KR101583516B1 - 전극 구조체를 구비하는 캐패시터, 이의 제조 방법 및 전극 구조체를 포함하는 반도체 장치 - Google Patents
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Abstract
구조적 안정성 및 전기적 특성이 개선된 전극 구조체를 갖는 캐패시터와 이러한 전극 구조체가 적용된 반도체 장치가 개시된다. 전극 구조체는 절연층을 가지는 기판, 절연층 매립되며 금속을 포함하는 제1 도전 패턴, 제1 도전 패턴으로부터 연장되며 금속 산화물을 포함하는 제2 도전 패턴, 그리고 제2 도전 패턴 상에 배치되는 제3 도전 패턴을 포함할 수 있다. 사진 식각 공정을 이용하지 않고 간단한 공정으로 요구되는 수준의 전기적인 특성과 집적도를 확보할 수 있는 캐패시터와 반도체 장치를 구현할 수 있다
Description
본 발명은 전극 구조체를 구비하는 캐패시터, 이의 제조 방법 및 전극 구조체를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 금속으로 이루어진 도전 패턴과 이로부터 생성된 금속 산화물로 구성된 도전 패턴을 갖는 전극 구조체를 구비하는 캐패시터 및 그 제조 방법과 이러한 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치에 관한 것이다.
반도체 메모리 장치의 집적도가 크게 증가함에 따라 반도체 메모리 장치의 도전 패턴들의 사이즈는 크게 축소되지만, 반도체 장치에 요구되는 용량은 오히려 증가하고 있다. 반도체 메모리 장치에 포함되는 캐패시터의 스토리지 전극이 차지하는 면적의 감소를 극복하기 위해서 그 높이를 증가시키고 있으며, 이에 따라 스토리지 전극의 종횡비(aspect ratio)도 급격하게 증가하고 있다.
캐패시터의 종횡비가 커짐에 따라 인접하는 캐패시터들이 서로 접촉되거나 캐패시터가 쓰러지는 문제가 자주 발생된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 캐패시터의 하부 전극을 수회의 사진 공정 및 식각 공정들을 통해 형성하는 방법이 개발되었으나, 이와 같은 여러 차례의 식각 공정들이 추가될 경우에는 반도체 장치의 제조 공정이 지나치게 복잡해지고, 공정 마진의 확보가 어려워질 뿐만 아니라 반도체 장치의 제조비용도 크게 증가하게 된다.
본 발명의 일 목적은 금속을 포함하는 전극 패턴과 금속을 포함하는 전극으로부터 생성된 금속 산화물로 이루어진 전극 패턴을 갖는 전극 구조체를 구비하는 캐패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 금속으로 구성된 전극 패턴과 금속 산화물로 이루어진 전극 패턴을 갖는 전극 구조체가 적용된 반도체 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 캐패시터는, 개구를 가지는 절연층이 형성되는 대상체 상에 상기 개구를 채우면서 상기 절연층으로부터 돌출되는 제1 도전 패턴, 상기 제1 도전 패턴으로부터 돌출되는 제2 도전 패턴, 상기 제1 및 제2 도전 패턴을 감싸는 유전층, 그리고 상기 유전층 상에 배치되는 상부 전극을 구비한다. 상기 제1 도전 패턴은 금속을 포함할 수 있으며, 상기 제2 도전 패턴은 상기 제1 도전 패턴으로부터 생성되는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 도전 패턴은 텅스텐, 루테늄 또는 인듐을 포함할 수 있으며, 상기 제2 도전 패턴은 텅스텐 산화물, 루테늄 산화물 또는 인듐 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 볼록한 상부 표면을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 도전 패턴은 실질적으로 동일한 입체 구조와 단면 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 상기 제2 도전 패턴은 상기 제1 도전 패턴의 상부 측부로부터 상기 대상체에 대해 실질적으로 상방으로 연장될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 도전 패턴은 오목한 상부 표면을 가질 수 있다. 또한, 상기 제2 도전 패턴은 원형 실린더, 타원형 실린더 또는 다각형 실린더의 형상을 가질 수 있으며, 상기 제2 도전 패턴의 하부는 상기 제1 도전 패턴에 부분적으로 매립될 수 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 캐패시터는, 절연층을 가지는 기판, 상기 절연층에 매립되며 금속을 포함하는 제1 도전 패턴, 상기 제1 도전 패턴으로부터 연장되며 금속 산화물을 포함하는 제2 도전 패턴, 상기 제2 도전 패턴 상에 배치되는 제3 도전 패턴, 상기 제2 및 제3 도전 패턴 배치되는 유전층, 그리고 상기 유전층 상에 배치되는 상부 전극을 포함한다. 이 때, 상기 제3 도전 패턴은 원형 필라, 타원형 필라, 다각형 필라, 원형 실린더, 타원형 실린더 또는 다각형 실린더의 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 제2 도전 패턴은 상기 제1 도전 패턴과 실질적으로 동일한 형상을 가지거나, 상기 제3 도전 패턴과 실질적으로 동일한 형상을 가질 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제3 도전 패턴은 그 상부 폭이 그 하부 폭보다 실질적으로 넓을 수 있으며, 이러한 제3 도전 패턴의 하부 폭은 상기 제2 도전 패턴의 폭과 실질적으로 동일하거나 작을 수 있다. 또한, 상기 제3 도전 패턴은 상기 제1 도전 패턴과 동일한 금속을 포함할 수 있다. 한편, 상기 제3 도전 패턴은 금속, 금속 화합물 및/또는 폴리실리콘을 포함할 수도 있다. 인접하는 제3 도전 패턴들 사이에는 지지 부재가 추가적으로 배치될 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 캐패시터는, 절연층을 가지는 기판, 상기 절연층에 매립되며 금속을 포함하는 제1 도전 패턴, 상기 제1 도전 패턴 상에 배치되는 제2 도전 패턴, 상기 제2 도전 패턴으로부터 연장되며, 상기 제2 도전 패턴과 일체로 형성되는 제3 도전 패턴, 상기 제2 및 제3 도전 패턴 상에 배치되는 유전층, 그리고 상기 유전층 상에 배치되는 상부 전극을 포함한다. 이 경우, 상기 제2 및 제3 도전 패턴은 각기 상기 제1 도전 패턴과 실질적으로 동일한 금속을 포함할 수 있다. 한편, 상기 제2 및 제3 도전 패턴은 각기 금속, 금속 화합물 및/또는 폴리실리콘으로 이루어질 수도 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 대상체 상에 제1 개구를 가지는 예비 절연층을 형성하고, 상기 제1 개구를 매립하며 금속을 포함하는 예비 제1 도전 패턴을 형성한다. 상기 예비 절연층 상부로 돌출되고 상기 예비 제1 도전 패턴으로부터 생성된 금속 산화물을 포함하는 제2 도전 패턴을 형성하면서, 상기 예비 제1 도전 패턴을 제1 도전 패턴으로 변화시킨다. 상기 예비 절연층을 부분적으로 제거하여 상기 제1 도전 패턴의 상부를 노출시킨다. 상기 제1 및 제2 도전 패턴 상에 유전층을 형성한 후, 상기 유전층 상에 상부 전극을 형성한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제2 도전 패턴의 저항을 추가적으로 조절할 수 있다. 예를 들면, 수소 또는 암모니아를 포함하는 분위기 하에서 수행되는 환원 공정을 수행하여 상기 제2 도전 패턴의 저항을 조절할 수 있다. 또한, 상기 예비 제1 도전 패턴을 산화시켜 상기 제2 도전 패턴 및 상기 제1 도전 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들면, 열 산화 공정 또는 플라즈마 산화 공정을 통해 예비 제1 도전 패턴을 산화시킬 수 있다. 한편, 수소 또는 산소를 함유하는 분위기 하에서 상기 제2 도전 패턴을 열처리하여, 상기 제2 도전 패턴의 저항을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제2 도전 패턴을 형성하기 전에 상기 예비 절연층 상에 제2 개구를 가지는 희생층을 형성하고, 상기 제2 개구의 측벽 상에 제1 희생 패턴을 형성할 수 있다. 상기 제2 개구를 채우는 제2 희생 패턴을 형성한 다음, 상기 제1 희생 패턴을 제거하여 상기 예비 제1 도전 패턴을 노출시키는 제3 개구를 형성할 수 있다. 상기 제3 개구에는 상기 제2 도전 패턴이 형성될 수 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 기판 상에 절연층을 형성하고, 상기 절연층에 매립되고, 금속을 포함하는 제1 도전 패턴을 형성한다. 상기 제1 도전 패턴으로부터 생성되는 금속 산화물을 포함하는 제2 도전 패턴을 형성하며, 상기 제2 도전 패턴 상에 제3 도전 패턴을 형성한다. 상기 제2 및 제3 도전 패턴 상에 유전층을 형성한 후, 상기 유전층 상에 상부 전극을 형성한다. 또한, 인접하는 제3 도전 패턴들 사이에 지지 부재가 추가적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제2 도전 패턴을 형성하기 전에 상기 절연층 상에 제1 희생층을 형성하고, 상기 제1 희생층 상에 상기 제2 도전 패턴을 덮는 제2 희생층을 형성할 수 있다. 상기 제2 희생층을 식각하여 상기 제2 도전 패턴을 노출시키는 개구를 형성하며, 상기 노출된 제2 도전 패턴과 상기 개구의 측벽 상에 상기 제3 도전 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 상기 제1 도전 패턴 및 상기 제1 희생층 상에 제2 희생층을 형성하고, 상기 제2 희생층을 식각하여 상기 제1 도전 패턴을 노출시키는 제1 개구를 형성할 수 있다. 상기 제1 개구의 측벽 상에 제1 희생 패턴을 형성하며, 상기 제1 개구를 채우는 제2 희생 패턴을 형성할 수 있다. 상기 제1 희생 패턴을 제거하여 상기 제1 도전 패턴을 부분적으로 노출시키는 제2 개구를 형성한 후, 상기 제2 개구를 채우는 상기 제2 도전 패턴을 형성할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 기판 상에 절연층을 형성하고, 상기 절연층에 매립되고, 금속을 포함하는 제1 도전 패턴을 형성한다. 상기 제1 도전 패턴으로부터 생성되는 금속 산화물을 포함하는 희생 도전 패턴을 형성한 후, 상기 희생 도전 패턴을 제거하여 상기 제1 도전 패턴을 노출시킨다. 상기 제1 도전 패턴 상에 제2 도전 패턴을 형성하고, 상기 제2 도전 패턴 상에 제3 도전 패턴을 형성한다. 상기 제2 및 제3 도전 패턴 상에 유전층을 형성한 다음, 상기 유전층 상에 상부 전극을 형성한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 희생 도전 패턴을 덮는 희생층을 형성하고, 상기 희생층을 식각하여 상기 희생 도전 패턴을 노출시키는 제1 개구를 형성할 수 있다. 상기 희생 도전 패턴을 제거하여 상기 제1 개구에 연통되며, 상기 제1 도전 패턴을 노출시키는 제2 개구를 형성한 후, 노출된 제1 도전 패턴 및 상기 제2 개구의 측벽 상에 상기 제2 도전 패턴을 형성할 수 있다. 상기 제3 도전 패턴은 상기 제1 개구의 측벽 상에 상기 제2 도전 패턴으로부터 연장되어 형성될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치는, 불순물 영역을 가지는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 스위칭 소자, 상기 불순물 영역에 전기적으로 연결되는 전극 구조체, 상기 전극 구조체 상에 배치되는 유전층 패턴 그리고 상기 유전층 패턴 상에 배치되는 상부 전극을 포함한다. 상기 전극 구조체는 금속을 포함하는 제1 도전 패턴, 상기 제1 도전 패턴으로부터 생성되며 금속 산화물을 포함하는 제2 도전 패턴 및 상기 제2 도전 패턴 상에 배치되는 제3 도전 패턴을 구비한다. 상기 스위칭 소자는 상기 기판에 대해 실질적으로 수평하게 형성되는 채널을 갖는 트랜지스터 또는 상기 기판에 대해 실질적으로 수직하게 형성되는 채널을 갖는 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반도체 장치는 불순물 영역을 가지는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 트랜지스터, 상기 불순물 영역에 전기적으로 연결되는 전극 구조체, 상기 전극 구조체를 커버하는 유전층 패턴, 그리고 상기 유전층 패턴 상에 배치되는 상부 전극을 포함한다. 상기 전극 구조체는 제1 도전 패턴, 상기 제1 도전 패턴 상에 배치되는 제2 도전 패턴 및 상기 제2 도전 패턴으로부터 연장되며 상기 제2 도전 패턴과 일체로 형성되는 제3 도전 패턴을 구비한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 사진 식각 공정을 이용하지 않고 높은 집적도를 확보하는 동시에 단순화된 공정을 통해 제조비용과 시간을 절감하면서 금속 및 금속 산화물을 포함하는 전극 구조체를 구비하는 캐패시터를 제조할 수 있다. 예를 들면, 금속을 포함하는 제1 도전 패턴과 금속 산화물로 구성된 제2 도전 패턴이 실질적으로 일체로 형성될 수 있기 때문에, 비록 상기 전극 구조체를 갖는 캐패시터가 높은 종횡비를 가지는 경우에도 상기 전극 구조체와 상기 캐패시터의 구조적 안정성을 유지시킬 수 있다. 또한, 다양한 도전성 물질로 구성되는 제3 도전 패턴을 상기 제2 도전 패턴 상에 추가적으로 형성할 수 있기 때문에, 상기 전극 구조체의 유효 면적을 크게 증가시킴으로써, 이와 같은 전극 구조체가 적용된 캐패시터 또는 반도체 장치의 직접도와 용량을 현저하게 향상시킬 수 있다. 더욱이, 상기 제2 도전 패턴의 저항을 적절하게 조절할 수 있기 때문에, 상기 전극 구조체를 구비하는 캐패시터와 반도체 장치의 전기적 특성을 요구되는 수준으로 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 산화 공정의 공정 조건들을 변화시키면서 제2 도전 패턴들의 두께를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치의 단면도이다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치의 단면도이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 장치를 구비하는 메모리 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 메모리 장치를 포함하는 메모리 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 산화 공정의 공정 조건들을 변화시키면서 제2 도전 패턴들의 두께를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치의 단면도이다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치의 단면도이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 장치를 구비하는 메모리 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 메모리 장치를 포함하는 메모리 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터, 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법, 전극 구조체를 포함하는 반도체 장치 및 그 제조 방법에 대하여 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예들에 의해 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
본 명세서에 있어서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이며, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접촉되어"있다고 기재된 경우, 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접촉되어"있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, "~사이에"와 "직접 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지는 않는다.
제1, 제2, 제3, 제4 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제1 구성 요소가 제2, 제3 또는 제4 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제2, 제3 및 제4 구성 요소도 제1 내지 제4 구성 요소 등으로 서로 교호적으로 명명될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체들을 구비하는 캐패시터들 및 그 제조 방법들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 캐패시터(40)는, 대상체(object)(1) 상에 형성된 절연층(5)에 부분적으로 매립되는 전극 구조체(electrode structure), 상기 전극 구조체 상에 배치되는 유전층 패턴(20), 그리고 유전층 패턴(20) 상에 위치하는 상부 전극(25)을 구비한다. 상기 전극 구조체는 적어도 일부가 절연층(5)에 매립될 수 있다. 예를 들면, 상기 전극 구조체의 하부가 절연층(5)에 매립될 수 있다.
상기 전극 구조체는 절연층(5)에 부분적으로 매립되는 제1 도전 패턴(10) 및 제1 도전 패턴(10) 상에 배치되는 제2 도전 패턴(15)을 포함한다.
상부에 캐패시터(40)가 배치되는 대상체(1)는 기판, 도전층, 도전 패턴, 콘택, 플러그 등을 구비하는 하부 구조물 등을 포함할 수 있다. 대상체(1)가 상기 기판을 포함하는 경우, 이러한 기판으로는 반도체 기판 또는 반도체층을 갖는 기판 등이 해당될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판은 실리콘(Si) 기판, 게르마늄(Ge) 기판, 실리콘-게르마늄(Si-Ge) 기판, SOI(silicon-on-insulator) 기판, GOI(germanium-on-insulator) 기판 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 대상체(1) 상에는 불순물 영역이나 확산 영역과 같은 도전 영역을 구비하는 트랜지스터와 같은 스위칭 요소(switching element)가 제공될 수 있다.
절연층(5)은 대상체(1)의 소정 부분을 노출시키는 개구(4)를 포함한다. 예를 들면, 절연층(5)의 개구(4)는 대상체(1)의 도전 영역, 도전 패턴, 콘택, 플러그 등을 노출시킬 수 있다. 절연층(5)은 산화물, 질화물, 산질화물 등으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 절연층(5)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 등으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 절연층(5)은 산화막, 질화막 및/또는 산질화막을 포함하는 다층 구조를 가질 수 있다.
상기 전극 구조체의 제1 도전 패턴(10)은 개구(4)를 채우면서 개구(4)로부터 부분적으로 돌출되도록 대상체(1) 상에 배치된다. 예를 들면, 제1 도전 패턴(10)의 하부는 개구(4)에 매립될 수 있으며, 제1 도전 패턴(10)의 상부는 절연층(5) 상으로 돌출될 수 있다. 즉, 제1 도전 패턴(10)은 절연층(5)에 매립되는 제1 부분과 절연층(5)으로부터 돌출되는 제2 부분으로 구분될 수 있다.
제1 도전 패턴(10)의 돌출부인 제2 부분은 개구(4)를 채우는 매립되는 부분인 제1 부분보다 실질적으로 낮은 높이를 가질 수 있다. 제1 도전 패턴(10)은 개구(4)의 형상에 따라 다양한 입체 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 도전 패턴(10)은 원형 필라(circular pillar)의 구조, 타원형 필라(elliptical pillar)의 구조, 다각형 필라(polygonal pillar)의 구조 등의 입체 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 도전 패턴(10)의 단면은 원형, 타원형, 다각형 등의 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 제1 도전 패턴(10)은 산화 공정을 통해 요구되는 수준의 부피 팽창이 가능한 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 도전 패턴(10)은 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 인듐(In) 등으로 구성될 수 있다.
제2 도전 패턴(15)은 제1 도전 패턴(10)으로부터 생성되며, 제1 도전 패턴(10)으로부터 대상체(1)에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 돌출되게 배치된다. 제2 도전 패턴(15)이 제1 도전 패턴(10)으로부터 형성되는 경우, 제2 도전 패턴(15)은 제1 도전 패턴(10)과 실질적으로 동일하거나 유사한 입체 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 제2 도전 패턴(15)도 원형 필라, 타원형 필라 또는 다각형 필라 등의 다양한 입체 구조를 가질 수 있다. 또한, 제2 도전 패턴(15)은 제1 도전 패턴(10)과 실질적으로 동일하거나 유사한 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 제2 도전 패턴(15)의 단면은 원형, 타원형, 다각형 등의 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 제2 도전 패턴(15)은 제1 도전 패턴(10)에 포함되는 금속으로부터 유래되는 도전성 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제2 도전 패턴(15)은 텅스텐 산화물(WOx), 루테늄 산화물(RuOx), 인듐 산화물(InOx) 등을 포함할 수 있다. 제1 도전 패턴(10)이 텅스텐을 포함하고, 제2 도전 패턴(15)이 제1 도전 패턴(10)으로부터 생성된 텅스텐 산화물을 포함하는 경우, 약 4.5eV 정도로 상대적으로 높은 일함수(work function)를 갖는 텅스텐에 비하여 텅스텐 산화물은 원자들 사이에 높은 결합력을 갖는 특성으로 인해 텅스텐 보다 더 높은 일함수를 가지게 된다. 즉, 제2 도전 패턴(15)이 제1 도전 패턴(10)에 비하여 보다 높은 일함수를 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 도전 패턴(10, 15)으로 이루어진 전극 구조체를 구비하는 캐패시터(40)의 전기적인 특성을 보다 개선시킬 수 있다.
유전층 패턴(20)은 제2 도전 패턴(15) 및 제1 도전 패턴(10)의 돌출부인 제2 부분을 커버하면서 절연층(5) 상에 배치된다. 즉, 유전층 패턴(20)은 상기 전극 구조체의 프로파일(profile)을 따라 절연층(50) 상에 균일하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 유전층 패턴(20)은 제1 및 제2 도전 패턴(10, 15) 상에 위치하는 중앙부가 절연층(5) 상에 형성되는 측부에 비해 높은 형상을 가질 수 있다. 유전층 패턴(20)은 산화물, 질화물 및/또는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 유전층 패턴(20)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 하프늄 산화물(HfOx), 알루미늄 산화물(AlOx), 란탄 산화물(LaOx), 이트륨 산화물(YOx), 란탄 알루미늄 산화물(LaAlxOy), 탄탈륨 산화물(TaOx) 등으로 이루어질 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 혼합되어 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 유전층 패턴(20)은 제1 산화막 패턴, 질화막 패턴 및/또는 제2 산화막 패턴을 포함하는 다층 구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 산화막 패턴은 각기 실리콘 산화물이나 전술한 금속 산화물로 이루어질 수 있으며, 상기 질화막 패턴은 실리콘 질화물로 구성될 수 있다.
상부 전극(25)은 유전층 패턴(20) 상에 배치된다. 상부 전극(25)은 유전층 패턴(20)의 프로파일을 따라 균일하게 형성될 수 있다. 즉, 상부 전극(25)의 중앙부도 측부에 비하여 높은 높이를 가질 수 있다. 상부 전극(25)은 금속, 금속 화합물 및/또는 폴리실리콘 등의 도전성 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상부 전극(25)은 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐, 알루미늄 질화물(AlNx), 티타늄 질화물(TiNx), 탄탈륨 질화물(TaNx), 텅스텐 질화물(WNx), 불순물들이 도핑된 폴리실리콘 등으로 이루어질 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 혼합되어 사용될 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 2a 내지 도 2d에 도시된 방법에 따라 제조된 전극 구조체를 구비하는 캐패시터는 도 1을 참조하여 설명한 캐패시터와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다.
도 2a를 참조하면, 대상체(1) 상에 예비 절연층(3)을 형성한다. 대상체(1)는 반도체 기판 또는 상부에 반도체층이 형성된 기판 등과 같은 기판을 포함할 수 있으며, 콘택, 플러그, 도전성 패턴 등을 포함하는 하부 구조물이 배치될 수 있다. 또한, 대상체(1)에는 불순물 영역, 확산 영역과 같은 도전 영역이 형성될 수 있으며, 트랜지스터나 다이오드와 같은 스위칭 소자가 마련될 수 있다. 이 경우, 예비 절연층(3)은 전술한 하부 구조물을 덮으면서 대상체(1) 상에 형성될 수 있다.
예비 절연층(3)은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 예비 절연층(3)은 USG, SOG, FOX, FSG, TOSZ, BPSG, PSG, TEOS, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물 등을 대상체(1) 상에 적층시켜 형성될 수 있다. 또한, 예비 절연층(3)은 화학 기상 증착(CVD) 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착(HDP-CVD) 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착(PECVD) 공정, 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정 등을 통해 대상체(1) 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 예비 절연층(3)에 대해 평탄화 공정을 수행함으로써, 예비 절연층(3)이 평탄한 표면을 가지게 할 수 있다. 예를 들면, 예비 절연층(3)의 표면을 화학 기계적 연마(CMP) 공정 및/또는 에치-백(etch-back) 공정으로 평탄화시킬 수 있다.
예비 절연층(3) 상에 제1 마스크(도시되지 않음)를 형성한 다음, 상기 제1 마스크를 식각 마스크로 이용하여 예비 절연층(3)을 부분적으로 식각함으로써, 예비 절연층(3)에 대상체(1)의 소정 영역 또는 상기 하부 구조물을 부분적으로 노출시키는 개구(4)를 형성한다. 예를 들면, 개구(4)는 대상체(1)의 도전성 영역, 도전 패턴, 패드 등을 노출시킬 수 있다. 상기 제1 마스크는 예비 절연층(3) 및 대상체(1)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 마스크는 포토레지스트를 사용하여 형성될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 예비 절연층(3)으로부터 상기 제1 마스크를 제거한 후, 개구(4)를 채우면서 예비 절연층(3) 상에 금속층(도시되지 않음)을 형성한다. 이러한 금속층은 개구(4)의 프로파일을 따라 개구(4)의 측벽과 저면 및 예비 절연층(3) 상에 균일하게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 금속층은 산화 공정을 통하여 충분하게 부피 팽창이 가능한 금속을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속층은 텅스텐, 루테늄, 이리듐 등을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속층은 스퍼터링 공정, 화학 기상 증착 공정, 원자층 적층(ALD) 공정, 펄스 레이저 증착(PLD) 공정, 진공 증착 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다.
예비 절연층(3)이 노출될 때까지 상기 금속층을 부분적으로 제거하여 개구(4) 내에 예비 제1 도전 패턴(7)을 형성한다. 예비 제1 도전 패턴(7)은 화학 기계적 연마 공정을 통해 개구(4) 내에 형성될 수 있다. 이 경우, 예비 제1 도전 패턴(7)은 중앙부가 측부에 비하여 라운드 형상으로 돌출된 표면을 가질 수 있다. 즉, 예비 제1 도전 패턴(7)의 표면은 볼록한(convex) 형상으로 형성될 수 있다. 예비 제1 도전 패턴(7)이 볼록한 형상의 표면을 가질 경우, 후속하여 제2 도전 패턴(15)이 예비 제1 도전 패턴(7)으로 기판(1)에 대하여 실질적으로 수직한 방향을 따라 균일하게 성장될 수 있다. 즉, 예비 제1 도전 패턴(7)이 볼록한 표면을 가지는 경우, 기판(1)에 대하여 실질적으로 수직한 방향을 따라 제2 도전 패턴(15)을 형성하는 과정에서 어떠한 몰드(mold)도 요구되지 않을 수 있다. 한편, 예비 제1 도전 패턴(7)의 표면이 오목한(concave) 형상으로 형성되는 경우에는, 제2 도전 패턴(15)(도 2c 참조)이 기판(1)에 대해 일정한 방향성을 갖지 않고 랜덤(random)하게 성장될 수 있기 때문에, 제2 도전 패턴(15)이 원하는 높이로 형성되기 어려우며, 제2 도전 패턴(15)의 내부 균일도도 저하될 수 있다. 따라서, 예비 제1 도전 패턴(7)을 형성하는 과정에 있어서 공정 조건을 조절하여, 예비 제1 도전 패턴(7)의 표면이 제2 도전 패턴(15)의 형성을 고려하여 볼록한 상부 표면을 가지게 한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 금속층에 대해 2회의 화학 기계적 연마 공정을 수행하여 볼록한 표면을 갖는 예비 제1 도전 패턴(7)을 형성할 수 있다. 구체적으로는, 상기 금속층에 대해 상대적으로 높은 제1 함량으로 과산화수소(H2O2)를 함유하는 제1 슬러리를 사용하는 제1 화학 기계적 연마 공정을 수행한 다음, 상대적으로 낮은 제2 함량으로 과산화수소를 함유하는 제2 슬러리를 사용하는 제2 화학 기계적 연마 공정을 진행함으로써, 개구(4)를 채우면서 볼록한 표면을 갖는 예비 제2 도전 패턴(7)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 슬러리는 과산화수소수를 약 2% 이상의 제1 함량으로 포함할 수 있으며, 상기 제2 슬러리는 약 0.5% 이하의 제2 함량으로 과산화수소수를 함유할 수 있다. 여기서, 상기 제1 슬러리는 금속에 대하여 상대적으로 높은 연마력을 가지는 반면, 상기 제2 슬러리는 예비 절연층(3)에 대해 상대적으로 높은 연마력을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 화학 기계적 연마 공정은 약 3초 내지 약 2분 동안 진행될 수 있으며, 상기 제2 화학 기계적 연마 공정은 약 10초 내지 약 30초 동안 수행될 수 있다. 이와 같이, 상술한 제1 및 제2 슬러리를 사용하는 제1 및 제2 연마 공정을 적용하여 볼록한 표면을 갖는 예비 제1 도전 패턴(7)을 수득할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 전술한 바와 같이 볼록한 표면을 갖는 제1 예비 전극 패턴(7)에 산화 공정을 수행하여 예비 제1 도전 패턴(7)으로부터 제2 도전 패턴(15)을 형성하면서 예비 제1 도전 패턴(7)을 제1 도전 패턴(10)으로 전환시킨다. 보다 상세하게는, 금속으로 이루어진 예비 전극 패턴(7)에 대해 산화 공정을 수행하여 예비 제1 도전 패턴(7)으로부터 금속 산화물로 구성된 제2 도전 패턴(15)을 성장시킨다. 예비 제1 도전 패턴(7)이 텅스텐, 루테늄 또는 이리듐을 포함하는 경우, 제2 도전 패턴(15)은 텅스텐 산화물, 루테늄 산화물 또는 이리듐 산화물을 포함하게 된다. 제2 도전 패턴(15)이 형성되는 동안 예비 제1 도전 패턴(7)은 제1 도전 패턴(10)으로 변화된다. 제2 도전 패턴(15)이 예비 제1 도전 패턴(7)에 포함된 금속을 산화시켜 수득되는 금속 산화물로 구성되기 때문에, 제2 도전 패턴(15)의 형성 후에 예비 제1 도전 패턴(7)은 예비 제1 도전 패턴(7) 보다 실질적으로 낮은 높이를 갖는 제1 도전 패턴(10)으로 변화된다. 즉, 제1 도전 패턴(10)은 개구(4) 보다 실질적으로 낮은 높이를 가지면서 개구(4)를 부분적으로 매립할 수 있다. 한편, 제2 도전 패턴(15)은 개구(4)를 채우면서 절연층(5)의 상부로 돌출된다. 즉, 제2 도전 패턴(15)의 하부는 개구(4)에 매립될 수 있으며, 제2 도전 패턴(15)의 상부는 대상체(1)에 대해 실질적으로 수직한 방향을 따라 예비 절연층(3) 상으로 돌출될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 제2 도전 패턴(15) 및 제1 도전 패턴(10)은 열 산화 공정 또는 플라즈마 산화 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 예비 전극 패턴(7)에 대해 고온의 산소 분위기 하에서 급속 열처리(RTA) 공정을 수행함으로써, 예비 제1 도전 패턴(7)을 산화시켜 제1 및 제2 도전 패턴(10, 15)을 포함하는 전극 구조체를 형성할 수 있다. 상기 급속 열처리 공정은 약 400℃ 내지 약 600℃ 정도의 온도에서 약 1분 내지 약 20분 정도 수행될 수 있다. 한편, 상기 전극 구조체를 형성하기 위한 플라즈마 산화 공정에 있어서, 약 20W 이상의 전압을 인가하면서 제1 예비 전극 패턴(7)을 산소 플라즈마에 노출시킴으로써 제1 및 제2 도전 패턴(10, 15)을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제2 도전 패턴(15)은 산화 공정을 통해 예비 제1 도전 패턴(7)에 포함된 금속으로부터 금속 산화물이 부피 팽창되면서 형성되기 때문에, 상기 산화 공정의 공정 조건들을 조절함으로써, 제2 도전 패턴(15)의 치수(dimension)를 조절할 수 있다. 이러한 제2 도전 패턴(15)의 치수를 결정하는 주요 공정 조건들은 공정 온도와 산화 시간이며, 특히 제2 도전 패턴(15)의 치수는 산화 시간에 비하여 공정 온도에 보다 크게 영향을 받는다.
이하, 상술한 산화 공정의 공정 조건들에 따른 제2 도전 패턴들의 치수 변화에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 산화 공정의 공정 조건들을 변화시키면서 제2 도전 패턴들의 두께를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 3에 있어서, 제2 도전 패턴들은 각기 텅스텐으로 이루어진 예비 제1 도전 패턴들을 산소 분위기 하에서 급속 열처리 공정으로 산화시켜 형성하였다. 도 3에 있어서, "I"은 약 550℃ 정도의 온도에서 약 2분 동안 예비 제1 도전 패턴을 산화시켜 형성된 제2 도전 패턴의 두께를 나타내고, "II"는 약 600℃ 정도의 온도에서 약 2분 동안 예비 제1 도전 패턴을 산화시켜 형성된 제2 도전 패턴의 두께를 나타내며, "III"은 약 600℃ 정도의 온도에서 약 5분 동안 예비 제1 도전 패턴을 산화시켜 수득된 제2 도전 패턴의 두께를 나타낸다. 또한, "IV"는 약 600℃ 정도의 온도에서 약 10분 동안 예비 제1 도전 패턴을 산화시켜 수득된 제2 도전 패턴의 두께를 나타내며, "V"는 약 650℃ 정도의 온도에서 약 10분 동안 예비 제1 도전 패턴을 산화시켜 형성된 제2 도전 패턴의 두께를 나타낸다.
도 3에 도시한 바와 같이, 산화 시간을 약 2분 정도로 유지하면서 공정 온도를 약 550℃에서 약 600℃로 1.2배 상승시킬 때, 상기 제2 도전 패턴들의 높이는 약 1,600Å(I) 정도로부터 약 2,200Å(II) 정도까지 약 1.38배 정도 증가하였다. 또한, 산화 시간을 약 10분 정도로 유지하면서 공정 온도를 약 600℃에서 약 650℃로 1.08배 상승시킬 때, 상기 제2 도전 패턴들의 높이는 약 3,100Å(IV) 정도로부터 약 4,100Å(V) 정도까지 약 1.32배 정도 증가하였다.
한편, 공정 온도를 각기 600℃ 정도로 유지한 상태에서 산화 공정의 시간을 2분으로부터 각기 5분 및 10분으로 2.5배 및 5배로 증가시켰을 때, 상기 제2 도전 패턴들의 높이는 약 2,200Å(II) 정도에서 약 3,000Å(III) 정도 및 약 3,100Å(IV) 정도로 각기 1.36배 정도 및 약 1.41배 정도 증가하였다. 결국, 열 산화 공정을 통하여 상기 예비 제1 도전 패턴으로부터 상기 제2 도전 패턴을 성장시키는 경우에는 산화 시간 보다는 산화 온도가 보다 주요한 공정 요인(factor)이 되며, 이러한 산화 온도의 조절을 통하여 상기 제2 도전의 치수를 원하는 수준으로 조절할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전극 구조체가 적용되는 다양한 반도체 장치들의 디자인 룰들에 따라 상기 제2 도전 패턴의 높이, 폭 등과 같은 치수를 적절하게 조절할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 예비 절연층(3)을 부분적으로 제거하여 상기 전극 구조체의 제2 도전 패턴(15)의 하부와 제1 도전 패턴(10)의 상부를 노출시키는 절연층(5)을 형성한다. 예비 절연층(3)이 산화물을 포함하는 경우, 불산(HF)을 함유하는 식각 가스 또는 식각 용액을 사용하여 예비 절연층(3)을 부분적으로 식각함으로써, 절연층(5)을 형성할 수 있다. 한편, 예비 절연층(3)이 질화물을 포함하는 경우에는, 인산(H3PO4)을 함유하는 식각 가스나 식각 용액을 사용하여 예비 절연층(3)을 부분적으로 식각할 수 있다.
대상체(1) 상에 절연층(5)이 형성되면, 제2 도전 패턴(15)과 함께 제1 도전 패턴(10)의 상부도 노출된다. 다시 말하면, 절연층(5)이 예비 절연층(3) 보다 실질적으로 낮은 두께를 가지기 때문에, 제1 도전 패턴(10)의 상부가 절연층(5)의 상부로 돌출될 수 있다.
제2 도전 패턴(15)과 노출된 제1 도전 패턴(15)을 커버하면서 절연층(5) 상에 유전층(18)을 형성한다. 유전층(18)은 금속 산화물 및/또는 질화물 등을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 유전층(18)은 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 알루미늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 실리콘 질화물 등을 사용하여 형성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다. 또한, 유전층(18)은 원자층 적층 공정, 화학 기상 증착 공정, 스퍼터링 공정, 진공 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다. 유전층(18)은 상기 전극 구조체의 프로파일을 따라 절연층(5) 상에 균일하게 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 상기 전극 구조체와 절연층(5) 상에 산화막, 질화막 및/또는 금속 산화막을 순차적으로 증착하여 유전층(18)을 형성할 수 있다. 즉, 유전층(18)은 산화막, 질화막 및/또는 금속 산화막을 포함하는 다층 구조로 형성될 수 있다.
유전층(18) 상에 상부 전극층(23)을 형성한다. 상부 전극층(23)도 유전층(23)의 프로파일을 따라 유전층(23) 상에 균일하게 형성될 수 있다. 상부 전극층(23)은 금속, 금속 화합물 및/또는 폴리실리콘을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상부 전극층(23)은 이리듐, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 알루미늄, 은, 백금, 티타늄, 탄탈륨, 텅스텐, 알루미늄 질화물, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 텅스텐 질화물, 불순물들이 도핑된 폴리실리콘 등을 사용하여 형성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 혼합되어 사용될 수 있다. 또한, 상부 전극층(23)은 원자층 적층 공정, 스퍼터링 공정, 진공 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 펄스 레이저 증착 공정 등을 이용하여 유전층(18) 상에 형성될 수 있다.
상부 전극층(23) 상에 제2 마스크(도시되지 않음)를 형성한 다음, 이러한 제2 마스크를 식각 마스크로 이용하여 유전층(18)과 상부 전극층(23)을 순차적으로 패터닝한다. 이에 따라, 도 1을 참조하여 설명한 전극 구조체와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 갖는 전극 구조체를 구비하는 캐패시터가 대상체(1) 상에 형성된다.
텅스텐과 같은 금속 플러그 상에 배치된 적층형 전극을 갖는 종래의 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 금속 플러그 상에 하부 전극을 위한 도전층을 형성한 다음, 사진 식각 공정 및 건식 식각 공정을 통해 상기 도전층을 패터닝함으로써, 상기 플러그 상에 하부 전극을 형성하였다. 그러나, 사진 식각 공정 및 추가적인 식각 공정을 통해 하부 전극을 형성하는 경우에는, 하부 전극의 형성에 상대적으로 많은 추가 공정들이 수행됨에 따라 제조비용이 상승하게 되고 제조에 많은 시간이 요구된다. 또한, 절연층에 형성된 미세한 개구 내에 콘택이나 플러그 형상의 하부 전극을 형성할 경우에는, 하부 전극 내에 보이드(void)나 심(seam)이 자주 생성되는 문제도 발생한다. 더욱이, 근래 들어 캐패시터를 구비하는 반도체 장치의 디자인 룰이 급격히 감소함에 따라 하부 전극이 플러그 상에 정확하게 위치하지 못하는 정렬 불량(alignment error)도 자주 발생하여, 결국 반도체 장치의 제품 경쟁력이 감소되고 전기적인 특성이 크게 저하된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 캐패시터(95)는, 대상체(50), 절연층(55), 제1 도전 패턴(60) 및 제2 도전 패턴(65)을 구비하는 전극 구조체, 유전층 패턴(70) 그리고 상부 전극(75)을 포함한다.
도 4에 도시한 캐패시터(95)에 있어서, 대상체(50) 및 절연층(55)의 구성 물질과 구조는 각기 도 1을 참조하여 설명한 대상체(1) 및 절연층(5)의 경우와 실질적으로 동일하거나 실질적으로 유사하다. 또한, 제1 도전 패턴(60), 제2 도전 패턴(65), 유전층 패턴(70) 및 상부 전극(75)도 그 구조를 제외하면 각기 도 1을 참조하여 설명한 제1 도전 패턴(10), 제2 도전 패턴(15), 유전층 패턴(20) 및 상부 전극(25)과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질로 이루어진다.
제1 도전 패턴(60)은 절연층(55)에 형성된 개구(도시되지 않음)를 매립하면서 대상체(50) 상에 배치되며, 제2 도전 패턴(65)은 제1 도전 패턴(60)의 상부 측부로부터 대상체(50)에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 연장된다. 상술한 바와 유사하게, 제1 도전 패턴(60)의 상부는 절연층(55)으로부터 상방으로 돌출된다. 제2 도전 패턴(65)은 제1 도전 패턴(60)에 부분적으로 매립될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 제1 도전 패턴(60)은 원형 필라, 타원형 필라, 다각형 필라 등의 입체 구조를 가지지만, 제2 도전 패턴(65)은 원형 실린더, 타원형 실린더, 다각형 실린더 등의 형상을 가질 수 있다. 또한, 제2 도전 패턴(65)은 원형 링, 타원형 링, 다각형 링 등의 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 같이 제2 도전 패턴(65)이 실질적으로 실린더 형상의 구조를 가질 경우, 상기 전극 구조체와 유전층 패턴(70) 사이의 접촉 면적이 크게 증가되며, 따라서 캐패시터(95)가 현저하게 향상된 축적 용량(storage capacity)을 가질 수 있다. 또한, 제2 도전 패턴(65)이 제1 도전 패턴(60)의 상부 측부로부터 형성되기 때문에, 제2 도전 패턴(65)의 하부는 제1 도전 패턴(60)에 부분적으로 매립될 수 있다. 이로 인하여 제1 및 제2 도전 패턴(60, 65) 사이의 결합 안정성을 향상시킬 수 있으며, 동시에 상기 전극 구조체의 구조적 안정성도 증대시킬 수 있다.
유전층 패턴(70)은 제2 전극 패턴(65)을 감싸며 제1 전극 패턴(60)과 절연층(55) 상에 배치된다. 제2 전극 패턴(65)이 제1 전극 패턴(60)의 측부로부터 연장되기 때문에, 유전층 패턴(70)은 제2 전극 패턴(65)을 감싸는 양측부가 중앙부에 비하여 돌출된다. 달리 말하면, 유전층 패턴(70)의 중앙에는 소정의 리세스(recess)가 형성될 수 있다.
상부 전극(75)은 유전층 패턴(70)의 프로파일을 따라 균일하게 형성된다. 상부 전극(75)은 유전층 패턴(70)의 리세스를 채우면서 유전층 패턴(70) 상에 형성될 수 있다. 즉, 상부 전극(75)의 중앙부는 유전층 패턴(70)의 리세스를 채우며 상기 전극 구조체 방향으로 연장될 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, 도 2a를 참조하여 설명한 공정들과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정들을 수행하여 대상체(50) 상에 제1 개구(도시되지 않음)를 갖는 예비 절연층(53)을 형성한 다음, 상기 제1 개구를 채우며, 볼록한 표면을 갖는 예비 제1 도전 패턴(58)을 대상체(50) 상에 형성한다.
예비 제1 도전 패턴(58) 및 예비 절연층(53) 상에 희생층(80)을 형성한다. 희생층(80)은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정, 스핀 코팅 공정 등으로 예비 제1 도전 패턴(58)과 예비 절연층(53) 상에 증착하여 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 희생층(80)과 예비 절연층(53)은 실질적으로 동일하거나 유사한 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 희생층(80)은 예비 절연층(53)과 서로 상이한 물질을 사용하여 형성될 수도 있다.
희생층(80) 상에 마스크(도시되지 않음)를 형성한 후, 상기 마스크를 이용하여 희생층(80)을 부분적으로 식각함으로써, 희생층(80)에 예비 제1 도전 패턴(58)을 노출시키는 제2 개구(83)를 형성한다. 이 경우, 제2 개구(83)는 예비 제1 도전 패턴(58)과 실질적으로 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
제2 개구(83)의 측벽 상에 제1 희생 패턴(85)을 형성한다. 제1 희생 패턴(85)은, 예를 들면, 스페이서(spacer)와 같은 형상을 가질 수 있다. 제1 희생 패턴(85)은 후속하여 형성되는 제2 도전 패턴(65)(도 5c 참조)과 실질적으로 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 예비 제1 도전 패턴(58), 제2 개구(83)의 측벽 및 희생층(80) 상에 제1 절연막(도시되지 않음)을 형성한 다음, 상기 제1 절연막을 부분적으로 식각하여 제2 개구(83)의 측벽 상에만 제1 희생 패턴(85)을 형성한다. 상기 제1 절연막은 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정, 스핀 코팅 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 제1 희생 패턴(85)은 이방성 식각 공정을 통해 상기 제1 절연막을 식각함으로써, 제2 개구(83)의 측벽 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 제1 희생 패턴(85)은 예비 절연층(63) 및 희생층(80)에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 예비 절연층(63)과 희생층(80)이 산화물을 포함할 때, 제1 희생 패턴(85)은 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다. 한편, 예비 절연층(63) 및 희생층(80)이 질화물을 포함하는 경우, 제1 희생 패턴(85)은 산화물로 구성될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 예비 제1 도전 패턴(58) 상에 제2 개구(83)를 채우는 제2 희생 패턴(88)을 형성한다. 제2 희생 패턴(88)은 저면이 예비 제1 도전 패턴(58)에 접하며, 측면이 제1 희생 패턴(85)에 접촉된다. 제2 희생 패턴(88)은 제1 희생 패턴(85)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 제2 희생 패턴(88)은 산화물, 질화물, 산질화물, 포토레지스트 등을 사용하여 형성될 수 있다.
제2 희생 패턴(88)을 형성하는 과정에 있어서, 제2 개구(83)를 채우면서 희생층(80)과 제1 희생 패턴(85) 상에 제2 절연막(도시되지 않음)을 형성한 후, 희생층(80)이 노출될 때까지 상기 제2 절연막을 부분적으로 제거하여 제2 개구(83) 내에 제2 희생 패턴(88)을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 제2 절연막은 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정, 스핀 코팅 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 제2 희생 패턴(88)은 화학 기계적 연마 공정 및/또는 에치-백 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제2 희생 패턴(88)은 예비 절연층(53) 및/또는 희생층(80)과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 예비 절연층(53)과 희생층(80)이 산화물로 구성되는 경우, 제2 희생 패턴(88)도 산화물로 이루어질 수 있다. 이 경우, 제1 희생 패턴(85)은 질화물이나 산질화물을 포함할 수 있다. 한편, 제1 희생 패턴(85)이 산화물로 이루어지는 경우, 제2 희생 패턴(88), 예비 절연층(53) 및 희생층(80)은 각기 질화물이나 산질화물로 구성될 수 있다.
다시 도 5b를 참조하면, 제2 개구(83)의 측벽 상에 형성된 제1 희생 패턴(85)을 제거하여, 예비 제1 도전 패턴(58)의 상부 측부를 노출시키는 제3 개구(90)를 형성한다. 제1 희생 패턴(85)이 산화물을 포함하는 경우에는, 불산(HF)을 함유하는 식각 가스 또는 식각 용액을 사용하여 제1 희생 패턴(85)을 제거할 수 있다. 또한, 제1 희생 패턴(85)이 질화물로 이루어지는 경우, 인산을 함유하는 식각 용액이나 식각 가스를 사용하여 제1 희생 패턴(85)을 제거할 수 있다.
제2 희생 패턴(88), 예비 절연층(53) 및 희생층(80)은 각기 제1 희생 패턴(85)과 상이한 물질로 구성되기 때문에, 제1 희생 패턴(85)을 제거하여 제3 개구(90)를 형성하는 동안 제2 희생 패턴(88), 예비 절연층(53) 및 희생층(80)은 식각되지 않는다.
도 5c를 참조하면, 제3 개구(90)를 통해 노출된 예비 제1 도전 패턴(58)으로부터 금속 산화물을 성장시켜 제3 개구(90)를 채우는 제2 도전 패턴(65)을 형성한다. 제2 도전 패턴(65)은 실린더 형상의 제3 개구(90)를 채우면서 형성되기 때문에 실질적으로 실린더의 구조로 형성될 수 있다. 제2 도전 패턴(65)의 형성에 따라 예비 제1 도전 패턴(58)은 제1 도전 패턴(60)으로 변화된다. 제2 도전 패턴(65)을 형성하기 위한 산화 공정은 도 2c를 참조하여 설명한 공정과 실질적으로 동일하거나 유사하다. 제1 및 제2 도전 패턴(60, 65)의 형성에 따라 도 4를 참조하여 설명한 전극 구조체와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가지는 전극 구조체가 대상체(50) 상에 제공된다.
본 실시예에 있어서, 제2 도전 패턴(65)이 제3 개구(90) 내에 형성되기 때문에 예비 제1 도전 패턴(58)이 볼록한 상부 표면을 가질 필요는 없다. 즉, 제3 개구(90)가 제공된 희생층(80)과 제2 희생 패턴(88)이 몰드의 역할을 수행하기 때문에 예비 제1 도전 패턴(58)으로부터 임의의 방향으로 금속 산화물이 성장하여 제2 도전 패턴(65)을 형성하더라도, 제3 개구(90)에 의해 금속 산화물의 성장 방향이 제한(confine)되어 예비 제1 도전 패턴(58)의 표면 형상에 관계없이 제2 도전 패턴(65)을 형성할 수 있다. 따라서, 예비 제1 도전 패턴(58)은 볼록한 표면 또는 오목한 표면을 가질 수 있다.
도 5d를 참조하면, 상기 전극 구조체로부터 제2 희생 패턴(88) 및 희생층(80)을 제거하며, 예비 절연층(53)을 부분적으로 제거하여 제1 도전 패턴(60)의 상부를 노출시키는 절연층(55)을 형성한다. 제2 희생 패턴(88), 희생층(80) 및 예비 절연층(53)이 실질적으로 동일한 물질로 구성되는 경우, 1회의 식각 공정을 통하여 제2 희생 패턴(88)과 희생층(80)을 모두 제거하는 한편 예비 절연층(53)을 부분적으로 제거할 수 있다. 반면, 제1 식각 공정을 통해 제2 희생 패턴(88)과 희생층(80)을 제거한 다음, 제2 식각 공정을 수행하여 절연층(55)을 형성할 수 있다.
이 후에, 상기 전극 구조체 상에 유전층(도시되지 않음)과 상부 전극층(도시되지 않음)을 순차적으로 형성한 후, 상기 상부 전극층과 상기 유전층을 패터닝함으로써, 도 4를 참조하여 설명한 캐패시터와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가지는 캐패시터를 대상체(50) 상에 형성한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 캐패시터는 제1 내지 제3 도전 패턴(115, 120, 125)을 갖는 전극 구조체, 유전층(150) 그리고 상부 전극(160)을 포함한다. 제1 도전 패턴(115)은 기판(100)에 접촉되며, 제2 도전 패턴(120)은 제1 도전 패턴(115)으로부터 연장되며, 제3 도전 패턴(125)은 제2 도전 패턴(120) 상에 배치된다.
기판(100)은 반도체 기판, 반도체층이 상부에 형성된 기판 또는 금속 산화물 기판을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판(100)은 실리콘 기판, 게르마늄 기판, SOI 기판, GOI 기판, 알루미늄 산화물 기판 등을 포함할 수 있다. 기판(100)에는 도전 영역, 트랜지스터, 다이오드, 콘택, 플러그, 패드, 도전 패턴, 절연 패턴 등을 포함하는 하부 구조물이 배치될 수 있다.
제1 도전 패턴(115)은 기판(100) 상에 형성되는 절연층(105) 내에 위치한다. 즉, 제1 도전 패턴(115)은 절연층(105)에 매립되며, 기판(100)의 도전 영역에 전기적으로 연결될 수 있다. 절연층(105)은 산화막, 질화막 또는 산질화막으로 구성된 단층 구조를 가질 수 있지만, 산화막, 질화막 및/또는 산질화막으로 이루어진 다층 구조를 가질 수도 있다.
제1 도전 패턴(115)은, 절연층(105)으로부터 돌출되지 않고 절연층(105)에 매립될 수 있다. 여기서, 제1 도전 패턴(115)은 상술한 바와 같이 볼록한 표면을 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 제1 도전 패턴(115)은 도 1을 참조하여 설명한 제1 도전 패턴(10)과 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 도전 패턴(115)의 상부가 절연층(105)으로부터 돌출될 수 있다.
제2 도전 패턴(120)은 제1 도전 패턴(115)으로부터 기판(100)에 대해 실질적으로 수직한 방향을 따라 연장된다. 금속을 포함하는 제1 도전 패턴(115)으로부터 형성되는 제2 도전 패턴(120)은 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 이 때, 제2 도전 패턴(120)도 제1 도전 패턴(115)과 실질적으로 동일하거나 유사한 다양한 필라 형상의 같은 입체 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 및 제2 도전 패턴(115, 120)은 서로 실질적으로 동일하거나 유사한 단면 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 제2 도전 패턴(120)이 제1 도전 패턴(115)으로부터 생성되는 금속 산화물로 이루어지기 때문에, 제1 및 제2 도전 패턴(115, 120)은 실질적으로 일체로(integrally) 형성될 수 있다, 이에 따라, 비록 제2 도전 패턴(120)이 제1 도전 패턴(115)으로부터 높은 높이를 가지면서 성장되더라도 상기 전극 구조체가 쓰러지는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 도전 패턴(115, 120)을 포함하는 상기 전극 구조체가 높은 종횡비(aspect ratio)를 가지는 경우에도, 상기 전극 구조체가 쓰러지거나 인접하는 전극 구조체들이 서로 접촉되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
절연층(105) 상에는 식각 저지막(110)이 배치된다. 식각 저지막(110)은 상기 캐패시터를 형성하기 위한 식각 공정들 동안 절연층(105)과 제1 도전 패턴(115)을 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 식각 저지막(110)은 절연층(105) 및 상기 전극 구조체에 대해 식각 선택비를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 식각 저지막(110)은 질화물, 산질화물, 금속 산화물 등으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 식각 저지막(110)은 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 열처리된 하프늄 산화물, 열처리된 알루미늄 산화물 등으로 구성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다.
제3 도전 패턴(125)은 제2 도전 패턴(120) 상에 배치되며, 실질적으로 실린더 형상의 입체 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 제3 도전 패턴(125)은 원형 실린더, 타원형 실린더, 다각형 실린더 등의 다양한 구조를 가질 수 있다. 제3 도전 패턴(125)은 폴리실리콘, 금속 및/또는 금속 화합물로 구성될 수 있다. 예를 들면, 제3 도전 패턴(125)은 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 이리듐, 하프늄, 지르코늄, 루테늄, 백금, 니켈, 알루미늄, 구리, 텅스텐 질화물, 알루미늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물, 몰리브덴 질화물, 하프늄 질화물, 지르코늄 질화물, 불순물들이 도핑된 폴리실리콘 등으로 이루어질 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 혼합되어 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 제3 도전 패턴(125)은 제1 도전 패턴(115)과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질로 구성될 수 있지만, 제1 도전 패턴(115)과 제3 도전 패턴(125)은 서로 상이한 물질을 포함할 수도 있다. 또한, 제3 도전 패턴(125)은 상부 직경이 하부 직경에 비하여 실질적으로 넓은 구조를 가질 수 있다. 즉, 제3 도전 패턴(125)은 소정의 기울기로 경사진 측벽을 가질 수 있다. 여기서, 제3 도전 패턴(125)의 하부는 제2 도전 패턴(120)에 비하여 실질적으로 좁은 폭을 가질 수 있다.
제3 도전 패턴(125)이 제1 도전 패턴(115)과 실질적으로 동일한 물질을 포함하는 경우, 제2 도전 패턴(120)이 제1 도전 패턴(115)으로부터 형성되기 때문에 제2 도전 패턴(120)과 제3 도전 패턴(125) 사이의 접착력을 증가시킬 수 있다.
인접하는 제3 도전 패턴(125)들 사이에는 지지 부재(130)가 배치된다. 지지 부재(130)는 인접하는 전극 구조체들 사이에서 이러한 전극 구조체들이 서로 접촉되는 현상을 방지한다. 다시 말하면, 지지 부재(130)는 상기 전극 구조체의 구조적 안정성을 크게 개선시킬 수 있다. 지지 부재(130)는 질화물, 산질화물, 비정질(amorphous) 물질 등으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 지지 부재(130)는 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 비정질 실리콘, 비정질 탄소 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 지지 부재(130)는 식각 저지막(110)과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질을 포함할 수도 있지만, 지지 부재(130)와 식각 저지막(110)은 서로 상이한 물질로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 지지 부재(130)는 라인 형상 또는 바 형상을 가질 수 있으며, 기판(100)에 대하여 수평한 제1 방향 및/또는 제2 방향을 따라 인접하는 제3 전극 패턴(125)들 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 상기 제1 방향은 상기 제2 방향에 대하여 실질적으로 직교할 수 있다. 예를 들면, 지지 부재(130)는 X축 방향 및/또는 Y충 방향을 따라 인접하는 제3 전극 패턴(125) 사이에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 상술한 바와 같이 제1 내지 제3 전극 패턴(115, 120, 125)을 포함하는 전극 구조체가 개선된 구조적 안정성을 가지기 때문에, 경우에 따라 상기 캐패시터가 지지 부재(130)를 구비하지 않음으로써 상기 캐패시터의 구조를 단순화시킬 수 있다.
유전층(150)은 상기 전극 구조체를 덮으며 지지 부재(130)와 식각 저지막(110) 상에 배치된다. 유전층(150)은 지지 부재(130), 제3 도전 패턴(125) 및 제2 도전 패턴(120)의 프로파일들을 따라 균일하게 형성될 수 있다. 유전층(150)은 질화물 및/또는 금속 산화물을 포함할 수 있으며, 다층 구조를 가질 수도 있다. 지지 부재(130)가 바 형상 또는 라인 형상으로 연장되기 때문에, 유전층(150)은 지지 부재(130), 제3 도전 패턴(125) 및 제2 도전 패턴(120)을 감싸도록 균일하게 형성될 수 있다.
상부 전극(160)은 유전층(150) 상에 위치한다. 상부 전극(160)은 인접하는 전극 구조체들 사이의 갭(gap)을 충분하게 채우면서 유전층(150) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 상부 전극(160)은 플레이트 형상을 가질 수 있다. 상부 전극(160)은 금속, 금속 화합물 및/또는 폴리실리콘으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 상부 전극(160)은 유전층(150)의 프로파일을 따라 균일하게 형성될 수도 있다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 7a 내지 도 7e에 도시된 방법에 따라 제조되는 캐패시터는 도 6을 참조하여 설명한 캐패시터와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가질 수 있다.
도 7a를 참조하면, 기판(100) 상에 절연층(105)과 식각 저지막(110)을 형성한다. 절연층(105)을 형성하는 공정은 도 2a를 참조하여 설명한 공정과 실질적으로 동일하거나 유사하다. 식각 저지막(110)은 절연층(105)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질을 화학 기상 증착 공정, 원자층 적층 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 저압 화학 기상 증착 공정, 스퍼터링 공정, 진공 증착 공정 등으로 증착하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 식각 저지막(110)은 질화물, 산질화물, 금속 산화물 등을 사용하여 형성될 수 있다.
식각 저지막(110) 상에 제1 희생층(123)을 형성한다. 제1 희생층(123)은 절연층(105)과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 절연층(105)이 산화물로 이루어지는 경우, 제1 희생층(123)은 산화물을 사용하여 형성될 수 있으며, 식각 저지막(110)은 질화물이나 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 제1 희생층(123)은 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 저압 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정 등을 이용하여 식각 저지막(110) 상에 형성될 수 있다.
제1 희생층(123) 상에 제1 마스크(도시되지 않음)를 형성한 후, 상기 제1 마스크를 식각 마스크로 이용하여 제1 희생층(123), 식각 저지막(110) 및 절연층(105)을 부분적으로 식각함으로써, 제1 희생층(123)으로부터 절연층(105)을 관통하여 기판(100)의 소정 부분(예를 들면, 도전 영역)을 노출시키는 제1 개구(도시되지 않음)를 형성한다.
상기 제1 개구를 채우면서 제1 희생층(123) 상에 제1 도전층(도시되지 않음)을 형성한다. 상기 제1 도전층은 요구되는 수준까지 부피 팽창이 가능한 금속을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 도전층은 텅스텐, 루테늄, 인듐 등의 금속을 스퍼터링 공정, 원자층 적층 공정, 화학 기상 증착 공정, 펄스 레이저 증착 공정, 진공 증착 공정 등으로 제1 희생층(123) 상에 증착하여 형성될 수 있다.
제1 희생층(123)이 노출될 때까지 상기 제1 도전층을 부분적으로 제거하여 상기 제1 개구를 채우는 예비 제1 도전 패턴(113)을 형성한다. 예비 제1 도전 패턴(113)을 형성하는 세부적인 공정들을 도 2b 또는 도 5a를 참조하여 설명한 공정들과 실질적으로 동일하거나 유사하다.
도 7b를 참조하면, 산화 공정을 통해 예비 제1 도전 패턴(113)으로부터 금속 산화물을 성장시켜 제2 도전 패턴(120)을 형성하면서 예비 제1 도전 패턴(113)을 제1 도전 패턴(115)으로 변화시킨다. 따라서, 제2 도전 패턴(120)의 하부는 제1 희생층(123)에 매립되는 반면, 제2 도전 패턴(120)의 상부는 제1 희생층(123) 상으로 돌출된다. 제1 및 제2 도전 패턴(115, 120)을 형성하기 위한 산화 공정은 도 2c를 참조하여 설명한 공정과 실질적으로 동일하거나 유사하다.
도 7c를 참조하면, 제2 도전 패턴(120)을 덮으면서 제1 희생층(123) 상에 제2 희생층(128)을 형성한다. 제2 희생층(128)은 전극 구조체의 전체적인 높이를 고려하여 제2 도전 패턴(120)을 충분하게 커버할 수 있는 두께로 형성될 수 있다. 상기 전극 구조체의 전체적인 높이는 주로 제1 및 제2 희생층(123, 128)의 두께에 따라 정해지기 때문에, 제1 및 제2 희생층(123, 128)의 두께를 조절하여 상기 전극 구조체의 높이를 조절할 수 있다.
제2 희생층(128)은 제1 희생층(123) 및/또는 절연층(105)과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 제2 희생층(128)은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 저압 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정 등으로 제1 희생층(123) 상에 적층하여 형성될 수 있다.
제2 희생층(128) 상에 지지층(129)을 형성한다. 지지층(129)은 제2 희생층(128), 제1 희생층(123) 및/또는 절연층(105)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 지지층(129)은 식각 저지막(110)과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 지지층(129)은 식각 저지막(110)을 형성하기 위한 공정과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
도 7d를 참조하면, 지지층(129) 상에 제2 마스크(133)를 형성한 후, 제2 마스크(133)를 식각 마스크로 이용하여 지지층(129) 및 제2 희생층(128)을 부분적으로 식각함으로써, 제2 도전 패턴(120)을 노출시키는 제2 개구(135)를 형성한다. 제2 개구(135)는 제2 도전 패턴(120)의 적어도 일부를 노출시킬 수 있다.
제2 개구(135)의 형성에 따라 지지층(129)은 지지 부재(130)로 패터닝된다. 또한, 제2 개구(135)의 형상에 따라 후속하여 형성되는 제3 도전 패턴(125)의 구조가 결정될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 제2 개구(135)는 상부 폭이 하부 폭에 비하여 실질적으로 넓은 원형 실린더, 타원형 실린더, 다각형 실린더 등의 여러 가지 입체 구조를 가질 수 있다.
도 7e를 참조하면, 노출된 제2 도전 패턴(120), 제2 개구(135)의 측벽 및 제2 마스크(133) 상에 제2 도전층(137)을 형성한다. 제2 도전층(137)은 제2 개구(135)의 프로파일을 따라 균일하게 형성될 수 있다. 제1 도전층(137)은 금속, 금속 화합물 및/또는 폴리실리콘을 스퍼터링 공정, 원자층 적층 공정, 진공 증착 공정, 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 펄스 레이저 증착 공정 등으로 증착시켜 형성될 수 있다. 예를 들면, 제2 도전층(137)은 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 이리듐, 하프늄, 지르코늄, 루테늄, 백금, 니켈, 알루미늄, 구리, 텅스텐 질화물, 알루미늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물, 몰리브덴 질화물, 하프늄 질화물, 지르코늄 질화물, 불순물들이 도핑된 폴리실리콘 등을 사용하여 형성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 혼합되어 사용될 수 있다.
마스크(133)가 노출될 때까지 제2 도전층(137)을 부분적으로 제거하여 제2 개구(135)에 제3 도전 패턴(도시되지 않음)을 형성한다. 여기서, 상기 제3 도전 패턴은 화학 기계적 연마 공정을 통해 형성될 수 있다. 또한, 상기 제3 도전 패턴은 도 6을 참조하여 설명한 제3 도전 패턴(125)과 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다.
마스크(133)를 제거한 다음, 제2 도전 패턴(120) 및 상기 제3 도전 패턴으로부터 제1 및 제2 희생층(123, 128)을 제거하여 도 6을 참조하여 설명한 전극 구조체와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가지는 전극 구조체를 형성한다. 여기서, 제1 및 제2 희생층(123, 128)은 그 구성 물질에 따라 불산 또는 인산을 함유하는 식각 가스나 식각 용액을 사용하여 제거될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 희생층(123, 128)이 제거되면, 인접하는 제3 도전 패턴들 사이에 지지 부재(130)가 잔류하게 된다.
지지 부재(130), 상기 제3 도전 패턴, 제2 도전 패턴(120) 및 식각 저지막(110) 상에 유전층(도시되지 않음)과 상부 전극(도시되지 않음)을 형성하여, 도 6을 참조하여 설명한 캐패시터와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가지는 캐패시터를 형성한다. 상기 유전층은 질화물 및/또는 금속 산화물을 사용하여 형성될 수 있으며, 상기 상부 전극은 폴리실리콘, 금속 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 제2 도전 패턴(120)에 대해 환원 공정을 수행하여 제1 도전 패턴(115)보다 상대적으로 높은 저항을 가지는 제2 도전 패턴(120)의 저항을 요구되는 수준까지 적절하게 조절할 수 있다. 이 경우, 상기 환원 공정은 수소(H2)를 포함하는 분위기 또는 암모니아(NH3)를 포함하는 분위기 하에서 제2 도전 패턴(120)을 열처리하는 공정을 포함할 수 있다. 수소를 포함하는 분위기 하에서 제2 도전 패턴(120)을 열처리하는 환원 공정에 있어서, 금속 산화물(MxOy)로부터 수소(H2)의 제공에 따라 산소가 제거되는 메커니즘은 다음 반응식과 같다.
[반응식]
MxOy + yH2 → yH2O + xM
본 발명의 실시예들에 따른 환원 공정을 통한 제2 도전 패턴들의 저항 조절 결과와 제1 도전 패턴의 저항을 다음 표에 나타낸다. 하기 표에 있어서, 샘플(Sample) 1은 환원 공정을 수행하지 않은 웨이퍼 상에 형성된 복수의 제2 도전 패턴들을 포함하고, 샘플 2는 수소를 포함하는 분위기 하에서 환원 공정을 수행하여 웨이퍼 상에 형성된 제2 도전 패턴들을 구비한다. 샘플 3은 암모니아를 포함하는 분위기 하에서 환원 공정이 수행되어 웨이퍼 상에 형성된 제2 도전 패턴들을 포함하며, 샘플 4는 웨이퍼 상에 형성된 제1 도전 패턴들만을 포함한다. 여기서, 제2 도전 패턴들 및 제1 도전 패턴들은 각기 텅스텐 산화물 및 텅스텐으로 구성된다.
[표]
상기 표에 있어서, "T"는 상기 웨이퍼의 상부에 위치한 제2 도전 패턴들을 의미하고, "C"는 상기 웨이퍼의 중앙부에 형성된 제2 도전 패턴들을 나타내며, "B"는 상기 웨이퍼의 하부에 배치된 제2 도전 패턴들을 가리킨다. 또한, "L"은 상기 웨이퍼의 좌측부에 형성된 제2 도전 패턴들을 나타내며, "R"은 상기 웨이퍼의 우측부에 배치된 제2 도전 패턴들을 가리킨다.
상기 표에 나타낸 바와 같이, 텅스텐으로 구성된 제1 도전 패턴들(샘플 4)의 저항이 평균적으로 약 119Ω·㎝ 정도임에 비하여, 환원 공정을 수행하지 않은 제2 도전 패턴(샘플 1)의 평균 저항은 약 252Ω·㎝ 정도로 상대적으로 높다. 그러나, 암모니아를 함유하는 분위기 하에서 환원 처리된 제2 도전 패턴들(샘플 3)의 평균 저항은 약 167Ω·㎝ 정도로 상당히 낮아진다. 특히, 수소를 포함하는 분위기 하에서 환원 처리된 제2 도전 패턴들(샘플 2)의 평균 저항은 약 147Ω·㎝ 정도로 거의 제1 도전 패턴들(샘플 4)의 저항에 근접하도록 크게 감소된다. 따라서, 환원 공정을 통해 금속 산화물로 이루어진 제2 도전 패턴의 저항을 원하는 수준으로 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 상기 캐패시터는, 제1 내지 제3 도전 패턴(116, 121, 126)을 포함하는 전극 구조체, 지지 부재(130), 유전층(150) 및 상부 전극(160)을 구비한다. 제1 도전 패턴(116)은 기판(100)의 소정 영역에 접속되며, 제2 도전 패턴(121)은 제1 도전 패턴(116)의 상부 측부로부터 연장된다. 제3 도전 패턴(126)은 제2 도전 패턴(121)으로부터 연장된다.
도 8에 도시한 캐패시터에 있어서, 기판(100), 절연층(105), 식각 저지막(110) 및 지지 부재(130)는 도 6을 참조하여 설명한 바와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가진다. 또한, 도 8에 도시한 상기 전극 구조체의 제1 도전 패턴(116)과 제2 도전 패턴(121)은 도 3을 참조하여 설명한 제1 도전 패턴(60) 및 제2 도전 패턴(65)과 실질적으로 동일한 구성을 가진다. 즉, 제2 도전 패턴(121)은 원형 실린더, 타원형 실린더, 다각형 실린더 등의 입체 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 산화 공정의 공정 조건들을 조절함으로써 제2 도전 패턴(121)의 높이를 증가시킬 수 있으며, 제1 도전 패턴(116)이 볼록한 표면을 가질 필요는 없다.
제3 도전 패턴(126)은 제2 도전 패턴(121)으로부터 기판(100)에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 연장되며, 상부 폭이 하부 폭보다 넓은 실린더의 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 제3 도전 패턴(126)도 실질적으로 원형 실린더의 형상, 타원형 실린더의 형상, 다각형 실린더의 형상 등을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 제3 도전 패턴(126)의 하부는 제2 도전 패턴(121)과 실질적으로 동일하거나 유사한 폭을 가질 수 있다. 제3 도전 패턴(126)의 구성 물질은 도 6을 참조하여 설명한 제3 도전 패턴(125)과 실질적으로 동일하거나 유사하다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9a를 참조하면, 도 7a를 참조하여 설명한 공정들과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정들을 수행하여 기판(100) 상에 절연층(105), 식각 저지막(110) 및 제1 희생층(117)을 형성한다. 제1 희생층(117), 식각 저지막(110) 및 절연층(105)을 부분적으로 식각하여 제1 개구(도시되지 않음)를 형성하는 공정과 상기 제1 개구에 예비 제1 도전 패턴(113)을 형성하는 공정도 도 7a를 참조하여 설명한 공정들과 실질적으로 동일하거나 유사하다.
제1 희생층(117) 상에 제2 희생층(123)을 형성한 후, 제2 희생층(123)을 부분적으로 식각하여 예비 제1 도전 패턴(113)을 노출시키는 제2 개구(124)를 형성한다. 제2 희생층(123)은 제1 희생층(117) 및/또는 절연층(105)과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
제2 개구(124)의 측벽 상에 제1 희생 패턴(118)을 형성한다. 제1 희생 패턴(118)은 도 5a를 참조하여 설명한 공정과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정을 통해 형성될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 제2 개구(124)를 채우면서 예비 제1 도전 패턴(113) 상에 제2 희생 패턴(134)을 형성한 다음, 제1 희생 패턴(118)을 제거하여 예비 제1 도전 패턴(113)을 부분적으로 노출시키는 제3 개구(도시되지 않음)를 형성한다. 제2 희생 패턴(134)과 제1 희생 패턴(118)은 도 5b를 참조하여 설명한 공정들과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정을 이용하여 제거될 수 있다.
도 5c를 참조하여 설명한 공정들과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정들을 수행하여, 상기 제3 개구를 채우도록 예비 제1 도전 패턴(113)으로부터 제2 도전 패턴(121)을 성장시키면서 예비 제1 도전 패턴(113)을 제1 도전 패턴(116)으로 변화시킨다. 본 발명의 실시예에 있어서, 제1 도전 패턴(116)은 식각 저지막(110) 상부로 돌출되는 구조를 가지며, 제2 도전 패턴(121)은 이러한 제1 도전 패턴(116)의 상부 측부로부터 기판(100)에 대해 상방으로 돌출된다.
도 9c를 참조하면, 제2 희생층(123), 제2 도전 패턴(121) 및 제2 희생 패턴(134) 상에 제3 희생층(140)과 지지층(도시되지 않음)을 차례로 형성한다. 상기 지지층을 형성하는 공정은 도 7c를 참조하여 설명한 공정과 실질적으로 동일하거나 유사하며, 제3 희생층(140)은 제1 희생층(117), 제2 희생층(123) 및/또는 절연층(105)과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 제3 희생층(140)은 산화물을 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 저압 화학 기상 증착 공정, 스핀 코팅 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정 등으로 증착시켜 형성될 수 있다.
상기 지지층 상에 마스크(133)를 형성한 후, 마스크(133)를 이용하여 상기 지지층과 제3 희생층(140)을 부분적으로 식각함으로써, 제2 도전 패턴(121)과 제2 희생 패턴(134)을 노출시키는 제3 개구(143)를 형성한다. 제3개구(143)의 형성에 따라 상기 지지층으로부터 지지 부재(130)가 형성된다.
제3 개구(143)의 측벽과 저면 및 마스크(133) 상에 도전층(146)을 형성한다, 도전층(146)은 도 7e를 참조하여 설명한 제2 도전층(137)을 형성하는 공정과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정을 통해 형성될 수 있다.
도전층(146)의 일부와 마스크(13)를 제거한 다음, 제3 희생층(140), 제2 희생층(123), 제1 희생층(117) 및 제2 희생 패턴(134)을 제거하여, 기판(100) 상에 도 8에 도시한 전극 구조체와 실질적으로 동일한 구조를 가지는 전극 구조체를 형성한다. 제2 희생 패턴(134)이 제거되는 동안 제2 희생 패턴(134) 상에 잔류하는 도전층(146)도 제거될 수 있으며, 인접하는 제3 도전 패턴들 사이에는 지지 부재(130)가 위치한다.
상기 전극 구조체와 식각 저지막(110) 상에 유전층(도시되지 않음)과 상부 전극(도시되지 않음)을 순차적으로 형성하여, 기판(100) 상에 캐패시터를 형성한다. 상기 캐패시터는 도 8을 참조하여 설명한 캐패시터와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가질 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 10을 참조하면, 상기 캐패시터는 기판(200) 상에 배치되는 전극 구조체, 유전층(250) 그리고 상부 전극(260)을 포함한다. 상기 전극 구조체는 기판(200)에 접촉되는 제1 도전 패턴(215), 제1 도전 패턴(215) 상에 위치하는 제2 도전 패턴(220) 그리고 제2 도전 패턴(220)으로부터 연장되는 제3 도전 패턴(225)을 포함한다. 여기서, 제2 도전 패턴(220)과 제3 도전 패턴(225)은 일체로 형성될 수 있다.
상기 전극 구조체의 제1 도전 패턴(215)은 기판(200) 상에 형성되는 절연층(205)에 매립되며, 절연층(205) 상에는 식각 저지막(210)이 위치한다. 제1 도전 패턴(215)은 기판(200)에 형성된 불순물 영역 또는 확산 영역과 같은 도전 영역에 연결된 수 있다.
제2 도전 패턴(220)은 원형, 타원형, 다각형 실린더 등의 구조를 가질 수 있으며, 제3 도전 패턴(225)은 제2 도전 패턴(220)으로부터 연장되면서 실질적으로 실린더의 형상을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 제2 도전 패턴(220)과 제3 도전 패턴(225)은 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 제2 도전 패턴(220)은 제1 도전 패턴(215)으로부터 생성되는 금속 산화물이 아니라 별도의 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 한편, 제2 및 제3 도전 패턴(220, 225)은 서로 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 제3 도전 패턴(225)은 그 하부의 폭이 상부의 폭보다 작게 형성될 수 있으며, 제3 도전 패턴(225)의 상부 폭은 제2 도전 패턴(220)의 폭과 실질적으로 동일할 수 있다. 인접하는 제3 도전 패턴(225)들 사이에는 지지 부재(230)가 배치되어, 상기 전극 구조체의 구조적 안정성을 보다 향상시킬 수 있다.
유전층(250)은 제3 도전 패턴(225), 제3 도전 패턴(220), 지지 부재(230) 및 식각 저지막(210)의 프로파일들을 따라 균일하게 형성될 수 있다. 상부 전극(260)은 유전층(250) 상에 플레이트 형상으로 형성되거나 유전층(250)의 프로파일을 따라 균일한 두께로 형성될 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 11a를 참조하면, 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 설명한 공정들과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정들을 수행함으로써, 기판(200) 상에 절연층(205), 식각 저지막(210), 제1 희생층(218), 제1 도전 패턴(215), 희생 도전 패턴(221) 및 제2 희생층(223)을 형성한다. 이 경우, 희생 도전 패턴(220)은 도 7b에 도시된 제2 도전 패턴(120)을 형성하는 공정을 통하여 제1 도전 패턴(215)으로부터 형성될 수 있다. 즉, 희생 도전 패턴(221)은 산화 고정을 통해 수득되는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
제2 희생층(223) 상에 지지층(도시되지 않음)과 마스크(233)를 형성한 후, 상기 지지층과 제2 희생층(223)을 부분적으로 식각하여 지지 부재(230)를 형성하는 한편, 희생 도전 패턴(221)의 일부를 노출시키는 제1 개구(235)를 형성한다.
도 11b를 참조하면, 제1 개구(235)를 통해 노출되는 희생 도전 패턴(221)을 제거함으로써, 제1 개구(235)에 연통되어 제1 도전 패턴(215)을 노출시키는 제2 개구(238)를 형성한다. 제2 개구(238)가 형성되면, 제2 개구(238)의 측벽을 구성하는 제2 희생층(223)과 제1 희생층(218)도 함께 노출된다.
노출된 제1 도전 패턴(215), 제2 개구(238)의 측벽, 제1 개구(235)의 측벽 및 마스크(233) 상에 도전층(237)을 형성한다. 도전층(237)은 도 7e를 참조하여 설명한 공정과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
지지 부재(230)가 노출될 때까지 도전층(237)의 일부와 마스크(233)를 제거하여 도 10에 도시한 제2 및 제3 도전 패턴(220, 225)과 실질적으로 동일한 구조를 가지는 제2 및 제3 도전 패턴(도시되지 않음)을 형성한다. 여기서, 도전층(237) 가운데 제1 개구(235)의 측벽 상에 잔류하는 부분이 상기 제3 도전 패턴에 해당되며, 제2 개구(238)의 측벽과 제1 도전 패턴(215) 상에 잔류하는 부분이 상기 제3 도전 패턴에 해당된다.
상기 제2 및 제3 도전 패턴을 형성한 다음, 제1 및 제2 희생층(218, 223)을 식각하여 도 10에 도시한 전극 구조체와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가지는 전극 구조체를 형성한다.
상기 제2 및 제3 도전 패턴, 지지 부재(230) 및 식각 저지막(210) 상에 균일하게 유전층(도시되지 않음)을 형성한 후, 상기 유전층 상에 상부 전극(도시되지 않음)을 형성함으로써, 기판(200) 상에 캐패시터를 형성한다. 이 경우, 상기 캐패시터는 도 10을 참조하여 설명한 캐패시터와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가질 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 단면도이다.
도 12를 참조하면, 상기 캐패시터는 제1 내지 제3 도전 패턴(315, 320, 325)을 갖는 전극 구조체를 포함한다. 또한, 상기 캐패시터는 상기 전극 구조체를 감싸는 유전층(340)과 유전층(345) 상에 배치되는 상부 전극(360)을 구비한다.
상기 전극 구조체는, 기판(300)에 접촉되는 제1 도전 패턴(315), 제1 도전 패턴(315)으로부터 연장되는 제2 도전 패턴(320) 및 제2 도전 패턴(320) 상에 배치되는 제3 도전 패턴(325)을 포함한다.
지지 부재(330)는 인접하는 제3 도전 패턴(325)들 사이에 위치하며, 제1 도전 패턴(315)은 기판(100) 상에 형성되는 절연층(305)에 매립된다. 절연층(305) 상에는 식각 저지막(310)이 위치한다. 유전층(340)과 상부 전극(345)은 상기 전극 구조체를 감싸면서 식각 저지막(310) 상에 순차적으로 배치된다.
도 12에 있어서, 제1 및 제2 도전 패턴(315, 325)은 도 6을 참조하여 설명한 제1 및 제2 도전 패턴(115, 120)과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 제3 도전 패턴(325)은 원형 필라, 타원형 필라 또는 다각형 필라 등의 입체 구조를 가질 수 있다. 제3 도전 패턴(325)은 상부가 하부에 비하여 실질적으로 넓은 폭을 가질 수 있다. 즉, 제3 도전 패턴(325)은 기판(300)에 비하여 경사진 측벽을 가질 수 있다. 또한, 제3 도전 패턴(325)의 하부는 제2 도전 패턴(320) 보다 실질적으로 작은 폭을 가질 수 있다.
유전층(350)은 상기 전극 구조체의 제2 및 제3 도전 패턴(320, 325)을 감싸면서 식각 저지막(310) 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 유전층(350)은 제3 도전 패턴(325), 제2 도전 패턴(320) 및 식각 저지막(310) 상에 균일한 두께로 형성될 수 있다.
상부 전극(360)은 유전층(350) 상에 배치된다. 상부 전극(360)은 인접하는 전극 구조체들 사이의 갭을 채우는 플레이트 형상을 가질 수 있으며, 유전층(350) 상에 균일한 두께로 형성될 수도 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 13에 도시한 방법에 따라 제조되는 캐패시터는 도 12를 참조하여 설명한 전극 구조체와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가질 수 있다.
도 13을 참조하면, 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 설명한 공정들과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정들을 수행하여, 기판(300) 상에 절연층(305), 식각 저지막(310), 제1 도전 패턴(315), 제1 희생층(318), 제2 도전 패턴(320), 제2 희생층(323), 지지 부재(330) 그리고 마스크(333)를 형성한다.
제2 도전 패턴(220)을 노출시키는 개구(도시되지 않음)를 채우면서 마스크(333) 상에 도전층(338)을 형성한다. 여기서, 도전층(338)은 상기 개구를 충분히 채우도록 형성될 수 있다. 즉, 도전층(338)은 상기 개구를 완전히 채우면서 마스크(333) 상에 소정의 두께로 형성될 수 있다.
마스크(233)가 노출될 때까지 도전층(238)을 부분적으로 제거한 후, 마스크(233)를 식각하여 도 10에 도시한 전극 구조체와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가지는 전극 구조체를 수득한다.
상기 전극 구조체의 제2 도전 패턴(320)과 제3 도전 패턴을 감싸면서 식각 저지막(310) 상에 유전층(도시되지 않음)을 형성한 후, 상기 유전층 상에 상부 전극(도시되지 않음)을 형성하여 기판(300) 상에 캐패시터를 형성한다. 이 때, 상기 캐패시터는 도 12를 참조하여 설명한 캐패시터와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 전극 구조체를 구비하는 다양한 반도체 장치들과 그 제조 방법들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치를 설명하기 위한 단면도이다. 도 14에 있어서, 상기 반도체 장치에 적용된 전극 구조체는 도 6을 참조하여 설명한 전극 구조체와 실질적으로 동일한 구성을 가지지만, 도 8, 도 10 또는 도 12를 참조하여 설명한 다양한 전극 구조체들과 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가지는 전극 구조체가 상기 반도체 장치에 적용될 수도 있다.
도 14를 참조하면, 상기 반도체 장치는 기판(350) 상에 배치되는 스위칭 소자와 전극 구조체를 구비하는 캐패시터를 포함한다.
기판(350)에는 상기 스위칭 소자가 위치하는 액티브 영역을 정의하기 위한 소자 분리막(353)이 제공된다. 상기 스위칭 소자는 기판(350)에 대해 실질적으로 수평한 방향을 따라 상기 액티브 영역에 형성되는 채널 영역을 갖는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 트랜지스터는 모스(MOS) 트랜지스터에 해당될 수 있다.
도 14에 예시적으로 도시한 바와 같이, 상기 제1 트랜지스터는 기판(350) 상에 배치되는 게이트 구조물(363), 제1 불순물 영역(368) 및 제2 불순물 영역(370)을 포함한다.
게이트 구조물(363)은 게이트 절연막 패턴(355), 게이트 전극(358) 및 게이트 마스크(360)를 포함한다. 게이트 구조물(363)의 측벽 상에는 게이트 스페이서(365)가 제공된다. 제1 및 제2 불순물 영역(368, 370)은 인접하는 게이트 구조물(363)들 사이의 액티브 영역에 위치한다. 상기 제1 트랜지스터의 채널 영역은 제1 및 제2 불순물 영역(368, 370) 사이에서 기판(350)에 대해 실질적으로 평행한 방향을 따라 상기 액티브 영역에 형성된다.
기판(350) 상에는 상기 제1 트랜지스터를 덮는 제1 층간 절연막(371)이 배치된다. 제1 층간 절연막(371)은 인접하는 제1 트랜지스터들과 도전성 패턴들 및 배선들을 전기적으로 절연시키도록 기판(350) 상에 배치된다.
제1 층간 절연막(371)을 관통하여 제1 및 제2 불순물 영역(368, 370)에 각기 접촉되는 제1 및 제2 플러그(373, 375)가 위치한다. 제1 층간 절연막(371) 상에는 제2 플러그(375)를 통해 제2 불순물 영역(370)에 전기적으로 연결되는 비트 라인(도시되지 않음)이 위치한다. 여기서, 상기 비트 라인은 게이트 구조물(363)과 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다.
제1 층간 절연막(371) 상에 상기 비트 라인이 매립되는 제2 층간 절연막(380)이 배치된다. 제2 층간 절연막(380) 상에는 상기 비트 라인을 덮는 제3 층간 절연막(383)이 위치하며, 제3 층간 절연막(383) 상에는 식각 저지막(385)이 배치된다.
제3 층간 절연막(383)과 제2 층간 절연막(380)을 관통하여 제1 플러그(373)를 노출시키는 개구(도시되지 않음)가 형성되며, 제1 도전 패턴(390)은 이와 같은 개구 내에 배치된다. 제1 도전 패턴(390)으로부터 제2 도전 패턴(395)이 기판(350)에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 연장되며, 제3 도전 패턴(400)은 제2 도전 패턴(395) 상에 위치한다.
식각 저지막(385) 상에 제1 내지 제3 도전 패턴(390, 395, 400)을 구비하는 상기 전극 구조체를 커버하는 유전층(401)이 형성되며, 유전층(401) 상에는 상부 전극(402)이 배치된다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 15a를 참조하면, 반도체 기판 또는 반도체층을 갖는 기판(350) 상에 소자 분리막(353)을 형성하여, 기판(350)에 액티브 영역과 필드 영역을 정의한다. 소자 분리막(353)은 실리콘 산화물 등의 산화물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 소자 분리막(353)은 쉘로우 트렌치 분리(STI) 공정과 같은 소자 분리 공정을 통해 형성될 수 있다.
소자 분리막(353)을 갖는 기판(350) 상에 게이트 절연막, 게이트 도전막 및 게이트 마스크층을 순차적으로 형성한 후, 상기 게이트 절연막, 상기 게이트 도전막 및 상기 게이트 마스크층을 패터닝하여 게이트 구조물(363)을 형성한다. 게이트 구조물(363)은 게이트 절연막 패턴(355), 게이트 전극(358) 및 게이트 마스크(360)를 포함한다. 게이트 절연막 패턴(355)은 실리콘 산화물 및/또는 금속 산화물을 사용하여 형성될 수 있으며, 게이트 전극(358)은 금속, 금속 화합물 및/또는 폴리실리콘을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 게이트 마스크(360)는 질화물, 산질화물 등을 사용하여 형성될 수 있다.
게이트 구조물(363)의 측벽 상에 게이트 마스크(365)를 형성한다. 게이트 마스크(365)는 실리콘 질화물이나 실리콘 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다. 게이트 구조물(363) 및 게이트 마스크(365)를 이온 주입 마스크들로 이용하여, 인접하는 게이트 구조물(363)들 사이로 노출되는 상기 액티브 영역에 제1 및 제2 불순물 영역(368, 370)을 형성한다.
게이트 마스크(365)가 제공된 게이트 구조물(363)을 충분히 덮으면서 기판(350) 상에 제1 층간 절연막(371)을 형성한다. 제1 층간 절연막(371)은 실리콘 산화물 등의 산화물을 사용하여 형성될 수 있다. 제1 층간 절연막(371)을 부분적으로 식각하여 제1 및 제2 불순물 영역(368, 370)을 각기 노출시키는 제1 및 제2 개구(372, 374)를 형성한다. 예를 들면, 제1 및 제2 개구(372, 374)는 이방성 식각 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
도 15b를 참조하면, 제1 및 제2 불순물 영역(368, 370) 상에 제1 및 제2 개구(372, 374)를 각기 채우는 제1 및 제2 플러그(373, 375)를 형성한다. 제1 및 제2 플러그(373, 375)는 각기 금속 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다.
제2 플러그(375) 상에 비트 라인(도시되지 않음)을 형성한다. 이러한 비트 라인은 비트 라인 전극, 비트 라인 마스크 및 비트 라인 스페이서를 구비할 수 있다. 상기 비트 라인을 덮으면서 제1 및 제2 플러그(373, 375)와 제1 층간 절연막(371) 상에 제2 층간 절연막(380)을 형성한다. 제2 층간 절연막(380)은 실리콘 산화물과 같은 산화물을 사용하여 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 비트 라인이 노출될 때까지 제2 층간 절연막(380)을 평탄화시킬 수 있다. 예를 들면, 화학 기계적 연마 공정 및/또는 에치 백 공정을 통해 제2 층간 절연막(380)을 연마할 수 있다.
제2 층간 절연막(380) 상에 제3 층간 절연막(383)을 형성한다. 제3 층간 절연막(383)은 제1 층간 절연막(371) 및/또는 제2 층간 절연막(380)과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 제3 층간 절연막(383)과 제2 층간 절연막(380)을 부분적으로 식각하여 제1 플러그(373)를 노출시키는 제3 개구(도시되지 않음)를 형성한다. 예를 들면, 이방성 식각 공정을 통해 제2 및 제3 층간 절연막(380, 383)을 부분적으로 식각함으로써, 상기 제3 개구를 형성할 수 있다.
상기 제3 개구를 채우면서 제1 플러그(373)에 접촉되는 예비 제1 도전 패턴(388)을 형성한다. 예비 제1 도전 패턴(388)은 도 2b 또는 도 7a를 참조하여 설명한 공정들과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정들을 통하여 상기 제3 개구를 채우면서 제3 층간 절연막(383) 상부로 돌출될 수 있다.
도 15c를 참조하면, 예비 제1 도전 패턴(388)으로부터 제2 도전 패턴(395)을 성장시키면서 예비 제1 도전 패턴(388)을 제1 도전 패턴(390)으로 변화시킨다. 제1 및 제2 도전 패턴(390, 395)을 형성하기 위한 산화 공정은 상술한 여러 실시예들의 경우와 실질적으로 동일하거나 유사하다.
제3 층간 절연막(383) 상에 식각 저지막(385)을 형성한다. 식각 저지막(385)은 제1 내지 제3 층간 절연막(371, 380, 383)에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 식각 저지막(385)은 질화물, 산질화물 등을 사용하여 형성될 수 있다.
도 7c 내지 도 7e를 참조하여 설명한 공정들과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정들을 진행하여 도 14를 참조하여 설명한 도시한 전극 구조체와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가지는 전극 구조체를 형성한다. 상기 전극 구조체와 식각 저지막(385) 상에 유전층 패턴(도시되지 않음) 및 상부 전극(도시되지 않음)을 차례로 형성하여 도 14에 도시한 반도체 메모리 장치와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가지는 반도체 장치를 제조한다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치를 설명하기 위한 단면도이다. 도 16에 도시한 반도체 장치에 적용된 전극 구조체는 도 6을 참조하여 설명한 전극 구조체와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가지지만, 전술한 바와 유사하게 도 8, 도 10 또는 도 12를 참조하여 설명한 다양한 전극 구조체들과 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가지는 전극 구조체가 상기 반도체 장치에 적용될 수도 있다.
도 16을 참조하면, 상기 반도체 장치는 기판(403) 상에 배치되는 스위칭 소자들과 전극 구조체를 포함한다. 상기 스위칭 소자들은 기판(403)의 제1 영역(A)에 위치하는 제1 트랜지스터들과 기판(403)의 제2 영역(B)에 위치하는 제2 트랜지스터들을 포함할 수 있다.
기판(403)은 반도체층을 갖는 기판을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판(403)은 SOI 기판, GOI 기판 등을 포함할 수 있다. 기판(403)의 제1 영역(A)은 상기 반도체 메모리 장치의 단위 셀들이 구비되는 셀 영역에 해당될 수 있으며, 제2 영역(B)은 상기 단위 셀들을 제어하기 위한 소자들이 형성되는 주변 회로 영역에 해당될 수 있다. 상기 제1 트랜지스터는 기판(403)에 대해 실질적으로 수직한 방향을 따라 형성되는 채널 영역을 포함할 수 있으며, 상기 제2 트랜지스터는 기판(403)에 대해 실질적으로 수평한 방향을 따라 형성되는 채널 영역을 포함할 수 있다.
기판(403) 상에는 하부 절연층(406)이 형성되며, 하부 절연층(406) 상에 상기 스위칭 소자들의 전기적인 연결을 위한 제1 및 제2 배선(408, 409)이 배치된다. 상기 제1 및 제2 트랜지스터들은 각기 제1 및 제2 배선(408, 409) 상부에 위치한다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 제1 영역(A)의 제1 배선(408)은 상기 반도체 장치의 메모리 셀들을 위한 매립 비트 라인(buried bit line)의 역할을 수행할 수 있다.
상기 제1 트랜지스터는 제1 액티브 패턴(412), 제1 게이트 절연막(421), 제1 게이트 전극(424), 제1 불순물 영역(418) 및 제2 불순물 영역(427)을 포함한다.
제1 게이트 전극(412)은 제1 액티브 패턴(412)의 상부를 감싸면서 기판(403) 상에서 소정의 방향으로 연장된다. 상기 제1 트랜지스터의 채널 영역은 기판(403)에 대해 수직하게 배치된 제1 및 제2 불순물 영역(418, 427) 사이의 제1 액티브 패턴(412)에 형성된다.
상기 제2 트랜지스터는 제2 액티브 패턴(415) 상에 배치된다. 상기 제2 트랜지스터는 제2 게이트 절연막 패턴(430), 제2 게이트 전극(433), 게이트 마스크(436), 게이트 스페이서(439), 제3 불순물 영역(442) 및 제4 불순물 영역(445)을 포함한다. 상기 제2 트랜지스터의 채널 영역은 기판(403)에 대해 수평하게 배치된 제3 및 제4 불순물 영역(442, 445) 사이의 제2 액티브 패턴(415)에 형성된다.
제1 층간 절연막(416)은 제1 액티브 패턴(412)의 하부와 제2 액티브패턴(415)을 덮으면서 기판(403) 상에 배치되며, 제2 층간 절연막(440)은 상기 제1 및 제2 제2 트랜지스터를 충분히 커버하도록 제1 층간 절연막(416) 상에 형성된다. 제2 층간 절연막(440) 상에는 식각 저지막(448)이 위치한다.
상기 전극 구조체의 제1 도전 패턴(415)은 식각 저지막(448) 및 제2 층간 절연막(440)을 관통하여 상기 제1 트랜지스터의 제2 불순물 영역(427)에 접촉된다. 제2 도전 패턴(454)은 제1 도전 패턴(415)으로부터 연장되어 식각 저지막(448) 상부로 돌출된다. 제3 도전 패턴(457)은 제2 도전 패턴(454) 상에 배치된다.
기판(403)의 제1 영역(A)에는 상기 전극 구조체의 제3 및 제3 도전 패턴(457, 454)을 감싸는 유전층(460)이 형성되며, 유전층(460) 상에는 상부 전극(470)이 배치된다.
도 17a 내지 도 17g는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 17a를 참조하면, 반도체층과 하부 절연층(406)을 가지는 기판(403) 상에 배선층(407)을 형성한다. 예를 들면, 기판(403)은 상부에 반도체층이 형성된 SOI 기판, GOI 기판 등을 포함할 수 있다. 기판(403)이 SOI 기판 또는 GOI 기판을 포함하는 경우, 배선층(407)은 기판(403)의 반도체층과 절연층 사이에 형성될 수 있다.
하부 절연층(406)은 산화물 또는 질화물로 이루어질 수 있으며, 배선층(407)은 금속, 금속 화합물 및/또는 폴리실리콘을 사용하여 형성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 혼합되어 사용될 수 있다.
기판(403)의 상기 반도체층 상에 마스크층(도시되지 않음)을 형성한 다음, 상기 마스크층을 식각하여 기판(403)의 제1 영역(A) 상부에 제1 마스크(410)를 형성하고, 기판(403)의 제2 영역(B) 상부에 제2 마스크(413)를 형성한다. 제1 및 제2 마스크(410, 413)는 상기 반도체층에 대해 식각 선택비를 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 마스크(410, 413)는 실리콘 질화물이나 실리콘 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 제2 마스크(413)는 제1 마스크(410) 보다 실질적으로 넓은 폭을 가질 수 있다. 또한, 제1 마스크(410)는 원형 필라, 타원형 필라 또는 다각형 필라 등의 다양한 필라 구조를 가질 수 있으며, 원형, 타원형. 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다. 한편, 제2 마스크(413)는 상기 반도체층 상에서 소정의 방향을 따라 연장되는 라인 형상 또는 바 형상을 가질 수 있다. 기판(403)의 제1 영역(A)에는 복수의 제1 마스크(410)들이 형성될 수 있으며, 제2 영역(B)에도 복수의 제2 마스크(413)들이 형성될 수 있다.
제1 및 제2 마스크(410, 413)를 식각 마스크들로 사용하여 기판(403)의 반도체층을 부분적으로 식각함으로써, 기판(403)의 제1 영역(A)에 예비 제1 액티브 패턴(411)을 형성하고, 기판(403)의 제2 영역(B)에 예비 제2 액티브 패턴(414)을 형성한다. 예비 제1 및 제2 액티브 패턴(411, 414)은 각기 이방성 식각 공정으로 상기 반도체층을 식각하여 형성될 수 있다. 기판(403)의 제1 영역(A)에는 복수의 예비 제1 액티브 패턴(411)들이 형성될 수 있으며, 기판(403)의 제2 영역(B)에는 복수의 예비 제2 액티브 패턴(414)들이 형성될 수 있다. 이 경우, 예비 제1 액티브 패턴(411)은 제1 마스크(410)의 형상에 따라 원형 필라, 타원형 필라 또는 다각형 필라 등의 여러 가지 필라 형상을 가질 수 있으며, 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 예비 제2 액티브 패턴(414)도 제2 마스크(413)의 형상에 따라 라인 형상 또는 바의 형상을 가질 수 있다.
도 17b를 참조하면, 예비 제1 액티브 패턴(411) 및 제1 마스크(410)의 측벽 상에 스페이서(460)를 형성한다. 스페이서(460)는 실리콘 질화물과 같은 질화물이나 실리콘 산질화물 등의 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
예비 제1 액티브 패턴(411)에 인접하는 부분의 상기 반도체층에 제1 불순물들을 도핑하여 예비 제1 불순물 영역(417)을 형성한다. 예비 제1 불순물 영역(417)은 기판(403)의 제1 영역(A)에서 인접하는 예비 제1 액티브 패턴(411)들 사이로 노출되는 부분에 형성된다. 상기 제1 불순물들은 P형 불순물들 또는 N형 불순물들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 예비 제1 불순물 영역(417)은 붕소(B), 인듐(In) 등과 같은 P형 불순물 등을 포함하거나, 질소(N), 비소(As) 등과 같은 N형 불순물들을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 예비 제1 불순물 영역(417)은 추가적인 배선이나 콘택 또는 플러그 등을 통해 후속하여 형성되는 제1 배선(408)(도 17c 참조)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 17c를 참조하면, 제1 및 제2 마스크(410, 413)와 스페이서(460)를 식각 마스크들로 이용하여 상기 반도체층의 하부를 식각함으로써, 기판(403)의 제1 및 제2 영역(A, B)에 각기 제1 액티브 패턴(412)과 제2 액티브 패턴(415)을 형성한다. 제1 액티브 패턴(412)의 하부는 상부 보다 실질적으로 넓은 폭을 가질 수 있으며, 제2 액티브 패턴(415)의 하부는 상부와 실질적으로 동일한 폭을 가질 수 있다. 즉, 제1 액티브 패턴(412)의 하부와 상부 사이에는 단차가 형성될 수 있다.
제1 및 제2 액티브 패턴(412, 415)을 형성하기 위한 식각 공정 동안, 예비 제1 불순물 영역(417)도 부분적으로 식각되어 제1 액티브 패턴(412)의 중앙부에 제1 불순물 영역(418)이 형성된다. 제1 불순물 영역(418)은 기판(403)에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 형성되는 채널을 가지는 제1 트랜지스터의 소스/드레인 영역으로 기능할 수 있다.
제1 및 제2 마스크(410, 413)와 스페이서(460)를 계속 식각 마스크들로 이용하여 배선층(407)을 패터닝함으로써, 제1 액티브 패턴(412) 아래에 제1 배선(408)을 형성하는 한편, 제2 액티브 패턴(415) 아래에 제2 배선(409)을 형성한다. 제1 배선(408)은 제1 액티브 패턴(412)의 하부와 실질적으로 동일한 폭을 가질 수 있다. 낮은 저항을 갖는 제1 배선(408)은 제1 불순물 영역(418)에 전기적으로 연결되는 매립 비트 라인으로 기능할 수 있기 때문에 이러한 제1 배선(408)을 포함하는 반도체 메모리 장치의 저항을 감소시킬 수 있다. 또한, 제2 배선(409)은 제2 액티브 패턴(415)의 하부와 실질적으로 동일한 폭을 가질 수 있으며, 기판(403)의 제2 영역(B)에서 연결 배선으로 기능할 수 있다.
다시 도 17c를 참조하면, 기판(403)의 제1 및 제2 영역(A, B) 상에 제1 및 제2 액티브 패턴(412, 415)을 덮는 예비 제1 층간 절연막(463)을 형성한다. 예비 제1 층간 절연막(463)은 실리콘 산화물 등의 산화물을 사용하여 형성될 수 있다.
도 17d를 참조하면, 예비 제1 층간 절연막(463)을 부분적으로 제거하여 기판(403) 상부에 제1 층간 절연막(416)을 형성한다. 제1 층간 절연막(416)은 기판(403)의 제1 영역(A)에서 제1 액티브 패턴(412)들의 하부들 사이를 부분적으로 매립하며, 기판(403)의 제2 영역(B)에서는 제2 액티브 패턴(415)의 상부 표면들을 노출시킨다. 예를 들면, 제1 층간 절연막(416)은 제1 액티브 패턴(412)의 하부를 커버할 수 있으며, 제1 액티브 패턴(412)의 상부는 노출시킬 수 있다. 또한, 제1 불순물 영역(418)도 제1 층간 절연막(416)으로 덮여진다. 이에 따라, 제1 층간 절연막(416)은 기판(403)의 제1 영역(A)에서 제1 액티브 패턴(412)의 하부와 상부 사이에 위치하는 높이를 가질 수 있다. 한편, 기판(403)의 제2 영역(B)에서는 제1 층간 절연막(416)은 제2 액티브 패턴(415) 상의 제2 마스크(413)를 노출시킨다. 즉, 제1 층간 절연막(416)의 상면은 제2 영역(B)에서 제2 마스크(413)의 상면과 실질적으로 동일한 높이에 위치할 수 있다.
제1 층간 절연막(416)에 의해 노출된 제1 액티브 패턴(412)의 상부 측벽 상에 제1 게이트 절연막(421)을 형성한다. 제1 게이트 절연막(421)은 제1 액티브 패턴(412)과 후속하여 형성되는 제1 게이트 전극(424) 사이를 전기적으로 절연시키는 기능을 수행한다. 제1 게이트 절연막(421)은 제1 액티브 패턴(412)의 상부 측벽을 감싸도록 형성될 수 있다. 제1 게이트 절연막(421)은 실리콘 산화물 및/또는 금속 산화물을 사용하여 형성될 수 있다.
제1 층간 절연막(416) 상에 제1 액티브 패턴(412)을 덮는 도전막(도시되지 않음)을 형성한다. 이러한 도전막은 불순물들이 도핑된 폴리실리콘, 금속 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 도전막 상에 제3 마스크(도시되지 않음)를 형성한 후, 상기 제3 마스크를 식각 마스크로 이용하여, 상기 도전막을 부분적으로 식각함으로써 제1 층간 절연막(416) 상에 제1 게이트 전극(424)을 형성한다. 제1 게이트 전극(424)은 제1 액티브 패턴(412)의 상부 측벽을 감싸도록 형성될 수 있다. 또한, 제1 게이트 전극(424)은 제1 액티브 패턴(412)의 상부보다 실질적으로 낮은 높이로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 액티브 패턴(412)의 상부는 제1 게이트 전극(424)으로부터 부분적으로 노출될 수 있다.
기판(403)의 제1 영역(A)의 제1 마스크(411)를 제거하여 제1 액티브 패턴(412)의 상부 표면을 노출시킨다. 이 경우, 기판(403)의 제2 영역(B)에 위치하는 제2 마스크(413)는 제거되지 않을 수 있다.
노출된 제1 액티브 패턴(412)의 상부 표면에 제2 불순물들을 주입하여 제2 불순물 영역(427)을 형성한다. 제2 불순물 영역(427)은 상기 제1 트랜지스터의 소스/드레인 영역으로 기능할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 불순물들은 P형 불순물들 또는 N형 불순물들을 포함할 수 있다. 또한, 제2 불순물 영역(427)의 제2 불순물은 제1 불순물 영역(418)의 제1 불순물들과 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다.
제2 불순물 영역(427)이 형성되면, 기판(403)의 제1 영역(A)에는 제1 액티브 패턴(412), 제1 게이트 절연막(421), 제1 게이트 전극(424), 제1 불순물 영역(418) 및 제2 불순물 영역(427)을 포함하는 제1 트랜지스터가 형성된다. 따라서, 상기 제1 트랜지스터는 제1 게이트 전극(424)의 하부 및 상부에 각기 인접하는 제1 및 제2 불순물 영역(418, 427)을 포함한다.
기판(403)의 제2 영역(B)에서 제2 마스크(413)를 제거하여 제2 액티브 패턴(415)을 노출시킨 후, 노출된 제2 액티브 패턴(415) 상에 제2 게이트 절연막(430), 제2 게이트 전극(433) 및 게이트 마스크(436)를 차례로 형성한다. 제2 게이트 절연막(430)은 실리콘 산화물 및/또는 금속 산화물을 사용하여 형성할 수 있으며, 제2 게이트 전극(433)은 불순물들이 폴리실리콘, 금속 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 게이트 마스크(436)는 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 등과 같이 제1 층간 절연막(416) 및 제2 액티브 패턴(415)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
다시 도 17d를 참조하면, 게이트 마스크(436)와 제2 게이트 전극(433)의 측벽들 상에 게이트 스페이서(439)를 형성한다. 게이트 스페이서(439)는 실리콘 질화물과 같은 질화물이나 실리콘 산질화물 등의 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
제2 게이트 전극(433)과 게이트 스페이서(436)를 마스크들로 이용하여 제2 게이트 전극(433)에 인접하는 제2 액티브 패턴(415)에 제3 불순물들을 주입함으로써 제3 불순물 영역(442) 및 제4 불순물 영역(445)을 형성한다. 제3 및 제4 불순물 영역(442, 445)은 각기 제2 게이트 전극(433)의 일측 및 타측에 인접하는 제2 액티브 패턴(415)의 부분들에 형성될 수 있다. 그 결과, 기판(403)의 제2 영역(B)에는 제2 게이트 절연막(430), 제2 게이트 전극(433), 제3 불순물 영역(442) 및 제4 불순물 영역(445)을 포함하는 제2 트랜지스터가 형성된다.
제1 층간 절연막(416) 상에 제2 층간 절연막(440)을 형성한 후, 제2 층간 절연막(440) 상에 식각 저지막(448) 및 희생막(466)을 순차적으로 형성한다. 희생막(466), 식각 저지막(448) 및 제2 층간 절연막(440)을 부분적으로 식각함으로써, 제1 액티브 패턴(412) 상부에 위치하는 제2 불순물 영역(427)을 노출시키는 개구(468)를 형성한다. 식각 저지막(448), 희생막(466) 및 개구(468)를 형성하는 공정들은 상술한 여러 가지 실시예들의 경우와 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다.
개구(468)를 채우는 제1 및 제2 도전 패턴(도시되지 않음)을 형성한 다음, 상기 제2 도전 패턴 상에 제3 도전 패턴을 형성하여 도 16을 참조하여 설명한 도시한 전극 구조체와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가지는 전극 구조체를 형성한다. 상기 전극 구조체를 커버하는 유전층과 상부 전극을 순차적으로 형성함으로써, 기판(403) 상에 캐패시터를 포함하는 반도체 장치를 제조한다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 장치를 구비하는 메모리 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 18을 참조하면, 메모리 장치(510)는 컴퓨터와 같은 메모리 시스템(500) 내에 위치하는 중앙 처리 장치(CPU)(520)에 전기적으로 연결된다. 메모리 시스템(500)은 퍼스널 컴퓨터, 퍼스널 데이터 어시스턴트 등을 포함할 수 있다. 메모리 장치(510)는 중앙 처리 장치(520)에 직접 연결되거나 또는 버스(bus) 등을 통해 연결될 수 있다.
메모리 장치(510)에는 전술한 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비하는 캐패시터가 적용될 수 있다. 따라서, 메모리 장치(510)는 높은 집적도와 축적 용량을 가지면서 요구되는 수준의 전기적 특성을 만족시킬 수 있다. 이러한 메모리 장치(510)가 메모리 시스템(500)에 적용되기 때문에, 메모리 시스템(500)의 성능 향상을 도모할 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 메모리 장치를 포함하는 메모리 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 19를 참조하면, 메모리 시스템(550)은 휴대용 전자 장비를 포함할 수 있다. 예를 들면, 메모리 시스템(550)은 PMP 장치, 휴대용 통신 장치, MP3 플레이어, 휴대용 디스플레이 플레이어, 전자 사전 등에 해당될 수 있다. 메모리 시스템(550)은 반도체 메모리 장치(555), 메모리 컨트롤러(560), EDC(565), 표시 부재(570) 및 인터페이스(575)를 구비한다. 메모리 장치(555)는 상술한 바와 같은 본 발명의 여러 실시예들에 따른 전극 구조체를 구비할 수 있다.
음향 데이터 또는 영상 데이터 등과 같은 데이터는 EDC(565)에 의해 메모리 컨트롤러(560)를 통해 반도체 메모리 장치(555)에 입력되거나 메모리 장치(555)로부터 출력된다. 이러한 음향 및/또는 영상 데이터는 EDC(565)로부터 메모리 장치(555)로 직접 입력될 수 있지만, 메모리 장치(555)로부터 EDC(565)까지 직접 출력될 수도 있다. EDC(565)는 상기 음향 및/또는 영상 데이터를 메모리 장치(555) 내에 저장하도록 인코딩(encoding)한다. 예를 들면, EDC(565)는 메모리 장치(555) 내에 음향 데이터를 저장하기 위하여 MP3 파일로 인코딩할 수 있다. 또한, EDC(565)는 메모리 장치(555) 내에 영상 데이터를 저장하기 위하여 MPEG 파일로 인코딩할 수 있다. EDC(565)는 서로 다른 포맷들에 따라 서로 다른 형태를 갖는 데이터들을 인코딩하기 위한 복합 인코더를 포함할 수 있다. 예를 들면, EDC(565)는 음향 데이터를 위한 MP3 인코더 및 영상 데이터를 위한 MPEG 인코더를 동시에 포함할 수 있다.
또한, EDC(565)는 메모리 장치(555)로부터 출력을 디코딩(decoding)할 수 있다. 예를 들면, EDC(565)는 메모리 장치(555)로부터 출력된 음향 데이터를 MP3 파일로 디코딩할 수 있다. 한편, EDC(565)는 메모리 장치(555)로부터 출력된 영상 데이터를 MPEG 파일로 디코딩할 수 있다. 또한, EDC(565)는 음향 데이터를 위한 MP3 디코더와 영상 데이터를 위한 MPEG 디코더를 동시에 포함할 수 있다. 그러나, EDC(565)는 음향 및/또는 영상 데이터를 위한 디코더만을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 인코딩된 음향 및/또는 영상 데이터가 EDC(565)로 입력되어 메모리 컨트롤러(620) 및/또는 메모리 장치(555)로 전달될 수 있다.
EDC(565)는 인터페이스(575)를 경유하여 인코딩을 위한 음향 및/또는 영상 데이터 또는 인코딩된 음향 및/또는 영상 데이터를 수신할 수 있다. 인터페이스(575)는 파이어 와이어 인터페이스, USB 인터페이스 등을 포함할 수 있다. 음향 및/또는 영상 데이터는 메모리 장치(555)로부터 인터페이스(575)를 경유하여 표시 부재(570)를 통해 출력될 수 있다.
표시 부재(570)는 메모리 장치(555)로부터 직접 출력되거나 EDC(565)에 의하여 디코딩된 음향 및/또는 영상 데이터를 사용자에게 표시할 수 있다. 표시 부재(570)는 음향 데이터를 출력하기 위한 스피커 잭이나 영상 데이터를 출력하는 디스플레이 스크린 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 전술한 바와 같이 높은 집적도와 축적 용량을 확보하면서 요구되는 수준의 전기적 특성을 구비하는 메모리 장치(555)가 메모리 시스템(550)에 적용됨으로써, 메모리 시스템(550)의 성능을 개선시킬 수 있다.
상술한 바에서는 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1, 50：대상체 3, 53：예비 절연층
5, 55, 105, 205, 305：절연층
7, 58, 113, 388：예비 제1 도전 패턴
10, 60, 115, 116, 215, 313, 390, 451：제1 도전 패턴
15, 65, 120, 121, 220, 320, 395, 454：제2 도전 패턴
18, 150, 250, 340, 460：유전층 23：상부 전극층
20, 70：유전층 패턴 25, 75, 160, 260, 345, 470：상부 전극
40, 95：캐패시터 80：희생층
85, 118：제1 희생 패턴 88, 134：제2 희생 패턴
100, 200, 300, 350, 403：기판 110, 210, 310, 385, 448：식각 저지막
123, 117, 218, 318：제1 희생층
125, 126, 225, 325, 400, 457：제3 도전 패턴
123, 128, 233, 323：제2 희생층 129：지지층
130, 230, 330：지지 부재 140：제3 희생층
221：희생 도전 패턴 353：소자 분리막
355：게이트 절연막 패턴 358：게이트 전극
360, 436：게이트 마스크 363：게이트 구조물
365, 439：게이트 스페이서 368, 418：제1 불순물 영역
370, 427：제2 불순물 영역 371, 416：제1 층간 절연막
373：제1 플러그 375：제2 플러그
380, 440：제2 층간 절연막 383：제3 층간 절연막
408：제1 배선 409：제2 배선
412：제1 액티브 패턴 415：제2 액티브 패턴
421：제1 게이트 절연막 424：제1 게이트 전극
430：제2 게이트 절연막 433：제2 게이트 전극
442：제3 불순물 영역 445：제4 불순물 영역
5, 55, 105, 205, 305：절연층
7, 58, 113, 388：예비 제1 도전 패턴
10, 60, 115, 116, 215, 313, 390, 451：제1 도전 패턴
15, 65, 120, 121, 220, 320, 395, 454：제2 도전 패턴
18, 150, 250, 340, 460：유전층 23：상부 전극층
20, 70：유전층 패턴 25, 75, 160, 260, 345, 470：상부 전극
40, 95：캐패시터 80：희생층
85, 118：제1 희생 패턴 88, 134：제2 희생 패턴
100, 200, 300, 350, 403：기판 110, 210, 310, 385, 448：식각 저지막
123, 117, 218, 318：제1 희생층
125, 126, 225, 325, 400, 457：제3 도전 패턴
123, 128, 233, 323：제2 희생층 129：지지층
130, 230, 330：지지 부재 140：제3 희생층
221：희생 도전 패턴 353：소자 분리막
355：게이트 절연막 패턴 358：게이트 전극
360, 436：게이트 마스크 363：게이트 구조물
365, 439：게이트 스페이서 368, 418：제1 불순물 영역
370, 427：제2 불순물 영역 371, 416：제1 층간 절연막
373：제1 플러그 375：제2 플러그
380, 440：제2 층간 절연막 383：제3 층간 절연막
408：제1 배선 409：제2 배선
412：제1 액티브 패턴 415：제2 액티브 패턴
421：제1 게이트 절연막 424：제1 게이트 전극
430：제2 게이트 절연막 433：제2 게이트 전극
442：제3 불순물 영역 445：제4 불순물 영역
Claims (35)
- 개구를 갖는 절연층을 구비하는 대상체;
상기 개구를 채우면서 상기 절연층으로부터 돌출되는 금속을 포함하는 제1 도전 패턴, 상기 제1 도전 패턴으로부터 생성되는 금속 산화물을 포함하며, 상기 제1 도전 패턴으로부터 연장되는 제2 도전 패턴, 그리고 상기 제2 도전 패턴 상에 배치되고, 하부 직경보다 넓은 상부 직경을 갖는 제3 도전 패턴을 구비하는 전극 구조체;
상기 제2 도전 패턴 및 상기 제3 도전 패턴 상에 배치되는 유전층; 및
상기 유전층 상에 배치되는 상부 전극을 포함하는 캐패시터. - 제1항에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 텅스텐, 루테늄 또는 인듐을 포함하며, 상기 제2 도전 패턴은 텅스텐 산화물, 루테늄 산화물 또는 인듐 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 도전 패턴과 상기 제2 도전 패턴은 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 도전 패턴과 상기 제2 도전 패턴은 동일한 단면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 볼록한 상부 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 도전 패턴은 상기 제1 도전 패턴의 상부 측부로부터 상기 대상체에 대해 수직한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
- 제6항에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 오목한 상부 표면을 가지며, 상기 제2 도전 패턴은 원형 실린더, 타원형 실린더 또는 다각형 실린더의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
- 제6항에 있어서, 상기 제2 도전 패턴의 하부는 상기 제1 도전 패턴에 부분적으로 매립되는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
- 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층에 매립되고, 금속을 포함하는 제1 도전 패턴을 형성하는 단계;
상기 절연층 상에 제1 희생층을 형성하는 단계;
상기 제1 도전 패턴으로부터 생성되는 금속 산화물을 포함하는 제2 도전 패턴을 형성하는 단계;
상기 제1 희생층 상에 상기 제2 도전 패턴을 덮는 제2 희생층을 형성하는 단계;
상기 제2 희생층을 식각하여 상기 제2 도전 패턴을 노출시키는 개구를 형성하는 단계;
상기 노출된 제2 도전 패턴과 상기 개구의 측벽 상에 제3 도전 패턴을 형성하는 단계;
상기 제2 도전 패턴 및 상기 제3 도전 패턴 상에 유전층을 형성하는 단계; 및
상기 유전층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 캐패시터의 제조 방법. - 제9항에 있어서, 상기 제3 도전 패턴을 형성하는 단계는 인접하는 제3 도전 패턴들 사이에 지지 부재를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.
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