KR100580747B1 - Method of manufacturing a high dielectric capacitor - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 고유전체 캐패시터의 제조 방법은 반도체 기판상에 형성된 층간 절연막을 패터닝하여 접합부가 노출되도록 콘택홀을 형성하고 상기 콘택홀내에 플러그를 형성하는 단계와, 전체 상부면에 제 1 절연막을 형성한 후 상기 제 1 절연막상에 플레이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 플레이트 전극상에 제 2 절연막을 형성한 후 상기 제 2 절연막 및 플레이트 전극을 순차적으로 패터닝하는 단계와, 전체 상부면에 유전체막을 형성한 후 열처리하는 단계와, 상기 유전체막상에 금속층을 형성한 후 상기 제 2 절연막이 노출될 때까지 상기 금속층 및 유전체막을 전면식각하여 패터닝된 상기 제 2 절연막과 플레이트 전극의 측벽에만 상기 유전체막과 금속 스페이서가 잔류되도록 하는 단계와, 노출된 부분의 상기 제 1 절연막을 제거하여 상기 플러그를 노출시킨 후 상기 플러그를 포함하는 전체 상부면에 금속층을 형성하고 상기 제 2 절연막상에 증착된 금속층을 제거하여 상기 플러그와 연결된 실린더 형태의 저장전극이 형성되도록 하는 단계를 포함하여 이루어진다.A method of manufacturing a high dielectric capacitor according to the present invention comprises the steps of: forming a contact hole to expose a junction by patterning an interlayer insulating film formed on a semiconductor substrate, and forming a plug in the contact hole, and forming a first insulating film on the entire upper surface And forming a plate electrode on the first insulating film, forming a second insulating film on the plate electrode, and then sequentially patterning the second insulating film and the plate electrode, and forming a dielectric film on the entire upper surface. And then heat treating, forming a metal layer on the dielectric layer, and then etching the metal layer and the dielectric layer by etching the entire surface of the metal layer and the dielectric layer until the second insulating layer is exposed. Allowing the spacer to remain and removing the exposed first insulating film of the exposed portion After exposing the made by forming a metal layer on the entire upper surface including the plug comprises such a storage electrode of a cylindrical shape connected to the plug is formed by removing a metal layer deposited on said second insulating layer.
캐패시터, 고유전체, 금속전극, 금속성 산화막Capacitors, high dielectric materials, metal electrodes, metallic oxide films
Description
도 1a 내지 1d는 종래의 고유전체 캐패시터 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.1A to 1D are cross-sectional views of a device for explaining a conventional high dielectric capacitor manufacturing method.
도 2a 내지 2e는 본 발명에 따른 고유전체 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.2A to 2E are cross-sectional views of devices for explaining a method of manufacturing a high dielectric capacitor according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 및 11: 반도체 기판 2 및 12: 접합부1 and 11:
3 및 13: 층간절연막 4 및 14: 플러그3 and 13: interlayer
4a 및 14a: 폴리실리콘 4b 및 14b: 확산방지막4a and 14a:
5: 산화막 6 및 20: 저장전극5:
7 및 18: 유전체막 8: 금속성 산화막7 and 18: dielectric film 8: metallic oxide film
15 및 17: 제 1 및 제 2 절연막 16: 플레이트 전극15 and 17: first and second insulating film 16: plate electrode
19: 금속 스페이서
19: metal spacer
본 발명은 반도체 소자의 고유전체 캐패시터 제조 방법에 관한 것으로, 특히 금속전극, 고유전체 및 금속전극으로 이루어지는 고유전체 캐패시터의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a high dielectric capacitor of a semiconductor device, and more particularly, to a method of manufacturing a high dielectric capacitor consisting of a metal electrode, a high dielectric material and a metal electrode.
일반적으로 디램(DRAM)과 같은 반도체 메모리 소자의 집적도가 증가됨에 따라 칩(Chip)에서 메모리 셀(Memory Cell)이 차지하는 면적은 급격하게 축소된다. 그러나 소자의 동작을 위해서는 단위 메모리 셀당 일정량 이상의 정전용량 (Capacitance)이 반드시 확보되어야 하는데, 이를 위해 메모리 셀의 동작에 필요한 정전용량은 그대로 유지시키면서 캐패시터가 차지하는 면적을 최소화시킬 수 있는 공정기술의 개발이 요구된다.In general, as the degree of integration of semiconductor memory devices such as DRAM increases, the area occupied by memory cells in a chip is rapidly reduced. However, for the operation of the device, a certain amount of capacitance per unit memory cell must be secured. To this end, the development of a process technology that minimizes the area occupied by the capacitor while maintaining the capacitance required for the operation of the memory cell is required. Required.
제한된 면적내에서 소자의 동작에 필요한 정전용량을 확보하기 위해서는 저장전극의 유효 표면적을 증가시키거나 유전특성이 향상된 유전체를 사용해야 하는데, 소자에 적용될 수 있는 유전체는 5Å 이하 두께(Tox)의 평판에서 0.1fA/㎛2 이하의 누설전류 특성을 가져야 한다.In order to secure the capacitance necessary for the operation of the device within a limited area, it is necessary to increase the effective surface area of the storage electrode or to use a dielectric having improved dielectric properties. It should have a leakage current characteristic of fA / µm 2 or less.
이러한 요구에 따라 4기가(G) 이상의 메모리 용량을 갖는 소자의 제조 공정에서는 산화막/질화막/산화막으로 이루어지는 종래의 유전체보다 높은 유전율을 갖는 고유전체를 이용하고, 캐패시터의 구조를 MIM(Metal Insulator Metal) 즉, 금속전극, 고유전체 및 금속전극으로 이루어진 형태로 형성하며, 또한 저장전극의 구조를 적층(Stack) 또는 실린더(Cylinder) 형태로 만들어 충분한 정전용량을 확보할 수 있도록 한다.In accordance with these requirements, in the manufacturing process of a device having a memory capacity of 4 gigabytes (G) or more, a high dielectric constant having a higher dielectric constant than a conventional dielectric consisting of an oxide film, a nitride film, and an oxide film is used, and the structure of the capacitor is MIM That is, it is formed in the form of a metal electrode, a high dielectric material and a metal electrode, and also to ensure a sufficient capacitance by making the structure of the storage electrode in the form of a stack (Stack) or cylinder (Cylinder).
그러면 상하부 전극이 금속으로 이루어진 MIM 구조를 갖는 종래의 캐패시터 제조 방법을 도 1a 내지 도 1d를 통해 설명하면 다음과 같다.Then, the conventional capacitor manufacturing method having the MIM structure of the upper and lower electrodes made of metal will be described with reference to FIGS. 1A to 1D.
도 1a는 접합부(2)가 형성된 반도체 기판(1)상에 층간절연막(3)을 형성한 후 상기 접합부(2)가 노출되도록 상기 층간절연막(3)을 패터닝하여 콘택홀을 형성하고 상기 콘택홀내에 플러그(4)를 형성한 상태의 단면도이다.In FIG. 1A, after forming an
여기서, 상기 플러그(4)는 폴리실리콘(4a)과 확산방지막(4b)이 적층된 구조로 형성되는데, 상기 확산방지막(4b)은 상부에 형성될 금속전극과의 접촉저항(Contact Resistance)을 감소시키고 상기 폴리실리콘(4a)과 금속의 상호 확산이 방지되도록 하는 역할을 하며, 이를 위해 Ti/TiN 또는 TiSiN으로 형성한다.Here, the
도 1b는 상기 플러그(4)를 포함하는 전체 구조 상부에 산화막(5)을 형성한 후 저장전극용 마스크를 이용하여 상기 플러그(4)가 노출되도록 상기 산화막(5)을 패터닝한 상태의 단면도이다.FIG. 1B is a cross-sectional view of the
도 1c는 전체 상부면에 금속을 증착한 후 상기 산화막(5)상에 증착된 금속을 제거하여 상기 산화막(5)의 패터닝된 부분에 상기 플러그(4)와 접속된 실린더 형태의 저장전극(6)이 형성되도록 한 상태의 단면도로서, 상기 금속으로는 Ru, Ir, Pt 등이 사용된다.FIG. 1C illustrates a
도 1d는 전체 상부면에 Ta2O5, (Ba, Sr)TiO3(Barium Strontium Titanate; 이하, BST라 칭함)와 같은 고유전체를 증착하여 유전체막(7)을 형성한 후 상기 유전 체막(7)의 막질을 개선시키기 위하여 열처리한 상태의 단면도로서, 상기 열처리 후 상기 저장전극(6)과 유전체막(7)의 계면 및 상기 확산 방지막(4b)과 저장전극(6)의 계면에 금속성의 산화막(8)이 생성되는데, 여기서 금속성 산화막(8)의 생성 원인을 설명하면 다음과 같다.FIG. 1D illustrates a dielectric film 7 formed by depositing a high dielectric material such as Ta 2 O 5 , (Ba, Sr) TiO 3 (Barium Strontium Titanate; hereinafter referred to as BST) on the entire upper surface thereof, and then forming the dielectric film 7 7 is a cross-sectional view of the heat treatment state to improve the film quality, and after the heat treatment, a metallic material is formed at the interface between the
Ta2O5, BST 등과 같은 고유전체는 물리기상증착(PVD)법 또는 화학기상증착(CVD)법으로 증착된다. 물리기상증착(PVD)법은 일정한 조성비를 갖는 타겟(Target)에 불활성 기체를 충돌시켜 떨어져 나온 플럭스(Flux)에 의해 웨이퍼상에 박막이 증착되도록 하는 방법으로, 예를들어 플라즈마 스퍼터링(Plasma Sputtering) 공정이 여기에 속한다. 화학기상증착(CVD)법은 액체 또는 고체 상태의 소오스(Source)를 기화시켜 웨이퍼상에 박막이 증착되도록 하는 방법이다.High dielectric materials such as Ta 2 O 5 , BST and the like are deposited by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD). Physical vapor deposition (PVD) is a method in which a thin film is deposited on a wafer by flux released by colliding an inert gas with a target having a constant composition ratio. For example, plasma sputtering Fair belongs here. Chemical Vapor Deposition (CVD) is a method in which a thin film is deposited on a wafer by vaporizing a source in a liquid or solid state.
물리기상증착(PVD)법을 이용하여 BST를 증착하면 우수한 조성비를 갖는 치밀한 구조의 박막을 얻을 수 있으나, 플럭스의 직진성에 의해 층덮힘이 불량해 진다. 또한, 화학기상증착(CVD)법을 이용하면 예를들어, 400℃의 온도에서는 80% 정도의 양호한 층덮힘을 얻을 수 있으나, 500℃의 온도에서는 50% 미만으로 층덮힘이 불량해 진다. 그래서 물리기상증착(PVD)법에 비해 층덮힘 특성이 양호한 화학기상증착(CVD)법을 이용하여 BST를 증착하는데, 근래에는 BST보다 유전율이 낮은 Ta2O5도 새로운 전구체(Precursor)가 개발됨에 따라 화학기상증착(CVD)법으로 증착할 수 있게 되었다.Deposition of BST using physical vapor deposition (PVD) yields a thin film having a dense structure with excellent composition ratio, but the layer coverage is poor due to the straightness of the flux. In addition, when the chemical vapor deposition (CVD) method is used, for example, a good layer covering of about 80% can be obtained at a temperature of 400 ° C, but the layer covering is poor to less than 50% at a temperature of 500 ° C. Therefore, BST is deposited using chemical vapor deposition (CVD), which has better layer covering properties than physical vapor deposition (PVD), but Ta 2 O 5, which has a lower dielectric constant than BST, has also been developed. Therefore, it is possible to deposit by chemical vapor deposition (CVD) method.
한편, 금속 유기 소오스(Metal Ogarnic Source)에는 탄소(C), 수소(H) 등과 같은 유기 불순물(Organic Impurity)이 다량으로 포함된다. 그러므로 저온에서 증착된 고유전체막은 층덮힘이 양호한 반면, 유기 불순물의 함유에 의해 불량한 결정성을 갖게 된다. 그래서 고유전체를 증착한 후에는 유기 불순물을 제거하기 위한 저온 열처리 및 박막의 결정성을 향상시키기 위한 고온 열처리를 진행해야 하는데, 이때 열처리 온도가 너무 높으면 실리콘(Si)이 고유전체막으로 확산되거나 산소(Oxygen)의 결핍이 발생되고, 실리콘 및 산소와 쉽게 반응하거나 확산시키기는 금속전극의 특성에 의해 금속과 유전체막의 계면에 산화막(8)이 생성된다.On the other hand, the metal organic source (Metal Ogarnic Source) contains a large amount of organic impurities (Organic Impurity) such as carbon (C), hydrogen (H). Therefore, the high dielectric film deposited at low temperature has good layer covering, but has poor crystallinity due to the inclusion of organic impurities. Therefore, after the high dielectric material is deposited, a low temperature heat treatment to remove organic impurities and a high temperature heat treatment to improve the crystallinity of the thin film should be performed. If the heat treatment temperature is too high, silicon (Si) diffuses into the high dielectric film or oxygen (Oxygen) deficiency occurs, and an oxide film 8 is formed at the interface between the metal and the dielectric film due to the characteristics of the metal electrode that easily reacts or diffuses with silicon and oxygen.
그러므로 상기와 같이 생성된 불필요한 화합물(금속성의 산화막)에 의해 유전체막 및 금속전극의 특성이 열화되어 충분한 정전용량을 확보할 수 없게 되는 등 캐패시터의 전기적 특성이 저하되며, 이에 의해 소자의 전기적 특성 및 신뢰성이 저하된다.
Therefore, the characteristics of the dielectric film and the metal electrode are deteriorated by the unnecessary compound (metal oxide film) generated as described above, and thus the electrical characteristics of the capacitor are deteriorated. The reliability is lowered.
따라서 본 발명은 플레이트 전극을 저장전극의 하부에 형성하고 유전체막의 막질 개선을 위한 고온 열처리시 폴리실리콘과 확산 방지막으로 이루어진 플러그와 전극의 접촉이 이루어지지 않도록 하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 고유전체 캐패시터의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention forms a plate electrode under the storage electrode and prevents contact between the plug and the electrode made of polysilicon and the diffusion barrier during high temperature heat treatment to improve the film quality of the dielectric film. It is an object to provide a method of manufacturing a capacitor.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판상에 형성된 층간 절연막을 패터닝하여 접합부가 노출되도록 콘택홀을 형성하고 상기 콘택홀내에 플러그를 형성하는 단계와, 전체 상부면에 제 1 절연막을 형성한 후 상기 제 1 절연막상 에 플레이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 플레이트 전극상에 제 2 절연막을 형성한 후 상기 제 2 절연막 및 플레이트 전극을 순차적으로 패터닝하는 단계와, 전체 상부면에 유전체막을 형성한 후 열처리하는 단계와, 상기 유전체막상에 금속층을 형성한 후 상기 제 2 절연막이 노출될 때까지 상기 금속층 및 유전체막을 전면식각하여 패터닝된 상기 제 2 절연막과 플레이트 전극의 측벽에만 상기 유전체막과 금속 스페이서가 잔류되도록 하는 단계와, 노출된 부분의 상기 제 1 절연막을 제거하여 상기 플러그를 노출시킨 후 상기 플러그를 포함하는 전체 상부면에 금속층을 형성하고 상기 제 2 절연막상에 증착된 금속층을 제거하여 상기 플러그와 연결된 실린더 형태의 저장전극이 형성되도록 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
The present invention for achieving the above object is to form a contact hole to expose the junction by patterning the interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate and to form a plug in the contact hole, the first insulating film formed on the entire upper surface Forming a plate electrode on the first insulating film, forming a second insulating film on the plate electrode, and subsequently patterning the second insulating film and the plate electrode, and forming a dielectric film on the entire upper surface thereof. Post-heat treatment, and after forming the metal layer on the dielectric layer, the dielectric layer and the metal spacer only on the sidewalls of the second insulating layer and the plate electrode patterned by etching the metal layer and the dielectric layer over the entire surface until the second insulating layer is exposed. And the first insulating film of the exposed portion is removed to expose the plug. Forming a metal layer on the entire upper surface including the plug after Keane, and is characterized in that comprises the step of: so that the storage electrode of a cylindrical shape connected to the plug is formed by removing a metal layer deposited on said second insulating 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 2a 내지 2e는 본 발명에 따른 고유전체 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.2A to 2E are cross-sectional views of devices for explaining a method of manufacturing a high dielectric capacitor according to the present invention.
도 2a는 접합부(12)가 형성된 반도체 기판(11)상에 층간절연막(13)을 형성한 후 상기 접합부(12)가 노출되도록 상기 층간절연막(13)을 패터닝하여 콘택홀을 형성하고 상기 콘택홀내에 플러그(14)를 형성한 상태의 단면도인데, 상기 플러그(14)는 다음과 같은 과정을 통해 형성된다.FIG. 2A illustrates that after forming the
상기 콘택홀내에 폴리실리콘(14a)을 매립한 후 상기 콘택홀 상부의 폴리실리 콘(14a)을 일부 제거하고 상기 폴리실리콘(14a)이 제거된 부분에 티타늄(Ti)을 증착한다. 상기 폴리실리콘(14a)과 상부에 접속될 금속전극과의 접촉저항이 감소되도록 열처리하여 상기 폴리실리콘(14a)과 티타늄(Ti)의 계면에 티타늄 실리사이드(TiSix)가 생성되도록 한 후 상기 폴리실리콘(14a)으로부터 실리콘(Si) 또는 산소의 확산이 방지되도록 상기 티타늄(Ti)상에 TiN, TiAlN 또는 TiSiN을 증착하고 에치백(Etchback) 또는 화학적기계적연마(CMP) 방법으로 평탄화하여 예를들어, Ti/TiN로 이루어진 확산방지막(14b)이 형성되도록 한다.After filling the
도 2b는 상기 플러그(14)를 포함하는 전체 구조 상부에 제 1 절연막(15)을 형성한 후 상기 제 1 절연막(15)상에 Ru, Pt, RuO2, Ir, IrO2 등과 같은 금속을 물리기상증착(PVD)법으로 증착하여 플레이트 전극(16)을 형성하고, 상기 플레이트 전극(16)상에 제 2 절연막(17)을 형성한 상태의 단면도로서, 상기 제 1 및 제 2 절연막(15 및 17)은 질화막(SiN 또는 SiON)을 200 내지 1000Å의 두께로 증착하여 형성한다. 또한, 상기 플레이트 전극(16)의 두께는 유전체막의 종류에 따라 다르게 조절하되, Ta2O5를 사용하는 경우 8000 내지 12000Å, BST를 사용하는 경우 4000 내지 7000Å의 두께가 되도록 한다.FIG. 2B shows a first
도 2c는 상기 제 1 절연막(15)을 식각 방지층(Etch Barrier)으로 이용하여 상기 제 2 절연막(17) 및 플레이트 전극(16)을 순차적으로 패터닝한 후 전체 상부면에 유전체막(18)을 형성한 상태의 단면도로서, 상기 유전체막(18)은 Ta2O5 또는 BST와 같은 고유전체를 층덮힘 특성이 양호한 화학기상증착(CVD)법으로 증착하여 형성하며, Ta2O5를 사용하는 경우 100 내지 250Å, BST를 사용하는 경우 150 내지 250Å의 두께가 되도록 한다.FIG. 2C illustrates that the second insulating
또한, 고유전체를 증착한 후 350 내지 450℃의 온도에서 산소(O2) 플라즈마(Plasma) 또는 UV/O3법으로 저온 열처리하여 고유전체에 함유된 불순물을 제거하고 550 내지 800℃의 온도의 반응로 또는 급속열처리(RTP) 장비에서 고온 열처리하여 결정화시키므로써 막의 구조가 치밀해지도록 한다.In addition, after depositing the high dielectric constant by low-temperature heat treatment by an oxygen (O 2 ) plasma (UV) or UV / O 3 method at a temperature of 350 to 450 ℃ to remove impurities contained in the high dielectric constant and a temperature of 550 to 800 ℃ Crystallization by high temperature heat treatment in a reactor or rapid thermal treatment (RTP) equipment ensures a compact structure of the membrane.
도 2d는 상기 유전체막(18)상에 금속(19)을 100 내지 500Å의 두께로 증착한 후 상기 제 2 절연막(17)이 노출되는 시점까지 상기 금속(19) 및 유전체막(18)을 전면식각하여 패터닝된 상기 제 2 절연막(17)과 플레이트 전극(16)의 측벽에만 상기 유전체막(18)과 금속 스페이서(19)가 잔류되도록 한 다음 노출된 부분의 상기 제 1 절연막(15)을 제거하여 상기 플러그(14)를 노출시킨 상태의 단면도이다.FIG. 2D illustrates that the
도 2e는 층덮힘 특성이 우수한 화학기상증착(CVD)법으로 상기 플러그(14)를 포함하는 전체 상부면에 금속(20)을 100 내지 500Å의 두께로 증착한 후 메모리 셀간의 전기적 분리를 위하여 에치백 또는 화학적기계적연마(CMP) 공정으로 상기 제 2 절연막(17)상에 증착된 금속(20)을 제거하므로써 금속 스페이서(19)와 금속(20)으로 이루어지며 상기 플러그(14)와 연결된 실린더 형태의 저장전극이 형성된 상태의 단면도이다.FIG. 2E is a chemical vapor deposition (CVD) method having excellent layer covering properties. The
상기와 같이 본 발명은 유전체막의 막질 개선을 위한 고온 열처리시 플레이트 전극(16)이 열적으로 안정된 질화막으로 둘러싸여지며 상기 확산 방지막(14b)과 이격되도록 하여 전극(16)에 불필요한 화합물이 생성되지 않으며 확산 방지막(14b)의 산화가 방지되도록 한다. 또한, 전기적 특성이 양호한 물리기상증착(PVD)법을 이용하여 플레이트 전극을 형성한다.
As described above, in the present invention, the
상술한 바와 같이 본 발명은 플레이트 전극을 저장전극의 하부에 형성하고 유전체막의 막질 개선을 위한 고온 열처리시 폴리실리콘과 확산 방지막으로 이루어진 플러그와 전극의 접촉이 이루어지지 않도록 하므로써 열처리 온도 및 시간을 증가시킬 수 있다. 그러므로 유전체막의 막질 향상을 이루어 캐패시터의 정전용량이 증가되며, 이에 따라 소자의 전기적 특성이 향상된다. 따라서 본 발명을 이용하면 유전률의 향상에 따른 셀 크기의 감소가 이루어질 수 있어 소자의 고집적화가 용이해지며, 금속배선 공정시 금속층간의 정전용량이 감소되어 소자의 동작 속도가 증가된다.As described above, the present invention increases the heat treatment temperature and time by forming a plate electrode under the storage electrode and preventing contact between the plug and the electrode made of polysilicon and the diffusion barrier during high temperature heat treatment to improve the film quality of the dielectric film. Can be. Therefore, the film quality of the dielectric film is improved to increase the capacitance of the capacitor, thereby improving the electrical characteristics of the device. Therefore, by using the present invention, the cell size can be reduced according to the improvement of the dielectric constant, so that the integration of the device is easy, and the capacitance between the metal layers is reduced during the metallization process, thereby increasing the operation speed of the device.
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