JP2004140310A - キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体素子内のキャパシタはキャパシタの領域のアルミニウム層の上部に窒素を含有したプラズマを用いて絶縁層として働く窒化アルミニウム層を形成する簡単な工程で製作することができる。本発明によれば、従来の厚く形成された絶縁膜によって発生するキャパシタの領域とそれ以外の領域との間のIMD層の段差を減らすことができ、ビア食刻の困難を防止することができる。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子内のキャパシタ及びその製造方法に関し、更に詳しくは、単純化されたキャパシタ及びIMD(inter−metal dielectric)層の平坦化やビア食刻工程を単純化したキャパシタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体メモリ素子内のメモリセルの集積度は、大きい容量が更に要求されることに従って、増加することになる。DRAMにおけるメモリセルは、MOSトランジスタとキャパシタからなり、キャパシタ領域の面積は、メモリセルの高集積度によって減少する。結果的に、キャパシタの面積が減少するに従って、キャパシタの静電容量も減少する。
【0003】
従来、半導体素子内のキャパシタを製造するための誘電体として、誘電率が高いと知られている五酸化タンタルTa2O5または窒化ケイ素Si3N4などが主に使用されている。最近、半導体素子に対して高集積度が段々要求されることに従って低電圧においても高いキャパシタンスが得られるように、高誘電率を有する誘電体についての研究が活発に行なわれている。高集積度のDRAMの場合、キャパシタの面積の縮小が要であるため、BST(barium strontium titanate)、PZT(lead zirconium titanate)及びPLZT(lead lanthanum zirconate titanate)のような高誘電率を有する五酸化タンタル及び窒化ケイ素に取り替える研究が活発に行なわれている。
【0004】
更に、最近、集積度を高めるために、DRAMの場合はトレンチタイプのキャパシタを使用しているが、システム集積回路には、DRAMに比較してキャパシタ面積や電圧において相対的に制約が小さいため、スタックタイプのキャパシタが使用されている。しかし、システム集積回路は、均一性や周波数依存性の面において、DRAMに比較して高品質であることが要求される。
【0005】
しかし、システム集積回路のようなデバイスにおいて安定したキャパシタ特性を確保するためには、誘電率が非常に大きい誘電体を使用するより、化学的な安定性を提供しつつ適当な誘電率を有する既存の酸化ケイ素または窒化ケイ素などを使用することが望ましい。すなわち、システム集積回路は、DRAMの場合のように大きく空間の制約を受けないため、キャパシタの面積又は各々の層間の距離を調節することにより、キャパシタンスを適切に確保することになる。
【0006】
図1は、従来のシステム集積回路におけるキャパシタの断面図を示す。
典型的なキャパシタにおいて、図1に示すように、MOSトランジスタ(図示せず)などを含む基板98の上に下部電極として使用されるアルミニウム層100とTiN層102を順次蒸着してパターニングし、IMD層104を露出された基板及びTiN層102の上に形成する。その後、ビアホール106、108を、それぞれ、形成し、このビアホール106、108を導電性物質、例えば、タングステンWで充填する。
【0007】
次に、下部金属層110、112、絶縁層114、上部金属層116を順次蒸着することにより、金属−絶縁体−金属スタック構造(MIN;metal−insulator−metal)を得る。下部金属層110、112は、それぞれ、厚さが約3,000〜10,000Aであるアルミニウムと厚さが約600AであるTiNからなり、スパッタリングにより形成される。また、TiN層102、112、116は、従来に知られているように、反射防止膜として働く。絶縁層114は、CVD法によって作られた窒化ケイ素からなり、この窒化ケイ素の厚さは、約300〜600Aである。TiNからなる上部金属層116の厚さは、約1,000Aである。
【0008】
その後、絶縁層114とTiN層116は、フォトリソグラフィ法によって定義してパターニングし、キャパシタの領域を形成する。次に、上記のような方法でアルミニウム層110及びTiN層112を定義してパターニングする。この後、平坦化されたIMD層118をこのように処理された構造の上に形成する。次に、ビアホール120、122を形成し、導電性物質、例えば、タングステンで充填した後、ビアホール120及び122の上部に第1金属ライン124−1及び第2金属ライン124−2を形成する。上述した従来のキャパシタには、いくつかの欠点がある。第1に、上記キャパシタは多少複雑な成膜工程及びパターニング工程を要するため、製作費用が増加する。すなわち、このような構造は、反射防止膜として働くTiN層112、Si3N4層114及びキャパシタの上部電極116の成膜を必要とする。
【0009】
その結果、キャパシタ領域や残りの領域に蒸着されたIMD層の厚さにおいて不均一性が大きく発生し、IMD層の平坦化やビア食刻工程に悪影響を及ぼす問題がある。更に、上述した従来のMIMキャパシタ構造では、2回の食刻段階、すなわち、層114、116のための食刻段階や層112のための他の食刻段階が必要となり、食刻残余物が集まる層112と層114との間に段差を発生して、漏洩電流を発生し、且つキャパシタの特性を悪化させる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、下部電極として働くアルミニウム層を窒化することにより提供されたキャパシタの誘電層を有する単純化されたキャパシタ及びその製造方法を提供することにある。
【0011】
本発明の他の目的は、半導体素子内のキャパシタ領域と残りの領域との間の高さの差を最小化することにより、IMD層の平坦化及びビア食刻を容易にするキャパシタ及びその製造方法を提供することにある。
【0012】
本発明の更に他の目的は、上記の構造の漏洩電流を低減するキャパシタ及びその製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一実施の形態は、半導体素子内のキャパシタを製造する方法であって、(a)基板の上部にキャパシタの一電極として供給されるアルミニウム層を蒸着する段階と、(b)キャパシタ誘電体として供給される窒化アルミニウム層を形成するために、前記アルミニウム層を窒素プラズマで処理する段階と、(c)前記窒化アルミニウム層をパターニングする段階と、(d)前記パターニングされた窒化アルミニウム層の上部に前記キャパシタの他の電極として供給されるTiN層を形成する段階と、(e)キャパシタを形成するために、前記アルミニウム層、前記窒化アルミニウム層及び前記TiN層をパターニングする段階とを含むことを特徴とする半導体素子内のキャパシタの製造方法を提供する。
【0014】
本発明の他の実施の形態は、半導体素子内に用いられるキャパシタであって、キャパシタの一電極として供給されるアルミニウム層と、前記アルミニウム層の上に形成された窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層の上に形成された前記キャパシタの他の電極として供給されるTiN層とを含み、前記窒化アルミニウム層内のアルミニウム成分は、前記アルミニウム層から生成されることを特徴とする半導体素子内に用いられるキャパシタを提供する。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態によるキャパシタ及びその製造方法を詳細に説明する。
【0016】
図2において、198は基板、200、210はアルミニウム層、214は窒化アルミニウム層、202、216は窒化チタニウム(TiN)層、206、208、220、222はビアホール、204、218はIMD層、224−1及び224−2は第1金属ライン及び第2金属ライン、213はアルミニウムからなる中間金属層をそれぞれ表す。
【0017】
まず、図3に示すように、MOSトランジスタ(図示せず)などを含む基板198の上にアルミニウム層200とTiN層202を連続的に、例えば、スパッタリングによって蒸着しパターニングする。次に、IMD層204を、パターニングされたアルミニウム層200、TiN層202及び基板198の露出された表面を覆うように形成した後、平坦化する。その後、IMD層204内に、TiN層202の部分が露出されるように、アホール206、208を形成した後、ビアホール206、208にタングステンのような導電性物質を充填し、プラグを形成する。次に、IMD層204及びビアホール206、208の上にキャパシタの下部電極として働くアルミニウム層210を、例えば、スパッタリングによって蒸着する。このとき、アルミニウム層210の厚さは、約3,000〜10,000Aである。
【0018】
次に、図4に示すように、プラズマを用いてアルミニウム層210を窒化することにより、キャパシタの誘電体として働く窒化アルミニウム層214を形成する。この窒化アルミニウム層214の厚さは、望ましくは、約50〜200Aである。このようなプラズマは、RFプラズマチャンバ(図示せず)内にN2/H2、N2又はNH3ガスを供給することにより発生する。プラズマへのRF電力の入力は、約200〜1,000Wに設定される。これは、それ以上の電力下ではアルミニウム層210のスパッタリングを行った結果を起こすからである。更に、プラズマのソースガスの流量は、望ましくは、1,000sccm以下であり、N2/H2ガスの比率は、約1.2〜10:1が望ましい。
【0019】
しかし、プラズマの代わりに、窒化アルミニウム層214を形成するために、N2雰囲気下でRTP(rapid thermal processing)法、炉アニール(furnace annealing)法またはスパッタリング法を用いることもできる。
【0020】
図5に示すように、窒化アルミニウム層214の上部にフォトレジスト膜215を形成し、フォトリソグラフィ法によってパターニングする。
【0021】
次に、パターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして利用し、湿式食刻またはプラズマ食刻のような乾式食刻を行なうことにより、キャパシタが形成される位置以外の領域に位置する窒化アルミニウム層214を除去する。その後、窒化アルミニウム層214の食刻マスクとして用いられたフォトレジスト膜215を除去することにより、図6に示すようなパターニングされた窒化アルミニウム層を得る。
【0022】
図4ないし図6による工程とは違って、フォトリソグラフィ法によってパターニングされたフォトレジスト膜をアルミニウム層210の上にまず形成し、キャパシタ形成領域の上に位置したアルミニウム層210のみが露出されるようにする。その後、窒素プラズマ処理を露出されたアルミニウム層210に行った後、フォトレジスト膜を除去することにより、図6に示すようなキャパシタ領域のみにパターニングされた窒化アルミニウム層を形成することができる。
【0023】
その後、図7に示すように、キャパシタ形成領域では上部電極及び反射防止膜として働き、キャパシタ以外の領域では反射防止膜として働く窒化チタニウム膜216を露出されたアルミニウム層210と窒化アルミニウム層214の上に蒸着する。上記のTiN層216は、PVD(physical vapor deposition)法、例えば、スパッタリングを用いて形成され、キャパシタ領域とそれ以外の領域で発生する段差を減らし、その厚さは約600〜1,000Aである。
【0024】
その後、図8に示すように、アルミニウム層210、窒化アルミニウム層214及びTiN層216は、IMD層104の下にフォトリソグラフィ法によって定義してパターニングし、キャパシタ形成領域と中間金属層213を分離させる。この工程において、キャパシタ上部電極として働くTiN層216、キャパシタ誘電層として働く窒化アルミニウム層214及びキャパシタ下部電極として働くアルミニウム層210が一回の食刻工程で処理され、図1に示す従来のキャパシタ構造に対比してキャパシタ誘電層と電極層との間の段差部が生じない。
【0025】
再び図2に戻って、IMD層218をキャパシタ形成領域と残りの領域を覆うように形成して平坦化する。次に、ビアホール220、222を、TiN層216の上部が露出されるようにIMD層218内に形成し、タングステンのような導電性物質で充填することにより、上部層と下部層との間の相互接続のためのプラグを形成する。
【0026】
最後に、前記ビアホール220、222の上部にアルミニウムからなる第1金属ライン224−1及び第2金属ライン224−2を形成することにより、キャパシタ構造を完成する。第1金属ライン224−1は、順にビアホール222、TiN層216、中間金属層213、ビアホール208、TiN層202及びビアホール206を介してキャパシタ下部電極210に電気的に接続される間、第2金属ライン224−2は、ビアホール220を介してキャパシタ上部電極216に電気的に接続される。
【0027】
上記において、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。
【0028】
【発明の効果】
本発明によるキャパシタの製造方法によれば、図1に示す従来の下部TiN層を除去し、且つ窒素プラズマによってキャパシタの下部電極として働くアルミニウム層を窒化してキャパシタ誘電層を形成する簡単な工程によりキャパシタを製作することができ、窒化アルミニウムは、従来の窒化ケイ素より誘電率が大きいため、薄い厚さでも絶縁体として働くことができる。よって、本発明において、キャパシタ領域と残りの領域との間の段差を減らすことができるため、IMD層の形成を容易にし、ビア食刻の困難を防止することができる。
【0029】
更に、本発明によるMIMキャパシタは段差部を形成しないため、キャパシタを食刻した後に発生する残余物を減らし、漏洩電流を遮断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の半導体素子内のキャパシタを示す断面図である。
【図2】本発明による半導体素子内のキャパシタを示す断面図である。
【図3】本発明の実施の形態によるキャパシタの製造における一工程を示す断面図である。
【図4】本発明の実施の形態によるキャパシタの製造における、図3に示す工程に続く工程を示す断面図である。
【図5】本発明の実施の形態によるキャパシタの製造における、図4に示す工程に続く工程を示す断面図である。
【図6】本発明の実施の形態によるキャパシタの製造における、図5に示す工程に続く工程を示す断面図である。
【図7】本発明の実施の形態によるキャパシタの製造における、図6に示す工程に続く工程を示す断面図である。
【図8】本発明の実施の形態によるキャパシタの製造における、図7に示す工程に続く工程を示す断面図である。
【符号の説明】
198 基板、 200,210 アルミニウム層、 202,216 TiN層、 206,208,220,222 ビアホール、 204,218 IMD層、 214 窒化アルミニウム層、 224−1 第1金属ライン、 224−2 第2金属ライン、 213 中間金属層、 215 フォトレジスト膜。
Claims (9)
- 半導体素子内のキャパシタを製造する方法であって、(a)基板の上部にキャパシタの一電極として供給されるアルミニウム層を蒸着する段階と、
(b)キャパシタ誘電体として供給される窒化アルミニウム層を形成するために、前記アルミニウム層を窒素プラズマで処理する段階と、
(c)前記窒化アルミニウム層をパターニングする段階と、
(d)前記パターニングされた窒化アルミニウム層の上部に前記キャパシタの他の電極として供給されるTiN層を形成する段階と、
(e)キャパシタを形成するために、前記アルミニウム層、前記窒化アルミニウム層及び前記TiN層をパターニングする段階とを含むことを特徴とする半導体素子内のキャパシタの製造方法。 - 前記アルミニウム層の厚さは、約3,000〜10,000Aであることを特徴とする請求項1に記載のキャパシタの製造方法。
- 前記窒化アルミニウム層の厚さは、約50〜200Aであることを特徴とする請求項1に記載のキャパシタの製造方法。
- 前記TiN層の厚さは、約600〜1,000Aであることを特徴とする請求項1に記載のキャパシタの製造方法。
- 前記(b)及び(c)の段階は、窒素プラズマで前記アルミニウム層のキャパシタ領域のみを処理することにより一度に行われることを特徴とする請求項1に記載のキャパシタ製造方法。
- 前記キャパシタの前記アルミニウム層/窒化アルミニウム層/TiN層の構造の断面には段差部がないことを特徴とする請求項1にキャパシタの製造方法。
- 半導体素子内に用いられるキャパシタであって、
キャパシタの一電極として供給されるアルミニウム層と、
前記アルミニウム層の上に形成された窒化アルミニウム層と、
前記窒化アルミニウム層の上に形成された前記キャパシタの他の電極として供給されるTiN層とを含み、
前記窒化アルミニウム層内のアルミニウム成分は、前記アルミニウム層から生成されることを特徴とする半導体素子内に用いられるキャパシタ。 - 前記キャパシタの一電極として供給される前記アルミニウム層と、
前記アルミニウム層の上に形成された前記窒化アルミニウム層と、
前記窒化アルミニウム層の上に形成された前記キャパシタの他の電極として供給される前記TiN層とを含み、
前記窒化アルミニウム層内のアルミニウム成分は、前記アルミニウム層から生成されることを特徴とする請求項1の方法で製造されたキャパシタ。 - (a)基板の上部にキャパシタの一電極として供給されるアルミニウム層を蒸着する段階と、
(b)キャパシタ誘電体として供給される窒化アルミニウム層を形成するために、前記アルミニウム層を窒素プラズマで処理する段階と、
(c)前記窒化アルミニウム層をパターニングする段階と、
(d)前記パターニングされた窒化アルミニウム層の上部に前記キャパシタの他の電極として供給される前記TiN層を形成する段階と、
(e)キャパシタを形成するために、前記アルミニウム層、前記窒化アルミニウム層及び前記TiN層をパターニングする段階とを含む請求項7のキャパシタを製造する方法。
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