KR100268911B1 - Capacitor of semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체소자에 관한 것으로 특히, 커패시터의 충전용량을 증대시키고 소자의 신뢰성을 향상시키는데 적당한 반도체소자의 커패시터 및 이의 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 capacitor and a method for manufacturing the semiconductor device suitable for increasing the charging capacity of the capacitor and improving the reliability of the device.
일반적으로 반도체소자의 집적화 추세에 따라 메모리 셀에 있어서도 커패시터의 충전용량을 증대시키기 위하여 커패시터 유전막의 유전율을 증대시키는 연구와, 충전 전극의 구조를 삼차원적으로 개선함으로써, 충전 전극의 표면적을 개선시키는 연구가 활발하게 진행되고 있다.In general, in accordance with the trend of integration of semiconductor devices, studies have been made to increase the dielectric constant of a capacitor dielectric layer in order to increase the charging capacity of a capacitor in a memory cell, and to improve the surface area of the charging electrode by three-dimensionally improving the structure of the charging electrode. Is actively underway.
이중 삼차원 구조의 커패시터로서 제안된 메모리 셀로서 적층(stacked)형 커패시터는 그 제조공정이 용이하고 대량생산에 적합한 구조로써, 충전용량을 증대시키는 동시에 알파입자(α-paticle)에 의한 전하정보의 혼란에 대하여 면역성을 가질 수 있으므로 유리하다.As a memory cell proposed as a double three-dimensional capacitor, a stacked capacitor is a structure that is easy to manufacture and suitable for mass production, while increasing charge capacity and confusion of charge information caused by alpha particles. It is advantageous because it can have immunity against.
그러나 1G 비트이상으로 집적도가 증가하게 되면 커패시터의 충전 전극의 면적을 더 이상 유지시키는 것이 어렵게 된다.However, if the density increases to more than 1G bit, it becomes difficult to maintain the area of the charging electrode of the capacitor any more.
따라서 유전율이 기존의 NO나 Ta2O5보다 10배이상 높은 (BaSr)TiO3에 대한 연구가 진행되고 있다.Therefore, studies on (BaSr) TiO 3 have a dielectric constant 10 times higher than that of NO or Ta 2 O 5 .
이를 집적화하기 위해 불순물의 오염과 전극의 산화를 방지하기 위하여 적절한 전극재료와 베리어(barrier)금속의 선택이 중요하다.In order to integrate this, it is important to select an appropriate electrode material and barrier metal to prevent contamination of impurities and oxidation of the electrode.
예를들어, Pt를 전극으로 사용하는 경우에는 리키지 커런트를 감소시킬 수 있는 반면에 이방성 건식식각이 어렵게 된다.For example, when Pt is used as an electrode, it is possible to reduce the liquid current, while making anisotropic dry etching difficult.
이러한 식각의 어려움을 해결하기 위해 RuO2를 적용하게 되면, 용이하게 식각할 수는 있지만 리키지 커런트가 증가하게 된다.If RuO 2 is applied to solve this difficulty, the etching current may be easily increased, but the liquid current is increased.
어떤 경우에 있어서도 전극과 폴리실리콘 플러그와의 반응으로부터 보호하기 위하여 베리어 금속층이 필요하게 된다.In any case, a barrier metal layer is needed to protect against the reaction of the electrode with the polysilicon plug.
이하, 종래기술에 따른 반도체소자의 커패시터 제조방법을 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the prior art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 1f는 종래기술에 따른 반도체소자의 커패시터 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the prior art.
n+도전형의 소오스 및 드레인 확산층이 형성된 반도체기판(11)상에 제 1 산화막(12)을 5000Å두께로 증착한다.The
상기 제 1 산화막(12)을 선택적으로 제거하여 상기 소오스 및 드레인 확산층이 형성된 반도체기판(11)의 표면이 노출되도록 콘택홀을 형성한다.The
상기 콘택홀을 포함한 전면에 p가 도핑된 폴리실리콘막을 3000Å의 두께로 증착한 후, CMP(Chemical Mechanical Polishing)로 연마하여 상기 콘택홀에 매립되는 플러그(13)를 형성한다.A p-doped polysilicon film is deposited on the entire surface including the contact hole to a thickness of 3000 Å, and then polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) to form a
이어, 도 1b에 도시한 바와같이 상기 플러그(13)를 포함한 전면에 저저항 베리어층(14)으로써, TiSi2와 TiN을 차례로 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1B, TiSi 2 and TiN are sequentially formed as the low
이어서, 도 1c에 도시한 바와같이, 상기 저저항 베리어층(14)상에 커패시터 하부전극용 제 1 Pt막(15)을 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 1000∼2000Å의 두께로 형성한 후, 그 위에 하드마스크로써, 제 2 산화막(16)을 증착한다.Subsequently, as shown in FIG. 1C, a
그리고, 상기 제 2 산화막(16)을 선택적으로 제거한 후, O2/Cl2/Ar가스 캐미스트리(chemistry)를 이용하여 MERIE(Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching)법으로 도 1d에 도시한 바와같이, 상기 제 1 Pt막(15) 및 저저항 베리어층(14)을 선택적으로 제거한다.After the
이때, 상기 저저항 베리어층(14)을 오버식각하여 상기 반도체기판(11)이 소정깊이로 식각되도록 한다.In this case, the low
이후, 상기 제 2 산화막(16)을 제거한 후, 도 1e에 도시한 바와같이, 상기 제 1 Pt막(15)을 포함한 기판 전면에 절연물질을 형성한 후, 상기 저저항 베리어층(14)의 양측면 하단부에 절연측벽(17)을 형성한다.Subsequently, after the
이어, 도 1f에 도시한 바와같이, 상기 제 1 Pt막(15) 및 절연측벽(17)을 포함한 전면에 커패시터 유전체막(18)으로써, BST(BaSrTiO3)을 400∼500℃온도에서 RF스퍼터링 방법을 이용하여 400Å의 두께로 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1F, the BST (BaSrTiO 3 ) is RF sputtered at a temperature of 400 to 500 ° C. as the capacitor
이후, 커패시터 상부전극으로써, 제 2 Pt막(19)을 1000Å의 두께로 형성한다.Thereafter, as the capacitor upper electrode, the
그리고 N2분위기에서 550℃온도로 10분간 열처리를 실시하여 전기적 성질을 개선시킨다.And heat treatment is performed for 10 minutes at 550 ℃ temperature in N 2 atmosphere to improve the electrical properties.
이후, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 제 2 Pt막(19)상에 다시 하드마스크용 산화막을 증착한 후 패터닝하고, 상기 산화막을 마스크로 이용한 식각공정으로 상기 제 2Pt막(19)을 선택적으로 제거하면, 종래기술에 따른 커패시터 제조공정이 완료된다.Subsequently, although not shown in the drawings, a hard mask oxide film is deposited on the
그러나 상기와 같은 종래 반도체소자의 커패시터 제조방법은 커패시터 전극재료인 Pt막을 패터닝하기 위해서는 두 번의 하드마스크를 사용해야 하며, 또한 전극의 측면 기울기를 일정하게 유지하는 것이 어려운 문제점이 있었다.However, in the conventional method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device, two hard masks must be used to pattern a Pt film, which is a capacitor electrode material, and it is difficult to maintain a constant side slope of the electrode.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로써, 충전 용량을 증대시켜 고집적화에 유리하고, 제조공정상의 신뢰성을 향상시키는데 적당한 반도체소자의 커패시터 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a capacitor of a semiconductor device and a method of manufacturing the same, which are advantageous for high integration by increasing charge capacity and improving reliability in a manufacturing process.
도 1a 내지 1f는 종래기술에 따른 커패시터 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도Figure 1a to 1f is a cross-sectional view for explaining a capacitor manufacturing method according to the prior art
도 2는 본 발명에 따른 반도체소자 커패시터의 구조를 설명하기 위한 구조단면도2 is a structural cross-sectional view for explaining the structure of a semiconductor device capacitor according to the present invention;
도 3a 내지 3e는 본 발명에 따른 반도체소자의 커패시터 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
11,21 : 반도체기판 13,23 : 플러그11,21:
17,25a : 절연측벽 14,26 : 저저항 베리어층17,25a:
18,29 : 유전체막 19,30 : 커패시터 상부전극18,29:
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자의 커패시터의 구조는 반도체기판에 형성된 소오스 및 드레인전극중 어느하나에 연결된 플러그와, 상기 플러그와 연결되고, 하단면이 상기 플러그보다 넓게 패터닝된 원통형의 커패시터 하부전극과, 상기 커패시터 하부전극을 둘러싸고 형성된 고유전체막과, 상기 고유전체막상에 형성되고, 상기 커패시터 하부전극을 둘러싸도록 형성된 커패시터 상부전극을 포함하여 구성되고, 본 발명의 커패시터 제조방법은 소오스 및 드레인 확산층이 형성된 반도체기판상에 제 1 절연막을 형성한 후, 상기 소오스 및 드레인 확산층중 어느하나가 노출되도록 콘택홀을 형성하는 공정과, 상기 콘택홀내에 플러그를 형성하는 공정과, 상기 플러그를 포함한 전면에 제 2 절연막을 형성한 후 패터닝하여 플러그를 노출시키는 공정과, 패터닝된 제 2 절연막의 측면에 절연측벽을 형성한 후, 상기 플러그와 연결되도록 원통형의 커패시터 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 절연측벽을 제거한 후, 고유전체막을 형성하는 공정과, 상기 고유전체막상에 커패시터 상부전극을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The structure of the capacitor of the semiconductor device according to the present invention for achieving the above object is a plug connected to any one of a source and a drain electrode formed on a semiconductor substrate, the plug is connected, the bottom surface is patterned wider than the plug And a capacitor lower electrode of the capacitor, a high dielectric film formed surrounding the capacitor lower electrode, and a capacitor upper electrode formed on the high dielectric film and surrounding the capacitor lower electrode. Forming a contact hole such that any one of the source and drain diffusion layers is exposed after forming a first insulating film on the semiconductor substrate on which the source and drain diffusion layers are formed, and forming a plug in the contact hole; After forming a second insulating film on the front surface including a patterned plug Exposing a sidewall of the patterned second insulating film, forming a cylindrical capacitor lower electrode to be connected to the plug, removing the insulating sidewall, and then forming a high dielectric film; And forming a capacitor upper electrode on the high dielectric film.
이하, 본 발명에 따른 반도체소자의 커패시터 및 이의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a capacitor of a semiconductor device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 반도체소자의 커패시터 구조를 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a capacitor structure of a semiconductor device according to the present invention.
도 2에 도시한 바와같이, 본 발명에 따른 반도체소자의 커패시터는 트랜지스터의 소오스 또는 드레인전극에 연결되는 플러그(23)와, 상기 플러그(23)와 연결되는 원통형의 커패시터 하부전극(28)과, 상기 커패시터 하부전극(28)상에 형성되는 유전체막(29)과, 상기 유전체막(29)의 상부에서 상기 커패시터 하부전극(28)을 감싸도록 형성되는 커패시터 상부전극(30)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, a capacitor of a semiconductor device according to the present invention includes a
여기서, 상기 플러그(23)와 연결되는 커패시터 하부전극(28)의 하단면은 상기 플러그(23)의 폭보다 더 넓게 패터닝한다.Here, the bottom surface of the capacitor
이와같이 구성된 본 발명의 커패시터 제조방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to the capacitor manufacturing method of the present invention configured as described above are as follows.
도 3a 내지 3d는 본 발명에 따른 반도체소자의 커패시터 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.3A to 3D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.
먼저, 도 3a에 도시한 바와같이, 트랜지스터의 소오스 및 드레인의 확산층이 형성된 반도체기판(21)상에 제 1 절연막(22)을 형성한다.First, as shown in FIG. 3A, the first
상기 제 1 절연막(22)상에 포토레지스트(도면에 도시하지 않음)를 도포한 후, 노광 및 현상공정으로 패터닝한다.A photoresist (not shown) is applied onto the first
상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 이용한 식각공정으로 상기 제 1 절연막(22)을 선택적으로 제거하여 상기 확산층의 반도체기판(21)의 표면이 노출되도록 콘택홀을 형성한다.The
이어, 상기 콘택홀을 포함한 기판(21)전면에 폴리실리콘층을 형성한 후 CMP로 연마하거나 또는 Cl2, SF6등의 플라즈마를 이용한 에치백공정으로 상기 콘택홀에 매립되는 플러그(23)를 형성한다.Subsequently, the polysilicon layer is formed on the entire surface of the
도 3b에 도시한 바와같이 상기 플러그(23)를 포함한 기판(21)전면에 제 2 절연막(24)을 5000Å이하의 두께로 증착한다.As shown in FIG. 3B, the second
이후, 상기 플러그(23)가 충분히 노출되도록 상기 제 2 절연막(24)을 선택적으로 제거한 후, 상기 제 2 절연막(24)을 포함한 기판(21)전면에 제 3 절연막(25)을 증착한다.Thereafter, the second
여기서, 상기 제 1, 제 2 절연막(22,24)은 실리콘산화막이고, 상기 제 3 절연막(25)은 실리콘질화막이다.Here, the first and second
상기 제 3 절연막(25)을 에치백하여 도 3c에 도시한 바와같이, 상기 제 2 절연막(24)의 양쪽 측면에 절연측벽(25a)을 각각 형성한다.The third
그리고, 상기 절연측벽(25a)을 포함한 기판(21)전면에 저저항 베리어층(26)과, 커패시터 전극물질(27)을 차례로 형성한다.The low
이어, 상기 저저항 베리어층(26)과 커패시터 전극물질(27)을 CMP공정으로 연마하면, 도 3d에 도시한 바와같이 상기 저저항 베리어층(26)과 커패시터 전극물질(27)로 이루어지는 커패시터 하부전극(28)이 형성된다.Subsequently, when the low
여기서, 상기 커패시터 전극물질(27)은 Pt를 포함한다.Here, the
이어서, 도 3e에 도시한 바와같이, 상기 절연측벽(25a)을 선택적으로 제거한 후, 상기 커패시터 하부전극(28)을 포함한 기판(21)전면에 고유전율을 갖는 유전체막(29)을 증착한다.Subsequently, as shown in FIG. 3E, after the insulating
이때, 상기 유전체막(29)으로서는 BST(BaSrTiO3)을 사용하며, 400∼500℃온도에서 RF스퍼터링 방법을 이용하여 400Å의 두께로 형성한다.At this time, as the
그리고, 상기 유전체막(29)상에 커패시터 전극물질을 증착한 후 CMP공정으로 연마하면 상기 커패시터 하부전극(28)을 충분히 감싸고 있는 커패시터 상부전극(30)이 형성된다.When the capacitor electrode material is deposited on the
이때, 상기 절연측벽(25a)이 제거됨에 따라 상기 절연측벽(25a)의 기울기만큼 상기 커패시터 하부전극(28)이 기울기를 갖게 된다.At this time, as the insulating
이상 상술한 바와같이 본 발명에 따른 반도체소자의 커패시터 및 이의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the capacitor of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention have the following effects.
첫째, 트랜지스터의 소오스 또는 드레인과 연결되는 플러그물지로써, Pt막과 같이 화학적으로 반응성이 낮고, 반응을 하더라도 반응생성물의 증기압이 낮아서 휘발성이 떨어지는 전극재료를 채택하는 경우에도 커패시터 전극을 용이하게 패터닝할 수 있다.First, as a plug material connected to a source or a drain of a transistor, a capacitor electrode can be easily patterned even when an electrode material having low chemical reactivity, such as a Pt film, and a low volatility of a reaction product due to a low volatility, even if a reaction is adopted. Can be.
둘째, 고유전율을 갖는 유전체막이 하부전극을 둘렀싸도록 함으로써 축적용량을 극대화시킬 수 있다.Second, the storage capacity can be maximized by allowing the dielectric film having a high dielectric constant to surround the lower electrode.
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