KR100772896B1 - 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

반도체 소자의 제조방법 Download PDF

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한정남
홍창기
이근택
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Abstract

반도체 소자의 제조 방법이 제공된다. 이 반도체 소자의 제조 방법은 기판 상에 콘택 플러그를 구비하는 층간 절연막을 형성하고, 층간 절연막 상에 몰드용 절연막을 형성하고, 몰드용 절연막을 관통하는 개구부를 형성하여 스토리지 전극 형성용 몰드를 형성하고, 개구부의 측벽에 희생 스페이서를 형성하고, 희생 스페이서가 형성된 개구부의 내부를 따라 스토리지 전극용 도전막을 형성하고, 상기 개구부의 내부를 채우되 스토리지 전극 형성용 몰드 보다 높은 상면을 갖는 희생 캡핑막을 형성하고, 희생 캡핑막 및 스토리지 전극용 도전막을 평탄화하여 노드분리된 스토리지 전극을 완성하고, 스토리지 전극 형성용 몰드 및 희생 캡핑막을 습식으로 제거하고, 희생 스페이서를 건식으로 제거하고, 스토리지 전극 상에 유전막 및 상부 전극을 순차적으로 형성하는 것을 포함한다.
커패시터, 리닝 현상, 스토리지 전극, 골뱅이 결함

Description

반도체 소자의 제조방법{Method for fabricating semiconductor device}
도 1a 또는 도 1k는 본 발명의 일 실시예에 따라 반도체 소자를 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 다른 실시예에 따라 반도체 소자를 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
110, 210: 층간 절연막 111, 211: 콘택 플러그
113, 213: 식각 정지막 120a, 220a: 몰드용 절연막
120: 스토리지 전극 형성용 몰드 220: 스토리지 전극 형성용 다층 몰드
130, 230: 희생 스페이서 140, 240: 스토리지 전극
150, 250: 희생 캡핑막 160, 260: 유전막
170, 270: 상부 전극
본 발명은 반도체 소자를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히 실린더형 커패시터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 증가하면서 디자인 룰이 감소하고 있으며, 그에 따라 커패시터가 형성되는 면적도 점차 좁아져 가고 있다. 커패시터의 용량은 유전율과 전극의 표면적에 비례한다. 따라서, 좁은 면적 상에 높은 커패시턴스를 가지는 커패시터를 형성하기 위해서는 높은 유전율을 가지는 물질을 유전막으로 이용하거나, 전극의 표면적을 증대시켜야 한다. 그러나 고유전율의 유전막의 도입은 신규 제조 설비의 도입과 유전막의 신뢰성 및 양산성의 검증 등이 선행되어야 하는 문제점이 있다. 따라서 기존의 유전막을 그대로 유지하면서 소자에 요구되는 커패시턴스를 확보하기 위해서는 전극의 면적을 증가시키는 방법이 가장 효과적이다.
따라서, 최근에는 노드간 간격이 좁고 더 높아진, 즉 종횡비(aspect ratio)가 큰 실린더형 스토리지 전극을 포함하는 커패시터에 대한 요구가 증가하고 있다.
종래의 실린더형 커패시터를 형성하는 방법의 일례는 다음과 같다.
먼저, 콘택 플러그가 형성되어 있는 층간 절연막 상에 식각 정지막을 형성한 후, 형성하고자 하는 전극의 높이에 적합한 높이로 몰드용 절연막을 형성한다. 이어서, 몰드용 절연막 및 식각 정지막을 차례대로 식각하여 콘택 플러그를 노출시키는 개구부를 정의하는 몰드를 완성한다. 이어서 개구부 사이에 도전성 폴리실리콘을 증착하고 셀 별로 전극을 분리하여 실린더형 스토리지 전극을 만든 다음, 습식 식각으로 몰드를 제거한다.
그런데, 몰드를 제거하는 습식 식각시 스토리지 전극 간에 물이 잔류할 수 있다. 이러한 물은 표면장력이 크므로, 습식 식각 공정이나 건조 공정과 같은 후속 공정 중 스토리지 전극 사이에 인력이 작용하여 스토리지 전극 간 브리지를 형성하 게 하는 소위 리닝(leaning) 현상을 일으킬 수 있다. 이러한 리닝 현상에 의해 스토리지 전극 간 브릿지 현상이 일어날 수 있어, 반도체 소자 특성을 열화시킬 우려가 있다. 이러한 리닝 현상은 스토리지 전극의 종횡비가 증가할수록 빈번하게 발생하는 경향이 있다.
또한, 몰드를 제거하는 습식 식각 공정 중 식각액이 스토리지 전극과 식각 정지막 사이의 계면으로 침투할 수 있어, 식각 정지막 아래의 하부 막질에 결함(모양을 본따 골뱅이 결함이라 칭함)이 발생할 수 있다.
따라서, 종횡비가 크면서도 인접전극들간에 브리지가 발생하지 않고 골뱅이 결함 등을 발생시키지 않는 실린더형 커패시터에 대한 요구가 증대되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종횡비가 크면서도 인접 스토리지 전극들 간에 리닝 현상을 억제하여 전극간 브리지를 발생시키지 않을 뿐만 아니라 하부 막질의 결함을 감소시킬 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 기판 상에 콘택 플러그를 구비하는 층간 절연막을 형성하고, 상기 층간 절연막 상에 몰드용 절연막을 형성하고, 상기 몰드용 절연막을 관통하는 개구부를 형성하여 스토리지 전극 형성용 몰드를 형성하고, 상기 개구부의 측벽에 희생 스페이서를 형성하고, 상기 희생 스페이서가 형성된 상기 개구부의 내부를 따라 스토리지 전극용 도전막을 형성하고, 상기 개구부의 내부를 채우되 상기 스토리지 전극 형성용 몰드 보다 높은 상면을 갖는 희생 캡핑막을 형성하고, 상기 희생 캡핑막 및 상기 스토리지 전극용 도전막을 평탄화하여 노드분리된 스토리지 전극을 완성하고, 상기 스토리지 전극 형성용 몰드 및 상기 희생 캡핑막을 습식으로 제거하고, 상기 희생 스페이서를 건식으로 제거하고, 상기 스토리지 전극 상에 유전막 및 상부 전극을 순차적으로 형성하는 것을 포함한다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 기판 상에 콘택 플러그를 포함하는 층간 절연막을 형성하고,
상기 층간 절연막 상에 불순물이 도우프된 하부 몰드용 절연막 및 불순물이 도핑되지 않은 상부 몰드용 절연막을 포함하는 다층 몰드용 절연막을 형성하고, 상기 다층 몰드용 절연막을 관통하는 다수의 개구부를 형성하고, 상기 개구부를 확장하여 상부 몰드 및 하부 몰드를 포함하는 스토리지 전극 형성용 다층 몰드를 완성하되, 상기 개구부는 상기 상부 몰드에 비하여 상기 하부 몰드 내에서 더 확장되도록 하고, 상기 확장된 개구부의 측벽에 희생 스페이서를 형성하고, 상기 희생 스페이서 및 상기 스토리지 전극 형성용 다층 몰드 상에 스토리지 전극용 도전막을 컨포멀하게 형성하고, 상기 개구부의 내부를 채우되 상기 스토리지 전극 형성용 다층 몰드 보다 높은 상면을 갖는 희생 캡핑막을 형성하고, 상기 희생 캡핑막 및 상기 스토리지 전극용 도전막을 평탄화하여 노드분리된 스토리지 전극을 완성하고, 상기 스토리지 전극 형성용 다층 몰드 및 상기 희생 캡핑막을 습식으로 제거하되 상기 희생 스페이서를 잔류시키고, 상기 희생 스페이서를 건식으로 제거하여 상기 스토리지 전극의 양 측벽을 노출시키고, 상기 스토리지 전극 상에 유전막 및 상부 전극을 순차적으로 형성하는 것을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형 태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한 각 도면에 있어서, 각 층과 영역들의 크기와 상대적인 크기들은 명확하게 하기 위해 과장될 수 있다.
이하에서는 도 1a 내지 도 1k를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 1a 내지 도 1k는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 먼저 기판(미도시) 상에 콘택 플러그(111)를 구비하는 층간 절연막(110)을 형성한다.
기판으로는 Si, Ge, SiGe, GaP, GaAs, SiC, SiGeC, InAs 및 InP로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 반도체 재료로 이루어진 기판, SOI(Silicon On Insulator) 기판 등이 사용될 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하다.
이러한 기판 상에 층간 절연막(110)과 콘택 플러그(111)를 형성하는 공정은 통상적인 방법에 의할 수 있다. 도면상 도시되지는 않았지만, 콘택 플러그(111)의 하부에는 각종 능동 소자, 수동 소자, 또는 배선들이 형성될 수 있음은 물론이다.
그런 다음, 층간 절연막(110)과 콘택 플러그(111)를 덮는 식각 정지막(113)을 형성한 후, 몰드용 절연막(120a)을 형성한다. 이 때 식각 정지막(113)은 몰드용 절연막(120a)을 식각하는 후속 공정에서 식각을 종료시키기 위하여 형성하는 것으로서, 몰드용 절연막(120a)과는 식각 선택비가 다른 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몰드용 절연막(120a) 실리콘 산화막 계열인 경우에는 식각 정지막(113)은 실 리콘 질화막을 사용할 수 있다.
층간 절연막(110)과 몰드용 절연막(120a)은 각각 실리콘 산화막 계열일 수 있는데, 불순물이 도우프되거나 혹은 불순물이 도우프되지 않은 산화막일 수 있다. 예를 들면, 불순물이 도우프된 산화막으로서는 BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass) 또는 PSG(Phoshporus Silicate Glass)를 들 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 불순물이 도우프되지 않은 산화막의 예로는 PE-TEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyl Ortho Silicate), HDP(High Density Plasma) 산화막 또는 P-SiH4 산화막 등이 있는데 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1에서 구분하여 도시하지는 않았으나, 층간 절연막(110)과 몰드용 절연막(120a)은 각각 하나의 물질막으로 이루어진 단일막이거나 또는 여러가지 물질막이 적층된 복합막일 수도 있다.
그런 다음, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 층간 절연막(110) 상에 몰드용 절연막(120a)을 관통하는 개구부를 형성한다. 이로써, 스토리지 전극 형성용 몰드(120)를 형성할 수 있다.
구체적으로 설명하자면, 먼저 도 1b에 도시된 바와 같이 몰드용 절연막(120a)에 개구부(121a)를 형성한다. 이 때, 개구부(121a)는 이방성 건식 식각에 의해 형성할 수 있다. 이러한 이방성 건식 식각은 예를 들어 C4F6 또는 C3F8 와 같은 CFx 계열의 식각 가스를 사용할 수 있는데 이에 한정되지는 않으며, 식각 정지막(113) 상에서 식각이 정지될 수 있다.
여기서, 개구부(121a)의 측벽 프로파일은 식각 가스에 의한 보잉(bowing) 현상에 의해 확장된 영역이 형성될 수 있다. 이러한 보잉 현상은 몰드용 절연막(120a)이 두꺼워짐에 따라 종횡비가 높은 개구부 형성시 식각 공정시 식각 가스들의 반사나 산란 등에 의해 개구부의 상단부가 좀 더 확장되는 현상을 의미한다. 이러한 보잉 현상에 의해 인접한 개구부들이 서로 접할 수도 있다.
그런 다음, 도 1c에 도시된 바와 같이, 개구부를 더 확장할 수 있다.
이 때, 개구부(121)의 확장은 등방성 식각에 의할 수 있다. 예를 들면, 불산, SC-1(NH4OH + H2O2 + 탈이온수)과 같은 APM(ammonium peroxide mixture) 또는 HF/NH4F 혼합물을 포함하는 BOE(buffered oxide etchant)를 이용한 습식 식각일 수 있다. 스토리지 전극 형성용 몰드(120) 내에 형성된 개구부(121)는 실린더형 커패시터의 스토리지 전극을 형성하기 위한 영역인데, 이러한 확장 공정에 의해, 후속 공정에 의해 형성될 커패시터 스토리지 전극의 면적을 보다 확대시킬 수 있다. 또한, 개구부(121)의 하단부의 폭을 넓혀 줌으로써 소위 리닝(leaning) 이라고 하는 스토리지 전극의 쓰러짐 현상을 감소시킬 수 있다.
이러한 스토리지 전극 형성용 몰드(120) 내에 형성된 개구부(121)는 서로 인접하는 개구부에 서로 맞닿는 접촉 영역(A)을 형성할 수 있다. 이렇게 개구부(121)가 서로 맞닿도록 형성되더라도 이후 희생 스페이서를 형성함으로써 스토리지 전극 사이의 절연 영역을 확보할 수 있으므로, 스토리지 전극 사이의 단락 현상이 일어나지 않는다. 따라서, 몰드용 절연막 내에 개구부를 형성하는 공정시 또는 형성된 개구부를 확장하는 공정시에 스토리지 전극의 단락 현상을 우려하여 공정 조건을 세밀하게 조절하지 않아도 되며, 개구부를 최대한 확장할 수 있다는 잇점이 있다.
또한, 이렇게 개구부(121) 사이의 접촉 영역(A)이 형성되는 경우에는 후술할 희생 스페이서도 인접한 다른 희생 스페이서와 접촉하여 형성될 수 있다. 이러한 희생 스페이서에 대해서는 후속 공정 설명시 보다 상세하게 하기로 한다.
다음으로, 도 1d 및 도 1e를 참조하면, 개구부(121)의 측벽에 희생 스페이서(130)를 형성한다.
이러한 희생 스페이서(130)는, 먼저 도 1d에 도시된 바와 같이, 개구부의 내부를 따라 컨포멀하게 스페이서용 절연막(130a)을 형성한다. 이 때, 스페이서용 절연막(130a)은 스토리지 전극 형성용 몰드(120)와 후술할 희생 캡핑막에 대해 식각 선택성이 다른 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 다시 말하자면, 스페이서용 절연막(130a)은 스토리지 전극 형성용 몰드(120)와 희생 캡핑막의 습식 제거 공정시에 견딜 수 있는 재질로 형성되어야 한다. 예를 들면, 스토리지 전극 형성용 몰드(120)와의 식각 선택비를 고려하여, 스페이서용 절연막(130a)은 절연성 폴리실리콘, 실리콘 질화물, 비정질 탄소(ACL)를 사용할 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 스페이서용 절연막(130a)의 형성은 통상적인 증착방법, 예를 들면 CVD나 ALD 등에 의할 수 있다.
이어서, 도 1e에 도시된 바와 같이, 에치백 등을 이용하여 스토리지 전극 형성용 몰드(120)의 상면과 개구부(121) 저면에 위치하는 스페이서용 절연막(도 1d의 130a)을 제거하여, 희생 스페이서(130)를 완성한다.
그런 다음, 개구부(121) 저면에 노출된 식각 정지막(113)을 제거하여, 개구부(121)의 하부에 형성된 콘택 플러그(111)의 표면을 노출시킬 수 있다. 본 실시예에서는 콘택 플러그(111)의 상면을 노출시키기 위해 식각 정지막(113)의 제거 공정을 희생 스페이서(130) 형성 후 수행할 수 있는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 스토리지 전극용 도전막 형성 전의 공정이라면 어떠한 단계에서도 수행될 수 있음은 물론이다.
이러한 희생 스페이서(130)에 의해 후술할 스토리지 전극 사이의 간격이 조절될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 희생 스페이서(130)의 두께는 약 150 내지 300Å 정도일 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 목적 범위 내에서 적절하게 조절될 수 있음은 물론이다.
계속해서, 도 1f를 참조하면, 희생 스페이서(130)가 형성된 개구부(121)의 내부를 따라 스토리지 전극용 도전막(140a)을 컨포멀하게 형성한다. 이 때, 스토리지 전극용 도전막(140a)은 노출된 콘택 플러그(111)의 상면과 접촉하게 된다.
스토리지 전극용 도전막(140a)은 예를 들면 Ru, Ir, Ti, TiN 또는 도전성 폴리실리콘 등의 단일막 또는 이들의 복합막으로 이루어질 수 있는데 이에 한정되지는 않으며, CVD, ALD, PVD와 같은 통상적인 증착방법에 의해 형성될 수 있다. 여기서, 희생 스페이서(130)와 스토리지 전극용 도전막(140a)은 서로 식각 선택비가 다른 물질을 사용하는 것이 바람직한데, 예를 들어 희생 스페이서(130)를 절연성 폴리실리콘 재질로 형성한 경우에는 스토리지 전극용 도전막(140a)은 도전성 폴리실리콘 이외의 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
그런 다음, 도 1g를 참조하면, 개구부(도 1f의 121)의 내부를 채우되 스토리지 전극 형성용 몰드(120)보다 높은 상면을 갖는 희생 캡핑막(150)을 형성한다.
이러한 희생 캡핑막(150)으로서는 갭 필링 특성이 좋은 절연막으로서, 예를 들면 BPSG, PSG, USG(Undoped Silicate Glass), ALD 산화막(Atomic Layer Deposition oxide)등과 같은 산화막질을 이용할 수 있는데 이에 한정되는 것은 아니다.
계속해서, 도 1h를 참조하면, 희생 캡핑막(도 1g의 150)과 스토리지 전극용 도전막(도 1g의 140a)을 평탄화하여 노드분리된 스토리지 전극(140)을 완성한다.
이 때, 평탄화는 화학적 기계적 연막(CMP) 또는 건식 에치백 등으로 제거할 수 있으며, 이에 의해 스토리지 전극 형성용 몰드(120)의 상부를 노출시킬 수 있다.
그런 다음, 도 1i에 도시된 바와 같이, 스토리지 전극 형성용 몰드(도 1h의 120) 및 희생 캡핑막(도 1h의 150a)을 습식으로 제거한다. 이러한 습식 제거 방법으로서는 예를 들면 불산이나 HF/NH4F 혼합물을 포함하는 BOE 등을 사용한 습식 식각법일 수 있는데 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 습식 제거 공정 후에는 통상적인 건조 공정이 수행될 수 있다.
여기서, 스토리지 전극 형성용 몰드(도 1h의 120) 및 희생 캡핑막(도 1h의 150a)은 습식으로 동시에 제거될 수 있는 반면, 희생 스페이서(130)는 제거되지 않고, 여전히 스토리지 전극(140)의 외벽에 잔류하여 스토리지 전극(140)을 지지한다. 이렇듯, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래와 마찬가지로 습식으로 몰드와 희생 캡핑막을 제거하지만, 희생 스페이서(130)가 스토리지 전극(140)을 지지하고 있으므로, 종래기술에 비하여 스토리지 전극의 쓰러짐 현상이 최소화될 수 있다.
또한, 희생 스페이서(130)로 인하여 하부 막질, 예를 들면 층간 절연막(110)이나 콘택 플러그(111)에 대한 식각액의 영향이 작아질 수 있다. 다시 말하면, 스토리지 전극(140)과 식각 정지막(113)의 계면을 통해 식각 정지막(113) 아래의 하부 막질로의 식각액의 이동 경로가 희생 스페이서(130)의 두께만큼 길어지므로, 하부막질에서의 대한 결함(소위, 골뱅이 결함)이 감소될 수 있다.
또한, 도 1i에 도시된 바와 같이 희생 스페이서(130)가 인접한 다른 희생 스페이서와 연결된 경우에는 인접한 희생 스페이서(130)들이 서로 지지하고 있으므로 스토리지 전극 형성용 몰드 및 희생 캡핑막 제거 공정시 스토리지 전극(140)이 쓰러질 염려가 없다. 따라서, 희생 스페이서(130)들이 서로 연결된 경우에 스토리지 전극(140)의 지지효과가 더 클 수 있다.
이렇듯, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스토리지 전극 형성용 몰드 및 희생 캡핑막 제거시 스토리지 전극의 쓰러짐이 최소화될 수 있고, 또한 골뱅이 결함이 감소될 수 있다.
계속해서, 도 1j를 참조하면, 희생 스페이서(도 1i의 130)를 건식으로 제거한다. 이에 의해 희생 스페이서(도 1i의 130)가 제거됨으로써 스토리지 전극(140)의 외벽이 노출된다.
이렇듯, 본 발명의 일 실시예에서는 스토리지 전극(140)의 외벽을 완전히 노출시키는 공정을 습식이 아닌 건식에 의해서 수행함으로써, 습식 공정에 의할 경우 물의 표면 장력에 의해 나타날 수 있는 리닝 현상, 즉 스토리지 전극(140)의 리닝 현상이 나타날 염려가 없다.
이러한 건식법은 애싱(ashing) 또는 건식 식각에 의할 수 있다. 예를 들어, 제거하고자 하는 희생 스페이서(도 1i의 130)가 비정질 탄소 재질로 이루어진 경우에는 통상적인 O2 애싱 공정으로 수행할 수 있다. 구체적으로는 O2 가스를 이용하여 온도 약 100 내지 200℃, 압력 약 10mTorr 이하에서 수행될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 본 애싱 공정을 무산소 조건으로, 예를 들면 질소 등의 분위기 하에서 수행하는 것을 배제하는 것은 아니다. 또한, 희생 스페이서(도 1i의 130)가 절연성 폴리실리콘이나 실리콘 질화물로 형성된 경우에는 등방성 건식 식각에 의할 수 있는데, 예를 들면 CF4/O2 가스 등을 이용하되, 약 15 내지 70℃, 압력 약 75 내지 675mTorr 정도에서 리모트 플라즈마를 이용한 CDE(chemical dry etch)를 수행할 수 있다.
다음으로, 도 1k를 참조하면, 스토리지 전극(140) 상에 유전막(160)과 상부 전극(170)을 순차적으로 형성하여, 커패시터를 완성할 수 있다. 이러한 유전막(160)과 상부 전극(170)을 형성하는 공정은 통상적인 방법인 CVD, ALD 또는 PVD 등에 의할 수 있다.
여기서, 유전막(160)은 예를 들어 탄탈륨 산화막(Ta2O5) 또는 알루미늄 산화막(Al2O3)의 단일막 또는 탄탈륨 산화막/티타늄 산화막, 알루미늄 산화막/티타늄 산화막 등의 적층막으로 이루어질 수 있는데 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상부 전극(170)은 스토리지 전극(140)과 같거나 혹은 다른 도전물질로 형성될 수 있 다.
이후, 반도체 소자의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려진 공정 단계들에 따라 배선들을 형성하는 단계, 기판상에 패시베이션층을 형성하는 단계 및 상기 기판을 패키지하는 단계를 더 수행하여 반도체 소자를 완성할 수 있다. 이와 같은 후속단계들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 개략적으로 설명한다.
이하에서는 도 2a 내지 도 2j를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다. 이하의 설명에서는 대부분의 공정 조건이 전술한 실시예에서 언급한 공정 조건과 실질적으로 동일하게 적용될 수 있으므로, 이러한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하거나 간략하게 하기로 하며, 전술한 실시예와는 다른 점을 위주로 설명하기로 한다.
특히, 이하에서 설명할 실시예에서는 스토리지 전극 형성용 몰드로서 다층 구조의 몰드를 사용하는데, 이러한 다층 구조의 몰드용 절연막과 다층 몰드를 형성하는 방법은 본 출원의 양수인에게 공동 양도된 대한민국 공개특허 제10-2003-0047578호에 충분히 개시되어 있으며, 상기 특허의 내용은 본 명세서에 충분히 개시된 것처럼 원용되어 통합됨을 밝혀둔다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(미도시) 상에 콘택 플러그(211)를 포함하는 층간 절연막(210)을 형성하고, 층간 절연막(210) 상에 다층 몰드용 절연막(220a)을 형성한다.
여기서, 다층 몰드용 절연막(220a)은 불순물이 도우프된 하부 몰드용 절연 막(221a) 및 불순물이 도핑되지 않은 상부 몰드용 절연막(223a)을 적층하여 형성할 수 있다. 이 때, 하부 몰드용 절연막(221a)의 예로는 불순물이 도우프된 산화막, 즉, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass) 또는 PSG(Phoshporus Silicate Glass)를 들 수 있는데 이에 한정되지는 않는다. 상부 몰드용 절연막(223a)로는 예를 들어 불순물이 도우프되지 않은 산화막, 즉 PE-TEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyl Ortho Silicate), HDP(High Density Plasma) 산화막 또는 P-SiH4 산화막 등을 들 수 있는데 이에 한정되지는 않는다.
하부 몰드용 절연막(221a)의 불순물 농도는 하부 절연막의 습식 식각율에 영향을 미치며, 불순물 농도가 높을수록 식각율이 커지게 된다. 따라서, 타겟으로 하는 습식 식각율에 적합하도록 불순물 농도를 조절한다.
그런 다음, 도 2b를 참조하면, 다층 몰드용 절연막(220b)을 관통하는 다수의 개구부(225a)를 형성한다.
여기서, 개구부(225a)의 형성은 주로 건식 식각에 의할 수 있으며, 건식 식각은 CFx 계열의 식각 가스(예: C4F6 또는 C3F8)를 사용하여 진행할 수 있다. 이렇게 형성된 개구부(225a)는 건식 식각 공정의 한계로 인해 상부에서 하부로 일정한 경사를 지니게 된다. 또한, 앞의 실시예에서와 마찬가지로 소정의 보잉현상이 개구부(225a)의 상단에 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 이에 대한 도시를 생략하였다.
계속해서, 도 2c를 참조하면, 하부 몰드용 절연막(도 2b의 220b) 내에 형성 된 개구부(도 2b의 225a)를 확장하여 스토리지 전극 형성용 다층 몰드(220)를 완성한다.
이 때, 불순물이 도우프된 하부 몰드용 절연막(도 2b의 221b)의 식각률이 불순물이 도우프되지 않은 상부 몰드용 절연막(도 2b의 223b)에 비해 크므로, 상부 몰드(223)에 비하여 하부 몰드(211) 내에서 더 확장된 꽃병모양의 개구부(225)를 정의하는 다층 몰드(220)가 완성될 수 있다. 도면상에는 이중 몰드로 나타나있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 그 이상의 다층으로 형성될 수도 있음은 물론이다.
이러한 꽃병모양의 개구부(225)는 후속 공정에서 형성될 스토리지 전극의 하단부 폭을 넓게 해 줄 수 있으므로, 보다 안정적으로 스토리지 전극의 쓰러짐을 감소시킬 수 있다.
여기서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 확장된 개구부(225)는 인접한 다른 개구부와 서로 맞닿는 접촉영역(B)을 형성할 수도 있다. 이것은 후속 공정에서 개구부(225) 측벽에 절연성 막질인 희생 스페이서를 형성한 다음 스토리지 전극을 형성하기 때문에, 스토리지 전극의 단락현상이 일어날 염려가 없기 때문이다. 따라서, 후속 공정에 의해서 형성될 스토리지 전극의 단락 현상을 고려하여 식각 조건을 세밀하게 조절하지 않아도 되며, 개구부를 최대한 확장할 수 있다는 공정상 잇점이 있다. 또한, 스토리지 전극 간 단락현상을 고려하지 않고 개구부(225)의 면적이 최대화될 수 있으므로, 따라서 스토리지 전극의 형성 면적을 극대화할 수 있다.
이러한 개구부(225)의 확장은 습식 식각에 의할 수 있는데, 예를 들면 불산, SC-1)과 같은 APM(ammonium peroxide mixture) 또는 HF/NH4F 혼합물을 포함하는 BOE(buffered oxide etchant)등을 사용할 수 있는데, SC-1과 HF를 차례대로 처리하여 실시할 수도 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
그런 다음, 도 2d 및 도 2e를 참조하면, 개구부(225)의 측벽에 희생 스페이서(230)를 형성한다. 이러한 희생 스페이서(230)는 앞서 도 1d 및 1e를 참조하여 설명한 것과 마찬가지 방법으로 형성할 수 있다.
이 때, 도면에 도시된 바와 같이 하부 몰드(221) 내에서 개구부(225)가 서로 접촉하는 경우에는 상기 희생 스페이서와 인접한 다른 희생 스페이서가 상기 접촉 영역(B)에서 서로 연결되어 지지하도록 형성될 수 있다.
이러한 희생 스페이서(230)에 의해 후술할 스토리지 전극 사이의 간격이 조절될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 희생 스페이서(230)의 두께는 약 150 내지 300Å 정도일 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 목적 범위 내에서 적절하게 조절될 수 있음은 물론이다.
이로써 개구부(225)의 저면에 식각 정지막(213)이 노출되며, 이어서 개구부(225)의 저면에 노출된 식각 정지막(213)을 제거하여 콘택 플러그(211)의 상면을 노출시킨다. 이러한 콘택 플러그(211)의 상면을 노출시키는 공정은 스토리지 전극용 도전막 형성 전의 공정이라면 어떠한 단계에서도 수행될 수 있음은 물론이다.
계속해서, 도 2f를 참조하면, 희생 스페이서(230) 상 및 노출된 콘택 플러그(211)의 상면에 스토리지 전극용 도전막(240a)을 컨포멀하게 형성한다. 그런 다음, 개구부 내부를 채우되 다층 몰드(220) 보다 높은 상면을 갖는 희생 캡핑막(250)을 형성한다.
이러한 공정은 앞서 도 1f 및 1g를 참조하여 설명한 것과 마찬가지로 이루어질 수 있다.
그런 다음, 도 2g를 참조하면, 평탄화하여 다층 몰드(220)의 상면을 노출시켜 스토리지 전극용 도전막(도 2f의 240a)을 노드 분리시킨다. 이로써, 스토리지 전극(240)을 완성한다. 이러한 공정은 앞서 도 1h를 참조하여 설명한 것과 마찬가지로 이루어질 수 있다.
그런 다음, 도 2h를 참조하면, 다층 몰드(도 2g의 220)와 희생 캡핑막(도 2g의 250a)을 습식 식각으로 제거한다. 이 때, 희생 스페이서(230)는 잔류하여 스토리지 전극(240)의 외벽을 지지한다. 이러한 공정은 앞서 도 1i를 참조하여 설명한 것과 마찬가지로 이루어질 수 있다.
계속해서, 도 2i를 참조하면, 희생 스페이서(도 2h의 230)를 애싱 또는 등방성 건식 식각으로 제거하여 상기 스토리지 전극의 양 측벽을 노출시킨다. 이러한 공정은 앞서 도 1j를 참조하여 설명한 것과 마찬가지로 이루어질 수 있다.
이어서, 도 2j에 도시된 바와 같이, 스토리지 전극(240) 상에 유전막(260) 및 상부 전극(270)을 순차적으로 형성한다. 이러한 공정은 앞서 도 1k를 참조하여 설명한 것과 마찬가지로 이루어질 수 있다.
이후, 반도체 소자의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려진 공정 단계들에 따라 배선들을 형성하는 단계, 기판상에 패시베이션층을 형성하는 단계 및 상기 기판을 패키지하는 단계를 더 수행하여 반도체 소자를 완성할 수 있다. 이와 같은 후속단계들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 개 략적으로 설명한다.
이상, 본 발명의 실시예들에 의하는 경우, 스토리지 전극을 형성하기 위한 몰드와 희생 캡핑막 제거시 희생 스페이서가 스토리지 전극을 지지할 수 있다. 특히, 희생 스페이서가 인접한 다른 희생 스페이서와 연결된 경우에는 그 지지 효과가 더 클 수 있다. 따라서, 몰드를 습식으로 제거하더라도 스토리지 전극의 리닝 현상이 감소될 수 있어, 전극간 브릿지가 억제된다. 뿐만 아니라, 몰드 제거 후 희생 스페이서는 건식으로 제거할 수 있으므로, 형성된 스토리지 전극의 리닝 현상의 우려가 없다. 또한, 몰드와 희생 캡핑막 제거시 희생 스페이서가 스토리지 전극의 외벽에 존재함으로써 식각액의 침투에 의한 하부 막질의 골뱅이 결함이 억제될 수 있다. 이로써, 반도체 소자의 특성이 개선될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같은 반도체 소자의 제조 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 스토리지 전극을 형성하기 위한 몰드와 희생 캡핑막 제거시 희생 스페이서가 스토리지 전극을 지지할 수 있으며, 특히, 희생 스페이서가 인접한 다른 희 생 스페이서와 연결된 경우에는 그 지지 효과가 더 클 수 있다.
둘째, 스토리지 전극 형성용 몰드와 희생 캡핑막을 습식으로 제거하더라도 희생 스페이서가 잔류하므로, 스토리지 전극의 리닝 현상이 감소될 수 있고, 따라서 전극간 브릿지가 억제될 수 있다.
셋째, 스토리지 전극 형성용 몰드 제거 후 희생 스페이서는 건식으로 제거할 수 있으므로, 희생 스페이서 제거 공정에서 스토리지 전극의 리닝 현상이 발생할 우려가 없다.
넷째, 스토리지 전극 형성용 몰드와 희생 캡핑막 제거시 희생 스페이서가 스토리지 전극의 외벽에 존재함으로써 식각액의 침투에 의한 하부 막질의 골뱅이 결함이 억제될 수 있다.

Claims (20)

  1. 기판 상에 콘택 플러그를 구비하는 층간 절연막을 형성하고,
    상기 층간 절연막 상에 몰드용 절연막을 형성하고,
    상기 몰드용 절연막을 관통하는 개구부를 형성하여 스토리지 전극 형성용 몰드를 형성하고,
    상기 개구부의 측벽에 희생 스페이서를 형성하고,
    상기 희생 스페이서가 형성된 상기 개구부의 내부를 따라 스토리지 전극용 도전막을 형성하고,
    상기 개구부의 내부를 채우되 상기 스토리지 전극 형성용 몰드 보다 높은 상면을 갖는 희생 캡핑막을 형성하고,
    상기 희생 캡핑막 및 상기 스토리지 전극용 도전막을 평탄화하여 노드분리된 스토리지 전극을 완성하고,
    상기 스토리지 전극 형성용 몰드 및 상기 희생 캡핑막을 습식으로 제거하고,
    상기 희생 스페이서를 건식으로 제거하여 상기 스토리지 전극의 외벽을 노출시키고,
    상기 스토리지 전극 상에 유전막 및 상부 전극을 순차적으로 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스토리지 전극 형성용 몰드를 형성하는 것은 상기 개구부를 등방성 식 각으로 확장하는 것을 더 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스토리지 전극 형성용 몰드를 형성하는 것은 상기 개구부가 인접한 다른 개구부와 서로 맞닿는 접촉 영역을 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 희생 스페이서를 형성하는 것은 상기 희생 스페이서가 상기 접촉 영역에서 인접한 다른 희생 스페이서와 연결되도록 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 희생 스페이서는 상기 스토리지 전극 형성용 몰드 및 상기 희생 캡핑막과 습식 식각률이 다른 재질인 반도체 소자의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스토리지 전극 형성용 몰드를 제거하는 것은 상기 희생 스페이서를 잔류시키되 상기 스토리지 전극 형성용 몰드를 선택적으로 제거하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스토리지 전극 형성용 몰드 및 상기 희생 캡핑막을 제거하는 것은 불산 또는 HF/NH4F 혼합물을 사용하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 희생 스페이서는 비정질탄소, 절연성 폴리실리콘 또는 실리콘질화물로 형성하는 반도체 소자의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 희생 스페이서를 제거하는 것은 상기 희생 스페이서가 비정질탄소로 이루어진 경우에는 애싱으로 수행하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 애싱은 O2 분위기에서 온도 100 내지 200℃, 압력 10mTorr 이하에서 진행하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 희생 스페이서를 제거하는 것은 상기 희생 스페이서가 절연성 폴리실리콘 또는 실리콘질화물로 이루어진 경우 등방성 건식 식각으로 수행하는 것을 포함 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 등방성 건식 식각은 CF4/O2 가스를 이용하되, 온도 15 내지 70℃, 압력 75 내지 675mTorr에서 진행하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 스토리지 전극을 형성하는 것은 Ru, Ir ,Ti, TiN 또는 도전성 폴리실리콘으로 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  14. 기판 상에 콘택 플러그를 포함하는 층간 절연막을 형성하고,
    상기 층간 절연막 상에 불순물이 도우프된 하부 몰드용 절연막 및 불순물이 도핑되지 않은 상부 몰드용 절연막을 포함하는 다층 몰드용 절연막을 형성하고,
    상기 다층 몰드용 절연막을 관통하는 다수의 개구부를 형성하고,
    상기 개구부를 확장하여 상부 몰드 및 하부 몰드를 포함하는 스토리지 전극 형성용 다층 몰드를 완성하되, 상기 개구부는 상기 상부 몰드에 비하여 상기 하부 몰드 내에서 더 확장되도록 하고,
    상기 확장된 개구부의 측벽에 희생 스페이서를 형성하고,
    상기 희생 스페이서 및 상기 스토리지 전극 형성용 다층 몰드 상에 스토리지 전극용 도전막을 컨포멀하게 형성하고,
    상기 개구부의 내부를 채우되 상기 스토리지 전극 형성용 다층 몰드 보다 높은 상면을 갖는 희생 캡핑막을 형성하고,
    상기 희생 캡핑막 및 상기 스토리지 전극용 도전막을 평탄화하여 노드분리된 스토리지 전극을 완성하고,
    상기 스토리지 전극 형성용 다층 몰드 및 상기 희생 캡핑막을 습식으로 제거하되 상기 희생 스페이서를 잔류시키고,
    상기 희생 스페이서를 건식으로 제거하여 상기 스토리지 전극의 양 측벽을 노출시키고,
    상기 스토리지 전극 상에 유전막 및 상부 전극을 순차적으로 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스토리지 전극용 다층 몰드를 완성하는 것은 상기 확장된 개구부가 인접한 다른 개구부와 서로 맞닿는 접촉영역을 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 희생 스페이서를 형성하는 것은 상기 희생 스페이서가 상기 접촉 영역에서 인접한 다른 희생 스페이서와 연결되도록 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 희생 스페이서를 제거하는 것은 상기 희생 스페이서가 비정질탄소인 경우에는 애싱으로 수행하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 애싱은 O2 분위기에서 온도 100 내지 200℃, 압력 10mTorr에서 진행하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 희생 스페이서를 제거하는 것은 상기 희생 스페이서가 절연성 폴리실리콘 또는 실리콘질화물인 경우 등방성 건식 식각으로 수행하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 등방성 건식 식각은 CF4/O2 가스를 이용하여, 온도 15 내지 70℃, 압력 75 내지 675mTorr에서 진행하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
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