KR100744656B1 - Method for forming capacitor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 누설 전류 특성을 감소시키고 캐패시턴스를 증가시키는데 적합한 캐패시터를 제공하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명의 캐패시터는 하부 전극; 상기 하부 전극 상의 (Hf-Ti)ON 유전막; 및 상기 유전막 상의 상부 전극이 제공되며, 이에 따라 본 발명은 (Hf-Ti)ON 유전막을 제조하여 캐패시터 소자를 형성하면, 단일 유전막 증착 과정에서 형성되는 결정립 생성을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, Hf-O-Ti, Hf-O-N 및 Ti-O-N 결합이 공유된 각각의 3성분계 산화막 구조가 보다 효과적으로 누설 전류 발생 억제력과 항복 전압 강도를 강화시킬 수 있다.The present invention provides a capacitor suitable for reducing leakage current characteristics and increasing capacitance, wherein the capacitor of the present invention comprises a lower electrode; A (Hf-Ti) ON dielectric film on the lower electrode; And an upper electrode on the dielectric film, and according to the present invention, when the (Hf-Ti) ON dielectric film is manufactured to form a capacitor device, not only the grain formation formed in a single dielectric film deposition process can be suppressed, but the Hf- Each of the three-component oxide film structures in which the O-Ti, Hf-ON, and Ti-ON bonds are shared can more effectively enhance leakage current suppression and breakdown voltage strength.
유전막, (Hf-Ti)ON, MIM 캐패시터 Dielectric Film, (Hf-Ti) ON, MIM Capacitor
Description
도 1은 종래 기술에 따른 캐패시터의 구조를 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view showing the structure of a capacitor according to the prior art,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 캐패시터 제조 과정을 나타낸 도면,2 is a view showing a capacitor manufacturing process according to a first embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 캐패시터 제조 과정을 나타낸 도면,3 is a view showing a capacitor manufacturing process according to a second embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 캐패시터의 유전막 형성 과정을 나타낸 원자층 증착의 개략도,4 is a schematic diagram of atomic layer deposition illustrating a process of forming a dielectric film of a capacitor according to a first and second embodiment of the present invention;
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제3실시예에 따른 캐패시터 제조 과정을 나타낸 도면,5A to 5C are views illustrating a capacitor manufacturing process according to a third embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 캐패시터의 유전막 형성 과정을 나타낸 원자층 증착의 개략도,6 is a schematic diagram of atomic layer deposition illustrating a process of forming a dielectric film of a capacitor according to a third embodiment of the present invention;
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예를 적용한 캐패시터 구조를 도시한 단면도.7A and 7B are sectional views showing a capacitor structure to which an embodiment of the present invention is applied.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : 하부 전극 22 : 유전막21: lower electrode 22: dielectric film
23 : 상부 전극23: upper electrode
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing techniques, and more particularly, to a method of manufacturing capacitors in semiconductor devices.
최근, 미세화된 반도체 공정 기술의 급속한 발전으로 메모리 제품의 고집적화가 가속화됨에 따라 단위 셀 면적이 크게 감소하고 있으며, 동작 전압의 저전압화가 이루어지고 있다.Recently, as the integration of memory products is accelerated by the rapid development of miniaturized semiconductor process technology, the unit cell area is greatly reduced, and the operating voltage is reduced.
한편, 기억 소자의 동작에 필요한 충전 용량은 셀 면적 감소에도 불구하고, 소프트 에러(soft error)의 발생과 리프레시 시간(refresh time)의 단축을 방지하기 위해서 25fF/cell 이상의 충분한 용량이 지속적으로 요구되고 있다.On the other hand, the charging capacity required for the operation of the memory element, despite the reduction in the cell area, sufficient capacity of 25 fF / cell or more is continuously required to prevent the occurrence of soft errors and shortening of the refresh time. have.
이러한 상황하에서 알루미늄산화막(Al2O3) 유전막을 채용한 SIS(Polysilicon-Insulator-Polysilicon) 형태의 캐패시터가 512M 이상의 차세대 DRAM 제품에 필요한 충전 용량을 확보하는데 그 한계를 보이고 있기 때문에 TiN 전극과 HfO2/Al2O3 유전막을 채용한 MIS(Metal-Insulator-Polysilicon) 형태 또는 HfO2/Al2O3/HfO2 유전막을 채용한 MIM 형태의 캐패시터 개발이 주류를 이루고 있다. Under these circumstances, TiN electrodes and HfO 2 are limited because polysilicon-insulator-polysilicon (SIS) -type capacitors employing aluminum oxide (Al 2 O 3 ) dielectric films are limited in securing charge capacity for next-generation DRAM products of 512M or more. The development of capacitors in the form of MIS (Metal-Insulator-Polysilicon) employing a / Al 2 O 3 dielectric layer or MIM type employing an HfO 2 / Al 2 O 3 / HfO 2 dielectric layer is the mainstream.
그러나 이들 캐패시터의 경우 기대할 수 있는 등가산화막(Tox : Equivalent Oxide Thickness) 두께의 한계가 현재 12Å 수준이기 때문에 70㎚ 급 이하의 금속 배선 공정이 적용되는 반도체 DRAM 제품군에서 25fF/cell 이상의 셀 충전용량(Cell Capacitance) 확보가 전하저장전극의 구조를 복잡하게 변화시켜 전하저장전극의 면적을 증가시키지 않는 한 사실상 어렵다.However, these capacitors can be expected that the equivalent oxide (T ox: Equivalent Oxide Thickness) The thickness of the current limit level is 12Å 70㎚ grade metal wiring process is 25fF / cell or more cells in the charge capacity semiconductor DRAM Product is applied because of the following ( Securing cell capacity is virtually difficult unless it changes the structure of the charge storage electrode to increase the area of the charge storage electrode.
도 1은 종래 기술에 따른 캐패시터의 구조를 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a capacitor according to the prior art.
도 1에 도시된 바와 같이, 하부 전극(11) 상에 유전막(12)이 형성된다. 유전막(12)은 Ta2O5(탄탈륨산화막), HfO2(하프늄산화막) 또는 ZrO2(지르코늄산화막)를 사용하며, 이들의 단일막 또는 혼합막을 사용한다. 이어서, 유전막(12) 상에 상부 전극(13)이 형성된다.As shown in FIG. 1, a
그러나, 상술한 종래 기술은 하부 전극으로 TiN막을 사용하는 경우, 등가산화막의 두께를 10Å 이하로 낮추면, MIM 캐패시터의 누설 전류(Leakage Current)가 1fA/cell 정도 수준으로 발생하기 때문에 사실상 제품에 적용이 어려운 상황이다.However, when the TiN film is used as the lower electrode, when the equivalent oxide film is lowered to 10 kΩ or less, the leakage current of the MIM capacitor is generated at about 1 fA / cell. It is a difficult situation.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 누설 전류 특성을 감소시키고 캐패시턴스를 증가시키는데 적합한 캐패시터 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a capacitor suitable for reducing leakage current characteristics and increasing capacitance.
상기 목적을 달성하기 위한 일 특징적인 본 발명의 캐패시터는 하부 전극, 상기 하부 전극 상의 (Hf-Ti)ON 유전막, 및 상기 유전막 상의 상부 전극을 제공한 다.A capacitor of the present invention for achieving the above object provides a lower electrode, a (Hf-Ti) ON dielectric film on the lower electrode, and an upper electrode on the dielectric film.
또한, 본 발명의 캐패시터 제조 방법은 하부 전극을 형성하는 단계, 상기 하부 전극 상에 (Hf-Ti)ON 유전막을 형성하는 단계, 및 상기 유전막 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함한다.In addition, the capacitor manufacturing method of the present invention includes forming a lower electrode, forming a (Hf-Ti) ON dielectric film on the lower electrode, and forming an upper electrode on the dielectric film.
또한, 본 발명의 캐패시터 제조 방법은 하부 전극을 형성하는 단계, 질소 가스 함유 분위기에서 제1플라즈마 어닐링을 진행하는 단계, 상기 하부 전극 상에 (Hf-Ti)O 유전막을 형성하는 단계, 질소 가스 함유 분위기에서 제2플라즈마 어닐링을 진행하는 단계, 상기 (Hf-Ti)O 유전막 상에 상부 전극을 형성하는 단계, 및 후처리 어닐링을 진행하여 (Hf-Ti)ON 유전막을 형성하는 단계를 포함한다.In addition, the capacitor manufacturing method of the present invention comprises the steps of forming a lower electrode, performing a first plasma annealing in a nitrogen gas containing atmosphere, forming a (Hf-Ti) O dielectric film on the lower electrode, nitrogen gas containing Performing a second plasma annealing in an atmosphere, forming an upper electrode on the (Hf-Ti) O dielectric film, and performing a post-treatment annealing to form a (Hf-Ti) ON dielectric film.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 can easily implement the technical idea of the present invention. .
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 캐패시터 제조 과정을 나타낸 도면이다.2 is a view showing a capacitor manufacturing process according to a first embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 하부 전극(21) 상에 (Hf-Ti)ON 유전막(22)을 형성하고, (Hf-Ti)ON 유전막(22) 상에 상부 전극(23)을 형성한다.As shown in FIG. 2, the (Hf-Ti) ON
먼저, 하부 전극(21)은 도프트 폴리실리콘 또는 TiN과 같은 금속계 물질을 사용한다. 이어서, 하부 전극(21) 상에 (Hf-Ti)ON 유전막(22)을 형성한다. First, the
이 때, (Hf-Ti)ON 유전막(22)은, 하부 전극(21) 상에 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)으로 하프늄산화막(HfO2, 22a)을 증착한 후, 질소 가스를 함유한 플라즈마 어닐링(Plasma NH3 Annealing)을 진행한다. At this time, the (Hf-Ti) ON
이어서, 하프늄산화막(22a) 상에 원자층 증착법(ALD)으로 티타늄산화막(TiO2, 22b)을 증착한 후, 질소 가스를 함유한 플라즈마 어닐링을 진행한다. 이와 같은 순서를 한 사이클로 하여 하프늄산화막(22a)과 티타늄산화막(22b)을 번갈아 가면서 각각 10Å 이하로 증착하고, 각각의 박막 증착 전, 후에 NH3 분위기에서 플라즈마 어닐링 처리를 반복적으로 실시하여 50∼150Å 두께의 (Hf-Ti)ON 유전막(22)을 형성한다. 이는, Hf-Ti-O 막 속에 질소 가스를 혼입시켜 Hf-O-N과 Ti-O-N 결합을 유도시키는 과정이다.Subsequently, the titanium oxide films TiO 2 and 22b are deposited on the
계속해서, 하프늄산화막(22a) 또는 티타늄산화막(22b) 뿐만 아니라, 하부 전극(21) 표면에 질소를 혼입시키거나 표면에 흡착시키기 위한 플라즈마 어닐링은, 0.1∼10torr의 압력과 200∼500℃의 기판 온도를 유지하는 챔버 내부로, NH3는 25∼250sccm의 유량을 플로우시킨다.Subsequently, not only the
또는, 플라즈마 어닐링은 N2 또는 (N2/H2) 분위기에서 100∼500W의 RF 파워를 인가하여 글로우 차지(Glow charge)를 발생시킨 챔버 내에서 1초∼1분 동안 실시한다. Alternatively, plasma annealing is performed for 1 second to 1 minute in a chamber in which glow charge is generated by applying RF power of 100 to 500 mW in an N 2 or (N 2 / H 2 ) atmosphere.
다음으로, (Hf-Ti)ON 유전막(22) 상에 상부 전극(23)을 형성한다. 상부 전극(23)은 TiN, Ru, TaN, W, WN 및 Pt의 그룹에서 선택된 어느 한 금속계 물질을 사용 한다.Next, the
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 캐패시터 제조 과정을 나타낸 도면이다.3 is a view showing a capacitor manufacturing process according to a second embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 하부 전극(21) 상에 (Hf-Ti)ON 유전막(22)을 형성하고, (Hf-Ti)ON 유전막(22) 상에 상부 전극(23)을 형성한다.As shown in FIG. 3, the (Hf-Ti) ON
먼저, 하부 전극(21)은 도프트 폴리실리콘 또는 TiN과 같은 금속계 물질을 사용한다. 이어서, 하부 전극(21) 상에 (Hf-Ti)ON 유전막(22)을 형성한다. First, the
이 때, (Hf-Ti)ON 유전막(22)은, 하부 전극(21) 상에 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)으로 티타늄산화막(TiO2, 22a)을 증착한 후, 질소 가스를 함유한 플라즈마 어닐링(Plasma NH3 Annealing)을 진행한다. At this time, the (Hf-Ti) ON
이어서, 티타늄산화막(22a) 상에 원자층 증착법(ALD)으로 하프늄산화막(HFO2, 22b)을 증착한 후, 질소 가스를 함유한 플라즈마 어닐링을 진행한다. 이와 같은 순서를 한 사이클로 하여 티타늄산화막(22a)과 하프늄산화막(22b)을 번갈아 가면서 각각 10Å 이하로 증착한다.Subsequently, the hafnium oxide films HFO 2 and 22b are deposited on the
이 때, 각각의 박막 증착 전, 후에 질소 가스를 함유한 분위기에서 플라즈마 어닐링 처리를 반복적으로 실시하여 50∼150Å 두께의 (Hf-Ti)ON 유전막(22)을 형성한다. 이는, Hf-Ti-O 막 속에 질소 가스를 혼입시켜 Hf-O-N과 Ti-O-N 결합을 유도시키는 과정이다.At this time, before and after each thin film deposition, the plasma annealing treatment is repeatedly performed in an atmosphere containing nitrogen gas to form a (Hf-Ti) ON
계속해서, 티타늄산화막(22a) 또는 하프늄산화막(22b) 뿐만 아니라, 하부 전극(21) 표면에 질소를 혼입시키거나 표면에 흡착시키기 위한 플라즈마 어닐링은, 0.1∼10torr의 압력과 200∼500℃의 기판 온도를 유지하는 챔버 내부로, NH3는 25∼250sccm의 유량을 플로우시킨다.Subsequently, not only the
또는, 플라즈마 어닐링은 N2 또는 (N2/H2) 분위기에서 100∼500W의 RF 파워를 인가하여 글로우 차지(Glow charge)를 발생시킨 챔버 내에서 1초∼1분 동안 실시한다. Alternatively, plasma annealing is performed for 1 second to 1 minute in a chamber in which glow charge is generated by applying RF power of 100 to 500 mW in an N 2 or (N 2 / H 2 ) atmosphere.
다음으로, (Hf-Ti)ON 유전막(22) 상에 상부 전극(23)을 형성한다. 상부 전극(23)은 TiN, Ru, TaN, W, WN 및 Pt의 그룹에서 선택된 어느 한 금속계 물질을 사용한다.Next, the
도 4는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 캐패시터의 (Hf-Ti)ON 유전막 형성 과정을 나타낸 원자층 증착의 개략도이다.4 is a schematic diagram of atomic layer deposition illustrating a process of forming a (Hf-Ti) ON dielectric layer of a capacitor according to first and second embodiments of the present invention.
살펴보기에 앞서, 원자층 증착법(ALD)은 공지된 바와 같이, 먼저 소스 가스를 공급하여 기판 표면에 한 층의 소스를 화학적으로 흡착(Chemical Adsorption)시키고, 여분의 물리적 흡착된 소스들은 퍼지 가스를 흘려보내어 퍼지시킨 다음, 한 층의 소스에 반응 가스를 공급하여 한 층의 소스와 반응 가스를 화학반응 시켜 원하는 원자층 박막을 증착하고, 여분의 반응 가스는 퍼지 가스를 흘려보내 퍼지 시키는 과정을 한 주기로 하여 박막을 증착한다. 상술한 바와 같은 원자층 증착법(ALD)은 표면 반응 메카니즘(Surface Reaction Mechanism)을 이용하므로써 안정된 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 균일한 박막을 얻을 수 있다.Prior to this, atomic layer deposition (ALD), as is known, first supplies a source gas to chemically adsorb a layer of source onto the substrate surface, and the extra physically adsorbed sources are used to purge the purge gas. After flowing and purging, supply a reaction gas to one layer of the source to chemically react one source and the reaction gas to deposit the desired atomic layer thin film, and the excess reaction gas flows through the purge gas to purge The thin film is deposited on a periodic basis. In the atomic layer deposition method (ALD) described above, a stable thin film can be obtained as well as a uniform thin film by using a surface reaction mechanism.
또한, 소스 가스와 반응 가스를 서로 분리시켜 순차적으로 주입 및 퍼지 시 키기 때문에 화학기상증착법(CVD)에 비해 가스 위상 반응(Gas Phase Reaction)에 의한 파티클(Particle) 생성을 억제하는 것으로 알려져 있다.In addition, since the source gas and the reaction gas are separated from each other and sequentially injected and purged, it is known to suppress particle generation by gas phase reaction compared to chemical vapor deposition (CVD).
도 4에 도시된 바와 같이, 하부 전극 상에 원자층 증착법을 통해 하프늄산화막과 티타늄산화막이 적층된 구조를 소정 횟수 반복하여 50∼150Å 두께의 (Hf-Ti)ON 유전막을 형성한다. As shown in FIG. 4, A structure in which a hafnium oxide film and a titanium oxide film are stacked on the lower electrode is repeated a predetermined number of times to form a (Hf-Ti) ON dielectric film having a thickness of 50 to 150 Å.
먼저, 하프늄산화막은 하프늄 소스 가스 주입(제1단계), 퍼지 가스 주입(제2단계), 반응 가스 주입(제3단계) 및 퍼지 가스 주입(제4단계)을 단위 사이클(1 Cycle)로 하는 원자층 증착 공정을 반복 수행하여 원하는 두께의 원자층을 형성한다. First, the hafnium oxide film has a unit cycle (Halfnium source gas injection (first step), purge gas injection (second step), reactive gas injection (third step) and purge gas injection (fourth step)). The atomic layer deposition process is repeated to form an atomic layer of a desired thickness.
먼저, 하프늄 소스 가스를 주입하는 제1단계에서 하프늄 소스는 C16H36HfO4 또는 Hf를 함유한 기타 유기 금속 화합물(TDEAHf, TEMAHf)을 전구체로 사용하고 50∼5000sccm의 유량으로 플로우 시키고, 제2단계는 퍼지 가스 주입 단계로서, 증착 챔버 내에 퍼지 가스를 주입하여 미반응 지르코늄 소스 가스를 챔버로부터 제거한다. First, in the first step of injecting a hafnium source gas, the hafnium source uses C 16 H 36 HfO 4 or other organometallic compound (TDEAHf, TEMAHf) containing Hf as a precursor and flows at a flow rate of 50 to 5000 sccm. Step 2 is a purge gas injection step in which a purge gas is injected into the deposition chamber to remove unreacted zirconium source gas from the chamber.
퍼지 가스는 비활성 가스로서 Ar, He 또는 N2 가스를 단독 또는 혼합하여 사용한다.The purge gas is used alone or in combination with Ar, He or N 2 gas as the inert gas.
제3단계는 반응 가스 주입 단계로서, 증착 챔버 내에 반응 가스(0.1∼1slm)를 주입한다. 반응 가스는 O3(농도:200±20g/cm3), O2 , 플라즈마 O2, N2O, 플라즈마 N2O, 또는 수증기(H2O)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 한 물질을 사용한다.The third step is a reaction gas injection step, in which a reaction gas (0.1 to 1 slm) is injected into the deposition chamber. The reaction gas may be any one selected from the group consisting of O 3 (concentration: 200 ± 20 g / cm 3 ), O 2 , plasma O 2 , N 2 O, plasma N 2 O, or water vapor (H 2 O). .
반응 가스를 주입하여 기형성된 소스 가스층과 반응 가스간의 반응을 유도하여 하프늄산화막(HfO2)을 형성한다. The reaction gas is injected to induce a reaction between the pre-formed source gas layer and the reaction gas to form a hafnium oxide film (HfO 2 ).
이어서, 제4단계는 퍼지 가스 주입 단계로서, 증착 챔버 내에 퍼지 가스를 주입하여 미반응 산소 공급원 및 반응부산물을 제거한다. Subsequently, the fourth step is a purge gas injection step, in which a purge gas is injected into the deposition chamber to remove the unreacted oxygen source and the reaction byproduct.
퍼지 가스는 비활성 가스로서 Ar, He 또는 N2 가스를 단독 또는 혼합하여 사용한다. The purge gas is used alone or in combination with Ar, He or N 2 gas as the inert gas.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 하프늄산화막을 형성한 후 질소 가스를 함유한 플라즈마 어닐링을 진행한다.On the other hand, although not shown in the figure, after forming a hafnium oxide film, plasma annealing containing nitrogen gas is performed.
계속해서, 하프늄산화막 상에 티타늄산화막을 형성한다.Subsequently, a titanium oxide film is formed on the hafnium oxide film.
티타늄산화막은 티타늄 소스 가스 주입(제1단계), 퍼지 가스 주입(제2단계), 반응 가스 주입(제3단계) 및 퍼지 가스 주입(제4단계)을 단위 사이클(1 Cycle)로 하는 원자층 증착 공정을 반복 수행하여 원하는 두께의 원자층을 형성한다. Titanium oxide film is an atomic layer comprising titanium source gas injection (first step), purge gas injection (second step), reactive gas injection (third step), and purge gas injection (fourth step) in one cycle. The deposition process is repeated to form an atomic layer of desired thickness.
먼저, 티타늄 소스 가스를 주입하는 제1단계에서, 티타늄 소스는 Ti[OCH(CH3)2]4 또는 티타늄을 함유한 기타 유기 금속 화합물을 전구체로 사용하고, 50∼5000sccm 의 유량으로 플로우 시킨다. 제2단계는 퍼지 가스 주입 단계로서, 증착 챔버 내에 퍼지 가스를 주입하여 미반응 지르코늄 소스 가스를 챔버로부터 제거한다. First, in the first step of injecting the titanium source gas, the titanium source uses Ti [OCH (CH 3 ) 2 ] 4 or other organometallic compound containing titanium as a precursor and flows at a flow rate of 50 to 5000 sccm. The second step is a purge gas injection step, in which a purge gas is injected into the deposition chamber to remove unreacted zirconium source gas from the chamber.
퍼지 가스는 비활성 가스로서 Ar, He 또는 N2 가스를 단독 또는 혼합하여 사용한다.The purge gas is used alone or in combination with Ar, He or N 2 gas as the inert gas.
제3단계는 반응 가스 주입 단계로서, 증착 챔버 내에 반응 가스(0.1∼1slm)를 주입한다. 반응 가스는 O3(농도:200±20g/m3), O2 , 플라즈마 O2, N2O, 플라즈마 N2O, 또는 수증기(H2O)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 한 물질을 사용한다.The third step is a reaction gas injection step, in which a reaction gas (0.1 to 1 slm) is injected into the deposition chamber. The reaction gas uses any material selected from the group consisting of O 3 (concentration: 200 ± 20 g / m 3 ), O 2 , plasma O 2 , N 2 O, plasma N 2 O, or water vapor (H 2 O). .
반응 가스를 주입하여 기형성된 소스 가스층과 반응 가스간의 반응을 유도하여 티타늄산화막(La2O3)을 형성한다. The reaction gas is injected to induce a reaction between the previously formed source gas layer and the reaction gas to form a titanium oxide layer (La 2 O 3 ).
이어서, 제4단계는 퍼지 가스 주입 단계로서, 증착 챔버 내에 퍼지 가스를 주입하여 미반응 산소 공급원 및 반응부산물을 제거한다. Subsequently, the fourth step is a purge gas injection step, in which a purge gas is injected into the deposition chamber to remove the unreacted oxygen source and the reaction byproduct.
퍼지 가스는 비활성 가스로서 Ar, He 또는 N2 가스를 단독 또는 혼합하여 사용한다.The purge gas is used alone or in combination with Ar, He or N 2 gas as the inert gas.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 티타늄산화막을 형성한 후 질소 가스를 함유한 플라즈마 어닐링을 진행한다.On the other hand, although not shown in the figure, after the titanium oxide film is formed, plasma annealing containing nitrogen gas is performed.
(Hf-Ti)ON 유전막은, 상기한 ALD 공정을 통해 형성된 각각의 하프늄산화막과 티타늄산화막을 번갈아 증착하되, 각 박막의 두께가 10Å 이하로 증착하며, 각 박막의 형성 후 질소 가스를 함유한 플라즈마 어닐링 공정을 진행하여 형성한다. The (Hf-Ti) ON dielectric film alternately deposits the hafnium oxide film and the titanium oxide film formed through the above-described ALD process, and the thickness of each thin film is deposited to 10 Å or less, and the plasma containing nitrogen gas after the formation of each thin film is formed. It forms by carrying out an annealing process.
또한, 본 발명의 제1실시예에서는 하프늄산화막을 형성한 후, 티타늄산화막을 형성하였고, 제2실시예에서는 티타늄산화막을 형성한 후, 하프늄산화막을 형성하였다. 각 박막의 증착 순서는 바뀌어도 무방하다.In addition, in the first embodiment of the present invention, after forming a hafnium oxide film, a titanium oxide film was formed, and in the second embodiment, a titanium oxide film was formed, and then a hafnium oxide film was formed. The deposition order of each thin film may be changed.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제3실시예에 따른 캐패시터 제조 과정을 나타 낸 도면이다.5A to 5C are views illustrating a capacitor manufacturing process according to a third embodiment of the present invention.
도 5a에 도시된 바와 같이, 하부 전극(31) 상에 (Hf-Ti)O 유전막(32)을 형성하고, (Hf-Ti)O 유전막(32) 상에 상부 전극(33)을 형성한다.As shown in FIG. 5A, the (Hf-Ti)
하부 전극(31)은 도프트 폴리실리콘 또는 TiN과 같은 금속계 물질을 사용한다. 이어서, 하부 전극(31) 상에 (Hf-Ti)O 유전막(32)을 형성한다. The
(Hf-Ti)O 유전막(32)은 ALD, MOCVD 또는 수정된 펄스(Modified Pulsed) CVD 방식으로 형성하는데, 그 두께가 50∼150Å을 갖도록 형성 한다. The (Hf-Ti)
이어서, (Hf-Ti)O 유전막(32)을 형성한 후, 소정의 공정을 진행하여 (Hf-Ti)ON 유전막이 형성되는 과정을 살펴보도록 한다. Subsequently, after the (Hf-Ti)
먼저, 하부 전극(31)에 질소 가스를 함유한 플라즈마 어닐링을 진행한 후, 하부 전극(31) 상에 (Hf-Ti)O 유전막(32)을 증착한다. 계속해서, 질소 가스를 함유한 플라즈마 어닐링을 진행한다. First, a plasma annealing containing nitrogen gas is performed on the
계속해서, (Hf-Ti)O 유전막(32) 상에 상부 전극(33)을 증착한다. 상부 전극(33)은 TiN, Ru, TaN, W, WN 및 Pt의 그룹에서 선택된 어느 한 금속계 물질을 사용한다.Subsequently, the
상부 전극(33)을 형성한 후, 하부 전극(31)과 상부 전극(33)의 계면에 파일-업(Pile-up) 되어 있는 질소를 (Hf-Ti)O 유전막(32) 내부로 열확산 시킬 목적으로 상압 또는 감압 상태의 퍼니스(Furnace) 또는 급속열처리(RTP)를 이용하여 500∼800℃의 온도 범위에서 어닐링을 진행한다. 이 때, 확산된 질소의 함량은 10∼40% 수준이다. 상기와 같은 열처리 공정을 진행하여 최종적으로 (Hf-Ti)ON 유전막(32a) 을 형성한다.After the
도 5b의 그래프를 살펴보면, 상부 전극을 증착 후, 후처리 어닐링 진행 전에는 하부 전극과 (Hf-Ti)O 유전막의 계면, (Hf-Ti)O 유전막과 상부 전극의 계면에 질소 이온이 집중되어 있고, 각각의 계면에 위치한 질소 이온의 농도가 높은 것을 알 수 있다. Referring to the graph of FIG. 5B, after deposition of the upper electrode and before the post-treatment annealing, nitrogen ions are concentrated at the interface between the lower electrode and the (Hf-Ti) O dielectric layer and at the interface between the (Hf-Ti) O dielectric layer and the upper electrode. It can be seen that the concentration of nitrogen ions located at each interface is high.
도 5c의 그래프를 살펴보면 단계2의 그래프를 살펴보면, 상부 전극 증착 후, 어닐링 진행 후에는 하부 전극과 (Hf-Ti)O 유전막의 계면, (Hf-Ti)O 유전막과 상부 전극의 계면에 집중되어 있던 질소 이온들이 (Hf-Ti)O 유전막 내부로 혼합되어, 각각의 계면에 모여있던 질소 이온의 농도가 낮아진다. 따라서, 후처리 어닐링 공정 후 (Hf-Ti)ON 혼합막이 형성된다. Referring to the graph of FIG. 5C, when the upper electrode is deposited, and after annealing, the graph is concentrated on the interface between the lower electrode and the (Hf-Ti) O dielectric layer and the interface between the (Hf-Ti) O dielectric layer and the upper electrode. Existing nitrogen ions are mixed into the (Hf-Ti) O dielectric layer, and the concentration of nitrogen ions accumulated at each interface is lowered. Thus, a (Hf-Ti) ON mixed film is formed after the post-treatment annealing process.
자세히 살펴보면, 상부 전극을 형성한 다음에, 비활성 가스 분위기 하에서 상부 전극과 (Hf-Ti)O 유전막, (Hf-Ti)O 유전막과 하부 전극의 계면에 파일-업 되어 있던 질소의 열확산 시키는 과정 및 상부 전극 어닐링 시 질소 이온이 전극 밖으로 아웃-가싱(Out-gassing)되지 못하고, (Hf-Ti)O 박막 내부로만 확산되어 (Hf-Ti)ON 혼합막이 형성된다. In detail, after forming the upper electrode, the process of thermal diffusion of nitrogen piled up at the interface between the upper electrode and the (Hf-Ti) O dielectric layer, the (Hf-Ti) O dielectric layer and the lower electrode under an inert gas atmosphere, and Nitrogen ions cannot be out-gassed out of the electrode during annealing the upper electrode, and diffuse only into the (Hf-Ti) O thin film to form a (Hf-Ti) ON mixed film.
도 6은 본 발명의 제23실시예에 따른 캐패시터의 (Hf-Ti)ON 유전막 형성 과정을 나타낸 원자층 증착의 개략도이다.6 is a schematic diagram of atomic layer deposition illustrating a process of forming a (Hf-Ti) ON dielectric film of a capacitor according to a twenty-third embodiment of the present invention.
먼저, (Hf-Ti)O 유전막을 형성하는 방법에 대해 알아보기로 한다.first, A method of forming a (Hf-Ti) O dielectric film will be described.
도 6에 도시된 바와 같이, 하프늄 소스 가스 주입, 퍼지 가스 주입, 티타늄 소스 가스 주입, 퍼지 가스 주입, 반응 가스 주입 및 퍼지 가스 주입을 단위 사이 클(1 Cycle)로 하는 공정을 반복 수행하여 원하는 두께의 원자층을 형성한다. As shown in FIG. 6, a process in which hafnium source gas injection, purge gas injection, titanium source gas injection, purge gas injection, reactive gas injection, and purge gas injection is repeated as a unit cycle (1 Cycle) is repeatedly performed. Form an atomic layer of.
자세히는, 하프늄 소스 가스를 주입 단계에서 하프늄 소스는 C16H36HfO4 또는 Hf를 함유한 기타 유기 금속 화합물(TDEAHf, TEMAHf)을 전구체로 사용하고 50∼5000sccm의 유량으로 플로우 시키고, 제2단계는 퍼지 가스 주입 단계로서, 증착 챔버 내에 퍼지 가스를 주입하여 미반응 하프늄 소스 가스를 챔버로부터 제거한다. More specifically, in the hafnium source gas injection step, the hafnium source is a precursor of C 16 H 36 HfO 4 or other organometallic compounds containing TfHf (TDEAHf, TEMAHf), flowed at a flow rate of 50 to 5000 sccm, and the second step. Is a purge gas injection step, which injects a purge gas into the deposition chamber to remove the unreacted hafnium source gas from the chamber.
퍼지 가스는 비활성 가스로서 Ar, He 또는 N2 가스를 단독 또는 혼합하여 사용한다.The purge gas is used alone or in combination with Ar, He or N 2 gas as the inert gas.
이어서, 티타늄 소스 가스를 주입하는 단계에서, 티타늄 소스는 Ti[OCH(CH3)2]4 또는 티타늄을 함유한 기타 유기 금속 화합물을 전구체로 사용하고, 50∼5000sccm의 유량으로 플로우 시킨다. 제2단계는 퍼지 가스 주입 단계로서, 증착 챔버 내에 퍼지 가스를 주입하여 미반응 티타늄늄 소스 가스를 챔버로부터 제거한다. Subsequently, in the step of injecting the titanium source gas, the titanium source uses Ti [OCH (CH 3 ) 2 ] 4 or other organometallic compound containing titanium as a precursor and flows at a flow rate of 50 to 5000 sccm. The second step is a purge gas injection step, which injects a purge gas into the deposition chamber to remove unreacted titanium source gas from the chamber.
퍼지 가스는 비활성 가스로서 Ar, He 또는 N2 가스를 단독 또는 혼합하여 사용한다.The purge gas is used alone or in combination with Ar, He or N 2 gas as the inert gas.
다음으로, 반응 가스 주입 단계로서, 증착 챔버 내에 반응 가스(0.1∼1slm)를 주입한다. 반응 가스는 O3(농도:200±20g/cm3), O2 , 플라즈마 O2, N2O, 플라즈마 N2O, 또는 수증기(H2O)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 한 물질을 사용한다.Next, as a reaction gas injection step, a reaction gas (0.1 to 1 slm) is injected into the deposition chamber. The reaction gas may be any one selected from the group consisting of O 3 (concentration: 200 ± 20 g / cm 3 ), O 2 , plasma O 2 , N 2 O, plasma N 2 O, or water vapor (H 2 O). .
반응 가스를 주입하여 기형성된 소스 가스층과 반응 가스간의 반응을 유도하 여 하프늄티타늄산화막(Hf-Ti)O을 형성한다. The reaction gas is injected to induce a reaction between the pre-formed source gas layer and the reaction gas to form hafnium titanium oxide (Hf-Ti) O.
이어서, 퍼지 가스 주입 단계로서, 증착 챔버 내에 퍼지 가스를 주입하여 미반응 산소 공급원 및 반응부산물을 제거한다. Next, as a purge gas injection step, a purge gas is injected into the deposition chamber to remove the unreacted oxygen source and the reaction byproduct.
퍼지 가스는 비활성 가스로서 Ar, He 또는 N2 가스를 단독 또는 혼합하여 사용한다. The purge gas is used alone or in combination with Ar, He or N 2 gas as the inert gas.
이와 같이, [하프늄 소스 가스 주입-퍼지 사이클]m과 [티타늄 소스 가스 주입-퍼지 사이클]n을 소정의 비율로 반복 증착하여 하프늄티타늄산화막을 형성한다. In this manner, the hafnium source gas injection-purge cycle m and the titanium source gas injection-purge cycle n are repeatedly deposited at a predetermined ratio to form a hafnium titanium oxide film.
한편, 제3실시예에서, 하프늄산화막과 티타늄산화막 흡착 조건으로, 0.1∼10torr의 압력과 200∼500℃의 기판 온도를 유지하는 챔버 내부로 0.1∼10slm의 유량을 일정하게 유지하면서 0.25∼5초 동안 플로우하고, 반응 가스는 0.25∼5초 동안 주입하며, 퍼지는 0.5∼10초 동안 진행한다.On the other hand, in the third embodiment, under the hafnium oxide film and titanium oxide film adsorption conditions, 0.25 to 5 seconds while maintaining a constant flow rate of 0.1 to 10 slm into a chamber maintaining a pressure of 0.1 to 10 torr and a substrate temperature of 200 to 500 ° C. Flow, the reaction gas is injected for 0.25-5 seconds, and the purge proceeds for 0.5-10 seconds.
계속해서, 본 발명에서 제안한 박막을 캐패시터 유전막으로 적용하는 캐패시터 구조를 알아보기로 한다. Subsequently, a capacitor structure in which the thin film proposed in the present invention is applied as a capacitor dielectric layer will be described.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예를 적용한 캐패시터 구조를 도시한 단면도이다. 도 7a는 실린더형 캐패시터를 나타내고, 도 7b는 콘케이브형 캐패시터를 나타낸다.7A and 7B are cross- sectional views illustrating a capacitor structure to which an embodiment of the present invention is applied. FIG. 7A shows a cylindrical capacitor, and FIG. 7B shows a concave capacitor.
도 7a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(61) 상에 층간절연막(62)이 형성되고, 층간절연막(62)을 관통하여 반도체 기판(61)과 연결되는 스토리지노드콘택플러그(63)가 형성된다. As shown in FIG. 7A, an
계속해서, 스토리지노드콘택플러그(63) 상에 하부 전극(66)이 형성되고, 층간절연막(62)과 하부 전극(66)의 양측벽에 동시에 접하는 식각 정지막(64)이 존재한다.Subsequently, a
이어서, 하부 전극(66) 상에 유전막(67) 및 상부 전극(68)이 차례로 형성된다.Subsequently, the
이 때, 하부 전극(66)은 TiN 또는 Ru, 유전막(67)은 (Hf-Ti)ON, 상부 전극(68)은 도프트 폴리실리콘 또는 TiN을 사용한다.At this time, the
도 7b에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(61) 상에 층간절연막(62)이 형성되고, 층간절연막(62)을 관통하여 반도체 기판(61)과 연결되는 스토리지노드콘택플러그(63)가 형성된다. As shown in FIG. 7B, an
계속해서, 층간절연막(62)과 스토리지노드콘택플러그(63) 상부에 콘케이브형 스토리지노드홀을 제공하는 스토리지노드 산화막(65)이 형성되고, 스토리지노드홀 내부 표면을 따라 하부 전극(66)이 형성된다. 스토리지노드 산화막(65) 하부에 식각 정지막(64)이 존재한다.Subsequently, a storage node oxide layer 65 is formed on the
이어서, 하부 전극(66) 상에 유전막(67) 및 상부 전극(68)이 차례로 형성된다.Subsequently, the
이 때, 하부 전극(66)은 TiN 또는 Ru, 유전막(67)은 (Hf-Ti)ON, 상부 전극(68)은 도프트 폴리실리콘 또는 TiN을 사용한다.At this time, the
상기한 도 7a 및 도 7b에서 상부 전극(68)을 형성한 후, 후속 집적 공정 (Back-End)에서의 열공정(Thermal Process) 및 큐어링 공정(Curing Process; H2, N2 또는 N2/H2 분위기), 습식 공정(Wet Process) 그 밖의 패키지 공정 및 신뢰성과 관련된 환경 실험(Environment Test) 진행 과정에서 습도, 온도 또는 전기적 충격으로부터의 구조적인 안정성을 향상시키기 위한 일종의 보호막 또는 완충층으로 CVD 방식으로 실리콘 질화막 또는 폴리실리콘막을 200∼1000Å 정도로 적층하거나 ALD 방식으로 증착한 Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2, TiO, La2O3와 같은 산화막 또는 TiN과 같은 금속층을 추가로 50∼200Å 두께를 적층하여 MIM 캐패시터를 보호해주는 캡핑막을 형성한다.After the
상술한 바와 같이, (Hf-Ti)ON과 같은 다성분계 유전막은 ALD 증착 과정에서 서로 다른 이종의 HfO와 TiO가 상호 반복적으로 증착되어 격자부정합(Lattice mismatch) 효과로 결정립의 생성을 억제시킬 수 있으며, 박막 표면 거칠기도 낮출 수 있어, 누설 전류의 발생을 효과적으로 억제시킬 수 있다.As described above, in the multi-component dielectric film such as (Hf-Ti) ON, different heterogeneous HfO and TiO are repeatedly deposited with each other during the ALD deposition process to suppress the formation of grains by the lattice mismatch effect. The surface roughness of the thin film can also be lowered, and the generation of leakage current can be effectively suppressed.
또한, 고온 열공정에 대한 내구성을 강화시킬 목적으로 질소 이온(Nitrogen)을 추가로 박막 내에 혼입시켜서, 구조적으로도 안정되고 열적으로도 안정된 (Hf-Ti)ON과 같은 다성분계 산화막을 제조하였고, (Hf-Ti)ON 박막을 캐패시터의 유전막으로 채용함으로써, 종래의 단일 유전막을 채용한 HfO2 캐패시터 또는 TiO2 캐패시터가 갖고 있던 문제점을 해결하여 낮은 누설 전류 특성, 높은 항복 전압 특성 및 캐패시터의 충전 용량 증대와 같은 효과를 얻을 수 있다.In addition, by incorporating nitrogen ions (Nitrogen) into the thin film for the purpose of enhancing durability against high temperature thermal process, a multi-component oxide film such as (Hf-Ti) ON, which is structurally stable and thermally stable, was prepared. By adopting the (Hf-Ti) ON thin film as the dielectric film of the capacitor, it solves the problems of the HfO 2 capacitor or the TiO 2 capacitor employing the conventional single dielectric film, so that the low leakage current characteristics, the high breakdown voltage characteristics and the charge capacity of the capacitor The same effect as the increase can be obtained.
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 본 발명은 (Hf-Ti)ON 유전막을 제조하여 캐패시터 소자를 형성하면, 단일 유전막 증착 과정에서 형성되는 결정립 생성을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, Hf-O-Ti, Hf-O-N 및 Ti-O-N 결합이 공유된 각각의 3성분계 산화막 구조가 보다 효과적으로 누설 전류 발생 억제력과 항복 전압 강도를 강화시킬 수 있다.In the present invention described above, when the (Hf-Ti) ON dielectric film is manufactured to form a capacitor device, not only the grain formation formed during the single dielectric film deposition process can be suppressed, but also Hf-O-Ti, Hf-ON and Ti- Each three-component oxide structure with shared ON coupling can more effectively enhance leakage current suppression and breakdown voltage strength.
특히, (Hf-Ti)O 유전막 내의 질소가 결정화 온도를 올려주기 때문에, (Hf-Ti)ON 유전막 형성 이후, 고온 열공정 진행시에도 단일 HfO2 유전막 또는 단일 TiO2 유전막 보다 열안정성이 뛰어나서 누설 전류가 크게 증가하지 않고, 항복 전계 강도도 증가시리 수 있다.In particular, since nitrogen in the (Hf-Ti) O dielectric film raises the crystallization temperature, leakage of the (Hf-Ti) ON dielectric film is superior to that of a single HfO 2 dielectric film or a single TiO 2 dielectric film even at high temperature thermal processing after the formation of the (Hf-Ti) ON dielectric film. The current does not increase significantly, and the breakdown field strength can also increase.
또한, (Hf-Ti)ON 유전막을 캐패시터 반도체 메모리 소자에 적용하면, 70㎚ 이하의 금속 배선 공정이 적용되는 512M DRAM급 이상의 초고집적 메모리 제품군에서 대용량(30fF/cell)의 셀 캐패시턴스를, 누설 전류를 1fA/cell 이하로 제어할 수 있고, 캐패시터 소자의 내구성과 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, when (Hf-Ti) ON dielectric film is applied to a capacitor semiconductor memory device, a large-capacity (30fF / cell) cell capacitance is leaked in a 512M DRAM or higher ultra-high density memory family to which a metal wiring process of 70 nm or less is applied. Can be controlled to 1 fA / cell or less, and the durability and reliability of the capacitor element can be further improved.
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KR20010010155A (en) * | 1999-07-16 | 2001-02-05 | 성재갑 | Thermal styling shampoo compositions |
KR20050000897A (en) * | 2003-06-25 | 2005-01-06 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method of manufacturing capacitor for semiconductor device |
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