形成电容器的方法与流程

1.本公开内容是关于形成电容器的方法，且特别是关于形成包括支撑框架的电容器的方法。


背景技术：

2.动态随机存取内存(dynamic random access memory，dram)包含多个记忆胞，各个记忆胞包括控制开关的晶体管和做为储存器的电容器，其中晶体管和电容器互相耦合以实现信息存取的功能。当记忆胞的电容器具有较高的高度时，电容器的电极之间具有更大的重叠区域，从而使电容器可以提供较大的电压信号。为了维持高电容器的结构稳定，因此在电容器中形成支撑框架以固定电极的位置，避免多个电容器的电极摇摆(wobbling)而彼此接触。


技术实现要素：

3.根据本公开一实施方式提供一种形成电容器的方法，包括在基板上形成堆叠，其包括第一支撑层、在第一支撑层上的第一材料层和在第一材料层上方的第二材料层，其中至少第一材料层包括可灰化材料。方法还包括图案化堆叠以在堆叠中形成第一开口、在第一开口中形成包括第二开口的第一电极、移除第二材料层以暴露第一电极的外侧表面的上部、灰化第一材料层以暴露第一电极的外侧表面的下部，以及在第一电极的第二开口中和第一电极的外侧表面上形成介电层和第二电极。
4.在本公开一实施方式中，在基板上形成堆叠包括形成具有第一厚度的第一材料层，第一厚度介于堆叠的厚度的50％至60％间。
5.在本公开一实施方式中，在基板上形成堆叠包括形成具有灰化材料的第一材料层和第二材料层，且移除第二材料层包括灰化第二材料层。
6.在本公开一实施方式中，在第一开口中形成第一电极包括形成具有长宽比介于35:1至45:1间的第一电极。
7.在本公开一实施方式中，在基板上形成堆叠进一步包括在第一材料层和第二材料层之间形成第二支撑层，以及在第二材料层上形成第三支撑层。
8.在本公开一实施方式中，移除第二材料层包括使用湿蚀刻工艺选择性蚀刻第二材料层，以保留第一电极和第二支撑层。
9.在本公开一实施方式中，移除第二材料层进一步包括在第三支撑层中形成相邻于第一电极的第三开口以暴露第二材料层，以及通过第三开口移除第二材料层。
10.在本公开一实施方式中，灰化第一材料层进一步包括在第二支撑层中形成相邻于第一电极的第四开口以暴露第一材料层，以及通过第四开口灰化第一材料层。
11.在本公开一实施方式中，灰化第一材料层进一步包括使用灰化工艺移除第一材料层、使用湿式化学清洗工艺清洗堆叠，以及对第一电极进行氨气处理。
12.在本公开一实施方式中，图案化堆叠以形成第一开口进一步包括在第二材料层中
形成开口、在开口的侧壁上形成衬垫层，以及蚀刻穿过衬垫层的底部和第一材料层以形成第一开口。
附图说明
13.当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本公开的各方面。应注意，根据工业中的标准方法，各种特征未按比例绘制。实际上，为了清楚地讨论，可任意增加或减少各种特征的尺寸。
14.图1依据本公开的一些实施方式绘示形成电容器的方法流程图。
15.图2a至图2d和图2g至图2j依据本公开的一实施方式绘示形成电容器的各个中间阶段的装置截面图。
16.图2e和图2f依据本公开的一些实施方式绘示形成电容器的中间阶段的装置俯视图。
17.图3a至图3h依据本公开的另一实施方式绘示形成电容器的各个中间阶段的装置截面图。
具体实施方式
18.为了实现提及主题的不同特征，以下公开内容提供了许多不同的实施例或示例。以下描述组件、配置等的具体示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，而不是限制性的。例如，在以下的描述中，在第二特征之上或上方形成第一特征可以包括第一特征和第二特征以直接接触形成的实施例，并且还可以包括在第一特征和第二特征之间形成附加特征，使得第一特征和第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本公开可以在各种示例中重复参考数字和/或字母。此重复是为了简单和清楚的目的，并且本身并不表示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
19.此外，本文可以使用空间相对术语，诸如“在
…
下面”、“在
…
下方”、“下部”、“在
…
上面”、“上部”等，以便于描述一个元件或特征与如图所示的另一个元件或特征的关系。除了图中所示的取向之外，空间相对术语旨在包括使用或操作中的装置的不同取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向上)，并且同样可以相应地解释在此使用的空间相对描述符号。
20.本公开内容提供一种形成电容器的方法，包括形成至少下部材料层为可灰化材料(ashable material)的堆叠，并在形成堆叠中的电极后，以灰化工艺(ashing)移除可灰化材料层。由于灰化工艺减少对堆叠结构的损害，堆叠中的电极可整齐排列并形成可靠性高的电容器。
21.图1依据本公开的一些实施方式绘示形成电容器的方法1000的流程图。图2a至图2d和图2g至图2j依据本公开的一实施方式绘示在方法1000中各个中间阶段的装置20的截面图。当结合参考图1、图2a至图2d和图2g至图2j时，可以很好地描述本公开所提供形成装置20的方法1000。应理解，可以包括额外的步骤在方法1000的步骤之前、期间或之后，且这些变化的实施方式也在本公开的范围内。
22.请参照图1和图2a。图2a绘示在图1中步骤1002的装置20的截面图。如图2a所示，在基板200上形成支撑层和材料层交错排列的堆叠205，且至少下部材料层包括可灰化材料。
具体而言，形成第一支撑层210在基板200上，且依序形成第一材料层220、第二支撑层212、第二材料层230和第三支撑层214在第一支撑层210上，其中第一材料层220包括可灰化材料。第一材料层220在堆叠205中是最接近基板200的材料层，因此又可称为下部材料层。相对地，第二材料层230位于第一材料层220的上方，又可称为上部材料层。尽管图2a仅绘示三层支撑层和两层材料层形成的堆叠205，装置20可包括其他数量的支撑层和材料层交错排列所形成的堆叠205，例如四层支撑层和三层材料层。
23.在一些实施方式中，在等离子体灰化工艺中可以图案化或移除第一材料层220所包括的可灰化材料，例如碳基化合物、树脂、高分子材料、其他合适的可灰化材料或其组合。在一些实施方式中，第二材料层230可包括在湿蚀刻工艺中可移除的介电材料，例如氧化硅、硅酸盐玻璃、掺杂硼磷硅酸盐玻璃、其他氧化物介电材料或其组合。在一些实施方式中，第一材料层220的厚度可以是介于50％至60％的堆叠205的厚度，而第二材料层230的厚度可以是介于40％至50％的堆叠205的厚度。举例而言，第一材料层220可以是厚度介于500nm至600nm间的树脂，而第二材料层230可以是厚度介于400nm至500nm间的氧化硅。
24.在一些实施方式中，形成第一支撑层210、第二支撑层212和第三支撑层214的材料可包括介电材料，其具有和第二材料层230之间在湿蚀刻工艺中的蚀刻选择性。举例而言，第二材料层230可以是氧化硅，而第一支撑层210、第二支撑层212或第三支撑层214可以是氮化硅。在一些实施方式中，形成第一支撑层210、第二支撑层212和第三支撑层214的材料可以是相同的材料，例如三者可以皆为氮化硅。
25.请参照图1和图2b。图2b绘示在图1中步骤1004的装置20的截面图。如图2b所示，图案化支撑层和材料层所形成的堆叠205，使第一开口245形成在堆叠205中。具体而言，在堆叠205上形成图案化的遮罩240，其具有多个孔洞对准即将形成的第一开口245。利用遮罩240对堆叠205进行非等向性蚀刻工艺(例如干蚀刻工艺)，且蚀刻工艺停止在基板200的上表面上，从而形成第一开口245在堆叠205中。形成第一开口245后，可从堆叠205上移除遮罩240。
26.在一些实施方式中，形成第一开口245可包括多步骤的蚀刻工艺。举例而言，在使用遮罩240的蚀刻工艺中，形成穿过第三支撑层214并延伸进第二材料层230的开口后，可暂停蚀刻工艺以形成共形于开口的衬垫层(未示出)在延伸进第二材料层230的开口之中。接着继续蚀刻工艺，使得蚀刻剂穿透衬垫层的底部并蚀刻至基板200的上表面上，以形成第一支撑层210和第二支撑层212。借由多步骤的蚀刻工艺，可在堆叠205中形成侧壁平整的第一开口245，从而后续形成于第一开口245中的元件具可靠性。
27.请参照图1和图2c。图2c绘示在图1中步骤1006的装置20的截面图。如图2c所示，在第一开口245中形成包括第二开口255的第一电极250。具体而言，在堆叠205上和第一开口245(如图2b所示)之中形成毯覆电极层，并使用例如化学机械研磨(chemical mechanical polishing，cmp)工艺移除堆叠205上的部份毯覆电极层，使得第一电极250共形形成于第一开口245中。由于第一电极250共形于第一开口245，使得第一电极250包括第二开口255，从而增加第一电极250暴露的表面积。因此，第一电极250具有相对大的表面积可以和后续形成于其中的其他元件接触。
28.在一些实施方式中，形成第一电极250的材料可包括金属、金属化合物、合金化合物、其他导电材料或其组合，例如氮化钛或掺杂硅的氮化钛。举例而言，可使用例如化学气
相沉积(chemical vapor deposition，cvd)、原子层沉积(atomic layer deposition，ald)等工艺沉积上述导电材料以形成第一电极250。在一些实施方式中，第一电极250具有高的长宽比，使得包括第一电极250的电容器可提供较大的电压信号，例如第一电极250的长宽比可介于35:1至45:1间。
29.请参照图1和图2d。图2d绘示在图1中步骤1008的装置20的截面图。如图2d所示，在堆叠205的顶部支撑层中形成第三开口262。具体而言，在堆叠205上形成图案化的遮罩260，遮罩260在其下方相邻的第一电极250之间具有孔洞。利用遮罩260对暴露的第三支撑层214进行非等向性蚀刻工艺(例如干蚀刻工艺)，从而形成第三开口262在第三支撑层214中。由于第三支撑层214在堆叠205中位于最上层，第三支撑层214又可称为顶部支撑层。相对地，基板200上的第一支撑层210可称为底部支撑层，而位于第一支撑层210和第三支撑层214之间的第二支撑层212可称为中部支撑层。形成第三开口262后，可从堆叠205上移除遮罩260。
30.在一些实施方式中，形成第三开口262的蚀刻工艺停止在第二材料层230的上表面上，以形成图2d中暴露第二材料层230的第三开口262。在一些其他实施方式中，第三开口262可延伸进第二材料层230中，使第三开口262的底部低于第二材料层230的上表面。
31.根据第二材料层230的材料或后续蚀刻工艺的参数，可以设计不同的第三开口262的数量和位置。在一些实施方式中，第三开口262可设置于相邻的第一电极250之间，使得相邻的第一电极250之间的第二材料层230暴露。在一些实施例中，第三开口262可间隔设置于相邻的第一电极250之间，如图2d所示。图2e和图2f根据本公开的一些实施例绘示在图1中步骤1008的装置20的俯视图。如图2e所示，第三开口262可位于三个彼此相邻的第一电极250的中间。或者如图2f所示，第三开口262可位于四个彼此相邻的第一电极250的中间，而本公开不以此等实施例为限。
32.请参照图1和图2g。图2g绘示在图1中步骤1010的装置20的截面图。如图2g所示，移除堆叠205的第二材料层230。具体而言，通过第三开口262对第二支撑层212和第三支撑层214之间的第二材料层230进行具有选择性的蚀刻工艺(例如湿蚀刻)。由于蚀刻工艺具有选择性，可以移除第二材料层230并保留第二支撑层212、第三支撑层214和第一电极250。举例而言，可以使用氢氟酸做为蚀刻剂，移除包括氧化硅的第二材料层230。在一些实施方式中，蚀刻第二材料层230的蚀刻剂可包括界面活性剂，增加蚀刻剂对第二材料层230的接触能力。移除第二材料层230后，暴露第一电极250的上部的外侧表面。更详细而言，第一电极250在第二支撑层212与第三支撑层214之间的外侧表面会暴露，以增加第一电极250和后续形成的其他元件接触的表面积。
33.请参照图1和第2h图。第2h图绘示在图1中步骤1012的装置20的截面图。如第2h图所示，在堆叠205的中部支撑层形成第四开口264。具体而言，利用刀具或模具对第二支撑层212进行冲切工艺(punch)，从而形成第四开口264在第二支撑层212中。在一些实施方式中，冲切工艺停止在第一材料层220的上表面上，以形成第2h图中位于第三开口262下方的第四开口264。在一些其他实施方式中，第四开口264可延伸进第一材料层220中。
34.请参照图1和图2i。图2i绘示在图1中步骤1014的装置20的截面图。如图2i所示，移除堆叠205中包括可灰化材料的下部材料层。具体而言，通过第三开口262和第四开口264对第一支撑层210和第二支撑层212之间的第一材料层220进行灰化工艺，以移除第一材料层220并保留第一支撑层210、第二支撑层212和第一电极250。移除第一材料层220可暴露第一
电极250的下部的外侧表面，即第一电极250在第一支撑层210与第二支撑层212之间的外侧表面会暴露，增加第一电极250和后续形成的其他元件接触的表面积。
35.在一些实施方式中，灰化工艺包括使用等离子体移除第一材料层220，例如以氧气为基底的等离子体、以合成气体(氮气/氢气的混合气体)为基底的等离子体或具有其他合适气体的等离子体。在灰化工艺后，可使用湿式化学清洗工艺(wet clean)，用以移除堆叠205中灰化工艺的残留物，以及阻止灰化工艺产生的离子对第一电极250造成侵蚀。举例而言，可以使用具氧化性和脱水性的酸类清洗装置20，以移除第一材料层220的含碳残留物。在使用氧气为基底的等离子体灰化工艺的实施方式中，可进一步包括对堆叠205进行氨气处理(nh3treatment)，用以改善第一电极250接收灰化工艺时可能产生的缺陷。
36.移除第一材料层220和第二材料层230后，第一支撑层210、第二支撑层212和第三支撑层214做为支撑框架，用以支撑多个第一电极250，使第一电极250之间不彼此接触。由于使用灰化工艺移除第一支撑层210和第二支撑层212之间的第一材料层220，可以避免堆叠205的下部受到蚀刻工艺(例如湿蚀刻)的化学扰动(chemical turbulence/fluctuation)影响而受损，因此第一电极250在堆叠205中可减少摇摆并整齐排列，以增加装置20的可靠性。
37.请参照图1和图2j。图2j绘示在图1中步骤1016的装置20的截面图。如图2j所示，在堆叠205中形成介电层270和第二电极275，以形成电容器280。具体而言，在第一支撑层210和第三支撑层214之间、第三支撑层214之上和第一电极250的第二开口255(如图2i所示)之中形成毯覆介电层和毯覆电极层，并使用例如化学机械研磨工艺移除第三支撑层214上的部份毯覆介电层和毯覆电极层，使得介电层270和第二电极275形成于第一支撑层210和第三支撑层214之间和第二开口255中。
38.第一电极250、介电层270和第二电极275共同形成电容器280，以做为储存器连接装置20中的其他元件。第一电极250和介电层270接触的部分包括第一电极250的内侧表面与外侧表面，增加第一电极250和第二电极275之间电流的流动面积，因此电容器280也称为双侧电容器(double sided container)。由于第一电极250在第一支撑层210和第三支撑层214之间整齐排列，介电层270和第二电极275可平整地形成于第二开口255中，以形成可靠性高的电容器280。
39.图3a至图3h依据本公开的另一实施方式绘示在方法1000中各个中间阶段的装置30的截面图。当结合参考图1和图3a至图3h时，可以很好地描述本公开所提供形成装置30的方法1000。形成装置30的步骤包括类似于形成装置20的操作步骤，因此可使用上述方法1000的细节和下文中的描述实现装置30的形成。
40.请参照图1和图3a。图3a绘示在图1中步骤1002的装置30的截面图。如图3a所示，在基板300上形成支撑层和材料层交错排列的堆叠305。具体而言，形成第一支撑层310在基板300上，且依序形成第一材料层320、第二支撑层312、第二材料层330和第三支撑层314在第一支撑层310上，其中第一材料层320和第二材料层330包括可灰化材料。在一些实施方式中，第一材料层320和第二材料层330可包括相同的可灰化材料。在一些其他的实施方式中，第一材料层320和第二材料层330可包括不同的可灰化材料，例如第一材料层320可以为碳基化合物，而第二材料层330可以为树脂。
41.请参照图1和图3b至图3c。图3b绘示在图1中步骤1004的装置30的截面图，而图3c
绘示在图1中步骤1006的装置30的截面图。利用遮罩340图案化支撑层和材料层所形成的堆叠305，使第一开口345形成在基板300上。在第一开口345中形成第一电极350，使第一电极350共形于第一开口345而具有第二开口355。因此，第一电极350具有相对大的表面积可以和后续形成于其中的其他元件接触。
42.请参照图1和图3d。图3d绘示在图1中步骤1008的装置30的截面图。如图3d所示，在堆叠305的顶部支撑层中形成第三开口362。具体而言，在堆叠305上形成图案化的遮罩360，以暴露其下方相邻的第一电极350之间的第三支撑层314。利用遮罩360对第三支撑层314和第二材料层330进行非等向性蚀刻工艺(例如干蚀刻工艺)，从而形成第三开口362在第二支撑层312的上表面上。形成第三开口362后，可从堆叠305上移除遮罩360。
43.请参照图1和图3e。图3e绘示在图1中步骤1010的装置30的截面图。如图3e所示，移除堆叠305的第二材料层330。具体而言，通过第三开口362对第二支撑层312和第三支撑层314之间的第二材料层330进行灰化工艺，以移除第二材料层330并保留第二支撑层312、第三支撑层314和第一电极350。由于第二材料层330包括可灰化材料，因此可使用以氧气或合成气体为基底的等离子体移除第二材料层330。
44.请参照图1和图3f至图3h。图3f绘示在图1中步骤1012的装置30的截面图，图3g绘示在图1中步骤1014的装置30的截面图，而图3h绘示在图1中步骤1016的装置30的截面图。在堆叠305的第二支撑层312以冲切工艺形成第四开口364，并通过第三开口362和第四开口364以灰化工艺移除堆叠305的第一材料层320。在灰化工艺后，可进一步包括湿式化学清洗和氨气处理，移除灰化工艺的残留物和减少第一电极350的缺陷。使用灰化工艺移除第一材料层320和第二材料层330，可以避免堆叠305受到蚀刻工艺(例如湿蚀刻)的化学扰动影响而受损，因此减少第一电极350在堆叠305中的摇摆，使第一电极350之间不彼此接触。由于第一电极350在第一支撑层310和第三支撑层314之间整齐排列，介电层370和第二电极375可平整地形成于第二开口355中，以形成可靠性高的电容器380。
45.根据上述实施方式，本公开提供形成电容器的方法包括形成支撑层和材料层的堆叠以及堆叠中的电极，其中至少下部材料层包括可灰化材料，从而可使用灰化工艺移除堆叠的下部材料层并暴露电极的下部外侧表面。由于使用灰化工艺移除下部材料层，减少对堆叠结构的造成的损伤，使得暴露的电极在支撑层中可以避免摇摆。因此，本公开提供的方法可以形成整齐排列的电极，进而形成可靠度高的电容器。
46.前面概述一些实施例的特征，使得本领域技术人员可更好地理解本公开的观点。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改其他工艺和结构的基础，以实现相同的目的和/或实现与本文介绍之实施例相同的优点。本领域技术人员还应该理解，这样的等同构造不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。
47.【符号说明】
48.20,30:装置
49.200:基板
50.205:堆叠
51.210:第一支撑层
52.212:第二支撑层
53.214:第三支撑层
54.220:第一材料层
55.230:第二材料层
56.240:遮罩
57.245:第一开口
58.250:第一电极
59.255:第二开口
60.260:遮罩
61.262:第三开口
62.264:第四开口
63.270:介电层
64.275:第二电极
65.280:电容器
66.300:基板
67.305:堆叠
68.310:第一支撑层
69.312:第二支撑层
70.314:第三支撑层
71.320:第一材料层
72.330:第二材料层
73.340:遮罩
74.345:第一开口
75.350:第一电极
76.355:第二开口
77.360:遮罩
78.362:第三开口
79.364:第四开口
80.370:介电层
81.375:第二电极
82.380:电容器
83.1000:方法
84.1002,1004,1006,1008,1010,1012,1014,1016:步骤。