KR100799110B1 - 반도체 소자의 박막 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캐패시터의 전극으로 루테늄 또는 루테늄산화막 형성시 높은 밀도, 우수한 단차피복성과 함께 증착속도를 확보할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 전구체와 반응가스를 동시에 주입시키는 단계와 퍼지단계로 이루어진 단위사이클을 반복적으로 진행하여 반도체 소자의 구성물질을 증착하는 반도체 소자의 박막 형성방법과 또한, 전구체를 주입시키는 단계와 퍼지단계로 이루어진 단위사이클을 반복적으로 진행하되 각 단계에 반응가스를 계속 주입하여 반도체 소자의 구성물질을 증착하는 반도체 소자의 박막 형성방법을 포함하고, 전극으로 우수한 열적안정성을 갖는 루테늄막 또는 루테늄산화막을 두단계의 단위사이클로 형성함으로써 증착속도를 확보하여 누설전류특성 및 항복전압특성을 향상시키고, 유전막의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 고집적 소자동작에 요구되는 충분한 캐패시터 용량을 확보할 수 있는 효과와 또한, 기존의 단원자층증착법에 대비하여 생산성(Throughput)을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
단원자층증착법, 루테늄막, 열적안정성, 생산성
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 루테늄막의 형성방법을 나타내는 타이밍도,
도 2는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 루테늄산화막의 형성방법을 나타내는 타이밍도.
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 전극 제조방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화, 미세화에 따라 단위 셀면적이 크게 감소하고 동작전압의 저전압화가 이루어지고 있다. 그러나, 기존의 SIS(poly Silicon-Insulator-poly Silicon)구조의 캐패시터의 경우 계면산화막의 존재로 인해 셀당 약 25fF 이상의 충분한 캐패시터 용량을 확보하기 어려워지고 있으며, 이를 해결하기 위해 금 속전극을 사용한 MIM(Metal-Insulator-Metal)구조의 캐패시터 개발이 이루어지고 있다.
특히 45nm이하의 공정에서는 등가산화막의 두께가 6Å이하의 유전막을 사용할 필요성이 있다. 이를 위해, 유전막으로 TiO2, SrTiO3 또는 BaTiO3 중에서 선택된 어느 하나의 유전상수가 큰 물질을 도입하는 기술이 제안되고 있다. 그러나, MIM의 전극으로 TiN과 같은 질화막전극을 사용할 경우 상기 유전물질과의 일함수 차가 크지 않아서 누설전류 특성이 열악한 문제점이 있다. 또한, 높은 유전상수를 얻기 위해 필수적인 열처리 공정시 전극의 산화로 인해 유전특성의 열화가 발생하여 전극으로 사용하기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 전극의 산화를 방지하고 충분한 캐패시터 용량을 확보하기 위하여 루테늄(Ru) 또는 루테늄의 전도성산화물인 루테늄산화막(RuO2)을 적용한 캐패시터가 제안되고 있다. 루테늄 또는 루테늄산화막이 전극으로 사용되기 위해서는 높은 열적안정성, 낮은 비저항과 우수한 단차피복성을 가져야 한다. 루테늄 또는 루테늄산화막은 통상 화학기상증착법 또는 단원자층증착법으로 형성하는데 화학기상증착법으로 형성된 전극은 낮은 밀도로 인해 후속 열처리시 응집(Agglomeration)되어 구조형성이 어려울 뿐만 아니라 단차피복성이 열악하고, 단원자층증착법으로 형성된 전극은 벌크에 가까운 밀도와 우수한 단차피복성을 보이지만 증착속도가 화학기상증착법에 비해 낮아서 양산성에 어려움이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 캐패시터의 전극으로 루테늄 또는 루테늄산화막 형성시 높은 밀도, 우수한 단차피복성과 함께 증착속도를 확보할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 반도체 소자의 박막 형성방법은 전구체와 반응가스를 동시에 주입시키는 단계와 퍼지단계로 이루어진 단위사이클을 반복적으로 진행하여 반도체 소자의 구성물질을 증착하는 반도체 소자의 박막 형성방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전구체를 주입시키는 단계와 퍼지단계로 이루어진 단위사이클을 반복적으로 진행하되 각 단계에 반응가스를 계속 주입하여 반도체 소자의 구성물질을 증착하는 반도체 소자의 박막 형성방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 전구체는 루테늄 또는 루테늄산화막을 형성하기 위한 루테늄전구체를 사용하되, 상기 루테늄전구체는 할로겐화물 또는 유기금속화합물을 사용하고, 할로겐화물은 RuCl4, 유기금속화합물은 Ru(TMHD)2, Ru(OD)3 또는 Ru(METHD)3 중에서 선택된 어느 하나로 사용하는 것을 특징으로 한다.
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.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 캐패시터의 하부 또는 상부전극으로 루테늄막, 루테늄막/루테늄산화막, 루테늄산화막/루테늄막, 루테늄산화막/루테늄막/루테늄산화막 또는 루테늄막/루테늄산화막/루테늄막 중에서 선택된 단일막 또는 이중막 이상의 적층막을 형성한다.
이하, 도 1 및 도 2에서 루테늄막 또는 루테늄산화막을 형성하기 위한 방법을 자세히 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해 도 1은 루테늄막을, 도2는 루테늄산화막을 형성할 때를 가정하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 루테늄막의 형성방법을 나타내는 타이밍도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 루테늄막은 루테늄(Ru)전구체를 주입하는 단계/퍼지가스를 주입하는 단계를 단위사이클로 하여 형성하되, 반응가스를 각 단계에 연속적으로 주입시켜 실시한다.
즉, 루테늄(Ru)전구체와 함께 반응가스를 챔버 내부로 주입시켜 웨이퍼 상부에 상기 전구체를 흡착시키고, 퍼지가스와 함께 상기 반응가스를 주입하여 상기 웨이퍼 상부에 흡착되지 않고 상기 챔버 내부에 잔류되는 상기 전구체를 외부로 퍼지시키는 단계가 단위사이클로 구성된다.
루테늄막을 형성하기 위한 루테늄전구체는 할로겐화물(Halide)로 사용하거나 유기금속화합물을 사용한다. 여기서, 할로겐화물은 RuCl4, 유기금속화합물은 Ru(TMHD)2, Ru(OD)3 또는 Ru(METHD)3 중에서 선택된 어느 하나로 사용한다. 또한, 루테늄막 형성을 위한 단위사이클은 200℃∼350℃의 온도에서 0.1Torr∼10Torr의 압력으로 반응가스를 20sccm∼400sccm의 유량으로 주입하여 형성한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 루테늄산화막의 형성방법을 나타내는 타이밍도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 루테늄산화막은 루테늄(Ru)전구체를 주입하는 단계/퍼지가스를 주입하는 단계를 단위사이클로 하여 형성하되, 반응가스를 루테늄전구체를 주입하는 단계에만 선택적으로 주입하여 실시한다. 특히, 반응가스는 산소를 포함하는 반응가스를 사용한다. 예컨대 H2O, H2O2, O2 및 O3의 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 산소를 포함하는 반응가스를 사용한다.
즉, 루테늄전구체와 함께 산소를 포함한 반응가스를 챔버 내부로 주입시켜 웨이퍼 상부에 상기 전구체를 흡착시키는 단계, 퍼지가스를 주입하여 상기 웨이퍼 상부에 흡착되지 않고 상기 챔버 내부에 잔류되는 상기 전구체를 외부로 퍼지시키는 단계가 단위사이클로 구성된다.
루테늄막을 형성하기 위한 루테늄전구체는 할로겐화물(Halide)로 사용하거나 유기금속화합물을 사용한다. 여기서, 할로겐화물은 RuCl4, 유기금속화합물은 Ru(TMHD)2, Ru(OD)3 또는 Ru(METHD)3 중에서 선택된 어느 하나로 사용한다. 또한, 루테늄막 형성을 위한 단위사이클은 200℃∼350℃의 온도에서 0.1Torr∼10Torr의 압력으로 반응가스를 20sccm∼400sccm의 유량으로 주입하여 형성한다.
상기 도 1 및 도 2와 같이 루테늄전구체를 주입하는 단계/퍼지가스를 주입하는 단계를 단위사이클로 하는 본 발명은 종래의 단원자층증착법을 소스가스/퍼지/반응가스/퍼지의 4단계를 단위사이클로 하는 공정에 비해 공정의 단순화가 가능하기 때문에 증착속도를 확보할 수 있으면서, 단원자층증착법으로 형성시 얻을 수 있는 막의 높은 밀도와 우수한 단차피복성을 확보할 수 있다.
또한, 제1실시예에서 산소를 포함한 반응가스를 주입하여 루테늄산화막을 형성할 수 있고, 제2실시예에서 통상의 반응가스를 주입하여 루테늄막을 형성하는 것이 가능하다.
상기 루테늄막 또는 루테늄산화막을 하부전극으로 사용할 경우, 하부전극 상에 유전막을 형성하고, 유전막 상에 상부전극을 형성하는 캐패시터 구조를 적용할 수 있다.
여기서, 유전막은 HfO2, Al2O3, ZrO2, Ta2O5 및 TiO2로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 또는 이중막 이상의 적층구조로 형성하거나, SrTiO3 또는 (Ba,Sr)TiO3의 페로브스카이트 구조의 물질로 형성할 수 있다. 특히, 루테늄 또는 루테늄산화막의 경우 높은 열적안정성을 갖기 때문에 유전막에 높은 유전상수를 위한 열처리 공정을 실시하여도 유전특성 열화가 발생하지 않는다.
그리고, 상부전극으로 하부전극과 동일하게 루테늄막 또는 루테늄산화막을 형성할 수 있다. 이때, 상부전극은 도 1 및 도 2에 도시된 제1,2실시예와 동일한 방법으로 루테늄막 또는 루테늄산화막을 형성하거나, 단원자층증착법(Atomic Layer Deposition;ALD)을 이용하여 시드(seed)층을 형성한 후, 메인(main)층을 형성하는 두단계로 형성할 수 있다. 여기서, 메인층은 도 1 및 도 2에 도시된 제1,2실시예와 동일한 방법으로 실시한다. 특히, 시드층을 형성한 후, 메인층을 형성할 경우 균일도 및 생산성(Throughput)이 향상된다.
위와 같이, 캐패시터구조를 형성 할 경우 유전막을 형성한 후, 또는 상부전극을 형성한 후에 급속열처리 또는 퍼니스열처리를 이용하여 열처리 공정을 선택적으로 수행할 수 있다. 이때, 루테늄막 또는 루테늄산화막이 높은 열적안정성을 갖기 때문에 전극의 산화로 인한 유전특성 열화가 발생하지 않는다.
상기한 본 발명은, 우수한 열적안정성을 갖는 루테늄막 또는 루테늄산화막을 2단계의 단위사이클로 형성함으로써 높은밀도, 우수한 단차피복성과 증착속도를 확보함과 동시에 캐패시터의 신뢰성과 생산성을 향상시켜 고집적 소자 동작에 요구되는 캐패시터 용량을 확보할 수 있는 장점이 있다.
또한, 루테늄막 및 루테늄산화막을 전극으로 적용하는 캐패시터는 평판, 콘케이브 또는 실린더형 중에서 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다.
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.
상술한 본 발명은 전극으로 우수한 열적안정성을 갖는 루테늄막 또는 루테늄산화막을 두단계의 단위사이클로 형성함으로써 증착속도를 확보하여 누설전류특성 및 항복전압특성을 향상시키고, 유전막의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 고집적 소자동작에 요구되는 충분한 캐패시터 용량을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존의 단원자층증착법에 대비하여 생산성(Throughput)을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
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- 전구체를 주입시키는 단계와 퍼지단계로 이루어진 단위사이클을 반복적으로 진행하되 각 단계에 산소를 포함하는 반응가스를 계속 주입하여 반도체 소자의 구성물질을 증착하는반도체 소자의 박막 형성방법.
- 제9항에 있어서,상기 전구체는 루테늄막 또는 루테늄산화막을 형성하기 위한 루테늄전구체를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성방법.
- 제10항에 있어서,상기 루테늄전구체는 할로겐화물 또는 유기금속화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성방법.
- 제11항에 있어서,상기 할로겐화물은 RuCl4, 유기금속화합물은 Ru(TMHD)2, Ru(OD)3 또는 Ru(METHD)3 중에서 선택된 어느 하나로 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성방법.
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- 제9항에 있어서,상기 산소를 포함하는 반응가스는 H2O, H2O2, O2 및 O3로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나로 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성방법.
- 제14항에 있어서,상기 반응가스는 20sccm∼400sccm의 유량으로 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성방법.
- 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,상기 단위사이클은 200℃∼350℃의 온도에서 0.1Torr∼10Torr의 압력을 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성방법.
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| KR20050061728A (ko) * | 2003-12-18 | 2005-06-23 | 주식회사 하이닉스반도체 | 펄스식 화학기상증착 방식을 이용한 박막 형성 방법 |
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