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JP2009099991A - 半導体素子のスタックキャパシタ及びその形成方法 - Google Patents

半導体素子のスタックキャパシタ及びその形成方法 Download PDF

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JP2009099991A JP2008267120A JP2008267120A JP2009099991A JP 2009099991 A JP2009099991 A JP 2009099991A JP 2008267120 A JP2008267120 A JP 2008267120A JP 2008267120 A JP2008267120 A JP 2008267120A JP 2009099991 A JP2009099991 A JP 2009099991A
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Ki-Wan Bang
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Dongbu HitekCo Ltd
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Abstract

【課題】半導体素子のスタックキャパシタ及びその形成方法を提供する。
【解決手段】この半導体素子のスタックキャパシタは、半導体基板上に、第1下部電極、第1キャパシタ絶縁膜、及び第2上部電極が順次に積層された構造を持つ第1キャパシタと、前記第1キャパシタ上に形成され、第2下部電極、第2キャパシタ絶縁膜、及び第2上部電極が順次に積層された構造を持つ第2キャパシタと、を含み、前記第1下部電極、前記第1上部電極、前記第2下部電極、及び前記第2上部電極のうち少なくとも2つは互いに垂直方向に整列され、同じ面積を有するとした。
【選択図】図8

Description

本発明は、半導体素子の製造方法に係り、特に、半導体素子のスタックキャパシタ及びその形成方法に関する。
現在、高速動作を要求するロジック回路では、高容量キャパシタを具現するための半導体素子の開発及び研究が進行されている。一般的に、高容量キャパシタがPIP(Polysilicon/Insulator/Polysilicon)構造の場合では、上部電極及び下部電極に導電性ポリシリコンを使用するから、上部電極と絶縁体膜の界面、及び下部電極と絶縁体膜の界面において酸化反応がおき、このような酸化反応によって自然酸化膜が形成され、全体キャパシタンスの大きさが減るという問題があった。
これを解決するためにキャパシタの構造をMIM(Metal/Insulator/Metal)に変更したが、MIM型キャパシタは、内部に空乏(deplection)による寄生キャパシタンスがないから、高いQ値を要求する高性能半導体装置で主に用いられている。さらに、キャパシタを単層から複層、すなわち、スタック型構造を採用することによって、高容量キャパシタンスを確保している。
図1は、一般的なスタックMIMキャパシタを示す断面図である。図1に示すように、スタックMIMキャパシタは、半導体基板100上に第1キャパシタ及び第2キャパシタが積層され、該第1キャパシタは、金属膜である第1下部電極110、誘電膜である第1絶縁膜121及び金属膜である第1上部電極122が積層されてなり、該第2キャパシタは、金属膜である第2下部電極123、誘電膜である第2絶縁膜130及び金属膜である第2上部電極140が積層されてなる。
ここで、第1キャパシタの第1上部電極122は、第1下部電極110よりも狭い面積に形成されるので、第1キャパシタの両電極が形成された面積が互いに不一致することとなる。このように両電極が互いに異なる面積を持つように形成された第1キャパシタの製造工程は、相互に異なるマスクの製作及びマスクの適用を行わねばならず、工程数が増える。なお、第2キャパシタも同様に、互いに異なる面積を持つ両電極を備えるので、さらなるマスクの製作及びマスクの適用を行わねばならず、単層のキャパシタに比べて工程数がより増えるので、工程効率が低下し、結果としてキャパシタンスの低下を招くという問題があった。
本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、キャパシタンスの低下を防止することができる半導体素子のスタックキャパシタ及びその形成方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明の実施例に係る半導体素子のスタックキャパシタは、半導体基板上に、第1下部電極、第1絶縁膜、及び第2上部電極が順次に積層された構造を持つ第1キャパシタと、該第1キャパシタ上に形成され、第2下部電極、第2絶縁膜、及び第2上部電極が順次に積層された構造を持つ第2キャパシタと、を含み、前記第1下部電極、前記第1上部電極、前記第2下部電極、及び前記第2上部電極のうち少なくとも2つは互いに垂直方向に整列され、同じ面積を有する構成とした。
上記の目的を達成するための本発明の実施例に係る半導体素子のスタックキャパシタ形成方法は、半導体基板上に、第1下部電極、第1キャパシタ絶縁膜、及び第2上部電極が順次に積層された構造を持つ第1キャパシタを形成する段階と、該第1キャパシタ上に、第2下部電極、第2キャパシタ絶縁膜、及び第2上部電極が順次に積層された構造を持つ第2キャパシタを形成する段階と、を含み、前記第1下部電極、前記第1上部電極、前記第2下部電極、及び前記第2上部電極のうち少なくとも2つは互いに垂直方向に整列され、同じ面積を持つように形成した。
本発明による半導体素子のスタックキャパシタ及びその形成方法によれば、第1キャパシタの電極と第2キャパシタの上部電極が垂直方向に整列され、面積が一致するようにしたため、スタックキャパシタの工程進行をし易くし、キャパシタンスの低下を防止することが可能になる。
以下、添付の図面及び実施例を用いて、本発明を具体的に説明する。
図8は、本発明の実施例によるスタックキャパシタを含む半導体素子800の断面図である。図8を参照すると、半導体素子800は、基板10、第1層間絶縁膜12、下部金属配線14、複数の下部コンタクト16、第2層間絶縁膜24、第3層間絶縁膜32、スタックキャパシタ37、第4層間絶縁膜34、複数の上部コンタクト38a,38b,38c、第5層間絶縁膜36、及び上部金属配線40を含む。
第1層間絶縁膜12は基板上に形成され、下部金属配線14及び複数の下部コンタクト16は第1層間絶縁膜12内に形成される。
第2層間絶縁膜24は第1層間絶縁膜12上に形成され、第3層間絶縁膜32は第2層間絶縁膜24上に形成される。
スタックキャパシタ37は、第1キャパシタ25上に第2キャパシタ35が積層された構造を持つ。第1キャパシタ25は、第1下部電極18、第1キャパシタ絶縁膜20、第1上部電極22が順次に積層された構造を持つ。第2キャパシタ35は、第2下部電極26b、第2キャパシタ絶縁膜28b及び第2上部電極30bが順次に積層された構造を持つ。
ここで、第1キャパシタ25の第1下部電極18と第1上部電極22は互いに同じ面積を持つように垂直方向に整列される。第1キャパシタ25の第1下部電極18は、第2キャパシタ35の第2上部電極30bと同じ面積を持つように垂直方向にお互い整列されることができる。また、第1キャパシタ25の第1上部電極22は第2キャパシタ35の第2上部電極30bと同じ面積を持つように垂直方向に整列されることができる。
したがって、第1キャパシタ25の第1下部電極18、第1上部電極22、及び第2キャパシタ35の第2上部電極30bは、垂直方向に同じ面積を持つように整列されることができる。
第1キャパシタ25は、第1層間絶縁膜12上に形成され、第2キャパシタ35は、第3層間絶縁膜32内に形成される。第4層間絶縁膜34は、第3層間絶縁膜32上に形成される。
第1キャパシタ25の第1下部電極18は、第1層間絶縁膜12内に形成された複数の下部コンタクト16と連結される。
複数の上部コンタクト38a,38b,38cは、第4層間絶縁膜34内に形成される。複数の上部コンタクト38a,38b,38cのうち第1上部コンタクト38aは、第2キャパシタ35の第2下部電極26bに連結される。複数の上部コンタクト38a,38b,38cのうち第2上部コンタクト38bは、第2キャパシタ35の第2上部電極30bに連結される。複数の上部コンタクト38a,38b,38cのうち第3上部コンタクト38cは、下部コンタクト16のいずれか一つに連結される。
第5層間絶縁膜36は、第4層間絶縁膜34上に形成され、上部金属配線40は、第5層間絶縁膜内に形成される。複数の上部コンタクト38a,38b,38cのそれぞれは、上部金属配線40に連結される。
スタックキャパシタは、垂直方向に面積が一致するように整列された第1キャパシタ25の電極18,22と第2キャパシタ35の第2上部電極30bとを含むように形成されることによって、スタックキャパシタの工程進行をし易くし、キャパシタンスの低下を防止することができる。
図2〜図8は、本発明による半導体素子のスタックキャパシタ形成方法を示す工程順序図である。
図2に示すように、基板10上に下部金属配線14を形成する。例えば、基板10上に金属層(図示せず)を形成し、形成された金属層をパターニングして下部金属配線14を形成すれば良い。
下部金属配線14の形成された基板10上に、第1層間絶縁膜12を形成し、第1層間絶縁膜12内に下部金属配線14に連結される複数の下部コンタクト16を形成する。
例えば、フォトリソグラフィ工程を通じて第1層間絶縁膜12上に第1フォトレジストパターン(図示せず)を形成した後、該第1フォトレジストパターンをエッチングマスクとして第1層間絶縁膜12を選択的にエッチングし、ビアホール(図示せず)及びトレンチ(図示せず)を形成する。第1フォトレジストパターンを除去した後、ビアホール及びトレンチに金属物質を埋め立て、複数の下部コンタクト16を形成することができる。
ここで、基板10には通常の半導体工程によってトランジスタなどの各種素子が形成され、該トランジスタと下部金属配線14とが連結されることができる。
図3に示すように、第1層間絶縁膜12上に複数の下部コンタクト16のうち一部と連結される第1キャパシタ25を形成する。例えば、第1層間絶縁膜12上に第1金属膜、第1絶縁膜、第2金属膜を順次に形成した後、第2金属膜上に第1マスクを用いた露光及び現像工程を行い、第2フォトレジストパターン(図示せず)を形成する。
ここで、第1金属膜及び第2金属膜は、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、タンタル窒化膜(TaN)などのいずれかにずれば良く、第1絶縁膜は、シリコン窒化膜(SiN)、シリコン酸化膜(SiO)などのいずれかにすれば良い。
続いて、第2フォトレジストパターンをエッチングマスクとして第1金属膜、第1絶縁膜、第2金属膜を順次にエッチングし、第1下部電極18、第1キャパシタ絶縁膜20、第1上部電極22を形成する。ここで、第1下部電極18、第1キャパシタ絶縁膜20及び第1上部電極22は、第1キャパシタ25を形成する。
次に、図4に示すように、第1キャパシタ25の形成された全面に絶縁膜を形成した後、第1上部電極22が露出されるまでCMP工程のような平坦化工程を行い、第2層間絶縁膜24を形成する。
続いて、図5に示すように、第2層間絶縁膜24及び第1上部電極22の全面に第3金属膜26a、第2絶縁膜28a、及び第4金属膜30aを順次に形成する。
ここで、第3金属膜26a及び第4金属膜30aは、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、タンタル窒化膜(TaN)などのいずれかにすれば良く、第2絶縁膜28aは、シリコン窒化膜(SiN)、シリコン酸化膜(SiO)などのいずれかにすれば良い。
次に、図6に示すように、第1キャパシタ25の形成のためのパターニング時に使用された第1マスク(図示せず)を用いて第4金属膜30a上に第3フォトレジストパターン(図示せず)を形成する。続いて、該第3フォトレジストパターンをエッチングマスクとして第4金属膜30aのみをエッチングし、第2上部電極30bを形成する。第2上部電極30bの形成後に、第3フォトレジストパターンは除去される。
ここで、第1キャパシタ25の第1下部電極18及び第1上部電極22の形成工程時に使われた第1マスクを第2キャパシタ35の第2上部電極30bの形成工程時にも使用するので、これら電極18,22,30bは垂直方向に整列されると共に、同じ面積を持つこととなる。
続いて、図7に示すように、第2上部電極30bの形成された第2絶縁膜28a上に第2マスク(図示せず)を用いて露光及び現像工程を行い、第4フォトレジストパターン(図示せず)を形成する。
該第4フォトレジストパターン(図示せず)は、第2及び第3フォトレジストパターン(図示せず)よりも広い面積を持つように形成されることができる。すなわち、第4フォトレジストパターンは、第2上部電極30bを覆うことはもちろん、第2上部電極30bの周囲の第2絶縁膜28aの表面まで覆うようにする。例えば、第4フォトレジストパターンは、第2上部電極30bを基準にして同じ距離の隣接領域を覆うようにすれば良い。
続いて、第4フォトレジストパターンをエッチングマスクとして第2絶縁膜28aをエッチングし、第2上部電極30bよりも広い面積を持つ第2キャパシタ絶縁膜28bを形成する。
続いて、第2絶縁膜28aをエッチングした後、第4フォトレジストパターンをエッチングマスクとして第3金属膜26aをエッチングし、第2上部電極30bよりも広い面積を持つ第2下部電極26bを形成する。
この時、第2キャパシタ絶縁膜28b及び第2下部電極26bは垂直方向に互いに整列され且つ同じ面積を有し、第2下部電極26bは第1上部電極22と接触する。
ここで、第2下部電極26b、第2キャパシタ絶縁膜28b、及び第2上部電極30bは、第2キャパシタ35を形成する。
最後に、図8に示すように、第2キャパシタ35の形成された第2層間絶縁膜24の全面に絶縁膜を形成した後、第2上部電極30bが露出されるまでCMP工程のような平坦化工程を行い、第3層間絶縁膜32を形成する。
続いて、第3層間絶縁膜32及び第2キャパシタ35が形成された基板10上に第4層間絶縁膜34及び第5層間絶縁膜36を順次に形成する。
写真エッチング工程のようなパターニング工程を通じて第5層間絶縁膜36、第4層間絶縁膜34、第3層間絶縁膜32、及び第2層間絶縁膜24をパターニングし、トレンチ及びビアホールを形成した後、形成されたトレンチ及びビアホールに金属物質を埋め立て、上部金属配線40及びこれに連結される複数の上部コンタクト38a,38b,38cを形成する。
次に、上部金属配線40及び複数の上部コンタクト38a,38b,38cの形成についてより詳細に説明する。
例えば、第4層間絶縁膜34を形成した後、第4層間絶縁膜34上にコンタクト用フォトレジストパターン(図示せず)を形成する。続いて、該コンタクト用フォトレジストパターンをエッチングマスクとして第4層間絶縁膜34、第3層間絶縁膜32及び第2キャパシタ絶縁膜28bを選択的にエッチングし、第2下部電極26bの一部を露出させる第1ビアホール(図示せず)、第2上部電極30bの一部を露出させる第2ビアホール(図示せず)、及び複数の下部コンタクト16のいずれか一つを露出させる第3ビアホール(図示せず)を形成する。次いで、第1ビアホール、第2ビアホール、及び第3ビアホールに金属物質を埋め立て、第1上部コンタクト38a、第2上部コンタクト38b、及び第3上部コンタクト38cを形成する。
複数の上部コンタクト38a,38b,38cの形成された第4層間絶縁膜34上に第5層間絶縁膜36を形成する。続いて、第5層間絶縁膜36をパターニングして複数のコンタクトを露出させるトレンチを形成し、該トレンチに金属物質を埋め立て、上部金属配線40を形成することができる。
上記の複数のコンタクト及び上部金属配線の形成方法は、本発明の一実施例に過ぎず、本発明がこれに限定されることはない。
例えば、第1上部コンタクト38aは、第4層間絶縁膜34、第3層間絶縁膜32、及び第2キャパシタ絶縁膜28bをパターニングして形成されたビアホールに金属物質が埋め立てられて形成されることができ、これは、上部金属配線40と第2下部電極26bとを連結する。
また、第2上部コンタクト38bは、第4層間絶縁膜34をパターニングして形成されたビアホールに金属物質が埋め立てられて形成され、これは、上部金属配線40と第2キャパシタの第2上部電極30bとを連結する。
そして、上部コンタクトのうち第3上部コンタクト38cは、第4層間絶縁膜34、第3層間絶縁膜32及び第2層間絶縁膜24をパターニングして形成されたビアホールに金属物質が埋め立てられて形成され、これは、下部金属配線に連結された下部コンタクト16と上部金属配線40とを連結する。ここで、下部コンタクト16は、下部金属配線を通じて第1キャパシタの第1下部電極18に連結される。
上部金属配線40は、第5層間絶縁膜36をパターニングして形成されたトレンチ(図示せず)に金属物質を埋め立てて形成する。
これで、互いに連結された第1キャパシタの第1下部電極18と第1上部電極22、第2キャパシタの第2下部電極26bと第2上部電極30bが備えられたスタックキャパシタの形成が完了する。
以上説明した如く、スタックキャパシタにおいて、第1キャパシタの第1下部電極18及び第1上部電極22は、第2キャパシタの第2上部電極30bと垂直方向に整列され、同じ面積で形成されるので、第1キャパシタの両電極と第2キャパシタの一つの電極の面積は一致することになる。
したがって、一般的な第1及び第2キャパシタを構成する各電極の形成工程におけるマスクの製作及びマスクの適用時の工程回数に比べて、本発明による第1及び第2キャパシタを構成する各電極の形成工程の回数が減少するので、工程効率が増加し、キャパシタンスの低下を防止することができる。
以上説明してきた具体的な実施例及び図面は本発明を限定するためのものではなく、したがって、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であるということは、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者にとっては明白である。
一般的なスタックMIMキャパシタを示す断面図である。 本発明の実施例による半導体素子のスタックキャパシタ形成方法を示す工程順序図である。 本発明の実施例による半導体素子のスタックキャパシタ形成方法を示す工程順序図である。 本発明の実施例による半導体素子のスタックキャパシタ形成方法を示す工程順序図である。 本発明の実施例による半導体素子のスタックキャパシタ形成方法を示す工程順序図である。 本発明の実施例による半導体素子のスタックキャパシタ形成方法を示す工程順序図である。 本発明の実施例による半導体素子のスタックキャパシタ形成方法を示す工程順序図である。 本発明の実施例による半導体素子のスタックキャパシタ形成方法を示す工程順序図である。

Claims (13)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に、第1下部電極、第1キャパシタ絶縁膜、及び第1上部電極が順次に積層された構造を持つ第1キャパシタと、
    前記第1キャパシタ上に形成され、第2下部電極、第2キャパシタ絶縁膜、及び第2上部電極が順次に積層された構造を持つ第2キャパシタと、
    を含み、
    前記第1下部電極、前記第1上部電極、前記第2下部電極、及び前記第2上部電極のうち少なくとも2つは互いに垂直方向に整列され、同じ面積を持つことを特徴とする半導体素子のスタックキャパシタ。
  2. 前記第1下部電極、前記第1上部電極、及び前記第2上部電極が垂直方向に整列され、同じ面積を持つことを特徴とする、請求項1に記載の半導体素子のスタックキャパシタ。
  3. 前記第1キャパシタ絶縁膜は、前記第1下部電極及び前記第1上部電極と垂直方向に整列され、同じ面積を持つことを特徴とする、請求項2に記載の半導体素子のスタックキャパシタ。
  4. 前記第2下部電極及び前記第2キャパシタ絶縁膜は垂直方向に整列され、同じ面積を持つことを特徴とする、請求項2に記載の半導体素子のスタックキャパシタ。
  5. 前記半導体基板は、
    下部金属配線と、
    前記下部金属配線に連結される複数の下部コンタクトが形成された第1層間絶縁膜と、を含み、
    前記複数の下部コンタクトのうちいずれか一つは、前記第1下部電極と連結されることを特徴とする、請求項1に記載の半導体素子のスタックキャパシタ。
  6. 前記第1層間絶縁膜上に、前記第1キャパシタを含んで形成される第2層間絶縁膜と、
    前記第2層間絶縁膜上に、前記第2キャパシタを含んで形成される第3層間絶縁膜と、
    前記第3層間絶縁膜上に形成される第4層間絶縁膜と、
    前記第3層間絶縁膜、第4層間絶縁膜、及び前記第2層間絶縁膜を貫通して前記第2下部電極に連結される第1コンタクトと、
    前記第4層間絶縁膜を貫通して前記第2上部電極に連結される第2コンタクトと、
    前記第4層間絶縁膜、第3層間絶縁膜、及び前記第2層間絶縁膜を貫通して前記下部コンタクトのうちいずれか一つに連結される第3コンタクトと、
    前記第4層間絶縁膜上に形成され、前記第1コンタクト、第2コンタクト、及び第3コンタクトに連結される上部金属配線を含む第5層間絶縁膜と、
    をさらに含むことを特徴とする、請求項5に記載の半導体素子のスタックキャパシタ。
  7. 半導体基板上に、第1下部電極、第1キャパシタ絶縁膜、及び第1上部電極が順次に積層された構造を持つ第1キャパシタを形成する段階と、
    前記第1キャパシタ上に、第2下部電極、第2キャパシタ絶縁膜、及び第2上部電極が順次に積層された構造を持つ第2キャパシタを形成する段階と、
    を含み、
    前記第1下部電極、前記第1上部電極、前記第2下部電極、及び前記第2上部電極のうち少なくとも2つは互いに垂直方向に整列され、同じ面積を持つように形成することを特徴とする半導体素子のスタックキャパシタ形成方法。
  8. 前記第1下部電極、前記第1上部電極、及び前記第2上部電極が垂直方向に整列され、同じ面積を持つように形成することを特徴とする、請求項7に記載の半導体素子のスタックキャパシタ形成方法。
  9. 前記第1キャパシタを形成する段階は、
    前記半導体基板上に第1金属膜、第1絶縁膜、及び第2金属膜を順次に形成する段階と、
    前記第2金属膜上に第1マスクを用いた露光工程及び現像工程を行い、第1フォトレジストパターンを形成する段階と、
    前記第1フォトレジストパターンをエッチングマスクとして前記第2金属膜、前記第1絶縁膜、及び前記第1金属膜を順次にエッチングし、前記第2上部電極、前記第1キャパシタ絶縁膜、及び前記第2上部電極を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項8に記載の半導体素子のスタックキャパシタ形成方法。
  10. 前記第2キャパシタの形成前に、前記第1キャパシタの形成された半導体基板の全面に絶縁膜を形成する段階と、
    前記第1上部電極が露出されるまでCMP工程のような平坦化工程を行い、第2層間絶縁膜を形成する段階と、
    をさらに含むことを特徴とする、請求項9に記載の半導体素子のスタックキャパシタ形成方法。
  11. 前記第2キャパシタを形成する段階は、
    前記第2層間絶縁膜及び前記第1上部電極の全面に、第3金属膜、第2絶縁膜、及び第4金属膜を順次に形成する段階と、
    前記第1マスクを用いた露光工程及び現像工程を行い、前記第4金属膜上に第2フォトレジストパターンを形成する段階と、
    前記第2フォトレジストパターンをエッチングマスクとして前記第4金属膜をエッチングし、前記第2上部電極を形成する段階と、
    前記第2フォトレジストパターンを除去した後、前記第2層間絶縁膜上に第2マスクを用いた露光工程及び現像工程を行い、第3フォトレジストパターンを形成する段階と、
    前記第3フォトレジストパターンをエッチングマスクとして前記第2絶縁膜及び前記第3金属膜をエッチングし、前記第2上部電極よりも広い面積を持つ第2キャパシタ絶縁膜及び前記第2下部電極を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項10に記載の半導体素子のスタックキャパシタ形成方法。
  12. 前記第1金属膜及び前記第2金属膜は、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、タンタル窒化膜(TaN)のうちいずれか一つから形成され、
    前記第1絶縁膜は、シリコン窒化膜(SiN)及びシリコン酸化膜(SiO)のうちいずれか一つから形成されることを特徴とする、請求項9に記載の半導体素子のスタックキャパシタ形成方法。
  13. 前記第3金属膜及び前記第4金属膜は、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、タンタル窒化膜(TaN)のうちいずれか一つから形成され、
    前記第2絶縁膜は、シリコン窒化膜(SiN)及びシリコン酸化膜(SiO)のうちいずれか一つから形成されることを特徴とする、請求項11に記載の半導体素子のスタックキャパシタ形成方法。
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