KR100359785B1 - Semiconductor device and method for fabricating the same - Google Patents

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KR100359785B1 KR1020000008205A KR20000008205A KR100359785B1 KR 100359785 B1 KR100359785 B1 KR 100359785B1 KR 1020000008205 A KR1020000008205 A KR 1020000008205A KR 20000008205 A KR20000008205 A KR 20000008205A KR 100359785 B1 KR100359785 B1 KR 100359785B1
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Abstract

본 발명은 고유전막을 이용하는 고집적 반도체 소자에 있어서 하부전극과 플러그와의 반응을 방지하기 위한 베리어층의 산화를 방지하고 하부전극 식각에 따른 식각 프로파일(profile)을 개선시키기 위한 것으로, 본 발명의 반도체 소자는 반도체 기판과, 상기 기판상에 콘택홀을 갖고 형성되는 제 1 절연층과, 상기 콘택홀내에 차례로 적층된 플러그 및 베리어층과, 상기 제 1 절연층상에 소정 영역에 형성된 제 2 절연층과, 상기 제 2 절연층상에 선택적으로 형성된 상부전극과, 상기 상부전극 측면 및 상기 제 2 절연층상에 형성된 1차로 질소분위기에서 열처리한 후 2차로 산소 분위기에서 열처리된 강유전체 박막과, 상기 강유전체 박막상에 형성된 제 1 하부전극과, 상기 베리어층상에 형성되며 상기 제 1 하부전극과 일체형으로 형성되는 제 2 하부전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.The present invention is to prevent the oxidation of the barrier layer to prevent the reaction between the lower electrode and the plug in the high-density semiconductor device using a high-k dielectric film and to improve the etching profile according to the lower electrode etching, the semiconductor of the present invention The device includes a semiconductor substrate, a first insulating layer formed with a contact hole on the substrate, a plug and barrier layer sequentially stacked in the contact hole, a second insulating layer formed in a predetermined region on the first insulating layer; And an upper electrode selectively formed on the second insulating layer, a ferroelectric thin film heat-treated in a nitrogen atmosphere firstly formed on the upper electrode side surface and the second insulating layer, and secondly heat-treated in an oxygen atmosphere, and on the ferroelectric thin film. A first lower electrode formed on the barrier layer and a second lower electrode formed integrally with the first lower electrode; Characterized in that configured to include.

Description

반도체 소자 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}Semiconductor device and manufacturing method therefor {SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 고집적 셀에 적합한 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor devices, and more particularly, to semiconductor devices suitable for highly integrated cells and methods of manufacturing the same.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 반도체 소자 제조방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a semiconductor device manufacturing method according to the related art will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1a 내지 1d는 종래 기술에 따른 반도체 소자 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the prior art.

도 1a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(11)상에 실리콘 산화막(12)을 증착한 후, 사진식각 공정을 이용하여 상기 기판의 소정부위가 노출되는 콘택홀(13)을 형성한다.As illustrated in FIG. 1A, after the silicon oxide film 12 is deposited on the semiconductor substrate 11, a contact hole 13 through which a predetermined portion of the substrate is exposed is formed by using a photolithography process.

이어, 도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 콘택홀(13)내에 폴리실리콘으로 이루어진 플러그(14)와 베리어층(15)을 차례로 형성한다. 이때, 상기 베리어층(15)은 티타늄(Ti)(15a)과 티타늄나이트라이드(TiN)(15b)의 적층막이다.Subsequently, as shown in FIG. 1B, the plug 14 made of polysilicon and the barrier layer 15 are sequentially formed in the contact hole 13. At this time, the barrier layer 15 is a laminated film of titanium (Ti) 15a and titanium nitride (TiN) 15b.

도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 베리어층(15) 및 실리콘 산화막(12)을 포함한 전면에 하부전극 물질층을 형성한 후, 패터닝하여 스택(stact)형 하부전극(16)을 형성한다.As shown in FIG. 1C, a lower electrode material layer is formed on the entire surface including the barrier layer 15 and the silicon oxide layer 12, and then patterned to form a stack type lower electrode 16.

이어, 상기 하부전극(16)을 포함한 전면에 강유전체 물질 예를들어, BST(Ba:Sr:Ti)(17)를 형성한다. 이후, 고온의 산소분위기에서 열처리하여 상기 BST(17)를 결정화시킨다.Subsequently, a ferroelectric material, for example, BST (Ba: Sr: Ti) 17 is formed on the entire surface including the lower electrode 16. Thereafter, the BST 17 is crystallized by heat treatment in a high temperature oxygen atmosphere.

이어서, 도 1d에 도시한 바와 같이, 상기 BST(17)상에 상부전극물질을 형성한 후, 패터닝하여 상부전극(18)을 형성하면 종래 기술에 따른 반도체 소자 제조공정이 완료된다.Subsequently, as shown in FIG. 1D, after forming the upper electrode material on the BST 17 and patterning the upper electrode 18, the semiconductor device manufacturing process according to the related art is completed.

그러나 상기와 같은 종래 반도체 소자 제조방법은 강유전체 박막인 BST를 형성한 후, 결정화를 위한 고온열처리시 하부전극과 플러그와의 반응을 방지하기 위한 베리어층이 산화되어 원하는 커패시턴스(capacitance)를 얻을 수 없을뿐만 아니라 기판 전면에 걸쳐서 셀부분에만 전극이고 나머지 부분은 산화막으로 되어 있기 때문에 강유전체 박막의 조성변화를 유발할 수 있는 문제점이 있었다.However, in the conventional method of manufacturing a semiconductor device as described above, after forming the BST, which is a ferroelectric thin film, the barrier layer for preventing the reaction between the lower electrode and the plug is oxidized during the high temperature heat treatment for crystallization, so that a desired capacitance cannot be obtained. In addition, there is a problem that the composition of the ferroelectric thin film can be caused because the electrode only the cell portion and the remaining portion is an oxide film over the entire substrate.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 고유전막을 이용하는 고집적 반도체 소자에 있어서 하부전극과 플러그와의 반응을 방지하기 위한 베리어층의 산화를 방지하고 하부전극 식각에 따른 식각 프로파일(profile)을 개선시키는데 적당한 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, in the highly integrated semiconductor device using a high-k dielectric layer to prevent the oxidation of the barrier layer to prevent the reaction between the lower electrode and the plug and the etching according to the lower electrode etching It is an object of the present invention to provide a semiconductor device suitable for improving a profile and a method of manufacturing the same.

도 1a 내지 1d는 종래 기술에 따른 반도체 소자 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the related art.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 구조단면도2 is a structural cross-sectional view of a semiconductor device according to the present invention.

도 3a 내지 3i는 본 발명의 반도체 소자 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도3A to 3I are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

11,21 : 반도체 기판 22 : 제 1 절연층11, 21: semiconductor substrate 22: first insulating layer

13,23 : 플러그 15,24 : 베리어층13,23: plug 15,24: barrier layer

25,26,28 : 제 2, 제 3, 제 4 절연층25, 26, 28: second, third, fourth insulating layer

18,27a : 상부전극 30,31 : 제 1, 제 2 하부전극18,27a: upper electrode 30,31: first and second lower electrodes

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자는 반도체 기판과, 상기 기판상에 콘택홀을 갖고 형성되는 제 1 절연층과, 상기 콘택홀내에 차례로 적층된 플러그 및 베리어층과, 상기 제 1 절연층상에 소정 영역에 형성된 제 2 절연층과, 상기 제 2 절연층상에 선택적으로 형성된 상부전극과, 상기 상부전극 측면 및 상기 제 2 절연층상에 형성된 1차로 질소분위기에서 열처리한 후 2차로 산소 분위기에서 열처리된 강유전체 박막과, 상기 강유전체 박막상에 형성된 제 1 하부전극과, 상기 베리어층상에 형성되며 상기 제 1 하부전극과 일체형으로 형성되는 제 2 하부전극을 포함하여 구성된다.A semiconductor device of the present invention for achieving the above object is a semiconductor substrate, a first insulating layer formed with a contact hole on the substrate, a plug and barrier layer sequentially stacked in the contact hole, and the first insulation A second insulating layer formed in a predetermined region on the layer, an upper electrode selectively formed on the second insulating layer, and a first heat treatment in a first nitrogen atmosphere formed on the upper electrode side surface and the second insulating layer, and then in a second oxygen atmosphere. And a heat treated ferroelectric thin film, a first lower electrode formed on the ferroelectric thin film, and a second lower electrode formed on the barrier layer and integrally formed with the first lower electrode.

그리고 본 발명의 반도체 소자 제조방법은 반도체기판상에 콘택홀을 갖는 제 1 절연층을 형성하는 공정과, 상기 콘택홀내에 플러그와 베리어층을 차례로 형성하는 공정과, 상기 제 1 절연층 및 베리어층상에 제 2 절연층, 제 3 절연층을 전면 증착하고, 상기 제 3 절연층을 선택적으로 제거하여 제 3 절연층패턴을 형성하는 공정과, 상기 제 3 절연층패턴 사이에 상부전극을 형성하는 공정과, 상기 상부전극 및 제 3 절연층패턴 전면에 제 4 절연층을 형성하는 공정과, 상기 제 4 절연층을 상기 상부전극 외의 부분을 남기고 제거하고, 상기 제 3 절연층패턴을 제거하는 공정과, 상기 상부 전극 및 제 4 절연층을 포함한 제 2 절연층 전면에 강유전체 박막을 형성하는 공정과, 질소 분위기에서 1차 열처리하여 상기 강유전체 박막을 결정화시키는 공정과, 산소 분위기에서 2차 열처리하는 공정과, 상기 강유전체 박막의 측면에 제 1 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 제 1 하부전극을 마스크로 하여 상기 강유전체 박막을 제거하고 상기 베리어층이 노출되도록 상기 제 2 절연층을 제거하고 상기 제 4 절연층을 소정 두께 제거하는 공정과, 상기 베리어층상에 상기 제 1 하부전극과 일체형으로 이루어지는 제 2 하부전극을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진다.The semiconductor device manufacturing method of the present invention comprises the steps of forming a first insulating layer having a contact hole on a semiconductor substrate, sequentially forming a plug and a barrier layer in the contact hole, and forming a first insulating layer and a barrier layer on the semiconductor substrate. Depositing a second insulating layer and a third insulating layer on the entire surface, selectively removing the third insulating layer to form a third insulating layer pattern, and forming an upper electrode between the third insulating layer pattern Forming a fourth insulating layer over the upper electrode and the third insulating layer pattern, removing the fourth insulating layer leaving portions other than the upper electrode, and removing the third insulating layer pattern; Forming a ferroelectric thin film on the entire surface of the second insulating layer including the upper electrode and the fourth insulating layer, and performing a first heat treatment in a nitrogen atmosphere to crystallize the ferroelectric thin film; Performing a second heat treatment in the air, forming a first lower electrode on the side of the ferroelectric thin film, removing the ferroelectric thin film using the first lower electrode as a mask, and exposing the barrier layer to expose the barrier layer. Removing the layer and removing the fourth insulating layer by a predetermined thickness; and forming a second lower electrode integral with the first lower electrode on the barrier layer.

이하, 본 발명에 따른 반도체 소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, 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 반도체 소자의 구조단면도이다.2 is a structural cross-sectional view of a semiconductor device according to the present invention.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 반도체 소자는 반도체 기판(21), 상기 기판상에 콘택홀을 갖는 제 1 절연층(22), 상기 콘택홀내에 차례로 형성된 플러그(23) 및 베리어층(24)과, 상기 제 1 절연층(22)상에 형성된 제 2 절연층패턴(25a)과, 상기 제 2 절연층패턴(25a)상에 선택적으로 형성된 상부전극(27a) 및 제 4 절연층패턴(28a)과, 상기 상부전극(27a) 및 제 4 절연층패턴(28a)의 측면에 형성된 강유전체 박막(29b)과, 상기 강유전체 박막(29b)상에 형성된 제 1 하부전극(30)과, 상기 베리어층(24)상에 형성되며 상기 제 1 하부전극(30)과 일체형으로 형성되는 제 2 하부전극(31)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, the semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate 21, a first insulating layer 22 having a contact hole on the substrate, a plug 23 and a barrier layer sequentially formed in the contact hole. 24, a second insulating layer pattern 25a formed on the first insulating layer 22, and an upper electrode 27a and a fourth insulating layer pattern selectively formed on the second insulating layer pattern 25a. (28a), the ferroelectric thin film 29b formed on the side surfaces of the upper electrode 27a and the fourth insulating layer pattern 28a, the first lower electrode 30 formed on the ferroelectric thin film 29b, and And a second lower electrode 31 formed on the barrier layer 24 and integrally formed with the first lower electrode 30.

여기서, 상기 베리어층(24)은 Ti(24a)/TiN(24b)의 적층막으로 구성되고, 상기 TiN 대신에 TiSiN 또는 TiAlN와 같은 3원계 나이트라이드 물질을 사용하는 것이가능하다.Here, the barrier layer 24 is composed of a laminated film of Ti (24a) / TiN (24b), it is possible to use a ternary nitride material such as TiSiN or TiAlN instead of the TiN.

또한, 상기 상부전극과 상기 제 1, 제 2 하부전극의 물질은 Pt, Ru, RuOx, IrOx 중 어느 하나를 이용한다.The material of the upper electrode and the first and second lower electrodes may be any one of Pt, Ru, RuOx, and IrOx.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 반도체 소자 제조방법을 도 3a 내지 3i를 참조하여 설명하기로 한다.상기 제 4 절연층패턴(28a)이 제 2 절연층패턴(25a) 이후 바로 기술되는 이유는 공정 중에 제 3 절연층이 모두 제거되기 때문이다. 이러한 사항에 대해서는 이하 반도체 소자의 제조방법에서 기수한다.A method of manufacturing a semiconductor device of the present invention configured as described above will be described with reference to FIGS. 3A to 3I. The reason why the fourth insulating layer pattern 28a is described immediately after the second insulating layer pattern 25a is because of the process. This is because all of the third insulating layers are removed. Such matters are referred to in the following method for manufacturing a semiconductor device.

도 3a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(21)상에 제 1 절연층(22)을 형성하고, 상기 기판의 소정부분이 노출되도록 콘택홀을 형성한다. 이후, 콘택홀내에 플러그(23) 및 베리어층(24)을 차례로 형성한다.As shown in FIG. 3A, a first insulating layer 22 is formed on the semiconductor substrate 21, and contact holes are formed to expose a predetermined portion of the substrate. Thereafter, the plug 23 and the barrier layer 24 are sequentially formed in the contact hole.

이때, 상기 플러그(23)는 폴리실리콘이며, 베리어층(24)은 티타늄(Ti)(24a)/티타늄나이트라이드(TiN)(24b)의 적층막이다.At this time, the plug 23 is made of polysilicon, and the barrier layer 24 is a laminated film of titanium (Ti) 24a / titanium nitride (TiN) 24b.

여기서, 상기 베리어층은 폴리실리콘과 이후 공정에서 형성될 하부전극과의 반응을 방지하기 위한 것으로, TiN 등의 2원계 나이트라이드(nitride) 계열의 물질을 사용하나, 내산화성을 높이기 위해서는 TiSiN 또는 TiAlN 등과 같은 3원계 나이트라이드 계열의 물질을 사용할 수 있다.Here, the barrier layer is to prevent the reaction between the polysilicon and the lower electrode to be formed in a later process, using a binary nitride-based material such as TiN, but to increase the oxidation resistance TiSiN or TiAlN Ternary nitride-based materials such as the like may be used.

이어, 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 전면에 평탄화한 후, 제 2 절연층(25)과 제 3 절연층(26)을 차례로 형성한다. 여기서, 제 2 절연층(25)은 실리콘 질화막이고, 제 3 절연층(26)은 실리콘 산화막이다.Subsequently, as shown in FIG. 3B, after planarizing the entire surface, the second insulating layer 25 and the third insulating layer 26 are sequentially formed. Here, the second insulating layer 25 is a silicon nitride film, and the third insulating layer 26 is a silicon oxide film.

상기 제 2 절연층(25)은 100~200Å의 두께로 증착하며 상기 제 3 절연층(26)을 식각할 때 하부층을 보호하기 위한 기능과 함께 이후에 형성된 강유전체 박막의 증착 및 열처리 후 발생하는 하부전극 베리어층의 산화를 방지하기 위한 기능을 갖는다.The second insulating layer 25 is deposited to a thickness of 100 ~ 200Å and the lower portion generated after the deposition and heat treatment of the ferroelectric thin film formed thereafter, together with the function to protect the lower layer when etching the third insulating layer 26 It has a function to prevent oxidation of the electrode barrier layer.

도 3c에 도시한 바와 같이, 제 3 절연층(26)을 선택적으로 식각하여 상부전극이 형성될 영역을 정의하는 제 3 절연층패턴(26a)을 형성한다.As shown in FIG. 3C, the third insulating layer 26 is selectively etched to form a third insulating layer pattern 26a defining a region in which the upper electrode is to be formed.

이 때, 전극물질을 증착한 후 식각하여 전극을 형성하지 않고 절연층으로 전극이 형성될 영역을 정의한 다음에 전극을 형성하는 이유는 전극물질인 Pt, Ru, Ir등을 식각할 경우 전극이 경사지게 형성되어 고집적 셀에 적용하는데 한계가 있기 때문이다. 즉, 식각 프로파일이 거의 수직하게 나타나는 실리콘 산화막으로 전극 형성 영역을 정의한 후 거의 직각 형태를 전극을 얻기 위함이다.At this time, the electrode material is deposited and then etched to define the region where the electrode is to be formed as an insulating layer instead of forming the electrode, and then the electrode is formed when the electrode material Pt, Ru, Ir, etc. is etched. This is because there is a limit to the formation and application to highly integrated cells. That is, after the electrode formation region is defined by the silicon oxide film in which the etching profile is almost vertical, the electrode is formed in a substantially right angle.

또 다른 이유는 웨이퍼에서 셀 부분을 제외한 모든 면적이 동일한 한가지 물질로 이루어지도록 함으로써, 강유전체 박막의 조성비 변화를 방지하기 위함이다.Another reason is to prevent a change in the composition ratio of the ferroelectric thin film by allowing all areas of the wafer except for the cell portion to be made of the same material.

이어, 상부전극 물질(27)을 화학기상증착법(CVD)으로 형성한다. 이때, 상부전극 물질로서는 Pt, Ru, RuOx, IrOx등과 같이 일함수(Work function)가 큰 물질들을 사용하여 좋은 리키지 커런트(leakage current)특성을 얻을 수 있다.The upper electrode material 27 is then formed by chemical vapor deposition (CVD). In this case, good leakage current characteristics can be obtained by using materials having a large work function such as Pt, Ru, RuOx, IrOx, and the like as the upper electrode material.

이후, 도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 에치백(etchback) 또는 CMP(chemical Mechanical polishing) 공정을 통해 상부전극(27a)을 형성한다. 이때 상부전극(27a)의 높이는 5000Å이상이 되도록 조절한다. 이는 고집적 셀에서 원하는 커패시턴스를 확보하기 위함이다.Thereafter, as illustrated in FIG. 3D, the upper electrode 27a is formed through the etchback or chemical mechanical polishing (CMP) process. At this time, the height of the upper electrode (27a) is adjusted to 5000 or more. This is to ensure the desired capacitance in the highly integrated cell.

이어, 상기 상부전극(27a) 및 제 3 절연층패턴(26a)상에 제 4 절연층(28)을 형성한다.이때, 제 4 절연층(28)은 실리콘 질화막이며 상기 실리콘 질화막을 형성하는 이유는 첫째, 이웃하는 상부전극 사이의 제 3 절연층패턴(26a)을 제거할 때 상부전극(27a)을 보호하기 위한 것이며, 그 두께는 상기 제 2 절연층(25)에 비해 최소한 2배의 두께로 형성한다. 둘째, 강유전체 박막과 하부전극 물질 증착 후, 하부전극을 형성하기 위한 식각 공정시, 상부전극(27a)과 하부전극이 동시에 노출되어 식각되어진 전극물질이 재증착(Re-deposition)이 발생하게 되는데, 이럴 경우, 전기적으로 도통되어 커패시터로서 역할을 할 수 없게 되므로 이 문제를 해결하기 위해 실리콘 질화막을 미리 형성하여 강유전체 박막과 하부전극 물질 증착 후, 식각공정시 상부전극(27a)이 노출되지 않도록 하기 위함이다.Subsequently, a fourth insulating layer 28 is formed on the upper electrode 27a and the third insulating layer pattern 26a. At this time, the fourth insulating layer 28 is a silicon nitride film and the reason for forming the silicon nitride film. First, to protect the upper electrode 27a when removing the third insulating layer pattern 26a between neighboring upper electrodes, its thickness is at least twice as thick as that of the second insulating layer 25. To form. Second, after the deposition of the ferroelectric thin film and the lower electrode material, during the etching process for forming the lower electrode, the upper electrode 27a and the lower electrode are simultaneously exposed to cause redeposition of the etched electrode material. In this case, since it is electrically conductive and cannot function as a capacitor, a silicon nitride film is formed in advance to solve this problem, so that the upper electrode 27a is not exposed during the etching process after the ferroelectric thin film and the lower electrode material are deposited. to be.

이어, 도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 제 4 절연층(28)을 상부전극(27a)상의 부분만이 남도록 제 4 절연층패턴(28a)으로 형성한 후, 상기 제 4 절연층패턴(28a)을 마스크로 제 2 절연층(25)의 표면이 노출되도록 제 3 절연층패턴(26a)을 식각한다.Subsequently, as shown in FIG. 3E, the fourth insulating layer 28 is formed of the fourth insulating layer pattern 28a so that only a portion on the upper electrode 27a remains, and then the fourth insulating layer pattern 28a is formed. The third insulating layer pattern 26a is etched to expose the surface of the second insulating layer 25 using the mask.

그리고 전면에 강유전체 물질로서 예컨대, BST를 CVD법으로 증착한다. 이후, 700~800℃의 고온의 질소분위기에서 열처리를 실시하여 BST박막을 결정화시킨다. 그리고 결정화 과정에서 BST표면으로부터 빠져나간 산소를 공급하기 위해서 350~450℃의 산소분위기에서 열처리한다.Then, for example, BST is deposited on the front surface as a ferroelectric material by CVD. Thereafter, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere of 700 to 800 ° C. to crystallize the BST thin film. And in order to supply oxygen escaped from the BST surface during the crystallization process, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere of 350 ~ 450 ℃.

따라서, 최적의 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 갖는 강유전체 박막(29)을 형성한다.Thus, the ferroelectric thin film 29 having an optimal Perovskite structure is formed.

여기서, 상기 상기 열처리 단계는 강유전체 물질을 증착한 후, 1단계로 700~800℃의 고온의 질소분위기에서 열처리하고 2단계로 350~450℃의 저온의 산소분위기에서 열처리하는 실시예 이외에 상기 1단계는 강유전체 물질을 증착한 후, 실시하고 상기 2단계는 커패시터전극을 완성한 후 실시하는 것이 가능하다.Here, the heat treatment step is a step of depositing a ferroelectric material, in the first step in addition to the heat treatment in a high temperature nitrogen atmosphere of 700 ~ 800 ℃ and heat treatment in a low temperature oxygen atmosphere of 350 ~ 450 ℃ in the first step After the ferroelectric material is deposited, the second step may be performed after completing the capacitor electrode.

그리고 상기 산소분위기에서 열처리하는 방법 대신에 저온에서 N2O 플라즈마 처리하는 것이 가능하다.Instead of the heat treatment in the oxygen atmosphere, it is possible to perform N 2 O plasma treatment at low temperature.

도 3f에 도시한 바와 같이, 상기 강유전체 박막(29)상에 제 1 하부전극 물질층을 형성한 후, 이방성 식각을 통해 수직방향의 강유전체 박막(29)의 측면에만 제 1 하부전극(30)을 형성한다. 여기서, 상기 제 1 하부전극 물질층은 상기 상부전극 물질과 동일한 물질을 사용한다.As shown in FIG. 3F, after the first lower electrode material layer is formed on the ferroelectric thin film 29, the first lower electrode 30 is formed only on the side surface of the ferroelectric thin film 29 in the vertical direction through anisotropic etching. Form. Here, the first lower electrode material layer uses the same material as the upper electrode material.

도 3g에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 하부전극(30)을 마스크로 하여 식각 공정을 진행하여 상기 제 4 절연층패턴(28a) 및 상부전극(27a)의 측면과 상기 제 1 하부전극(30) 하부의 강유전체 박막(29a)만을 남긴다. 이 때, 상기 상부전극(27a)상에는 제 4 절연층패턴(28a)이 형성되어 있기 때문에, 상기와 같은 강유전체 박막(29a)이 형성되는 동안 상부전극(27a)이 노출되어 식각되는 일은 발생하지 않는다. 이는 상부전극이 식각되어 하부전극에 재증착되는 리-옥시데이션(reoxidation) 현상이 일어나지 않음을 의미한다.도 3h에 도시한 바와 같이, 연속하여 상기 강유전체 박막(29a)을 마스크로 하여 노출되어 있는 제 2 절연층(25)을 제거하여 제 2 절연층패턴(25a)을 형성한다.이러한 공정 중에 상기 플러그(23) 상부의 티타늄나이트라이드층(24b)을 노출되며, 상기 제 4 절연층패턴(28a)이 소정 두께 식각되어 형상의 28b이 되며, 상기 강유전체 박막(29a) 또한, 상기 제 2 절연층패턴(28a)과 동일 두께로 식각되어 29b가 된다.As shown in FIG. 3G, an etching process is performed using the first lower electrode 30 as a mask to form side surfaces of the fourth insulating layer pattern 28a and the upper electrode 27a and the first lower electrode 30. Only the ferroelectric thin film 29a below is left. At this time, since the fourth insulating layer pattern 28a is formed on the upper electrode 27a, the upper electrode 27a is not exposed and etched while the ferroelectric thin film 29a is formed. . This means that the re-oxidation phenomenon in which the upper electrode is etched and redeposited on the lower electrode does not occur. As shown in FIG. 3H, the ferroelectric thin film 29a is continuously exposed as a mask. The second insulating layer 25 is removed to form a second insulating layer pattern 25a. During this process, the titanium nitride layer 24b over the plug 23 is exposed and the fourth insulating layer pattern ( 28a) is etched to a predetermined thickness to form 28b, and the ferroelectric thin film 29a is also etched to the same thickness as the second insulating layer pattern 28a to form 29b.

도 3i에 도시한 바와 같이, 상기 노출된 티타늄나이트라이드층(24b)을 포함한 전면에 제 2 하부전극 물질층을 형성한 후, 에치백 또는 CMP공정을 이용하여 제 2 하부전극(31)을 형성하면 본 발명에 따른 반도체 소자 제조공정이 완료된다. 이때, 상기 제 2 하부전극(31)은 제 1 하부전극(30)과 전기적으로 연결됨과 동시에 베리어층(24)의 티타늄나이트라이드층(24b)과도 연결된다.As shown in FIG. 3I, after forming the second lower electrode material layer on the entire surface including the exposed titanium nitride layer 24b, the second lower electrode 31 is formed using an etch back or CMP process. Then, the semiconductor device manufacturing process according to the present invention is completed. In this case, the second lower electrode 31 is electrically connected to the first lower electrode 30 and also to the titanium nitride layer 24b of the barrier layer 24.

이상 상술한 바와같이, 본 발명의 반도체 소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the semiconductor device of the present invention and the manufacturing method thereof have the following effects.

첫째, 셀 사이즈가 작아지고 종횡비가 커짐에 따라 가장 중요한 공정중의 하나인 전극의 식각 프로파일을 개선시킬 수 있다. 즉, 노블(noble)메탈을 이용하여 전극을 형성할 때, 식각후 전극이 경사를 가짐으로인해 매우 작은 셀 사이즈에 적용하는데 한계가 있었으나, 실리콘 산화막을 증착한 후 패터닝하고 CVD공정을 이용하여 전극물질을 채워넣기 때문에 경사가 없는 전극을 형성할 수 있다.First, as the cell size decreases and the aspect ratio increases, the etching profile of the electrode, which is one of the most important processes, can be improved. That is, when forming the electrode using a noble metal, there was a limit to apply to a very small cell size due to the inclination of the electrode after etching, but after depositing the silicon oxide film is patterned and electrode using a CVD process Filling the material allows the formation of electrodes without slopes.

둘째, 강유전체 박막 증착 및 열처리시 발생할 수 있는 하부전극 베리어층의 산화를 방지할 수 있다. 즉, 하부전극 베리어층은 하부전극과 폴리실리콘 플러그의 반응을 방지하기 위해 사용하는 것인데, 이 베리어층이 강유전체 박막 증착 후, 특성향상을 위한 고온 열처리시 산화되어 원하는 커패시턴스를 얻을 수 없었으나, 실리콘 질화막을 증착한 후 강유전체 박막을 증착하여 산소분위기에서 열처리하더라도 실리콘 질화막이 블록킹층으로 작용하여 베리어층의 산화를 방지할 수 있다.Second, it is possible to prevent the oxidation of the lower electrode barrier layer that may occur during ferroelectric thin film deposition and heat treatment. That is, the lower electrode barrier layer is used to prevent the reaction between the lower electrode and the polysilicon plug. The barrier layer is oxidized during the high temperature heat treatment to improve the characteristics after deposition of the ferroelectric thin film, but the desired capacitance cannot be obtained. Even after the nitride film is deposited and the ferroelectric thin film is deposited and heat treated in an oxygen atmosphere, the silicon nitride film serves as a blocking layer to prevent oxidation of the barrier layer.

셋째, 강유전체 박막의 결정화를 위한 고온 열처리와 리키지 커런트 특성을 향상시키기 위한 저온 열처리의 2스텝으로 진행하여 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Third, the reliability of the device can be improved by proceeding to two steps of the high temperature heat treatment for crystallization of the ferroelectric thin film and the low temperature heat treatment to improve the liquid current characteristics.

넷째, 강유전체 박막 증착에 따른 조성의 변화를 방지하여 균일한 조성을 갖는 강유전체 박막을 형성함으로서 커패시터의 유전특성을 향상시킬 수 있다.Fourth, the dielectric properties of the capacitor may be improved by forming a ferroelectric thin film having a uniform composition by preventing a change in composition due to the deposition of the ferroelectric thin film.

Claims (9)

반도체 기판;Semiconductor substrates; 상기 기판상에 콘택홀을 갖고 형성되는 제 1 절연층;A first insulating layer formed on the substrate with contact holes; 상기 콘택홀내에 차례로 적층된 플러그 및 베리어층;A plug and a barrier layer sequentially stacked in the contact hole; 상기 제 1 절연층상에 소정 영역에 형성된 제 2 절연층;A second insulating layer formed in a predetermined region on the first insulating layer; 상기 제 2 절연층상에 선택적으로 형성된 상부전극;An upper electrode selectively formed on the second insulating layer; 상기 상부전극 측면 및 상기 제 2 절연층상에 형성된 1차로 질소분위기에서 열처리한 후 2차로 산소 분위기에서 열처리된 강유전체 박막;A ferroelectric thin film heat-treated in an oxygen atmosphere after the first heat treatment in the nitrogen atmosphere formed on the upper electrode side and the second insulating layer; 상기 강유전체 박막상에 형성된 제 1 하부전극;A first lower electrode formed on the ferroelectric thin film; 상기 베리어층상에 형성되며 상기 제 1 하부전극과 일체형으로 형성되는 제 2 하부전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.And a second lower electrode formed on the barrier layer and integrally formed with the first lower electrode. 제 1 항에 있어서, 상기 베리어층은 Ti/TiN의 적층막 또는 Ti/TiSiN 또는 Ti/TiAlN 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The semiconductor device according to claim 1, wherein the barrier layer uses one of Ti / TiN laminated films or Ti / TiSiN or Ti / TiAlN. 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극과 상기 제 1, 제 2 하부전극의 물질은 Pt, Ru, RuOx, IrOx 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The semiconductor device of claim 1, wherein a material of the upper electrode and the first and second lower electrodes is any one of Pt, Ru, RuOx, and IrOx. 반도체기판상에 콘택홀을 갖는 제 1 절연층을 형성하는 공정;Forming a first insulating layer having a contact hole on the semiconductor substrate; 상기 콘택홀내에 플러그와 베리어층을 차례로 형성하는 공정;Sequentially forming a plug and a barrier layer in the contact hole; 상기 제 1 절연층 및 베리어층상에 제 2 절연층, 제 3 절연층을 전면 증착하고, 상기 제 3 절연층을 선택적으로 제거하여 제 3 절연층패턴을 형성하는 공정;Forming a third insulating layer pattern by depositing a second insulating layer and a third insulating layer on the first insulating layer and the barrier layer, and selectively removing the third insulating layer; 상기 제 3 절연층패턴 사이에 상부전극을 형성하는 공정;Forming an upper electrode between the third insulating layer patterns; 상기 상부전극 및 제 3 절연층패턴 전면에 제 4 절연층을 형성하는 공정;Forming a fourth insulating layer over the upper electrode and the third insulating layer pattern; 상기 제 4 절연층을 상기 상부전극 외의 부분을 남기고 제거하고, 상기 제 3 절연층패턴을 제거하는 공정;Removing the fourth insulating layer leaving portions other than the upper electrode, and removing the third insulating layer pattern; 상기 상부 전극 및 제 4 절연층을 포함한 제 2 절연층 전면에 강유전체 박막을 형성하는 공정;Forming a ferroelectric thin film on the entire surface of the second insulating layer including the upper electrode and the fourth insulating layer; 질소 분위기에서 1차 열처리하여 상기 강유전체 박막을 결정화시키는 공정;First heat treating in a nitrogen atmosphere to crystallize the ferroelectric thin film; 산소 분위기에서 2차 열처리하는 공정;Secondary heat treatment in an oxygen atmosphere; 상기 강유전체 박막의 측면에 제 1 하부전극을 형성하는 공정;Forming a first lower electrode on a side of the ferroelectric thin film; 상기 제 1 하부전극을 마스크로 하여 상기 강유전체 박막을 제거하고 상기 베리어층이 노출되도록 상기 제 2 절연층을 제거하고 상기 제 4 절연층을 소정 두께 제거하는 공정;Removing the ferroelectric thin film using the first lower electrode as a mask, removing the second insulating layer so that the barrier layer is exposed, and removing the fourth insulating layer by a predetermined thickness; 상기 베리어층상에 상기 제 1 하부전극과 일체형으로 이루어지는 제 2 하부전극을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.And forming a second lower electrode integral with the first lower electrode on the barrier layer. 제 4 항에 있어서, 상기 질소 분위기에서 열처리시 열처리 온도는 700~800℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.The method of claim 4, wherein the heat treatment temperature is 700 to 800 ° C. during the heat treatment in the nitrogen atmosphere. 제 4 항에 있어서, 상기 산소 분위기에서 열처리시 열처리 온도는 350~450℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.The method of claim 4, wherein the heat treatment temperature is performed at 350 ° C. to 450 ° C. during the heat treatment in the oxygen atmosphere. 제 4 항에 있어서, 상기 2차 열처리는 N2O 분위기에서 실시하는 것을 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.The method of claim 4, wherein the secondary heat treatment is performed in an N 2 O atmosphere. 반도체기판상에 콘택홀을 갖는 제 1 절연층을 형성하는 공정;Forming a first insulating layer having a contact hole on the semiconductor substrate; 상기 콘택홀내에 플러그와 베리어층을 차례로 형성하는 공정;Sequentially forming a plug and a barrier layer in the contact hole; 상기 제 1 절연층 및 베리어층상에 제 2 절연층, 제 3 절연층을 전면 증착하고, 상기 제 3 절연층을 선택적으로 제거하여 제 3 절연층패턴을 형성하는 공정;Forming a third insulating layer pattern by depositing a second insulating layer and a third insulating layer on the first insulating layer and the barrier layer, and selectively removing the third insulating layer; 상기 제 3 절연층패턴 사이에 상부전극을 형성하는 공정;Forming an upper electrode between the third insulating layer patterns; 상기 상부전극 및 제 3 절연층패턴 전면에 제 4 절연층을 형성하는 공정;Forming a fourth insulating layer over the upper electrode and the third insulating layer pattern; 상기 제 4 절연층을 상기 상부전극 외의 부분을 남기고 제거하고, 상기 제 3 절연층패턴을 제거하는 공정;Removing the fourth insulating layer leaving portions other than the upper electrode, and removing the third insulating layer pattern; 상기 상부 전극 및 제 4 절연층을 포함한 제 2 절연층 전면에 강유전체 박막을 형성하는 공정;Forming a ferroelectric thin film on the entire surface of the second insulating layer including the upper electrode and the fourth insulating layer; 질소 분위기에서 1차 열처리하여 상기 강유전체 박막을 결정화시키는 공정;First heat treating in a nitrogen atmosphere to crystallize the ferroelectric thin film; 상기 강유전체 박막의 측면에 제 1 하부전극을 형성하는 공정;Forming a first lower electrode on a side of the ferroelectric thin film; 상기 제 1 하부전극을 마스크로 하여 상기 강유전체 박막을 제거하고 상기 베리어층이 노출되도록 상기 제 2 절연층을 제거하고 상기 제 4 절연층을 소정 두께 제거하는 공정;Removing the ferroelectric thin film using the first lower electrode as a mask, removing the second insulating layer so that the barrier layer is exposed, and removing the fourth insulating layer by a predetermined thickness; 상기 베리어층상에 상기 제 1 하부전극과 일체형으로 이루어지는 제 2 하부전극을 형성하는 공정;Forming a second lower electrode integral with the first lower electrode on the barrier layer; 산소 분위기에서 2차 열처리하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.A semiconductor device manufacturing method comprising the step of performing a second heat treatment in an oxygen atmosphere. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1, 제 3 절연층은 실리콘 산화막을 이용하고 상기 제 2 절연층과 제 4 절연층은 실리콘 질화막을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.The method of claim 4, wherein the first and third insulating layers use a silicon oxide film, and the second and fourth insulating layers use a silicon nitride film.
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