專利名稱：半導(dǎo)體內(nèi)阻擋層的制造方法和有這種阻擋層的半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種設(shè)置在半導(dǎo)體本體內(nèi)且至少靠近半導(dǎo)體本體的一個主表面的到觸極栓(Kontaktplug)的阻擋層的制造方法以及具有這種阻擋層的半導(dǎo)體元件。
半導(dǎo)體存儲裝置由大量的、總是包括一個選擇晶體管，和一個與選擇晶體管相連的存儲電容器的存儲單元構(gòu)成。在集成電路更加小型化的情況下的基本問題是這種存儲電容器的集成度。因為電容量與電容器的橫截面積和從而與由該面積所占有基底的表面積是成比例的，它們和晶體管不以同樣的方式小型化。
解決該問題由作為存儲電容器的電介質(zhì)著手，不是利用一種反向運行的P-N結(jié)或在MIS或MOS技術(shù)中始終存在的絕緣層(二氧化硅和/或氮化硅)，而是一種由較高介電常數(shù)的材料構(gòu)成的電介層準(zhǔn)確地覆蓋在半導(dǎo)體基底上。
具有高介電常數(shù)的材料依據(jù)以下圖表分成兩個不同的組圖表
FRAMs表示DRAMs的一種改進(jìn)通過在極片之間把介電或順電材料的替換為鐵電介質(zhì)可以實現(xiàn)，信息作為極化強(qiáng)度存儲，且在電源斷電之后保持駐留。原理性的結(jié)構(gòu)(選擇晶體管、疊層-電容器、等等)在DRAM和FRAM中相同，同樣存在許多集成度的問題。因此的比如Si3N4用BST來代替是適宜的，其ε高達(dá)600。
處理的時候，氧化物陶瓷材料會產(chǎn)生問題，因為一般層狀材料是在含氧的氣氛中淀積的。因此導(dǎo)致與電介質(zhì)相鄰的電極材料受到氧化，由此它們的導(dǎo)電性和整個電路的可靠性都受到損害。特別是半導(dǎo)體本體的觸極栓受到妨害。如果對于存儲電容器依照所謂的疊層原理制造，其中比如由鉑組成下電極直接與觸極栓接觸，這個問題也出現(xiàn)。比如同樣由鉑組成的上電極作為所謂的公共極片來實現(xiàn)。
在圖6中示出了一個用于這種半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體本體剖面部分。半導(dǎo)體本體用符號10標(biāo)識而觸極栓用符號16標(biāo)識。在觸極栓16之間是氧化層，比如TEOS。另外在半導(dǎo)體本體10內(nèi)嵌入了摻雜阱14，它的一部分與觸極栓16和位線18相接觸。在兩介阱14之間是埋在氧化層12內(nèi)的字線17。在半導(dǎo)體本體10上部的主表面上設(shè)置了其間具有介電層22的兩個電極層，用于構(gòu)成存儲電容器。上電極層用符號26標(biāo)識而下面形成結(jié)構(gòu)的電極層用符號24標(biāo)識。在制作下電極24(淀積、結(jié)構(gòu)化、等等)之后，淀積介電材料。這可以通過比如一種物理淀積工藝如濺射來實現(xiàn)。然而，在優(yōu)化的方式下，為此而使用一種化學(xué)氣相淀積工藝(CVD)。一般在電介質(zhì)淀積時存在氧氣。這樣所得到的材料原則上還沒有最佳的電特性。比如這在較高溫度比如BST在650℃時，SBT在700-800℃時，在O2中處理才能得到。然后淀積上電極26。為了使電特性更加優(yōu)化，原則上在已述的溫度下在O2中進(jìn)行另一次熱處理步驟。由于氧氣經(jīng)下部結(jié)構(gòu)化的電極24擴(kuò)散而出現(xiàn)的特殊問題，不利的是可導(dǎo)致觸極栓材料的氧化，且因此會使觸極栓16和下面的電極24之間的阻擋層被切斷。導(dǎo)電率和因此半導(dǎo)體本體中整體電路的可靠性因此而受到巨大損害。為了防止這樣，阻擋層必須插在觸極栓和下電極之間。這樣的阻擋層28的中間結(jié)構(gòu)安排在圖7中示出。
在制作上述希望的疊層電容器的時候，必須使下電極24和阻擋層28結(jié)構(gòu)化。基于阻擋層材料特殊的穩(wěn)定性，在這個構(gòu)造化工藝中可出現(xiàn)大的困難。因此至今這種阻擋層的大多在濺射工藝中淀積下來，且然后再分開地結(jié)構(gòu)化，比如通過物理刻蝕。
因此本發(fā)明的目的是提出一種在觸極栓上面制造一個阻擋層的簡單而可靠的方法。本發(fā)明的另一個目的是給出一種具有一個這種阻擋層的半導(dǎo)體元件。
適于該目的的方法是這樣實現(xiàn)的，即阻擋層通過一個預(yù)先結(jié)構(gòu)化的金屬過渡材料與至少一種反應(yīng)組分的化學(xué)反應(yīng)來制成的。按照本發(fā)明的半導(dǎo)體元件是以這個方法的制造工藝為特征的。
因此，在按照本發(fā)明的方法中阻擋層通過一種預(yù)先結(jié)構(gòu)化的金屬過渡材料與至少一種反應(yīng)組分的化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生。這個方法因此設(shè)計為，通過一個預(yù)先結(jié)構(gòu)化的過渡金屬或一個過渡金屬化層與至少一種適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)組分的化學(xué)反應(yīng)，在線(in situ)制作阻擋層。特別是在此將用過渡金屬或過渡金屬化層與非金屬氫化物的化學(xué)反應(yīng)來制作阻擋層。
可以采用不同的方法預(yù)先結(jié)構(gòu)化金屬過渡材料，也就是過渡金屬或過渡金屬化層。在本發(fā)明的改進(jìn)中，在預(yù)先結(jié)構(gòu)化金屬過渡材料之后，在具有至少一種適用的反應(yīng)組分構(gòu)成的化學(xué)反應(yīng)氣氛中退火。
另一個優(yōu)點在于，因為阻擋層是在線制作的，取消了阻擋層的淀積?；谶@些材料的特殊性，淀積阻擋層的材料常常會導(dǎo)致大的困難，然而淀積過渡金屬是在半導(dǎo)體生產(chǎn)中的標(biāo)準(zhǔn)工藝。
金屬過渡材料的一種可能的預(yù)先結(jié)構(gòu)化可以在半導(dǎo)體本體上通過比如淀積過渡材料和其后的結(jié)構(gòu)化，例如可以通過化學(xué)物理氣相刻蝕或干法刻蝕完成。比如通過已知的、傳統(tǒng)的濺射方法或通過蒸鍍來實現(xiàn)淀積過渡材料，在此通過適當(dāng)?shù)墓饪碳夹g(shù)以及這種淀積層的刻蝕工藝產(chǎn)生所需要的結(jié)構(gòu)。淀積過渡材料的這種獨立結(jié)構(gòu)化工藝的優(yōu)點是，基于金屬較高的化學(xué)反應(yīng)性來實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)化，比純阻擋層結(jié)構(gòu)化要容易。
作為淀積過渡材料與隨后的獨立的結(jié)構(gòu)化工藝的替代方法也可以使用一種選擇性CVD工藝，其中過渡材料只淀積在觸極栓上面，或只蓋上一些。位于觸極栓旁的氧化層，比如TEOS，與之相反繼續(xù)保持暴露且沒有過渡材料覆蓋。在選擇性CVD工藝中過渡材料也只是有選擇地，即專有地，在完全確定的，半導(dǎo)體本體上要接觸的范圍生長。
在本發(fā)明的方法中，利用了以下的事實，即大量的、非金屬碳?xì)浠衔锱c金屬過渡材料起反應(yīng)，分離出氫并釋放非金屬成分。這種非金屬成分可以與金屬過渡材料，也就是過渡金屬或過渡金屬合金起反應(yīng)，構(gòu)成了一種新的化學(xué)相。
如果阻擋層應(yīng)設(shè)計成比如氮化物過渡金屬阻擋層，那么為了制造氮化物，則在NH3中退火金屬過渡材料，比如鈦Ti、鎢W、鉬Mo、鉭Ta等。在此在溫度由大約400℃到700℃下出現(xiàn)反應(yīng)，就是出現(xiàn)分離出氫和釋放非金屬成分。相應(yīng)的反應(yīng)式是其中M=Ti,W,Mo,Ta…另一個可能的阻擋層是，由碳化物構(gòu)成阻擋層。碳化物隔離可以通過金屬過渡材料比如鎢W與烷的反應(yīng)來制作。鎢W比如在大約850(C時與甲烷起反應(yīng)產(chǎn)生WC和游離氫。相應(yīng)的反應(yīng)式是
因此，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，借助于適當(dāng)?shù)牡入x子體來促成該反應(yīng)。
另一個可能的阻擋層是，由磷化物構(gòu)成阻擋層。通過金屬過渡材料與磷烷反應(yīng)來形成磷化物阻擋層。在此有一個示例是鎢W與PH3反應(yīng)。相應(yīng)的反應(yīng)式是
最后在本發(fā)明的范圍內(nèi)通過與B2H6的反應(yīng)形成過渡金屬硼化物來構(gòu)成阻擋層。相應(yīng)的反應(yīng)式是
其中M表示金屬過渡材料，也就是Ti,W,Mo,Ta等。
根據(jù)本發(fā)明的方法特別適用于制作半導(dǎo)體存儲元件在這種元件中存儲電容器小型化是有決定意義的。根據(jù)本發(fā)明的方法特別適用于制作DRAM和FRAM半導(dǎo)體存儲元件。
根據(jù)本發(fā)明的方法將用以下附圖作進(jìn)一步的說明。它們是

圖1按照本發(fā)明第一實施例不同制造步驟的半導(dǎo)體本體的三個部分剖面圖，圖2按照本發(fā)明方法第二實施例制作的另一個半導(dǎo)體本體的剖面圖，圖3按照本發(fā)明方法第三實施例的不同制作步驟的半導(dǎo)體本體的兩個剖面圖，
圖4按照本發(fā)明方法第四實施例的不同制作步驟的半導(dǎo)體本體的三個剖面圖，圖5按照本發(fā)明方法第五實施例的通過半導(dǎo)體本體的剖面圖，圖6根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀況通過半導(dǎo)體本體、已作說明的剖面圖，圖7圖6中用虛線標(biāo)記范圍A的放大的細(xì)節(jié)剖面圖。
在制造比如具有位線、字線和觸極栓的大量的CMOS晶體管之后，但是尚未構(gòu)成存儲電容器之前，在半導(dǎo)體本體的上主表面上淀積金屬過渡材料，比如鎢W。該過渡材料在圖1a中用符號30標(biāo)識。顯然，此時過渡材料30碰到直到半導(dǎo)體本體10的主表面的觸極栓16且互相接觸。此外過渡材料30還碰到環(huán)繞觸極栓16的氧化層12。過渡材料30可以比如通過適當(dāng)?shù)臑R射工藝或通過蒸鍍涂敷在半導(dǎo)體本體10的主表面上。用作濺射的氣體比如氬Ar可以設(shè)計在5毫乇的壓力下。
在下一步(參閱，圖1b)工藝中將已淀積的過渡材料30結(jié)構(gòu)化。它可以比如通過一個干法刻蝕工藝在Ar/O2等離子體中完成。此時該結(jié)構(gòu)化是這樣進(jìn)行的，使過渡材料30完全覆蓋在觸極栓16的上邊，然而半導(dǎo)體本體10的主表面的其它區(qū)域還只有氧化層12，部分或完全地暴露。
在下一步工藝(圖1c)中，整個半導(dǎo)體本體在甲烷CH4中大約1000℃下退火約30分鐘。結(jié)果過渡材料鎢W轉(zhuǎn)換成碳化物阻擋層WC。碳化物阻擋層在圖1c中用符號30a標(biāo)注，反應(yīng)組分甲烷用符號32標(biāo)注。因此阻擋層在觸極栓16上制成。在下一步中電極層淀積在半導(dǎo)體本體上面。這個電極層構(gòu)成疊層電容器的下電極。
與圖1中所示實施例不同的是在按照本發(fā)明的范圍內(nèi)，用選擇性CVD工藝代替在圖1a和b中所示的工藝方法。在此過渡材料鎢W有選擇性地淀積在比如同樣由鎢W組成的觸極栓16的上面。這種選擇性CVD工藝可以比如按1∶15的比例的WF6與H2進(jìn)行。作為工藝參數(shù)可以調(diào)節(jié)到比如400℃和100毫乇。氬Ar可以用作載體氣體。
在圖2中同樣示出一種適于構(gòu)造存儲電容器的半導(dǎo)體本體10。僅僅為清楚起見而用部分剖面圖表示的半導(dǎo)體本體10具有插在氧化層12內(nèi)的觸極栓16。與圖1中的實施例相反，觸極栓16沒有完全達(dá)到半導(dǎo)體本體10的主表面，而是在其下面一段。第一電極層24已經(jīng)平貼在半導(dǎo)體本體10的主表面上。在構(gòu)成存儲電容器的下電極的這個第一電極層24和觸極栓16的上側(cè)之間，是按照本發(fā)明的方法制作的阻擋層28。阻擋層28也安放在從半導(dǎo)體本體10的上主表面起沿觸極栓16的方向略微下降的位置上。
在圖3中示出了本發(fā)明的另一個實施形式，它是基于半導(dǎo)體本體10的兩個部分剖面圖。過渡金屬在該實施例中不是全部轉(zhuǎn)換成阻擋層28，而只是下面的起始層得到轉(zhuǎn)換。在圖3左側(cè)的剖面圖中，在半導(dǎo)體本體10的上主表面上，正如圖1中有關(guān)部分所示，淀積上一層金屬過渡材料30。在圖3表示的實施例中將鎢W選擇性地淀積在觸極栓16上。在圖3的右圖示出的下一步中，金屬過渡材料30，也就是鎢W，通過具有至少一個反應(yīng)組分的化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)換成雙層，即一個由金屬過渡材料30b構(gòu)成下面的沒有改變的層，與觸極栓16直接接觸，和構(gòu)成上面的一層阻擋層30a。這樣的結(jié)構(gòu)可以這樣來實現(xiàn)，比如選擇較短的退火工藝，于是被淀積的結(jié)構(gòu)化的金屬過渡材料不能完全轉(zhuǎn)換成阻擋層。
圖4中示出了按照不同的制造工藝的半導(dǎo)體本體的3個剖面圖。在圖4的實施例中觸極栓16由鎢W構(gòu)成。觸極栓16觸到半導(dǎo)體本體10的上主表面。通過半導(dǎo)體本體在CH4中退火，觸極栓16的上面部分轉(zhuǎn)換成WC。該區(qū)域用許多點標(biāo)注，用符號30a標(biāo)識。用符號30a標(biāo)注的區(qū)域也是由WC構(gòu)成且用作為阻擋層30a。于是在半導(dǎo)體本體10的主表面上可以淀積比如需要制造的存儲電容器的最下面的電極24。
圖5中示出了半導(dǎo)體本體的另一個方案。與前述的實施例都不同的是為了制造存儲電容器，省去將觸極栓16與介電層相連的下電極。即根據(jù)該實施例省去下電極且在阻擋層28上直接淀積介電層22。介電層22上是構(gòu)成存儲電容器上電極的電極層26。
符號列表10 半導(dǎo)體本體12 氧化層，TEOS14 摻雜阱16 觸極栓17 字線18 位線22 介電層24 第一電極層26 第二電極層28 阻擋層30 金屬過渡材料30a已轉(zhuǎn)換成阻擋材料的過渡材料30b由金屬過渡材料組成的層32 反應(yīng)組分A 細(xì)節(jié)
權(quán)利要求
1．設(shè)置在半導(dǎo)體本體內(nèi)且至少靠近半導(dǎo)體本體的一個主表面的觸極栓的阻擋層的生產(chǎn)方法，其特征在于，阻擋層(28；30a)通過一個預(yù)先結(jié)構(gòu)化的金屬過渡材料(30)與至少一種反應(yīng)組分(32)的化學(xué)反應(yīng)來制成。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，預(yù)結(jié)構(gòu)化的金屬過渡材料(30)在一個活潑的、由至少一個反應(yīng)組分(32)組成的化學(xué)氣氛中退火。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，過渡材料(30)的預(yù)結(jié)構(gòu)化是通過在半導(dǎo)體本體(10)上淀積過渡材料(30)及隨后對所淀積的過渡材料(30)結(jié)構(gòu)化來實現(xiàn)的。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，過渡材料(30)的結(jié)構(gòu)化是通過化學(xué)物理氣相刻蝕或通過干法刻蝕實現(xiàn)的。
5．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，過渡材料(30)的預(yù)結(jié)構(gòu)化借助于一個選擇性CVD工藝來實現(xiàn)，其中金屬過渡材料(30)只限于淀積在半導(dǎo)體本體(10)的觸極栓(16)上。
6．根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一項的方法，其特征在于，非金屬碳?xì)浠衔镉米鞣磻?yīng)組分。
7．根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項的方法，其特征在于，阻擋層(28；30a)用過渡金屬氮化物層來構(gòu)成氧的阻擋層，其中金屬過渡材料(30)在氨中、在由大約400℃至700℃的溫度下退火。
8．根據(jù)權(quán)利要求1至7中的一項的方法，其特征在于，通過烷與金屬過渡材料(30)的反應(yīng)，構(gòu)成碳化物阻擋層(28；30a)。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，碳化物阻擋層是通過熱處理鎢W與甲烷在溫度大約1000℃的時候形成的。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，加溫過程大約持續(xù)30分鐘。
11．根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項的方法，其特征在于，通過金屬過渡材料(30)與磷烷的化學(xué)反應(yīng)形成磷化物阻擋層(30a)。
12．根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項的方法，其特征在于，通過B2H6與金屬過渡材料的反應(yīng)形成過渡金屬的硼化物阻擋層(30a)。
13．根據(jù)權(quán)利要求1至12中的一項的方法，其特征在于，觸極栓(16)的上端在半導(dǎo)體本體主表面的下面端接且在半導(dǎo)體本體(10)主表面的方向上引進(jìn)阻擋層(28；30a)。
14．根據(jù)權(quán)利要求1至13中的一項的方法，其特征在于，在半導(dǎo)體本體(10)上或內(nèi)覆蓋了金屬過渡材料(30)之后，只有一部分金屬過渡材料(30)轉(zhuǎn)換成阻擋層(28；30a)。
15．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，觸極栓(16)由金屬過渡材料(30)組成，半導(dǎo)體本體(10)經(jīng)受加溫步驟，于是朝向主表面的觸極栓(16)的上部區(qū)域轉(zhuǎn)換成阻擋層(28；30a)。
16．根據(jù)權(quán)利要求1至15中的一項的方法，其特征在于，在形成存儲電容器的過程中，介電層(22)直接與阻擋層(28)接觸而沒有設(shè)置位于其間的電極層。
17．根據(jù)權(quán)利要求1至16中的一項的半導(dǎo)體元件，其特征在于，該半導(dǎo)體元件具有至少一個根據(jù)方法權(quán)利要求1至16中的一項制造的阻擋層。
18．根據(jù)權(quán)利要求1至16中的一項的半導(dǎo)體元件，其特征在于，半導(dǎo)體本體(10)內(nèi)設(shè)置了大量的存儲電容器。
全文摘要
本方法提出,在半導(dǎo)體本體(10)的觸極栓(16)上設(shè)置一個阻擋層(28;30a),為的是防止觸極栓(16)的氧化。阻擋層(28;30a)根據(jù)本發(fā)明通過一個預(yù)結(jié)構(gòu)化的、金屬過渡材料(30)與至少一種反應(yīng)組分(32)的化學(xué)反應(yīng)來制造。
文檔編號H01L27/105GK1208249SQ9811553
公開日1999年2月17日 申請日期1998年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月27日
發(fā)明者F·欣特邁爾, C·馬祖雷－埃斯佩喬 申請人:西門子公司