KR20030042232A - Method of forming mim capacitor having cylinder structure - Google Patents

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KR20030042232A
KR20030042232A KR1020010072912A KR20010072912A KR20030042232A KR 20030042232 A KR20030042232 A KR 20030042232A KR 1020010072912 A KR1020010072912 A KR 1020010072912A KR 20010072912 A KR20010072912 A KR 20010072912A KR 20030042232 A KR20030042232 A KR 20030042232A
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이준현
김길호
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주식회사 하이닉스반도체
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L28/00Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40Capacitors
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    • H01L28/82Electrodes with an enlarged surface, e.g. formed by texturisation
    • H01L28/90Electrodes with an enlarged surface, e.g. formed by texturisation having vertical extensions
    • H01L28/91Electrodes with an enlarged surface, e.g. formed by texturisation having vertical extensions made by depositing layers, e.g. by depositing alternating conductive and insulating layers

Abstract

PURPOSE: A method for fabricating a metal insulator metal(MIM) capacitor is provided to increase capacitance, reduce the size of an electrode and eliminate a step caused by an upper electrode by making the MIM capacitor composed of a cylinder structure. CONSTITUTION: A semiconductor substrate(21) on which an underlying layer(22) is formed is prepared. The first metal layer for a lower electrode(23a) is formed on the underlying layer. A groove of a predetermined depth is formed in a predetermined position of the first metal layer. A dielectric layer(26) is deposited on the first metal layer including the groove. The second metal layer for the upper electrode(27a) is formed on the dielectric layer to completely fill the groove. The second metal layer and the dielectric layer are polished until the first metal layer is exposed so that the upper electrode is formed in the groove by interposing the dielectric layer. The first metal layer is patterned to form the lower electrode.

Description

실린더 구조의 엠아이엠 캐패시터 형성방법{METHOD OF FORMING MIM CAPACITOR HAVING CYLINDER STRUCTURE}METHOD OF FORMING MIM CAPACITOR HAVING CYLINDER STRUCTURE}

본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a capacitor of a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a MIM capacitor of a cylinder structure.

아날로그 캐패시터(analog capacitor)는 통상적으로 피아이피(PIP : Poly-Insulator-Poly) 구조가 아닌 엠아이엠(MIM : Metal-Insulator-Metal) 구조로 형성된다. 이것은 RF 대역의 아날로그 회로에 사용되는 캐패시터는 높은 Q(Quality Factor) 값이 요구되는데, 이를 실현하기 위해선 전극 재료로서 공핍(Depletion)이 거의 없고, 저항이 낮은 금속 전극의 사용이 필수적이기 때문이다.The analog capacitor is typically formed of a metal-insulator-metal (MIM) structure instead of a poly-insulator-poly (PIP) structure. This is because a capacitor used in an analog circuit in an RF band requires a high Q (Quality Factor) value, because it requires little depletion and low resistance metal electrode as an electrode material.

도 1a 내지 도 1e는 종래의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.1A to 1E are cross-sectional views illustrating processes for forming a conventional MIM capacitor, which will be described below.

도 1a를 참조하면, 반도체 기판(1) 상에 소정의 하지층(10)을 형성한 상태에서, 상기 하지층(10) 상에 하부전극용 제1금속막(11), 유전체막(12) 및 상부전극용 제2금속막(13)을 차례로 형성한다. 그런다음, 상기 제2금속막(13) 상에 공지의 포토리소그라피 공정을 통해서 캐패시터 상부전극 형성 영역을 한정하는 제1감광막 패턴(14)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, in a state in which a predetermined base layer 10 is formed on a semiconductor substrate 1, a first metal film 11 and a dielectric film 12 for lower electrodes on the base layer 10 are formed. And the second metal film 13 for the upper electrode is formed in this order. Then, the first photoresist layer pattern 14 defining the capacitor upper electrode formation region is formed on the second metal layer 13 through a known photolithography process.

여기서, 상기 하지층(10)은 트랜지스터와 표면 평탄화가 이루어진 층간절연막을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 하부 및 상부전극용 제1금속막(11)과 제2금속막(13)은 Ti/TiN/Al/Ti/TiN의 적층막으로 이루어진 것으로 이해될 수 있으며, 이때, Al막은 저항이 낮은 것으로 인해 실질적인 전기 신호를 전달하도록 기능하며, 상기 Al막 하부의 Ti막 및 TiN막은 각각 접착층 및 확산방지층으로, 그리고, 상기 Al막 상부의 Ti막 및 TiN막은 각각 접착층 및 반사방지층으로서 각각 기능한다. 게다가, 상기 유전체막(12)은 유전상수(dielectric constant)가 높은 산화막, 예컨데, 실리콘옥시나이트라이드(SiOxNy)막, 실리콘나이트라이드(Si3N4)막, 또는, PECVD 방식에 의해 형성된 산화막으로 이루어진다. 아울러, 도시되지는 않았으나, 상기 하지층(10)에는 콘택플러그가 존재하고, 이 콘택플러그는 하부전극용 제1금속막과 콘택된 것으로 이해될 수 있다.Here, the base layer 10 may be understood to include an interlayer insulating film having a surface planarized with a transistor. In addition, the first and second metal films 11 and 13 for the lower and upper electrodes may be understood to be formed of a laminated film of Ti / TiN / Al / Ti / TiN, wherein the Al film has a low resistance. Therefore, the Ti film and the TiN film under the Al film function as an adhesive layer and a diffusion barrier layer, and the Ti and TiN films on the Al film function as an adhesive layer and an antireflection layer, respectively. In addition, the dielectric film 12 includes an oxide film having a high dielectric constant, for example, a silicon oxynitride (SiOxNy) film, a silicon nitride (Si3N4) film, or an oxide film formed by PECVD. In addition, although not shown, a contact plug exists in the base layer 10, and the contact plug may be understood to be in contact with the first metal film for the lower electrode.

도 1b를 참조하면, 제1감광막 패턴(14)을 식각 마스크로 이용해서 제2금속막(13)과 유전체막(12)을 식각하여 캐패시터 상부전극(13a)을 얻는다. 이때, 상기 식각은 Cl2, BCl3 및 N2 가스의 혼합 가스로 이루어진 활성화 플라즈마를 이용한 건식 식각으로 수행한다. 또한, 상기 캐패시터 상부전극(13a)의 형성을 위한 공정은 제2금속막(13)의 식각, 제1감광막 패턴(14)의 제거, 유전체막(12)의 식각 순으로 진행하거나, 또는, 제2금속막(13)의 식각, 유전체막(12)의 식각, 제1감광막 패턴(14)의 제거 순으로 진행한다. 아울러, 상기 유전체막(12)의 식각은 "C" 및 "F"를 주성분으로 하는 가스, 예컨데, CF4, C2F6, C4F8, C5F8 등과 같은 CxFy 가스를 이용하여 활성화시킨 플라즈마로 수행한다.Referring to FIG. 1B, the second metal film 13 and the dielectric film 12 are etched using the first photoresist film pattern 14 as an etching mask to obtain a capacitor upper electrode 13a. In this case, the etching is performed by dry etching using an activated plasma composed of a mixed gas of Cl2, BCl3 and N2 gas. In addition, the process for forming the capacitor upper electrode 13a may be performed in the order of etching the second metal film 13, removing the first photoresist film pattern 14, or etching the dielectric film 12. The etching of the second metal film 13, the etching of the dielectric film 12, and the removal of the first photoresist film pattern 14 are performed in this order. In addition, the etching of the dielectric film 12 is performed by a plasma activated using a gas containing "C" and "F" as a main component, for example, a CxFy gas such as CF4, C2F6, C4F8, C5F8, and the like.

계속해서, 상기 결과물 상에 감광막을 도포한 후, 이를 노광 및 현상하여 캐패시터 하부전극의 형성을 위한 제2감광막 패턴(15)을 형성한다.Subsequently, after the photoresist is coated on the resultant, the photoresist is exposed and developed to form a second photoresist pattern 15 for forming a capacitor lower electrode.

도 1c를 참조하면, 제2감광막 패턴에 의해 덮히지 않고 노출된 제1금속막 부분을 Cl2, BCl3 및 N2의 혼합 가스로 이루어진 활성화 플라즈마로 식각한 후, 식각 마스크로 이용된 제2감광막 패턴을 제거하여 캐패시터 하부전극(11a)을 형성하고, 이 결과로서, 하부전극(11a)과 유전체막(12) 및 상부전극(13a)의 적층 구조로 이루어지는 엠아이엠(MIM) 캐패시터(20)를 완성한다. 도 1c에서, 미설명된 도면부호 11b는 회로배선을 나타낸다.Referring to FIG. 1C, the exposed first metal film portion, which is not covered by the second photoresist film pattern, is etched with an activated plasma made of a mixed gas of Cl 2, BCl 3, and N 2, and then the second photoresist pattern used as an etching mask is etched. To form the capacitor lower electrode 11a, and as a result, the MIM capacitor 20 having the laminated structure of the lower electrode 11a, the dielectric film 12, and the upper electrode 13a is completed. . In Fig. 1C, reference numeral 11b, which has not been described, indicates circuit wiring.

도 1d를 참조하면, 상기 결과물 상에 층간절연막(16)을 형성하고, 화학적기계연마(Chemical Mechanical Polishing : 이하, CMP) 공정을 통해 그 표면을 평탄화시킨다. 여기서, 상기 층간절연막(16)은 그 증착후에 CMP 공정이 적용되더라도 산화막 재질의 단일막이 적용될 경우에는 하층의 표면 토폴로지(surface topology)로 인해 완전한 평탄화가 이루어지지 못한다.Referring to FIG. 1D, an interlayer insulating film 16 is formed on the resultant, and the surface thereof is planarized through a chemical mechanical polishing (CMP) process. Here, even if the CMP process is applied after the deposition, the interlayer insulating layer 16 may not be completely planarized due to the surface topology of the lower layer when a single layer of an oxide material is applied.

따라서, 도시된 바와 같이, 상기 층간절연막(16)은 완전한 평탄화를 위해 BPSG막과 같은 절연막의 단일막이나, SOG 및 FOX와 같은 평탄화막(16a)과 PE-TEOS(16b)의 이중막, 또는, 그 이상의 적층막으로 구성한다.Thus, as shown, the interlayer insulating film 16 is a single film of an insulating film, such as a BPSG film, or a double film of a planarizing film 16a, such as SOG and FOX, and a PE-TEOS 16b, for complete planarization, or Or more laminated films.

도 1e를 참조하면, 상기 층간절연막(16)의 소정 부분들을 선택적으로 식각하여 캐패시터 하부 및 상부전극(11a, 13a)과 회로배선(11b)을 각각 노출시키는 콘택홀들을 형성하고, 이어, 각 콘택홀들 내에 텅스텐막과 같은 도전막을 매립시켜 회로배선(11b)과 캐패시터 하부 및 상부전극(11a, 13a)과 각각 콘택되는 콘택플러그들(17)을 형성한다. 그리고나서, 상기 층간절연막(16) 상에 금속막의 증착 및 패터닝을 수행하여 각 콘택플러그들(17)를 통해 상기 회로배선(11b)과 캐패시터 하부 및 상부전극(11a, 13a)과 전기적으로 콘택되는 금속 전극들(18)을 형성한다. 여기서, 상기 금속 전극들(18)은 상기 캐패시터 하부 및 상부전극(11a, 13a)과 마찬가지로 Ti/TiN/Al/Ti/TiN의 적층 구조로 형성한다.Referring to FIG. 1E, predetermined portions of the interlayer insulating layer 16 are selectively etched to form contact holes for exposing the capacitor lower and upper electrodes 11a and 13a and the circuit wiring 11b, respectively. A conductive film such as a tungsten film is embedded in the holes to form contact plugs 17 contacting the circuit wiring 11b and the capacitor lower and upper electrodes 11a and 13a, respectively. Then, by depositing and patterning a metal film on the interlayer insulating layer 16, the contact line 17 is electrically contacted with the circuit wiring 11b and the capacitor lower and upper electrodes 11a and 13a. Metal electrodes 18 are formed. Here, the metal electrodes 18 are formed in a stacked structure of Ti / TiN / Al / Ti / TiN similarly to the capacitor lower and upper electrodes 11a and 13a.

그러나, 전술한 바와 같은 종래의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법은 다음과 같은 문제점이 있다.However, the above-described conventional method for forming MIM capacitors has the following problems.

첫째, 전술한 바와 같이, 상부전극용 제2금속막의 식각후에는 유전체막을 식각하게 되는데, 이 과정에서 수평 방향으로의 식각(horizontal etch)이 일어나, 도 2에 도시된 바와 같이, 유전체막(12)의 측부가 과도 식각될 수 있으며, 이 결과로, 상부전극과 하부전극간의 쇼트(short)가 발생될 수 있다.First, as described above, the dielectric film is etched after the second metal film for the upper electrode is etched. In this process, a horizontal etch occurs, and as shown in FIG. 2, the dielectric film 12 is etched. The side portion of) may be excessively etched, and as a result, a short between the upper electrode and the lower electrode may occur.

둘째, 하부전극은 상부전극의 패터닝후에 재차 감광막의 패터닝 및 제1금속막의 식각을 통해 형성하기 때문에 그 형성이 쉽지 않으며, 특히, 미세 패턴의 형성이 어렵다.Second, since the lower electrode is formed through patterning of the photoresist layer and etching of the first metal layer again after patterning of the upper electrode, its formation is not easy, and in particular, it is difficult to form a fine pattern.

셋째, 캐패시터 용량은 유전체막의 면적, 즉, 전극 표면적에 비례하는데, 종래의 경우, 단순히 평면적으로 적층시킨 구조로 캐패시터를 형성하므로, 용량 증대에 어려움이 있으며, 특히, 고집적 소자는 칩 크기의 감소를 수반하므로, 종래의 캐패시터 구조는 고집적화 측면에서 바람직하지 못하다.Third, the capacitor capacity is proportional to the area of the dielectric film, that is, the electrode surface area. In the conventional case, since the capacitor is formed by simply stacking the structure, it is difficult to increase the capacity. As a result, conventional capacitor structures are undesirable in terms of high integration.

넷째, 층간절연막은 평탄화를 위해 2층 구조로 형성해야 하므로, 번거로움이 있고, 특히, 완전한 평탄화를 위해 SOG 또는 FOX가 적용된 경우, 상기 SOG 또는FOX가 영역 별로 상이한 두께로 증착되는 것과 관련해서 그 표면의 CMP 과정에서 리세스(resses) 문제가 심화된다.Fourth, since the interlayer insulating film must be formed in a two-layer structure for planarization, it is cumbersome, especially when SOG or FOX is applied for complete planarization, in relation to the deposition of SOG or FOX in different thicknesses for each region. In the CMP process of the surface, the recess problem is intensified.

다섯째, 플러그의 형성시에는 CxFy 기체를 활성화시킨 플라즈마를 이용하여 층간절연막을 식각하며, 특히, 상기 층간절연막의 식각은 과소식각(under etch)을 방지하기 위해 과도식각(over etch)으로 진행하게 되는데, 유전체막과 상부전극의 두께 합 만큼 영역간에 단차를 갖게 되는 바, 예컨데, 하부전극을 식각 타켓으로 맞춘 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상부전극(13a)이 손상됨은 물론 심한 경우에는 상기 상부전극(13a)이 뚫려버릴 위험이 있고, 반대로, 상부전극을 식각 타켓으로 맞출 경우에는 하부전극 측에서 과소식각에 의한 오픈 불량이 발생될 수 있다. 아울러, SOG 또는 FOX와 같은 물질은 실리콘산화막(SiO2)에 비해 상대적으로 식각 속도가 빠르기 때문에 식각량의 조절이 어려울 뿐만 아니라, 콘택 크기의 조절도 어렵다.Fifth, when the plug is formed, the interlayer dielectric layer is etched by using a plasma activated with CxFy gas, and in particular, the etching of the interlayer dielectric layer is performed by over etching to prevent under etching. When the lower electrode is aligned with an etching target, as shown in FIG. 3, the upper electrode 13a is damaged as well as in severe cases. There is a risk that the upper electrode 13a is pierced. On the contrary, when the upper electrode is aligned with an etching target, an open defect may occur due to underetching on the lower electrode side. In addition, the material such as SOG or FOX is difficult to control the amount of etching as well as difficult to control the contact size because the etching rate is relatively faster than the silicon oxide film (SiO2).

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 공정 상의 문제를 해결하면서 하부전극과 상부전극간의 단차에 기인하는 문제를 해결할 수 있는 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and to solve the problem in the process while solving a problem caused by the step between the lower electrode and the upper electrode of the cylinder structure MIM (MIM) capacitor forming method The purpose is to provide.

또한, 본 발명은 실린더 구조를 채택하여 고용량이 얻어지도록 하고, 이를 통해, 고집적 소자의 제조에 유리하게 적용할 수 있도록 한 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법을 제공함에 그 다른 목적이 있다.In addition, the present invention has a further object to provide a method for forming a MIM capacitor of the cylinder structure to adopt a cylinder structure to obtain a high capacity, through which the high-capacity device can be advantageously applied. .

도 1a 내지 도 1e는 종래의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.1A to 1E are cross-sectional views illustrating processes for forming a conventional MIM capacitor.

도 2 및 도 3은 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 도면.2 and 3 are views for explaining the problems of the prior art.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.Figures 4a to 4e is a cross-sectional view for each process for explaining a method of forming the MIM capacitor of the cylinder structure according to an embodiment of the present invention.

도 5a 및 도 5b는 빛의 회절 및 간섭의 결과로 얻어지는 감광막 패턴을 설명하기 위한 도면.5A and 5B are diagrams for explaining a photoresist pattern obtained as a result of diffraction and interference of light.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

21 : 반도체 기판 22 : 하지층21 semiconductor substrate 22 base layer

23 : 제1금속막 23a : 캐패시터 하부전극23: first metal film 23a: capacitor lower electrode

23b : 회로배선 24 : 제1감광막 패턴23b: circuit wiring 24: first photosensitive film pattern

25 : 홈 26 : 유전체막25 groove 26 dielectric film

27 : 제2금속막 27a : 캐패시터 상부전극27: second metal film 27a: capacitor upper electrode

28 : 제2감광막 패턴 30 : MIM 캐패시터28: second photosensitive film pattern 30: MIM capacitor

31 : 층간절연막 32 : 콘택플러그31 interlayer insulating film 32 contact plug

33 : 금속 전극 50 : 노광마스크33: metal electrode 50: exposure mask

52 : 감광막 패턴52: photosensitive film pattern

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법은, 상면에 하지층이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 하지층 상에 하부전극용 제1금속막을 형성하는 단계; 상기 제1금속막의 적소에 소정 깊이의 홈을 형성하는 단계; 상기 홈을 포함한 제1금속막 상에 유전체막을 증착하는 단계; 상기 홈이 완전 매립되도록 상기 유전체막 상에 상부전극용 제2금속막을 형성하는 단계; 상기 제1금속막이 노출될 때까지 제2금속막 및 유전체막을 연마해서, 상기 홈 내에 유전체막이 개재된 상부전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1금속막을 패터닝하여 하부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.MEM capacitor forming method of the cylinder structure of the present invention for achieving the above object comprises the steps of providing a semiconductor substrate having a base layer formed on the upper surface; Forming a first metal film for a lower electrode on the underlayer; Forming a groove having a predetermined depth in place of the first metal film; Depositing a dielectric film on the first metal film including the groove; Forming a second metal film for an upper electrode on the dielectric film to completely fill the groove; Polishing the second metal film and the dielectric film until the first metal film is exposed to form an upper electrode in which the dielectric film is interposed in the groove; And patterning the first metal layer to form a lower electrode.

또한, 본 발명의 방법은 상기 캐패시터 하부전극을 형성하는 단계 후, 상기 결과물 상에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 내에 상기 하부전극 및 상부전극과 각각 콘택되는 콘택플러그들을 형성하는 단계; 및 상기 층간절연막 상에 상기 콘택플러그들과 각각 콘택되는 금속 전극들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include forming an interlayer insulating film on the resultant after forming the capacitor lower electrode; Forming contact plugs in the interlayer insulating layer, the contact plugs being in contact with the lower electrode and the upper electrode, respectively; And forming metal electrodes on the interlayer insulating layer, the metal electrodes contacting the contact plugs, respectively.

여기서, 본 발명의 방법은 상기 제1금속막을 Ti/TiN/Al의 적층 구조로 형성하며, 그리고, 상기 제2금속막은 CVD 방식을 이용하여 Ti/TiN/W의 적층막으로 형성하거나, 또는, 구리 시드(Cu seed)의 증착후에 전기분해 방식을 이용하여 구리막으로 형성한다.Here, in the method of the present invention, the first metal film is formed into a stacked structure of Ti / TiN / Al, and the second metal film is formed into a stacked film of Ti / TiN / W using a CVD method, or After deposition of the copper seed (Cu seed) to form a copper film using an electrolysis method.

본 발명에 따르면, 엠아이엠(MIM) 캐패시터를 실린더 구조로 형성하기 때문에 하부전극과 상부전극간의 단차에 기인하는 문제를 해결할 수 있으며, 특히, 고용량을 얻을 수 있어서 고집적 소자의 제조에 매우 유리하게 적용할 수 있다.According to the present invention, since the MIM capacitor is formed in a cylindrical structure, the problem caused by the step difference between the lower electrode and the upper electrode can be solved, and in particular, a high capacity can be obtained, which is very advantageously applied to the manufacture of a highly integrated device. can do.

(실시예)(Example)

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.4A to 4E are cross-sectional views of processes for describing a method of forming an MIM capacitor having a cylinder structure according to an embodiment of the present invention.

도 4a를 참조하면, 반도체 기판(21) 상에 트랜지스터 및 콘택플러그를 포함한 소정의 하지층(22)을 형성하고, 상기 하지층(22) 상에 Ti/TiN/Al/Ti/TiN의 적층막으로 이루어진 캐패시터 하부전극용 제1금속막(23)을 형성한다. 그런다음, 상기 제1금속막(23) 상에 공지의 포토리소그라피 공정을 통해 상기 제1금속막(23)의 일부분을 노출시키는 제1감광막 패턴(24)을 형성한 후, 이 제1감광막 패턴(24)을 식각 마스크로 이용해서 노출된 제1금속막 부분의 소정 두께를 Cl2, BCl3 및 N2의 혼합 가스로 이루어진 활성화 플라즈마로 식각함으로써, 상기 제1금속막(23)의 표면에 원형의 홈(25)을 형성한다.Referring to FIG. 4A, a predetermined base layer 22 including a transistor and a contact plug is formed on a semiconductor substrate 21, and a laminated film of Ti / TiN / Al / Ti / TiN is formed on the base layer 22. The first metal film 23 for the capacitor lower electrode is formed. Thereafter, a first photoresist layer pattern 24 is formed on the first metal layer 23 through a known photolithography process to expose a portion of the first metal layer 23. A circular groove is formed on the surface of the first metal film 23 by etching the predetermined thickness of the exposed first metal film portion with an activated plasma composed of a mixed gas of Cl 2, BCl 3 and N 2 using 24 as an etching mask. To form 25.

여기서, 상기 제1감광막 패턴(24)은 주지된 바와 같이 감광막의 도포, 노광마스크를 이용한 감광막의 노광 및 노광된 감광막에 대한 현상 공정을 차례로 수행하여 형성하며, 상기 노광 공정은 도 5a에 도시된 바와 같이 사각형의 개구 영역을 갖는 노광마스크(50)를 이용하여 수행한다.Here, the first photoresist layer pattern 24 is formed by sequentially applying a photoresist layer, exposing the photoresist layer using an exposure mask, and developing the exposed photoresist layer in sequence, and the exposure process is illustrated in FIG. 5A. As described above, the exposure mask 50 has a rectangular opening area.

이때, 상기 노광은 사각형의 개구 영역을 갖는 노광마스크(50)를 이용하여 수행하지만, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 노광마스크(50)를 이용한 노광 및 후속의 현상 공정을 통해 얻어지는 제1감광막 패턴(52)은 그 내부에 원형 모양의 홀을 갖게 된다. 이것은 빛의 회절 및 간섭에 기인한 것으로, 보다 자세하게, 개구 영역의 중심부(A)를 투과하는 노광에너지는 빛의 간섭을 많이 받지만, 개구 영역의 코너부(B)를 투과하는 노광에너지는 빛의 간섭을 많이 받지 않아서, 중심부(A)에 대응하는 감광막 부분은 하부층의 표면 부위까지 충분한 노광 에너지를 받게 되어 후속의 현상 공정에서 충분히 제거되고, 반면, 코너부(B)에 대응하는 감광막 부분은 충분한 노광에너지가 전달되지 못해 후속의 현상 공정에서 직각으로 현상되지 못한 것에 기인한 것이다. 결국, 사각형의 개구 영역을 갖는 노광마스크(50)를 이용하여 감광막을 노광하게 되면, 제1감광막 패턴(24)에 구현되는 패턴은 원형이 되며, 따라서, 이러한 제1감광막 패턴(24)을 식각 마스크로 이용해서 제1금속막(23)을 식각함으로써, 상기 제1금속막(23)에 구현되는 홈(25)은 원형이 된다.In this case, the exposure is performed using an exposure mask 50 having a rectangular opening area, but as shown in FIG. 5B, the first photosensitive film obtained through the exposure using the exposure mask 50 and a subsequent development process. The pattern 52 has a circular hole therein. This is due to the diffraction and interference of the light. In more detail, the exposure energy passing through the center portion A of the opening region is subjected to much interference, but the exposure energy passing through the corner portion B of the opening region is determined by Since it is not subjected to much interference, the photoresist portion corresponding to the center portion A is subjected to sufficient exposure energy to the surface portion of the lower layer and is sufficiently removed in the subsequent development process, while the photoresist portion corresponding to the corner portion B is sufficient. This is due to the fact that the exposure energy could not be transferred and therefore not developed at right angles in the subsequent development process. As a result, when the photoresist film is exposed using the exposure mask 50 having the rectangular opening region, the pattern implemented on the first photoresist pattern 24 becomes circular, thus etching the first photoresist pattern 24. By etching the first metal film 23 using the mask, the grooves 25 formed in the first metal film 23 become circular.

도 4b를 참조하면, 식각 마스크로 이용된 제1감광막 패턴을 제거한 상태에서, 홈(25)의 표면 및 제1금속막(23)의 표면 상에 화학기상증착(CVD) 방식 또는 전기분해 방식을 이용하여 선형의 유전체막(26)을 증착하고, 이 유전체막(26) 상에 상기 홈(25)이 완전 매립되도록 상부전극용 제2금속막(27)을 증착한다. 여기서, 상기 제2금속막(27)은 CVD 방식을 이용해서 Ti/TiN/W의 적층 구조로 형성하거나, 또는, 전기분해 방식을 이용해서 구리막으로 형성한다. 이때, 상기 전기분해 방식을 이용할 경우, 구리 시드(Cu seed)를 증착한 상태에서 전기분해 반응을 이용하여 구리막을 증착한다.Referring to FIG. 4B, a chemical vapor deposition (CVD) method or an electrolysis method may be performed on the surface of the groove 25 and the surface of the first metal film 23 in a state where the first photoresist layer pattern used as an etching mask is removed. A linear dielectric film 26 is deposited using this method, and a second metal film 27 for upper electrode is deposited on the dielectric film 26 so that the groove 25 is completely embedded. Here, the second metal film 27 is formed in a stacked structure of Ti / TiN / W using a CVD method, or a copper film using an electrolysis method. In this case, when using the electrolysis method, a copper film is deposited by using an electrolysis reaction in a state of depositing a copper seed.

도 4c를 참조하면, CMP 공정을 통해 상기 제2금속막 및 유전체막을 제1금속막(23)이 노출될 때까지 연마하여, 홈(25) 내에 상기 유전체막(26)이 개재된 상태로 캐패시터 상부전극(27a)을 형성한다. 그런다음, 상기 캐패시터 상부전극(27a) 및 제1금속막(23) 상에 공지의 포토리소그라피 공정을 통해 제2감광막 패턴(28)을 형성한다.Referring to FIG. 4C, the second metal film and the dielectric film are polished through the CMP process until the first metal film 23 is exposed, and the capacitor is disposed in the groove 25 with the dielectric film 26 interposed therebetween. The upper electrode 27a is formed. Then, the second photoresist layer pattern 28 is formed on the capacitor upper electrode 27a and the first metal layer 23 through a known photolithography process.

도 4d를 참조하면, 캐패시터 하부전극(23a)이 형성되도록 상기 제2감광막 패턴을 식각 마스크로 이용해서 제1금속막을 식각하고, 이 결과로서, 실린더 구조를 갖는 엠아이엠(MIM) 캐패시터(30)를 완성한다. 도면부호 23b는 회로배선을 나타낸다.Referring to FIG. 4D, the first metal film is etched using the second photoresist film pattern as an etching mask so that the capacitor lower electrode 23a is formed, and as a result, the MIM capacitor 30 having the cylinder structure is formed. To complete. Reference numeral 23b denotes a circuit wiring.

도 4e를 참조하면, 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터를 덮도록 상기 결과물 상에 층간절연막(31)을 증착하고, CMP 공정을 통해 그 표면을 평탄화시킨다. 그런다음, 상기 층간절연막(31)의 소정 부분들을 선택적으로 플라즈마 식각하여 캐패시터 상부전극(27a), 하부전극(23a) 및 회로배선(23b)을 각각 노출시키는 콘택홀들을 형성한 후, 텅스텐 또는 구리의 증착 및 CMP 공정을 차례로 수행하여 각 콘택홀 내에 콘택플러그(32)를 형성하고, 이어서, 상기 층간절연막(31) 상에 각 콘택플러그(32)와 전기적으로 콘택되는 금속 전극들(32)을 형성한다. 이때, 상기 금속 전극들(32)은 Ti/TiN/Al의 적층 구조로 형성한다.Referring to FIG. 4E, an interlayer insulating layer 31 is deposited on the resultant to cover the MIM capacitor of the cylinder structure, and the surface thereof is planarized through a CMP process. Then, predetermined portions of the interlayer insulating film 31 are selectively plasma-etched to form contact holes exposing the capacitor upper electrode 27a, the lower electrode 23a, and the circuit wiring 23b, respectively, and then tungsten or copper. The contact plugs 32 are formed in each contact hole by sequentially performing the deposition and the CMP process, and then the metal electrodes 32 electrically contacting the contact plugs 32 on the interlayer insulating layer 31 are formed. Form. In this case, the metal electrodes 32 are formed in a stacked structure of Ti / TiN / Al.

전술한 바와 같은 공정을 통해 형성되는 본 발명에 따른 엠아이엠(MIM) 캐패시터는 다음과 같은 잇점을 갖는다.The MIM capacitor according to the present invention formed through the process as described above has the following advantages.

첫째, 본 발명의 MIM 캐패시터 형성방법은 유전체막의 식각을 CMP 공정으로 수행하므로, 종래의 그것과 비교해서 유전체막의 측부가 과도식각되는 현상은 일어나지 않으며, 따라서, 상부전극과 하부전극간의 쇼트 문제는 근본적으로 해결된다.First, since the MIM capacitor forming method of the present invention performs the etching of the dielectric film by the CMP process, the phenomenon that the side of the dielectric film is excessively etched does not occur as compared with the conventional method, and therefore, the short problem between the upper electrode and the lower electrode is fundamental. Is solved.

둘째, 본 발명의 MIM 캐패시터 형성방법은 유전체막 및 제2금속막의 증착과 상기 막들의 연마를 통해 상부전극을 형성한 후, 포토리소그라피 공정을 통해 하부전극을 형성하므로, 2회의 포토리소그라피 공정을 통해 상부전극 및 하부전극을 형성하는 종래의 방법과 비교해서, 공정 진행이 수월하며, 특히, 하부전극의 형성이 종래의 그것 보다 쉬우면서 미세화도 용이하다.Second, the MIM capacitor forming method of the present invention forms an upper electrode through deposition of a dielectric film and a second metal film and polishing the films, and then forms a lower electrode through a photolithography process, thereby performing two photolithography processes. Compared with the conventional method of forming the upper electrode and the lower electrode, the process proceeds more easily, and in particular, the formation of the lower electrode is easier than that of the conventional one, and the micronization is easy.

셋째, 본 발명의 MIM 캐패시터는 실린더 구조를 갖는 바, 종래의 그것 보다 증가된 캐패시터 용량을 갖으며, 특히, 그 크기를 줄이더라도 높은 캐패시터 용량을 얻을 수 있다.Thirdly, the MIM capacitor of the present invention has a cylindrical structure, which has an increased capacitor capacity than that of the conventional one, and in particular, a high capacitor capacity can be obtained even if the size thereof is reduced.

자세하게, 캐패시터 용량은 하기의 식1과 같이 유전체막의 면적에 비례하며, 그리고, 유전체막의 두께에 반비례한다.In detail, the capacitor capacity is proportional to the area of the dielectric film as shown in Equation 1 below, and inversely proportional to the thickness of the dielectric film.

(C:캐패시터 용량, ε:유전상수, A:유전체막의 면적, t:유전체막의 두께)(C: capacitor capacity, ε: dielectric constant, A: area of dielectric film, t: thickness of dielectric film)

그런데, 본 발명의 MIM 캐패시터는 실린더 구조를 갖는 바, 이러한 구조에서의 유전체막의 면적은 하기의 식2와 같이 홈의 바닥면 및 벽면에 배치된 부분들의 면적 합이 된다.However, the MIM capacitor of the present invention has a cylinder structure, and the area of the dielectric film in this structure is the sum of the areas of the portions disposed on the bottom surface and the wall surface of the groove as shown in Equation 2 below.

(A:유전체막 면적, h: 홈의 높이)(A: dielectric film area, h: height of groove)

따라서, 본 발명의 MIM 캐패시터는 종래의 그것 보다 증가된 용량을 갖으며, 그래서, 그 크기를 줄이더라도 원하는 용량을 유지시킬 수 있게 된다.Thus, the MIM capacitor of the present invention has an increased capacity than that of the conventional one, so that the desired capacity can be maintained even if the size is reduced.

넷째, 본 발명의 MIM 캐패시터는 하부전극과 상부전극간의 단차가 없기 때문에, 층간절연막의 형성시에 완전한 표면 평탄화를 위해 SOG 또는 FOX의 적용이 필요치 않으며, 따라서, 공정 상의 번거로움을 해결할 수 있다.Fourth, since the MIM capacitor of the present invention does not have a step between the lower electrode and the upper electrode, application of SOG or FOX is not necessary for complete surface planarization in forming the interlayer insulating film, and thus, troublesome processing can be solved.

다섯째, 본 발명의 MIM 캐패시터는 하부전극과 상부전극간의 단차가 없으므로, 콘택플러그 형성을 위한 층간절연막의 식각시에 깊이 조절이 용이하고, 특히, 과도 식각에 기인하는 상부전극의 손상 문제를 방지할 수 있다.Fifth, since the MIM capacitor of the present invention has no step between the lower electrode and the upper electrode, it is easy to adjust the depth during the etching of the interlayer insulating film for forming the contact plug, and in particular, to prevent the problem of damaging the upper electrode due to the excessive etching. Can be.

이상에서와 같이, 본 발명은 MIM 캐패시터를 실린더 구조로 형성함으로써, 용량 증대를 도모할 수 있음은 물론 전극 크기의 축소가 가능하여 고집적 소자의 제조에 매우 유리하게 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 MIM 캐패시터를 실린더 구조로 형성함으로써, 상부전극에 기인하는 단차를 제거할 수 있고, 이에 따라, 공정 상의 잇점을 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, the MIM capacitor is formed in a cylinder structure, and thus, the capacity can be increased, and the size of the electrode can be reduced, and thus the present invention can be very advantageously applied to the manufacture of highly integrated devices. In addition, according to the present invention, by forming the MIM capacitor in a cylindrical structure, the step caused by the upper electrode can be eliminated, and thus, the advantages in the process can be obtained.

기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.In addition, this invention can be implemented in various changes within the range which does not deviate from the summary.

Claims (6)

상면에 하지층이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계;Providing a semiconductor substrate having an underlayer formed on an upper surface thereof; 상기 하지층 상에 하부전극용 제1금속막을 형성하는 단계;Forming a first metal film for a lower electrode on the underlayer; 상기 제1금속막의 적소에 소정 깊이의 홈을 형성하는 단계;Forming a groove having a predetermined depth in place of the first metal film; 상기 홈을 포함한 제1금속막 상에 유전체막을 증착하는 단계;Depositing a dielectric film on the first metal film including the groove; 상기 홈이 완전 매립되도록 상기 유전체막 상에 상부전극용 제2금속막을 형성하는 단계;Forming a second metal film for an upper electrode on the dielectric film to completely fill the groove; 상기 제1금속막이 노출될 때까지 제2금속막 및 유전체막을 연마해서, 상기 홈 내에 유전체막이 개재된 상부전극을 형성하는 단계; 및Polishing the second metal film and the dielectric film until the first metal film is exposed to form an upper electrode in which the dielectric film is interposed in the groove; And 상기 제1금속막을 패터닝하여 하부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법.And forming a lower electrode by patterning the first metal layer. 제 1 항에 있어서, 상기 제1금속막은 Ti/TiN/Al의 적층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법.The method of claim 1, wherein the first metal film has a stacked structure of Ti / TiN / Al. 제 1 항에 있어서, 상기 제2금속막은 Ti/TiN/W의 적층막, 또는, 구리막인 것을 특징으로 하는 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법.The method of claim 1, wherein the second metal film is a laminated film of Ti / TiN / W or a copper film. 제 3 항에 있어서, 상기 Ti/TiN/W의 적층막은 CVD 방식으로 형성하는 것을특징으로 하는 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법.4. The method of claim 3, wherein the laminated film of Ti / TiN / W is formed by a CVD method. 제 4 항에 있어서, 상기 구리막은 구리 시드(Cu seed)의 증착후에 전기분해 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법.The method of claim 4, wherein the copper film is formed by electrolysis after deposition of a copper seed (Cu seed). 제 1 항에 있어서, 상기 캐패시터 하부전극을 형성하는 단계 후,The method of claim 1, wherein after forming the capacitor lower electrode, 상기 결과물 상에 층간절연막을 형성하는 단계;Forming an interlayer insulating film on the resultant product; 상기 층간절연막 내에 상기 하부전극 및 상부전극과 각각 콘택되는 콘택플러그들을 형성하는 단계; 및Forming contact plugs in the interlayer insulating layer, the contact plugs being in contact with the lower electrode and the upper electrode, respectively; And 상기 층간절연막 상에 상기 콘택플러그들과 각각 콘택되는 금속 전극들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 구조의 엠아이엠(MIM) 캐패시터 형성방법.And forming metal electrodes in contact with the contact plugs on the interlayer insulating layer.
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KR100997780B1 (en) * 2003-09-05 2010-12-02 매그나칩 반도체 유한회사 Method for forming mim capacitor

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