半導(dǎo)體器件中的電容器架構(gòu)制造技術(shù)

本文中的實施例描述了用于包括三維電容器的半導(dǎo)體器件的技術(shù)。該三維電容器包括柱狀物、以及堆疊在柱狀物周圍的一個或多個電容器單元。一個或多個電容器單元的電容器單元包括圍繞并且耦合到柱狀物的第一電極、圍繞第一電極的電介質(zhì)層、以及圍繞電介質(zhì)層的第二電極。可以描述和/或要求保護其他實施例。可以描述和/或要求保護其他實施例。可以描述和/或要求保護其他實施例。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
半導(dǎo)體器件中的電容器架構(gòu)


[0001]本公開的實施例一般地涉及半導(dǎo)體器件的領(lǐng)域，并且更特別地，涉及半導(dǎo)體器件中的電容器。

技術(shù)介紹

[0002]電容器是集成電路(IC)和半導(dǎo)體器件的重要部分。例如，電容器可以被用作存儲器器件中的信息存儲單元。存儲器器件(例如，動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)陣列)可以包括多個存儲器單元，其中，存儲器單元可以包括選擇器(例如，晶體管)以控制對諸如電容器的存儲器單元的存取。除了存儲器器件之外，電容器還可用于很多其他應(yīng)用(例如，能量存儲器件)中。特別地，超級電容器(SC)由于其高功率密度、良好的性能和長的免維護壽命而作為能量存儲器件獲得了進展。目前，電容器或超級電容器可以在具有有限布局空間的后端互連結(jié)構(gòu)內(nèi)制造。因此，目前的電容器可能具有有限的容量，從而導(dǎo)致不足的功率密度或信息容量。
附圖說明
[0003]通過以下結(jié)合附圖的具體實施方式，將容易理解實施例。為了便于該描述，相似的參考標(biāo)記指定相似的結(jié)構(gòu)元件。在附圖的各圖中，通過示例的方式而非限制的方式示出了實施例。
[0004]圖1(a)
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圖1(e)示意性地示出了根據(jù)一些實施例的包括三維電容器的半導(dǎo)體器件的示圖，該三維電容器具有堆疊在柱狀物周圍的一個或多個電容器單元。
[0005]圖2示出了根據(jù)一些實施例的用于形成包括三維電容器的半導(dǎo)體器件的工藝，該三維電容器具有堆疊在柱狀物周圍的一個或多個電容器單元。
[0006]圖3(a)
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圖3(b)示意性地示出了根據(jù)一些實施例的包括三維電容器的半導(dǎo)體器件的示圖，該三維電容器具有堆疊在柱狀物周圍的一個或多個電容器單元。
[0007]圖4示意性地示出了根據(jù)一些實施例的實施本公開的一個或多個實施例的內(nèi)插件。
[0008]圖5示意性地示出了根據(jù)一些實施例的根據(jù)本公開實施例構(gòu)建的計算設(shè)備。
具體實施方式
[0009]前段制程(FEOL)半導(dǎo)體處理和結(jié)構(gòu)可以指IC制造的第一部分，其中，在半導(dǎo)體襯底或?qū)又袌D案化單個器件(例如，晶體管、電容器、電阻器等)。FEOL一般地覆蓋直到(但不包括)金屬互連層的沉積的所有操作。FEOL中形成的晶體管也可以稱為前端晶體管。在最后的FEOL操作之后，結(jié)果通常是具有隔離的晶體管(例如，沒有任何導(dǎo)線)的晶片。后段制程(BEOL)半導(dǎo)體處理和結(jié)構(gòu)可以指IC制造的第二部分，其中單個器件(例如，晶體管、電容器、電阻器等)與晶片上的布線(例如，一個或多個金屬化層)互連。BEOL包括金屬接觸部、電介質(zhì)層、金屬層級和用于芯片到封裝連接的接合部位。在制造的BEOL部分中，可以形成金屬接
觸部、焊盤、互連導(dǎo)線、過孔和電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。對于現(xiàn)代IC工藝，可以在BEOL中添加多于10個金屬層。
[0010]電容器是集成電路(IC)和半導(dǎo)體器件的重要部分，例如，用作存儲器器件或能量存儲器件中的信息存儲單元。電容器可以具有不同的架構(gòu)。例如，金屬
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絕緣體
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金屬(MIM)電容器包括兩個金屬板，絕緣體在板之間。目前，MIM電容器通常在BEOL處在互連結(jié)構(gòu)內(nèi)制造，例如，通常在具有有限空間的金屬層5或7上方。由于電容器的電容與電容器的面積成線性比例，所以在BEOL處布局空間的缺乏限制了放置在那里的常規(guī)MIM電容器的數(shù)量，從而導(dǎo)致當(dāng)電容器用作能量存儲設(shè)備時功率密度不足。此外，在BEOL中，制造工藝受到器件可以處理的熱預(yù)算限制。另一方面，為了追求摩爾定律，現(xiàn)代處理器正在變得越來越快并且功率需求很大。例如，隨著5G技術(shù)和用于人工智能(AI)和機器學(xué)習(xí)(ML)處理器的三維集成堆疊體的出現(xiàn)，當(dāng)電容器用作能量存儲設(shè)備時，功率密度將成為電容器的主要挑戰(zhàn)。當(dāng)電容器用作信息存儲設(shè)備時，存在類似的容量挑戰(zhàn)。
[0011]本文的實施例提出了可以為現(xiàn)代處理器或信息存儲容量提供改進的功率密度的電容器。電容器形成有波紋式結(jié)構(gòu)以增大電容器的表面積。此外，在一些實施例中，電容器可以集成高效率固態(tài)電解質(zhì)(SSE)而不是高k電介質(zhì)，以進一步增大能量容量，使其成為超級電容器。結(jié)果，本文的實施例可以包括基于電雙層電容器(EDLC)的超級電容器陣列或基于氧化還原法拉第反應(yīng)的贗電容器陣列。SSE電容器的功效將使得能夠?qū)崿F(xiàn)用于EDLC的跨電極
?
SSE表面的電雙層。在贗電容器的情況下，SSE將使得氧化還原反應(yīng)能夠跨越相同的界面。此外，電容器陣列可以垂直集成到3維內(nèi)插件中或處理器的背面中。另外，電容器可以直接或通過電力軌間接連接到處理器。結(jié)果，本文的實施例可以使得處理器能夠在改進的頻率下工作，同時依靠包括本文提出的電容器的電池運行。客戶將能夠遠程地利用現(xiàn)代處理器的完整處理能力而無需連接到有線電源。
[0012]本文的實施例提出了包括三維電容器的半導(dǎo)體器件。該三維電容器包括柱狀物、以及堆疊在柱狀物周圍的一個或多個電容器單元。一個或多個電容器單元的電容器單元包括圍繞并且耦合到柱狀物的第一電極、圍繞第一電極的電介質(zhì)層以及圍繞電介質(zhì)層的第二電極。
[0013]本文的實施例提出了用于形成半導(dǎo)體器件的方法。該方法包括形成晶體管，其中，晶體管包括沿第一方向的溝道。該方法還包括形成沿與第一方向正交的第二方向放置的柱狀物，形成圍繞并且耦合到柱狀物的第一電極，形成圍繞第一電極的電介質(zhì)層，以及形成圍繞電介質(zhì)層的第二電極。第一電極、電介質(zhì)層、和第二電極形成柱狀物周圍的電容器單元。
[0014]本文的實施例提出了計算設(shè)備，該計算設(shè)備包括晶體管以及耦合到晶體管的三維電容器，該晶體管包括位于半導(dǎo)體器件中的沿第一方向的溝道。該三維電容器包括沿與第一方向的正交第二方向放置的柱狀物、以及堆疊在柱狀物周圍的一個或多個電容器單元。一個或多個電容器單元的電容器單元包括圍繞并且耦合到柱狀物的第一電極、圍繞第一電極的電介質(zhì)層、以及圍繞電介質(zhì)層的第二電極。
[0015]在以下描述中，將使用本領(lǐng)域技術(shù)人員通常采用的術(shù)語來描述說明性實施方式的各個方面，以向本領(lǐng)域其他技術(shù)人員傳達其工作的實質(zhì)。然而，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將言顯而易見的是，可以僅利用所述方面中的一些來實踐本公開。為了解釋的目的，闡述了具體的數(shù)量、材料和配置，以便提供對說明性實施方式的透徹理解。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員將
顯而易見的是，本公開可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下被實踐。在其他實例中，省略或簡化了公知的特征，以免使說明性實施方式難以理解。
[0016]各個操作將以最有助于理解本公開的方式依次被描述為多個分立的操作。然而，描述順序不應(yīng)被解釋為暗示這些操作必須依賴于順序。特別地，這些操作可以不以所呈現(xiàn)的順序執(zhí)行。為了本公開的目的，短語“A和/或B”意味著(A)、(B)或(A和B)。為了本公開的目的，短語“A、B和/或C”意味著(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。
[0017]本文所使用的術(shù)語“在
…
之上”、“在
…
下”、“在
…
之間”、“在
…...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種半導(dǎo)體器件，包括：三維電容器，所述三維電容器包括：柱狀物；以及堆疊在所述柱狀物周圍的一個或多個電容器單元，其中，所述一個或多個電容器單元的電容器單元包括：圍繞并且耦合到所述柱狀物的第一電極，圍繞所述第一電極的電介質(zhì)層，以及圍繞所述電介質(zhì)層的第二電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，還包括：晶體管，其中，所述晶體管包括沿第一方向的溝道，并且其中，所述柱狀物沿與所述第一方向正交的第二方向放置。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述電容器單元是第一電容器單元，并且所述電容器還包括第二電容器單元，并且其中，所述第一電容器單元的電介質(zhì)層和所述第二電容器單元的電介質(zhì)層形成共形地圍繞所述柱狀物以及所述第一電容器單元和所述第二電容器單元的所述第一電極的連續(xù)電介質(zhì)層，并且所述第一電容器的所述第二電極和所述第二電容器的所述第二電極形成連續(xù)電極。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述電容器單元是第一電容器單元，并且所述電容器還包括第二電容器單元，并且其中，所述第一電容器單元的第一電極包含與所述第二電容器單元的第一電極不同的材料，或者所述第一電容器單元的電介質(zhì)層包含與所述第二電容器單元的電介質(zhì)層不同的材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述電容器包括第一電容器單元和第二電容器單元，所述第一電容器單元具有在俯視圖中具有第一周長并且具有第一面積的第一電極，所述第二電容器單元具有在俯視圖中具有第二周長并且具有第二面積的第一電極，并且其中，所述第一周長與所述第二周長不同，或者所述第一面積與所述第二面積不同。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一電極、所述電介質(zhì)層、或所述第二電極包圍正方形形狀、矩形形狀、圓形、橢圓形形狀或包括三個或更多個邊的多邊形的面積。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一電極包括具有第一功函數(shù)的第一金屬材料，并且所述第二電極包括具有與所述第一功函數(shù)不同的第二功函數(shù)的第二金屬材料。8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一電極或所述第二電極包括W、Mo、Ti、Ta、Al、TaN、TiN、TiC、WN、MoN、MoC、Co、Ni、Cu、Ru、Pd、Pt、Ir、IrO
x
、石墨烯、MnO2、Li、RuO
x
、ITO、SrRuO
x
、金屬氧化物、石墨碳、堿金屬、低功函數(shù)金屬、過渡金屬氧化物、Co氧化物、LiCoO2、NaCoO2、過渡金屬二硫化物、尖晶石氧化物、LiMn2O4、LiNiMnO4、導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娊饘佟?.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述電介質(zhì)層包括Al2O3、HfO2、ZrO2、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、SrTiO
x
、BaTiO
x
、Ga2O3、Y2O3、稀土氧化物、固態(tài)電解質(zhì)、玻璃電解質(zhì)、陶瓷電解質(zhì)、離子導(dǎo)電的反鈣鈦礦、Li3ClO、摻雜的Li
(3
?
2x)
D
x
ClO、硅酸鉿、硅酸鋯、二氧化鉿、鋯酸
鉿、二氧化鋯、氧化鋁、氧化鈦、氮化硅、碳摻雜的氮化硅、碳化硅、和氮化硅酸鉿、高k電介質(zhì)材料或其合金，在所述摻雜的Li
(3
?
2x)
D
x
ClO中，D為二價陽離子摻雜劑。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述固態(tài)電解質(zhì)層包括氧化物、或基于硫?qū)倩锏膶印?1.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：S，
申請(專利權(quán))人：英特爾公司，
類型：發(fā)明
國別省市：