专利名称：半球形硅晶粒的制造方法与大面积电极的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体制造工艺，特别是涉及一种半球形硅晶粒(Hemi-sphericalSiliconGrain，HSG)的制造方法，以及利用此HSG工艺的大面积电极的制造方法。
背景技术：
集成电路中有多种电极以掺杂多晶硅作为材料，如MOS元件的栅极(Gate)、动态随机存取存储器(DRAM)的储存电极(Storage Electrode)，以及可程序化非挥发存储器中的浮置栅极等等。其中，DRAM的储存电极上可形成许多HSG，以尽量增加DRAM单元的储存电容器的电容值，进而提升DRAM的效能。
除了储存电容器的多晶硅电极之外，其它用途的多晶硅电极如有增加电容值的需求，则其上亦可形成HSG而成为大面积电极。例如，非挥发存储器的多晶硅浮置栅极上即可形成HSG，以提高浮置栅极与控制栅极之间的耦合比(GCR)。
现有于掺杂多晶硅电极上形成HSG的方法之一，先以稀氢氟酸(DHF)去除多晶硅电极表面的原生氧化层，再进行湿式氧化步骤，以过氧化氢(H2O2)氧化多晶硅电极的表面而形成薄氧化层。之后于薄氧化层上沉积非晶硅层，再将此非晶硅层转变成HSG。其中，薄氧化层用以抑制多晶硅层中的掺杂物扩散到非晶硅层中，以免其妨碍硅的再结晶作用。另外，此薄氧化层的厚度足够低，而不致阻碍HSG与多晶硅层之间的电连接。
然而，由于上述现有方法在多晶硅层与非晶硅层二者的高温沉积步骤之间插入湿式的氧化步骤，所以其制造流程甚为繁琐，同时工艺时间(Q-time)也不易控制。再者，在使用稀氢氟酸去除原生氧化层时，稀氢氟酸容易穿过多晶硅的晶粒间隙而侵蚀其下的氧化层，尤其是在多晶硅层厚度较薄的时候。
例如，在DRAM的冠状电容器(Crown Capacitor)的下电极的工艺中，即常在氧化层开口内形成较薄的多晶硅层，以提高电容器的电容值，并防止开口被后续形成的HSG阻塞而导致介电材料或上电极材料无法填入。然而，多晶硅层的厚度降低却会使其下方氧化层更容易被稀氢氟酸侵蚀，而可能使电容器的漏电增加。
发明内容
本发明的目的就是在提供一种半球形硅晶粒(HSG)的制造方法，以解决上述现有技术的问题。
本发明的并提供一种大面积电极的制造方法，其主要利用本发明的半球形硅晶粒工艺来完成。
本发明的半球形硅晶粒的制造方法包括下列步骤。首先于基底上形成一掺杂多晶硅层，再使用一氧化性气体氧化掺杂多晶硅层的表面，以形成一氧化层。接着，于氧化层上形成一非晶硅层，再将此非晶硅层转变成半球形硅晶粒。其中，该氧化层的厚度足够小，而不致妨碍半球形硅晶粒与掺杂多晶硅层的电连接。
在一优选实施例中，氧化性气体可包括氧气(O2)。另外，上述掺杂多晶硅层、氧化层及非晶硅层可在同一腔室中连续形成，其中形成掺杂多晶硅层时的第一温度高于形成该非晶硅层时的第二温度，且形成氧化层的方法可包括在掺杂多晶硅层与非晶硅层二者的形成步骤之间，使上述氧化性气体泄入该腔室中。
再者，于上述优选实施例中，可在形成多晶硅层后将腔室的温度由第一温度逐渐降到第二温度，并在腔室的温度大致降到第二温度时进行上述泄入氧化性气体的步骤。此第一温度优选为560～590℃，且第二温度优选为500～530℃。
此外，使上述非晶硅层转变成半球形硅晶粒的方法例如包括下列步骤。首先，在非晶硅层上形成许多晶种，然后进行退火步骤，以使非晶硅层以各晶种为基础进行再结晶，从而形成多个半球形硅晶粒。
另外，在某些实施例中，基底包括一介电层。此介电层中形成有一接触窗，且此介电层上形成有一开口暴露出该接触窗；同时，上述的掺杂多晶硅层大致与介电层及其开口共形，且用以形成一冠状电容器的下电极。
此外，在上述本发明的半球形硅晶粒工艺中，掺杂多晶硅层例如包括一掺磷多晶硅层。
本发明的大面积电极的制造方法由上述本发明的半球形硅晶粒的制造方法延伸而得，包括下列步骤。首先提供一介电层，其中形成有一接触窗，且其上形成有一开口暴露出此接触窗。接着，于介电层上及该开口中形成大致共形的掺杂多晶硅层，再使用氧化性气体氧化掺杂多晶硅层的表面，以形成一氧化层。然后于氧化层上形成大致共形的非晶硅层，再将非晶硅层转变成半球形硅晶粒。上述氧化层的厚度足够小，而不致阻碍半球形硅晶粒与掺杂多晶硅层的电连接。
在一优选实施例中，上述大面积电极为DRAM元件的冠状电容器的下电极。
另外，在本发明的大面积电极的制造方法中，与氧化性气体、掺杂多晶硅层、氧化层、非晶硅层及半球形硅晶粒相关的其它特征可见于以上本发明的HSG工艺的说明中。
由于本发明以氧化性气体氧化多晶硅层表面以形成薄氧化硅层，所以多晶硅层、氧化层与非晶硅层三者的工艺很容易整合。而在本发明的优选实施例中，此整合的方式即是在同一腔室中先后形成多晶硅层与非晶硅层，并在二者的形成步骤之间使氧化性气体泄入，以氧化多晶硅层的表面而形成薄氧化层。因此，本发明的HSG工艺的流程控制较现有简单，且工艺时间(Q-time)也较容易控制。再者，由于本发明不使用稀氢氟酸处理多晶硅层的表面，所以不会侵蚀其下的氧化层。因此，多晶硅层可以形成得比较薄，以符合特定需求。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1绘示本发明优选实施例的半球形硅晶粒的制造方法中，形成掺杂多晶硅层、氧化层与非晶硅层的阶段的控温曲线。
图2A～2D绘示本发明优选实施例的大面积电极的制造方法的流程剖面图。
简单符号说明200基底
210介电层220接触窗230开口240掺杂多晶硅层250氧化层260非晶硅层260a半球形硅晶粒(HSG)T1、T2温度tA、tB、tC时间点具体实施方式
图1绘示本发明优选实施例的半球形硅晶粒制造方法中，形成掺杂多晶硅层、氧化层与非晶硅层的阶段的控温曲线。此例中掺杂多晶硅层、氧化层与非晶硅层在同一腔室中形成，且所用的氧化性气体例如为氧，但也有可能使用其它任何可在高温下使硅氧化的氧化性气体。
如图1所示，首先将腔室的温度提高至T1，以沉积掺杂多晶硅层，其厚度优选为150±10％，且其中掺杂物例如是磷(P)。沉积条件例如是温度577.5℃，压力0.43Torr，且沉积气体为SiH4与PH3，其流量分别为2500slm与600slm。
接着，将温度由T1逐渐降至沉积非晶硅所用的较低的T2，并在温度大致降到T2时令氧气(或其它适用的氧化性气体)短暂地泄入腔室中，以在多晶硅层表面形成薄氧化层，其厚度优选控制在30～40。此厚度的薄氧化层会在非晶硅层260转变成半球形硅晶粒260a的过程中被破坏，而不会妨碍掺杂多晶硅层与后续形成的HSG的电连接。之后即在T2下进行非晶硅沉积工艺，以在薄氧化层上形成非晶硅层，其厚度优选为250±10％。此沉积条件例如是温度517.5℃，压力0.60Torr，且沉积气体为SiH4，其流量为800slm。
在沉积非晶硅层后，即将其转变成HSG，其方法例如是先在非晶硅层上散布晶种，再进行退火，以使非晶硅以各晶种为基础进行再结晶，从而转变成HSG。由于此等方法已广见于许多相关参考文献中，故此处不再赘述。
另外，在实际规划工艺时，可先分别对掺杂多晶硅层的沉积步骤与非晶硅层的沉积步骤二者进行最适化调整，然后直接于参数已调整妥当的两个沉积步骤之间插进泄入氧化性气体(如O2)的步骤即可。
图2A～2D绘示本发明优选实施例的大面积电极的制造方法的流程剖面图，此大面积电极例如是DRAM单元的冠状电容器的下电极，且此工艺可利用前述本发明优选实施例的HSG工艺。
请参照图2A，首先提供基底200，其上形成有介电层210，例如是氧化硅层。介电层210中形成有接触窗220，其材料例如是掺杂多晶硅；且介电层210上形成有开口230暴露出接触窗220的顶部。接着，在基底200上形成大致与介电层210及其开口230共形的掺杂多晶硅层240，其与接触窗220接触而与的电连接，且其掺杂物种类、厚度及形成条件例如是前述者。
请参照图2B，接着以氧化性气体(例如是O2)氧化多晶硅层240的表面，以形成薄氧化层250，其厚度优选为前述的30～40，且形成方法及条件例如是前述者。请参照图2C，接着在薄氧化层250上形成大致共形的非晶硅层260，其厚度及形成条件例如是前述者。
请参照图2D，在沉积非晶硅层260之后，将其转变成多个半球形硅晶粒260a，其方法例如是前述者。由于厚度仅30～40的薄氧化层250会在非晶硅层260转变成半球形硅晶粒260a的过程中被破坏，故不会妨碍多晶硅层240与半球形硅晶粒260a的电连接。接着，去除位于开口230以外的多晶硅层240与半球形硅晶粒260a，其方法例如是先以保护材料(例如是光致抗蚀剂材料)填满开口230，再以化学机械研磨法(CMP)或回蚀法(etching-back)除去暴露于保护材料之外的多晶硅层240与半球形硅晶粒260a。如此即完成了本发明优选实施例的大面积电极。
再者，当此大面积电极工艺中形成掺杂多晶硅层、氧化层与非晶硅层的阶段采用之前图1所示的方法时，图2A、2B、2C分别对应图1中时间点tA、tB、tC时的结构。
如上所述，本发明优选实施例的HSG工艺在同一腔室中先后形成多晶硅层与非晶硅层，并在二者的形成步骤之间使O2之类的氧化性气体泄入，以氧化多晶硅层的表面而形成薄氧化层。因此，该HSG工艺的流程控制较现有简单，且工艺时间(Q-time)也较容易控制。
再者，由于本发明不使用稀氢氟酸处理多晶硅层的表面，所以不会侵蚀其下的氧化层。因此，多晶硅层可以形成得比较薄，以符合特定需求。例如，在DRAM的冠状电容器的下电极的工艺中，于介电层开口内形成较薄的多晶硅层即可提高电容值，并防止开口被后续形成的HSG阻塞而导致介电材料或上电极材料无法填入。
虽然本发明以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以后附的权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种半球形硅晶粒的制造方法，包括于一基底上形成一掺杂多晶硅层；使用一氧化性气体氧化该掺杂多晶硅层的表面，以形成一氧化层；于该氧化层上形成一非晶硅层；以及将该非晶硅层转变成多个半球形硅晶粒，其中，该氧化层的厚度足够小，而不致妨碍该些半球形硅晶粒与该掺杂多晶硅层的电连接。
2.如权利要求1所述的半球形硅晶粒的制造方法，其中该氧化性气体包括氧气。
3.如权利要求1所述的半球形硅晶粒的制造方法，其中，该掺杂多晶硅层、该氧化层及该非晶硅层在同一腔室中连续形成；形成该掺杂多晶硅层时的一第一温度高于形成该非晶硅层时的一第二温度；以及形成该氧化层的步骤包括在形成该掺杂多晶硅层的步骤与形成该非晶硅层的步骤之间，使该氧化性气体泄入该腔室中。
4.如权利要求3所述的半球形硅晶粒的制造方法，其中该氧化性气体包括氧气。
5.如权利要求3所述的半球形硅晶粒的制造方法，其中在形成该多晶硅层后，该腔室的温度由该第一温度逐渐降到该第二温度；以及泄入该氧化性气体的步骤在该腔室的温度大致降到该第二温度时进行。
6.如权利要求3所述的半球形硅晶粒的制造方法，其中该第一温度为560～590℃。
7.如权利要求3所述的半球形硅晶粒的制造方法，其中该第二温度为500～530℃。
8.如权利要求1所述的半球形硅晶粒的制造方法，其中将该非晶硅层转变成多个半球形硅晶粒的方法包括在该非晶硅层上形成多个晶种；以及进行一退火步骤，以使该非晶硅层以该些晶种为基础进行再结晶，从而形成多个半球形硅晶粒。
9.如权利要求1所述的半球形硅晶粒的制造方法，其中该基底包括一介电层；该介电层中形成有一接触窗；该介电层上形成有一开口暴露出该接触窗；以及该掺杂多晶硅层大致与该介电层及其开口共形，且用以形成一电容器下电极。
10.如权利要求1所述的半球形硅晶粒工艺，其中该掺杂多晶硅层包括一掺磷多晶硅层。
11.一种大面积电极的制造方法，包括提供一介电层，该介电层中形成有一接触窗，且该介电层上形成有一开口暴露出该接触窗；于该介电层上及该开口中形成大致共形的一掺杂多晶硅层；使用一氧化性气体氧化该掺杂多晶硅层的表面，以形成一氧化层；于该氧化层上形成大致共形的一非晶硅层；以及将该非晶硅层转变成多个半球形硅晶粒，其中，该氧化层的厚度足够小，而不致妨碍该些半球形硅晶粒与该掺杂多晶硅层的电连接。
12.如权利要求11所述的大面积电极的制造方法，其中该大面积电极包括一冠状电容器的下电极。
13.如权利要求11所述的大面积电极的制造方法，其中该氧化性气体包括氧气。
14.如权利要求11所述的大面积电极的制造方法，其中该掺杂多晶硅层、该氧化层及该非晶硅层在同一腔室中连续形成；形成该掺杂多晶硅层时的一第一温度高于形成该非晶硅层时的一第二温度；以及形成该氧化层的步骤包括在形成该掺杂多晶硅层的步骤与形成该非晶硅层的步骤之间，使该氧化性气体泄入该腔室中。
15.如权利要求14所述的大面积电极的制造方法，其中该氧化性气体包括氧气。
16.如权利要求14所述的大面积电极的制造方法，其中，在形成该多晶硅层后，该腔室的温度由该第一温度逐渐降到该第二温度；以及泄入该氧化性气体的步骤在该腔室的温度大致降到该第二温度时进行。
17.如权利要求14所述的大面积电极的制造方法，其中该第一温度为560～590℃。
18.如权利要求14所述的大面积电极的制造方法，其中该第二温度为500～530℃。
19.如权利要求11所述的大面积电极的制造方法，其中将该非晶硅层转变成多个半球形硅晶粒的方法包括在该非晶硅层上形成多个晶种；以及进行一退火步骤，以使该非晶硅层以该些晶种为基础进行再结晶，从而形成多个半球形硅晶粒。
20.如权利要求11所述的大面积电极的制造方法，其中该掺杂多晶硅层包括一掺磷多晶硅层。
全文摘要
一种半球形硅晶粒工艺，先于基底上形成一掺杂多晶硅层，再使用氧化性气体氧化掺杂多晶硅层的表面，以形成一氧化层，然后于此氧化层上形成一非晶硅层。接着，将此非晶硅层转变成多个半球形硅晶粒。
文档编号H01L21/28GK1917145SQ20051009204
公开日2007年2月21日 申请日期2005年8月16日 优先权日2005年8月16日
发明者杨立凡, 黄堃书, 彭圣修, 应宗桦 申请人:力晶半导体股份有限公司