KR100713922B1 - Method for forming capacitor of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 충분한 충전용량을 확보하면서 누설전류 및 항복전압 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 개시한다. 개시된 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법은, 스토리지 노드 콘택이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계와, 상기 스토리지 노드 콘택과 연결되게 금속 스토리지전극을 형성하는 단계와, 상기 금속 스토리지전극 상에 TaxZryOz의 삼성분계 유전막을 형성하는 단계와, 상기 삼성분계 유전막 상에 금속 플레이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention discloses a method for forming a capacitor of a semiconductor device capable of improving leakage current and breakdown voltage characteristics while ensuring sufficient charge capacity. A method of forming a capacitor of a semiconductor device according to the present invention includes providing a semiconductor substrate on which a storage node contact is formed, forming a metal storage electrode to be connected to the storage node contact, and forming Ta x on the metal storage electrode. And forming a ternary dielectric film of Zr y O z and forming a metal plate electrode on the ternary dielectric film.
Description
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating processes for forming a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 캐패시터 유전막을 설명하기 위한 도면. 2 is a view for explaining a capacitor dielectric film according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 반도체 기판 2 : 층간절연막1
3 : 콘택홀 4 : 스토리지 노드 콘택3: contact hole 4: storage node contact
10 : 스토리지전극 20 : 삼성분계 유전막10: storage electrode 20: Samsung dielectric dielectric film
30 : 플레이트전극 40 : 캐패시터30
본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 소망하는 충전용량을 확보하면서 누설전류 특성 또한 확보할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
최근 반도체 제조 기술의 발달로 메모리 제품의 고집적화가 가속화됨에 따라 단위 셀 면적이 크게 감소하고 있으며, 동작전압의 저전압화가 이루어지고 있다. 이에 따라, 소자의 리프레쉬 시간(refresh time)이 단축되고 소프트 에러(soft error)가 발생한다는 문제점들이 야기되고 있고, 이러한 문제를 방지하기 위해, 25fF/셀 이상의 높은 충전용량을 갖고 누설전류 발생이 적은 캐패시터의 개발이 지속적으로 요구되고 있다. Recently, as the integration of memory products is accelerated due to the development of semiconductor manufacturing technology, the unit cell area is greatly reduced, and the operating voltage is reduced. As a result, problems such as a short refresh time of the device and a soft error occur, and in order to prevent such a problem, a high charging capacity of 25 fF / cell or more and a low leakage current are generated. The development of capacitors is constantly required.
주지된 바와 같이, 캐패시터의 충전용량은 전극 표면적 및 유전체의 유전상수에 비례하고, 전극간 거리에 해당하는 유전막 두께, 보다 정확하게는, 유전막의 등가산화막 두께(Tox: equivalent SiO2 thickness)에 반비례한다. 그러므로, 고집적 소자에서 요구되는 큰 충전용량을 갖는 캐패시터를 구현하기 위해서는 높은 유전율을 가지면서 등가산화막 두께를 낮출 수 있는 유전막을 사용해야 한다. As is well known, the charge capacity of a capacitor is proportional to the electrode surface area and the dielectric constant of the dielectric, and inversely proportional to the dielectric film thickness corresponding to the distance between electrodes, more precisely, the equivalent SiO2 thickness (Tox) of the dielectric film. Therefore, in order to implement a capacitor having a large charge capacity required in a high density device, it is necessary to use a dielectric film having a high dielectric constant and lowering the equivalent oxide film thickness.
종래 Si3N4(ε=7) 박막을 유전막으로 사용하는 NO(Nitride-Oxide) 캐패시터는 고집적화에 따르는 충전용량 확보에 한계를 드러내게 되었고, 충분한 충전용량 확보를 위해, Si3N4(ε=7) 보다 높은 유전상수를 갖는 Ta2O5(ε=25), Al2O3(ε=9), La2O3(ε=30) 및 HfO2(ε=20) 등을 단일 유전체로 적용한 SIS(Polisilicon-Insulator-Polisilicon) 구조의 캐패시터 개발이 이루어지고 있다.NO (Nitride-Oxide) capacitors using Si3N4 (ε = 7) thin film as a dielectric film have revealed a limitation in securing charge capacity due to high integration, and dielectric constant higher than Si3N4 (ε = 7) to secure sufficient charge capacity. Capacitor of SIS (Polisilicon-Insulator-Polisilicon) structure with Ta2O5 (ε = 25), Al2O3 (ε = 9), La2O3 (ε = 30) and HfO2 (ε = 20) with single dielectric have.
그런데, Ta2O5(ε=25)막은 누설전류에 취약할 뿐 아니라 열처리시 발생하는 산화막때문에 사실상 등가산화막의 두께를 30Å이하로 낮출 수 없다는 문제점이 있고, Al2O3(ε=9)막은 유전상수가 Si3N4(ε=7)막과 별 차이가 없기 때문에 높은 충전용량 확보에 한계가 있다. 또, La2O3막 및 HfO2막은 유전상수가 각각 30 및 20 정도이므로 충전용량 확보 측면에서는 유리하지만, 등가산화막의 두께를 15Å이하 로 낮추면 누설전류가 증가하고 항복전압 강도가 크게 작아져 반복적인 전기적 충격에 취약하기 때문에 캐패시터의 내구성을 저하시킨다는 문제점이 있다. 특히, HfO2막은 Al2O3 보다 결정화 온도가 낮아 후속하는 600℃ 이상의 고온 열처리 진행시 누설전류가 급증하는 문제가 있다. However, the Ta2O5 (ε = 25) film is not only susceptible to leakage current, but also has a problem in that the equivalent oxide film cannot be lowered to 30 kΩ or less due to the oxide film generated during heat treatment.Al2O3 (ε = 9) film has a dielectric constant of ε = 7) As there is no difference with the film, there is a limit to securing a high charging capacity. In addition, the La2O3 and HfO2 films are advantageous in terms of securing charge capacity because the dielectric constants are about 30 and 20, respectively.However, if the thickness of the equivalent oxide film is lowered to 15 mA or less, the leakage current increases and the breakdown voltage strength is greatly reduced, resulting in repeated electrical shock. Since it is fragile, there is a problem of lowering the durability of the capacitor. In particular, the
한편, 종래 SIS(Polisilicon-Insulator-Polisilicon)형 캐패시터에서 전극물질로 사용되어왔던 폴리실리콘의 경우도 고집적 소자에서 요구되는 높은 전기전도성을 확보하는데 한계가 있는바, 높은 전기전도도를 갖는 금속체를 새로운 전극물질로 사용하고자 하게 되었다.Meanwhile, polysilicon, which has been used as an electrode material in a SIS (Polisilicon-Insulator-Polisilicon) type capacitor, also has a limitation in securing high electrical conductivity required for highly integrated devices. It was intended to be used as an electrode material.
이에, 100㎚ 이하의 미세 금속배선을 갖는 고집적 디램 공정에 적용할 수 있는 캐패시터로서, 금속전극과 이중 혹은 삼중 유전막를 채용한 캐패시터들이 개발되고 있다. 예컨데, 금속계 전극(TiN)과 HfO2/Al2O3와 같은 이중 유전체를 채용한 MIS(Metal-Insulator-Polisilicon) 구조의 캐패시터나, 또는, 금속계 전극(TiN)과 HfO2/Al2O3/HfO2와 같은 삼중 유전체를 채용한 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조의 캐패시터가 개발되고 있다. Accordingly, capacitors employing a metal electrode and a double or triple dielectric film have been developed as a capacitor applicable to a highly integrated DRAM process having a fine metal wiring of 100 nm or less. For example, a metal-insulator-polioliicon (MIS) capacitor employing a double dielectric such as metal based electrode (TiN) and HfO2 / Al2O3, or a triple dielectric such as metal based electrode (TiN) and HfO2 / Al2O3 / HfO2. One MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitor has been developed.
그러나, 상기한 종래의 MIS 또는 MIM 구조의 캐패시터의 경우, 70nm 이하 금속배선을 갖는 소자에 적용하는데는 어려움이 있다. 이것은 상기 MIS 또는 MIM 캐패시터의 HfO2/Al2O3 및 HfO2/Al2O3/HfO2의 다중 유전막은 등가산화막 두께 한계가 12Å 정도이기 때문에 70nm 이하 금속배선이 적용되는 디램에서 25fF/셀 이상의 충전용량을 얻기 힘들기 때문이다. However, in the case of the conventional MIS or MIM structure capacitor, it is difficult to apply to the device having a metal wiring of 70nm or less. This is because the multiple dielectric films of HfO2 / Al2O3 and HfO2 / Al2O3 / HfO2 of the MIS or MIM capacitor have an equivalent oxide thickness limit of about 12 때문에, which makes it difficult to obtain a charge capacity of 25 fF / cell or more in a DRAM to which a metal wiring of 70 nm or less is applied. .
최근에는 Ru 또는 TiN 등 금속계 물질을 전극으로 사용하고, Ta2O5 또는 HfO2 등 단일 유전막을 사용한 MIM형 캐패시터에 대한 개발이 이루어지고 있으나, 이들의 경우도, 등가산화막의 두께를 12Å이하로 낮추면 1fA/셀 정도의 높은 누설전류가 발생하기 때문에 70nm급 이하 금속배선을 갖는 512M급 이상의 차세대 디램에 적용하는 것은 어려움이 있다.Recently, development of a MIM capacitor using a metal material such as Ru or TiN as an electrode and using a single dielectric film such as Ta2O5 or HfO2 has been made, but in these cases, when the thickness of the equivalent oxide film is lowered to 12 kW or less, 1fA / cell Because of high leakage current, it is difficult to apply to next generation DRAM of 512M class or more with metal wiring below 70nm class.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 70nm급 이하 금속배선을 갖는 차세대 디램 제품에서 필요로하는 충전용량을 확보하면서 누설전류 특성 또한 확보할 수 있는 반도체 소자의 MIM형 캐패시터 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, the MIM type of semiconductor device that can also secure the leakage current characteristics while ensuring the charge capacity required in the next generation DRAM products having a metal wiring of 70nm or less It is an object to provide a method of forming a capacitor.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캐패시터 형성방법은, 스토리지 노드 콘택이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 스토리지 노드 콘택과 연결되게 금속 스토리지전극을 형성하는 단계; 상기 금속 스토리지전극 상에 TaxZryOz의 삼성분계 유전막을 형성하는 단계; 및 상기 삼성분계 유전막 상에 금속 플레이트전극을 형성하는 단계;를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a capacitor forming method including: providing a semiconductor substrate on which a storage node contact is formed; Forming a metal storage electrode connected to the storage node contact; Forming a ternary dielectric film of Ta x Zr y O z on the metal storage electrode; And forming a metal plate electrode on the ternary dielectric layer.
여기서, 상기 스토리지전극 및 플레이트전극은 TiN, TaN, W, WN, Ru, RuO2, Ir, IrO2 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 금속계 물질로 형성한다. Here, the storage electrode and the plate electrode is formed of any one metal-based material selected from the group consisting of TiN, TaN, W, WN, Ru,
상기 스토리지전극을 형성하는 단계 후, 그리고, 상기 삼성분계 유전막을 형 성하는 단계 전, 상기 스토리지전극이 형성된 기판 결과물을 N2, H2, N2/H2, O2, O3 및 NH3로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 가스 분위기에서 저온 어닐링하는 단계를 더 포함한다. 이때, 상기 저온 어닐링은 플라즈마, 전기로 및 RTP(Rapid Thermal Process : 이하, RTP) 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 방식으로 수행한다.After forming the storage electrode and before forming the ternary dielectric layer, the substrate product on which the storage electrode is formed is selected from the group consisting of N2, H2, N2 / H2, O2, O3, and NH3. And annealing at low temperature in one gas atmosphere. In this case, the low temperature annealing is performed by any one method selected from the group consisting of a plasma, an electric furnace and a rapid thermal process (RTP).
상기 삼성분계 유전막은 50∼100Å의 두께로 형성한다. The ternary dielectric film is formed to a thickness of 50 to 100 GPa.
상기 삼성분계 유전막은 ALD(Atomic Layer Deposition : 이하, ALD) 방법에 따라 200∼500℃의 온도 범위에서 형성한다. The ternary dielectric film is formed in a temperature range of 200 to 500 ° C. according to ALD (Atomic Layer Deposition).
상기 삼성분계 유전막은 Ta의 몰분율 x와 Zr의 몰분율 y의 비인 x/y가 0.1∼10 범위가 되도록 형성한다. The ternary dielectric film is formed so that x / y, which is the ratio of the mole fraction x of Ta and the mole fraction y of Zr, is in the range of 0.1 to 10.
상기 ALD 방법을 이용한 TaxZryOz의 삼성분계 유전막의 형성은, [Zr 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계]의 ZrO2 박막 증착 싸이클(회수:n)과 [Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계]의 Ta2O5 박막 증착 싸이클(회수:m)을 n:m이 9:1∼1:9 범위가 되도록 제어하면서 반복 수행하는 방식으로 진행하거나, 또는, [Zr 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계](회수:n'), [Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계](회수:m'), 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 또 다른 증착 싸이클을 n':m'이 9:1∼1:9 범위가 되도록 제어하면서 반복 수행하는 방식으로 진행한다. The formation of a ternary dielectric film of Ta x Zr y O z using the ALD method includes ZrO2 thin film deposition cycle (recovery: n) and [Ta of [Zr source gas flow step, purge step, reaction gas flow step and purge step]. Source gas flow step, purge step, reaction gas flow step and purge step], and repeat the Ta2O5 thin film deposition cycle (recovery: m) while controlling n: m to be in a range of 9: 1 to 1: 9, or Alternatively, another deposition cycle of [Zr source gas flow step, purge step] (recovery: n '), [Ta source gas flow step, purge step] (recovery: m'), reaction gas flow step, and purge step may be used. Proceed by repeating the control with n ': m' to be in the range of 9: 1 to 1: 9.
상기 삼성분계 유전막의 형성은 Zr의 소오스가스로 ZrCl4 또는 Zr[N(CH3)C2H5]4를 사용하거나 Zr을 함유한 다른 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, O2, 플라즈마 O2, N2O, 플라즈마 N2O 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시키고, 상기 반응가스가 O3인 경우 그 농도는 100∼500g/m3으로 한다. The ternary dielectric film is formed using ZrCl4 or Zr [N (CH3) C2H5] 4 as the source gas of Zr or any one selected from the group consisting of Zr-containing other compounds, and O3 and O2 as reaction gases. And any one selected from the group consisting of
상기 삼성분계 유전막의 형성은 Ta의 소오스가스로 Ta(OC2H5)5 또는 Ta[N(CH3)2]5를 사용하거나 Ta를 함유한 다른 유기 금속 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, O2, 플라즈마 O2, N2O, 플라즈마 N2O 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시키고, 상기 반응가스가 O3인 경우 그 농도는 100∼500g/m3으로 하며, 상기 Ta의 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시킨다. Formation of the ternary dielectric film is any one selected from the group consisting of Ta (OC2H5) 5 or Ta [N (CH3) 2] 5 as the source gas of Ta or other organometallic compounds containing Ta, As the reaction gas, any one selected from the group consisting of O 3,
상기 삼성분계 유전막을 형성하는 단계 후, 그리고, 상기 금속 플레이트전극을 형성하는 단계 전, 상기 삼성분계 유전막을 저온 어닐링하는 단계를 더 포함한다. 이때, 상기 저온 어닐링은 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 방식으로 N2, H2, N2/H2, O2, O3 및 NH3로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 가스 분위기로 수행한다. 상기 저온 어닐링은 스토리지전극의 저온 어닐링과 동일하게 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 방식으로 수행한다.And annealing the ternary dielectric layer after the forming of the ternary dielectric layer and before forming the metal plate electrode. In this case, the low temperature annealing is performed in any one gas selected from the group consisting of N2, H2, N2 / H2, O2, O3 and NH3 in any one method selected from the group consisting of plasma, electric furnace and RTP method. do. The low temperature annealing is performed by any one method selected from the group consisting of a plasma, an electric furnace, and an RTP method in the same manner as the low temperature annealing of the storage electrode.
상기 스토리지전극 또는 삼성분계 유전막의 플라즈마를 이용한 저온 어닐링 은, 100∼500W의 RF 전력을 갖는 플라즈마를 이용하여, 200∼500℃ 온도범위와 0.1∼10torr 압력범위에서, 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 1∼5분 동안 진행한다. The low temperature annealing using the plasma of the storage electrode or the ternary dielectric film is performed using a plasma having an RF power of 100 to 500 W, at a temperature range of 200 to 500 ° C. and a pressure range of 0.1 to 10 torr, by 5 sccm to 5 slm. Run for 1 to 5 minutes while flowing.
상기 스토리지전극 또는 삼성분계 유전막의 전기로를 이용한 저온 어닐링은, 600∼800℃ 온도로 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행한다. Low temperature annealing using the electric furnace of the storage electrode or the ternary dielectric film is performed while flowing the selected gas by 5 sccm to 5 slm at a temperature of 600 to 800 ° C.
상기 스토리지전극 또는 삼성분계 유전막의 RTP를 이용한 저온 어닐링은, 500∼800℃ 온도범위를 갖는 상압(700∼760torr) 또는 감압(1∼100torr) 챔버내에서 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행한다. Low temperature annealing using the RTP of the storage electrode or the ternary dielectric layer is performed by flowing the selected gas by 5 sccm to 5 slm in an atmospheric pressure (700 to 760 torr) or a reduced pressure (1 to 100 torr) chamber having a temperature range of 500 to 800 ° C. do.
상기 플레이트전극을 형성하는 단계 후, 그리고, 후속공정을 진행하기 전, 상기 플레이트전극이 형성된 기판 결과물 상에 Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2, TiO2 및 La2O3로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 산화막 또는 TiN과 같은 금속막으로 이루어진 보호막을 ALD 방식으로 50∼200Å 두께로 형성하는 단계를 더 포함한다. After forming the plate electrode and before proceeding to the subsequent process, any one oxide film or TiN selected from the group consisting of Al 2 O 3,
(실시예)(Example)
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 70㎚급 이하 디램 캐패시터에 요구되는 25fF/셀 이상의 충전용량, 0.5fF/셀 이하의 누설전류 특성을 얻을 목적으로, 금속계 전극에 TaxZryOz의 삼성분 계 유전막을 채용한 MIM형 캐패시터를 구성한다. In order to obtain a charge capacity of 25 fF / cell or more and a leakage current of 0.5 fF / cell or less required for a 70 nm or less DRAM capacitor, the present invention employs a Ta x Zr y O z ternary dielectric film as a metal electrode. A MIM capacitor is constructed.
이 경우, TaxZryOz(Eg=4.5∼7.8 eV,ε=25∼50) 박막이 Ta2O5(Eg=4.5eV,ε=25) 유전막 및 HfO2(Eg=5.7eV,ε=20) 유전막 보다 큰 유전율을 갖고 비교적 큰 밴드 갭 에너지(Band Gap Energy: Eg) 값을 갖는 물질인 것과 관련해서, TaxZryOz의 삼성분계 유전막은 종래 단일 유전막을 채용한 MIM형 캐패시터의 누설전류 문제와 열안정성 문제를 억제시킬 수 있다. In this case, the Ta x Zr y O z (Eg = 4.5-7.8 eV, ε = 25-50) thin film is composed of a Ta2O5 (Eg = 4.5eV, ε = 25) dielectric film and an HfO2 (Eg = 5.7eV, ε = 20) dielectric film. In connection with materials having higher permittivity and relatively large band gap energy (Eg) values, the ternary dielectric film of Ta x Zr y O z is a problem of leakage current of MIM type capacitors employing conventional single dielectric films. And thermal stability problems can be suppressed.
결과적으로, 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막을 채용한 본 발명의 MIM형 캐패시터는 등가산화막 두께를 12Å 이하로 낮추더라도, 70nm급 이하 금속배선을 갖는 차세대 디램 제품에서 필요로하는 25fF/셀 이상의 대용량의 충전용량을 확보하면서 양상 적용 가능한 누설전류 특성 및 항복전압 특성 또한 확보할 수 있다. As a result, the MIM capacitor of the present invention employing the ternary dielectric film of Ta x Zr y O z is required for the next generation DRAM product having a 70 nm or less metal wiring even if the equivalent oxide film thickness is lowered to 12 Å or less. It is possible to secure the leakage current characteristics and breakdown voltage characteristics that can be applied to the face while securing a large capacity of the cell.
자세하게, 도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating processes of forming a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.
도 1a를 참조하면, 트랜지스터 및 비트라인을 포함한 하부 패턴들(도시안됨)이 형성된 반도체 기판(1)의 전면 상에 상기 하부 패턴들을 덮도록 층간절연막(2)을 형성한다. 그런다음, 상기 층간절연막(2)을 식각하여 기판 접합영역 또는 랜딩플러그폴리(LPP)를 노출시키는 콘택홀(3)을 형성한 후, 상기 콘택홀 내에 도전막을 매립시켜 스토리지 노드 콘택(4)을 형성한다. 이어서, 상기 스토리지 노드 콘택(4)을 포함한 층간절연막(2) 상에 스토리지 노드 콘택(4)과 연결되게 스토리지전극(10)을 형성한다. Referring to FIG. 1A, an
여기서, 상기 스토리지전극(10)은 TiN, TaN, W, WN, Ru, RuO2, Ir, IrO2 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 금속계 물질로 형성하되, 200∼500Å 두께로 형성한다. 또한, 상기 스토리지전극(10)은 도시된 바와 같은 원통형(cylinder) 구조 이외에 오목(concave) 구조, 또는, 단순 플레이트(plate) 구조로도 형성 가능하다. Here, the
상기 스토리지전극(10)을 형성한 후, 스토리지전극(10)을 치밀화시키고 누설전류 증가의 원인이 되는 전극내 잔류 불순물을 제거하면서, 전극 표면의 거칠기(roughness)를 완화하여 전계집중이 방지되도록 N2, H2, N2/H2, O2, O3 및 NH3로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 가스 분위기에서 저온 어닐링을 수행한다. After the
이때, 상기 저온 어닐링은 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 방식으로 수행한다. 플라즈마를 이용하여 어닐링할 경우, 100∼500W의 RF 전력을 갖는 플라즈마를 이용하여, 200∼500℃ 온도범위와 0.1∼10torr 압력범위에서, 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 1∼5분 동안 진행한다. 한편, 전기로를 이용하여 어닐링할 경우, 600∼800℃ 온도로 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행하며, RTP를 이용하여 어닐링할 경우, 500∼800℃ 온도범위를 갖는 상압(700∼760torr) 또는 감압(1∼100torr) 챔버내에서 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행한다. In this case, the low temperature annealing is performed by any one method selected from the group consisting of plasma, electric furnace and RTP method. When annealing using a plasma, a plasma having an RF power of 100 to 500 W is used for 1 to 5 minutes while flowing a selected gas by 5 sccm to 5 slm at a temperature range of 200 to 500 ° C. and a pressure range of 0.1 to 10 torr using a plasma having a power of 100 to 500 W. do. On the other hand, when annealing using an electric furnace, a gas selected at 600 to 800 ° C is flowed by 5 sccm to 5 slm, and when annealing using RTP, an atmospheric pressure having a temperature range of 500 to 800 ° C (700 to 760torr) is used. Or in a reduced pressure (1 to 100 torr) chamber while flowing the selected gas by 5 sccm to 5 slm.
도 1b를 참조하면, 상기 금속 스토리지전극(10) 상에 TaxZryOz의 삼성분계 유 전막(20)을 형성한다. 여기서, 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)은 ALD 방식으로 200∼500℃의 온도에서 50∼100Å의 두께로 형성한다. 이때, 상기 x, y, z는 각각 Ta, Zr 및 O의 몰분율로서 그 합은 1이며, 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)은 x/y값이 0.1∼10의 범위를 갖도록 형성한다. Referring to FIG. 1B, a
도 2은 상기 ALD 공정에 따른 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)의 형성 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 도시된 바와 같이 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)의 형성은 "소오스가스 플로우, 퍼지, 반응가스 플로우, 퍼지"를 순차 진행하는 증착 싸이클을, 소망하는 두께의 박막이 얻어질 때까지 반복 수행하는 방식으로 진행한다. FIG. 2 is a view for explaining the process of forming the
자세하게, 상기 ALD 방법을 이용한 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)의 형성은, [Zr 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계]의 ZrO2 박막 증착 싸이클(회수:n)과 [Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계]의 Ta2O5 박막 증착 싸이클(회수:m)을 n:m이 9:1∼1:9 범위가 되도록 제어하면서 반복 수행하는 방식으로 진행하거나, 또는, [Zr 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계](회수:n'), [Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계](회수:m'), 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 또 다른 증착 싸이클을 n':m'이 9:1∼1:9 범위가 되도록 제어하면서 반복 수행하는 방식으로 진행한다. In detail, the formation of the
여기서, 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)의 Zr의 소오스가스로 ZrCl4 또는 Zr[N(CH3)C2H5]4를 사용하거나 Zr을 함유한 다른 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, O2, 플라즈마 O2, N2O, 플라즈마 N2O 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시키고, 반응가스가 O3인 경우 그 농도는 100∼500g/m3으로 한다.Here, any one selected from the group consisting of ZrCl4 or Zr [N (CH3) C2H5] 4 or other compounds containing Zr as the source gas of Zr of the
한편, 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)의 Ta의 소오스가스로 Ta(OC2H5)5 또는 Ta[N(CH3)2]5를 사용하거나 Ta를 함유한 다른 유기 금속 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, O2, 플라즈마 O2, N2O, 플라즈마 N2O 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 Ta의 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 상기 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시킨다. 특히, 상기 반응가스가 O3인 경우 그 농도는 100∼500g/m3으로 한다.Meanwhile, Ta (OC2H5) 5 or Ta [N (CH3) 2] 5 or Ta-containing other organometallic compounds may be used as the source gas of Ta of the
아울러, 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)의 형성 후, 후속하여 상기 삼성분계 유전막(20) 상에 플레이트전극을 형성하기 전, 상기 삼성분계 유전막(20)내의 탄소 불순물 및 결정립을 제거하면서 박막 표면의 거칠기(roughness)를 완화하여 궁극적으로 유전막의 누설전류 및 항복전압 특성이 향상되도록 저온 어닐링을 수행한다. In addition, after the formation of the
이때, 상기 저온 어닐링은 200∼800℃의 온도범위에서 N2, H2, N2/H2, O2, O3 및 NH3로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 가스 분위기로 수행하되, 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 방 식으로 수행한다.At this time, the low temperature annealing is performed in any one gas atmosphere selected from the group consisting of N2, H2, N2 / H2, O2, O3 and NH3 in the temperature range of 200 ~ 800 ℃, plasma, electric furnace and RTP method This may be done in any way selected from the configured group.
여기서, 상기 저온 어닐링을 플라즈마를 이용하여 진행할 경우, 100∼500W의 RF 전력을 갖는 플라즈마를 이용하여, 200∼500℃ 온도범위와 0.1∼10torr 압력범위에서, 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 1∼5분 동안 진행한다.Here, when the low temperature annealing is performed using a plasma, the selected gas is flowed by 5 sccm to 5 slm in a temperature range of 200 to 500 ° C. and a pressure range of 0.1 to 10 tor using a plasma having an RF power of 100 to 500 W. Run for 5 minutes.
한편, 전기로를 이용하여 어닐링할 경우, 600∼800℃ 온도로 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행하며, RTP를 이용하여 어닐링할 경우, 500∼800℃ 온도범위를 갖는 상압(700∼760torr) 또는 감압(1∼100torr) 챔버내에서 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행한다. On the other hand, when annealing using an electric furnace, a gas selected at 600 to 800 ° C is flowed by 5 sccm to 5 slm, and when annealing using RTP, an atmospheric pressure having a temperature range of 500 to 800 ° C (700 to 760torr) is used. Or in a reduced pressure (1 to 100 torr) chamber while flowing the selected gas by 5 sccm to 5 slm.
도 1c를 참조하면, 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20) 상에 TiN, TaN, W, WN, Ru, RuO2, Ir, IrO2 및 Pt과 같은 금속계 물질로 이루어진 플레이트전극(30)을 형성하고, 이를 통해, TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)이 채용된 본 발명에 따른 MIM형 캐패시터(40)의 형성을 완료한다.Referring to FIG. 1C, a
여기서, 상기 플레이트전극(30)의 형성 후에는 후속 집적공정 또는 패키지 공정에서의 환경성 테스트에서 수소(hydrogen) 성분, 수분, 온도 또는 전기적 충격 등으로부터 캐패시터(40)의 구조적인 안정성을 확보하기 위한 보호막으로서 Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2 및 TiO2와 같은 산화막 또는 TiN과 같은 금속 물질로 이루어진 보호막을 ALD 방식으로 50∼200Å 두께로 증착함이 바람직하다. Here, after the
여기서, 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)은 Ta2O5(Eg=4.5eV,ε=25) 유전막 및 HfO2(Eg=5.7eV,ε=20) 유전막 보다 큰 유전율을 갖고 비교적 큰 밴드 갭 에 너지를 갖는 물질이기 때문에, 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)을 채용한 본 발명의 MIM형 캐패시터(40)는 Ta2O5 또는 HfO2 단일 유전막을 적용한 종래의 MIM형 캐패시터 보다 큰 충전용량을 얻을 수 있으며, 누설전류 발생 수준(Leakage Current Density)도 낮출 수 있다. 또한, 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)은 Ta2O5 또는 HfO2 단일 유전막보다 열안정성이 뛰어나기 때문에 제품의 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. Here, the
이에 따라, 본 발명의 상기 TaxZryOz의 삼성분계 유전막(20)을 채용한 캐패시터(40)는 70nm급 이하 금속배선을 갖는 차세대 디램 제품에서 필요로하는 충전용량을 확보하면서 양상적용 가능한 누설전류 및 항복전압 특성 또한 확보할 수 있다. Accordingly, the
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.As mentioned above, although the present invention has been illustrated and described with reference to specific embodiments, the present invention is not limited thereto, and the following claims are not limited to the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention. It can be easily understood by those skilled in the art that can be modified and modified.
이상에서와 같이, 본 발명은 MIM형 캐패시터의 유전막으로, 종래 Ta2O5막 또는 HfO2막 보다 유전율이 크고 밴드 갭 에너지(Band Gap Energy: Eg)도 비교적 큰 TaxZryOz막(Eg=4.5∼7.8 eV,ε=25∼50)을 채용함으로써, 종래 Ta2O5막 또는 HfO2막을 단일 유전막으로 채용한 MIM형 캐패시터에 비해 MIM형 캐패시터의 누설전류 발생 억제력을 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 MIM형 캐패시터는 누설전류 발생 수준을 0.5fA/셀 이하로 감소시킬 수 있고, 아울러, 등가산화막 두께를 12Å 이하로 낮출 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 MIM형 캐패시터는 70㎚급 이하의 차세대 고집적 메모리 제품에서 요구하는 25fF/셀 이상의 충전용량을 용이하게 확보할 수 있다. As described above, the present invention is a dielectric film of a MIM type capacitor, and has a Ta x Zr y O z film (Eg = 4.5∼) having a higher dielectric constant and a relatively larger band gap energy (Eg) than a conventional Ta2O5 film or HfO2 film. By employing 7.8 eV, epsilon = 25 to 50), it is possible to improve the suppression force of the leakage current generation of the MIM capacitor as compared to the MIM capacitor employing the conventional Ta2O5 film or the HfO2 film as a single dielectric film. More specifically, the MIM capacitor of the present invention can reduce the leakage current generation level to 0.5 fA / cell or less, and can also lower the equivalent oxide film thickness to 12 kPa or less. Accordingly, the MIM capacitor of the present invention can easily secure a charging capacity of 25 fF / cell or more required in a next generation high density memory product of 70 nm or less.
또한, 본 발명은 TaxZryOz의 삼성분계 유전막을 채용함으로써, 종래 HfO2막 또는 Ta2O5막 등 단일 유전막의 열안정성 부족 문제를 극복할 수 있다는 잇점이 있다. 이에 따라, 캐패시터 형성 후의 집적 공정에서 불가피하게 수반되는 고온 열처리 진행시에도 전기적 특성 열화가 억제되고, 캐패시터의 내구성과 신뢰성이 향상된다. In addition, the present invention has the advantage of overcoming the problem of lack of thermal stability of a single dielectric film such as a
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