KR20070093189A - Method of fabricating low metal electrode of mim capacitor - Google Patents

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KR20070093189A
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신동룡
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Abstract

A method for forming a lower metal electrode of an MIM capacitor is provided to reduce remarkably the generation of defects at the lower metal electrode in an ashing process by performing a heat treatment on a substrate with the lower metal electrode before forming a dielectric film. A semiconductor substrate(11) having a storage node hole(23) is provided. A conductive layer for a lower metal electrode and a buffer insulating layer are sequentially formed on the substrate. A lower metal electrode(26) is formed in the storage node hole by etching selectively the buffer insulating layer and the conductive layer. The buffer insulating layer is removed from the resultant structure by performing an ashing process on the substrate with the lower metal electrode. A cleaning process is performed on the resultant structure. A heat treatment is performed on the resultant structure.

Description

엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법{METHOD OF FABRICATING LOW METAL ELECTRODE OF MIM CAPACITOR}METHOD OF FABRICATING LOW METAL ELECTRODE OF MIM CAPACITOR}

도 1a 내지 도 1f는 본 발명에 따른 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views of processes for describing a method of forming a lower metal electrode of an MI capacitor according to the present invention.

** 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 ** ** Brief description of the main symbols in the drawing **

11. 반도체기판 13. 층간절연막11. Semiconductor substrate 13. Interlayer insulating film

15. 도전 플러그 17,21,22. 몰드 절연막15. Conductive plugs 17, 21, 22. Mold Insulation Film

19. 식각 저지막 23. 스토리지 노드 홀 19. Etch stops 23. Storage node holes

26. 하부 금속전극 27,31. 하프늄 산화막(HfO2)26. Lower metal electrodes 27,31. Hafnium Oxide (HfO2)

29. 알루미늄 산화막(Al2O3) 32. 유전막들29. Aluminum oxide (Al2O3) 32. Dielectric films

33,35. 상부 금속전극 37. 버퍼 절연막 33,35. Upper metal electrode 37.Buffer insulating film

본 발명은 커패시터 형성방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 누설전류 를 최소화하면서 정전용량(capacitance)을 확보할 수 있는 엠아이엠(Metal-Insulator-Metal) 커패시터의 하부 금속전극 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a capacitor, and more particularly, to a method of forming a lower metal electrode of a metal-insulator-metal capacitor capable of securing a capacitance while minimizing leakage current.

반도체 소자가 고집적화됨에 따라 커패시터의 형성 기술이 많은 발전을 거듭해 왔다. 예를 들면, 일반적으로 알려진 바와 같이, 커패시터 하부 전극을 기존의 폴리실리콘막 대신 금속막으로 대체하여 커패시터 하부전극의 산화를 방지하고, 유전막을 기존의 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 기술에서 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 기술로 대체하여 반도체소자가 고집적화에 대처해 왔다.As semiconductor devices have been highly integrated, many techniques for forming capacitors have been developed. For example, as is generally known, the capacitor lower electrode is replaced with a metal film instead of the conventional polysilicon film to prevent oxidation of the capacitor lower electrode, and the dielectric film is an atomic layer in the conventional chemical vapor deposition technique. The semiconductor device has been coping with high integration by replacing it with the Atomic Layer Deposition technology.

특히, 상기 원자층 증착 기술은 원자를 한층씩 증착하는 것으로서, 상기 화학기상 증착 기술에 비해 스텝 커버리지(step coverage) 및 파티클 측면에서 유리하다. 현재, 상기 원자층 증착 기술을 적용한 커패시터의 유전막으로는 알루미늄 산화막(Al2O3) 또는 하프니움 산화막(HfO2)막을 들 수 있다. 그러나, 상기 알루미늄 산화막(Al2O3)은 누설전류 특성이 우수하나 유전상수값이 8~10으로 매우 작아 단일막으로 사용하기에는 한계가 있다. 또한, 상기 HfO2막 및 ZrO2막은 유전상수값이 26~30으로 상기 Al2O3막에 비해서는 크나 박막 자체가 낮은 온도에서 결정화되어 누설전류 특성을 확보하기 어렵다. 따라서, 이러한 특성을 보완하기 위해, 기존의 MDL(Merged Dram Logic) 디바이스와 메모리 소자에서는 커패시터의 유전막으로 알루미늄 산화막(Al2O3)/하프니움 산화막(HfO2) 또는 하프니움 산화막(HfO2)/알루미늄 산화막(Al2O3)/하프니움 산화막(HfO2) 등의 복합 구조를 사용하였다. 즉, 알루미늄 산화막(Al2O3)의 경우 누설전류 특성은 우수하나, 유전상수값이 작기 때문 에 정전용량을 확보하기에 어려움이 있어 유전상수값이 큰 하프니움 산화막(HfO2)을 함께 사용하고 있다.In particular, the atomic layer deposition technique is to deposit atoms one by one, which is advantageous in terms of step coverage and particles compared to the chemical vapor deposition technique. Currently, an aluminum oxide film (Al 2 O 3) or a hafnium oxide (HfO 2) film may be used as a dielectric film of a capacitor to which the atomic layer deposition technique is applied. However, the aluminum oxide film (Al2O3) is excellent in leakage current characteristics, but the dielectric constant value is very small as 8 ~ 10 is limited to use as a single film. In addition, the HfO 2 film and the ZrO 2 film have a dielectric constant of 26 to 30, which is larger than that of the Al 2 O 3 film, but the thin film itself is crystallized at a low temperature, making it difficult to secure leakage current characteristics. Therefore, in order to compensate for these characteristics, in conventional MDL devices and memory devices, aluminum oxide (Al 2 O 3) / hafnium oxide (HfO 2) or hafnium oxide (HfO 2) / aluminum oxide (Al 2 O 3) as dielectric layers of capacitors. ) / Halfium oxide film (HfO2) and the like. That is, the aluminum oxide film (Al2O3) has excellent leakage current characteristics, but since the dielectric constant value is small, it is difficult to secure the capacitance, and therefore, a hafnium oxide film (HfO2) having a large dielectric constant value is used together.

한편, 상기 커패시터의 하부전극용 도전막은 막질이 좋지 않은 금속유기물증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)기술을 사용하여 형성한다. 상기 하부전극용 도전막은 타이타늄 질화막(TiN)과 같은 금속 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 하부전극용 도전막을 패터닝하여 하부전극을 형성한다. 상기 하부전극의 표면은 O2에싱 시 산화될 수 있다. 따라서, 별도로 상기 하부전극의 산화된 표면을 불산처리하여 상기 하부전극의 표면으로부터 상기 산소를 제거한다. 그러나, 이러한 불산처리로 인해 상기 하부전극 자체에 결함이 발생될 수 있다. 이러한 결함은 이후의 공정에서 유전막을 증착하는 동안 상기 유전막 표면으로부터 산소가 빠져나가게 되어 누설전류의 특성이 열화될 수 있으며, 산포 또한 불량하게 되는 문제점이 있다. On the other hand, the conductive film for the lower electrode of the capacitor is formed using a metal organic chemical vapor deposition (Poly Organic Chemical Vapor Deposition) technology of poor film quality. The lower electrode conductive film may be formed of a metal nitride film such as a titanium nitride film (TiN). The lower electrode conductive pattern is patterned to form a lower electrode. The surface of the lower electrode may be oxidized during O 2 ashing. Therefore, the oxygenated surface of the lower electrode is separately hydrofluoricated to remove the oxygen from the surface of the lower electrode. However, the hydrofluoric acid treatment may cause a defect in the lower electrode itself. Such defects may cause oxygen to escape from the surface of the dielectric film during deposition of the dielectric film in a subsequent process, thereby deteriorating the characteristics of the leakage current.

따라서, 엠아이엠 커패시터 제조 시, 유전막을 형성하기 이전에, 상기 하부 금속전극 표면의 결함을 제거하는 과정을 별도로 진행함으로써, 상기 유전막 내에 존재하는 산소가 빠져나가는 것을 방지하여 누설전류 특성을 개선하고 정전 용량을 확보할 수 있는 연구가 필요하다.Therefore, before manufacturing the dielectric capacitor, before the dielectric film is formed, the process of removing defects on the surface of the lower metal electrode is separately performed to prevent the oxygen present in the dielectric film from escaping, thereby improving leakage current characteristics and power failure. Research is needed to ensure capacity.

상기 과제를 해결하고자, 본 발명의 목적은 하부 금속전극 표면의 결함을 최소화하여 누설전류 특성을 개선하고 정전용량을 확보할 수 있는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법을 제공하려는 것이다. In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a method of forming a lower metal electrode of an M capacitor capable of minimizing defects on the surface of the lower metal electrode to improve leakage current characteristics and secure capacitance.

상기 과제를 달성하고자, 본 발명은 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법을 제공한다. 상기 방법은 스토리지 노드 홀을 가진 반도체 기판을 제공한다. 상기 기판 상에 커패시터의 하부 금속전극용 도전막 및 버퍼 절연막을 차례로 형성한다. 상기 버퍼 절연막 및 하부 금속전극용 도전막을 식각하여 상기 스토리지 노드 홀 내에 하부 금속전극을 형성한다. 상기 하부 금속전극을 가진 기판을 에싱처리하여 상기 버퍼 절연막을 제거한다. 상기 에싱 처리가 완료된 기판을 세정한다. 상기 세정 처리된 기판에 열처리를 실시한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of forming a lower metal electrode of the M capacitor. The method provides a semiconductor substrate having storage node holes. The conductive film for the lower metal electrode and the buffer insulating film of the capacitor are sequentially formed on the substrate. The buffer insulating layer and the conductive layer for the lower metal electrode are etched to form a lower metal electrode in the storage node hole. The substrate having the lower metal electrode is ashed to remove the buffer insulating film. The substrate on which the ashing process is completed is cleaned. The cleaning substrate is subjected to heat treatment.

상기 에싱 처리는 100∼150℃의 온도 및 0.5∼2토르의 압력에서 진행하는 것이 바람직하다.The ashing treatment is preferably carried out at a temperature of 100 to 150 ° C and a pressure of 0.5 to 2 torr.

상기 에싱 처리는 30∼180초동안 진행하는 것이 바람직하다.Preferably, the ashing process is performed for 30 to 180 seconds.

상기 에싱 처리는 O2,H2N2 및 CF4 가스를 플로우하는 것이 바람직하다.The ashing treatment preferably flows O 2, H 2 N 2 and CF 4 gas.

상기 O2가스는 1∼6slm으로, 상기 H2N2가스는 300∼500sccm으로, 상기 CF4 가스는 5∼20sccm으로 플로우하는 것이 바람직하다.The O 2 gas is preferably 1 to 6 slm, the H 2 N 2 gas is 300 to 500 sccm, and the CF 4 gas is preferably 5 to 20 sccm.

상기 에싱 처리는 알.에프.파워를 500W∼2kW로 유지하는 것이 바람직하다.It is preferable that the ashing treatment maintains R.F.power at 500W to 2kW.

상기 버퍼 절연막은 포토레지스트막인 것이 바람직하다.The buffer insulating film is preferably a photoresist film.

상기 세정 처리는 불산용액을 이용하는 것이 바람직하다.It is preferable that the said washing process uses a hydrofluoric acid solution.

상기 열처리는 450∼600℃ 온도에서 진행하는 것이 바람직하다.The heat treatment is preferably carried out at a temperature of 450 ~ 600 ℃.

상기 열처리는 10∼90초 동안 진행하는 것이 바람직하다.The heat treatment is preferably performed for 10 to 90 seconds.

상기 열처리는 0.1∼ 760토르의 압력을 유지하는 것이 바람직하다.The heat treatment is preferably maintained at a pressure of 0.1 to 760 torr.

상기 열처리는 질소가스를 100sccm∼10slm으로 플로우하는 것이 바람직하다.In the heat treatment, it is preferable to flow nitrogen gas at 100 sccm to 10 slm.

(실시예)(Example)

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당 업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed contents are thorough and complete, and that the spirit of the present invention to those skilled in the art can be sufficiently delivered. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.

도 1a 내지 도 1f는 본 발명에 따른 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views of processes for describing a method of forming a lower metal electrode of an MI capacitor according to the present invention.

도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체기판(11) 상에 층간절연막(13)을 형성한다. 상기 층간절연막(13)을 패터닝하여 상기 반도체기판(11)을 노출시키는 콘택 홀을 형성하고, 상기 콘택 홀을 채우는 콘택 플러그(15)를 형성한다. 상기 콘택 플러그(15)를 갖는 기판 상에 몰드 절연막(22)을 형성한다. 상기 몰드 절연막(22)은 상기 콘택 플러그(15)를 갖는 기판 상에 하부 몰드 절연막(17), 식각 저지막(19) 및 상부 몰드막(21)을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다. 그러나, 상기 식각 저지막(19)은 도 2a에 도시된 위치에 한정되지 않고 상기 콘택 플러그(15) 및 층간절연막(13)의 상부면 상에 직접 형성될 수도 있다. 상기 몰드 절연막(22)은 상기 하부 몰드절연막(17) 및 상부 몰드 절연막(21)의 이중층(double layered)의 몰드 절연막으 로 형성되거나 단일 몰드 절연막(a single mold insulating layer)으로 형성될 수도 있다. 상기 하부 몰드 절연막(17) 및 상부 몰드 절연막(21)은 상기 식각 저지막(19)에 대하여 식각 선택비를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 하부 몰드 절연막(17) 및 상부 몰드 절연막(21)이 실리콘 산화막인 경우, 상기 식각 저지막(19)은 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 몰드 절연막(22)을 패터닝하여 상기 콘택 플러그(15)의 상부 표면 및 이와 인접한 상기 층간 절연막(13) 상부 표면을 노출시키는 스토리지 노드 홀(23)을 형성한다. As shown in FIG. 1A, an interlayer insulating film 13 is formed on the semiconductor substrate 11. The interlayer insulating layer 13 is patterned to form a contact hole exposing the semiconductor substrate 11, and a contact plug 15 filling the contact hole is formed. A mold insulating film 22 is formed on the substrate having the contact plug 15. The mold insulating layer 22 may be formed by sequentially stacking the lower mold insulating layer 17, the etch stop layer 19, and the upper mold layer 21 on the substrate having the contact plug 15. However, the etch stop layer 19 is not limited to the position shown in FIG. 2A and may be formed directly on the upper surfaces of the contact plug 15 and the interlayer insulating layer 13. The mold insulating layer 22 may be formed of a double layered mold insulating layer of the lower mold insulating layer 17 and the upper mold insulating layer 21, or may be formed of a single mold insulating layer. The lower mold insulating layer 17 and the upper mold insulating layer 21 preferably have an etching selectivity with respect to the etch stop layer 19. For example, when the lower mold insulating layer 17 and the upper mold insulating layer 21 are silicon oxide layers, the etch stop layer 19 may be formed of a silicon nitride layer. The mold insulating layer 22 is patterned to form a storage node hole 23 exposing an upper surface of the contact plug 15 and an upper surface of the interlayer insulating layer 13 adjacent thereto.

상기 스토리지 노드 홀(23)을 가진 기판 상에 하부 금속전극용 도전막(25)을 형성한다. 상기 하부 전극용 도전막(25)은 스텝 커버리지가 우수하고, 후속의 유전막들을 형성하는 공정 중 변형이 적고, 내산화성(oxidation resistant property)을 갖는 도전막으로 형성한다. 예를 들어, 상기 하부 전극용 도전막(25)은 타이타늄 질화막(TiN)과 같은 금속 질화막으로 형성될 수 있다. The lower metal electrode conductive layer 25 is formed on the substrate having the storage node holes 23. The lower electrode conductive film 25 is formed of a conductive film having excellent step coverage, less deformation during a process of forming subsequent dielectric films, and having an oxidation resistant property. For example, the lower electrode conductive layer 25 may be formed of a metal nitride layer such as titanium nitride layer TiN.

상술한 바와 같이 상기 하부 금속전극용 도전막(25)을 타이타늄 질화막(TiN)과 같은 금속 질화막으로 한정하는 이유는 루테니움막(Ru)과 같은 금속을 사용할 경우 후속 공정에서 유전체막 및 상부 금속전극을 형성하는 동안 그레인 성장(Grain Growth) 및/또는 응집 (Agglomeration) 등에 기인하는 전극 변형이 생겨서 상기 유전체막을 통하여 흐르는 누설전류(Leakage current)가 증가할 수 있기 때문이다. 따라서, 상기 하부 금속전극용 도전막은 상대적으로 단단하고(rigid) 후속 공정에서 변형이 적은 금속 질화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 하부 금속전극용 도전막(25)은 금속유기물증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 으로 형성될 수 있다. 상기 금속유기물증착법은 공정챔버 안에서 가열된 반도체기판 표면에 증기압이 높은 금속 유기 화합물 증기를 보내어 원하는 박막을 성장시키는 것이다. 이와 같이 상기 하부 금속전극용 도전막으로 상기 타이타늄 질화막을 금속유기물증착 기술을 사용하여 형성하는 경우, 상기 타이타늄 질화막을 형성하기 위한 소스 물질들로는 TDMAT(Ti(N(CH3)2)4)이 사용될 수 있다. 이때, 증착 공정이 진행되는 동안, 증착 온도는 300∼400℃를 유지하며, 공정챔버 내의 압력은 0.2∼5토르(Torr)로 유지할 수 있다. 상기 타이타늄 질화막을 증착한 후, N2 및 H2 혼합가스 분위기에서 플라즈마를 여기시켜 상기 타이타늄 질화막 내에 존재하는 탄소 등의 불순물을 제거할 수 있다. 이때, 알.에프.파워는 500∼2kW로 유지할 수 있다. 이와같은 일련의 증착 및 불순물 제거 공정을 반복 시행하여 최종의 타이타늄 질화막을 형성한다. 상기 최종의 타이타늄 질화막은 200 내지 400Å의 두께로 형성할 수 있다. 이어, 상기 하부 전극막(25) 상에 버퍼 절연막(27)을 형성한다. 상기 버퍼 절연막은 포토레지스트막일 수 있다.As described above, the reason for limiting the lower metal electrode conductive film 25 to a metal nitride film such as titanium nitride film (TiN) is that when a metal such as ruthenium film Ru is used, the dielectric film and the upper metal electrode in a subsequent process. This is because the electrode deformation due to grain growth and / or agglomeration may occur during the formation of the oxides, thereby increasing the leakage current flowing through the dielectric film. Therefore, it is preferable that the lower metal electrode conductive film is formed of a metal nitride film that is relatively hard and has little deformation in a subsequent process. The lower metal electrode conductive layer 25 may be formed by a metal organic chemical vapor deposition method. The metal organic vapor deposition method is to send a high vapor pressure metal organic compound vapor to the surface of the heated semiconductor substrate in the process chamber to grow a desired thin film. As such, when the titanium nitride film is formed as the conductive film for the lower metal electrode using a metal organic vapor deposition technique, TDMAT (Ti (N (CH3) 2) 4) may be used as a source material for forming the titanium nitride film. have. At this time, during the deposition process, the deposition temperature is maintained at 300 ~ 400 ℃, the pressure in the process chamber can be maintained at 0.2 to 5 Torr (Torr). After depositing the titanium nitride film, plasma may be excited in an N2 and H2 mixed gas atmosphere to remove impurities such as carbon present in the titanium nitride film. At this time, RF power can be maintained at 500 to 2 kW. This series of deposition and impurity removal processes are repeated to form the final titanium nitride film. The final titanium nitride film may be formed to a thickness of 200 to 400 kPa. Subsequently, a buffer insulating layer 27 is formed on the lower electrode layer 25. The buffer insulating layer may be a photoresist layer.

도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 버퍼 절연막 및 상기 하부 금속전극용 도전막을 화학적 기계적 연마 또는 에치 백하여 상기 하부 금속전극(26)을 형성한다. 상기 하부 금속전극(26)을 가진 기판에 에싱 공정(41)을 진행하여 상기 잔류된 버퍼 절연막을 제거하다. 상기 에싱 공정(41)은 100∼150℃의 온도 및 0.5∼2토르의 압력에서 진행한다. 상기 에싱 공정(41)은 30∼180초동안 진행하는 것이 바람직하다. 상기 에싱 공정(41)은 O2, H2N2 및 CF4 가스를 각각 플로우하되, 상기 O2가스는 1∼6slm으로, 상기 H2N2가스는 300∼500sccm으로, 상기 CF4 가스는 5∼20sccm으 로 플로우하는 것이 바람직하다. 이때, 알.에프.파워는 500W∼2kW로 유지될 수 있다. 상기 에싱 공정(41) 결과, 상기 잔류된 버퍼 절연막은 제거되지만 상기 금속 질화막으로 구성된 하부 금속전극(26) 표면은 상기 O2가스에 의해 산화된다. 즉, 상기 하부 금속전극(26) 표면에 다량의 산소원자들이 침투된다.(도 1b의 I부분 참조)As shown in FIG. 1B, the lower metal electrode 26 is formed by chemically mechanical polishing or etching back the buffer insulating film and the conductive film for the lower metal electrode. An ashing process 41 is performed on the substrate having the lower metal electrode 26 to remove the remaining buffer insulating layer. The ashing process 41 proceeds at a temperature of 100-150 ° C. and a pressure of 0.5-2 Torr. The ashing process 41 is preferably performed for 30 to 180 seconds. The ashing process 41 flows O2, H2N2 and CF4 gas, respectively, wherein the O2 gas is 1 to 6 slm, the H2N2 gas is 300 to 500 sccm, and the CF4 gas is preferably flowed at 5 to 20 sccm. . In this case, the R.F. power may be maintained at 500W to 2kW. As a result of the ashing process 41, the remaining buffer insulating film is removed but the surface of the lower metal electrode 26 composed of the metal nitride film is oxidized by the O2 gas. That is, a large amount of oxygen atoms penetrate the surface of the lower metal electrode 26 (see part I of FIG. 1B).

도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 에싱공정이 완료된 기판에 세정 공정(43)을 진행한다. 상기 세정 공정(43)은 불산(HF)용액을 이용할 수 있다. 그 결과, 하부 금속전극(26) 표면의 산소원자들이 제거될 수 있다. 그러나, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 하부 금속전극(26) 표면의 결함이 증가됨을 알 수 있다. As shown in FIG. 1C, a cleaning process 43 is performed on the substrate on which the ashing process is completed. The cleaning step 43 may use a hydrofluoric acid (HF) solution. As a result, oxygen atoms on the surface of the lower metal electrode 26 can be removed. However, as shown in FIG. 1C, it can be seen that defects on the surface of the lower metal electrode 26 are increased.

도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 하부 금속전극(26) 표면의 결함을 개선하기 위해, 상기 세정 공정(43)이 완료된 기판에 열처리 공정(45)을 진행한다. 상기 열처리 공정(45)은 빠른 열처리 공정(Rapid Thermal Process)으로 진행한다. 상기 열처리 공정(45)은 450∼600℃ 온도에서 10∼90초 동안 진행하는 것이 바람직하다. 이때, 공정챔버는 0.1∼ 760토르의 압력을 유지하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 열처리 공정(45) 시에 공정챔버 내부로 질소가스를 100sccm∼10slm으로 플로우할 수 있다. 상기 열처리 공정(45) 결과, 도 1d와 같이, 상기 하부 금속전극(26)의 결함이 개선됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 1D, in order to improve defects on the surface of the lower metal electrode 26, a heat treatment process 45 is performed on the substrate on which the cleaning process 43 is completed. The heat treatment process 45 proceeds to a rapid thermal process. The heat treatment step 45 is preferably performed for 10 to 90 seconds at 450 ~ 600 ℃ temperature. At this time, the process chamber is preferably maintained at a pressure of 0.1 to 760 torr. Meanwhile, in the heat treatment step 45, nitrogen gas may flow into the process chamber at 100 sccm to 10 slm. As a result of the heat treatment process 45, as shown in FIG. 1D, the defect of the lower metal electrode 26 may be improved.

도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 열처리 공정(45)이 완료된 기판 위에 유전막들(32)을 형성한다. 상기 유전막들(32)은 제 1하프늄 산화막(HfO2)(27), 알루미늄 산화막(Al2O3)(29) 및 제 2하프늄 산화막(HfO2)(31)을 차례로 적층한 복합 구조 로 형성할 수 있다. As shown in FIG. 1E, dielectric layers 32 are formed on the substrate on which the heat treatment process 45 is completed. The dielectric layers 32 may have a complex structure in which a first hafnium oxide layer (HfO 2) 27, an aluminum oxide layer (Al 2 O 3) 29, and a second hafnium oxide layer (HfO 2) 31 are sequentially stacked.

상기 제 1하프늄 산화막(HfO2)(27)은 스텝 커버리지가 우수한 원자층 증착법으로 형성할 수 있다. 상기 제 1하프늄 산화막(HfO2)(27)은 소스물질 플로우 공정, 제 1퍼지 공정, 반응가스 플로우 공정 및 제 2퍼지 공정을 반복적으로 실시하여 형성할 수 있다. 상기 제 1하프늄 산화막(HfO2)은 20∼30Å두께로 형성될 수 있다. The first hafnium oxide layer (HfO 2) 27 may be formed by an atomic layer deposition method having excellent step coverage. The first hafnium oxide layer (HfO 2) 27 may be formed by repeatedly performing a source material flow process, a first purge process, a reaction gas flow process, and a second purge process. The first hafnium oxide layer HfO2 may be formed to have a thickness of 20 to 30 kPa.

상기 제 1하프늄 산화막(HfO2)(27)의 형성 과정을 자세하게 살펴보면 다음과 같다. 상기 소스 물질 플로우 공정은 소스 물질로서 TEMAH(Tetra EthylMethyl Amine Hafnium, Hf(NC2H5CH3)4)을 이용하며, 상기 TEMAH소스 물질을 0.1∼15초 동안 플로우시켜 수행할 수 있다. 이때 상기 증착 시의 온도는 250∼350℃로 유지할 수 있다. 상기 제 1퍼지 공정은 상기 소스물질 플로우 공정이 완료된 기판에 퍼지가스를 플로우시켜 수행할 수 있다. 이때, 상기 퍼지가스는 N2가스를 이용할 수 있다. 또한, 상기 퍼지 공정은 상기 퍼지가스를 0.1초 내지 10초동안 플로우시켜 수행할 수 있다. 그 결과, 상기 제 1퍼지 공정을 통해 막 내 불순물을 제거할 수 있다. 상기 반응가스 플로우 공정은 반응가스로 O3가스를 0.1 ~ 15초 동안 리플로우한다. 상기 제 2퍼지 공정은 상기 반응가스 플로우 공정이 완료된 기판에 퍼지가스를 0.1∼10초 동안 플로우시켜 막 내 불순물을 제거한다. 상기 퍼지가스는 N2가스일 수 있다. Looking at the formation process of the first hafnium oxide (HfO2) 27 in detail as follows. The source material flow process uses TEMAH (Tetra EthylMethyl Amine Hafnium, Hf (NC2H5CH3) 4) as a source material, and may be performed by flowing the TEMAH source material for 0.1 to 15 seconds. In this case, the deposition temperature may be maintained at 250 to 350 ° C. The first purge process may be performed by flowing a purge gas to the substrate on which the source material flow process is completed. In this case, the purge gas may use N 2 gas. In addition, the purge process may be performed by flowing the purge gas for 0.1 seconds to 10 seconds. As a result, impurities in the film may be removed through the first purge process. The reaction gas flow process reflows the O 3 gas into the reaction gas for 0.1 to 15 seconds. The second purge process removes impurities in the film by flowing purge gas for 0.1 to 10 seconds to the substrate on which the reaction gas flow process is completed. The purge gas may be an N 2 gas.

상기 제 1하프늄 산화막(HfO2)(27)을 형성한 후, 상기 제 1하프늄(HfO2)(27)의 결정화를 방지하기 위해, 상기 제 1하프늄 산화막(HfO2)(27)을 가진 기판 위에 알루미늄 산화막(29)을 형성한다. 즉, 상기 알루미늄 산화막(Al2O3)(29)은 결정화 억제층에 해당된다.After forming the first hafnium oxide layer (HfO2) 27, in order to prevent crystallization of the first hafnium (HfO2) 27, an aluminum oxide layer on the substrate having the first hafnium oxide layer (HfO2) 27 (29) is formed. That is, the aluminum oxide film (Al 2 O 3) 29 corresponds to a crystallization suppression layer.

상기 알루미늄 산화막(Al2O3)(29)은 소스물질 플로우 공정, 제 1퍼지 공정, 반응가스 플로우 공정 및 제 2퍼지 공정을 반복적으로 수행하여 5∼10Å 두께로 형성할 수 있다.The aluminum oxide layer (Al 2 O 3) 29 may be formed to have a thickness of 5˜10 μm by repeatedly performing a source material flow process, a first purge process, a reaction gas flow process, and a second purge process.

상기 소스물질 플로우 공정은 TMA(TriMethyl Aluminum)소스물질을 0.1∼10초 동안 플로우할 수 있다. 상기 제 1퍼지 공정은 상기 소스물질 플로우 공정이 완료된 기판에 퍼지가스를 플로우시켜 수행할 수 있다. 상기 제 1퍼지 공정은 N2 퍼지가스를 0.1초 내지 10초동안 플로우시켜 수행할 수 있다. 그 결과, 상기 제 1퍼지 공정을 통해 막 내 불순물을 제거할 수 있다. 계속하여, 상기 반응가스 플로우 공정은 O3반응가스를 0.1∼10초 동안 플로우한다. 상기 제 2퍼지 공정은 제 1퍼지 공정과 동일 하게 적용될 수 있다.The source material flow process may flow the TMA (TriMethyl Aluminum) source material for 0.1 to 10 seconds. The first purge process may be performed by flowing a purge gas to the substrate on which the source material flow process is completed. The first purge process may be performed by flowing N2 purge gas for 0.1 seconds to 10 seconds. As a result, impurities in the film may be removed through the first purge process. Subsequently, the reaction gas flow process flows the O 3 reaction gas for 0.1 to 10 seconds. The second purge process may be applied in the same manner as the first purge process.

상기 알루미늄 산화막(Al2O3)(29)을 가진 기판 상에 제 2하프늄 산화막(HfO2)(31)을 형성하여 유전막들(32) 형성 공정을 완료한다. 상기 제 2하프늄 산화막(HfO2)(31) 형성 공정은 상기 제 1하프늄 산화막(HfO2)(27) 형성 공정과 동일하게 적용될 수 있다.A second hafnium oxide layer (HfO 2) 31 is formed on the substrate having the aluminum oxide layer (Al 2 O 3) 29 to complete the process of forming the dielectric layers 32. The process of forming the second hafnium oxide layer (HfO 2) 31 may be applied in the same manner as the process of forming the first hafnium oxide layer (HfO 2) 27.

도 1f에 도시된 바와 같이, 상기 유전막들(32)을 가진 기판 상에 상부 금속전극막, 즉 상부 금속전극용 도전막(36)을 형성한다. 상기 상부전극용 도전막(36)은 하부전극용 도전막과 동일하게 금속유기물증착 기술을 적용하여 타이타늄 질화막(TiN)과 같은 제 1금속 질화막(33)으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 제 1금속 질화막(33)은 금속유기물증착 기술로 형성하였기 때문에 스텝 커버리지가 불량한 특 성이 있다. 따라서, 이후의 공정에서 상기 상부 금속전극에 콘택을 형성할 경우 콘택 불량이 발생될 우려가 있다. 이러한 점을 보완하기 위해, 상기 상부전극용 도전막(36)은 상기 제 1금속 질화막(33) 위에 다시 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition) 기술을 적용하여 타이타늄 질화막(TiN)과 같은 제 2금속 질화막(35)을 적층하여 형성할 수도 있다. 그 결과, 상기 제 2금속 질화막(36)을 물리적 기상 증착 기술로 형성함으로써, 막질이 우수한 고품질의 박막을 얻을 수 있다. As shown in FIG. 1F, an upper metal electrode film, that is, an upper metal electrode conductive film 36, is formed on a substrate having the dielectric films 32. The upper electrode conductive layer 36 may be formed of a first metal nitride layer 33 such as a titanium nitride layer (TiN) by applying a metal organic vapor deposition technique in the same manner as the lower electrode conductive layer. In this case, since the first metal nitride film 33 is formed by a metal organic vapor deposition technique, step coverage is poor. Therefore, when the contact is formed on the upper metal electrode in a subsequent process, there is a fear that contact failure occurs. In order to compensate for this, the upper electrode conductive layer 36 is formed on the first metal nitride layer 33 by applying a physical vapor deposition technique to a second metal nitride layer such as a titanium nitride layer (TiN). It is also possible to form 35 by laminating. As a result, by forming the second metal nitride film 36 by a physical vapor deposition technique, a high quality thin film having excellent film quality can be obtained.

본 발명에 따르면, 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성에 있어서, 유전막을 형성하기 이전에, 상기 하부 금속전극을 가진 기판에 열처리를 실시하여 상기 하부 금속전극 표면의 결함을 줄일 수 있다. 즉, 하부 금속전극을 가진 기판에 열처리를 실시함으로써, 에싱 공정 시에 하부 금속전극의 표면에 발생된 결함을 줄일 수 있다. 따라서, 상기 유전막 내에 존재하는 산소가 빠져나가는 것을 방지하여 누설전류 특성을 개선하고 정전용량을 확보할 수 있다.According to the present invention, in forming a lower metal electrode of an M capacitor, prior to forming a dielectric film, heat treatment may be performed on a substrate having the lower metal electrode to reduce defects on the surface of the lower metal electrode. That is, by performing heat treatment on the substrate having the lower metal electrode, defects generated on the surface of the lower metal electrode during the ashing process can be reduced. Therefore, the oxygen present in the dielectric layer may be prevented from escaping, thereby improving leakage current characteristics and securing capacitance.

Claims (12)

스토리지 노드 홀을 가진 반도체 기판을 제공하고, Providing a semiconductor substrate having storage node holes, 상기 기판 상에 커패시터의 하부 금속전극용 도전막 및 버퍼 절연막을 차례로 형성하고,A conductive film for the lower metal electrode of the capacitor and a buffer insulating film are sequentially formed on the substrate, 상기 버퍼 절연막 및 하부 금속전극용 도전막을 식각하여 상기 스토리지 노드 홀 내에 하부 금속전극을 형성하고,Etching the buffer insulating film and the conductive film for the lower metal electrode to form a lower metal electrode in the storage node hole; 상기 하부 금속전극을 가진 기판을 에싱처리하여 상기 버퍼 절연막을 제거하고,The substrate having the lower metal electrode is ashed to remove the buffer insulating film, 상기 에싱 처리가 완료된 기판을 세정하고,Cleaning the substrate on which the ashing process is completed, 상기 세정 처리된 기판에 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법.And forming a heat treatment on the cleaned substrate. 제 1항에 있어서, 상기 에싱 처리는 100∼150℃의 온도 및 0.5∼2토르의 압력에서 진행하는 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법.The method of claim 1, wherein the ashing process is performed at a temperature of 100 ~ 150 ℃ and a pressure of 0.5 to 2 torr. 제 1항에 있어서, 상기 에싱 처리는 30∼180초동안 진행하는 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법.The method of claim 1, wherein the ashing process is performed for 30 to 180 seconds. 제 1항에 있어서, 상기 에싱 처리는 O2,H2N2 및 CF4 가스를 플로우하는 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법.The method of claim 1, wherein the ashing process flows O2, H2N2 and CF4 gas. 제 4항에 있어서, 상기 O2가스는 1∼6slm으로, 상기 H2N2가스는 300∼500sccm으로, 상기 CF4 가스는 5∼20sccm으로 플로우하는 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법.5. The method of claim 4, wherein the O2 gas flows from 1 to 6 slm, the H2N2 gas flows from 300 to 500 sccm, and the CF4 gas flows from 5 to 20 sccm. 제 1항에 있어서, 상기 에싱 처리는 알.에프.파워를 500W∼2kW로 유지하는 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법.The method of claim 1, wherein the ashing process maintains the R. F. power of 500W to 2kW. 제 1항에 있어서, 상기 버퍼 절연막은 포토레지스트막인 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법.The method of claim 1, wherein the buffer insulating film is a photoresist film. 제 1항에 있어서, 상기 세정 처리는 불산용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법.The method of claim 1, wherein the cleaning process uses a hydrofluoric acid solution. 제 1항에 있어서, 상기 열처리는 450∼600℃ 온도에서 진행하는 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법. The method of claim 1, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 450 ~ 600 ℃. 제 1항에 있어서, 상기 열처리는 10∼90초 동안 진행하는 것을 특징으로 하 는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법. The method of claim 1, wherein the heat treatment is performed for 10 to 90 seconds. 제 1항에 있어서, 상기 열처리는 0.1∼ 760토르의 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법.The method of claim 1, wherein the heat treatment maintains a pressure of 0.1 to 760 Torr. 제 1항에 있어서, 상기 열처리는 질소가스를 100sccm∼10slm으로 플로우하는 것을 특징으로 하는 엠아이엠 커패시터의 하부 금속전극 형성방법.2. The method of claim 1, wherein the heat treatment flows nitrogen gas at 100 sccm to 10 slm.
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