专利名称：半导体存储器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体存储器件以及制造这种器件的一种方法，更具体地讲是涉及包括由绝缘金属氧化物形成的电容器薄膜的半导体存储器件及其制造方法。
随着数字技术的发展，已产生了处理和存储大容量数据的趋势，这使得提高了电子装置的复杂化，并且对于这些装置中使用的半导体器件，半导体元件尺寸已大为减小。
顺应这种趋势，为了实现动态RAM的更高集成度，采用高介电性材料替代常规的氧化硅或氮化硅制造绝缘电容器薄膜的技术正得到了广泛地研究和开发。
此外，为了获得能够低压工作并且具有高读出/写入速度的实用的非易失性RAM，对具有自发极化特性的铁电薄膜的研究和开发正在积极地进行。
为了实现这种半导体存储器件，最重要的任务是开发一种工艺，这种工艺能够在不降低特性的情况下将电容器元件集成于CMOS集成电路上。
下面将参照图6对常规的半导体存储器件500及其制造方法进行说明。
如图6中所示，半导体存储器件500包括一个半导体衬底33，衬底上形成有一个晶体管34，此晶体管包括源极和漏极区21以及栅极22。为覆盖半导体衬底33的整个表面，形成有第一保护性绝缘薄膜23。
在第一保护性绝缘薄膜23上形成有一个数据存储电容器元件35。此电容器元件35包括下电极24、由绝缘金属氧化物形成的电容器薄膜25和上电极26。
为覆盖数据存储电容器元件35，形成有一个具有互连层功能的氢阻挡层27。为覆盖第一保护性绝缘薄膜23和氢阻挡层27的整个表面，形成有第二保护性绝缘薄膜28。
通过蚀刻第二保护性绝缘薄膜28和氢阻挡层27，形成有多个接触孔29和一个接触孔30，接触孔29部分地使上电极26暴露，接触孔30部分地使下电极24暴露。通过蚀刻第一保护性绝缘薄膜23和第二保护性绝缘薄膜28，形成有多个接触孔31，接触孔31部分地使晶体管34暴露。最后，在预定的位置中形成一个互连层32，它连接晶体管34和电容器元件35。
在此常规的半导体存储器件500中，为了覆盖电容器元件35，形成有氢阻挡层27。由于氢阻挡层27是由这样的材料形成的，即这种材料在互连层32形成之后的工艺中起到阻挡氢的作用，因此氢阻挡层27能够抑制电容器元件35的特性降低，这种特性降低是由绝缘金属氧化物形成的电容器薄膜25的还原反应引起的。
不过，本发明的发明人已经发现，上述的常规方法在形成互连层32之前的工艺中还存在另一个没有解决的问题。现在参照图7A-7D说明这个问题。
如图7A中所示，为了形成通过第二保护性绝缘薄膜28和氢阻挡层27(它形成在由铂形成的上电极26上)的接触孔29，在第二保护性绝缘薄膜28上形成有一个抗蚀剂层61。
如图7B中所示，随后采用氧等离子体，抗蚀剂层61被去除。在这个工艺中，在去除抗蚀剂层61的过程中产生的OH基62的一部分，通过上电极26的表面26A上的催化反应而分解。结果，如图7C中所示，产生了活性的氢63。
如图7C中所示，活性的氢63分(扩)散于上电极26中。结果，如图7D中所示，氢63分散于电容器元件35中。这意味着，通过接触孔29和接触孔30，活性的氢63分散于电容器薄膜25中。这使得由绝缘金属氧化物形成的电容器薄膜25还原，并且由此使得电容器元件35的特性变差。
在为形成接触孔31(此接触孔使得均由铂形成的上电极26和下电极24暴露)而进行的蚀刻步骤之后，在采用O2等离子体去除抗蚀剂层61的步骤中，在上电极26的表面26A和下电极24的表面24A上不可避免地会产生催化反应引生的活性氢63，如图8中所示。
常规半导体存储器件500不能抑制这种催化反应。因此，常规半导体存储器件500存在由于绝缘金属氧化物形成的电容器薄膜25的还原反应导致电容器元件35的特性降低的问题。
根据本发明的一个方面，一种半导体存储器件包括一个半导体衬底，它包括一个晶体管；第一保护性绝缘薄膜，用于覆盖半导体衬底；至少一个数据存储电容器元件，其形成在第一保护性绝缘薄膜上；第二保护性绝缘薄膜，用于覆盖第一保护性绝缘薄膜和电容器元件；一个氢阻挡层；和一个互连层，用于电连接晶体管和电容器元件，其中，电容器元件包括一个下电极，它形成在第一保护性绝缘薄膜上；一层电容器薄膜，它形成在下电极上；以及一个上电极，它形成在电容器薄膜上，电容器薄膜包括一种绝缘金属氧化物，第二保护性绝缘薄膜具有到达上电极的第一接触孔和到达下电极的第二接触孔，并且氢阻挡层设置在第一和第二接触孔中，以不暴露上电极和下电极。
在本发明的另一实施例中，氢阻挡层包括一种材料，这种材料是导电的并且不会导致催化反应引生活性氢。氢阻挡层包括至少一种从下列材料组中选出的材料氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌或氧化铑。绝缘金属氧化物包括至少一种从下列材料组中选出的材料具有带铋覆层的钙钛矿结构的铁电材料、锆酸钛酸铅、钛酸锶钡或五氧化钽。上电极和下电极各自包括至少一种从下列材料组中选出的材料铂、铱、钌和铑。
根据本发明的一个方面，一种制造半导体存储器件的方法包括以下步骤形成第一保护性绝缘薄膜，用于覆盖一个半导体衬底，此衬底包括一个晶体管；在第一保护性绝缘薄膜上形成至少一个数据存储电容器元件，数据存储电容器元件包括一个下电极、一层由绝缘金属氧化物形成的电容器薄膜和一个上电极；形成第二保护性绝缘薄膜，用于覆盖第一保护性绝缘薄膜和电容器元件；形成到达上电极的第一接触孔和到达下电极的第二接触孔；在第一和第二接触孔中形成一个氢阻挡层，以不暴露上电极和下电极；在第二保护性绝缘薄膜和氢阻挡层上形成一个抗蚀剂层，并且形成到达晶体管的第三接触孔；和形成一个互连层，用于电连接电容器元件和晶体管。
在本发明的一个实施例中，还包括以下步骤采用氧等离子体灰化去除抗蚀剂层。
根据本发明，通过用氢阻挡层镶衬在到达上电极和下电极的接触孔内，可以抑制在采用氧等离子体去除抗蚀剂层的过程中发生的上电极和下电极表面上的催化反应引生氢，并且防止由于电容器薄膜的还原反应引起的电容器元件的特性降低。
根据本发明，还可以抑制上电极和下电极表面上的催化反应引生氢以及保证在上电极和下电极连接至互连层的部分的良好导电性。
在形成到达上电极和下电极的接触孔之后，在采用氧等离子体去除抗蚀剂层的过程中，在上电极和下电极的表面上会产生催化反应引生的氢，根据本发明，即使产生催化反应，也可以通过在氧气氛中热处理而使电容器薄膜再次氧化。
在形成到达晶体管的接触孔之后，采用氧等离子体去除抗蚀剂层。不过，根据本发明，在这个工艺过程中，在上电极和下电极的表面上不会产生催化反应，因为氢阻挡层已经形成，从而覆盖了上电极和下电极，使得在抗蚀剂去除过程中上电极和下电极不暴露。由此电容器薄膜不还原。
因此，获得了具有优异特性的电容器元件。
由此，这里描述的本发明使得可以有益地提供具有简单的结构的半导体存储器件以及制造这种半导体存储器件的方法，通过抑制在铂表面上催化反应引生的活性氢，并且由此抑制因为由绝缘金属氧化物形成的电容器薄膜的还原反应导致的电容器元件的特性降低。
对于本领域的普通技术人员而言，在阅读和理解参照附图所做的以下详细说明的基础上，本发明的这些和其它优点将变得很清楚，附图中
图1是根据本发明的一个例子的半导体存储器件的局部剖视图；图2A-2C是显示图1中所示的半导体存储器件的制造方法的剖视图；图3是图1中所示的半导体存储器件的制造方法的流程图；图4是一个曲线图，用于比较根据本发明的电容器元件和常规的电容器元件的剩余极化强度；图5是一个曲线图，用于比较根据本发明的半导体器件和常规的半导体器件的差错比特发生率；图6是常规的半导体存储器件的局部剖视图；图7A-7D是剖视图，用于显示在图6中所示的常规半导体存储器件的制造过程中缺陷产生的机理；图8是图6中所示的常规半导体存储器件的剖视图，所示状态是处于产生缺陷的制造步骤中。
下面将参照图1、2A、2B、2C和3描述本发明的一个例子。图1是根据本发明的一个例子的半导体存储器件100的局部剖视图。图2A-2C是半导体存储器件100的剖视图，用于显示其制造方法。图3是半导体存储器件100的制造方法的流程图。
参照图1，半导体存储器件100包括一个半导体衬底41，其中形成一个晶体管42；第一保护性绝缘薄膜3，用以覆盖半导体衬底41；一个数据存储电容器元件43，它形成在第一保护性绝缘薄膜3上；以及第二保护性绝缘薄膜7，用以覆盖第一保护性绝缘薄膜3和数据存储电容器元件43。
数据存储电容器元件43包括一个下电极4，它形成在第一保护性绝缘薄膜3上；一层电容器薄膜5，它形成在下电极4上；以及一个上电极6，它形成在电容器薄膜5上。电容器薄膜5包括绝缘金属氧化物。
第二保护性绝缘薄膜7具有多个接触孔8和一个接触孔9，接触孔8穿过薄膜7到达上电极6，接触孔9穿过薄膜7到达下电极4。
半导体存储器件100还包括分别镶衬接触孔8和9的氢阻挡层10和11。氢阻挡层10是如此形成的，即，上电极6不被暴露。氢阻挡层11是如此形成的，即，下电极4不被暴露。
半导体存储器件100还包括一个互连层13，用于电连接晶体管42和数据存储电容器元件43。晶体管42包括源极和漏极区1以及栅极区2。
下面将参照图2A-2C和图3描述制造该半导体存储器件100的方法。
参照图2A，第一保护性绝缘薄膜3形成为覆盖半导体衬底41的整个表面(步骤S301)，而在衬底41中形成有包括源极和漏极区1以及栅极区2的晶体管42。
随后，通过溅射方法，在第一保护性绝缘薄膜3上由铂形成下电极4；通过金属有机分解方法或溅射方法，由SrBi2(Ta1-xNbx)O9形成电容器薄膜5；并且通过溅射方法，由铂形成上电极6。此后，通过于蚀刻方法，将下电极4、电容器薄膜5和上电极6处理成各自预定的形状，并且由此形成数据存储电容器元件43(步骤S302)。
随后，第二保护性绝缘薄膜7形成为覆盖第一绝缘薄膜3和数据存储电容器元件43的整个表面(步骤S303)。随后，在第二保护性绝缘薄膜7的整个表面上形成一个抗蚀剂层(未示出)，并且通过光刻方法，在抗蚀剂层上形成一个掩模图形(未示出)，此图形用于形成接触孔8和9。此后，根据掩模图形对第二保护性绝缘薄膜7进行处理，以形成接触孔8和接触孔9(步骤S304)。
随后，采用氧等离子体，灰化去除抗蚀剂层，并且接着对所得到的各层进行热处理，热处理是在650℃的温度下在氧气氛中进行的(步骤S305)。
参照图2B，然后，通过溅射方法，在所得到的各层的整个表面上形成氮化钛层，用以形成氢阻挡层10和11。通过光刻方法，在氮化钛层上形成一个掩模图形(未示出)，以便形成氢阻挡层10和11，从而防止接触孔8下面的上电极6和接触孔9下面的下电极4曝光。随后，根据掩模图形，通过干蚀刻方法对氮化钛层进行处理，使氢阻挡层10镶衬接触孔8并且氢阻挡层11镶衬在接触孔9内(步骤S306)。
参照图2C，随后，在第二保护性绝缘薄膜7以及氢阻挡层10和11的整个表面上形成一个抗蚀剂层(未示出)，并且通过光刻方法，在抗蚀剂层上形成一个掩模图形(未示出)，用于形成到达晶体管42的接触孔12。接着，根据掩模图形，通过采用干蚀刻方法对第一保护性绝缘薄膜3和第二保护性绝缘薄膜7进行处理，形成接触孔12(步骤S307)。
然后，采用氧等离子体，灰化去除抗蚀剂层(步骤S308)。最后，通过按照图2C中所示的次序，在接触孔12中和第二保护性绝缘薄膜7上淀积钛、氮化钛、铝和氮化钽，形成互连层13，以便电连接数据存储电容器元件43和晶体管42(步骤S309)。
半导体存储器件100具有多个电容器元件部分，这些部分具有各自的地址编号A0、A1...An，如图1中所示。如上所述，根据这个例子，在灰化(去除抗蚀剂层)之后，电容器薄膜5可以通过在氧气氛中热处理而再次氧化，即使在形成接触孔8和9之后采用氧等离子体灰化去除抗蚀剂层时，在上电极6和下电极4的表面上产生催化反应引生的氢，也会因再次氧化而被去除。按这种方式，就制成了半导体存储器件100。
另外，根据这个例子，由于氢阻挡层10和11形成为实质上完全覆盖接触孔8和9，以致于当在形成接触孔12之后采用氧等离子体灰化去除抗蚀剂层时不会使上电极6和下电极4暴露，这样在上电极6和下电极4的表面上就不会产生催化反应引生的氢，并且因此电容器薄膜不会还原(反应)。
下面将对常规半导体存储器件500和根据本发明的半导体存储器件100之间的特性比较的结果进行说明。
图4是一个曲线图，用于比较根据本发明的电容器元件43和常规的电容器元件的剩余极化强度。
这个曲线图的水平轴代表图1中所示的多个地址编号中的每一个，垂直轴代表数据存储电容器元件43的剩余极化强度。如图1中所示，地址编号A0、A1、A2...An是从最靠近下电极4上方的接触孔9的电容器元件部分开始顺序编号的。在本说明书中，具有地址编号A0的电容器元件部分将被称为电容器元件部分A0，具有地址编号A1的电容器元件部分将被称为电容器元件部分A1，其它依此类推。
在图4中，线51表示半导体存储器件500的剩余极化强度，线52表示仅设置有镶衬接触孔8并到达上电极6的氢阻挡层的半导体器件的剩余极化强度，线53为根据本发明的半导体存储器件100的剩余极化强度。
参照图4，可以发现，对于由线51表示的半导体存储器件500，在全部电容器元件部分A0-An中的剩余极化强度约为5μC/cm2，这表明了显著的特性降低。这是因为在上电极6和下电极4的表面上产生了催化反应，使得电容器薄膜5还原反应。
对于由线52表示的半导体存储器件，在靠近下电极4的电容器元件部分A0和A1中，特性降低可由剩余极化强度的降低来表示。这是因为由于接触孔9内下电极4表面上的催化反应使得氢63从接触孔9扩散到达数据存储电容器元件部分A0和A1，并且由此引起了电容器薄膜5的还原反应。
在根据本发明的这个例子的半导体存储器件100中，在接触孔8内的上电极6和接触孔9内的下电极4的表面上，设置有由氮化钛形成的氢阻挡层10和11，正如线53所示的，在如何电容器元件部分中都没有产生可由剩余极化强度的降低表示的特性降低。这是因为在上电极6和下电极4上有效地防止了催化反应引生氢，因此没有发生电容器元件5的还原反应。
图5是一个曲线图，用于比较根据本发明的半导体器件100和常规的半导体器件的差错比特发生率。
这个曲线图的水平轴代表图1中所示的多个地址编号中的每一个，垂直轴代表差错比特发生率。线54表示半导体存储器件500的差错比特发生率，线55表示仅在上电极6上的接触孔8中设置氢阻挡层的半导体器件的差错比特发生率，线56为根据本发明的半导体存储器件100的差错比特发生率。
对于由线54表示的半导体存储器件500，全部电容器元件部分A0-An都呈现出100％的差错比特发生率，这是由于由剩余极化强度的降低所表示的显著的特性降低。对于由线55表示的半导体存储器件，在靠近到达下电极4的接触孔9的电容器元件部分A0和A1中产生了差错。对于由线56表示的本发明的半导体存储器件，在全部电容器元件部分A0-An中差错率都达到0％。
因此，根据这个例子能够理解，半导体存储器件的特性大大地改善了。图5示出了图1中所示的电容器元件的特性。
正如图4和5中的实验结果所显示的，根据这个例子获得了包含具有优异特性的电容器元件的半导体存储器件。
虽然在根据这个例子的半导体存储器件100的制造步骤中，灰化(去除抗蚀剂)之后的热处理是在650℃温度下在氧气氛中进行的，但本发明不局限于这个条件。只要温度在600-850℃范围内，电容器薄膜的氧化就是可能的，由此就可获得相似的效果。
虽然在这个例子中，采用氮化钛作为氢阻挡层10和11，但本发明不局限于这种材料。只要是不会导致催化反应引生氢并且具有良好的传导性的材料，都可以实现相似的效果，例如，采用氮化钽、氧化铱、氧化钌或氧化铑，或者顺序地淀积这些材料中的至少两种。
虽然在这个例子中，采用SrBi2(Ta1-xNbx)O9作为电容器薄膜5，但本发明不局限于这种材料。采用其它材料也可以实现相似的效果，例如，具有带铋覆层的钙钛矿结构的铁电材料、锆酸钛酸铅、钛酸锶钡或五氧化钽。
根据这个例子，采用铂作为上电极6和下电极4，但本发明不局限于这种材料。采用包括具有铱、钌或铑、或者这些材料的组合的淀积层的电极也可以实现相似的效果。
如上所述，根据本发明，在采用氧等离子体去除抗蚀剂层的过程中发生的上电极和下电极表面上的催化反应引生氢被抑制，这减轻了由于电容器薄膜的还原反应引起的特性降低。因此，通过一种更简单的方法获得具有更好的特性的半导体存储器件是可能的。
对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，各种其它的变换方式将是清楚的和容易作出的。因此，所附权利要求的范围不是要局限于以上的说明，而是应当从宽的范围上进行解释。
权利要求
1.一种半导体存储器件，包括一个半导体衬底，它包括一个晶体管；第一保护性绝缘薄膜，用于覆盖半导体衬底；至少一个数据存储电容器元件，其形成在第一保护性绝缘薄膜上；第二保护性绝缘薄膜，用于覆盖第一保护性绝缘薄膜和电容器元件；一个氢阻挡层；和一个互连层，用于电连接晶体管和电容器元件，其中电容器元件包括一个下电极，它形成在第一保护性绝缘薄膜上；一层电容器薄膜，它形成在下电极上；以及一个上电极，它形成在电容器薄膜上，电容器薄膜包括一种绝缘金属氧化物，第二保护性绝缘薄膜具有到达上电极的第一接触孔和到达下电极的第二接触孔，并且氢阻挡层设置在第一和第二接触孔中，以不暴露上电极和下电极。
2.根据权利要求1的半导体存储器件，其中，氢阻挡层包括一种材料，这种材料是导电的并且不会导致催化反应引生活性氢。
3.根据权利要求1的半导体存储器件，其中，氢阻挡层包括至少一种从下列材料组中选出的材料氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌或氧化铑。
4.根据权利要求1的半导体存储器件，其中，绝缘金属氧化物包括至少一种从下列材料组中选出的材料具有带铋覆层的钙钛矿结构的铁电材料、锆酸钛酸铅、钛酸锶钡或五氧化钽。
5.根据权利要求1的半导体存储器件，其中，上电极和下电极各自包括至少一种从下列材料组中选出的材料铂、铱、钌和铑。
6.一种制造半导体存储器件的方法，包括以下步骤形成第一保护性绝缘薄膜，用于覆盖一个半导体衬底，此衬底包括一个晶体管；在第一保护性绝缘薄膜上形成至少一个数据存储电容器元件，数据存储电容器元件包括一个下电极、一层由绝缘金属氧化物形成的电容器薄膜和一个上电极；形成第二保护性绝缘薄膜，用于覆盖第一保护性绝缘薄膜和电容器元件；形成到达上电极的第一接触孔和到达下电极的第二接触孔；在第一和第二接触孔中形成一个氢阻挡层，以不暴露上电极和下电极；在第二保护性绝缘薄膜和氢阻挡层上形成一个抗蚀剂层，并且形成到达晶体管的第三接触孔；和形成一个互连层，用于电连接电容器元件和晶体管。
7.根据权利要求6的制造半导体存储器件的方法，还包括以下步骤采用氧等离子体灰化去除抗蚀剂层。
全文摘要
一种半导体存储器件包括:一个含晶体管的半导体衬底;第一保护性绝缘薄膜;至少一个数据存储电容器元件;第二保护性绝缘薄膜;一个氢阻挡层;和一个互连层,用于电连接晶体管和电容器元件,其中,电容器元件包括:一个下电极,它形成在第一保护性绝缘薄膜上;一层电容器薄膜,它形成在下电极上;一个上电极,它形成在电容器薄膜上,电容器薄膜包括一种绝缘金属氧化物,第二保护性绝缘薄膜具有到达上电极的第一接触孔和到达下电极的第二接触孔,氢阻挡层设置在第一和第二接触孔中,以不暴露上电极和下电极。
文档编号H01L21/8246GK1257310SQ9912774
公开日2000年6月21日 申请日期1999年12月3日 优先权日1998年12月3日
发明者长野能久, 田中圭介, 那须彻 申请人:松下电子工业株式会社