KR100875674B1 - Method for fabricating semiconductor device prevented capacitor leakage - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히 3차원 구조의 캐패시터를 구비하는 반도체소자 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device having a three-dimensional capacitor.
일반적으로 DRAM에서 전력손실을 방지하기 위해 캐패시터에 축적된 전하의 손실을 방지하는 방법이 있는데, 전하의 손실을 방지하는 방법으로는 주기적으로 전하를 리프레시하여 특성을 확보하는 방법이 있다. 또다른 방법으로는 캐패시터가 축적하는 전하의 양을 증가시키므로써 리프레시간이 증가되어 리프레시에 의한 전력손실을 방지하는 방법이 있다.In general, there is a method of preventing a loss of charge accumulated in a capacitor in order to prevent power loss in a DRAM. A method of preventing a loss of charge includes a method of periodically refreshing a charge to secure characteristics. Another method is to increase the amount of charge accumulated by the capacitor, thereby increasing the refresh time and preventing power loss due to the refresh.
캐패시터가 축적하는 전하의 양을 증가시키기 위해서 하프늄산화막에서 지르코늄산화막 등의 고유전상수를 갖는 유전체막을 변경하여 축적할 수 있는 전하량을 증가시키는 방법을 사용하고 있다.In order to increase the amount of charge accumulated by the capacitor, a method of increasing the amount of charge that can be accumulated by changing a dielectric film having a high dielectric constant such as a zirconium oxide film in a hafnium oxide film is used.
또한, 유효표면적을 증대시켜 축적되는 전하량을 증가시키는 방법으로 캐패시터의 구조를 콘케이브(Concave) 및 실린더(Cylinder) 구조와 같은 3차원구조로 형성하는 방법이 있다.In addition, as a method of increasing the amount of charge accumulated by increasing the effective surface area, there is a method of forming a capacitor structure in a three-dimensional structure such as a concave and cylinder structure.
도 1a 및 도 1b는 종래기술에 따른 캐패시터 제조 방법을 간략히 도시한 도면이다. 그리고, 도 2a는 종래기술에 따른 하부전극의 뾰족한 프로파일을 나타낸 사진이고, 도 2b는 종래기술에 따른 보이드를 나타낸 사진이다.1A and 1B are schematic views illustrating a capacitor manufacturing method according to the prior art. And, Figure 2a is a photograph showing a sharp profile of the lower electrode according to the prior art, Figure 2b is a photograph showing a void according to the prior art.
도 1a를 참조하면, 기판(11) 상에 제1절연막(12)을 형성하고, 제1절연막(12)을 관통하는 콘택플러그(13)를 형성한다. 이후, 제1절연막(12) 상에 식각배리어막(14)과 제2절연막(15)을 적층하고, 제2절연막(15)과 식각배리어막(14)을 순차적으로 식각하여 콘택플러그(13)를 노출시키는 오픈영역(16)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, a first
도 1b에 도시된 바와 같이, 오픈영역(16)이 형성된 제2절연막(12) 상에 도전막을 증착한 후 전면식각과 같은 하부전극분리 공정을 진행하여 오픈영역 내부에 하부전극(17)을 형성한다.As shown in FIG. 1B, after depositing a conductive film on the second
후속 공정으로, 제2절연막(12)을 제거한 후에 유전체막 및 상부전극을 형성하면 실린더 구조가 되고, 제2절연막(12)을 잔류시킨 상태에서 유전체막 및 상부전극을 형성하면 콘케이브 구조가 된다.In a subsequent step, the dielectric film and the upper electrode are formed after the removal of the second
위와 같이, 종래기술은 콘케이브구조 또는 실린더 구조를 위해서 오픈영역의 형성 과정이 필수적으로 진행된다.As described above, in the prior art, the process of forming the open area is essentially performed for the concave structure or the cylinder structure.
그러나, 종래기술은 오픈영역의 종횡비가 증가하는 경우 오픈영역이 깊이에 따라 프로파일의 변화가 발생한다. 즉, 오픈영역 형성시 상부보다 하부에서 그 선폭이 작아지는 뾰족(Cuspidal) 현상이 발생되는 것을 피할 수 없다.However, in the related art, when the aspect ratio of the open area increases, a change in profile occurs according to the depth of the open area. That is, it is inevitable that a cuspidal phenomenon in which the line width becomes smaller at the lower portion than the upper portion is formed at the time of forming the open region.
이와 같이, 뾰족한 오픈영역이 형성되면, 후속 하부전극으로 사용될 도전막 증착시 국부적으로 하부프로파일(Bottom profile)이 뾰족해 질뿐만 아니라(도 2a 의 'A' 참조), 심한 경우에는 도전막이 오픈영역의 바닥부분에서 증착되지 않아 보이드(Void)를 유발한다(도 2b의 'B' 참조). 또한, 바닥부분에서 증착되더라도 뾰족한 프로파일을 갖는 하부전극에 의해 후속 유전체막 증착시 누설소스로 작용하는 문제가 있다.As such, when a sharp open area is formed, not only the bottom profile becomes sharp during the deposition of the conductive film to be used as a subsequent lower electrode (see 'A' in FIG. 2A), but in severe cases, the conductive film is open. It is not deposited at the bottom of the (Void) causes the void (see 'B' of Figure 2b). In addition, even when deposited at the bottom, there is a problem that the lower electrode having a sharp profile acts as a leakage source during subsequent deposition of the dielectric film.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 후속 하부전극 및 유전체막 증착시 누설소스의 원인이 되는 오픈영역의 뾰족한 프로파일을 방지할 수 있는 캐패시터 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and to provide a method of manufacturing a capacitor that can prevent the sharp profile of the open area that causes the leakage source during the subsequent lower electrode and dielectric film deposition have.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자 제조 방법은 콘택플러그가 형성된 기판 상부에 식각배리어막을 형성하는 단계; 상기 식각배리어막 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막을 식각하여 오픈영역을 형성하는 단계; 상기 오픈영역 아래의 식각배리어막을 식각하는 단계; 및 상기 오픈영역 내부에 하부전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 식각배리어막을 식각하는 단계는 화학적등방성식각(Chemical isotropic etch)이 진행되도록 압력을 조절하면서 동시에 바텀파워와 탑파워의 비율을 조절하는 것을 특징으로 하며, 상기 식각배리어막을 식각하는 단계는 바텀파워(Bottom power)와 상기 바텀파워보다 적어도 6배 더 큰 탑파워(Top power)를 인가하면서 진행하는 것을 특징으로 하고, 상기 바텀파워는 50∼100W를 사용하고, 상기 탑파워는 600∼800W를 사용하는 것을 특징으로 하며, 상기 압력은 20∼50mTorr의 압력을 사용하는 것을 특징으로 하고, 상기 식각배리어막은 실리콘질화막을 사용하는 것을 특징으로 한다.The semiconductor device manufacturing method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of forming an etching barrier film on the substrate on which the contact plug is formed; Forming an insulating film on the etching barrier film; Etching the insulating film to form an open region; Etching the etching barrier layer under the open area; And forming a lower electrode in the open region, wherein etching the etch barrier layer controls a ratio of bottom power and top power while simultaneously adjusting pressure so that a chemical isotropic etch is performed. The etching of the etching barrier layer may include applying bottom power and top power at least six times larger than the bottom power, wherein the bottom power is 50. It is characterized by using ~ 100W, the top power is 600 ~ 800W, the pressure is characterized by using a pressure of 20 ~ 50mTorr, the etching barrier film is characterized in that using a silicon nitride film. .
본 발명은 식각배리어막 식각시 압력 및 파워(바텀파워와 탑파워의 비율)을 조절하면서 화학적등방성식각을 진행함에 따라 하부전극이 형성될 오픈영역의 바텀프로파일을 충분히 라운드지면서 넓게 확보할 수 있고, 이에 따라 후속 하부전극 및 유전체막 증착시 누설소스의 원인이 되는 뾰족한 프로파일을 방지할 수 있는 효과가 있다.The present invention can secure a wide round bottom profile of the open region in which the lower electrode is to be formed by chemically isotropic etching while controlling pressure and power (a ratio of bottom power and top power) during etching of the etching barrier film. Accordingly, there is an effect that can prevent the sharp profile that causes the leakage source during the subsequent deposition of the lower electrode and the dielectric film.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.3A to 3D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(21) 상에 제1절연막(22)을 형성한다. 이때, 제1절연막(22)은 산화막일 수 있으며, 기판(21)에는 랜딩플러그콘택이 미리 형성되어 있을 수 있다. 비록, 도시하지 않았지만, 기판(21)과 제1절연막(22) 사이에는 워드라인, 비트라인 등의 공정이 진행될 수 있다.As shown in FIG. 3A, a first
이어서, 제1절연막(22)을 식각하여 콘택홀을 형성한 후, 콘택홀에 매립되는 콘택플러그(23)를 형성한다. 이때, 콘택플러그(23)는 스토리지노드콘택플러그이다.Subsequently, the first insulating
예를 들어, 콘택플러그는 콘택홀 형성후 폴리실리콘막 증착, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정 및 에치백공정을 실시하여 형성할 수 있다. 또한, 콘택플러그의 표면에는 배리어메탈인 티타늄막(Ti)과 티타늄질화막(TiN)의 적층막이 형성될 수 있다.For example, the contact plug may be formed by depositing a polysilicon layer, forming a chemical mechanical polishing (CMP) process, and an etch back process after forming the contact hole. In addition, a laminated film of a titanium film Ti and a titanium nitride film TiN may be formed on the surface of the contact plug.
이어서, 제1절연막(22) 상에 식각배리어막(24)과 제2절연막(25)을 적층한다. 이때, 식각배리어막(24)은 질화막(nitride)이며, 제2절연막(25)은 산화막이다. 바람직하게, 제2절연막(25)은 PE-TEOS, BPSG, PSG 또는 USG 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 식각배리어막(24)은 실리콘질화막(Si3N4)이다. Subsequently, the
도 3b에 도시된 바와 같이, 제2절연막(25) 상에 하드마스크막으로서 폴리실리콘막(26)을 형성한 후, 폴리실리콘막(26) 상에 공지된 포토리소그래피 공정을 통해 SN 마스크(도시 생략)를 이용하여 폴리실리콘막(26)을 식각한다. 이때, 폴리실리콘막(25)의 식각은 HBr 또는 Cl2 가스를 단독으로 사용하거나, 또는 HBr/Cl2/O2의 혼합가스를 사용하므로써 그 아래 산화막물질인 제2절연막(25)에 대해 선택비를 높인다.As shown in FIG. 3B, after forming the
이후, 폴리실리콘막(26)을 식각장벽으로 하여 식각배리어막(24)에서 식각이 정지하도록 제2절연막(25)을 식각하여 오픈영역(26)을 형성한다. 이때, 제2절연막(25)의 식각은 건식식각 방법을 적용하며, 제2절연막(25)이 산화막물질이고 제2절연막(25) 아래의 질화막물질인 식각배리어막(24)에 대해 선택비를 높이기 위해서 CHF3와 C4F8이 혼합된 혼합가스를 사용할 수 있다.Thereafter, the second
도 3c에 도시된 바와 같이, 에치백(Etchback) 공정을 통해 잔류하는 폴리실리콘막(26)을 제거한다. 이때, HBr 또는 Cl2 가스를 단독으로 사용하거나, 또는 HBr/Cl2/O2의 혼합가스를 사용하므로써 산화막물질인 제2절연막(25)에 대해 선택비를 높인다.As shown in FIG. 3C, the
이어서, 폴리실리콘막의 에치백공정후 인시튜(In-situ)로 오픈영역(27)의 바닥부분에 잔류하고 있는 식각배리어막(24)을 식각하여 콘택플러그(23)의 표면을 노출시킨다. 이때, 콘택플러그(23) 및 제2절연막(25)에 대해 선택비를 높이기 위해서 탄소(C)와 불소(F)가 함유된 CxFy계 가스와 산소 가스를 식각가스로 사용한다. 또한, 오픈영역(27)의 바닥부분의 프로파일이 넓어지는(도면부호 '27B') 화학적 등방성식각(Chemical isotropic etch) 특성을 확보하도록 식각배리어막(24)의 식각은 다음과 같이 진행한다.Subsequently, after the etch back process of the polysilicon film, the
먼저, 식각배리어막(24)의 식각은 플라즈마 식각이고, 이를 위한 플라즈마 식각장치로는 ICP(Inductively Coupled Plasma), ECR(Electron Cyclotron Resonance), 마이크로웨이브(Microwave) 또는 CCP(Capacitively Coupled Plasma)를 사용할 수 있다.First, the etching of the
그리고, 화학적등방성식각이 진행되도록 압력을 조절하면서 동시에 바텀파워와 탑파워의 비율을 조절한다. 예를 들어, 식각배리어막을 식각하는 단계는 바텀파워(Bottom power)와 바텀파워보다 적어도 6배 더 큰 탑파워(Top power)를 인가하면서 진행한다. In addition, while adjusting the pressure so that the chemical isotropic etching is performed, the ratio of bottom power and top power is controlled. For example, the etching of the etching barrier layer may be performed by applying bottom power and top power at least six times larger than bottom power.
바람직하게, 압력은 20∼50mTorr로 하고, 탑파워(또는 소스파워라고 일컬음)는 600∼800W로 하고, 바텀파워(또는 바이어스파워라고 일컬음)는 50∼100W로 한 다. 더불어, 식각가스는 C2F6 가스와 산소(O2) 가스의 혼합가스를 사용한다. 또한, 식각시간을 40초로 한다.Preferably, the pressure is 20-50 mTorr, the top power (or source power) is 600-800 W, and the bottom power (or bias power) is 50-100 W. In addition, the etching gas uses a mixed gas of a C 2 F 6 gas and an oxygen (O 2 ) gas. In addition, the etching time is 40 seconds.
위와 같은 조건으로 실리콘질화막으로 형성된 식각배리어막(24)을 식각하면, 오픈영역(27)의 바닥부분은 라운딩되면서 넓어진 프로파일(27B)을 갖게 된다. 한편, 도면부호 27A는 종래기술에 따른 오픈영역의 바닥부분의 프로파일로서 콘택플러그에 근접할수록 점점 좁아져 뾰족해지는 것을 알 수 있다. 후술하겠지만, 종래기술 대비 넓어진 프로파일(27B)을 갖는 이유는, 압력과 탑파워를 더 크게 하면서 바텀파워를 작게 하여 화학적등방성식각이 진행되도록 하기 때문이다.When the
도 3d에 도시된 바와 같이, 오픈영역을 포함한 전면에 하부전극으로 사용될 도전막의 증착 및 전면식각을 진행하여 오픈영역 내부에 하부전극(28)을 형성한다. 여기서, 하부전극(28)은 티타늄질화막(TiN)을 포함하며, 오픈영역의 바닥부분이 넓어진 라운드프로파일을 가지므로 티타늄질화막 증착시 뾰족한 프로파일이 발생되지 않는다.As shown in FIG. 3D, the
이어서, 하부전극(28) 상에 유전체막(29)과 상부전극(30)을 차례로 형성한다. 여기서, 유전체막(29)은 캐패시턴스 확보를 위해 ZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2) 구조를 사용한다.Subsequently, the
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터 제조후의 결과를 나타낸 사진이다. 도 4의 결과는 전술한 식각배리어막의 식각 조건을 사용한 후의 결과이다.Figure 4 is a photograph showing the result after the capacitor manufacturing according to an embodiment of the present invention. The result of FIG. 4 is the result after using the etching conditions of the above-mentioned etching barrier film.
이하, 도 4 및 도 2a를 참조하여 설명하기로 한다. 한편, 도 2a의 결과는 식 각배리어막 식각시 압력이 5mTorr, 탑파워가 400W, 바텀파워가 250W, 식각가스 C2F6/O2로 진행한 경우이다. 이러한 레시피를 비교레시피라 한다.Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 4 and 2A. On the other hand, the result of FIG. 2A shows a case where the pressure in the etching of the etching barrier film is 5 mTorr, the top power is 400W, the bottom power is 250W, and the etching gas C 2 F 6 / O 2 is performed. This recipe is called comparative recipe.
도 4에 따른 결과는 압력을 50mTorr로 하고, 탑파워를 600W로 하고, 바텀파워를 100W로 하여 식각한 경우이다.The result shown in FIG. 4 is a case where the pressure is 50mTorr, the top power is 600W, and the bottom power is 100W.
본 발명의 실시예는 비교레시피 대비 압력, 탑파워 및 바텀파워가 서로 다름을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 레피시는 비교레시피에 비해 압력과 탑파워는 더 크고, 바텀파워는 더 작음을 알 수 있다. 이처럼, 비교레시피 대비 압력과 탑파워를 더 크게 하면서 바텀파워를 작게 하면, 식각프로파일이 전체적으로 라운딩(Rounding)되는 화학적 등방성 식각 특성(도면부호 'C' 참조)이 나타난다. 부연하면, 압력이 높아지고 바텀파워가 작아지면 오픈영역의 바닥부분까지 도달하는 물리적식각종보다는 화학적식각종이 더 많아져 화학적등방성식각특성이 나타난다.In the embodiment of the present invention, it can be seen that pressure, top power and bottom power are different from each other in comparison recipe. That is, the recipe according to the embodiment of the present invention can be seen that the pressure and the top power is larger, the bottom power is smaller than the comparative recipe. As such, if the bottom power is made smaller while the pressure and the top power are larger than the comparative recipe, the chemical isotropic etching characteristic (refer to reference numeral 'C') in which the etching profile is rounded as a whole is shown. In other words, when the pressure is increased and the bottom power is reduced, the chemical isotropic etching characteristic is increased by more chemical etching species than the physical etching species reaching the bottom of the open area.
결국, 화학적등방성 식각 특성에 의해 오픈영역의 바닥부분의 프로파일이 넓어지는 효과를 얻게 되고, 이로써 후속 하부전극 및 유전체막 증착시 뾰족한 프로파일이 발생되는 것을 방지할 수 있다.As a result, an effect of widening the profile of the bottom portion of the open region is obtained by the chemical isotropic etching characteristic, it is possible to prevent the sharp profile is generated during the deposition of the subsequent lower electrode and the dielectric film.
전술한 바와 같이, 식각배리어막의 식각조건을 조절하면, 오픈영역의 바닥부분의 프로파일을 라운드 형태로 조절이 가능하고, 이에 따라 도 4에 도시된 것처럼, 뾰족한 프로파일의 생성을 억제하여 후속 하부전극 및 유전막 증착시 발생 가능한 누설소스를 제거할 수 있다.As described above, by adjusting the etching conditions of the etching barrier film, it is possible to adjust the profile of the bottom portion of the open area in a round shape, thereby suppressing the generation of the sharp profile as shown in FIG. It is possible to eliminate leakage sources that may occur when the dielectric film is deposited.
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.
도 1a 및 도 1b는 종래기술에 따른 캐패시터 제조 방법을 간략히 도시한 도면. 1a and 1b schematically show a method of manufacturing a capacitor according to the prior art.
도 2a는 종래기술에 따른 하부전극의 뾰족한 프로파일을 나타낸 사진.Figure 2a is a photograph showing a pointed profile of the lower electrode according to the prior art.
도 2b는 종래기술에 따른 보이드를 나타낸 사진.Figure 2b is a photograph showing the voids according to the prior art.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조 방법을 도시한 공정 단면도.3A to 3D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터 제조후의 결과를 나타낸 사진.Figure 4 is a photograph showing the result after the capacitor manufacturing according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : 기판 22 : 제1절연막21
23 : 콘택플러그 24 : 식각배리어막23: contact plug 24: etching barrier film
25 : 제2절연막 26: 폴리실리콘막25: second insulating film 26: polysilicon film
27 : 오픈영역 28 : 하부전극27: open area 28: lower electrode
29 : 유전막 30 : 상부전극29
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KR1020070088845A KR100875674B1 (en) | 2007-09-03 | 2007-09-03 | Method for fabricating semiconductor device prevented capacitor leakage |
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2007
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