KR19990012246A - Semiconductor device with metal barrier film by atomic layer deposition method and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
삼원 화합물로 이루어진 배리어막을 콘택홀 내에 매립함으로써 산소의 확산을 완전히 차단할 수 있는 반도체 장치 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명은 반도체 기판 상에 콘택홀을 매립하는 물질층 및 상기 물질층의 상부에 하부전극, 고유전막 및 하부전극이 순차 적층된 커패시터를 구비하는 반도체 장치에 있어서, 상기 콘택홀을 매립하는 물질층이 원자층 증착법에 의해 형성되는 삼원 화합물로 이루어지며, 상기 하부전극의 아래에 접하여 구비되는 배리어막을 포함한다. 상기 배리어막을 구성하는 삼원 화합물은 TiSiN, TiBN, WSiN, 또는 WBN으로 이루어진다. 상기 TiSiN으로 이루어진 배리어막은 TiN 원자층과 Si 원자층이 교대로 반복하여 적층된 구조이거나, 또는 TiN 원자층과 열분해 증착된 Si3N4층이 교대로 반복하여 적층된 구조이다.Provided are a semiconductor device capable of completely blocking diffusion of oxygen by embedding a barrier film made of a ternary compound into a contact hole, and a method of manufacturing the same. A semiconductor device comprising a material layer filling a contact hole on a semiconductor substrate, and a capacitor in which a lower electrode, a high dielectric film, and a lower electrode are sequentially stacked on the material layer, wherein the material layer is buried in the contact hole. It consists of a ternary compound formed by this atomic layer deposition method, and includes the barrier film provided in contact with the lower electrode. The ternary compound constituting the barrier film is made of TiSiN, TiBN, WSiN, or WBN. The barrier layer made of TiSiN has a structure in which a TiN atomic layer and an Si atomic layer are alternately stacked alternately, or a TiN atomic layer and a pyrolytically deposited Si 3 N 4 layer are alternately repeatedly stacked.
Description
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 상세하게는 산화가 방지된 금속 장벽층을 구비하는 반도체 장치의 장벽 금속층 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a barrier metal layer of a semiconductor device having a metal barrier layer prevented from oxidation and a method of manufacturing the same.
반도체 장치를 고집적화하기 위해 소자의 크기가 감소하고 있는 바, 작은 면적에서 큰 커패시턴스를 얻기 위하여 유전상수가 큰 고유전물질(high dielectric material)들이 개발되고 있다. 예컨대, 페로프스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 BST(BaSrTiO3)의 경우 기존의 커패시터에 사용되었던 실리콘 질화막, 실리콘 질화산화막 또는 산화탄탈륨(Ta2O5)막과는 달리 유전상수가 벌크 상태에서 수백 ∼ 1000 정도 되는 물질이다. 이러한 BST를 사용하는 경우 막의 두께를 500Å 이상으로 하더라도 등가산화막 두께(equivalent oxide thickness)를 10Å 이하로 유전막을 박막화할 수 있다는 장점을 가진다. BST용 전극으로는 백금(Pt)과 같이 산화가 되지 않는 전극이나, 또는 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)과 같이 산화되어 산화 루테늄(RuO2), 산화 이리듐(IrO2)을 형성하더라도 전도체의 성질을 가지는 전극을 사용한다.As the size of devices decreases in order to integrate semiconductor devices, high dielectric materials having high dielectric constants have been developed to obtain large capacitances in a small area. For example, in the case of BST (BaSrTiO 3 ) having a perovskite crystal structure, the dielectric constant of the BST (BaSrTiO 3 ) film is different from that of a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, or a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) film. Hundreds to about 1000 substances. In the case of using such a BST, even if the thickness of the film is 500 kPa or more, the dielectric film can be thinned with an equivalent oxide thickness of 10 kPa or less. The electrode for BST does not oxidize, such as platinum (Pt), or is oxidized like ruthenium (Ru) or iridium (Ir) to form ruthenium oxide (RuO 2 ) or iridium oxide (IrO 2 ). Use electrodes with properties.
스퍼터링으로 증착된 BST 고유전막에서 우수한 커패시턴스와 누설전류 특성을 얻기 위해서는 BST를 증착한 후 고온에서의 열처리가 필요하다. 이때 산소의 확산에 의한 오믹층과 스토리지 폴리의 산화를 막기 위해 확산장벽층을 형성할 필요가 있다. 확산장벽층은 스토리지 폴리와 하부전극 사이에 개재되어진다.In order to obtain excellent capacitance and leakage current characteristics in the BST high dielectric film deposited by sputtering, heat treatment at high temperature is required after the deposition of BST. In this case, it is necessary to form a diffusion barrier layer to prevent oxidation of the ohmic layer and the storage poly by the diffusion of oxygen. The diffusion barrier layer is interposed between the storage poly and the lower electrode.
현재의 메탈 콘택 구조에서는 장벽 금속층으로 TiN막이 사용되고 있으나 TiN의 경우 450℃ 이상이면 산화되고 Pt와 Si 등이 내부로 확산하여 결과적으로 확산방지막으로서의 역할을 할 수 없다. TiN이 산화되면 부도체인 TiO2가 생성되는 문제가 있다. Pt와 Si의 확산은 TiN의 칼럼형 결정구조(columnar structure)에 기인하는 것으로 알려져 있다. 따라서 막 구조를 확산경로가 되는 그레인 바운더리를 갖지 않는 비정질(amorphous) 구조로 함으로써 산소의 확산을 억제할 필요가 있다. 이러한 필요로부터 현재 고융점 금속이 포함된 삼원 화합물(ternary compound)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In the current metal contact structure, a TiN film is used as the barrier metal layer. However, in the case of TiN, the TiN film is oxidized at 450 ° C. or higher, and Pt and Si diffuse into the interior, and as a result, the TiN film cannot serve as a diffusion barrier. When TiN is oxidized, there is a problem that TiO 2, which is an insulator, is generated. The diffusion of Pt and Si is known to be due to the columnar crystal structure of TiN. Therefore, it is necessary to suppress the diffusion of oxygen by making the membrane structure an amorphous structure having no grain boundary serving as a diffusion path. From these needs, studies on ternary compounds containing high melting point metals are being actively conducted.
상기한 삼원 화합물로 이루어진 장벽 금속막의 증착시에는 스퍼터링 공정이 일반적으로 사용되고 있다. 이렇게 스퍼터링으로 장벽 금속막을 형성한 커패시터는 도 1에 도시한 것과 같은 구조를 가진다.The sputtering process is generally used at the time of depositing the barrier metal film which consists of said tertiary compound. The capacitor having the barrier metal film formed by sputtering in this manner has a structure as shown in FIG.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 콘택홀을 구비하는 절연층(20)이 형성된다. 상기 콘택홀에는 폴리 실리콘으로 이루어진 콘택 플러그(30)가 형성된다. 상기 구조의 상부에는 오믹층인 티타늄 실리사이드막(40), 배리어막(50), 하부전극(60), BST로 이루어진 유전막(70), 및 상부전극(80)이 상기 구조의 표면으로부터 돌출되면서 순차 형성된다.Referring to FIG. 1, an insulating layer 20 having contact holes is formed on a semiconductor substrate 10. A contact plug 30 made of polysilicon is formed in the contact hole. On the top of the structure, the titanium silicide film 40, the barrier film 50, the lower electrode 60, the dielectric film 70 made of BST, and the upper electrode 80, which are ohmic layers, protrude from the surface of the structure sequentially. Is formed.
그러나 이러한 구조의 경우 BST를 후처리할 때 하부전극, 배리어막을 따라 위에서 아래로 산소가 확산되는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 전극의 측면에 보호막의 역할을 해주는 막이 없음으로 인해 측면을 통해서도 산소가 확산되는 문제점이 있다.However, such a structure has a problem in that oxygen is diffused from the top to the bottom along the lower electrode and the barrier layer when the BST is post-processed. In addition, there is a problem in that oxygen is diffused through the side due to the absence of a film acting as a protective film on the side of the electrode.
상기한 측면 산소 확산을 억제하기 위하여 도 2와 같은 구조가 현재 활발히 연구되어지고 있다. 도 2를 참조하면, 도 1에서 도시한 바와 같은 기판 표면으로부터 돌출한 구조의 측면에 산화물이나 질화물로 이루어진 산소 확산 방지용 스페이서(90)가 구비되어 측면 산소 확산을 방지하는 역할을 한다.In order to suppress the lateral oxygen diffusion, a structure as shown in FIG. 2 is currently being actively studied. Referring to FIG. 2, an oxygen diffusion preventing spacer 90 made of oxide or nitride is provided on a side surface of the structure protruding from the substrate surface as shown in FIG. 1 to prevent side oxygen diffusion.
그러나 이러한 도 2에 도시한 구조는 너무 복잡하고 사진 공정시 공정 마진이 없는 관계로 양산할 수 있는 가능성이 낮다는 문제점이 있다.However, the structure shown in FIG. 2 has a problem that the possibility of mass production is low because it is too complicated and there is no process margin in the photolithography process.
본 발명은 삼원 화합물로 이루어진 배리어막을 콘택홀 내에 매립함으로써 산소의 확산을 완전히 차단할 수 있는 반도체 장치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of completely blocking the diffusion of oxygen by embedding a barrier film made of a ternary compound in a contact hole, and a manufacturing method thereof.
도 1은 종래의 고유전막을 구비한 커패시터를 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a capacitor having a conventional high dielectric film.
도 2는 종래의 스페이서를 구비한 고유전막 커패시터를 도시한 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing a high-k dielectric capacitor with a conventional spacer.
도 3은 본 발명의 삼원 화합물 배리어막을 구비한 커패시터의 단면도.3 is a cross-sectional view of a capacitor provided with a ternary compound barrier film of the present invention.
도 4 내지 도 11은 각각 본 발명의 제1 내지 제8 실시예에 따른 배리어막을 도시한 단면도들.4 to 11 are cross-sectional views illustrating barrier films according to first to eighth embodiments of the present invention, respectively.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판 상에 콘택홀을 매립하는 물질층 및 상기 물질층의 상부에 하부전극, 고유전막 및 하부전극이 순차 적층된 커패시터를 구비하는 반도체 장치에 있어서, 상기 콘택홀을 매립하는 물질층이 원자층 증착법에 의해 형성되는 삼원 화합물로 이루어지며, 상기 하부전극의 아래에 접하여 구비되는 배리어막을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 배리어막의 아래에 순차 형성된 폴리 실리콘막과 오믹층이 더 포함될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including a material layer filling a contact hole on a semiconductor substrate and a capacitor in which a lower electrode, a high dielectric film, and a lower electrode are sequentially stacked on the material layer. The material layer filling the contact hole may be formed of a ternary compound formed by an atomic layer deposition method, and may include a barrier film provided under the lower electrode. A polysilicon film and an ohmic layer sequentially formed below the barrier film may be further included.
본 발명의 바람직한 실시예들에 의하면 상기 배리어막을 구성하는 삼원 화합물은 TiSiN, TiBN, WSiN, 또는 WBN으로 이루어진다.According to preferred embodiments of the present invention, the ternary compound constituting the barrier layer is made of TiSiN, TiBN, WSiN, or WBN.
상기 TiSiN으로 이루어진 배리어막은 TiN 원자층과 Si 원자층이 교대로 반복하여 적층된 구조이거나, 또는 TiN 원자층과 열분해 증착된 Si3N4층이 교대로 반복하여 적층된 구조이다.The barrier layer made of TiSiN has a structure in which a TiN atomic layer and an Si atomic layer are alternately stacked alternately, or a TiN atomic layer and a pyrolytically deposited Si 3 N 4 layer are alternately repeatedly stacked.
상기 TiBN으로 이루어진 배리어막은 TiN 원자층과 열분해 증착된 B층이 교대로 반복하여 적층된 구조이거나, 또는 TiN 원자층과 BN 원자층이 교대로 반복하여 적층된 구조이다.The barrier film made of TiBN has a structure in which a TiN atomic layer and a B layer deposited by thermal decomposition are alternately stacked or alternately stacked in a TiN atomic layer and a BN atomic layer.
상기 WSiN으로 이루어진 배리어막은 WN 원자층과 열분해 증착된 Si층이 교대로 반복하여 적층된 구조이거나, 또는 WN 원자층과 Si3N4원자층이 교대로 반복하여 적층된 구조이다.The barrier film made of WSiN has a structure in which a WN atomic layer and a pyrolytically deposited Si layer are alternately stacked, or a structure in which a WN atomic layer and a Si 3 N 4 atomic layer are alternately stacked.
상기 WBN으로 이루어진 배리어막은 WN 원자층과 열분해 증착된 B층이 교대로 반복하여 적층된 구조이거나, 또는 WN 원자층과 BN 원자층이 교대로 반복하여 적층된 구조이다.The barrier film made of the WBN has a structure in which a WN atomic layer and a B layer deposited by pyrolysis are alternately stacked, or a structure in which a WN atomic layer and a BN atomic layer are alternately stacked.
상기 삼원 화합물로 이루어진 배리어막을 구비한 반도체 장치의 제조방법은 반도체 기판 상의 콘택홀을 전도성 물질층으로 매립한 다음 식각 공정을 수행하여 상기 콘택홀의 저부에만 전도성 물질막을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 전도성 물질막의 상부에 오믹층을 형성한 다음, 상기 콘택홀이 매립되도록 상기 오믹층의 상부에 원자층 증착법을 이용하여 삼원 화합물로 이루어진 배리어막을 형성한다. 상기 배리어막을 구성하는 삼원 화합물은 TiSiN, TiBN, WSiN, 또는 WBN으로 이루어진다. 상기 배리어막의 상부에 하부전극, 고유전막, 상부전극을 순차 형성하여 커패시터를 완성한다.A method of manufacturing a semiconductor device having a barrier film made of the ternary compound includes filling a contact hole on a semiconductor substrate with a conductive material layer and then performing an etching process to form a conductive material film only at the bottom of the contact hole. After forming an ohmic layer on the conductive material film, a barrier film made of a ternary compound is formed on the ohmic layer by atomic layer deposition so that the contact hole is filled. The ternary compound constituting the barrier film is made of TiSiN, TiBN, WSiN, or WBN. A capacitor is formed by sequentially forming a lower electrode, a high dielectric film, and an upper electrode on the barrier film.
본 발명의 바람직한 실시예들에 의하면, 상기 TiSiN으로 이루어진 배리어막을 형성하는 단계는, TiCl4와 NH3를 전구물질로 사용하는 TiN 원자층 증착 공정과 SiH4또는 Si2H6의 열분해 증착을 이용한 Si 증착 공정을 교대로 반복하여 진행하거나, 또는 TiCl4와 NH3를 전구물질로 사용하는 TiN 원자층 증착 공정과 SiCl2H2와 NH3를 전구물질로 사용하는 Si3N4원자층 증착 공정을 교대로 반복하여 진행한다.According to preferred embodiments of the present invention, the forming of the barrier layer made of TiSiN may be performed by using a TiN atomic layer deposition process using TiCl 4 and NH 3 as precursors and pyrolytic deposition of SiH 4 or Si 2 H 6 . Alternating Si deposition process alternately, or TiN atomic layer deposition process using TiCl 4 and NH 3 as precursor and Si 3 N 4 atomic layer deposition process using SiCl 2 H 2 and NH 3 as precursor Alternately proceed with.
상기 TiBN으로 이루어진 배리어막을 형성하는 단계는, TiCl4와 NH3를 전구물질로 사용하는 TiN 원자층 증착 공정과 B2H6의 열분해를 이용한 B 증착 공정을 교대로 반복하여 진행하거나, 또는 TiCl4와 NH3를 전구물질로 사용하는 TiN 원자층 증착 공정과 BCl3, H2, 및 NH3를 전구물질로 사용하는 BN 원자층 증착 공정을 교대로 반복하여 진행한다.The forming of the barrier film made of TiBN may be performed by alternately repeating a TiN atomic layer deposition process using TiCl 4 and NH 3 as precursors and a B deposition process using pyrolysis of B 2 H 6 , or TiCl 4. proceeds to the NH 3 to repeat the TiN atomic layer deposition process and BCl 3, H 2, NH 3, and used as a precursor to an atomic layer deposition process BN alternately used as a precursor.
상기 WSiN으로 이루어진 배리어막을 형성하는 단계는, WF6와 NH3를 전구물질로 사용하는 WN 원자층 증착 공정과 SiH4또는 Si2H6의 열분해를 이용한 Si 증착 공정을 교대로 반복하여 진행하거나, 또는 WF6와 NH3를 전구물질로 사용하는 WN 원자층 증착 공정과 SiCl2H2와 NH3를 전구물질로 사용하는 Si3N4원자층 증착 공정을 교대로 반복하여 진행한다.The forming of the barrier film made of WSiN may be performed by alternately repeating a WN atomic layer deposition process using WF 6 and NH 3 as precursors and a Si deposition process using pyrolysis of SiH 4 or Si 2 H 6 . Alternatively, the WN atomic layer deposition process using WF 6 and NH 3 as precursors and the Si 3 N 4 atomic layer deposition process using SiCl 2 H 2 and NH 3 as precursors are alternately repeated.
상기 WBN으로 이루어진 배리어막을 형성하는 단계는, WF6와 NH3를 전구물질로 사용하는 WN 원자층 증착 공정과 B2H6의 열분해를 이용한 B 증착 공정을 교대로 반복하여 진행하거나, 또는 WF6와 NH3를 전구물질로 사용하는 WN 원자층 증착 공정과 BCl3, H2, 및 NH3를 전구물질로 사용하는 BN 원자층 증착 공정을 교대로 반복하여 진행한다.The forming of the barrier film made of WBN may be performed by alternately repeating a WN atomic layer deposition process using WF 6 and NH 3 as precursors and a B deposition process using pyrolysis of B 2 H 6 , or WF 6. proceeds to the NH 3 to repeat the WN an atomic layer deposition process and the BCl 3, H 2, NH 3, and used as a precursor to an atomic layer deposition process BN alternately used as a precursor.
이하 본 발명의 작용 및 동작원리를 설명한다.Hereinafter will be described the operation and operation principle of the present invention.
본 발명의 A-B-N 구조의 삼원계(ternary) 물질은 AN화합물이 막의 전도도를 높이고 비정질 구조의 BN 화합물이 불순물의 확산 경로를 차단하면서, 열적으로나 화학적으로 안정한 상(phase)을 이룬다. 예컨대, TiSiN의 경우 TiN이 막의 전도도를 보장하고 비정질의 실리콘 질화막(Si3N4)이 불순물의 확산 경로를 차단하여 우수한 확산 방지 특성을 보인다.The ternary material of the ABN structure of the present invention forms a thermally and chemically stable phase while the AN compound increases the conductivity of the film and the BN compound of the amorphous structure blocks the diffusion path of impurities. For example, in the case of TiSiN, TiN guarantees conductivity of the film, and an amorphous silicon nitride film (Si 3 N 4 ) blocks the diffusion path of impurities, thereby showing excellent diffusion prevention characteristics.
이러한 삼원계 물질은 상술한 우수한 특성에도 불구하고 스퍼터링법으로는 단차도포성이 좋지 않아 콘택홀 내에 매립할 수 없다. 이에 따라 본 발명에서는 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)법을 사용하여 복잡한 조성의 삼원 금속막을 콘택홀 내에 매립한다.In spite of the excellent properties described above, such ternary materials cannot be embedded in the contact holes due to poor step coating properties. Accordingly, in the present invention, a ternary metal film having a complex composition is embedded in the contact hole by using atomic layer deposition (ALD).
ALD는 화학기상증착(CVD)처럼 화학반응을 사용하는 증착법이지만 각각의 가스가 챔버 내에서 혼합되지 않고 한 개씩 펄스로 흘려진다는 점에서 CVD와는 다르다. 예컨대, A와 B 가스를 사용하는 경우, 먼저 A만을 흘리게 되고 이때 기판에 A 가스 분자가 화학흡착(Chemisorption)된다. 챔버에 잔류한 A 가스는 아르곤이나 질소같은 불활성 가스로 퍼지시킨다. 이후 B 가스만을 흘리면 A와 B 간의 반응은 화학흡착된 A 가스가 있는 표면에서만 일어나 원자층(atomic layer)의 박막이 증착된다. 이 때문에 어떠한 몰포로지를 가진 표면이라 해도 항상 100%의 단차도포성이 얻어진다. 챔버에 잔존하는 B 가스와 A,B 반응의 부산물을 퍼지시키고 다시 A 가스를 흘림으로써 반복하는 싸이클의 수에 따라 박막의 두께를 원자층 단위로 조절할 수 있게 된다.ALD is a deposition method that uses a chemical reaction like chemical vapor deposition (CVD), but differs from CVD in that each gas flows in pulses one by one without mixing in the chamber. For example, in the case of using A and B gases, only A flows first. At this time, A gas molecules are chemisorbed onto the substrate. A gas remaining in the chamber is purged with an inert gas such as argon or nitrogen. Then, when only B gas flows, the reaction between A and B occurs only on the surface of the chemisorbed A gas, and a thin film of an atomic layer is deposited. For this reason, even if the surface has any morphology, 100% step coverage is always obtained. By purging the B gas remaining in the chamber and the by-products of the A and B reactions and flowing A gas again, the thickness of the thin film can be controlled in atomic layer units according to the number of cycles to be repeated.
CVD의 경우에는 반응가스들의 열역학적 반응에 의하여 박막의 조성이 결정되기 때문에 삼원 장벽 금속막과 같이 복잡한 조성의 박막 증착시 조성 조절이 용이하지 않다. 반면, ALD는 원하는 물질들을 교대로 원자층의 두께로 증착함으로써, 예컨대 AB막과 AC막을 교대로 증착함으로써 ABC의 조성을 가진 박막을 증착할 수 있기 때문에 삼원계 뿐만 아니라 더 복잡한 조성의 박막 증착도 가능하다.In the case of CVD, since the composition of the thin film is determined by the thermodynamic reaction of the reaction gases, the composition control of the thin film of a complex composition such as a three-way barrier metal film is not easy. On the other hand, ALD can deposit thin films with the composition of ABC by alternately depositing the desired materials in the thickness of the atomic layer, for example, by alternately depositing the AB film and the AC film, thus enabling the deposition of thin films with more complicated compositions as well as ternary systems. Do.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3을 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 콘택홀을 구비하며 SiO2로 이루어진 절연층(110)이 구비된다. 상기 콘택홀 내에 폴리 실리콘을 매립한 다음 습식식각이나 화학기계적 연마와 결합된 습식식각을 수행하여 콘택홀의 바닥에만 폴리 실리콘막(120)을 남긴다. 상기 폴리 실리콘막의 상부에 오믹층을 형성하기 위하여 티타늄(Ti)을 스퍼터링이나 PECVD(Plsma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법으로 증착한 다음 티타늄 실리사이드(TiSix)막(130)을 형성한다. 상기 결과물 구조의 상부에 ALD법으로 삼원 화합물로 이루어진 금속층을 증착하여 콘택홀을 매립한 다음, 콘택홀 외부에 증착된 금속층 부분을 습식식각이나 화학기계적 연마로 에치백하여 제거함으로써 콘택홀 내부에만 형성된 ALD 배리어막(140)을 형성한다. 본 발명의 ALD 배리어막은 도 3에 도시한 바와 같이 종래와 다르게 두께를 크게 할 수 있다. 상기 결과물 구조의 상부에 하부전극(150), 예컨대 BST로 이루어진 고유전막(160), 및 상부전극(170)으로 이루어진 커패시터를 형성한다.Referring to FIG. 3, an insulating layer 110 including contact holes and made of SiO 2 is provided on the semiconductor substrate 100. After embedding the polysilicon into the contact hole, a wet etching combined with wet etching or chemical mechanical polishing is performed to leave the polysilicon layer 120 only at the bottom of the contact hole. In order to form an ohmic layer on the polysilicon layer, titanium (Ti) is deposited by sputtering or PECVD (Plsma Enhanced Chemical Vapor Deposition) to form a titanium silicide (TiSix) layer 130. A metal layer made of a ternary compound is deposited on the resultant structure by ALD to fill a contact hole, and then a portion of the metal layer deposited on the outside of the contact hole is etched back by wet etching or chemical mechanical polishing to be formed only inside the contact hole. An ALD barrier layer 140 is formed. As shown in FIG. 3, the ALD barrier film of the present invention can have a larger thickness than in the prior art. A capacitor including a lower electrode 150, for example, a high dielectric film 160 made of BST and an upper electrode 170 is formed on the resulting structure.
이상의 설명으로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 커패시터는 배리어막의 두께를 최대화하고 측면 산소 확산을 완전히 제거할 수 있는 이상적인 구조이다. 또한 ALD법을 사용하여 금속층을 콘택홀 내에 증착하기 때문에 복잡한 조성의 삼원 화합물로 이루어진 금속도 단차도포성을 좋게 하여 콘택홀 내에 매립할 수 있다. 나아가 ALD법에 의하면 원하는 물질들을 교대로 원자층 두께로 증착할 수 있기 때문에 삼원 화합물 뿐만 아니라 더욱 복잡한 조성의 박막 증착도 가능하다.As can be seen from the above description, the capacitor of the present invention is an ideal structure capable of maximizing the thickness of the barrier film and completely eliminating side oxygen diffusion. In addition, since the metal layer is deposited in the contact hole using the ALD method, a metal made of a ternary compound having a complex composition can be embedded in the contact hole with good step coverage. Further, according to the ALD method, since the desired materials can be alternately deposited to an atomic layer thickness, not only a ternary compound but also a thin film of a more complicated composition is possible.
이하 본 발명의 ALD 배리어막의 형성방법을 구체적인 실시예를 들어 설명한다.Hereinafter, a method of forming the ALD barrier film according to the present invention will be described with reference to specific examples.
실시예 1Example 1
도 4에 도시한 바와 같이, ALD-TiN과 Si 열분해 증착을 이용한 ALD-TiSiN을 형성한다. ALD-TiN에서는 TiCl4와 NH3를 전구물질(precursor)로 사용하고 Si 증착은 SiH4, Si2H6의 열분해를 이용한다. 캐리어 가스로는 아르곤(Ar)을 사용한다. 따라서 도 4의 배리어막을 형성할 때 증착 챔버에 흘려 주는 가스 플로우는 TiCl4→ Ar → NH3→ Ar → SiH4(Si2H6) → Ar의 순서로 싸이클을 이루게 된다.As shown in FIG. 4, ALD-TiN and ALD-TiSiN using Si pyrolysis deposition are formed. In ALD-TiN, TiCl 4 and NH 3 are used as precursors, and Si deposition uses pyrolysis of SiH 4 and Si 2 H 6 . Argon (Ar) is used as a carrier gas. Therefore, the gas flow flowing into the deposition chamber when forming the barrier film of FIG. 4 cycles in the order of TiCl 4 → Ar → NH 3 → Ar → SiH 4 (Si 2 H 6 ) → Ar.
실시예 2Example 2
도 5에 도시한 바와 같이, ALD-TiN과 ALD-Si3N4를 이용한 ALD-TiSiN을 형성한다. ALD-TiN에서는 TiCl4와 NH3를 전구물질로 사용하고 ALD-Si3N4증착은 SiCl2H2와 NH3를 전구물질로 이용한다. 따라서 도 5의 배리어막을 형성할 때 가스 플로우는 TiCl4→ Ar → NH3→ Ar → SiCl2H2→ Ar → NH3→ Ar의 순서로 싸이클을 이루게 된다.As shown in FIG. 5, ALD-TiNN using ALD-TiN and ALD-Si 3 N 4 is formed. TiCl 4 and NH 3 are used as precursors in ALD-TiN and SiCl 2 H 2 and NH 3 are used as precursors for ALD-Si 3 N 4 deposition. Therefore, when forming the barrier film of FIG. 5, the gas flow cycles in the order of TiCl 4 → Ar → NH 3 → Ar → SiCl 2 H 2 → Ar → NH 3 → Ar.
실시예 3Example 3
도 6에 도시한 바와 같이, ALD-TiN과 B2H6열분해를 이용한 ALD-TiBN을 형성한다. 삼원 화합물인 TiBN은 종래의 TiB2보다 더욱 우수한 확산 장벽 특성을 보일 것이다. ALD-TiN의 형성에 있어서는 TiCl4와 NH3를 전구물질로 사용하고 B의 증착은 B2H6를 열분해함으로써 달성한다. 따라서 도 6의 배리어막을 형성할 때 가스 플로우는 TiCl4→ Ar → NH3→ Ar → B2H6→ Ar의 순서로 싸이클을 이루게 된다.As shown in FIG. 6, ALD-TiN and ALD-TiBN are formed by B 2 H 6 pyrolysis. The ternary compound TiBN will show better diffusion barrier properties than conventional TiB 2 . In the formation of ALD-TiN, TiCl 4 and NH 3 are used as precursors and deposition of B is achieved by pyrolyzing B 2 H 6 . Therefore, when forming the barrier film of FIG. 6, the gas flow cycles in the order of TiCl 4 → Ar → NH 3 → Ar → B 2 H 6 → Ar.
실시예 4Example 4
도 7에 도시한 바와 같이, ALD-TiN과 ALD-BN을 이용하여 ALD-TiBN을 형성한다. ALD-TiN의 형성에 있어서는 TiCl4와 NH3를 전구물질로 사용하고, ALD-BN은 BCl3, H2, NH3를 사용하여 증착한다. 따라서 본 실시예에서 사용하는 가스 플로우는 TiCl4→ Ar → NH3→ Ar → BCl3→ Ar → H2+ NH3→ Ar의 순서로 싸이클을 이루게 된다.As shown in FIG. 7, ALD-TiBN is formed using ALD-TiN and ALD-BN. In the formation of ALD-TiN, TiCl 4 and NH 3 are used as precursors, and ALD-BN is deposited using BCl 3 , H 2 and NH 3 . Therefore, the gas flow used in this embodiment is cycled in the order of TiCl 4 → Ar → NH 3 → Ar → BCl 3 → Ar → H 2 + NH 3 → Ar.
실시예 5Example 5
도 8에 도시한 바와 같이, ALD-WN과 Si 열분해를 이용한 ALD-WSiN을 형성한다. ALD-WN의 형성에서는 WF6와 NH3를 전구물질로 사용하고, Si 증착은 SiH4, Si2H6열분해를 이용한다. 따라서 도 8에 도시한 배리어막을 형성하는 경우의 가스 플로우는 WF6→ Ar → NH3→ Ar → SiH4(Si2H6) → Ar의 순서로 싸이클을 이루게 된다.As shown in FIG. 8, ALD-WN and ALD-WSiN using Si pyrolysis are formed. In the formation of ALD-WN, WF 6 and NH 3 are used as precursors, and Si deposition uses SiH 4 and Si 2 H 6 pyrolysis. Therefore, the gas flow in the case of forming the barrier film shown in FIG. 8 cycles in the order of WF 6 → Ar → NH 3 → Ar → SiH 4 (Si 2 H 6 ) → Ar.
실시예 6Example 6
도 9에 도시한 바와 같이, ALD-WN과 ALD-Si3N4를 이용하여 ALD-WSiN을 형성한다. ALD-WN의 형성에서는 WF6와 NH3를 전구물질로 사용하고, ALD-Si3N4는 SiCl2H2와 NH3를 전구물질로 사용한다. 따라서 도 9에 도시한 배리어막을 형성하는 경우의 가스 플로우는 WF6→ Ar → NH3→ Ar → SiCl2H2→ Ar → NH3→ Ar의 순서로 싸이클을 이루게 된다.As shown in FIG. 9, ALD-Wi and ALD-Si 3 N 4 are used to form ALD-WSiN. In the formation of ALD-WN, WF 6 and NH 3 are used as precursors, and ALD-Si 3 N 4 uses SiCl 2 H 2 and NH 3 as precursors. Therefore, the gas flow in the case of forming the barrier film shown in FIG. 9 cycles in the order of WF 6 → Ar → NH 3 → Ar → SiCl 2 H 2 → Ar → NH 3 → Ar.
실시예 7Example 7
도 10에 도시한 바와 같이, ALD-WN과 B 열분해를 이용한 ALD-WBN을 형성한다. ALD-WN의 형성에서는 WF6와 NH3를 전구물질로 사용하고, B의 증착은 B2H6의 열분해를 이용한다. 따라서, 도 10에 도시한 배리어막을 형성하는 경우의 가스 플로우는 WF6→ Ar → NH3→ Ar → B2H6→ Ar의 순서로 싸이클을 이루게 된다.As shown in FIG. 10, ALD-WN and ALD-WBN using B pyrolysis are formed. The formation of ALD-WN uses WF 6 and NH 3 as precursors, and the deposition of B uses pyrolysis of B 2 H 6 . Therefore, the gas flow in the case of forming the barrier film shown in FIG. 10 cycles in the order of WF 6 → Ar → NH 3 → Ar → B 2 H 6 → Ar.
실시예 8Example 8
도 11에 도시한 바와 같이, ALD-WN과 ALD-BN을 이용하여 ALD-WBN을 형성한다. ALD-WN의 형성에서는 WF6와 NH3를 전구물질로 사용하고, ALD-BN 증착은 BCl3, H2, NH3를 사용한다. 따라서 본 실시예의 배리어막을 형성하는 경우의 가스 플로우는 WF6→ Ar → NH3→ Ar → BCl3→ Ar → NH3+ H2→ Ar의 순서로 싸이클을 이루게 된다.As shown in FIG. 11, ALD-WBN is formed using ALD-WN and ALD-BN. In the formation of ALD-WN, WF 6 and NH 3 are used as precursors, and ALD-BN deposition is performed using BCl 3 , H 2 , and NH 3 . Therefore, the gas flow in the case of forming the barrier film of the present embodiment is cycled in the order of WF 6 → Ar → NH 3 → Ar → BCl 3 → Ar → NH 3 + H 2 → Ar.
본 발명에 의하면,According to the invention,
첫째, 고유전막의 후처리시에 산소가 확산되는 것이 방지되며,First, it is possible to prevent the diffusion of oxygen during the post-treatment of the high dielectric film,
둘째, 배리어막의 두께를 두껍게 하여도 유전막의 면적이 감소하지 않으며,Second, even if the barrier layer is thick, the area of the dielectric layer does not decrease.
셋째, 삼원 이상의 복잡한 조성을 가지는 배리어막을 우수한 단차도포성을 가지도록 증착할 수 있는 장점이 있다.Third, there is an advantage in that the barrier film having a complex composition of three or more members can be deposited to have excellent step coverage.
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