KR100383771B1 - Method of manufacturing a capacitor in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것으로, 저온도에서 고농도와 고에너지의 활성화된 산소를 얻을 수 있는 H2O2와 H2O가 소정 비율로 혼합된 증기가스를 ALD 프로세스의 반응가스로 사용함으로써, β- 디케토네이트계열의 Ba, Sr의 소스가스의 ALD 프로세스 온도를 Ti의 소스가스의 ALD 프로세스 온도로 낮출 수 있어 ALD를 이용한 BST의 제조 공정을 개선할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 제시함에 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device, the reaction gas of the ALD process is a mixture of H 2 O 2 and H 2 O in a predetermined ratio to obtain a high concentration and high energy activated oxygen at a low temperature By using this method, the ALD process temperature of the source gas of Ba and Sr of the β-diketonate series can be lowered to the ALD process temperature of the source gas of Ti, so that the semiconductor device capacitor can improve the manufacturing process of BST using ALD. In presenting the manufacturing method.
Description
본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 소정의 온도에서 고농도와 고에너지의 활성화된 산소를 얻을 수 있는 H2O2와 H2O가 소정 비율로 혼합된 증기가스를 ALD 프로세스의 반응가스로 사용함으로써, β- 디케토네이트(diketonate)계열의 Ba, Sr의 소스가스의 ALD 프로세스 온도를 Ti의 소스가스의 ALD 프로세스 온도로 낮출 수 있어 ALD를 이용한 BST의 제조 공정을 개선할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device, and more particularly, to an ALD process for a vapor gas containing H 2 O 2 and H 2 O mixed at a predetermined ratio to obtain high concentration and high energy activated oxygen at a predetermined temperature. By using as a reaction gas, the ALD process temperature of the source gas of Ba and Sr of β-diketonate series can be lowered to the ALD process temperature of the source gas of Ti, thereby improving the manufacturing process of BST using ALD. The present invention relates to a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device.
최근, 0.10㎛ 이하 디자인 룰(design rule)을 가지는 고집적 DRAM의 캐패시터는 미세 선폭을 구현하기 위한 고단차 캐패시터 구조를 형성하기 위해 BST 유전체막의 스텝 커버리지(step coverage) 특성과 조성 균일도를 향상시킬 수 있는 ALD(Atomic Layer Deposition) 증착 방법의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, capacitors of highly integrated DRAMs having a design rule of 0.10 μm or less can improve step coverage characteristics and composition uniformity of BST dielectric films to form a high stepped capacitor structure for realizing fine line width. Research on the development of ALD (Atomic Layer Deposition) deposition method is being actively conducted.
통상, ALD를 이용한 BST 유전체막의 증착공정에 사용되는 선구물질로는 Ba, Sr 및 Ti가 널리 사용된다. 그러나, Ba 및 Sr 선구물질과 Ti 선구물질은 각각의 물성적특성에 의해 소정 온도에 따라 서로 다른 특성이 나타나게 된다. 이로 인해, ALD 프로세스를 행하는 과정에서 많은 어려움이 도출된다.Generally, Ba, Sr, and Ti are widely used as precursors for the deposition process of BST dielectric films using ALD. However, the Ba and Sr precursors and the Ti precursors have different properties depending on the predetermined temperature due to their physical properties. This leads to many difficulties in the process of performing the ALD process.
이를 상세히 하면, Ba, Sr 선구물질로 사용되는 β- 디케토네이트(diketonate)계열은 300℃ 이하의 저온에서 O2나 H2O와 반응하지 않아 ALD 프로세스가 이루어지지 않는다. 이에 반해, Ti 선구물질로 사용되는 Ti(OC3H7)4는 150~300℃ 범위에서 O2나 H2O와 반응하여 ALD 프로세스가 이루어진다. 그러나, Ti 선구물질은 300℃ 사이에서 열에너지에 의한 자기분해(self-decomposition)가 이루어져 CVD 프로세스가 일어나게 된다.In detail, the β-diketonate series used as a precursor of Ba and Sr does not react with O 2 or H 2 O at a low temperature of 300 ° C. or lower, thereby preventing the ALD process. In contrast, Ti (OC 3 H 7 ) 4, which is used as a Ti precursor, reacts with O 2 or H 2 O in the range of 150 to 300 ° C. to perform the ALD process. However, Ti precursors undergo self-decomposition by thermal energy between 300 ° C., resulting in a CVD process.
따라서, Ba 및 Sr 선구물질의 저온 반응을 위해 O2및 N2O와 같은 산화 가스(oxidant gas)를 원격 플라즈마(remote plasma)로 여기 시켜 사용할 수 있지만, 원격 플라즈마는 효율이 떨어져 개선의 여지가 거의 없을 뿐만 아니라 ALD 공정 장비가 복잡해지는 단점이 있다.Therefore, oxidant gases such as O 2 and N 2 O can be excited by a remote plasma for low temperature reaction of Ba and Sr precursors, but the remote plasma is less efficient and has room for improvement. In addition to the few, the ALD process equipment is complicated.
따라서, 본 발명은 ALD를 이용한 BST 유전체막의 증착공정에 사용되는 선구물질의 서로 다른 물성적특성에 의한 ALD 프로세스의 어려움을 개선하기 위한 반도체 소자의 제조 방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device for improving the difficulty of the ALD process due to the different physical properties of the precursor used in the deposition process of the BST dielectric film using the ALD.
본 발명의 또 다른 목적은 저온도에서 고농도와 고에너지의 활성된 산소를 얻을 수 있는 H2O2와 H2O가 소정 비율로 혼합된 증기가스를 ALD 프로세스의 반응가스로 사용함으로써, β- 디케토네이트(diketonate)계열의 Ba, Sr의 소스가스의 ALD 프로세스 온도를 Ti의 소스가스의 ALD 프로세스 온도를 낮출 수 있어 ALD를 이용한BST의 제조 공정을 개선할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to use a vapor gas mixed with H 2 O 2 and H 2 O in a predetermined ratio, which can obtain high concentration and high energy of activated oxygen at low temperature, as a reaction gas of the ALD process. The ALD process temperature of the source gas of Ba and Sr of diketonate series can be lowered and the ALD process temperature of the source gas of Ti can be lowered, thereby providing a method of manufacturing a semiconductor device that can improve the manufacturing process of BST using ALD. Is in.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 반도체 소자의 단면도.1 (a) to 1 (c) are cross-sectional views of semiconductor devices sequentially shown to explain a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 반응기에 주입되는 가스의 횟수를 도시한 도면.Figure 2 shows the number of gases injected into the reactor in accordance with an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 반도체 기판 2 : 층간절연층1 semiconductor substrate 2 interlayer insulating layer
3 : 다결정실리콘 4 : 오믹콘택층3: polycrystalline silicon 4: ohmic contact layer
5 : 확산방지막 6 : 콘택플러그5: diffusion barrier 6: contact plug
7 : 패턴층 8 : 하부전극7: pattern layer 8: lower electrode
9 : (Ba,Sr)O 10 : TiO2 9: (Ba, Sr) O 10: TiO 2
11 : 유전체막 12 : 상부전극11 dielectric film 12 upper electrode
본 발명은 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 절연막을 형성한 후, 상기 절연막의 소정 영역을 식각하여 상기 반도체 기판의 소정 영역을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계와; 상기 콘택홀을 메우도록 콘택플러그를 형성하는 단계와; 상기 콘택플러그 상부에 하부전극을 형성하는 단계와; 상기 하부전극을 포함한 전체 구조 상부에 H2O2와 H2O가 소정 비율로 혼합된 반응가스를 이용하여 유전체막을 형성하는 단계와; 상기 유전체막 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다.The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming an insulating layer on an upper surface of a semiconductor substrate on which a predetermined structure is formed, and then forming a contact hole for etching a predetermined region of the insulating layer to expose a predetermined region of the semiconductor substrate; Forming a contact plug to fill the contact hole; Forming a lower electrode on the contact plug; Forming a dielectric film on the entire structure including the lower electrode by using a reaction gas in which H 2 O 2 and H 2 O are mixed at a predetermined ratio; Forming an upper electrode on the dielectric layer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 반도체 소자의 단면도이다.1 (a) to 1 (c) are cross-sectional views of semiconductor devices sequentially shown to explain a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 1(a)를 참조하면, 우선 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(1) 상부에 층간절연층(2)이 형성된다. 층간절연층(2)은 반도체 기판(1)의 소정 부분이 노출되도록 패터닝되어 자신의 소정 부위에 콘택홀이 형성된다. 이후, 콘택홀을 메우도록 콘택플러그(6)가 형성된다.Referring to FIG. 1A, an interlayer insulating layer 2 is first formed on a semiconductor substrate 1 on which a predetermined structure is formed. The interlayer insulating layer 2 is patterned so that a predetermined portion of the semiconductor substrate 1 is exposed so that contact holes are formed in a predetermined portion thereof. Thereafter, a contact plug 6 is formed to fill the contact hole.
콘택플러그(6)는 다결정실리콘(3), 오믹콘택층(4) 및 확산방지막(5)이 형성된 적층구조로 형성된다.The contact plug 6 is formed in a laminated structure in which the polycrystalline silicon 3, the ohmic contact layer 4, and the diffusion barrier film 5 are formed.
다결정실리콘(3)은 콘택홀을 포함한 전체 구조 상부에 500∼3000Å의 두께로 증착된 후, 소정의 CMP 또는 식각공정에 의해 패터닝되어 층간절연층의 최상단부로부터 500∼2000Å의 깊이로 형성된다.The polysilicon 3 is deposited to a thickness of 500 to 3000 mm on the entire structure including the contact hole, and then patterned by a predetermined CMP or etching process to form a depth of 500 to 2000 mm from the top of the interlayer insulating layer.
오믹콘택층(4)은 다결정실리콘(3)을 포함한 전체 구조 상부에 100∼1000Å의 두께로 Ti가 증착된 후, 급속 열처리하여 다결정실리콘(3)의 상부에 TiSix 물질로 형성된다.The ohmic contact layer 4 is formed of TiSix material on top of the polycrystalline silicon 3 by rapid thermal treatment after Ti is deposited to a thickness of 100 to 1000 mm 3 over the entire structure including the polysilicon 3.
확산방지막(5)은 Ti, Ta 및 W와 같은 다결정 또는 TiN, TaN 및 WN과 같은 질화막 또는 TiAlN, TiSiN, WSiN 및 TaSiN과 같은 삼원계 질화막으로 형성된다.The diffusion barrier 5 is formed of polycrystals such as Ti, Ta and W or nitride films such as TiN, TaN and WN or ternary nitride films such as TiAlN, TiSiN, WSiN and TaSiN.
도 1(b)를 참조하면, 이후, 콘택플러그(6)를 포함하는 전체 구조 상부에 산화물이 증착된 후, 소정의 포토마스크를 이용한 식각공정에 의해 콘택플러그(6)가 노출되도록 패턴층(7)이 형성된다.Referring to FIG. 1B, after the oxide is deposited on the entire structure including the contact plug 6, the pattern layer may be exposed to expose the contact plug 6 by an etching process using a predetermined photomask. 7) is formed.
이후, 패턴층(7)을 포함한 전체 구조 상부에 Ru, Ir, Rh, Os 및 Re의 금속중 어느 하나가 증착된 후, 패턴층(7)의 안쪽면에만 형성되도록 에치백(etch back)되어 하부전극(8)이 형성된다.Thereafter, any one of metals of Ru, Ir, Rh, Os, and Re is deposited on the entire structure including the pattern layer 7, and then etched back to be formed only on the inner side of the pattern layer 7. The lower electrode 8 is formed.
도 1(c)를 참조하면, 하부전극(8)을 포함한 전체 구조 상부에 ALD 방식을 이용하여 30∼500Å의 두께로 BST 박막 또는 Sr-Ti 박막의 유전체막(11)이 형성된다.Referring to FIG. 1C, the dielectric film 11 of the BST thin film or the Sr-Ti thin film is formed on the entire structure including the lower electrode 8 to have a thickness of 30 to 500 kV using the ALD method.
ALD법에 의한 BST 박막 또는 Sr-Ti 박막의 유전체막(11)의 증착 공정은 150∼350℃의 온도범위의 반응기 내부로 Ba, Sr 또는 Ba와 Sr가 소정 비율로 혼합된 소스가스가 주입되어 전체 구조 상부의 표면에 흡착된 후, 흡착되지 않고 반응기내의 공간에 잔재하는 과도 가스는 N2에 의해 제거된다. 이후, 반응기 내부로 H2O2와 H2O가 소정 비율로 혼합된 증기가스가 주입됨과 아울러 불안정한 H2O2가 분해되면서 활성화된 산소가 된다. 이 활성화된 산소는 Ba 및 Sr 소스의 메탈에 결합되어 있는 라간드 분해를 촉진시키고 분해된 Ba 및 Sr은 활성화된 산소 또는 H2O와 쉽게 교환반응을 하여 (Ba,Sr)O(9)가 형성된다. 이후, 산화되지 않고 반응기 공간내에 잔재하는 부산물들은 N2가스에 의해 제거되어 (Ba,Sr)O(9)가 형성되는 제 1 주기 공정과,In the deposition process of the dielectric film 11 of the BST thin film or the Sr-Ti thin film by the ALD method, a source gas containing Ba, Sr or Ba and Sr mixed in a predetermined ratio is injected into a reactor in a temperature range of 150 to 350 ° C. After being adsorbed on the surface of the upper part of the whole structure, excess gas remaining in the space in the reactor without being adsorbed is removed by N 2 . Subsequently, steam gas mixed with H 2 O 2 and H 2 O at a predetermined ratio is injected into the reactor, and unstable H 2 O 2 is decomposed to become activated oxygen. This activated oxygen promotes the decomposition of lagands bound to the metals of the Ba and Sr sources, and the decomposed Ba and Sr are easily exchanged with the activated oxygen or H 2 O to give (Ba, Sr) O (9) Is formed. Thereafter, the first cycle process in which by-products remaining in the reactor space without oxidation is removed by N 2 gas to form (Ba, Sr) O (9),
이후, 반응기 내부로 Ti 소스가스가 주입되어 (Ba, Sr)O(9)의 상부 표면에 제 1 층 상부에 Ti가 흡착된 후, 흡착되지 않고 반응기내의 공간에 잔재하는 과도 가스는 N2에 의해 제거된다. 이후, 반응기 내부로 H2O2와 H2O가 소정 비율(예를 들면, H2O2가 30 내지 70 wt% 범위)로 혼합된 증기가스가 주입되면, OH기나 NH3의 열분해에 의해 형성된 활성된 N* 또는 H*가 Ti 소스의 분해, 교환 반응을 촉진시켜 TiO2가 형성된다. 이후, 교환반응 후, 반응기 공간내에 잔재하는 부산물은 N2가스에 의해 제거되어 TiO2을 형성하기 위한 제 2 주기 공정으로 이루어진다.Thereafter, Ti source gas is injected into the reactor to adsorb Ti on the upper surface of the first layer to the upper surface of (Ba, Sr) O (9), and then transient gas remaining in the space in the reactor without adsorption is added to N 2 . Is removed by Then, when the H 2 O 2 and H 2 O into the reactor, the steam gas is injected mixed at a predetermined ratio (for example, the H 2 O 2 30 to 70 wt% range), by thermal decomposition of the OH group or NH 3 Activated N * or H * formed promotes the decomposition, exchange reaction of the Ti source to form TiO 2 . Thereafter, after the exchange reaction, the by-products remaining in the reactor space are removed by the N 2 gas to form a second cycle process for forming TiO 2 .
여기서, 상기 Ba의 소오스로는, Ba(THD)2-trien [Ba(C11H1902)2-(NH2(C2H4)NH(C2H4))2], Ba(THD)2-pmdt [Ba(C11H1902)2-C9H23N3] 및 Ba(METHD)2[Ba(O4C14H25)2]중 어느 하나를 사용한다. 상기 Sr의 소오스로는, Sr(THD)2-trien [Sr(C11H1902)2-(NH2(C2H4)NH(C2H4))2], Sr(THD)2-pmdt [Sr(C11H1902)2-C9H23N3] 및 Sr(METHD)2[Sr(O4C14H25)2]중 어느 하나를 사용한다. 상기 Ti의 소오스로는, Ti(O-i-Pr)4[Ti(OC3H7)4], Ti(O-i-Pr)2(THD)2[Ti(OC3H7)2(C11H19O2)2], Ti(MPD)(THD)2[Ti(O2C6Hl2)(O2CllHl9)2] 및 Ti(O-t-Bu)2(THD)2[Ti(OC4H9)2(CllHl902)2]중 어느 하나를 사용한다.Here, as the source of Ba, Ba (THD) 2 -trien [Ba (C 11 H 19 0 2 ) 2- (NH 2 (C 2 H 4 ) NH (C 2 H 4 )) 2 ], Ba ( THD) 2 -pmdt [Ba (C 11 H 19 0 2 ) 2 -C 9 H 23 N 3 ] and Ba (METHD) 2 [Ba (O 4 C 14 H 25 ) 2 ]. Examples of the source of Sr include Sr (THD) 2 -trien [Sr (C 11 H 19 0 2 ) 2- (NH 2 (C 2 H 4 ) NH (C 2 H 4 )) 2 ], Sr (THD) 2 -pmdt [Sr (C 11 H 19 0 2 ) 2 -C 9 H 23 N 3 ] and Sr (METHD) 2 [Sr (O 4 C 14 H 25 ) 2 ]. Examples of the source of Ti include Ti (Oi-Pr) 4 [Ti (OC 3 H 7 ) 4 ], Ti (Oi-Pr) 2 (THD) 2 [Ti (OC 3 H 7 ) 2 (C 11 H 19 O 2 ) 2 ], Ti (MPD) (THD) 2 [Ti (O 2 C 6 H l2 ) (O 2 C ll H l9 ) 2 ] and Ti (Ot-Bu) 2 (THD) 2 [Ti (OC 4 H 9) 2 (C ll H l9 0 2) 2] uses any one of the.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 주기 공정은 Ba, Sr 소스주입 -> N2퍼지(purge) -> H2O2+H2O 증기 주입 -> N2퍼지의 순서로 이루어진다. 제 2 주기 공정은 Ti 소스주입 -> N2퍼지(purge) -> H2O2+H2O 증기 주입 -> N2퍼지의 순서로 이루어진다. 여기서, 하이펄스(High)는 반응기내에 주입된 상태를 나타내고, 노우펄스(Low)는 반응기내에 주입되지 않은 상태를 나타낸다.As shown in FIG. 2, the first cycle process consists of Ba, Sr source injection-> N 2 purge-> H 2 O 2 + H 2 O steam injection-> N 2 purge. The second cycle process consists of Ti source injection-> N 2 purge-> H 2 O 2 + H 2 O steam injection-> N 2 purge. Here, the high pulse (High) represents the state injected into the reactor, and the low pulse (Low) represents the state not injected into the reactor.
이 공정 순서는 제 2 주기 공정이 먼저 행해진 후, 제 1 주기 공정순으로 이루어질 수 있다. 즉, 유전체막(11)은 TiO2(10)가 먼저 형성된 후, (Ba,Sr)O(9)가 형성된 구조로 형성될 수 도 있다. 또한, 유전체막(11)의 조성은 각 주기의 비율로 조절하고 두께는 전체 주기수로 수로 조절된다.This process sequence may be performed in a first cycle process sequence after the second cycle process is performed first. That is, the dielectric film 11 may be formed in a structure in which TiO 2 (10) is first formed and then (Ba, Sr) O (9) is formed. In addition, the composition of the dielectric film 11 is adjusted at the ratio of each cycle, and the thickness is adjusted at the number of cycles.
이후, 유전체막(11)은 500∼750℃의 온도범위에서 1∼10분동안 급속 열처리된다. 이후, 유전체막(11) 상부에는 Ru, Ir, Rh, Os 및 Re의 금속중 어느 하나의 금속물질로 구성된 상부전극(12)이 형성된다.Thereafter, the dielectric film 11 is rapidly heat treated for 1 to 10 minutes in the temperature range of 500 to 750 ° C. Subsequently, an upper electrode 12 formed of a metal material of any one of metals of Ru, Ir, Rh, Os, and Re is formed on the dielectric film 11.
전술한 바와 같이, 본 발명은 ALD를 이용한 BST 유전체막의 증착공정에 사용되는 선구물질의 서로 다른 물성적특성에 의해 야기되는 ALD 프로세스의 어려움을개선하기 위해, 저온도에서 고농도와 고에너지의 활성된 산소를 얻을 수 있는 H2O2와 H2O가 소정 비율로 혼합된 증기가스를 ALD 프로세스의 반응가스로 사용한다.As described above, the present invention provides high concentration and high energy activation at low temperature to improve the difficulty of the ALD process caused by the different physical properties of the precursors used in the deposition process of the BST dielectric film using ALD. Steam gas containing H 2 O 2 and H 2 O mixed with oxygen in a predetermined ratio is used as a reaction gas of the ALD process.
상술한 바와 같이, 본 발명은 저온도에서 고농도와 고에너지의 활성된 산소를 얻을 수 있는 H2O2와 H2O가 소정 비율로 혼합된 증기가스를 ALD 프로세스의 반응가스로 사용함으로써, β- 디케토네이트(diketonate)계열의 Ba, Sr의 소스가스의 ALD 프로세스 온도를 Ti의 소스가스의 ALD 프로세스 온도를 낮출 수 있어 ALD를 이용한 BST의 제조 공정을 개선할 수 있다.As described above, in the present invention, by using a vapor gas mixed with H 2 O 2 and H 2 O at a predetermined ratio to obtain high concentration and high energy of activated oxygen at low temperature, -The ALD process temperature of the source gas of Ba and Sr of diketonate series can be lowered and the ALD process temperature of the source gas of Ti can be improved, and the manufacturing process of BST using ALD can be improved.
따라서, 0.1㎛이하 디자인룰을 가지는 반도체 소자의 공정의 안정성과 수율을 확보 할 수 있다.Therefore, it is possible to ensure the stability and yield of the process of the semiconductor device having a design rule of 0.1㎛ or less.
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| KR (1) | KR100383771B1 (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100486637B1 (en) * | 2002-08-07 | 2005-05-03 | 학교법인 포항공과대학교 | Deposition of multi-component thin layer using an atomic layer chemical vapor deposition |
| KR100780631B1 (en) | 2004-12-28 | 2007-11-29 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for deposition titanium oxide and method for manufacturing capacitor using the same |
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| KR20000044904A (en) * | 1998-12-30 | 2000-07-15 | 김영환 | Method for forming capacitor of non-volatile memory device |
-
2000
- 2000-12-21 KR KR10-2000-0079499A patent/KR100383771B1/en not_active IP Right Cessation
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|---|---|
| KR20020050364A (en) | 2002-06-27 |
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