CN100479162C - 半导体元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种半导体元件，由复合结构与接触窗所组成。其中，复合结构由下而上包括一下电极、一绝缘层与一上电极。接触窗则是电连接上电极与下电极。复合结构可作为电阻器，利用接触窗将上电极与下电极电连接，使得电流的路径加倍，进而提高其电阻值。

Description

半导体元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路结构及其制造方法，尤其涉及一种电阻器与半导体元件及其制造方法。

背景技术

电阻器为一般电路中常见的元件，举凡存储器与逻辑电路中都少不了电阻器，而电阻器所产生的电阻值R为其长度及截面积的函数，即R＝ρL/A，其中ρ为材料的电阻率，L为电阻在电流传输方向上的长度，以及A为电阻在电流传输方向上的截面积。

现有集成电路电阻器通常是以轻掺杂的多晶硅(polysilicon)或是阻值较高的金属或金属化合物作为电阻器。而随着半导体元件集成度的提升，对制造半导体元件的各种材料特性的要求也相对的提高，以求能在更小的面积上或空间内，形成具有相同特性，甚至更好的元件。当元件电路设计所需要的电阻值很高时，面积过大的电阻层便成为提升半导体元件集成度的阻力，同时，也增加半导体工艺上的不便。

除此之外，现今的电子产品，往往需要在同一片芯片上形成有电阻器与电容器，因此，如何整合电阻器与电容器的工艺，并在同样的尺寸上，形成更高电阻值的电阻器，或是进一步缩减电阻器的尺寸，就成为目前急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种半导体元件，此半导体元件可以作为电阻器，且于不增加元件尺寸的情况下，提高其电阻值。

本发明的另一目的是提供一种半导体元件的制造方法，可以整合电阻器与电容器的工艺，并制作出效能更好的电阻器。

本发明提出一种半导体元件，由复合结构与接触窗所组成。其中，复合结构由下而上包括一下电极、一绝缘层与一上电极。接触窗则是电连接上电极与下电极。

上述的半导体元件中，接触窗设置于复合结构侧壁。

上述的半导体元件中，还包括一第一导线结构，设置于复合结构上，与上电极电连接，且接触窗是通过第一导线结构电连接上电极。其中，下电极的尺寸大于上电极的尺寸，且接触窗是设置于第一导线结构与下电极之间。此外，还包括一第一熔丝结构，设置于第一导线结构中。

上述的半导体元件中，还包括一第二导线结构，设置于下电极下，与下电极电连接，且接触窗是通过第二导线结构电连接下电极。

上述的半导体元件中，还包括一第一熔丝结构，设置于第一导线结构中。当第一熔丝结构可供电流通过时，则复合结构是作为电阻器之用。当第一熔丝结构无法供电流通过时，则复合结构是作为电容器之用。

上述的半导体元件中，还包括一第二熔丝结构，设置于第二导线结构中。

上述的半导体元件中，上电极与下电极的材料是选自钛、氮化钛、氮硅化钛、钽、氮化钽、碳化钽、氮硅化钽、氮化铝钽、钨、氮化钨、铬镍合金、硅化铬及其混合物所组成的族群。

上述的半导体元件中，绝缘层的材料是选自氧化钽、氧化锶钛、氧化锆、氧化铪、硅氧化铪、氧化钛、氧化硅、氮化硅及其混合物所组成的族群。

上述的半导体元件中，接触窗的材料包括铜、铝、钨或其合金。

上述半导体元件，利用接触窗(与导线结构)将复合结构的上、下电极电连接，使此复合结构可作为电阻器之用，且由于电流会经过上、下两层电极，电流传输的路径加倍，进而可提高此电阻器的电阻值。如此一来，即使电阻器的尺寸减半，仍然可以达到电阻值的需求，更有利于元件微小化的趋势。

本发明提出一种半导体元件的制造方法，此方法例如是先提供一基底，基底中至少已形成有一导电部，然后于基底上形成第一介电层。接着，于第一介电层中形成一内连线结构以电连接导电部。之后，于第一介电层上形成一复合结构，复合结构是由一下电极、一绝缘层与一上电极堆叠而成，其中下电极电连接内连线结构。继而于第一介电层上形成一第二介电层，覆盖位复合结构。其后于第二介电层中形成一导体层与一接触窗，其中，导体层电连接上电极，接触窗电连接上电极与下电极。

上述半导体元件的制造方法中，接触窗形成于复合结构侧壁。

上述半导体元件的制造方法中，于第二介电层中形成导体层与接触窗的步骤例如是先于第二介电层中形成一开口与一接触窗开口，其中，开口暴露出部分上电极，接触窗开口至少暴露出上电极与下电极的侧壁，然后于开口与接触窗开口中填入导体材料，以形成导体层与接触窗。

上述半导体元件的制造方法中，该形成该导体层与该接触窗的步骤还包括：于第二介电层中形成第一导线结构，第一导线结构电连接上电极，且接触窗是通过第一导线结构电连接上电极。

上述半导体元件的制造方法中，下电极的尺寸大于上电极的尺寸，接触窗即形成于第一导线结构与下电极之间。

上述半导体元件的制造方法中，还包括于第一导线结构中形成一熔丝结构。

上述半导体元件的制造方法中，该形成该内连线结构的步骤中还包括：于第一介电层中形成一第二导线结构，下电极电连接第二导线结构，且接触窗延伸至第一介电层中与第二导线结构相连，通过第二导线结构与下电极电连接。

上述半导体元件的制造方法中，导体层可以是内连线结构。

上述半导体元件的制造方法中，上电极与下电极的材料是选自钛、氮化钛、氮硅化钛、钽、氮化钽、碳化钽、氮硅化钽、氮化铝钽、钨、氮化钨、铬镍合金、硅化铬及其混合物所组成的族群。

上述半导体元件的制造方法中，绝缘层的材料是选自氧化钽、氧化锶钛、氧化锆、氧化铪、硅氧化铪、氧化钛、氧化硅、氮化硅及其混合物所组成的族群。

上述半导体元件的制造方法中，接触窗的材料包括铜、铝、钨或其合金。

上述的半导体元件的制造方法中，于形成复合结构的步骤中，还包括于第一介电层上形成一MIM电容器，其中，形成MIM电容器的各材料层是来自于形成复合结构所使用的各材料层。

上述半导体元件的制作方法，可以在同一片芯片上，同时形成电阻器与电容器，将两者的工艺，整合于后段工艺中。且所形成的电阻器可以达到高电阻值或小尺寸的优点，使得电路布局能够更有弹性，而得以制作出更具竞争力的电子产品。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，以下配合附图以及优选实施例，以更详细地说明本发明。

附图说明

图1A是绘示本发明一实施例的一种电阻器的剖面示意图；

图1B是绘示本发明另一实施例的一种半导体元件的剖面示意图；

图1C是绘示本发明又一实施例的一种半导体元件的剖面示意图；

图2A至图2C是绘示本发明一实施例的一种半导体元件的制造流程剖面图；

图2D是绘示本发明另一实施例的一种半导体元件的制造流程剖面图；

图2E是绘示本发明再一实施例的一种半导体元件的制造流程剖面图。

简单符号说明

100、200：基底

105、205：导电部

110、130、210、230：介电层

115、215：内连线结构

115a、215a：内连线结构上半部

115b、215b：内连线结构下半部

120、220：复合结构

121、221：下电极

123、223：绝缘层

125、225：上电极

133、242：接触窗

135、245：导体层

139、245b：导线

117、117a、117a’、117b、140、140a、140b、217、217a、217a’、217b、240、240a：导线结构

140b’、240a’：熔丝结构

231、231’、233、233’、235：开口

245a：插塞

具体实施方式

首先说明本发明提出的半导体元件的结构。图1A是绘示本发明一实施例的一种半导体元件的剖面示意图。请先参照图1A，此半导体元件例如是设置于基底100上方的介电层110上，其例如是由复合结构120与接触窗133所组成的。

基底100例如是硅基底，基底100中例如是设置有导电部105。介电层110的材料例如是氧化硅，介电层110中例如是设置有内连线结构115，与导电部105电连接。内连线结构115的材料例如是铝、铜、钨或其合金。内连线结构115的上半部115a的宽度例如是大于其下半部115b的宽度。

介电层110上例如是设置有另一层介电层130，其材料例如是氧化硅。复合结构120例如是设置于内连线结构115上的介电层130中，与内连线结构115电连接。其中，复合结构120由下而上包括下电极121、绝缘层123与上电极125。下电极121例如是设置于介电层110上，绝缘层123例如是设置于下电极121与上电极125之间。

接触窗133例如是设置于复合结构120的侧壁，电连接上电极125与下电极121。若下电极121的尺寸大于上电极125的尺寸，则接触窗133也可以是设置于上电极125与绝缘层123侧壁，连接至下电极121的上表面，只要能够使上电极125与下电极121电连接即可。当然，接触窗133也可能会有一部份延伸至上电极125上，而非只限于位在上电极125的侧壁。

上电极125上例如是设置有导体层135，导体层135与上电极125电连接。当然，导体层135上还可以设置有导线139，使得复合结构120可以电连接至其它元件。导体层135与导线139的材料例如是铝、铜、钨或其合金。

若是要使电流通过上电极125与下电极121的路径加长，则导体层135与内连线结构115可以是设置于上电极125、下电极121未与接触窗133连接的一端。

上电极125与下电极121的材料例如是选自钛、氮化钛、氮硅化钛、钽、氮化钽、碳化钽、氮硅化钽、氮化铝钽、钨、氮化钨、铬镍合金、硅化铬及其混合物所组成的族群。这些材料为具有导电性质，但电阻值较高的金属或金属化合物。较常见的电极材料为氮化钛或氮化钽。

绝缘层123的材料例如是选自氧化钽、氧化锶钛、氧化锆、氧化铪、硅氧化铪、氧化钛、氧化硅、氮化硅及其混合物所组成的族群。接触窗133的材料则例如是铜、铝、钨或其合金等导体材料。

此半导体元件利用导电的接触窗133，将上电极125与下电极121电连接，而作为一电阻器，如此一来，电流除了会流经上电极125，也会通过下电极121，由于电流传输的路径增长，使得半导体元件(电阻器)所产生的电阻值也随之提高。

上、下电极之间除了以接触窗连接之外，也可以利用导线结构与接触窗的组合而产生电连接。以下即进一步说明此种结构。图1B是绘示本发明另一实施例的一种半导体元件的剖面示意图。图1C是绘示本发明又一实施例的一种半导体元件的剖面示意图。

请参照图1B，此半导体元件是由复合结构120、接触窗133与导线结构140所组成的。除了导线结构140以外，此半导体元件的其它构件与上一实施例(图1A)相同，因此，以下是针对导线结构140的相关部分加以描述，其余与上一实施例(图1A)相同者，即不再赘述。

复合结构120是由下电极121、绝缘层123与上电极125依序堆叠而成。导线结构140设置于复合结构120上，电连接上电极125，且接触窗133是通过导线结构140电连接上电极125。

导线结构140可以分为大致垂直于上电极125、设置于介电层130中的导线结构140a，以及大致平行于上电极125、设置于介电层130上的导线结构140b。若下电极121的尺寸大于上电极125的尺寸，接触窗133可以是直接设置于导线结构140b与下电极121之间。此复合结构120例如是作为电阻器之用。导线结构140的材料例如是铝、铜、钨或其合金，其例如是选用与接触窗133相同的材料。

此外，导线结构140中例如是可以选择性地设置熔丝结构140b’，其例如是设置于介电层130上的导线结构140b中。若是熔丝结构140b’可供电流通过时，则复合结构120是作为电阻器之用。当熔丝结构140b’被烧断而无法供电流通过时，则复合结构120是作为电容器之用。

请参照图1C，下电极121下方的介电层110中还可以设置另一导线结构117，与下电极121电连接，接触窗133便通过导线结构117电连接至下电极121。此导线结构117例如是由大致垂直于下电极121的导线结构117a、与下电极直接接触的导线结构117a’，以及大致平行于下电极、位于基底100上的导线结构117b所组成。

接触窗133例如是延伸至介电层110中，设置于导线结构117b与导线结构140b之间。其中，导线结构117靠近下电极121的部分导线结构117a’的宽度例如是大于其下方的导线结构117a。

导线结构117的材料例如是铝、铜、钨或其合金，其例如是选用与内连线结构115相同的材料。另外，如同导线结构140一般，导线结构117中也可以选择性地设置熔丝结构(未绘示)，其端视元件的设计而定。

上述半导体元件，利用接触窗133与导线结构将复合结构120的上电极125、下电极121电连接，使此复合结构120可作为电阻器之用。由于电流会经过上、下两层电极，电流传输的路径加倍，便可提高此电阻器的电阻值。如此一来，即使电阻器的尺寸减半，仍然可以达到电阻值的需求，更有利于元件微小化的趋势。

另外，熔丝结构140b’的设置，可以用来控制复合结构120的用途。若是熔丝结构140b’已被烧断，无法提供电流通过，则复合结构120的作用即由电阻器转为电容器。如此一来，可以使元件的设计更富变化，增加产品的功能。

以下说明上述半导体元件的制造方法，图2A至图2C是绘示本发明一实施例的一种半导体元件的制造流程剖面图。

请参照图2A，此方法例如是先提供基底200，基底200中已形成有导电部205。然后于基底200上形成介电层210。介电层210的材料例如是氧化硅，其形成方法例如是化学气相沉积法。接着，于介电层210中形成内连线结构215以电连接导电部205。内连线结构215的材料例如是铜、铝、钨等导体材料，其形成方法应为本领域技术人员所周知，于此不赘述。其中内连线结构215的上半部215a例如是宽度大于其下半部215b。

其中，在形成内连线结构215的同时，例如是于介电层210中形成导线结构217。导线结构217的材料例如是与内连线结构215相同的材料，其形成方法例如是与一般内连线结构相同，于此不赘述。当然，导线结构217与水平面平行的部分217b可以是在内连线结构215形成之前就形成，而非与导线结构217的其它部分一起形成。导线结构217垂直于水平面的上半部217a’例如是宽度大于其下半部217a。另外，导线结构217b中还可以选择性地设置一段熔丝结构(未绘示)。

之后，请继续参照图2A，于介电层210上形成复合结构220，复合结构220是由下电极221、绝缘层223与上电极225依序堆叠而成，且下电极221电连接内连线结构215与导线结构217。复合结构220的形成方法例如是分别形成下电极材料层(未绘示)、绝缘材料层(未绘示)与上电极材料层(未绘示)，然后图案化上电极材料层、绝缘材料层与下电极材料层而形成的。

其中，下电极221与上电极225的材料例如是选自钛、氮化钛、氮硅化钛、钽、氮化钽、碳化钽、氮硅化钽、氮化铝钽、钨、氮化钨、铬镍合金、硅化铬及其混合物所组成的族群。绝缘层223的材料例如是选自氧化钽、氧化锶钛、氧化锆、氧化铪、硅氧化铪、氧化钛、氧化硅、氮化硅及其混合物所组成的族群。形成这些材料层的方法例如是化学气相沉积法。图案化这些材料层的方法例如是干式蚀刻法如反应性离子蚀刻法。

值得一提的是，由于此复合结构220的各层所使用的材料分别为金属(化合物)、绝缘层、金属(化合物)，这三层材料也可以作为MIM电容器。因此，在形成复合结构220的同时，也可以利用这些材料层，于图案化的步骤中，同时于介电层210上的其它区域形成MIM电容器(未绘示)。

继而，请参照图2B，于介电层210上形成介电层230，覆盖住复合结构220。介电层230的材料例如是氧化硅等介电材料，其形成方法例如是化学气相沉积法。

其后，于介电层230中形成开口231、开口233，于介电层230与介电层210中形成开口235。开口231与开口233分别暴露出部分上电极225，开口235例如是暴露出导线结构217b。开口231、开口233与235的形成方法例如是光刻蚀刻工艺。

当然，开口231也可以是双层镶嵌开口，而非如图2B的单层镶嵌开口，其端视工艺的设计而定。而开口233与开口235也可以是双层镶嵌开口，且开口233与开口235平行上电极225的上半部可以是连通的。

接下来，请参照图2C，于介电层230上形成一层导体材料层(未绘示)，填满开口231、开口233与开口235，并覆盖住介电层230。导体材料层的材料例如是铝、铜、钨或其合金等导体材料，其形成方法例如是物理气相沉积法或是化学气相沉积法。而后，图案化介电层230上的导体材料层而形成位于复合结构220左侧的导线结构240与接触窗242，以及位于复合结构220右侧的导体层245。图案化导体材料层的方法例如是干式蚀刻法。

其中，导线结构240电连接上电极225，接触窗242电连接导线结构240a(导线结构240平行于上电极225的部分)与导线结构217b。导体层245例如是含有插塞245a与导线245b，插塞245a电连接上电极225与导线245b。

导体层240a之中还可以形成一段熔丝结构240a’。熔丝结构240a’若是能够提供电流通过，则复合结构220即作为电阻器使用。熔丝结构240a’若是被烧断，无法提供电流通过，则复合结构220便是作为电容器使用。熔丝结构240a’的材料例如是铜、铝、钨或其合金。导线结构217之中若形成有熔丝结构，其材料与作用与熔丝结构240a’相同。

当然，由前述关于半导体元件的结构的说明中可知，本发明提出的半导体元件的制造方法并不限于上述图2A至图2C的这种方法。

请参照图2B与图2D，介电层210中可以是仅形成内连线结构215，而无须形成导线结构217。另外，在形成开口的步骤中，只需要在介电层230中形成暴露出上电极225表面的开口231’，以及至少暴露出上电极225与下电极221侧壁的开口235’。后续形成的接触窗242位于复合结构220侧壁。若开口235’暴露出上电极225上表面，则接触窗242就会设置于上电极225上表面。

或者，请参照图2B与图2E，倘若下电极221的尺寸大于上电极225的尺寸，则介电层210中亦无须形成导线结构217。至于形成开口235”时，则以下电极221为蚀刻终止层，而不必深入至下层的介电层210中。如此一来，接触窗242形成于下电极221上，并通过导线结构240与上电极225电连接。

另外，特别注意的是，有关内连线结构与导线结构的各种结构与制造方法已见诸于众多期刊与专利，其应为本领域技术人员所周知，因此，关于其结构与制造方法，自然就不限于上述实施例或图示中所提及者。

上述半导体元件的制作方法，可以在同一片芯片上，同时形成电阻器与电容器，将两者的工艺，整合于后段工艺中。且所形成的电阻器可以达到高电阻值、小尺寸的优点，使得电路布局能够更有弹性，而得以制作出更具竞争力的电子产品。

虽然本发明以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以所附权利要求所界定者为准。

Claims (25)

1.一种半导体元件，包括：

复合结构，该复合结构由下而上包括下电极、绝缘层与上电极；以及

接触窗，电连接该上电极与该下电极。

2.如权利要求1所述的半导体元件，其中该接触窗设置于该复合结构侧壁。

3.如权利要求1所述的半导体元件，还包括第一导线结构，设置于该复合结构上，与该上电极电连接，且该接触窗是通过该第一导线结构电连接该上电极。

4.如权利要求3所述的半导体元件，其中该下电极的尺寸大于该上电极的尺寸，且该接触窗是设置于该第一导线结构与该下电极之间。

5.如权利要求4所述的半导体元件，还包括第一熔丝结构，设置于该第一导线结构中。

6.如权利要求3所述的半导体元件，还包括第二导线结构，设置于该下电极下，与该下电极电连接，且该接触窗是通过该第二导线结构电连接该下电极。

7.如权利要求6所述的半导体元件，还包括第二熔丝结构，设置于该第二导线结构中。

8.如权利要求6所述的半导体元件，还包括第一熔丝结构，设置于该第一导线结构中。

9.如权利要求8所述的半导体元件，其中当该第一熔丝结构可供电流通过时，则该复合结构是作为电阻器之用。

10.如权利要求8所述的半导体元件，其中当该第一熔丝结构无法供电流通过时，则该复合结构是作为电容器之用。

11.如权利要求1所述的半导体元件，其中该上电极与该下电极的材料是选自钛、氮化钛、氮硅化钛、钽、氮化钽、碳化钽、氮硅化钽、氮化铝钽、钨、氮化钨、铬镍合金、硅化铬及其混合物所组成的族群。

12.如权利要求1所述的半导体元件，其中该绝缘层的材料是选自氧化钽、氧化锶钛、氧化锆、氧化铪、硅氧化铪、氧化钛、氧化硅、氮化硅及其混合物所组成的族群。

13.如权利要求1所述的半导体元件，其中该接触窗的材料包括铜、铝、钨或其合金。

14.一种半导体元件的制造方法，包括：

提供基底，该基底中至少已形成有导电部；

于该基底上形成第一介电层；

于该第一介电层中形成内连线结构以电连接该导电部；

于该第一介电层上形成复合结构，该复合结构是由下电极、绝缘层与上电极堆叠而成，其中该下电极电连接该内连线结构；

于该第一介电层上形成第二介电层，覆盖住该复合结构；以及

于该第二介电层中形成导体层与接触窗，其中，该导体层电连接该上电极，该接触窗电连接该上电极与该下电极。

15.如权利要求14所述的半导体元件的制造方法，其中该接触窗形成于该复合结构侧壁。

16.如权利要求14所述的半导体元件的制造方法，其中于该第二介电层中形成该导体层与该接触窗的步骤包括：

于该第二介电层中形成开口与接触窗开口，其中，该开口暴露出部分该上电极，该接触窗开口至少暴露出该上电极与该下电极的侧壁；以及

于该开口与该接触窗开口中填入导体材料，以形成该导体层与该接触窗。

17.如权利要求14所述的半导体元件的制造方法，该形成该导体层与该接触窗的步骤还包括：于该第二介电层中形成第一导线结构，该第一导线结构电连接该上电极，且该接触窗是通过该第一导线结构电连接该上电极。

18.如权利要求17所述的半导体元件的制造方法，其中该下电极的尺寸大于该上电极的尺寸，该接触窗即形成于该第一导线结构与该下电极之间。

19.如权利要求17所述的半导体元件的制造方法，还包括于该第一导线结构中形成熔丝结构。

20.如权利要求17所述的半导体元件的制造方法，该形成该内连线结构的步骤中还包括：于该第一介电层中形成第二导线结构，该下电极电连接该第二导线结构，且该接触窗延伸至该第一介电层中与该第二导线结构相连，通过该第二导线结构与该下电极电连接。

21.如权利要求14所述的半导体元件的制造方法，其中该导体层为内连线。

22.如权利要求14所述的半导体元件的制造方法，其中该上电极与该下电极的材料是选自钛、氮化钛、氮硅化钛、钽、氮化钽、碳化钽、氮硅化钽、氮化铝钽、钨、氮化钨、铬镍合金、硅化铬及其混合物所组成的族群。

23.如权利要求14所述的半导体元件的制造方法，其中该绝缘层的材料是选自氧化钽、氧化锶钛、氧化锆、氧化铪、硅氧化铪、氧化钛、氧化硅、氮化硅及其混合物所组成的族群。

24.如权利要求14所述的半导体元件的制造方法，其中该接触窗的材料包括铜、铝、钨或其合金。

25.如权利要求14所述的半导体元件的制造方法，其中于形成该复合结构的步骤中，还包括于该第一介电层上形成MIM电容器，其中，形成该MIM电容器的各材料层是来自于形成该复合结构所使用的各材料层。

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