KR100548846B1 - Method for fabricating capacitor with improved doping uniformity - Google Patents
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Abstract
본 발명은 종횡비 증가에 따른 PH3 도핑공정의 효율성 저하를 방지하고, 유전막 증착시 스토리지노드 표면에 저유전층이 형성되는 것을 방지하는데 적합한 캐패시터의 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 캐패시터의 제조 방법은 표면에 MPS 그레인이 성장된 스토리지노드를 형성하는 단계, 상기 스토리지노드에 플라즈마도핑법을 이용하여 인을 도핑시키는 단계, 상기 스토리지노드에 퍼니스도핑법을 이용하여 추가로 인을 도핑한 후에 인시튜로 질화처리하여 상기 스토리지노드 표면에 질화막을 형성하는 단계, 상기 질화막 상에 유전막을 형성하는 단계, 및 상기 유전막 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다.The present invention is to provide a method of manufacturing a capacitor suitable for preventing the decrease in efficiency of the PH 3 doping process according to the increase of the aspect ratio, and to prevent the formation of a low dielectric layer on the storage node surface during the deposition of the dielectric film, the manufacturing of the capacitor of the present invention The method includes forming a storage node having MPS grain grown on a surface, doping phosphorus on the storage node using a plasma doping method, and then injecting additional phosphorus on the storage node using a furnace doping method. Forming a nitride film on the surface of the storage node by TU-nitriding, forming a dielectric film on the nitride film, and forming an upper electrode on the dielectric film.
캐패시터, MPS, 도핑효율, 플라즈마도핑, 퍼니스도핑, 질화처리Capacitor, MPS, Doping Efficiency, Plasma Doping, Furnace Doping, Nitriding
Description
도 1은 종래 기술에 따라 형성한 MPS 캐패시터의 구조를 도시한 도면,1 is a view showing the structure of an MPS capacitor formed according to the prior art,
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터의 제조 방법을 도시한 공정 단면도,2A to 2H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor according to an embodiment of the present invention;
도 3은 스토리지노드내 인의 농도프로파일을 관찰한 결과. 3 is a result of observing the concentration profile of phosphorus in the storage node.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : 반도체 기판 22 : 층간절연막21
23 : 콘택플러그 24 : 식각배리어막23: contact plug 24: etching barrier film
25 : 스토리지노드산화막 26c : 스토리지노드25: storage
26d : MPS 그레인 27 : 실리콘질화막26d: MPS grain 27: silicon nitride film
28 : 유전막 29 : 플레이트28: dielectric film 29: plate
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 캐패시터의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a capacitor.
반도체 소자의 최소 선폭이 감소하고 집적도가 증가하면서 캐패시터가 형성되는 면적도 점차 좁아져 가고 있다. 이렇듯 캐패시터가 형성되는 면적이 좁아지더라도 셀내 캐패시터는 셀당 최소한 요구하는 대략 25fF 이상의 캐패시턴스를 확보하여야 한다. 이와 같이 좁은 면적 상에 높은 캐패시턴스를 가지는 캐패시터를 형성하기 위해, 실리콘산화막(ε=3.8), 질화막(ε=7)을 대체하여 Ta2O5, Al2 O3 또는 HfO2와 같은 높은 유전율을 가지는 물질을 유전체막으로 이용하는 방법, 스토리지노드를 실린더(cylinder)형, 콘케이브(concave)형 등으로 입체화하거나 스토리지노드표면에 MPS(Meta stable-Poly Silicon) 또는 HSG(Hemi Spherical Grain)를 성장시켜 스토리지노드의 유효 표면적을 1.7∼2배 정도 증가시키는 방법 등이 제안되었다.As the minimum line width of semiconductor devices decreases and the degree of integration increases, the area in which capacitors are formed is gradually narrowing. Even if the area where the capacitor is formed is narrowed, the capacitor in the cell must secure a capacitance of at least about 25 fF required per cell. In order to form a capacitor having a high capacitance on such a small area, a high dielectric constant such as Ta 2 O 5 , Al 2 O 3, or HfO 2 is substituted for the silicon oxide film (ε = 3.8) and the nitride film (ε = 7). Method of using a material having a dielectric film as a dielectric film, three-dimensional storage node into a cylinder type, a concave type, or growing a stable stable poly silicon (MPS) or a hemisphere grain (HSG) on the storage node surface. A method of increasing the effective surface area of a storage node by 1.7 to 2 times has been proposed.
이중 스토리지노드 표면에 MPS 또는 HSG를 성장시켜 스토리지노드의 유효 표면적을 넓힌 캐패시터에 관한 기술이 최근에 주로 연구되고 있다. MPS 캐패시터의 제조 방법으로는 비정질실리콘막으로 이루어진 스토리지노드를 형성한 후 실란(Silane, SiH4)계 가스를 시드(seed) 가스로 주입하고 진공 상태에서 이 시드 주위로 실리콘 원자를 이동(migration)시켜 MPS를 성장시키 방법이 알려져 있다. 이때, 시드 가스의 주입시간, 유량 및 온도, 실리콘 원자를 이동시키는 시간, 온도 및 압력은 물론 불순물의 도핑 농도에 따라 실리콘 원자의 이동 속도, 양이 달라져 결과적으로 성장되는 MPS의 크기, 양이 달라지게 된다.Recently, a technique for a capacitor that has grown the effective surface area of a storage node by growing MPS or HSG on a dual storage node surface has been mainly studied. In the manufacturing method of the MPS capacitor, after forming a storage node made of an amorphous silicon film, a silane (Silane, SiH 4 ) -based gas is injected into the seed gas and silicon atoms are migrated around the seed in a vacuum state. A method of growing MPS is known. At this time, the injection time, flow rate and temperature of the seed gas, the time, temperature and pressure of moving the silicon atoms, as well as the moving speed and amount of the silicon atoms vary according to the doping concentration of the impurities, resulting in a different size and amount of the MPS grown. You lose.
현재는 셀과 셀 사이를 격리할 수 있는 한도내에서 캐패시터 구조의 내벽에만 MPS 기술을 접목시킨 이너(inner) 캐패시터 구조가 적용되고 있다.Currently, an inner capacitor structure in which MPS technology is applied only to the inner wall of the capacitor structure is applied to the extent that the cells can be separated from each other.
이러한 종래의 방법에 따라 형성한 MPS 캐패시터의 구조가 도 1에 도시되어 있다.The structure of the MPS capacitor formed according to this conventional method is shown in FIG.
도 1은 종래 기술에 따라 형성한 MPS 캐패시터의 구조를 도시한 도면이다.1 is a view showing the structure of an MPS capacitor formed according to the prior art.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 MPS 캐패시터는 반도체 기판(11) 상에 절연막(12)이 형성되고, 절연막(12)을 관통하는 콘택플러그(13)가 반도체 기판(11)에 연결되며, 표면의 전영역에 MPS 그레인(MPS Grain, 15)이 형성된 스토리지노드(14)가 콘택플러그(13)와 접한다. 그리고, 스토리지노드(14) 상에 유전막(16) 및 플레이트(17)가 형성된다.As shown in FIG. 1, in the conventional MPS capacitor, an
그리고, 스토리지노드(14)는 식각배리어막(18)과 스토리지노드산화막(19)의 적층막에 의해 지지되고 있다.The
도 1에서, MPS 그레인(15)이 형성된 스토리지노드(14)를 형성한 후에는 전도성 확보를 위해 PH3 도핑공정을 진행하여 스토리지노드(14)에 인(Phosphorous)을 도핑시킨다.In FIG. 1, after forming the
최근에, 0.13㎛ 이하의 회로선폭을 가지는 고집적 DRAM 소자를 개발함에 따라 셀크기가 줄어들고 캐패시터의 캐패시턴스를 확보하기 위해 스토리지노드의 높이를 증가시켜야만 하고, 이는 스토리지노드의 종횡비(Aspect ratio) 증가를 초래 한다.Recently, with the development of highly integrated DRAM devices having a circuit line width of 0.13 μm or less, the cell size has to be reduced and the height of the storage node has to be increased in order to secure the capacitance of the capacitor, which leads to an increase in the aspect ratio of the storage node. do.
그러나, 이와 같이 스토리지노드의 종횡비가 증가하면 MPS 그레인이 형성된 스토리지노드에 진행하는 PH3 도핑공정의 효율성이 저하되어 인 도핑이 제대로 이루어지지 않아 소자동작시 하부전극에서 공핍층이 형성되어 캐패시턴스의 감소를 초래한다. 예컨대, 스토리지노드의 높이가 증가하면 PH3 도핑공정시 콘택플러그에 접하는 스토리지노드의 바닥부분까지 충분히 도핑하는 것이 어렵다.However, if the aspect ratio of the storage node is increased, the efficiency of PH 3 doping process on the storage node having the MPS grain is reduced, and phosphorous doping is not performed properly. Thus, a depletion layer is formed at the lower electrode during device operation, thereby reducing capacitance. Results in. For example, when the height of the storage node is increased, it is difficult to sufficiently dope the bottom of the storage node in contact with the contact plug during the PH 3 doping process.
또한, 종래 기술은 유전막 증착시 스토리지노드의 일부가 산화되어 SiO2와 같은 저유전층이 형성되어 캐패시턴스의 감소를 초래한다.In addition, in the prior art, a portion of the storage node is oxidized during the deposition of a dielectric film to form a low dielectric layer such as SiO 2 , resulting in a decrease in capacitance.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 종횡비 증가에 따른 PH3 도핑공정의 효율성 저하를 방지하고, 유전막 증착시 스토리지노드 표면에 저유전층이 형성되는 것을 방지하는데 적합한 캐패시터의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, a capacitor suitable for preventing the degradation of the efficiency of the PH 3 doping process due to the increase in the aspect ratio, and to prevent the formation of a low dielectric layer on the storage node surface during the deposition of the dielectric film It is an object to provide a manufacturing method.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캐패시터의 제조 방법은 표면에 MPS 그레인이 성장된 스토리지노드를 형성하는 단계, 상기 스토리지노드에 플라즈마도핑법을 이용하여 인을 도핑시키는 단계, 상기 스토리지노드에 퍼니스도핑법을 이용하여 추가로 인을 도핑한 후에 인시튜로 질화처리하여 상기 스토리지노드 표면에 질화막을 형성하는 단계, 상기 질화막 상에 유전막을 형성하는 단계, 및 상기 유전막 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 플라즈마도핑법을 이용하여 인을 도핑시키는 단계는, 1torr∼2torr의 압력하에서 300W∼450W의 플라즈마파워를 인가하고, PH3 가스를 300sccm∼450sccm의 유량으로 흘려주면서 70초∼140초동안 진행하는 것을 특징으로 하며, 상기 퍼니스도핑법을 이용하여 추가로 인을 도핑하는 단계는 600℃∼700℃의 공정온도와 5torr∼20torr의 압력하에서 PH3 가스를 100sccm∼200sccm의 유량으로 흘려주면서 1시간∼2시간동안 진행하는 것을 특징으로 하고, 상기 질화처리는 상기 퍼니스도핑법을 진행한 퍼니스에서 650℃∼800℃의 온도와 5torr∼30torr의 압력하에서 NH3 가스를 1000sccm∼5000sccm의 유량으로 흘려주면서 30분∼120분동안 진행하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a capacitor of the present invention, the method comprising: forming a storage node having MPS grain grown on a surface thereof, doping phosphorus by using a plasma doping method on the storage node, and furnace doping the storage node. Further doping phosphorus using a method, followed by nitriding in situ to form a nitride film on the storage node surface, forming a dielectric film on the nitride film, and forming an upper electrode on the dielectric film. In the doping of phosphorus using the plasma doping method, the plasma power of 300 W to 450 W is applied under a pressure of 1 tor to 2 torr, and the PH 3 gas is flowed at a flow rate of 300 sccm to 450 sccm. It is characterized in that for proceeding from seconds to 140 seconds, and further doping the phosphorus using the furnace doping method The process is carried out for 1 hour to 2 hours while flowing a pH 3 gas at a flow rate of 100 sccm to 200 sccm under a process temperature of 600 ° C. to 700 ° C. and a pressure of 5 tor to 20 tor, and the nitriding treatment proceeds with the furnace doping method. It is characterized in that the furnace is run for 30 minutes to 120 minutes while flowing NH 3 gas at a flow rate of 1000 sccm to 5000 sccm at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C. and a pressure of 5 tor to 30 tor in one furnace.
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.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터의 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.2A to 2H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor according to an embodiment of the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이, 트랜지스터 등의 하부 구조가 형성된 반도체기판(21) 상에 층간절연막(22)을 형성하고, 반도체기판(21)의 불순물 영역과 스토리지노드를 전기적으로 연결하기 위한 콘택홀을 형성한 후, 여기에 도전성 물질을 적층하고 화학적기계적연마나 에치백으로 평탄화하여 콘택플러그(23)를 형성한다. 이어서, 전면에 식각배리어막(24)을 증착하고, 식각배리어막(24) 상에 PE-TEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyl Ortho Silicate), BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass), PSG(Phoshporus Silicate Glass) 또는 USG(Undoped Silicate Glass)와 같은 스토리지노드산화막(Storagenode oxide)을 증착한다. 이때, 스토리지노드산화막은 15000Å∼30000Å 두께로 형성한다. As shown in FIG. 2A, an interlayer
다음에, 스토리지노드산화막과 식각배리어막(24)을 순차적으로 식각하여 스토리지노드를 형성할 영역의 콘택플러그(23)를 노출시키는 스토리지노드간 분리막패턴(25)을 형성한다. 이때, 식각배리어막(24)은 스토리지노드간 분리막패턴(25)의 형성시 산화막의 식각을 정지시키는 막으로서, 스토리지노드간 분리막 패턴(25)과 식각선택비가 좋은, 예컨대 실리콘질화막(silicon nitride)으로 형성한다. 이와 같은 식각배리어막(24)은 높이가 높은 스토리지노드를 측면에서 지탱하는 역할을 하여 기계적인 강도 면에서는 더욱 뛰어난 스토리지노드를 얻을 수 있다.Subsequently, the storage node oxide layer and the
한편, 식각배리어막(24)의 적층 순서는 바꿀 수도 있다. 즉, 층간절연막(22)과 식각배리어막(24)을 적층 형성하고, 콘택홀 및 콘택플러그(23)를 형성한 후, 전면에 스토리지노드간 분리막패턴(25)을 형성하기 위한 스토리지노드산화막을 형성할 수 있다. In addition, the stacking order of the
도 2b에 도시된 바와 같이, 스토리지노드간 분리막패턴(25)을 포함한 전면에 불순물이 도핑된 제1비정질실리콘막(26a)과 불순물이 전혀 도핑되지 않은 제2비정 질실리콘막(26b)을 인시튜로 연속해서 형성한다.As shown in FIG. 2B, the first
이렇게 불순물이 도핑된 제1비정질실리콘막(26a)과 불순물이 전혀 도핑되지 않은 제2비정질실리콘막(26b)을 인시튜로 형성하는 이유는, 불순물의 도핑 농도가 고농도인 비정질실리콘막에서는 실리콘 원자가 거의 이동되지 않아 실리콘그레인이 성장되지 않고 불순물이 도핑되지 않은 비정질실리콘막에서는 실리콘 원자가 빠르게 이동되어 실리콘그레인이 용이하게 성장되는 현상을 이용하기 위한 것이다. 즉, 불순물이 도핑된 제1비정질실리콘막(26a)은 이후에 스토리지노드의 실린더 형태의 골격을 이루는 외벽이 되고, 불순물이 도핑되지 않은 제2비정질실리콘막(26b)은 실린더 형태의 내벽에 형성되는 MPS 그레인으로 된다. 따라서, 이 MPS 그레인으로 되는 제2비정질실리콘막(26b)의 실리콘 원자가 거의 대부분 이동하여 MPS 그레인으로 성장하더라도 제1비정질실리콘막(26a)에서 실리콘 원자의 이동이 정지되어 스토리지노드의 골격을 이루도록 하기 위해서 제1비정질실리콘막(26a)의 도핑 농도를 높게 한다. The reason for forming the first
이와 같은 제1,2비정질실리콘막(26a, 26b) 인시튜 증착시, 제1비정질실리콘막(26a)에 도핑되는 불순물로는 인(P)을 사용할 수 있고, 제1비정질실리콘막(26a)의 증착과 동시에 인(P)을 도핑할 수 있다. 이때, 인(P)의 도핑 농도는 실리콘 소스가스 대비 인(P)을 함유한 불순물 소스가스의 유량을 조절함으로써 조절할 수 있는데, 실리콘 소스가스로는 실란(silane), 디실란(disilane), 트리실란(trisilane), 디클로로실란(dichlorosilane) 등 실란계 가스를 사용하고, 인을 함유한 불순물소스가스는 PH3 가스를 사용한다. 예컨대, 제1비정질실리콘막(26a)은 실란(SiH4) 가스와 PH3 가스를 이용하여 증착하고, 제2비정질실리콘막(26b)은 SiH4 가스만을 이용하여 증착한다.During such in-situ deposition of the first and second
그리고, 제1비정질실리콘막(26a)의 인(P) 도핑 농도는 실리콘 원자를 이동시키는 시간, 성장시킬 MPS 그레인의 크기 등을 고려하여 설정하는데, 본 발명은 SIMS를 이용하여 1E20∼3E21/cm3 정도의 도핑농도를 갖도록 한다. 이러한 1.0E20/cm3∼3E21cm3 정도의 인(P) 도핑 농도는 도핑부족에 의한 스토리지노드의 공핍(depletion)을 억제할 수 있는 도핑농도이다.The phosphorus (P) doping concentration of the first
한편, 제1비정질실리콘막(26a)과 제2비정질실리콘막(26b)의 두께는 원하는 소자의 집적도나 스토리지노드의 높이, 폭 등에 따라 결정되는데, 본 발명에서는 각각 100Å∼300Å 정도로 한다. 그리고, 제1비정질실리콘막(26a)과 제2비정질실리콘막(26b)의 인시튜 증착시 증착온도는 500℃∼530℃를 유지하도록 하는데, 이는 530℃ 이상의 온도에서 실리콘막을 증착하면 비정질이 아닌 결정질의 형태를 갖기 때문이다. 결정질 실리콘막에서는 MPS 그레인을 성장시킬 수 없다.On the other hand, the thickness of the first
도 2c에 도시된 바와 같이, 스토리지노드간 분리막패턴(25)의 상부에 형성된 제1비정질실리콘막(26a) 및 제2비정질실리콘막(26b)을 화학적기계적 연마나 에치백 등의 방법으로 제거하여 제1비정질실리콘막(26a)과 제2비정질실리콘막(26b)의 이중층으로 되는 실린더(26)를 형성한다. 여기서, 제1비정질실리콘막(26a) 및 제2비정 질실리콘막(26b)을 제거할 때 연마재나 식각된 입자 등의 불순물이 실린더(26) 내부에 부착되는 등의 우려가 있으므로, 단차피복성이 좋은 예컨대, 포토레지스트로 실린더(26) 내부를 모두 채운 후에, 스토리지노드간 분리막패턴(25)이 노출될 때까지 연마 또는 에치백을 수행하고, 실린더(26) 내부의 포토레지스트를 애싱(ashing)하여 제거하는 것이 좋다. As illustrated in FIG. 2C, the first
도 2d에 도시된 바와 같이, 스토리지노드(26c)의 내벽에 MPS 그레인(26d)을 성장시킨다. 여기서, 스토리지노드(26c)는 제1비정질실리콘막(26a)가 결정질화된 것이고, MPS 그레인(26d)은 제2비정질실리콘막(26b)이 결정질화된 것이다.As shown in FIG. 2D,
MPS 그레인(26d)을 성장시키는 방법은, 제2비정질실리콘막(26b) 표면에 실란계 가스를 이용하여 실리콘시드를 형성한 후, 600℃∼650℃의 온도에서 어닐링하여 실리콘을 이동시키므로써 이루어진다. 즉, 불순물이 도핑되지 않은 제2비정질실리콘막(26b)이 MPS 그레인(26d)으로 성장한다.The method of growing the
이렇게 MPS 그레인(26d)을 성장시킬 때, 제1비정질실리콘막(26a)내 실리콘원자의 이동이 억제되는 반면 제2비정질실리콘막(26b)의 실리콘 원자는 이동하여 MPS그레인(26d)으로 성장되고, 아울러 600℃∼650℃의 어닐링에 의해 제1비정질실리콘막(26a)과 MPS 그레인(26b)이 결정질화된다. 이때, 특히 MPS 그레인(26b)의 크기를 크게 하기 위해, 제2비정질실리콘막(26b)의 실리콘 원자가 대부분 이동되어 MPS 그레인(26b)으로 성장하게 하면, 제2비정질실리콘막(26b)의 실리콘 원자가 대부분 소진되어 MPS 그레인(26d)으로 성장하고 성장된 MPS 그레인(26d)들의 사이사이에는 제1비정질실리콘막(26a)이 드러날 수 있다. 이렇게, 제2비정질실리콘막(26b)이 소 진되어 MPS 그레인(26d)으로 성장하더라도 인(P)의 도핑 농도가 높은 제1비정질실리콘막(26a)에서는 실리콘 원자의 이동이 소량으로 억제되므로 최소한 제1비정질실리콘막(26a) 두께 만큼의 스토리지노드 골격이 유지된다. When the
이와 같이, 결정질화된 제1비정질실리콘막(26a)은 스토리지노드(26c)가 되고, 스토리지노드(26c) 표면에 MPS 그레인(26d)이 성장되는 구조가 형성된다.As described above, the crystalline first
도 2e에 도시된 바와 같이, 스토리지노드(26c) 및 MPS 그레인(26d)가 가져야 하는 전도성, 예컨대 스토리지노드(26c) 및 MPS 그레인(26d)의 인(P)의 도핑 농도를 확보하기 위해 PH3 도핑 공정을 진행한다. As shown in FIG. 2E, PH 3 is required to ensure the doping concentration of phosphorus (P) of the
PH3 도핑공정을 진행하기에 앞서 PH3 도핑공정의 도핑효율을 높이기 위해 HF 케미컬 내지 BOE 케미컬을 사용하여 MPS 그레인(26d)이 성장된 스토리지노드(26c) 표면을 세정한다.Using the HF chemical to BOE chemical to increase the doping efficiency of PH 3 doping step prior to proceeding with the PH 3 doping process to be cleaned the growth storage node (26c) grain surfaces MPS (26d).
상기한 PH3 도핑공정은 MPS 그레인(26d)에 인(P)을 도핑함과 동시에 이미 도핑이 이루어진 스토리지노드(26c) 내의 인(P)의 도핑 농도를 증가시키기 위한 것이다.The above-described PH 3 doping process is to increase the doping concentration of phosphorus (P) in the
PH3 도핑 공정의 방법으로는 플라즈마 도핑법을 이용한다. 여기서, 플라즈마 도핑법은 챔버내에 PH3 가스의 플라즈마를 발생시켜 인을 도핑시키는 방법으로 도핑공정을 진행하는 것이며, 이때 플라즈마파워는 300W∼450W로 하고, PH3 가스의 유량은 300sccm∼450sccm로 하며, 압력은 1torr∼2torr로 하고, 도핑 시간은 70초∼140 초로 한다. The plasma doping method is used as a method of the PH 3 doping process. Here, the plasma doping method is a method of doping the phosphorus by generating a plasma of the PH 3 gas in the chamber, the plasma power is 300W ~ 450W, the flow rate of PH 3 gas is 300sccm ~ 450sccm The pressure is 1 to 2 tor, and the doping time is 70 to 140 seconds.
상기한 바와 같은 플라즈마도핑법은 스토리지노드(26c)의 표면, 즉 불순물이 전혀 도핑되어 있지 않은 MPS 그레인(26d)에 인(P)을 물리적으로 도핑시키는 것으로, 스토리지노드(26c) 표면의 도핑농도는 충족시킬 수 있지만 콘택플러그(23)와 접하는 바닥부분의 도핑농도를 충족시키기에는 부족하다. The plasma doping method as described above physically doped phosphorus (P) on the surface of the
따라서, 본 발명은 후속 공정으로 퍼니스 도핑법(furnace)을 추가로 진행하므로써 콘택플러그(23)와 접하는 바닥부분까지 도핑을 충분히 시켜주어 스토리지노드(26c)의 전영역에 걸쳐 균일한 도핑농도를 갖도록 한다.Accordingly, the present invention further provides a doping concentration to the bottom portion in contact with the
도 2f에 도시된 바와 같이, 추가 PH3 도핑공정으로서 퍼니스도핑법을 진행한다. 여기서, 퍼니스도핑법은 퍼니스(Furnace)를 이용한 열처리를 통해 도핑공정을 진행하는 것이며, 이때 공정온도는 600℃∼700℃으로 하고, PH3 가스의 유량은 100sccm∼200sccm로 하며, 압력은 5torr∼20torr로 하고, 도핑 시간은 1시간∼2시간으로 한다. As shown in FIG. 2F, the furnace doping method is carried out as an additional PH 3 doping process. Here, the furnace doping method is to proceed the doping process through the heat treatment using the furnace (Furnace), the process temperature is 600 ℃ ~ 700 ℃, the flow rate of PH 3 gas is 100sccm ~ 200sccm, the pressure is 5torr ~ It is 20 torr and doping time is 1 hour-2 hours.
한편, 플라즈마도핑법을 진행하지 않고 바로 퍼니스도핑법을 진행하는 경우에는 콘택플러그(23)와 접하는 바닥부분까지 도핑농도를 충족시킬 수 있으나, 장시간의 열처리로 인해 스토리지노드(26c) 표면의 인(P)이 과다하게 확산하게 되면 요구되는 표면 농도를 얻을 수 없는 단점이 있다. On the other hand, in the case where the furnace doping method is performed immediately without performing the plasma doping method, the doping concentration may be satisfied up to the bottom portion in contact with the
따라서, 본 발명에서는 플라즈마도핑법과 퍼니스도핑법이 갖고 있는 각각의 장점을 결합하여 PH3 도핑공정을 진행하므로써 스토리지노드(26c)의 전영역에 걸쳐 균일한 도핑농도를 갖도록 한다.Therefore, the present invention combines the advantages of the plasma doping method and the furnace doping method to provide a uniform doping concentration over the entire area of the
위와 같이, 플라즈마도핑법과 퍼니스도핑법을 결합한 PH3 도핑공정은, 표면 도핑농도를 확보하면서 콘택플러그(23)와 접하는 바닥부분의 도핑농도까지 충분히 균일하게 충족시킬 수 있으므로, 스토리지노드(26c)와 콘택플러그(23)간 콘택저항 확보 및 스토리지노드(26c)의 전도성 확보를 위해 가장 바람직한 방법이라 할 수 있다.As described above, the PH 3 doping process combining the plasma doping method and the furnace doping method can sufficiently meet the doping concentration of the bottom portion in contact with the
상기한 퍼니스도핑후에, PH3 가스의 공급을 중단하고 인시튜(insitu)로 질화(nitridation) 공정을 진행한다. 이때, 질화공정을 진행하는 이유는, 후속 유전막 증착시 스토리지노드(26c) 표면이 산화되는 것을 방지하기 위한 산화방지막(Oxidation barrier)을 형성하기 위한 것이다.After the furnace doping, the supply of the PH 3 gas is stopped and the nitriding process is performed in situ. In this case, the nitriding process is performed to form an oxidation barrier for preventing the surface of the
상기한 질화 공정시, NH3 가스를 1000sccm∼5000sccm의 유량으로 흘려주되, 공정온도는 650℃∼800℃으로 하고, 압력은 5torr∼30torr로 하고, 질화 시간은 30분∼120분으로 한다. 이와 같은 질화 공정후에 MPS 그레인(26c)이 성장된 스토리지노드(26c) 표면에는 실리콘질화막(Si3N4, 27)이 5Å∼15Å 두께로 형성된다.In the nitriding process described above, NH 3 gas is flowed at a flow rate of 1000 sccm to 5000 sccm, the process temperature is 650 ° C. to 800 ° C., the pressure is 5 tor to 30 tor, and the nitriding time is 30 to 120 minutes. After such a nitriding process, silicon nitride films (Si 3 N 4 , 27) are formed on the surface of the
도 2g는 인시튜 질화공정까지 완료된 구조를 도시하고 있다.Figure 2g shows the structure completed until the in-situ nitriding process.
도 2g에 도시된 것처럼, 스토리지노드(26c) 표면 상부에 실리콘질화막(27)을 형성하면, 후속 유전막 증착시 스토리지노드(26c)에 과도하게 발생하는 산화층을 억제시켜주는 산화방지막 역할을 하여 캐패시턴스를 향상시킨다.As shown in FIG. 2G, when the
아울러, 실리콘질화막(27)이 스토리지노드(26c)에 도핑된 인(P)이 외확산(out-diffusion)되는 것을 방지하는 역할을 하고, 또한 퍼니스에서 650℃∼800℃의 온도로 질화공정을 진행함에 따라 도핑된 인의 활성화를 최적화시켜 소자동작시에 스토리지노드(26c)에서 공핍층이 발생하는 것을 최소화시킨다. 한편, 실리콘질화막(27)을 형성하지 않으면, 비록 플라즈마도핑법과 퍼니스도핑법에 의해 인을 충분히 도핑시켰다고 하더라도 후속 고온의 열공정시 도핑된 인(P)의 외확산이 발생하여 오히려 인(P)의 도핑농도를 감소시키는 결과를 초래한다.In addition, the
따라서, 플라즈마 PH3 도핑, 퍼니스 PH3 도핑 및 인시튜 질화공정은 연속적으로 진행해야만 위에서 열거한 효과들을 얻을 수 있다.Therefore, the plasma PH 3 doping, furnace PH 3 doping and in situ nitriding processes must be carried out continuously to obtain the effects listed above.
다음으로, 도 2h에 도시된 바와 같이, 실리콘질화막(27)을 포함한 전면에 유전막(28)과 플레이트(29)를 순차적으로 형성한다.Next, as shown in FIG. 2H, the
유전막(28)은 Al2O3, HfO2 또는 Ta2O5 중에서 선택되고, 단차피복성이 좋고 저온공정이 가능한 원자층증착법(ALD)을 이용하여 30Å∼100Å 두께로 증착한다. 예컨대, Al2O3의 원자층증착방법은, 알루미늄소스인 TMA[Tri Methyl Aluminum, Al(CH3)3]를 0.1초∼5초간 플로우시켜 실리콘질화막(27) 표면에 흡착시킨 후, 원자층을 형성하는 TMA 이외의 미반응 TMA를 제거하기 위해 N2 가스를 0.1초∼5초간 플로우시킨다. 다음으로, 반응가스인 O3 가스를 0.1초∼5초간 플로우시켜 흡착된 TMA와의 반응을 유도하여 실리콘질화막 표면상에 Al2O3 원자층이 형성되도록 한다. 다음으로, 미반응 O3 가스 및 반응부산물을 제거하기 위해 N2 가스를 0.1초∼5초간 플 로우시킨다. 상기한 바와 같은 TMA 소스 공급, 퍼지, O3 가스 공급 및 퍼지의 과정을 반복적으로 실시하여 원하는 두께의 Al2O3를 증착한다.The
유전막(28) 증착후에는 막내 불순물 제거를 통한 막질 향상을 위해 N2 분위기에서 RTP(Rapid Thermal Process)나 퍼니스를 이용하여 열처리한다. 이때, RTP 열처리는 500℃∼750℃의 온도와 50torr∼760torr의 압력하에서 10분∼60분동안 실시하며, 퍼니스 열처리는 500℃∼800℃의 온도와 50torr∼760torr의 압력하에서 10초∼30초동안 실시한다.After deposition of the
다음으로, 플레이트(29)는 도핑된 폴리실리콘을 1500Å∼3000Å 두께로 형성하여 SIS(Silicon Insulator Silicon) 캐패시터를 형성하거나, TiN(200Å∼500Å)과 도핑된 폴리실리콘(1500Å∼3000Å)의 적층막으로 형성하여 MIS(Metal Insulator Silicon) 캐패시터를 형성할 수 있다.Next, the
전술한 실시예에서는 콘케이브 형태의 캐패시터에 대해 설명하였으나, 본 발명은 실린더 형태의 캐패시터 제조시에도 적용가능하다.In the above-described embodiment, the capacitor of the concave type has been described, but the present invention is also applicable to the manufacture of the capacitor of the cylinder type.
예컨대, 플라즈마도핑법을 이용한 PH3 도핑공정을 완료한 후에, 스토리지노드산화막(25)을 HF 또는 BOE 용액을 이용하여 습식제거하고, 계속해서 퍼니스도핑법을 이용한 PH3 도핑 공정 및 인시튜 질화 공정을 진행한다. 후속 공정으로, 유전막(28) 및 플레이트(29)를 형성한다.For example, after the completion of the PH 3 doping process using plasma doping, the storage
도 3은 스토리지노드내 인의 농도프로파일을 관찰한 결과이다. 예컨대, 스토 리지노드의 골격을 형성하는 도우프드 비정질실리콘막을 100Å, MPS 그레인을 형성하는 언도우프드 비정질실리콘막을 300Å, MPS 그레인과 접하는 유전막으로서 Al2O3를 40Å 두께로 형성한 경우의 결과이다. 그리고, 커브C1는 700℃/5torr/PH3 300sccm/N2 400sccm/2시간 조건으로 퍼니스도핑한후 NH3 분위기에서 725℃/20torr/NH3 500sccm/1시간 조건으로 어닐링한 결과이고, 커브 C2는 700℃/5torr/PH3 100sccm/N2 400sccm/2시간 조건으로 퍼니스도핑한 결과이며, 커브C3는 300W/PH3 300sccm/1torr/70초 조건으로 플라즈마도핑한 결과이고, 커브 C4은 450W/PH3 450sccm/2torr/70초 조건으로 플라즈마도핑한 결과이다.3 is a result of observing the concentration profile of phosphorus in the storage node. For example, 100 Å of the doped amorphous silicon film forming the backbone of the storage node, 300 Å of the undoped amorphous silicon film forming the MPS grain, and 40 Å of Al 2 O 3 as the dielectric film contacting the MPS grain are formed. . Curve C1 is the result of annealing the furnace at 725 ° C./20 torr /
도 3에 나타난 바와 같이, 퍼니스도핑법을 사용한 커브C1과 커브C2는 스토리지노드와 유전막 계면에서 가장 높은 인농도를 유지하고 있고, 스토리지노드 내부로 들어갈수록 인 도핑농도가 현저히 떨어지는 특성을 나타내고 있다.As shown in FIG. 3, the curves C1 and C2 using the furnace doping method maintain the highest phosphorus concentration at the storage node and the dielectric layer interface, and show that the phosphorus doping concentration is remarkably decreased as they enter the storage node.
반면에 플라즈마도핑법을 적용한 커브C3와 커브C4는 스토리지노드 내부의 전체 인도핑농도수준은 퍼니스도핑법의 경우보다 5E20/cm3∼6E20/cm3 정도 높게 나타났다.On the other hand, the plasma doping curves C3 and C4 showed higher total doping concentration levels in the storage node by 5E20 / cm 3 to 6E20 / cm 3 than the furnace doping method.
하지만, 도핑된 인의 피크(peak) 농도는 4.2E21/cm3∼4.3E21/cm3 수준으로 퍼니스도핑법과 동일한 수준으로 나타내고, 이 피크농도가 스토리지노드 내부 80Å∼120Å 지점에 존재하였다.However, the peak concentration of the doped phosphorus was 4.2E21 / cm 3 to 4.3E21 / cm 3 , the same level as that of the furnace doping method, and the peak concentration was present at 80 Å to 120 Å within the storage node.
이렇게 피크 농도가 스토리지노드 내부에 존재하여 유전막과의 계면에서의 인농도가 떨어지면 캐패시터의 공핍을 증가시키는 문제를 일으키게 된다.If the peak concentration is present inside the storage node and the phosphorus concentration at the interface with the dielectric film is lowered, it causes a problem of increasing the depletion of the capacitor.
따라서, 본 발명에서는 플라즈마도핑법과 퍼니스도핑법을 혼합하여 연속으로 진행하므로써, MPS 그레인이 성장된 스토리지노드(26c)의 전체 인 농도를 높임과 동시에 유전막과 접하는 스토리지노드(26c) 표면의 MPS 그레인(26d)의 균일한 인농도를 1E21/cm3 이상으로 높게 유지시킬 수 있다. 이로써 MPS 그레인(26d)이 성장된 스토리지노드(26c)와 콘택플러그(23)간 콘택저항을 확보하면서 스토리지노드(26c)의 전영역의 전도성을 충분히 확보할 수 있다.Therefore, in the present invention, by mixing the plasma doping method and the furnace doping method, the MPS grains on the surface of the
그리고, 본 발명을 적용하여 95㎚ 소자에서 전기적 특성을 평가한 결과, 캐패시턴스가 3fF/cell 이상 증가하는 효과를 얻었고, 이처럼 캐패시턴스를 3fF/cell을 향상시킨 것은 유효산화막두께(Tox)로 환산하면 4Å을 감소시키는 것과 동일한 효과이다.In addition, as a result of evaluating the electrical characteristics of the 95nm device by applying the present invention, the capacitance was increased by more than 3fF / cell, the capacitance is increased to 3fF / cell in terms of effective oxide film thickness (Tox) is 4Å It is the same effect as reducing it.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 바와 같은 본 발명은 스토리지노드의 산화 감소 및 인의 도핑극대화 에 따른 전체적인 캐패시턴스 향상의 효과와 캐패시턴스변화량 감소를 통해 캐패시턴스가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
As described above, the present invention can obtain the effect of improving the capacitance through the reduction of the capacitance change and the effect of improving the overall capacitance due to reduction of oxidation of the storage node and maximization of doping of phosphorus.
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KR100715384B1 (en) * | 1999-03-12 | 2007-05-07 | 가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼 | Wafer holding head and wafer polishing apparatus, and method for manufacturing wafers |
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