专利名称：用于半导体器件的金红石介质材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件，特别涉及改进的介质层及其形成方法。
半导体存储单元包括由晶体管存取从而存储数据的电容器。数据根据电容器的状态存储为高或低位。在进行存取以读出数据时，电容器的充电或未充电表示高或低，电容器充电或放电以将数据写入。
用于半导体存储器的各种电容器中有深沟槽(DT)电容器。深沟槽电容器一般埋置于器件的半导体衬底中，邻近或在存取晶体管之下。
为获得半导体存储器件例如动态随机存取存储器(DRAM)的最佳性能，应使存储沟槽电容器的电容C最大，同时应使到包围电容器的区域的电荷泄漏最小。这些需要决定了电容器极板间应采用高质量的介质材料。
沟槽电容器的电容值由式C＝ε·A/d给出，其中C是电容值，ε是介于电容器极板间材料的介电常数，A是电容器极板的面积，d是隔开电容器极板的介质材料的厚度。
在常规沟槽电容器制造中，一般用氮氧化物作介质材料。氮氧化物材料与电流深沟槽电容器制造工艺和材料能很好地兼容，在形成深沟槽电容器期间的高温处理时(高达1100℃)能保持稳定。然而，氮氧化物的介电常数一般约为7，在不使电容器漏电特性退化条件下不改变电容器几何形状时，不足以得到需要的电容值。
因此，需要一种增大深沟槽电容器电容，同时不使器件漏电特性退化的方法和装置。从上述公式可知，通过利用具有较高介电常数ε同时与深沟槽电容器形成工艺兼容的介质材料，可以实现这个目的。
根据本发明形成半导体器件的方法包括以下步骤在硅衬底上提供深沟槽，深沟槽具有下部，通过用包括金红石相的二氧化钛(TiO2)的介质材料作深沟槽下部的衬里，在深沟槽中形成介质层。
形成半导体存储器件的另一方法包括以下步骤在衬底中提供深沟槽，深沟槽具有下部，在硅衬底上和深沟槽中形成超薄(厚度小于约1nm)的阻挡层例如氮化硅(Si3N4)，淀积二氧化钛(TiO2)层，氧化并退火二氧化钛层，形成金红石晶体结构，用导电填充材料填充深沟槽的一部分，形成存储节点，去掉部分二氧化钛介质层，使二氧化钛层和阻挡层作为深沟槽下部的衬里。
阻挡层厚度优选小于约1nm。形成介质的步骤可以包括用化学汽相淀积工艺淀积金红石(TiO2)。也可以包括在淀积金红石(TiO2)之前提供前体材料的步骤。形成介质层的步骤可以包括通过在深沟槽的下部分淀积TiN层，并氧化TiN层，形成金红石(TiO2)，从而形成介质层。氧化步骤还可以包括等离子氧化TiN层的步骤。氧化步骤可以包括快速热氧化法氧化TiN层的步骤。
半导体器件包括具有形成于其中的沟槽的衬底，形成于沟槽中且容性耦合到衬底的存储节点，和形成于电容器极板间沟槽中的介质层，介质层作为沟槽下部的衬里，其中介质层包括氧化钛。
在另一实施例中，介质层可以包括氮化硅阻挡层。该层的厚度可以小于约1nm。介质层可以包括氧化钛层。氧化钛层的厚度优选在约15nm到约35nm之间。
结合各附图阅读了以下例示本发明实施例的具体介绍后，本发明的这些和其它目的、特点及优点将变得更清楚。
下面结合各附图细介绍本发明的优选实施例，其中
图1是根据本发明的半导体器件的俯视平面图；图2是沿图1的线2-2取的剖面图，展示了本发明的深沟槽电容器结构；图3是为实现本发明制备的深沟槽的剖面图；图4是展示根据本发明在图3的沟槽中淀积的阻挡层的剖面图；图5是展示根据本发明在图4的沟槽中淀积的金红石层的剖面图；图6是图5的沟槽的剖面图，展示了根据本发明改变金红石层结晶结构的处理步骤；图7是图6的沟槽的剖面图，展示了根据本发明淀积于其中的填充材料；图7A是图6的沟槽的剖面图，展示了根据本发明在沟槽中淀积填充材料之前淀积第二阻挡层的另一实施例；图8是图7的沟槽的剖面图，展示了根据本发明的介质。
本发明涉及半导体器件，特别涉及改进的介质层及其形成方法。通过提高介质材料的介电常数，可以得到较高电容，从而增加在存储节点上信息位存储的保持时间。沟槽电容器的电容值可由以下表达式表示C＝εA/d，其中C是电容值，ε是介质材料的介电常数，A是电容器极板的面积，d是介质材料的厚度。假定A是常数，如果ε增大且d减小，则电容值增大。用金红石(氧化钛(TiO2))代替常规介质材料(氮氧化物或氮化物(ON))，电容值可以增大一个量级。这是由于介电常数不同，例如，对于ON，ε约等于7，对于金红石，ε约等于86到约170之间。金红石的ε值和漏电流的量取决于金红石膜的结晶取向和质量。这与这里所述的高淀积和退火温度有关。根据本发明，通过引入金红石作介质，漏电流可以低于10-10Acm-2。
存储单元电容器的电容对于动态随机存取存储器(DRAM)器件的性能来说很重要。一般情况下，深沟槽(DT)技术中用氮化物作介质。氮化物的介电常数约为7。氮化物介质的厚度d已达到其最下限3.5nm，该值在隧穿范围内。DT电容值向着约40fF/单元的最小临界值的调节变得越来越难以用常规工艺实现。
本发明介绍了一种利用金红石作介质材料的装置和方法。金红石的介电常数在具有垂直于表面的光轴(c-轴)的晶体取向时的约86和具有平行于表面的c-轴时的170间。相应地，如果采用类似的节点厚度，电容值至少可以增大一个量级。
具体参见各附图，其中类似的参考数字表示类似或相同的部件，图1和2展示了根据本发明制造的深沟槽电容器10。半导体衬底12包括形成于其中的沟槽(深沟槽)14。衬底12包括阱区16和埋置电容极板18。埋置极板18容性耦合到形成于沟槽14内的存储节点20。存储节点20包括导电材料，例如多晶硅(多晶硅)。根据本发明，沟槽14的下部24用金红石作衬里，在埋置电容器极板18和存储节点20之间形成介质层26。
存储节点20通过埋置细条28电耦合到存取晶体管30。存取晶体管包括优选由氧化硅形成且通过例如硅化钨等金属硅化物和/或多晶硅接触的栅32。在激活栅32时，电荷在扩散区34和36间流动，因而允许电荷通过位线接触40流到位线38和从位线38流出。
存储节点20通过形成于沟槽14中的轴环42与阱区16电隔离。轴环42优选包括氧化硅。存储节点20还通过浅沟槽隔离46与穿通字线栅44隔离。栅32和44优选沿半导体芯片延伸，并形成如图1所示的字线。
参见图3，图3示出了形成金红石介质的方法。沟槽14的腐蚀优选利用反应离子腐蚀(RIE)进行。沟槽14的深度可以为约2到10微米。沟槽14自上而下的形状可以是圆到椭圆形，直径可以在约50和400nm之间。形成沟槽前，氧化衬底12，形成厚约5nm的基层氧化层48(二氧化硅)。在基层氧化层48上淀积基层氮化层50(氮化硅)。基层氮化层50厚可以在约200-240nm范围内。在基层氮化层50上形成例如硼硅玻璃(BSG)的玻璃层52。玻璃层52厚可以为约700nm。应注意，上述尺寸和材料不重要，可以根据需要改变。
基层氧化层48、基层氮化层50和玻璃层52可以统称为基层叠层54。根据已有技术例如光刻法构图并显影基层叠层54。在将要形成沟槽14的位置形成孔，其中基层叠层54的剩余部分作随后形成深沟槽的RIE的硬掩模。
优选采用沟槽侧壁掺杂形成埋置电容极板18。可以采用不同的工艺进行这种掺杂，例如，砷玻璃(ASG)淀积，然后通过扩散推进砷原子，气相掺杂和/或等离子掺杂。轴环42可以在该方法的此阶段例如通过硅局部氧化(LOCOS)工艺或化学汽相淀积(CVD)技术形成。或者，可以在侧壁掺杂前或以下将进一步骤介绍的介质淀积后形成轴环42。
对露出的沟槽侧壁表面进行退火，从侧壁表面上去掉任何自然氧化膜，露出硅衬底12(对于硅衬底来说)的硅。退火步骤优选在约600℃到约800℃的温度范围内，在氢(H2)气氛中进行。
参见图4，形成阻挡层56(即Si3N4)，作为沟槽侧壁14的衬里。该阻挡层56可通过将沟槽暴露于热(约500-700℃)的NH3气氛中形成。氮化硅阻挡层的厚度由暴露于NH3的时间、暴露的容器内的压力和温度控制。优选阻挡层56的厚度形成为低于约1nm。为防止自然氧化物生长，在淀积阻挡层前不应暴露于空气中。阻挡层56用作随后处理步骤中氧化物扩散到沟槽14内露出的硅中的屏障。此外，阻挡层56使从存储节点20到埋置极板18的漏电荷最少。由于阻挡层56优选包括氮化物，其自身是介质层，且其使完成的叠层的介电常数减小，即层56会作为串联电容器。为使此效应最小，优选尽可能薄地形成阻挡层56。例如，阻挡层56的氮化层厚度可以是1nm以下，优选为0.5nm以下。这种薄氮化层有利于例如高达约1100℃的温度等高温下的稳定性。随后的处理步骤中将使用这种温度。
参见图5，在阻挡层56上淀积二氧化钛层58。在一种方法中，层58包括利用化学汽相淀积(CVD)工艺淀积的TiO2。在优选实施例中，在层58淀积前采用前体。前体包括TDMAT(四(二甲胺)钛)、TDEAT(四(乙二胺)钛)、Ti(O-iPr)4(thd)2(二(异丙氧)二(四甲基eptanedionato)钛)或四氯化钛。尽管四氯化钛会导致最保形的淀积，但必须考虑半导体器件中氯沾污。包括TiO2的层58的厚度优选在约15nm到约35nm之间，较好是约25nm。
或者，层58包括利用化学汽相淀积(CVD)工艺淀积的TiN。TiN可高度保形地淀积。包括TiN的层58的厚度优选在约15nm到约30nm之间，较好是约20nm。然后，TiN淀积物优选通过等离子氧化或高温(约800℃-约1000℃)炉氧化转变成TiO2。在氧气气氛中发生以下反应
N2以气消散。为形成良好的绝缘体，必须高度氧化TiN，形成合适的2∶1化学计量的TiO2。
参见图6，一旦淀积和/或形成后，进一步处理层58，使介电常数最大。这可以通过形成二氧化钛层58的需要结晶结构实现。优选的方法包括在例如约750℃-约1000℃等很高的温度下氧化，例如炉或快速热氧化(RTO)。该工艺期间，热动态稳定的TiO2(金红石)结晶结构形成层58。为进一步骤防止该工艺期间氧扩散到衬底12中(无论是否有阻挡层56)，该氧化后，可以加入在例如Ar、He等惰性气氛中的退火步骤。
如图7所示，淀积填充材料60，通过填充沟槽14形成存储节点20。如图7A所示，淀积填充材料前，可以淀积第二氮化硅阻挡层59，以防止填充材料氧化。填充材料60优选多晶硅。通过湿法腐蚀工艺，例如HF腐蚀，去掉未被填充材料60保护区域中的层58和阻挡层56，如图8所示。使填充材料凹下，形成轴环42，如以上所述(图2)。如图8所示，根据本发明，沟槽14中残留的阻挡层56和层58形成介质。如所属领域中已知的那样继续进行其它处理。
通过提高介质材料的介电常数，可得到较高的电容值，从而增加存储节点20上信息位存储的保持时间(图2)。电容值可以增大一个量级。对于金红石来说ε在约86和约170(多晶金红石的介电常数为约110)之间，漏电流的量(取决于金红石膜的结晶取向和质量)减少。根据本发明，通过引入金红石作介质，漏电流可以降低到10-10A-cm-2。
以上介绍了用于半导体器件的金红石介质的新颖装置和方法的优选实施例(意在例示而非限制)，应注意，所属领域的技术人员在上述教导下可以做出改形和改变。因此，应理解，对所附权利要求界定的本发明范围和精神内所公开的本发明的特定实施例可以进行变化。根据专利法的具体和特定要求对本发明进行了介绍，所要求和需要受专利保护的内容记载于所附权利要求书中。
权利要求
1.一种形成半导体器件的方法，包括以下步骤在衬底中提供深沟槽，深沟槽具有下部；及通过用介质层作深沟槽下部的衬里，在深沟槽中形成介质层，该介质层包括金红石晶体形式的二氧化钛。
2.根据权利要求1的方法，还包括在氢气氛退火衬底，以去掉衬底表面上的自然氧化膜的步骤，所说退火在提供所说沟槽和形成所说介质层的步骤之间进行。
3.根据权利要求2的方法，还包括在所说退火步骤后形成阻挡层的步骤。
4.根据权利要求3的方法，其中形成所说阻挡层的所说步骤包括在至少约500℃-最多约700℃的温度范围内，将所说沟槽暴露于HN3气氛中的步骤。
5.根据权利要求4的方法，其中所说退火步骤和形成所说阻挡层的所说步骤在普通容器中进行。
6.根据权利要求3的方法，其中阻挡层的厚度小于约1nm。
7.根据权利要求1的方法，其中形成介质层的步骤包括利用化学汽相淀积淀积二氧化钛的步骤。
8.根据权利要求7的方法，还包括以下步骤氧化二氧化钛层；及退火二氧化钛层，从而得到合适的1∶2化学计量的金红石结构。
9.根据权利要求8的方法，还包括在淀积金红石(TiO2)前提供前体材料的步骤。
10.根据权利要求1的方法，其中形成介质层的步骤包括通过以下步骤形成介质在深沟槽的下部中淀积TiN层；及氧化TiN层，形成金红石(TiO2)。
11.根据权利要求10的方法，其中氧化步骤包括通过等离子氧化来氧化TiN层的步骤。
12.根据权利要求10的方法，其中氧化步骤包括通过快速热氧化来氧化TiN层的步骤。
13.一种形成半导体存储器件的方法，包括以下步骤在衬底中提供深沟槽，深沟槽具有下部；在氢气氛中退火衬底；将所说沟槽暴露于HN3气氛，形成第一阻挡层；在深沟槽中形成二氧化钛金红石介质层；在所说金红石层上淀积第二阻挡层；用导电填料至少局部填充深沟槽，从而形成存储节点；及去掉部分介质层，从而金红石和阻挡层作为深沟槽下部的衬里。
14.根据权利要求13的方法，其中所说形成金红石层的步骤包括以下步骤在深沟槽中淀积一层二氧化钛；氧化二氧化钛层；及退火二氧化钛层，得到金红石晶体结构。
15.根据权利要求14的方法，其中所说退火步骤在约750℃到约1050℃的温度范围内进行。
16.根据权利要求13的方法，其中所说第一阻挡层的厚度小于约1nm。
17.根据权利要求14的方法，其中淀积二氧化钛层的步骤包括化学汽相淀积工艺。
18.根据权利要求17的方法，还包括在形成所述金红石层的所说步骤之前提供前体材料的步骤。
19.根据权利要求13的方法，其中形成二氧化钛金红石层的步骤包括以下步骤在深沟槽中淀积TiN层；及氧化TiN层，形成金红石(TiO2)。
20.根据权利要求19的方法，其中氧化步骤包括通过等离子氧化来氧化TiN层的步骤。
21.根据权利要求19的方法，其中氧化步骤包括通过快速热氧化来氧化TiN层的步骤。
22.一种半导体器件，包括具有形成于其中的沟槽的衬底；形成于沟槽中且容性耦合到衬底的存储节点；及形成于存储节点和衬底之间的沟槽中的介质层，该介质层作为沟槽下部的衬里，其中介质层包括氧化钛。
23.根据权利要求22的半导体器件，其中介质层包括氮化物层。
24.根据权利要求23的半导体器件，其中氮化物层的厚度小于1nm。
25.根据权利要求22的半导体器件，其中氧化钛层的厚度在约15nm到约35nm之间。
全文摘要
根据本发明形成半导体器件的方法包括以下步骤:在衬底中提供深沟槽,深沟槽具有下部,通过用介质层作衬里,在深沟槽中形成介质层,该介质层包括钛。一种半导体器件包括具有形成于其中的沟槽的衬底;形成于沟槽中且容性耦合到衬底的存储节点;及形成于存储节点和衬底之间的沟槽中的介质层,该介质层作为沟槽下部的衬里,其中介质层包括氧化钛。
文档编号H01L21/8242GK1270414SQ9912482
公开日2000年10月18日 申请日期1999年11月17日 优先权日1998年11月17日
发明者A·迈克尔斯 申请人:西门子公司