KR100682246B1 - A semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캐패시터의 하부전극 표면에 단차가 발생되는 것을 억제하여 캐패시터의 결함을 방지할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 기판 상에 트렌치를 갖고 형성된 절연막과, 상기 트렌치 일측으로 노출된 상기 절연막과 상기 트렌치의 내부면 단차를 따라 형성된 캐패시터의 하부전극과, 상기 하부전극을 제1 상부배선과 연결하기 위해 상기 트렌치가 매립되도록 상기 하부전극 상에 형성된 하부배선과, 상기 절연막 상부로 노출된 상기 하부전극 상에 형성된 유전체막과, 상기 유전체막 상에 형성된 캐패시터의 상부전극과, 상기 상부전극이 제2 상부배선과 연결되도록 상기 상부전극 상에 형성된 제1 컨택 플러그와, 상기 하부배선이 상기 제1 상부배선과 연결되도록 상기 하부배선 상에 형성된 제2 컨택 플러그를 포함하는 반도체 소자를 제공한다.The present invention is to provide a semiconductor device and a method of manufacturing the semiconductor device that can prevent the defect of the capacitor by suppressing the generation of a step on the surface of the lower electrode of the capacitor. A lower electrode formed on the lower electrode such that the lower electrode of the capacitor is formed along the inner surface of the trench and the inner surface of the trench, and the trench is embedded to connect the lower electrode to the first upper wiring. And a first contact formed on the upper electrode such that a dielectric film formed on the lower electrode exposed over the insulating film, an upper electrode of a capacitor formed on the dielectric film, and the upper electrode are connected to a second upper wiring. A plug and a lower wiring formed on the lower wiring such that the lower wiring is connected to the first upper wiring 2 provides a semiconductor device including a contact plug.
MIM, 캐패시터, 구리, 보이드, 하부전극. MIM, capacitors, copper, voids, bottom electrode.
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 형성된 반도체 소자를 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device formed in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 공정단면도.2 to 7 are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
110 : 반도체 기판 111, 122 : 절연막110
112 : 제1 금속층 113 : 하부배선112: first metal layer 113: lower wiring
114 : 유전체막 115 : 제2 금속층114: dielectric film 115: second metal layer
116 : 하드 마스크 117 : 포토레지스트 패턴116: hard mask 117: photoresist pattern
118, 119 : 식각공정 112a : 캐패시터의 하부전극118, 119:
115a : 캐패시터의 상부전극 120 : MIM 캐패시터115a: upper electrode of capacitor 120: MIM capacitor
121 : 확산 방지막 123a, 123b : 제1 및 제2 컨택 플러그121:
124a, 124b : 제1 및 제2 상부배선124a, 124b: first and second upper wirings
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 다마신(damascene) 공정을 적용하는 MIM(Metal-Insulator-Metal) 캐패시터 및 이를 포함하는 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a metal-insulator-metal (MIM) capacitor applying a damascene process and a method of manufacturing a semiconductor device including the same.
근래에 들어, 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 상부 및 하부전극 모두가 귀금속이나 내열 금속으로 이루어진 MIM(Metal-Insulator-Metal) 캐패시터를 사용하게 되었다.In recent years, as the degree of integration of semiconductor devices increases, both upper and lower electrodes use metal-insulator-metal (MIM) capacitors made of precious metals or heat-resistant metals.
한편, 반도체 소자가 집적화되고 기술이 발전함에 따라, 속도나 저항 또는 금속(metal) 간의 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance)가 문제점으로 대두되면서 기존의 알루미늄(Al) 대신 구리(Cu)를 이용한 배선 공정이 차세대 소자의 배선 공정으로 각광을 받고 있다. 따라서, 상기한 MIM 캐패시터를 형성하는데 있어서도 구리를 이용한 배선 공정을 적용하게 되었다. 그러나, 구리를 이용한 배선 공정의 경우에는 구리가 식각 특성이 매우 열악하다는 문제점이 있어 기존의 공정 방식 대신에 다마신(Damascene) 공정이 적용되고 있다.Meanwhile, as semiconductor devices are integrated and technology advances, speed, resistance, or parasitic capacitance between metals becomes a problem, and a wiring process using copper (Cu) instead of aluminum (Al) is the next generation. It is attracting attention in the wiring process of an element. Therefore, the wiring process using copper was applied also in forming said MIM capacitor. However, in the case of the wiring process using copper, the etching property of copper is very poor, and a damascene process is applied instead of the conventional process method.
일반적으로, 다마신 공정을 적용하는 MIM 캐패시터의 형성방법은 다음과 같다.In general, a method of forming a MIM capacitor using a damascene process is as follows.
먼저, 듀얼(dual) 다마신 공정을 적용하여 층간 절연막 내에 구리로 이루어 진 하부전극을 형성하고, 하부전극을 포함한 층간 절연막 상에 질화막 계열의 유전체막을 증착한다. 그리고, 유전체막 상의 소정 영역에 TaN 또는 TiN 등의 물질로 이루어진 상부전극을 형성한다. First, a dual damascene process is applied to form a lower electrode made of copper in the interlayer insulating film, and a nitride film-based dielectric film is deposited on the interlayer insulating film including the lower electrode. An upper electrode made of a material such as TaN or TiN is formed in a predetermined region on the dielectric film.
그러나, 이와 같이 MIM 캐패시터를 형성하면, 질화막으로 이루어진 유전체막의 증착공정시 발생되는 스트레스(stress)에 의해 구리로 이루어진 하부전극 상부에 보이드(void)가 발생한다. 이러한 보이드는 하부전극의 표면에 단차를 일으켜 캐패시터의 결함(defect)으로 작용하게 된다. However, when the MIM capacitor is formed in this manner, voids are generated on the lower electrode made of copper due to stress generated during the deposition process of the dielectric film made of the nitride film. These voids cause a step on the surface of the lower electrode to act as a defect of the capacitor.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 캐패시터의 하부전극 표면에 단차가 발생되는 것을 억제하여 캐패시터의 결함을 방지할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides a semiconductor device and a method of manufacturing the same, which can prevent the defect of the capacitor by suppressing the occurrence of a step on the surface of the lower electrode of the capacitor. There is a purpose.
상기에서 설명한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 트렌치를 갖고 형성된 절연막과, 상기 트렌치 일측으로 노출된 상기 절연막과 상기 트렌치의 내부면 단차를 따라 형성된 캐패시터의 하부전극과, 상기 하부전극을 제1 상부배선과 연결하기 위해 상기 트렌치가 매립되도록 상기 하부전극 상에 형성된 하부배선과, 상기 절연막 상부로 노출된 상기 하부전극 상에 형성된 유전체막과, 상기 유전체막 상에 형성된 캐패시터의 상부전극과, 상기 상부전극이 제2 상부배선과 연결되도록 상기 상부전극 상에 형성된 제1 컨택 플러그와, 상기 하부배선이 상기 제1 상부배선과 연결되도록 상기 하부배선 상에 형성된 제2 컨택 플러그를 포함하는 반도체 소자를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an insulating film formed with a trench on a substrate, a lower electrode of a capacitor formed along an inner surface step of the insulating film and the trench exposed to one side of the trench, A lower wiring formed on the lower electrode so that the trench is buried so as to connect the lower electrode with the first upper wiring, a dielectric film formed on the lower electrode exposed over the insulating film, and a capacitor formed on the dielectric film. An upper electrode of the first electrode, a first contact plug formed on the upper electrode to connect the upper electrode to the second upper wiring, and a second contact plug formed on the lower wiring so that the lower wiring is connected to the first upper wiring It provides a semiconductor device comprising a.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 기판 상부에 트렌치를 갖는 제1 절연막을 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 포함한 상기 제1 절연막 상부면 단차를 따라 캐패시터의 하부전극을 형성하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되도록 상기 하부전극 상에 하부배선을 형성하는 단계와, 상기 하부배선을 포함한 상기 하부전극 상에 유전체막 및 캐패시터의 상부전극을 형성하는 단계와, 상기 하부배선 및 상기 트렌치 일측의 절연막이 노출되도록 상기 상부전극, 유전체막 및 하부전극을 식각하는 단계와, 전체 구조 상부에 제2 절연막을 증착하는 단계와, 상기 제2 절연막 내에 상기 상부전극 및 상기 하부배선과 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 컨택 플러그를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a first insulating film having a trench on an upper surface of a substrate, and forming a lower electrode of a capacitor along a stepped top surface of the first insulating film including the trench. Forming a lower wiring on the lower electrode such that the trench is buried, forming an upper electrode of a dielectric film and a capacitor on the lower electrode including the lower wiring, the lower wiring and Etching the upper electrode, the dielectric film, and the lower electrode to expose the insulating film on one side of the trench, depositing a second insulating film over the entire structure, and each of the upper electrode and the lower wiring in the second insulating film. It provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising the step of forming the first and second contact plugs that are electrically connected.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
실시예Example
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자는 소정의 반도체 구조물층(미도시)이 형성된 반도체 기판(110) 상에 트렌치(미도시)를 갖고 형성된 절연막(111)과, 트렌치의 내벽 및 트렌치 일측부의 절연막(111) 상에 형성된 캐패시터의 하부전극(112a)과, 하부전극(112a)을 제1 상부배선(124a)와 연결하기 위해 트렌치가 매립되도록 형성된 하부배선(113)과, 하부배선(113) 일측부의 절연막(111)과 중첩되도록 하부전극(112a) 상에 형성된 유전체막(114)과, 유전체막(114) 상에 형성된 캐패시터의 상부전극(115a)을 포함한다. 여기서, 반도체 구조물층은 트랜지스터와 같은 복수의 능동소자와 저항, 캐패시터, 인덕터 등의 수동소자와 복수의 메모리셀, 금속배선, 금속 플러그 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention may include an
하부배선(113)은 하부배선으로써, 하부배선(113) 상에는 하부배선(113)을 통해 하부전극(112a)과 제1 상부배선(124a)를 연결하기 위한 제1 컨택 플러그(123a)가 형성되고, 상부전극(115a) 상에는 상부전극(115a)과 제2 상부배선(124b)을 연결하기 위한 제2 컨택 플러그(123b)가 형성된다. 여기서, 제1 및 제2 컨택 플러그(123a, 123b)는 듀얼 다마신 공정을 통해 각각 제1 및 제2 상부배선(124a, 124b)과 함께 형성된다.The
유전체막(114) 및 상부전극(115a)은 하부배선(113)과 일부 영역이 중첩될 수 있고, 상부전극(115a) 상에는 하드 마스크(116)가 더 형성될 수 있다. 또한, 하부배선(113)을 이루는 물질의 확산을 방지하기 위한 확산 방지막(121)이 하드 마스크(116) 및 하부배선(113)을 포함한 절연막(111) 상부의 단차를 따라 형성될 수 있다.The
여기서, 하부배선(113)은 구리로 형성되고, 상부전극(115a) 및 하부전극(112a)은 Ti, TiN, Ta 및 TaN 중 어느 하나로 형성되거나 Ti/TiN 또는 Ta/TaN의 적층구조로 형성될 수 있다. 또한, 유전체막(114)은 SiN 또는 SiC로 형성되고, 하드 마스크(116)는 SiN 또는 SiC로 형성된다.Here, the
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자는 MIM 캐패시터(120)의 하부전극(112a)이 산화막 계열의 절연막(111) 상에 형성되므로 유전체막(114) 증착시 구리로 이루어진 하부배선(113)에 보이드가 발생하여도 하부전극(112a)에는 영향을 주지 않는다. 따라서, 하부전극(112a)의 표면에 단차가 발생되지 않으므로 MIM 캐패시터(120)의 결함을 방지할 수 있어 반도체 소자의 특성을 개선시킬 수 있다.That is, in the semiconductor device according to the preferred embodiment of the present invention, since the
도 2 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 도시된 공정단면도들이다. 여기서, 도 2 내지 도 7에 도시된 참조 부호들 중 서로 동일한 참조 부호는 동일한 기능을 수행하는 동일 구성 요소이다. 2 to 7 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention. Here, the same reference numerals among the reference numerals shown in FIGS. 2 to 7 are the same components that perform the same function.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 소정의 반도체 구조물층(미도시)이 형성된 기판(110) 상에 절연막(111, 이하, 제1 절연막이라 함)을 증착한다. 이때, 제1 절연막(111)은 산화막 계열의 물질로 형성한다. 예컨대, 제1 절연막(111)은 HDP(High Density Plasma) 산화막, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막, PSG(Phosphorus Silicate Glass)막, PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate)막, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)막, USG(Un-doped Silicate Glass)막, FSG(Fluorinated Silicate Glass)막, CDO(Carbon Doped Oxide)막 및 OSG(Organic Silicate Glass)막 중 어느 하나를 이용하여 단층막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성한다.First, as shown in FIG. 2, an insulating film 111 (hereinafter, referred to as a first insulating film) is deposited on the
이어서, 듀얼 다마신 공정을 적용하여 제1 절연막(111)에 비아홀(미도시) 및/또는 일정 깊이의 트렌치(미도시)를 형성한다. Subsequently, a via hole (not shown) and / or a trench having a predetermined depth are formed in the first insulating
이어서, 트렌치로 인해 형성된 단차를 따라 제1 절연막(111) 상에 캐패시터의 하부전극용 금속층(112, 이하, 제1 금속층이라 함)을 증착한다. 이때, 제1 금속층(112)은 Ti, TiN, Ta 및 TaN 중 어느 하나를 이용하거나 Ti/TiN 또는 Ta/TaN의 적층구조로 그 두께가 적어도 600Å이 되도록 증착한다.Subsequently, the lower electrode metal layer 112 (hereinafter, referred to as a first metal layer) of the capacitor is deposited on the first insulating
이어서, 트렌치가 매립되도록 제1 금속층(112) 상에 하부배선(113)을 증착한다. 이때, 하부배선(113)은 구리로 형성한다.Subsequently, the
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 평탄화 공정, 바람직하게는 제1 금속층(112)을 평탄화 정지막으로 이용한 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 실시하여 하부배선(113)을 연마한다. 이로써, 하부배선(113)이 평탄화되고 하부배선(113) 양측부의 제1 절연막(111) 상에 형성된 제1 금속층(112)은 그대로 잔류하게 된다. 이러한 CMP 공정시 사용되는 슬러리(Slurry)는 일반적인 알갱이 형태의 실리카를 사용하지 않고, 화화적 반응에 의해 평탄화가 이루어지는 슬러리(abrasive free slurry)를 사용하여 노출되는 제1 금속층(112)에 스크래치(scratch)가 발생되지 않도록 한다.Next, as shown in FIG. 3, the
이어서, 하부배선(113) 및 제1 금속층(112) 상에 유전체막(114) 및 캐패시터 의 상부전극용 금속층(115, 이하, 제2 금속층이라 함)을 순차적으로 증착한다. 이때, 유전체막(114)은 SiN 또는 SiC를 증착하고, 제2 금속층(115)은 Ti, TiN, Ta 및 TaN 중 어느 하나를 증착하거나 Ti/TiN 또는 Ta/TaN의 적층구조로 증착한다.Subsequently, the
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 금속층(115) 상에 하드 마스크(116)를 증착한다. 이때, 하드 마스크(116)는 SiN을 증착한다.Subsequently, as shown in FIG. 4, a
이어서, 하드 마스크(116) 상에 포토레지스트(미도시)를 도포한 후, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(117)을 형성한다. 이때, 포토레지스트 패턴(117)은 하부배선(113) 일측부의 제1 절연막(111)과 중첩된 영역의 하드 마스크(116)를 덮도록 형성된다.Subsequently, after the photoresist (not shown) is applied on the
이어서, 포토레지스트 패턴(117)을 마스크로 이용하는 식각공정(118)을 실시하여 노출된 하드 마스크(116)를 식각한다. Next, an
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 스트립(strip) 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(117, 도 4 참조)을 제거한다. Subsequently, as shown in FIG. 5, a strip process is performed to remove the photoresist pattern 117 (see FIG. 4).
이어서, 하드 마스크(116)를 식각 마스크로 이용한 식각공정(119)을 실시하여 노출된 제2 금속층(115, 도 4 참조) 및 유전체막(114)을 순차적으로 식각하여 캐패시터의 상부전극(115a)을 형성한다. 이때, 제2 금속층(115)은 건식식각공정을 적용하여 식각하고, 유전체막(114)은 CFx(x는 자연수) 또는 CHFx(x는 자연수) 계열의 화학물질을 이용한 건식식각공정을 적용하여 식각한다.Subsequently, an etching process 119 using the
이어서, 아르곤(Ar)을 이용한 스퍼터링(sputtering) 식각공정을 실시하여 유전체막(114)의 식각으로 인해 발생되는 구리 폴리머(polymer)를 제거할 수 있다.Subsequently, a sputtering etching process using argon (Ar) may be performed to remove the copper polymer generated due to the etching of the
이어서, 유전체막(114)의 식각으로 인해 제1 절연막(111) 상에 노출된 제1 금속층(112, 도 4 참조)을 타겟으로 하는 식각공정을 실시하여 제1 절연막(111) 상으로 노출된 제1 금속층(112) 및 하부배선(113)의 일부를 식각한다. 이로써, 캐패시터의 하부전극(112a)이 형성되고 MIM 캐패시터(120)가 완성된다. 예컨대, 제1 금속층(112)을 BClx 또는 Cl 가스를 이용하여 식각한 후, H+ 플라즈마(plasma) 공정을 실시하여 상술한 스트립 공정시 하부배선(113) 표면에 형성된 CuO와 구리 폴리머를 제거한다. 여기서, 유전체막(114) 및 상부전극(115a)은 하부배선(113)과 일부 영역이 중첩되도록 형성할 수 있다.Subsequently, an etching process is performed to target the first metal layer 112 (see FIG. 4) exposed on the first insulating
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 하부배선(113), 즉 구리의 확산을 방지하기 위해 하드 마스크(116) 및 하부배선(113)을 포함한 제1 절연막(111) 상부의 단차를 따라 확산 방지막(121)을 증착한다. 이때, 확산 방지막(121)은 SiN 또는 SiC를 증착한다.Subsequently, as shown in FIG. 6, the diffusion barrier layer is formed along the stepped upper portion of the first insulating
이어서, 확산 방지막(121) 상에 절연막(122, 이하, 제2 절연막이라 함)을 증착한다. 이때, 제2 절연막(122)은 제1 절연막(111)과 같은 산화막 계열의 물질을 증착한다.Subsequently, an insulating film 122 (hereinafter referred to as a second insulating film) is deposited on the
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 듀얼 다마신 공정을 적용하여 제2 절연막(122) 내에 상부전극(115a) 및 하부배선(113)과 연결되는 제1 및 제2 컨택 플러그(123a, 123b)를 각각 형성하고, 이와 각각 연결되는 제1 및 제2 상부배선(124a, 124b)를 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 7, the first and second contact plugs 123a and 123b connected to the
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 캐패시터를 포함하는 반도체 소자의 제조시 캐패시터의 하부전극을 산화막 계열의 절연막 상에 형성하여 유전체막 증착시 구리로 이루어진 하부배선에 보이드가 발생하여도 하부전극에는 영향을 미치지 못한다. 따라서, 하부전극의 표면 단차를 억제하여 캐패시터의 결함을 방지할 수 있으므로 반도체 소자의 특성을 개선시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, the lower electrode of the capacitor is formed on the oxide-based insulating film during the manufacturing of the semiconductor device including the capacitor, so that even if voids occur in the lower wiring made of copper during the deposition of the dielectric film, the lower electrode Does not affect. Therefore, it is possible to prevent the defect of the capacitor by suppressing the surface step of the lower electrode, thereby improving the characteristics of the semiconductor device.
또한, 본 발명에 의하면, 캐패시터를 포함하는 반도체 소자의 제조시 캐패시터의 상부전극 및 유전체막 식각시 하드 마스크를 이용하여 구리로 이루어진 하부배선의 결함을 최소화 할 수 있다.In addition, according to the present invention, defects in the lower interconnection made of copper may be minimized by using a hard mask in etching the upper electrode and the dielectric layer of the capacitor when manufacturing the semiconductor device including the capacitor.
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