TWI383471B - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

半導體裝置及其製造方法

本申請案係根據日本專利申請案編號2007－143146，特將其內容包含於此作為參考。

本發明係關於包含圓柱形電容器之半導體裝置及其製造方法。

動態隨機存取記憶體(DRAM)的記憶體單元係由一電晶體及一電容器所構成。DRAM之電容器的結構已隨半導體裝置的微縮而大幅改變。由那些平面式、堆疊式、圓柱式、溝渠式等等作為用於記憶體單元之電容器的例子，其中目前將圓柱形電容器廣泛用作為最適於較高集積化之電容器的其中一種。

圓柱形電容器一如其名，係依序將下部電極、絕緣膜、以及上部電極加以堆疊，俾能在良好階梯覆蓋下將圓柱形圖案化開孔加以覆蓋。由於在將開孔加以圖案化後形成電容器部分，所以圓柱形電容器較不容易造成相鄰DRAM記憶體單元之間的短路，且因而適合於大型積體電路。然而對於電容器來說，即使是圓柱形也越來越難以確保在漸增之縮小尺寸的趨勢下足夠的電容位準，其產生了無論如何要增加電容之技術的期望。

日本公開專利公報第H11－87650號說明一種具有圓柱形電容器的半導體裝置。將參考圖5A至6C來說明具有圓柱形電容器之半導體裝置的製造方法。

如圖5A所示，首先在一矽基板110上形成一(第二)絕緣膜180，並由公眾熟知方法形成一接觸部190。接著於其上形成一層間絕緣膜(通常厚約500nm至1.2 μm左右)，並經由光阻膜加以圖案化而形成一開孔130。接著，如圖5B所示，形成一導電下部電極膜141。

下部電極膜141落在層間絕緣膜120上的部分會造成相鄰DRAM記憶體單元之間的短路，且因而必須加以移除。

移除下部電極膜141的可能方法，包含那些基於回蝕及CMP(化學機械拋光)的方法。

在基於回蝕的方法中，如圖5C所示，以保護膜170填滿開孔130，俾能防止開孔130中的下部電極膜141受到蝕刻。一般而言，將光阻膜作為保護膜170。在此結構中，假若薄膜在形成後適當地加以曝光，則可以只在開孔130內部留下保護膜170(光阻膜)。在下部電極膜141被回蝕之後，保護膜170可輕易地加以移除。依此方式，一部份的下部電極膜141被移除，藉以可獲得圖5D所示的狀態。

接著，如圖6A所示，相繼形成電容器絕緣膜142及導電上部電極143。接著，利用一光阻膜將電容器絕緣膜142及上部電極143加以圖案化，藉以獲得圖6B所示的結構。吾人應了解：雖然此處的圖式為了方便只顯示單一DRAM記憶體單元的圖案化，然而實際上可與其他DRAM記憶體單元一同設置電容器絕緣膜142及上部電極143。最後，形成一絕緣膜160以便形成圖6C所示的圓柱形電容器140，藉以獲得半導體裝置。

日本公開專利公報第H11－87650號說明一種具有圓柱形電容器的半導體積體電路。日本公開專利公報第2000－196039號說明一種利用CMP之半導體記憶體裝置的製造方法，此方法之目的在於防止下部電極膜等不要受到蝕刻的損害。

本發明者已認知如下。如圖5A至5D及圖6A至6C所示，由於在具有圓柱形電容器之半導體裝置之製造方法的程序中，利用回蝕將下部電極膜加以移除，所以此方法已產生形成在開孔130之內壁上的下部電極膜141之上端部分會被回蝕所移除的問題(如圖5D所示)。此非保形性已產生下部電極膜141的表面面積會縮減的問題，且因而電容會加以減少。即使應形成保護膜170(光阻膜)以便完全填滿開孔130(如圖5C所示)，吾人還是難以防止回蝕 時下部電極膜141之上端部分的損失或移除。

另一方面，日本公開專利公報第2000－196039號所載的CMP處理可能會產生灰塵或刮傷，因而可能在目前不適合作為易受穿過電容器膜之漏流影響的電容器之製造方法。

根據本發明，提供一種半導體裝置的製造方法，包含：在一半導體基板上，依序堆疊一層間絕緣膜及一第一絕緣膜；依序將該第一絕緣膜及該層間絕緣膜加以選擇性移除，藉以形成延伸穿過該第一絕緣膜及該層間絕緣膜的一開孔；讓特別在該層間絕緣膜之一部份中的該開孔之內壁的側蝕繼續進行，藉以形成具有從邊緣凸出而朝向該開孔之中心的該第一絕緣膜之一結構；形成一下部電極膜，延伸越過該第一絕緣膜之上表面、側面及背面，及越過該開孔之內壁及底面；填滿一保護膜於該開孔內；特別在該第一絕緣膜上之上表面及側面上的部份中，將該下部電極膜加以移除；移除該保護膜；及在該開孔及該下部電極膜上，依序堆疊一電容器絕緣膜及一上部電極。

根據本發明，將第一絕緣膜形成為自邊緣凸出而朝向該開孔之中心，以使當落於第一絕緣膜之上表面及側面上的下部電極膜之部分被移除時，在該開孔之上部處的下部電極膜之上端部分能夠避免受到損失或移除。

根據本發明，亦提供一種半導體裝置，包含：一半導體基板；一層間絕緣膜，形成於該半導體基板上；一第一絕緣膜，形成於該層間絕緣膜上；及一圓柱形電容器，填滿於一開孔中，形成延伸穿過該層間絕緣膜及該第一絕緣膜，其中將該第一絕緣模形成為凸出自邊緣而朝向該開孔之中心，依序堆疊一下部電極膜、一電容器絕緣膜及一上部電極以形成該圓柱形電容器，及在該開孔之上部處，由該第一絕緣膜之該凸出部分將該下部電極膜之上表面加以覆蓋。

根據本發明，將第一絕緣膜形成為自邊緣凸出而朝向該開孔之中心，且在該開孔之上部處，由該第一絕緣膜之該凸出部分將該下部電極膜之上表面加以覆蓋，以使在該開孔之上部處的下部電極膜之上端部分可避免受到損失或移除。因而，可防止下部電極膜減少其表面面積，藉以避免電容被降低。

根據本發明，可抑制包含於圓柱形電容器中之下部電極膜之上端部分的損失或移除。

現此處將參照例示性實施例而闡述本發明。熟知本技藝者將了解：使用本發明之教示可實施許多不同實施例，而本發明並不侷限於解釋目的之例示性實施例。

以下段落將參考附圖解釋本發明之實施例。應注意：所有圖式中的任何相似成分將給予相似參考數字以便避免重複解釋。

(第一實施例)

半導體裝置100包含：矽基板110；形成於矽基板110上的第二絕緣膜180；形成於第二絕緣膜180上的層間絕緣膜120；形成於層間絕緣膜120上的第一絕緣膜150；填滿開孔130之圓柱形電容器140，形成為延伸穿過層間絕緣膜120及第一絕緣膜150；及形成於圓柱形電容器140上的絕緣膜160(圖2D)。

圖2D所示的半導體裝置100是以相似於圖6C所示之習知半導體裝置的製造程序而加以製造，然而與習知裝置不同的地方在於第一絕緣膜150作為遮罩的功能，其保護形成在開孔130之內壁之上部上的下部電極膜141之上端部分。

將圓柱形電容器140埋入開孔130以形成延伸穿過層間絕緣膜120及第一絕緣膜150。在下部電極膜141上依序堆疊電容器絕緣膜142及上部電極143以形成圓柱形電容器140。

在開孔130的上部處，由第一絕緣膜150的凸出部分覆蓋下部電極膜141的上表面。

形成下部電極膜141以便覆蓋開孔130的內壁。在層間絕緣膜120與電容器絕緣膜142之間，形成沿著開孔130之內壁而存在的下部電極膜141，其中下部電極膜141的上表面由第一絕緣膜150之凸出部分所覆蓋。如圖6C所示，習知上的問題存在於開孔130之上部處的下部電極膜141之上端部分容易被回蝕所移除，然而此實施例之半導體裝置100可抑制下部電極膜141之上端部分的損失。換句話說，下部電極膜141之上表面由第一絕緣膜150之凸出部分所覆蓋，使得下部電極膜141之上端部分的損失或移除可加以抑制。換句話說，可抑制下部電極膜141之表面面積的減少。從整個下部電極膜141中，由第一絕緣膜150之凸出部分對至少在開孔130之內壁的上部處之下部電極膜的上表面加以覆蓋是夠好的。

依序將層間絕緣膜120及第一絕緣膜150加以堆疊。層間絕緣膜120及第一絕緣膜150具有形成由此延伸的開孔130。

在層間絕緣膜120上形成第一絕緣膜150，且形成為自邊緣凸出而朝向開孔130之中心。第一絕緣膜150具有凸出向開孔130之中心的五頂形狀，且覆蓋開孔130之上部。藉由此幾何形狀，可保護形成於開孔130之內壁的上部處之下部電極膜141的上端部分免於受到蝕刻。

設置第二絕緣膜180於矽基板110與層間絕緣膜120之間。第二絕緣膜180具有形成於其中的接觸部190。接觸部190係電連接至圓柱形電容器140所有的下部電極膜141。雖然未顯示，接觸部190的周邊覆蓋有阻障金屬。夠好的接觸部190是由蝕刻所不能移除的材料所構成。諸如此類構成接觸部190的材料可由銅、鎢等等作為例子。

圖1A至1D及圖2A至2D為顯示本實施例之半導體裝置之製造程序的剖面圖。

本實施例之半導體裝置100的製造方法包含以下步驟：(A)在半導體基板上，依序堆疊層間絕緣膜及第一絕緣膜； (B)依序將第一絕緣膜及層間絕緣膜加以選擇性移除，藉以形成延伸穿過第一絕緣膜及層間絕緣膜的一開孔；(C)讓特別在該層間絕緣膜之一部份中的該開孔之內壁的側蝕繼續進行，藉以形成具有從邊緣凸出而朝向該開孔之中心的該第一絕緣膜之一結構；(D)形成一下部電極膜，延伸越過該第一絕緣膜之上表面、側面及背面，及越過該開孔之內壁及底面；(E)填滿一保護膜於該開孔內；(F)特別在該第一絕緣膜上之上表面及側面上的部份中，將該下部電極膜加以移除；(G)移除該保護膜；及(H)在該開孔及該下部電極膜上，依序堆疊一電容器絕緣膜及一上部電極。

以下將說明個別步驟。

首先如圖1A所示，利用公眾熟知方法在矽基板110上形成第二絕緣膜180、形成延伸穿過第二絕緣膜180的接觸孔、以及形成於接觸孔中的接觸部190。又於其上依序堆疊層間絕緣膜120(通常厚達500nm至1.2 μm左右)及第一絕緣膜150。接著，在第一絕緣膜150上將光阻膜加以圖案化，且利用公眾熟知蝕刻方法經由圖案化光阻膜將層間絕緣膜120及第一絕緣膜150加以選擇性移除，藉以形成延伸穿過層間絕緣膜120及第一絕緣膜150的開孔130。

構成第二絕緣膜180的材料可由氧化矽膜為例。

接著如圖1B所示，特別是在層間絕緣膜120的部分將開孔130之內壁加以橫向蝕刻，藉以形成具有凸出自邊緣而朝向開孔130之中心的第一絕緣膜150之結構。換句話說，將第一絕緣膜150形成為凸出自開孔130之邊緣而朝向開孔130之內部(中心)。

凸出部分的長度，亦即，從開孔130之邊緣至向內凸出端所量策的凸出長度較佳為與下部電極膜141之厚度相同。夠好的凸 出部分是具有剛好只要足夠覆蓋開孔130之內壁的上部處之下部電極膜141的上表面之長度。長度更加為10至80nm左右。藉由此結構，可防止下部電極膜之上端部分受到損失或移除。

基於濕式蝕刻之方法一般會採用為讓層間絕緣膜120之部分的側蝕繼續發生的方法。就濕式蝕刻來說，較佳可採用含氫氟酸的化學溶劑，如稀釋的氫氟酸、緩衝的氫氟酸等等。

構成層間絕緣膜120的材料可由氧化矽膜為例。構成第一絕緣膜150的材料可由氮化矽膜為例。雖然以氮化矽膜作為構成第二絕緣膜180的例子，然而材料不侷限於此，相反地容許不易受到層間絕緣膜120之乾式蝕刻或側蝕影響的任何材料。

第一絕緣膜150的厚度可足夠為20至100nm左右。

接著如圖1C所示，將下部電極膜141形成為延伸越過該第一絕緣膜150之上表面、側面及背面，及越過該開孔130之內壁及底面。

可適當地設定形成下部電極膜141之條件。典型上藉由採用作為標的、所欲濺鍍以產生下部電極膜141之材料、或藉由採用含氮大氣下反應性濺鍍處理可形成此膜。依此方式，亦可形成膜至第一絕緣膜150之凸出部分正下方的部分。

用於組成下部電極膜141的材料可為那些顯示導電性的材料，且可藉由氮化鈦(TiN)、磷摻雜多晶矽等等為例。

下部電極膜141的厚度較佳為10至80nm左右。藉由將厚度調整至10nm或更大可抑制電阻率的提高，反之藉由將厚度調整至80nm或更小可抑制下部電極膜141之表面面積的減小及所導致的電容降低。

接著如圖1D所示，將保護膜170填滿於開孔130中。

藉由提供保護膜170，當落在第一絕緣膜150上的下部電極膜之部分被回蝕時，可防止開孔130內的下部電極膜141受到蝕刻。

組成保護膜170的材料可以光阻膜為例。藉由使用光阻，及在由公眾熟知方法形成膜後利用光來適當地照射光阻，開孔130 可填滿光阻。在下部電極膜141被回蝕後，可輕易將光阻加以移除。

接著如圖2A所示，特別將下部電極膜141落於第一絕緣膜150之上表面及側面的部分加以移除，且接著移除保護膜170。

藉由移除第一絕緣膜150上的下部電極膜141，可防止相鄰DRAM記憶體單元短路。

移除下部電極膜141的方法可以根據回蝕的方法為例。基於回蝕的習知方法已產生如圖5D所示的問題，亦即形成在開孔130之內壁的上部處之下部電極膜141的上端部分會被回蝕，使得下部電極膜141的表面面積會減少，且電容因此而降低。即使如圖5C所示，保護膜170(光阻膜)應已加以形成以便完全填滿開孔130，還是無法解決此問題。相較之下，在本實施例之半導體裝置100的製造方法中，第一絕緣膜150作為下部電極膜141被回蝕時的遮罩，使得所形成以便覆蓋開孔130之內壁的下部電極膜141之上端部分的損失或移除可加以抑制。因此，下部電極膜141之表面面積的減少及所導致電容的降低可加以抑制，且因而解決此類問題。

當膜由磷摻雜多晶矽組成時，假若下部電極膜141由TiN組成及乾式蝕刻使用氯氣(Cl₂ )，則回蝕方法可藉由使用三氯化溴(BCl₃ )的乾式蝕刻為例。當保護膜170由光阻膜組成時，使用氧(灰化)的電漿處理是可採用的。

接著如圖2B所示，在下部電極膜141上依序堆疊電容器絕緣膜142及上部電極143，以便填滿開孔130。

之後，藉由使用光阻膜之公眾熟知方法將電容器絕緣膜142及上部電極143加以圖案化，藉以獲得圖2C所示結構。應了解：雖然此處的圖式為了方便只顯示單一DRAM記憶體單元的圖案化，然而實際上可與其他DRAM記憶體單元一同設置電容器絕緣膜142及上部電極143。

又，藉由公眾熟知方法形成絕緣膜160，可形成圖2D所示的 DRAM電容器部分。

(第二實施例)

本實施例之半導體裝置100形成為幾乎相似於參考圖1A至1D及圖2A至2D作解釋的第一實施例之半導體裝置100，但其與第一實施例不同的地方在於已移除第一絕緣膜150(圖3D)。將不再重複結構上相似於第一實施例的說明。

可依下述方式製造本實施例之半導體裝置100。首先相似於第一實施例中所解釋的，形成如圖2A所示的半導體裝置。接著，對於下部電極膜141之回蝕來說，將作為蝕刻阻絕的第一絕緣膜150加以移除(圖3A)。移除方法可由使用磷酸等等之濕式蝕刻為例。在此情況下，第一絕緣膜150可以氮化物膜為例。之後，相似於第一實施例所解釋的，在下部電極膜上依序堆疊電容器絕緣膜142及上部電極143，以便填滿開孔130(圖3B)，並使用光阻膜將電容器絕緣膜142及上部電極143加以圖案化，藉以獲得圖3C所示的結構。又，藉由形成絕緣膜160，可形成圖3D所示的DRAM電容器部分。

此外在此實施例中，相較於第一實施例，可觀察到對於電容沒有影響，使得可觀察到等同於第一實施例的效果。

(第三實施例)

本實施例之半導體裝置100形成為幾乎相似於第一實施例之半導體裝置100，但其與第一實施例不同的地方在於一第三絕緣膜200形成於第二絕緣膜180與層間絕緣膜120之間，及在於所形成的接觸部190延伸穿過第二絕緣膜180及第三絕緣膜200(圖4B)。將不再重複結構上相似於第一實施例的說明。

可依下述方式製造本實施例之半導體裝置100。首先在矽基板110與層間絕緣膜120(未顯示)之間，依序堆疊第二絕緣膜180及第三絕緣膜200。接著，利用公眾熟知方法，依序將第三絕緣膜200及第二絕緣膜180加以選擇性移除，藉以形成延伸穿過第二絕緣膜180及第三絕緣膜200的接觸孔，且之後在開孔中(未顯示) 形成連接至下部電極膜141的接觸部190。當所形成的開孔延伸穿過層間絕緣膜120及第一絕緣膜150時，第三絕緣膜200用作為保護第二絕緣膜用的蝕刻阻絕膜。在此的下部電極膜141包含於圓柱形電容器140中，藉由層間絕緣膜120中的後續處理而形成圓柱形電容器140。

接著，相似於第一實施例所解釋的，依序堆疊層間絕緣膜120及第一絕緣膜150，接著依序將第一絕緣膜150及層間絕緣膜120加以選擇性移除，藉以形成延伸穿過第一絕緣膜150及層間絕緣膜120的開孔130，及特別在層間絕緣膜120的部份中將開孔130之內壁加以側蝕，藉以形成具有從邊緣凸出而朝向開孔130之中心的第一絕緣膜150之結構(圖4A)。之後的處理相似於第一實施例所述而進行，使得解釋將不被重複。同樣地可形成圖4B所示的DRAM電容器部分。

此實施例產生以下效應。現假設層間絕緣膜120及第二絕緣膜180由相同膜種類(物質)組成，兩者的蝕刻率相同，使得假若未設有第三絕緣膜200，可假設出現有圖7所示的結構。具體言之，當藉由依序將第一絕緣膜150及層間絕緣膜120加以選擇性蝕刻而於第一絕緣膜150及層間絕緣膜120中形成開孔130時，及當層間絕緣膜120被側蝕時，第二絕緣膜180可被過度蝕刻，假設上造成接觸部190從中凸出。在此一情況下，接觸部190的凸出會感應生成電場的濃度，且因而成為電流漏流的原因。

在本實施例之半導體裝置中，將第三絕緣膜200作為阻絕膜，以使第二絕緣膜180的蝕刻可被抑制，即使層間絕緣膜120及第二絕緣膜180為相同膜種類，且因而可防止接觸部190被凸出。

組成第三絕緣膜200的材料可由氮化矽膜為例。在此情況之第二絕緣膜180及層間絕緣膜120通常可由氧化矽膜組成。

雖然在此實施例中，顯示具有第三絕緣膜200形成於第二絕緣膜180上的雙層結構，對於多層結構來說可獲得相似效果，只要第三絕緣膜200設為最上層。此外在此實施例中，可獲得相似 於第一實施例的效果。

本發明之實施例已參考僅作為本發明之範例的附圖加以說明，且容許其他各種結構的採用。

應了解：本發明不限於上述實施例，在不脫離本發明之範疇及精神下可對本發明作修改及變化。

100‧‧‧半導體裝置

110‧‧‧矽基板

120‧‧‧層間絕緣膜

130‧‧‧開孔

140‧‧‧圓柱形電容器

141‧‧‧下部電極膜

142‧‧‧電容器絕緣膜

143‧‧‧上部電極

150‧‧‧第一絕緣膜

160‧‧‧絕緣膜

170‧‧‧保護膜

180‧‧‧第二絕緣膜

190‧‧‧接觸部

200‧‧‧第三絕緣膜

隨著下列配合附圖之詳細描述，本發明之以上及其他目的、優點及特徵將愈形清晰，其中：圖1A至1D及圖2A至2D為顯示依據本發明之一實施例之半導體裝置之製造程序的剖面圖；圖3A至3D及圖4A至4B為顯示依據本發明之另一實施例之半導體裝置之製造程序的剖面圖；圖5A至5D及圖6A至6C為顯示半導體裝置之習知製造程序的剖面圖；及圖7為解釋習知製造方法之問題的剖面圖。

110‧‧‧矽基板

120‧‧‧層間絕緣膜

140‧‧‧圓柱形電容器

141‧‧‧下部電極膜

142‧‧‧電容器絕緣膜

143‧‧‧上部電極

150‧‧‧第一絕緣膜

160‧‧‧絕緣膜

180‧‧‧第二絕緣膜

190‧‧‧接觸部

Claims (7)

1. 一種半導體裝置的製造方法，包含：在一半導體基板上，依序堆疊一層間絕緣膜及一第一絕緣膜；依序將該第一絕緣膜及該層間絕緣膜加以選擇性移除，藉以形成延伸穿過該第一絕緣膜及該層間絕緣膜的一開孔；對該開孔之內壁中之該層間絕緣膜之部份予以側蝕，藉以形成具有從邊緣朝向該開孔中心凸出的該第一絕緣膜之一結構；形成一下部電極膜，延伸越過該第一絕緣膜之上表面、側面及背面，及越過該開孔之內壁及底面；在該開孔內充填一保護膜；將形成於該第一絕緣膜之上表面及側面上之該下部電極膜加以移除；移除該保護膜；在該開孔內及該下部電極膜上，依序堆疊一電容器絕緣膜及一上部電極；及將該第一絕緣膜、該電容器絕緣膜及該上部電極加以圖案化，以使該第一絕緣膜之端面對齊於該電容器絕緣膜之端面及該上部電極之端面。
2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方法，更包含：在將形成於該第一絕緣膜之上表面及側面上之該下部電極膜加以移除後，移除該第一絕緣膜。
3. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方法，更包含：於在一半導體基板上，依序堆疊一層間絕緣膜及一第一絕緣膜之前，在該半導體基板與該層間絕緣膜之間，依序堆疊一第二絕緣膜及一第三絕緣膜；及依序將該第三絕緣膜及該第二絕緣膜加以選擇性移除，藉以形成延伸穿過該第二絕緣膜及該第三絕緣膜的一接觸孔，且接著在該接觸孔中形成連接至該下部電極膜的一接觸部， 其中，在形成該開孔的步驟中，使用該第三絕緣膜作為一蝕刻阻絕膜來形成該開孔。
4. 一種半導體裝置，包含：一半導體基板；一層間絕緣膜，形成於該半導體基板上；一第一絕緣膜，形成於該層間絕緣膜上；及一圓柱形電容器，填滿於一開孔中，形成為延伸穿過該層間絕緣膜及該第一絕緣膜，其中，將該第一絕緣膜形成為自邊緣朝向該開孔之中心凸出，該圓柱形電容器具有依序堆疊的一下部電極膜、一電容器絕緣膜及一上部電極，及在該開孔之上部處，由該第一絕緣膜之該凸出部分覆蓋於該下部電極膜之上表面，且其中該第一絕緣膜之端面對齊於該電容器絕緣膜之端面及該上部電極之端面。
5. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中該層間絕緣膜為氧化矽膜。
6. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中該第一絕緣膜為氮化物膜。
7. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置，更具有依序堆疊之一第二絕緣膜及一第三絕緣膜，此二絕緣膜係依前述順序堆疊於該半導體基板和該層間絕緣膜之間，且該第二絕緣膜及第三絕緣膜具有形成於其內之一接觸部，連接至該下部電極膜。