半导体装置及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种半导体装置，尤其涉及一种增加电容密度的电容器的半导体装置及其制造方法。


背景技术：

2.在传统动态随机存取内存(dynamic random-access memory，dram)中，电容器是作为存储数字数据的存储单元。举例来说，写入存储单元的数字数据是借由对电容器进行充电及放电步骤来执行的。众所周知，增加金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，mim)电容器的电容即可以提高dram电容密度。


技术实现要素：

3.本发明是针对一种半导体装置及其制造方法，从而可显著增加半导体器件中电容器的表面积，以增加其电容。
4.本发明提供一种半导体装置，其包括着陆垫以及电容器。电容器设置于着陆垫上且与着陆垫电性连接，其中电容器包括圆柱形底电极、介电层以及顶电极。圆柱形底电极设置于着陆垫上且与着陆垫接触，其中圆柱形底电极的内表面包括多个凸部，且圆柱形底电极的外表面包括多个凹部。介电层共形地设置在圆柱形底电极的内表面及外表面上，且覆盖圆柱形底电极的多个凸部及多个凹部。顶电极共形地设置在圆柱形底电极的内表面及外表面上方的介电层上。
5.本发明更提供一种半导体装置的制造方法。其方法包括下列步骤。提供着陆垫。交替地形成支撑层及氧化层于着陆垫上。图案化支撑层及氧化层，以形成圆柱形开口，其中支撑层被图案化以形成支撑结构。形成多个岛状结构于支撑结构与氧化层上及圆柱形开口的侧壁上。共形地形成导电层于多个岛状结构上及圆柱形开口内。图案化导电层以形成圆柱形底电极，其中圆柱形底电极的内表面包括多个凸部，且圆柱形底电极的外表面包括多个凹部。剥离氧化层并移除未被支撑结构覆盖的多个岛状结构。共形地形成介电层于圆柱形底电极的内表面及外表面上，且覆盖圆柱形底电极的多个凸部及多个凹部。共形地形成顶电极于圆柱形底电极的内表面及外表面上方的介电层上。
6.基于上述，本发明的半导体装置及其制造方法包括至少一个着陆垫及设置在着陆垫上并与着陆垫电性连接的电容器。电容器包括圆柱形底电极、介电层以及顶电极。由于圆柱形底电极由凸部及凹部构成，且介电层及顶电极共形地形成在圆柱形底电极的内表面及外表面上，可显著地增加电容器的表面积，进而提升电容器的电容，并改善半导体装置的效能。
附图说明
7.图1a至图1i、图2a至图2h及图3a至图3e是依照本揭示的三个不同实施例的制造半导体装置的方法的示意性截面图和上视图。
8.附图标记说明
9.100、100’:半导体装置
10.102:着陆垫
11.102-ts:顶表面
12.104:介电层
13.106:支撑层
14.106’:支撑结构
15.107:导电层
16.108:氧化层
17.110、111:岛状结构
18.112:导电层
19.114:介电层
20.a-a’:剖线
21.be:圆柱形底电极
22.be-cv:凹部
23.be-pt:凸部
24.cp:电容器
25.op1:圆柱形开口
26.te:顶电极
具体实施方式
27.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
28.以下实施例中描述的方法可被视为制造半导体装置的方法。半导体装置可为动态随机存取内存(dram)装置的着陆垫及电容器，但本发明不限于此。
29.图1a至图1i是依照本发明所揭示的第一实施例的制造半导体装置的方法的示意性截面图和上视图。请参照图1a，提供着陆垫102。着陆垫102可以为半导体装置的基板(未示出)上的导电垫。着陆垫102的材料可包括氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、钨(w)、钛钨(tiw)、铝(al)、铜(cu)、硅化物(silicide)、钌(ru)或铂(pt)。着陆垫102嵌入介电层104或被介电层104包围。介电层104的材料可包括氧化硅、氮化硅、多晶硅或其他类似材料或其组合。此外，着陆垫102的顶表面基本上可与介电层104的顶表面共平面。
30.如图1a所示出，多个支撑层106及多个氧化层108交替地形成在着陆垫102上及介电层104上。换句话说，多个氧化层108被支撑层106彼此分离，而多个支撑层106被氧化层108彼此分离。此外，支撑层106的材料由氮化硅制成，而氧化层108的材料由氧化硅制成，且堆叠的最顶层为支撑层106。然而，本揭示并不限于此。在其他实施例中，支撑层106可由任何与氧化层108具有不同的蚀刻选择率的材料所制成。
31.请参照图1b，在随后的步骤中，图案化支撑层106和氧化层108以形成多个圆柱形开口op1(例如从上视图来看，具有圆形轮廓)。圆柱形开口op1露出着陆垫102的顶表面102-ts。虽然在此仅示出两个圆柱形开口op1，但圆柱形开口op1在制造过程中形成的数量并不
限于此。举例来说，此处形成的圆柱形开口op1的数量可以对应于形成在半导体装置中的电容器(圆柱形电容器)的数量，其数量可以根据产品需求进行调整。另外，在图案化制程后，支撑层106被图案化以形成支撑结构106’。支撑结构106’可在后续蚀刻步骤中保留，以作为后续形成的电容器的支撑。
32.请参照图1c，在形成圆柱形开口op1之后，形成多个岛状结构110于支撑结构106’上及氧化层108上。此外，岛状结构110形成在圆柱形开口op1内，且形成在圆柱形开口op1的侧壁上及着陆垫102上。岛状结构110由钛制成，且岛状结构110可在后续步骤中(例如在形成底电极的期间)被氧化成为氧化钛。
33.请参照图1d，在随后的步骤中，移除位在着陆垫102上的岛状结构110，而保留位在圆柱形开口op1的侧壁上的岛状结构110。请参照图1e，在随后的步骤中，共形地形成导电层112在岛状结构110上及圆柱形开口op1内。导电层112覆盖且接触岛状结构110，并覆盖且接触着陆垫102。导电层112包括氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、钨(w)、钛钨(tiw)、铝(al)、铜(cu)、硅化物(silicide)、钌(ru)或铂(pt)。
34.请参照图1f，在形成导电层112之后，图案化导电层112以形成圆柱形底电极be，并剥离氧化层108，同时移除氧化层108上的岛状结构110(氧化钛)。换句话说，当执行光刻工艺以图案化导电层112时，氧化层108连同岛状结构110被移除，而支撑结构106’连同岛状结构110仍被留下。由于岛状结构110被氧化以形成氧化钛，可执行单一蚀刻制程以连同岛状结构110一起移除氧化层108。
35.如图1f所示出，已形成的圆柱形底电极be与着陆垫102接触，且其由多个凸部be-pt及多个凹部be-cv构成。凸部be-pt位于圆柱形底电极be的内表面(例如向内凸出)，而凹部be-cv位于圆柱形底电极be的外表面。凸部be-pt在内表面的位置可对应于凹部be-cv在圆柱形底电极be的外表面的位置。此外，多个凸部be-pt彼此分离，且多个凹部be-cv彼此分离。举例而言，圆柱形底电极be可包括平面(非凸出)部分与多个凸部be-pt连接在一起，并与多个凹部be-cv连接在一起。
36.进一步如图1f所示出，在剥离氧化层108及部分岛状结构110后，支撑结构106’被保留以支撑圆柱形底电极be。举例来说，支撑结构106’自圆柱形底电极be的外表面支撑圆柱形底电极be。支撑结构106’可包括支撑圆柱形底电极be的底部的第一部分、支撑所述圆柱形底电极be的中间部的第二部分以及支撑所述圆柱形底电极be的顶部的第三部分。此外，夹设在支撑结构106’与圆柱形底电极be的外表面之间的岛状结构110在光刻工艺之后被保留。
37.请参照图1g，在随后的步骤中，介电层114共形地形成在支撑结构106’上，且共形地形成在圆柱形底电极be的内表面及外表面上。介电层114覆盖圆柱形底电极be的多个凸部be-pt及多个凹部be-cv。由于介电层114是共形地形成在凸部be-pt及凹部be-cv上，介电层114在其对应位置可能也包括凸出部分及凹入部分(未标号)。在一些实施例中，介电层114为high-k材料层，其材料例如为下列元素的氧化物，例如铪(hf)、锆(zr)、铝(al)、硅(si)、钛(ti)、镧(la)、钇(y)、钆(gd)、钽(ta)、氮化铝(aln)或其组合。
38.请参照图1h，在形成介电层114之后，顶电极te共形地形成于支撑结构106’上，且共形地形成于所述圆柱形底电极的所述内表面及所述外表面上方的介电层114上。由于顶电极te是共形地形成于介电层114上，其在对应于凸部be-pt及凹部be-cv的位置可能也包
括凸出部分及凹入部分(未标号)。顶电极te例如包括氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、钨(w)、钛钨(tiw)、铝(al)、铜(cu)、硅化物(silicide)、钌(ru)或铂(pt)。至此，大致完成本发明所揭示的第一实施例的半导体装置100。在本实施例中，顶电极te、介电层114及圆柱形底电极be一起构成半导体装置100的电容器cp。
39.图1i为图1h的半导体装置100沿剖线a-a’的上视图。如图1h及图1i所示，介电层114及顶电极te形成在圆柱形底电极be的内表面及外表面上，以环绕圆柱形底电极be。由于圆柱形底电极be由凸部be-pt及凹部be-cv构成，且介电层114及顶电极te共形地形成在圆柱形底电极be的内表面及外表面上，所形成的电容器cp(mim结构)可具有显著增加的表面积。如此一来，在半导体装置100中的电容器cp的电容可显著提升，进而改善半导体装置100(例如dram装置)的更新效能。
40.图2a至图2h是依照本发明所揭示的第二实施例的制造半导体装置的方法的示意性截面图和上视图。图2a至图2h所示的方法类似于图1a至图1i所示的方法，因此，其相同或相似的构件以相同的标号表示，并省略描述。
41.请参照图2a，可执行同图1a至图1b的步骤以形成支撑结构106’及氧化层108于介电层104上。支撑层106可被图案化以形成支撑结构106’。此外，借由图案化支撑层106和氧化层108，以形成多个圆柱形开口op1(例如从上视图来看，具有圆形轮廓)。
42.请参照图2b，在随后的步骤中，形成多个岛状结构111在支撑结构106’上及氧化层108上。岛状结构111形成在圆柱形开口op1内，并形成在圆柱形开口op1的侧壁上及着陆垫102上。在示例性实施例中，岛状结构111例如由氧化硅制成。
43.请参照图2c，在随后的步骤中，移除位在着陆垫102上的岛状结构111，而保留位在圆柱形开口op1的侧壁上的岛状结构111。随后，如图2d所示，共形地形成导电层112于岛状结构111上及圆柱形开口op1内。举例来说，导电层112覆盖且接触岛状结构111，并覆盖且接触着陆垫102。
44.请参照图2e，在形成导电层112之后，图案化导电层112以形成圆柱形底电极be，并剥离氧化层108，同时移除氧化层108上的岛状结构111(氧化硅)。由于岛状结构111是由氧化硅组成，可执行单一蚀刻制程以连同岛状结构111一起移除氧化层108。需注意的是，可以其他种类的氧化物(并不限于氧化硅或氧化钛)作为岛状结构110/111，以使其可与氧化层108一起适当地移除。
45.如图2e所示，类似于前述实施例，已形成的圆柱形底电极be与着陆垫102接触，且其由多个凸部be-pt及多个凹部be-cv构成。夹设在支撑结构106’与圆柱形底电极be的外表面之间的岛状结构111在光刻工艺之后被保留。
46.请参照图2f，可执行同图1g及图1h的步骤以共形地形成介电层114及顶电极te于圆柱形底电极be上。顶电极te、介电层114及圆柱形底电极be一起构成电容器cp。请参照图2g，导电层107例如硅锗(sige)和/或钨(w)可用来填满电容器cp和支撑结构106’之间的间隙。至此，大致完成本揭示第二实施例的半导体装置100’。
47.图2h为图2g的半导体装置100’沿剖线a-a’的上视图。如图2g及图2h所示，类似于前述实施例，介电层114及顶电极te形成在圆柱形底电极be的内表面及外表面上，以环绕圆柱形底电极be。由于圆柱形底电极be由凸部be-pt及凹部be-cv构成，且介电层114及顶电极te共形地形成在圆柱形底电极be的内表面及外表面上，所形成的电容器cp(mim结构)可具
有显著增加的表面积。如此一来，在半导体装置100’中的电容器cp的电容可显著提升，进而改善半导体装置100’(例如dram装置)的更新效能。
48.图3a至图3e是依照本揭示的第三实施例的制造半导体装置的方法的示意性截面图和上视图。图3a至图3e所示的方法类似于图1a至图1i所示的方法，因此，其类似的构件以相同的标号表示，并省略描述。
49.请参照图3a，可执行同图1a至图1b的步骤以形成支撑结构106’及氧化层108于介电层104上。支撑层106可被图案化以形成支撑结构106’，且多个圆柱形开口op1(例如从上视图来看，具有圆形轮廓)形成于支撑结构106’及氧化层108中。
50.请参照图3b，在随后的步骤中，形成多个岛状结构110在支撑结构106’上及氧化层108上。此外，岛状结构110选择性地形成于圆柱形开口op1内，形成在圆柱形开口op1的侧壁上，但不形成在着陆垫102上。换句话说，执行区域选择性沉积(area selective deposition，asd)以在选择的区域中形成岛状结构110。如此一来，省略了从着陆垫102移除岛状结构110的需要。岛状结构110例如由氧化钛制成。然而，值得注意的是，相同的区域可应用至其他材料的岛状结构(例如岛状结构111是由氧化硅制成)。
51.请参照图3c，可执行同图1e至图1i的步骤以形成圆柱形底电极be、介电层114及顶电极te，以形成半导体装置100的电容器cp。之后，请参照图3d及图3e，导电层107例如硅锗(sige)和/或钨(w)可用来填满电容器cp和支撑结构106’之间的间隙。至此，大致完成本揭示第三实施例的半导体装置100。
52.类似于前述实施例，由于圆柱形底电极be由凸部be-pt及凹部be-cv构成，且介电层114及顶电极te共形地形成在圆柱形底电极be的内表面及外表面上，所形成的电容器cp(mim结构)可具有显著增加的表面积。如此一来，在半导体装置100中的电容器cp的电容可显著提升，进而改善半导体装置100(例如dram装置)的更新效能。
53.在上述所提的实施例中，半导体装置包括至少一个着陆垫及设置在着陆垫上并与着陆垫电性连接的电容器。电容器由圆柱形底电极构成，其圆柱形底电极具有位在内表面的凸部及位在外表面的凹部。如此一来，当介电层及顶电极形成于圆柱形底电极的内表面及外表面上时，可自圆柱形电容器的两侧达到显著的表面积增加。总体来说，在半导体装置中电容器的电容可显著增加，并可改善半导体装置(例如dram装置)的更新效能。
54.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。