KR20100078599A - Capacitor of semiconductor device and method for manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
Description
실시예는 반도체 소자의 캐패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다. The embodiment relates to a capacitor of a semiconductor device and a method of manufacturing the same.
반도체 소자의 고집적화 기술에 의해 아날로그 캐패시터(Capacitor)가 로직회로와 함께 집적화된 반도체 소자가 연구 개발 제품으로 사용되고 있다. 아날로그 캐패시터는 PIP(Polysilicon Insulator Polysilicon) 또는 MIM(Metal-Insulator-Metal) 형태가 주로 사용된다.As a result of the high integration technology of semiconductor devices, semiconductor devices in which analog capacitors are integrated with logic circuits are used as research and development products. Analog capacitors are mainly used in the form of PIP (Polysilicon Insulator Polysilicon) or MIM (Metal-Insulator-Metal).
고용량의 캐패시터가 PIP(Polysilicon-Insulator-Polysilicon) 구조일 경우에는 상부전극 및 하부전극을 폴리실리콘으로 사용하기 때문에 상부전극 및 하부전극과 절연체 박막계면에서 산화반응이 일어나 자연 산화막이 형성되어 전체 캐패시턴스의 크기가 줄어들게 되는 단점이 있다. 또한, 폴리실리콘에 형성되는 공핍층으로 인해 정전용량이 낮아지게 되므로 고속 동작 및 고주파 동작에 적합하지 않다. When the high capacity capacitor has a PIP (Polysilicon-Insulator-Polysilicon) structure, since the upper electrode and the lower electrode are used as polysilicon, an oxidation reaction occurs at the upper electrode, the lower electrode, and the insulator thin film interface, so that a natural oxide film is formed. The disadvantage is that the size is reduced. In addition, since the capacitance is lowered due to the depletion layer formed on the polysilicon, it is not suitable for high speed operation and high frequency operation.
이를 해결하기 위하여 캐패시터의 구조가 MIM(Metal-Insulator-Metal)으로 변경되었다. 상기 MIM형 캐패시터는 비저항이 작고 내부에 공핍(deplection)에 의한 기생 캐패시턴스가 없기 때문에 높은 Q값을 요구하는 고성능 반도체 소자에서 주로 이용되고 있다. 하지만 MIM 캐패시터는 유효면적 대비 캐패시터의 값이 작은 문제점이 있다. To solve this problem, the structure of the capacitor was changed to MIM (Metal-Insulator-Metal). The MIM capacitors are mainly used in high performance semiconductor devices that require high Q values because of their low resistivity and no parasitic capacitance due to depletion therein. However, the MIM capacitor has a problem that the value of the capacitor is small compared to the effective area.
캐패시터 값을 높이기 위해서는 캐패시터 면적을 크게하는 방법과 절연막으로서 고유전율을 갖는 막을 사용하는 방법이 있다. 캐패시터의 면적을 크게 하는 방법은 칩 면적이 커지는 문제가 있으며 고유전율을 갖는 막을 사용하는 방법은 장비 투자나 새로운 공정을 다시 설정해야하는 문제가 있다. In order to increase the capacitor value, there are a method of increasing the capacitor area and a method of using a film having a high dielectric constant as the insulating film. The method of increasing the capacitor area has a problem of increasing chip area, and the method of using a film having a high dielectric constant has a problem of re-investing equipment or resetting a new process.
한편, 고유전율 MIM 캐패시터(High-K dielectric Metal Insulator Metal Capacitor)는 높은 캐패시턴스 덴시티(capacitance density, 1fF/㎛2 이상) 특성 때문에 RF/아날로그 회로(analog circuit applications)에서 큰 관심을 받아왔다. On the other hand, high-k dielectric metal insulator metal capacitors have received great attention in RF / analog circuit applications because of their high capacitance density (1fF / μm 2 or more).
그러나 높은 유전율을 가지고 있는 고유전율(High-K) MIM 캐패시터는 BEOL(Back End Of Layer) 공정시 높은 온도에 의해 결정화(crystallization) 되어지고 있으며 이로 인하여 높은 누설전류(leakage current)가 발생하게 되는 문제점이 있다. However, high dielectric constant (High-K) MIM capacitors are crystallized by high temperature during BEOL (Back End Of Layer) process, resulting in high leakage current. There is this.
또한, 현재 산화막(SiO2)나 질화막(SiN)을 대체하기 위해 사용되는 HfO2 또는 적층(stacking) 구조의 HfO2/A12O2는 상기 산화막(SiO2)에 비해 VCC2(Coefficient of Voltage), TCC(Coefficietnt of Temperature)가 높기 때문에 문제가 되고 있다. In addition, HfO 2 or HfO 2 / A1 2 O 2 in a stacking structure, which is currently used to replace an oxide film (SiO 2 ) or a nitride film (SiN), has a Coefficient of Voltage (VCC2) compared to the oxide film (SiO 2 ). This is a problem because TCC (Coefficietnt of Temperature) is high.
특히, 상기 HfO2/A12O2의 샌드위치 구조나 적층구조는 O2 분위기에서 HF, Al 메탈 타겟을 통하여 산화막을 만드는 구조로 만들어지며, Hf 증착시 Al의 콘테미네이션(contamination) 수준에 의해 유전율이 결정되기 때문에 Al 증착 후 Hf를 증착 할 시 퍼지타임(purge time, cleaning step)가 필요하게 되므로 공정이 복잡해지는 문제가 있다. In particular, the sandwich structure or laminated structure of the HfO 2 / A1 2 O 2 is made of a structure to form an oxide film through the HF, Al metal target in the O 2 atmosphere, due to the contamination (contamination) level of Al during Hf deposition Since the dielectric constant is determined, a purge time (purge time, cleaning step) is required when Hf is deposited after Al deposition, which causes a complicated process.
또한, SiNx/HfO2/SiO2를 적층하는 샌드위치(sandwich) 구조를 사용하기도 한다. 그러나, 이러한 샌드위치 구조는 공정상 복잡하고 적층막들의 식각비가 달려져 에치 레시피(ehch recipe)를 스텝으로 진행하여야 하고 공정이 복잡하기 때문에 불합리성이 존재하게 되어 있다. 또한, BEOL 공정이 후 산화막(SiO2)나 질화막(SiN)은 열적으로 안정하나 HfO2는 열적인 스트레스를 받아 전기적 특성이 저하되는 문제가 있다. In addition, a sandwich structure in which SiNx / HfO 2 / SiO 2 is laminated may be used. However, such a sandwich structure is complicated in the process, and the etching ratio of the laminated films depends on the etch recipe (ehch recipe) to proceed to the step, because the process is complicated, there is an irrationality. In addition, after the BEOL process, the oxide film (SiO 2 ) or the nitride film (SiN) is thermally stable, but HfO 2 is thermally stressed, thereby deteriorating electrical characteristics.
실시예에서는 캐패시터 절연막을 Zr 도핑된 HfO2막을 채용함으로써 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체소자의 캐패시터 및 그 제조방법을 제공한다. Embodiments provide a capacitor of a semiconductor device and a method of manufacturing the same, by using a Zr doped HfO 2 film as a capacitor insulating film to improve electrical characteristics of the device.
실시예에 따른 반도체소자의 캐패시터는 반도체 기판의 층간절연층 상에 형성된 캐패시터 하부전극; 상기 캐패시터 하부전극 상에 Zr 도핑된 HfO2(Zr-doped HfO2)막으로 형성된 유전체 패턴; 상기 유전체 패턴이 선택적으로 노출되도록 상기 유전체 패턴 상에 형성된 캐패시터 상부전극을 포함한다. The capacitor of the semiconductor device according to the embodiment includes a capacitor lower electrode formed on the interlayer insulating layer of the semiconductor substrate; On the capacitor lower electrode Zr doped HfO 2 (Zr-doped HfO 2 ) the dielectric pattern formed in a membrane; And a capacitor upper electrode formed on the dielectric pattern to selectively expose the dielectric pattern.
실시예에 따른 반도체소자의 캐패시터 제조방법은, 반도체 기판의 제1 층간절연층 상에 하부전극층을 형성하는 단계; 상기 하부전극층 상에 Zr 도핑된 HfO2(Zr-doped HfO2)막을 증착하여 캐패시터 절연층을 형성하는 단계; 상기 캐패시터 절연층 상에 상부전극층을 형성하는 단계; 상기 상부전극층을 선택적으로 식각하여 캐패시터 상부전극을 형성하는 단계; 상기 캐패시터 절연층 및 하부전극층을 선택적으로 식각하여 상기 상부전극 하부에 유전체 패턴 및 캐패시터 하부전극을 형성하는 단계를 포함한다. In another embodiment, a capacitor manufacturing method of a semiconductor device includes: forming a lower electrode layer on a first interlayer insulating layer of a semiconductor substrate; Forming a capacitor insulating layer and Zr doped HfO 2 (Zr-doped HfO 2 ) film is deposited on the lower electrode layer; Forming an upper electrode layer on the capacitor insulating layer; Selectively etching the upper electrode layer to form a capacitor upper electrode; Selectively etching the capacitor insulating layer and the lower electrode layer to form a dielectric pattern and a capacitor lower electrode under the upper electrode.
실시예에 의하면, MIM 캐패시터의 절연막으로 Zr 도핑된 HfO2(Zr-doped HfO2)막을 사용함으로써 리키지 커런트를 감소시킴으로써 소자의 전기적특성을 향상시킬 수 있다. According to the embodiment, it is possible to improve the electrical characteristics of the device by reducing the leakage current by using the base film of the MIM capacitor insulating film Zr doped HfO 2 (Zr-doped HfO 2 ).
실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. A capacitor and a method of manufacturing the semiconductor device according to the embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. In the description of the embodiments, where described as being formed "on / over" of each layer, the on / over may be directly or through another layer ( indirectly) includes everything formed.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.In the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description. In addition, the size of each component does not necessarily reflect the actual size.
도 5는 실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터를 도시한 단면도이다. 참고로 도 5의 도면부호 중 미설명 도면부호는 이하 제조방법에서 설명하기로 한다.5 is a cross-sectional view illustrating a capacitor of a semiconductor device in accordance with an embodiment. For reference, reference numerals of the reference numerals of FIG. 5 will be described in the following manufacturing method.
실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터는, 반도체 기판(100)의 제1 층간절연층(110) 상에 형성된 캐패시터 하부전극(215)과, 상기 캐패시터 하부전극(215) 상에 Zr 도핑된 HfO2(Zr-doped HfO2)막으로 형성된 유전체 패턴(225)과, 상기 유전체 패턴(225)이 선택적으로 노출되도록 상기 유전체 패턴(225) 상에 형성된 캐패시터 상부전극(235)을 포함한다.The capacitor of the semiconductor device according to the embodiment may include a capacitor
예를 들어, 상기 유전체 패턴(225)인 Zr 도핑된 HfO2(Zr-doped HfO2)막은 상 기 하프늄(Hf) 대비 지르코늄(Zr)이 4~12%로 형성될 수 있다. For example, the Zr doped HfO 2 (Zr-doped HfO 2 ) layer, which is the
상기 캐패시터 하부전극(215)은 Ti/TiN막으로 형성되고, 상기 캐패시터 상부전극(235)은 TiN막으로 형성될 수 있다. The capacitor
도 1 내지 도 5를 참조하여 실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조방법을 상세히 설명한다. A method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to an embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(100) 상에 하부배선(115)을 포함하는 제1 층간절연층(110)이 형성된다. Referring to FIG. 1, a first
도 1에 도시되지는 않았지만, 상기 반도체 기판(100)에는 액티브 영역을 정의하기 위한 소자분리막을 형성하고, 상기 액티브 영역 상에는 트랜지스터의 게이트 전극 및 소스/드레인과 같은 소자가 형성될 수 있다. Although not shown in FIG. 1, an isolation layer for defining an active region may be formed in the
그리고, 상기 반도체 기판(100) 상에 상기 하부배선(115)을 포함하는 제1 층간절연층(110)이 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 층간절연층(110)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 하부배선(115)은 구리, 알루미늄, 텅스텐, 합금 또는 실리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질로 형성될 수 있다. The first
한편, 상기 제1 층간절연층(110)을 형성하기 전에 상기 반도체 기판(100) 상에 금속배선전 절연층인 PMD층(105)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 PMD층(105)은 FSG막으로 형성될 수 있다. Meanwhile, before forming the first
상기 하부배선(115)이 형성된 상기 제1 층간절연층(110) 상으로 제2 층간절연층(120)이 형성된다. 상기 제2 층간절연층(120)은 상기 하부배선(115)이 노출되지 않도록 상기 제2 층간절연층(120) 상부를 모두 덮도록 형성될 수 있다. 예를 들 어, 상기 제2 층간절연층(120)은 질화막(SiN)으로 형성될 수 있다. 상기 제2 층간절연층(120)은 식각정지막의 역할을 할 수도 있다. A second
상기 제2 층간절연층(120) 상에 캐패시터를 형성하기 위하여 하부전극층(210)이 형성된다. 상기 하부전극층(210)은 Ti층 및 TiN층이 적층된 구조로 형성될 수 있다. The
도 2를 참조하여, 상기 하부전극층(210) 상에 캐패시터 절연층(220)이 형성된다. 상기 캐패시터 절연층(220)은 Zr 도핑된 HfO2(Zr-doped HfO2)를 절연층으로 사용할 수 있다. Referring to FIG. 2, a
예를 들어, 상기 캐패시터 절연층(220)은 스퍼터링 공정(sputtering)에 의하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 캐패시터 절연층(220)은 O2 분위기에서 지르코늄(Zirconium;Zr) 및 하프늄(Hafnium:Hf)을 타겟(target)으로 DC 마그네트론 스퍼터링(DC Magnectron sputtering) 공정을 통하여 상기 하부전극층(210) 상에 형성될 수 있다. For example, the
또한, 상기 캐패시터 절연층(220)은 코-스퍼터링(co-sputtering)으로 거의 비슷한 계열인 Zr과 Hf를 Hf 대비 Zr을 4~12% 내로 조절하여 증착할 수 있게 된다. In addition, the
따라서, 상기 캐패시터 절연층(220)은 Zr과 Hf의 비율이 1:9가 되도록 형성될 수 있다. 특히, 상기 Zr의 농도가 4%이고 Hf의 농도가 96% 일 때 리키지 측면에서 우수한 결과를 얻을 수 있으며 그대의 캐패시턴스 덴시티는 3×10-6~3×10-7 A/㎠ 일 수 있다. Therefore, the
상기와 같이 캐패시터 절연층(220)이 Zr 도핑된 HfO2(Zr-doped HfO2)막으로 형성되어 하이 캐패시턴스 덴시티(high capacitance density)의 박막을 얻으면서 누설전류(Low leakag current)는 낮출 수 있게 된다. 또한 Zr 도핑된 HfO2(Zr-doped HfO2)가 코-스퍼터링 공정에 의하여 형성되므로 공정을 단순화시킬 수 있고, 낮은 VCC 밸류(Coefficient of Voltage value)를 가질 수 있게 된다. As described above, the
도 3을 참조하여, 상기 캐패시터 절연층(220) 상에 상부전극층(230)이 형성된다. 상기 상부전극층(230)은 TiN층으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 3, an
도 4를 참조하여, 상기 제2 층간절연층(120) 상에 MIM 캐패시터(200)가 형성된다. 상기 MIM 캐패시터(200)는 하부전극(215), 유전체 패턴(225) 및 상부전극(235)으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 4, a
상기 MIM 캐패시터(200)는 상기 상부전극층(230), 캐패시터 절연층(220) 및 하부전극층(210)을 선택적으로 식각함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 MIM 캐패시터(200)는 상기 캐패시터 절연층(220)이 선택적으로 노출되도록 제1 마스크 패턴(미도시)을 이용하여 상기 상부전극층(230)을 선택적으로 식각하여 상기 상부전극(235)을 형성할 수 있다. 그리고, 상기 제2 층간절연층(120)이 선택적으로 노출되도록 제2 마스크 패턴(미도시)을 하여 상기 캐패시터 절연층(220) 및 하부전극층(210)을 선택적으로 식각하여 상기 유전체 패턴(225) 및 하부전극(215)을 형성할 수 있다. The
따라서, 상기 하부전극(215), 유전체 패턴(225) 및 상부전극(235)에 의하여 MIM 캐패시터(200)가 형성될 수 있다. Accordingly, the
도 5를 참조하여, 상기 캐패시터(200)가 형성된 제2 층간절연층(120) 상에 제3 층간절연층(130), 제4 층간절연층(140) 및 제5 층간절연층(150)이 형성된다. 예를 들어, 상기 제3 층간절연층(130)은 TEOS막으로 형성되고, 상기 제4 층간절연층(140)은 질화막(SiN)으로 형성되고, 상기 제5 층간절연층(150)은 TEOS막으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5, the third
그리고, 상기 제5 층간절연층(150)에는 제1 내지 제3 금속배선(181,182,183)이 형성된다. 상기 제1 금속배선(181)은 상기 하부배선(115)과 제1 비아컨택(171)을 통해 연결될 수 있다. 상기 제2 금속배선(182)은 상기 하부전극(215)과 제2 비아컨택(172)을 통해 연결될 수 있다. 상기 제3 금속배선(183)은 상기 상부전극(235)과 제3 비아컨택(173)을 통해 연결될 수 있다. First to
상기 제1 내지 제3 비아컨택(171,172,173)은 상기 제4 층간절연층(140)에 상기 하부배선(115), 하부전극(215) 및 상부전극(235)에 대응하는 비아홀을 형성한 후 금속물질을 갭필하여 형성될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 금속배선(181,182,183)은 상기 제4 및 5 층간절연층(140,150)에 상기 제1 내지 3 비아컨택(171,172,173)을 노출시키는 트랜치를 형성한 후 금속물질을 갭필하여 형성될 수 있다. The first to third via
RF 바이어스(RF baypass)용 MIM 캐패시터 또는 RF용 MIM 캐패시터는 VCC1, VCC2, TCC 그리고 프리퀀시(frequency)에 따른 캐패시턴스 덴시티 변동(capaciance density deviation)이 적어야 한다.MIM capacitors for RF bias (RF baypass) or MIM capacitors for RF should have a low capacitance density deviation according to VCC1, VCC2, TCC and frequency.
실시예에서는 MIM 캐패시터의 캐패시터 절연막을 코-스퍼터링(co-sputtering)에 의하여 Zr 도핑된 HfO2(Zr-doped HfO2)막으로 형성되어 공정을 단순화시킬 수 있다. Embodiment, the nose of the capacitor insulating film of the MIM capacitor - is formed by a sputtering (co-sputtering) Zr-doped HfO 2 (Zr-doped HfO 2 ) by a film can simplify the process.
또한, 상기 지르코늄과 하프늄의 농도를 하프늄 대비 지르코늄을 4~12%를 가지도록 조절하여 증착함으로써, High-k MIM 캐패시터에서 요구되어지는 1×10-8 A/㎠(ITRS:International Technical Roadmap for Semiconductor) 이하의 특성을 유지함으로써 리키지 커런트를 감소시킬 수 있다. In addition, by adjusting the concentration of the zirconium and hafnium so as to have a zirconium 4 ~ 12% compared to the hafnium, 1 × 10 -8 A / ㎠ (ITRS: International Technical Roadmap for Semiconductor required by the high-k MIM capacitor By maintaining the following characteristics, liquid current can be reduced.
또한, Zr 도핑된 HfO2(Zr-doped HfO2)막으로 형성된 캐패시터 절연막이 코-스퍼터링(Co-sputtering)으로 제작되어 식각비가 동일하기 때문에 High-k MIM 캐패시터를 얻을 수 있게 된다. In addition, a capacitor insulating film formed of a Zr-doped HfO 2 (Zr-doped HfO 2 ) film is manufactured by co-sputtering to obtain a high-k MIM capacitor because the etching ratio is the same.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시에 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.The embodiments described above are not limited to the above-described embodiments and drawings, and it is to be understood that various changes, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present embodiments. It will be obvious to those who have it.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 반도체소자의 캐패시터 제조공정을 나타내는 도면이다. 1 to 5 are views illustrating a capacitor manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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2008
- 2008-12-30 KR KR1020080136901A patent/KR20100078599A/en not_active Application Discontinuation
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