TWI710110B - 電容器及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種電容器及其製造方法。所述電容器包括杯狀下電極、電容介電層、上電極以及支撐層。支撐層包括：上支撐層，環繞所述杯狀下電極的上部；中部支撐層，環繞所述杯狀下電極的中部；下支撐層，環繞所述杯狀下電極的下部。所述上支撐層、所述中部支撐層以及所述下支撐層的表面被電容介電層覆蓋。
Description
本發明是有關於一種半導體結構及其製造方法，且特別是有關於一種電容器及其製造方法。
動態隨機存取記憶體屬於一種揮發性記憶體，其是由多個記憶胞所構成。詳細地說，每一個記憶胞主要是由一個電晶體與一個由電晶體所操控的電容器所構成。電容器主要用以儲存代表資料之電荷，必須具備高電容量才可確保資料不易漏失。
隨著科技的進步，各類電子產品皆朝向高速、高效能、且輕薄短小的趨勢發展，而在這趨勢之下，對於更高容量之動態隨機存取記憶體的需求也隨之增加。因此，動態隨機存取記憶體的設計也已朝向高積集度及高密度的方向發展。然而，高積集度的動態隨機存取記憶體上的記憶胞的排列通常非常靠近，因此幾乎無法在橫向上增加電容器面積。
本發明提供一種電容器，其藉由垂直方向上增加高度，以提升電容器面積及電容值。
本發明提供一種電容器，其以多個支撐層支托，以提升電容器的機械強度。
本發明提供一種電容器的製造方法，在形成杯狀下電極時，可以不需要使用額外的光罩，也不需要使用化學機械研磨製程，而且進行脫模時也不需要光罩即可進行，因此可以簡化製程並降低製造成本。
本發明提供一種電容器包括杯狀下電極、電容介電層、上電極以及支撐層。支撐層包括：上支撐層，環繞所述杯狀下電極的上部；中部支撐層，環繞所述杯狀下電極的中部；下支撐層，環繞所述杯狀下電極的下部。所述上支撐層、所述中部支撐層以及所述下支撐層的表面被電容介電層覆蓋。
本發明提供一種電容器的製造方法包括以下步驟。於基底上依序形成模板層與上支撐層；於所述上支撐層與所述模板層中形成第一開口。於所述基底上形成導體層，以覆蓋所述第一開口與所述上支撐層。在所述基底上形成第一罩幕層，所述第一罩幕層具有懸突，覆蓋所述第一開口的上側壁，並將所述第一開口的頂端封閉。回蝕刻所述第一罩幕層，以裸露出位於所述上支撐層上的所述導體層。移除所述上支撐層上的所述導體層，以形成多個杯狀下電極。回蝕部分的所述上支撐層，使所述杯狀下電極的頂端凸出於所述上支撐層的頂面；移除所述第一罩幕層。於所述基底上形成保護層。於所述保護層中形成第二開口，裸露出所述上支撐層。移除所述第二開口下方的部分所述上支撐層與部分所述模板層，以形成第三開口；進行脫模步驟，移除所述保護層與所述模板層。以暴露出所述杯狀下電極的內表面與外表面；於所述杯狀下電極的所述內表面與所述外表面以及所述上支撐層的表面上形成電容介電層。於所述電容介電層的表面上形成上電極。
基於上述，本發明藉由下支撐層、中部支撐層與上支撐層所構成的強化結構來增加電容器的機械強度，以避免電容器變形甚至傾倒的現象。另外，在形成杯狀下電極時，可以透過具有懸突的罩幕層來做為蝕刻的罩幕，不僅可以減少一道微影製程，而且可以自行對準待蝕刻的區域，因此可以提升對準的精確度。此外，在形成杯狀下電極時可以不需要使用化學機械研磨製程，因此可以簡化製程，降低製程的成本。
同時參照圖1A以及圖2A，本實施例提供一種電容器的製造方法，其步驟如下。首先，提供基底10。基底10例如為半導體基底、半導體化合物基底或是絕緣層上有半導體基底（SOI）。在基底10上形成介電層多個電容器接觸窗11。電容器接觸窗11的材料包括導體材料，其可例如是多晶矽、金屬材料（例如是鎢）、金屬矽化物或其組合。
接著，於基底10上依序形成支撐層12b、模板層14a、支撐層12m、模板層14b以及支撐層12t。支撐層12b、12m與12t又分別稱為下支撐層12b、中部支撐層12m與上支撐層12t。支撐層12（12b、12m、12t）的材料可例如是氮化矽、氮氧化矽、碳氮氧化矽、碳化矽或其組合。模板層14a與14b又分別稱為下模板層14a與上模板層14b。模板層14（14a、14b）可以是單層或是多層，其材料可例如氧化矽、硼磷矽玻璃、氮化矽及其組合。接著，以微影與蝕刻製程在支撐層12與模板層14中形成裸露出電容器接觸窗11的開口13。開口13可以排列為一陣列。
參照圖1B與2B，在基底10上形成導體層32以及罩幕層34。導體層32例如是共形層，其材料例如是氮化鈦、氮化鉭、鎢、鈦鎢、鋁、銅或金屬矽化物。罩幕層34包括介電層，例如是氧化矽。由於開口13的尺寸相當小，而罩幕層34階梯覆蓋性差，因此開口13的上側壁被罩幕層34覆蓋，且開口13的頂端被罩幕層34的懸突（overhang）34’封閉，而未填滿開口13。在一些實施例中，在支撐層12t上的罩幕層34的厚度T1小於在開口13上的罩幕層34的厚度T2。
參照圖1C、2C與3A，對罩幕層34進行回蝕刻製程。由於支撐層12t上的罩幕層34的厚度T1較薄，因此，在蝕刻的過程中會先裸露出導體層32，而開口13的頂端仍被罩幕層34覆蓋，因此，罩幕層34可以保護開口13中的導體層32。接著，蝕刻位於支撐層12t上方的導體層32及其下方部分的上支撐層12t，以在第一方向D1與第二方向D2分別形成凹槽R與R’。此過程無須使用微影製程，可以對準蝕刻形成開口13，因此，此過程又可稱之為自行對準蝕刻製程。之後，再將剩餘的罩幕層34移除。在第二方向D2的凹槽R’的尺寸大於第一方向D1的凹槽R的尺寸，在後續的製程中，凹槽R’處中將形成可以進行脫模的開口40（圖1E）。
在進行上述蝕刻製程後，在開口13中形成彼此分離的多個杯狀下電極32a。杯狀下電極32a的上視形狀例如為圓形、橢圓形或是多邊形，剖面形狀例如是U型，且杯狀下電極32a的上部32t凸出於支撐層12t。本發明在形成杯狀下電極32a時，可以不需要使用額外的光罩，也不需要使用化學機械研磨製程，因此可以簡化製程並降低製造成本。
參照圖3B，在基底10形成保護層36。保護層36包括介電層，例如是原子層沈積法形成的共形層，其選用與罩幕層38具有高選擇比的材料，例如於乾蝕刻時選擇比為1：50，於濕蝕刻時選擇比為5：1的材料。保護層36覆蓋開口13中的杯狀下電極32a以及支撐層12t。開口13中的保護層36具有凹槽R1。位於凹槽R’上的支撐層12t上的保護層36具有凹槽R2。凹槽R1的寬度W1小於凹槽R2的寬度W2。
參照圖1D與圖3C，在基底10上形成罩幕層38。罩幕層38包括介電層，例如是氧化矽。罩幕層38可以採用階梯覆蓋性較差的沉積方法來形成，例如是以四乙基矽氧烷（TEOS）做為反應氣體，藉由增強型化學氣相沉積法來形成。由於杯狀下電極32a中的凹槽R1的寬度W1尺寸小，而且罩幕層38的階梯覆蓋性較差，因此，凹槽R1的下側壁以及底部未被罩幕層38覆蓋，凹槽R1的上側壁被罩幕層38覆蓋，且位於凹槽R1的頂端處的罩幕層38的懸突38’彼此相連，而將凹槽R1封閉。由於凹槽R2的寬度W2大，因此，凹槽R2的頂端上的懸突38’彼此分離，裸露出位於凹槽R2的底面上的罩幕層38b，而且由於罩幕層38的階梯覆蓋性較差，因此，凹槽R2的底面上的罩幕層38b的厚度T3會小於凹槽R1上的懸突38’的厚度T4。
參照圖1E與3D，對罩幕層38進行回蝕刻製程，例如是濕式浸蝕製程。由於凹槽R2的底面上的罩幕層38b的厚度T3較薄，因此，在蝕刻的過程中，會先被蝕刻殆盡，而形成開口40。開口40裸露出相鄰的四個杯狀下電極32a之間的部分保護層36。而凹槽R1上的懸突38’雖然也會被蝕刻，但是因為其厚度T4較厚，因此，在蝕刻的過程中可以保護凹槽R1的側壁與底部的保護層36，進而保護杯狀下電極32a。
參照圖1F與3E，以罩幕層38為罩幕，進行蝕刻製程（例如是反應性離子蝕刻製程），利用一發貫穿（one shot punch）的方式，蝕刻開口40所裸露出來的保護層36，以形成裸露出支撐層12t的開口41。
參照圖1G與3F，進行蝕刻製程（例如是反應性離子蝕刻製程），以移除罩幕層38，裸露出多個杯狀下電極32a之間的保護層36。
請參照圖1H與3G，以保護層36為罩幕，進行回蝕刻製程（例如是反應性離子蝕刻製程），利用一發貫穿的方式，以移除多個杯狀下電極32a之間的部分的支撐層12t、模板層14b、支撐層12m以及模板層14a，以形成開口42。此製程不需要使用額外的光罩，也不需要利用微影製程，因此，本實施例可具有簡化製程並降低製造成本的功效。
參照圖1I、2D與3H，進行脫模（mold strip）步驟，以移除保護層36以及模板層14b、14a，以暴露出杯狀下電極32a的內表面與外表面。由於保護層36（例如是氧化鋁）以及模板層14a、14b（例如是氧化矽）的材料與支撐層12t、12m以及12b（例如是氮化矽）的材料不同，在進行蝕刻時具有高蝕刻選擇比（例如是介於4至6之間），因此，可與選擇性地蝕刻移除保護層36以及模板層14b、14a，而留下支撐層12b、12m以及12t。
參照圖2D，進行脫模步驟之後，形成了一個中間鏤空的結構。杯狀下電極32a的內表面與外表面皆被暴露出來，以有效地增加電容器的表面積，進而增加電容量。
支撐層12b、12m以及12t支托多個杯狀下電極32a。支撐層12t的頂面低於杯狀下電極32a的頂面。支撐層12t與相鄰兩個杯狀下電極的上部P1形成剖面呈U型的結構。支撐層12t覆蓋並連接多個杯狀下電極32a的上側壁。支撐層12t環繞並連接杯狀下電極32a的上部P1，支撐層12m環繞杯狀下電極32a的中部P2，支撐層12b環繞杯狀下電極32a的下部P3。
參照圖1J、1K、2E與2F，在進行脫模步驟之後，於杯狀下電極32a的內表面與外表面以及支撐層12t、12m以及12b的表面上形成電容介電層44。於電容介電層44的表面上形成上電極46。杯狀下電極32a、電容介電層44以及上電極46可構成電容器50。電容介電層44例如是包括高介電常數材料層，其材料可例如是氧化鉿（HfO）、氧化鋯（ZrO）、氧化鋁（AlO）、氮化鋁（AlN）、氧化鈦（TiO）、氧化鑭（LaO）、氧化釔（YO）、氧化釓（GdO）、氧化鉭（TaO）或其組合。上電極46的材料可包括金屬、金屬氮化物或金屬合金，例如是氮化鈦（TiN）、氮化鉭（TaN）、鎢（W）、鈦鎢（TiW）、鋁（Al）、銅（Cu）或金屬矽化物。
綜上所述，本發明實施例藉由支撐層所構成的強化結構來增加電容器的機械強度，可以避免電容器變形甚至傾倒的現象。另外，本發明實施例在形成杯狀下電極時，可以透過具有懸突的罩幕層來做為蝕刻的罩幕，不僅可以減少一道微影製程，而且可以自行對準待蝕刻的區域，因此可以提升對準的精確度。此外，在形成杯狀下電極時可以不需要使用化學機械研磨製程，因此可以簡化製程，降低製程的成本。另外，利用杯狀下電極的頂端凸出於支撐層以及具有懸突的罩幕層與保護層，可以在不需要額外的光罩即可進行脫模步驟。因此，可簡化本發明之電容器的製造方法並降低製造成本。
10:基底
11:電容器接觸窗
12、12b、12m、12t:支撐層
13、40、41、42:開口
14、14a、14b:模板層
32:導體層
32a:杯狀下電極
32t:上部
34、38、38b:罩幕層
34’、38’:懸突
36:保護層
44:電容介電層
46:上電極
50:電容器
P1:上部
P3:下部
R、R’、R1、R2:凹槽
T1、T2、T3、T4:厚度
W1、W2:寬度
I-I’、II-II’:切線
圖1A至圖1K為依照本發明之一實施例所繪示的電容器之製造流程的上視示意圖。
圖2A至圖2F分別為沿圖1A至圖1C、圖1I至圖1K之I-I’線的剖面示意圖。
圖3A至圖3H為依照本發明之一實施例所繪示的電容器之製造流程的剖面示意圖。圖3A、圖3C至圖3H分別為沿圖1C至圖1I之II-II’線的剖面示意圖。
10:基底
11:電容器接觸窗
12、12b、12m、12t:支撐層
13:開口
14、14a、14b:模板層
32:導體層
34:罩幕層
34’:懸突
T1、T2:厚度
Claims (10)
- 一種電容器，包括： 杯狀下電極，位於基底上； 電容介電層，覆蓋所述杯狀下電極的表面；以及 上電極，覆蓋所述電容介電層的表面；以及 支撐層，包括： 上支撐層，環繞所述杯狀下電極的上部； 中部支撐層，環繞所述杯狀下電極的中部；以及 下支撐層，環繞所述杯狀下電極的下部，其中所述上支撐層、所述中部支撐層以及所述下支撐層的表面被電容介電層覆蓋。
- 如申請專利範圍第1項所述的電容器，其中所述上支撐層的頂面低於相鄰兩個杯狀下電極的頂面。
- 如申請專利範圍第1項所述的電容器，其中所述上支撐層與相鄰兩個杯狀下電極的上側壁形成U型結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的電容器，其中所述下支撐層與所述中部支撐層之間，以及所述中部支撐層與所述上支撐層之間分別具有氣隙。
- 一種電容器的製造方法，包括： 於基底上依序形成模板層與上支撐層； 於所述上支撐層與所述模板層中形成第一開口； 於所述基底上形成導體層，以覆蓋所述第一開口與所述上支撐層； 在所述基底上形成第一罩幕層，所述第一罩幕層具有懸突，覆蓋所述第一開口的上側壁，並將所述第一開口的頂端封閉； 回蝕刻所述第一罩幕層，以裸露出位於所述上支撐層上的所述導體層； 移除所述上支撐層上的所述導體層，以形成多個杯狀下電極； 回蝕部分的所述上支撐層，使所述杯狀下電極的頂端凸出於所述上支撐層的頂面； 移除所述第一罩幕層； 於所述基底上形成保護層； 於所述保護層中形成第二開口，裸露出所述上支撐層； 移除所述第二開口下方的部分所述上支撐層與部分所述模板層，以形成第三開口； 進行脫模步驟，移除所述保護層與所述模板層，以暴露出所述杯狀下電極的內表面與外表面； 於所述杯狀下電極的所述內表面與所述外表面以及所述上支撐層的表面上形成電容介電層；以及 於所述電容介電層的表面上形成上電極。
- 如申請專利範圍第5項所述的電容器的製造方法，其中於所述保護層中形成所述第二開口的方法包括： 在所述保護層上形成第二罩幕層，所述第二罩幕層具有懸突，所述第一開口的所述頂端上的所述懸突彼此相連，而相鄰兩個杯狀下電極之間的所述懸突彼此分離； 回蝕刻所述第二罩幕層，以在相鄰兩個杯狀下電極之間的所述第二罩幕層中形成裸露出所述上支撐層的第四開口；以及 回蝕刻所述第四開口所裸露出所述上支撐層，以形成所述第二開口。
- 如申請專利範圍第6項所述的電容器的製造方法，其中在所述第一開口的所述頂端上的所述第二罩幕層的厚度大於覆蓋在所述上支撐層上的所述第二罩幕層的厚度。
- 如申請專利範圍第7項所述的電容器的製造方法，其中在所述第一開口的所述頂端上的所述第一罩幕層的厚度大於覆蓋在所述導體層上的所述第一罩幕層的厚度。
- 如申請專利範圍第8項所述的電容器的製造方法，其中所述第一罩幕層未填滿所述第一開口。
- 如申請專利範圍第6項所述的電容器的製造方法，更包括： 在形成所述模板層之前，在所述基底上形成下支撐層；以及 在所述模板層中形成中部支撐層；以及 在形成所述第三開口時，移除部分所述中部支撐層。
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