JP2002141424A - 半導体素子のキャパシタ製造方法 - Google Patents
半導体素子のキャパシタ製造方法Info
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Abstract
キャパシタを製造するにあたり、BST誘電体膜を形成す
る前にRU下部電極の表面を安定化するので、RU下部電極
とBST誘電体膜との界面特性が改善され、キャパシタの
信頼性が高められる半導体素子のキャパシタ製造方法を
提供すること。 【解決手段】本発明のキャパシタはドープポリシリコン
層、オミック層及び拡散防止膜が、順次的に埋め込めら
れたコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの上
部にキャパシタ用コンケーブホールを持つシリゲートガ
ラス膜を形成し、キャパシタ用コンケーブホール内にRU
下部電極を形成した後、NH3-プラズマ処理及びN2O-プ
ラズマ処理を連続的に実施し、BST誘電体膜上部電極を
形成してなる。
Description
シタ製造方法に関するものであり、特に1Gbit以上の集
積度を有するDRAM素子のキャパシタ製造工程において、
Ru/BST/Ruキャパシタの不良の防止が可能な半導体素子
のキャパシタ製造方法に関する。
o2/Si3N4/Sio2積層構造においてTa2O5またはBSTに変わ
っている趨勢である。今後1Gbit以上に適用されるデザ
インルールではBSTが最も有力な誘電体薄膜として知ら
れている。このような誘電体薄膜は微細デザインルール
を持つ実際素子に適用される場合に、パターニングされ
ている基板上に化学気相蒸着法により形成されている。
に凹型Ru/BST/Ruキャパシタとスタック(stack)型Pt/BST
/Ptキャパシタが最も有力な候補として予測されてい
る。電極材料として使用されるPtの場合は、BSTと非常
に安定な界面の特性のため、その形成方法や後処理に関
係なく非常に安定なキャパシタの特性を見せている。そ
の反面、Ruの場合は簡単に酸化される特性と触媒特性が
Ptに比べて低いということから、BSTを蒸着するときBST
の品質を低下させるために未だ安定したキャパシタの特
性を見せていない。
面にかなり活性化された酸素原子を多量に含有してお
り、化学気相蒸着法によってBSTを蒸着するとき非常に
優れたBST膜質の形成が可能であるが、Ruは触媒特性が
なく活性化された酸素原子の代わりにRuO2酸化相を形成
する傾向があり、かえってBST膜質を低下させる。
しながら化学気相蒸着法によってBSTを蒸着するために
かなり低い温度(250〜270℃)で工程を進行しており、内
部に多くの炭素および酸素を含有しているため、後続工
程中のBST薄膜や下部拡散防止膜に影響を及ぼすことに
なる。また、平板の次元ですらRuの上に化学気相蒸着法
によって蒸着したBSTの特性をきちんと得た研究結果が
珍しく、そのため凹(CONCAVE)型Ru/BST/Ruキャパシタの
開発が立ち遅れているのが現状である。
するために窒素やアルゴン雰囲気で急速熱工程(RTP)を
進行する程度がすべてであり、BST/Ruの界面特性を改善
するためにRu表面特性を変えるための工程は提示されて
いないのが現状である。
部電極を形成した後、NH3-プラズマ処理及びN2Oのプラ
ズマ処理の2段階処理法を遂行し、Ru下部電極の表面を
安定化することにより、前述の問題点を解消できる半導
体素子のキャパシタ製造方法を提供することにある。
T誘電体膜との界面特性を改善し、キャパシタの信頼性
を高めることにある。
の本発明による半導体素子のキャパシタ製造方法は、シ
リコン基板全面に層間絶縁層の役割をするシリコン酸化
膜を形成する段階;前記シリコン酸化膜上に窒化膜を形
成する段階;前記窒化膜および前記シリコン酸化膜の一
部分を順次的に蝕刻し、コンタクトホールを形成する段
階;前記コンタクトホールが完全に埋め込められるよう
に、前記コンタクトホールを含む全体構造上にドープポ
リシリコン層を形成する段階;エッチバック工程によ
り、前記ドープポリシリコン層の一部分を除去して前記
コンタクトホール内のみドープポリシリコン層を残す段
階;前記コンタクトホール内に残されたドープポリシリ
コン層上にオミックコンタクト層を形成する段階;前記
オミックコンタクト層に拡散防止膜を形成する段階;前
記拡散防止膜を含む全体構造上にシリゲート・ガラス膜
を形成する段階;前記シリゲート・ガラス膜の一部分を
蝕刻し、キャパシタ用コンケーブホールを形成する段
階;前記キャパシタ用コンケーブホール内にRU下部電極
を形成する段階;NH3-プラズマ処理及びN2O-プラズマ処
理を連続的に実施し、前記RU下部電極をプラズマ処理し
た後、BSTを蒸着してBST誘電体膜を形成する段階;急速
熱処理を実施してBST誘電体膜を結晶化する段階;前記B
ST誘電体膜上に上部電極を形成することにより、キャパ
シタが形成される段階;及び前記キャパシタ構造を安定
化するために熱処理を実施する段階を含めて構成される
ことを特徴とする。
についてさらに詳細に説明する。
理工程においての達成すべきことは、1)薄膜の緻密
化、2)表面粗さの減少、3)活性化された酸素のRu膜
表面からの吸着である。このような目的で本発明は、パ
ターニングされているウェーハの上にRu下部電極を形成
した後、表面あらさを減少させるためにNH3プラズマ処
理を行い、さらに活性化された酸素を吸着させるために
N2Oプラズマ処理を行う2段階プラズマ処理法(Two-Step
Plasma Treatment)を導入しようとする。
法によって蒸着したRu膜を窒素雰囲気および600℃の温
度で急速熱工程を進行した場合と、600℃の温度でNH3プ
ラズマ処理した場合の表面粗さを比較した結果である。
表面粗さを表わすRms(Root-Mean-Square)値が、NH3プラ
ズマ処理の場合が急速熱工程の場合より遥かに小さいと
いうことが分かる。
ままに比べてもRms値がさらに小さくなる。したがってN
H3プラズマ処理はRu膜を緻密化するだけでなく、表面粗
さも改善するものである。
マ処理を行った場合のRu膜の表面粗さであり、図3はRu
表面のXRD結果であって、図4は酸素原子の拡散曲線であ
る。N 2Oプラズマ処理を導入すれば図2から分かるように
表面粗さはやや増加するが、図3から分かるようにBSTを
化学気相蒸着法で蒸着するのに妨げになるRuO2相が生成
されず、図4から分かるようにRuの表面に多量の酸素を
吸着させられる。この活性化された酸素原子が化学気相
蒸着法でBSTを蒸着するとき、Ru表面に初めて蒸着され
るBST薄膜の品質を向上させ、優秀なBST/Ruの界面特性
を見せるのである。
導体素子のキャパシタ製造方法について説明すれば、次
のようである。
が形成されているシリコン基板1の全面に層間絶縁層の
役割をするシリコン酸化膜2を形成する。酸化物と蝕刻
選択比の優秀な窒化物を300乃至1000Åの厚さでシリコ
ン酸化膜2に蒸着して窒化膜3を形成する。シリコン基
板1と後で形成されるキャパシタの間の垂直配線のため
に窒化膜3及びシリコン酸化膜2の一部分を順次的に蝕
刻してコンタクトホールを形成する。
ールが完全に埋め込められるように、コンタクトホール
を含む全体構造上にドープシリコン層4を形成する。
化学気相蒸着法で700〜3000Åの厚さで蒸着して形成す
る。
工程を実施してドープシリコン層4の一部分を除去し、
これによりドープシリコン層4はコンタクトホール内に
残される。
シリコン層4がコンタクトホールの上段部分から200乃至
1500Åの深さまで蝕刻されるように実施する。
ール内に残されたドープシリコン層4上にオミックコン
タクト層5を形成する。
は、ドープシリコン層4を含む全体構造上にTiまたはCo
を100乃至500Åの厚さで蒸着する段階、蒸着されたTiま
たはCoを熱処理し、ドープシリコン層4上にチタニウム
シリサイド(Titanium Silicide)またはコバルトシリサ
イド(Cobalt Silicide)を形成させる段階、シリコン酸
化膜2および窒化膜3上において反応されていないTiまた
はCoを除去する段階に進行する。
タクトホール内のオミックコンタクト層5上に拡散防止
膜6を形成する。
オミックコンタクト層5を含む全体構造の上にTiNまたは
TiAlNを物理気相蒸着法や化学気相蒸着法で700乃至3000
Åの厚さで蒸着する段階、蒸着されたTiNまたはTiAlNを
化学機械的研磨(CMP)法で窒化膜3が露出される時点まで
研磨する段階に進行する。
体構造上にUSGまたはPSGを2000乃至15000Åの厚さで蒸
着し、シリゲート・ガラス(silicate glass)膜7を形成
する。シリゲート・ガラス膜7の一部分を蝕刻してキャ
パシタ用コンケーブ(concave)ホールを形成する。
パシタ用コンケーブ(concave)ホール内にRu下部電極8を
形成する。
キャパシタ用コンケーブ(concave)ホールを含む全体構
造上にRuをスパッタリング法や化学気相蒸着法で100乃
至500Åの厚さで蒸着する段階、化学機械的研磨(CMP)法
やエッチバック工程でコンケーブ(concave)ホール以外
の部分に蒸着されたRuを除去する段階に進行する。
処理及びN2Oプラズマ処理を連続的に実施し、Ru下部電
極8をプラズマ処理した後、化学気相蒸着法でBSTを150
乃至500Åの厚さで蒸着し、BST誘電体膜9を形成する。
急速熱処理(RTP)を実施し、BST誘電体膜9を結晶化す
る。BST誘電体膜9上に上部電極10を形成してキャパシタ
を完成する。
00乃至500Wの電力と、0.5乃至2.0Torrの圧力と、200乃
至2000sccmのNH3流量と、350乃至700℃の温度条件で実
施される。
力と、0.5乃至2.0Torrの圧力と、200乃至2000sccmのN2O
流量と、200乃至2000 sccmの流量と、350乃至700℃の
温度条件で実施される。
スまたは酸素とアルゴンの混合ガスを使用して500乃至7
50℃温度の範囲で10乃至180秒の間実施される。
相蒸着法でRu、Ir、またはPtを150乃至500Åの厚さで蒸
着して形成される。
とアルゴンの混合ガスを使用して400乃至800℃温度で1
乃至30分の間実施される。
処理およびN2Oプラズマ処理の2段階プラズマ処理法を遂
行した後、BSTを化学気相蒸着法で蒸着し、BST誘電体膜
を形成することによってBST誘電体膜の品質も向上させ
るだけでなく、装備の効率性も高められる。
雰囲気と600℃の温度で急速熱工程を進行した場合と、6
00℃の温度でNH3-プラズマ処理した場合の表面粗さを比
較した図面。
表面粗さを比較した図面。
を説明するための図面である。
を説明するための図面である。
を説明するための図面である。
を説明するための図面である。
を説明するための図面である。
法を説明するための図面である。
法を説明するための図面である。
法を説明するための図面である。
法を説明するための図面である。
法を説明するための図面である。
・ガラス膜 3;窒化膜 8;Ru下部電極 4;ドープポリシリコン層 9;BST誘電体
膜 5;オミックコンタクト層 10;上部電極
Claims (13)
- 【請求項1】シリコン基板全面に層間絶縁層の役割をす
るシリコン酸化膜を形成する段階;前記シリコン酸化膜
上に窒化膜を形成する段階;前記窒化膜および前記シリ
コン酸化膜の一部分を順次的に蝕刻し、コンタクトホー
ルを形成する段階;前記コンタクトホールが完全に埋め
込められるように、前記コンタクトホールを含む全体構
造上にドープポリシリコン層を形成する段階;エッチバ
ック工程により、前記ドープポリシリコン層の一部分を
除去して前記コンタクトホール内のみドープポリシリコ
ン層を残す段階;前記コンタクトホール内に残されたド
ープポリシリコン層上にオミックコンタクト層を形成す
る段階;前記オミックコンタクト層に拡散防止膜を形成
する段階;前記拡散防止膜を含む全体構造上にシリゲー
トガラス膜を形成する段階;前記シリゲートガラス膜の
一部分を蝕刻し、キャパシタ用コンケーブホールを形成
する段階;前記キャパシタ用コンケーブホール内にRU下
部電極を形成する段階;NH3-プラズマ処理及びN2O-プラ
ズマ処理を連続的に実施し、前記RU下部電極をプラズマ
処理した後、BSTを蒸着してBST誘電体膜を形成する段
階;急速熱処理を実施してBST誘電体膜を結晶化する段
階;前記BST誘電体膜上に上部電極を形成することによ
り、キャパシタが形成される段階;及び、前記キャパシ
タ構造を安定化させるために熱処理を実施する段階、を
含めて構成されることを特徴とする半導体素子のキャパ
シタ製造方法。 - 【請求項2】前記ドープポリシリコン層は、化学気相蒸
着法で700〜3000Åの厚さで蒸着して形成することを特
徴とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方
法。 - 【請求項3】前記エッチバック工程は、前記ドープポリ
シリコン層が前記コンタクトホールの上段部分から200
〜1500Åの深さまで蝕刻されるように実施することを特
徴とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方
法。 - 【請求項4】前記オミックコンタクト層の形成工程は、
前記ドープシリコン層を含む全体構造上にTiまたはCoを
100乃至500Åの厚さで蒸着する段階、蒸着されたTiまた
はCoを熱処理し、ドープシリコン層上にチタニウムシリ
サイド(Titanium Silicide)またはコバルトシリサイド
(Cobalt Silicide)を形成させる段階、前記シリコン酸
化膜および窒化膜上において反応されていないTiまたは
Coを除去する段階に進行されることを特徴とする請求項
1記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。 - 【請求項5】前記拡散防止膜の形成工程は、前記オミッ
クコンタクト層を含む全体構造上にTiNまたはTiAlNを物
理気相蒸着法や化学気相蒸着法で700乃至3000Åの厚さ
で蒸着する段階、蒸着されたTiNまたはTiAlNを化学機械
的研磨(CMP)法で前記窒化膜が露出される時点まで研磨
する段階に進行されることを特徴とする請求項1記載の
半導体素子のキャパシタ製造方法。 - 【請求項6】前記シリゲート・ガラス膜はUSGまたはPSG
を使用して2000〜15000Åの厚さで形成されることを特
徴とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方
法。 - 【請求項7】前記Ru下部電極の形成工程は、前記キャパ
シタ用コンケーブ(concave)ホールを含む全体構造上にR
uをスパッタリング法や化学気相蒸着法で100乃至500Å
の厚さで蒸着する段階、化学機械的研磨(CMP)法やエッ
チバック工程でコンケーブ(concave)ホール以外の部分
に蒸着されたRuを除去する段階に進行されることを特徴
とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方
法。 - 【請求項8】前記NH3プラズマ処理は100乃至500Wの電力
と、0.5乃至2.0Torrの圧力と、200乃至2000sccmのNH3流
量と、350乃至700℃の温度条件で実施されることを特徴
とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方
法。 - 【請求項9】前記N2Oプラズマ処理は100乃至500Wの電力
と、0.5乃至2.0Torrの圧力と、200乃至2000sccmのN2O
流量と、200乃至2000sccmのN2流量と、350乃至700℃の
温度条件で実施されることを特徴とする請求項1記載の
半導体素子のキャパシタ製造方法。 - 【請求項10】前記BST誘電膜は、化学気相蒸着法で150
〜500Åの厚さで蒸着することを特徴とする請求項1記
載の半導体素子のキャパシタ製造方法。 - 【請求項11】前記急速熱処理は、酸素と窒素の混合ガ
スまたは酸素とアルゴンの混合ガスを使用して500乃至7
50℃温度の範囲で10乃至180秒の間実施することを特徴
とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方
法。 - 【請求項12】前記上部電極は、スパッタリング法や化
学気相蒸着法でRu、Ir、またはPtを150乃至500Åの厚さ
で蒸着して形成されることを特徴とする請求項1記載の
半導体素子のキャパシタ製造方法。 - 【請求項13】前記熱処理は、酸素と窒素の混合ガスま
たは酸素とアルゴンの混合ガスを使用して400乃至800℃
温度で1乃至30分の間実施することを特徴とする請求項
1記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
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