KR100542496B1 - Method for fabricating semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다층 구조를 갖는 캐패시터의 제조에 있어서, 각 층의 전극에 구비되는 복수의 콘택홀을 동시에 형성할 수 있는 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로서, The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device capable of simultaneously forming a plurality of contact holes provided in an electrode of each layer in the manufacture of a capacitor having a multilayer structure.
본 발명의 반도체 소자의 제조방법은 반도체 기판 상에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계;와, 상기 제 1 층간절연막 상에 제 1 금속층, 제 1 유전막, 제 2 금속층, 제 2 유전막 및 제 3 금속층을 적층하는 단계;와, 상기 제 3 금속층 상에 식각 억제막을 형성하는 단계;와, 상기 식각 억제막 내지 제 1 금속층을 선택적으로 패터닝하여 제 1, 제 2 및 제 3 전극을 형성하는 단계;와, 상기 식각 억제막을 포함한 기판 전면 상에 제 2 층간절연막을 적층하는 단계;와, 상기 제 2 층간절연막 상에 상기 제 1, 제 2 및 제 3 전극을 노출시키는 콘택홀을 형성하기 위한 식각 마스크를 형성하는 단계;와, 상기 식각 마스크를 이용하여 상기 제 2 층간절연막을 식각하여 상기 제 1 유전막, 제 2 유전막 및 식각 억제막을 노출시키는 단계;와, 상기 제 1 유전막, 제 2 유전막 및 식각 억제막을 제거하여 상기 제 1, 제 2 및 제 3 전극을 노출시키는 콘택홀을 완성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a semiconductor device of the present invention includes forming a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate; and a first metal layer, a first dielectric film, a second metal layer, a second dielectric film, and a third metal layer on the first interlayer insulating film. Stacking an oxide layer; and forming an etch inhibiting film on the third metal layer; and selectively patterning the etch inhibiting film to the first metal layer to form first, second, and third electrodes; and Stacking a second interlayer insulating film on the entire surface of the substrate including the etch inhibiting film; and forming an etch mask for forming contact holes exposing the first, second, and third electrodes on the second interlayer insulating film. And etching the second interlayer insulating layer using the etching mask to expose the first dielectric layer, the second dielectric layer, and the etch inhibiting layer; and the first dielectric layer, the second dielectric layer, and the etching inhibiting layer. By removing a film comprising the step of completing a contact hole exposing the first, second and third electrodes it is characterized in that formed.
식각 억제, 캐패시터, 다층 구조Etch Suppression, Capacitor, Multilayer Structure
Description
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 소자의 캐패시터의 구조 단면도.1 is a structural cross-sectional view of a capacitor of a semiconductor device according to the prior art.
도 2는 종래의 또 다른 기술에 따른 반도체 소자의 캐패시터의 구조 단면도.2 is a structural cross-sectional view of a capacitor of a semiconductor device according to another conventional technology.
도 3a 내지 3e는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>Description of the main parts of the drawing
301 : 반도체 기판 302 : 제 1 층간절연막301
303 : 제 1 전극 304 : 제 1 유전막303: first electrode 304: first dielectric film
305 : 제 2 전극 306 : 제 2 유전막305: second electrode 306: second dielectric film
307 : 제 3 전극 308 : 식각 억제막307: third electrode 308: etching inhibiting film
309 : 제 2 층간절연막309: second interlayer insulating film
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 다층 구조를 갖는 캐패시터의 제조에 있어서, 각 층의 전극에 구비되는 복수의 콘택홀을 동시에 형성할 수 있는 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
모스 트랜지스터와 캐패시터로 구성되는 단위 셀에 있어서 소자의 특성은 캐패시터의 정전 용량에 큰 영향을 받는다. 최근, 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 소자 내에서 캐패시터가 차지하는 면적 역시 축소되고 있어, 적은 면적 내에서 큰 정전 용량을 갖는 캐패시터가 요구되고 있다.In a unit cell composed of a MOS transistor and a capacitor, the characteristics of the device are greatly influenced by the capacitance of the capacitor. In recent years, as semiconductor devices have been highly integrated, the area occupied by capacitors in devices has also been reduced, so that capacitors having large capacitance within a small area are required.
캐패시터의 정전 용량을 향상시키기 위해 고려될 수 있는 방법은 캐패시터의 유효면적을 증가시키는 방법, 상부 전극과 하부 전극 사이에 위치하는 유전막을 박막화하는 방법, 유전율이 높은 재료로 유전막을 형성하는 방법 등이 있다.The methods that can be considered to improve the capacitance of the capacitor include increasing the effective area of the capacitor, thinning the dielectric film located between the upper electrode and the lower electrode, forming a dielectric film with a high dielectric constant material, and the like. have.
상기 세 가지 방법 중, 유전막을 박막화하는 것은 반도체 소자의 신뢰성을 저하시키는 문제가 있으며, 유전율이 높은 재료로 유전막을 형성하는 것은 새로운 캐패시터의 제조 공정을 개발해야 하는 부담이 있다. 이에 따라, 캐패시터의 유효면적을 증가시켜 정전 용량을 향상시키는 방법에 연구가 집중되고 있다.Among the above three methods, the thinning of the dielectric film has a problem of lowering the reliability of the semiconductor device, and the formation of the dielectric film from a material having a high dielectric constant has a burden of developing a new capacitor manufacturing process. Accordingly, research is focused on a method of improving the capacitance by increasing the effective area of the capacitor.
한편, 종래의 통상적인 캐패시터의 구조를 살펴보면 다음과 같다.On the other hand, the structure of a conventional conventional capacitor is as follows.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 캐패시터는 반도체 기판 상에 하부 전극(102), 유전막(104), 상부 전극(105)이 순차적으로 형성되어 있는 구조를 갖고 있다. 이와 같은 종래의 캐패시터 구조는 하부 전극(102)이 평면 구조를 갖게 되어 반도체 소자의 설계 룰이 미세화에 비례하여 하부 전극의 면적이 줄어들게 된다. 따라서, 미세 소자에서 정전 용량을 극대화하기에 한계가 노출되는 문제점이 있다. 참고로, 미설명부호 103은 층간절연막이다.As shown in FIG. 1, a conventional capacitor has a structure in which a
이를 개선하기 위해 다층 구조를 갖는 캐패시터가 제안되었다. 도 2는 종래의 또 다른 캐패시터의 구조를 나타낸 단면도이다.In order to improve this, a capacitor having a multilayer structure has been proposed. 2 is a cross-sectional view showing the structure of another conventional capacitor.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래의 또 다른 캐패시터는 반도체 기판(201) 상에 제 1 전극(202), 제 2 전극(204) 및 제 3 전극(206)을 구비하고 상기 제 1 전극(202)과 제 2 전극(204) 사이, 제 2 전극(204)과 제 3 전극(206) 사이에 각각 제 1 유전막(203), 제 2 유전막(205)을 구비한다. 이와 같이, 다층 구조로 캐패시터를 형성하고 각 층마다 유전막을 구비시킴으로써 정전 용량의 확대를 꾀한다.As shown in FIG. 2, another conventional capacitor includes a
그러나, 이와 같은 다층 구조의 캐패시터는 후속의 공정에서, 층간절연막(207) 적층 후 상기 제 1, 제 2 및 제 3 전극(202,204,206)을 노출시키는 콘택홀 형성 공정시 각 전극들 간 사이에 단차가 발생하여 콘택홀(208)들의 깊이(d1, d2, d3)가 서로 다르게 된다. 이에 따라, 콘택홀 형성 공정시 상대적으로 상측에 위치한 전극들이 하부의 전극들보다 미리 노출되어 상부의 전극들이 식각으로 손상되는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 종래의 기술에서는 상부의 전극들 예를 들어, 제 1 및 제 2 전극을 노출시키는 제 1 식각 공정과 하부의 전극들 예를 들어, 제 2 및 제 3 전극을 노출시키는 제 2 식각 공정 등 콘택홀 형성을 위한 복수의 층간절연막 식각 공정을 택하고 있다. 이와 같이, 전극들 간의 단차 문제를 해결하기 위해 복수의 층간절연막 식각 공정을 택함에 따라 공정이 복잡해지고 제조 원가의 상승을 유발하고 있다.However, such a multilayer capacitor has a step between each electrode in a subsequent step of forming a contact hole exposing the first, second and
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 다층 구조를 갖는 캐패시터의 제조에 있어서, 각 층의 전극에 구비되는 복수의 콘택홀을 동시에 형성할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention has been made to solve the above problems, in the manufacture of a capacitor having a multi-layer structure, to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of simultaneously forming a plurality of contact holes provided in the electrode of each layer For the purpose of
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 제조방법은 반도체 기판 상에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계;와, 상기 제 1 층간절연막 상에 제 1 금속층, 제 1 유전막, 제 2 금속층, 제 2 유전막 및 제 3 금속층을 적층하는 단계;와, 상기 제 3 금속층 상에 식각 억제막을 형성하는 단계;와, 상기 식각 억제막 내지 제 1 금속층을 선택적으로 패터닝하여 제 1, 제 2 및 제 3 전극을 형성하는 단계;와, 상기 식각 억제막을 포함한 기판 전면 상에 제 2 층간절연막을 적층하는 단계;와, 상기 제 2 층간절연막 상에 상기 제 1, 제 2 및 제 3 전극을 노출시키는 콘택홀을 형성하기 위한 식각 마스크를 형성하는 단계;와, 상기 식각 마스크를 이용하여 상기 제 2 층간절연막을 식각하여 상기 제 1 유전막, 제 2 유전막 및 식각 억제막을 노출시키는 단계;와, 상기 제 1 유전막, 제 2 유전막 및 식각 억제막을 제거하여 상기 제 1, 제 2 및 제 3 전극을 노출시키는 콘택홀을 완성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The method of manufacturing a semiconductor device of the present invention for achieving the above object comprises the steps of forming a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate; and a first metal layer, a first dielectric film, a second metal layer, on the first interlayer insulating film; Stacking a second dielectric layer and a third metal layer; and forming an etch inhibiting film on the third metal layer; and selectively patterning the etch inhibiting film to the first metal layer to form first, second, and third metal layers. Forming an electrode; and laminating a second interlayer insulating film on the entire surface of the substrate including the etch inhibiting film; and contact holes exposing the first, second, and third electrodes on the second interlayer insulating film. Forming an etch mask to form a etch mask; and etching the second interlayer insulating layer by using the etch mask to expose the first dielectric layer, the second dielectric layer, and the etch inhibiting layer. Conductor film, characterized in that the second dielectric layer and etching to remove suppression film comprises a step to complete the contact holes exposing the first, second and third electrodes.
바람직하게는, 상기 식각 억제막은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다.Preferably, the etch inhibiting film may be formed of a silicon nitride film.
바람직하게는, 제 1 및 제 2 유전막은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다.Preferably, the first and second dielectric films may be formed of a silicon nitride film.
바람직하게는, 상기 식각 억제막은 200∼400Å의 두께로 형성할 수 있다.Preferably, the etch inhibiting film may be formed to a thickness of 200 to 400 kPa.
본 발명의 특징에 따르면, 다층 구조를 이루는 캐패시터의 최상측 전극 상에 층간절연막보다 식각 속도가 상대적으로 느린 식각 억제막을 소정 두께로 형성함으로써, 서로 다른 단차로 형성되어 있는 복수의 전극들을 식각으로 인한 손상없이 시간적으로 동시에 노출되도록 하여 콘택홀 형성 공정을 단순화할 수 있게 된다.According to an aspect of the present invention, an etching suppression film having a relatively slow etching speed than an interlayer insulating film is formed on a top electrode of a capacitor having a multi-layer structure to a predetermined thickness, and thus a plurality of electrodes formed with different steps are formed by etching. It can be exposed simultaneously in time without damage to simplify the process of forming a contact hole.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 3a 내지 3d는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 3A to 3D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 반도체 기판(301) 상에 제 1 층간절연막(302)을 적층한다. 상기 제 1 층간절연막(302)은 LP-TEOS(Low Pressure Tetra Ethyl Ortho Silicate), O3-TEOS, d-TEOS 등과 같은 TEOS 계열의 산화막 또는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법(High Density Plasma CVD)을 이용하여 적층하는 FSG(Fluorine Silicate Glass), USG(Undoped Silicate Glass) 또는 SiH4 막 또는 BPSG를 사용하여 형성할 수 있다. 도면에 도시하지 않았지만, 상기 제 1 층간절연막 하부의 액티브 영역에는 모스 트랜지스터 등의 소자가 형성되어 있다. First, as shown in FIG. 3A, a first interlayer
이어, 상기 제 1 층간절연막(302) 상에 제 1 금속층(303), 제 1 유전막(304), 제 2 금속층(305), 제 2 유전막(306) 및 제 3 금속층(307)을 순차적으로 적층한다. 여기서, 상기 제 1 및 제 2 유전막(304,306)은 유전율이 높은 재료 로 사용할 수 있으며, 일 예로 질화막을 사용하여 200∼1000Å의 두께로 형성할 수 있다. 또한, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 금속층(303,305,307)은 알루미늄-구리(Al-Cu)로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 알루미늄-구리(Al-Cu)층 이외에 상기 제 1 및 제 2 유전막(306)과 반응성이 약하고 일함수가 높은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 오스뮴(Os) 등과 같은 금속이 사용될 수 있다. 한편, 상기 금속층은 캐패시터의 다층 구조에 따라 상기 제 1, 제 2, 제 3 금속층(303,305,307) 이외에 더 형성할 수도 있다.Subsequently, a
상기 제 3 금속층(307)이 형성된 상태에서, 상기 제 3 금속층(307) 상에 식각 억제막(308)을 적층한다. 상기 식각 억제막(308)으로 질화막이 사용될 수 있으며, 화학기상증착 공정 등을 이용하여 200∼400Å의 두께로 형성할 수 있다. 상기 식각 억제막(308)은 상기 층간절연막에 비해 식각 속도가 느린 재질을 사용한다. 예를 들어, 식각 억제막(308)으로서 질화막을 사용하는 경우 산화막 재질의 층간 절연막과의 식각 선택비가 1 : 20∼30 정도일 수 있다.In the state where the
이와 같은 상태에서, 도 3b에 도시한 바와 같이 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 이용하여 상기 제 1 금속층(303), 제 1 유전막(304), 제 2 금속층(305), 제 2 유전막(306), 제 3 금속층(307) 및 식각 억제막(308)을 선택적으로 패터닝하여 제 1 전극(303), 제 1 유전막(304), 제 2 전극(305), 제 2 유전막(306) 및 제 3 전극(307)으로 구성되는 캐패시터를 완성한다. 상기 캐패시터의 제 3 전극(307) 상에는 패터닝된 식각 억제막(308)이 형성되어 있다.In this state, as illustrated in FIG. 3B, the
그런 다음, 도 3c에 도시한 바와 같이 상기 식각 억제막(308)을 포함한 기판(301) 전면 상에 제 2 층간절연막(309)을 적층한다. 상기 제 2 층간절연막(309)은 상기 제 1 층간절연막(302)과 마찬가지로 LP-TEOS(Low Pressure Tetra Ethyl Ortho Silicate), O3-TEOS, d-TEOS 등과 같은 TEOS 계열의 산화막 또는 고밀도 플라즈마 화학기상증착법(High Density Plasma CVD)을 이용하여 적층하는 FSG(Fluorine Silicate Glass), USG(Undoped Silicate Glass) 또는 SiH4 막 또는 BPSG막 중 어느 한 물질로 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 3C, a second
이와 같은 상태에서, 상기 제 2 층간절연막(309) 상에 감광막을 도포한 다음, 사진 공정을 이용하여 콘택홀(310)이 형성될 영역의 층간절연막이 노출되도록 감광막 패턴(311)을 형성한다. 이어, 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 이용하여 층간절연막의 식각을 통한 콘택홀(310) 형성 공정을 실시한다. 이 때, 상기 콘택홀(310) 형성 공정은 제 1 식각 공정과 제 2 식각 공정으로 구분할 수 있으며, 제 1 및 제 2 식각 공정은 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching)과 같은 건식 식각 공정을 이용한다. 그리고, 상기 형성되는 콘택홀(310)에 의해 노출되는 부위는 제 1, 제 2 및 제 3 전극(303,305,307)의 상부 표면이다.In this state, a photoresist film is coated on the second
한편, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 전극(303,305,307)의 단차 때문에 상기 각 전극들 상에 형성되어 있는 층간절연막의 높이는 서로 다르다. 따라서, 층간절연막의 식각시 상기 제 2 및 제 3 전극(305,307)이 노출되기 전에 상기 제 1 전극(303) 상에 형성되어 있는 식각 억제막(308)이 먼저 노출된다. 상기 제 1 전극(303) 상의 식각 억제막(308)을 노출시키는 과정까지를 시간적 개념에서 제 1 식각 공정이라 정의한다.On the other hand, the heights of the interlayer insulating films formed on the respective electrodes are different because of the step difference between the first, second and
이와 같은 상태에서, 제 2 식각 공정을 진행한다. 이 때의 식각은 식각 억제막(308)과 층간절연막 사이의 식각 선택비를 이용한 것으로서, 층간절연막의 식각 속도에 비해 식각 억제막(308)의 식각 속도가 현저하게 느린 특성을 이용하여 제 2 및 제 3 전극(305,307) 상의 층간절연막이 모두 식각될 때까지 상기 제 1 전극(303)이 노출되는 것을 방지한다. 이러한 제 2 식각 공정을 통해 제 1, 제 2 및 제 3 전극(303,305,307) 상에 각각 형성되어 있는 제 1 유전막(304), 제 2 유전막(306) 및 식각 억제막(308)이 노출된다. 여기서, 상기 제 1 유전막(304), 제 2 유전막(306) 및 식각 억제막(308)을 모두 실리콘 질화막으로 형성시켜 식각 특성을 균일하게 담보할 수도 있다.In this state, the second etching process is performed. In this case, the etching is performed using an etching selectivity between the
그런 다음, 도 3e에 도시한 바와 같이 상기 제 1 유전막(304), 제 2 유전막(306) 및 식각 억제막(308)을 제거시켜 상기 제 1, 제 2 및 제 3 전극(303,305,307)의 상부 표면을 노출시키면 콘택홀(310) 형성 공정이 완료된다. 이후, 도면에 도시하지 않았지만 상기 콘택홀(310)을 충분히 매립하도록 소정의 금속층을 상기 제 2 층간절연막(309) 상에 적층한 다음, 화학기계적연마 공정 등을 통하여 상기 금속층을 평탄화시켜 상기 비아홀 내에 콘택 플러그를 형성하면 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 공정은 완료된다.Then, as illustrated in FIG. 3E, the
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다. The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention has the following effects.
다층 구조를 이루는 캐패시터의 최상측 전극 상에 층간절연막보다 식각 속도가 상대적으로 느린 식각 억제막을 소정 두께로 형성함으로써, 서로 다른 단차로 형성되어 있는 복수의 전극들을 식각으로 인한 손상없이 시간적으로 동시에 노출되도록 하여 콘택홀 형성 공정을 단순화할 수 있게 된다.By forming an etching inhibiting film having a relatively slow etching speed than the interlayer insulating film on the uppermost electrode of the multilayer capacitor to a predetermined thickness, a plurality of electrodes formed with different steps may be simultaneously exposed in time without damage due to etching. As a result, the contact hole forming process can be simplified.
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