KR100331270B1 - ＴａＯＮ박막을 갖는 커패시터 제조방법 - Google Patents

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Abstract

고유전율을 가지며 화학적 결합구조도 Ta2O5박막보다 안정하여 하부전극인 폴리실리콘과의 산화반응성도 작은 TaON막으로 이루어진 반도체장치의 커패시터 제조방법에 대해 개시되어 있다. 이 방법은 반도체소자를 구비한 반도체기판 상부에 소자간 절연을 위한 층간절연막의 콘택홀을 통해서 반도체소자의 불순물 접합영역과 연결되며 도프트 폴리실리콘층으로 이루어진 하부전극을 형성하며, 하부전극 상부면에 500℃이하의 웨이퍼 온도에서 비정질 TaON막으로 이루어진 유전체박막을 형성비정질 TaON막으로 이루어진 유전체박막을 형성한 후에 비정질 TaON박막 상부면에 도프트 폴리실리콘층으로 이루어진 상부전극을 형성한다. 이에 따라, 본 발명은 Ta2O5와 같은 고유전체막의 후속 고온 열처리 공정을 생략할 수 있으며 전극과 유전체막의 계면 산화 반응을 억제하는 질화처리 공정도 생략할 수 있어 공정의 단순화를 이룬다.

Description

ＴａＯＮ박막을 갖는 커패시터 제조방법{Forming method of capacitor with TaON thin film}
본 발명은 반도체장치의 커패시터 제조방법에 관한 것으로서, 특히 고유전체의 TaON를 갖는 커패시터 제조방법에 관한 것이다.
현재 반도체소자의 고집적화를 달성하기 위하여 셀 면적의 감소 및 동작 전압의 저전압화에 관한 연구/개발이 활발하게 진행되고 있다. 더구나, 반도체소자의 고집적화가 이루어질수록 커패시터의 면적이 급격하게 감소되지만 기억소자의 동작에 필요한 전하 즉, 단위 면적에 확보되는 커패시턴스는 증가되어야만 한다.
커패시터의 충분한 용량을 확보하기 위해서 통상의 실린더 구조 변경을 통해 커패시터 면적을 증가하거나 유전체막의 두께 감소를 통해 충분한 커패시턴스를 확보시키는 방법이 이루어지고 있으며, 기존 실리콘 산화막으로 사용하던 유전체막을 NO(Nitride-Oxide) 또는 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)구조라든지 높은 커패시턴스(유전상수=20∼25)를 확보할 수 있는 Ta2O5내지 BST(BaSrTiO3) 등으로 대체하려는 재료적인 연구가 진행되고 있다.
한편, 최근에는 NO유전체를 갖는 커패시터가 256M 이상의 차세대 메모리에 필요한 용량을 확보하는데 한계를 보이고 있기 때문에 Ta2O5유전체 개발이 연구 진행중에 있다. 하지만, 이 Ta2O5박막 역시 불안정한 화학양론비(stoichiometry)를 갖고 있어 Ta와 O의 조성비 차이에 기인한 치환형 Ta원자가 박막내에 존재하기 때문에 유전체박막 공정시 Ta2O5의 전구체인 Ta(OC2H5)5의 유기물과 O2(또는 N2O)가스의 반응으로 인해 불순물인 탄소원자와 탄소화합물(C, CH4, C2H4등) 및 물(H2O)이 생성된다. 결국, Ta2O5박막내에 불순물로 존재하는 탄소원자, 이온과 라디칼로 인해서 커패시터의 누설전류가 증가하게 되고 유전특성이 열화된다. 이러한 Ta2O5박막내의 불순물을 제거하기 위하여 저온 열처리(예를 들면, plasma N2O 또는 UV-O3)를 이중, 삼중으로 처리하고 있지만 이 역시 제조 과정이 복잡하며 Ta2O5박막의 산화 저항성이 낮기 때문에 하부전극의 산화가 발생하게 되는 단점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 유전체막질로서 유전율이 높으면서 500℃이하의 웨이퍼 온도에서 계면 친화력이 좋은 비정질의 TaON을 사용하여 커패시터의 고용량을 확보하면서 제조 공정을 단순화시킬 수 있는 TaON박막을 갖는 커패시터 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 고유전체 TaON을 갖는 반도체장치의 커패시터 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 실리콘기판
20: 층간절연막
30: 하부 전극
32: 비정질 TaON의 유전체박막
34: 상부전극
C: 커패시터
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체소자의 접합 영역과 연결된 하부 전극과 그 위의 상부전극 및 상기 전극들 사이에 내재된 고유전체 박막으로 이루어진 커패시터의 제조 공정에 있어서, 반도체소자를 구비한 반도체기판 상부에소자간 절연을 위한 층간절연막의 콘택홀을 통해서 반도체소자의 불순물 접합영역과 연결되며 도프트 폴리실리콘층으로 이루어진 하부전극을 형성하는 단계와, 하부전극 상부면에 500℃이하의 웨이퍼 온도에서 비정질 TaON막으로 이루어진 유전체박막을 형성하는 단계와, 비정질 TaON박막 상부면에 도프트 폴리실리콘층으로 이루어진 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 비정질 TaON 박막은 유전상수가 25이상인 고유전체로서 화학적 결합구조가 Ta2O5박막보다 안정하고 하부전극과의 산화반응성도 작아서 NO 유전체 및 Ta2O5를 갖는 커패시터보다 등가 산화막 두께(Tox)를 더 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 비정질 TaON 박막은 Ta2O5와 같은 고유전체막의 후속 고온 열처리 공정을 생략할 수 있으며 전극과 유전체막의 계면 산화 반응을 억제하는 질화처리 공정도 생략할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 고유전체 TaON을 갖는 반도체장치의 커패시터 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체기판으로서 실리콘기판(10)의 활성 영역 상부면에 게이트 전극, 소스/드레인 등을 갖는 반도체소자(도시하지 않음)를 형성하고, 그 기판(10) 전면에 USG(Undoped Silicate Glass), BPSG(Boro PhosphoSilicate Glass) 및 SiON 중에서 선택한 물질을 증착하고 화학적기계적연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 실시하여 평탄화된 층간절연막(20)을 형성한다. 기판(10)의 활성영역 즉, 드레인 영역과 접촉하는 커패시터의 단면적을 확보하기 위하여 사진 및 식각 공정으로 층간절연막(20)을 선택 식각하여 콘택홀(도시하지 않음)을 형성한다.
그리고, 상기 콘택홀내에 폴리 실리콘 내지 비정질 도프트 폴리실리콘을 증착하여 하부전극(30)을 형성한다. 이때, 커패시터의 하부전극 구조는 스택, 실린더, 핀, 스택실린더 중에서 어느 하나로 하며 특히 본 실시예에서는 실린더 형태로 형성하기로 한다. 한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 하부전극은 단위 평면적을 늘리기 위하여 상부면이 HSG(Hemi Spherical Grain) 형태로 형성할 수도 있다.
이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 하부전극(30) 상부면에 500℃이하의 웨이퍼 온도에서 비정질 TaON을 100Å미만으로 증착하여 유전체박막(32)을 형성한다. 이때의 공정은, 기상반응(gas phase reaction)을 억제된 웨이퍼 상에 표면 화학반응(surface chemical reaction)을 유도하여 비정질 TaON박막을 형성한다.
보다 상세하게 비정질 TaON박막의 증착 공정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, Ta성분의 화학증기는 99.999%이상의 Ta(OC2H5)5와 같은 Ta화합물을 질량 유량제어기(Mass Flow Controller)를 통해서 150∼200℃의 온도 범위에서 정온으로 유지되고 있는 증발기를 통해 300mg/min이하로 정량 공급한 후, 응축을 방지하기 위해 150℃ 이상되는 공급관을 따라 저압 화학기상증착 챔버내로 주입한다.
이때, 오리피스(orifice) 또는 노즐(nozzle)을 포함한 증발기는 물론이고 Ta 증기의 유로(flow path)가 되는 공급관은 Ta 증기의 응축을 방지하기 위해 150℃∼200℃의 온도 범위를 항상 유지시킨다.
이와 같은 방법을 통해 저압 화학기상증착 챔버내로 공급된 Ta 화학증기를 5sccm∼500sccm 범위에서 NH3반응 가스와 각각 일정량을 정량 공급한 다음 300℃∼600℃의 저압 화학기상증착 챔버내의 100torr이하의 분위기에서 표면 반응을 유도하여 비정질의 TaON박막을 증착한다.
그리고, 본 발명의 TaON의 증착 공정은 Ta의 화학증기를 포함한 반응 가스를 저압 화학기상증착 챔버 상부에 장착된 샤워-헤드를 통해 웨이퍼 위에서 수직, 포물선을 그리며 또는 카운터 플로우 방식으로 균일하게 분사시키는 것이 바람직하다.
그 다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 유전체박막(32) 상부에 도프트 폴리실리콘을 증착하여 상부전극(36)을 형성한다.
본 발명의 비정질 TaON의 제조 공정에 있어서, TaON을 증착하기 전에 인시튜(in-situ) 또는 엑스시튜(ex-situ)에서 HF 증기를 이용하여 건식 세정 공정을 실시하여 하부전극 표면의 자연산화막 및 파티클을 제거한다. 또한 상기 세정 공정시 하부전극(30)의 HF를 이용한 세정공정 전후에 불균일하게 형성된 자연산화막을 포함해 이물질을 제거하거나 균일성을 향상시킬 목적으로 NH4OH 또는 H2SO4용액 등의 화합물을 함께 사용하여 계면을 세정할 수도 있다.
그리고, 본 발명은 비정질 TaON 박막 증착 초기에 반응 가스인 NH3분위기에서 플라즈마를 이용하여 상기 하부전극 포면을 5분 이내에서 질화시킨 다음 동일한 가스 분위기에서 비정질의 TaON막을 증착할 수 있다.
또한, 비정질의 TaON박막을 증착하는 과정에서 막질을 개선하기 위해 Ta의 반응가스인 O2를 저압 화학기상증착 챔버의 온도, 압력 및 Ta 화학증기 주입량에 따라 5∼500sccm의 범위내에서 정량 공급할 수도 있다.
그리고, 상부 전극(34)을 형성하기전에 유전체박막(32)인 TaON의 막질을 개선하고 박막자체의 핀홀 또는 마이크로 크랙을 제거할 목적으로 TaON을 증착한 후에 O2내지 NO2분위기와 600℃이하의 온도조건에서 저온 어닐링 공정을 추가 실시할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 고유전체막으로서 TaON을 사용하기 때문에 유전율이 다른 유전체에 비하여 높고 구조적으로도 안정된 Ta-O-N 결합 구조를 갖고 있어 Ta2O5박막보다 안정하여 하부전극과의 산화반응성도 작아서 등가 산화막 두께를 더 낮출 수 있어 높은 용량을 확보할 수 있다.
그리고, TaON박막은 불안정한 화학양론비를 갖는 Ta2O5박막보다 구조적으로 안정된 결합 구조를 갖고 있기 때문에 NO 또는 Ta2O5유전체에 비해서 외부로부터인가되는 전기적 충격에도 강할 뿐만 아니라 절연파괴전압인 항복전압이 높고 누설전류도 낮다.
또한, 본 발명은 고유전체의 Ta2O5박막을 이용하는 커패시터에 비교해 볼 때 Ta2O5증착 공정 직전에 실시하는 급속열처리 공정과 증착 이후의 저온 산화 공정 및 고온 열처리 공정을 생략할 수 있어 제조 공정을 크게 단순화시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 반도체소자의 접합 영역과 연결된 하부 전극과 그 위의 상부전극 및 상기 전극들 사이에 내재된 고유전체 박막으로 이루어진 커패시터의 제조 공정에 있어서,
    반도체소자를 구비한 반도체기판 상부에 소자간 절연을 위한 층간절연막의 콘택홀을 통해서 반도체소자의 불순물 접합영역과 연결되며 도프트 폴리실리콘층으로 이루어진 하부전극을 형성하는 단계;
    상기 하부전극 형성 후 세정 공정을 실시하여 하부전극 표면의 자연산화막 및 파티클을 제거하거하는 단계;
    상기 하부전극 표면 세정후 Ta성분의 화학증기 Ta(OC2H5)5를 유량 조절기를 통해 정량 공급한 후 150∼200℃의 온도 범위에서 정온으로 유지되고 있는 증발기를 통해 증발시킨 후 응축을 방지하기 위해 150℃ 이상되는 공급관을 따라 저압 화학기상증착 챔버내로 주입하고 300∼600℃의 저압 화학기상증착 챔버내에서 Ta의 화학증기를 반응 가스인 NH3가스를 유량조절기를 통해 공급한 다음, 100torr이하의 분위기에 표면 화학반응를 유도하여 비정질 TaON막으로 이루어진 유전체박막을 100Å의 두께로 형성하는 단계;
    상기 TaON을 증착한 후에 O2내지 NO2분위기와 600℃이하의 온도조건에서 저온 어닐링 공정을 추가 실시하는 단계;및
    상기 비정질 TaON박막 상부면에 도프트 폴리실리콘층으로 이루어진 상부전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 TaON박막을 갖는 커패시터 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 Ta 화학증기를 포함한 반응 가스를 공급하는 공정은 저압 화학기상증착 챔버 상부에 장착된 샤워-헤드를 통해 웨이퍼 위에서 수직, 포물선을 그리며 또는 카운터 플로우 방식으로 균일하게 분사시키는 것을 특징으로 하는 TaON박막을 갖는 커패시터 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 저압 화학기상증착 챔버내에서 Ta의 화학증기를 반응 가스인 NH3가스를 유량조절기를 통해 공급시 O2가스를 저압화학기상증착 챔버의 온도, 압력 및 Ta 화학증기 주입량에 따라 5∼500sccm의 범위내에서 정량 공급하는 것을 특징으로 하는 TaON박막을 갖는 커패시터 제조방법.
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