TWI357132B - Stack capacitor structure and manufacturing method - Google Patents
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Description
1357132 P51970002TW 26959twf.doc/n 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種半導體元件及其製造方法且 別是有關於一種堆疊式電容架構及其製造方法。 、 【先前技術】 動態隨機存取記憶體（Dynamic Random Access φ Memory，DRAM)是一種廣泛應用的積體電路元件。隨著 產業發展，對於更南容量之DRAM的需求亦隨之增加。 DRAM的記憶單元是由彼此電氣連接之M〇s電晶體及電 • 谷器構成。電谷器主要用以儲存代表資料之電荷，必須具 備间電谷1才可確保資料不易漏失。增加電容器的電荷儲 存能力的方法除了增加介電材料之介電係數以及減少介電 材料之厚度外，還可以利用增加電容器的表面積來達成。 然而，隨著半導體技術持續朝向次微米及深次微米推進 時統的電容益製程已經不符使用，因此研究人員開發 具有问介電係數之介電村料以及增加電容器的表面積，以 增加電容器的電容值。 鬥k為了進步長1面DRAM的積集度(Integration)， 製私不斷微縮’每單位電容截面積及電容間距越來越小。 在，有限的空間下，電容器必須提供足夠的電容量來維持 度’故在DRAM設計中強調電容結構設計和佈置與 電谷里之關連，並簡化製程，以為DRAM薇商提高良率並 降低成本。 5 丄乃7132 26959twf.doc/n
p5197〇〇〇2TW 傳統的平坦型電容器（Planar Type Capacitor )以二度 空間來實現，因而需佔用半導體基底相當大的面積來儲存 ，荷’故並不適合應用於高度的積集化。高度積集化的動 態隨機存取記憶體需要利用三度空間的電容器來實現，例 如所謂的堆疊型(Stack Type)或溝槽型(Trench Type)電容 器。記憶體元件在進入更高度的積集化時，單純的三度空 間電容器結構已不敷使用，在小面積範圍内增加動態隨機 存取記憶體的電容器表面積的方法便被發展。 ”另外，為有效提升電容量，大多捨棄傳統較穩固之杯 狀電谷(Cup Capacitor)而採用内外側總表面積較大之圓柱 電容(Cylindrical Capacitor)，唯此電容結構強度變弱而有發 生傾倒接觸(TwinBitFailure)之可能，例如，在9〇nm製程 時’因電綠構不穩有_錢縣。解決辦法 有兩個方向，-方面主動，針對電容結構_進行設計， ^電容接觸；另-方面被動地以防傾倒為目標，在製程 步驟令加入電容間支撐結構。 國直ί國ττ!利或專利，請案有多篇提到此種支樓結構：美 件κΓ26180 ’在電容外側設置有環狀/碗狀穩定部 Λ下窄，㈣在下電極_端附近，且電容間 穩疋。卩件在斜對角方向有連接。美 安us ΐΓΙΓΓ Γ容主結構外，設置具有突出結:穩定 :；)5 °料，美國專利申請案 心環麟槽，垂直 下電極板美國專利US7期37之穩定部件位於下電極的 6 1357132 P51970002TW 26959twf.doc/n 頂端附近，彼此互相連結。美國專利申請案US2〇〇5/〇〇4〇448 之穩定部件的上方往内彎折。美國專利申往 仍讓膨㈣之支躲構為觀下電極的隨，且； 極間具有連結部件。 ％ 【發明内容】 本發明提供一種堆疊式電容架構及其製造方法，在下 的外壁設置分離的補強結構，以避免電容發生傾倒失 效的情形。 穴 * 树明提供—齡疊式電容_及其製造方法，在下 • J極的外側頂端設置分離的補強結構，可縮小補強結構佔 據的空間，以增加上、下電極的電容表面積。 •本發明提供一種堆疊式電容架構及其製造方法，在下 電極的外側頂端設置分離的補強結構，可允許電容偏移但 S會傾倒’且電容間具有較多的空間，以使後續沈積導電 料時，不易遇到填料間隙太小而填不進去的問題。 八本發明提出一種堆疊式電容結構，包括一下電極、— 二電層以及—上電極。介電層覆蓋於該下電極。上電極覆 ^於，介電層。此外，補強結構設置於該下竜極的外壁頂 ^ ’该補強結構由多個分離的部件所構成。 在本發明之一實施例中，這些分離的部件間隔地設置 於該下電極的外壁周圍。 在本發明之一實施例中，下電極具有一圓柱狀外型。 在本發明之一實施例中，補強結構的材質包括氮化 P5197〇〇〇2TW 26959twf.d〇c/n @ '氧化#、氮氧切或氧化铭。 摻雜ίίΓ之—實施例中，下電極與上電極的材質包括 列=發=出—種堆疊式電容雜的製造方法，包括下 刻，於基底上形成—模層以及—硬罩幕層；餘 強二爐並於該硬罩幕層中形成—補強結構，該補 °構由夕個分離的部件所構成；於該模層中形成一開 開π的底部裸露出該基底表面之—導電部；去除硬 幂曰，並側向蝕刻該開口；於該開口之内側側壁盘該 ^部表面形成—下電極；絲該模層；形成-介電層^覆 二該下電極以及該補驗構；以及形成—上電極以覆蓋該 ^ I電層。 ，在本發明之—實施例中，形成補強結構的方法包括： 形成貫穿該硬轉層之多個孔，該些孔_地分散於預定 形，該下電極之-柱狀區域的周圍；以及於該些孔中填人 Μ電材料，以形成構成該補強結構的多個部件。 在本發明之-實施例中，形成下電極的方法包括 積-電極㈣於該開口中以及該模層上；以及移除位於該 模層上的—部份電極材料，並保留位於該開Π中另—部乂 電極材料，以形成該下電極。 刀 本發明因採用分離的補強結構，不需要連接部件因 此可縮小補強結構佔據的m進而增加電容表面積。 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯祕，下文特 舉較佳實關’並配合所附圖式，作詳細說明如下。 P51970002TW 26959twf.doc/n 【實施方式】 圖1A至圖1E的上視圖表示本發明一實施例之堆疊式 電容結構及其前段製造流程。圖2A至圖2E的剖面圖分別 表示圖1A至圖1E中沿著H，線的堆疊式電容結構及其前 段製造流程。 請參照圖1A與圖2A，此方法是先提供基底1〇〇，基 底100的表面例如是具有導電部1〇5，此處所指稱的「基 底」包含了晶圓以及形成於其上的膜層與元件，如動態隨 機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)、非 揮發性記憶體等記憶體元件，或是金氧半導體電晶體(M〇s) 荨等基底上可以是形成有一層隔絕層no ,以阻隔 上方元件與下方元件之導通。隔絕層110的材質例如是氧 化矽、氮化矽等絕緣材料。導電部105的材質例如是摻雜 多晶矽、金屬等導體材料，可以將後續形成的堆疊式電容 結構與下方元件相連接。 接著，於基底100上形成一層模層115，模層115的 材質例如是硼磷矽玻璃(BPSG)、磷矽玻璃(PSG)、旋塗式 玻璃（SOG)、未摻雜矽玻璃（USG)或是四乙氧基矽酸塩 (TEOS)氧化矽，其形成方法例如是高密度電漿化學氣相沈 積(HDP CVD)、電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)或是其 他類型的化學氣相沈積。 接著’於模層115上形成一層硬罩幕層in，硬罩幕 層117的材質例如是氮化矽、氮氧化矽、碳化矽或氮碳化 石夕等’其形成方法例如是化學氣相沈積法。然後，在硬罩 1357132 P51970002TW 26959twf.doc/n 幕層1二形*-層圖案化光阻層119。圖案化光阻層 例如疋正光^其形成方法例如是先 117 不），於曝光後進灯圖案的顯影而形成圖案化光阻層119。 圖，圖案化光阻層119所裸露出 =硬罩幕層τ之圖樣’便是後續形柄獅結構之圖 樣。圖1A之貝施例中，所裸露出來的硬軍幕層ιΐ7
樣為四個開口。當然，_化光阻層119之圖案並不限於 此，端視後續補強結構之設計而定，關於補強結構之態樣， 在後績製造流程中會有更詳細的說明。 繼而，請參照圖1B與圖2B，以圖案化光阻層119為 罩幕刻下方之硬罩幕層117,以形成多個開口 12〇。钱 刻的方法例如是乾式钱刻法’如反應性離子姓刻。而後， 利用乾式去光阻或濕式去光阻的方式，移除圖案化光阻芦 119。 θ
開口 120的數量不限’可以是兩個、四個或六個以上。 開口 120間隔地分散於柱狀區域125的周圍，其中開口 12〇 的上視圖案可以是方形、圓形或是其他幾何圖案。 在本實施例中，柱狀區域125即為預定形成下電極的 區域，如圖1Β所示，排列在十字形端部的四個矩形孔 12〇，間隔地分散於柱狀區域125的周圍。以下即以此種圖 案之孔120，進行後續製造流程之說明。 請參照圖1C與圖2C，於每一孔120中填入介電材料， 以形成補強結構130。補強結構130的材質例如是氮化矽、 1357132 P51970002TW 26959twf.doc/n 故化石夕、氧切、錄切、氮碳化⑦或氧她等等介電 材料，其形成方法例如是化學氣相沈積法。 補強結構130形成於各柱狀區域125之間的最短間距 方向上（即Η線、Π-Π線的方向）。在本實施例中補 強結構130例如是由多個分離的部件13加、咖、⑽、 130d所構成’這些部件13〇a、酿、13〇〇、i3〇d分散於 柱狀區域125的周圍。當•然，由前述的說明可知，孔120 可以是多種㈣’則所形成的補強結構13G自然也可以是 多種圖案，而不僅限於圖1C之圖案。 補強結構130的部件之間是各自獨立、分離，不需要 連接部件’以縮小補強結構130所佔用的空間。同時，在 圖1C卜補強結構130的部件13〇c、13〇d與 結構（即最短間距方向上的補強結構)的各部件i3〇e i3〇$f 均沒有輯部件相連結，*是相隔H以使 空間。因此’本發明以私空間 的補強’二構13G來增加後續製作的電容結構的強度時，還 移但不會傾倒，以使電容表面積相^增加^ 進而挺面電容量。 接著，請參照圖1D與圖2D，以經過圖案化的硬 層117以及補強結構13〇為罩幕，移除裸露出來的模 而形成向下飯刻的開口 122 ’之後再餘刻位於開口 部的阻絕層110,以顯露出基底議的導電部105。移除部 分模層115的方法例如是乾絲刻法如反應性離子^ 法。之後，移除硬罩幕層117的方法可以是乾式钱刻法二 11 1357132 P51970002TW 26959tw£doc/n 也可以是濕式蝕刻法。 繼之，請參照圖與圖2E，側向钱刻位於補強結構 no下方的開口 I22，么使開口 m的尺寸擴大為w。在 本實施例中，補強結構no的材質例如是選擇與模層115 的材質具有不同蝕刻選擇比的材質，補強結構13〇的钱刻 移除速率會小於模層115的蝕刻移除速率，如此一來，在 侧向蝕刻中才便於移除模層115,而留下補強結構13〇。當 然’在另一實施例中4可不經過側向姓刻而直接以圖 及圖2D的架構來製作後續的下電極’因此圖ιέ及圖2B 的實施例並非用以限制本發明。 以下介紹形成下電極的流程示意圖，但不限定以本方 式具體實施。請參照圖2F-1、圖2F-2及圖2F-3，於開口 122中及模層115上形成一層共形的電極材料15〇。接著， 填入一光阻材料140於此開口 122中，以覆蓋部分電極材 料’之後移除開口 122以外之模層115上的部分電極材料， 而形成多個分離的下電極150a。下電極150a的材質例如 是多晶石夕、掺雜多晶石夕或是欽/氣化鈦、銅等導電材料，其 例如是呈現一杯狀，或者可以說是具有底部的中空圓柱狀 外型。在本實施例中’下電極150a由上視圖（未繪示）來 看，具有圓環狀剖面，但下電極150a的圖案並不限於此， 也可設計成橢圓環狀剖面、矩形狀剖面或其他任何圖形， 當然，下電極15〇a也可以是柱狀結構，而不限於本實施例 之中空柱狀結構。下電極15〇a的南度是透過模層1 μ的高 度來控制。 12 1357132 P51970002TW 26959twf.doc/n 而後’請參考圖2G，分別利用乾式_法或是 刻法將光阻材料M0及模@ 115 #除，僅保留下電極 以及配置於下電極150a的外壁頂端的補強結構㈣。 下電極150a與補強結構130的立體結構，請朱昭圖3 = =由於補強結構m沒有連接部件，故能夠容許電料 構產生部分偏移，縱使相鄰的電容結構之 ： ，觸’也可以藉由補強結構130的阻隔，而 導通而失效。 各 繼而，請參照圖那於基底⑽上形成共形的介電芦 ，^者基底刚表面輪廊而形成，並覆蓋住隔“ 、補強結構m與下電極150a。介電層16〇的材質例 B疋氧化其侃方法例如是化學氣相沈積法^接 極材料沈積於介電層16G上。電極材料的材質可 等發接雜多晶石夕或含有金屬如欽/氮化欽、銅、鎢 而+值e注㈣是’㈣於習知具魏接部件的補強結構 導i二離ΐ補強結構能使電容間具有較多的空間，以使 、材料填入於電容間，且導電材料覆蓋的表面籍 ^加，因而增加電容量。在本實施例中，導 亦可填滿下電極施内的中;^。 導電材料 作，電極170之後便完成了堆叠式電容結構的製 /、由上電極170、介電層16〇、補強結構13〇以及下電 P51970002TW 26959twf,doc/n 極150a所組成。介電層16〇是作為電容結構中的電容介電 層，夾在下電極15〇a與上電極17〇之間，利用電容内外側 表面積可以提供足夠的電容量，以因應元件的微縮。 由於本發明將補強結構130配置於相鄰電容間最短間 距方白上，且補強結構13〇彼此不相連，因此可容許在如 11C之1-1’線、υ-π’線的方向偏移，若是對角方向的偏移， 請參考圖4的電容結構的尺寸設計。為了防止對角方向（即 E線的方向）上的一電容結構發生偏移而傾倒，必須 符合下列的關係式： 、
Z>4ld-Z 其中，Z為電容結構間最大展開幅度，而d為最小間 距方向上的二電容結構的中心距離。紐z以電容結構的 最大徑向長度1；與補強結構的寬度t表示時，可得到下列 關係式： Z = λ/Ϊ(γ + i/2f 最後’由上述二關係式可求得： r + 0.5t>0.5d 換言之，在設計分離的補強結構13〇時，<須符人 的限制條件，才不會發生電容偏移而傾“ 題。田以，上述的限制條件僅針對圖3的實施例，在另 -實施例巾’可藉由配置額外喃強結構（未繪示）於對 角方向上，以阻隔電容傾倒而預防電容失效。a 、
综上所述，本發明於下電極外壁設 構’不但可以縮小補強結構佔據的空間，以增S 1357132 P51970002TW 26959twf.d〇c/n 極的電容表面積，更可允許電容偏移但不會傾倒且恭六 間具有較多的空間，以使後續沈葙雷 电合 埴伽_ , * ^極材㈣，不易遇到 填科間隙太小而填不進去的問題。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限疋本發明’任何所屬技術領域巾具有通常知識者 脫離本發明之精神和範_，#可作麵之更動與潤飾，
因此本發明之保護範圍當視後附之㈣專㈣騎界定者 為準。 【圖式簡單說明】 圖1Α至圖1Ε的上視圖表示本發明一實施例之堆疊式 電容結構及其前段製造流程。 圖2Α至圖2Ε的剖面圖分別表示圖1Α至圖1Ε中沿 著1-1’線的堆疊式電容結構及其前段製造流程。 圖2F]、® 2F-2及圖2F_3為本發明形成下電極的流 程不意圖。
圖2G至圖2H為本發明一實施例之堆疊式電容結構 及其後段製造流程。 圖3是本發明之下電極與補強結構的立體結構示意 圖。 圖4疋本發明一貫施例之堆疊式電容結構的尺寸設計 圖0 【主要元件符號說明】 15 1357132 P51970002TW 26959twf.doc/n 100 :基底 105 :導電部 110 :隔絕層 115 :模層 117 :硬罩幕層 119 :圖案化光阻層 120 :孔 122 :開口 125 :柱狀區域 130 :補強結構 130a、130b、130c、130d、130e、130f:分離的部件 140 :光阻材料 15 0 .電極材料 150a :下電極 160 :介電層 170 :上電極 16
Claims (1)
1357132
年ff月ΠΗ 上 »i 十、申請專利範圍： 1.一種堆疊式電容結構，包括： 一下電極； —介電層，覆蓋於該下電極； —上電極，覆蓋於該介電層；以及 一補強結構，設置於該下電極的外壁頂端，該補強結 構由多個分離的部件所構a，其巾該些分誠部件的尺寸 符合下列關係式： ^ + 0.5?> 〇.5cf 红其ί，Γ為一電容結構的最大徑向長度，t為一分離的 牛的見度，而d為最小間距方向上的二電容結構的中心 距離。 2·如申請專利範圍第1項所述之堆疊式電容妗播. 中該些分離的部件間隔地設置於該下電極的外壁周圍。/、 3·如中請專利範圍第i項所述之堆疊式電容結 1 中該下電極具有一圓柱狀外型》 ” 4, 如申請專利範圍第i項所述之堆疊式電容結1 補強結構的材質包括氮化破^、氮氧化石夕或氧 5. 如申請專利範圍第i項所述之堆疊式電容結复 該下電極與該上電極的材質包括摻雜多晶石夕。 ’、 ,田！:如中請專利範圍第1項所述之堆疊式電容結構，复 適用於一隨機存取記憶體。 /、 7.如申請專·_ i項舰之堆疊式電容結構，其 17 1357132 100-11-11 中該補強結構與一相鄰的補強結構不相連。 8. —種堆疊式電容結構，包括： 一下電極； 一介電層’覆蓋於該下電極； 一上電極’覆蓋於該介電層；以及 一補強結構，設置於該下電極的外壁頂端，該補強結 構由多個分離的部件所構成，其中該補強結構與一相鄰的 補強結構不相連。 9. 如申凊專利範圍第8項所述之堆疊式電容結構，其肇 中該些分離的部件間隔地設置於該下電極的外壁周圍。 10. 如申π專利範U第8項所述之堆疊式電容結構，1 中該下電極具有一圓柱狀外型。 η.如申請專利範，8項所述之堆疊式電容結構，立 中該補強結構的材質包括氮化梦、氧切、氮氧化石夕或^ 化鋁° 申請專利範圍第8項所述之堆疊式電容結構，其 中該下電極與該上電極的材質包括摻雜多晶石夕。 13. 如申請專利顧第8項所述之堆 適用於-Ρ遺機存取記憶體。 电^構八 14. -種堆疊式電容架構的製造方法，包括： 於基底上形成一模層以及一硬罩幕層； 兹刻該硬罩幕層，並於該硬罩幕層巾形成—補強社 構，該補強結構由多個分_部件所構成. 於該模層中形成一開口，該開口的底部裸露出該基底 18 表面之一導電部； 去除該硬罩幕層，並側向姓刻該開口； 於該開口之内側側壁與該導電部表面形成一下電極； 去除該模層； 形成-介電層以覆蓋該下電極以及該補強結構；以及 形成-上電極以覆蓋該介電層，其中該些分離的部件 的尺寸符合下列關係式： r + 0.5i>〇.5d 其中’r為-電容結構的最大徑向長度，（為一分離的 部件的見度’而d為最小間距方向上的二電容結構的中心 距離。 15·如U利範圍第14項所述之堆疊式電容架構的 製造方法，其中形成該補強結構的方法包括： 形成貫穿該硬罩幕層之多個孔，該些孔間隔地分散於 預定形成該下電極之一柱狀區域的周圍；以及 於該些孔中填入-介電材料，以形成該補強結構的多 個分離的部件。 16.如申請專利範圍第14項所述之堆疊式電容架構自 製造方法，其中形成該下電極的方法包括： 沈積-電極材料於該開口中以及賴層上；以及 移除位於賴層上的1份電極㈣，並保留位於自 開口中另一部分電極材料，以形成該下電極。 17·如㈣專利範圍第14項所述之堆叠式電容架構的 製造方法，其中該下電極具有一圓柱狀外型。 製、=8:如_請專概目第14賴狀堆疊式電容架構的 =方法，其中該補強結構的材質包括氮化矽、氧化 氣乳化矽或氧化鋁。 •明專利範圍第14項所述之堆疊式電容架構的 &法，其中該補強結構與一相鄰的補強結構不相連。 2〇·—種堆疊式電容架構的製造方法，包括： 於基底上形成一模層以及一硬罩幕層； 蝕刻該硬罩幕層，並於該硬罩幕層中形成一補強結 構，該補強結構由多個分離的部件所構成； 於該模層中形成一開口，該開口的底部裸露出該基底 表面之一導電部； 去除該硬罩幕層’並側向蝕刻該開口； 於該開口之内侧侧壁與該導電部表面形成一下電極； 去除該模層； 形成一介電層以覆蓋該下電極以及該補強結構；以及 形成一上電極以覆蓋該介電層，其中該補強結構與一 相鄰的補強結構不相連。 21.如申凊專利範圍第2〇項所述之堆疊式電容架構的 製造方法’其中形成該補強結構的方法包括： 升>成貫穿該硬罩幕層之多個孔，該些孔間隔地分散於 預定形成該下電極之一柱狀區域的周圍；以及 於該些孔中填入一介電材料，以形成該補強結構的多 個分離的部件。 22.如申請專利範圍第20項所述之堆疊式電容架構的 20 WO-U-ii 製造方法，其中形成該下 沈積一電極㈣⑽^極的法包括： 移除位於該槿#二\口令以及該模層上；以及 開口中另-部分電以並保留位於該 23.如申請專利範圍第成該T電極。 製造方法，其中該下電 、所述之堆疊式電容架構的 24具有—圓柱狀外型。
制、止大1 ^專範®第2G項所述之堆4式雷ϋ塞 衣&方去，其中該補強結 '電谷架構的 氮氧切或lutls。 冑匕氣切、氧化石夕、
21
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