專利名稱:鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器電容器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置及其制造方法，尤其涉及一種具有合并式頂部電極板線(MTP)結(jié)構(gòu)的鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)電容器及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著薄膜沉積技術(shù)的最新發(fā)展，人們對(duì)使用鐵電薄膜研制的非揮發(fā)性存儲(chǔ)單元進(jìn)行了大量的研究。這種非揮發(fā)性存儲(chǔ)單元是一種利用鐵電電容器薄膜的高速偏極化/逆轉(zhuǎn)及殘余偏極化而具有高速可重寫非揮發(fā)性特征的存儲(chǔ)單元。
因此，F(xiàn)eRAM中已逐漸將諸如鍶鉍鉭(SBT)及鉛鋯鈦(PZT)之類的鐵電材料用于電容器薄膜以取代習(xí)知的氧化硅膜或氮化硅膜，因?yàn)檫@類材料可確保低電壓的高速性能且也不需要像動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)一樣進(jìn)行周期性更新以防止于待機(jī)時(shí)間間隔內(nèi)遺失信息。
由于鐵電材料在室溫具有從幾百到幾千之間的高介電常數(shù)以及穩(wěn)定的殘余偏極化特性，因此可將其應(yīng)用在FeRAM裝置上當(dāng)作電容器薄膜。在使用FeRAM裝置時(shí)，可在有電場(chǎng)施加其上時(shí)通過偶極子的偏極性儲(chǔ)存信息數(shù)據(jù)。即使移除電場(chǎng)時(shí)，仍然可保存其殘余偏極性以致能儲(chǔ)存信息數(shù)據(jù)亦即“0”或“1”。
參照?qǐng)D1A到1E，其為一種FeRAM電容器的習(xí)知制造方法的截面視圖。
圖1中，制造FeRAM電容器的習(xí)知方法由制備一有源矩陣105開始，其中該有源矩陣105包括一半導(dǎo)體基片110、一場(chǎng)氧化物(FOX)區(qū)112、一源極/漏極區(qū)114、一第一層間介電層(ILD)116及一存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)115。具體來說，通過標(biāo)準(zhǔn)方法將該FOX區(qū)112及源極/漏極區(qū)114形成于半導(dǎo)體基片110的預(yù)定位置內(nèi)。之后，利用諸如硼磷硅玻璃(BPSG)及高密度等離子(HDP)氧化物等的材料將第一ILD 116形成于半導(dǎo)體基片110上。之后，將該第一ILD 116制作成圖案以行形成第一預(yù)定構(gòu)造，因此形成一接觸孔(未標(biāo)示)并露出該源極/漏極區(qū)114。然后，通過諸如等離子氣相沉積(Plasma Vapor Deposition，PVD)法或是游離金屬等離子(Ionized MetalPlasma，IMP)法等方法將第一阻擋層118形成于所得的包括接觸孔及該第一ILD 116頂面的結(jié)構(gòu)上方，其中該第一阻擋層118使用的是由Ti層及TiN層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。
在形成第一阻擋層118之后，進(jìn)行諸如快速熱處理(RTP)之類的標(biāo)準(zhǔn)熱處理程序以便將一TiSi2層120形成于該第一阻擋層118與源極/漏極區(qū)114之間。應(yīng)該注意的是，可在使用化學(xué)氣相沉積(CVD)法時(shí)省略該標(biāo)準(zhǔn)熱處理程序以便沉積該第一阻擋層118，因?yàn)樵谶M(jìn)行CVD程序期間通過鈦層與底下的源極/漏極區(qū)114之間的交互作用形成該硅化鈦層120。
隨后，將一第二阻擋層122沉積于該第一阻擋層118上以便防止鎢(W)塞124與源極/漏極區(qū)114之間出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象。在通過PVD法形成該第一阻擋層118的例子里，需要進(jìn)行形成該第二阻擋層122的沉積程序。然而，也可在使用CVD法的例子里省略形成該第二阻擋層122的沉積程序。
在形成第二阻擋層122之后，將一鎢層沉積于所得結(jié)構(gòu)上方直到接觸孔完全填滿鎢為止。之后，選擇性地將該第一阻擋層118、第二阻擋層122及鎢層蝕刻成第一預(yù)定構(gòu)造使得該鎢塞124的頂面低于該第一ILD116的頂面。也就是說，在該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)115內(nèi)形成一凹槽。此中，較佳的是形成深度在大約500到大約1000之間的凹槽，因?yàn)樵撴u層的沉積厚度通過考量該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215的直徑而確定。下一步驟中，通過使用化學(xué)機(jī)械拋光法(CMP)將一第三阻擋層126形成于凹槽內(nèi)以便防止氧氣于進(jìn)行后退火程序期間擴(kuò)散到該鎢塞124內(nèi)，其中該第三阻擋層使用的是諸如TiN、TiAlN、TiSiN及RuTiN之類的材料。
隨后參照?qǐng)D1B，依序?qū)⒁谎趸飳?28及一第一導(dǎo)電層130形成于該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)115及第一ILD 116的頂面上。這里，該第一導(dǎo)電層130使用的是其中依序形成有銥(Ir)層、氧化銥(IrOx)層及鉑(Pt)層的多重層。
圖1C所示的相繼步驟中，對(duì)第一導(dǎo)電層130及氧化物層128進(jìn)行圖案制作以形成第二預(yù)定構(gòu)造，因此得到一底部電極130A及一膠合層128A。
如圖1D所示的下一步驟中，將一第二ILD 132形成于該第一ILD116及底部電極130A上，并通過使用諸如CMP及回蝕之類的方法使之平坦化直到露出該底部電極130A的頂面為止。對(duì)第二ILD 132進(jìn)行平坦化期間，會(huì)在該第二ILD 132與底部電極130A之間出現(xiàn)階梯(X)，使得該第二ILD 132的平坦化頂面無疑地會(huì)低于該底部電極130A的頂面。
隨后參照?qǐng)D1E，通過使用標(biāo)準(zhǔn)的沉積程序?qū)⒁昏F電介電層134形成于底部電極130A及第二ILD 132上，其中該鐵電介電層134使用的是諸如SBT、PZT及鋇鉭鈦(BST)之類的材料。
之后，將一第二導(dǎo)電層形成于該鐵電介電層134上并進(jìn)行圖案制作以形成第三預(yù)定構(gòu)造，因此形成一頂部電極136。一般而言，可進(jìn)行退火程序以便在形成該鐵電介電層134或頂部電極136之后使該鐵電介電層134結(jié)晶。因此，完成習(xí)知的制造FeRAM電容器的方法。
然而，如上所述習(xí)知的制造FeRAM電容器的方法有很多缺點(diǎn)。第一，由于無疑地存在該底部電極130A上的鐵電介電層134與該第二ILD132上的鐵電介電層的晶體結(jié)構(gòu)間的差異，因此存在有該第二ILD 132上的鐵電介電層134的晶體結(jié)構(gòu)不如該底部電極130A上的鐵電介電層134的晶體結(jié)構(gòu)那么好的問題。在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)下，該FeRAM電容器的鐵電性質(zhì)會(huì)惡化。
第二，如前所述在對(duì)第二ILD 132進(jìn)行平坦化期間，會(huì)在該第二ILD132與底部電極130A之間出現(xiàn)階梯(X)，以致該鐵電介電層134會(huì)在其沉積程序期間發(fā)生破裂現(xiàn)象。除了產(chǎn)生破裂現(xiàn)象以外，階梯(X)愈高，該鐵電介電層134的階梯覆蓋率愈差。此例中，在圍繞該底部電極130A的各露出側(cè)壁處可能存在有微型空隙。因此，可能會(huì)在進(jìn)行后退火程序期間使該鐵電介電層134出現(xiàn)分層現(xiàn)象。
第三，由于在對(duì)第一導(dǎo)電層進(jìn)行圖案制作之后進(jìn)行退火程序，因此可通過該底部電極130A的各側(cè)壁與該第二ILD 132的各表面間的氧氣擴(kuò)散作用使該第二阻擋層122產(chǎn)生氧化。因此，終究會(huì)使FeRAM電容器的電氣特性惡化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有MTP結(jié)構(gòu)的FeRAM電容器，其中通過使用單階蝕刻法形成一垂直的電容器堆棧，因而強(qiáng)化了其鐵電性質(zhì)并防止該鐵電層內(nèi)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有MTP結(jié)構(gòu)的FeRAM裝置的制造方法，其中通過使用單階蝕刻法形成一垂直的電容器堆棧，因而強(qiáng)化了其鐵電性質(zhì)并防止該鐵電層內(nèi)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種具有MTP結(jié)構(gòu)的FeRAM電容器，包括有源矩陣105，其包括半導(dǎo)體基片、FOX區(qū)、源極/漏極區(qū)、第一ILD及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；電容器堆棧，包括底部電極、鐵電層及頂部電極，其中所述底部電極、鐵電層及頂部電極形成于所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以及所述第一ILD的預(yù)定部分上，且所述電容器堆棧的寬度比所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的寬度大；第二ILD，其包圍所述電容器堆棧，其中所述頂部電極的頂面未覆蓋所述第二ILD；以及板線，其形成于所述頂部電極的頂面以及所述第二ILD的預(yù)定部分上，且所述板線的寬度大于所述頂部電極的寬度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種具有MTP結(jié)構(gòu)的FeRAM電容器的制造方法，包括下列步驟a)制備有源矩陣，其包括半導(dǎo)體基片、源極/漏極區(qū)、FOX區(qū)、第一ILD及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；b)在所述有源矩陣上依序形成第一導(dǎo)電層、介電層及第二導(dǎo)電層；c)在所述第二導(dǎo)電層的預(yù)定位置上形成硬掩模；d)使用所述硬掩模對(duì)所述第二導(dǎo)電層、介電層及第一導(dǎo)電層進(jìn)行圖案制作，因此形成包括底部電極、鐵電層及頂部電極的電容器堆棧，使得所述電容器堆棧的寬度比所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的寬度大；e)在所述第一ILD及硬掩模上形成第二ILD，其中所述第二ILD圍住所述電容器堆棧；f)對(duì)所述第二ILD進(jìn)行平坦化，直到露出所述硬掩模的頂面為止；g)移除所述硬掩模，以便在所述頂部電極上方形成開口；以及h)在上述所得結(jié)構(gòu)上方形成第三導(dǎo)電層，并進(jìn)行圖案制作以形成預(yù)定構(gòu)造，由此獲得寬度大于所述電容器堆棧寬度的板線，并使所述板線與所述頂部電極電連接。



參照以下對(duì)附圖和優(yōu)選實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述及其它目的、特性、及優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯。
圖1A到1E為一種習(xí)知的FeRAM電容器的制造方法的截面視圖。
圖2為本發(fā)明一較佳實(shí)施例的FeRAM電容器的截面視圖。
圖3A到3F為本發(fā)明一較佳實(shí)施例的FeRAM電容器的制造方法的截面視圖。
圖4為本發(fā)明另一較佳實(shí)施例的FeRAM電容器的制造方法的截面視圖。
圖5為本發(fā)明較佳實(shí)施例的FeRAM電容器中合并的晶片上的單元矩陣的平面視圖。
具體實(shí)施方式
圖2、圖3A到3F、圖4及圖5為本發(fā)明較佳實(shí)施例的FeRAM電容器及其制造方法的截面視圖。應(yīng)該注意的是，圖2、圖3A到3F、圖4及圖5中以相同的符號(hào)標(biāo)示出相同的組件。
參照?qǐng)D2，其為一種具有MTP結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造性的FeRAM電容器200的截面視圖，其中該FeRAM電容器200包括一有源矩陣205、一電容器堆棧225、一第二ILD238及一板線244。該有源矩陣205包括一半導(dǎo)體基片210，含有一FOX區(qū)212及一源極/漏極區(qū)214；一第一ILD 216，其形成于該半導(dǎo)體基片210上；及一存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215，在對(duì)第一ILD 216進(jìn)行圖案制作形成預(yù)定構(gòu)造之后達(dá)成。
這里，該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215設(shè)置有一硅化鈦(TiSi2)層220、一第一阻擋層218、一第二阻擋層222、一鎢塞224及一第三阻擋層226，其中該第一阻擋層218使用的是由鈦(Ti)層及氮化鈦層(TiN)構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，該第二阻擋層222使用的是氮化鈦，而該第三阻擋層226使用的是選自由TiN、TiAlN、TiSiN及RuTiN構(gòu)成的一組材料。該硅化鈦層220通過在形成第一阻擋層218之后進(jìn)行RTP達(dá)成的，因而在該源極/漏極區(qū)214與第一阻擋層218之間形成一歐姆接點(diǎn)。
該電容器堆棧225與該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215電連接，其中該電容器包括一底部電極230A；一形成于該底部電極230A上的鐵電層232A；及一形成于該鐵電層232A上的頂部電極234A。該底部電極230A形成于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215上，采用諸如Ir、氧化銥(IrOx)、Pt、釕(Ru)、銠(Rh)之類的材料及其組合材料制成。這里在使用Ir/IrOx/Pt當(dāng)作底部電極230A的例子里，較佳的是形成厚度在大約500到大約1500的Ir層，厚度在大約50到大約500內(nèi)的IrO2層，以及厚度在大約100到大約1000的Pt層。該底部電極230A通過使用諸如CVD、物理氣相沉積法(PVD)、原子層沉積法(ALD)及等離子強(qiáng)化型ALD(PEALD)之類的方法形成。
由于該Ir層相對(duì)于底下的第一ILD 216具有很差的粘附性質(zhì)，因此形成一第一膠合層228A，以強(qiáng)化該底部電極230A與第一ILD 216之間的粘附性質(zhì)。這里，該第一膠合層228A通過諸如ALD、CMP及PVD之類的方法利用諸如氧化鋁(Al2O3)之類的材料形成。此外，較佳的是使所形成的第一膠合層228A的厚度盡可能愈薄愈好，例如在大約5到大約50之間。
除此之外，該鐵電層232A使用的材料選自由鉍鑭鈦(BLT)、SBT、鍶鉍鉭鈮(SBTN)及PZT構(gòu)成的族群，其中該鐵電層232A的厚度在大約50到大約2000之間。此外，該鐵電層232A通過使用諸如旋轉(zhuǎn)涂覆法、PVD、CVD及ALD之類的方法形成。使所形成的頂部電極234A的厚度在大約100到大約1000之間，且其材料選自由Pt、Ir、Ru、IrO2、RuO2、Pt/IrO2/Ir、IrO2/Ir、RuO2/Ru、Pt/RuO2構(gòu)成的族群。該頂部電極234A通過使用諸如CVD、PVD、ALD及PEALD之類的方法形成。
第二IILD 238使用的是諸如磷硅玻璃(PSG)、旋轉(zhuǎn)涂覆玻璃(SOG)、未摻雜硅玻璃(USG)及正硅酸乙酯(TEOS)之類的材料?？商娲?，可將該第二ILD 238形成為具有雙層結(jié)構(gòu)的形狀。也就是說，將第一層形成于該電容器堆棧225的側(cè)壁及第一ILD 216的頂面上，隨后將第二層形成于該第一層上。這里，該第一層使用的是諸如氧化鈦(TiO2)、TEOS或氧化鋁(Al2O3)之類的材料，而第二層使用的則是諸如PSG、SOG或TEOS之類的材料。
厚度在大約500到大約3000之間的板線244通過使用諸如PVD、CVD或ALD之類的方法形成于電容器堆棧225之上，通過使用諸如Pt、Ir或Ir/IrO2之類的材料與該頂部電極234A電連接。
參照?qǐng)D3A到3F，其為一種具有MTP結(jié)構(gòu)的FeRAM電容器的制造方法的截面視圖。
圖3A中，F(xiàn)eRAM電容器的制造方法從制備一有源矩陣205開始，其中該有源矩陣205包括一通過預(yù)定程序得到的半導(dǎo)體基片210、一第一ILD 216及一存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215，其中該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215在對(duì)第一ILD 216進(jìn)行圖案制作形成預(yù)定構(gòu)造之后達(dá)成。稍后將會(huì)更詳細(xì)地顯示該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215的制備程序。
一開始，通過使用標(biāo)準(zhǔn)方法將該FOX區(qū)212及源極/漏極區(qū)214形成于半導(dǎo)體基片210的預(yù)定位置內(nèi)。之后，利用諸如BPSG及HDP氧化物之類的材料將第一ILD 216形成于半導(dǎo)體基片210上，并將該第一ILD216制作成圖案以行形成第二預(yù)定構(gòu)造，因此形成一接觸孔(未示)并露出該源極/漏極區(qū)214。然后，通過諸如PVD或是IMP之類的方法將第一阻擋層218形成于包括接觸孔及該第一ILD 216頂面的所得結(jié)構(gòu)的上方，其中該第一阻擋層218使用的是由Ti層及TiN層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。
在形成第一阻擋層218之后，在大約830℃的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行大約20秒的RTP，以便誘發(fā)該第一阻擋層218內(nèi)的鈦原子與底下源極/漏極區(qū)214內(nèi)的硅原子之間的交互作用，因而形成一TiSi2層220。應(yīng)該注意的是，可在使用CVD法的例子里省略該RTP程序以便沉積該Ti/TiN層，因?yàn)樵揟iSi2層220在進(jìn)行CVD程序期間形成。
隨后，將厚度在大約200的第二阻擋層222沉積于該第一阻擋層218上，以便防止鎢塞224與源極/漏極區(qū)214之間出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象。在通過PVD法形成該第一阻擋層218的例子里，需要形成該第二阻擋層222的沉積程序。然而，也可在使用CVD法的例子里省略用以形成該第二阻擋層222的沉積程序。
形成第二阻擋層222之后，將一鎢層沉積于所得結(jié)構(gòu)上方直到接觸孔完全填滿鎢為止。之后，選擇性地將該第一阻擋層218、第二阻擋層222及鎢層蝕刻成第三預(yù)定構(gòu)造，使得該鎢塞224的頂面低于該第一ILD216的頂面。也就是說，在該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215內(nèi)形成一凹槽。這里，可通過依序?qū)υ撴u層、第一阻擋層218及第二阻擋層222進(jìn)行過蝕以形成該凹槽。替代地，可在通過使用CMP法對(duì)該鎢層進(jìn)行平坦化之后，對(duì)第一阻擋層218及第二阻擋層222進(jìn)行過蝕，以便在該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215內(nèi)形成一凹槽。除此之外，可在通過CMP法對(duì)鎢層、第一阻擋層218及第二阻擋層222進(jìn)行平坦化之后，可引進(jìn)輔助的回蝕程序以便在該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215內(nèi)形成一凹槽。
這里，較佳的是形成一深度在大約500到大約1000之間的凹槽。由于通過考量該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215的直徑來確定鎢層的沉積厚度，故較佳的是當(dāng)該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215的直徑約為0.3微米時(shí)形成厚度約為3000的鎢層。
下一步驟中，通過使用CMP法將一第三阻擋層226形成于凹槽內(nèi)，以防止氧氣于在進(jìn)行后退火程序期間擴(kuò)散到該鎢塞224內(nèi)，其中該第三阻擋層226使用的是諸如TiN、TiAlN、TiSiN及RuTiN之類的材料。
之后參照?qǐng)D3B，通過使用諸如ALD、CVD或PVD之類的方法在該有源矩陣205上形成厚度在大約5到大約50之間由構(gòu)成的第一氧化物層Al2O3228。形成厚度愈薄愈好的第一氧化物層228的理由是可在沒有輔助移除程序的情況下在進(jìn)行后退火程序期間很容易地移除該第一膠合層228A。
后繼步驟中，依序?qū)⒁坏谝粚?dǎo)電層230、一介電層232、一第二導(dǎo)電層234及一硬掩模層236形成于該第一氧化物層228上。此中，該第一導(dǎo)電層230通過使用諸如CVD、PVD、ALD及PEALD之類方法，使用Pt、Ir、Ru或其組合形成。例如，可通過依序?qū)r、IrO2及Pt沉積于該第一氧化物層228上以形成該第一導(dǎo)電層230，其中較佳的是該Ir層、IrO2層及Pt層的厚度分別在大約500到大約1500之間、大約50到大約500之間及大約100到大約1000之間。該介電層232通過使用諸如CVD、ALD及旋轉(zhuǎn)涂覆法之類的方法，并使其厚度在大約50到大約2000之間，其中該鐵電介電層232使用的是諸如SBT、SBTN、PZT或BLT之類的材料。該第二導(dǎo)電層234采用諸如CVD、PVD、ALD或PEALD之類的方法形成，其厚度在大約100到大約1000范圍內(nèi)，其使用的材料選自由Pt、Ir、Ru、IrO2、RuO2、Pt/IrO2、Pt/IrO2/Ir、IrO2/Ir、RuO2/Ru、Pt/RuO2/Ru及Pt/RuO2構(gòu)成的族群。厚度在大約500到大約2000之間的硬掩模層236使用諸如TiN或TaN之類的材料形成。
較佳的是，本發(fā)明應(yīng)該在考量圖案制作程序界限下形成厚度愈薄愈好的第一氧化物層228、第一導(dǎo)電層230、介電層232、第二導(dǎo)電層234及硬掩模層236。
之后，在溫度從大約400℃到大約800℃范圍內(nèi)的氧氣、氮?dú)?、氬氣、臭氧、氦氣、氖氣、或氪氣環(huán)境中進(jìn)行大約5小時(shí)的退火處理以恢復(fù)其鐵電性質(zhì)。這種退火處理可在形成該第二導(dǎo)電層234或介電層232之后執(zhí)行且在擴(kuò)散式烤爐或RTP設(shè)備內(nèi)進(jìn)行的。替代的，可在RTP設(shè)備內(nèi)進(jìn)行退火處理之后在擴(kuò)散式烤爐內(nèi)重復(fù)進(jìn)行退火處理，反之亦然。
退火處理之后，在該硬掩模層236上形成一光致抗蝕劑圖案(未示)之后為該硬掩模層236進(jìn)行圖案制作，以形成第四預(yù)定構(gòu)造因而形成一硬掩模236A。
之后，通過使用該硬掩模236A對(duì)該第二導(dǎo)電層234、介電層232、第一導(dǎo)電層230及第一氧化物層228進(jìn)行蝕刻，因而形成一包括底部電極230A、鐵電層232A及頂部電極234A的電容器堆棧225，并形成一第一膠合層228A，如圖3C所示。在進(jìn)行圖案制作之后，需要注意的是，仍然會(huì)在該頂部電極234A的頂面上保留有該硬掩模236A。
這里，可在退火處理期間通過使用RTP及SC-1清潔處理移除該第一膠合層228A，因而在該底部電極230A與第一ILD 216之間形成開口。具體來說，進(jìn)行RTP以擴(kuò)充該鎢塞224，使得該第三阻擋層226經(jīng)受壓力。由此，配置于該第三阻擋層226頂面上的第一膠合層228A會(huì)出現(xiàn)破裂?？赏高^SC-1清潔處理移除該破裂的第一膠合層228A。替代地，可在退火處理期間移除該第一膠合層228A以恢復(fù)其鐵電性質(zhì)，因?yàn)樗纬傻牡谝荒z合層228A足夠薄。
如圖3D所示的下一步驟中，在該第一ILD及電容器堆棧225上形成一第二ILD 238，其中該第二ILD 238落在比該電容器堆棧225更高處。然后，通過使用諸如回蝕或CMP處理對(duì)該第二ILD 238進(jìn)行平坦化，直到露出該硬掩模236A的頂面為止?？稍谶M(jìn)行CMP處理之后通過進(jìn)行回蝕處理以對(duì)該第二ILD 238進(jìn)行平坦化。這里，該第二ILD 238使用的是諸如PGS、SOG、USG或TEOS之類的材料。隨后，進(jìn)行烘烤處理，以使該第二ILD 238緊致化并移除該第二ILD 238內(nèi)的水氣。在低于550℃的溫度下，在氧氣、氮?dú)饣驓鍤猸h(huán)境中進(jìn)行大約10分鐘到2小時(shí)的烘烤處理，以防止該硬掩模236A被氧化。
替代地參照?qǐng)D4，該第二ILD 238可以形成另一種形狀。也就是說，將一第一層238A形成于該電容器堆棧225的側(cè)壁及第一ILD 216的頂面上。然后，將一第二層238B形成于上述所得結(jié)構(gòu)的上方。這里，該第一層238A使用的是諸如TiO2、TEOS或Al2O3之類具有良好氧氣阻絕性質(zhì)的材料，而該第二層238B使用的是諸如PSG、SOG或USG之類具有良好縫隙填充性質(zhì)的材料。在防止氧氣沿著該第二層238B與第一ILD 216之間的界面擴(kuò)散到該第三阻擋層226內(nèi)時(shí)，該第一層238A起著很重要的作用。
回頭參照?qǐng)D3D，可在對(duì)該第二ILD 238進(jìn)行平坦化期間，在該第二ILD 238與硬掩模236A之間產(chǎn)生一階梯。也就是說，該第二ILD 238的高度會(huì)低于該硬掩模236A的高度。
參照?qǐng)D3E，可通過使用濕蝕刻或干蝕刻移除該硬掩模236A而形成一開口240。因此，該電容器堆棧的高度會(huì)低于該第二ILD 238的高度。這里，通過使用諸如以大約1∶大約4∶大約20的比例混合有NH4OH、H2O2及H2O的SC-1溶液之類含NH4OH的混合溶液進(jìn)行該濕蝕刻程序，并通過使用由氬氣及氯氣構(gòu)成的混合氣體進(jìn)行該干蝕刻程序。
移除該硬掩模236A之后，參照?qǐng)D3F，將一第二氧化物層及一第三導(dǎo)電層形成于該所得結(jié)構(gòu)上，隨之進(jìn)行圖案制作以形成第五預(yù)定構(gòu)造，因而形成一第二膠合層242及一板線244。這里，通過使用諸如PVD、CVD或ALD之類的方法，采用像該第一膠合層228A的氧化鋁形成厚度在大約5到大約50之間的第二膠合層242。非常重要的是，該第二膠合層242的厚度愈薄愈好。原因是應(yīng)該在沒有輔助移除程序的情況下，移除該第二膠合層242。也就是說，在形成足夠薄的第二膠合層242的例子里，可以像移除該第一膠合層228A一樣，在RTP設(shè)備或擴(kuò)散式烤爐內(nèi)移除該第二膠合層242。替代地，可在后退火處理期間移除該第二膠合層242，以恢復(fù)其鐵電性質(zhì)。
較佳的是，通過使用諸如PVD、CVD或ALD之類的方法以Pt、Ir或Ir/IrO2等形成厚度在大約500至大約3000的用于板線244的第三導(dǎo)電層。可以線型或塊型形成該板線244。這里，由于該板線244也作為頂部電極，因此可形成很薄的頂部電極以及很厚的板線。由此，可使用本發(fā)明的硬掩模通過單步驟蝕刻法同時(shí)對(duì)該電容器堆棧225進(jìn)行圖案制作。
參照?qǐng)D5，其為結(jié)合有創(chuàng)造性的FeRAM電容器200的半導(dǎo)體晶片上的單元數(shù)組的平面視圖。
圖5中，該電容器堆棧225與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)215電連接，該板線244覆蓋多個(gè)電容器堆棧。將一金屬互連接點(diǎn)形成在該板線的端部，使之連接于一金屬互連結(jié)構(gòu)上。
具有創(chuàng)造性的FeRAM電容器200只在一個(gè)步驟中通過使用一個(gè)硬掩模為該電容器堆棧225進(jìn)行圖案制作，因而形成一垂直的電容器堆棧225，因此具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。也就是說，由于只將鐵電層232A形成于該底部電極230A上，因此可在退火處理之后獲得具有均勻晶體結(jié)構(gòu)的鐵電層232A。除此之外，由于該底部電極230A與ILD之間不存在現(xiàn)有技術(shù)中所遇到的嚴(yán)重問題，即不存在任何階梯，因此可避免現(xiàn)有方法中鐵電層沉積期間所發(fā)生的破裂現(xiàn)象。
除此之外，由于該底部電極230A與ILD之間不存在有任何階梯，因此該第三阻擋層226不會(huì)在恢復(fù)鐵電性質(zhì)的退火處理期間被氧化。
此外，本發(fā)明的FeRAM電容器200具有MTP結(jié)構(gòu)，因此有利于用以形成金屬互連結(jié)構(gòu)的后置處理的實(shí)施。
雖然本發(fā)明已結(jié)合較佳實(shí)施例進(jìn)行了描述，但非常明顯的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不脫離下述權(quán)利要求
所定義的本發(fā)明范圍的情況下做出各種變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)電容器，包括有源矩陣，其包括半導(dǎo)體基片、場(chǎng)氧化物區(qū)、源極/漏極區(qū)、第一層間介電層及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)接觸；電容器堆棧，包括底部電極、鐵電層及頂部電極，其中所述底部電極、鐵電層及頂部電極形成于所述有源矩陣上，且所述電容器堆棧的寬度比所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的寬度大；第一膠合層，形成于所述第一層間介電層與底部電極之間；第二層間介電層，其包圍所述電容器堆棧，其中所述頂部電極的頂面未被所述第二層間介電層覆蓋；板線，其形成于所述頂部電極的頂面以及所述第二層間介電層的預(yù)定部分上，且所述板線的寬度大于所述頂部電極的寬度；以及第二膠合層，形成于所述第二層間介電層與板線之間。
2.如權(quán)利要求
1所述的FeRAM電容器，其特征在于所述第一膠合層和第二膠合層使用的材料是氧化鋁(Al2O3)。
3.如權(quán)利要求
2所述的FeRAM電容器，其特征在于形成所述第一膠合層和第二膠合層的方法選自由原子層沉積法(ALD)、化學(xué)氣相沉積法(CVD)及物理氣相沉積法(PVD)構(gòu)成的組。
4.如權(quán)利要求
3所述的FeRAM電容器，其特征在于所述第一膠合層和第二膠合層的厚度在大約5到大約50之間。
5.如權(quán)利要求
1所述的FeRAM電容器，其特征在于所述頂部電極的頂面低于所述第二層間介電層的頂面。
6.如權(quán)利要求
1所述的FeRAM電容器，其特征在于所述第二層間介電層使用的材料選自由磷硅玻璃(PSG)、旋轉(zhuǎn)涂覆玻璃(SOG)、未摻雜硅玻璃(USG)及正硅酸乙酯(TEOS)構(gòu)成的組。
7.如權(quán)利要求
6所述的FeRAM電容器，其特征在于所述第二層間介電層為一種雙層結(jié)構(gòu)，其中，第一層形成于所述第一層間介電層及電容器堆棧的側(cè)壁上，以防止氧擴(kuò)散，第二層形成于所述第一層上。
8.如權(quán)利要求
7所述的FeRAM電容器，其特征在于所述第一層使用的材料選自由氧化鈦(TiO2)、TEOS及Al2O3構(gòu)成的組。
9.如權(quán)利要求
7所述的FeRAM電容器，其特征在于所述第二層使用的材料選自由PSG、SOG、USG及TEOS構(gòu)成的組。
10.如權(quán)利要求
1所述的FeRAM電容器，其特征在于所述底部電極的形成方法選自由CVD、PVD、ALD及等離子強(qiáng)化型ALD(PEALD)構(gòu)成的組。
11.如權(quán)利要求
10所述的FeRAM電容器，其特征在于所述底部電極使用的材料選自由鉑(Pt)、銥(Ir)、釕(Ru)、錸(Re)、銠(Rh)及其組合構(gòu)成的組。
12.如權(quán)利要求
1所述的FeRAM電容器，其特征在于厚度在大約50到大約2000之間的鐵電層的形成方法選自由旋轉(zhuǎn)涂覆法、PVD、CVD及ALD構(gòu)成的組。
13.如權(quán)利要求
12所述的FeRAM電容器，其特征在于所述鐵電層使用的材料選自由鉍鑭鈦(BLT)、鍶鉍鉭(SBT)、鍶鉍鉭鈮(SBTN)及鉛鋯鈦(PZT)構(gòu)成的組。
14.如權(quán)利要求
1所述的FeRAM電容器，其特征在于厚度在大約100到大約1000之間的頂部電極的形成方法選自由CVD、PVD、ALD及PEALD構(gòu)成的組。
15.如權(quán)利要求
14所述的FeRAM電容器，其特征在于所述頂部電極使用的材料選自由Pt、Ir、Ru、IrO2、RuO2、Pt/IrO2、Pt/IrO2/Ir、IrO2/Ir、RuO2/Ru、Pt/RuO2/Ru及Pt/RuO2構(gòu)成的組。
16.如權(quán)利要求
1所述的FeRAM電容器，其特征在于采用選自由PVD、CVD及ALD構(gòu)成的組的形成方法，形成厚度在大約500到大約3000之間的板線。
17.一種鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)電容器的制造方法，包括下列步驟a)制備有源矩陣，其包括半導(dǎo)體基片、源極/漏極區(qū)、FOX區(qū)、第一層間介電層及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；b)在所述有源矩陣上依序形成第一導(dǎo)電層、介電層及第二導(dǎo)電層；c)在所述第二導(dǎo)電層的預(yù)定位置上形成硬掩模；d)使用所述硬掩模對(duì)所述第二導(dǎo)電層、介電層及第一導(dǎo)電層進(jìn)行圖案制作，因此形成包括底部電極、鐵電層及頂部電極的電容器堆棧，使得所述電容器堆棧的寬度比所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的寬度大；e)在所述第一層間介電層及硬掩模上形成第二層間介電層，其中所述第二層間介電層圍住所述電容器堆棧；f)對(duì)所述第二層間介電層進(jìn)行平坦化，直到露出所述硬掩模的頂面為止；g)移除所述硬掩模，以便在所述頂部電極上方形成開口；以及h)在上述所得結(jié)構(gòu)上方形成第三導(dǎo)電層，并進(jìn)行圖案制作以形成預(yù)定構(gòu)造，由此獲得寬度大于所述電容器堆棧寬度的板線，并使所述板線與所述頂部電極電連接。
18.如權(quán)利要求
17所述的方法，在步驟b)之前進(jìn)一步包括在所述第一層間介電層與第一導(dǎo)電層之間形成第一膠合層的步驟。
19.如權(quán)利要求
18所述的方法，其特征在于所述第一膠合層使用的材料是氧化鋁(Al2O3)。
20.如權(quán)利要求
18所述的方法，其特征在于所述第一膠合層的形成方法選自由ALD、CVD及PVD構(gòu)成的組。
21.如權(quán)利要求
18所述的方法，其特征在于所述第一膠合層的厚度在大約5到大約50之間。
22.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于步驟c)包括下列步驟c1)在所述第二導(dǎo)電層上形成硬掩模層；c2)在所述硬掩模層上形成光致抗蝕劑層，并對(duì)其進(jìn)行圖案制作使之形成預(yù)設(shè)構(gòu)造，由此獲得光致抗蝕劑圖案；以及c3)通過使用所述光致抗蝕劑圖案作掩模將所述硬掩模層進(jìn)行圖案制作以形成預(yù)定構(gòu)造并而形成硬掩模。
23.如權(quán)利要求
22所述的方法，其特征在于所述硬掩模使用的材料是氮化鈦(TiN)。
24.如權(quán)利要求
22所述的方法，其特征在于所述硬掩模使用的材料是氮化鉭(TaN)。
25.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于所述硬掩模層的形成方法選自由PVD、CVD及ALD構(gòu)成的組。
26.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于所述步驟f)通過使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)程序進(jìn)行。
27.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于所述步驟f)通過使用回蝕程序進(jìn)行。
28.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于所述步驟f)通過在實(shí)施CMP程序之后使用回蝕程序進(jìn)行。
29.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于所述第二層間介電層使用的材料選自由PSG、SOG及USG構(gòu)成的組。
30.如權(quán)利要求
29所述的方法，其特征在于所述步驟e)包括下列步驟e1)在所述第一層間介電層的頂面及所述電容器堆棧的側(cè)壁上形成第一層，以防止氧氣擴(kuò)散；及e2)在所述第一層間介電層上形成第二層。
31.如權(quán)利要求
30所述的方法，其特征在于所述第一層使用的材料選自由TiO2、TEOS及Al2O3構(gòu)成的組，所述第二層使用的材料選自由PSG、SOG及USG構(gòu)成的組。
32.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于所述步驟e)進(jìn)一步包括進(jìn)行烘烤處理的步驟，以便移除所述第二層間介電層內(nèi)的水氣并使所述第二層間介電層致密化。
33.如權(quán)利要求
32所述的方法，其特征在于所述烘烤處理在低于大約550℃的溫度下在選自由氧氣(O2)、氮?dú)?N2)或氬氣構(gòu)成的組的氣體環(huán)境中進(jìn)行大約10分鐘到2小時(shí)。
34.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于所述步驟g)通過使用濕蝕刻程序進(jìn)行。
35.如權(quán)利要求
34所述的方法，其特征在于通過使用以大約1∶大約4∶大約20的比例混合有NH4OH、H2O2及H2O的混合溶液進(jìn)行所述濕蝕刻程序。
36.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于所述步驟g)通過使用干蝕刻程序進(jìn)行。
37.如權(quán)利要求
36所述的方法，其特征在于通過使用氬氣(Ar)及氯氣(Cl2)構(gòu)成的混合氣體進(jìn)行所述干蝕刻程序。
38.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于在步驟h)之前，進(jìn)一步包括在所述第二層間介電層與第三導(dǎo)電層之間形成第二膠合層的步驟。
39.如權(quán)利要求
38所述的方法，其特征在于所述第二膠合層使用的材料是Al2O3。
40.如權(quán)利要求
38所述的方法，其特征在于所述第二膠合層通過選自由ALD、CVD及PVD構(gòu)成的組的方法形成。
41.如權(quán)利要求
38所述的方法，其特征在于所述第二膠合層的厚度在大約5到大約50之間。
42.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于采用選自由CVD、PVD、ALD及PEALD構(gòu)成的組的形成方法，形成厚度在大約100到大約1000之間的第一導(dǎo)電層。
43.如權(quán)利要求
42所述的方法，其特征在于所述第一導(dǎo)電層使用的材料選自由Pt、Ir、Ru、Re、Rh及其組合構(gòu)成的組。
44.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于采用選自由旋轉(zhuǎn)涂覆法、PVD、CVD及ALD構(gòu)成的組的形成方法，形成厚度在大約50到大約2000之間的介電層。
45.如權(quán)利要求
44所述的方法，其特征在于所述介電層使用的鐵電材料選自由BLT、SBT、SBTN及PZT構(gòu)成的組。
46.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于采用選自由PVD、CVD、ALD及PEALD構(gòu)成的組的形成方法，形成厚度在大約100到大約1000之間的第二導(dǎo)電層。
47.如權(quán)利要求
46所述的方法，其特征在于所述第二導(dǎo)電層使用的材料選自由Pt、Ir、Ru、IrO2、RuO2、Pt/IrO2、Pt/IrO2/Ir、IrO2/Ir、RuO2/Ru、Pt/RuO2/Ru及Pt/RuO2構(gòu)成的組。
48.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于采用選自由PVD、CVD及ALD構(gòu)成的組的形成方法，形成厚度在大約500到大約3000之間的第三導(dǎo)電層。
專利摘要
本發(fā)明使用一種具有合并式頂部電極板線(MTP)結(jié)構(gòu)的鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)電容器的制造方法，以防止在FeRAM上產(chǎn)生有害的沖擊并確保制造出可靠的FeRAM裝置，所述方法包括下列步驟通過預(yù)定程序制備一有源矩陣；在該有源矩陣上依序形成一第一導(dǎo)電層、一介電層及一第二導(dǎo)電層；在該第二導(dǎo)電層上形成一硬掩模；通過使用該硬掩模對(duì)該第二導(dǎo)電層、介電層及第一導(dǎo)電層進(jìn)行圖案制作，因此形成一垂直的電容器堆棧，使得該電容器堆棧的寬度比該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的寬度大；形成一圍住該電容器堆棧的第二ILD；對(duì)平坦化第二ILD直到露出該硬掩模的頂面為止；移除該硬掩模，以便在該頂部電極上方形成一開口；以及形成一板線，使其寬度大于該電容器堆棧的寬度。
文檔編號(hào)H01L21/768GKCN1310331SQ200410029438
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2004年3月17日
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