KR100772100B1 - 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, 반도체 기판 상에 금속 스토리지전극을 형성하는 단계와, 상기 스토리지전극 상에 Ta1-XHfXO 유전막을 형성하는 단계와, 상기 Ta1-XHfXO 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 the steps of forming a metal storage electrode on a semiconductor substrate, forming a Ta 1-X Hf X O dielectric layer on the storage electrode, and the Ta 1-X Forming a metal plate electrode on the Hf X O dielectric layer.
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 Ta1-XHfXO 유전막 증착 과정을 설명하기 위한 도면.2 is a view for explaining a Ta 1-X Hf X O dielectric film deposition process 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 semiconductor substrate 2 interlayer insulating film
3 : 콘택홀 4 : 스토리지 노드 콘택3: contact hole 4: storage node contact
10 : 스토리지전극 20 : Ta1-XHfXO 유전막10: storage electrode 20: Ta 1-X Hf X O 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 있다. 그리고, 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 15Å이하로 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 thickness of the equivalent oxide film cannot be lowered to 30 dB or less due to the oxide film generated during heat treatment. In addition, the Al2O3 (ε = 9) film has a limit in securing a high charge capacity because the dielectric constant does not differ from the Si3N4 (ε = 7) film. 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. Since it is fragile, there is a problem of lowering the durability of the capacitor. In particular, the HfO 2 film has a lower crystallization temperature than Al 2 O 3, so that a leakage current increases rapidly during the subsequent high temperature heat treatment of 600 ° C. or higher.
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 새로운 캐패시터로서, 종래 폴리실리콘 전극과 단일 유전막 대신에, 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, as a new capacitor that can be applied to a highly integrated DRAM process having a fine metal wiring of 100 nm or less, conventional capacitors employing a metal electrode and a double or triple dielectric film instead of a polysilicon electrode and a single dielectric film have been developed. 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. 그 이유는 상기 MIS 또는 MIM 캐패시터의 HfO2/Al2O3 및 HfO2/Al2O3/HfO2의 다중 유전막은 등가산화막 두께 한계가 11Å 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. The reason is that the multi-layer dielectric films of HfO2 / Al2O3 and HfO2 / Al2O3 / HfO2 of the MIS or MIM capacitor have an equivalent oxide thickness limit of about 11 Å, making 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. Because.
한편, 최근에는 Ru 금속을 전극물질로 사용한 Ru/Ta2O5/Ru 또는 Ru/HfO2/Ru 구조의 MIM형 캐패시터에 대한 개발이 이루어지고 있으나, 이들의 경우, 등가산화막의 두께를 11Å이하로 낮추면 높은 누설전류가 발생하기 때문에 70nm급 이하 금속배선을 갖는 512M급 이상의 차세대 디램에 적용하는 것은 어려움이 있다. 이것은, 전술한 바와 같이, Ta2O5막 및 HfO2막의 누설전류 억제 한계와 내구성 저하 문제 및 열적 불안정성 문제 등에서 기인한다.Recently, development of MIM capacitors having Ru / Ta2O5 / Ru or Ru / HfO2 / Ru structures using Ru metal as an electrode material has been developed, but in these cases, when the thickness of the equivalent oxide film is lowered to 11 Å or less, high leakage Because current is generated, it is difficult to apply to next-generation DRAM of 512M class or more having metal wiring of 70nm or less. This is due to the leakage current limit and the durability deterioration problem, thermal instability problem and the like of the Ta2O5 film and the HfO2 film as described above.
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 캐패시터 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, the formation of a capacitor of a semiconductor device that can also secure the leakage current characteristics while ensuring the charging capacity required in the next-generation DRAM products having a metal wiring of 70nm or less The purpose is to provide a method.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 스토리지 노드 콘택이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 스토리지 노드 콘택과 연결되게 금속 스토리지전극을 형성하는 단계; 상기 금속 스토리지전극 상에 Ta1-XHfXO 유전막을 형성하는 단계; 상기 Ta1-XHfXO 유전막 상에 금속 플레이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of providing a semiconductor substrate formed with a storage node contact; Forming a metal storage electrode connected to the storage node contact; Forming a Ta 1 -X Hf X O dielectric layer on the metal storage electrode; It provides a method of forming a capacitor of a semiconductor device comprising the step of forming a metal plate electrode on the Ta 1-X Hf X O dielectric film.
여기서, 상기 스토리지전극 및 플레이트전극은 TiN, Ru, TaN, W, WN, 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, Ru, TaN, W, WN, RuO2, Ir, IrO2 and Pt.
상기 스토리지전극을 형성하는 단계 후, 그리고, 상기 Ta1-XHfXO 유전막을 증착하는 단계 전, 스토리지전극을 치밀화시키고 누설전류 증가의 원인이 되는 전극내 잔류 불순물을 제거하면서, 전극 표면의 거칠기(roughness)를 완화하여 전계집중이 방지되도록 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기에서 200∼800℃의 저온 어닐링을 수행한다. 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 depositing the Ta 1-X Hf X O dielectric layer, the surface of the electrode is roughened while the densities of the storage electrode are removed and residual impurities in the electrode which cause an increase in leakage current are removed. Low temperature annealing is performed at 200 to 800 ° C. in an atmosphere of N 2, H 2, N 2 / H 2, O 2, O 3, or NH 3 to reduce roughness and prevent electric field concentration. 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).
여기서, 상기 플라즈마를 이용한 저온 어닐링은, 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. Here, the low temperature annealing using the plasma, using a plasma having an RF power of 100 ~ 500W, in the 200 ~ 500 ℃ temperature range and 0.1 ~ 10torr pressure range, while flowing the selected gas by 5sccm ~ 5slm 1-5 Proceed for minutes.
한편, 상기 전기로를 이용한 저온 어닐링은, 600∼800℃ 온도로 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행하며, RTP를 이용한 저온 어닐링은, 500∼800℃ 온도범위를 갖는 상압(700∼760torr) 또는 감압(1∼100torr) 챔버내에서 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행한다. Meanwhile, the low temperature annealing using the electric furnace is performed while flowing the selected gas at a temperature of 600 to 800 ° C. by 5 sccm to 5 slm, and the low temperature annealing using RTP is an atmospheric pressure having a temperature range of 500 to 800 ° C. (700 to 760 torr). Or in the reduced pressure (1 to 100 torr) chamber while flowing the selected gas by 5 sccm to 5 slm.
상기 Ta1-XHfXO 유전막은 ALD 또는 PE-ALD 방법에 따라 200∼500℃의 온도에서 50∼150Å의 두께로 증착하되, 이때 X값은 0.05∼0.5의 범위를 갖도록 증착한다.The Ta 1-X Hf X O dielectric film is deposited to a thickness of 50 to 150 kPa at a temperature of 200 to 500 ° C. according to ALD or PE-ALD method, wherein the X value is deposited to have a range of 0.05 to 0.5.
상기 Ta1-XHfXO 유전막의 Ta 성분의 소오스가스로 Ta(OC2H5)5, Ta(N(CH3)2)5 및 Ta를 함유한 다른 유기금속화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, 플라즈마 O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 Ta의 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시키고, 반응가스가 O3인 경우 그 농도는 200±20g/m3으로 한다.Any one selected from the group consisting of Ta (OC2H5) 5, Ta (N (CH3) 2) 5 and other organometallic compounds containing Ta as a source gas of the Ta component of the Ta 1-X Hf X O dielectric layer is used As the reaction gas, any one selected from the group consisting of O 3, plasma O 2 and H 2 O vapor is used. At this time, the source gas of Ta flows 50 to 500 sccm, the reaction gas flows 0.1 to 1 slm, and the concentration is 200 ± 20 g / m 3 when the reaction gas is O 3.
상기 Ta1-XHfXO 유전막의 Hf 성분의 소오스가스로 C16H36HfO4를 사용하거나 TDEAHf 또는 TEMAHf로 이루어진 Hf를 함유한 다른 유기금속화합물을 사용하고, 반응가스로 O3, 플라즈마 O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 Hf의 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시킨다. 특히, 반응가스가 O3인 경우 그 농도는 200±20g/m3으로 한다.The group consisting of O3, plasma O2 and H2O vapor as the reaction gas using C16H36HfO4 or other organometallic compound containing Hf consisting of TDEAHf or TEMAHf as the source gas of the Hf component of the Ta 1-X Hf X O dielectric film. Use any one selected from At this time, the source gas of Hf flows 50-500 sccm, and the reaction gas flows 0.1-1 slm. In particular, when the reaction gas is O 3, the concentration is 200 ± 20 g / m 3.
상기 ALD 방법을 이용한 Ta1-XHfXO 박막의 증착은, Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 TaXOY 박막 증착 싸이클과 Hf 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 HfXOY 박막 증착 싸이클을 5:5 비율 이하로 반복 수행하는 방식으로 진행하거나, 또는, Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, Hf 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 Ta1-XHfXO 박막 증착 싸이클을 Ta 소오스가스 플로우 횟수와 Hf 소오스가스 플로우 횟수를 5:5 비율 이하로 제어하면서 반복 수행하는 방식으로 진행한다.Ta 1-X Hf X O thin film deposition using the ALD method, Ta X O Y thin film deposition cycle and Hf source gas flow step, purge step of Ta source gas flow step, purge step, reaction gas flow step and purge step , Hf X O Y thin film deposition cycle of the reaction gas flow step and the purge step is carried out in a manner of repeating less than 5: 5 ratio, or, Ta source gas flow step, purge step, Hf source gas flow step, purge step The Ta 1-X Hf X O thin film deposition cycle of the reaction gas flow step and the purge step is repeatedly performed while controlling the number of Ta source gas flows and the number of Hf source gas flows at a ratio of 5: 5 or less.
상기 PE-ALD 방법을 이용한 Ta1-XHfXO 박막의 증착은, 상기 ALD 방법에 의한 Ta1-XHfXO 박막 증착 싸이클 진행시 한 싸이클에 적어도 한 번 이상 플라즈마를 방전하여 막질(film quality)을 향상시키는 방식으로 진행한다. The deposition of Ta 1-X Hf X O thin film using the PE-ALD method is performed by discharging plasma at least once in one cycle during the Ta 1-X Hf X O thin film deposition cycle by the ALD method. to improve the quality).
상기 ALD 또는 PE-ALD 방법에 따라 Ta1-XHfXO 유전막을 증착한 후, 유전막내 탄소 불순물 및 결정립을 제거하고 유전막 표면의 거칠기(roughness) 정도를 감소시켜 궁극적으로 유전막의 누설전류 및 항복전압 특성이 향상되도록 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기에서 200∼800℃의 저온 어닐링을 수행한다. After depositing the Ta 1-X Hf X O dielectric film according to the ALD or PE-ALD method, carbon impurities and grains are removed in the dielectric film and the roughness of the dielectric film surface is reduced, thereby ultimately reducing leakage current and yield of the dielectric film. Low temperature annealing is performed at 200 to 800 ° C. in an N 2, H 2, N 2 / H 2, O 2, O 3 or NH 3 atmosphere to improve the voltage characteristics.
이때, 상기 저온 어닐링은 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 방식으로, 전술한 스토리지전극의 저온 어닐링 조건과 동일한 조건으로 수행한다.In this case, the low temperature annealing is performed in any one method selected from the group consisting of plasma, electric furnace, and RTP method, under the same conditions as the low temperature annealing condition of the storage electrode.
상기 플레이트전극을 형성한 후, 후속공정에서의 수소 성분, 수분, 온도 및 전기적 충격으로부터 소자의 구조적 안정성을 확보하기 위해 Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2 및 TiO2와 같은 산화막 또는 TiN막으로 구성되는 보호막을 ALD 방식에 따라 50∼200Å 두께로 형성한다.After forming the plate electrode, a protective film composed of an oxide film or a TiN film, such as Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2, and TiO2, in order to secure structural stability of the device from hydrogen component, moisture, temperature, and electric shock in a subsequent process. According to the ALD method to form a thickness of 50 ~ 200LD.
(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 및 2.0V(@ 1pA/셀) 이상의 항복전압 특성을 얻을 목적으로, 금속 스토리지전극 상에 Ta1-XHfXO 유전막을 채용한 MIM형 캐패시터를 구성한다.The present invention provides a charge capacity of 25 fF / cell or more, a leakage current of 0.5 fF / cell or less, and a breakdown voltage characteristic of 2.0 V (@ 1 pA / cell) or more required for a 70 nm or less DRAM capacitor. A MIM type capacitor employing a Ta 1-X Hf X O dielectric film is constructed.
본 발명에서 유전막으로 채용한 Ta1-XHfXO 박막은 Ta2O5 박막 내에 하프늄(Hf)이 함유된 박막으로서, Hf 함유량에 따라 25∼35 범위의 유전상수 값을 갖는다. 그러므로, Ta1-XHfXO 유전막을 적용한 MIM형 캐패시터는 Ta2O5(ε=25) 또는 HfO2(ε=20) 단일 유전막을 적용한 MIM형 캐패시터 보다 큰 충전용량을 얻을 수 있으며, 누설전류 발생 수준(Leakage Current Density)도 낮출 수 있다. 이에 따라, Ta1-XHfXO 유전막은 등가산화막 두께를 5∼11Å 수준으로 낮출 수 있다. The Ta 1-X Hf X O thin film employed in the present invention is a thin film containing hafnium (Hf) in the Ta 2 O 5 thin film, and has a dielectric constant value in the range of 25 to 35 depending on the Hf content. Therefore, MIM capacitors with Ta 1-X Hf X O dielectric films can achieve greater charge capacity than MIM capacitors with Ta2O5 (ε = 25) or HfO2 (ε = 20) single dielectric films. Leakage Current Density can also be lowered. Accordingly, the Ta 1-X Hf X O dielectric film can reduce the equivalent oxide film thickness to 5-11 Å.
게다가, 본 발명에서는 Hf 함유량에 따라 Ta1-XHfXO 유전막의 유전상수 값을 25∼35 범위 내에서 조절할 수 있으므로, 스토리지전극의 종류와 캐패시터의 사양에 따라 유전특성의 제어가 가능하다. In addition, in the present invention, since the dielectric constant value of the Ta 1-X Hf X O dielectric film can be adjusted within the range of 25 to 35 according to the Hf content, the dielectric properties can be controlled according to the type of storage electrode and the capacitor specification.
또한, 본 발명의 Ta1-XHfXO 유전막은 Hf-O 결합에 의해 열안정성이 개선되어 제품의 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. In addition, the Ta 1-X Hf X O dielectric film of the present invention can improve the thermal stability by Hf-O bonding can improve the performance and reliability of the product.
결과적으로, Ta1-XHfXO 유전막을 채용한 본 발명의 캐패시터는 70nm급 이하 금속배선을 갖는 차세대 디램 제품에서 필요로하는 충전용량을 확보하면서 양상적용 가능한 누설전류 및 항복전압 특성 또한 확보할 수 있다. As a result, the capacitor of the present invention employing the Ta 1-X Hf X O dielectric film can secure the applicable leakage current and breakdown voltage characteristics while securing the charging capacity required for the next generation DRAM products having a metal wiring of 70 nm or less. Can be.
자세하게, 도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다. In detail, FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating processes for 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 interlayer insulating layer 2 is formed on an entire surface of a
여기서, 상기 스토리지전극(10)은 TiN, Ru, TaN, W, WN, RuO2, Ir, IrO2 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 금속계 물질로 형성하되, 100∼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 또는 NH3 분위기에서 200∼800℃의 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 스토리지전극(10) 상에 Ta1-XHfXO 유전막(20)을 ALD 또는 PE-ALD 방법에 따라 200∼500℃의 온도에서 50∼150Å의 두께로 증착하되, 이때 X값은 0.05∼0.5의 범위를 갖도록 증착한다.Referring to FIG. 1B, a Ta 1-X Hf X
도 2는 ALD 또는 PE-ALD 공정에 따른 Ta1-XHfXO 유전막(20)의 증착 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 상기 ALD 방법을 이용한 Ta1-XHfXO 유전막(20)의 증착은, Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 TaXOY 박막 증착 싸이클과 Hf 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 HfXOY 박막 증착 싸이클을 5:5 비율 이하로 반복 수행하는 방식으로 진행하거나, 또는, Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, Hf 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 Ta1-XHfXO 박막 증착 싸이클을 Ta 소오스가스 플로우 횟수와 Hf 소오스가스 플로우 횟수를 5:5 비율 이하로 제어하면서 반복 수행하는 방식으로 진행한다.2 is a view for explaining the deposition process of the Ta 1-X Hf X
한편, PE-ALD 방법을 이용한 Ta1-XHfXO 유전막(20)의 증착은, 상기 ALD 방법 에 의한 Ta1-XHfXO 박막 증착 싸이클 진행시 한 싸이클에 적어도 한 번 이상 플라즈마를 방전하여 막질(film quality)을 향상시키는 방식으로 진행한다. Meanwhile, the deposition of the Ta 1-X Hf X
이때, 상기 Ta1-XHfXO 유전막(20)의 증착시 Ta 성분의 소오스가스로 Ta(OC2H5)5, Ta(N(CH3)2)5 및 Ta를 함유한 다른 유기금속화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, 플라즈마 O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시키고, 반응가스가 O3인 경우 그 농도는 200±20g/m3으로 한다.At this time, a group consisting of Ta (OC2H5) 5, Ta (N (CH3) 2) 5 and other organometallic compounds containing Ta as a source gas of Ta component during deposition of the Ta 1-X Hf X
또한, 상기 Ta1-XHfXO 유전막(20)의 증착시 Hf 성분의 소오스가스로 C16H36HfO4를 사용하거나, TDEAHf 또는 TEMAHf와 같은 Hf를 함유한 다른 유기금속화합물을 사용하고, 반응가스로 O3, 플라즈마 O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 Hf의 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시킨다. 특히, 반응가스가 O3인 경우 그 농도는 200±20g/m3으로 한다.In addition, when depositing the Ta 1-X Hf X
상기한 바와 같이, ALD 또는 PE-ALD 방법에 따라 Ta1-XHfXO 유전막(20)을 증착한 후, 유전막내 탄소 불순물 및 결정립을 제거하고 유전막 표면의 거칠기(roughness) 정도를 감소시켜 궁극적으로 유전막의 누설전류 및 항복전압 특성이 향상되도록 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기에서 200∼800℃의 저온 어닐링을 수행한다.As described above, after depositing the Ta 1-X Hf X
이때, 상기 저온 어닐링은 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식으로 구성된 그룹으 로부터 선택되는 어느 하나의 방식으로 수행한다. 상기 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식의 어닐링은 전술한 스토리지전극의 저온 어닐링 조건과 동일한 조건으로 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. The annealing of the plasma, the electric furnace and the RTP method is performed under the same conditions as the low temperature annealing condition of the storage electrode.
도 1c를 참조하면, 상기 Ta1-XHfXO 유전막(20) 상에 TiN, TaN, W, WN, Ru, RuO2, Ir, IrO2 및 Pt과 같은 금속계 물질로 이루어진 플레이트전극(30)을 형성하고, 이를 통해, Ta1-XHfXO 유전막(20)이 채용된 본 발명에 따른 캐패시터(40)의 형성을 완성한다.Referring to FIG. 1C, a
여기서, 상기 플레이트전극(30)의 형성후에는 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 TiN막으로 구성되는 보호막을 ALD 방식에 따라 50∼200Å 두께로 증착함이 바람직하다. Here, after 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 scope of the following claims is not limited to the 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 Ta2O5 박막 내에 하프늄(Hf)이 함유된 Ta1-XHfXO 박막을 적용함으로써, 5∼11Å 정도의 등가산화막 두 께를 얻을 수 있으면서 Ta2O5 또는 HfO2의 단일 유전막을 사용한 경우 보다 상대적으로 큰 충전용량을 얻을 수 있다. As described above, in the present invention, Ta2O5 can be obtained while the equivalent oxide film thickness of about 5 to 11 kW can be obtained by applying the Ta 1-X Hf X O thin film containing hafnium (Hf) in the Ta2O5 thin film as the dielectric film of the MIM capacitor. Alternatively, when a single dielectric layer of HfO2 is used, a relatively larger charge capacity can be obtained.
아울러, 본 발명은 MIM형 캐패시터의 유전막으로 Ta2O5 박막 내에 하프늄(Hf)이 함유된 Ta1-XHfXO 박막을 적용함으로써, Ta2O5 또는 HfO2 유전막을 적용하여 MIM형 캐패시터를 구성하는 경우 보다 낮은 누설전류 특성과 강한 항복전압 특성 값을 얻을 수 있다. In addition, the present invention by applying a Ta 1-X Hf X O thin film containing hafnium (Hf) in the Ta2O5 thin film as the dielectric film of the MIM capacitor, a lower leakage than when configuring a MIM capacitor by applying Ta2O5 or HfO2 dielectric film Current characteristic and strong breakdown voltage characteristic values
또한, 상기 Ta1-XHfXO 박막은 Hf 함유량에 따라 유전상수 값을 25∼35 범위 내에서 조절할 수 있기 때문에, 스토리지전극의 종류와 캐패시터의 사양에 따라 Ta1-XHfXO 유전막 증착 공정을 통해 유전 특성의 제어가 가능하며, 누설전류 발생 수준(Leakage Current Density)과 항복 전압(Breakdown Voltage) 특성도 제어할 수 있다. In addition, since the Ta 1-X Hf X O thin film can adjust the dielectric constant value within the range of 25 to 35 according to the Hf content, the Ta 1-X Hf X O dielectric film is deposited according to the type of storage electrode and the capacitor specification. The process allows control of the dielectric characteristics, as well as the characteristics of leakage current density and breakdown voltage.
게다가, 상기 Ta1-XHfXO 유전막은 HfO2 유전막 또는 Ta2O5 유전막 보다 우수한 열 안정성을 갖는 것과 관련해서 캐패시터 형성 후의 집적 공정에서 불가피하게 수반되는 고온 열처리 진행시에도 전기적 특성의 열화는 발생되지 않으며, 따라서, 본 발명은 70㎚ 이하의 금속배선 공정이 적용되는 차세대 반도체 메모리 소자에 있어서의 캐패시터의 내구성과 신뢰성을 동시에 향상시킬 수 있다. In addition, the Ta 1-X Hf X O dielectric film has better thermal stability than the HfO2 dielectric film or Ta2O5 dielectric film, so that deterioration of electrical properties does not occur even when the high temperature heat treatment proceeds inevitably in the integration process after capacitor formation, Therefore, the present invention can simultaneously improve the durability and reliability of the capacitor in the next-generation semiconductor memory device to which a metal wiring process of 70 nm or less is applied.
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