KR100463242B1 - 반도체 소자의 캐패시터 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조 공정 중 캐패시터 형성 공정에 관한 것이며, 캐패시터 구조의 높이를 줄일 수 있고, 전극의 공핍에 따른 동작 특성의 열화를 방지할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 특징적인 반도체 소자의 캐패시터 형성방법은, 반도체 기판 상에 소정의 도전 구조 및 절연 구조를 구비한 하부층을 형성하는 제1 단계; 상기 하부층의 상기 절연 구조를 선택 식각하여 전하저장 전극 콘택홀을 형성하는 제2 단계; 상기 전하저장 전극 콘택홀 내에 콘택 플러그를 형성하는 제3 단계; 상기 제3 단계를 마친 전체 구조 상부에 희생막을 형성하는 제4 단계; 전하저장 전극 형성 영역의 상기 희생막을 선택 식각하여 홈을 형성하는 제5 단계; 상기 제5 단계를 마친 전체 구조 표면을 따라 플레이트 전극용 실리콘막 및 반구형실리콘그레인을 형성하는 제6 단계; 상기 플레이트 전극용 실리콘막 및 상기 반구형실리콘그레인에 질소계 이온을 주입하는 제7 단계; 상기 반구형실리콘그레인 표면을 따라 유전체 박막 및 제1 전하저장 전극용 전도막을 형성하는 제8 단계; 상기 제1 전하저장 전극용 전도막, 상기 유전체 박막, 상기 반구형실리콘그레인 및 상기 플레이트 전극용 실리콘막을 에치백하여 이들이 상기 홈의 측벽 부분에 잔류되도록 하는 제9 단계; 셀 영역의 상기 희생막을 선택적으로 제거하는 제10 단계; 상기 제10 단계를 마친 전체 구조 상부에 제2 전하저장 전극용 전도막을 형성하는 제11 단계; 및 화학적·기계적 평탄화 공정을 통해 상기 제2 전하저장 전극용 전도막을 연마하여 단위 캐패시터를 정의하는 제12 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

반도체 소자의 캐패시터 형성방법{A method for forming capacitor in semiconductor device}

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조 공정 중 캐패시터 형성 공정에 관한 것이다.

반도체 메모리 소자의 고집적화에 따라 동일 레이아웃 면적에서 보다 큰 캐패시턴스를 확보하기 위한 노력이 계속되고 있다.

캐패시터의 캐패시턴스는 유전율(ε) 및 전극의 유효 표면적에 비례하고, 전극간 거리에 반비례하기 때문에, 종래에는 주로 캐패시터 전하저장 전극의 표면적을 확보하거나 유전체의 박막화로 전극간 거리를 최소화하는 방향으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 이 중 유전체의 박막화는 누설전류 증가를 수반하는 문제점이 있으며, 이에 따라 캐패시터 구조를 플라나 스택(Planar stack), 콘케이브(Concave), 실린더(cylinder)와 같은 3차원 구조로 형성하여 캐패시터의 유효 표면적을 증대시키는 방법을 주로 사용하여 왔다.

또한, 이러한 3차원 구조의 캐패시터의 적용과 함께 기존의 유전체 재료인 NO(nitride/oxide) 박막을 Ta₂0₅, BST, TaON, TaO 등의 고유전체 박막으로 대체하는 방향으로 개발이 진행되고 있다.

한편, 전하저장 전극의 표면적을 확보하기 위한 노력의 일환으로 반구형실리콘그레인(hemispherical silicon grain) 기술이 제안되었는데, 반구형실리콘그레인은 비정질실리콘(amorphous silicon) 상태의 박막 상에 실리콘 씨드(seed)를 형성하고 고진공 어닐링(high vacuum annealing)을 실시하여 그레인을 성장시키는 공정을 통해 형성하고 있으며, 1.5배 이상의 전하저장 전극 표면적 증가 효과를 얻을 수 있다.

그러나, 기존에 제안된 캐패시터는 유전체 박막의 종류와 관계 없이 하부전극(전하저장 전극)을 먼저 형성하고, 그 상부에 상부전극(플레이트 전극)을 덮는 구조로 형성되기 때문에 캐패시터 구조의 높이가 높은 경향이 있다.

이처럼 캐패시터 구조의 높이가 높으면 셀 영역과 주변회로 영역의 단차가 심화되어 후속 금속 콘택 공정시 마스크 공정을 어렵게 만들고, 층간절연막 식각 타겟을 증가시켜 공정 시간을 증가시키며, 금속 콘택 공정시 매립 특성을 확보하기 어려운 문제점이 있었다.

한편, 종래기술에 따라 형성된 캐패시터는 전극의 공핍에 따른 동작 특성의 열화 문제를 가지고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 특히 캐패시터 구조의 높이를 줄일 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전극의 공핍에 따른 동작 특성의 열화를 방지할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 형성 공정도.

도 2는 본 발명에 따른 캐패시터의 레이아웃도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

14 : 비정질실리콘막

15 : 반구형실리콘그레인(HSG)

16 : 유전체 박막

17 : 제1 전하저장 전극용 전도막

19 : 제2 전하저장 전극용 전도막

20 : 갭필 산화막

21 : 층간절연막

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 반도체 소자의 캐패시터 형성방법은, 반도체 기판 상에 소정의 도전 구조 및 절연 구조를 구비한 하부층을 형성하는 제1 단계; 상기 하부층의 상기 절연 구조를 선택 식각하여 전하저장 전극 콘택홀을 형성하는 제2 단계; 상기 전하저장 전극 콘택홀 내에 콘택 플러그를 형성하는 제3 단계; 상기 제3 단계를 마친 전체 구조 상부에 희생막을 형성하는 제4 단계; 전하저장 전극 형성 영역의 상기 희생막을 선택 식각하여 홈을 형성하는 제5 단계; 상기 제5 단계를 마친 전체 구조 표면을 따라 플레이트 전극용 실리콘막 및 반구형실리콘그레인을 형성하는 제6 단계; 상기 플레이트 전극용 실리콘막 및 상기 반구형실리콘그레인에 질소계 이온을 주입하는 제7 단계; 상기 반구형실리콘그레인 표면을 따라 유전체 박막 및 제1 전하저장 전극용 전도막을 형성하는 제8 단계; 상기 제1 전하저장 전극용 전도막, 상기 유전체 박막, 상기 반구형실리콘그레인 및 상기 플레이트 전극용 실리콘막을 에치백하여 이들이 상기 홈의 측벽 부분에 잔류되도록 하는 제9 단계; 셀 영역의 상기 희생막을 선택적으로 제거하는 제10 단계; 상기 제10 단계를 마친 전체 구조 상부에 제2 전하저장 전극용 전도막을 형성하는 제11 단계; 및 화학적·기계적 평탄화 공정을 통해 상기 제2 전하저장 전극용 전도막을 연마하여 단위 캐패시터를 정의하는 제12 단계를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 특징적인 반도체 소자의 캐패시터 형성방법은, 반도체 기판 상에 소정의 도전 구조 및 절연 구조를 구비한 하부층을 형성하는 제1 단계; 상기 하부층의 상기 절연 구조를 선택 식각하여 전하저장 전극 콘택홀을 형성하는 제2단계; 상기 전하저장 전극 콘택홀 내에 콘택 플러그를 형성하는 제3 단계; 상기 제3 단계를 마친 전체 구조 상부에 희생막을 형성하는 제4 단계; 전하저장 전극 형성 영역의 상기 희생막을 선택 식각하여 홈을 형성하는 제5 단계; 상기 제5 단계를 마친 전체 구조 표면을 따라 플레이트 전극용 실리콘막 및 반구형실리콘그레인을 형성하는 제6 단계; 상기 플레이트 전극용 실리콘막 및 상기 반구형실리콘그레인에 질소계 이온을 주입하는 제7 단계; 상기 반구형실리콘그레인 및 상기 플레이트 전극용 실리콘막을 에치백하여 이들이 상기 홈의 측벽 부분에 잔류되도록 하는 제8 단계; 상기 제8 단계를 마친 전체 구조 표면을 따라 유전체 박막 및 제1 전하저장 전극용 전도막을 형성하는 제9 단계; 상기 제1 전하저장 전극용 전도막 및 상기 유전체 박막을 에치백하여 이들이 상기 홈의 측벽 부분에 잔류되도록 하는 제10 단계; 셀 영역의 상기 희생막을 선택적으로 제거하는 제11 단계; 상기 제11 단계를 마친 전체 구조 상부에 제2 전하저장 전극용 전도막을 형성하는 제12 단계; 및 화학적·기계적 평탄화 공정을 통해 상기 제2 전하저장 전극용 전도막을 연마하여 단위 캐패시터를 정의하는 제13 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.

첨부된 도면 도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 형성 공정을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.

우선, 도 1a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(10) 상에 소정의 절연 구조 및 도전 구조를 가지는 하부층(11)을 형성한다. 하부층(11)에는 워드라인, 비트라인 및 다수의 층간절연막이 포함되며, 하부전극 콘택 마스크를 사용한 사진 공정 및 층간절연막 식각 공정을 통해 하부전극 콘택홀을 형성한다. 이어서, 전체 구조 상부에 폴리실리콘막을 증착하고, 이를 에치백하여 하부전극 콘택홀 내에 폴리실리콘 플러그(12)를 형성한다.

다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이 전체 구조 상부에 희생산화막(13)을 증착하고, 전하저장 전극 마스크를 사용한 사진 공정 및 희생산화막(13) 식각 공정을 실시한다. 첨부된 도면 도 2는 본 발명에 따른 캐패시터의 레이아웃을 도시한 것으로, 전하저장 전극 콘택(300)에 오버랩 되는 전하저장 전극 영역(200)을 기존에 비해 플레이트 전극의 두께만큼 넓게 형성하며, 플레이트 전극 영역(100)이 전하저장 전극 영역(200)을 둘러싸도록 되어 있다.

이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이 전체 구조 표면을 따라 플레이트 전극용 비정질실리콘막(14)을 증착하고, 그 표면에 HSG(15)를 성장시킨 다음, 플레이트 전극의 공핍을 최소화하기 위하여 질소계 이온을 전면 주입한다. 이때, 플레이트 전극용 비정질실리콘막(14) 및 HSG(15)에 대해서는 적절한 도핑을 실시한다.

계속하여, 도 1d에 도시된 바와 같이 전체 구조 표면을 따라 유전체 박막(16) 및 제1 전하저장 전극용 전도막(예컨대, 금속막)(17)을 증착하고, 제1 전하저장 전극용 금속막(17), 유전체 박막(16), HSG(15) 및 플레이트 전극용 비정질실리콘막(14)을 에치백하여 이들이 희생산화막(13)의 측벽에만 잔류되도록 한다.

다음으로, 도 1e에 도시된 바와 같이 전체 구조 상부에 포토레지스트를 도포하고 소정의 사진 공정을 실시하여 플레이트 전극 형성 영역의 희생산화막(단위 셀 사이의 희생산화막)(13)을 노출시키는 포토레지스트 패턴(18)을 형성하고, 이를 사용하여 노출된 희생산화막(13)을 선택적으로 식각한다.

이어서, 도 1f에 도시된 바와 같이 포토레지스트 패턴(18)을 제거하고, 전체 구조 표면을 따라 제2 전하저장 전극용 전도막(예컨대, 폴리실리콘막)(19)을 증착한다. 이때, 희생산화막(13)이 제거된 영역에는 전하저장 전극용 전도막(19)이 완전히 매립된다. 이어서, 전체 구조 상부에 갭필 산화막(20)을 증착하고, 화학적·기계적 평탄화(CMP) 공정을 통해 갭필 산화막(20) 및 제2 전하저장 전극용 전도막(19)을 연마하여 전하저장 전극용 전도막(19)을 단위 셀 별로 분리한다. 이때, 제2 전하저장 전극용 전도막(19)이 플레이트 전극용 비정질실리콘막(14)을 연결하게 된다. 계속하여, 전체 구조 상부에 층간절연막(21)을 증착한다.

한편, 상기 실시예에서 갭필 산화막(20)을 대신하여 포토레지스트를 사용할 수 있으며, 이 경우 CMP 공정 후 잔류하는 포토레지스트를 제거한 다음 층간절연막(21)을 증착하여야 한다.

또한, 상기 실시예에서 단위 캐패시터를 정의하기 위한 CMP 공정은 갭필 물질(산화막, 포토레지스트 등)을 에치백하여 제2 전하저장 전극용 전도막(19)을 노출시킨 후, CMP 공정을 실시하는 것으로 대체할 수 있다.

한편, 제2 전하저장 전극용 전도막(19)을 두껍게 증착하는 경우에는 갭필 물질을 사용할 필요가 없다.

또한, 상기 실시예에서는 제1 전하저장 전극용 금속막(17), 유전체 박막(16), HSG(15) 및 플레이트 전극용 비정질실리콘막(14)을 동시에 에치백하는 공정을 예시하였으나, HSG(15) 및 플레이트 전극용 비정질실리콘막(14)을 먼저 에치백한 다음, 유전체 박막(16) 및 제1 전하저장 전극용 금속막(17)을 증착하고, 제1 전하저장 전극용 금속막(17) 및 유전체 박막(16)을 에치백하는 공정을 실시할 수 있으며, 이들 각각에 대해 증착 후 에치백하는 공정을 수행할 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 플레이트 전극을 전하저장 전극 형성 전에 먼저 형성하고, 전하저장 전극과 플레이트 전극을 수평으로 배치함으로써 기존의 플레이트 전극 두께 만큼 캐패시터 구조의 높이를 줄일 수 있으며, 이로 인하여 셀 영역과 주변회로 영역의 단차 완화는 물론, 후속 공정을 용이하게 진행할 수 있도록 한다. 한편, 본 발명에서는 전하저장 전극용 전도막을 2중막으로 형성하기 때문에 유전체 박막 쪽에 금속막을 배치할 수 있으며, 이는 HSG 성장 후 질소계 이온주입과 함께 캐패시터의 공핍 특성을 개선하는데 기여한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 본 발명은 캐패시터 구조의 높이를 감소시키는 효과가 있으며, 이로 인하여 셀 영역과 주변회로 영역의 단차를 완화하고 후속 금속배선 공정을 용이하게 만드는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 본 발명은 캐패시터 전극의 공핍을 최소화하는 효과가 있으며, 이로 인하여 소자의 동작 특성 개선을 기대할 수 있다.

Claims (4)

1. 반도체 기판 상에 소정의 도전 구조 및 절연 구조를 구비한 하부층을 형성하는 제1 단계;

   상기 하부층의 상기 절연 구조를 선택 식각하여 전하저장 전극 콘택홀을 형성하는 제2 단계;

   상기 전하저장 전극 콘택홀 내에 콘택 플러그를 형성하는 제3 단계;

   상기 제3 단계를 마친 전체 구조 상부에 희생막을 형성하는 제4 단계;

   전하저장 전극 형성 영역의 상기 희생막을 선택 식각하여 홈을 형성하는 제5 단계;

   상기 제5 단계를 마친 전체 구조 표면을 따라 플레이트 전극용 실리콘막 및 반구형실리콘그레인을 형성하는 제6 단계;

   상기 플레이트 전극용 실리콘막 및 상기 반구형실리콘그레인에 질소계 이온을 주입하는 제7 단계;

   상기 반구형실리콘그레인 표면을 따라 유전체 박막 및 제1 전하저장 전극용 전도막을 형성하는 제8 단계;

   상기 제1 전하저장 전극용 전도막, 상기 유전체 박막, 상기 반구형실리콘그레인 및 상기 플레이트 전극용 실리콘막을 에치백하여 이들이 상기 홈의 측벽 부분에 잔류되도록 하는 제9 단계;

   셀 영역의 상기 희생막을 선택적으로 제거하는 제10 단계;

   상기 제10 단계를 마친 전체 구조 상부에 제2 전하저장 전극용 전도막을 형성하는 제11 단계; 및

   화학적·기계적 평탄화 공정을 통해 상기 제2 전하저장 전극용 전도막을 연마하여 단위 캐패시터를 정의하는 제12 단계

   를 포함하여 이루어진 반도체 소자의 캐패시터 형성방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제11 단계 수행 후,

   상기 제2 전하저장 전극용 전도막 상부에 갭필 산화막 또는 포토레지스트를 형성하는 제13 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제13 단계 수행 후,

   상기 갭필 산화막 또는 상기 포토레지스트를 에치백하여 상기 제2 전하저장 전극용 전도막이 노출되도록 하는 제14 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법.
4. 반도체 기판 상에 소정의 도전 구조 및 절연 구조를 구비한 하부층을 형성하는 제1 단계;

   상기 하부층의 상기 절연 구조를 선택 식각하여 전하저장 전극 콘택홀을 형성하는 제2 단계;

   상기 전하저장 전극 콘택홀 내에 콘택 플러그를 형성하는 제3 단계;

   상기 제3 단계를 마친 전체 구조 상부에 희생막을 형성하는 제4 단계;

   전하저장 전극 형성 영역의 상기 희생막을 선택 식각하여 홈을 형성하는 제5 단계;

   상기 제5 단계를 마친 전체 구조 표면을 따라 플레이트 전극용 실리콘막 및 반구형실리콘그레인을 형성하는 제6 단계;

   상기 플레이트 전극용 실리콘막 및 상기 반구형실리콘그레인에 질소계 이온을 주입하는 제7 단계;

   상기 반구형실리콘그레인 및 상기 플레이트 전극용 실리콘막을 에치백하여 이들이 상기 홈의 측벽 부분에 잔류되도록 하는 제8 단계;

   상기 제8 단계를 마친 전체 구조 표면을 따라 유전체 박막 및 제1 전하저장 전극용 전도막을 형성하는 제9 단계;

   상기 제1 전하저장 전극용 전도막 및 상기 유전체 박막을 에치백하여 이들이 상기 홈의 측벽 부분에 잔류되도록 하는 제10 단계;

   셀 영역의 상기 희생막을 선택적으로 제거하는 제11 단계;

   상기 제11 단계를 마친 전체 구조 상부에 제2 전하저장 전극용 전도막을 형성하는 제12 단계; 및

   화학적·기계적 평탄화 공정을 통해 상기 제2 전하저장 전극용 전도막을 연마하여 단위 캐패시터를 정의하는 제13 단계

   를 포함하여 이루어진 반도체 소자의 캐패시터 형성방법.