KR101097168B1 - Method for forming semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 본 발명은 MIM 캐패시터를 제 1 금속 배선 상부에 형성하는데 있어서, 얼라인 키 마스크(Align Key Mask) 공정 단계가 복잡하고 불량률이 많아 수율이 떨어지는 문제 및 MIM 캐패시터를 식각하는 단계에서 하부 금속 배선에 손상이 가해지는 문제를 해결하기 위하여, 제 1 금속 배선을 형성한 후 배리어 절연막을 형성하고 상부 전극층을 투명할 정도로 얇게 형성함으로써, 반도체 소자의 MIM 캐패시터 형성 공정을 단순화하고 반도체 소자의 특성을 향상 시킬 수 있는 반도체 소자의 형성 방법이다.The present invention relates to a method of forming a semiconductor device, and the present invention relates to a problem in that a process of forming an alignment key mask (Align Key Mask) is complicated and has a high defect rate in forming a MIM capacitor on the first metal wiring. In order to solve the problem of damage to the lower metal wiring in the etching of the MIM capacitor, after forming the first metal wiring, a barrier insulating film is formed and the upper electrode layer is formed to be thin enough to be transparent, thereby forming the MIM capacitor of the semiconductor device. It is a method of forming a semiconductor device that can simplify the process and improve the characteristics of the semiconductor device.
Description
도 1은 종래 기술에 따른 Al 금속 배선에 사용되는 MIM 캐패시터의 단면도.1 is a cross-sectional view of a MIM capacitor used for Al metal wiring according to the prior art.
도 2는 종래 기술에 따른 Cu 금속 배선에 사용되는 MIM 캐패시터의 단면도.2 is a cross-sectional view of a MIM capacitor used for Cu metal wiring according to the prior art.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도들.3A to 3G are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with the present invention.
본 발명은 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, MIM 캐패시터를 제 1 금속 배선 상부에 형성하는데 있어서, 얼라인 키 마스크(Align Key Mask) 공정 단계가 복잡하고 불량률이 많아 수율이 떨어지는 문제 및 MIM 캐패시터를 식각하는 단계에서 하부 금속 배선에 손상이 가해지는 문제를 해결하기 위하여, 제 1 금속 배선을 형성한 후 배리어 절연막을 형성하고 상부 전극층을 투명할 정도로 얇게 형성하는 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a semiconductor device, wherein in forming an MIM capacitor on an upper portion of a first metal wire, an alignment key mask process step is complicated and a defect rate is high, resulting in a low yield and a MIM capacitor. In order to solve the problem of damage to the lower metal interconnection in the etching step, the present invention relates to a method of forming a semiconductor device, after forming the first metal interconnection to form a barrier insulating film and to form the upper electrode layer thin enough to be transparent.
반도체 소자 중 고집적 반도체 소자에 사용되는 캐패시터의 구조로는 폴리실리콘 대 폴리실리콘(Polysilicon to Polysilicon), 폴리실리콘 대 실리콘(Polysilicon to Silicon), 금속층 대 실리콘(Metal to Silicon), 금속층 대 폴리 실리콘(Metal to Polysilicon) 및 금속층 대 금속층(Metal to Metal)의 다양한 캐패시터 구조들이 사용되어 왔다. 이들 캐패시터 구조들 중 금속층 대 금속층(Metal to Metal) 또는 금속층/유전막/금속층(Metal Insulator Metal : 이하 MIM) 구조는 직렬 저항(Series Resistance)이 낮아 높은 저장 용량을 갖는 캐패시터를 만들 수 있으며, 열적 안정성 및 VCC가 낮은 장점으로 인하여 현재 캐패시터의 구조로 널리 이용되고 있다.Among the semiconductor devices, capacitors used in highly integrated semiconductor devices include polysilicon to polysilicon, polysilicon to silicon, metal to silicon, and metal to metal silicon. Various capacitor structures of to Polysilicon and metal to metal have been used. Among these capacitor structures, metal to metal or metal to dielectric / metal insulator metal (MIM) structures have a low series resistance, which makes a capacitor having high storage capacity and thermal stability. And because of the low VCC advantage is widely used as the structure of the current capacitor.
상기 MIM 캐패시터는 일반적으로 금속 배선 사이에 위치하게 되는데, 그 형성 공정 단계가 매우 복잡하여 불량률이 높고 반도체 소자의 형성 수율이 저하된다는 문제가 있다.The MIM capacitor is generally located between the metal wires. However, the MIM capacitor has a problem in that the formation process step is very complicated, resulting in a high defect rate and a low yield of semiconductor devices.
도 1은 종래 기술에 따른 Al 금속 배선에 사용되는 MIM 캐패시터의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a MIM capacitor used in the Al metal wiring according to the prior art.
도 1을 참조하면, Al 제 1 금속 배선(10) 상부에 금속 배리어층(20)을 형성한 후 제 1 금속 배선(10) 상부에 MIM 캐패시터를 형성한다. 이때, Al 금속 배선 구조에는 딥 비아(Deep Via)가 이미 형성되어 있으므로 얼라인 키 마스크 공정이 추가로 필요하지 않게 된다. 그러나, 금속 배선의 선폭이 감소하면서 금속층의 매립이나 저항 증가 문제로 Al 금속 배선에서 Cu 금속 배선으로 변화하고 있다.Referring to FIG. 1, a
도 2는 종래 기술에 따른 Cu 금속 배선에 사용되는 MIM 캐패시터의 단면도이다2 is a cross-sectional view of a MIM capacitor used for Cu metal wiring according to the prior art.
도 2를 참조하면, 다마신(damascene) 공정을 이용하여 형성된 제 1 금속 배선(10) 및 ILD(Inter Layer Dielectric) 절연막(15) 상부에, MIM 캐패시터 형성을 위한 하부 전극층(30), 유전층(40) 및 상부 전극층(50)을 순차적으로 증착한다. 이때, 상부 및 하부 전극층(30, 50)은 PVD 방식으로, 유전층(40)은 CVD 방식을 이용하여 증착하며, 상부 전극층(50) 및 하부 전극층(20)은 TaN 또는 TiN 을 사용할 수 있으며, 유전층(40)으로는 질화막(nitride), 산화막(oxide), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2), 산화지르코늄(ZrO2) 및 산화탄탈륨(Ta2O5)을 사용하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 2, the
그 다음에는, MIM 캐패시터 상부에 식각정지막(60)을 형성한 후 IMD 절연막(70)을 형성한다.Next, the
그 다음에는, IMD 절연막(70)에 다마신 패턴을 형성하고 제 2 금속 배선(90)을 형성한다. Next, a damascene pattern is formed on the IMD
이때, 제 1 금속 배선(20)이 노출될 경우 MIM 캐패시터를 패터닝하는 식각 공정이나, 후속의 각 공정 단계에서 반도체 기판을 습식 세정하는 공정에서 제 1 금속 배선에 심각하게 산화가 진행되어 단락이나 단선 등과 같은 치명적인 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.At this time, when the
또한, 후속의 MIM 캐패시터 형성 시 하부 전극층을 TaN 과 같은 불투명한 물질을 이용하여 MIM 캐패시터를 형성하는 경우 오버레이 키(overlay key)나 얼라인 키(Align Key)가 보이지 않게 되는 문제를 고려해야 한다. 따라서, 하부 전극층 증착 전에 깊은 얼라인 키 및 오버레이 키를 형성하기 위하여, 산화막(35)의 식각 공정과 동시에 키 식각 공정을 진행하여야 한다.. In addition, when the MIM capacitor is formed using an opaque material such as TaN as the lower electrode layer, the overlay key or the align key may not be visible when the MIM capacitor is formed later. Therefore, in order to form the deep alignment key and the overlay key before depositing the lower electrode layer, the key etching process must be performed simultaneously with the etching process of the oxide film 35.
상술한 바와 같이, MIM 캐패시터 형성 공정 시 오버레이 키 및 얼라인 키를 형성해야하는 공정 단계가 더 요구되고, 생산 공정 단계가 복잡하게 된다. 따라서, 불량 발생 가능성이 많아질 뿐만 아니라 MIM 캐패시터가 형성된 영역의 경우 다른 영역에 비하여 단차가 매우 심하게 발생하여 후속 제 2 금속 배선 형성 단계에서의 공정 여유도가 감소하게 되는 문제가 있다. As described above, during the MIM capacitor formation process, a process step of forming an overlay key and an alignment key is further required, and the production process step becomes complicated. Therefore, not only the possibility of defects increases, but also in the region in which the MIM capacitor is formed, there is a problem in that a step occurs very severely compared to other regions, thereby reducing the process margin in the subsequent second metal wiring forming step.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 제 1 금속 배선을 형성한 후 배리어 절연막을 형성하고 상부 전극층을 투명할 정도로 얇게 형성함으로써, 반도체 소자의 MIM 캐패시터 형성 공정을 단순화하고 반도체 소자의 특성을 향상 시킬 수 있는 반도체 소자의 형성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, and after forming the first metal wiring to form a barrier insulating film and the upper electrode layer to be thin enough to be transparent, to simplify the process of forming the MIM capacitor of the semiconductor device and characteristics of the semiconductor device It is an object of the present invention to provide a method for forming a semiconductor device capable of improving the efficiency of the semiconductor device.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 것으로서,The present invention is to achieve the above object,
제 1 금속 배선이 구비된 ILD 절연막 상부에 배리어 절연막을 형성하는 단계와,Forming a barrier insulating film on the ILD insulating film provided with the first metal wiring;
상기 배리어 절연막의 소정 부분을 식각하여 MIM 캐패시터 예정 영역을 노출시키는 단계와,Etching a predetermined portion of the barrier insulating film to expose a predetermined region of the MIM capacitor;
상기 노출된 영역을 매립하는 금속 배리어층을 상기 배리어 절연막 높이 까지 증착하여 하부 전극층을 형성하는 단계 및Depositing a metal barrier layer filling the exposed region to a height of the barrier insulating layer to form a lower electrode layer; and
상기 금속 배리어층 상부에 유전층 및 투명한 상부 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. And forming a dielectric layer and a transparent upper electrode layer over the metal barrier layer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of forming a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도들이다.3A to 3G are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with the present invention.
도 3a를 참조하면, 제 1 금속 배선(110)이 구비된 ILD 절연막(100) 상부에 배리어 절연막(120)을 형성한다. 이때, 배리어 절연막(120)은 탄화실리콘(SiC) 또는 질화실리콘(SiN)을 사용하여 100 ~ 1000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 배리어 절연막(120)은 하부의 제 1 금속 배선(110)이 후속의 MIM 캐패시터 형성을 위한 식각공정에 의해서 손상되는 것을 방지하는 역할을 한다.Referring to FIG. 3A, the
도 3b를 참조하면, 배리어 절연막(120)의 소정 부분을 식각하여 MIM 캐패시터 예정 영역을 노출시킨다. 이때, 제 1 금속 배선(110) 영역에 후속의 MIM 캐패시터 하부 전극 영역이 포함되도록 좁은 영역을 노출 시키는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 3B, a predetermined portion of the
도 3c를 참조하면, 노출된 영역을 매립하는 금속 배리어층(125)을 배리어 절연막(120)의 높이 까지 형성한다. 이때, 금속 배리어층(125)은 CVD 방법을 이용하여 형성한 텅스턴층 또는 질화텅스턴층일 수도 있고 무전해 도금 방식을 이용하여 형성한 CoWP, CoMoP, CoWB 및 CoNiP층 중 선택된 어느 하나일 수도 있으며, 이때 상기 금속배리어층(125)은 100 ~ 1000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 제 1 금속 배선(110)과 접속되는 MIM 캐패시터의 하부 전극층의 역할을 한다.Referring to FIG. 3C, the
도 3d를 참조하면, 금속 배리어층(125) 및 배리어 절연막(120) 전면에 MIM 캐패시터를 형성하는 유전층(130) 및 투명한 상부 전극층(140)을 형성한다. 이때, 유전층(130)은 실리콘 질화막(Si3N4), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화탄탈륨(Ta2O5) 중 선택된 어느 하나를 사용하여, 100 ~ 1000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
아울러, 상부 전극층(140)은 PVD, CVD 또는 ALD 방법을 이용하여 형성한 탄탈륨층 또는 질화탄탈륨일 수도 있고 CVD 방법을 이용하여 형성한 텅스턴층 또는 질화텅스턴층일 수도 있으며, 무전해 도금 방식을 이용하여 형성한 CoWP, CoMoP, CoWB 및 CoNiP층 중 선택된 어느 하나 일수도 있다. 이때, 상기 상부 전극층(140)은 10 ~ 50Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 상부 전극층(140)을 투명하게 형성함으로써, 후속의 MIM 캐패시터 패터닝 공정을 위한 얼라인 키 형성 공정을 생략할 수 있다.Referring to FIG. 3D, the
In addition, the
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다음에는, 후속의 제 2 금속 배선 형성 공정을 고려하여, 식각정지막(150)을 상부 전극층(140) 상부에 더 형성한 후에 MIM 캐패시터 패터닝 공정을 진행하는 것이 더 바람직하다.Next, in consideration of the subsequent second metal wiring forming process, it is more preferable to further form the
도 3e를 참조하면, MIM 캐패시터 마스크를 이용하여 식각정지막(150), 상부 전극층(140), 유전층(130) 및 금속 배리어층(125)을 순차적으로 식각함으로써, MIM 캐패시터를 형성한다.Referring to FIG. 3E, the
도 3f를 참조하면, 배리어 절연막(120) 상부에 IMD 절연막(170)을 형성하고, IMD 절연막(170)을 식각하여 금속 배선용 다마신 패턴을 형성한다. 이때, IMD 절연막(170)은 SiO2 또는 OSG(organosilica glass)를 사용하여 형성하는 것이 바람직하며, 금속 배선용 다마신 패턴을 형성한 후에 H2 플라즈마 방식을 이용한 세정 공정을 수행한다.
Referring to FIG. 3F, the
도 3g를 참조하면, 다마신 패턴에 확산방지막(180) 및 금속 시드층(미도시)을 형성한 후 제 2 금속 배선(190)을 형성한다. 이때, 확산방지막(180)은 10 ~ 300Å의 두께로 형성하고, 금속 시드층은 PVD 또는 CVD 방식을 이용하여 50 ~ 1500Å의 두께로 형성하며, 제 2 금속 배선(190)을 매립하는 공정은 무전해 도금방식, 전해 도금 방식, PVD 또는 CVD 방식을 이용하여 수행하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 3G, the
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 제 1 금속 배선을 형성한 후 금속 배리어층을 하부 전극층으로 사용하고 상부 전극층을 투명할 정도로 얇게 형성함으로써, 반도체 소자의 MIM 캐패시터 형성 공정을 단순화하고 반도체 소자의 수율 및 특성을 향상 시킬 수 있는 효과를 제공한다. As described above, the present invention simplifies the process of forming a MIM capacitor of a semiconductor device by using a metal barrier layer as a lower electrode layer and forming an upper electrode layer so as to be transparent after forming the first metal wiring, and thus yields a semiconductor device. And it provides an effect that can improve the characteristics.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions, and substitutions are possible, and that various modifications, additions and substitutions are possible, within the spirit and scope of the appended claims. As shown in Fig.
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