TW408484B - The structure of floral capacitor in memory unit - Google Patents

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經濟部中央標挲局员工消費合作社印聚 408484 A7 B7五、發明説明（）5-1發明領域： 本發明係有關於製造動態隨機存取記憶體（DRAM) 單元中的半導體電容，特別是一種製造大容量電容的方 法。5·2發明背景： 半導體動態隨機存取記憶元件在積體電路技術中已 應用多年。DRAM單元通常為包含一個電晶體與一個電 容器的半導體記憶元件，以電荷儲存的方式將一個位元 的資料儲存在電容之中。的確，在DRAM元件中，一個 記憶單元乃用以儲存一個位元的資料。每個記憶單元包 含一個储存電容以及一個存取電晶體。此電晶體的源極 連接電容器的一端，而電晶體的汲極與閘極則分別與外 部.線路的位元線（bit line)以及字元線（word line)相連 接。電容器的另一端連接參考電壓。所以，DRAM記憶 單元的組成包含一個電晶體、一個電容器、以及與外部 線路的聯繫。 隨著半導體積體元件走向高積集度的趨勢，DRAM單 元的密度提昇，每個記憶單元的可用面積逐漸縮減，其 尺寸隨著半導體元件製造的技術走向越變越小。這使得 電容器面積縮小，每個單元電容量也跟著降低6然而， 過小的記憶單元會損及電容器的可靠度，電容器的電容 與能夠儲存的電荷量且會隨著其大小的縮減而降低。因 (請先閲讀背面之注意事項.r,i#寫本頁) .裝· 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4規格（210X 297公沿） 五、發明説明（ 408484 A7 Η 7 此本發明發展出在有限面積中製造大容量電容的方法。 在已知的技術中，為解決這個問題而發展出許多種 不同形式的電容，其中之一是浴缸型的電容結構。這是 利用柱形電容器的電容量大於平板電容器的特性，以降 低介電層的厚度，並克服微影技術的極限而擴大電極面 積的方法來增加電容量。換言之，可以使單一記憶單元 的電極面積增加，而能夠不產生階梯覆蓋的問題。請參 考”Method For Fabricating Stacked Capacitors In A D RAM Cell, Jin-Suk Choi, et a I., U_S. Patent No. 5,1 04,281 ”。在此，記憶單元的儲存電極形如浴缸，但 是由於未能擴展電極的高度，其面積並不能大量增加。 此外，也發展出使用半球形矽晶粒（H S G - s i I i c ο η)作 為儲存電.極的記憶單元的技術，（參考u A C a ρ a c i t ο r Ο ν e r Bit Line Cell with a Hemispherical Grain Storage Node For 64 Mb DRAMs", M. Sakao et al., microelectronics research laboratories, NEC Corporation, I EDM Tech Dig, Dec. 1990，pp.655-658)。此半球形矽晶粒（!^0-s i丨i c ο η)是在非晶矽轉變為多晶矽的臨界溫度附近以低 壓化學氣相沈積法（LPCVD)沈積而成。由於儲存電極的 有效表面積增加，此記憶單元的儲存電容因而增大。但 本發明並非採用半球形矽晶粒來增加電極的有效面積， 製程更加簡化》 (誚先閱讀背面之注$^-r填耗本頁) 裝. 訂 線 中 央 標 牟 ii 消 费 合 作 社 印 製 5-3發明目的及概述 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) Λ衫WM 210X297公郑） 408484 A 7 B7 五、發明説明（） 本發明揭露一個新的結構可以克服上述傳統DRAM 電容器之缺失，並且不會增加製程複雜度。本發明的一 較佳實施例所提出的形成於晶圓上之堆疊式電容結構 中，複數個電荷為此晶圓的字元線以及傳輸電晶體所控 制，此結構包含下列部分_ : 第一電極，係形成於此晶圓上，此第一電極被電性 耦合至此晶圓，此第一電極包含：花頸部分，係用於電 性耦合至晶圓。花底部分，係用於電性耦合至此花頸部 分，此花底部分包含第一突出部，此第一突出部疊於此 字元線以及此晶圓的傳移電晶體之閘極上，而花底部分 係由T i N所形成。另外還有花頂部分，其包含向下半球 形部以及第二突出部，此花頂部分經由向下半球形部被 電性耦合至花頸部分。此向下半球形部包含第一半球形 表面以及第二半球形表面，此花頂部分係由 Ti/TiN或 TiW所構成。 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 另外本發明的一較佳實施例所提出的形成於晶圓上 之堆疊式電容器結構尚包含：第一介電薄膜，係形成於 第一電極上，此第一介電薄膜係為此電容器之介電層， 此第一半球形表面以及第二半球形表面接觸此第一介電 層薄膜。並且第二電極形成於第一介電薄膜（其作為電容 器之介電層）上，以作為電容器之第二電極。其中上述之 第二突出部係由此向下半球形部水平延伸而出，並且第 一介電層薄膜可以由下列其中之一所構成：AI2〇3、 Y 2 〇 3、T a 2 〇 5、P Z T與B S T ’而本發明的一車交佳實施例戶斤 本紙張尺度適用中國國家摞準（CNS ) Λ4说枯（210X2y7公/ί·) 4〇8484 A7 Η 7 本發明 列圖形做更 第一圖 與位於場氧 第二圖 摻雜的多晶 第三圖 多晶矽層與 第四圖 部份的半導 第五圖 璃層而止於 第六圖 矽層然後蝕 第七圖 圈； 經濟部中央標挲局月工消費合作社印製 五、發明説明（ 提出的形成於晶圓上之堆叠式 T./TiM ίΛί 式電容構中第二電極係由下 列之一 Ti/TiN、W/WN、TiVV、ρ+ _

Ht、丨r等所構成。 5-4圖式簡單說明： 的較佳實施例將於往诒* μ ^ , t 彺後之說明文字中辅以下 詳細的闡述： 為顯示包含没極、p 1 j 極與源極的傳移電晶體 e之上的字元線的半導體晶圓剖面圖； 在第彳明砂層之上依次形成氣化石夕層、 矽層與硼磷矽破螭眉 唯層的+導體晶圓剖面圖； 為形成未摻雜的多晶石夕層並姓刻此未摻雜的 部份的㈣石夕玻璃層的半導體晶圓剖面圖； 為以等向性蝕刻法蝕刻硼磷矽玻璃層已蝕刻 體晶圓剖面圖； 為以未摻雜的多晶矽層為罩幕蝕刻硼磷矽玻 摻雜的多晶矽層表面的半導體晶圓剖面圖； 為同％蝕刻摻雜的多晶矽層與未摻雜的多晶 刻氮化矽層的半導體晶圓剖面圖； 為形成播雜的多晶矽層的半導體晶圓剖面 後體 圖然導 面，半 圓玻極 晶矽電 體磷層 導侧底 ^|_的的 的餘容 極殘電 電中成 存極形 儲電以 容存層 電儲妙 義除化 定去氮 為為的 .， 圖圖露圖 八九暴面 第第已剖 刻圓 触晶 本紙張尺度適用中關家栉芈（CNS ) hum ( 210X297^^1 經滴部中央標牟局員工消许合作社印3i 408484 A7 B7五、發明説明（） 第十圖為形成第四介電層作為電容的介電膜之半導 體晶圓剖面圖，以及 第十一圖為形成摻雜的多晶矽層，定義單元電極版 並形成位元線的半導體晶圓剖面圖° 5-5發明詳細說明： 本發明揭露一個方法以形成DRAM單元中所使用的 電容β為了增加電容中電極的有效面積，本發明提供一 個電容器結構，不需使用精巧複雜的製程而可以使製造 之電容結構具有南電容量。在dram元件中以記憶平元 來儲存一個位元的資料，每個記憶單元包括一個傳移電 晶體與一個電容。此傳移電晶體的源極或汲極連接電容 器的一端，而電晶體未連電容的電極與閘極分別與外部 線路的位元線（b i t 1 i n e)以及字元線（w 〇 r d丨i n e)相連接，電 容器的另一端則連接參考電壓。 第一圖中顯示出傳移電晶體與字元線在基板上的相 關位置。於基板1 〇 3上形成汲極1 0 0 a與源極1 0 0 b，然 後以閘極1 〇〇C連結而成傳移電晶體，字元線1 06則形成 於場氧化層1 〇 9之上’。接著在第二圖中顯示，沿著晶圓 表面形成第一介電層1 Ί 1，然後在第一介電層；Μ 1之上 形成第一導電層113a，並在第一導電層113a之上形成 第二介電層115。第一介電層111採用適當的材質以作 為蝕刻第一導電層 1 1 3 a時的蝕刻終止層，此材質可為 Si3N4，其中可用TiN以形成第一導電層1 13a。第二介電 (請先閲讀.背面之注意事項-r4寫本頁) 裝· -丁 -3 線 本紙張尺度適用中國國家標4M CNS ) Λ4规祜（25 0Χ2Μ公#) 408484 A7 Η 7 ___- ___ - ------------------------- --------------------------- 五、發明説明（） 層1 15則可選擇硼磷矽玻璃（BPSG)或正乙酯矽酸氧化物 (tetra-ethy 卜 ortho-silicate-oxide, TEOS-oxide)作為材 料，其適當的厚度約在500-2000埃之間。 在第三圖中顯示，於第二介電層115之上形成第三 介電層1 20，然後旋塗光阻層1 22於第三介電層1 20之 上。第三介電層120可採用未摻雜的多晶矽為適當的材 質，以在後續蝕刻製程中作為硬質罩幕之用，其厚度約 為200至2000埃。在進行微影與蝕刻製程之後’於光阻 層122、第三介電層120與部份的第二介電層115之中 形成第一接觸孔124。接著在第四圖中顯示，以第三介 電層1 20作為罩幕實施等向性蝕刻法蝕刻第二介電層 115，於第二介電層115中形成半球形空腔125。此蝕刻 法可以稀釋之氫氟酸溶液或B〇E(Buffer Oxide Etchant) 為蝕刻劑的濕式蝕刻法。 經濟部中央標窣局只工消费合作社印製 第五圖中顯示下一步驟：採用如CHF3、C2Fe或C3F8 等對氧化物與多晶矽的蝕刻選擇性約為1 〇 〇比1的蝕刻 劑，以非等向性蝕刻法蝕刻第二介電層1 1 5而止於第一 導電層1 1 3 a。然後在第六圊中顯示，以乾蝕刻法去除第 一導電層113a與第三介電層120，此乾蝕刻法採用 CCIF3混合0丨2、CHC!3混合CI2或是SFg作為餘刻劑。 接下來蝕刻第一介電層1 1 1，在半球形空腔1 2 5的底部 形成第二接觸孔1 2 8，一直延伸到基板1 〇 3之上、源極 100b的表面。在此處第一導電層113a可用以形成自對 準的接觸》 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS )八4巩梠（2ΐ〇χ 297Α]ΓΤ 408484 A7 B7 五、發明説明（） 第七圖中，第二導電層130a形成於第二接觸孔128 之中以及半球形空腔125與第二介電層115之上。在本 較佳實施例中，第二導電層130a可由Ti/TiN或TiW所 構成。接下來實施微影與蝕刻製程形成底層電極，以定 義記憶單元中電容的儲存電極。如第八圖中所示，定義 儲存電極的蝕刻製程終止於第一介電層111的表面，被 截斷的第一導電層113b與被截斷的第二導電層13 0b形 成電容的底層電極》接著在第九圖之中顯示下一個製 程。去除不再為被截斷的第一導電層1 13b所覆蓋的部份 第一介電層111，並去除位於被截斷的第一導電層113b 與被截斷的第二導電層130b之間的第二介電層115。在 被截斷的第一導電層 1 1 3 b與閘極 1 0 0 c之間形成的間 隙，以及在被截斷的第一導電層1 1 3b與字元線1 06之間 形成的間隙可以增加電容中電極的有效面積。去除第一 介電層時所採用的錄刻劑可為CF4/〇2、CF4/H2或CHFs。 經濟部中央標準局员工消费合作社印製 接著在底層電極的表面形成介電層。如第十圊中所 示.，採用 AI2O3、丫 2〇3、Ta2〇5、PZT 與 BST 為材質，沿 著晶圓的表面形成第四介電層135a。在沈積第三導電層 之後進行微影與蝕刻以形成單元電極版。參閱第十一 圖，將第四介電層 1 3 5 a依照單元電極版的大小予以截 斷，截斷後的第四介電層135b成為電容的介電膜。在截 斷後的第四介電層1 3 5 b之上形成第三導電層1 4 0作為電 容的頂層電極，形成單元電極版。沿著晶圓的表面形成 第五介電層 145，並形成位元線150，記憶單元於焉形 本紙張尺度適用中國國家標牟（CNS ) Λ4規格（210X297公筇） 408484 A7 Η 7 經濟部中央標苹局貝工消费合作杜印製 五、發明説明（） 成。 依據上述方法所形成的一種晶圓上堆疊式電容器 結構如下所述，其中複數個電荷為此晶圓的字元線以及 傳輸電晶體所控制，此結構包含下列：第一電極，係形 成於此晶圓上，此第一電極被電性耦合至此晶圓，此第 一電極包含：花頸部分，係用於電性耦合至晶圓。花底 部分，係用於電性耦合至此花頸部分，此花底部分包含 第一突出部，此第一突出部疊於此字元線以及此晶圓的 傳移電晶體之閘極上，而花底部分係由TiN所形成。另 外還有花頂部分，其包含向下半球形部以及第二突出 部，此花頂部分經由向下半球形部被電性耦合至花頸部 分。此向下半球形部包含第一半球形表面以及第二半球 形表面，此花頂部分係由丁ί/1Ί N或TiW所構成。 而第一介電薄膜係形成於第一電極上，此第一介電 薄膜係為此電晶體之介電層’此第一半球形表面以及第 二半球形表面接觸此第一介電層薄臈。並且第二電極形 成於第一介電薄膜（其作為電容器之介電層）上，以作為電 容器之第二電極。其中上述之第二突出部係由此向下半 球形部水平延伸而出，並且第一介電層薄膜可以由下列 其 _ 之一所構成：AI2〇3、丫2〇3、Ta2〇5、PZT 與 BST。 而第二電極之材料係由下列之一 Ti/TiN、W/WN、TiW、 P t、I r等所構成。 以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以 限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭 本紙張尺度適用中1國家標车（CNS ) Λ4规枯（210X2>m>ft ) (錆先間讀背而之注意事項rl^·寫本買) -裝- 訂 線 408484 Λ7 B7 五、發明説明（）

示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述 之申請專利範圍内Q (ii-t閲讀背面之注意事％民填，??本頁 .裝- T ru___ T°r、 線 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 ο 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS > Λ4规格（210X297公筇）

Claims (1)

1. 丁 公告本 408484 A8 B3 CS D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 申請專利範園 1. 一種晶圓上堆疊式電容器結構’複數個電荷為該晶圓 的字元線以及傳輸電晶體所控制，該結構至少包含： 第一電極，係形成於該晶圓上，該第一電極被電性 耦合至該晶圓，該第一電極至少包含· 花頸部分係用於電性耦合至該晶圓； 花底部分係用於電性耦合至該花頸部分，該花 底部分至少包含第一突出部，該花底部分係由Ti N所形 成；以及 花頂部分至少包含向下半球形部以及第二突 出部，該花頂部分係用於電性耦合至該花頸部分’該向 下半球形部至少包含第一半球形表面以及第二半球形表 面，該花頂部分係由Ti/TiN或TiW所構成； 第一介電薄膜形成於該第一電極上’該第一介電薄 膜係為該電晶體之介電層，該第一半球形表面以及該第 二半球形表面接觸該第一介電層薄膜；以及 第二電極形成於該第一介電薄膜上。 2 ·如申請專利範圍第1項之結構，真中上述之第一突出 部疊於該字元線以及該晶圓的傳移電晶體之閘極上。 3.如申請專利範圍第1項之結構，其中上述之花頂部分 經由該向下半球形部被電性耦合至該花頸部分。 11 本紙張尺度適用中國囷家榇準（CNS ) A4規格（2IOX297公釐） —^1 —^^1 ^^^1 - I - - = - J I I - - E I----n^— ^~~r. I - i【- I HI -...,, .V,/. (請先閎讀背面之注意事項l4·寫本頁) - ABCD 408484 六、申請專利範圍 4. 如申諳專利範圍第1項之結構，其中上述之第二突出 部係由該向下半球形部水平延伸而出。 (請先閲讀背面之注意事項#填寫本頁) 5. 如申請專利範圍第1項之結構，其中上述之第一介電 層薄膜係由下列其中之一所構成：AI2〇3、丫203、Ta205、 PZ丁與 BST。 6. 如申請專利範圍第1項之結構，其中上述之第二電極 係由下列之一：Ti/TiN、W/WN、TiW、Pt、lr所構成。 7. —種晶圓上堆疊式電容器結構，複數個電荷為該晶圓 的字元線以及傳輸電晶體所控制，該結構至少包含： 第一電極，係形成於該晶圓上，該第一電極被電性 耦合至該晶圓，該第一電極至少包含： 花頸部分係用於電性耦合至該晶圓； 花底部分係用於電性耦合至該花頸部分’該花 底部分至少包含第一突出部.，該第一突出部疊於該字元 線以及該晶圓的傳移電晶體之閘極上，該花底部分係由 T i N所形成；以及 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 花頂部分至少包含向下半球形部以及第二突 出部，該花頂部分係用於電性耦合至該花頸部分，該向 下半球形部至少包含第一半球形表面以及第二半球形表 面，該花頂部分係由T i / T i N或T i W所構成； 第一介電薄膜形成於該第一電極上’該第一介電薄 膜係為該電晶體之介電層，該第一半球形表面以及該第 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ABCD 408484 六、申請專利範圍 二半球形表面接觸該第一介電層薄膜；以及 第二電極形成於該第一介電薄膜上。 8 .如申請專利範圍第7項之結構，其中上述之花頂部分 經由該向下半球形部被電性耦合至該花.頸部，分。 9 .如申請專利範圍第7項之結構，，其中上述之第二突出 部係由該向下半球形部水平廷伸而出。 1 0.如申請專利範圍第7項之結構，其中上述之第一介電 層薄膜係由下列其中之一所構成：Al2〇3、Y2〇3、Ta2〇5、 PZT 與 BST。 1 1 .如申請專利範圍第7項之結構，其中上述之第二.電極 係由下列之一 ：Ti/TiN、W/WN、TiW、Pt、lr所構成。 1 2. —種晶圓上堆疊式電容器結構，複數個電荷為該晶圓 的字元線以及傳輸電晶體所控制，該結構至少包含： 第一電極，係形成於該晶圓上，該第一電極被電性 耦合至該晶圓，該第一電極至少包含： 花頸部分係用於電性耦合至該晶圓； 花底部分係用於電性耦合至該花頸部分，該花 底部分至少包含第一突出部，該第一突出部疊於該字元 線以及該晶圓的傳移電晶體之閘極上，該花底部分係由 TiN所形成；以及 本紙浪尺度逋用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） 請 先 閲 讀 背 之 注 意 Ψ 項 填、 寫 本 页 裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 8 8 8 8 ABCD 408484 六、申請專利範圍 花頂部分至少包含向下半球形部以及第二突 出部，該花頂部分經由該向下半球形部被電性耦合至該 花頸部分，該向下半球形部至少包含第一半球形表面以 及第二半球形表面，該花頂部分係由Ti/TiN或TiW所構 成；. 第一介電薄膜形成於該第一電極上，該第一介電薄 膜係為該電晶體之介電層，該第一半球彤表面以及該第 二半球形表面接觸該第一介電層薄膜；以及 第二電極形成於該第一介電薄膜上。 1 3.如申請專利範圍第1 2項之結構，其中上述之第二突 出部係由該向下半球形部水平延伸而出。 1 4 ·如申請專利範圍第1 2項之結構，其中上述之第一介 電層薄膜係由下列其中之一所構成：AI 2 〇 3、Y 2 0 3、 Ta205、PZT 與 BST。 1 5 .如申請專利範圍第1 2項之結構，其中上述之第二電 極係由下列之一：Ti /Ή N、W/W N、T i W、P t、I r所構成。 (請先鬩讀背面之注意事項寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐）