有高介電常數的電介質和厚電極的電容器及其制造方法

專利名稱：有高介電常數的電介質和厚電極的電容器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體襯底上構成的電容器，特別涉及高介電常數的電容器介質和厚電容器電極或電極的電容器，它最好用于GB(千兆位)級的動態隨機存取存貯器(DRAM)。
近年來，諸如DRAM的半導體集成電路(IC)的集成度變得越來越高，因此，IC中的電子元件變得越來越小型化。
DRAM的每個存貯電容器為實現其信息存貯功能，要求它具有30fF的電容量，甚至當IC的集成規模變得很高時，存貯電容器的尺寸變得極小。
為滿足該要求，通常，已研究并開發了增大下電極厚度，以利用下電極的側面，或減小電容器介質的厚度。
作為IC用的電容器介質，通常采用介電常數為3至7的低介電常數的二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3O4)。這兩種材料的介電常數對GB級DRAM而言是不夠的。因此，為滿足GB級DRAM的要求，需要加大下電極厚度，使其厚度在5000埃以上，同時，減小電容器介質厚度，使其厚度為幾個原子層厚。
但是，增大下電極厚度和減小介質層厚度會出現以下問題。
具體地說，如果下電極的厚度為5000埃以上，由于在曝光和干腐蝕工藝中存在的缺陷，使下電極的厚度和幾何形狀無法控制在所要求的精度范圍內。而且，如果電容器介質的厚度為幾個原子層，則電子會因燧道效應而穿透電容器介質。這就是說電容器的介質會失效。
因此，用SiO2或Si3N4作電容器介質通過增大下電極厚度和減小電容器介質厚度的方法來實現GB級DRAM有一個極限。
用比SiO2或Si3N4的介電常數大的高介電常數材料作電容器介質時，所獲得的電容量比用SiO2或Si3N4作介質的電容量大。可用介電常數是SiO2或Si3N4的介電常數的幾十或幾百倍的高介電常數材料，通常有SrTiO3,(Ba,Sr)TiO3，(即，BST)和Pb(Zr,Ti)(即PZT)。在International Electron DevicesMeeting(IEDM),Digest of Technical Papars,1991,PP.823-826,K.Koyama.等人的文章中報道了用這類電容器結構的用BST的256-MB(兆位)的DRAM。
但是，即使用介電常數為約300的高介電常數材料作電容器介質，也無法達到GB級DRAM用的電容器要求。
因此，近年來，除了用高介電常數電容器介質之外，還研究了增大下電極的厚度。例如，在IEDM Digest of Technical Papers,1994.PP.831-834,P-Y Lesaicherre等人的文章中報道了這類結構的用于GB級DRAM的電容器。本文中所公開的電容器中，用高介電常數的SrTiO3作為電容器介質，用薄的TiN層和厚的RuO2導電層構成的復合結構作為存貯電容器的下電極。TiN作為阻擋層，阻止從多晶硅接觸栓擴散出的硅，RuO2層用作阻擋層，阻止從環境氣氛中擴散出的氧。
圖1是這類常規存貯電容器的結構圖。
圖1中，單晶硅襯底1101的主表面上形成層間絕緣層1102。層間絕緣層1102的接觸孔內形成導電接觸栓1103。栓1103的底與襯底1101的主表面接觸并電連接。
層間絕緣層1102上形成要用接觸栓1103覆蓋的厚下電極1104。下電極1104的底與接觸栓1103的頂接觸和電連接。
在層間絕緣層1102上形成高介電常數電容器介質層1106，以覆蓋下電極1104。介質層1106與厚的下電極1104的頂和側面和層間絕緣層1102的表面接觸。
在電容器介質層1106上形成其接觸的上電極1107。
上電極1107和下電極1104和電容器介質層1106構成DRAM的存貯電容器。
圖1所示常規存貯電容器，在形成或淀積要覆蓋厚下電極1104的高介電常數電容器介質的工藝中存在以下要解決的問題。
(ⅰ)高介電常數電容器介質層1106會給厚的下電極1104的底部或跟部1108附近加一個大的應力。這是由于跟部1108附近的介質層1106的晶粒生長方向不同造成的。
(ⅱ)在下電極1104的頂與側面之間的頂角處，在電容器介質層1106中會出現接疤缺陷1201。由于介質層1106的生長柱形晶粒的析出和碰撞，使大量小缺陷匯集到電容器介質層1106的一個窄范圍內，因而造成了接疤缺陷。
(ⅲ)用Ru2O構成下電極1104時，經在高溫氧氣氛中形成高介電常數電容器介質層1106的處理期間，下電極1104會蒸發或氧化，使下電極1104的側面1202變粗糙或不均勻。這種情況下，電容器介質層1106的厚度會局部減小，在下電極1104的粗糙或下均勻的側面1202上會出現接疤缺陷。
(ⅰ)、(ⅱ)和(ⅲ)中所示裂縫和接疤缺陷形成泄漏路徑，使下電極1104與上電極1107之間的漏電流增大。
另一方面，下電極1104有上述文章1994,IEDM Digest of TechnicalPaper中所述的TiN/RuO2復合結構時，TiN阻擋層防止多晶硅接觸栓1103中所含的硅原子擴散進下電極1104中。該TiN/RuO2復合結構的目的如下如果硅原子從多晶硅接觸栓1103擴散進下電極1104中，它們形成硅化物。之后這樣形成的硅化物在經高溫氧氣環境處理形成電容器介質層1106期間被氧化形成二氧化硅(SiO2。這意味著SiO2層順序連接到高介電常數電容器介質層1106。該SiO2層使存貯電容器的電容量急劇下降。
而且，在電容器介質層1106的淀積工藝中TiN會氧化。因此，由于TiN氧化，使下電極1104與接觸栓1103之間的接觸電阻會增大。
圖2示出該類的另一常規存貯電容器的結構，它包括使下電極與上電極之間漏電流減小的改善措施。日本特許公開平6-268156(94年公開的)中公開了該電容器。
圖2中，為簡化說明，與圖1中相同的另部件用相同的數字指示。
經改進，圖2所示常規存貯電容器與圖1所示電容器不同，在接觸栓1103周圍正好位于下電極1104下面的層間絕緣層1102的部分1102a的厚度比層間絕緣層1102的其余部分的厚度要厚。這種情況下，即使在介質層1106的角區1109出現接疤和/或裂縫缺陷，由于部分1102a的存在，使上電極1107不與下電極1104接觸。該結構使下電極1104與上電極1107之間的漏電流減小。
但是，圖2所示常規存貯電容器，用會產生接疤和/或裂縫缺陷物理汽相淀積(PVD)工藝作為形成電容器介質層1106的淀積方法。因而，盡管存在有部分1102a，但漏電流的減小不是令人滿意的。
也沒有考慮下電極1104的頂角附近和其側面上的漏電流。
本發明的目的是，提供一種有高介電常數電介質的厚下電極的電容器，它能減小上電極與下電極之間的漏電流，和電容器的制造方法。
本發明的另一目的是，提供一種有高介電常數電介質的厚下電極的電容器，即使另外還設置擴散阻擋層，它能防止下電極的接觸電阻增大，和電容器的制造方法。
從以下的說明中，本行業的技術人員無需具體說明將會理解本發明的上述目的和其它目的。
按本發明第一方案，提供一種為半導體器件設計的電容器，它包括在層間絕緣層上形成的厚的下電極。通常，在半導體襯底上形成層間絕緣層。下電極有頂面，底面和側面。下電極的底面與層面絕緣層相對。
下電極的頂面上形成與其接觸的絕緣帽或覆蓋層。絕緣帽或覆蓋層蓋住下電極的頂面，不覆蓋下電極側面。
形成電容器介質層，以覆蓋下電極，絕緣帽或覆蓋層。電容器介質層與絕緣帽或覆蓋層和下電極的側邊接觸。
電容器介質層上形成與其接觸的上電極。
電容器介質層夾在上下電極之間，由此構成電容器結構。
按本發明第一方案的電容器，在下電極的頂面上形成與其接觸的絕緣帽或覆蓋層，因此絕緣帽或覆蓋層覆蓋下電極的頂面，而不覆蓋下電極側面。因此，在電容器介質層中在絕緣帽層周圍附近形成接疤缺陷，而不在下電極的頂角形成接疤缺陷。
因此，即使在電容器介質層中出現如接疤的缺陷，但是，由于存在絕緣帽層，上電極不與下電極接觸。這就是說，上下電極之間的漏電流減小。
按本發明第一方案的電容器的優選實施例中，層間絕緣層的一部分的厚度比其余部分的厚度厚。接觸栓周圍的層間絕緣層部分正好位于下電極之下。
這種情況下，即使在下電極底角附近出現如裂縫之類的缺陷，由于層間絕緣層較厚的部分存在，因此上電極不與下電極接觸。因此一個附加的優點是，上下電極之間的漏電流會進一步減小。
按本發明第一方案的電容器的另一優選實施例中，在下電極與層間絕緣層中的接觸孔內形成的導電接觸栓之間還形成有擴散阻擋層。
按本發明第二方案，提供按本發明的第一方案的電容器的制造方法，包括以下步驟(a)至(g)(a)制備層間絕緣層。
(b)在層間絕緣層上形成厚下電極用的導電層。
(c)導電層上形成用作絕緣帽或覆蓋層的絕緣層。
(d)對用作絕緣帽層的絕緣層構圖，使其形成與下電極相同的平面圖形，由此，構成絕緣帽層。
(e)用作為絕緣帽層的已構圖的絕緣層作掩模，對用作下電極的導電層構圖，由此形成下電極。
下電極有頂面，底面和側面。下電極底面對著層間絕緣層。下電極頂面與絕緣帽層接觸，下電極側面不被絕緣帽層覆蓋。
(f)形成覆蓋下電極層和絕緣帽層的電容器介質層。介質層與絕緣帽層和下電極的側面接觸。
(g)介質層上形成與其接觸的上電極。
介質層夾在上下電極之間，由此構成電容器結構。
用按本發明第二方案的電容器制造方法，能制成按本發明第一方案的電容器。
在形成下電極的步驟(e)中，用絕緣帽層用的已構圖的絕緣層用作掩模。由于加了絕緣帽層，因此，能防止增加必需的工藝步驟數量。
按本發明第三方案，提供為半導體器件設計的另一電容器，它包括其中有導電接觸栓的層間絕緣層上形成的擴散阻擋層。擴散阻擋層的底面與接觸栓接觸。通常，在半導體襯底上形成層間絕緣層。
在擴散阻擋層上形成厚的下電極。下電極包括有頂面，底面和側面的中心部分，和在中心部分周圍的殼部。殼部覆蓋中心部分的頂面和底面。中心部分的底面不被殼部覆蓋并與擴散阻擋層接觸。下電極的殼部有凸面和圓形面，下電極殼部有阻擋氧擴散的性能。
形成電容器介質層，覆蓋下電極，并與下電極殼部的凸面和圓形表面接觸。電容器介質層與下電極的殼部的圓形表面接觸。
電容器介質層上形成與其接觸的上電極。
電容器介質層夾在上下電極之間，由此構成電容器結構。
按本發明第三方案的電容器，下電極包括中心部分和包圍中心部分的殼部分，并有阻止氧的擴散阻擋特性。換句話說，有阻擋氧的擴散阻擋特性的殼部覆蓋或保護中心部分。
此外，層間絕緣層上形成的擴散阻擋層防止在高溫處理中氧化。結果，即使設置了擴散阻擋層，也能防止下電極的接觸電阻增大。
按本發明第三方案的電容器的另一優選實施例中，下電極的中心部分完全被其殼部覆蓋。
按本發明第三方案的電容器的另一優選實施例中，下電極的中心部分被其殼部部分覆蓋而中心部分的頂面不被殼部覆蓋。
按本發明第三方案的又一實施例中，層間絕緣層上形成有阻擋硅的擴散阻擋特性的擴散阻擋層。
按本發明第四方案，提供按本發明第三方案的電容器的制造方法。它包括以下步驟(a)至(f)(a)制備其中有導電接觸栓的層間絕緣層。
(b)層間絕緣層上形成擴散阻擋層，使擴散阻擋層的底面與接觸栓接觸。
(c)擴散阻擋層上形成下電極的中心部分。中心部分有頂面，底面和側面。中心部分的底面與擴散阻擋層接觸。
(d)用具低臺階覆蓋能力的方法，如PVD法，淀積導電材料以覆蓋下電極中心部分，以形成下電極的殼部。
殼部不覆蓋中心部分的底面，而中心部分的底面與擴散阻擋層接觸。下電極的殼部有凸面和圓形表面。下電極的殼部有阻擋氧的擴散阻擋性能。
(e)形成覆蓋下電極的電容器介質層，使得電容器介質層與下電極殼部的凸面和圓形表面接觸。
(f)電容器介質層上形成與其接觸的上電極。
電容器介質層夾在上下電極之間，由此構成電容器結構。
按本發明第四方案的電容器的制造方法，能制造按本發明第三方案的電容器。
按本發明第四方案的方法的優選實施例中，按形成下電極的殼部的步驟(d)淀積導電材料，覆蓋下電極中心部分的頂面和側面。
按本發明第四方案的方法的另一實施例中，按形成下電極的殼部的步驟(d)淀積導電材料，覆蓋下電極中心部分的頂面和側面。之后，選擇除去淀積的導電材料，使在形成電容器介質層的步驟(e)之前下電極的中心部分的頂面不覆蓋。
按本發明第四方案的方法的又一實施例中，用對氧有阻擋功能的材料形成下電極的殼部。
為使本發明容易實施，以下結合


。
圖1是常規電容器的局部剖視圖；圖2是另一常規電容器的局部剖視圖；圖3是按本發明第一實施例的電容器的局部剖視圖；圖4A至4F分別是說明圖3所示第一實施例的電容器的制造方法的電容器的局部剖視圖；圖5是按本發明第一實施例和第一對比例的電容器的漏電流密度與所加電壓之間的關系曲線圖；圖6是按本發明第一實施例和第二對比例的電容器的漏電流密度和介電常數與所加電壓之間的關系曲線圖；圖7是按本發明第二實施例的電容器的局部剖視圖；圖8A至8C分別是說明圖7所示按本發明第二實施例的電容器的制造方法的局部剖視圖；圖9是按本發明第一實施例的電容器的漏電流密度分布曲線圖；圖10是圖7所示按本發明第二實施例的電容器的漏電流密度分布曲線圖；圖11A是按本發明第三實施例的電容器的局部剖視圖；圖11B是按本發明第四實施例的電容器的局部剖視圖；圖12是按本發明第五實施例的電容器的局部剖視圖；圖13是按本發明第五實施例的電容器的漏電流密度與絕緣體形成溫度的溫度依賴關系曲線圖；圖14是按本發明第五實施例的漏電流密度與BST形成溫度的溫度依賴關系曲線圖；圖15是按本發明第六實施例的電容器的局部剖視圖圖16是本發明第六實施例和第三對比例的電容器的接觸電阻與BST形成溫度的溫度依賴關系曲線圖；圖17A至17E分別是說明圖15所示按本發明第六實施例的電容器的制造方法的電容器局部剖視圖；圖18是按本發明第七實施例的電容器的局部剖視圖；圖19是第四對比例的電容器的漏電流密度分布曲線圖；圖20是按本發明第七實施例的電容器的漏電流密度分布曲線圖；圖21是按本發明第八實施例的電容器的局部剖視圖；圖22A至22C分別是說明圖21所示第八實施例的電容器的制造方法的電容器的局部剖視圖；圖23是按本發明第九實施例的電容器的局部剖視圖；圖24的按本發明第十實施例的電容器的局部剖視圖；圖25是按第五對比例的電容器的漏電流分布圖；圖26是圖24所示按本發明第十實施例的電容器的漏電流密度的分布曲線圖；圖27是按本發明第十一實施例的電容器的局部剖視圖；圖28A至28C分別是說明圖27所示本發明第十一實施例的電容器的制造方法的電容器的局部剖視圖。
以下將參見附圖詳細說明本發明優選實施例。
第一實施例圖3示出按本發明第一實施例的用于GB級DRAM電容器的結構。
圖3中，在電阻率為0.01Ωcm的n型單晶硅(Si)襯底101的主表面上形成500nm厚的層間絕緣層102。層間絕緣層102用SiO2制成，它有填充了用磷摻雜的多晶硅構成的接觸栓103的接觸孔115。接觸栓103的底面與襯底101接觸并電連接，接觸栓103的頂從層間絕緣層102露出。
盡管圖3中沒畫，通常在襯底101中形成擴散區，而且，接觸栓103與擴散區接觸并電連接。
層間絕緣層102上形成厚度為400nm的下電極104，并與多晶硅接觸栓103的頂接觸。用導電的RuO2構成厚的下電極104，下電極有矩形橫截面，有如圓形和矩形的具體的平面形狀。
下電極104的頂面上形成100nm厚的絕緣帽層105。用在玻璃上的旋涂法(SOG)用SiO2制成絕緣帽層105。帽層105覆蓋下電極的整個頂面，不覆蓋其整個側面。
在層間絕緣層102上用多晶BST制成厚50nm的高介電常數介質層106，以覆蓋帽層105和下電極104的側面。用電子回旋共振化學汽相淀積法(ECR-CVD)制造BST層106。
介質層106上形成厚200nm的上電極107。用Ru制造上電極107。用濺射法制造上電極107。
按本發明第一實施例的電容器，在下電極104的頂面上形成與其接觸的SiO2絕緣帽層105，使絕緣帽層105覆蓋下電極104的頂面但不覆蓋其側面。因此，在電容器介質層106中在絕緣帽層105周邊附近會出現接疤缺陷，但不在下電極104頂角形成接疤缺陷。
而且，即使在電容器介質層106中出現如接疤之類的缺陷，但由于有帽層105存在，因此，上電極107不與下電極104接觸。這就是說，上下電極107和104之間的漏電流減小。
即使在介質層106中在下電極104的頂角附近產生了接疤缺陷，確定絕緣帽層105的厚度，使上電極107與下電極104不相互接觸。例如，絕緣帽層105的厚度優選為10至200nm、絕緣帽層105的厚度為50至80nm最好。
按以下方法制造按本發明第一實施例的電容器。
首先，如圖4A所示，在電阻率為0.01Ω-cm的Si襯底101的主表面上用熱CVD法形成500nm厚的SiO2層間絕緣層102。之后，用干腐蝕法在層間絕緣層102中形成穿通的接觸孔115。
在層間絕緣層102上用CVD法形成厚度為1μm的摻磷的多晶硅層(沒畫)，以填充層102的接觸孔115。之后，用反應離子腐蝕(RIE)法用氯氣(cl2)作腐蝕氣體選擇深腐蝕摻磷的多晶硅層，由此，留下接觸孔115中的多晶硅膜。如圖4A所示，在層間絕緣層102的接觸孔115中形成多晶硅栓103。
之后，在室溫下，用反應濺射法在層間絕緣層102上淀積400nm厚的RuO2層104a，其中，以Ru為靶。這一步的狀態示于圖4A中。
用SOG法在淀積好的RuO2層104a上覆蓋有機二氧化硅，由此形成400nm厚的二氧化硅層。之后，在350℃對二氧化硅層退火1小時，形成SOG-SiO2層105a，如圖4B所示。
SOG-SiO2層105a上形成光刻膠膜(沒畫)后，對光刻膠膜曝光和顯影，構成與下電極104有相同平面圖形的光刻膠掩模(沒畫)。用光刻膠掩膜，用ECR等離子腐蝕法，用CH3作腐蝕氣體對SOG-SiO2層105a刻圖。之后，去掉光刻膠掩模。這時的狀態示于圖4c中。
而且，用已構圖的SOG-SiO2層105a作掩模用ECR等離子腐蝕法，用cl2和O2的混合物作腐蝕氣體對底層RuO2層104a刻圖，襯底溫度設定為室溫，氣壓設定為2mtorr，至下層層間絕緣層102曝光為止。
經過該腐蝕工藝，RuO2層104a的厚度減為約100nm厚，以形成絕緣帽層105和下電極104。該狀態示于圖4D。
由于已構圖的SiO2層用作絕緣帽層105和下電極104的掩模，可防止因加了絕緣帽層105而增加必需的工藝步驟數量。
用上述工藝形成下電極104，因此，下電極104有矩形橫截面，如圖4D所示。
該ECR等離子腐蝕工藝之后，在層間絕緣層102上用ECR等離子增強CVD法用鍶雙二叔戊酰鉀烷，即Sr(DPM)2,Ba(DPM)2和Ti(O-I-CH3)4的混合物作源氣，在該襯底溫度為550℃，源氣壓為7mTorr的條件下，形成50nm厚的多晶BST層105以覆蓋下電極104和帽層105。該狀態示子圖4E中。
最后，用濺射法，用Ru靶，在層間絕緣層102上淀積厚200nm的Ru層(沒畫)覆蓋多晶BST層105和下電極104。用ECR等離子腐蝕法，用cl2和O2氣的混合氣體作腐蝕氣，在襯底溫度為室溫，源氣壓力為2mTorr的條件下對Ru層刻圖。
因此，如圖4F所示，制成按第一實施例的電容器。
為證實本發明的優點，發明人實際制造了按第一實施例的電容器，和有圖1所示常規結構的電容器作第一對比例。之后，對這些電容器測量3漏電流特性，測示結果如圖5所示。
如圖5所示，曲線301是按第一實施例的電容器的漏電流特性，曲線302是第一對比例的電容器的漏電流特性。
從圖5能看到，加到第一實施例的電容器的上下電極間的電壓為1伏時，漏電流密度是4×10-9A/cm2。另一方面，加到第一對比例的電容器的上下電極間的電壓為1伏時，漏電流密度是1×10-6A/cm2。它比第一實施例的漏電流密度大很多。這就是說，與第一對比例相比，第一實施例的漏電流減小。
而且，發明人實際制成了按第一實施例的電容器，和與第一實施例有相同結構的電容器，只是把多晶BST層106變成成非晶態，作為第二對比例。之后，測這些電容器的漏電流和介質常數。測試結果如圖6所示。
如圖6所示，參考數字303是指按第一實施例的電容器的漏電流和介質常數特性，曲線304是指第二對比例的漏電流和介質常數。
從圖6看出，在按第一實施例和第二對比例的電容器的上下電極之間加1伏電壓時，漏電流密度低到4×10-9A/cm2。但是，從圖6看出，第二對比例的介電常數低到30，它比第一實施例的約500的介電常數低得多。
因此，證實，要達到希望的電容器特性，最好把多晶BST制成非晶態BST。單晶晶粒與非晶態區混合，和多晶晶粒與非晶態區混合，能與只用單晶BST有幾乎同樣的結果。
第一實施例中，用BST作高介電常數層105。但是，本發明也可用其它材料。例如，可優選以下材料。
(a)用通式ABO3表示的材料，式中A是選自Ba,Sr,Pb,Ca,La,Li和K的至少一種元素，B是選自Zr,Ti,Ta,Nb,Mg,Fe,Zn和W的至少一種元素。
例如是SrTiO3,PbTiO3,Pb(Zr,Ti)O3,(Pb,Zr)TiO3,Pb(Mg,Nb)O3,Pb(Mg,W)O3,Pb(Zn,Nb)O3,LiTaO3.LiNbO3,KTaO3,KNbO3。(b)用通式(Bi2O2)(Xm-1YmO3m+1)表示的介質材料，式中X是選自Ba,Sr,Pb,Ca,K和Bi中的至少一種元素，Y是選自Nb,Ta,Ti和W的至少一種元素，m是1至5的正整數。
例如有Bi4Ti3O12,SrBi2Ta2O9和SrBi2Nb2O9。(c)Ta2O5(d)Ba2MgF4。第一實施例中，用n型多晶硅制造接觸栓103。但是，也可用對硅和/或氧有阻擋功能的材料，如RuO2制造栓103。
第二實施例圖7示出按本發明第二實施例的用于GB級DRAM的電容器的構形。
按本發明第二實施例的電容器與第一實施例的結構相同，只是層間絕緣層102的部分102a的厚度比層102其余部分的厚度厚。層間絕緣層102的部分102a圍繞接觸栓103并正好位于下電極104下面。層間絕緣層102的部分102a厚500nm層間絕緣層102的其余部分厚300nm。
用以下方法制造按第二實施例的電容器。
首先，用與圖4A至4D相同的工藝步驟制成圖8A所示結構。
之后，如圖8B所示，用絕緣帽層105作掩模，選擇腐蝕厚500nm的層間絕緣層102使其厚度達到300nm。因此，形成圍繞接觸栓103的層間絕緣層102的圓柱形部分102a。
之后，如圖8C所示，用與第一實施例相同的方法順序形成BST介質層106和上電極107。
按本發明第二實施例的電容器，證實有與第一實施例相同的優點。而且，介質層106的下角109位于下電極104的底下面。因而，漏電流比第一實施例更難流動。
圖9和10分別示出按本發明第一和第二實施例的電容器的漏電流分布。圖9和10中，橫坐標表示漏電流密度，縱坐標表示電容器數量。
發明人經以下測試得出該結果。
制備按本發明第一實施例和第二實施例的電容器各100支。之后，給上電極107和下電極104之間加偏壓1伏，測試這些電容器的漏電流密度。
如圖9所示，按本發明第一實施例的電容器，幾乎所有電容器的漏電流密度均為4×10-9A/cm2，其中一部分電容器的漏電流密度近似為4×10-8A/cm2。另一方面，按第二實施例的電容器，如圖10所示，所有電容器的漏電流均為4×10-9A/cm2。
因此，與按第一實施例的電容器相比，按第二實施例的電容器的漏電流密度更好，或分布更窄。
第三實施例圖11A示出按本發明第三實施例的用于GB級DRAM的電容器的結構。
按第三實施例的電容器的結構與按第一實施例的電容器結構相同，只是在多晶硅接觸栓103與下電極104之間另外還形成了擴散阻擋層110a。擴散阻擋層110a位于層間絕緣層102的接觸孔115中。
顯然，有與第一實施例相同的優點。
而且，擴散阻擋層110a防止多晶硅接觸栓103中含的硅原子擴散進下電極104。結果，一個另外的優點是能防止因硅擴散而造成的缺陷。
第四實施例圖11B示出按第四實施例的用于GB級DRAM的電容器結構。
按第四實施例的電容器的結構與第一實施例的電容器結構相同，只是在多晶硅接觸栓103與下電極104之間另外形成了擴散阻擋層110b。與第三實施例不同，擴散阻擋層110b不在層間絕緣層102的接觸孔115內，而在層間絕緣層102上。
擴散阻擋層110b防止接觸栓103中含的硅原子擴散進下電極104。結果，有與第三實施例相同的優點。
第五實施例圖12示出按本發明第五實施例的用于GB級DRAM的電容器結構。
按第五實施例的電容器有與第一實施例電容器相同的結構，只是用等離子增強CVD法在400℃制成的SiO2絕緣帽層105a代替SOG-SiO2。
圖13示出按本發明第五實施例的漏電流密度作為等離子CVD-SiO2構成的帽層105a的淀積溫度的函數的溫度依賴關系。
從圖13看出，淀積溫度低于600℃時，漏電流密度保持在大約5×10-9A/cm2。但是，淀積溫度等于或大于600℃時，漏電流密度迅速增大。漏電流密度增大的原因是，形成下電極104的RuO2變成RuO4或RuO3,RuO4和RuO3在淀積溫度為600℃或以上時會蒸發，導致下電極104側面的表面粗糙度增大。
因此，最好用能在600℃以下的淀積溫度淀積的材料制造絕緣帽層105a。
在該第五實施例和上述的第一實施例中分別用等離子增強CVD SiO2和SOG-SiO2。但是，如果材料能在600℃以下的溫度淀積，并與下電極104和介質層106有良好的粘接性能，則任何其它材料均可用于本發明。
例如，就合Si作為主要成分的氧化物和氮化物來說，硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)，磷硅酸鹽玻璃(PSG)，和等離子體增強CVD Sinx可用作為絕緣帽層105a。
不用說，絕緣帽層105a可以有用這些材料的兩層結構或任何其它的多層結構。
圖14示出按本發明第五實施例的漏電流密度作為BST制成的介質層106的淀積溫度的函數的溫度依賴關系。
從圖14看出，淀積溫度在600℃以下時，漏電流密度約為5×10-9A/cm2。但是，隨著淀積溫度升高漏電流密度迅速增大。該漏電流密度增大的原因與絕緣帽層105a所述原因相同。
因此，最好用可在600℃以下的溫度淀積的材料制造介質層106。
這里，用RuO2作下電極104。但是，任何其它材料如Ru、IrO2、Ir、W、WNx、TiN、Ti和Pd均能用作本發明的下電極104。
Pt也可用于下電極104。這種情況下，不需要在600℃以下的溫度淀積介質層106和下電極104。這是因為Pt不蒸發。
第六實施例圖15示出按本發明第六實施例的用于GB級DRAM的電容器的結構。
圖15中，盡管硅襯底上形成許多存貯電容器，但為了簡化說明，圖15中只畫出其中的兩個電容器。這些電容器與另一電容器的結構相同。
圖15中，在電阻率為0.01Ω-cm的n型單晶Si襯底101的主表面上形成500nm厚的層間絕緣層102。層間絕緣層102用SiO2制成，它有填充了摻磷多晶硅制成的接觸栓103的兩個接觸孔115。接觸栓103的底面與襯底101接觸并電連接，接觸栓103的頂從層102露出。
層間絕緣層102上形成與多晶硅接觸栓103的頂接觸的厚度為100nm的兩個擴散阻擋層110。擴散阻擋層110阻擋Si擴散，它用TiN制成。
在相應的擴散阻擋層110上形成厚300nm的兩個下電極104的兩個中心部分112。用導電的RuO2制成有矩形橫截面的下電極104的中心部分112。
構成覆蓋相應的中心部分112的下電極104的兩個殼部分111。用導電的RuO2構成有圓形表面的下電極104的殼部分111。如圖15所示。因此，殼部111的區域是圓形，結果，下電極104與其側面之間的中心部分112的頂角附近不形成邊緣。
數字111a指示兩個下電極104之間的層間絕緣層102上淀積的冗余的RuO2。
形成覆蓋下電極104的多晶BST制造的高介電常數介質層106。介質層106與下電極104的殼部111的圓形表面，冗余的RuO2表面和沒覆蓋的層間絕緣層102接觸。殼部111相互電隔開，因為，即使兩個殼部111之間存在冗余的RuO2，也用介質層106把兩個殼部111分開。
介質層106上形成上電極107，用Ru制成與介質層106接觸的上電極107。
按本發明第六實施例的電容器，下電極104的每一個包括RuO2中心部分112和圍繞中心部分112的RuO2殼部分111。殼部分111有阻擋氧的擴散阻擋性能。因此，用有阻擋氧的擴散阻擋性的殼部分111覆蓋或保護中心部分112。
因此，層間絕緣層102上形成的擴散阻擋層110防止在隨后的熱處理中氧化。結果，即使設置了擴散阻擋層110，能防止每個下電極104的接觸電阻增大。
此外，即使在介質層106中出現接疤缺陷，但由于存在下電極104的殼部分111的圓形表面，也能防止上電極107與下電極104接觸。因此有使上下電極107與104之間的漏電流減小的優點。
用以下方法制造按第六實施例的電容器。
首先，如圖17A所示，在電阻率為0.01Ω-cm的硅襯底101的主表面上用熱CVD法形成500nm厚的SiO2層間絕緣層102。之后，用干腐蝕法在層間絕緣層102中形成穿透的接觸孔115。
在層間絕緣層102上用CVD法形成填充層102的接觸孔115的1μm厚的摻磷多晶硅層(沒畫)。之后，用RIE法用cl2作腐蝕氣體選擇深腐蝕摻磷多晶硅層，只留下接觸孔115中的多晶硅膜。因此，在層間絕緣層102中形成多晶硅栓103，如圖17A所示。
之后，在室溫下用反應濺射法，用Ti靶，在層間絕緣層102上淀積100nm厚的TiN層110。該狀態示于圖17A中。
而且，在室溫下用反應濺射法，用Ru靶，在TiN層110上淀積300nm厚的RuO2層112。該狀態示于圖17B中。
在這樣淀積的RuO2層112上形成光刻膠膜(沒畫)。之后，對光刻膠膜曝光和顯影，形成與下電極104的中心部分112有相同平面圖形的光刻膠掩模(沒畫)。用光刻膠掩模，用ECR等離子腐蝕法對RuO2層112和TiN層刻圖，形成下電極的中心部分112和相應的擴散阻擋層110。之后，去掉光刻膠掩模。該狀態示于圖17C中。
此后，用反應濺射法淀積覆蓋下電極104的中心部分112的RuO2層(沒畫)。由于RuO2的反應濺射法有低臺階覆蓋能力，因此，幾乎所有的RuO2層淀積在鄰近中心部分111的頂面和側面上，由此，形成下電極104的RuO2殼部111，如圖17D所示。該工藝中，少量RuO2層淀積在相鄰的中心部分112之間的層間絕緣層102的沒覆蓋的表面上，由此，形成冗余RuO2111a。
由于有低臺階覆蓋能力，中心部分112上形成的RuO2殼部分111在位置113處與鄰近的冗余RuO2隔開和電絕緣，如圖17E所示。因此，有不對RuO2層構圖而能形成殼部111的優點。這就是說，必需的工藝步驟數不會因為加了殼部112而增多。
確定RuO2層的厚度使相鄰的殼部分111與其它的殼部分電隔開。
而且，用與第一實施例相同的方法，形成覆蓋下電極104的多晶BST層106，之后，在BST層106上形成上電極107，如圖15所示。
由此制成按第六實施例的電容器。
用按第六實施例的方法，用有差的臺階覆蓋能力的反應濺射法(PVD方法之一)形成下電極104的RuO2殼部111。而且，用下電極104的中心部分112把殼部111用的RuO2層自動分割開，并在位置113與其它殼部電隔開，而不用對RuO2層刻圖。
如果用蒸發法(PVD法之一)形成RuO2殼部111也有相同的優點。
為證實本發明的優點，發明人實際制造了按本發明第六實施制成的電容器，并制造有常規結構的電容器作為第三對比例。第三對比例與第六實施例有相同結構，只是省去了RuO2殼部分112。之后，測這些電容器的下電極的接觸電阻。結果如圖16所示。
如圖16所示，曲線306是指按第六實施例的電容器的接觸電阻特性，曲線305是指第三對比例的接觸電阻特性。
從圖16的曲線305看出，第六實施例中，接觸電阻與BST層106的淀積溫度基本無關。其原因是，RuO2殼部111有效地防止了環境中的氧擴散進下電極104的中心部分112。
另一方面，從圖16中的曲線306看出，第三對比例中，下電極的接觸電阻隨BST層的淀積溫度升高而增大。其原因是，擴散阻擋層110因加熱而逐漸氧化。最后，第三對比例的電容器失去了電容器功能。
第六實施例中，用TiN制造阻擋硅的擴散阻擋層110，用RuO2制造阻擋氧的殼部或擴散阻擋層111。但是，也能用TiO2或TiS2制造阻擋Si的擴散阻擋層110。可用RuO2、Ru、IrO2、Ir、W或WNx制造下電極104的殼部111。
第七實施例圖18示出按本發明第七實施例的用于GB-級DRAM的電容器結構。
按第七實施例的電容器與第六實施例的電容器結構相同，只是層間絕緣層102的兩個部分102a的厚度比層102其余部分厚。圍繞相應的接觸栓103的層間絕緣層102的部分102a正好在相應的下電極104下面。層間絕緣層102的部分102a的厚度為500nm。絕緣層102其余部分的厚度為300nm。
為證實本發明的優點，發明人實際制造了按第七實施例的電容器和有與第七實施有相同結構只是沒設下電極104的殼部111的作為第四對比例的電容器各100只。
圖19和20分別畫出按第四對比例和第七實施例的電容器的漏電流密度分布。
如圖19所示，按第四對比例的電容器，幾乎所有電容器的漏電流密度近似為1×10-6A/cm2，但其中一部分是短路。
另一方面，如圖20所示，按第七實施例的電容器中，所有電容器的漏電流密度是4×10-9A/cm2。因此，與按第四對比例的電容器相比，按第七實施例的電容器的漏電流密度分布更好。
按第七實施例的電容器，由于下電極104的每個殼部111有圓形表面，無邊緣，因此在BST層106中無接疤和裂縫缺陷。
而且，與第二實施例相同的原因，即使在BST層106中出現如接疤和裂縫這樣的缺陷，上電極107與下電極104之間也不相互接觸。使漏電流減小。
第八實施例圖21示出按本發明第八實施例的用于GB級DRAM的電容器結構。
按第八實施例的電容器與按第七實施例的電容器的結構相同，只是中心部分112的頂從相應的殼部111a露出，并去掉了層間絕緣層102上的冗余RuO2層。
用以下方法制造按第八實施例的電容器。
首先，如圖22A所示，形成層間絕緣層102中的兩部分102a，使其厚度比層102的其余部分厚度厚。層間絕緣層102的圍繞相應的接觸栓103的部分102a正好在相應的下電極104下面。層間絕緣層102的部分102a的厚度為500nm，層間絕緣層102的其余部分的厚度為300nm。
之后，形成覆蓋下電極104的中心部分112和擴散阻擋層110的RuO2層111′，如圖22B所示。
此后，深腐蝕RuO2層111′，直到RuO2層111′在下電極104的中心部分112之間分割開或隔開為止，如圖22C所示。該腐蝕中，去掉層間絕緣層102上的冗余RuO2。
后續工藝與第七實施例的工藝相同。
另一個優點是，與第七實施例相比，通過調節圖22C所示的深腐蝕工藝的深腐蝕條件，能大范圍控制RuO2層111′的厚度。
由于構成的位置113較寬，另一個優點是，能防止相鄰的下電極104之間短路，與第七實施例相比，能提高器件的隔離性能。
第九實施例圖23示出按本發明第九實施例的用于GB-級DRAM的電容器結構。
按第九實施例的電容器與按第八實施例的電容器結構相同，只是在下電極104的殼部112的頂上形成絕緣帽層105。
第十實施例圖24示出按本發明第十實施例的用于GB級DRAM的電容器的結構。
按第十實施例的電容器與圖7所示第三實施例的電容器有相同結構，只是不形成絕緣帽層。盡管該結構與圖1所示結構相同，該結構與圖1所示常規結構的差別是用PVD法而不用CVD法形成電容器介質層106。
為了證實本發明的優點，發明人實際制造了按第十實施例的電容器和有圖1所示常規結構的電容器各100只。之后，測這些電容器的漏電流特性。
圖25和26分別示出按第十實施例和按圖1所示常規結構的電容器的漏電流密度分布。
從圖25和26看出，與圖1所示的有常規結構的電容器相比，按第十實施例的電容器的漏電流密度的波動范圍窄，改善了漏電流特性。具有該優點的原因如下與CVD法相比，濺射法的粒子定向性更好，因此，濺射出的粒子不覆蓋下電極104的側表面的表面粗糙度，使介質層106的厚度不均勻，使介質層106的質量變壞。
第十一實施例圖27示出按本發明第十一實施例的用于GB-級DRAM的電容器結構。按第十一實施例的電容器與圖3所示第一實施例的電容器結構相同，只是用SiNx制造絕緣帽層105，并有下電極104的每個下角處形成SiO2層114。因此，由于有SiO2層114，即使下電極104的下角處的BST層106中出現接疤和裂縫之類的缺陷，也能保證上下電極107與104之間不會相互接觸。與圖3所示第一實施例相比，能進一步減小漏電流。
圖28A至28C展示出按第十一實施例的電容器制造方法。
如圖28A所示，在層間絕緣層102上用CVD法形成厚度為200nm覆蓋下電極104和SiNx帽層105的SiO2層114。
之后，如圖28B所示，對形成的SiO2層114深腐蝕選擇留下下電極104的下角處的SiO2層。
而且，按與第一實施例相同的方法進行后續工藝，形成圖28C所示的結構。已說明了本發明的優選形式，本行業的技術人員可以知道，不脫離本發明精神和發明范圍還會有各種改型。因此，所附的權利要求書規定了本發明的范圍。
權利要求
1.電容器，包括(a)在層間絕緣層上形成的厚的下電極；所述下電極有頂面，底面和側面；述下電極的底面與層間絕緣層相對；(b)所述下電極的所述頂面上形成的與其接觸的絕緣帽層；所述絕緣帽層覆蓋所述下電極頂面，不覆蓋所述下電極的所述側面；(c)形成的覆蓋所述下電極和所述絕緣帽層的電容器介質層；所述電容器介質層與所述絕緣帽層和所述下電極的所述面接觸；和(d)所述電容器介質上形成的與其接觸的上電極；其中，所述電容器介質層夾在所述上下電極之間，由此構成電容器結構。
2.按權利要求1的電容器，其中，所述層間絕緣層的一部分的厚度比其余部分的厚度厚；而且，其中所述層間絕緣層的一部分圍繞所述層間絕緣形成的導電接觸栓，并正好在所述下電極下面。
3.按權利要求1的電容器，還包括所述下電極與所述層間絕緣層接觸孔內形成的導電接觸栓之間形成的擴散阻擋層；其中，所述擴散阻擋層有阻止所述接觸栓中包含的Si原子擴散進所述下電極的功能。
4.按權利要求3的電容器，其中，所述擴散阻擋層位于所述接觸孔內。
5.按權利要求3的電容器，其中，所述擴散阻擋層位于所述層間絕緣層上。
6.按權利要求1的電容器，其中，所述絕緣帽層由用等離子增強CVD法淀積的BST構成。
7.按權利要求1的電容器，還包括在所述層間絕緣層上形成的在所述下電極的下角處包圍所述下電極的附加的絕緣層；其中，所述的附加絕緣層被所述電容器介質層覆蓋。
8.電容器的制造方法，包括以下步驟(a)制備層間絕緣層；(b)形成用于所述層間絕緣層上的厚的下電極的導電層；(c)所述導電層上形成絕緣層；(d)對所述絕緣層構圖，使其具有與所述下電極有相同的平面圖形，由此，形成絕緣帽層；(e)用所述已構圖的絕緣層作掩模，對導電層構圖，形成所述厚的下電極；所述下電極有頂面，底面和側面；所述下電極底面與所述層間絕緣層相對；所述下電極的所述頂面與所述絕緣帽層接觸；所述下電極的側面不被所述絕緣帽層覆蓋；(f)形成覆蓋所述下電極和所述絕緣帽層的電容器介質層；所述介質層與所述絕緣帽層和所述下電極的所述側面接觸；和(g)在所述介質層上形成與其接觸的上電極。其中，所述介質層夾在上下電極之間，以此構成電容器結構。
9.按權利要求8的方法，其中，用CVD法進行形成電容器介質層的步驟(f)。
10.按權利要求8的方法，還包括選擇腐蝕所述層間絕緣層，以形成其厚度比所述層間絕緣層其余部分厚度厚的層間絕緣層部分；其中，所述層間絕緣層的部分圍繞所述接觸栓，并正好在所述下電極的下面。
11.電容器，包括(a)在其中有導電接觸栓的層間絕緣層上形成的擴散阻擋層；所述擴散阻擋層的底面與所述接觸栓相接觸；(b)所述擴散阻擋層上形成的厚的下電極；所述下電極包括有頂面、底面和側面的中心部分，和圍繞所述中心部分的殼部；所述中心部分的頂面和底面用所述殼部覆蓋；所述中心部分的底面不用所述殼部覆蓋，并與所述擴散阻擋層接觸；所述下電極的所述殼部有凸面和圓形面；所述下電極的所述殼部有阻擋氧的擴散阻擋性能；(c)形成的電容器介質層，覆蓋所述下電極與所述下電極的所述殼部的凸面和圓形表面接觸；所述電容器介質層與所述下電極的所述殼部的所述圓形表面接觸；(d)所述電容器介質層上形成的與其相接觸的上電極；其中，所述電容器介質層夾在所述上下電極之間，由此構成電容器結構。
12.按權利要求11的電容器，其中，所述下電極的所述中心部分完全被所述殼部覆蓋。
13.按權利要求11的電容器，其中，所述下電極的所述中心部分部分地被所述其殼部覆蓋，所述中心部分的所述頂面不被殼部覆蓋。
14.按權利要求11的電容器，其中，在所述層間絕緣層上形成的擴散阻擋層有阻擋硅的擴散阻擋性能。
15.電容器的制造方法，包括以下步驟(a)制備其中有導電接觸栓的層間絕緣層；(b)所述層間絕緣層上形成擴散阻擋層，所述擴散阻擋層的底面與所述接觸栓接觸；(c)所述擴散阻擋層上形成下電極的中心部分；所述中心部分有頂面，底面和側面；所述中心部分的底面與所述擴散阻擋層接觸；(d)用有低臺階覆蓋能力的方法淀積覆蓋所述下電極的所述中心部分的導電材料，由此形成所述下電極的殼部；所述中心部分的底面不用所述殼部覆蓋并與所述擴散阻擋層接觸；所述下電極的所述殼部有凸面和圓形表面；所述下電極的所述殼部有阻擋氧的擴散阻擋性能；(e)形成覆蓋所述下電極的電容器介質層，所述電容器介質層與所述下電極的所述殼部的所述凸面和圓形表面接觸；和(f)所述電容器介質上形成與其接觸的上電極；其中，所述電容器介質層夾在上下電極之間，由此構成電容器結構。
16.按權利要求15的方法，其中，在形成所述下電極的所述殼部的步驟(d)中，淀積覆蓋所述下電極的中心部分的所述頂面和側面的導電材料。
17.按權利要求15的方法，其中，在形成所述下電極的所述殼部的步驟(d)中，淀積覆蓋所述下電極的中心部分的所述頂面和側面的導電材料；其中，在形成所述電容器介質層的步驟(e)之前，選擇去掉所述的淀積的導電材料，使所述下電極的所述中心部分的頂面不覆蓋。
18.按權利要求15的方法，其中，用有對氧阻擋功能的材料形成所述下電極的所述殼部分。
全文摘要
提供一種有高介電常數的電介質和厚的下電極的電容器,使漏導電流減小。厚的下電極形成在層間絕緣層上。通常,層間絕緣層形成在半導體襯底上。下電極有頂面、底面和側面,頂面與層間絕緣層相對。下電極頂面上形成與其接觸的絕緣帽或覆蓋層。絕緣帽或覆蓋層覆蓋下電極頂面,不覆蓋下電極側面。形成覆蓋下電極和絕緣帽或覆蓋層的電容器介質層。電容器介質層與絕緣帽或覆蓋層和下電極的側面接觸。電容器介質層上形成與其接觸的上電極。電容器介質層夾在上下電極之間以構成電容器結構。
文檔編號H01L21/822GK1208965SQ9811507
公開日1999年2月24日 申請日期1998年5月28日 優先權日1997年5月29日
發明者山口弘 申請人:日本電氣株式會社