CN1734772A

CN1734772A - 半导体器件及其制造方法

Info

Publication number: CN1734772A
Application number: CN200510080959.1A
Authority: CN
Inventors: 喜多树宏之; 藤樫勇气; 北岛弘康; 池田典昭; 中村吉孝; 梯英一郎
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: CN100411178C

Abstract

一种半导体器件包括圆柱形电容器，每个电容器包括相应的圆柱形电极。每个圆柱形电极包括半球形硅颗粒。从圆柱形电极的上部区域突出的半球形硅颗粒具有较大的尺寸，从圆柱形电极的下部区域突出的半球形硅颗粒具有较小的尺寸，或圆柱形电极的下部区域没有半球形硅颗粒。

Description

半导体器件及其制造方法

本申请要求在先的日本专利申请JP2004-186805和JP2005-181977的优先权，在此将其公开内容引入作为参考。

技术领域

本发明涉及半导体器件及用于制造半导体器件的方法。本发明具体涉及包括圆柱形电容器的半导体器件以及用于制造这种半导体器件的方法。

背景技术

近年来，越来越需要具有大容量的半导体器件。因此，在实际使用中动态随机存取存储器(DRAM)具有大的容量，例如1G bit的容量。

用于DRAM的存储单元通常每个包括选通晶体管和电容器。电容器中存储的电荷对应于信息并用晶体管传送。电容器被连接到晶体管的扩散层电极，并被放置到扩散层电极上或被放置到栅电极和扩散层电极上。电容器包括连接到扩散层电极的下电极、公共连接的上电极以及位于其间的电容器绝缘层。

选通晶体管的尺寸减小导致被每个电容器占据的面积减小。但是，电容器必须具有足以保证存储器工作的电容量，因为电容器中存储的电荷对应于信息。在实现具有充足电容量的小尺寸电容器中以下技术是有效的：具有较小厚度的绝缘膜(介质膜)的使用，具有大介电常数的电容器绝缘层的使用，具有大表面积的电容器电极的使用等。

亦即，使用这种薄介质膜或高-表面积电容器。为了实现薄介质膜，巳知介质膜的厚度被减小或使用具有大介电常数的新材料。这导致可靠性降低。

为了实现高-表面积电容器有两种方案：一个方法是使用具有大的高宽比的圆柱形电容器，另一种方法是使用粗糙硅层或使用具有从中突出的半球形硅颗粒(以下称为HSG)的硅层。

如下形成HSG层：形成用于形成圆柱形电容器的下电极的非晶硅层，然后通过在包含SiH₄或SiH₆的气氛下热处理该非晶硅层种晶，以及在高真空条件下进一步热处理所得的非晶硅层，由此形成从非晶硅层突出的HSG。通过种晶处理提供的硅原子被允许迁移，以通过热处理产生晶粒。

当非晶硅层包含大量杂质例如磷(P)时，晶粒不能充分地生长，因为该杂质抑制硅原子的迁移。通常，通过热处理具有1E20至2E20原子/cm³的杂质浓度或更小杂质浓度的非晶硅层制备HSG层。如果获得的HSG层由于低杂质浓度具有不能令人满意的电性能，那么通过在包含PH₃的气氛中热处理HSG层用P掺杂HSG层，由此HSG层的杂质浓度增加。根据该技术，可以制备具有约为巳知电容器两倍的表面积；因此，可以获得具有希望容量的小尺寸存储单元。如果该技术与上面描述的两种技术结合使用，那么可以获得更高的优点。

选通晶体管的尺寸减小导致圆柱形电容器的尺寸减小；因此，圆柱形电容器具有较小的直径，以及彼此邻近的圆柱形电容器之间的距离较小。另一方面，HSG层容易被剥离。剥落的HSG层导致圆柱形电容器之间短路。这导致存储器的成品率减小。为了防止由于HSG的剥落发生短路，有必要部分地抑制HSG的生长。

日本未审专利申请公开号2000-196042，2002-368133以及2000-216346(下面，分别称为专利文献1、2和3)公开了用于部分地抑制HSG从HSG层容易剥离的圆柱形电极生长的技术。根据专利文献1和2，防止从圆柱电极的顶端突出的HSG和从箱形电极的边缘突出的HSG生长，由此防止在这些电极之间发生短路。根据专利文献3，位于从圆柱形电极的外壁突出的HSG具有不同于从其内壁突出的HSG的尺寸。

日本未审专利申请公开号2001-196562(下面，称为专利文献4)公开了用于防止在HSG的形成过程中，由于位于圆柱壁上的电极的去除而露出与圆柱体壁接触的氧化物的技术。日本未审专利申请公开号2002-222871(下面，称为专利文献5)公开了通过在一个步骤中形成HSG来减小工艺成本和增加处理量的技术。日本未审专利申请公开号2002-334940(下面，称为专利文献6)公开了一种用于通过使接触栓塞直接连接到金属布线来减小具有HSG内壁的凹形电容器的电阻的技术。

在上面的巳知技术中，在一个步骤中形成HSG，电容器的电阻被减小，防止由于剥落的HSG层发生短路或防止相邻的圆柱形电容器短路。用于制造用于DRAM的小尺寸电容器的方法和这种电容器的结构有如下所述的问题。

为了增加存储单元的集成度，通过刻蚀形成孔，以便具有高的高宽比。这种孔的下部区域具有小于其上部区域的直径。参考图23A，在包括接触栓塞32的第一层间绝缘层31上布置掩模绝缘层33和第二层间绝缘层34。通过光刻技术形成用于形成圆柱形电容器的电容器孔35，该孔贯穿掩模绝缘层33和第二层间绝缘层34。当通过光刻技术形成电容器孔35时，每个电容器孔35具有由a-a′表示的顶部开口，具有等于设计值的直径，以及由b-b′、c-c′或d-d′表示的下部区域，每个具有不同于设计值的直径。

顶部开口a-a′的直径与设计值相同。但是，位于顶部开口a-a′下面的上部区域b-b′具有大于顶部开口a-a′的直径，位于上部区域b-b′下面的下部区域c-c′具有小于上部区域b-b′的直径，下部区域C-C′朝其下部的方向变细。以及电容器孔35具有所谓的弓形截面。对于具有十或以上的高宽比的孔的当前大容量存储器，因为刻蚀气体不被充分地提供到下部区域，所以孔的下部区域难以被刻蚀。因此，存在下部区域的直径变小的问题。

电容器孔35必须被连接到位于其下的每个接触栓塞32。电容器孔35的底部与掩模绝缘层33接触，因此掩模绝缘层33被称为刻蚀停止层。当掩模绝缘层33被刻蚀时，如果电容器孔35与接触栓塞32未对准，那么第一层间绝缘层31被部分地刻蚀。因此，有其中与接触栓塞32的侧面接触的电容器孔35的下部区域d-d′具有比其他区域更小的尺寸的问题。亦即，在电容器孔35中，下部区域c-c′具有小于其设计值的直径，以及下部区域d-d′具有小于其设计值的尺寸。

用于形成电容器的圆柱形下电极的硅层36形成在具有以上形状的电容器孔35的壁和底部上。硅层36被处理，由此制备具有HSG37的下电极。然后形成电容器绝缘层38，以便覆盖HSG37。HSG37被致密地布置在下电极的下部区域或在下电极的下部区域彼此接触。下电极的下部区域具有小于其设计值的尺寸。例如，下部区域是孔的底部，下部区域d-d′和下部区域c-c′。由于电容器绝缘层38不均匀地生长在致密地布置的HSG37上，因此电容器绝缘层38的厚度不均匀，因此具有薄的部分。

由于HSG37从具有尺寸小于设计值的窄区域的下电极突出，如图23B所示，因此如果这些HSG37具有大于环绕区域的一半直径的直径，从每个下电极的内壁的环绕区域突出的HSG37彼此接触。在彼此接触的HSG37之间存在窄的空间。由于用于形成电容器绝缘层38的反应气体几乎不能被引入该窄空间，因此电容器绝缘层38的台阶覆盖度是不充足的；因此，电容器绝缘层38具有薄部分。由于在电容器绝缘层38的氧化过程中，在窄空间中氧化物质例如氧气是枯竭的，因此电容器绝缘层38不能被充分地氧化。亦即，窄空间中的反应气体是稀薄的，因为反应气体不被充分地提供给窄空间。

当高电场被施加到电容器绝缘层38的薄部分时，电流从该薄部分泄漏。电容器绝缘层38的厚度减小导致其介电强度减小。尽管通常通过氧化改进电容器绝缘层38的介电强度，但是有其中因为氧化物质不被充分地提供给窄空间，从而电容器绝缘层38具有低介电强度的问题。

发明内容

由此，本发明的目的是提供一种高可靠性半导体器件以及用于制造这种半导体器件的方法。

本发明的半导体器件包括圆柱形电容器，每个包括相应的圆柱形电极。每个圆柱形电极包括HSG，从圆柱形电极的上部区域突出的HSG具有大的尺寸，从圆柱形电极的下部区域突出的半球形硅颗粒具有较小的尺寸，或圆柱形电极的下部区域没有半球形硅颗粒。

在该半导体器件中，从每个圆柱形电极的内壁的环绕区域突出的HSG具有小于环绕区域的一半直径的尺寸。

在该半导体器件中，每个圆柱形电容器具有：一个开口；位于开口下面，具有大于或等于开口的直径的上部环绕区域；以及位于上部环绕区域下面，具有小于开口的直径的下部环绕区域。

在该半导体器件中，圆柱形电极的外壁没有HSG，以及圆柱形电容器具有冠状形状。

根据本发明用于制造半导体器件的方法包括在半导体基片上形成层间绝缘层的步骤；在层间绝缘层上限定电容器形成区，然后除去对应于电容器形成区的部分层间绝缘层，以形成圆柱形孔的步骤；在半导体基片上形成用于形成电容器的下电极的非晶半导体层的步骤；用杂质掺杂非晶半导体，以便部分非晶半导体层的杂质浓度在垂直方向变化的步骤，该部分位于圆柱形的孔中；种植非晶半导体层的步骤；热处理所得的非晶半导体层，以形成HSG的步骤；形成电容器绝缘层的步骤；以及形成用于电容器的上电极的步骤。

该方法还包括部分地或完全地除去围绕下电极的层间绝缘层的步骤。

在该方法中，通过离子注入掺杂非晶半导体层，以及位于圆柱形孔中的非晶半导体层的下部具有大于其上部的杂质浓度。

在该方法中，掺杂步骤包括在非晶半导体层上形成绝缘层的子步骤，以及用气态杂质部分地掺杂非晶半导体层的子步骤，位于圆柱形孔中的非晶半导体层的下部具有大于其上部的杂质浓度。

根据本发明的用于制造半导体器件的方法包括在半导体基片上形成层间绝缘层的步骤；在层间绝缘层上限定电容器形成区，然后除去对应于电容器形成区的部分层间绝缘层，以形成圆柱形孔的步骤；在半导体基片上形成用于形成电容器的下电极的非晶半导体层的步骤；用绝缘层覆盖非晶半导体层的圆柱形下部的步骤，圆柱形下部位于圆柱形孔中；种植非晶半导体层的步骤；热处理非晶半导体层，以形成HSG的步骤；形成电容器绝缘层的步骤；以及形成用于电容器的上电极的步骤。

由于电容器绝缘层具有均匀的厚度，因此没有电流泄漏的薄部分，该半导体器件具有高可靠性。可以通过本发明的方法制造半导体器件。

附图说明

图1示出了根据本发明的第一实施例的方法制备的圆柱形电容器的剖面图；

图2示出了第一实施例的方法中包括的第一步骤的剖面图；

图3示出了第一实施例的方法中包括的第二步骤的剖面图；

图4示出了第一实施例的方法中包括的第三步骤的剖面图；

图5示出了第一实施例的方法中包括的第四步骤的剖面图；

图6示出了第一实施例的方法中包括的第五步骤的剖面图；

图7示出了第一实施例的方法中包括的第六步骤的剖面图；

图8示出了第一实施例的方法中包括的第七步骤的剖面图；

图9示出了第一实施例的方法中包括的第八步骤的剖面图；

图10是根据第三实施例的方法中包括的步骤的剖面图；

图11是根据第四实施例的方法中包括的第一步骤的剖面图；

图12示出了第四实施例的方法中包括的第二步骤的剖面图；

图13示出了第四实施例的方法中包括的第三步骤的剖面图；

图14示出了第四实施例的方法中包括的第四步骤的剖面图；

图15是根据第五实施例的方法中包括的第一步骤的剖面图；

图16示出了第五实施例的方法中包括的第二步骤的剖面图；

图17示出了第五实施例的修改方法中包括的第一步骤的剖面图；

图18示出了第五实施例的修改方法中包括的第二步骤的剖面图；

图19是根据第六实施例的方法中包括的第一步骤的剖面图；

图20示出了第六实施例的方法中包括的第二步骤的剖面图；

图21示出了第六实施例的修改方法中包括的第一步骤的剖面图；

图22示出了第六实施例的修改方法中包括的第二步骤的剖面图；

图23A示出了巳知方法中包括的第一步骤的剖面图；以及

图23B示出了巳知方法中包括的第二步骤的剖面图。

具体实施方式

现在将参考附图描述根据本发明的半导体器件和根据本发明制造半导体器件的方法。

第一实施例

现在参考图1至9描述根据本发明的第一实施例用于制造半导体器件的方法。图1是通过该实施例的方法制造的半导体器件中包括的一个圆柱形电容器的剖面图。图2至9示出了制造半导体器件的主要步骤的剖面图。

如图2所示，在半导体基片1中形成隔离区2，然后在半导体基片1中布置的P阱区4上形成用于驱动存储单元的选通晶体管3。选通晶体管3每个包括相应的栅电极8、与栅电极8对准的源/漏扩散区9。栅电极8每个包括相应的栅绝缘层5、多晶硅层6以及硅化物层7，那些层依次布置。在隔离区2中延伸的部分栅电极8用作布线。

如图3所示，在选通晶体管3上形成第一层间绝缘层10，以及在第一层间绝缘层10中形成接触孔，以便每个延伸至相应的源/漏扩散区9。接触孔用多晶硅或非晶硅填充，然后通过深腐蚀或CMP除去不必要部分，由此在接触孔中形成多晶硅栓塞11。

如图4所示，在形成多晶硅栓塞11之后，在多晶硅栓塞11和第一层间绝缘层10上形成第二层间绝缘层12，然后通过光刻技术和各向异性干法刻蚀在第二层间绝缘层12中形成孔。这些孔用TiN和W填充，然后通过深腐蚀或CMP除去不必要的部分，由此在孔中形成W栓塞13。在第二层间绝缘层12上沉积TiN和W，并通过光刻技术和各向异性干法刻蚀形成位线14。

如图5所示，在位线14上形成第三层间绝缘层15，以及通过光刻技术和各向异性干法刻蚀形成到达多晶硅栓塞11的孔。这些孔用多晶硅或非晶硅填充，然后通过深腐蚀或CMP除去不必要的部分，由此在孔中形成接触栓塞16。在接触栓塞16和第三层间绝缘层15上形成氮化物层17，以及在氮化物层17上形成具有2至3μm厚度的等离子体氧化物层18。

如图6所示，通过光刻技术和各向异性干法刻蚀形成贯穿氮化物层17和等离子体氧化物层18的圆柱形电容器孔。通过光刻技术形成的电容器孔每个具有顶部开口，顶部开口具有等于其设计值的直径；但是每个电容器孔具有位于每个开口下面的上部区域，具有大于开口的直径，以及具有位于上部区域下面的下部区域，具有小于上部区域的直径，下部区域朝其下部的方向变细。以及电容器孔具有弓形截面。在相应的电容器孔的底部每个接触栓塞16被露出。由于电容器孔和接触栓塞16之间的未对准，接触栓塞16的侧面被部分地刻蚀，因此电容器孔的底部具有凹进的区域。在500℃至600℃的生长温度下，在等离子体氧化物层18和在电容器孔的壁和底部上形成具有1E19原子/cm³的磷浓度的非晶硅层19。非晶硅层19具有小于或等于电容器孔的开口直径的四分之一的厚度。具体地，非晶硅层19的厚度是20至50nm。非晶硅层19用于形成圆柱形电容器的圆柱形下电极。

如图7所示，在下列条件下用杂质掺杂非晶硅层19，例如用磷：5E14原子/cm²的剂量、零度的入射角以及100keV的加速电压。在下列条件下用杂质例如磷进一步掺杂所得的非晶硅层19：1E14原子/cm²的剂量，零度的入射角，以及10keV的加速电压。在该步骤中，用杂质掺杂位于电容器孔的下部区域的非晶硅层19的下部区域，以便具有由非晶硅层19的每个下部区域和平行于半导体基片1的平面形成的角度决定的杂质浓度，下部区域具有小于电容器孔的上部区域的直径。具体地，与非晶硅层19的其他区域相比，用杂质更重地掺杂非晶硅层19的下部区域。

在非晶硅层19上设置抗蚀剂层，然后通过光刻工艺部分地除去该抗蚀剂层，以便保留位于电容器孔中的部分抗蚀剂层。如图8所示，非晶硅层19被深腐蚀，以便在电容器孔中保留非晶硅层19区域，由此制备彼此分开的非晶硅膜。非晶硅膜的每个顶端位于比每个电容器孔的开口低30至100nm的位置。非晶硅膜被处理为圆柱形电容器的下电极(圆柱形电极)。在该步骤中，通过干法刻蚀除去非晶硅层19的上部，该上部用杂质掺杂并从低于电容器孔的开口30至100nm的位置延伸。然后用包含过硫酸的热水溶液除去抗蚀剂层的剩余部分。

非晶硅层19被清洗，从那里除去自然氧化物。如图9所示，使用包含甲硅烷或乙硅烷的籽晶气体，用HSG形成设备，在550℃到570℃的温度下，在非晶硅层19的表面形成细晶体颗粒。通过退火生长细晶体颗粒，由此制备HSG19b。非晶硅层19转变成HSG19b和硅层19a。HSG19b和硅层19a用作圆柱形电容器的下电极。从硅层19a的上部区域突出的HSG19b具有大于从硅层19a的下部区域突出的HSG19b的尺寸，该硅层19a的下部区域具有大于其上部区域的杂质浓度。由于从下部区域或与接触栓塞16接触的硅层19a的底部突出的HSG19b具有较小尺寸，因此这些HSG19b不互相接触。

上部区域的HSG19b具有更大的尺寸以及下部区域的HSG19b具有较小的尺寸；亦即，根据HSG19b存在的垂直位置，HSG19b具有不同的尺寸。从每个圆柱形的硅层19a的内壁的环绕区域突出的HSG19b具有小于环绕区域的一半直径的尺寸，且因此不互相接触。从其内壁的更窄环绕区域突出的HSG19b具有更小的尺寸。下电极20的整个表面是粗糙的。为了防止下电极20被耗尽，以及为了减小下电极20的电阻，用低压CVD熔炉，用n型杂质例如磷掺杂下电极20，以便下电极具有5E20原子/cm³的磷浓度。

通过使用反应气体的真空CVD在下电极20上形成电容器绝缘层21，然后用氧化气体氧化。在该步骤中，由于从硅层19a的下部区域突出的HSG19b具有较小的尺寸，且因此不互相接触，反应气体可以均匀地扩散；因此，可以形成具有均匀厚度的电容器绝缘层21。在电容器绝缘层21上设置上电极22，由此制备圆柱形电容器，如图1所示。由于从硅层19a的内壁的更窄环绕区域突出的HSG19b具有更小尺寸，接近内壁的窄环绕区域没有窄空间，因此电容器绝缘层21具有均匀的厚度；因此，圆柱形电容器具有良好的绝缘性能。

如上所述，在该实施例中，由于用杂质重掺杂非晶硅层19的下部区域，因此从其下部区域突出的HSG19b具有较小尺寸，且因此不互相接触。因此，反应气体可以被均匀地扩散，通过低压CVD形成的电容器绝缘层21可以被防止损坏覆盖度，以及在氧化电容器绝缘层21的步骤中可以防止氧化气体的浓度被部分地减小。由于氧化气体可以被均匀地扩散，因此电容器绝缘层21可以被均匀地氧化，且因此具有改进的绝缘性能。此外，由于在接触栓塞16和硅层19a之间的接触区发生原子混合，因此接触栓塞16和硅层19a之间的接触电阻是低的；因此有故障的电接触的数目非常小，并且可以高速工作。因为半导体器件包括具有均匀厚度的电容器绝缘层21，所以半导体器件具有高可靠性。如上所述，通过该实施例的方法可以制造半导体器件。

第二实施例

现在将描述根据本发明的第二实施例制造半导体器件的方法。在该实施例中使用的杂质不同于第一实施例中描述的离子注入中使用的杂质。该实施例的方法的步骤类似于第一实施例中所描述的步骤。因此，在该实施例中仅仅描述不同于第一实施例中所描述那些步骤的步骤，与第一实施例中所述相同的步骤被省略。

如图6所示，在500℃至600℃的温度下形成用于形成圆柱形电极的圆柱形下电极的非晶硅层19，以便具有例如1E19原子/cm³的磷浓度。非晶硅层19具有小于或等于电容器孔的开口直径的四分之一的厚度。具体地，非晶硅层19的厚度是20至50nm。如图7所示，在下列条件下用杂质例如硼掺杂非晶硅层19：5E14原子/cm²的剂量、零度的入射角以及20keV的加速电压。在该步骤中，用硼掺杂位于电容器孔的下部区域的非晶硅层19的下部区域，以便具有由非晶硅层19的每个下部区域和平行于半导体基片1的平面形成的角度决定的硼浓度。具体地，与非晶硅层19的其他区域相比，用硼更重地掺杂非晶硅层19的下部区域和底部。

接着，用和第一实施例中所述相同的方法形成HSG19b。从硅层19a的上部区域突出的HSG19b具有大于从下部区域突出的HSG19b的尺寸，下部区域具有大于其上部区域的杂质浓度。由于从下部区域或与接触栓塞16接触的硅层19a的下部突出的HSG19b具有较小尺寸，因此这些HSG19b不互相接触。在半导体器件中，从每个圆柱形的硅层19a的内壁的环绕区域突出的HSG19b具有小于环绕区域的一半直径的尺寸。从其内壁的更窄环绕区域突出的HSG19b具有更小的尺寸。因此下电极20的整个表面是粗糙的。为了防止下电极20被耗尽，以及为了减小下电极20的电阻，用和第一实施例所述相同的方法，用低压CVD熔炉，用n型杂质例如磷掺杂下电极20，以便下电极具有5E20原子/cm³的磷浓度。

通过该实施例的方法制造的半导体器件具有高可靠性，因为该半导体器件包括具有均匀厚度的电容器绝缘层。

第三实施例

现在参考图10描述根据本发明的第三实施例用于制造半导体器件的方法。在该实施例中，不通过离子注入执行掺杂，而是使用包含杂质的气体执行。在该实施例中使用图10所示的步骤代替如图7所示的第一实施例中使用的掺杂步骤。在该实施例中，为了简化描述，与第一实施例中所述相同的元件具有与第一实施例所述相同的参考标记。

如图10所示，在500℃至600℃的温度下形成用于形成圆柱形电极的圆柱形下电极的非晶硅层19，非晶硅层19包含磷。非晶硅层19具有小于或等于用于形成下电极的圆柱形电容器孔的四分之一开口直径的厚度。具体地，非晶硅层19的厚度是20至50nm。通过使用例如TEOS的等离子体增强的CVD，在非晶硅层19上形成具有50nm厚度的氧化物层23。氧化物层23具有不完全的覆盖度；亦即，用氧化物层23覆盖位于电容器孔的壁的上部区域上的非晶硅层19的平坦顶部和非晶硅层19的上部，但是，位于其壁的下部区域上的非晶硅层19的下部几乎不被覆盖。然后用稀释的氢氟酸轻徽地刻蚀氧化物层23，以便氧化物层23的厚度减小约10nm，由此露出非晶硅层19的下部。通过控制等离子体增强CVD的条件和/或刻蚀非晶硅层19的时间，调整其露出的下部的面积。通过使露出的下面部分暴露于包含磷的气氛，用低压CVD熔炉，在500℃下用n型杂质例如磷仅掺杂露出的下部。

在该步骤中，不用杂质掺杂非晶硅层19的覆盖部分，而是仅仅掺杂在电容器孔的窄部分中存在的露出的下部。接着，除去氧化物层23，并用和第一实施例中所述相同的方法形成HSG。从硅层19a的上部区域突出的HSG19b具有大于从下部区域突出的HSG19b的尺寸，下部区域具有大于其上部区域的杂质浓度。由于从下部区域或与接触栓塞16接触的硅层19a的底部突出的HSG19b具有较小尺寸，因此这些HSG19b不互相接触。从每个圆柱形的硅层19a的内壁的环绕区域突出的HSG19b具有小于环绕区域的一半直径的尺寸。从其内壁的更窄环绕区域突出的HSG19b具有更小的尺寸。因此下电极的整个表面是粗糙的。

第四实施例

现在参考图11至14描述根据本发明的第四实施例用于制造半导体器件的方法。在该实施例中，不从圆柱形电极的窄下部区域生长HSG。该方法包括与图2至6所示的第一实施例中描述的那些步骤相同的步骤。在该实施例中，为了简化描述，与第一实施例中所述相同的元件具有与第一实施例所述相同的参考标记。

在用和图6中所示的相同方法形成非晶硅层19之后，如图11所示形成绝缘层24，以便用部分绝缘层24填充圆柱形电容器孔。绝缘层24可以由例如BPSG制成。如图12所示，绝缘层24被部分地刻蚀掉，以便仅仅在电容器孔的下部区域剩下部分绝缘层24。电容器孔的下部区域具有小于电容器孔的开口的直径。绝缘层24可以被湿法或干法刻蚀。

通过除去非晶硅层19的平坦部分，非晶硅层19被处理为分开的圆柱形非晶硅层19。用于刻蚀绝缘层24的方法和用于部分地除去非晶硅层19的方法不被具体限制，可以使用下列工序：通过CMP除去绝缘层24的平坦部分和非晶硅层19的平坦部分，然后绝缘层24的其他部分被部分地刻蚀掉，以便在电容器孔的下部区域中剩下小部分绝缘层24。

绝缘层24的每个剩余部分的顶部优选位于每个电容器孔的下部环绕区域中，下部环绕区域具有等于电容器孔的开口直径的直径。这是因为电容器孔的开口被设计为从硅层19a突出的HSG19b不互相接触。当其剩余部分的顶部位于更高的位置时，具有HSG19b的硅层19a具有不足以实现希望的电容量的面积。相反，当其剩余部分的顶部位于更下面的位置时，从硅层19a的下部区域突出的HSG19b互相接触，且因此在圆柱形电容器中存在死空间。因此，如下所述的电容器绝缘层21具有电流泄漏的薄部分。

非晶硅层19被清洗，由此从那里除去自然氧化物。如图13所示，在550℃至570℃的温度下，使用包含甲硅烷或乙硅烷的籽晶气体，利用HSG形成设备在非晶硅层19中形成细晶体颗粒。通过退火生长细晶体颗粒，由此形成HSG19b。硅层19a的上部区域具有HSG19b，但是其下部区域没有HSG19b，因为其下部区域被绝缘层24的剩余部分覆盖。

如图14所示，通过刻蚀从电容器孔除去绝缘层24的剩余部分。为了防止下电极20被耗尽，以及为了减小下电极20的电阻，用低压CVD熔炉，用n型杂质例如磷掺杂下电极20，以便下电极具有5E20原子/cm³的磷浓度。然后通过使用反应气体的真空CVD在下电极20上形成电容器绝缘层21，然后用氧化气体氧化。在该步骤，由于下电极20的下部区域没有HSG19b，因此反应气体被均匀地扩散；因此，电容器绝缘层21具有均匀的厚度。在电容器绝缘层21上设置上电极22，由此制备圆柱形电容器。

如上所述，在该实施例中，下电极20的下部区域没有HSG19b，因为其下部区域被绝缘层24的剩余部分覆盖。因此，在电容器绝缘层21的形成过程中，在下电极20的窄下部区域中反应气体可以被均匀地扩散；因此，电容器绝缘层21可以防止覆盖度恶化。此外，在氧化电容器绝缘层21的步骤中，可以防止氧化气体的浓度部分地减小;因此，电容器绝缘层21可以被均匀地氧化，因此具有改进的绝缘性能。由此，通过该实施例的方法可以制造包括具有均匀厚度的电容器绝缘层的高可靠性半导体器件。

第五实施例

现在参考图15至18描述根据本发明的第五实施例用于制造半导体器件的方法。在该实施例中，半导体器件包括类似于第一、第二或第三实施例中描述的圆柱形电容器的圆柱形电容器。在该实施例中使用的圆柱形电容器具有冠状形状，并且每个包括相应的圆柱形下电极。下电极20的外壁和内壁都覆有电容器绝缘层21。该实施例的方法包括与形成图9所示的从硅层19a突出的HSG19b的步骤相同的步骤以及HSG形成步骤之前的步骤。图15和16示出了在HSG形成步骤之后该实施例的方法中包括的步骤的剖面图。图17和18示出了在这种HSG形成步骤之后该实施例的修改方法中包括的步骤的剖面图。在该实施例中，为了简化描述，与第一、第二和第三实施例中所述相同的元件具有与第一、第二和第三实施例所述相同的参考标记。

在该实施例中，在形成HSG19b之后，围绕硅层19a的氧化物层18被刻蚀掉，如图15所示。为了防止下电极20被耗尽和为了减小下电极20的电阻，用杂质掺杂下电极20。在下电极20上形成电容器绝缘层然后氧化。在电容器绝缘层21上形成上电极22，由此制备圆柱形电容器，如图16所示。具有这种冠状形状的这些圆柱形电容器不同于第一、第二或第三实施例中描述的那些圆柱形电容器，其中这些圆柱形电容器的外壁覆有电容器绝缘层21，电容器绝缘层21具有位于其上的上电极22。因此，这些圆柱形电容器的外壁和内壁用作电容器区。该实施例的下电极的内壁具有约为不包括HSG的巳知圆柱形电容器的下电极内壁的两倍面积。由于该实施例的下电极的外壁用作电容器区，因此该实施例的下电极具有约为这种巳知圆柱形电容器的下电极的三倍的表面积。

现在将参考图17和18描述该实施例的修改方法。如图17所示，围绕硅层19a的氧化物层18被部分地刻蚀掉，以便氧化物层18厚度约减小一半。为了防止下电极20被耗尽，以及为了减小下电极20的电阻，用杂质掺杂下电极20。然后在下电极20上形成电容器绝缘层21然后氧化。在电容器绝缘层21上形成上电极22，由此制备冠状形状的圆柱形电容器，如图18所示。在该实施例中，该修改的每个圆柱形电容器的外壁的一半用作电容器区。该修改的下电极的内壁具有约为不包括HSG的巳知圆柱形电容器的下电极内壁的约两倍的面积。由于该修改的每个下电极的外壁的一半用作电容器区，因此该修改的下电极具有约为这种巳知的圆柱形电容器的下电极约2.5倍的表面积。

在该修改中，尽管围绕下电极的氧化物层18的厚度被减小约一半，但是氧化物层18的剩余一半支撑下电极，以防止下电极坍塌。参考图15，用具有与下电极接触的小截面的接触栓塞16固定下电极。另一方面，参考图17，通过刻蚀的氧化物层18支撑下电极，氧化物层具有基本上等于其初始厚度的一半厚度，因此防止坍塌。

氧化物层18的厚度的减小量可以根据下电极的强度来决定。当下电极具有高强度且因此不可能坍塌时，氧化物层18被完全除去。在此情况下，下电极具有大的表面积。当下电极具有低强度时，氧化物层18被部分地除去，例如氧化物层18的上半部被除去。在此情况下，可以安全地防止下电极坍塌。

在该实施例的圆柱形电容器中，从硅层19a的内壁的上部区域突出的HSG19b具有较大的尺寸，以及从其内壁的下部区域突出的HSG19b具有较小的尺寸。下电极20的外壁用作电容器区，以及圆柱形电容器具有冠状形状；因此，下电极具有大的表面积。因此，圆柱形电容器具有大的电容量；因此，包括圆柱形电容器的半导体器件高稳定性地工作。

第六实施例

现在参考图19至22描述根据本发明的第六实施例用于制造半导体器件的方法。该实施例的半导体器件包括类似于第四实施例中所述的圆柱形电容器的圆柱形电容器。在实施例的圆柱形电容器具有冠状形状，并且每个包括相应的圆柱形下电极。该实施例的下电极的外壁和内壁都覆有电容器绝缘层21。该实施例的方法包括与形成从图13所示的硅层19a突出的HSG19b的步骤相同的步骤以及HSG形成步骤之前的步骤。图19和20示出了在HSG形成步骤之后该实施例的方法中包括的步骤的剖面图。图21和22示出了在这种HSG形成步骤之后该实施例的修改方法中包括的步骤的剖面图。在该实施例中，为了简化描述，与第四实施例中所述相同的元件具有与第四实施例所述相同的参考标记。

在该实施例中，在用和第四实施例所述相同的方法如图13所示形成HSG19b之后，位于电容器孔中的部分绝缘层24和围绕硅层19a的氧化物层18被刻蚀掉，如图19所示。为了防止HSG19b被耗尽和为了减小下电极20的电阻，用杂质掺杂下电极20。在下电极20上形成电容器绝缘层21然后氧化。在电容器绝缘层21上形成上电极22，由此制备圆柱形电容器，如图20所示。该实施例的下电极20的内壁具有略小于不包括HSG的巳知圆柱形电容器的下电极20内壁的两倍的面积。由于该实施例的下电极20的外壁用作电容器区，因此该实施例的下电极20具有略小于这种巳知圆柱形电容器的下电极20的三倍的表面积。

现在将参考图21和22描述该实施例的修改方法。如图21所示，位于电容器孔中的部分绝缘层24被刻蚀掉以及围绕下电极20的氧化物层18被部分地刻蚀掉，以便氧化物层18的厚度被减小约一半。在下电极20上形成电容器绝缘层21然后氧化。在电容器绝缘层21上形成上电极22，由此制备冠状形状圆柱形电容器，如图22所示。在该实施例中，每个圆柱形电容器的外壁的一半用作电容器区。该修改的下电极20的内壁具有略小于不包括HSG的巳知圆柱形电容器的下电极20内壁的两倍的面积。由于该修改的每个下电极20的外壁的一半用作电容器区，该修改的下电极20具有略小于这种巳知圆柱形电容器的下电极20的2.5倍的表面积。

在该修改中，尽管围绕下电极20的氧化物层18的厚度被减小约一半，但是氧化物层18的剩余一半支撑下电极，以防止下电极坍塌。参考图19，用具有与下电极20接触的小截面的接触栓塞16固定下电极20。另一方面，参考图21，通过刻蚀的氧化物层18支撑下电极，刻蚀的氧化物层18具有基本上等于其原始厚度的一半厚度，因此防止坍塌。可以用和第五实施例描述的那些方法相同的方法决定氧化物层18的厚度减小量。

在该实施例的圆柱形电容器中，从下部电极20的内壁的上部区域突出的HSG19b具有较大尺寸，而下部电极20的内壁的下部区域和下部电极20的底部没有HSG19b。下电极的外壁的区域用作电容器区，并且圆柱形电容器具有冠状形状；因此，下电极具有大的表面积。因此，圆柱形电容器具有大的电容量；因此，包括圆柱形电容器的半导体器件高稳定性地工作。

尽管描述了本发明，本发明的方法对于制造除用于DRAM以外的半导体器件的圆柱形电容器是有用的。在第一实施例中，氮化物层17位于氧化物层18的下面，以便执行掩模绝缘层的功能，以防止布置在氮化层17下面的元件被刻蚀。但是，可以根据需要使用这种掩模绝缘层。如果，例如，第三层间绝缘层15的刻蚀速率小于氧化物层18的刻蚀速率，那么氮化物层17可以被省略。另外，可以在氧化物层18上设置由其它材料制成的绝缘层，以便防止非晶硅层19被刻蚀。此外，在第五或第六实施例中，可以在氧化物层18中设置由其它材料制成的绝缘层，以便防止氧化物层18被完全刻蚀掉。

尽管上面参考实施例详细描述了本发明，但是本发明不局限于这些实施例。在本发明的范围内可以进行各种修改。应当理解本发明涵盖这种修改。

Claims

1.一种半导体器件，包括：

圆柱形电容器，其每个包括相应的圆柱形电极，

其中每个圆柱形电极包括半球形硅颗粒，从圆柱形电极的上部区域突出的半球形硅颗粒具有较大的尺寸，从圆柱形电极的下部区域突出的半球形硅颗粒具有较小的尺寸，或圆柱形电极的下部区域没有半球形硅颗粒。

2.根据权利要求1的半导体器件，其中从每个圆柱形电极的内壁的环绕区域突出的半球形硅颗粒具有小于环绕区域的一半直径的尺寸。

3.根据权利要求1或2的半导体器件，其中每个圆柱形电容器具有：开口；位于开口下面的上部环绕区域，其具有大于或等于开口的直径；以及位于上部环绕区域下面的下部环绕区域，其具有小于开口的直径。

4.根据权利要求3的半导体器件，其中圆柱形电极的外壁没有半球形硅颗粒并且圆柱形电容器具有冠状形状。

5.一种用于制造半导体器件的方法，包括：

在半导体基片上形成层间绝缘层的步骤；

在层间绝缘层上限定电容器形成区，然后除去对应于电容器形成区的部分层间绝缘层，以形成圆柱形孔的步骤；

在半导体基片上形成用于形成电容器的下电极的非晶半导体层的步骤；

用杂质掺杂非晶半导体层，以便非晶半导体层的位于圆柱形孔中的部分的杂质浓度在垂直方向改变的步骤；

向非晶半导体层种籽的步骤；

热处理所得的非晶半导体层以形成半球形硅颗粒的步骤；

形成电容器绝缘层的步骤；以及

形成用于电容器的上电极的步骤。

6.根据权利要求5的方法，还包括部分地或完全地除去围绕下电极的层间绝缘层的步骤。

7.根据权利要求5的方法，其中通过离子注入掺杂非晶半导体层，以及位于圆柱形孔中的非晶半导体层的下部具有大于其上部的杂质浓度。

8.根据权利要求5的方法，其中掺杂步骤包括在非晶半导体层上形成绝缘层的子步骤，以及用气态杂质部分地掺杂非晶半导体层的子步骤，位于圆柱形孔中的非晶半导体层的下部具有大于其上部的杂质浓度。

9.一种用于制造半导体器件的方法，包括：

在半导体基片上形成层间绝缘层的步骤；

用绝缘层覆盖非晶半导体层的位于圆柱形孔中的圆柱形下部的步骤；

向非晶半导体层种籽的步骤；

热处理所得的非晶半导体层以形成半球形硅颗粒的步骤；

形成电容器绝缘层的步骤；以及

形成用于电容器的上电极的步骤。

10.根据权利要求9的方法，还包括部分地或完全地除去围绕下电极的层间绝缘层的步骤。