KR100390831B1 - 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨옥사이드 유전막형성 방법 - Google Patents

플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨옥사이드 유전막형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 원자층 증착 방식을 이용하여 탄탈륨옥사이드 유전막을 형성함으로써 막질 개선과 전기적 특성의 향상을 기할 수 있는 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨옥사이드 유전막 형성 방법을 제공하기 위한 것으로서, 이를 위해 본 발명은, 소스 가스를 플로우시키고 0.2 Torr 내지 10 Torr의 압력과 30W 내지 500W의 RF 파워하에서 플라즈마를 여기시켜 탄탈륨 옥사이드막을 증착하는 것을 다수번 반복하여 탄탈륨 옥사이드막을 형성하는 제1단계; 및 상기 탄탈륨 옥사이드막을 결정화하여 탄탈륨 옥사이드 유전막을 형성하기 위한 어닐링을 실시하는 제2단계를 포함하는 플라즈마 원자층증착법에 의한 탄탈륨 옥사이드 유전막 형성 방법을 제공한다.

Description

플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨옥사이드 유전막 형성 방법{Method for forming Ta2O5 dielectric layer by Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition}
본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 유전막 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨옥사이드(Ta2O5) 유전막 형성 방법에 관한 것이다.
DRAM(Dynamic Random Access Memory) 등의 반도체 장치에서 집적도가 높아짐에 따라 좁은 공간에서 높은 전극용량을 갖고 누설전류의 영향이 적어 전기적 특성이 우수한 캐패시터가 필요하게 되었다. 이를 위해 탄탈륨옥사이드 등의 고유전물질을 유전막으로 사용하게 되었다.
한편, 저압화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD으로 증착된 탄탈륨옥사이드유전막은 단차피복성(Step coverage)이 불량하여 캐패시터의 전기적 특성이 열화된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 모노레이어(One mono layer)씩 증착하여 단착피복성을 향상시킨 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 이용하게 된다.
도 1a 내지 도 1e는 종래기술에 따른 캐패시터 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이 소정공정이 완료된 기판(10) 상에 폴리실리콘막(11)을 증착하고 HF 또는 BOE(Buffer Oxide Etchant)를 이용하여 자연산화막(도시하지 않음)을 에치백한 후 암모니아(NH3)분위기에서 RTP(Rapid Thermal Process)처리한다. 여기서, 소정공정이 완료된 기판(10)은 메모리소자의 경우 통상의 소스/드레인접합 상에 플러그 등이 형성된 것을 일컫는다.
다음으로 도 1b에 도시된 것처럼 원자층 증착(ALD) 단계와 인시튜 산소(O2) 플라즈마 처리 단계에 의해 탄탈륨옥사이드막(12')을 증착한다.
상기의 두 단계를 하나의 사이클로 하여 하나의 사이클마다 모노레이어의 탄탈륨옥사이드막(121 ∼ 12n)을 증착하면, 단차피복성이 우수한 탄탈륨옥사이드막(12')이 형성된다.
여기서, 산소(O2) 플라즈마 처리 단계에 의해 상기 탄탈륨옥사이드막(12')을 산소 분위기에서 어닐하여 결정화된 탈륨옥사이드 유전막(12)을 형성한다.
다음으로 도 1d에 도시된 바와 같이 상기 탄탈륨옥사이드 유전막(12) 상에 상부전극(13)을 증착하여 폴리실리콘막(11)과 탄탈륨옥사이드 유전막(12) 및 상부전극(13)이 적층된 캐패시터를 형성한다.
전술한 바와 같이 이루어지는 종래의 원자층 증착 방식(ALD)과 산소 플라즈마를 이용한 탄탈륨옥사이드 유전막 형성 방법은 다음과 같은 문제점이 발생하게 된다.
첫째로, 산소의 반응성이 적어 탄탈륨옥사이드 유전막(12) 내에 탄소(A)가 잔류하게 되며 둘째로, 산소의 활성화 에너지가 작아 탈륨옥사이드 유전막(12) 내에 산소(B)의 공핍이 여전히 남게 되어 누설전류에 의한 전기적 특성이 열화된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 플라즈마 원자층 증착법을 이용하여 탄탈륨옥사이드 유전막을 형성함으로써 막질 개선과 전기적 특성의 향상을 기할 수 있는 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨옥사이드 유전막 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 탄탈륨 옥사이드 유전막 형성 공정을 나타내는 단면도,
도 2a 내지 2e는 본 발명의 실시예에 따른 탄탈륨 옥사이드 유전막 형성 공정을 나타내는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10, 20 : 기판
11, 21 : 폴리실리콘막
121 ∼ 12n, , 221 ∼ 22n : 모노레이어 탄탈륨옥사이드막
12, 12', 22, 22',22" : 탄탈륨옥사이드 유전막
13, 23 : 상부전극
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 소스 가스를 플로우시키고 0.2 Torr 내지 10 Torr의 압력과 30W 내지 500W의 RF 파워하에서 플라즈마를 여기시켜 탄탈륨 옥사이드막을 증착하는 것을 다수번 반복하여 탄탈륨 옥사이드막을 형성하는 제1단계; 및 상기 탄탈륨 옥사이드막을 결정화하여 탄탈륨 옥사이드 유전막을 형성하기 위한 어닐링을 실시하는 제2단계를 포함하는 플라즈마 원자층증착법에 의한 탄탈륨 옥사이드 유전막 형성 방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 설명한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨옥사이드 유전막 형성 공정을 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 소정공정이 완료된 기판(20) 상에 폴리실리콘막(21)을 증착하고 HF 또는 BOE(Buffer Oxide Etchant)를 이용하여 자연산화막(도시하지 않음)을 에치백한 후 암모니아(NH3) 분위기에서 RTP(Rapid ThermalProcess)처리한다. 여기서, 하부물질이 형성된 기판(20)은 메모리소자의 경우 통상의 소스/드레인접합 상에 플러그 등이 형성된 것을 일컫는다.
다음으로 도 2b에 도시된 것처럼 탄탈륨 에칠레이트(Ta(OC2H5)5) 소스를 플로우시키고 플라즈마를 여기시켜 탄탈륨옥사이드막(22")을 형성한다.
상기 플라즈마 원자층 증착법(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition; PEALD)에 의한 탄탈륨 옥사이드 유전막(22") 증착 공정에 대해 좀 더 구체적으로 살펴본다.
먼저, 200℃ 내지 300℃의 기판 온도 및 0.2 Torr 내지 10 Torr의 압력과 30W 내지 500W의 알에프 파워 하에서 170℃ 내지 190℃의 기상상태인 탄탈륨 에칠레이트 소스가스를 0.006cc/min 내지 0.1cc/min의 속도로 0.1초 내지 5초 동안 플라즈마화한다.
이어서, 챔버의 온도 및 압력조건을 그대로 유지하면서 상기 플라즈마화한 소스가스를 0.1초 내지 0.5 동안 증착하여 일모노레이어의 탄탈륨 옥사이드막(221)을 증착하고 질소 또는 아르곤을 이용하여 0.2초 내지 5초간 퍼지한다.
상기의 두 단계를 하나의 사이클로 하여 하나의 사이클마다 일모노레이어의 탄탈륨 옥사이드막(221 ∼ 22n)이 증착되므로 단차피복성이 우수하며 이러한 공정을 다수번 반복하여 탄탈륨옥사이드막(22")이 형성된다.
다음으로 도 2c에 도시된 바와 같이 산소 또는 N2O를 플라즈마화 하여 결과물 전면을 표면처리함으로써, 탄탈륨 옥사이드막(22')을 한다. 이때, 상기 탄탈륨옥사이드막(22') 내부에 잔류하던 탄소는 반응성이 큰 N2O 플라즈마에 의해 Co나 Co2로 반응하여 퍼지에 의해 제거된다. 또한, 탄탈륨 옥사이드막(22') 내부의 산소 공핍은 활성화에너지가 큰 N2O 플라즈마에 의해 억제된다.
다음으로 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 탄탈륨 옥사이드막(도 2c의 22')을 N2O 또는 산소 분위기 및 650℃ 내지 800℃ 하에서 10분 내지 30분 동안 어닐하여 결정화된 탄탈륨 옥사이드 유전막(22)을 형성한다.
다음으로 도 2e에 도시된 바와 같이 결과물 상에 상부전극(23)을 증착하여 폴리실리콘막(21)과 탄탈륨 옥사이드 유전막(22) 및 상부전극(23)이 적층된 캐패시터를 형성을 완료한다.
전술한 것처럼 본 발명의 캐패시터 제조 방법은 플라즈마 원자층 증착법을 이용하여 탄탈륨 옥사이드 유전막을 형성함으로써 단차피복성을 향상시키며 상기 탄탈륨 옥사이드 유전막의 막질을 개선하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있음을 실시예를 통해 알아보았다.
이상에서 본 발명의 기술 사상을 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술하였으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같이 본 발명은 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨옥사이드 유전막 형성 방법에 있어서, 탄탈륨 옥사이드 유전막의 막질을 개선하고 단차피복성을 높일 수 있다.

Claims (8)

  1. 소스 가스를 플로우시키고 0.2 Torr 내지 10 Torr의 압력과 30W 내지 500W의 RF 파워하에서 플라즈마를 여기시켜 탄탈륨 옥사이드막을 증착하는 것을 다수번 반복하여 탄탈륨 옥사이드막을 형성하는 제1단계; 및
    상기 탄탈륨 옥사이드막을 결정화하여 탄탈륨 옥사이드 유전막을 형성하기 위한 어닐링을 실시하는 제2단계
    를 포함하는 플라즈마 원자층증착법에 의한 탄탈륨 옥사이드 유전막 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1단계와 제2단계 사이에,
    상기 탄탈륨 옥사이드막을 N2O 플라즈마 또는 O2플라즈마 처리하는 제3단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨 옥사이드 유전막 형성 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1단계는,
    170℃ 내지 190℃에서 기화시킨 탄탈륨에칠레이트 소스 가스를 분당 0.006cc 내지 분당 0.1cc의 속도로 0.1초 내지 5초 동안 플로우시키고 플라즈마를 여기시켜 모노레이어의 탄탈륨 옥사이드막을 증착하고 퍼지하는 과정을 다수번 반복하는 것에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨 옥사이드 유전막 형성 방법
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1단계는 200℃ 내지 300℃의 웨이퍼 온도하에서 이루어짐을 특징으로 하는 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨 옥사이드 유전막 형성 방법
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제2단계는, N2O 또는 O2분위기에서 이루어짐을 특징으로 하는 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨 옥사이드 유전막 형성 방법
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2단계는, 650℃ 내지 800℃의 온도 하에서 10분 내지 30분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 원자층 증착법에 의한 탄탈륨 옥사이드 유전막 형성 방법.
  8. 삭제
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