KR100277939B1 - bottom electrode of capacitor with ferroelectric - Google Patents
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Abstract
강유전체 커패시터의 하부전극에 관한 것으로, Ti, Cr, TiW, TiN 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, 제 1 층상에 형성되고 Ir로 이루어진 제 2 층과, 제 2 층상에 형성되고 IrO2로 이루어진 제 3 층과, 제 3 층상에 형성되고 Ir로 이루어진 제 4 층으로 구성함으로써, 접착력을 향상시키고 산화를 방지하며 기타 다른 전기적 특성(피로현상, 누설전류)을 향상시킨다.The present invention relates to a lower electrode of a ferroelectric capacitor and includes a first layer made of any one of Ti, Cr, TiW, and TiN, a second layer formed on the first layer and made of Ir and a second layer made of IrO 2 3 layers and a fourth layer formed on the third layer and made of Ir to improve adhesion, prevent oxidation, and improve other electrical characteristics (fatigue phenomenon, leakage current).
Description
본 발명은 커패시터에 관한 것으로, 특히 강유전체 커패시터의 하부전극에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitor, and more particularly to a lower electrode of a ferroelectric capacitor.
일반적으로, 반도체 장치의 커패시터는 소자의 집적도가 증가함에 따라 그 면적이 작아지면서 이로 인한 커패시터 용량의 감소를 보상하기 위해 점차적으로 유전막의 두께를 줄여 왔다.In general, the capacitors of semiconductor devices have gradually reduced the thickness of the dielectric film in order to compensate for the decrease in the capacitor capacity due to the smaller area as the degree of integration of the elements increases.
그러나, 유전막의 두께가 감소함에 따라, 터널링(Tunneling)에 의한 누설전류가 증가하게 되고, 이러한 누설전류와 유전막의 얇아진 두께 때문에 신뢰성이 저하되는 문제점이 발생하였다.However, as the thickness of the dielectric layer decreases, the leakage current due to tunneling increases, and the reliability of the dielectric layer decreases due to the leakage current and the reduced thickness of the dielectric layer.
이러한 문제점을 피하기 위하여 매우 복잡한 표면굴곡을 형성하여 커패시터의 유효면적을 증가시키는 방법을 선택하여 사용하였지만 이 방법 역시 표면에 심한 단차를 주어 포토리소그래피(photolithograph)공정을 어렵게 하고, 공정단가를 높이기 때문에 고집적 소자에서는 사용하기 어려웠다.In order to avoid such a problem, a method of increasing the effective area of the capacitor by forming a very complicated surface curvature has been selected and used. However, this method also causes severe steps on the surface to make the photolithograph process difficult, It was difficult to use in the device.
그러므로, 커패시터의 용량을 획기적으로 향상시키면서 표면굴곡을 줄이기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다.Therefore, much research has been conducted to reduce the surface curvature while dramatically improving the capacitance of the capacitor.
그 중에서 고유전율 물질을 커패시터의 유전막으로 사용하는 방법이 제시되었다.Among them, a method of using a high dielectric constant material as a dielectric film of a capacitor has been proposed.
이러한 고유전막을 사용한 커패시터는 여러 가지 많은 성과가 있었으나, 실질적인 유전율이 높지않아 앞으로 점차적으로 고집적화 되어 가는 추세를 고려할 때 그 사용범위가 넓지 않을 것으로 보고 있다.The capacitors using such a high-dielectric-constant film have many achievements, but the dielectric constant is not high, and the use range of the capacitors is not expected to be wide considering the tendency to be highly integrated in the future.
최근 들어, 페로브스카이트(perovskite)형이라 불리는 결정구조를 갖는 강유전체에 대한 관심이 높아지면서 반도체 장치에 사용될 유전체로서 집중적인 연구의 대상이 되고 있다.In recent years, interest in ferroelectrics having a crystal structure called a perovskite type has been increasingly intensified as a dielectric to be used in semiconductor devices.
강유전체란 퀴리온도 이하에서 자발분극을 나타내는 재료로서, 전계를 가하지 않더라도 자발적으로 분극이 발생하는 재료이다.A ferroelectric substance is a material exhibiting spontaneous polarization at a Curie temperature or lower, and is a material that generates a spontaneous polarization even if no electric field is applied.
강유전체로는 PZT(Pb(Zr,Ti)O3), PLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O3), BST((Ba,Sr)TiO3), BaTiO3, SrTiO3등이 있다.Examples of the ferroelectric material include PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ), PLZT ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ), BST (Ba, Sr) TiO 3 , BaTiO 3 , SrTiO 3 , .
그러나, 이러한 강유전체는 기판인 실리콘 및 실리사이드 등과 쉽게 반응하며, 박막 형성 과정중 강한 산화성 분위기에서 강유전체의 표면이 노출되어 전극이 산화되는 등 많은 문제점이 발생하였다.However, such a ferroelectric easily reacts with silicon and silicide as substrates, and the surface of the ferroelectric is exposed in a strong oxidizing atmosphere during the thin film formation process, resulting in many problems such as oxidation of the electrode.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 전극의 재료 및 구조에 대한 연구가 계속 진행되고 있다.In order to solve these problems, researches on the material and the structure of the electrode have been continued.
강유전체로 커패시터를 만드는데 있어서는 전극으로 사용될 물질이 강유전체와 반응성이 좋지 않은 물질이 사용되어야만 한다.In making ferroelectric capacitors, the material to be used as an electrode should be a ferroelectric and a material that has poor reactivity.
그 이유는 강유전체는 산화물이므로 쉽게 산화되지 않는 도전재료를 전극으로 사용하여야 한다.The reason for this is that the ferroelectric is an oxide and therefore a conductive material which is not easily oxidized should be used as the electrode.
그러한 전극으로 산화물 전극이 새로이 각광을 받아왔다.As such electrodes, oxide electrodes have been newly spotlighted.
산화물 전극의 대표적인 물질로는 IrO2, Ru02등이 있는데, 이 들 물질은 전극으로의 가능성을 높였지만 누설전류가 증가하기 때문에 이들 물질을 단독으로 사용하지는 못하였고, Ir/IrO2, Ru/Ru02,Pt/IrO2, Pt/Ru02와 같은 복합전극(hybrid electrode)을 사용하여 왔다.IrO 2 , RuO 2, etc. were used as the representative materials of the oxide electrode. These materials increased the possibility of the electrode, but they could not be used alone because of increased leakage current. Ir / IrO 2 , Ru / A hybrid electrode such as RuO 2, Pt / IrO 2 , and Pt / RuO 2 has been used.
그러나, Ru는 식각시에 매우 유독한 RuO4가 나오기 때문에 연구에 어려움이 있고, Ir은 접착력(adhesion)이 좋지 않아서 공정을 진행하는데 어려움이 있다.However, Ru has a difficulty in research because RuO 4 is extremely toxic at the time of etching, and Ir has difficulty in proceeding because adhesion is poor.
따라서, 접착력을 높이면서 전기적 특성 등이 좋은 전극이 필요하였다.Therefore, it is necessary to provide an electrode having good electrical characteristics while improving the adhesion.
일반적인 강유전체 커패시터의 전극에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.The following problems have been encountered in the electrodes of general ferroelectric capacitors.
산화물 전극을 이용한 커패시터를 고집적소자에 사용하는 경우 커패시터에 흐르는 누설전류가 증가하게 되고 고유전율을 얻기가 힘들고, 전극 재료로 Ru 또는 Ir을 사용하면 유독 가스인 RuO4가 생성되며 접착력이 좋지 않아 전기적 특성이 저하된다.When a capacitor using an oxide electrode is used for a highly integrated device, the leakage current flowing through the capacitor increases and it is difficult to obtain a high dielectric constant. When Ru or Ir is used as the electrode material, RuO 4, which is a toxic gas, is produced. The characteristics are degraded.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 새로운 전극의 구조로 기판과의 접착력이 좋고 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 강유전체 커패시터의 하부전극을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a lower electrode of a ferroelectric capacitor having a novel electrode structure and having good adhesion to a substrate and capable of improving electrical characteristics.
도 1은 본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 하부전극을 보여주는 구조단면도1 is a structural cross-sectional view showing a lower electrode of a ferroelectric capacitor according to the present invention;
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS
11 : 기판 12 : 제 1 층11: substrate 12: first layer
13 : 제 2 층 14 : 제 3 층13: second layer 14: third layer
15 : 제 4 층15: fourth floor
본 발명에 따른 강유전체 커패시터 하부전극의 특징은 Ti, Cr, TiW, TiN 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, 제 1 층상에 형성되고 Ir로 이루어진 제 2 층과, 제 2 층상에 형성되고 IrO2로 이루어진 제 3 층과, 제 3 층상에 형성되고 Ir로 이루어진 제 4 층으로 구성되는데 있다.Features of the ferroelectric capacitor, the lower electrode according to the invention with Ti, Cr, TiW, TiN first layer consisting of any one of the, first formed on the first layer and the second layer consisting of Ir, are formed on the second layer IrO 2 And a fourth layer formed on the third layer and made of Ir.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 하부전극을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The lower electrode of the ferroelectric capacitor according to the present invention having the above-described characteristics will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명에서는 Ir/IrO2로 이루어진 복합 전극을 이용하는데, 그 이유는 Ir과 IrO2은 모두 전기전도도가 큰 금속이며, 특히 IrO2는 Ir/poly-Si(폴리실리콘) 에서 생길 수 있는 이리듐 실리사이드(Iridium silicide)를 막아주면서 동시에 강유전체 박막에서 빠져나오거나 공정 중에 대기에서 공급되는 산소를 막아주는 역할을 하기 때문이다.First, in the present invention, a composite electrode made of Ir / IrO 2 is used because both Ir and IrO 2 are metals having a high electrical conductivity, and in particular, IrO 2 can be formed in Ir / poly-Si (polysilicon) This is because it acts to block the iridium silicide and at the same time to escape from the ferroelectric thin film and to prevent the oxygen supplied from the atmosphere during the process.
그러나, 이러한 장점을 갖는 Ir/IrO2복합 전극은 하부에 있는 폴리실리콘 플러그(plug)와의 접착력(adhesion)이 좋지 않아 IrO2과 폴리실리콘과의 계면에서 SiO2가 생성되는 문제가 있었다.However, Ir / IrO 2 composite electrode having the above advantages is not the adhesive force (adhesion) between the polysilicon plugs (plug) at the bottom good there is a problem that SiO 2 is generated at the interface between the polysilicon and IrO 2.
그러므로, 본 발명에서는 상기의 문제를 보완하기 위하여 Ir/IrO2로 이루어진 복합 전극 아래에 Ti 금속물질을 두었다.Therefore, in order to solve the above problem, in the present invention, a Ti metal material is placed under a composite electrode made of Ir / IrO 2 .
여기서, Ti 대신에 Cr, TiW, TiN 중 어느 한 물질을 선택적으로 사용할 수 있다.Here, instead of Ti, any one of Cr, TiW and TiN can be selectively used.
하부전극과 그 하부의 플러그와 접착력을 위해 상기의 금속물질들을 사용한 이유는 이들은 기존의 반도체 집적회로에서 사용되어왔던 것들로 Ti와 Cr은 비교적 쉽게 증착할 수 있으며 TiW, TiN 등은 내산화성이 강하면서 스텝 커버리지(step coverage)와 같은 성질이 우수하기 때문이다.The reason why the above-described metal materials are used for adhesion to the lower electrode and the plugs thereunder is that they have been used in conventional semiconductor integrated circuits, and Ti and Cr can be relatively easily deposited. TiW, TiN, And the step coverage is excellent.
그러나, Ti, Cr, TiW, TiN와 같은 물질들도 산소에 매우 약하기 때문에 IrO2과 직접 닿지 않도록 전극을 구성해야 하므로 IrO2과 Ti 사이에 Ir층을 형성함으로써 위의 문제를 해결하였다.However, Ti, Cr, TiW, because the material, such as TiN also becomes very vulnerable to oxygen must configure the electrode does not come in direct contact with the IrO 2 solves the above problem by forming a layer between the Ir IrO 2 and Ti.
도 1은 본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 하부전극을 보여주는 구조단면도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저, Si 또는 poly-Si 기판(11)상에 Ti, Cr, TiW, TiN 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층(12), Ir로 이루어진 제 2 층(13), IrO2로 이루어진 제 3 층(14), Ir로 이루어진 제 4 층(15)을 순차적으로 적층하여 하부전극을 형성한다.FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a lower electrode of a ferroelectric capacitor according to the present invention. As shown in FIG. 1, a ferroelectric capacitor is formed on a Si or poly-
여기서, 하부전극의 제 1 층의 두께는 50∼500Å으로 가능하면 얇게 한다.Here, the thickness of the first layer of the lower electrode is 50 to 500 angstroms, if possible.
그리고, 제 2 층의 두께는 300∼1000Å으로 하는데, 너무 얇으면 산화되므로 주의 한다.The thickness of the second layer is 300 to 1000 angstroms.
제 3 층의 두께는 100∼500Å으로 하는데, 너무 얇으면 산소의 차단이 되지 않고 너무 두꺼우면 박막이 거칠어진다.The thickness of the third layer is in the range of 100 to 500 ANGSTROM. If the thickness is too thin, the oxygen is not blocked. If the thickness is too thick, the thin film becomes rough.
마지막으로, 제 4 층의 두께는 300∼1000Å으로 하는데, 이 층 또한 너무 얇으면 산화되고 제 3 층의 거칠기(roughness)에 영향을 미친다.Finally, the thickness of the fourth layer is between 300 and 1000 angstroms, which is too thin to oxidize and affect the roughness of the third layer.
이와 같이, 본 발명에서는 Ir/IrO2/Ir/Ti(또는 Cr, TiW, TiN 중 어느 하나)으로 하부전극을 형성함으로써 프러그와의 접착력을 향상시키고, 전기적 특성을 향상시켰다.As described above, in the present invention, the lower electrode is formed of Ir / IrO 2 / Ir / Ti (or any one of Cr, TiW, and TiN), thereby improving the adhesive force with the plug and improving the electrical characteristics.
본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 하부전극에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.The lower electrode of the ferroelectric capacitor according to the present invention has the following effects.
하부전극을 Ir/IrO2/Ir/Ti(또는 Cr, TiW, TiN 중 어느 하나)으로 형성하여 접착력을 향상시키고 산화를 방지하며 기타 다른 전기적 특성(피로현상, 누설전류)을 향상시킨다.The lower electrode is formed of Ir / IrO 2 / Ir / Ti (or any one of Cr, TiW, and TiN) to improve adhesion, prevent oxidation, and improve other electrical characteristics (fatigue phenomenon, leakage current).
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