JP2004214617A - 金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 薄膜のリフティング現象及び銅の酸化現象を效果的に防止することができる銅で構成された下部電極を具備するＭＩＭキャパシターの製造方法を提供する。
【解決手段】 基板上に銅からなる金属配線を形成した後、金属配線上に誘電膜を形成する。前記誘電膜上に上部電極膜を形成し、上部電極膜を食刻して上部電極を形成した後、前記上部電極を形成する間に発生する金属性ハードポリマーを酸素ガス及びフッ化炭素系ガスを含む混合ガスを使用して除去する。ＭＩＭキャパシターを構成する各薄膜の特性を考慮して酸素及びフッ化炭素系ガスを含む混合ガスで最適の温度範囲で上部電極を形成する間に発生された金属性ハードポリマーを除去してＭＩＭキャパシターを構成する薄膜のリフティング現象を防止し、ＭＩＭキャパシター製造工程の収率を向上させることができる。また、混合ガス内のフッ化炭素系ガスの組成を適切に調節して誘電膜の損傷を防止し、下部電極の酸化を遮断してＭＩＭキャパシターが均一なキャパシタンスを有するようになる。
【選択図】 図９
【解決手段】 基板上に銅からなる金属配線を形成した後、金属配線上に誘電膜を形成する。前記誘電膜上に上部電極膜を形成し、上部電極膜を食刻して上部電極を形成した後、前記上部電極を形成する間に発生する金属性ハードポリマーを酸素ガス及びフッ化炭素系ガスを含む混合ガスを使用して除去する。ＭＩＭキャパシターを構成する各薄膜の特性を考慮して酸素及びフッ化炭素系ガスを含む混合ガスで最適の温度範囲で上部電極を形成する間に発生された金属性ハードポリマーを除去してＭＩＭキャパシターを構成する薄膜のリフティング現象を防止し、ＭＩＭキャパシター製造工程の収率を向上させることができる。また、混合ガス内のフッ化炭素系ガスの組成を適切に調節して誘電膜の損傷を防止し、下部電極の酸化を遮断してＭＩＭキャパシターが均一なキャパシタンスを有するようになる。
【選択図】 図９
Description
本発明は金属−絶縁体−金属（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ；ＭＩＭ）キャパシターの製造方法に関するものであり、より詳細には薄膜のリフティング（ｌｉｆｔｉｎｇ）現象及び銅の酸化現象を効果的に防止することができる銅からなった下部電極を有する金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシターの製造方法に関する。
現在、半導体素子を利用した電気・電子装置、特に、コンピューターを利用して処理する作業の場合には仕事の量と複雑性が早い速度で増加しているのでより早い処理速度及びより大きいメモリー容量を有するコンピューターに対する需要が急速に増加している。このような社会的需要によってより高集積化されたマイクロチップ（ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ）の開発が持続的に要求されている。
一般的にＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）チップのメモリー能力は経験則であるモリス（Ｍｏｏｒｅｓｓ）の法則によって表現される。モリス（Ｍｏｏｒｅｓ）の法則はメモリーチップの一般的な傾向を示したものとして、ＲＡＭチップのメモリー容量が３年ごとに４倍位ずつ増加するということがその内容である。約４倍位のメモリー容量の増加は新しい世代のチップが出現する度に素子のサイズの減少と同時にシリコンチップの長さの増加によって行われる。シリコンチップ内に集約される素子の大きさが小さくなるにつれて連結ライン（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｌｉｎｅ）の相対的な距離も減少するようになる。
しかし、連結ラインの間の距離が減少しながらラインがお互いに影響を及ぼし始め、連結ラインの間の距離が所定の値以下になると半導体素子全体の信号の引き延ばしを引き起こす。半導体チップの信号処理速度を向上させるための方法としては配線で使用される金属の比抵抗を減少させることが要求される。
最近まで、半導体素子の連結ラインの材料として約２．６６μΩｃｍ位の比抵抗を有するアルミニウム（ＡＩ）またはアルミニウム合金を使用した。しかし、１９９８年ＩＢＭで約１．６５μΩｃｍ位の、アルミニウムに比べてずっと低い比抵抗を有する銅（Ｃｕ）を利用して金属配線を形成する方法を開示した以降は銅を使用して素子の金属配線及び金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシターのような半導体素子を製造する方法について多くの研究が行われている。
上述したように銅を使用して半導体素子を形成する方法は、下記の特許文献１及び特許文献２、特許文献３などに開示されている。
一方、下記の特許文献４には銅で構成された金属膜上に絶縁膜を形成した後、非酸化性ガスを利用してフォトレジストにパターニングする間に発生するフォトレジストの表面硬化層を除去する方法が開示されており、下記の特許文献５には銅からなる薄膜上にチタン（Ｔｉ）、チタン化合物、タンタル（Ｔａ）化合物、タングステン（Ｗ）化合物、アルミニウム合金などで構成された保護膜を形成した後、塩素（Ｃ１２）のようなハロゲン系ガスを使用して銅薄膜を食刻する間に発生する銅ハロゲン系化合物を除去する方法が提示されている。
図１ないし図３は銅からなる下部電極を有する従来の金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシターの製造工程を示す断面図である。
図１を参照すると、まず、シリコンウェーハなどで構成された半導体基板（１０）上に酸化物からなった層間絶縁膜（１５）を積層した後、層間絶縁膜（１５）をパターニングして層間絶縁膜（１５）に所定の大きさを有するトレンチ（ｔｒｅｎｃｈ）またはグルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）を形成する。
引き続いて、銅ダマシン（Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）工程によって前記トレンチまたはグルーブにスパッタリング、電気メッキまたは化学気相蒸着（ＣＶＤ）方法を通じて導電性金属として銅（Ｃｕ）を蒸着した後、化学機械的研磨（ＣＭＰ）方法を利用して蒸着された銅膜を研磨して層間絶縁膜（１５）に金属配線（２０）を形成する。
続いて、銅からなる金属配線（２０）が形成された層間絶縁膜（１５）上に誘電膜（２５）を形成した後、誘電膜（２５）の上部にタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、チタン（Ｔｉ）または窒化チタン（ＴｉＮ）などの金属または金属窒化物を使用して上部電極膜（３０）を形成する。
図２を参照すると、ＭＩＭキャパシターを製造するために、上部電極膜（３０）上にフォトレジスト（ｐｈｏｔｏ ｒｅｓｉｓｔ）層を積層した後、積層されたフォトレジスト層をパターニングしてＭＩＭキャパシターの上部電極を形成するためのフォトレジストパターン（３５）を形成する。
図３を参照すると、前記フォトレジストパターン（３５）をマスク（ｍａｓｋ）で利用して上部電極膜（３０）を食刻して誘電膜（２５）上に上部電極（４０）を形成する。引き続いて、アッシング（ａｓｈｉｎｇ）及び洗浄工程を通じてフォトレジストパターン（３５）を除去すると、半導体基板（１０）上に銅で構成された下部電極を具備するＭＩＭキャパシター（５０）が完成される。
しかし、上述した従来のＭＩＭキャパシターの製造工程において、約１０００Å以下の薄い厚さを有する上部電極膜のような金属薄膜を食刻する場合に発生する酸化タンタル（ＴａＯｘ）、窒化タンタル（ＴａＮｘ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、窒化チタン（ＴｉＮｘ）、炭化窒素（ＣＮｘ）などのような金属酸化物または金属窒化物を含む金属性ハードポリマー（ｈａｒｄ ｐｏｌｙｍｅｒ）はアッシング工程や湿式洗浄（ｗｅｔ ｃｌｅａｎｉｎｇ）工程を通じては除去しにくいという問題点がある。
以上のようなことを、図面を参照してより詳細に説明する。
図４及び図５は図１乃至図３に図示された従来の銅を下部電極にするＭＩＭキャパシターの製造工程の問題点を示す断面図である。
図２及び図４を参照すると、フォトレジストパターン（３５）を食刻マスクとして使用して上部電極膜（３０）を食刻する間に、上部電極膜（３０）を構成するタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、チタン（Ｔｉ）または窒化チタン（ＴｉＮ）などの金属や金属窒化物が塩素（Ｃ１２）、窒素（Ｎ２）または塩化ホウ素（ＢＣ１３）などの食刻ガスと反応及び結合してフォトレジストパターン（３５）の側面に酸化タンタル（ＴａＯｘ）、窒化タンタル（ＴａＮｘ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、窒化チタン（ＴｉＮｘ）または炭化窒素（ＣＮｘ）などのような金属酸化物または金属窒化物を含む金属性ハードポリマー（５５）が付着されるようになる。
このような金属性ハードポリマー（４０）はアッシングや湿式洗浄工程で除去することが非常に難しいのでフォトレジストパターン（３５）をとり除いた後にも相変らずＭＩＭキャパシター（５０）の上部電極（４０）上に残留し、金属性ハードポリマー（４０）が残留する状態で後続工程を行う場合には上部に形成される金属配線とＭＩＭキャパシター（５０）が部分的に連結されてＭＩＭキャパシター（５０）の電気的短絡（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｈｏｒｔ）を誘発する可能性が高くなる。
図５に図示したように、前記金属性ハードポリマー（５５）は酸素（Ｏ２）及び四フッ化炭素（ＣＦ４）を使用する約２５０℃以上の高温アッシング工程を通じては除去が可能であるが、このような高温アッシング工程は下部電極を構成する物質である銅と誘電膜を構成する窒化シリコン（ＳｉＮ）などのようなＭＩＭキャパシター（５０）を構成する薄膜との熱的特性の変化を引き起こして上部電極（４０）を含む薄膜のリフティング（ｌｉｆｔｉｎｇ）現象を起こすという問題点がある。
また、銅及びその他の金属薄膜が酸化される可能性が非常に高くなるのでＭＩＭキャパシター（５０）が均一なキャパシタンス（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）値を保持しにくくなるだけではなく、ＭＩＭキャパシター（５０）のキャパシタンス値自体も基準に及ばなくなって全体的にＭＩＭキャパシター（５０）製造工程の不良を誘発するという問題点がある。このような問題点は、ＭＩＭキャパシター（５０）を構成するそれぞれの薄膜が有している固有の熱膨張係数（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を含む温度の特性が異なるという特徴と、約１０００Å以下の厚さを有する下部電極、誘電膜及び上部電極などのような薄膜が積層されて成り立つＭＩＭキャパシター（５０）の構造的特性とが関連して引き起こされる。
米国特許第５、９３５、７６２号明細書
大韓民国公開特許２００１−１１０９１９号公報
大韓民国公開特許２００２−５５８８７号公報
特開２０００−３５２８２７号公報
特開２０００−８２６９５号公報
従って、本発明の一目的はキャパシターの製造過程で発生する金属性ハードポリマーを効果的にとり除いて銅で構成された下部電極の酸化及び薄膜のリフティング現象を防止することができる金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシターの製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的はデュアルダマシン（Ｄｕａｌ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）工程を適用してＭＩＭキャパシターを製造する工程において、適切な温度範囲及び食刻ガス組成を通じて金属性ハードポリマーを効率的に除去することができる金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシターの製造方法を提供することにある。
上述した本発明の一目的を達成するための発明によると、基板上に銅からなる金属配線を形成する段階と、前記金属配線上に誘電膜を形成する段階と、前記誘電膜上に上部電極膜を形成する段階と、前記上部電極膜を食刻して上部電極を形成する段階と、前記上部電極を形成する間に発生する金属性ハードポリマーを除去する段階と、を含む金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法が提供される。この場合、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは白金からなる上部電極膜を塩素、窒素及び塩化ホウ素を含むガスで食刻して上部電極を形成する間に発生する酸化タンタル、窒化タンタル、酸化チタン、窒化チタンまたは窒化炭素を含む金属性ハードポリマーは酸素ガス及びＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６またはＣ５Ｆ８などのフッ化炭素系ガスを含む混合ガスの中にフッ化炭素系ガスの流量を約２％以下に調節した後、このような混合ガスで約１５０〜２５０℃位の温度で約２０〜４０秒間食刻して完全に除去する。
また、上述した本発明の他の目的を達成するための他の発明によると、デュアルダマシン工程を適用して金属−絶縁体−金属キャパシターを製造する工程において、半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜にバイアホール及びグルーブを形成する段階と、前記バイアホール及びグルーブに銅からなったコンタクト及び金属配線を形成する段階と、前記金属配線が形成された絶縁膜上に誘電膜を形成する段階と、前記誘電膜上に上部電極膜を形成する段階と、前記上部電極膜を食刻して上部電極を形成する段階と、前記上部電極を形成する間に発生する金属性ハードポリマーを除去する段階と、を含むデュアルダマシン工程を適用した金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法が提供される。
本発明によると、銅からなる下部電極を有するＭＩＭキャパシターの製造工程において、下部電極、誘電膜及び上部電極などのＭＩＭキャパシターを構成する各薄膜の特性を考慮して酸素及びフッ化炭素系ガスを含む混合ガスを使用して最適の温度範囲で上部電極を形成する間に発生する金属性ハードポリマーを除去する工程を実施する。従って、ＭＩＭキャパシターを構成する薄膜のリフティング現象を防止してＭＩＭキャパシター製造工程の収率を向上させることができる。また、酸素及びフッ化炭素系ガスを含む混合ガスの組成を適切に調節して使用することで、ＭＩＭキャパシターの誘電膜の損傷を防止し、これによって銅からなる下部電極の酸化を遮断してＭＩＭキャパシターが均一なキャパシタンスを有するようにできる。
本発明によれば、キャパシターの製造過程で発生する金属性ハードポリマーを効果的にとり除き、銅で構成された下部電極の酸化及び薄膜のリフティング現象を防止することができる。また、ＭＩＭキャパシター製造工程の収率を大きく向上させることができる。
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態による金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシターの製造方法に関して詳細に説明するが、本発明が下記の実施形態によって制限されるか限定されることはない。
図６ないし図１０は本発明の一実施形態によるＭＩＭキャパシターの製造工程を示す断面図である。
図６を参照すると、まず、半導体基板（１００）上にＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＬＴ−ＴＥＯＳ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＰＥ−ＴＥＯＳ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、またはＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）を使用して絶縁膜（１０５）を形成した後、絶縁膜（１０５）をパターニングして絶縁膜（１０５）に所定の寸法と形状を有するトレンチ（ｔｒｅｎｃｈ）またはグルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）を形成する。
続いて、ダマシン工程によって絶縁膜（１０５）上に前記トレンチあるいはグルーブを満たすようにスパッタリング方法、化学気相蒸着方法または電気メッキ方法などを利用して銅（Ｃｕ）層を形成した後、化学機械的研磨（ＣＭＰ）方法で形成された銅層を研磨して絶縁膜（１０５）のトレンチまたはグルーブに埋め立てられ、銅からなってその上部に形成されるＭＩＭキャパシターの下部電極として機能する金属配線（１１０）を形成する。
図７に示すように、金属配線（１１０）が形成された絶縁膜（１０５）の上部に窒化珪素（ＳｉｘＮｙ）または窒化ホウ素（ＢＮ）などの窒化物や炭化珪素（ＳｉＣ）のような炭化物を含む非酸化物からなる誘電膜（１１５）を形成する。このとき、誘電膜（１１５）は窒化物または炭化物からなる断層構造を有することもできるが、上述した窒化物または炭化物上に酸化珪素（ＳｉＯ２）のような酸化物が積層されて窒化膜と酸化膜または炭化膜と酸化膜などのような多層構造を有することもできる。
引き続いて、誘電膜（１１５）上に窒化タンタル（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、ルテニウム（Ｒｕ）または白金（Ｐｔ）などのような金属ないし金属化合物を蒸着して上部電極膜（１２０）を形成する。この場合、窒化珪素からなる誘電膜（１１５）は後続工程の間に下部電極を構成する銅が拡散されることを防止する障壁層の役目も共に遂行するようになる。
図８を参照すると、上部電極膜（１２０）上にスピンコーティングなどの方法でフォトレジスト膜（図示せず）を塗布した後、写真食刻工程を通じてフォトレジスト膜をパターニングして、ＭＩＭキャパシターの上部電極を形成するためのフォトレジストパターン（１２５）を形成する。
図１１は本発明の一実施形態によってＭＩＭキャパシターを製造するために上部電極膜を食刻する間に発生される金属性ハードポリマーの電子顕微鏡写真を図示したものである。
図９及び図１１を参照すると、前記フォトレジストパターン（１２５）を食刻マスクで利用し、塩素（Ｃｌ２）、窒素（Ｎ２）及び塩化ホウ素（ＢＣｌ３）を食刻ガスとして使用する乾式食刻（ｄｒｙ ｅｔｃｈｉｎｇ）工程を行って上部電極膜（１２０）を食刻することで、誘電膜（１１５）上にＭＩＭキャパシターごとに分離された上部電極（１３０）を形成する。
このとき、窒化タンタル、タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは白金などの金属や金属化合物で構成された上部電極膜（１２０）と食刻ガスとが反応を起こしながらフォトレジストパターン（１２５）の側面に酸化タンタル（ＴａＯｘ）、窒化タンタル（ＴａＮｘ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、窒化チタン（ＴｉＮｘ）または炭化窒素（ＣＮｘ）などのような金属酸化物や金属窒化物などで構成される金属性ハードポリマー（１３５）が付着するようになる。
引き続いて、酸素（Ｏ２）ガスをベースにしたアッシング（ａｓｈｉｎｇ）及び洗浄工程を行ってフォトレジストパターン（１２５）を除去する間に、酸素を用いるアッシング及び湿式洗浄工程ではフォトレジストパターン（１２５）の側面に付着している金属性ハードポリマー（１３５）は除去されないので、フォトレジストパターン（１２５）をとり除いた後にも上部電極（１３０）上に相変らず金属性ハードポリマー（１３５）が残留するようになる。
図１０を参照すると、上部電極（１３５）上に残留する金属性ハードポリマー（１３５）を除去して銅を下部電極の構成物質にするＭＩＭキャパシター（１４０）を完成する。本実施形態では、ＣＦ４、Ｃ３Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６またはＣ５Ｆ８などを含むフッ化炭素（ＣｘＦｙ）系ガス及び酸素（Ｏ２）ガスで構成される混合ガスを使用して前記金属性ハードポリマー（１３５）を適切な温度範囲で完全に除去するようになる。
より具体的には、酸素（Ｏ２）及び四フッ化炭素（ＣＦ４）を含む混合ガスを使用して約１５０〜２５０℃位の温度で約２０〜４０秒間金属性ハードポリマー（１３５）を除去する工程を実施することで、ＭＩＭキャパシター（１４０）を構成する上部電極（１３０）及び誘電膜（１１５）などのような薄膜のリフティング現象なしに金属性ハードポリマー（１３５）を完全に除去することができる。
このとき、約１５０℃以下の温度で金属性ハードポリマー（１３５）を除去する工程を実施する場合には金属性ハードポリマー（１３５）が完全に除去されなく、一方金属性ハードポリマー（１３５）除去工程を約２５０℃以上の温度で遂行する場合にはＭＩＭキャパシター（１４０）を構成する下部電極、誘電膜及び上部電極などの薄膜の特性差によって薄膜のリフティング現象が起きるようになる。
また、前記酸素及びフッ化炭素（ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ）系混合ガスを使用して約２０秒位の短い時間の間に金属性ハードポリマー（１３５）を除去する工程を実施する場合にも上部電極（１３０）から大部分の金属性ハードポリマー（１３５）が除去されることを確認することができる。
次の表は本発明の望ましい一実施形態に従って銅（Ｃｕ）からなる下部電極、窒化タンタル（ＴａＮ）で構成された上部電極及び窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる誘電膜を備えるＭＩＭキャパシターの各薄膜の特性を測定した結果を示したものである。
従来のＭＩＭキャパシターを製造する方法において、約２５０℃以上の高温で金属性ハードポリマー除去工程を遂行する場合には、前記表１に示したように下部電極、誘電膜及び上部電極などの各薄膜の温度特性差によってＭＩＭキャパシターを構成する各薄膜の間にリフティング現象が誘発される。
図１２及び図１３はそれぞれ従来のＭＩＭキャパシターの製造工程に従ってＭＩＭキャパシターを製造する間に各薄膜の温度特性差によって薄膜のリフティング現象が発生した状態を示す平面及び断面電子顕微鏡写真を図示したものであり、図１４及び図１５はそれぞれ本発明によって調節された組成を有する酸素及びフッカ炭素系混合ガスを使用して約１５０〜２５０℃の温度範囲で約２０〜４０秒間金属性ハードポリマーを除去する工程を実施してＭＩＭキャパシターを形成した平面及び断面電子顕微鏡写真を図示したものである。
図１２及び図１３を参照すると、約２５０℃以上の高温で金属性ハードポリマーを除去する工程を実施してＭＩＭキャパシターを形成する場合には半導体基板上に形成される多数のＭＩＭキャパシターで上部電極及び誘電膜がリフティングになる現象がひどく現われる。
図１２において、周辺部が太い線で示されたＭＩＭキャパシターは上部電極または誘電膜がリフトされた状態を意味し、ＭＩＭキャパシターの上部電極やその下部の誘電膜がリフトされた状態は図１３を通じてより確実に確認することができる。このような薄膜のリフティング現象は特にＭＩＭキャパシターの上部電極と誘電膜の界面でひどく発生する。
上述したように、このような点はＭＩＭキャパシターを構成する下部電極、誘電膜、上部電極などそれぞれの薄膜が有する固有の熱膨脹係数を含む温度の特性が異なるという特徴と、約１０００Å以下の厚さを有する薄膜で構成されるＭＩＭキャパシターの構造的特徴とが連関している。
しかし、本発明による金属性ハードポリマー製造工程を実施する場合には図１４及び図１５に図示したようにＭＩＭキャパシターを構成する下部電極、誘電膜及び上部電極などのような薄膜のリフティング現象が全然発生しないことが分かる。
本発明の実施形態において、前記混合ガス全体の流量のうちフッ化炭素系ガスの占める流量は約２％以下になるように調節され、これによって混合ガスの中で酸素の占める流量は約９８％以上になる。
また、前記半導体基板（１００）は食刻またはアッシング装置のプレート上に載置されて約１５０〜２５０℃位の温度に加熱される。一方、半導体基板（１００）は食刻またはアッシング装置のプレートを利用して加熱する場合以外にもランプを使用して半導体基板（１００）を約１５０〜２５０℃の温度で加熱するかその他の半導体基板（１００）の温度を調節する装置を通じて金属性ハードポリマー（１３５）の除去のために約１５０〜２５０℃位の適切な温度範囲で加熱することができる。
前記金属性ハードポリマー（１３５）を除去するために用いられる酸素ガス及びフッ化炭素系ガスで構成される混合ガスにおいて、フッ化炭素なのガスの流量が増加するほど金属性ハードポリマー（１３５）の除去効率は高くなる。
これに反して、混合ガス中のフッ化炭素系ガスの割合の増加はＭＩＭキャパシター（１４０）の誘電膜（１１５）の損傷を引き起こすようになる。従って、混合ガスに含まれるフッ化炭素系ガスの流量が約２％を超過する場合には誘電膜（１１５）が損傷されてその下部の銅からなる下部電極である金属配線（１１０）が露出される結果を生じる。
しかし、本発明の実施形態のように混合ガス中のフッ化炭素系ガスの占める流量が全体流量の約２％以下位になるように調節すると誘電膜（１１５）の損傷を引き起こさないで金属性ハードポリマー（１３５）を効果的に除去することができる。
図１６ないし図２０は本発明の他の実施形態によるＭＩＭキャパシターの製造工程を示す断面図である。
図１６を参照すると、半導体基板（２００）上にＴＥＯＳ、ＬＰＴＥＯＳ、ＰＥＴＥＯＳまたはＢＰＳＧを使用して絶縁膜（２０５）を形成した後、絶縁膜（２０５）をパターニングして絶縁膜（２０５）に所定の寸法を有するトレンチまたはグルーブ（２１０）とバイアホール（２１５）を形成する。
図１７を参照すると、デュアルダマシン（ｄｕａｌ ｄａｍａｓｃｅｎｅ）工程によって絶縁膜（２０５）に形成されたグルーブ（２１０）及びバイアホール（２１５）を満たしながら絶縁膜（２０５）上に銅をスパッタリング方法、電気メッキ方法または化学気相蒸着方法で蒸着して銅層を形成した後、化学機械的研磨方法で銅層を研磨して絶縁膜（２０５）に埋め立てられるバイアコンタクト（２２５）を形成すると同時にＭＩＭキャパシターの下部電極として機能する金属配線（２２０）を形成する。
図１８を参照すると、バイアコンタクト（２２５）及び金属配線（２２０）が形成された絶縁膜（２０５）上に窒化珪素または窒化ホウ素などの窒化物または炭化珪素のような炭化物からなる誘電膜（２３０）を形成する。この場合、誘電膜（２３０）は窒化物や炭化物で構成された断層構造だけではなく窒化物または炭化物上に酸化珪素のような酸化物が積層された多層構造を有することもできる。
引き続いて、前記誘電膜（２３０）上に窒化タンタル、タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは白金などの金属や金属化合物を蒸着して上部電極膜（２３５）を形成する。
図１９を参照すると、上部電極膜（２３５）上にフォトレジスト膜（図示せず）をスピンコーティング方法で塗布し、塗布されたフォトレジスト膜をパターニングしてＭＩＭキャパシターの上部電極を形成する間にマスクで使用されるフォトレジストパターン（２４０）を形成する。
図２０に示すように、前記フォトレジストパターン（２４０）を食刻マスクで利用して上部電極膜（２３５）を食刻することで、誘電膜（２３０）上に上部電極（２４５）を形成した後、フォトレジストパターン（２４０）をアッシング及び洗浄工程を通じて除去する。
図示していないが上述したように、上部電極（２４５）を形成する間に上部電極（２４５）上に窒化タンタル、タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは白金のような金属や金属化合物で構成された上部電極膜（２３５）及び塩素、窒素及び塩化ホウ素などの食刻ガスが反応をしながらフォトレジストパターン（２４０）の側面に酸化タンタル、窒化タンタル、酸化チタン、窒化チタンまたは炭化窒素などのような金属酸化物や金属窒化物で構成される金属性ハードポリマーが付着するようになる。
このような金属性ハードポリマーをＣＦ４、Ｃ３Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６またはＣ５Ｆ８などを含むフッ化炭素系ガス及び酸素ガスで構成される混合ガス内のフッ化炭素系ガスの流量が約２％以下になるように調節し、このような混合ガスを使用して約１５０〜２５０℃位の温度で約２０〜４０秒間完全に除去する工程及びこれによる金属性ポリマーの除去効果は上述したのと同様であるためこれに対する説明は省略する。
本発明によると、銅を下部電極の構成物質にするＭＩＭキャパシターの製造工程において、下部電極、誘電膜及び上部電極などのＭＩＭキャパシターを構成する各薄膜の特性を考慮して酸素及びフッ化炭素系ガスを含む混合ガスを使用して最適の温度範囲で上部電極を形成する間に発生する金属性ハードポリマーを除去する工程を実施する。
従って、ＭＩＭキャパシターを構成する薄膜のリフティング現象を防止し、ＭＩＭキャパシター製造工程の収率を大きく向上させることができる。
また、酸素及びフッ化炭素系ガスを含む混合ガスの組成を適切に調整して使用することで、ＭＩＭキャパシターの誘電膜の損傷を防止し、これによって銅で構成された下部電極の酸化を遮断してＭＩＭキャパシターが均一なキャパシタンスを有するようにできる。
上述したように、本発明の望ましい実施形態を参照して説明したが該当の技術分野の熟練された当業者ならば下記の特許請求範囲に記載した本発明の思想及び領域から抜け出さない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができることを理解することができる。
本発明は、薄膜のリフティング現象及び銅の酸化現象を效果的に防止するための、銅で構成された下部電極を具備するＭＩＭキャパシターの製造分野で利用可能である。
１００、２００ 半導体基板、
１０５、２０５ 絶縁膜、
１１０、２２０ 金属配線、
１１５、２３０ 誘電膜、
１２０、２３５ 上部電極膜、
１２５、２４０ フォトレジストパターン、
１３０、２４５ 上部電極、
１３５ 金属性ハードポリマー、
１４０、２５０ ＭＩＭキャパシター、
２２５ コンタクト。
１０５、２０５ 絶縁膜、
１１０、２２０ 金属配線、
１１５、２３０ 誘電膜、
１２０、２３５ 上部電極膜、
１２５、２４０ フォトレジストパターン、
１３０、２４５ 上部電極、
１３５ 金属性ハードポリマー、
１４０、２５０ ＭＩＭキャパシター、
２２５ コンタクト。
Claims (20)
- 基板上に銅からなる金属配線を形成する段階と、
前記金属配線上に誘電膜を形成する段階と、
前記誘電膜上に上部電極膜を形成する段階と、
前記上部電極膜を食刻して上部電極を形成する段階と、
前記上部電極を形成する間に発生する金属性ハードポリマーを除去する段階と、を含む金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。 - 前記誘電膜は窒化珪素または窒化ホウ素を含む窒化物または炭化珪素を含む炭化物からなることを特徴とする請求項１記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記誘電膜は窒化珪素または窒化ホウ素を含む窒化物からなる窒化膜または炭化珪素を含む炭化物からなる炭化膜上に酸化膜が積層された多層構造を有することを特徴とする請求項１記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記上部電極膜はタンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム及び白金で構成されたグループのうち選択されたいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記上部電極膜は塩素、窒素及び塩化ホウ素を含む食刻ガスを使用して食刻されることを特徴とする請求項４記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記金属性ハードポリマーは酸化タンタル、窒化タンタル、酸化チタンまたは窒化チタンを含むことを特徴とする請求項５記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記金属性ハードポリマーは酸素ガス及びフッ化炭素系ガスを含む混合ガスを使用して除去されることを特徴とする請求項６記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記混合ガス中のフッ化炭素系ガスの流量は２％以下であることを特徴とする請求項７記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記フッ化炭素系ガスはＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６及びＣ５Ｆ８からなるグループの中で選択されたいずれかひとつ以上を含むことを特徴とする請求項７記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記金属性ハードポリマーを除去する段階は前記半導体基板を１５０〜２５０℃の温度で２０〜４０秒間加熱を実施することを特徴とする請求項１記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記半導体基板は食刻装置の加熱プレートまたはアッシング装置の加熱プレートを使用して加熱されることを特徴とする請求項１０記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記半導体基板はランプを使用して加熱することを特徴とする請求項１０記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- デュアルダマシン工程を適用して金属−絶縁体−金属キャパシターを製造する工程において、半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、
前記絶縁膜にバイアホール及びトレンチを形成する段階と、
前記バイアホール及びトレンチにそれぞれ銅からなるコンタクト及び金属配線を形成する段階と、
前記金属配線が形成された絶縁膜上に誘電膜を形成する段階と、
前記誘電膜上に上部電極膜を形成する段階と、
前記上部電極膜を食刻して上部電極を形成する段階と、
前記上部電極を形成する間に発生する金属性ハードポリマーを除去する段階と、を含む金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。 - 前記上部電極膜はタンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム及び白金で構成されたグループの中で選択されたいずれかからなり、前記上部電極膜は塩素、窒素及び塩化ホウ素を含む食刻ガスを使用して食刻されることを特徴とする請求項１３記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記金属性ハードポリマーは酸化タンタル、窒化タンタル、酸化チタンまたは窒化チタンを含むことを特徴とする請求項１４記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記金属性ハードポリマーは酸素ガス及びＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６及びＣ５Ｆ８で構成されたグループの中で選択されたいずれかひとつ以上を含むフッ化炭素系ガスを含む混合ガスを使用して除去されることを特徴とする請求項１５記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記混合ガス中のフッ化炭素系ガスの流量は２％以下であることを特徴とする請求項１６記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記金属性ハードポリマーを除去する段階は前記半導体基板を１５０〜２５０℃の温度で２０〜４０秒間加熱が実施されることを特徴とする請求項１３記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記半導体基板はランプを使用して加熱されることを特徴とする請求項１８記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
- 前記半導体基板は加熱プレートを使用して加熱されることを特徴とする請求項１８記載の金属−絶縁体−金属キャパシターの製造方法。
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