專利名稱：適合形成有涂層的導電膜如鉑的半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件及其制造，特別是涉及在半導體襯底上形成有由鉑族或含有鉑族的合金制成的導電層的半導體器件及其制造。
背景技術：
由于基于存儲器的半導體器件如動態隨機存取存儲器(DRAM)和鐵電存儲器(FRAM)的電容器容量變得非常大，該器件的結構由金屬-絕緣體-半導體(MIS)結構轉變為金屬-絕緣體-金屬(MIM)結構。已經研究出鐵電膜的材料包括高電介質材料如氧化鉭和鈦酸鍶鋇及鐵電材料如PZT和SBT。金屬和氧化電阻優異的導電氧化物被用作電容器的存儲電極。例如，此類材料可以是如在日本專利公開號為HEI-7-297364，HEI-8-335679和HEI-8-340091的申請中所公開的氧化電阻優異的金屬如Ru、Lr及Pt，導電氧化物如RuO2和LrO2、具有鈣鈦礦結構的導電材料如SrRuO。
由這些材料制造的電極通過物理薄膜形成方法如噴鍍和蒸鍍形成，然后通過進行熱處理來提高緊密接觸，減少小丘和針孔，并使其表面粗糙等等。
如鉑族這樣的金屬與絕緣膜的接觸特性很差。為了增強鉑族金屬制成的導電膜與絕緣膜的緊密接觸，在兩層膜之間置入一緊密接觸層。
如果插入一由TiN，WN等制成的緊密接觸層，當具有高的深寬比的接觸孔內表面覆蓋由鉑族或其類似制成的導電膜時，涂層和形態會發生惡化。

發明內容
本發明的目的是提供一種半導體器件及其制造方法，使得當在緊密接觸層上形成由金屬如鉑族制成的導電膜時，能夠抑制涂層和形態發生惡化。
根據本發明的一個方案，提供一種半導體器件，包括置于半導體襯底上的緊密接觸層，其由選自難熔金屬、難熔金屬合金、難熔金屬氮化物和難熔金屬的硅氮化物構成的集合中的一種材料制成；置于該緊密接觸層表面上的氧化物表面層，其由構成該緊密接觸層的材料的氧化物制成；及置于該氧化物表面層表面的第一導電層，其由鉑族金屬或含有鉑族的合金制成。
根據本發明的另一方案，提供一種制造半導體器件的方法，包括步驟在底層的襯底表面形成一緊密接觸層，該緊密接觸層由選自難熔金屬、難熔金屬合金、難熔金屬氮化物和難熔金屬的硅氮化物構成的集合中的一種材料制成；氧化該緊密接觸層的表面；在氧化的緊密接觸層表面形成第一導電層，該第一導電層由鉑族或含有鉑族的合金制成。
通過氧化緊密接觸層的表面，能夠改善在緊密接觸層上的第一導電層的涂層。


圖1A為根據本發明實施例的半導體器件剖面圖，圖1B為柵極的剖面圖。
圖2A-2K為根據本發明實施例，制造半導體器件的方法的部分剖面圖。
圖3A-3B為通過實施例方法形成圓柱形釕層的樣品和相應對比樣品的SEM圖。
圖4A和圖4B為通過實施例方法形成圓柱形釕層的樣品的SEM5A和5B為示出了通過實施例方法形成圓柱形釕層的樣品和相應對比樣品的SEM圖。
圖6A和6B為示出了通過實施例方法形成圓柱形釕層的樣品和相應對比樣品的SEM圖。
圖7示出了雙層結構且具有氧化的TiN層表面的方塊電阻與氧化層膜厚之間的關系。
具體實施例方式
圖1A為根據本發明實施例的半導體器件剖面圖。該實施例的半導體器件是PRAM。參考圖1A來說明第一實施例的半導體器件的制造方法。
在由硅制成且具有p型表面層區域的半導體襯底11的表面上通過淺溝道隔離(STI)形成二氧化硅(SiO2)絕緣區12。在絕緣區12限定的有源區表面上形成絕緣柵極13。
如圖1B所示，絕緣柵極13包括在硅表面形成的二氧化硅柵極絕緣膜21；在柵極絕緣膜21上形成的多晶硅下柵極22；在下柵極22上形成的由硅化鎢(WSi)或其類似制成的上柵極23；在上柵極23上形成的由氮化硅(SiN)或其類似制成的蝕刻阻止層24；覆蓋在柵極側壁上的由氮化硅或其類似制成的側壁蝕刻阻止層25。為簡化制圖，在圖1A上將絕緣柵極畫為簡化形狀。
形成側壁蝕刻阻止層25之前，通過采用從柵極絕緣膜21到蝕刻阻止層24的層壓結構作為掩膜注入離子來形成源區和漏區。
在形成絕緣柵極13后，形成二氧化硅或其類似的第一夾層絕緣膜14。通過第一夾層絕緣膜14在其需要的區域內形成接觸孔，且多晶硅塞子15、鎢(W)等掩埋在該接觸孔中。通過CVD淀積多晶硅或鎢層及化學機械拋光(CMP)除去該層中不需要的部分等來形成塞子15。
其后，在整個襯底表面上形成第二夾層絕緣膜16。該第二夾層絕緣膜以這樣一種方式形成絕緣膜一旦淀積到中間水平時，就形成一個位線BL，其后，通過掩埋該處的位線BL淀積其余部分絕緣膜。接觸孔18通過第二夾層絕緣膜16形成，延伸到下面的塞子15，并且由鎢等制成的塞子17填充到該接觸孔中。
例如，通過淀積一TiN屏蔽金屬層和鎢層，并通過CMP等方法除去所述層中不需要的部分形成塞子17。其后，在第二夾層絕緣膜16的平面上，依次淀積氮化硅層31、二氧化硅層32和氮化硅層33。該層壓層作為構成用于防止后來形成的電容器倒下的基底的支撐層。上層氮化硅層31和下層氮化硅層33用作當二氧化硅腐蝕時的蝕刻阻止層。
參考圖2A至2K說明自形成塞子17到在該塞子上形成電容器的工藝。僅對應于一個電容器，圖2A至2K示出了第一夾層絕緣膜14和更高層的區域。
如圖2A所示，位線BL掩埋在第一夾層絕緣膜16中。盡管圖1A示出了位線沿平行于圖紙的方向延伸，圖2A至2K的每幅圖示出了垂直于位線BL延伸方向的剖面圖。
通過第一夾層絕緣膜16形成接觸孔18。接觸孔18置于與位線BL無交疊的一個區域內，并且，圖1A中所示的塞子15的上表面暴露在該接觸孔底面。盡管圖2A僅示出了一個接觸孔18，在涂2A所示的第一夾層絕緣膜16的左側或右側也形成有其它接觸孔。
接觸孔18的內表面和第一夾層絕緣膜16的上表面覆蓋有TiN層。在整個襯底表面上形成鎢層，掩埋接觸孔18。淀積在第一夾層絕緣膜16上表面的不需要的TiN層和鎢層通過CMP去除。該去除處理使得剩下由TiN制成的疲敝金屬層17A覆蓋在接觸孔18的內表面，及填充在接觸孔18中的鎢塞17。
如圖2B所示，在第一夾層絕緣膜16上，依次順序形成一40nm厚的氮化硅層31、一100nm厚的二氧化硅層32、一40nm厚的氮化硅層33。在氮化硅層33上形成一犧牲膜50，該犧牲膜900nm厚，且由二氧化硅制成。
如圖2C所示，通過自犧牲層50到氮化硅層31的四個層，在對應于鎢塞17的區域內形成孔51。鎢塞17的上表面暴露在孔51的底部。
如圖2D所示，在孔51的內表面和犧牲膜50的上表面，通過化學氣相淀積(CVD)形成10nm厚的TiN緊密接觸層34。
如圖2E所示，緊密接觸層34的表面層被氧化以形成氧化物表面層35。氧化物表面層35的厚度設置為5nm或者更薄，氧化方法的細節將在后面給出。
如圖2F所示，在氧化物表面層35上，通過CVD形成20nm厚的釕層36。在釕層36上涂有抗蝕材料以形成抗蝕膜52，部分抗蝕膜掩埋在孔51中。除抗蝕材料外，也可采用旋涂式玻璃(SOG)材料。
如圖2G所示，進行CMP直至犧牲層50的上表面被暴露出來。緊密接觸層34、氧化物表面層35、釕層36和抗蝕層52由此留在接觸孔51中。因為抗蝕層52是在CMP之前被掩埋在孔51中，所以有可能防止在CMP中使用的漿液被遺留在孔51中。在犧牲層50及其上面的氧化物表面層35和緊密接觸層34通過蝕刻而非CMP去除。
如圖2H所示，犧牲膜50通過使用氫氟酸等濕工藝去除。
如圖2I所示，填充在孔51中的抗蝕膜52被去除，圓柱形釕層36因此保留下來。氧化物表面層35和緊密接觸層34兩層留在釕層36內圓周表面上，釕層36的內圓周表面暴露出來。該釕層36是電容器的存儲電極。
如圖2J所示，在釕層外圓周表面上的緊密接觸層34通過使用硫酸雙氧水或者氨水雙氧水的濕工藝去除。此時，同時去除氧化物表面層35以便使釕層36的外圓周表面暴露出來。為使釕層36的外圓周表面和由氮化硅層33及二氧化硅層32所限定的凹處的內圓周表面之間形成間隙55，緊密接觸層34低于氮化硅層33的上表面部分也被蝕刻。
如圖2K所示，在用作電容器的存儲電極的釕層36的表面上，在襯底溫度為400℃-500℃范圍內，使用Ta(O(C2H5))5源氣體通過CVD方法形成10nm厚的五氧化二鉭(TaO2)層37。五氧化二鉭層37在通過縮進緊密接觸層34形成的間隙55內自掩埋。為防止增加局部漏電，增厚與緊密接觸層34直接接觸的五氧化二鉭層37。
在襯底溫度在300℃-400℃之間，使用Ru(EtCP)2或者Ru(CP)2源氣體，通過CVD方法，形成覆蓋在五氧化二鉭層37表面上的一層30nm厚的釕層38。采用如上所述工藝，形成了一個由作為下電極(lower electrode)的釕層36、作為電容器電介質層的構成的五氧化二鉭層37和作為上電極(upperelectrode)的釕層38構成的電容器。
請再參閱圖1A。在整個襯底表面形成第三夾層二氧化硅絕緣膜41，掩埋電容器。在釕層38的上表面的第三夾層絕緣膜41的厚度T41例如為300nm。通過第三夾層絕緣膜41在一預定區域形成一個接觸孔，并且用作電容器上電極的釕層38的一部分暴露在接觸孔底部。接觸孔置于電容器區域外。
在第三夾層絕緣膜41上形成第一層約400nm厚的鋁線42，該鋁線42通過經由第三夾層絕緣膜41形成的接觸孔電連接到釕層38。在第三夾層絕緣層41上，形成約450nm厚的由二氧化硅制成的第四夾層絕緣膜43，覆蓋鋁線42。
在第四夾層絕緣膜43表面上，形成約900nm厚的第二層鋁線44。該鋁線44通過經由第四夾層絕緣膜43形成的接觸孔電連接到下面一層的預定配線。
在第四夾層絕緣膜43上，形成約300nm厚的由二氧化硅制成的第五夾層絕緣膜45，覆蓋鋁線44。這些二氧化硅夾層絕緣膜例如可通過CVD方法形成。在第五夾層絕緣膜45上，形成約600nm厚的氮化硅防護膜46。經由第五夾層絕緣膜45和防護膜46兩層形成開口47。因此鋁線44的一部分暴露在開口47底部。
圖3A示出了形成圖2F所示的釕層后，該器件結構的剖面SEM圖。在下注式等離子體灰化系統內，在氧氣流速為3slm，襯底溫度為室溫條件下，氧化緊密接觸層34的表面60秒。通過該氧化工藝形成的氧化物表面層的厚度約為5nm。為作出比較，圖3B示出了未氧化緊密接觸層34表面形成釕層的器件結構的剖面SEM圖。
由該實施例可以看出，通過氧化緊密接觸層34表面，釕層36的涂層尤其是在孔的底部得到改善。通過氧化緊密接觸層34的表面，釕層36的表面形態變好。
圖4A和4B示出了當緊密接觸層34表面通過其它方法氧化時釕層的剖面SEM圖。圖4A示出了在襯底溫度為450℃，氧氣流速為5sccm及氮氣流速為1000sccm的環境下，氧化處理30分鐘后形成釕層的樣品SEM圖。該氧化物表面層的厚度約為5nm。圖4B所示為在襯底溫度為330℃，氧氣流速為650sccm且133Pa(1Torr)壓強的環境下，在形成CVD系統的釕膜中氧化處理10分鐘后形成釕層的樣品SEM圖。該氧化物表面層的厚度約為3nm。
在兩件樣品中可看到，釕層的涂層和表面形態較圖3B中未進行氧化處理的樣品都有改善。
如上所述，通過氧化TiN緊密接觸層來形成其上形成有釕層的氧化物表面層TiON，能夠改善釕層涂層和表面形態。通過氧化緊密接觸層表面可改善釕層的涂層和表面形態可歸因于由氧化引起的緊密接觸層表面的非活動狀態。
圖5A示出了處于圖2J所示狀態的樣品SEM圖。在圖2J中，第一夾層絕緣膜16和鎢塞17置于氮化硅層31之下。在圖5A所示樣品中，在氮化硅層31之下的整個區域是鎢層。釕層的厚度為20nm。由釕層制成的圓柱不會倒下，且釕層與鎢層之間的不會出現傳導失敗。
為作出比較，圖5B示出了未氧化緊密接觸層34表面形成釕層的樣品SEM圖。釕層的厚度為30nm。正如所看到的，存在傾斜的圓柱形釕層，許多柱面的圖片帶有黑色。這是因為柱面和下面的鎢層之間出現了傳導失敗。
圖6A示出了在圖5A中所示樣品的剖面SEM圖。為進行比較，圖6B示出了圖5B所示樣品的剖面SEM圖。
在圖6A中靠近圓柱形釕層底端的區域對應于由氮化硅層31、二氧化硅層32和氮化硅層33構成的支撐層。在該支撐層下可觀察到鎢層。
由氮化硅層31、二氧化硅層32和氮化硅層33形成的支撐層出現在圖6B所示的圓柱形釕膜的下方。為使得支撐層從圖片的左端到右端連續，圖6B為在柱面之間的間隙取得的剖面。可以看到，在該三層下面的鎢層的一部分被蝕刻，形成空處。這可歸因于當圖2J所示的緊密接觸層34被蝕刻時，蝕刻劑通過針孔到達鎢層。
在實施例中，通過在形成釕層36之前氧化緊密接觸層34的表面，可以改善釕層的涂層，并抑制傳導失敗的發生。
接著，參考圖7，將對于圖2K所示的氧化物表面層35的優選厚度進行描述。
圖7示出了10nm厚的TiN層和通過氧化該TiN層表面得到的TiON層的雙層結構的方塊電阻和該雙層結構的TiON層厚度之間的關系。橫坐標代表TiON層的厚度，單位為nm，縱坐標代表方塊電阻，單位為Ω/□。當TiON增厚時，方塊電阻變大。
根據本發明所作的評估結果，已經發現，為獲得要在TiON層上形成的釕層的充分的涂層改善效果，TiON層的厚度優選設為1nm或更厚。為了通過濕蝕刻除去TiON層35(氧化物表面層)，TiON層厚度優選設為5nm或更薄。
如果TiON層的厚度范圍為1nm-5nm，TiN和TiON層兩層的方塊電阻近似為1000Ω/□或更低。該方塊電阻一般等于無TiON層結構的電阻。TiON層對增加電阻的影響很微小。
在上述實施例中，對圖2E所示的緊密接觸層34的表面氧化工藝是通過在氧化環境中的熱氧化工藝，使用下注式等離子體灰化系統的氧化工藝或者使用用于形成釕層的CVD系統的氧化工藝進行的。也可采用其它氧化工藝。
例如，如果屏蔽金屬層通過CVD形成，在該層形成后，O2和NH3可能引進到CVD系統室中，產生H2O，并氧化緊密接觸層的表面。在緊密接觸層形成后，從CVD系統中取出襯底，緊密接觸層的表面暴露在含有氧元素的化學物中，如水(H2O)，臭氧(O3)，過氧化氫(H2O2)和HNO3。HCl或H2SO4可被混合到這樣的化學物中以除去灰塵。在含有氧元素的氣體環境如臭氧(O3)，水汽(H2O)，CO2，NO和N2O中進行熱處理。緊密接觸層的表面可暴露在這些氣體的等離子體中。
在上述的實施例中，盡管TiN被用作緊密接觸層的材料，但也可采用其它材料，可以是難熔的金屬或其合金如鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鋯(Zr)、鉿(Hf)和鈮(Nb)，難熔金屬的氮化物如氮化鎢(WN)、氮化鉭(TaN)、氮化鋯(ZrN)、氮化鉿(HfN)和氮化鈮(NbN)，或者難熔金屬的硅氮化物如TiSiN、TaSiN、WSiN、ZrSiN、HfSiN和NbSiN。
在上述的實施例中，盡管釕被用作電容器的存儲電極的材料，但也可采用鉑族的其它金屬或其合金如Ir、Re、Pt、Pd、Rh和Os。
本發明描述了相關優選實施例，但本發明不僅限于上述的實施例。對于熟悉本領域的普通技術人員，顯然可作出其它各種更改、改進、結合等。
權利要求
1.一種半導體器件，包括置于半導體襯底上的緊密接觸層，其由選自難熔金屬、難熔金屬合金、難熔金屬氮化物和難熔金屬的硅氮化物構成的集合中的一種材料制成；置于該緊密接觸層表面的氧化物表面層，其由構成該緊密接觸層的材料的氧化物制成；置于該氧化物表面層表面上的第一導電層，其由鉑族或含有鉑族的合金制成。
2.根據權利要求1所述的半導體器件，其中該第一導電層包含選自Ru、Ir、Re、Pt、Pd、Rh和Os構成的集合中的一種金屬。
3.根據權利要求1所述的半導體器件，其中該緊密接觸層由選自Ti、Ta、W、Zr、Hf、Nb、TiN、TaN、WN、ZrN、HfN、NbN、TiSiN、TaSiN、WSiN、ZrSiN、HfSiN和NbSiN構成的集合中的一種材料制成。
4.根據權利要求1所述的半導體器件，進一步包括覆蓋該第一導電層表面的電容器電介質膜，其由電介質材料制成；覆蓋該電容器電介質膜的第二導電層，其由鉑族或含有鉑族的合金制成，該第二導電層與該電容器電介質膜和該第一導電層一起形成一電容器。
5.根據權利要求1所述的半導體器件，其中該氧化物表面層的厚度為1-5nm。
6.根據權利要求1所述的半導體器件，進一步包括置于半導體襯底上的支撐層，其由絕緣材料制成；及經由該支撐層形成的凹處，其中該緊密接觸層置于該凹處的內表面；及第一導電層具有覆蓋氧化物表面層的第一區域和被置于沿著從凹處的一側面向上延伸的圓柱形虛擬平面的第二區域，該第二區域與第一區域相接續。
7.根據權利要求6所述的半導體器件，進一步包括在半導體襯底表面層上及里面形成的晶體管，該晶體管具有一對雜質擴散區作為源區和漏區及柵極；在半導體襯底上形成的夾層絕緣膜，其覆蓋該晶體管；及經由該夾層絕緣膜形成的塞子，其連接到該晶體管的一個雜質擴散區；其中該支撐層置于夾層絕緣膜的上面，該塞子暴露在該凹處的底部，該第一導電層通過該緊密接觸層和氧化物表面層電連接到該塞子。
8.一種制造半導體器件的方法，包括下述步驟在底層的襯底表面上形成一緊密接觸層，該緊密接觸層由選自難熔金屬、難熔金屬合金、難熔金屬氮化物和難熔金屬的硅氮化物構成的集合中的一種材料制成；對該緊密接觸層的表面進行氧化；在氧化后的緊密接觸層表面上形成第一導電層，該第一導電層由鉑族或含有鉑族的合金制成。
9.根據權利要求8所述的制造半導體器件的方法，其中在氧化步驟中，在緊密接觸層表面形成的氧化層的厚度為1-5nm。
10.根據權利要求8所述的制造半導體器件的方法，其中氧化步驟包括將該緊密接觸層暴露到一種氣體環境中的步驟，該氣體環境至少含有選自由O2、O3、H2O、CO2、NO和N2O構成的集合中的一種氣體或者選自由O2、O3、H2O、CO2、NO和N2O構成的集合中的一種氣體的等離子體。
11.根據權利要求8所述的制造半導體器件的方法，其中氧化步驟包括將該緊密接觸層暴露到一種液體中的步驟，該液體至少含有選自由H2O、H2O2、HNO3和臭氧水構成的集合中的一種化學物。
12.根據權利要求11所述的制造半導體器件的方法，其中該液體混合有HCl或H2SO4。
全文摘要
本發明提供一種適合形成有涂層的導電膜如鉑的半導體器件及其制造方法。在一半導體襯底上設置一緊密接觸層，該緊密接觸層由選自難熔金屬、難熔金屬合金、難熔金屬氮化物和難熔金屬的硅氮化物構成的集合中的一種材料制成。在該緊密接觸層表面上設置一氧化物表面層，該氧化物表面層由構成緊密接觸層的材料的氧化物制成。在氧化物表面層的表面上設置第一導電層，該第一導電層由鉑族或含有鉑族的合金制成。當在緊密接觸層上形成由金屬如鉑族制成的導電層時，可抑制涂層和形態的惡化。
文檔編號H01L27/105GK1518109SQ20041000284
公開日2004年8月4日 申請日期2004年1月17日 優先權日2003年1月17日
發明者西川伸之, 南方浩志, 角田浩司, 吉田英司, 司, 志 申請人:富士通株式會社