способ изготовления конденсатора интегральной схемы, имеющего улучшенные характеристики электродного и диэлектрического слоя (варианты), и конденсатор, изготавливаемый этим способом

Формула изобретения

1. Способ изготовления конденсатора интегральной схемы, содержащий операции формирования структуры проводящего слоя на полупроводниковой подложке, имеющего первую концентрацию легирующих примесей первого типа проводимости, формирования поверхностного слоя из полусферических гранул (ПСГ) кремния, имеющего легирующую примесь первого типа проводимости, на структуре проводящего слоя, легирования поверхностного слоя из ПСГ кремния легирующими примесями первого типа проводимости таким образом, чтобы поверхностный слой ПСГ кремния имел вторую концентрацию легирующих примесей первого типа проводимости, которая выше первой концентрации легирующих примесей первого типа проводимости, формирования диэлектрического слоя на легированном поверхностном слое из ПСГ кремния и формирования электрода на диэлектрическом слое напротив поверхностного слоя из ПСГ кремния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая операция легирования поверхностного слоя из ПСГ кремния легирующими примесями первого типа проводимости включает воздействие на поверхностный слой из ПСГ кремния фосфористым водородом (РН₃).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования поверхностного слоя из ПСГ кремния включает затравление верхней поверхности структуры проводящего слоя кристалл-затравками кремния, а затем выращивание кристалл-затравок в единые кристаллические гранулы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что структура проводящего слоя содержит материал, выбранный из группы, состоящей из некристаллического кремния и поликристаллического кремния.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что первая концентрация легирующих примесей первого типа проводимости меньше, чем приблизительно 110²² см^-3, а вторая концентрация легирующих примесей первого типа проводимости больше, чем приблизительно 110²⁰ см^-3.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что структура проводящего слоя содержит первый слой из поликристаллического кремния в контакте с полупроводниковой подложкой и слой из некристаллического кремния на первом слое из поликристаллического кремния, а за упомянутой операцией выращивания следует операция отжига слоя из некристаллического кремния и единых кристаллических гранул.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутой операции формирования слоя из ПСГ кремния предшествует операция очистки структуры проводящего слоя с использованием очищающего раствора, выбираемого из группы, состоящей из раствора фтористой кислоты (HF) и буферного травителя оксида (БТО).

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая операция легирования поверхностного слоя из ПСГ кремния включает воздействие на поверхностный слой из ПСГ кремния легирующим газом, содержащим примеси первого типа проводимости, в установке быстрой термической обработки (УБТО).

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что упомянутая операция воздействия на поверхностный слой из ПСГ кремния газом легирующей примеси в УБТО включает линейное изменение температуры газа легирующей примеси с первой скоростью до температуры выдержки в диапазоне приблизительно от 550 до 900^oС.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что газ легирующей примеси содержит фосфористый водород (РН₃) и в котором упомянутое линейное изменение температуры представляет собой линейное повышение температуры газа легирующей примеси со скоростью в диапазоне приблизительно от 1 до 10^oС сек^-1 для предотвращения ухудшения поверхностного слоя ПСГ кремния.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что упомянутая операция линейного изменения температуры представляет собой линейное изменение температуры газа легирующей примеси со скоростью около 10^oС сек^-1 до температуры выдержки около 800^oС.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что упомянутая операция воздействия на поверхностный слой ПСГ кремния газом легирующей примеси в УБТО включает линейное повышение температуры газа легирующей примеси до температуры выдержки в диапазоне приблизительно от 550 до 900^oС, при этом поддерживают температуру газа легирующей примеси при температуре выдержки, а затем снижают температуру газа легирующей примеси.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что упомянутая операция воздействия на поверхностный слой ПСГ кремния газом легирующей примеси в УБТО включает воздействие на поверхностный слой ПСГ кремния газом легирующей примеси, при этом одновременно поддерживают давление в УБТО в диапазоне приблизительно от 666,61 до 66661 Па.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что газ легирующей примеси подают в УБТО со скоростью в диапазоне приблизительно от 200 до 270 см³/мин.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая операция легирования поверхностного слоя из ПСГ кремния включает воздействие на поверхностный слой ПСГ кремния легирующими примесями первого типа проводимости в камере химического осаждения испарением низкого давления (ХОИНД).

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая операция легирования поверхностного слоя из ПСГ кремния содержит воздействие на поверхностный слой ПСГ кремния легирующими примесями первого типа проводимости в камере химического осаждения испарением низкого давления (ХОИНД), при этом одновременно поддерживают давление и температуру в камере ХОИНД в диапазоне приблизительно от 133,322 и до 399,966 Па и 650 и 850^oС соответственно.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая операция легирования поверхностного слоя из ПСГ кремния содержит воздействие на поверхностный слой ПСГ кремния плазмой, содержащей легирующие примеси первого типа проводимости.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический слой содержит диэлектрический слой оксида азота (NO), имеющий толщину в диапазоне приблизительно от 40 до 70 ангстрем.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутой операции легирования поверхностного слоя из ПСГ кремния предшествует операция очистки поверхностного слоя из ПСГ кремния очищающим раствором, выбираемым из группы, состоящей из раствора фтористой кислоты (HF) и раствора буферного травителя оксида (БТО).

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования поверхностного слоя из ПСГ кремния включает воздействие на поверхностный слой ПСГ кремния источником газа, содержащим легирующие примеси первого типа проводимости.

21. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутой операции формирования электрода на диэлектрическом слое предшествует операция воздействия на диэлектрический слой сухим кислородом.

22. Способ изготовления конденсатора интегральной схемы, содержащий операции формирования структуры проводящего слоя на полупроводниковой подложке, имеющего первую концентрацию легирующих примесей первого типа проводимости, формирования поверхностного слоя из полусферических гранул (ПСГ) кремния, имеющего легирующую примесь первого типа проводимости, на структуре проводящего слоя, формирования легированного диффузионного барьерного слоя, содержащего легирующие примеси первого типа проводимости, на поверхностном слое из ПСГ кремния, формирования диэлектрического слоя на легированном диффузионном барьерном слое, формирования электрода на диэлектрическом слое напротив поверхностного слоя из ПСГ кремния.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования поверхностного слоя из ПСГ кремния включает воздействие на поверхностный слой ПСГ кремния источником газа, содержащим легирующие примеси первого типа проводимости.

24. Способ по п.22, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования диэлектрического слоя включает формирование слоя из оксида тантала (Та₂О₅) на легированном диффузионном барьерном слое.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования легированного диффузионного барьерного слоя включает формирование слоя из нитрида кремния на поверхностном слое из ПСГ кремния.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что слой из нитрида кремния содержит первый слой из нитрида кремния, сформированный быстрым термическим нитрированием (ВТН), на поверхностном слое из ПСГ кремния и второй слой из нитрида кремния, сформированный химическим осаждением испарением (ХОИ), на первом слое из нитрида кремния.

27. Способ по п.22, отличающийся тем, что упомянутой операции формирования электрода на диэлектрическом слое предшествует операция воздействия на диэлектрический слой сухим кислородом.

28. Способ по п.22, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования легированного диффузионного барьерного слоя включает воздействие на поверхностный слой из ПСГ кремния источником реакции, содержащим азот, и источником газа легирующей примеси, содержащим примеси первого типа проводимости.

29. Способ по п.22, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования легированного диффузионного барьерного слоя включает воздействие на поверхностный слой из ПСГ кремния источником газа, содержащим кремний, источником газа, содержащим азот, и источником газа легирующей примеси, содержащим легирующие примеси первого типа проводимости.

30. Способ по п.22, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования легированного диффузионного барьерного слоя включает формирование первого слоя из нитрида кремния быстрым термическим нитрированием (БНТ) на поверхностном слое из ПСГ кремния, а затем формирование второго слоя из нитрида кремния химическим осаждением испарением (ХОИ) на первом слое из нитрида кремния.

31. Способ по п.25, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования слоя из оксида тантала (Та₂О₅) на легированном диффузионном барьерном слое включает формирование первого слоя из оксида тантала на легированном диффузионном барьерном слое, уплотнение первого слоя из оксида тантала воздействием на первый слой из оксида тантала ультрафиолетовым излучением в среде озона, формирование второго слоя из оксида тантала на первом слое из оксида тантала, а затем уплотнение второго слоя из оксида тантала воздействием на второй слой из оксида тантала кислородом.

32. Способ по п.25, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования слоя из оксида тантала (Та₂О₅) на легированном диффузионном барьерном слое включает формирование слоя из оксида тантала на легированном диффузионном барьерном слое, а затем отжиг слоя из оксида тантала в среде N₂О.

33. Способ изготовления конденсатора интегральной схемы, содержащий операции формирования структуры проводящего слоя на полупроводниковой подложке, имеющего первую концентрацию легирующих примесей первого типа проводимости, формирования поверхностного слоя из полусферических гранул (ПСГ) кремния на структуре проводящего слоя, причем операция формирования поверхностного слоя из ПСГ кремния включает формирование нелегированного поверхностного слоя из ПСГ кремния на структуре проводящего слоя, формирования легированного диффузионного барьерного слоя, содержащего легирующие примеси первого типа проводимости, на поверхностном слое из ПСГ кремния, формирования диэлектрического слоя на легированном диффузионном барьерном слое и формирования электрода на диэлектрическом слое напротив поверхностного слоя из ПСГ кремния.

34. Способ по п.33, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования легированного диффузионного барьерного слоя включает формирование слоя из диффузионного барьерного слоя легированного нитрида кремния химическим осаждением испарением (ХОИ).

35. Способ по п.34, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования диэлектрического слоя включает формирование слоя из оксида тантала (Та₂О₅) на легированном диффузионном барьерном слое.

36. Способ по п. 35, отличающийся тем, что легированный диффузионный барьерный слой содержит первый слой из нитрида кремния, сформированный быстрым термическим нитрированием (БТН) на поверхностном слое из ПСГ кремния, и второй слой из нитрида кремния, сформированный химическим осаждением испарением (ХОИ) на первом слое из нитрида кремния.

37. Способ по п. 35, отличающийся тем, что легированный диффузионный барьерный слой содержит слой из нитрида кремния, сформированный химическим осаждением испарением (ХОИ).

38. Способ по п.35, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования слоя из оксида тантала (Та₂О₅) на легированном диффузионном барьерном слое включает формирование первого слоя из оксида тантала на легированном диффузионном барьерном слое, воздействие на первый слой из оксида тантала ультрафиолетовым излучением, затем формирование второго слоя из оксида тантала на первом слое из оксида тантала, а затем уплотнение второго слоя из оксида тантала.

39. Способ изготовления конденсатора интегральной схемы, содержащий операции формирования структуры проводящего слоя из некристаллического кремния, имеющего первую концентрацию легирующих примесей первого типа проводимости, на полупроводниковой подложке, формирования поверхностного слоя из полусферических гранул (ПСГ) кремния на структуре проводящего слоя из некристаллического кремния, преобразования структуры проводящего слоя из некристаллического кремния в поликристаллический кремний, затем легирования поверхностного слоя из ПСГ кремния легирующими примесями первого типа проводимости так, чтобы концентрация легирующих примесей первого типа проводимости в поверхностном слое из ПСГ кремния была больше, чем первая концентрация, формирования диффузионного барьерного слоя на поверхностном слое из ПСГ кремния, формирования диэлектрического слоя на диффузионном барьерном слое напротив поверхностного слоя из ПСГ кремния и формирования электрода на диэлектрическом слое напротив диффузионного барьерного слоя.

40. Способ по п.39, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования диффузионного барьерного слоя включает формирование слоя из нитрида кремния на слое из ПСГ кремния, а упомянутая операция формирования диэлектрического слоя включает формирование слоя из оксида тантала на слое из нитрида кремния.

41. Способ по п.40, отличающийся тем, что упомянутая операция формирования слоя из нитрида кремния включает формирование легированного слоя из нитрида кремния, содержащего легирующие примеси первого типа проводимости.

42. Способ по п.41, отличающийся тем, что слой из нитрила кремния содержит структуру из первого слоя из нитрида кремния, сформированного быстрым термическим нитрированием (БТН), и второго слоя из нитрида кремния, сформированного химическим осаждением испарением (ХОИ).

43. Способ по п.40, отличающийся тем, что слой из нитрида кремния содержит структуру из первого слоя из нитрида кремния, сформированного быстрым термическим нитрированием (БТН), и второго слоя из нитрида кремния, сформированного химическим осаждением испарением (ХОИ).

44. Способ по п.43, отличающийся тем, что дополнительно содержит операцию уплотнения слоя из оксида тантала.

45. Способ по п.44, отличающийся тем, что упомянутая операция уплотнения включает воздействие на слой из оксида тантала сухим кислородом, ультрафиолетовым излучением в среде озона или среде N₂О.

46. Способ по п.40, отличающийся тем, что упомянутой операции формирования диэлектрического слоя предшествует операция выполнения быстрого термического оксидирования диффузионного барьерного слоя.

Приоритет по пунктам:

22.04.1997 - по пп.1-4;

05.06.1997 - по п.5;

30.04.1997 - по пп.6-19;

28.07.1997 - по пп.20-24, 26 и 30;

26.09.1997 - по пп.25, 27-29 и 31-46.

Описание изобретения к патенту

Область изобретения

Изобретение относится к способам изготовления интегральных схем и к схемам, изготавливаемым этими способами, и более конкретно к способам изготовления конденсаторов интегральных схем и к конденсаторам, изготавливаемым этими способами.

Предшествующий уровень техники

Спрос на устройства полупроводниковой памяти высокой емкости привел к усовершенствованным способам изготовления устройств памяти и их конструкций при более высоких уровнях интеграции. Однако, поскольку более высокие уровни интеграции обычно требуют устройств памяти, имеющих меньший размер единичной ячейки, площадь, занимаемая конденсатором ячейки в устройстве памяти, как, например, устройстве памяти с произвольной выборкой данных, должна быть значительно уменьшена. Как будет понятно специалистам в данной области техники, это уменьшение площади конденсатора ячейки может ухудшить работоспособность ячейки памяти при низких напряжениях и неблагоприятно воздействовать на степень программной ошибки (СПО), вызываемой -излучением.

Традиционные способы увеличения площади конденсатора ячейки предполагают формирование электродов конденсатора ячейки (например, запоминающих электродов) с поверхностными слоями из полусферических гранул (ПСГ) кремния. Например, традиционный способ формирования поверхностных слоев из ПСГ кремния на электродах конденсатора ячейки раскрывается в патенте США 5407534. Однако, несмотря на то, что конденсаторы, имеющие поверхностные слои из ПСГ (далее "ПСГ конденсаторы"), показали увеличенную емкость в интегральных схемах высокой плотности, ПСГ конденсаторы могут быть нестабильны и могут претерпевать ухудшение работоспособности в течение срока службы устройства памяти на интегральных схемах. Исследования показали, что емкость традиционного ПСГ конденсатора может значительно изменяться в зависимости от полярности напряжения, приложенного к электродам конденсатора. В частности, когда напряжение между верхним и нижним электродами ПСГ конденсатора изменяет полярность с положительного значения на отрицательное значение и становится обратно смещенным (во время таких операций, как операции считывания и записи), может наблюдаться значительное снижение емкости. Например, фиг.2 иллюстрирует кривую зависимости емкости традиционного ПСГ конденсатора, когда напряжение прикладывается к его верхнему и нижнему электродам. Как показано, максимальная емкость (Смакс) получается, когда разность потенциалов на электродах является положительной. Однако, когда разность потенциалов переходит в отрицательное значение, емкость постепенно снижается. Фактически при отрицательном значении -1,5 вольт емкость минимальна (Смин) и составляет только около 55% от Смакс.

Краткое изложение изобретения

Следовательно, задачей настоящего изобретения является разработка усовершенствованных способов изготовления конденсаторов интегральных схем и конденсаторов, изготавливаемых этими способами.

Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка способов изготовления конденсаторов интегральных схем, имеющих электроды с увеличенной площадью поверхности, и конденсаторов, изготавливаемых этими способами.

Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка способов изготовления конденсаторов интегральных схем, имеющих одинаковые характеристики емкости при обратном и прямом напряжении смещения, и конденсаторов, изготавливаемых этими способами.

Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка способов изготовления интегральных схем с конденсаторами, обладающими улучшенной высокой надежностью, и конденсаторов, изготавливаемых этими способами.

Эти и другие задачи, преимущества и особенности настоящего изобретения обеспечиваются способами, которые включают формирование нижнего электрода конденсатора путем формирования структуры проводящего слоя (например, слоя кремния) на полупроводниковой подложке и затем формирование поверхностного слоя из полусферических гранул (ПСГ) кремния первого типа проводимости на структуре проводящего слоя. Включение поверхностного слоя из ПСГ кремния на внешней поверхности образца проводящего слоя повышает эффективную площадь поверхности нижнего электрода при данном горизонтальном размере. Поверхностный слой из ПСГ кремния также легируется примесями первого типа проводимости (например, N-типа) для минимизации размера любого слоя обеднения, который может образовываться в нижнем электроде при подаче на конденсатор обратного напряжения смещения, и, таким образом, для улучшения характеристики конденсатора отношения Смин/Смакс. Диффузионный барьерный слой (например, нитрид кремния) также формируется на нижнем электроде, а затем диэлектрический слой формируется на диффузионном барьерном слое. Диффузионный барьерный слой предпочтительно выполняется из материала достаточной толщины для предотвращения реакции между диэлектрическим слоем и нижним электродом, а также для предотвращения наружной диффузии примесей из поверхностного слоя из ПСГ кремния в диэлектрический слой. Диэлектрический слой также предпочтительно формируется из материала, имеющего высокое диэлектрическое сопротивление для увеличения емкости.

В соответствии с предпочтительным аспектом настоящего изобретения операция формирования поверхностного слоя из ПСГ кремния содержит затравку верхней поверхности образца проводящего слоя кремниевыми кристалл-затравками, а затем выращивание кристалл-затравок как единых кристаллических гранул. Также выполняются операции для отжига структуры проводящего слоя, а затем легирование поверхностного слоя из ПСГ кремния легирующими примесями N-типа, обеспечиваемыми источником фосфористого водорода. Эта операция легирования может быть выполнена в установке быстрой термической обработки (УБТО) и предпочтительно выполняется так, чтобы поверхностный слой из ПСГ кремния имел проводимость N-типа, которая превышает N-тип части структуры проводящего слоя, примыкающего к полупроводниковой подложке. Эта более высокая проводимость предотвращает формирование обедненного слоя в нижнем электроде, когда на конденсатор подается обратное напряжение смещения. Диффузионный барьерный слой также может быть легирован примесями первого типа проводимости для дополнительного предотвращения любого уменьшения проводимости поверхностного слоя из ПСГ кремния, вызванного наружной диффузией примесей в диэлектрический слой. Кроме того, диффузионный барьерный слой может быть сформирован как структура из первого слоя из нитрида кремния, формируемого быстрым термическим нитрированием (БТН), и второго слоя из нитрида кремния, формируемого химическим вакуумным испарением (ХВИ). Диэлектрический слой также может быть сформирован из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, например оксида тантала. В частности, диэлектрический слой предпочтительно создается формированием множества тонких слоев из оксида тантала, а затем уплотнением каждого слоя отдельно для улучшения характеристик диэлектрического слоя и подкладыванием диффузионного барьерного слоя из нитрида кремния.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1А - блок-схема операций, которые иллюстрируют способы изготовления конденсаторов, в соответствии с предпочтительным воплощением настоящего изобретения.

Фиг.1В - иллюстрация в разрезе устройства памяти на интегральной схеме с конденсаторами с полусферическими гранулами (ПСГ), изготовленными в соответствии со способами, проиллюстрированными фиг.1А.

Фиг.2 - графическая иллюстрация кривой зависимости традиционного ПСГ конденсатора.

Фиг. 3А-3С - трехмерная графическая иллюстрация емкости относительно множества параметров режимов обработки для ПСГ конденсаторов, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 - графическая иллюстрация кривой зависимости емкости (4а) традиционного ПСГ конденсатора и кривой зависимости (4b) ПСГ конденсатора, изготовленного в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 - графическая иллюстрация кривой зависимости емкости для ПСГ конденсаторов, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 6 - графическая иллюстрация кривой зависимости емкости для ПСГ конденсатора, изготовленного в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.7 иллюстрирует сравнительные графики концентрации легирующей примеси (ось у) относительно глубины диффузии (ось х) для структуры кристаллизованного проводящего слоя (7b) и структуры некристаллизованного проводящего слоя (7а).

Фиг. 8 - плоский вид многокамерной обрабатывающей установки для выполнения операций обработки в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.9А и фиг.9В - виды в разрезе промежуточных конструкций конденсатора, которые иллюстрируют способы изготовления ПСГ конденсаторов в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 10 по фиг.12 - графические иллюстрации кривых зависимостей для ПСГ конденсаторов, изготовленных в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения.

Описание предпочтительных воплощений

Настоящее изобретение далее будет описано более подробно со ссылкой на чертежи, на которых показаны предпочтительные воплощения изобретения. Однако это изобретение может быть воплощено в различных формах и не должно быть истолковано как ограниченное изложенными здесь воплощениями. Скорее эти воплощения представляются для полного и завершенного раскрытия изобретения и для передачи рамок изобретения специалистам в данной области техники. На чертежах толщина слоев и областей увеличена для ясности. Также следует понимать, что при упоминании того, что некоторый слой находится "на" другом слое или подложке, он может непосредственно находиться на другом слое или подложке или могут также присутствовать промежуточные слои. Повсюду одинаковые номера относятся к одинаковым элементам. Более того, термины "первый тип проводимости" и "второй тип проводимости" относятся к противоположным типам проводимости, таким как N- или Р-типам, однако каждое описываемое и иллюстрируемое здесь воплощение предполагает также его дополнительное воплощение.

Ссылаясь на фиг.1А и фиг.1В, будут описаны способы изготовления конденсаторов в соответствии с предпочтительным воплощением настоящего изобретения и устройства памяти, включающие изготовленные этими способами конденсаторы. В частности, вид в разрезе устройства памяти на интегральной схеме, содержащего ячейки памяти с ПСГ конденсаторами, изготовленными в соответствии со способами фиг. 1А, лучше всего иллюстрируется фиг.1В. Устройство памяти на интегральных схемах содержит полупроводниковую подложку 2 второго типа проводимости (например, Р-типа), имеющую пространственные изолирующие оксидные слои 4А и 4В, которые очерчивают активную область 3, в которой формируется пара транзисторов 5А и 5В доступа. Каждый из транзисторов 5А и 5В содержит область 6 истока первого типа проводимости (например, N-типа) в активной области 3. Область 8 общего стока первого типа проводимости также формируется в активной области 3. Область 8 общего стока отделяется от областей 6 истока соответствующими областями 7 канала, которые простираются напротив электродов затвора транзисторов 5А и 5В доступа. Оксидные слои 9 затвора транзисторов 5А и 5В доступа также формируются на соответствующих областях 7 канала. Также обеспечиваются изолированные электроды 10 для управления проводимостью областей 7 канала в ответ на соответствующие сигналы числовой шины.

Каждый из электродов 10 затвора предпочтительно является структурой из поликремниевого слоя 11 и соответствующего слоя 12 из огнеупорного кремнистого металла. Боковые изолирующие слои 13 формируются на противоположных боковых стенках каждого электрода 10 затвора. Слои 14 из полисилицида, которые могут быть сформированы для числовых шин, предпочтительно обеспечиваются на пространственных оксидных изолирующих областях 4А и 4В. Первый промежуточный изолирующий слой 15 является первым пассивирующим слоем. Сквозное отверстие 17 формируется в первом промежуточном изолирующем слое 15 для раскрытия части поверхности области 8 общего стока. Проводящая вставка 16, выполненная из легированного поликристаллического кремния (или вольфрама), обеспечивается в сквозном отверстии 17 в омическом контакте с областью 8 общего стока. Проводящая вставка 16 также находится в контакте с разрядной шиной 18, которая может быть выполнена, например, из легированного поликристаллического кремния, огнеупорного металла, полисилицида или силицида. Второй промежуточный изолирующий слой 19 является вторым пассивирующим слоем. Второй промежуточный изолирующий слой 19 покрывает разрядную шину 18 и первый промежуточный изолирующий слой 15. Также обеспечиваются дополнительные сквозные отверстия 20 (каждое из которых раскрывает часть поверхности соответствующей области 6 истока). Эти отверстия простираются через первый и второй промежуточные изолирующие слои 15 и 19.

Каждая из ячеек памяти содержит запоминающий конденсатор, имеющий нижний электрод, электрически соединенный с соответствующей областью 6 истока. Как описано более подробно ниже, нижний электрод 21 каждого запоминающего конденсатора включает структуру из слоя 21а поликристаллического кремния первого типа проводимости и поверхностного слоя из полусферических гранул (ПСГ) кремния, который имеет "морщинистую" поверхность. Диффузионный барьерный слой 22 формируется на каждом нижнем электроде 21 для предотвращения наружной диффузии легирующих примесей из нижнего электрода 21 в верхний диэлектрический слой 23. Барьерный слой 22 также предотвращает химическую реакцию между нижним электродом 21 (включающим ПСГ поверхностный слой 21b) и диэлектрическим слоем 23 (например, слоем Та₂O₅). Для завершения запоминающего конденсатора проводящий слой 24 верхнего электрода формируется на диэлектрическом слое 23.

На фиг. 1А изображены предпочтительные способы изготовления ПСГ конденсаторов, включающие операцию формирования структуры проводящего слоя 21а на полупроводниковой подложке 2, блок 1а. Структура проводящего слоя 21а может первоначально содержать один слой некристаллического кремния (некристаллического Si) или структуру из слоя поликристаллического кремния (в контакте с полупроводниковой подложкой 2) и слоя некристаллического кремния на слое поликристаллического кремния. Во время формирования структура проводящего слоя 21а предпочтительно легируется примесью первого типа проводимости (например, N-типа), однако операции для легирования структуры проводящего слоя 21а могут быть выполнены после того, как она сформирована. Этой легирующей примесью первого типа проводимости может быть фосфор (Р) или подобная легирующая примесь N-типа. В соответствии с предпочтительным аспектом настоящего изобретения структура проводящего слоя 21а легируется для того, чтобы иметь концентрацию примеси первого типа проводимости, которая не больше, чем приблизительно 1,010²⁰ легирующих примесей/см³. Также может быть выполнена операция для полной активации легирующих примесей. Как будет понятно специалистам в данной области техники, величина концентрации легирующей примеси в структуре проводящего слоя 21а обратно пропорциональна его поверхностному сопротивлению. Для настоящего изобретения при концентрации примеси приблизительно 3,710¹⁹ примесей/см³ в структуре проводящего слоя 21а толщина проводящего слоя составляет приблизительно 8000 ангстрем и поверхностное сопротивление приблизительно 36 Ом/см².

Блок 1b на фиг.1А показывает, что после того, как сформирована структура проводящего слоя 21а, выполняется операция очистки для удаления нежелательных примесей, если они имеются, с раскрытых поверхностей структуры проводящего слоя 21а. В частности, операция очистки может быть выполнена для удаления любой естественной жирной пленки (не показана), которая может образоваться на раскрытых поверхностях. Операция очистки может включать воздействие на структуру проводящего слоя 21а жидким очищающим средством, как, например, раствором фтористой кислоты (HF) или буферным травителем оксида (БТО). Хотя это менее предпочтительно, эта операция очистки может быть пропущена. Как лучше всего проиллюстрировано блоком 1с, затем выполняется операция для увеличения площади раскрытой поверхности структуры проводящего слоя 21а формированием поверхностного слоя 21b из полусферических гранул (ПСГ) кремния на структуре проводящего слоя 21а. В частности, ПСГ слой 21b может быть образован загрузкой подложки 10 в реакционную камеру и поддержанием в ней сверхвысокого вакуума, меньше, чем приблизительно 10^-6 тор, при одновременном воздействии на структуру проводящего слоя 21а инжектируемым силаном (SiH₄) или дисиланом (Si₂H₆), так чтобы могла быть образована высокая концентрация кристалл-затравок кремния в качестве центра кристаллизации (зародыша) кремния на поверхности структуры проводящего слоя 21а. Затем подача инжектируемого кремнийсодержащего газа прекращается. Кристалл-затравки затем выращиваются при предпочтительной температуре в диапазоне приблизительно от 560 до 620^oС. Эта операция выращивания может иметь достаточно длинную продолжительность, так чтобы мог быть достигнут средний размер гранулы 1000 ангстрем из кристалл-затравок. Как будет понятно специалистам в данной области техники, другие традиционные методы для формирования и выращивания кремниевых кристалл-затравок как единых кристаллических гранул также могут быть использованы для увеличения эффективной площади поверхности структуры проводящего слоя 21а.

Как установлено изобретателем, на размер и однородность единых кристаллических гранул в ПСГ поверхностном слое 21b может влиять, среди других факторов, концентрация легирующих примесей в структуре проводящего слоя 21а. В частности, изобретателем была установлена обратная зависимость между концентрацией примесей в структуре проводящего слоя 21а и размером и однородностью результирующих единых кристаллических гранул. Таким образом, по меньшей мере, первоначальным ограничением концентрации легирующих примесей первого типа проводимости в структуре проводящего слоя 21а может быть увеличена площадь поверхности нижнего электрода 21 конденсатора, содержащего структуру проводящего слоя 21а и ПСГ поверхностный слой 21b на нем.

Как лучше всего проиллюстрировано блоком 1d, структура проводящего слоя 21а и затравленный на нем ПСГ поверхностный слой 21b затем отжигаются при предпочтительной температуре в диапазоне приблизительно от 550 до 900^oС. В частности, структура проводящего слоя 21а и затравленный ПСГ поверхностный слой 21b предпочтительно отжигаются при температуре около 800^oС в течение приблизительно 30 минут для кристаллизации некристаллической структуры проводящего слоя 21а в виде поликристаллического слоя. Эта операция отжига структуры проводящего слоя 21а в виде поликристаллического слоя увеличивает скорость, при которой дополнительные легирующие примеси могут быть включены в структуру проводящего слоя 21а при использовании таких методов, как диффузия легирующих примесей. Эта увеличенная скорость включения лучше всего проиллюстрирована фиг. 7. В частности, фиг.7 иллюстрирует графики зависимости концентрации легирующей примеси (ось y) от глубины диффузии (ось x) для кристаллизованной структуры проводящего слоя (7b) и не кристаллизованной структуры проводящего слоя (7а). Концентрация легирующей примеси в кристаллизованной структуре проводящего слоя (7b) больше при всех глубинах диффузии, чем концентрация легирующей примеси в не кристаллизованной структуре проводящего слоя (7а).

Блок 1е фиг. 1А иллюстрирует выполнение операции очистки для удаления нежелательных примесей, если они имеются, из раскрытой поверхности ПСГ поверхностного слоя 21b. Аналогично операции очистки блока 1b операция очистки блока 1е предпочтительно выполняется для удаления любой естественной оксидной пленки (не показана), которая могла образоваться на ПСГ поверхностном слое 21b. Операция очистки может включать воздействие на составной слой, содержащий ПСГ поверхностный слой 21b и теперь поликристаллическую структуру проводящего слоя 21а, жидким очищающим средством, как, например, раствором фтористой кислоты (HF) или буферным травителем оксида (БТО).

Как показано на блоке 1f, составной поликристаллический слой 21, содержащий ПСГ поверхностный слой 21b и кристаллизованную (и легированную) структуру проводящего слоя 21а, затем легируется легирующей примесью первого типа проводимости. Эта легирующая примесь первого типа проводимости может быть легирующей примесью N-типа, как, например, фосфор (Р). Методы легирования составного поликристаллического слоя 21 могут включать ионную имплантацию с последующей диффузией или способ диффузии, использующий жидкий источник, как, например, РОСl₃. Однако трудно достигнуть однородности легирующей примеси около поверхности составного поликристаллического слоя 21, когда выполняется ионная имплантация, т. к. боковые стенки единых кристаллических гранул на поверхности составного поликристаллического слоя 21 могут не получить однородного воздействия по существу вертикальным пучком ионной имплантации. Использование жидкого источника, как, например, РОСl₃, также не является предпочтительным, т.к. такой источник может вызвать образование стеклянного слоя, если произойдет химическая реакция между составом жидкого источника и кремнием в составном слое.

Вместо этого предпочтительный метод легирования составного поликристаллического слоя 21 предполагает воздействие на слой 21 фосфористым водородом (РН₃) в реакционной камере. Здесь может быть использована установка быстрой термической обработки (УБТО) для гарантирования того, что целостность структуры гранулы (например, размер и однородность) в составном поликристаллическом слое 21 поддерживается во время операции легирования. В частности, УБТО управляют для обеспечения быстрого линейного повышения температуры до требуемой температуры диффузии ("температуры выдержки"), а затем для поддержания требуемой температуры диффузии в течение малой продолжительности (т. е. малого периода выдержки). Как установлено изобретателем, медленное линейное повышение температуры и/или сравнительно большой период выдержки с использованием процесса теплового типа диффузии может ухудшить характеристики утечки и напряжения пробоя полученного в результате конденсатора, содержащего составной поликристаллический слой 21. Соответственно, диффузия примеси первого типа проводимости (например, фосфора) предпочтительно выполняется в УБТО, которую поддерживают при давлении приблизительно 120 тор и линейно повышают температуру со скоростью 10^oС/сек до температуры выдержки приблизительно 800^oС. Эта температура выдержки поддерживается в течение приблизительно 300 секунд перед линейным снижением с той же скоростью. Температура выдержки может быть выбрана в диапазоне приблизительно от 550^oС до 900^oС, а давление в УБТО может быть выбрано в диапазоне приблизительно от 5 до 500 тор. Скорость линейного повышения температуры может быть также увеличена при условии, что единые кристаллические гранулы в ПСГ поверхностном слое 21b не будут деформированы. Во время быстрой термической обработки скорость потока фосфористого водорода может быть установлена в 270 см³/мин (стандартных кубических сантиметров в минуту), а скорость потока водорода может быть установлена приблизительно в 9,5 литров/мин (стандартных литров в минуту).

Используя эти предпочтительные операции, может быть сформирован составной поликристаллический слой 21, имеющий концентрацию легирующей примеси первого типа проводимости приблизительно 310²⁰ легирующих примесей/см³ с предпочтительной глубиной от верхней поверхности составного слоя 21. Эта глубина выбирается для предотвращения расширения обедненного слоя, когда на конденсатор подается обратное напряжение смещения. При глубинах больших, чем предпочтительная глубина (например, 50 ангстрем), фоновая концентрация легирующей примеси меньше, чем приблизительно 10²⁰ легирующих примесей/см³ будет все же присутствовать. Вместо быстрой термической обработки процесс диффузии легирующей примеси может быть выполнен в течение сравнительно длительной продолжительности выдержки (по сравнению с быстрой термической обработкой) в камере химического осаждения испарением низкого давления (ХОИНД) при низком давлении в диапазоне приблизительно от 1 до 3 тор и при температуре в диапазоне приблизительно от 650 до 850^oС. На блоке 1g проиллюстрировано, что диффузионный барьерный слой 22 (например, Si₃N₄) затем формируется на ПСГ поверхностном слое 21b для предотвращения наружной диффузии легирующих примесей из ПСГ поверхностного слоя 21b. Этот аспект настоящего изобретения более подробно описывается ниже со ссылкой на фиг.9А и 9В.

На блоках 1h и 1i проиллюстрировано, что диэлектрический слой 23 и верхний электрод 24 последовательно формируются на диффузионном барьерном слое 22. Предпочтительно барьерный слой 22 и диэлектрический слой 23 формируются в той же камере УБТО с последующим легированием ПСГ поверхностного слоя 21b для того, чтобы предотвратить оксидирование ПСГ поверхностного слоя 21b и исключить или, по меньшей мере, уменьшить продолжительность операций очистки. Диффузионный барьерный слой 22 и диэлектрический слой 23 могут быть сформированы из различных диэлектрических материалов, включая смесь оксида азота (NO). Другие диэлектрики включают, например, TiO₂, SrTiO₃, ВаТiO₃, (Ва, Sr)ТiO₃ или Pb(Zr,Тi)O₃. Когда используется смесь оксида азота, азотная часть смеси используется в качестве диффузионного барьерного слоя, как объясняется ниже.

Фиг. 3А-3С и 4-6 представляют графические иллюстрации кривых емкости для конденсаторов, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением. В частности, данные для кривых были получены для конденсаторов, изготовленных из структур проводящего слоя 21а из не кристаллического кремния, имеющих площадь поверхности (увеличенную ПСГ поверхностным слоем 21b) 89600 микрон² и первоначальную концентрацию примеси приблизительно 3,710¹⁹ легирующих примесей/см³. Смесь оксида азота имела эквивалентную толщину оксида приблизительно 50 ангстрем в предпочтительном диапазоне толщин приблизительно от 40 ангстрем до 70 ангстрем.

Фиг. 3А-Фиг. 3С представляют трехмерные графики, которые иллюстрируют изменения минимальной емкости (Смин) ПСГ конденсатора как функции параметров обработки. Параметр Смин был получен подачей напряжения -1,5 вольт на верхний электрод и заземлением нижнего электрода конденсатора. Фиг.3А-Фиг.3С иллюстрируют итеративный процесс для установления оптимальных параметров УБТО для получения наиболее предпочтительного ПСГ нижнего электрода. Параметры, как, например, давление камеры БТО, скорость потока РН₃, температура и продолжительность выдержки, были управляемыми. На фиг.3А температура выдержки и продолжительность выдержки были зафиксированы при приблизительно 800^oС и 300 секундах соответственно. Как проиллюстрировано фиг.3А, наблюдается значительное изменение Смин как функции давления и давление камеры должно поддерживаться приблизительно 120 тор для получения предпочтительных характеристик Смин. Значительный спад Смин наблюдался для давлений ниже 60 тор. Фиг.3А также иллюстрирует, что Смин менее чувствительна к скорости потока фосфористого водорода по сравнению с давлением. Тем не менее скорость потока должна быть выбрана 200 см³/мин или больше, предпочтительно 270 см³/мин для достижения большого значения Смин.

На фиг. 3В давление камеры и продолжительность выдержки были зафиксированы при приблизительно 120 тор и 300 секундах соответственно. Аналогично фиг. 3А фиг.3В показывает, что скорость потока легирующей примеси для фосфористого водорода незначительно влияет на значение Смин, однако на значение Смин может значительно влиять температура диффузии, и поддерживаемая температура диффузии приблизительно 700^oС или больше, как, например, 800^oС, является предпочтительной. На фиг.3С давление камеры и скорость потока легирующей примеси фосфористого водорода были зафиксированы при приблизительно 120 тор и 270 см³/мин соответственно. На основании фиг.3С предпочтительна продолжительность выдержки 200 секунд или больше, предпочтительно около 300 секунд. В итоге фиг.3А-фиг.3С демонстрируют, что изменения параметров обработки могут значительно влиять на требуемые значения Смин.

На фиг.4 емкость традиционного ПСГ конденсатора (кривая 4а) сравнивается с емкостью конденсатора, изготовленного в соответствии с настоящим изобретением (кривая 4b). Данные емкости кривой 4b были получены из предпочтительного ПСГ конденсатора, обработанного с использованием УБТО легирования при температуре выдержки приблизительно 800^oС и при давлении камеры приблизительно 120 тор. Скорость потока фосфористого водорода была также установлена 270 см³/мин, а продолжительность выдержки была около 300 секунд. Результаты показывают, что для диапазона напряжений от Смин (-1,5 вольт) до Смакс (1,5 вольт) могут быть получены более высокие и значительно более стабильные характеристики для ПСГ конденсатора настоящего изобретения (кривая 4b) по сравнению с традиционным ПСГ конденсатором (кривая 4а). В частности, фиг.4 демонстрирует, что Смин для традиционного ПСГ конденсатора (не лигированного) составляет около 0,8 нанофарад, что аналогично конденсатору без ПСГ. Таким образом, увеличенная площадь поверхности, вносимая традиционным ПСГ нижним электродом, не обеспечивала реальной выгоды, когда источник напряжения стал обратно смещенным (т.е. при -1,5 вольтах). Наоборот, ПСГ конденсатор настоящего изобретения поддерживал отношение Смин/Смакс (1,7 нанофарад/1,65 нанофарад) больше, чем 1,0, показывая стабильную и большую емкость как традиционных плоских, так и традиционных ПСГ конденсаторов для указанного диапазона напряжения. Результаты фиг.4 могут быть объяснены большей концентрацией примеси, поддерживаемой в нижнем ПСГ электроде, по сравнению с концентрацией примеси верхнего электрода. Более высокая концентрация примеси в нижнем электроде, получающаяся в результате предпочтительной операции легирования в УБТО, проиллюстрированной блоком 1f фиг. 1А, гарантирует уменьшение толщины обедненного слоя во время операции и восстановление проводимости, которая может быть первоначально ухудшена во время формирования ПСГ поверхностного слоя 21b.

На фиг.5 представлены графики зависимости емкости от напряжения при повышении температуры выдержки УБТО легирования емкости предпочтительного ПСГ конденсатора. Здесь поверхность нижнего электрода была легирована фосфористым водородом посредством УБТО. Скорость потока фосфористого водорода была установлена около 270 см³/мин, а давление камеры УБТО поддерживалось около 120 тор. Продолжительность выдержки была также установлена около 300 секунд. Температура выдержки достигалась линейным изменением температуры со скоростью около 10^oС/сек от резервной температуры около 620^oС. Как проиллюстрировано кривой 5а на фиг.5, никакого изменения емкости не происходило, когда температура выдержки была установлена 800^oС, 825^oС или 850^oС. Однако, когда температура выдержки повышалась до 875^oС (при скорости линейного изменения 10^oС/сек), общая емкость, как проиллюстрировано кривой 5b, снижалась, т.к. единые кристаллические гранулы в ПСГ поверхности деформировались. Как установлено изобретателем, уменьшение скорости линейного изменения до 2^oС/сек для температур выдержки больших, чем приблизительно 850^oС (до 900^oС) предотвращает деформацию гранулы и уменьшение емкости, проиллюстрированной кривой 5b.

На фиг.6 иллюстрируется кривая зависимости емкости от напряжения для ПСГ конденсатора, изготовленного с использованием операции ХОИНД легирования, как описано выше. Здесь поверхность нижнего ПСГ электрода была легирована при температуре печи около 700^oС, скорость потока фосфористого водорода около 900 м³/мин была установлена в камере ХОИ при давлении камеры около 1,5 тор. Продолжительность операции ХОИНД легирования была около 3 часов. Результаты были благоприятными и аналогичными способу быстрой термической обработки при отношении Смин/Смакс (1,7 нанофарад/1,6 нанофарад) больше, чем 1,0.

В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения применение РН₃ для увеличения концентрации примеси в ПСГ поверхностном слое может быть выполнено с использованием процесса разряда плазмы при низком давлении - около 0,5-1 тор. В зависимости от внешних условий реакции мощность радиочастоты (РЧ) для поддержания плазмы может быть 2000 ватт, но обычно только около 100 ватт, а скорость потока РН₃ может быть установлена при значении между приблизительно 1 и 500 см³/мин для соответствующей продолжительности между приблизительно 60 минутами и 1 секундой. Типичная скорость потока равна приблизительно 300 см³/мин. За каждой из вышеописанных операций легирования (быстрой термической обработкой, ХОИНД и плазмой) может следовать процесс отжига.

Фиг. 8 иллюстрирует типичное воплощение многокамерной установки, в которой передающая камера 84 работает для перемещения подложки, имеющей структуру проводящего слоя 21а, из первой камеры 80 во вторую камеру 82, одновременно поддерживая одинаковое давление окружающей среды во всех трех камерах. В установке первая камера 80 используется для формирования ПСГ поверхностного слоя 21b на структуре проводящего слоя 21а, выполнения легирования посредством разряда плазмы (РН₃) и отжига легированного ПСГ поверхностного слоя 21b. Подложка затем перемещается во вторую камеру 82 без нарушения вакуума. Во второй камере 82 слой нитрида кремния (SiN) и верхний оксидный слой осаждаются для образования диэлектрического слоя.

На фиг. 9А и фиг. 9B и блоке 1g фиг.1 описаны дополнительные аспекты настоящего изобретения. В соответствии с этим воплощением диффузионный барьерный слой 22 формируется между легированным фосфором ПСГ поверхностным слоем 21b и диэлектрическим слоем 23. Как установлено изобретателем, диффузионный барьерный слой 22 улучшает характеристики конденсаторов, предотвращая наружную диффузию легирующих примесей из ПСГ поверхностного слоя 21b в диэлектрический слой 23 во время последующей обработки. В отличие от реакционного барьера, который может только препятствовать взаимодействию двух материалов друг с другом и образованию в результате потенциально вредных побочных продуктов, диффузионный барьерный слой должен быть достаточной толщины для предотвращения реакции и миграции атомов между двумя смежными слоями. Например, определенные диэлектрические материалы, как, например, оксид тантала (Та₂O₅), являются предпочтительными в качестве диэлектрических материалов конденсатора, т.к. они имеют высокую диэлектрическую прочность (т.е. высокие диэлектрические проницаемости).

Однако операции для формирования таких диэлектрических материалов на проводящих слоях кремния могут требовать термических обработок, а такие термические обработки могут вызвать вредные реакции между этими диэлектрическими материалами (например, Та₂O₅) и расположенными под ними проводящими слоями кремния. Например, реакции между Та₂O₅ и кремнием могут вызвать образование паразитного слоя диоксида кремния (SiO₂), который может привести к уменьшению площади поверхности ПСГ поверхностного слоя 21b и уменьшить эффективную диэлектрическую прочность объединенного диэлектрического слоя, включающего паразитный слой (со сравнительно низкой диэлектрической прочностью) и слой Та₂O₅. Диффузионный барьерный слой 22 должен также быть достаточной толщины для предотвращения наружной диффузии легирующих примесей из ПСГ поверхностного слоя 21b (имеющего в нем высокую концентрацию примеси) в диэлектрический слой 23, т.к. такая наружная диффузия может уменьшить проводимость нижнего электрода конденсатора и, таким образом, вредно воздействовать на стабильность емкости (т.е. отношение Смин/Смакс). Таким образом, методы для предотвращения наружной диффузии примеси из ПСГ поверхностного слоя включают выбор диффузионного барьера как материала, который является сравнительно инертным по отношению к кремнию, или выбранный диэлектрический материал должен иметь достаточную толщину для предотвращения реакции между ПСГ поверхностным слоем 21b и выбранным диэлектрическим слоем 23 и достаточную толщину для предотвращения ощутимой наружной диффузии легирующих примесей из ПСГ поверхностного слоя 21b. Предпочтительные материалы диффузионного барьера включают нитрид кремния (SiN).

В соответствии с другим предпочтительным аспектом настоящего изобретения диффузионный барьерный слой 22 может быть сформирован с использованием операций химического осаждения испарением (ХОИ). Эта операция ХОИ может быть выполнена в группе установок ХОИ, содержащих механизм загрузки-фиксации ингредиентов и устройство управления вакуумом. В частности, после формирования ПСГ поверхностного слоя 21b (и удаления на нем любого естественного оксидного слоя, если необходимо) диффузионный барьерный слой 22 SiN может быть осажден инжектированием соединения газов, включающего аммоний, дихлорсилан (Si₂H₂Cl₂) в качестве продукта предшествующей стадии реакции и водород, в камеру ХОИ при температуре приблизительно 650^oС. Скорости потока аммония, Si₂H₂Cl₂ и водорода могут быть установлены на уровнях около 900 см³/мин, 30 см³/мин и 20 литров/мин (стандартных литров в минуту) соответственно. Давление камеры ХОИ предпочтительно устанавливается на уровне 100 тор. Как будет понятно специалистам в данной области техники, эти параметры, как, например, температура, давление и скорости потока, могут изменяться в зависимости от типа используемой установки.

Диффузионный барьерный слой 22 может быть сформирован толщиной в диапазоне приблизительно от 5 ангстрем до 100 ангстрем. Барьерный слой 22 существенной толщины может быть предпочтительным для предотвращения наружной диффузии и паразитной реакции между ПСГ поверхностным слоем 21b и диэлектрическим слоем 23, однако увеличение толщины диффузионного барьерного слоя 22 может иметь результатом уменьшение емкости, если диффузионный барьерный слой 22 выполняется из материала, имеющего более низкую диэлектрическую прочность, чем диэлектрическая прочность выбранного диэлектрического слоя 23, и/или если объединенная толщина диффузионного барьерного слоя 22 и диэлектрического слоя 23 превышает требуемый уровень. Например, фиг.11 иллюстрирует кривые зависимости емкости от напряжения для конденсаторов, имеющих диффузионные барьерные слои 22, полученные ХОИ нитрида кремния. Каждый график соответствует конденсатору, имеющему поверхностную площадь нижнего электрода около 89600 микрон². Кривая 38 фиг.11 иллюстрирует характеристики зависимости емкости от напряжения для конденсатора, имеющего диффузионный барьерный слой 22 из нитрида кремния толщиной 20 ангстрем. Кривые 36 и 37 иллюстрируют характеристики зависимости емкости от напряжения для конденсаторов, имеющих диффузионный барьерный слой 22 из нитрида кремния толщиной соответственно 10 ангстрем и 15 ангстрем. Для достижения оптимизированных характеристик емкости диффузионный барьерный слой 22 должен иметь толщину в диапазоне приблизительно от 10 ангстрем до 30 ангстрем для того, чтобы предотвратить расширение обедненного слоя, образуемого внутри нижнего электрода 21, предотвращением наружной диффузии из ПСГ поверхностного слоя 21b. Как указано ранее, расширение обедненного слоя может вредно воздействовать на стабильность емкости, когда напряжение на конденсаторе изменяется на обратное.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения барьерный слой 22 может быть сформирован первоначальным формированием первого слоя из нитрида кремния с использованием процесса быстрого термического нитрирования (БТН) на ПСГ поверхностном слое 21b, а затем формированием второго слоя из нитрида кремния на первом слое, используя операцию ХОИ. Формирование первого слоя из нитрида кремния может происходить подачей смеси газа, как, например, аммиака (NН₃), при высокой температуре в ПСГ поверхностный слой 21b. Атомы кремния, требуемые для формирования первого слоя, могут быть обеспечены ПСГ поверхностным слоем 21b, что означает, что отдельный источник кремния не требуется для обработки БТН. Однако удаление кремния из ПСГ поверхностного слоя 21b может иметь результатом уменьшение площади поверхности нижнего электрода конденсатора и сопутствующее уменьшение емкости.

Как установлено изобретателем, обработка БТН также уменьшает величину тока утечки, которая может происходить, когда нижний электрод 21 конденсатора формируется с неровной или трехмерной поверхностью электрода. Также благодаря быстрому протеканию реакции обработка БТН может препятствовать зависящей от тепла наружной диффузии легирующих примесей из ПСГ поверхностного слоя 21b. Напротив, обработка ХОИ может привести к большой наружной диффузии, т.к. продолжительность обработки ХОИ обычно больше, чем обработки БТН. Более того, если обработка БТН не обеспечивает первый слой из нитрида кремния, имеющий достаточную толщину барьерного слоя, второй слой из нитрида кремния может быть сформирован для обеспечения этой дополнительной толщины. Соответственно, обработка БТН предотвращает наружную диффузию и улучшает характеристики тока утечки, а затем может следовать обработка ХОИ для обеспечения дополнительной толщины нитридного барьерного слоя 22.

В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения барьерный слой 22 может быть легирован легирующей примесью первого типа проводимости (например, фосфором) для дополнительного предотвращения наружной диффузии легирующих примесей первого типа проводимости из ПСГ поверхностного слоя 21b, предотвращая образование отрицательного градиента легирующей примеси через границу раздела между ПСГ поверхностным слоем 21b и барьерным слоем 22. Здесь процесс легирования БТН и/или процесс легирования ХОИ могут быть выполнены для дополнительного предотвращения диффузии легирующих примесей из ПСГ поверхностного слоя 21b в барьерный слой 22.

В случае, если используется процесс легирования БТН, источник примеси первого типа проводимости, как, например, РН₃ , и источник реакции (т.е. нитрид), как, например, NН₃, могут быть поданы через ПСГ поверхностный слой 21b для формирования легированного фосфором диффузионного барьерного слоя 22 из нитрида кремния. В случае, если используется процесс легирования ХОИ, соединение источника газов как для SiN, так и для требуемой легирующей примеси может быть осаждено испарением поверх ПСГ поверхностного слоя 21b. Как описано выше, этот последний способ в результате не расходует кремний из поверхности ПСГ поверхностного слоя 21b.

В процессе легирования БТН ПСГ поверхностный слой 21b может быть подвергнут воздействию в камере газами РН₃ и NН₃ так, чтобы сформировался легированный фосфором диффузионный барьерный слой 22 SiN. Здесь газ NН₃ обеспечивает реагирование с кремнием в ПСГ поверхностном слое 21b и формирование первого слоя из нитрида кремния, а газ РН₃ вносит легирующую примесь фосфора в этот слой. В камере поддерживается давление в диапазоне приблизительно от 5 до 500 тор, а температура может быть установлена на уровне в диапазоне приблизительно от 500 до 900^oС. Процесс легирования ХОИ может быть проведен в камере ХОИ воздействием на ПСГ поверхностный слой 21b газами SiH₄ (или SiH₂Cl₂), РН₃ и NН₃. В реакционной камере ХОИ поддерживаются давление в диапазоне от 0,1 до 200 тор и температура в диапазоне от 550 до 850^oС.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения процесс быстрого термического нитрирования (БТН) может быть выполнен для улучшения электрических характеристик нитридного барьерного слоя 22. В этом процессе диффузионный барьерный слой 22 подвергается воздействию кислородом и азотом (каждый со скоростью около 8 литров/мин) в течение приблизительно 120 секунд. Процесс БТН может быть проведен в нагревательной камере при поддержании температуры подложки около 850^oС.

После формирования диффузионного барьерного слоя 22 диэлектрический слой 23 формируется на диффузионном барьерном слое 22. В предпочтительном воплощении диэлектрический слой, содержащий материал с высокой диэлектрической проницаемостью, как, например, оксид тантала (Та₂O₅), формируется на барьерном слое 22. Этот диэлектрический слой 23 может быть сформирован с использованием процесса ХОИ воздействием на барьерный слой 22 продуктом предшествующей стадии реакции Та(ОС₂Н₅)₅ и кислородом при скоростях около 300 см³/мин и 1 литров/мин соответственно. В реакционной камере ХОИ поддерживают температуру около 410^oС и давление около 400 миллитор. Обычно требуемая толщина осажденного ХОИ диэлектрического слоя 23 Та₂O₅ равна приблизительно 60 ангстрем. Диэлектрический слой 23 затем подлежит процессу уплотнения для того, чтобы, среди других факторов, улучшить физические характеристики находящегося под ним диффузионного барьерного слоя 22. Процесс уплотнения может предполагать подачу сухого кислорода поверх диэлектрического слоя 23 в течение приблизительно 30 минут в реакционной камере при температуре около 800^oС. Процесс уплотнения может вытеснить любые нежелательные примеси в диэлектрическом слое 23 Та₂O₅, как, например, углерод, и улучшить физические характеристики барьерного слоя 22 SiN.

Диэлектрический слой 23 может также быть сформирован формированием множества слоев из Ta₂O₅ и проведением процесса обработки ультрафиолетовым излучением - О₃ (озоном) каждого слоя перед формированием на нем следующего слоя Та₂O₅. Например, после того, как сформирован первый слой Та₂O₅ (обычно имеющий толщину около 30 ангстрем), может быть выполнен процесс обработки ультрафиолетовым излучением - O₃ (озоном): облучение первого слоя Та₂O₅ ультрафиолетовым светом в течение приблизительно 15 минут в реакционной камере, нагретой приблизительно до 300^oС и наполненной озоном. Аналогичный процесс затем повторяется после второго слоя Та₂О₅ (имеющего толщину, например, около 30 ангстрем), сформированного на первом слое Ta₂O₅. Наконец, двойной диэлектрический слой 23 может быть подвергнут воздействию сухим кислородом в течение приблизительно 30 минут при температуре около 800^oС. Процесс уплотнения может также быть выполнен с использованием процесса быстрого термического отжига, который включает газ N₂O при температуре камеры около 900^oС, или метода жидкого оксидирования.

В качестве дополнительной операции в изготовлении конденсатора, верхний электрод 24 формируется поверх диэлектрического слоя 23. Одним из предпочтительных материалов для верхнего электрода является нитрид титана. Другие материалы включают нитрид вольфрама, двойной слой из нитрида титана и огнеупорного кремнистого металла, двойной слой из нитрида титана и полисилоксана, многослойную комбинацию из нитрида титана и множества слоев огнеупорного металла на нем или многослойную комбинацию из нитрида титана и множества полисилицидных слоев на нем.

На фиг. 10 представлены графики зависимости емкости от напряжения для конденсаторов, сформированных в соответствии с настоящим изобретением. Каждый график соответствует конденсатору, имеющему площадь поверхности нижнего электрода около 89600 микрон². Кривая 30 соответствует конденсатору, имеющему диффузионный барьерный слой 22 из нитрида кремния, который был обработан с использованием БТН, и диэлектрический слой 23 из оксида тантала. Кривая 32 соответствует диффузионному барьерному слою 22 SiN, сформированному ХОИ без процесса БТН. Кривая 34 соответствует другому слою SiN 22, сформированному ХОИ с последующим процессом БТН. Каждый из диффузионных барьерных слоев 22 SiN, соответствующих кривым 32 и 34, имел толщину около 20 ангстрем. Для сравнения, барьерный слой 22 SiN, соответствующий кривой 30, имел толщину только около 6 ангстрем. Результаты показывают значительно большую стабильность отношений Смин/Смакс (0,94 и 0,92) для конденсаторов, которые имеют более толстые барьерные слои 22 SiN, сформированные ХОИ (смотри кривые 32 и 34), чем для конденсатора, сформированного БТН, имеющего сравнительно тонкий барьерный слой 22 (смотри кривую 30), который имеет отношение Смин/Смакс только 0,75. Кривая 34 показывает дополнительное улучшение общей емкости, где диффузионный барьерный слой 22 обработан процессом БТН.

На фиг. 12 представлены графики зависимости емкости от напряжения для конденсаторов, имеющих диэлектрический слой 23 Та₂O₅. Каждый график соответствует конденсатору, имеющему площадь поверхности нижнего электрода около 89600 микрон². Кривая 40 соответствует конденсатору, имеющему нелегированный диффузионный барьерный слой 22 SiN, сформированный с использованием БТН. Процесс БТН выполнялся в течение приблизительно 1 минуты при температуре около 850^oC, а скорость потока NH₃ была равна 0,9 литров/мин. Кривая 42 соответствует легированному фосфором диффузионному барьерному слою 22 SiN, сформированному с использованием БТН. Скорости потока источника легирующей примеси РН₃ и источника реакции NН₃ были приблизительно 450 см³/мин и 0,9 литров/мин, соответственно. Продолжительность процесса БТН была приблизительно 1 минута, а температура камеры на уровне подложки была около 850^oС. Кривая 44 соответствует легированному фосфором барьерному слою 22 SiN, сформированному ХОИ. Скорости потока SiH₂Cl₂, NH₃, РН₃ были приблизительно 30 см³/мин, 0,9 литров/мин и 450 см³/мин соответственно. Температура реакционной камеры на уровне подложки была около 750^oС. Кривая 46 соответствует конденсатору, имеющему составной барьерный слой 22 SiN, с первым слоем, сформированным с использованием процесса БТН, и вторым слоем, сформированным с использованием процесса ХОИ. Первый слой (БТН - SiN) был сформирован в соответствии с вышеописанными операциями процесса для кривой 42, а второй слой (ХОИ - SiN) был сформирован в соответствии с вышеописанными операциями процесса для кривой 44. Результаты показывают более стабильные отношения Смин/Смакс для конденсаторов, включающих легированные диффузионные барьеры - кривые 42, 44 и 46, соответствующие отношениям 0,97, 0,97 и 0,98 соответственно. Результаты дополнительно показывают в целом большую общую емкость для легированных барьеров (кривые 42, 44 и 46). Зависимость нелегированного БТН на кривой 40 имеет результатом сравнительно меньшее отношение - 0,77.

На чертежах и в описании раскрыты типичные предпочтительные воплощения изобретения, и, несмотря на то, что применяются специфические термины, они используются только в характерном для данных воплощений и описательном смысле, а не с целью ограничения, причем рамки изобретения излагаются в формуле изобретения.