專利名稱：形成電容器的方法及形成電容器介電層的方法
技術領域：
本發明涉及形成電容器的方法及形成電容器介電層的方法。
背景技術：
在半導體電路中，如在DRAM電路中，電容器是通常使用的電子元器件。隨著集成電路密度增加，盡管降低了電容器的面積，但充分地保持高存儲電容仍存在持續的挑戰。典型的電容器包含兩個由非導電介電區域分開的導電電極。介電區域優選包含一種或多種具有高介電常數和低漏電特性的材料。材料實例包括硅化合物如SiO2和Si3N4。典型地優選Si3N4，原因在于其比SiO2更高的介電常數。
在致力于滿足生產用于更高密度的集成電路的越來越小的電容器器件的日益嚴格的要求，已經開發和正在開發大量的電容器介電材料。但是，對于利用常規SiO2和Si3N4電容器介電材料，這些材料的大多數附加提高了工藝的復雜性或成本。
一種現在所用的介電區域包括氧化硅層和氮化硅層的復合物。具體地，形成第一電容器電極使其上具有含氧化硅的層，典型地為6至10埃的二氧化硅。這可以通過沉積方法形成，或更典型地通過大氣或在暴露于清潔的室內環境氣氛時第一電極材料(例如導電摻雜的多晶硅)的氧化導致的環境或天然氧化物形成的方法而形成。然后，典型地由低壓化學氣相沉積法沉積氮化硅層。但是，這可以不適宜地在氮化硅層中，特別是在小于200埃的薄層中形成非常小的針孔，其中針孔在小于或等于約75埃厚的層中導致的問題尤其明顯。這些針孔不適宜地降低薄膜的密度，并且導致操作中不適宜的電流泄漏。
一種用于填充這種針孔的技術是例如在750℃-800℃，大氣壓并且進料5slpm的H2，10slpm的O2濕式氧化基底15-60分鐘。這樣形成了氧化硅材料，其填充了針孔并且在氮化硅層上形成了典型地約5埃至約25埃厚的氧化硅層。但是，通常適宜的是，在制造集成電路過程中總體上晶片/基底的熱暴露最小化。在這點上，于750℃-800℃暴露15分鐘-60分鐘是有意義的。
發明內容
本發明包括形成電容器的方法及形成電容器介電層的方法。在一個實施方案中，一種形成電容器介電層的方法包括在基底上方形成含氮化硅的層。在腔室內提供具有含氮化硅的層的基底。遠離腔室產生含氧等離子體。在不超過750℃的基底溫度，將遠程等離子體產生的氧進料給腔室內的基底，所述的溫度對于在含氮化硅的層上形成含氧化硅的層是有效的。
在一個實施方案中，一種形成電容器的方法包含在半導體基底上形成包含硅的第一電容器電極材料。在所述第一電容器電極材料上方形成含氮化硅的層。所述含氮化硅的層包含在其中形成的針孔。在腔室內提供具有含氮化硅的層的半導體基底。遠離腔室產生含氧等離子體。在不超過550℃的基底溫度并且不長于30秒的時間下，將遠程等離子體產生的氧(remoteplasma generated oxygen)進料給腔室內的半導體基底，所述的溫度和時間對于在含氮化硅的層上形成含氧化硅的層是有效的和對于用氧化硅填充所述的針孔是有效的。所述的腔室在進料過程中基本上沒有氫氣。在進料后，在所述含氧化硅的層上形成第二電容器電極材料。
附圖簡述以下通過參考下面的附圖來描述本發明的優選實施方案。
圖1是在根據本發明一個方面的方法中的半導體晶片片段的示意剖視圖。
圖2為加工設備的示意圖。
圖3為晶片片段在圖1所示之后加工步驟的圖。
圖4為晶片片段在圖3所示之后加工步驟的圖。
具體實施例方式
本發明的內容是因應美國專利法的立法目的“促進科學和實用技術的進步”(第1條，第8節)而提交的。
首先參考附圖1，在按照根據本發明一個方面的形成電容器的方法中的晶片片段一般性地由參考數字10指示。它包含塊狀單晶硅基底12。在本申請文件中，定義術語“半導體基底”或“半導體的基底”表示包含任何半導體材料的結構，所述半導體材料包括但不限于，塊狀半導體材料，如半導體晶片(單獨的或以在其上包含其它材料的組件形式)，和半導體材料層(單獨的或以包含其它材料的組件形式)。術語“基底”是指任何支持結構，包括但不限于，如上所述的半導體基底。此外，在本申請文件中，術語“層”既包括多層又包括單層，除非另有說明。在塊狀基底12上形成例如摻雜或未摻雜二氧化硅或氮化硅的絕緣層14。
在絕緣層14上形成第一電容器電極材料16。在此點上，或優選隨后的方法中，電極材料16最終被形成圖案或提供成某種適宜的第一電容電極電極形狀。電極16的示例性的材料包括硅(例如多晶硅)金屬，導電金屬氧化物，和任何其它的導電層。在一個優選實施方案中，特別是在層16包含多晶硅的情況中，示例性的厚度為600埃。在第一電容器電極16的上面和如所示的“直接上面”形成第一或里面的含氧化硅的層18。形成層18的示例性方法為例如通過暴露于清潔的室內環境中，氧化電極材料16的外面部分。不優選氧化物層，而優選暴露的硅或其它可氧化基底的作用。層18的典型厚度為小于或等于15埃。優選層18基本上由二氧化硅組成。
含氮化硅的層20形成在第一電容器電極材料16上，并且在舉例說明的優選實施方案中，其形成在第一或里面的含氧化硅的層18上。示例性的厚度為30埃至80埃。但是，在一個實施方案中，形成含氮化硅的層20，以使其具有在其中形成的多個針孔22。為了清楚起見，在附圖中其以放大的寬度/尺寸顯示。在舉例說明的實施方案中，至少一些針孔完全地從層20延伸至含氧化硅的層18。可以通過任何現有的或仍在開發的技術沉積含氮化硅的層20，但其中化學氣相沉積或等離子體增強的化學氣相沉積為實例。一種由此由化學氣相沉積法來沉積氮化硅層20的示例性方法包括在300sccm的NH3，100sccm的二氯甲硅烷，750毫托，600℃和60分鐘下處理。
參考附圖2，在處理腔室60內提供具有含氮化硅的層20的半導體基底10。處理腔室可以與任何用來制備具有附圖1的結構的任何腔室相同或不同。優選的處理腔室的實例是快速熱處理機(rapid thermal processor)，本發明實際使用容積為2700cc的Applied Materials RIP-XE Chamber。示意性地顯示并且在處理腔室60的上游提供適宜的遠程等離子體發生器62。期待任何適宜的遠程等離子體發生器(remote plasma generation)，不管是現有的或仍在開發的，其中僅作為示例的是，微波和RF等離子體產生器。本發明實際使用微波單元號為Ax3151-1的ASTEX FI20160-02電源，其可以商購于美國馬薩諸塞州Wilmington的ASTEX。附圖2描繪了供應給示意性遠程等離子體發生器62的適宜的氧氣和惰性氣體。
遠離腔室60，例如在發生器62中產生含氧等離子體。然后將遠程等離子體產生的氧進料給在腔室60內的半導體基底，其中基底的溫度不超過750℃，該溫度對于在含氮化硅的層20的上面優選如所示的“直接上面”形成含氧化硅的層24(圖3)是有效的，并且對于用氧化硅填充針孔22是有效的。更優選地，保持在進料過程中的基底溫度不超過550℃，且再更優選不超過500℃。更優選，進料不長于1分鐘，其中更優選進料短于或等于30秒，并且最優選進料短于或等于15秒。在最優選的實施方案中，層18，20和24構成形成的電容器的介電區域27，其中該介電區域基本上由ONO復合物組成，該ONO復合物基本上由這種含氧化硅的層-含氮化硅的層-含氧化硅的層組成。
優選含氧等離子體至少部分來自O2，O3，NyOx(其中，“x”和“y”大于零)及它們的混合物中的氣體。再如附圖2的實施方案所示，優選含氧等離子體除氧氣進料氣體外，至少部分產生自適宜的惰性氣體。其實例包括N2，Ar和He。一個具體的實例包括至少部分地來自進料O2和N2的含氧等離子體。按照上面的參數，另一個示例性實施方案包括形成至少部分地來自N2O、及Ar和He二者中的至少一種的含氧等離子體。優選在該后一種實例中，遠程產生的等離子材料向腔室60的最終進料沒有N2的進料，但是，對于N2，其是由遠程的等離子體發生過程中的N2O的離解而本身產生的。更優選并且與上面所述的現有技術相反地，腔室60在進料過程中基本上沒有氫氣，由此防止任何蒸汽的形成。在本申請文件中，“基本上沒有”是指低于檢測限。
圖2用ASTEX和Applied Materials設備處理的具體實例包括2000sccmO2和1000sccm N2的進料。用提供2000瓦的微波功率將遠程等離子體單元中的壓力保持在大約2.9托。晶片的溫度為650℃，其中壓力保持在2.9托。僅為了舉例并且對于上面所述的實際使用的設備，優選在系統內保持壓力為1至8托，向遠程等離子體發生器供應的能量為500瓦至3000瓦，并且系統內的溫度保持在500℃至750℃。優選O2和N2的各自的流量為0.5slm至5slm。低至350℃的溫度可以用于其它設備。
在制備電容器介電區域如區域27中，與現有技術上比，上面所述的優選實施方案減少了熱暴露，在最優選的實施方案中，從超過750℃降低至低于550℃，而且，其中優選的實施方案，在降低的溫度下，還將暴露時間減少至適當地低于1分鐘。如上所述形成的電容器介電區域的性能可與由現有技術方法制備的ONO層相媲美。例如，介電區域氮化物暴露至2000瓦的遠程氧氣等離子體10秒，得到的電容器介電區域具有大致等于現有技術對照濕式氧化的電容和泄漏。此外，在2000瓦的擊穿電壓，10秒處理中的改進表明對于通過減少厚度來增大電容可能也是可行的。
參考圖4，且在進料后，在含氧化硅的層24上形成第二電容器電極材料40。在優選和舉例說明的實施方案中，在氧化物層24直接上方(與之接觸)形成第二電容器電極材料40。層40示例性的厚度為300埃至600埃。第二電極材料40可以包含與第一電極材料16相同或不同的材料。
按照有關法規，本發明對于其結構和方法特征以或多或少具體的語言進行了描述。但是，應當理解的是，本發明不限于所示和所描述的具體特征，由于此處所公開的手段包含實現本發明的優選形式。因此，本發明要求其在根據等同替換的原則適宜解釋的后附權利要求適宜范圍內的任何形式或變化。
權利要求
1.一種形成電容器的方法，該方法包含在半導體基底上形成第一電容器電極材料；在所述第一電容器電極材料之上形成含氮化硅的層；在腔室內提供具有含氮化硅的層的半導體基底；產生遠離腔室的含氧等離子體；在不大于750℃的基底溫度，將遠程等離子體產生的氧進料給腔室內的半導體基底，所述的溫度對于在含氮化硅的層上形成含氧化硅的層是有效的；和在進料后，在所述含氧化硅的層上形成第二電容器電極材料。
2.根據權利要求1所述的方法，其中在進料過程中的基底溫度不超過550℃。
3.根據權利要求1所述的方法，其中在進料過程中的基底溫度不超過500℃。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述的腔室包含快速熱處理腔室。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述的進料的進行時間不超過1分鐘。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述的進料的進行時間不超過30秒。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述的進料的進行時間不超過15秒。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述的腔室在進料過程中基本上沒有氫。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于選自O2，O3，NyOx及它們的混合物中的氣體。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分產生自惰性氣體。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于O2和N2。
12.根據權利要求1所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于N2O、及Ar與He二者中的至少一種。
13.根據權利要求1所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于N2O、及Ar與He二者中的至少一種，所述的進料沒有N2的進料而有由遠程產生的等離子體中的N2O的離解產生的N2。
14.一種形成電容器的方法，該方法包含在半導體基底上形成第一電容器電極材料；在所述第一電容器電極材料之上形成含氮化硅的層；在腔室內提供具有含氮化硅的層的半導體基底；產生遠離腔室的含氧等離子體；在不超過550℃的基底溫度并且不長于30秒的時間，將遠程等離子體產生的氧進料給腔室內的半導體基底，所述的溫度和時間對于在含氮化硅的層上形成含氧化硅的層是有效的；和在進料后，在所述含氧化硅的層上形成第二電容器電極材料。
15.根據權利要求14所述的方法，其中在進料過程中的基底溫度不超過500℃。
16.根據權利要求14所述的方法，該方法還包含在形成含氮化硅的層之前，在第一電容器電極材料上形成含氧化硅的層，使電容器形成以具有基本上由ONO復合物組成的介電區域，所述的ONO復合物基本上由所述的含氧化硅的層和所述的含氮化硅的層組成。
17.根據權利要求14所述的方法，其中所述的進料的進行時間不超過15秒。
18.根據權利要求14所述的方法，其中所述的腔室在進料過程中基本上沒有氫。
19.根據權利要求14所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于選自O2，O3，NyOx及它們的混合物中的氣體。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分產生自惰性氣體。
21.根據權利要求14所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于O2和N2。
22.根據權利要求14所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于N2O、及Ar與He二者中的至少一種。
23.根據權利要求14所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于N2O、及Ar與He二者中的至少一種，所述進料沒有N2的進料而是有由遠程產生的等離子體中的N2O的離解產生的N2。
24.一種形成電容器的方法，該方法包含在半導體基底上形成含硅的第一電容器電極材料；在所述第一電容器電極材料上形成含氮化硅的層，所述含氮化硅的層包含在其中形成的針孔；在腔室內提供具有含氮化硅的層的半導體基底；產生遠離腔室的含氧等離子體；在不超過550℃的基底溫度并且不長于30秒的時間，將遠程等離子體產生的氧進料給腔室內的半導體基底，所述的溫度和時間對于在含氮化硅的層上形成含氧化硅的層是有效的，并且對于用氧化硅填充所述針孔是有效的，所述的腔室在進料過程中基本上沒有氫氣；和在進料后，在所述含氧化硅的層上形成第二電容器電極材料。
25.根據權利要求24所述的方法，其中在進料過程中的基底溫度不超過500℃。
26.根據權利要求24所述的方法，該方法還包含在形成含氮化硅的層之前，在第一電容器電極材料上形成含氧化硅的層，使電容器形成以具有基本上由ONO復合物組成的介電區域，所述的ONO復合物基本上由所述的含氧化硅的層和所述的含氮化硅的層組成。
27.根據權利要求24所述的方法，其中所述的進料的進行時間不超過15秒。
28.根據權利要求24所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于選自O2，O3，NyOx及它們的混合物中的氣體。
29.根據權利要求28所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分產生自惰性氣體。
30.根據權利要求24所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于O2和N2。
31.根據權利要求24所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于N2O、及Ar與He二者中的至少一種。
32.根據權利要求24所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于N2O、及Ar與He二者中的至少一種，進料沒有N2的進料而有由遠程產生的等離子體中的N2O的離解產生的N2。
33.一種形成電容器介電層的方法，該方法包含在基底上形成含氮化硅的層，在腔室內提供具有含氮化硅的層的基底；產生遠離腔室的含氧等離子體；和在不大于750℃的基底溫度，將遠程等離子體產生的氧進料給腔室內的基底，所述的溫度對于在含氮化硅的層上形成含氧化硅的層是有效的。
34.根據權利要求33所述的方法，其中所述的腔室包含快速熱處理腔室。
35.根據權利要求33所述的方法，其中在進料過程中的基底溫度不超過550℃。
36.根據權利要求33所述的方法，其中在進料過程中的基底溫度不超過500℃。
37.根據權利要求33所述的方法，其中所述的進料的進行時間不超過1分鐘。
38.根據權利要求33所述的方法，其中所述的進料的進行時間不超過30秒。
39.根據權利要求33所述的方法，其中所述的進料的進行時間不超過15秒。
40.根據權利要求33所述的方法，其中所述的腔室在進料過程中基本上沒有氫。
41.根據權利要求33所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于選自O2，O3，NyOx及它們的混合物中的氣體。
42.根據權利要求41所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分產生自惰性氣體。
43.根據權利要求33所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于O2和N2。
44.根據權利要求33所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于N2O、及Ar與He二者中的至少一種。
45.根據權利要求33所述的方法，其中所述含氧等離子體至少部分來自于N2O、及Ar與He二者中的至少一種，進料沒有N2的進料而有由遠程產生的等離子體中的N2O的離解產生的N2。
46.根據權利要求33所述的方法，該方法還包含在形成含氮化硅的層之前，在第一電容器電極材料上形成含氧化硅的層，使電容器形成以具有基本上由ONO復合物組成的介電區域，所述的ONO復合物基本上由所述的含氧化硅的層和所述的含氮化硅的層組成。
全文摘要
一種形成電容器的方法包括在半導體基底上形成第一電容器電極材料。在第一電容器電極材料上形成含氮化硅的層。在腔室內提供具有含氮化硅的層的半導體基底。遠離腔室產生含氧等離子體。在750℃的基底溫度下，將遠程等離子體產生的氧進料給腔室內的半導體基底，所述的溫度對于在含氮化硅的層上形成含氧化硅的層是有效的。在進料后，在含氧化硅的層上形成第二電容器電極材料。還公開了形成電容器介電層的方法。
文檔編號H01L27/04GK1701423SQ02824062
公開日2005年11月23日 申請日期2002年11月27日 優先權日2001年12月3日
發明者D·M·埃皮希, K·L·比曼 申請人:微米技術有限公司