KR100250750B1 - Method for fabricating a capacitor of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 전하저장전극(storage node electrode) 및 플레이트 전극(plate electrode)의 도판트(dopant) 농도를 높여 캐패시턴스(capacitance)를 증가시킬 수 있고 캐패시턴스 변화율(ΔC)을 감소시킬 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and in particular, to increase the dopant concentration of the storage node electrode and the plate electrode to increase the capacitance (capacitance) and the capacitance change rate (ΔC) It relates to a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device capable of reducing).
일반적으로 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 셀(cell) 면적 또한 작아진다. 그러나 소자의 특성을 일정하게 유지하기 위해서는 디자인상의 셀 면적이 작아짐에도 불구하고 일정량 이상의 캐패시턴스를 유지해야 한다. 그러므로 16M DRAM급 이상의 소자에서는 전하저장전극의 표면적을 증가시키기 위해 3차원의 전하저장전극 구조에 질화막 산화막 다중층(NO multi layer)을 채용한 구조가 이용되고 있다. 그런데, 이들 3차원의 구조도256M DRAM급 이상의 소자에서는 일정량 이상의 캐패시턴스 용량을 확보하는데 어려움이 있다. 그래서 일부에서는 Ta2O5, BST 등과 같은 고유전 특성을 가지는 박막 재료를 개발하고 있으나 이들 재료 또한 DRAM 등과 같은 소자에 적용하기에는 아직 해결해야 할 문제점이 많다. 이와같이 종래의 전하저장전극 제조에 있어 캐패시턴스를 증가시키기 위해 유전체(dielectric)의 두께를 줄인다거나, 고유전율을 가진 유전체를 적용한다거나, 스토리지 노드의 면적을 증가시키는 방법이 개발되어 왔다. 또한 NO 캐패시터의 경우 전극의 도핑 농도가 낮은 경우에 전극에 캐리어 공핍(carrier depletion)이 일어나, 캐패시턴스 변화율이 증가하게 되어 소자의 동작에 문제를 일으킬 수 있다.In general, as the degree of integration of semiconductor devices increases, the cell area also decreases. However, to keep the device's characteristics constant, a certain amount of capacitance must be maintained even though the cell area of the design is small. Therefore, in order to increase the surface area of the charge storage electrode in the device of 16M DRAM class or more, a structure in which a nitride oxide oxide layer (NO multi layer) is used in the three-dimensional charge storage electrode structure is used. However, these three-dimensional structure diagrams are difficult to secure a capacitance amount of a predetermined amount or more in a device of 256M DRAM class or more. Therefore, some have developed thin film materials having high dielectric properties such as Ta 2 O 5 , BST, but these materials also have many problems to be applied to devices such as DRAM. As described above, a method of reducing the thickness of a dielectric, applying a dielectric having a high dielectric constant, or increasing the area of a storage node has been developed in the conventional charge storage electrode fabrication to increase capacitance. In addition, in the case of the NO capacitor, carrier depletion occurs in the electrode when the doping concentration of the electrode is low, thereby increasing the capacitance change rate, which may cause a problem in the operation of the device.
따라서, 본 발명은 좁은 면적 내에서 충분한 용량의 전하량을 얻기 위하여 캐패시터의 상부 및 하부 전극인 전하저장전극과 플레이트 전극의 도판트 농도를 높여 충분한 캐패시턴스를 확보할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device capable of securing sufficient capacitance by increasing the dopant concentration of the charge storage electrode and the plate electrode, which are the upper and lower electrodes of the capacitor, to obtain a sufficient amount of charge in a small area. Its purpose is to.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘 기판 상부에 층간 절연막을 형성하고 상기 층간 절연막의 선택된 영역을 식각하여 콘택 홀을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부에 언도프트 폴리실리콘막 및 산화막을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 콘택 홀이 매립되도록 전체 구조 상부에 제1고농도 도프트 폴리실리콘막을 형성하는 단계와, 상기 제1고농도 도프트 폴리실리콘막, 산화막 및 언도프트 폴리실리콘막의 선택된 영역을 제거하여 패터닝하는 단계와, 상기 패터닝된 언도프트 폴리실리콘막, 산화막 및 제1고농도 도프트 폴리실리콘막의 측면 및 상부면에 반구형 다결정 실리콘 박막을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부에 절연막을 형성한 후 제2고농도 도프트 폴리실리콘막을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is to form an interlayer insulating film on the silicon substrate and to form a contact hole by etching the selected region of the interlayer insulating film, and the undoped polysilicon film and oxide film on the entire structure sequentially Forming a first high concentration doped polysilicon film over the entire structure to fill the contact hole; and removing selected regions of the first high concentration doped polysilicon film, an oxide film, and an undoped polysilicon film. Patterning, forming a semi-spherical polycrystalline silicon thin film on the side surfaces and top surfaces of the patterned undoped polysilicon film, the oxide film, and the first high concentration doped polysilicon film, and forming an insulating film on the entire structure, followed by a second It is characterized by consisting of forming a high concentration doped polysilicon film.
도1(a) 내지 도1(e)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.1 (a) to 1 (e) are cross-sectional views of devices sequentially shown to explain a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.
도2는 본 발명에서 제시한 방법으로 제조한 캐패시터의 캐패시턴스와 종래의 베이스 라인을 비교한 그래프.2 is a graph comparing the capacitance of a capacitor manufactured by the method of the present invention with a conventional base line.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 실리콘 기판 2 : 층간 절연막1
3 : 언도프트 폴리실리콘막 4 : 산화막3: undoped polysilicon film 4: oxide film
5 : 제1고농도 도프트 폴리실리콘막5: first high concentration doped polysilicon film
6 : 반구형 다결정 실리콘 박막6: hemispherical polycrystalline silicon thin film
7 : NO 다중 절연막7: NO multilayer insulating film
8 : 제1고농도 도프트 폴리실리콘막8: first high concentration doped polysilicon film
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1(a) 내지 도1(e)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 전하저장전극 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.1 (a) to 1 (e) are cross-sectional views of devices sequentially shown to explain a method of manufacturing a charge storage electrode of a semiconductor device according to the present invention.
도1(a)에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(1) 상부에 층간 절연막(2)을 형성한다. 실리콘 기판(1)이 노출되도록 층간 절연막(2)의 선택된 영역을 식각하여 콘택 홀을 형성한다. 전체 구조 상부에 언도프트 폴리실리콘막(3)을 균일한 두께로 형성하고 그 상부에 산화막(4)을 5∼15Å의 두께로 형성한다. 콘택 홀이 매립되도록 전체 구조 상부에 전하저장전극으로 사용될 제1고농도 도프트 폴리실리콘막(5)을 형성한다. 여기서 언도프트 폴리실리콘막(3) 및 산화막(4)은 제1고농도 도프트 폴리실리콘막(5) 증착시 과도하게 도핑된 제1고농도 도프트 폴리실리콘막(5)내의 도판트들이 실리콘 기판(1)으로 확산됨에 따라 트랜지스터의 채널이 짧아지거나, 누설(leakage) 전류의 증가 등 소자 특성을 저하시키는 현상을 방지하기 위하여 형성하는 것이다. 또한 언도프트 폴리실리콘막(3)과 제1고농도 도프트 폴리실리콘막(5)은 일정한 비율의 두께로 형성한다. 여기에서 도판트 확산을 방지하는 언도프트 폴리실리콘막(3)은 SiH4또는 Si2H6가스등과 같은 실리콘을 함유한 가스를 사용하여 1E17atoms/㎤∼1E19atoms/㎤의 농도로 도핑한다. 그리고 확산 장벽으로 사용될 산화막(4)은 공기중에 노출시켜 자연 산화막으로 성장시키거나, N2O 또는 N2를 캐리어 가스로 사용한 O2가스를 사용하여 성장시킨다. 제1고농도 도프트 폴리실리콘막(5)를 형성하기 위해 SiH4Si2H6가스 등과 같은 실리콘을 함유한 가스를 사용하며, 제1고농도 도프트 폴리실리콘막(5)에 불순물을 도핑하기 위해 PH3와 같은 인(P) 또는 비소(As)를 함유한 가스를 이용하여 3E20atoms/㎤∼9E21atoms/㎤의 농도로 도핑한다. 여기에서 제1고농도 도프트 폴리실리콘(5)을 도핑시키는 방법은 인-시투 도프트 폴리실리콘을 증착하는 방법외에 언도프트 폴리실리콘에 POCl3를 이용한 열 확산으로 도핑시키는 방법, 그리고 불순물 주입(implantation) 방법 등을 사용한다.As shown in FIG. 1A, an interlayer
도1(b)는 마스크 및 식각 공정을 실시하여 제1고농도 도프트 폴리실리콘막(5), 산화막(4) 및 언도프트 폴리실리콘막(3)의 선택된 영역을 제거하여 전하저장전극을 형성한 단면도이다.FIG. 1 (b) shows that the charge storage electrode is formed by removing the selected regions of the first high concentration doped
도1(c)는 전체 구조 상부에 일정 두께의 반구형 다결정 실리콘 박막(6)을 형성한 단면도이다.Fig. 1 (c) is a cross-sectional view of a hemispherical polycrystalline silicon
도1(d)는 노출된 층간 절연막(2) 상부에 형성된 반구형 다결정 실리콘 박막(6)을 제거한 단면도이다.FIG. 1D is a cross-sectional view of the hemispherical polycrystalline silicon
도1(e)는 전체 구조 상부에 NO 다중층 구조를 이용한 절연막(7)을 형성한 후 플레이트 전극으로 작용되는 제2고농도 도프트 폴리실리콘막(8)을 형성하여 캐패시터 구조를 완성한 단면도이다. 제2고농도 도프트 폴리실리콘막(8)은 제1고농도 도프트 폴리실리콘막(5)의 증착 조건과 동일한 조건에서 증착한다. 즉, SiH4또는 Si2H6등과 같은 실리콘을 함유한 가스를 사용하여 형성하고, 불순물을 주입하기 위해 PH3와 같은 인 또는 비소를 함유한 가스를 이용하여 3E20atoms/㎤∼9E21atoms/㎤의 농도로 도핑한다. 여기에서 제2고농도 도프트 폴리실리콘막(8)을 도핑시키는 방법 또한 제1고농도 도프트 폴리실리콘막(5)을 도핑시키는 방법과 동일하다.FIG. 1 (e) is a cross-sectional view of a capacitor structure formed by forming a second high concentration doped
하기 표는 본 발명에서 제시한 방법에 따라 전하저장전극과 플레이트 전극으로 사용될 도프트 폴리실리콘의 도판트 농도를 상당히 높였을 경우 베이스 라인보다 현저히 향상된 결과를 보이는 캐패시턴스 값과 캐패시턴스 변화율(ΔC)을 보인것이고, 도2는 이를 그래프로 도시한 것이다. 이때 캐패시턴스 변화율은 하기 식과 같이 구해진다.The following table shows the capacitance value and the capacitance change rate (ΔC) which are significantly improved than the baseline when the dopant concentration of the dopant polysilicon used as the charge storage electrode and the plate electrode is significantly increased according to the method proposed in the present invention. 2 illustrates this graphically. At this time, the capacitance change rate is calculated as follows.
[식][expression]
[표][table]
상기 표와 도2에 도시된 그래프는 200×200㎛2의 다결정 실리콘 박막의 플래너 패턴에서 측정된 것이다.The table and the graph shown in Figure 2 is 200 × 200 ㎛2of It was measured on the planar pattern of the polycrystalline silicon thin film.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 좁은 셀 면적 내에서 충분한 캐패시턴스를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, ΔC를 감소시킬 수 있어 소자의 특성 향상 및 수율 향상에 크게 기여할수 있다. 또한 전하저장전극의 과도한 도판트에 의한 확산을 방지할 수 있어 리프레쉬 특성 저하를 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, not only a sufficient capacitance can be secured within a narrow cell area, but also ΔC can be reduced, thereby greatly contributing to the improvement of device characteristics and the yield. In addition, the diffusion of the charge storage electrode due to excessive dopants can be prevented, thereby reducing the refresh characteristics.
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