СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2001 года по МПК H01L21/8242 

Изобретение относится к способу изготовления полупроводникового устройства, в частности, к способу изготовления полупроводникового запоминающего устройства, имеющего структуру типа "конденсатор на металле" (КНМ-структуру).

Для повышения степени интеграции динамического ОЗУ важно интегрировать как можно больше устройств на минимальной площади.

В ячейке динамического ОЗУ следующего поколения, имеющей информационную емкость 1 Гбит, площадь ячейки памяти, состоящей из транзистора и конденсатора, составляет не более 0,3 мкм², т.е. равна площади одного контактного окна для подсоединения металлических токопроводящих дорожек в ячейке динамического ОЗУ емкостью 1 Мбит. Поэтому вряд ли возможно формирование транзисторов, конденсаторов и контактных окон для межсоединений с помощью обычной технологии изготовления единичной ячейки на упомянутой выше малой площади.

Для формирования ячейки памяти емкостью 1 Гбит требуется трехмерная структура ячейки, чтобы преодолеть ограничения по площади, так как контактные окна для обеспечения контакта с транзистором, конденсатором и областями истока и стока должны быть включены в площадь не более 0,3 мкм³. Поэтому необходимо заменить двухмерную структуру ячейки на трехмерную. При этом размер единичной ячейки уменьшается в поперечном направлении и тем самым уменьшается площадь контакта. Так как пропорциональное уменьшение в вертикальном направлении незначительно, возрастает коэффициент сжатия контактных окон и сопротивление на контактах, что накладывает серьезные ограничения на разработку устройства. Уменьшение размера контактов и увеличение коэффициента сжатия вызывают увеличение контактного сопротивления.

Чтобы гарантировать необходимую электрическую емкость ячейки при узкой площади, необходимо использовать материал с высокими диэлектрическими свойствами или же увеличить высоту накопительного узла ячейки. В частности, в динамическом ОЗУ, в котором конденсатор имеет структуру типа "конденсатор над разрядной шиной" (КНРШ-структуру), можно гарантировать емкость конденсатора ячейки на ограниченной площади за счет формирования разрядной шины с последующим формированием конденсатора ячейки на разрядной шине.

На фиг. 1 представлен схематический вид в разрезе части структуры традиционного динамического ОЗУ с использованием КНРШ-структуры, в которой область матрицы ячеек контактирует с областью периферийной схемы.

В дальнейшем со ссылкой на фиг. 1 описывается общая структура динамического ОЗУ с КНРШ-структурой. Конденсатор получают посредством формирования накопительного контактного окна в первой диэлектрической пленке 20, разделяющей проводящие слои, на полупроводниковой подложке 10, в которой сформирована словарная шина 12, и формирования электрода 24 накопления, диэлектрической пленки 26 и плоского электрода 28. В конденсаторе накопительный контакт и электрод 24 накопления формируются одновременно. Накопительный контакт выполняется в виде штырька из легированного поликристаллического кремния, который идентичен материалу для формирования электрода накопления. Затем, после покрытия конденсатора второй диэлектрической пленкой 30, разделяющей проводящие слои, и формирования контактного окна во второй диэлектрической пленке 30 и первой диэлектрической пленке 20, разделяющих проводящие слои, формируется первый слой 32 разводки из материала типа вольфрама в виде слоя металлической разводки первого уровня для локального межсоединения. Затем, на следующих технологических этапах могут быть сформированы второй слой 34 разводки и третий слой 36 разводки за счет введения соответствующих диэлектрических пленок, разделяющих проводящие слои.

В полупроводниковом устройстве с КНРШ-структурой, выполненном как было описано выше, высота ступени между областью матрицы ячеек и областью периферийной схемы увеличивается с увеличением высоты электрода накопления для повышения емкости конденсатора. Если слой металлической разводки первого уровня, сформированный после формирования конденсатора, точно соответствует проектной норме, тогда толщина слоя металлической разводки и вертикального шага, полученного за счет добавлений межслойных диэлектрических пленок, возрастает с увеличением степени интеграции полупроводникового устройства, усложняя процессы формирования металлической разводки.

Для решения указанной выше проблемы применяется КНМ-структура, в которой конденсатор формируют на слое металлической разводки первого уровня после формирования слоя металлической разводки, описанная в работе "Новая ячейка с КНМ-структурой для динамического ОЗУ емкостью до 256 Мбит" J.Y.Yoon et al., 1994 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, pp. 135-136. В описанной КНМ-структуре обеспечивается возможность уменьшения вертикального шага слоя металлической разводки и гарантия заданной электрической емкости ячейки.

В технологических процессах, описанных в работе J.Y.Yoon et al., этапы формирования слоя металлической разводки первого уровня и накопительного контакта выполняются отдельно.

Изобретение решает задачу создания способа изготовления полупроводникового устройства со структурой типа "конденсатор на металле" (КНМ-структурой), использующего более простую технологию.

Эта и другие задачи и преимущества изобретения достигаются за счет предложенного способа формирования полупроводникового устройства. Способ включает формирование разрядной шины, соединенной с активной областью полупроводниковой подложки. Полупроводниковая подложка имеет транзистор, выполненный в области матрицы ячеек и области периферийной схемы и покрытый диэлектрическими пленками, разделяющими проводящие слои. Затем на полученной структуре из первого электроизоляционного материала формируется первый защитный слой для покрытия разрядной шины. Первая диэлектрическая пленка, разделяющая проводящие слои и экспонирующая верхнюю поверхность первого защитного слоя, формируется на всей поверхности полученной структуры с использованием второго электроизоляционного материала. Второй электроизоляционный материал имеет отношение скоростей травления, отличающееся от отношения скоростей травления первого электроизоляционного материала. Затем на первом защитном слое и первой электроизоляционной диэлектрической пленке, разделяющей проводящие слои, формируется второй защитный слой из третьего электроизоляционного материала. Первое контактное окно для накопительного контакта, электрически связанного с активной областью полупроводниковой подложки, и второе контактное окно для металлического контакта для локального межсоединения формируются последовательно в области матрицы ячеек и области периферийной схемы с помощью фотолитографии. Затем формируется проводящий слой посредством осаждения металла на всю поверхность полученной структуры для заполнения первого и второго контактных окон. После этого формируется штырек в первом контактном окне путем удаления проводящего слоя кроме той части, которая заполняет первое контактное окно в области матрицы ячеек. Следующим формируется слой разводки на верхней части второго контактного окна путем формирования рисунка проводящего слоя в области периферийной схемы. Формируется вторая диэлектрическая пленка, разделяющая проводящие слои, только в области периферийной схемы в полученной структуре с использованием четвертого электроизоляционного материала. Четвертый электроизоляционный материал имеет отношение скоростей травления, отличающееся от отношения скоростей травления третьего электроизоляционного материала. После этого электрод накопления из первого проводящего материала формируется на верхней части штырька в области матрицы ячеек. Затем на поверхности электрода накопления формируется диэлектрическая пленка. После этого на диэлектрической пленке формируется плоский электрод из второго проводящего материала.

Изобретение позволяет упростить эту технологию изготовления и уменьшить высоту ступени между областью матрицы ячеек и областью периферийной схемы за счет того, что полупроводниковое устройство с КНМ-структурой получают путем одновременного формирования накопительного контакта в области матрицы ячеек и металлического контакта для локального межсоединения в области периферийной схемы.

Все задачи, решаемые настоящим изобретением, и преимущества станут более очевидными и понятными из представленного ниже подробного описания предпочтительного варианта его реализации со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схематический вид в разрезе, иллюстрирующий структуру традиционного полупроводникового устройства с использованием структуры с конденсатором над разрядной шиной (КНРШ-структуры), в которой область матрицы ячеек контактирует с областью периферийной схемы;
фиг. 2-8 - виды в разрезе, последовательно иллюстрирующие операции способа изготовления полупроводникового устройства со структурой типа "конденсатор на металле" (КНМ-структурой) согласно предпочтительному варианту изобретения;
фиг. 9 - график, на котором контактное сопротивление слоя металлической разводки, изготовленного предложенным способом, сравнивается с контактным сопротивлением слоя металлической разводки, изготовленного традиционным способом, и
фиг. 10 - график, на котором контактное сопротивление накопительного контакта в полупроводниковом устройстве, изготовленном предложенным способом, сравнивается с контактным сопротивлением накопительного контакта в полупроводниковом устройстве, изготовленном традиционным способом.

На фиг. 2 изображены этапы формирования разрядной шины 122 и первого защитного слоя 124 на полупроводниковой подложке 100. Первый защитный слой 124 для покрытия разрядной шины 122 формируется путем выполнения разрядной шины 122 как первого проводящего слоя, связанного с активной областью полупроводниковой подложки 100 через диэлектрические пленки 110 и 120, разделяющие проводящие слои, на полупроводниковой подложке 100, на которой формируются требуемые устройства 102, такие как транзистор, при этом первый электроизоляционный слой формируется на всей поверхности полученной структуры с использованием первого электроизоляционного материала, такого как Si₃N₄, и электроизоляционный материал подвергается анизотропному травлению.

На фиг. 3 показаны этапы формирования первой диэлектрической пленки 130, разделяющей проводящие слои, и второго защитного слоя 134. Второй защитный слой 134 получают путем формирования электроизоляционной пленки, такой как оксидная пленка, с помощью химического осаждения из паровой фазы на всей поверхности полученной структуры с использованием второго электроизоляционного материала, имеющего отношение скоростей травления, отличающееся от отношения скоростей травления первого электроизоляционного материала, при этом первая диэлектрическая пленка 130, разделяющая проводящие слои и экспонирующая верхнюю поверхность первого защитного слоя 124, формируется путем выравнивания поверхности оксидной пленки с помощью химико-механического полирования (ХМП), при котором первый защитный слой 124 служит слоем, тормозящим травление, и формирования второго электроизоляционного слоя на всей поверхности полученной структуры с использованием третьего электроизоляционного материала, такого как Si₃N₄.

На фиг. 4 изображены этапы одновременного формирования контактного окна d1 для образования накопительного контакта в области матрицы ячеек и контактных окон d2, d3 и d4 для образования металлического контакта в области периферийной схемы. Контактное окно d1 для образования накопительного контакта, электрически связанного с активной областью полупроводниковой подложки 100, формируется в области матрицы ячеек структуры, полученной на фиг. 3, с применением фотолитографии, а контактные окна d2, d3 и d4 для образования металлического контакта для частичного межсоединения формируются в области периферийной схемы.

На фиг. 5 показаны операции формирования штырька e1 для образования накопительного контакта в области матрицы ячеек и слоев e2, e3 и e4 разводки в области периферийной схемы. Второй проводящий, слой формируется путем осаждения металла, обладающего высокими заполняющими свойствами, например, вольфрама (W) или олова, методом химического осаждения из паровой фазы, для заполнения внутренней части контактных окон d1, d2, d3 и d4, открытых на полученной структуре на фиг. 4. Штырек e1 для образования накопительного контакта формируется в контактном окне d1 в области матрицы ячеек за счет вытравливания второго проводящего слоя с помощью фотолитографии. Слои e2, e3 и e4 разводки сформированы в верхних частях контактных окон d2, d3 и d4 для образования локального межсоединения путем формирования рисунка второго проводящего слоя в области периферийной схемы.

В процессе фотолитографии можно увеличить пределы глубины фокуса (ГФ) для формирования слоев e2, e3 и e4 разводки и для минимизации избыточного вытравливания второго проводящего слоя на части ступени, как в традиционном способе, когда травится второй проводящий слой, выполненный из металла, поскольку степень плоскостности первой диэлектрической пленки 130, разделяющей проводящие слои, повышается за счет использования химико- механического полирования (ХМП), описанного со ссылкой на фиг. 3. Следовательно, можно предотвратить образование выемки на поверхности штырька e1, сформированного в контактном окне в области матрицы ячеек, в результате чрезмерного травления.

На фиг. 6 показаны этапы формирования второй диэлектрической пленки 140, разделяющей проводящие слои, только в области периферийной схемы. Вторая диэлектрическая пленка 140, разделяющая проводящие слои, предназначенная для покрытия только области периферийной схемы, получается за счет формирования электроизоляционной пленки, например, оксидной пленки, на всей поверхности полученной структуры на фиг. 5 и удаления этой электроизоляционной пленки путем ее травления при использовании второго защитного слоя 134 в качестве тормозящего травление слоя только в области матрицы ячеек. Таким образом, верхняя поверхность штырька e1 открывается в области матрицы ячеек.

На фиг. 7 показаны этапы формирования электрода накопления. Электрод 142 накопления формируется таким образом, чтобы быть электрически связанным с активной областью полупроводниковой подложки 100 через штырек e1, посредством формирования проводящего слоя, такого как слой легированного поликристаллического кремния, в области матрицы ячеек структуры, полученной на фиг. 6, и формирования рисунка проводящего слоя. Можно также сформировать электрод накопления, имеющий структуру, в которой пленка олова и слой поликристаллического кремния укладываются последовательно за счет формирования пленки олова и слоя поликристаллического кремния как проводящего слоя и формирования рисунка пленки олова и слоя поликристаллического кремния.

На фиг. 7 электрод 142 накопления выполнен в форме одного цилиндрического стека. Но изобретение не ограничивается этой структурой, и может использоваться простая стековая структура или другие структуры.

На фиг. 8 показаны этапы образования конденсатора. Конденсатор получают путем формирования диэлектрической пленки 144 из диэлектрика, такого как Ta₂O₅ и (Ba, Sr)TiO₃, на поверхности электрода 142 накопления в области матрицы ячеек и формирования плоского электрода 146 структуры, в которой пленка олова и слой поликристаллического кремния уложены на диэлектрической пленке.

После этого завершается изготовление структуры полупроводникового устройства с использованием общих процессов формирования контакта и разводок. Так как конденсатор формируется в области матрицы ячеек, а слои разводок для образования локального межсоединения формируются в других областях, исключая область матрицы ячеек, можно уменьшить высоту ступени между областью матрицы ячеек и этими другими областями, включая область периферийной схемы, и увеличить границы рабочего режима во время формирования контакта и слоев металлических разводок на последующих этапах.

На фиг. 9 представлен график, показывающий интегральные коэффициенты распределения контактных сопротивлений в слое металлической разводки первого уровня, соответствующем слоям разводки e2, e3 и e4 на фиг. 5, и в слое металлической разводки первого уровня, соответствующем первому слою 32 разводки на фиг. 1 в полупроводниковом устройстве, изготовленном традиционным способом.

Как показано на фиг. 9 при одновременном формировании накопительного контакта в области матрицы ячеек и слоя металлической разводки в области периферийной схемы по предложенному способу, контактное сопротивление слоя металлической разводки по существу равно контактному сопротивлению, полученному при использовании традиционной технологии. Следовательно, можно упростить технологию за счет сохранения одинакового контактного сопротивления в слое металлической разводки и исключения фотолитографии, необходимой для формирования слоя металлической разводки.

На фиг. 10 показаны интегральные коэффициенты распределения контактного сопротивления накопительного контакта в полупроводниковом устройстве, изготовленном предложенным способом, и контактного сопротивления накопительного контакта в полупроводниковом устройстве, изготовленном традиционным способом и изображенном на фиг. 1.

Как показано на графике на фиг. 10, если заменить накопительный контакт, выполненный в форме штырька из поликристаллического кремния, на вольфрамовый штырек в полупроводниковом устройстве, полученном предложенным способом, контактное сопротивление в предложенном полупроводниковом устройстве снизится на порядок по сравнению с контактным сопротивлением в накопительном контакте полупроводникового устройства, изготовленного традиционным способом.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения можно снизить контактное сопротивление за счет использования штырька, выполненного из металла, вместо штырька из поликристаллического кремния, как в традиционной технологии, для формирования накопительного контакта и уменьшить высоту ступени между областью матрицы ячеек и областью периферийной схемы или областью сердечника в процессе формирования слоя металлической разводки после формирования электрода накопления в области матрицы ячеек, используя КНМ-структуру, в которой накопительный контакт и слой металлической разводки для локального межсоединения в области периферийной схемы формируются одновременно перед формированием электрода накопления в области матрицы ячеек. При этом упрощаются последующие процессы.

Таким образом, изобретение обеспечивает гарантированные пределы рабочего режима и позволяет получить полупроводниковое устройство с низким контактным сопротивлением при помощи более простых технологических процессов, за счет которых можно уменьшить высоту ступени между областью матрицы ячеек и областью периферийной схемы благодаря одновременному формированию слоя металлической разводки первого уровня для локального межсоединения и накопительного контакта конденсатора в полупроводниковом устройстве с КНМ-структурой.

Предложенное изобретение не ограничено описанным выше вариантом и специалисты смогут внести многие изменения, не выходя за рамки его объема и идеи.

Использование: для изготовления полупроводникового запоминающего устройства, имеющего структуру типа "конденсатор на металле". Сущность изобретения: в способе изготовления полупроводникового устройства, имеющего структуру типа "конденсатор на металле", накопительный контакт в области матрицы ячеек и металлический контакт для локального межсоединения в области периферийной схемы формируют одновременно. Способ включает формирование разрядной шины, подсоединенной к активной области полупроводниковой подложки. Полупроводниковая подложка имеет транзистор, выполненный в области матрицы ячеек и области периферийной схемы и покрытый диэлектрическими пленками, разделяющими проводящие слои. На полученной структуре формируют первый защитный слой из первого электроизоляционного материала для покрытия разрядной шины. На всей поверхности полученной структуры формируют первую диэлектрическую пленку, разделяющую проводящие слои, предназначенную для экспонирования верхней поверхности первого защитного слоя, используя при этом второй электроизоляционный материал, который имеет отношение скоростей травления, отличающееся от отношения скоростей травления первого электроизоляционного материала. После этого на первом защитном слое и первой диэлектрической пленке, разделяющей проводящие слои, формируют второй защитный слой из третьего электроизоляционного материала. Первое контактное окно для накопительного контакта, электрически связанного с активной областью полупроводниковой подложки, и второе контактное окно для металлического контакта, предназначенного для локального межсоединения, последовательно формируются в области матрицы ячеек и области периферийной схемы с помощью фотолитографии. Затем формируется проводящий слой посредством осаждения металла на всю поверхность полученной структуры для заполнения первого и второго контактных окон. В первом контактном окне формируется штырек путем удаления проводящего слоя за исключением части, заполняющей первое контактное окно в области матрицы ячеек. На верхней части второго контактного окна формируется слой разводки посредством формирования рисунка проводящего слоя в области периферийной схемы. После этого только в области периферийной схемы полученной структуры из четвертого электроизоляционного материала формируется вторая диэлектрическая пленка, разделяющая проводящие слои. Отношение скоростей травления четвертого электроизоляционного материала отличается от отношения скоростей травления третьего электроизоляционного материала. На верхней части штырька в области матрицы ячеек формируется электрод накопления из первого проводящего материала. Затем на поверхности электрода накопления формируется диэлектрическая пленка, а на ней - плоский электрод из второго проводящего материала. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления полупроводникового устройства со структурой типа "конденсатор на металле". 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ изготовления полупроводникового устройства, заключающийся в том, что формируют разрядную шину, связанную с активной областью полупроводниковой подложки, причем полупроводниковая подложка имеет транзистор, выполненный в области матрицы ячеек и области периферийной схемы и покрытый диэлектрическими пленками, разделяющими проводящие слои, формируют первый защитный слой для покрытия разрядной шины на полученной структуре, используя первый электроизоляционный материал, формируют первую диэлектрическую пленку, разделяющую проводящие слои, для экспонирования верхней поверхности первого защитного слоя на всей поверхности полученной структуры, используя второй электроизоляционный материал, имеющий отношение скоростей травления, отличное от отношения скоростей травления первого электроизоляционного материала, отличающийся тем, что формируют второй защитный слой на первом защитном слое и первой диэлектрической пленке, разделяющей проводящие слои, используя третий электроизоляционный материал, одновременно формируют с помощью фотолитографии первое контактное окно для накопительного контакта, электрически связанного с активной областью полупроводниковой подложки в области матрицы ячеек, и второе контактное окно для металлического контакта для локального межсоединения в области периферийной схемы, формируют проводящий слой посредством осаждения металла на всю поверхность полученной структуры для заполнения первого и второго контактных окон, формируют штырек в первом контактном окне посредством удаления проводящего слоя, за исключением части, заполняющей первое контактное окно в области матрицы ячеек, и формируют слой разводки на верхней части второго контактного окна посредством формирования рисунка проводящего слоя в области периферийной схемы, формируют вторую диэлектрическую пленку, разделяющую проводящие слои, только в области периферийной схемы на полученной структуре, используя четвертый электроизоляционный материал, имеющий отношение скоростей травления, отличающееся от отношения скоростей травления третьего электроизоляционного материала, формируют электрод накопления, выполненный из первого проводящего материала, на верхней части штырька в области матрицы ячеек, формируют диэлектрическую пленку на поверхности электрода накопления, и формируют плоский электрод, выполненный из второго проводящего материала, на диэлектрической пленке. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого электроизоляционного материала используют нитридную пленку, а в качестве второго электроизоляционного материала - оксидную пленку. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе формирования первой диэлектрической пленки, разделяющей проводящие слои, производят осаждение оксидной пленки на всю поверхность полученной структуры, на которой сформирован первый защитный слой, и выравнивают поверхность оксидной пленки посредством химико-механического полирования, при котором первый защитный слой служит тормозящим травление слоем. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлом на этапе формирования проводящего слоя является вольфрам или олово. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что нитридная пленка используется в качестве третьего электроизоляционного материала на этапе формирования второго защитного слоя, а оксидная пленка используется в качестве четвертого электроизоляционного слоя на этапе формирования второй диэлектрической пленки, разделяющей проводящие слои. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе формирования второй диэлектрической пленки, разделяющей проводящие слои, производят осаждение оксидной пленки на всю поверхность полученной структуры, в которой сформированы штырек и слой разводки, и удаляют оксидную пленку только в области матрицы ячеек посредством травления, при котором второй защитный слой служит тормозящим травление слоем.