KR100498588B1 - 산소확산배리어막 및 그를 구비한 반도체장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 캐패시터의 유전막 공정 중에 발생되는 산소의 확산을 억제하는데 적합한 산소확산배리어막 및 그를 구비한 반도체장치를 제공하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명의 반도체장치는 트랜지스터가 형성된 반도체기판, 상기 반도체기판상의 층간절연막, 상기 층간절연막을 관통하여 상기 반도체기판에 이르는 홀에 매립된 플러그, 상기 플러그 상의 질화물계 산소확산배리어막, 상기 질화물계 산소확산배리어막 상에 RuTiN(Ru는 50at%∼90at%, Ti는 10at%∼50at%, N은 1at%∼80at%)과 RuTiO(Ru은 50at%∼90at%, Ti은 10at%∼50at%, O는 1at%∼50at%)의 적층막으로 이루어진 200Å∼1000Å 두께의 삼원계루테늄막의 산소확산배리어막, 및 상기 삼원계루테늄막의 산소확산배리어막에 연결된 상기 층간절연막상의 하부전극과 상기 하부전극상의 유전막과 상기 유전막상의 상부전극으로 이루어진 캐패시터를 포함한다.

Description

산소확산배리어막 및 그를 구비한 반도체장치{Oxygen barrier and semiconductor devcie having the same}
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 특히 확산배리어막에 관한 것이다.
일반적으로 반도체장치의 고집적화, 소형화 및 고속화에 따라 캐패시터가 차지하는 면적이 감소하고 있으며, 비록 반도체장치가 고집적화 및 소형화되더라도 반도체장치를 구동시키기 위한 캐패시터의 정전 용량은 최소한 확보되어야한다.
캐패시터의 정전 용량을 확보하기 위한 한 방안으로 캐패시터의 하부 전극을 실린더(Cyclinder) 구조, 스택(Stack) 구조, 핀(Pin) 구조, 오목(Concave) 구조 등 다양한 구조로 형성하여 제한된 면적 하에서 캐패시터 하부 전극의 유효 표면적을 극대화시키고 있다.
캐패시터의 정전 용량을 확보하기 위한 다른 방안으로 캐패시터 유전막으로 BST, Ta2O5 등과 같은 고유전체막을 적용하고 있으며, BST, Ta2O5 등과 같은 고유전막을 적용할 경우, 전기적 특성 측면에서 캐패시터의 상/하부전극으로는 백금(Pt), 루테늄(Ru), TiN 등의 전도성 금속이 적용되고 있는 상태이다.
특히, 이와 같은 전도성 금속을 이용하여 캐패시터 하부 전극을 형성할 때, 워드라인, 비트라인과 같은 트랜지스터 제조 공정이 완료된 반도체기판 상에 트랜지스터와의 접속을 위해 캐패시터 콘택 플러그를 먼저 형성하고, 캐패시터 콘택 플러그와 하부전극간의 상호확산을 방지하기위해 확산배리어막(Diffusion barrier)을 형성한다.
그러나, 캐패시터의 유전막 공정, 특히 고유전막 공정이 고온(600℃ 이상)이면서 산소분위기에서 진행되기 때문에 하부전극을 관통하는 산소가 확산배리어막까지 확산하여 확산배리어막을 산화시키는 문제가 있다.
예컨대, TiN, TiAlN, TiSiN, TaSiN, WSiN 등과 같은 질화물을 이용하는 경우, 이들 질화물들이 산소 확산에 의해 산화되면 부도체의 성질을 갖게 된다.
결과적으로, 플러그와 하부전극간 상호확산을 방지하면서 전기적 연결통로인 확산배리어막이 부도체의 성질을 갖게 됨에 따라 누설전류가 증가하여 캐패시터의 특성 및 신뢰성을 현저히 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 캐패시터의 유전막 공정 중에 발생되는 산소의 확산을 억제하는데 적합한 산소확산배리어막 및 그를 구비한 반도체장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체장치는 트랜지스터가 형성된 반도체기판, 상기 반도체기판상의 층간절연막, 상기 층간절연막을 관통하여 상기 반도체기판에 이르는 홀에 매립된 플러그, 상기 플러그 상의 질화물계 산소확산배리어막, 상기 질화물계 산소확산배리어막 상에 RuTiN(Ru는 50at%∼90at%, Ti는 10at%∼50at%, N은 1at%∼80at%)과 RuTiO(Ru은 50at%∼90at%, Ti은 10at%∼50at%, O는 1at%∼50at%)의 적층막으로 이루어진 200Å∼1000Å 두께의 삼원계루테늄막의 산소확산배리어막, 및 상기 삼원계루테늄막의 산소확산배리어막에 연결된 상기 층간절연막상의 하부전극과 상기 하부전극상의 유전막과 상기 유전막상의 상부전극으로 이루어진 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명은 산소확산배리어막들의 내산화성을 증대시키기 위해 준귀금속, 내열금속이 혼합된 삼원계 산소확산배리어막을 제안한다. 예컨대, 루테늄(Ru), 티타늄(Ti)을 포함하는 RuTiX(X=O, N)막을 제안한다.
산소확산배리어막은 다음과 같은 조건이 요구되고 있다.
먼저, 고온 및 산화 분위기에서 견디기 위한 확산배리어막은 산소의 확산을 막아야할 뿐만 아니라 산화에 대한 저항이 상당이 있어야 한다. 이러한 산소의 확산을 고온까지 막아주기 위해서는 확산방지막의 미세구조가 산소의 빠른 확산 경로인 결정입계가 없는 비정질이어야 되며, 이 비정질의 미세구조는 고온까지 결정화가 일어나지 말아야 된다. 왜냐하면 결정화가 일어나면 결정입계가 생성되기 때문이다.
그리고, 확산배리어막의 산화를 방지하기 위해서는 구성하는 물질들 사이에 강한 화학적 결합이 이루어져 있어야 한다.
마지막으로, 산소와의 반응한 후에도 전도성을 유지해야 한다.
이러한 요구 조건들을 만족시키기 위해서는 기지물질을 준귀금속들로 선택해야 한다. 이 준귀금속들은 산소와의 반응에 의해서 형성된 반응물이 전도성 산화물이기 때문에 전기적으로는 아무런 문제가 없다.
예를 들어, RuTiN막은 준귀금속인 Ru내에 내열금속인 Ti을 소량 첨가시킨 후 질소(N)를 첨가시킨 삼원계 물질로서 비정질이다. 이 비정질 RuTiN막은 Ru, Ti 및 질소와 강한 화학적 결합에 의해서 상당한 고온까지 유지될 수 있다. 또한 Ru 기지내에 소량의 Ti 및 질소가 첨가된 비정질 RuTiN막은 고유전체막의 공정온도 범위를 상당히 넓힐 수 있다.
그리고, 비정질 RuTiN막내에 내열금속인 Ti를 첨가하므로써 막내 강한 결합을 형성시키고 있다. 여기서, Ti은 막 자체가 열적으로 안정하고, 질소에 대한 친화력이 강하다.
그리고, 비정질 RuTiN막내 화학적 결합을 이루기 위해 질소를 첨가시키고 있다.
따라서 위에서 설명한 요구조건들을 만족시키는 RuTiN막은 Ti과 질소의 강한 화학적 결합때문에 비정질의 미세구조를 이룰 것이며, 이러한 질소와 Ti와의 강한 결합때문에 고온까지 비정질의 미세구조가 유지될 수 있으며, 산소와의 반응 후에도 Ru 기지때문에 전기적인 특성이 저하되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 RuTiN막의 원자층증착법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
전술한 원리를 이용하여 루테늄(Ru), 티타늄(Ti) 및 질소(N)가 혼합된 산소확산배리어막을 증착하기 위해 루테늄소스물질로 RuX3 또는 RuX2를 이용하고, 티타늄소스물질로 TiX4 또는 TiCl4를 이용한다.
먼저 루테늄소스물질인 RuX2 또는 RuX3에서, X는 H, C1∼C10 알킬(alkyl), C2∼C10 알케닐(alkenyl), C1∼C8 알콕시(alkoxy), C6∼C 12 아릴(aryl), β-디케토네이트(diketonates), 사이클로펜타디에닐(cyclopentadienyl), C1∼C8 알킬사이클로펜타디에닐(alkylcyclopentadienyl) 및 상기의 물질에 할로겐(halogen)이 첨가된 유도체들로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나이다.
그리고, 티타늄소스물질인 TiX4에서, X는 H, C1∼C10 알킬, C2∼C 10 알케닐, C1∼C8 알콕시, C6∼C12 아릴, β-디케토네이트, 사이클로펜타디에닐, C1∼C8 알킬사이클로펜타디에닐 및 상기의 물질에 할로겐이 첨가된 유도체들로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나이다.
그리고, 소스물질들을 반응시키기 위한 반응가스로는 NH3, H2O, H2O2 , ROH, RCOOH, C2∼C10 디올(diol) 또는 이들의 혼합기체를 사용하되, 여기서 R은 H, C1 ∼C10 알킬, C2∼C10 알케닐, C1∼C8 알콕시, C6∼C 12 아릴 및 상기의 물질에 할로겐이 첨가된 유도체들로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나이다.
전술한 물질중에서 소스물질로는 RuX2, Ti-N(CH3)2를 이용하고, 반응가스로는 NH3를 이용한 경우에 대해 설명하기로 한다.
먼저 NH3는 아래와 같은 [반응식1]과 같이 각각 루테늄소스 및 티타늄소스와 반응하여 Ru 및 TiN을 만들고, 휘발성이 강한 반응부산물(HX)을 생성하며, 이들 반응부산물들은 휘발성이 강하기 때문에 진공으로 쉽게 제거된다.
RuX2 + NH3----->Ru + 2HX(↑)
Ti-N(CH3)2 + NH3----->TiN + HNX(↑)
RuX3 + NH3----->Ru + 3HX(↑)
TiCl4 + NH3----->TiN + HCl(↑)
위 [반응식1]을 참조하여 원자층 증착법을 설명하면, 먼저 RuTiN이 증착될 기판을 증착챔버내에 로딩한 후, 루테늄소스 공급기로부터 루테늄소스 공급관을 통해 루테늄소스인 RuX2을 증착챔버내로 T1 시간동안 유입시킨다. 여기서, T1 시간은 RuX2이 기판상에 화학적으로 흡착하여 원자층을 형성하는데 충분한 시간이다.
상술한 T1 시간동안의 공정조건은, 1torr∼10torr의 압력을 유지하는 증착챔버내에 RuX2를 3sccm∼150sccm의 유량으로 0.1초∼1초동안 유입시키며, RuX2이 흡착될 기판은 100℃∼900℃를 유지한다.
T1 시간동안 RuX2를 공급한 후, 루테늄소스공급관에 연결된 밸브를 잠그고 퍼지가스공급관에 연결된 밸브를 열어 퍼지가스공급기로부터 퍼지가스를 증착챔버내로 T2 시간동안 공급하여 기판위에 화학적으로 흡착하지 않고 증착챔버내에 남아 있는 RuX2을 배기가스관을 통해 제거한다.
이때, T2 시간은 미반응 RuX2를 제거하기에 충분한 시간이면 되는데, 0.1초∼10초가 바람직하고, 퍼지가스로는 N2, He, Ne, Ar, H2 또는 이들의 혼합기체를 사용하며, 퍼지가스는 100sccm∼3000sccm의 유량으로 유입된다.
한편, 퍼지가스외에 펌핑(pumping)에 의해 미반응 RuX2를 제거할 수도 있다.
T2 시간동안 미반응 RuX2를 퍼지시킨 후, 반응가스공급기로부터 반응가스공급관을 통해 NH3를 증착챔버내로 T3 시간동안 유입시킨다. 여기서, T3 시간은 NH3가 기판상에 화학적으로 흡착된 RuX2와 반응하는데 충분한 시간이다.
따라서, T3 시간동안 기판에 흡착된 RuX2와 반응가스인 NH3가 [반응식1]과 같이 반응하여 기판상에 순수한 Ru 박막을 형성시킨다.
상술한 T3 시간동안의 공정조건은, 1torr∼10torr의 압력을 유지하는 증착챔버내에 반응가스인 NH3를 100sccm∼3000sccm의 유량으로 0.1초∼1초동안 유입시키며, RuX2이 흡착된 기판은 100℃∼900℃를 계속 유지한다.
T3 시간동안 NH3를 공급한 후, 반응가스공급관에 연결된 밸브를 잠그고 퍼지가스공급관에 연결된 밸브를 열어 퍼지가스공급기로부터 퍼지가스를 증착챔버내로 T4 시간동안 공급하여 RuX2와 NH3의 반응부산물을 배기가스관을 통해 제거한다.
이때, T4 시간은 반응부산물을 제거하기에 충분한 시간이면 되는데, 0.1초∼10초가 바람직하고, 퍼지가스로는 N2, He, Ne, Ar, H2 또는 이들의 혼합기체를 사용하며, 퍼지가스는 100sccm∼3000sccm의 유량으로 유입된다.
다음으로, T4 시간동안 반응부산물을 퍼지한 후, 티타늄소스 공급기로부터 티타늄소스 공급관을 통해 티타늄소스인 Ti-N(CH3)2을 증착챔버내로 T5 시간동안 유입시킨다. 여기서, T5 시간은 Ti-N(CH3)2가 Ru상에 화학적으로 흡착하여 원자층을 형성하는데 충분한 시간이다.
상술한 T5 시간동안의 공정조건은, 1torr∼10torr의 압력을 유지하는 증착챔버내에 Ti-N(CH3)2를 3sccm∼150sccm의 유량으로 0.1초∼1초동안 유입시키며, Ti-N(CH3)2이 Ru상에 흡착되는 동안 기판은 100℃∼900℃를 유지한다.
T5 시간동안 Ti-N(CH3)2를 공급한 후, 티타늄소스공급관에 연결된 밸브를 잠그고 퍼지가스공급관에 연결된 밸브를 열어 퍼지가스공급기로부터 퍼지가스를 증착챔버내로 T6 시간동안 공급하여 화학적으로 흡착하지 않고 증착챔버내에 남아 있는 Ti-N(CH3)2을 배기가스관을 통해 제거한다.
이때, T6 시간은 미반응 Ti-N(CH3)2를 제거하기에 충분한 시간이면 되는데, 0.1초∼10초가 바람직하고, 퍼지가스로는 N2, He, Ne, Ar, H2 또는 이들의 혼합기체를 사용하며, 퍼지가스는 100sccm∼3000sccm의 유량으로 유입된다.
한편, 퍼지가스외에 펌핑에 의해 미반응 Ti-N(CH3)2를 제거할 수도 있다.
T6 시간동안 미반응 Ti-N(CH3)2를 퍼지시킨 후, 반응가스공급기로부터 반응가스공급관을 통해 NH3를 증착챔버내로 T7 시간동안 유입시킨다. 여기서, T7 시간은 NH3가 Ru상에 흡착된 Ti-N(CH3)2와 반응하는데 충분한 시간이다.
따라서, T7 시간동안 Ti-N(CH3)2와 반응가스인 NH3가 [반응식1]과 같이 반응하여 Ru상에 순수한 TiN 박막을 형성시킨다.
상술한 T7 시간동안의 공정조건은, 1torr∼10torr의 압력을 유지하는 증착챔버내에 반응가스인 NH3를 100sccm∼3000sccm의 유량으로 0.1초∼1초동안 유입시키며, TiN이 형성되는 동안 기판은 100℃∼900℃를 계속 유지한다.
T7 시간동안 NH3를 공급한 후, 반응가스공급관에 연결된 밸브를 잠그고 퍼지가스공급관에 연결된 밸브를 열어 퍼지가스공급기로부터 퍼지가스를 증착챔버내로 T8 시간동안 공급하여 Ti-N(CH3)2와 NH3의 반응부산물을 배기가스관을 통해 제거한다.
이때, T8 시간은 반응부산물을 제거하기에 충분한 시간이면 되는데, 0.1초∼10초가 바람직하고, 퍼지가스로는 N2, He, Ne, Ar, H2 또는 이들의 혼합기체를 사용하며, 퍼지가스는 100sccm∼3000sccm의 유량으로 유입된다.
상술한 바와 같이, 루테늄소스 공급 단계(T1), 퍼지가스 공급 단계(T2), 반응가스 공급 단계(T3), 퍼지가스 공급 단계(T4), 티타늄소스 공급 단계(T5), 퍼지가스 공급 단계(T6), 반응가스 공급 단계(T7), 퍼지가스 공급 단계(T8)를 하나의 사이클(1 cycle)로 적용하고, 하나의 사이클을 거치면서 일정한 두께의 RuTiN이 증착된다.
이 사이클을 반복하면 RuTiN의 두께가 비례적으로 증가하기 때문에 사이클의 반복을 통하여 원하는 두께의 RuTiN 박막을 기판상에 증착할 수 있다. 이때, 하나의 사이클당 증착되는 RuTiN 박막의 두께는 증착챔버내로 유입되는 RuX2, Ti-N(CH3)2, 반응가스 및 퍼지가스의 공급 유량과 공급 시간에 따라 결정된다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 RuTiO막의 원자층증착법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
루테늄(Ru), 티타늄(Ti) 및 산소(O)가 혼합된 산소확산배리어막을 증착하기 위해 루테늄소스물질로 RuX3 또는 RuX2를 이용하고, 티타늄소스물질로 TiX4 또는 TiX2를 이용한다.
먼저 루테늄소스물질인 RuX2 또는 RuX3에서, X는 H, C1∼C10 알킬(alkyl), C2∼C10 알케닐(alkenyl), C1∼C8 알콕시(alkoxy), C6∼C 12 아릴(aryl), β-디케토네이트(diketonates), 사이클로펜타디에닐(cyclopentadienyl), C1∼C8 알킬사이클로펜타디에닐(alkylcyclopentadienyl) 및 상기의 물질에 할로겐(halogen)이 첨가된 유도체들로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나이다.
그리고, 티타늄소스물질인 TiX2 또는 TiX4에서, X는 H, C1∼C10 알킬, C2∼C10 알케닐, C1∼C8 알콕시, C6∼C12 아릴, β-디케토네이트, 사이클로펜타디에닐, C1∼C8 알킬사이클로펜타디에닐 및 상기의 물질에 할로겐이 첨가된 유도체들로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나이다.
그리고, 소스물질들을 반응시키기 위한 반응가스로는 O2, H2O, H2O2 , ROH, RCOOH, C2∼C10 디올(diol) 또는 이들의 혼합기체를 사용하되, 여기서 R은 H, C1 ∼C10 알킬, C2∼C10 알케닐, C1∼C8 알콕시, C6∼C 12 아릴 및 상기의 물질에 할로겐이 첨가된 유도체들로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나이다.
전술한 물질중에서 소스물질로는 RuX3, TiX2를 이용하고, 반응가스로는 O2를 이용한 경우에 대해 설명하기로 한다.
먼저 O2는 아래와 같은 [반응식1]과 같이 각각 루테늄소스 및 티타늄소스와 반응하여 RuO 및 TiO을 만들고, 휘발성이 강한 반응부산물(XO)을 생성하며, 이들 반응부산물들은 휘발성이 강하기 때문에 진공으로 쉽게 제거된다.
RuX2 + O2----->RuO + 2XO2(↑)
TiX4 + O2----->TiO + 4XO2(↑)
RuX3 + O2----->RuO + 3XO2(↑)
TiX2 + O2----->TiO + 2XO2(↑)
위 [반응식1]을 참조하여 원자층 증착법을 설명하면, 먼저 RuTiO이 증착될 기판을 증착챔버내에 로딩한 후, 루테늄소스 공급기로부터 루테늄소스 공급관을 통해 루테늄소스인 RuX2을 증착챔버내로 T1 시간동안 유입시킨다. 여기서, T1 시간은 RuX2이 기판상에 화학적으로 흡착하여 원자층을 형성하는데 충분한 시간이다.
상술한 T1 시간동안의 공정조건은, 1torr∼10torr의 압력을 유지하는 증착챔버내에 RuX2를 3sccm∼150sccm의 유량으로 0.1초∼1초동안 유입시키며, RuX2이 흡착될 기판은 100℃∼900℃를 유지한다.
T1 시간동안 RuX2를 공급한 후, 루테늄소스공급관에 연결된 밸브를 잠그고 퍼지가스공급관에 연결된 밸브를 열어 퍼지가스공급기로부터 퍼지가스를 증착챔버내로 T2 시간동안 공급하여 기판위에 화학적으로 흡착하지 않고 증착챔버내에 남아 있는 RuX2을 배기가스관을 통해 제거한다.
이때, T2 시간은 미반응 RuX2를 제거하기에 충분한 시간이면 되는데, 0.1초∼10초가 바람직하고, 퍼지가스로는 N2, He, Ne, Ar, H2 또는 이들의 혼합기체를 사용하며, 퍼지가스는 100sccm∼3000sccm의 유량으로 유입된다.
한편, 퍼지가스외에 펌핑(pumping)에 의해 미반응 RuX2를 제거할 수도 있다.
T2 시간동안 미반응 RuX2를 퍼지시킨 후, 반응가스공급기로부터 반응가스공급관을 통해 O2를 증착챔버내로 T3 시간동안 유입시킨다. 여기서, T3 시간은 O2가 기판상에 화학적으로 흡착된 RuX2와 반응하는데 충분한 시간이다.
따라서, T3 시간동안 기판에 흡착된 RuX2와 반응가스인 O2가 [반응식1]과 같이 반응하여 기판상에 순수한 RuO 박막을 형성시킨다.
상술한 T3 시간동안의 공정조건은, 1torr∼10torr의 압력을 유지하는 증착챔버내에 반응가스인 O2를 100sccm∼3000sccm의 유량으로 0.1초∼1초동안 유입시키며, RuX2이 흡착된 기판은 100℃∼900℃를 계속 유지한다.
T3 시간동안 O2를 공급한 후, 반응가스공급관에 연결된 밸브를 잠그고 퍼지가스공급관에 연결된 밸브를 열어 퍼지가스공급기로부터 퍼지가스를 증착챔버내로 T4 시간동안 공급하여 RuX2와 O2의 반응부산물(XO2)을 배기가스관을 통해 제거한다.
이때, T4 시간은 반응부산물을 제거하기에 충분한 시간이면 되는데, 0.1초∼10초가 바람직하고, 퍼지가스로는 N2, He, Ne, Ar, H2 또는 이들의 혼합기체를 사용하며, 퍼지가스는 100sccm∼3000sccm의 유량으로 유입된다.
다음으로, T4 시간동안 반응부산물을 퍼지한 후, 티타늄소스 공급기로부터 티타늄소스 공급관을 통해 티타늄소스인 TiX4을 증착챔버내로 T5 시간동안 유입시킨다. 여기서, T5 시간은 TiX4가 RuO상에 화학적으로 흡착하여 원자층을 형성하는데 충분한 시간이다.
상술한 T5 시간동안의 공정조건은, 1torr∼10torr의 압력을 유지하는 증착챔버내에 TiX4를 3sccm∼150sccm의 유량으로 0.1초∼1초동안 유입시키며, TiX4이 RuO상에 흡착되는 동안 기판은 100℃∼900℃를 유지한다.
T5 시간동안 TiX4를 공급한 후, 티타늄소스공급관에 연결된 밸브를 잠그고 퍼지가스공급관에 연결된 밸브를 열어 퍼지가스공급기로부터 퍼지가스를 증착챔버내로 T6 시간동안 공급하여 화학적으로 흡착하지 않고 증착챔버내에 남아 있는 TiX4을 배기가스관을 통해 제거한다.
이때, T6 시간은 미반응 TiX4를 제거하기에 충분한 시간이면 되는데, 0.1초∼10초가 바람직하고, 퍼지가스로는 N2, He, Ne, Ar, H2 또는 이들의 혼합기체를 사용하며, 퍼지가스는 100sccm∼3000sccm의 유량으로 유입된다.
한편, 퍼지가스외에 펌핑에 의해 미반응 TiX4를 제거할 수도 있다.
T6 시간동안 미반응 TiX4를 퍼지시킨 후, 반응가스공급기로부터 반응가스공급관을 통해 O2를 증착챔버내로 T7 시간동안 유입시킨다. 여기서, T7 시간은 O2가 RuO상에 흡착된 TiX4와 반응하는데 충분한 시간이다.
따라서, T7 시간동안 TiX4와 반응가스인 O2가 [반응식1]과 같이 반응하여 RuO상에 순수한 TiO 박막을 형성시킨다.
상술한 T7 시간동안의 공정조건은, 1torr∼10torr의 압력을 유지하는 증착챔버내에 반응가스인 O2를 100sccm∼3000sccm의 유량으로 0.1초∼1초동안 유입시키며, TiO막이 형성되는 동안 기판은 100℃∼900℃를 계속 유지한다.
T7 시간동안 O2를 공급한 후, 반응가스공급관에 연결된 밸브를 잠그고 퍼지가스공급관에 연결된 밸브를 열어 퍼지가스공급기로부터 퍼지가스를 증착챔버내로 T8 시간동안 공급하여 TiX4와 O2의 반응부산물을 배기가스관을 통해 제거한다.
이때, T8 시간은 반응부산물을 제거하기에 충분한 시간이면 되는데, 0.1초∼10초가 바람직하고, 퍼지가스로는 N2, He, Ne, Ar, H2 또는 이들의 혼합기체를 사용하며, 퍼지가스는 100sccm∼3000sccm의 유량으로 유입된다.
상술한 바와 같이, 루테늄소스 공급 단계(T1), 퍼지가스 공급 단계(T2), 반응가스 공급 단계(T3), 퍼지가스 공급 단계(T4), 티타늄소스 공급 단계(T5), 퍼지가스 공급 단계(T6), 반응가스 공급 단계(T7), 퍼지가스 공급 단계(T8)를 하나의 사이클(1 cycle)로 적용하고, 하나의 사이클을 거치면서 일정한 두께의 RuTiO막이 증착된다.
이 사이클을 반복하면 RuTiO막의 두께가 비례적으로 증가하기 때문에 사이클의 반복을 통하여 원하는 두께의 RuTiO막을 기판상에 증착할 수 있다. 이때, 하나의 사이클당 증착되는 RuTiO막의 두께는 증착챔버내로 유입되는 RuX2, TiX4, 반응가스 및 퍼지가스의 공급 유량과 공급 시간에 따라 결정된다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 RuTiN/RuTiO 이중막의 원자층증착법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, T1∼T16 과정을 1사이클로 하여 제1실시예에 따른 방법을 이용하여 RuTiN막을 증착한 후 제2실시예에 따른 방법을 이용하여 RuTiO막을 증착하므로써, RuTiN과 RuTiO의 순서로 적층된 이중막을 형성한다.
또한, 제2실시예에 따른 방법을 이용하여 RuTiO막을 증착한 다음, 제1실시예에 따른 방법을 이용하여 RuTiN막을 증착할 수 도 있다.
전술한 제1 내지 제2실시예에서는 루테늄소스 공급 단계(T1), 퍼지가스 공급 단계(T2), 반응가스 공급 단계(T3), 퍼지가스 공급 단계(T4), 티타늄소스 공급 단계(T5), 퍼지가스 공급 단계(T6), 반응가스 공급 단계(T7), 퍼지가스 공급 단계(T8)를 1사이클로 하였으나, 이러한 1사이클외에 다음과 같은 1사이클을 이용할 수 있다.
첫째, 루테늄소스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 반응가스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 플라즈마 처리 단계, 티타늄소스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 반응가스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 플라즈마 처리 단계를 1사이클로 적용하는 플라즈마원자층증착법(Plasma Enhanced ALD)을 이용할 수도 있다. 여기서, 플라즈마 처리 단계시, NH3, N2, O2, N2O, H2O 또는 이들의 혼합기체를 이용한다.
둘째, 반응가스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 루테늄소스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 반응가스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 반응가스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 티타늄소스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 반응가스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계를 하나의 사이클(1 cycle)로 적용한다.
셋째, 반응가스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 루테늄소스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 반응가스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 반응가스 공급 단계, 퍼지 가스 공급 단계, 플라즈마 처리 단계, 티타늄소스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 반응가스 공급 단계, 퍼지가스 공급 단계, 플라즈마 처리 단계를 하나의 사이클(1 cycle)로 적용한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 RuTiN, RuTiO 또는 RuTiN/RuTiO의 이중막(이하 '삼원계 루테늄막'이라 약칭함)을 산소확산배리어막으로 이용한 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 반도체기판(11)상에 층간절연막(12)이 형성되고, 층간절연막(12)을 관통하여 반도체기판(11)에 이르는 콘택홀(이하 '스토리지노드콘택홀'이라 약칭함)에 폴리실리콘플러그(13)와 삼원계 루테늄막(14)의 순서로 형성된 적층막이 매립된다. 여기서, 폴리실리콘플러그(13)와 삼원계 루테늄막(14)의 적층막은 통상적으로 스토리지노드콘택이라 일컬으며, 폴리실리콘플러그(14)와 삼원계 루테늄막(14) 사이에 실리사이드막이 형성되거나, 폴리실리콘플러그(14)와 반도체기판(11) 사이에 실리사이드막이 형성될 수 있다.
그리고, 스토리지노드콘택을 통해 반도체기판(11)에 연결되는 캐패시터의 하부전극(15)이 형성되고, 하부전극(15)상에 유전막(16)과 상부전극(17)이 차례로 형성된다. 여기서, 하부전극(15)과 상부전극(17)은 TiN, Pt, Ir, Ru, IrO2, RuO2 등의 공지된 전극물질을 이용하고, 유전막(16)은 BST, Ta2O5, TaON, PZT, SBT, SBTN, BLT 등을 이용한다.
도 4에서, 하부전극과 반도체기판간, 상세하게는 하부전극(15)과 폴리실리콘플러그(13)간 상호확산을 방지하기 위한 산소확산배리어막으로서 삼원계 루테늄(14)이 콘택홀내에 위치하는 구조를 갖고, 이러한 삼원계 루테늄막(14)은 후속 캐패시터의 유전막의 증착 및 열처리 공정시 발생된 산소가 하부전극(15)을 관통하여 확산하는 것을 방지하기 위함이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 삼원계 루테늄막(RuTiN, RuTiO 또는 RuTiN/RuTiO의 이중막)을 이용한 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 반도체기판(11)상에 층간절연막(12)이 형성되고, 층간절연막(12)을 관통하여 반도체기판(11)에 이르는 스토리지노드콘택홀에 폴리실리콘플러그(13)와 질화물(14a)의 순서로 형성된 적층막이 매립된다.
여기서, 질화물(14a)은 통상적으로 이용하던 산소확산배리어막들, 예컨대, TiN, TiAlN, TiSiN, TaSiN, WSiN 등이다. 그리고, 폴리실리콘플러그(13)와 질화물(14a)의 적층막은 통상적으로 스토리지노드콘택이라 일컬으며, 폴리실리콘플러그(14)와 질화물(14a) 사이에 실리사이드막이 형성되거나, 폴리실리콘플러그(14)와 반도체기판(11)상에 실리사이드막이 형성될 수 있다.
그리고, 스토리지노드콘택을 통해 반도체기판(11)에 연결되는 삼원계 루테늄막(14b)과 하부전극(15)의 적층막이 형성되고, 하부전극(15)상에 유전막(16)과 상부전극(17)이 차례로 형성된다. 여기서, 하부전극(15)과 상부전극(17)은 TiN, Pt, Ir, Ru, IrO2, RuO2 등의 공지된 전극물질을 이용하고, 유전막(16)은 BST, Ta2 O5, TaON, PZT, SBT, SBTN, BLT 등을 이용한다.
도 5에서는, 도 4에 도시된 반도체장치와는 다르게, 산소확산배리어막이 질화물과 삼원계 루테늄막으로 이루어져 있고, 질화물이 스토리지노드콘택홀에 위치하는 반면 삼원계 루테늄막이 하부전극과 적층막을 이룬다. 이처럼, 질화물과 삼원계 루테늄막을 함께 이용하면, 산소확산 억제효과가 증대된다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 삼원계 루테늄막(RuTiN, RuTiO 또는 RuTiN/RuTiO의 이중막)을 이용한 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 반도체기판(11)상에 층간절연막(12)이 형성되고, 층간절연막(12)을 관통하여 반도체기판(11)에 이르는 스토리지노드콘택홀에 폴리실리콘플러그(13)와 질화물(14a)과 삼원계 루테늄막(14b)의 순서로 형성된 적층막이 매립된다.
여기서, 질화물(14a)은 통상적으로 이용하던 산소확산배리어막들, 예컨대, TiN, TiAlN, TiSiN, TaSiN, WSiN 등이다. 그리고, 폴리실리콘플러그(13)와 질화물(14a)과 삼원계 루테늄막(14b)의 적층막은 스토리지노드콘택을 이루며, 폴리실리콘플러그(14)와 질화물(14a) 사이에 실리사이드막이 형성되거나, 폴리실리콘플러그(14)와 반도체기판(11)상에 실리사이드막이 형성될 수 있다.
그리고, 스토리지노드콘택을 통해 반도체기판(11)에 연결되는 하부전극(15)이 형성되고, 하부전극(15)상에 유전막(16)과 상부전극(17)이 차례로 형성된다. 여기서, 하부전극(15)과 상부전극(17)은 TiN, Pt, Ir, Ru, IrO2, RuO2 등의 공지된 전극물질을 이용하고, 유전막(16)은 BST, Ta2O5, TaON, PZT, SBT, SBTN, BLT 등을 이용한다.
도 6에서는, 도 5에 도시된 반도체장치와는 다르게, 질화물과 삼원계 루테늄막으로 이루어진 산소확산배리어막이 스토리지노드콘택홀에 위치하고 있다. 제3예또한 산소확산배리어막으로서 질화물과 삼원계 루테늄막을 함께 이용하면, 산소확산 억제효과가 증대된다.
전술한 반도체장치들에서, 삼원계 루테늄막은 100℃∼900의 온도에서 원자층증착법으로 증착되며, 그 두께는 200Å∼1000Å이다. 결국, 200Å∼1000Å은 산소확산을 억제할 수 있는 최적의 두께로서, 만약 200Å보다 얇은 경우에는 산소확산억제효과가 낮고, 1000Å보다 두꺼우면 산소확산억제효과는 증대되나 집적도가 저하된다.
그리고, RuTiN인 경우, Ru은 50at%∼90at%, Ti는 10at%∼50at%, N은 1at%∼80at%의 조성비를 갖는다. 그리고, RuTiO인 경우, Ru은 50at%∼90at%, Ti은 10at%∼50at%, O는 1at%∼50at%의 조성비를 갖는다.
또한, 전술한 반도체장치들에서, 삼원계 루테늄막을 증착한 후에 삼원계 루테늄막을 조밀화시키고 그 표면에 산소를 충진시키는 개질화 공정을 진행하여 산소확산배리어막의 내산화특성을 더욱 강화시킨다.
개질화 공정의 제1예로서, 열처리 챔버내로 이송시켜 급속열처리(RTP)하는데, 급속열처리는 산소(O2) 분위기, 아르곤과 산소의 혼합분위기(Ar+O2), 또는 질소와 산소의 혼합분위기(N2+O2)에서 이루어지되 100℃∼650℃의 온도에서 1분∼5분동안 진행된다. 이 때, 각각 산소, 아르곤 및 질소의 유량을 변화시키면서 열처리한다.
제2예로서, 챔버내에 산소를 유입한 후 이온화시키고, 반도체기판측의 전기장에 의해 이온화된 산소를 삼원계 루테늄막측으로 가속시키므로써 삼원계 루테늄막을 조밀화시킴과 동시에 막내에 산소를 충진시킨다.
제3예로서, 챔버내에 아르곤을 유입한 후 이온화시키고, 이온화된 아르곤을 삼원계 루테늄막과 충돌시키므로써 삼원계 루테늄막의 막질을 조밀하게 만들어준 후, 산소 이온을 추가로 유입시켜 삼원계 루테늄막상에 균일한 산화막을 형성시킨다.
제4예로서, 챔버내에 질소를 유입한 후 이온화시키고, 이온화된 질소를 삼원계 루테늄막과 충돌시키므로써 삼원계 루테늄막의 막질을 조밀하게 만들어준 후, 산소 이온을 추가로 유입시켜 삼원계 루테늄막상에 균일한 산화막을 형성시킨다.
제5예로서, 챔버내에 질소와 산소를 동시에 유입시킨 후 이온화시키고, 이온화된 질소 및 산소를 삼원계 루테늄막과 충돌시키므로써 삼원계 루테늄막의 막질을 조밀하게 만들어준 후, 이온화된 산소를 이용하여 삼원계 루테늄막상에 균일한 산화막을 형성시킨다.
제6예로서, 챔버내에서 NH4로 열처리하여 삼원계 루테늄막을 조밀화시킨 후 추가로 산소를 유입 및 이온화시킨 후, 이온화된 산소를 이용하여 삼원계 루테늄막상에 균일한 산화막을 형성시킨다.
제7예로서, 챔버내에서 NH4 플라즈마와 산소플라즈마로 삼원계 루테늄막상에 균일한 산화막을 형성시킨다.
제8예로서, 챔버내에서 UV 오존으로 열처리하여 삼원계 루테늄막을 조밀화시킴과 동시에삼원계 루테늄막상에 균일한 산화막을 형성시킨다.
상술한 제2예 내지 제8예를 조합하여 삼원계 루테늄막을 개질화시킬 수도 있으며, 제2예 내지 제8예는 모두 100℃∼650℃의 온도에서 1분∼5분동안 이루어진다.
전술한 반도체장치는 DRAM, FeRAM을 모두 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상술한 본 발명은 유전막 증착 및 열처리중에 발생되는 산소의 확산을 방지할 수 있으므로 캐패시터의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 RuTiN의 원자층증착방법을 설명하기 위한 타이밍도,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 RuTiO의 원자층증착방법을 설명하기 위한 타이밍도,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 RuTiN/RuTiO의 원자층증착방법을 설명하기 위한 공정 흐름도,
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 삼원계루테늄막을 구비한 반도체장치의 소자 단면도,
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 삼원계루테늄막을 구비한 반도체장치의 소자 단면도,
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 삼원계루테늄막을 구비한 반도체장치의 소자 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 반도체기판 12 : 층간절연막
13 : 폴리실리콘플러그 14, 14a : 삼원계 루테늄막
14b : 질화물 15 : 하부전극
16 : 유전막 17 : 상부전극

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    상기 반도체기판상의 층간절연막;
    상기 층간절연막을 관통하여 상기 반도체기판에 이르는 홀에 매립된 플러그;
    상기 플러그 상의 질화물계 산소확산배리어막;
    상기 질화물계 산소확산배리어막 상에 RuTiN(Ru는 50at%∼90at%, Ti는 10at%∼50at%, N은 1at%∼80at%)과 RuTiO(Ru은 50at%∼90at%, Ti은 10at%∼50at%, O는 1at%∼50at%)의 적층막으로 이루어진 200Å∼1000Å 두께의 삼원계루테늄막의 산소확산배리어막; 및
    상기 삼원계루테늄막의 산소확산배리어막에 연결된 상기 층간절연막상의 하부전극과 상기 하부전극상의 유전막과 상기 유전막상의 상부전극으로 이루어진 캐패시터
    를 포함하는 반도체장치.
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