JP4323872B2 - Mimキャパシタ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明に属する技術分野】
本発明は、ロジックアナログ半導体素子に関するものであり、より具体的にはデュアルダマシーン工程に適合するMIMキャパシタ及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般的にロジックアナログ素子に使用されるMIM(Metal−Insulator−Metal)キャパシタはAlまたはCuのような配線金属をキャパシタ電極で形成するものと、窒化タンタルTaNのようなバリアーメタルをキャパシタ電極として形成するものがある。これらMIMキャパシタ中、前記バリアー金属をキャパシタ電極として使用するMIMキャパシタ工程が単純で電極物質の特性変化がないため広く使われている。
【0003】
図1ないし図4は、従来のMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図を図示したものである。
【0004】
図1を参照すると、通常のダマシーン工程により形成された銅配線110を備えた半導体基板100上に下部窒化膜120を700Åの厚み(膜厚)で形成し、下部窒化膜120上にキャパシタ電極用バリアー金属膜、例えばTaN膜130を700Åの厚みで形成する。前記TaN膜130上に感光膜190を8000Åの厚みで被覆した後、キャパシタ電極が形成される部分にのみ残るようにパターニングする。
【0005】
図2を参照すると、前記感光膜190をマスクにしてTaN膜130の露出された部分をエッチングしてキャパシタ電極135を形成する。図3を参照すると、前記感光膜190を除去した後、基板全面に上部窒化膜140を350Åの厚みで蒸着する。
【0006】
図4を参照すると、前記上部窒化膜140上に層間絶縁膜150を蒸着し、前記銅配線110とキャパシタ電極135が露出するように前記層間絶縁膜150と上、下部窒化膜140,120をエッチングしてビアホール161、165をそれぞれ形成する。以後、図面上には図示されてないが、通常のダマシーン工程を遂行して前記ビアホール161、165に金属配線を形成する。
【0007】
前記したような従来のMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法は次のような問題点があった。第1の問題は、感光膜190をマスクにしてTaN膜130をエッチングしてキャパシタ電極135を形成する時、前記感光膜190が8000Å以上の厚みを持つため、多量のメタルポリマーを発生する。前記メタルポリマーはキャパシタ電極形成後、進行されるHF洗浄時においても完全に除去されないために後続のパターン製作に難点が生じた。従って、前記メタルポリマーを完全に除去するためには乾式方式のポリマー除去工程が行われなければならないのだが、乾式エッチング工程によりキャパシタ電極135であるTaN膜の表面にエッチング損傷が発生するという問題点があった。
【0008】
第2の問題は、ポリマー除去により表面がエッチング損傷されたキャパシタ電極135上に層間絶縁膜150が蒸着されるため層間絶縁膜150形成時、上部窒化膜140または層間絶縁膜がリフティングされるという問題点があった。
【0009】
第3の問題は、銅配線110上には上、下部窒化膜120、140が存在し、キャパシタ電極135上には、上部窒化膜140のみ存在して銅配線110とキャパシタ電極135の窒化膜は互いに違った厚みで形成される。従って、銅配線110とキャパシタ電極135上にビアホール161、165形成工程時、窒化膜のエッチング量が多いとキャパシタ電極の表面がエッチング損傷されるだけでなくポリマーが発生してキャパシタの電気的特性が変化するという問題点があり、窒化膜のエッチング量が少ないと銅配線110が露出されないオープン不良が発生するという問題点があった。さらに、銅配線110とキャパシタ電極135間の窒化膜の膜厚の差によりデュアルダマシーン工程を適用しにくいという問題点があった。よって、金属配線のオープン不良とキャパシタの特性変化を防ぐことのできるMIMキャパシタを製造するための方法が要求された。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記したような従来技術の問題店を解決するためのものであり、ハードマスクを利用してキャパシタ電極用バリアー金属膜をエッチングすることにより、多量のポリマー発生を防ぎキャパシタ電極の表面エッチング損傷を防ぐことのできるMIMキャパシタ及びその製造方法を提供することが目的である。
【0011】
本発明の他の目的は、キャパシタ電極上部に形成される膜質のリフティングを防ぐことのできるMIMキャパシタ及びその製造方法を提供することである。
【0012】
【発明が解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明は、金属配線を備えた半導体基板と;前記半導体基板上に形成された下部絶縁膜と;前記下部絶縁膜上に形成されたキャパシタ電極と;前記キャパシタ電極上に形成されたハードマスクと;基板全面に形成された上部絶縁膜を備えるMIMキャパシタを提供することを特徴とする。
【0013】
また、本発明は金属配線を備えた半導体基板上に下部絶縁膜、キャパシタ電極物質層、ハードマスク物質層を順に形成する段階と;感光膜を利用し金属配線上部のハードマスク物質層をエッチングしてハードマスクを形成する段階と;前記ハードマスクを利用しキャパシタ電極物質層をエッチングしてキャパシタ電極を形成する段階と;基板全面に上部絶縁膜を形成する段階で成り立つMIMキャパシタの製造方法を提供する。
【0014】
前記上部、下部絶縁膜とハードマスクは窒化膜で成り、前記金属配線上部の上、下部絶縁膜の総厚み(総膜厚)とキャパシタ電極上部の上部絶縁膜とハードマスクの総厚みの厚み差が0から約200Åになるように、前記ハードマスクとキャパシタ電極物質層のエッチング選択比が約5:1ないし約10:1である条件でキャパシタ電極物質層がエッチングされる。
【0015】
また、本発明は第1金属配線を備えた半導体基板上に下部絶縁膜とキャパシタ電極物質層を形成する段階と;前記キャパシタ電極物質層上に前記ハードマスクを形成する段階と;前記ハードマスクを利用しキャパシタ電極物質層をエッチングしてキャパシタ電極を形成する段階と;基板全面に上部絶縁膜を形成する段階と;基板全面に層間絶縁膜を形成する段階と;前記層間絶縁膜と上、下部絶縁膜、そしてハードマスクをエッチングして第1金属配線とキャパシタ電極をそれぞれ露出させるビアホールを形成する段階で成り立つMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を提供することを特徴とする。
【0016】
前記ビアホール形成後、デュアルダマシーン工程を遂行して銅配線及びキャパシタ電極用金属配線を形成する段階をさらに含める。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより具体的に説明するために本発明による実施例を添付図面を参照しながらより詳しく説明することにする。
【0018】
図5ないし図9は本発明の実施例によるMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図を図示したものである。
【0019】
図5を参照すると、通常的なダマシーン工程により銅配線210が形成された半導体基板200上にエッチストッパー用絶縁膜で下部窒化膜220を約850Åの厚みで蒸着し、前記下部窒化膜220上にキャパシタ電極用バリアー金属膜、例えばTaN膜230を約700Åの厚みで形成する。
【0020】
続いて、前記TaN膜230上にハードマスク用窒化膜240を約1000Åの厚みで蒸着し、前記窒化膜240上に約8000Å以上の厚みを持つ感光膜290を塗布した後、キャパシタ電極が形成される部分のみ残るようにパターニングする。
【0021】
図6を参照すると、前記感光膜290をマスクとして窒化膜240の露出された部分をエッチングしてハードマスク245を形成し、前記感光膜290を除去する。図7を参照すると、前記ハードマスク245を利用してその下部のTaN膜230をエッチングしてキャパシタ電極235を形成する。
【0022】
この時、TaN膜230とハードマスク用窒化膜240の選択比が約5:1ないし約10:1である条件で、前記TaN膜230をエッチングしてくれる。従って、TaN膜230をエッチングしてキャパシタ電極235を形成する時、キャパシタ電極235上部に存在するハードマスク245用窒化膜の厚みが銅配線210上部の下部窒化膜220の厚みと同程度にする。
【0023】
本発明の実施例では、前記銅配線210上部の窒化膜とキャパシタ電極235上部の窒化膜の厚み差が0ないし約200Åになるようにエッチングする。例えば、オーバーエッチングを勘案して約1000ÅのTaN膜230をターゲットにエッチングした場合には、ハードマスク240の厚みは約800Å程度になり、下部窒化膜220の厚みは約700Å程度になる。
【0024】
また、本発明の実施例では、TaN膜230が露出されない状態で感光膜290を利用してハードマスク245用窒化膜をエッチングし、また感光膜290を除去した後、ハードマスクを利用してTaN膜230をエッチングしてくれるため、感光膜290の厚みはキャパシタ電極形成に全く影響を及ぼさない。
【0025】
つまり、ハードマスク用窒化膜のエッチングの時、TaN膜が露出されないため多量のポリマー発生が防がれる。従って、後続のポリマーを除去するための乾式エッチング工程が必要ないため、キャパシタ電極表面のエッチング損傷を防ぎキャパシタ電極の特性変化を防ぐことができる。
【0026】
図8を参照すると、基板全面に上部窒化膜250を約350Åの厚みで蒸着する。前記窒化膜250の形成後、銅配線210上部の窒化膜220、250の総厚みとキャパシタ電極235上部の窒化膜245,250の総厚みは0ないし200Åの厚み差を維持するようになる。
【0027】
図面上には図示されてないが、前記キャパシタ電極235がMIMキャパシタの下部プレートとして作用し、上部窒化膜250がMIMキャパシタの誘電膜として作用する場合、前記上部窒化膜250上にはバリアー金属膜、例えばTaN膜でできたMIMキャパシタの上部プレートが形成され、この時上部窒化膜250は製造されるMIMキャパシタの特性によりその厚みが定まる。
【0028】
図9を参照にすると、基板全面に層間絶縁膜260を蒸着した後、パターニングして同配線210とキャパシタ電極235を露出させる金属配線用ビアホール271、275をそれぞれ形成する。以後図面上には図示されてないが、ダマシーン工程、例えばデュアルダマシーン工程を遂行して前記ビアホール271、275に金属配線を形成する。
【0029】
本発明の実施例では、キャパシタ電極表面のエッチング損傷が発生しないため窒化膜240または層間絶縁膜260のリフティング現象は発生しない。また、銅配線210上部とキャパシタ電極235上部の窒化膜の厚みがほぼ類似するので、銅配線のオープン不良なしでビアホールを容易に形成でき、後続の金属配線を形成する時、デュアルダマシーン工程を適用できる。
【0030】
図10及び図11は従来の感光膜マスク(PR Mask)を使用してキャパシタ電極を形成した場合と本発明のハードマスク(Hard Mask)を利用してキャパシタ電極を形成した場合において、単位容量分布(unit capacitance)と漏洩電流特性をそれぞれ図示したものである。図10及び図11から、従来に比べて本発明のハードマスクを利用したキャパシタ形成方法がキャパシタフェイル(fail)及び漏洩電流を減少することができることがわかる。
【0031】
【発明の効果】
前記したような本発明の実施例によると、ハードマスクを利用しバリアー金属膜であるTAN膜をエッチングしてキャパシタ電極を形成することにより、多量のポリマー発生を防ぎ、それによりキャパシタ電極表面のエッチング損傷を防げるだけでなく後続工程により蒸着される膜質のリフティング現象を防ぐことができるという効果がある。
【0032】
また、本発明の銅配線上部の窒化膜の総厚みとキャパシタ電極上部の窒化膜の総厚みの厚み差が0ないし約200Åになるように調節することによって後続のビアホール形成時銅配線のオープン不良を防げるだけでなくキャパシタ電極の特性変化を防ぐことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図2】 従来のMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図3】 従来のMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図4】 従来のMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図5】 本発明の実施例によるMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するため工程断面図である。
【図6】 本発明の実施例によるMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するため工程断面図である。
【図7】 本発明の実施例によるMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するため工程断面図である。
【図8】 本発明の実施例によるMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するため工程断面図である。
【図9】 本発明の実施例によるMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法を説明するため工程断面図である。
【図10】 従来及び本発明のMIMキャパシタの単位容量分布をあらわした図面である。
【図11】 従来及び本発明のMIMキャパシタの漏洩電流特性をあらわした図面である。
【符号の説明】
200 半導体基板
210 銅配線
220,250 窒化膜
230 TaN膜
235 キャパシタ電極
240 ハードマスク
260 層間絶縁膜
271,275 ビアホール
Claims (10)
- 金属配線を備えた半導体基板と;
前記半導体基板上に形成された下部絶縁膜と;
前記下部絶縁膜上に形成されたキャパシタ下部電極と;
前記キャパシタ電極上に形成されたハードマスクと;
基板全面に形成された上部絶縁膜と;
前記上部絶縁膜上に形成されたキャパシタ上部電極と;を備え、
前記キャパシタ下部電極及びキャパシタ上部電極はバリアー金属膜でなり、
前記ハードマスクは窒化膜でなり、
前記バリアー金属膜はTaN膜でなることを特徴とするMIMキャパシタ。 - 請求項1に記載のMIMキャパシタにおいて、前記上、下部絶縁膜は窒化膜でなっていることを特徴とするMIMキャパシタ。
- 請求項1に記載のMIMキャパシタにおいて、前記金属配線上部の上、下部絶縁膜の総厚みとキャパシタ電極上部の上部絶縁膜とハードマスクの総厚みの厚み差は0から200Åの範囲であることを特徴とするMIMキャパシタ。
- 金属配線を備えた半導体基板上に下部絶縁膜、キャパシタ電極物質層、ハードマスク物質層を順に形成する段階と;
感光膜を利用してハードマスク物質層をエッチングしてハードマスクを形成する段階と;
前記ハードマスクを利用してキャパシタ電極物質層をエッチングしてキャパシタ下部電極を形成する段階と;
基板全面に上部絶縁膜を形成する段階と;
前記上部絶縁膜上にキャパシタ上部電極を形成する段階と;を備え、
前記キャパシタ下部電極及びキャパシタ上部電極はバリアー金属膜でなり、
前記ハードマスクは窒化膜でなり、
前記バリアー金属膜はTaN膜でなることを特徴とするMIMキャパシタの製造方法。 - 請求項4に記載のMIMキャパシタの製造方法において、前記上、下部絶縁膜は窒化膜でなっていることを特徴とするMIMキャパシタの製造方法。
- 請求項4に記載のMIMキャパシタの製造方法において、前記金属配線上部の上、下部絶縁膜の総厚みとキャパシタ電極上部の上部絶縁膜とハードマスクの総厚みの厚み差は0から200Åの範囲であることを特徴とするMIMキャパシタの製造方法。
- 請求項4に記載のMIMキャパシタの製造方法において、前記感光膜は8000Å以上の厚みを持つことを特徴とするMIMキャパシタの製造方法。
- 請求項4に記載のMIMキャパシタの製造方法において、前記キャパシタ電極形成時、前記ハードマスクとキャパシタ電極は5:1または10:1のエッチング選択比を持つことを特徴とするMIMキャパシタの製造方法。
- 第1金属配線を備えた半導体基板上に下部絶縁膜とキャパシタ電極物質層を形成する段階と;
前記キャパシタ電極物質層上に前記ハードマスクを形成する段階と;
前記ハードマスクを利用してキャパシタ電極物質層をエッチングしてキャパシタ下部電極を形成する段階と;
基板全面に上部絶縁膜を形成する段階と;
前記上部絶縁膜上にキャパシタ上部電極を形成する段階と;
基板全面に層間絶縁膜を形成する段階と;
前記層間絶縁膜及び上、下部絶縁膜とハードマスクをエッチングして第1金属配線とキャパシタ電極をそれぞれ露出させるビアホールを形成する段階とを備え、
前記キャパシタ下部電極及びキャパシタ上部電極はバリアー金属膜でなり、
前記ハードマスクは窒化膜でなり、
前記バリアー金属膜はTaN膜でなり、
第1金属配線上部の上、下部絶縁膜の総厚みとキャパシタ電極上部の上部絶縁膜とハードマスクの総厚みの厚み差が0から200Åの範囲になるように、前記ハードマスクとキャパシタ電極物質層のエッチング選択比が5:1または10:1である条件で、前記キャパシタ電極物質層をエッチングすることを特徴とするMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法。 - 請求項9に記載のMIMキャパシタを備えた半導体装置の製造方法おいて、デュアルダマシーン工程を遂行して前記ビアホールに第2金属配線を形成する段階をさらに含めることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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