì)形成。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，還包括在所述TaON電介質(zhì)膜形成之前，對(duì)所述下部電極表面進(jìn)行氮化處理，形成氮化膜的工序。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，在低壓化學(xué)汽相淀積室內(nèi)的半導(dǎo)體襯底溫度保持在300～500℃的狀態(tài)下，進(jìn)行等離子體放電，在NH3氣體或N2/H2氣體氣氛中氮化下部電極表面，形成所述氮化膜。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，在650～950℃溫度和NH3氣體氣氛中通過(guò)快速熱處理(RTA)工序，形成所述氮化膜。
8．根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，在500～1000℃溫度和NH3氣體氣氛中形成所述氮化膜。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，還包括以下工序在形成所述TaON電介質(zhì)膜之前，采用HF蒸汽或HF溶液這樣的HF化合物，去除所述下部電極表面的自然氧化膜。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，利用流量調(diào)節(jié)器，向低壓化學(xué)汽相淀積室內(nèi)定量供給Ta化合物蒸汽氣體和作為反應(yīng)氣體的NH3氣體或O2氣體，保持在300～600℃的溫度和10乇以下的壓力，通過(guò)半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生的表面化學(xué)反應(yīng)，形成50～150厚的所述非晶TaON薄膜。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，所述Ta化合物蒸汽氣體，通過(guò)流量調(diào)節(jié)器按100mg/分鐘以下的定量，向保持在150～200℃溫度的蒸發(fā)器或蒸發(fā)管內(nèi)供給Ta(OC2H5)5溶液。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，采用UV-O3在300～500℃的溫度，進(jìn)行所述低溫?zé)崽幚砉ば颉?br> 13．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，在650～950℃的溫度和N2O、O2或N2氣氛的電爐中，進(jìn)行所述高溫?zé)崽幚砉ば颉?br> 14．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，所述上部電極由TiN、TaN、W、WN、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt中的任意一種金屬系物質(zhì)形成。
15．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，首先形成100～600厚的金屬系物質(zhì)層，然后在其上層疊摻雜多晶硅層，從而形成所述上部電極。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，所述金屬系物質(zhì)層由TiN、TaN、W、WN、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Pt中的任意一種金屬系物質(zhì)形成。
17．一種半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于包括以下工序在半導(dǎo)體襯底上形成下部電極，所述襯底上形成了用于形成半導(dǎo)體器件的各種結(jié)構(gòu)物；在所述下部電極上形成非晶TaON薄膜之后，進(jìn)行300～500℃的低溫?zé)崽幚砗?50～950℃的高溫?zé)崽幚?，從而形成TaON電介質(zhì)膜；在所述TaON電介質(zhì)膜上形成上部電極。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，還包括在所述非晶TaON薄膜形成之前，對(duì)所述下部電極表面進(jìn)行氮化處理，形成氮化膜的工序。
19．一種半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，包括以下工序在半導(dǎo)體襯底上形成下部電極，所述襯底上形成了用于形成半導(dǎo)體器件的各種結(jié)構(gòu)物；對(duì)所述下部電極表面進(jìn)行氮化處理形成氮化膜；在所述下部電極上形成非晶TaON薄膜之后，進(jìn)行300～500℃的低溫?zé)崽幚砗?50～950℃的高溫?zé)崽幚?，從而形成TaON電介質(zhì)膜；在所述TaON電介質(zhì)膜上形成上部電極。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法，其特征在于，在500～1000℃溫度和NH3氣體氣氛中形成所述氮化膜。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件的電容器的制造方法,使用TaON薄膜作為電介質(zhì)膜,充分確保高集成度半導(dǎo)體要求的充電容量,具有優(yōu)秀的電氣特性。該方法包括以下工序:在半導(dǎo)體襯底上形成下部電極,所述襯底上形成了用于形成半導(dǎo)體器件的各種結(jié)構(gòu)物;在所述下部電極上形成非晶TaON薄膜之后,進(jìn)行熱處理,形成TaON電介質(zhì)膜;和在所述TaON電介質(zhì)膜上形成上部電極。
文檔編號(hào)H01L21/822GK1295342SQ0013551
公開(kāi)日2001年5月16日 申請(qǐng)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(qǐng)人:現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社