KR100587047B1 - 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전하 저장 용량을 증대시키면서도 누설 전류를 방지할 수 있는 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법을 개시한다.
개시된 본 발명은 하부전극으로 루디늄막을 증착하는 단계; 상기 루디늄막 상부에 고유전률을 갖는 TaON막을 형성하는 단계; 및 상기 TaON막 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 루디늄막 증착시 반응개스로 NH3를 이용하여 증착하는 것을 특징으로 한다.
Description
도 1a 및 도 1b는 종래의 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
11 : 모스 트랜지스터 12 : 반도체 기판
13 : 콘택홀 14 : 층간 절연막
15 : 플러그 폴리 실리콘막 16 : Ti/TiN막
17 : 루디늄막 18 : TaON막
19 : TiN막
본 발명은 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전하 저장 용량을 증대시키면서도 누설 전류를 방지할 수 있는 반도체 메모리 소자의 캐패시터의 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체 제조 기술의 발달과 더불어, 메모리 소자의 수요가 급증하고 있다. 데이터 저장 수단으로 이용되는 커패시터는 전극의 면적과 전극간의 거리와 전극 사이에 삽입되는 유전막의 유전율에 따라 그 정전용량이 달라진다. 그런데, 반도체 장치가 고집적화됨에 따라 반도체 장치에서 커패시터 형성영역이 줄어들고 그 결과 커패시터의 전극면적이 작아져서 커패시터의 정전용량이 감소된다.
이에따라, 종래의 발명에서는 금속막 - 유전막 - 금속막(MIM)의 캐패시터 구조에서 하부전극으로 루디늄막을 증착하고, 그 상부에 고유전률을 갖는 TaON막을 증착하고, 상기 유전막 상부에 금속막을 증착함으로써, TaON 커패시터의 정전용량을 극대화 하고있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법을 도시한 것이다.
도 1a을 참조하면, 모스 트랜지스터(1)가 구비된 반도체 기판(2)상에 모스 트랜지스터의 접합 영역중 어느 하나를 노출시키는 콘택홀(3)을 갖는 층간 절연막(4)을 형성한다. 상기 층간 절연막(4)상에 플러그 폴리실리콘막(5)을 매립한 후, 상기 폴리실리콘막(5)을 에치백 하여 자연산화막을 제거한 다음, 상기 결과물 상부에 배리어 금속막(6)인 Ti/TiN막을 증착한다.
그 다음으로 도 1b를 참조하면, 상기 배리어 금속막(6) 상부에 하부전극으로 루디늄막(7)(Ru)을 증착하는데, 이 때, 루디늄막(7) 증착시 반응개스로 O2를 사용한다. 상기 O2 개스의 경우 원료물질인 트리스(2,4-octanedionato)루디늄의 분자 구조를 깨트려서 루디늄막 증착을 용이하게 한다. 그리고나서, 상기 루디늄막(7)상에 유전율이 뛰어난 TaON막 (8)을 형성하고, 상기 TaON막(8)상에 상부전극(9)을 형성하여 반도체 메모리 소자의 캐패시터를 형성한다.
그러나, 종래의 반도체 메모리 소자의 커패시터의 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
상기 하부전극인 루디늄막을 증착시 O2 개스를 사용하고 있는데, 이러한 O2개스는 원료물질인 트리스(2,4-octanedionato)라디늄의 분자 구조를 깨트려서 루디늄막 증착을 용이하게 하지만 원료물질내에 탄소가 남아있게 되어 전기적 특성을 저하시키게 된다.
이에따라, 종래에는 루디늄막내에 존재하는 탄소를 제거하고, 루디늄막 특성을 개선시키기 위해서, 또 하나의 후속공정인 열처리, 예컨데 RTP 공정을 이용하여, N2, Ar 및 Ar/H2분위기에서 수행하기 때문에 시간 및 경제적으로 손실이 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 루디늄막의 반응개스로 NH3를 사용하여, 루디늄막 증착시 내부에 존재하는 탄소의 양을 감소시켜 TaON 캐패시터의 전기적 특성을 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전하 저장 용량을 증대시키면서도 누설 전류를 방지할 수 있는 반도체 메모리 소자의 캐패시터의 제조방법에 관 한 것으로, 하부전극으로 루디늄막을 증착하는 단계; 상기 루디늄막 상부에 고유전률을 갖는 TaON막을 형성하는 단계; 및 상기 TaON막 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 루디늄막 증착시 반응개스로 NH3를 이용하여 증착하는 것을 특징으로 한다.
상기 루디늄막 증착전 반도체 기판상에 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀내에 플러그 폴리실리콘막을 매립한 후 폴리실리콘막 표면을 HF용액이나, 버퍼 옥사이드 식각제로 에치백하여 자연산화막을 제거하고, 그 결과물 상부에 배리어 금속막인 Ti와 TiN막을 각각 100 ~ 500Å 정도로 형성하는 단계를 추가한다.
상기 하부 전극인 루디늄막 증착시 원료 물질인 트리스(2,4-octanedionato)루디늄을 기상상태로 형성하여, 실리콘 기판의 온도를 200℃ ~ 350℃로 유지하고, 반응 개스로 O2와 NH3를 수십 ~ 수백 sccm의 유량 및 반응로의 압력을 수 mTorr ~ 수 Torr로 유지하여 진행한다.
이 때, 상기 루디늄막은 바람직하게 100 ~ 500Å의 두께로 증착한다.
상기 TaON막은 화학 기상 증착 방식 예를들어, LPCVD 방식에 의하여 형성되는데, 원료 물질인 탄탈륨 에칠레이트(Ta(OC2H5)5)를 170 ~ 190℃로 유지되는 기화기에서 기상상태로 만들고, 0.1 내지 1.2 Torr의 압력 및 350 내지 450℃의 온도를 유지하며, NH3 가스가 공급되는 LPCVD 챔버내에서, 10 ~ 1000sccm 유량의 NH3 및 원료물질로부터 얻어진 Ta 화학 증기의 반응에 의하여 비정질 막으로 형성된다.
아울러, 상기 비정질의 TaON막을 결정화시키기 위해, N2 또는 O2 분위기에서 500 ~ 700℃ 및 1 ~ 5mim 동안 RTP 어닐링을 수행한다.
상기 TaON막 상부에 상부 전극으로 바람직하게 금속막인 TiN막을 증착한다.
(실시예)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
첨부한 도면 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 반도체 메모리 소자의 캐패시터 및 그 제조방법에 관한 단면도이다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 모스 트랜지스터(11)가 구비된 반도체 기판(12) 상에 모스 트랜지스터의 접합 영역(도면상에는 도시되지 않음)중 어느 하나를 노출시키는 콘택홀(13)을 갖는 층간 절연막(14)을 형성한다. 그런다음, 상기 층간 절연막(14)의 콘택홀(13) 상에 플러그 폴리실리콘막(15)을 매립한 후, 상기 폴리실리콘막의 표면을 HF용액이나 버퍼 옥사이드 식각제를 이용하여 에치백을 수행함으로써 자연산화막을 제거한다. 그리고나서, 상기 결과물 상부에 배리어 금속막(16)인 Ti와 TiN막을 각각 100Å ~ 500Å정도 증착한다.
그 다음으로 도 2b를 참조하면, 상기 배리어 금속막(16) 상부에 하부전극으로 루디늄막(17)을 증착한다. 루디늄막(17)을 하부전극으로 사용한 경우, 루디늄막 증착시 반응개스로 NH3를 사용함으로써 루디늄막 내에 존재하는 탄소의 양을 억제한다.
상기 NH3 개스의 역할은 Lewis Base(쉽게 전자를 줌)로 작용함으로써, 루디늄막 증착 과정에서 존재하는 C-H기의 결합력을 약하게 하여 루디늄막 내에서 쉽게 C-H를 제거할 수 있다. 형성과정을 살펴보면, 상기 하부 전극인 루디늄막(17) 증착 시 원료 물질인 트리스(2,4-octanedionato)루디늄을 기상상태로 형성하여, 실리콘 기판(11)의 온도를 200℃ ~ 350℃로 유지하고, 반응 개스로 O2와 NH3를 수십 ~ 수백 sccm의 유량 및 반응로의 압력을 수 mTorr ~ 수 Torr로 유지하여 하부전극으로 루디늄막(17)을 형성한다. 이 때, 상기 루디늄막(17)은 바람직하게 100 ~ 500Å의 두께로 증착한다.
그 다음으로 도 2c를 참조하면, 상기 루디늄막(17) 상부에 유전체막으로서 유전률이 뛰어난 TaON막(18)을 증착한다. 상기 TaON막(18)은 Ta(OC2H5)5(tantalum ethylate) 물질이 원료물질로 이용된다. 여기서, Ta(OC2H5)5는 알려진 바와 같이, 액체 상태이므로, 증기 상태로 변환시킨후, LPCVD 챔버내에 공급되어야 한다.
TaON막(18)의 형성과정에서, 상기 원료 물질인 Ta(OC2H5)5를 170 ~ 190℃로 유지되는 기화기에서 기상상태로 만들고, 0.1 내지 1.2 Torr의 압력 및 350 내지 450℃의 온도를 유지하며, NH3 가스가 공급되는 LPCVD 챔버내에서, 10 ~ 1000sccm 유량의 NH3 및 원료물질로부터 얻어진 Ta 화학 증기의 반응에 의하여 비정질 막으로 형성된다.
그런다음, 도 2d를 참조하면, 상기 비정질 TaON막(18)을 N2 또는 O2 분위기에서 500 ~ 700℃ 및 1 ~ 5mim 동안 RTP 어닐링을 수행하여 결정화된 TaON막(18a)를 형성한다. 그리고나서 상기 TaON막(18a) 상부에 상부 전극으로 바람직하게 TiN막(19)을 증착하여 반도체 메모리 소자의 캐패시터를 형성한다.
한편, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다른 실시예, 예컨대, 실린더 구조형, 스택형, 트랜치형의 캐패시터 등에 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
이상에서 자세히 설명된 바와같이, 하부전극으로 루디늄막 이용시, 반응개스로 O2 대신 NH3를 이용함으로써, 전기적 특성을 저하시키는 탄소를 억제하여 캐패시터의 전기적 특성을 향상시켰으며, 또한 종래에서 후속 공정으로 탄소를 제거하는 어닐링 공정을 생략할 수가 있어 시간 소비 및 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 유전률이 뛰어난 TaON막을 형성함으로써, 메모리 소자의 수요가 급증하고, 좁은 면적에 높은 캐패서턴스가 요구되는 시점에서, 상기 TaON막의 캐패시터가 그 효과를 더 해주고 있다.
한편, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시 할 수 있다.
Claims (7)
- 전하 저장 용량을 증대시키면서도 누설 전류를 방지할 수 있는 반도체 메모리 소자의 캐패시터의 제조방법에 관한 것으로,하부전극으로 루디늄막을 증착하는 단계;상기 루디늄막 상부에 고유전률을 갖는 TaON막을 형성하는 단계; 및 상기 TaON막 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 루디늄막 증착시 반응개스로 NH3를 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 루디늄막 증착전 반도체 기판상에 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀내에 플러그 폴리실리콘막을 매립한 후, 폴리실리콘막 표면을 HF용액이나, 버퍼 옥사이드 식각제로 에치백하여 자연산화막을 제거하고, 그 결과물 상부에 배리어 금속막인 Ti와 TiN막을 각각 100 ~ 500Å 정도로 형성하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 하부 전극인 루디늄막 증착시 원료 물질인 트리스 (2,4-octanedionato)루디늄을 기상상태로 형성하여, 실리콘 기판의 온도를 200℃ ~ 350℃로 유지하고, 반응 개스로 O2와 NH3를 수십 ~ 수백 sccm의 유량 및 반응로의 압력을 수 mTorr ~ 수 Torr로 유지하여 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모 리 소자의 캐패시터 제조방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 루디늄막은 바람직하게 100 ~ 500Å의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 TaON막은 원료 물질인 탄탈륨 에칠레이트(Ta(OC2 H5)5)를 170 ~ 190℃로 유지되는 기화기에서 기상상태로 만들고, 0.1 내지 1.2 Torr의 압력 및 350 내지 450℃의 온도를 유지하며, NH3 가스가 공급되는 LPCVD 챔버내에서, 10 ~ 1000sccm 유량의 NH3 및 원료물질로부터 얻어진 Ta 화학 증기의 반응에 의하여 비정질 막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 비정질의 TaON막은, N2 또는 O2 분위기에서 500 ~ 700℃ 및 1 ~ 5mim 동안 RTP 어닐링이 수행되어, 결정화된 TaON막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 TaON막 상부에 상부 전극으로 바람직하게 금속막인 TiN막을 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 캐패시터 제조방법.
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