KR100650192B1 - 반도체 소자 및 그의 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자 및 그의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 및 그의 형성 방법에 관한 것으로, 본 발명은 MIM 트렌치를 사용하는 MIM 캐패시터가 공정이 복잡하고, 차지하는 면적이 증가하는 문제를 해결하기 위하여, 하부 금속 배선과 직접 접속되는 제 1 MIM 캐패시터를 형성한 후 그 상부 층에 상기 제 1 MIM 캐패시터와 오버랩되는 제 2 MIM 캐패시터를 형성함으로써 반도체 소자의 형성 공정을 단순화 하면서도, 그 크기를 감소시킬 수 있는 반도체 소자 및 그의 형성 방법에 관한 것이다.

Description

반도체 소자 및 그의 형성 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR FORMING THE SAME}
도 1은 종래 기술에 따른 MIM 캐패시터를 도시한 단면도.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 반도체 소자 및 그의 형성 방법을 도시한 단면도들.
본 발명은 반도체 소자 및 그의 형성 방법에 관한 것으로, 본 발명은 MIM 트렌치를 사용하는 MIM 캐패시터가 공정이 복잡하고, 차지하는 면적이 증가하는 문제를 해결하기 위하여, 하부 금속 배선과 직접 접속되는 제 1 MIM 캐패시터를 형성한 후 그 상부 층에 상기 제 1 MIM 캐패시터와 오버랩되는 제 2 MIM 캐패시터를 형성함으로써 반도체 소자의 형성 공정을 단순화 하면서도, 그 크기를 감소시킬 수 있는 반도체 소자 및 그의 형성 방법에 관한 것이다.
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.
상기 MIM 캐패시터는 일반적으로 금속 배선 사이에 위치하게 되는데, 그 형성 공정이 복잡하고, 대용량의 MIM 캐패시터가 요구 되면서 그 면적이 점점 증가하여 반도체 소자의 고집적화에 저해가 되는 문제가 있다.
종래 기술에 따른 Cu 금속 배선에 사용되는 MIM 캐패시터의 경우, 다마신(damascene) 공정을 이용하여 형성된 제 1 금속 배선 및 ILD(Inter Layer Dielectric) 절연막 상부에, MIM 캐패시터 형성을 위한 하부 전극층, 유전층 및 상부 전극층을 순차적으로 증착한다.
다음에는, MIM 캐패시터 상부에 식각정지막을 형성한 후 IMD 절연막을 형성한 후, IMD 절연막에 다마신 패턴을 형성하고 제 2 금속 배선을 형성한다.
이때, 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.
이를 해결하기 위하여, 제 1 금속 배선 상부에 배리어층을 형성한 후 배리어 층 상부에 MIM 캐패시터를 형성하는 방법을 사용하였다.
도 1은 종래 기술에 따른 MIM 캐패시터를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제 1 금속 배선(10) 상부에 금속 배선을 보호하는 확산방지막(15) 및 산화막(20)을 형성하고, MIM 캐패시터가 형성될 영역에 트렌치를 형성하여 제 1 금속 배선(10)을 노출시킨다.
다음에는, 트렌치에 금속 배선과 동일한 물질을 매립하여 캐패시터와 금속 배선을 접속시키는 MIM 트렌치(25)를 형성한다.
그 다음에는, MIM 캐패시터 형성을 위한 하부 전극층(30), 유전층(40), 상부 전극층(50) 및 식각정지막(60)을 순차적으로 증착한다.
그 다음에는, 상기 하부 구조를 포함하는 전면에 IMD 절연막(70)을 형성한 후, 제 1 금속 배선(10) 및 MIM 캐패시터와 접속되는 비아 콘택(75) 및 제 2 금속 배선(90)을 형성 한다.
상술한 바와 같이 안정적인 MIM 캐패시터를 형성 하기 위해서는 MIM 트렌치를 형성하는 공정이 더 추가되어 공정의 효율을 저하시키게 된다. 또한, 고집적반도체 소자에서 캐패시터의 용량은 점점 더 커져야 하는데, 반도체 칩의 크기는 오히려 감소하기 때문에 캐패시터의 면적을 증가시켜 용량을 증가시키는 데는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 제 1 금속 배선을 형성한 후 배리어 절연막을 형성하고 상부 전극층을 투명할 정도로 얇게 형성함으 로써, 반도체 소자의 MIM 캐패시터 형성 공정을 단순화하고 반도체 소자의 특성을 향상 시킬 수 있는 반도체 소자 및 그의 형성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명에 따른 반도체 소자는 제 1 금속 배선 표면에 구비된 제 1 MIM 캐패시터와,
상기 제 1 캐패시터와 층간절연막을 개재한 타층에 구비되되, 상기 제 1 MIM 캐패시터와 부분적으로 오버랩되는 제 2 MIM 캐패시터 및
상기 제 1 금속 배선, 제 1 MIM 캐패시터 및 제 2 MIM 캐패시터와 접속되는 제 2 금속 배선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법은,
(a) 제 1 금속 배선 상부에 제 1 MIM 캐패시터 예정 영역을 노출시키는 확산방지막을 형성하는 단계와,
(b) 상기 노출된 제 1 금속배선 상부에 제 1 MIM 캐패시터를 형성하는 단계와,
(c) 상기 제 1 MIM 캐패시터를 포함하는 전면에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계와,
(d) 상기 제 1 층간절연막을 식각하여 상기 제 1 금속 배선에 접속되는 비아 콘택을 형성하는 단계와,
(e) 상기 비아 콘택과 접속되며, 제 1 MIM 캐패시터와 부분적으로 오버랩되 는 제 2 MIM 캐패시터를 형성하는 단계와,
(f) 상기 제 2 MIM 캐패시터를 포함하는 전면에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계 및
(g) 상기 제 1 금속 배선, 제 1 MIM 캐패시터 및 제 2 MIM 캐패시터와 접속되는 제 2 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 반도체 소자 및 그의 형성 방법을 도시한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 게이트 및 비트라인 등 소정의 하부 구조를 구비한 반도체 기판(미도시) 상에 제 1 금속 배선(100)을 형성한다. 다음에는 제 1 금속 배선 상부에 제 1 MIM 캐패시터 예정 영역을 노출시키는 확산방지막(115)을 형성한다. 이때, 제 1 금속 배선은(100) Al 또는 Cu 배선인 것이 바람직하다.
도 2b를 참조하면, 노출된 제 1 금속 배선(100) 상부에 제 1 MIM 캐패시터를 형성하는 제 1 하부 전극층(130), 제 1 유전층(140), 제 1 상부 전극층(150) 및 제 1 식각정지막(160)의 적층 구조를 형성한다. 여기에서, 제 1 상부 및 제 1 하부 전극층(130, 150)은 TiN, TaN, W, Ti/TiN, Ti, Ta, TiSiN 및 TaSiN막 중 선택된 어느 하나를 사용하여 형성 하며, 제 1 상부 전극 및 제 1 하부 전극은 서로 같은 종류이거나 다른 종류의 비대칭 구조로 형성될 수 있다.
제 1 하부 전극층(130)은 제 1 금속 배선(100)과 직접 접속되며, 제 1 상부 전극층은 10 ~ 3000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 유전층(140)은 Si3N4, SiO2, SiON, HfO2, Al2 O3, Ta2O5, ZrO2, Y2O3 및 BST막 중 선택된 어느 하나를 이용하며, PECVD, ALD, PEALD 및 MOCVD 중 선택된 어느 한 가지 방법으로, 10 ~ 1000Å의 두께로 형성하고, 제 1 식각정지막(160)은 SiC, SiN, SiO2 및 폴리머 중 선택된 어느 하나를 이용하여 10 ~ 5000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
도 2c를 참조하면, 상기 적층구조 상부에 제 1 MIM 캐패시터를 정의하는 제 1 감광막 패턴(120)을 형성하고, 제 1 감광막 패턴(120)을 식각마스크로 제 1 식각정지막(160), 제 1 상부 전극층(150), 제 1 유전층(140) 및 제 1 하부 전극층(130)을 식각하여 제 1 MIM 캐패시터를 완성한다. 이때, 확산방지막(115)이 식각 배리어 역할을 하여 하부 제 1 금속 배선(100)이 손상되지 않으며, 종래의 MIM 트렌치를 형성하지 않고 바로 MIM 캐패시터의 하부 전극과 금속 배선을 접속함으로써 공정단계를 효율적으로 절약할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 제 1 MIM 캐패시터를 포함하는 전면에 제 1 층간절연막(170)을 형성하고, 제 1 층간절연막(170)을 식각하여 상기 제 1 금속 배선(100)에 접속되는 비아 콘택(175)을 형성한다. 이때, 비아 콘택(175)은 W 플러그를 사용하여 상기 제 1 및 제 2 MIM 캐패시터와 접속되도록 형성하는 것이 바람직하다.
다음에는, 비아 콘택(175)을 포함하는 제 1 금속 배선(100) 상부에 제 1 MIM 캐패시터를 형성하는 공정과 동일하게 제 2 하부 전극층(135), 제 2 유전층(145), 제 2 상부 전극층(155) 및 제 2 식각정지막(165)을 순차적으로 형성하고, 비아 콘택(175)과 접속되며, 제 1 MIM 캐패시터와 부분적으로 오버랩되는 제 2 MIM 캐패시터를 형성하기 위한 제 2 감광막 패턴(125)을 형성한다. 이때, 본 도면에서는 제 2 MIM 캐패시터가 제 1 MIM 캐패시터의 양측에 형성된 비아 콘택과 접속되도록 형성한 것을 도시한 것이다.
도 2e를 참조하면, 제 2 감광막 패턴(125)을 식각마스크로 제 2 식각정지막(165), 제 2 상부 전극층(155), 제 2 유전층(145) 및 제 1 하부 전극층(135)을 식각하여 제 2 MIM 캐패시터를 형성한다.
도 2f를 참조하면, 제 2 MIM 캐패시터를 포함하는 전면에 제 2 층간절연막(180)을 형성하고, 제 2 층간절연막(180) 내에, 제 1 금속 배선(100), 제 2 MIM 캐패시터 상부 전극 및 제 1 MIM 캐패시터의 상부 전극과 연결되는 비아 콘택홀을 형성한다.
도 2g를 참조하면, 제 1 금속 배선(100), 제 1 MIM 캐패시터 및 제 2 MIM 캐패시터와 접속되는 제 2 금속 배선(190)을 형성한다. 이때, 제 2 금속 배선도 Al 또는 Cu 배선을 사용하며, W 플러그를 통하여 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 도 2 내지 도 2e의 공정을 2회 이상 수행하여 MIM 캐패시터가 포함된 층간 구조를 3층 이상의 다층 구조로 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 하부 금속 배선과 직접 접속되는 제 1 MIM 캐패시터를 형성하여 MIM 트렌치 형성 공정을 생략할 수 있고, 다층 구조에 제 1 MIM 캐패시터와 오버랩되는 제 2 MIM 캐패시터를 형성함으로써, 캐패시터가 차지하는 면적을 효율적으로 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 반도체 소자의 형성 공정을 단순화 하면서도, 그 크기를 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.
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.

Claims (10)

  1. 제 1 금속 배선표면에 구비된 제 1 MIM 캐패시터;
    상기 제 1 캐패시터와 층간절연막을 개재한 타층에 구비되되, 상기 제 1 MIM 캐패시터와 부분적으로 오버랩되는 제 2 MIM 캐패시터; 및
    상기 제 1 금속 배선, 제 1 MIM 캐패시터 및 제 2 MIM 캐패시터와 접속되는 제 2 금속 배선을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  2. (a) 제 1 금속 배선 상부에 제 1 MIM 캐패시터 예정 영역을 노출시키는 확산방지막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 노출된 제 1 금속배선 상부에 제 1 MIM 캐패시터를 형성하는 단계;
    (c) 상기 제 1 MIM 캐패시터를 포함하는 전면에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계;
    (d) 상기 제 1 층간절연막을 식각하여 상기 제 1 금속 배선에 접속되는 비아 콘택을 형성하는 단계;
    (e) 상기 비아 콘택과 접속되며, 제 1 MIM 캐패시터와 부분적으로 오버랩되는 제 2 MIM 캐패시터를 형성하는 단계;
    (f) 상기 제 2 MIM 캐패시터를 포함하는 전면에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계; 및
    (g) 상기 제 1 금속 배선, 제 1 MIM 캐패시터 및 제 2 MIM 캐패시터와 접속 되는 제 2 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 MIM 캐패시터는 각각 하부 전극층, 유전층, 상부 전극층 및 식각정지막의 적층 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 전극층은 TiN, TaN, W, Ti/TiN, Ti, Ta, TiSiN 및 TaSiN막 중 선택된 어느 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 상부 전극층은 10 ~ 3000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 유전층은 Si3N4, SiO2, SiON, HfO2, Al2O 3, Ta2O5, ZrO2, Y2O3 및 BST막 중 선택된 어느 하나를 이용하며, PECVD, ALD, PEALD 및 MOCVD 중 선택된 어느 한 가지 방법으로, 10 ~ 1000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 식각정지막은 SiC, SiN, SiO2 및 폴리머 중 선택된 어느 하나를 이용하여 10 ~ 5000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 금속 배선은 Cu 또는 Al 금속 배선인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 금속 배선은 W 비아 콘택 플러그를 개재하여 상기 제 1 및 제 2 MIM 캐패시터와 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  10. 삭제
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