KR100997431B1 - Decoupling capacitor of semiconductor memory device and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터 및 그의 형성 방법에 관한 것으로서, 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 소정 간격 이격되게 형성되며, 최소한 일부 영역이 상기 하부 전극과 오버랩되는 상부 전극; 및 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이의 오버랩되는 영역에 패터닝되는 유전막;을 포함하는 디커플링 캐패시터를 제공함으로써, 상기 디커플링 캐패시터의 누설 전류를 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a decoupling capacitor and a method of forming the semiconductor memory device, the lower electrode; An upper electrode formed on the lower electrode and spaced apart from each other by a predetermined interval, and at least a portion of the upper electrode overlapping the lower electrode; And a dielectric film patterned in an overlapping region between the lower electrode and the upper electrode, thereby providing a decoupling capacitor, which significantly reduces the leakage current of the decoupling capacitor.
Description
본 발명은 반도체 메모리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터 및 그의 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly, to a decoupling capacitor and a method of forming the semiconductor memory device.
일반적으로, 반도체 메모리 장치는 전원에 유입되는 외부 잡음의 영향을 방지하기 위하여 많은 수의 디커플링 캐패시터(Decoupling Capacitor)를 구비한다.In general, a semiconductor memory device includes a large number of decoupling capacitors to prevent the influence of external noise flowing into a power source.
종래에는 디커플링 캐패시터로서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 게이트(G)가 전원 전압 라인에 연결되고, 소오스(S), 드레인(D), 및 벌크(B)가 접지 전압 라인에 공통으로 연결되는 MOS 트랜지스터형 캐패시터가 주로 사용된다.Conventionally, as a decoupling capacitor, as shown in FIG. 1A, a gate G is connected to a power supply voltage line, and a source S, a drain D, and a bulk B are commonly connected to a ground voltage line. MOS transistor type capacitors are mainly used.
이때, 상기 MOS 트랜지스터형 캐패시터는, 이론적으로 게이트와 소스 사이에 걸리는 전압 Vgs 레벨이 문턱 전압 Vt 레벨보다 낮은 경우, 턴 온되지 않아서 전류가 흐르지 않는다.At this time, the MOS transistor type capacitor, in theory, when the voltage Vgs level applied between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vt level, the current is not turned on.
하지만, 실제 MOS 트랜지스터형 캐패시터에서는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 게이트와 소오스 사이에 걸리는 전압 Vgs에 의한 누설 전류(Leakage Current) I1, 게이트와 드레인 사이에 걸리는 전압 Vgd에 의한 누설 전류 I2, 및 게이트와 벌크 사이에 걸리는 전압 Vgb에 의한 누설 전류 I3가 발생한다.However, in an actual MOS transistor type capacitor, as shown in Fig. 1B, the leakage current I1 by the voltage Vgs between the gate and the source, the leakage current I2 by the voltage Vgd between the gate and the drain, and The leakage current I3 is generated by the voltage Vgb across the gate and bulk.
이때, 누설 전류 I3는 양이 많지 않아서 그다지 문제가 되지 않지만, 누설 전류 I1, I2의 양은 게이트 옥사이드(Gate Oxide)의 두께에 반비례하므로, 게이트 옥사이드의 두께가 얇을수록 전류 소모 측면에서 문제가 발생할 수 있다.At this time, the leakage current I3 is not a problem because the amount is not large, but since the amount of leakage currents I1 and I2 is inversely proportional to the thickness of the gate oxide, a thinner gate oxide may cause a problem in terms of current consumption. have.
즉, 기술이 발전할수록 전원 변동에 따른 성능 개선을 위하여 디커플링 캐패시터가 많이 이용되는데, 이러한 디커플링 캐패시터로서 종래에는 MOS 트랜지스터형 캐패시터가 주로 사용된다.In other words, as the technology develops, many decoupling capacitors are used to improve performance due to power fluctuations. As the decoupling capacitors, MOS transistor type capacitors are conventionally used.
하지만, 반도체 메모리 장치가 고속 및 고집적으로 갈수록 게이트 옥사이드의 두께가 얇아지고 있으며, 이러한 얇은 게이트 옥사이드로 인하여 게이트와 소오스 사이에 걸리는 전압 Vgs에 의한 누설 전류 I1와, 게이트와 드레인 사이에 걸리는 전압 Vgd에 의한 누설 전류 I2가 증가할 수 있다.However, as the semiconductor memory device becomes faster and more highly integrated, the gate oxide becomes thinner, and the thin gate oxide causes the leakage current I1 due to the voltage Vgs between the gate and the source, and the voltage Vgd between the gate and the drain. Leakage current I2 may increase.
특히, 이와 같은 종래의 디커플링 캐패시터에 의한 누설 전류는 반도체 메모리 장치의 전체 누설 전류의 약 10% 이상을 차지하므로, 모바일 디램과 같은 저전력 동작이 요구되는 반도체 메모리 장치에서 큰 문제가 될 수 있는 문제점이 있다.In particular, since the leakage current by the conventional decoupling capacitor occupies about 10% or more of the total leakage current of the semiconductor memory device, a problem that may be a big problem in a semiconductor memory device requiring low power operation such as mobile DRAM is required. have.
본 발명은 누설 전류를 감소시킬 수 있는 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터를 제공한다.The present invention provides a decoupling capacitor of a semiconductor memory device capable of reducing leakage current.
본 발명은 누설 전류를 감소시킬 수 있는 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터의 형성 방법을 제공한다.The present invention provides a method of forming a decoupling capacitor of a semiconductor memory device capable of reducing leakage current.
본 발명의 일면에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터는, 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 소정 간격 이격되게 형성되며, 최소한 일부 영역이 상기 하부 전극과 오버랩되는 상부 전극; 및 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이의 오버랩되는 영역에 패터닝되는 유전막;을 포함함을 특징으로 한다.In an embodiment, a decoupling capacitor of a semiconductor memory device may include a lower electrode; An upper electrode formed on the lower electrode and spaced apart from each other by a predetermined interval, and at least a portion of the upper electrode overlapping the lower electrode; And a dielectric film patterned in an overlapping region between the lower electrode and the upper electrode.
상기 구성에서, 상기 유전막은 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 비아 구조로 형성됨이 바람직하다.In the above configuration, the dielectric layer is preferably formed in a via structure between the upper electrode and the lower electrode.
그리고, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이의 오버랩되는 영역에서, 상기 패터닝되는 유전막 사이에는 절연막이 더 포함됨이 바람직하다.In an overlapping region between the lower electrode and the upper electrode, an insulating film may be further included between the patterned dielectric layer.
또한, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에는 서로 다른 레벨의 전압이 인가되어 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 간에 소정 전압 차가 형성됨이 바람직하다.In addition, it is preferable that a different voltage is applied to the upper electrode and the lower electrode so that a predetermined voltage difference is formed between the upper electrode and the lower electrode.
본 발명의 다른 일면에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터는, 하나 이상의 요부를 갖는 하부 전극; 상기 하부 전극의 요부의 표면에 형성되는 유전막; 및 상기 하부 전극 상에 소정 간격 이격되게 형성되고, 상기 유전막에 접하는 요철을 갖는 상부 전극;을 포함함을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, a decoupling capacitor of a semiconductor memory device may include a lower electrode having one or more recesses; A dielectric film formed on a surface of the recess of the lower electrode; And an upper electrode formed on the lower electrode to be spaced apart from each other by a predetermined interval and having irregularities in contact with the dielectric film.
상기 구성에서, 상기 하부 전극은 둘 이상의 요부를 포함하며, 상기 각 요부 사이 영역에는 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 간을 절연시키는 절연막이 더 포함됨이 바람직하다.In the above configuration, it is preferable that the lower electrode includes two or more recesses, and an insulating layer for insulating the lower electrode and the upper electrode is further included in the region between the recesses.
그리고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에는 서로 다른 레벨의 전압이 인가되어 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 간에 소정 전압 차가 형성됨이 바람직하다.In addition, different levels of voltage may be applied to the upper electrode and the lower electrode to form a predetermined voltage difference between the upper electrode and the lower electrode.
본 발명의 일면에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터의 형성 방법은, 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극 상에 절연막을 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 절연막 사이에 유전막을 형성하는 단계; 및 상기 절연막과 상기 유전막의 상부에 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.According to one or more exemplary embodiments, a method of forming a decoupling capacitor of a semiconductor memory device includes: forming a lower electrode; Patterning an insulating film on the lower electrode; Forming a dielectric film between the patterned insulating film; And forming an upper electrode on the insulating film and the dielectric film.
상기 방법에서, 상기 유전막은 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 비아 구조로 형성됨이 바람직하다.In the method, the dielectric layer is preferably formed in a via structure between the upper electrode and the lower electrode.
그리고, 상기 절연막을 패터닝하는 단계는, 상기 하부 전극 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상에 상호 이격된 개구부를 갖는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 절연막을 식각하여 복수의 홀을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계;를 포함함이 바람직하다.The patterning of the insulating layer may include forming an insulating layer on the lower electrode; Forming a mask pattern having openings spaced apart from each other on the insulating layer; Etching the insulating layer using the mask pattern to form a plurality of holes; And removing the mask pattern.
또한, 상기 유전막은 상기 절연막의 복수의 홀에 형성됨이 바람직하다.In addition, the dielectric film is preferably formed in a plurality of holes of the insulating film.
본 발명의 다른 일면에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터의 형성 방법은, 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극에 하나 이상의 요부를 형 성하는 단계; 상기 하부 전극의 요부 표면에 유전막을 형성하는 단계; 상기 유전막이 형성된 부분을 제외한 상기 하부 전극의 표면에 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 절연막과 상기 유전막 상에 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, a method of forming a decoupling capacitor of a semiconductor memory device includes: forming a lower electrode; Forming one or more recesses in the lower electrode; Forming a dielectric film on a recessed surface of the lower electrode; Forming an insulating film on a surface of the lower electrode except for the portion where the dielectric film is formed; And forming an upper electrode on the insulating film and the dielectric film.
상기 방법에서, 상기 하부 전극에 요부를 형성하는 단계는, 상기 하부 전극 상에 최소한 하나의 개구부를 갖는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴의 개구부에 대응되는 상기 하부 전극을 식각하여 상기 요부를 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계;를 포함함이 바람직하다.In the method, forming a recess in the lower electrode may include forming a mask pattern having at least one opening on the lower electrode; Etching the lower electrode corresponding to the opening of the mask pattern to form the recessed portion; And removing the mask pattern.
본 발명은 두 전극 사이에 유전막이 개재된 구조의 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터를 제공함으로써, 디커플링 캐패시터의 누설 전류를 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.The present invention provides an effect of significantly reducing the leakage current of the decoupling capacitor by providing a decoupling capacitor of a semiconductor memory device having a structure in which a dielectric film is interposed between two electrodes.
본 발명은 두 전극 사이에 유전막이 개재된 구조의 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터의 형성 방법을 제공함으로써, 디커플링 캐패시터의 누설 전류를 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.The present invention provides a method of forming a decoupling capacitor of a semiconductor memory device having a structure in which a dielectric film is interposed between two electrodes, thereby reducing the leakage current of the decoupling capacitor.
본 발명은 두 전극 사이에 유전막이 개재된 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터를 제공함으로써, 상기 캐패시터의 누설 전류를 효과적으로 줄일 수 있다.The present invention can effectively reduce the leakage current of the capacitor by providing a decoupling capacitor of a semiconductor memory device having a dielectric film interposed between two electrodes.
구체적으로, 본 발명에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터는 일 실시 예로, 도 2a에 도시된 바와 같이, 하부 전극(10), 상부 전극(30), 및 두 전 극(10,30) 사이에 개재된 유전막(20)을 포함한다.Specifically, the decoupling capacitor of the semiconductor memory device according to the present invention may be interposed between the
여기서, 하부 전극(10)과 상부 전극(30)는 상호 이격되고 최소한 일부 영역이 서로 오버랩되게 배치된다. 그리고, 유전막(20)은 하부 전극(10)과 상부 전극(30)이 오버랩되는 영역에 패터닝(Patterning)된다.Here, the
이를 도 2b를 참조하여 더 구체적으로 살펴보면, 하부 전극(10)이 형성되고, 하부 전극(10) 상에 유전막(20)이 패턴으로 형성된다. 그리고, 유전막(20)의 상부에는 상부 전극(30)이 형성된다. 이때, 유전막(20)은 하부 전극(10)과 상부 전극(30) 사이에 비아(Via) 구조로 형성됨이 바람직하다.Referring to FIG. 2B, the
상기 구조에 있어서, 하부 전극(10)과 상부 전극(30)은 서로 전기적으로 분리되며, 이를 위해, 유전막(20) 사이에는 절연막(15)이 더 형성될 수 있다. 여기서, 절연막(15)은 유전막(20)과는 다른 절연 물질로 이루어짐이 바람직하다.In the above structure, the
이러한 구조를 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터의 형성 과정을 살펴보면, 우선, 하부 전극(10)이 형성되고, 하부 전극(10) 상에 절연막(15)이 형성된다.Referring to the process of forming the decoupling capacitor of the semiconductor memory device having the above structure, first, the
그리고, 절연막(15) 상에 상호 이격된 개구부(opening)를 갖는 마스크 패턴(도시되지 않음)이 형성되고, 상기 마스크 패턴을 통하여 절연막(15)에서 상기 개구에 대응되는 부분이 식각되어 홀(Hole)이 형성된다.Then, a mask pattern (not shown) having openings spaced apart from each other is formed on the
그 후, 상기 마스크 패턴이 제거되고, 상기 홀에 유전막(20)이 형성된다. 그리고 나서, 절연막(15)과 유전막(20)의 상부에 상부 전극(30)이 형성된다.Thereafter, the mask pattern is removed, and a
이러한 과정을 통해 형성된 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 메모리 장 치의 디커플링 캐패시터는 하부 전극(10), 상부 전극(30), 및 두 전극(10,30) 사이의 비아 구조의 유전막(20)에 의해서 전압을 충전 또는 방전한다.The decoupling capacitor of the semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention formed through the above process may be formed on the
즉, 하부 전극(10)과 상부 전극(30)에 서로 다른 레벨의 전압이 걸려 하부 전극(10)과 상부 전극(30) 간에 소정 전위차가 발생하면, 유전막(20)에 의해서 캐패시터가 형성된다.That is, when a predetermined potential difference occurs between the
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터는 MOS 캐패시터 구조가 아닌 두 전극과 두 전극 사이에 개재된 유전막을 포함한 구조로 이루어진다.As described above, the decoupling capacitor of the semiconductor memory device according to an exemplary embodiment of the present invention has a structure including two electrodes and a dielectric film interposed between the two electrodes, not the MOS capacitor structure.
따라서, MOS 캐패시터 구조에서 문제가 된 게이트와 소오스 사이에 걸리는 전압 Vgs, 게이트와 드레인 사이에 걸리는 전압 Vgd, 및 게이트와 벌크 사이에 걸리는 전압 Vgb에 의한 누설 전류가 전혀 발생하지 않으므로, 전류 소모가 현저히 줄어들 수 있는 효과가 있다.Therefore, in the MOS capacitor structure, no leakage current is generated due to the voltage Vgs between the gate and the source in question, the voltage Vgd between the gate and the drain, and the voltage Vgb between the gate and the bulk, so that the current consumption is remarkable. There is an effect that can be reduced.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터는 MOS 캐패시터 구조와 달리 두 전극(10,30)이 서로 교차하는 영역을 이용할 수 있으므로, 집적도(Density)가 향상될 수 있는 효과가 있다.In addition, unlike the MOS capacitor structure, the decoupling capacitor of the semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention may use a region where the two
본 발명에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터는 다른 실시 예로, 도 3a 및 도 3b와 같은 구조를 가질 수 있다.In another embodiment, the decoupling capacitor of the semiconductor memory device may have a structure as shown in FIGS. 3A and 3B.
우선, 도 3a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터는 본 발명의 일 실시 예와 마찬가지로, 하부 전극(100), 상부 전극(300), 및 두 전극(100,300) 사이에 개재된 유전막(200)을 포함하여 구성 될 수 있다.First, referring to FIG. 3A, a decoupling capacitor of a semiconductor memory device according to another exemplary embodiment of the present invention may include a
여기서, 하부 전극(100)은 하나 이상의 요부를 가지며, 상부 전극(300)은 하부 전극(100)의 요부에 대응하여 하나 이상의 요철을 갖는다. 그리고, 유전막(200)은 하부 전극(100)의 요부와 상부 전극(300)의 요철 사이의 경계면에 배치된다.Here, the
이를 도 3b를 참조하여 구체적으로 살펴보면, 하나 이상의 요부를 갖는 하부 전극(100)이 형성되고, 상기 요부의 표면에 접하게 유전막(200)이 형성된다. 그리고, 하부 전극(100)과 유전막(200)의 상부에 상부 전극(300)이 형성된다.Referring to FIG. 3B, the
여기서, 상부 전극(300)은 유전막(200)에 접하는 요철 구조로 이루어진다. 그리고, 유전막(200)이 접하는 부분을 제외하고 하부 전극(100)과 상부 전극(300)은 소정 간격 이격되어 형성되며, 상기 이격되는 부분에는 전기적 분리를 위하여 절연막(250)이 형성됨이 바람직하다.Here, the
이러한 구조를 갖는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터의 형성 과정을 살펴보면, 우선, 표면이 평탄한 하부 전극(100)이 형성된다.Looking at the process of forming the decoupling capacitor of the semiconductor memory device according to another embodiment of the present invention having such a structure, first, the
이러한 하부 전극(100)에는 하나 이상의 요부가 형성되며, 상기 요부가 형성되는 과정은, 일 예로, 다음과 같이 이루어질 수 있다.One or more recesses are formed in the
우선, 하부 전극(100) 상에 하나 이상의 개구부를 갖는 마스크 패턴(도시되지 않음)이 형성된다. 그리고, 상기 하부 전극(100)에서 상기 마스크 패턴의 개구부에 대응되는 부분이 식각되어 상기 요부가 형성된다. 그리고 나서, 상기 마스크 패턴이 제거됨으로써, 하나 이상의 요부를 갖는 하부 전극(100)이 형성된다.First, a mask pattern (not shown) having one or more openings is formed on the
그 후, 하부 전극(100)의 요부 표면에 유전막(200)이 형성되고, 하부 전극(100)과 유전막(200)의 상부에 절연막(250)이 형성된다. 이때, 하부 전극(100)의 요부, 즉, 절연막(250) 상에 형성된 절연막(250)은 마스크 패턴을 통하여 제거됨이 바람직하다.Thereafter, the
그리고 나서, 절연막(250)과 유전막(200)의 상부에 상부 전극(300)이 형성된다. 여기서, 상부 전극(300)은 하부 전극(100)의 요부에 대응되는 요철을 가지며, 상기 요철은 유전막(200)에 접하게 형성됨이 바람직하다.Then, the
이러한 과정을 통해 형성된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터는 본 발명의 일 실시 예와 동일하게 누설 전류가 발생하지 않는 효과가 있다.The decoupling capacitor of the semiconductor memory device according to another embodiment of the present invention formed through such a process has the same effect that no leakage current is generated as in the embodiment of the present invention.
아울러, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터는 하부 기판(100)과 상부 기판(300) 간의 단차가 크므로, 디커플링 캐패시터 용량이 현저히 증가할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the step difference between the
도 1a 및 도 1b는 종래의 MOS 트랜지스터형 디커플링 캐패시터를 나타내는 도면.1A and 1B show a conventional MOS transistor type decoupling capacitor.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터를 나타내는 평면도 및 측면도.2A and 2B are plan and side views illustrating a decoupling capacitor of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 디커플링 캐패시터를 나타내는 평면도 및 측면도.3A and 3B are plan and side views illustrating a decoupling capacitor of a semiconductor memory device according to another embodiment of the present invention.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E90F | Notification of reason for final refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |