KR100955836B1 - Method for forming capacitor in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 커패시터 제조 방법에 관한 것으로, 개시된 커패시터의 제조 방법은, 하부 절연막 상에 제 1 금속막이 형성된 반도체 기판 상에 제 1 유전체막, 제 2 금속막, 제 2 유전체막, 제 3 금속막 및 상부 절연막을 차례로 형성하는 단계와, 상부 절연막, 제 3 금속막, 제 2 유전체막 및 제 2 금속막을 1차 패터닝하는 단계와, 상부 절연막 및 제 3 금속막을 2차 패터닝하는 단계와, 2차 패터닝한 상부 절연막을 포함한 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 층간 절연막 내에 제 1 금속층 및 제 3 금속층에 전기적으로 연결되는 커패시터의 제 1 도전 플레이트와 제 2 금속층에 전기적으로 연결되는 커패시터의 제 2 도전 플레이트를 형성하는 단계를 포함하며, 동일한 면적에서 커패시턴스를 최대화하여 칩 크기를 최소화할 수 있고, 적층된 금속막과 유전체막을 패터닝할 때에 아래쪽의 금속막 및 절연막을 먼저 패터닝한 후에 위쪽의 금속막 및 절연막을 패터닝하므로 패터닝 시에 정렬 불량이 야기될 우려가 해소되는 이점이 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device, wherein the disclosed method for manufacturing a capacitor includes a first dielectric film, a second metal film, a second dielectric film, and a third dielectric film on a semiconductor substrate having a first metal film formed on a lower insulating film. Forming a metal film and an upper insulating film in sequence, first patterning the upper insulating film, the third metal film, the second dielectric film, and the second metal film, second patterning the upper insulating film and the third metal film; Forming an interlayer insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate including the second patterned upper insulating film, and electrically connecting the first conductive plate and the second metal layer of the capacitor electrically connected to the first metal layer and the third metal layer in the interlayer insulating film. Forming a second conductive plate of the capacitor, wherein the capacitance can be maximized in the same area to minimize chip size, When patterning the stacked metal film and the dielectric film, since the lower metal film and the insulating film are patterned first, the upper metal film and the insulating film are patterned, so that there is an advantage that the possibility of misalignment may be eliminated during patterning.
MIM, 병렬형 커패시터, 정렬 불량 MIM, Parallel Capacitors, Misaligned
Description
본 발명은 반도체 소자의 커패시터 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일한 면적에 커패시턴스를 최대화하여 칩 크기(chip size)를 최소화할 수 있는 반도체 소자의 커패시터 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device, and more particularly, to a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device capable of minimizing chip size by maximizing capacitance in the same area.
현재, 고속 동작을 요구하는 로직 회로에서는 고용량의 커패시터를 구현하기 위한 반도체 소자의 개발 및 연구가 진행되고 있다. 일반적으로, 고용량 커패시터가 PIP(Polysilicon/Insulator/Polysilicon) 구조일 경우에는 상부 전극 및 하부 전극을 도전성 폴리실리콘으로 사용하기 때문에 상부 및 하부 전극과 절연체막 계면에서 산화반응이 일어나 자연산화막이 형성되어 전체 커패시턴스의 크기가 줄어들게 되는 단점이 있다.Currently, development and research of semiconductor devices for implementing high-capacity capacitors are underway in logic circuits requiring high-speed operation. In general, when the high-capacitance capacitor has a PIP (Polysilicon / Insulator / Polysilicon) structure, since the upper electrode and the lower electrode are used as conductive polysilicon, an oxidation reaction occurs at the interface between the upper and lower electrodes and the insulator film to form a natural oxide film. The disadvantage is that the size of the capacitance is reduced.
이를 해결하기 위하여 커패시터의 구조가 MIM(Metal/Insulator/Metal)로 변경되었는데, MIM형 커패시터는 비저항이 작고 내부에 공핍(depletion)에 의한 기생커패시턴스가 없기 때문에 높은 Q값을 요구하는 고성능 반도체장치에서 주로 이용되고 있다.To solve this problem, the structure of the capacitor has been changed to MIM (Metal / Insulator / Metal) .The MIM capacitor has a small specific resistance and no parasitic capacitance due to depletion. Mainly used.
그런데, MIM 커패시터는 상부 전극과 절연체막 및 하부 전극으로 이루어지는 단층의 커패시터를 구현하기 때문에 커패시터의 구조를 PIP에서 MIM 구조로 변경한다고 하더라도 고용량 커패시턴스를 확보하는데 제한이 있었다.However, since the MIM capacitor implements a single layer capacitor composed of an upper electrode, an insulator film, and a lower electrode, even if the structure of the capacitor is changed from the PIP to the MIM structure, there is a limit in securing a high capacitance.
이에 따라 복수의 MIM 구조 커패시터를 병렬연결 상태로 형성한 병렬형 커패시터가 제안되었다.Accordingly, a parallel capacitor having a plurality of MIM structure capacitors in parallel connection state has been proposed.
종래 기술에 따른 병렬형 커패시터는 일반적인 MIM 커패시터보다는 고용량의 커패시턴스를 확보할 수 있으나 커패시턴스를 보다 증대시키기 위해서는 새로운 구조의 커패시터가 요구된다.The parallel capacitor according to the related art can secure a higher capacitance than a general MIM capacitor, but a capacitor having a new structure is required to further increase the capacitance.
또한, 적층된 금속막과 절연막(유전체막)을 패터닝할 때에 위쪽의 금속막 및 절연막을 먼저 패터닝한 후에 아래쪽의 금속막 및 절연막을 패터닝하므로 아래쪽의 금속막 및 절연막의 패터닝을 위해 감광막 패턴을 형성할 때에 위쪽의 금속막 및 절연막이 노출되는 정렬 불량(misalign)이 야기될 수 있는 문제점이 있다.In addition, when the stacked metal film and the insulating film (dielectric film) are patterned, the upper metal film and the insulating film are patterned first, and the lower metal film and the insulating film are patterned, thereby forming a photosensitive film pattern for patterning the lower metal film and the insulating film. In this case, there is a problem that misalignment may be caused in which the upper metal film and the insulating film are exposed.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 동일한 면적에 커패시턴스를 최대화하여 칩 크기를 최소화할 수 있는 새로운 구조의 커패시터와 적층된 금속막과 절연막(유전체막)의 패터닝 시에 정렬 불량이 야기될 우려가 없는 커패시터의 제조 방법을 제공한다.The present invention has been proposed to solve such a problem, and misalignment occurs when patterning a capacitor and a stacked metal film and an insulating film (dielectric film) having a new structure capable of minimizing chip size by maximizing capacitance in the same area. A method of manufacturing a capacitor is not provided.
본 발명의 제 1 관점으로서 반도체 소자의 커패시터 제조 방법은, 하부 절연막 상에 제 1 금속막이 형성된 반도체 기판 상에 제 1 유전체막, 제 2 금속막, 제 2 유전체막, 제 3 금속막 및 상부 절연막을 차례로 형성하는 단계와, 상기 상부 절연막, 상기 제 3 금속막, 상기 제 2 유전체막 및 상기 제 2 금속막을 1차 패터닝하는 단계와, 상기 상부 절연막 및 상기 제 3 금속막을 2차 패터닝하는 단계와, 상기 2차 패터닝한 상기 상부 절연막을 포함한 상기 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막 내에 상기 제 1 금속층 및 상기 제 3 금속층에 전기적으로 연결되는 커패시터의 제 1 도전 플레이트와 상기 제 2 금속층에 전기적으로 연결되는 상기 커패시터의 제 2 도전 플레이트를 형성하는 단계를 포함한다.According to a first aspect of the present invention, a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device includes a first dielectric film, a second metal film, a second dielectric film, a third metal film, and an upper insulating film on a semiconductor substrate on which a first metal film is formed on a lower insulating film. Sequentially forming the first insulating film, first patterning the upper insulating film, the third metal film, the second dielectric film, and the second metal film, and second patterning the upper insulating film and the third metal film; Forming an interlayer insulating film on an entire surface of the semiconductor substrate including the second patterned upper insulating film, a first conductive plate of a capacitor electrically connected to the first metal layer and the third metal layer in the interlayer insulating film; Forming a second conductive plate of the capacitor electrically connected to the second metal layer.
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본 발명에 의하면, 장비 투자나 추가 공정의 설정(setup)을 고려하지 않고 현재의 장비 및 공정을 이용하여 동일한 면적에서 커패시턴스를 최대화하여 칩 크기를 최소화할 수 있다.According to the present invention, it is possible to minimize the chip size by maximizing capacitance in the same area using current equipment and processes without considering equipment investment or setup of additional processes.
그리고, 적층된 금속막과 유전체막을 패터닝할 때에 아래쪽의 금속막 및 절연막을 먼저 패터닝한 후에 위쪽의 금속막 및 절연막을 패터닝하므로 패터닝 시에 정렬 불량이 야기될 우려가 해소되는 효과가 있다.When the stacked metal film and the dielectric film are patterned, the lower metal film and the insulating film are patterned first, and then the upper metal film and the insulating film are patterned, thereby reducing the possibility of misalignment caused during patterning.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자 커패시터의 구조를 보인 소자 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor device capacitor according to the present invention.
도 1을 참조하면 본 발명의 커패시터는, 하부 절연막(101)에 의해 로직부 금속막(102)과 분리된 제 1 금속막(103)과, 제 1 금속막(103) 상에 형성된 제 1 유전체막(104)과, 제 1 유전체막(104) 상에 형성된 제 2 금속막(105)과, 제 2 금속막(105) 상에 형성된 제 2 유전체막(106)과, 제 2 유전체막(106) 상에 형성된 제 3 금속막(107)과, 제 3 금속막(107) 상에 형성된 상부 절연막(108)과, 상부 절연막(108)을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성된 층간 절연막(111)과, 층간 절연막(111) 내에 형성되어 제 1 금속층(103) 및 제 3 금속층(107)에 전기적으로 연결된 커패시터의 제 1 도전 플레이트(117a)와, 층간 절연막(111) 내에 형성되어 제 2 금속층(105)에 전기적으로 연결된 커패시터의 제 2 도전 플레이트(117b)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the capacitor of the present invention includes a
도면 중 미설명 도면부호인 117c는 로직부 금속막(102)에 전기적으로 연결되 는 콘택 플러그이다.
제 1 유전체막(104)과 제 2 유전체막(106)은 동일한 두께이며, 상부 절연막(108)은 제 1 유전체막(104) 및 제 2 유전체막(106)과 동일한 두께이거나 더 두꺼운 두께이다. 바람직하기로, 제 1 유전체막(104) 및 제 2 유전체막(106)은 450∼700Å 범위의 두께를 가진다.The first
본 발명에 의한 구조에 의하면, 제 1 금속막(103)과 제 2 금속막(105)에 의한 커패시터와 제 2 금속막(105)과 제 3 금속막(107)에 의한 커패시터가 병렬로 연결되어 전체적인 커패시턴스를 크게 하는 역할을 한다.According to the structure of the present invention, the capacitor by the
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 반도체 소자의 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 소자 단면도들이다. 이 단면도들을 참조하여 본 발명에 따른 커패시터 제조 방법에 대해 자세히 설명하기로 한다.2A to 2F are cross-sectional views illustrating devices for manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention. With reference to these cross-sectional views will be described in detail a capacitor manufacturing method according to the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이, 하부 절연막(101)에 의해 로직부 금속막(102)과 제 1 금속막(103)이 분리되어진 반도체 기판 상에 제 1 유전체막(104), 제 2 금속막(105), 제 2 유전체막(106), 제 3 금속막(107) 및 상부 절연막(108)을 차례로 형성한다. 그리고 제 1 감광막 패턴(109)을 형성한다.As shown in FIG. 2A, the first
이때, 제 1, 제 2 유전체막(104, 106)은 이후의 공정에서 MIM 커패시터 구조의 유전체막이 되며, 가능한 얇게 형성하는 것이 양호한 커패시터의 특성을 얻을 수 있다. 바람직하기로 제 1, 제 2 유전체막(104, 106)은 450∼700Å 범위 내의 두께로 형성하며, 동일한 두께로 형성한다.At this time, the first and second
상부 절연막(108)은 실리콘 질화막(SiN)을 사용하며, 제 1 유전체막(104) 및 제 2 유전체막(106)과 동일한 두께로 형성하거나 더 두껍게 형성한다.The upper
제 1, 제 2, 제 3 금속막(103, 105, 107)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나의 금속을 사용하거나 티타늄/질화 티타늄(Ti/TiN), 티타늄/알루미늄/질화 티타늄(Ti/Al/TiN), 탄탈늄/질화 탄탈늄(Ta/TaN) 중에서 어느 하나의 합금을 사용할 수 있다. 바람직하기로 제 1 금속망(103)은 구리 금속을 사용하며, 제 2, 제 3 금속막(105, 107)은 티타늄, 티타늄/질화 티타늄, 티타늄/알루미늄/질화 티타늄, 탄탈늄, 탄탈늄/질화 탄탈늄 중에서 어느 하나의 금속 또는 합금을 사용한다.The first, second, and
또한, 제 1, 제 2 유전체막(104, 106)은 ONO(Oxide Nitride Oxide)막, NO(Nitride Oxide)막, NON(Nitride Oxide Nitride)막, BST(Ba Sr TiO3)막, PZT(Pb Zr TiO3)막, 오산화탄탈(Ta2O5)막, 실리콘 질화막 등을 사용할 수 있다.In addition, the first and second
도 2b에 도시된 바와 같이, 제 1 감광막 패턴(109)을 식각 마스크로 하여 상부 절연막(108), 제 3 금속막(107), 제 2 유전체막(106), 제 2 금속막(105)을 제 1 유전체막(104)이 노출될 때까지 식각하여 패터닝한다. 즉 제 1 유전체막(104)을 식각정지막으로 이용한다. 그리고, 제 1 감광막 패턴(109)를 제거한 후에 제 2 감광막 패턴(110)을 형성한다. 여기서, 식각은 건식 식각 또는 화학 건식 식각(Chemical Dry Etch, CDE)을 이용한다.As shown in FIG. 2B, the upper
도 2c에 도시된 바와 같이, 제 2 감광막 패턴(110)을 식각 마스크로 하여 상부 절연막(108), 제 3 금속막(107)을 제 2 유전체막(106)이 노출될 때까지 식각하여 패터닝한다. 즉 제 2 유전체막(106)을 식각정지막으로 이용한다. 여기서, 식각은 건식 식각 또는 화학 건식 식각을 이용한다.As shown in FIG. 2C, the upper
그리고, 제 2 감광막 패턴(110)을 제거하고, 상부 절연막(108)을 포함한 반도체 기판의 전면에 층간 절연막(111)을 형성한 후에 화학기계적연마 또는 전면식각을 통해 그 표면을 평탄화시킨다. 여기서 층간 절연막(111)은 산화막 및 질화막을 이용하여 다층으로 형성하는 것이 바람직하다.After removing the second
이어서, 비아형성용 마스크를 이용하여 제 3 감광막 패턴(113)을 형성한다.Next, the third
도 2d에 도시된 바와 같이, 제 3 감광막 패턴(113)을 식각 마스크로 하여 제 1 유전체막(104)과 제 2 유전체막(106) 및 상부 절연막(108)의 표면이 소정 부분 노출되도록 층간 절연막(111)을 선택적으로 식각하여 비아(via)들을 형성하며, 형성한 비아들을 희생막(114)으로 매립한다. 여기서 희생막(114)은 비아홀들이 형성된 층간 절연막(111) 상에 비아홀들이 매립되도록 포토레지스트를 코팅한 후에 전면 식각을 통해 층간 절연막(111) 상부의 포토레지스트를 제거하여 형성한다.As shown in FIG. 2D, the interlayer insulating film is formed such that the surface of the first
그리고, 콘택형성용 마스크를 이용하여 제 4 감광막 패턴(115)을 형성한다.Then, the fourth
도 2e에 도시된 바와 같이, 제 4 감광막 패턴(115)을 마스크로 하여 제 1 금 속막(103)과 제 2 금속막(105) 및 제 3 금속막(107)의 표면이 소정 부분 노출되도록 층간 절연막(111), 희생막(114), 제 1 유전체막(104), 제 2 유전체막(106), 상부 절연막(108)을 선택적으로 식각하여 콘택홀(116)들을 형성한다. 그리고, 제 4 감광막 패턴(115)을 제거한다.As shown in FIG. 2E, the surface of the
도 2f에 도시된 바와 같이, 콘택홀(116)들 내에 구리막이나 텅스텐막과 같은 도전막을 매립시켜 콘택 플러그의 역할을 겸하는 금속 배선(117a, 117b)을 형성한다. 이때, 로직부 금속막(102)에 전기적으로 연결되는 콘택 플러그(117c)가 함께 형성된다. 여기서, 금속 배선(117a, 117b)은 콘택홀(116)을 포함한 층간 절연막(111)의 상부 전면에 도전막을 증착한 후에 화학기계적연마를 통해 평탄화하여 형성한다. 이로써, 콘택 플러그(117c)는 로직부 금속막(102)에 전기적으로 연결되며, 금속 배선(117a)은 제 1 금속막(103) 및 제 3 금속막(107)에 전기적으로 연결되고, 금속 배선(117b)은 제 2 금속막(105)에 전기적으로 연결된다.As shown in FIG. 2F, a conductive film such as a copper film or a tungsten film is embedded in the contact holes 116 to form
여기서, 금속 배선(117)에 의해 상호 연결되는 제 1 금속막(103)과 제 3 금속막(107)은 커패시터의 상부 도전 플레이트(top plate) 역할을 하며, 제 2 금속막(105)은 커패시터의 하부 도전 플레이트(bottom plate) 역할을 한다. 그리고 제 1 금속막(103)과 제 2 금속막(105)에 의한 커패시터와 제 2 금속막(105)과 제 3 금속막(107)에 의한 커패시터는 병렬로 연결되어 전체적인 커패시턴스를 크게 하는 역할을 한다.Here, the
지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.It has been described so far limited to one embodiment of the present invention, it is obvious that the technology of the present invention can be easily modified by those skilled in the art. Such modified embodiments should be included in the technical spirit described in the claims of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자 커패시터의 구조를 보인 소자 단면도,1 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device capacitor according to the present invention;
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 반도체 소자의 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 소자 단면도들.2A to 2F are cross-sectional views illustrating devices for manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
101 : 하부 절연막 102 : 로직부 금속막101: lower insulating film 102: logic portion metal film
103 : 제 1 금속막 104 : 제 1 유전체막103: first metal film 104: first dielectric film
105 : 제 2 금속막 106 : 제 2 유전체막105: second metal film 106: second dielectric film
107 : 제 3 금속막 108 : 상부 절연막107: third metal film 108: upper insulating film
109 : 제 1 감광막 패턴 110 : 제 2 감광막 패턴109: first photosensitive film pattern 110: second photosensitive film pattern
111 : 층간 절연막 113 : 제 3 감광막 패턴111
114 : 희생막 115 : 제 4 감광막 패턴114: sacrificial film 115: fourth photosensitive film pattern
116 : 콘택홀 117a, 117b : 금속 배선116:
117c : 콘택 플러그117c: Contact Plug
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