KR100605231B1 - Method of fabricating MIM capacitor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 MIM 캐패시터 형성방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 캐패시터 유전막으로 질화알루미늄(AlN)/알루미나(Al2O3) 이중막을 사용함으로써 구리 하부전극의 산화와 누설전류를 억제하면서 접착을 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a MIM capacitor of a semiconductor device, and more particularly, by using aluminum nitride (AlN) / alumina (Al 2 O 3 ) double layer as a capacitor dielectric layer, adhesion of the copper lower electrode is suppressed while preventing oxidation and leakage current. It is about how to improve.
본 발명의 반도체 소자의 MIM 캐패시터 형성방법은 구리 하부전극을 형성하는 단계; 상기 구리 전극에 자연산화막이 형성되는 단계; 상기 구리산화막상에 AlN/Al2O3 이중 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막의 상부에 상부전극을 증착하고 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 패턴을 식각마스크로 하여 식각을 진행하여 캐패시터 전극을 형성하는 단계로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.Method of forming a MIM capacitor of a semiconductor device of the present invention comprises the steps of forming a copper lower electrode; Forming a natural oxide film on the copper electrode; Forming an AlN / Al 2 O 3 double insulating film on the copper oxide film; Depositing an upper electrode on the insulating layer and forming a pattern; And forming a capacitor electrode by etching the pattern as an etching mask.
따라서, 본 발명의 반도체 소자의 MIM 캐패시터 형성방법은 캐패시터 유전막으로 질화알루미늄(AlN)/알루미나(Al2O3) 이중막을 사용함으로써 구리 하부전극의 산화와 누설전류를 억제하면서 접착을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. Therefore, in the method of forming a MIM capacitor of the semiconductor device of the present invention, by using an aluminum nitride (AlN) / alumina (Al 2 O 3 ) double layer as a capacitor dielectric film, adhesion can be improved while suppressing oxidation and leakage current of the copper lower electrode. It works.
MIM 캐패시터, 구리산화막MIM Capacitor, Copper Oxide
Description
도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 의한 MIM 캐패시터 형성 공정의 단면도.1A to 1B are cross-sectional views of a MIM capacitor forming process according to the prior art.
도 2a 내지 도 2b는 종래기술에 의한 MIM 캐패시터의 단면도.2A-2B are cross-sectional views of a MIM capacitor according to the prior art.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 MIM 캐패시터 형성 공정의 단면도.3A to 3D are cross-sectional views of a MIM capacitor forming process according to the present invention.
본 발명은 반도체 소자의 MIM(metal-insulator-metal) 캐패시터(capacitor) 형성방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 캐패시터 유전막으로 질화알루미늄(AlN)/알루미나(Al2O3) 이중막을 사용함으로써 구리(Cu) 하부전극의 산화와 누설전류(leakage current)를 억제하면서 접착(adhesion)을 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for forming a metal-insulator-metal (MIM) capacitor of a semiconductor device, and more particularly, copper (Cu) by using an aluminum nitride (AlN) / alumina (Al 2 O 3 ) double layer as a capacitor dielectric film. The present invention relates to a method for improving adhesion while suppressing oxidation and leakage current of a lower electrode.
최근 들어 등장하고 있는 복합 반도체 소자(MML:Merged Memory Logic)는 한 칩(chip) 내에 메모리 셀(cell) 어레이(array)부, 예컨대 DRAM(Dynamic Random Access Memory)과 아날로그 또는 주변회로가 함께 집적화된 소자이다. 이러한 복합 반도체 소자의 등장으로 인해 멀티미디어 기능이 크게 향상되어 종전보다 반도체 소자의 고집적화 및 고속화를 효과적으로 달성할 수 있게 되었다. 한편, 고속 동작을 요구하는 아날로그 회로에서는 고용량의 캐패시터를 구현하기 위한 반도체 소자 개발이 진행중에 있다. 일반적으로, 캐패시터가 PIP(Polysilicon-Insulator-Polysilicon) 구조일 경우에는 상부전극 및 하부전극을 도전성 폴리실리콘으로 사용하기 때문에 상부전극/하부전극과 유전체 박막 계면에서 산화반응이 일어나 자연산화막이 형성되어 전체 캐패시턴스(capacitance)가 낮아지는 단점이 있다. 또한, 폴리실리콘층에 형성되는 공핍층(depletion region)으로 인하여 캐패시턴스가 낮아지고, 이에 따라 고속 및 고주파 동작에 적합하지 않은 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 캐패시터의 구조를 MIS(Metal-Insulator-Silicon) 내지 MIM로 변경하게 되었는데, 그 중에서도 MIM형 캐패시터는 비저항이 작고 내부에 공핍에 의한 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance)가 없기 때문에 고성능 반도체 소자에 주로 이용되고 있다. 최근에는 알루미늄에 비하여 비저항이 낮은 구리를 사용하여 반도체 소자의 금속배선을 형성하는 기술이 도입되었고, 이에 따라 구리를 전극으로 사용한 MIM 구조의 다양한 캐패시터가 제안되고 있다.In recent years, integrated memory logic (MML) has been integrated into an array of memory cell arrays such as dynamic random access memory (DRAM) and analog or peripheral circuits in a chip. Element. 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. 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 polysilicon-insulator-polysilicon (PIP) structure, since the upper electrode and the lower electrode are used as conductive polysilicon, an oxidation reaction occurs at the interface between the upper electrode / lower electrode and the dielectric thin film to form a natural oxide film. The disadvantage is that the capacitance (capacitance) is lowered. In addition, the capacitance is lowered due to the depletion region formed in the polysilicon layer, which is disadvantageous in that it is not suitable for high speed and high frequency operation. To solve this problem, the structure of the capacitor was changed from MIS (Metal-Insulator-Silicon) to MIM. Among them, the MIM type capacitor has a low specific resistance and no parasitic capacitance due to depletion. Mainly used. Recently, a technique of forming a metal wiring of a semiconductor device using copper having a lower resistivity than aluminum has been introduced. Accordingly, various capacitors having a MIM structure using copper as an electrode have been proposed.
도 1a 내지 도 1b는 종래의 MIM 캐패시터 및 다마신 배선 구조를 갖는 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1A to 1B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a conventional MIM capacitor and a damascene wiring structure.
먼저 도 1a를 참조하면, 반도체 기판(1) 상의 하부 절연막(10) 상에 상기 하 부 절연막(10)과 단차가 없게 제1 금속 배선(15) 및 제2 금속 배선(20)을 형성한다. 상기 제1 금속 배선(15) 및 제2 금속 배선(20)이 형성된 결과물 상에 금속막을 형성한 다음, 이를 패터닝하여 상기 제2 금속 배선(20)의 상면에 접하는 캐패시터 하부전극(25)을 형성한다. 상기 하부전극(25)이 형성된 결과물 상에 유전막(30)을 형성한다. 상기 유전막(30) 상에 다른 금속막을 형성한 다음, 이를 패터닝하여 상기 하부전극(25)과 대응되는 위치에 캐패시터 상부전극(35)을 형성한다. 상기 상부전극(35)이 형성된 결과물 상에 층간절연막(40)을 형성한다.First, referring to FIG. 1A, the
다음 도 1b를 참조하면, 상기 층간절연막(40)의 상면을 CMP(chemical mechanical polishing) 공정으로 평탄화한다. 다음에, 상기 층간절연막(40) 및 유전막(30)을 식각하여 상기 제1 금속 배선(15)의 상면을 노출시키는 비아홀(via hole, V1)을 형성한다. 상기 비아홀(V1)의 상부에 제1 트렌치(trench, T1
)를 형성하고, 상기 상부전극(35)의 상면을 노출시키는 제2 트렌치(T2)를 형성한다. 다음에, 상기 비아홀(V1)과 제1 및 제2 트렌치(T1, T2)에 전도성 금속을 채워 넣고 CMP(chemical mechanical polish)하여 다마신 배선 구조(45)와 콘택 플러그(contact plug, 50)를 형성한다.Next, referring to FIG. 1B, the upper surface of the
상술한 일반적인 캐패시터 제조공정에 덧붙여 상부전극과 하부전극 그리고 층간유전막으로서 특정물질을 사용하는 일례에 대해 설명하면 다음과 같다. In addition to the general capacitor manufacturing process described above, an example of using a specific material as the upper electrode, the lower electrode and the interlayer dielectric film will be described.
도 2a 내지 2b는 캐패시터 유전막으로서 실리콘 질화막(SiN)을 사용하고 하부전극으로는 구리(Cu), 상부전극으로는 티타늄 질화막(TiN)을 사용하여 형성된 MIM 캐패시터의 단면도를 보여준다. 보다 자세하게 상기 캐패시터의 제조공정을 알아보면 먼저 소정의 구조물이 형성된 반도체 기판(54)에 층간절연막(53)을 증착하고, 상기 절연막에 다마신(damascene) 패턴을 형성하여 하부전극(55) 물질인 구리를 증착한다. 이후 CMP 공정으로 평탄화를 거친 후, 캐패시터 유전막(51)인 SiN와 상부전극(50)인 TiN을 순서대로 증착한다. 이후 노광과 식각공정을 거쳐 캐패시터를 완성한다. 2A to 2B show cross-sectional views of a MIM capacitor formed using a silicon nitride film (SiN) as a capacitor dielectric film, copper (Cu) as a lower electrode, and a titanium nitride film (TiN) as an upper electrode. In more detail, the interlayer
이때 일반적으로 하부전극의 구리 표면에는 구리산화막(52)이 형성되어 있으며, 상기 구리산화막은 소자의 신뢰성(reliablity) 문제를 일으킨다. 구리산화막이 한 번 형성되면 계속 산화되려는 경향을 가지고 있어, 이로 인해 구리전극의 부식을 일으킬 수 있다. 또한, SiN 유전막의 측벽을 따라 누설된 전류(도 2b의 55)가 구리산화막을 통해 하부전극으로 흐르는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 구리 하부전극과 SiN 유전막의 계면 불안정 때문에 일렉트로 마이그레이션(electromigration, 이하 EM이라 칭함)을 유발해서 경계면 사이로의 보이드(void)나 힐락(hillock)이 쉽게 발생하는 문제점이 있다.In this case, a
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 캐패시터 유전막으로 질화알루미늄(AlN)/알루미나(Al2O3) 이중막을 사용함으로써 구리 하부전극의 산화와 누설전류를 억제하면서 접착을 향상시킬 수 있는 방법 을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
Accordingly, the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by using an aluminum nitride (AlN) / alumina (Al 2 O 3 ) double layer as a capacitor dielectric film, while suppressing the oxidation and leakage current of the copper lower electrode adhesion It is an object of the present invention to provide a method that can improve the.
본 발명의 상기 목적은 구리 하부전극을 형성하는 단계; 상기 구리 전극에 자연산화막이 형성되는 단계; 상기 구리산화막상에 AlN/Al2O3 이중 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막의 상부에 상부전극을 증착하고 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 패턴을 식각마스크로 하여 식각을 진행하여 캐패시터 전극을 형성하는 단계로 이루어진 반도체 소자의 MIM 캐패시터 형성방법에 의해 달성된다.The object of the present invention is to form a copper lower electrode; Forming a natural oxide film on the copper electrode; Forming an AlN / Al 2 O 3 double insulating film on the copper oxide film; Depositing an upper electrode on the insulating layer and forming a pattern; And etching the pattern using the pattern as an etching mask to form a capacitor electrode.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.Details of the above object and technical configuration of the present invention and the effects thereof according to the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention.
먼저, 도 3a는 종래의 기술과 동일하게 구리 하부전극을 형성하는 단계를 보여주는 단면도이다. 소정의 구조물이 형성된 반도체 기판(60)에 제 1 층간절연막(61)을 증착하고, 상기 절연막에 다마신 패턴을 형성하여 하부전극(62) 물질인 구리를 증착한다. 이후 CMP 공정으로 평탄화를 거친다. 이때 구리배선의 상부면에는 자연산화에 의한 구리산화막(63)이 형성된다. First, Figure 3a is a cross-sectional view showing the step of forming a copper lower electrode as in the prior art. A first
이후 구리산화막을 포함한 반도체 기판의 전면에 스퍼터(sputter) 방식으로 알루미늄(64)을 증착한다. 상기 알루미늄은 캐패시터 유전막 역할을 하는 AlN/Al2O3 이중 절연막을 형성하기 위한 것이다.Thereafter,
다음, 도 3b는 AlN/Al2O3 이중 절연막을 형성하는 단계를 보여주는 단면도이다. 상기 알루미늄막을 질소를 포함한 분위기에서 열처리를 행한다. 이때 알루미늄막의 상부는 주위의 질소와 반응하여 AlN층(65)이 형성되고, 알루미늄막의 하부는 그 하부의 구리산화막과 반응하여 Al2O3 층(66)이 형성된다. 상기 Al2O 3 층이 형성되면서 구리산화막의 산소를 끌어모아 구리산화막은 구리로 환원된다. 따라서 순수한 구리와 Al2O3의 계면이 형성된다. 열역학적으로 구리가 산소와 결합하는 데 필요한 깁스 자유에너지(Gibbs free energy)는 0℃에서 -300kJ인 반면 알루미늄이 산소와 결합하여 Al2O3를 만드는데 필요한 에너지는 -1025kJ이다. 따라서 산소는 에너지가 더 낮은 알루미늄과 결합하려고 하며 구리와 알루미늄 계면의 산소는 알루미늄 내로 확산하여 Al2O3를 형성하고 또한 구리산화막 내의 산소도 알루미늄과 반응하여 Al2O3를 형성시키면서 구리는 환원된다. 이러한 방법으로 Al2O3 이 형성되면서 구리산화막을 제거할 수 있다. 또한 기존의 SiN 유전막에 비해 구리와 같은 금속 전극과의 접착(adhesion)이 좋은 알루미늄을 사용함으로써 EM에 의한 보이드나 힐락의 발생을 억제할 수 있다.3B is a cross-sectional view illustrating a step of forming an AlN / Al 2 O 3 double insulating film. The aluminum film is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen. At this time, the upper portion of the aluminum film reacts with the surrounding nitrogen to form an AlN layer 65, and the lower portion of the aluminum film reacts with the lower copper oxide film to form an Al 2 O 3 layer 66. As the Al 2 O 3 layer is formed, the oxygen of the copper oxide film is attracted to reduce the copper oxide film to copper. Thus, an interface between pure copper and Al 2 O 3 is formed. Thermodynamically, the Gibbs free energy required for copper to combine with oxygen is -300 kJ at 0 ° C, while the energy required for aluminum to combine with oxygen to form Al 2 O 3 is -1025 kJ. Therefore, oxygen tries to bond with lower energy aluminum, and oxygen at the copper and aluminum interface diffuses into aluminum to form Al 2 O 3 , and oxygen in the copper oxide film also reacts with aluminum to form Al 2 O 3 while reducing copper. do. In this manner, Al 2 O 3 may be formed to remove the copper oxide film. In addition, by using aluminum having better adhesion to metal electrodes such as copper than conventional SiN dielectric films, it is possible to suppress the generation of voids and hillocks by EM.
다음, 도 3c는 상부전극(67)을 증착하고 캐패시터를 형성하기 위한 패턴(68)을 형성하는 단계를 보여주는 단면도이다.Next, FIG. 3C is a cross-sectional view illustrating a step of forming a
다음, 도 3d는 상기 패턴을 식각마스크로 하여 식각을 진행하여 MIM 캐패시터 전극을 완성하는 단계를 보여주는 단면도이다. 상기 AlN/Al2O3 이중 절연막의 상 부층인 AlN층의 상부에 상부전극으로 TiN막을 형성한다. 이후 캐패시터 전극을 형성하기 위한 패턴을 형성하고 식각을 진행한다. 이때 상기 AlN/Al2O3 이중 절연막의 하부층인 Al2O3 층을 식각정지막으로 하여 식각을 실시한다. 식각이 완료되면 구리 하부전극의 상부에는 얇은 Al2O3 절연막이 형성되어 있으며 이것에 의해 상부전극에서 비롯된 누설전류를 막을 수 있다. 즉, 상부전극과 AlN 상부절연막은 동일한 측벽을 이루며 형성되기 때문에 상부전극에서 비롯한 누설전류가 상기 측벽을 따라 하부전극으로 흐를 수 있게 된다. 그러나 Al2O3 하부 절연막은 AlN 상부 절연막과 동일한 측벽을 이루지 않기 때문에 누설전류를 차단할 수 있게 된다. Next, Figure 3d is a cross-sectional view showing a step of completing the MIM capacitor electrode by etching by using the pattern as an etching mask. A TiN film is formed as an upper electrode on the AlN layer, which is an upper layer of the AlN / Al 2 O 3 double insulating film. Thereafter, a pattern for forming a capacitor electrode is formed and etching is performed. At this time, etching is performed using the Al 2 O 3 layer, which is a lower layer of the AlN / Al 2 O 3 double insulating layer, as an etch stop layer. When the etching is completed, a thin Al 2 O 3 insulating film is formed on the upper copper lower electrode, thereby preventing the leakage current from the upper electrode. That is, since the upper electrode and the AlN upper insulating film are formed on the same sidewall, the leakage current from the upper electrode can flow to the lower electrode along the sidewall. However, since the Al 2 O 3 lower insulating film does not form the same sidewall as the AlN upper insulating film, leakage current can be blocked.
본 발명은 상기와 같은 추가 후속 공정에 의한 열처리시 산소의 확산에 의한 구리산화막의 형성을 방지할 수 있는 특징을 가진다. 더불어 알루미늄의 증착 및 열처리 장비는 추가 비용없이 기존의 장비를 이용함으로써 원가 절감의 효과를 가져올 수 있다.The present invention has a feature that can prevent the formation of a copper oxide film by diffusion of oxygen during the heat treatment by the further subsequent process as described above. In addition, aluminum deposition and heat treatment equipment can reduce costs by using existing equipment at no additional cost.
상세히 설명된 본 발명에 의하여 본 발명의 특징부를 포함하는 변화들 및 변형들이 당해 기술 분야에서 숙련된 보통의 사람들에게 명백히 쉬워질 것임이 자명하다. 본 발명의 그러한 변형들의 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상의 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.It will be apparent that changes and modifications incorporating features of the invention will be readily apparent to those skilled in the art by the invention described in detail. It is intended that the scope of such modifications of the invention be within the scope of those of ordinary skill in the art including the features of the invention, and such modifications are considered to be within the scope of the claims of the invention.
따라서, 본 발명의 반도체 소자의 MIM 캐패시터 형성방법은 캐패시터 유전막으로 질화알루미늄(AlN)/알루미나(Al2O3) 이중막을 사용함으로써 구리 하부전극의 산화와 누설전류를 억제하면서 접착을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Therefore, in the method of forming a MIM capacitor of the semiconductor device of the present invention, by using an aluminum nitride (AlN) / alumina (Al 2 O 3 ) double layer as a capacitor dielectric film, adhesion can be improved while suppressing oxidation and leakage current of the copper lower electrode. It works.
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US11869926B2 (en) | 2020-09-02 | 2024-01-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | High-k capacitor dielectric having a metal oxide area comprising boron, electrical device, and semiconductor apparatus including the same |
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2003
- 2003-12-31 KR KR1020030101051A patent/KR100605231B1/en not_active IP Right Cessation
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US11869926B2 (en) | 2020-09-02 | 2024-01-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | High-k capacitor dielectric having a metal oxide area comprising boron, electrical device, and semiconductor apparatus including the same |
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