KR100784037B1 - Method of manufacturing a capacitor in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명의 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 커패시터 내부에 폴리 실리콘 알갱이로 채워 넣음으로써 커패시터의 표면적 확보를 최대화하여 커패시커의 임계치수를 미세화 할 수 있고 커패시터의 높이를 줄일 수 있으며 개발비용을 절감할 수 있는 반도체 소자의 커패시터 제조 방법을 제공한다.
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, by filling polysilicon granules inside a capacitor to maximize the surface area of the capacitor, thereby minimizing the critical dimension of the capacitor, reducing the height of the capacitor, and reducing development costs. Provided are a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device.
디램, 반도체 소자, 커패시터, 폴리 실리콘 알갱이DRAM, Semiconductor Devices, Capacitors, Poly Silicon Grains
Description
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 커패시터 제조공정을 설명하기 위한 단면도.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a capacitor manufacturing process according to a first embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 커패시터 제조공정을 설명하기 위한 단면도.
2A to 2D are cross-sectional views illustrating a capacitor manufacturing process according to a second embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
1 : 반도체 기판 2 : 제 1 절연막1
3 : 콘택 플러그 4 : 제 2 절연막3: contact plug 4: second insulating film
5 : 마스크 패턴 6 : 콘택홀5: mask pattern 6: contact hole
7 : 하부 전극층 8 : 폴리 실리콘 알갱이7: lower electrode layer 8: polysilicon grains
9 : 상부 전극층
9: upper electrode layer
본 발명의 반도체 소자의 커패시터 제조 방법에 관한 것으로, 특히 0.1㎛이하의 디램 소자의 커패시터 표면적 확보를 최대화 하여 용량 확보를 쉽게 할 수 있는 반도체 소자의 커패시터 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a capacitor manufacturing method of a semiconductor device of the present invention, and more particularly to a capacitor manufacturing method of a semiconductor device that can easily secure the capacity by maximizing the capacitor surface area of the DRAM device of 0.1㎛ or less.
소자 개발이 0.10㎛ 이하로 내려가면서 커패시터(Capacitor) 용량의 확보의 문제는 매우 중요한 쟁점으로 부상되고 있다. 따라서 현재 이를 해결하기 위하여 새로운 고유전율을 가지는 유전(Dielectric)물질을 개발하려는 노력이 많이 진행되고 있다. 그러나 이러한 물질은 새로운 투자를 해야하는 부담감과 공정상의 안정성 때문에 쉽게 공정에 적용되기 힘들다. As the development of devices has fallen below 0.10㎛, the issue of securing capacitor capacity has emerged as a very important issue. Therefore, many efforts have been made to develop a dielectric material having a new high dielectric constant to solve this problem. However, these materials are difficult to apply to the process due to the burden of new investment and process stability.
또한 셀 사이즈의 감소와 더불어 커패시터의 크기가 작아지게 되는데 이때 커패시터의 임계치수 확보가 매우 힘들어 표면적 확보에 어려움을 가진다. 이를 위해 커패시터의 높이를 올리게 되는데 이는 우선 DLM 공정에 있어서 금속접촉(Metal contact)시 매우 어려움을 격게된다. 또한 과도하게 높인 커패시터는 무너지기도 한다. 커패시터의 높이가 높아지면 아래쪽까지 증착 물질들이 도달하지 못하게 되어 실질적으로 커패시터 용량을 높이지 못하는 문제점이 발생한다.
In addition, as the cell size decreases, the size of the capacitor becomes smaller. At this time, the critical dimension of the capacitor is very difficult to secure, thus making it difficult to secure the surface area. To this end, the height of the capacitor is raised, which is very difficult during metal contact in the DLM process. Excessively high capacitors can also collapse. If the height of the capacitor is high, the deposition materials do not reach to the bottom, which causes a problem of not substantially increasing the capacitor capacity.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 커패시터안에 작은 폴리(Poly) 알갱이들을 채워 이를 커패시터 표면적으로 사용함으로써 표면적 확보를 최대화 할 수 있는 반도체 소자의 커패시터 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device capable of maximizing surface area by filling small poly grains in a capacitor and using the surface of the capacitor to solve the above problems.
본 발명의 한 특징에 의하면, 새로운 유전 물질의 개발 및 새로운 장비 투자의 부담이 없어 개발 비용을 크게 절감할 수 있다.
According to one aspect of the present invention, there is no burden of developing new dielectric materials and investing in new equipment, thereby greatly reducing development costs.
콘택 플러그가 형성된 하지층 상에 절연막이 형성되는 단계, 소정의 식각 공정을 실시하여 상기 절연막의 일부를 제거하여 상기 콘택홀을 형성하는 단계, 전체 구조 상부에 하부 전극층이 형성되는 단계, 상기 콘택홀에 폴리 실리콘 알갱이를 채운 후 상기 절연막의 상부가 노출되도록 상기 하부 전극층의 일부를 제거하는 식각공정을 실시하는 단계,열처리공정을 실시하는 단계 및 전체 구조 상부에 상부 전극층이 형성되는 단계를 포함하여 이루어 진것을 특징으로 하는 반도체 소자의 커패시터 제조 방법을 제공한다. Forming an insulating layer on a base layer on which a contact plug is formed, performing a predetermined etching process to remove a portion of the insulating layer to form the contact hole, forming a lower electrode layer on an entire structure, and forming the contact hole Performing a etching process of removing a portion of the lower electrode layer to expose the upper portion of the insulating film after filling the polysilicon grains, performing a heat treatment process, and forming an upper electrode layer on the entire structure. The present invention provides a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device.
콘택 플러그가 형성된 하지층 상에 절연막이 형성되는 단계, 소정의 식각 공정을 실시하여 상기 절연막의 일부를 제거하여 콘택홀을 형성하는 단계, 상기 콘택홀에 폴리 실리콘 알갱이를 채운 후 열처리공정을 실시하는 단계, 및 전체 구조 상부에 상부 전극층이 형성되는 단계를 포함하여 이루어 진것을 특징으로 하는 반도체 소자의 커패시터 제조 방법을 제공한다.
Forming an insulating layer on the base layer on which the contact plug is formed, performing a predetermined etching process to form a contact hole by removing a portion of the insulating layer, and filling the contact hole with polysilicon granules, and then performing a heat treatment process. It provides a capacitor manufacturing method of a semiconductor device, characterized in that it comprises a step, and forming an upper electrode layer on the entire structure.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제 1 실시 예를 더욱 상세히 설명 하기로 한다. Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 커패시터 제조공정을 설명하기 위한 단면도이다. 1A to 1F are cross-sectional views illustrating a capacitor manufacturing process according to a first embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 반도체 기판(1) 상에 제 1 절연막(2)을 형성한다. 제 1 절연막(2)의 소정 영역을 제거하여 반도체 기판(1)의 접합부(도시되지 않음)를 노출시키는 제 1 콘택홀(Contact hole)을 형성한 후 제 1 콘택홀에 전도성 물질을 매립하여 콘택 플러그(Contact plug)(3)를 형성한다. 상기의 콘택 플러그(3)를 포함한 제 1 절연막(2) 상부에 제 2 절연막(4)을 형성한다. 마스크(5) 공정을 이용하여 콘택 플러그(3) 상부가 노출되도록 제 2 절연막(4)을 제거하여 제 2 콘택홀(6)을 형성한다. Referring to FIG. 1A, a first
도 1b를 참조하면, 마스크(5) 공정시 사용하였던 포토레지스트(Photo-resist)를 제거한 후 하부 전극(Bottom electrode)층(7)을 형성한다. 이때 제 2 콘택홀을 포함한 전체 구조 상부에 폴리(Poly) 실리콘을 증착함으로써 하부 전극층(7)을 형성한다. Referring to FIG. 1B, the
도 1c를 참조하면, 상기의 하부 전극층(7)이 형성된 제 2 콘택홀(6) 내부를 폴리 실리콘 알갱이(8)로 채운다. 이때 추가적인 장비의 도입 없이 기존의 식각용으로 사용하던 CMP장비를 이용하여 실시한다. 이는 장비 투자의 부담이 없이 개발비용의 절감이 가능하게 된다.Referring to FIG. 1C, the inside of the
구체적으로 CMP장비의 특성을 이용한 것으로 웨이퍼를 CMP 패드(Pad) 상에 장착한 후 슬러리(Slurry)를 주입하면서 돌리면 슬러리들이 기판내의 빈공간 내부 에 잘 채워지는 것을 이용하였다. 즉 슬러리로는 0.001 내지 0.03㎛의 크기의 폴리 실리콘 알갱이(8)를 사용하여 하부 전극층(7)이 형성된 반도체 기판(1)을 CMP 패드 상에 장착한 후 폴리 실리콘 알갱이(8)를 주입하면서 돌리게 되면 하부 전극층(7)이 형성된 제 2 콘택홀(6) 내부에 폴리 실리콘 알갱이(8)들이 잘 채워진다. Specifically, the characteristics of the CMP equipment were used to mount the wafer on the CMP pad and rotate the slurry while injecting the slurry to fill the inside of the empty space in the substrate. That is, as the slurry, the semiconductor substrate 1 having the
도 1d를 참조하면, 커패시터 노드(Node)의 고립을 위해서 제 2 절연막(4) 상부의 폴리층을 CMP 또는 에치백(Etch back)공정을 실시하여 제거한다. 제 2 콘택홀(6)의 내부에만 하부 전극층(7)이 잔존하게 된다. Referring to FIG. 1D, the poly layer on the second insulating layer 4 is removed by a CMP or etch back process to isolate the capacitor node. The
도 1e를 참조하면, 하부 전극(7)내부의 폴리 실리콘 알갱이(8)들이 서로 연결이 되어 하부 전극층(7)과 연결이 되도록 불활성 기체인 N2 혹은 아르곤등의 대기 상태에서 열공정을 실시한다. 또는 MPS 그로잉(Growing)공정을 실시하여 커패시터의 표면적 증가를 극대화한다. Referring to FIG. 1E, the
도 1f를 참조하면, 전체구조 상부에 유전 물질을 이용하여 상부 전극층(9)을 형성하여 커패시터를 형성한다. 이때 유전 물질로는 폴리 실리콘 알갱이들에 의해 형성된 작은골들도 매울 수 있는 매우 스텝 커버리지(Step coverage)가 좋은 물질을 사용한다. 따라서 기존의 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정인 ONO 또는 TaON등의 물질을 사용한다. 또한 상부 전극층(9)은 폴리 실리콘층으로 사용한다. Referring to FIG. 1F, a capacitor is formed by forming an upper electrode layer 9 using a dielectric material over the entire structure. In this case, a very good step coverage is used as the dielectric material, which can fill small valleys formed by polysilicon grains. Therefore, a material such as ONO or TaON, which is a conventional chemical vapor deposition (CVD) process, is used. In addition, the upper electrode layer 9 is used as a polysilicon layer.
공정의 단순화를 위해 하부 전극층(7)을 형성하지 않고 커패시터를 형성할 수 있다.
In order to simplify the process, a capacitor may be formed without forming the
본 발명의 제 2 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. A second embodiment of the present invention will be described in more detail.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 커패시터 제조공정을 설명하기 위한 단면도이다.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a capacitor manufacturing process according to a second embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 반도체 기판(1) 상에 제 1 절연막(2)을 형성한다. 제 1 절연막(2)의 소정 영역을 제거하여 반도체 기판(1)의 접합부(도시되지 않음)를 노출시키는 제 1 콘택홀(Contact hole)을 형성한 후 제 1 콘택홀에 전도성 물질을 매립하여 콘택 플러그(Contact plug)(3)를 형성한다. 상기의 콘택 플러그(3)를 포함한 제 1 절연막(2) 상부에 제 2 절연막(4)을 형성한다. 마스크(5) 공정을 이용하여 콘택 플러그 상부가 노출되도록 제 2 절연막(4)을 제거하여 제 2 콘택홀(6)을 형성한다. Referring to FIG. 2A, a first
도 2b를 참조하면, 제 2 절연막(4)을 제거하여 형성된 제 2 콘택홀(6)의 내부에 폴리 실리콘 알갱이(8)로 채운다. 이때 추가적인 장비의 도입 없이 기존의 식각용으로 사용하던 CMP장비를 이용하여 실시한다. 이는 장비 투자의 부담이 없이 개발비용의 절감이 가능하게 된다.Referring to FIG. 2B,
구체적으로 CMP장비의 특성을 이용한 것으로 웨이퍼를 CMP 패드(Pad) 상에 장착한 후 슬러리(Slurry)를 주입하면서 돌리면 슬러리들이 기판내의 빈공간 내부에 잘 채워지는 것을 이용하였다. 즉 슬러리로는 0.001 내지 0.03㎛의 크기의 폴리 실리콘 알갱이(8)를 사용하여 제 2 콘택홀(6)이 형성된 반도체 기판(1)을 CMP 패드 상에 장착한 후 폴리 실리콘 알갱이(8)를 주입하면서 돌리게 되면 커패시터용 캡(6)의 내부에 폴리 실리콘 알갱이(8)들이 잘 채워진다.
Specifically, the characteristics of the CMP equipment were used to mount the wafer on the CMP pad and rotate the slurry while injecting the slurry so that the slurry was well filled in the empty space in the substrate. That is, as the slurry, a
도 2c를 참조하면, 제 2 콘택홀(6) 내부의 폴리 실리콘 알갱이(8)들이 서로 연결이 되어 콘택 플러그(3)와 연결이 되도록 불활성 기체 N2 혹은 아르곤등의 대기 상태에서 열공정을 실시한다. Referring to FIG. 2C, a thermal process is performed in an atmospheric state such as inert gas N 2 or argon such that the
이때 폴리 실리콘 알갱이(8)의 확산이 잘되게 하기 위하여 제 2 절연막(4)은 도핑이 되지 않은 USG, SOG 또는 HDP 산화막을 사용한다. 이는 산화막에서 나온 기체원자가 실리콘확산을 방해하는 것을 막기 위해서다.At this time, in order to facilitate diffusion of the
도 2d를 참조하면, 전체구조 상부에 유전 물질을 이용하여 상부 전극층(9)을 형성하여 커패시터를 형성한다. 이때 유전 물질로는 폴리 실리콘 알갱이(8)들에 의해 형성된 작은골들도 매울 수 있는 매우 스텝 커버리지(Step coverage)가 좋은 물질을 사용한다. 따라서 기존의 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정인 ONO 또는 TaON등의 물질을 사용한다.Referring to FIG. 2D, a capacitor is formed by forming the upper electrode layer 9 using a dielectric material over the entire structure. At this time, a very good step coverage is used as the dielectric material, which can fill small valleys formed by the
폴리 실리콘 알갱이를 사용하여 커패시터의 표면적을 10 배 이상 증가시킴으로써 새로운 유전물질의 개발 없이 기존의 ONO 또는 TaON을 사용하여 커패시터의 용량을 충분히 확보하게된다. 또한 커패시터의 임계치수를 미세화 할 수 있고, 커패시터의 높이를 대폭 낮출 수가 있으므로 후속 메탈 공정이 쉬워진다.
By increasing the surface area of the capacitor by more than 10 times using polysilicon grains, the capacity of the capacitor is sufficiently secured using existing ONO or TaON without the development of new dielectric materials. In addition, the critical dimension of the capacitor can be refined, and the height of the capacitor can be significantly lowered, thereby facilitating subsequent metal processing.
이와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자의 커패시터 제조 방법은 커패시터 내부에 CMP 슬러리로 폴리 실리콘 알갱이를 채워 넣는 방법을 이용하여 커패시터의 표면적 확보를 최대화 할 수 있다. As described above, the method of manufacturing a capacitor of the semiconductor device according to the present invention can maximize the surface area of the capacitor by using a method of filling polysilicon grains with CMP slurry in the capacitor.
또한 새로운 유전물질을 개발하지 않고 또한 새로운 장비 투자의 부담이 없어 개발비용을 절감 할 수 있다. In addition, it does not develop new dielectric materials and there is no burden of new equipment investment, thus reducing development costs.
또한 표면적 증가비가 10배 이상 되어 커패시터의 높이를 대폭 낮출 수 있고 커패시터의 미세한 임계치수를 확보할 수 있다.
In addition, the surface area increase ratio is more than 10 times, which can greatly reduce the height of the capacitor and ensure the fine threshold of the capacitor.
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