KR100782790B1 - Semiconductor device and fabrication method of thereof - Google Patents
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Abstract
금속/ 절연체/ 금속 (MIM) 구조의 커패시터를 포함하는 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 홀 형성을 위한 산화막 식각시 하부전극이 손상되는 언더컷으로 인해 커패시터가 파괴되는 것을 방지하는 데 있다. 이를 위해 본 발명에서는 반도체 기판의 구조물 상에 하부절연막을 형성하는 단계; 하부절연막 상에 소정폭의 하부전극을 형성하고, 하부전극의 적어도 일부분 상에 제1유전체층 및 제2유전체층을 형성하는 단계; 제2유전체층을 포함하여 하부절연막의 상부 전면에 층간절연막을 형성하는 단계; 층간절연막을 소정폭으로 식각하여, 제2유전체층의 상면을 일부 노출시키는 비아홀을 형성하는 단계; 비아홀의 내부에 상부전극을 매립하도록 형성하는 단계; 상부전극 및 층간절연막 상에 금속배선을 형성하는 단계를 포함하여 반도체 소자를 제조한다.The present invention relates to a semiconductor device including a capacitor having a metal / insulator / metal (MIM) structure, and a method of manufacturing the same, the purpose of which is to prevent the capacitor from being destroyed by an undercut that damages the lower electrode during the etching of an oxide for forming a hole. have. To this end, the present invention comprises the steps of forming a lower insulating film on the structure of the semiconductor substrate; Forming a lower electrode having a predetermined width on the lower insulating layer, and forming a first dielectric layer and a second dielectric layer on at least a portion of the lower electrode; Forming an interlayer insulating film on the entire upper surface of the lower insulating film including the second dielectric layer; Etching the interlayer insulating film to a predetermined width to form a via hole exposing a portion of the top surface of the second dielectric layer; Forming an upper electrode in the via hole; Forming a metal wiring on the upper electrode and the interlayer insulating film to manufacture a semiconductor device.
커패시터, 유전체층, 언더컷Capacitor, Dielectric Layer, Undercut
Description
도 1은 종래 반도체 소자를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor device.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조 방법을 도시한 단면도이다.2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속/ 절연체/ 금속 (MIM) 구조의 커패시터를 포함하는 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device comprising a capacitor of a metal / insulator / metal (MIM) structure and a method of manufacturing the same.
최근 등장하는 복합 반도체장치(MML:Merged Memory Logic)는 하나의 칩 내에 메모리 셀 어레이부, 예컨대 디램(DRAM :dynamic random access memory)과 아날로그 또는 주변회로가 함께 집적화된 소자이다. 이러한 복합 반도체장치의 등장으로 인해 멀티미디어 기능이 크게 향상되어 종전보다 반도체장치의 고집적화 및 고속화를 효과적으로 달성할 수 있게 되었다.BACKGROUND ART Recently, a merged memory logic (MML) is a device in which a memory cell array unit such as dynamic random access memory (DRAM) and an analog or peripheral circuit are integrated together in one chip. Due to the emergence of such composite semiconductor devices, multimedia functions have been greatly improved, and high integration and speed of semiconductor devices can be effectively achieved.
한편, 고속 동작을 요구하는 아날로그 회로에서는 고용량의 커패시터를 구현 하기 위한 반도체소자 개발이 진행 중에 있다. 일반적으로, 커패시터가 다결정실리콘(polysilicon)/ 절연체(insulator)/ 다결정실리콘(polysilicon)의 PIP 구조일 경우에는 상부전극 및 하부전극을 도전성 다결정실리콘으로 사용하기 때문에 상,하부전극과 유전체 박막 계면에서 산화반응이 일어나 자연산화막이 형성되어 전체커패시턴스의 크기가 줄어들게 되는 단점이 있다. Meanwhile, in an analog circuit requiring high speed operation, development of a semiconductor device for implementing a high capacity capacitor is underway. In general, when the capacitor is a PIP structure of polysilicon / insulator / polysilicon, the upper electrode and the lower electrode are used as the conductive polysilicon, so that the oxides are oxidized at the upper and lower electrodes and the dielectric thin film interface. The reaction occurs to form a natural oxide film has the disadvantage that the size of the total capacitance is reduced.
이를 해결하기 위해 커패시터의 구조를 금속/절연체/실리콘 (metal/insulator/silicon : MIS) 또는 금속/절연체/금속(metal/insulator/metal : MIM)으로 변경하게 되었는데, 그 중에서도 MIM 구조의 커패시터는 비저항이 작고 내부에 공핍(deplection)에 의한 기생 커패시턴스가 없기 때문에 고성능 반도체 장치에 주로 이용되고 있다.To solve this problem, the structure of the capacitor was changed to metal / insulator / silicon (MIS) or metal / insulator / metal (MIM). Because of its small size and no parasitic capacitance due to depletion inside, it is mainly used for high performance semiconductor devices.
그러면, 종래 반도체 소자 제조방법에 따라 MIM 구조의 커패시터를 제조하는 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 종래 방법에 따라 형성된 반도체 소자를 도시한 단면도이다.Next, a method of manufacturing a capacitor having a MIM structure according to a conventional semiconductor device manufacturing method will be described with reference to the accompanying drawings. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device formed according to a conventional method.
먼저, 반도체 기판(1)의 상부에 통상의 반도체 소자 공정을 진행하고 하부산화막(2)을 형성한 다음, 하부산화막(2) 상에 하부전극(3)을 형성하고, 하부전극(3) 상에 감광막 패턴(미도시)을 형성한 후 감광막 패턴을 마스크로 하여 하부전극(3)을 식각하여 소정폭을 남긴다.First, a normal semiconductor device process is performed on the
다음, 하부전극(3)을 포함하여 하부산화막(2)의 상부전면에 산화막(4)을 두껍게 증착하고 화학기계적 연마하여 상면을 평탄화한 후, 산화막(4) 상에 하부전극(3) 상부의 소정영역이 오프닝된 감광막 패턴을 형성하고, 그 감광막 패턴 을 마스크로 하여 하부전극(3) 상의 산화막(4)을 소정영역 식각함으로써, 하부전극(3)의 표면을 개방하는 소정폭의 홀(100)을 형성한다. 그러나, 이러한 홀(100) 형성을 위한 산화막(4) 식각시, 하부전극(3)의 표면, 특히 홀의 하단 양 모서리와 인접한 부분(도 1에서 A로 표시됨)이 손상되는 언더컷 현상이 발생하기가 쉽다. Next, the
다음, 홀(100)의 내벽에 유전체층(5)을 형성하고, 유전체층(5) 상에 상부전극(6)을 홀(100) 내부가 매립되도록 형성함으로써, 하부전극(3), 유전체층(5) 및 상부전극(6)으로 이루어진 MIM 구조의 커패시터 제조를 완료한다.Next, the
그러나, 상기한 바와 같은 종래 방법에서는 언더컷에 의해 A 부분 상에는 유전체층이 균일하게 형성되지 않기 때문에, 결과적으로 A 부분에서 상부전극이 하부전극과 상호 도통하여 커패시터의 역할을 못하게 되는 문제점이 있었다. However, in the conventional method as described above, since the dielectric layer is not uniformly formed on the A portion by the undercut, there is a problem that the upper electrode in the A portion is electrically conductive with the lower electrode, thereby preventing the role of the capacitor.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 홀 형성을 위한 산화막 식각시 하부전극이 손상되는 언더컷으로 인해 커패시터가 파괴되는 것을 방지하는 데 있다.The present invention is to solve the problems as described above, the object is to prevent the capacitor from being destroyed by the undercut damage to the lower electrode during the etching of the oxide film for hole formation.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 커패시터의 하부전극 상에 유전체층을 2층의 적층구조로 형성한 후, 비아홀을 형성하고 비아홀 내에 상부금속을 매립하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that after forming a dielectric layer in a stacked structure of two layers on the lower electrode of the capacitor, a via hole is formed and an upper metal is embedded in the via hole.
이하, 본 발명에 따른 반도체 소자 및 그 제조 방법에 대해 상세히 설명한 다. 도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조 방법을 도시한 단면도이다.Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail. 2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
본 발명에 따라 제조된 반도체 소자는 도 2c에 도시되어 있으며, 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자에서는, 반도체 기판(11)의 구조물 상에는 하부절연막(12)이 형성되어 있고, 하부절연막(12) 상에는 소정폭의 하부전극(13)이 형성되어 있으며, 하부전극(13) 상에는 이보다 좁은 폭을 가지는 제1유전체층(15) 및 제2유전체층(16)이 형성되어 있고, 제2유전체층(16) 상에는 이보다 좁은 폭의 비아홀(200)이 형성되어 있으며, 비아홀(200)의 내부에는 텅스텐 등으로 이루어진 상부전극(21)이 매립되어 있고, 비아홀(200)의 외측방, 하부전극(13)과 제1유전체층(15) 및 제2유전체층(16)의 외부, 및 하부절연막(12) 상에는 층간절연막(18)이 형성되어 있고, 상부전극(21) 및 층간절연막(18) 상에는 소정폭의 금속배선(23)이 형성되어 있다. The semiconductor device manufactured according to the present invention is illustrated in FIG. 2C. As shown in FIG. 2, in the semiconductor device according to the present invention, a lower
이 때, 하부전극(13) 상에는 반사방지막(14)이 추가로 형성될 수 있으며, 비아홀(200)의 내벽에는 제1베리어금속막(20)이, 금속배선(23)의 하면에는 제2베리어금속막(22)이 형성될 수 있다. In this case, an
또한, 비아홀(200)의 폭은 제2유전체층(16) 폭의 1/2 보다 크면서 제2유전체층(16) 폭보다 좁은 것이 바람직하다.In addition, the width of the
제2유전체층(16)의 두께는 제1유전체층(15)의 두께보다 더 두꺼우며, 그 값은 제1유전층이 200~400Å의 두께이고, 제2유전체층이 300~500Å의 두께인 것이 바람직하다. 이러한 제1유전체층(15) 및 제2유전체층(16)은 각각 산화물, 실리콘나이 트라이드, 및 실리콘옥시나이트라이드 중의 어느 한 물질로 이루어질 수 있으며, 제1유전층으로 실리콘옥시나이트라이드를 사용할 때에는 실리콘옥시나이트라이드 상에 100Å 이하의 두께로 산화막을 더 형성하는 것이 바람직하다.The thickness of the second
그러면, 상기한 바와 같은 본 발명의 반도체 소자를 제조하는 방법에 대해 상세히 설명한다.Then, the method of manufacturing the semiconductor device of the present invention as described above will be described in detail.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(11)의 상부에 통상의 반도체 소자 공정을 진행하고 하부절연막(12)을 형성한 다음, 하부절연막(12) 상에 하부전극(13) 및 제1유전체층(15)을 차례로 형성한다. 이 때 하부전극(13) 상에는 반사방지막(14)을 형성한 후, 반사방지막(14) 상에 유전체층(15)을 형성할 수도 있다. First, as shown in FIG. 2A, a normal semiconductor device process is performed on the
이 때, 제1유전체층(15)은 200~400Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 이러한 제1유전체층(15)은 산화물, 실리콘나이트라이드, 및 실리콘옥시나이트라이드 중의 어느 한 물질을 사용하여 형성할 수 있다.At this time, the first
이어서, 유전체층(15)의 상부 전면에 감광막을 도포하고 노광 및 현상하여 소정폭의 감광막만을 남기고 나머지를 식각함으로써 감광막 패턴(미도시)을 형성하고, 그 감광막 패턴을 마스크로 하여 상면이 노출된 유전체층(15), 반사방지막(14), 및 하부전극(13)을 소정부분을 식각하여, 유전체층(15), 반사방지막(14), 및 하부전극(13)을 소정폭으로 남긴 후, 감광막 패턴을 제거하고 세정공정을 수행한다.Subsequently, a photoresist film is applied to the entire upper surface of the
다음, 제1유전체층(15)을 포함하여 하부절연막(12)의 상부 전면에 제2유전체층을 형성한다. 이 때, 제2유전체층(16)은 제1유전체층(15)보다 두껍게 형성하며, 그 두께는 300~500Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 제2유전체층(16)은 산화물, 실리콘나이트라이드, 및 실리콘옥시나이트라이드 중의 어느 한 물질을 사용하여 형성할 수 있다.Next, a second dielectric layer is formed on the entire upper surface of the lower
이어서, 제2유전체층(16)의 상부 전면에 감광막을 도포하고 노광 및 현상하여 소정폭의 감광막만을 남기고 나머지를 식각함으로써 감광막 패턴(17)을 형성하고, 감광막 패턴(17)을 마스크로 하여 상면이 노출된 제2유전체층(16)을 식각하여 제2유전체층(16)을 소정폭으로 남긴 후, 연속하여 제1유전체층(15)을 건식식각하여 소정폭으로 남긴 다음, 감광막 패턴(17)을 제거하고 세정공정을 수행한다. 그러면, 소정폭의 하부전극(13) 및 반사방지막(14)의 적어도 일부분 상에 제1유전체층(15) 및 제2유전체층(16)이 형성되는 것이다.Subsequently, a photoresist film is applied to the entire upper surface of the second
다음, 제2유전체층(16)을 포함하여 하부절연막(12)의 상부 전면에 산화막 등으로 이루어진 층간절연막(18)을 두껍게 증착한다. 층간절연막(18)의 증착 후에는 화학기계적 연마하여 그 상면을 평탄화할 수 있으며, 평탄화 후에는 400~600℃의 온도로 열처리할 수 있다. Next, a thick
이어서, 평탄화된 층간절연막(18)의 상면에 감광막을 도포하고 노광 및 현상하여 비아로 예정된 부분의 제2층간절연막(18) 상면을 노출시키는 감광막 패턴(19)을 형성한다. Subsequently, a photosensitive film is coated on the top surface of the planarized
다음, 감광막 패턴(19)을 마스크로 하여 상면이 노출된 층간절연막(18) 부분을 건식식각하여 제2유전체층(16)의 표면을 개방하는 소정폭의 비아홀(200)을 형성한다. 이 때, 본 발명에서의 유전체층은 제1유전체층(15) 및 제2유전체층(16)의 2 층 구조로 되어 있기 때문에 비아홀 형성을 위한 식각시 제2유전체층이 만약 손상을 입더라도 그 하부의 제1유전체층은 보호되기 때문에, 커패시터의 유전체층은 안정한 구조로 형성되는 장점이 있다. Next, the
다음, 감광막 패턴(19)을 제거하고 세정공정을 수행한 다음, 비아홀(200)의 내벽에 제1베리어금속막(20)을 증착하고, 제1베리어금속막(20) 상에 텅스텐 등의 상부전극(21)을 증착하여 비아홀(200)의 내부를 완전히 매립한다. 상부전극(21)의 증착 후에는 층간절연막(18)의 상면이 노출될 때까지 화학기계적 연마하여 상면을 평탄화시킬 수 있으며, 평탄화 후에는 400~600 ℃의 온도로 열처리할 수 있다. Next, the
상기한 구조에서, 하부전극(13), 제1유전체층(15), 제2유전체층(16) 및 상부전극(21)은 MIM 구조의 커패시터에 해당된다.In the above structure, the
이어서, 평탄화된 상면에 제2베리어금속막(22) 및 금속배선막(23)을 차례로 증착하고 이들을 패터닝하여 금속배선을 형성한다. 이 때 제2베리어금속막(22) 형성 이전에, 플라즈마 식각을 수행하여 상부전극(21) 표면의 이물질을 제거할 수 있다.Subsequently, the second
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 커패시터의 하부전극 상에 유전체층을 형성한 후, 비아홀을 형성하고 비아홀 내에 상부금속을 매립하기 때문에, 종래 비아홀 식각시 하부전극이 손상되는 언더컷 현상이 방지되는 효과가 있으며, 따라서, 유전체층을 안정된 구조로 형성하는 효과가 있다.As described above, in the present invention, since the dielectric layer is formed on the lower electrode of the capacitor, the via hole is formed and the upper metal is buried in the via hole, thereby preventing the undercut phenomenon in which the lower electrode is damaged during the conventional via hole etching. Therefore, there is an effect of forming the dielectric layer into a stable structure.
특히, 본 발명에서는 유전체층을 2층 구조로 형성하기 때문에, 비아홀 형성 을 위한 식각시 상층의 유전체층이 손상을 입는다 하더라도 하층의 유전체층은 보호되기 때문에, 커패시터의 유전체층을 더욱 안정된 구조로 형성할 수 있다는 효과가 있다.In particular, in the present invention, since the dielectric layer is formed in a two-layer structure, even if the upper dielectric layer is damaged during the etching of via holes, the lower dielectric layer is protected, so that the dielectric layer of the capacitor can be formed in a more stable structure. There is.
따라서, 언더컷으로 인해 커패시터가 파괴되는 일이 방지되는 효과가 있다.Therefore, there is an effect of preventing the capacitor from being destroyed by the undercut.
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2002
- 2002-07-30 KR KR1020020045019A patent/KR100782790B1/en not_active IP Right Cessation
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