KR102633069B1 - 반도체장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 기술은 산화억제층을 구비한 캐패시터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 기술에 따른 캐패시터는 기판 상의 스토리지노드콘택플러그; 상기 스토리지노드콘택플러그 상의 하부전극; 상기 하부전극 상의 유전층; 상기 유전층 상의 상부전극; 상기 하부전극과 유전층 사이의 제1계면층; 및 상기 스토리지노드콘택플러그와 하부전극 사이의 제2계면층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 상세하게는 산화억제물질을 구비한 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 캐패시터는 하부전극, 유전층 및 상부전극을 포함할 수 있다. 반도체 장치의 집적도가 증가함에 따라 유전층의 두께가 감소하고 있다. 유전층의 두께가 감소하면, 누설전류가 증가할 수 있다. 누설전류를 감소시키기 위해 유전층의 두께를 증가시키면 등가산화막두께(Equivalent Oxide Thickness; EOT)가 증가하게 된다.
본 발명의 실시예들은 하부전극의 산화를 방지할 수 있는 반도체장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 캐패시터는, 기판 상의 스토리지노드콘택플러그; 상기 스토리지노드콘택플러그 상의 하부전극; 상기 하부전극 상의 유전층; 상기 유전층 상의 상부전극; 상기 하부전극과 유전층 사이의 제1계면층; 및 상기 스토리지노드콘택플러그와 하부전극 사이의 제2계면층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 캐패시터 제조 방법은 스토리지노드콘택구조물이 형성된 하부 구조물 상에 몰드구조물을 형성하는 단계; 상기 몰드구조물을 식각하여 상기 스토리지노드콘택구조물을 노출시키는 오프닝을 형성하는 단계; 상기 오프닝이 형성된 몰드구조물 상에 산화억제물질을 형성하는 단계; 상기 산화억제물질 상에 상기 오프닝을 채우는 하부전극을 형성하는 단계; 상기 산화억제물질을 선택적으로 제거하여 상기 하부전극을 에워싸는 초기 계면층을 형성하는 단계; 상기 몰드구조물을 제거하여 상기 초기 계면층을 노출시키는 단계; 상기 하부전극의 측벽에 형성된 초기 계면층을 절연성 계면층으로 컨버팅시키기 위해, 상기 초기 계면층 상에 유전층을 형성하는 단계; 및 상기 유전층 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 기술은 하부전극 및 유전층 형성 이전에 산화억제물질을 형성하므로써, 유전층 형성 동안에 하부전극이 산화되는 것을 억제할 수 있다.
본 기술은 절연성 계면층이 높은 유전율 및 높은 밴드갭을 가지므로, 캐패시터의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 캐패시터를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3j는 일실시예에 따른 반도체장치를 제조하는 방법의 일예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 제조하는 방법의 일예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3j는 일실시예에 따른 반도체장치를 제조하는 방법의 일예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 제조하는 방법의 일예를 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에서 기재하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 단면도, 평면도 및 블록도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 일실시예에 따른 캐패시터를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 캐패시터(100)는 하부전극(101), 유전층(102) 및 상부전극(103)을 포함할 수 있다. 캐패시터(100)는 하부전극(101)과 유전층(102) 사이의 계면층(104)을 더 포함할 수 있다.
하부전극(101)은 금속함유물질을 포함할 수 있다. 하부전극(101)은 금속함유물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부전극(101)은 금속, 금속질화물, 도전성 금속산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하부전극(101)은 티타늄(Ti), 티타늄질화물(TiN), 탄탈륨질화물(TaN), 텅스텐(W), 텅스텐질화물(WN), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 루테늄산화물(RuO2), 이리듐산화물(IrO2) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 하부전극(101)은 실리콘함유물질을 포함할 수 있다. 하부전극(101)은 실리콘층, 실리콘저마늄층 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 하부전극(101)은 실리콘함유물질과 금속함유물질의 스택을 포함할 수 있다.
상부전극(103)은 실리콘함유물질, 저마늄함유물질, 금속함유물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상부전극(103)은 금속(Metal), 금속질화물(Metal nitride), 금속탄화물(Metal carbide), 도전성 금속산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상부전극(103)은 티타늄(Ti), 티타늄질화물(TiN), 탄탈륨질화물(TaN), 티타늄탄소질화물(TiCN), 탄탈륨탄소질화물(TaCN), 텅스텐(W), 텅스텐질화물(WN), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 루테늄산화물(RuO2), 이리듐산화물(IrO2) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상부전극(103)은 실리콘층(Si layer), 저마늄층(Ge layer), 실리콘저마늄층(SiGe layer) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상부전극(103)은 실리콘층 상에 실리콘저마늄층을 적층(Si/SiGe)하여 형성할 수 있다. 상부전극(103)은 저마늄층 상에 실리콘저마늄층을 적층(Ge/SiGe)하여 형성할 수 있다. 상부전극(103)은 실리콘함유물질과 금속함유물질의 스택을 포함할 수 있다. 상부전극(103)은 실리콘저마늄층과 금속질화물을 적층하여 형성할 수 있다. 상부전극(103)은 티타늄질화물 상에 실리콘저마늄층과 텅스텐질화물을 적층(TiN/SiGe/WN)하여 형성할 수 있다.
유전층(102)은 싱글 레이어드(single layered) 구조, 다층 레이어드(multi-layered) 구조, 라미네이트(laminated) 구조를 포함할 수 있다. 유전층(102)은 도핑(doping) 구조 또는 상호믹싱(intermixing) 구조일 수 있다. 유전층(102)은 고유전율 물질(High-k material)을 포함할 수 있다. 유전층(102)은 실리콘산화물(SiO2)보다 유전율이 높을 수 있다. 실리콘산화물은 약 3.9의 유전율을 가질 수 있고, 유전층(102)은 4 이상의 유전율을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 고유전율 물질은 약 20 이상의 유전율을 가질 수 있다. 고유전율 물질은 하프늄산화물(HfO2), 지르코늄산화물(ZrO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 니오븀산화물(Nb2O5) 또는 스트론튬티타늄산화물(SrTiO3)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 유전층(102)은 앞서 언급된 고유전율 물질을 두 층 이상 포함하는 복합층으로 이루어질 수도 있다. 유전층(102)은 지르코늄-베이스 산화물(Zr-base oxide)로 형성될 수 있다. 유전층(102)은 지르코늄산화물(ZrO2)을 포함하는 스택 구조일 수 있다. 지르코늄산화물(ZrO2)을 포함하는 스택 구조는 ZA(ZrO2/Al2O3) 또는 ZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2)를 포함할 수 있다. ZA는 지르코늄산화물 상에 알루미늄산화물이 적층된 구조일 수 있다. ZAZ는 지르코늄산화물, 알루미늄산화물 및 지르코늄산화물이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. ZrO2, ZA 및 ZAZ는 지르코늄산화물-베이스층(ZrO2-base layer)이라고 지칭될 수 있다. 다른 실시예에서, 유전층(102)은 하프늄-베이스 산화물(Hf-base oxide)로 형성될 수 있다. 유전층(102)은 하프늄산화물(HfO2)을 포함하는 스택 구조일 수 있다. 하프늄산화물(HfO2)을 포함하는 스택 구조는 HA(HfO2/Al2O3) 또는 HAH(HfO2/Al2O3/HfO2)를 포함할 수 있다. HA는 하프늄산화물 상에 알루미늄산화물이 적층된 구조일 수 있다. HAH는 하프늄산화물, 알루미늄산화물 및 하프늄산화물이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. HfO2, HA 및 HAH는 하프늄산화물-베이스층(HfO2-base layer)이라고 지칭될 수 있다.
ZA, ZAZ, HA 및 HAH에서 알루미늄산화물(Al2O3)은 지르코늄산화물(ZrO2) 및 하프늄산화물(HfO2)보다 밴드갭이 클 수 있다. 알루미늄산화물(Al2O3)은 지르코늄산화물(ZrO2) 및 하프늄산화물(HfO2)보다 유전율이 낮을 수 있다. 따라서, 유전층(102)은 고유전율물질 및 고유전물질보다 밴드갭이 큰 고밴드갭물질의 스택을 포함할 수 있다. 유전층(102)은 알루미늄산화물 외에 다른 고밴드갭물질로서 실리콘산화물(SiO2)을 포함할 수도 있다. 유전층(102)은 고밴드갭물질을 포함하므로써 누설전류가 억제될 수 있다. 고밴드갭물질은 극히 얇을 수 있다. 고밴드갭물질은 고유전율물질보다 얇을 수 있다.
다른 실시예에서, 유전층(102)은 고유전율물질과 고밴드갭물질이 번갈아 적층된 라미네이트 구조를 포함할 수 있다. 예컨대, ZAZA(ZrO2/Al2O3/ZrO2/Al2O3), ZAZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2/Al2O3/ZrO2), HAHA(HfO2/Al2O3/HfO2/Al2O3) 또는 HAHAH(HfO2/Al2O3/HfO2/Al2O3/HfO2)를 포함할 수 있다. 위와 같은 라미네이트 구조에서, 알루미늄산화물(Al2O3)은 극히 얇을 수 있다.
다른 실시예에서, 유전층(102)은 제1고유전율물질에 제2고유전율물질이 도핑된 구조를 포함할 수 있다. 예컨대, 지르코늄산화물(ZrO2)에 티타늄산화물(TiO2)이 도핑된 티타늄산화물 도프드 지르코늄산화물(TiO2-doped ZrO2)을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 유전층(102)은 서로 다른 고유전율물질들이 상호믹싱 구조를 포함할 수 있다. 예컨대, 지르코늄산화물(ZrO2), 티타늄산화물(TiO2) 및 알루미늄산화물(Al2O3)이 상호믹싱된 TiZrAlO을 포함할 수 있다.
계면층(104)은 하부전극(101)과 유전층(102) 사이에 형성될 수 있다. 계면층(104)은 하부전극(101)의 산화를 억제하는 산화억제물질(anti-oxidation material)일 수 있다. 계면층(104)은 유전층(102)보다 얇을 수 있다. 계면층(104)은 하부전극(101)보다 산화가 잘 안되는 물질일 수 있다.
계면층(104)과 유전층(102)은 동종의 물질을 포함할 수 있다. 즉, 유전층(102)은 제1물질을 포함할 수 있고, 계면층(104)또한 제1물질을 포함할 수 있다. 유전층(102)은 제1물질의 산화물일 수 있고, 계면층(104)또한 제1물질의 산화물일 수 있다. 제1물질은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 탄탈륨(Ta)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전층(102)은 하프늄산화물(HfO2), 지르코늄산화물(ZrO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 니오븀산화물(Nb2O5) 또는 스트론튬티타늄산화물(SrTiO3)을 포함할 수 있다. 계면층(104)은 하프늄산화물(Hf-oxide, HfOx), 지르코늄산화물(Zr-oxide, ZrOx), 니오븀산화물(Nb-oxide, NbOx), 몰리브덴산화물(Mo-oxide, MoOx), 텅스텐산화물(tungsten-oxide, WOx) 또는 탄탈륨산화물(Ta-oxide, TaOx)일 수 있다. 계면층(104)으로서 제1물질의 산화물은 제1물질의 질화물이 산화물로 컨버팅된 물질일 수 있다. 즉, 계면층(104)은 제1물질의 질화물이 산화공정에 노출되어 산화된 산화물일 수 있다. 유전층(102)은 증착법에 의해 형성된 제1물질의 산화물일 수 있다.
다른 실시예에서, 계면층(104)은 제1물질을 포함할 수 있고, 유전층(102)은 제1물질과는 다른 제2물질을 포함할 수 있다. 계면층(104)은 제1물질의 산화물일 수 있고, 유전층(102)은 제2물질의 산화물일 수 있다. 제1물질은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 탄탈륨(Ta)을 포함할 수 있다. 제2물질은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 계면층(104)은 하프늄산화물(Hf-oxide), 지르코늄산화물(Zr-oxide), 니오븀산화물(Nb-oxide), 몰리브덴산화물(Mo-oxide), 텅스텐산화물(tungsten-oxide) 또는 탄탈륨산화물(Ta-oxide)일 수 있다. 유전층(102)은 하프늄산화물(HfO2), 지르코늄산화물(ZrO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 니오븀산화물(Nb2O5) 또는 스트론튬티타늄산화물(SrTiO3)을 포함할 수 있다. 계면층(104)으로서 제1물질의 산화물은 제1물질의 질화물이 산화물로 컨버팅된 물질일 수 있다. 즉, 계면층(104)은 제1물질의 질화물이 산화공정에 노출되어 산화된 산화물일 수 있다. 유전층(102)은 증착법에 의해 형성된 제2물질의 산화물일 수 있다.
계면층(104)은 유전층(102) 형성시 하부전극(101)의 산화를 억제할 수 있다. 계면층(104)은 높은 유전율 및 높은 밴드 갭(high band gap)을 가질 수 있고, 이로써 누설전류를 억제할 수 있다.
계면층(104)은 ZrN, HfN, NbN, MoN, WN, TaN 또는 이들의 조합으로부터 선택된 질화물이 유전층(102) 형성시 산화된 물질일 수 있다.
다른 실시예에서, 계면층(104)은 제1물질의 질화물과 제1물질의 산화물이 적층된 스택을 포함할 수 있다. 제1물질은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 탄탈륨(Ta)을 포함할 수 있다. 제1물질의 질화물은 ZrN, HfN, NbN, MoN, WN 또는 TaN을 포함할 수 있고, 제1물질의 산화물은 하프늄산화물(Hf-oxide, HfOx), 지르코늄산화물(Zr-oxide, ZrOx), 니오븀산화물(Nb-oxide, NbOx), 몰리브덴산화물(Mo-oxide, MoOx), 텅스텐산화물(tungsten-oxide, WOx) 또는 탄탈륨산화물(Ta-oxide, TaOx)을 포함할 수 있다. 일 예로, 계면층(104)은 ZrN/ZrOx의 스택을 포함할 수 있다. 제1물질의 질화물은 하부전극(101)보다 높은 일함수를 가질 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 다른 실시예들에 따른 반도체장치를 도시한 도면이다. 도 2a의 하부전극(310)은 필라 형상일 수 있고, 도 2b의 하부전극(310)은 실린더 형상일 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 반도체장치(200)는 하부 구조물(201)을 포함할 수 있다. 하부 구조물(201)은 기판(202) 및 기판(202) 상의 절연층(203)을 포함하는 스택 구조일 수 있다. 하부 구조물(201)은 복수의 스토리지노드콘택구조물을 포함할 수 있다. 스토리지노드콘택구조물은 절연층(203)을 관통하여 기판(202)에 접속될 수 있다. 스토리지노드콘택구조물은 하부 플러그(204) 및 상부 플러그(205)의 스택일 수 있다. 하부 플러그(204)는 실리콘플러그를 포함할 수 있고, 상부 플러그(205)는 금속플러그를 포함할 수 있다. 도시하지 않았으나, 하부 구조물(201)에는 매립워드라인들 및 비트라인들이 더 형성될 수 있다. 매립워드라인들은 기판(202) 내에 형성될 수 있고, 비트라인들은 스토리지노드콘택구조물 사이에 형성될 수 있다.
반도체장치(200)는 캐패시터구조물(300)을 더 포함할 수 있다. 캐패시터구조물(300)은 상부 구조물이라고 지칭될 수 있다. 캐패시터구조물(300)은 하부 구조물(201) 상에 형성될 수 있다. 캐패시터구조물(300)은 하부전극(310), 유전층(320) 및 상부전극(330)을 포함할 수 있다. 캐패시터구조물(300)은 계면층(340)을 더 포함할 수 있다.
계면층(340)은 하부전극(310)과 유전층(320) 사이에 형성될 수 있다.
도 2a의 하부전극(310)은 필라 형상(Pillar-shape)일 수 있다. 하부전극(310)은 실린더형 전극(cylinder type electrode, 301)과 필라형 전극(pillar type electrode, 302)을 포함할 수 있다. 필라형 전극(302)는 실린더형 전극(301)의 내부에 형성될 수 있다. 실린더형 전극(301)과 필라형 전극(302)은 동일 물질이거나 서로 다른 물질일 수 있다. 실린더형 전극(301)과 필라형 전극(302)은 모두 금속-베이스 물질(metal-base material)일 수 있다. 금속-베이스 물질은 금속함유물질을 지칭할 수 있다. 다른 실시예에서, 실린더형 전극(301)은 금속-베이스 물질일 수 있고, 필라형 전극(302)은 실리콘-베이스 물질(silicon-base material)일 수 있다. 실리콘-베이스물질은 실리콘함유물질을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 실린더형 전극(301)과 필라형 전극(302)은 모두 티타늄질화물(TiN)일 수 있다. 실린더형 전극(301)은 티타늄질화물(TiN)일 수 있고, 필라형 전극(302)은 도프드 폴리실리콘(Doped polysilicon)일 수 있다. 도프드 폴리실리콘은 도전성 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 지칭할 수 있다. 도 2b의 하부전극(310)은 실린더 형상(cylinder-shape)일 수 있다
복수의 하부전극(310)의 외벽은 제1서포터(311) 및 제2서포터(312)에 의해 지지될 수 있다. 제1서포터(311) 및 제2서포터(312)는 멀티레벨 서포터(multi-level supporter)라고 지칭될 수 있다. 다른 실시예에서, 멀티레벨 서포터는 적어도 3층 이상일 수 있다. 제1서포터(311) 및 제2서포터(312)는 실리콘질화물(Si3N4), 실리콘탄소질화물(SiCN)을 포함할 수 있다.
상부전극(330)은 싱글레이어드(single-layered) 또는 다층 레이어드(Multi-layered)일 수 있다. 상부전극(330)은 실리콘함유물질, 저마늄함유물질, 금속함유물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상부전극(330)은 금속(Metal), 금속질화물(Metal nitride), 금속탄화물(Metal carbide), 도전성 금속산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상부전극(330)은 티타늄(Ti), 티타늄질화물(TiN), 탄탈륨질화물(TaN), 티타늄탄소질화물(TiCN), 탄탈륨탄소질화물(TaCN), 텅스텐(W), 텅스텐질화물(WN), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 루테늄산화물(RuO2), 이리듐산화물(IrO2) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상부전극(330)은 실리콘층(Si layer), 저마늄층(Ge layer), 실리콘저마늄층(SiGe layer) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상부전극(330)은 실리콘층 상에 실리콘저마늄층을 적층(Si/SiGe)하여 형성할 수 있다. 상부전극(330)은 저마늄층 상에 실리콘저마늄층을 적층(Ge/SiGe)하여 형성할 수 있다. 상부전극(330)은 실리콘함유물질과 금속함유물질의 스택을 포함할 수 있다. 상부전극(330)은 실리콘저마늄층과 금속질화물을 적층하여 형성할 수 있다. 상부전극(330)은 티타늄질화물 상에 실리콘저마늄층과 텅스텐질화물을 적층(TiN/SiGe/WN)하여 형성할 수 있다.
유전층(320)은 싱글 레이어드 구조, 다층 레이어드 구조, 라미네이트 구조, 도핑 구조 또는 상호믹싱 구조일 수 있다. 유전층(320)은 고유전율 물질(High-k material)을 포함할 수 있다. 유전층(320)은 실리콘산화물(SiO2)보다 유전율이 높을 수 있다. 실리콘산화물은 약 3.9의 유전율을 가질 수 있고, 유전층(320)은 4 이상의 유전율을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 고유전율 물질은 약 20 이상의 유전율을 가질 수 있다. 고유전율 물질은 하프늄산화물(HfO2), 지르코늄산화물(ZrO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 니오븀산화물(Nb2O5) 또는 스트론튬티타늄산화물(SrTiO3)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 유전층(320)은 앞서 언급된 고유전율 물질을 두 층 이상 포함하는 복합층으로 이루어질 수도 있다. 유전층(320)은 지르코늄-베이스 산화물(Zr-base oxide)로 형성될 수 있다. 유전층(320)은 지르코늄산화물(ZrO2)을 포함하는 스택 구조일 수 있다. 지르코늄산화물(ZrO2)을 포함하는 스택 구조는 ZA(ZrO2/Al2O3) 또는 ZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2)를 포함할 수 있다. ZA는 지르코늄산화물 상에 알루미늄산화물이 적층된 구조일 수 있다. ZAZ는 지르코늄산화물, 알루미늄산화물 및 지르코늄산화물이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. ZrO2, ZA 및 ZAZ는 지르코늄산화물-베이스층(ZrO2-base layer)이라고 지칭될 수 있다. 다른 실시예에서, 유전층(320)은 하프늄-베이스 산화물(Hf-base oxide)로 형성될 수 있다. 유전층(320)은 하프늄산화물(HfO2)을 포함하는 스택 구조일 수 있다. 하프늄산화물(HfO2)을 포함하는 스택 구조는 HA(HfO2/Al2O3) 또는 HAH(HfO2/Al2O3/HfO2)를 포함할 수 있다. HA는 하프늄산화물 상에 알루미늄산화물이 적층된 구조일 수 있다. HAH는 하프늄산화물, 알루미늄산화물 및 하프늄산화물이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. HfO2, HA 및 HAH는 하프늄산화물-베이스층(HfO2-base layer)이라고 지칭될 수 있다.
ZA, ZAZ, HA 및 HAH에서 알루미늄산화물(Al2O3)은 지르코늄산화물(ZrO2) 및 하프늄산화물(HfO2)보다 밴드갭이 클 수 있다. 알루미늄산화물(Al2O3)은 지르코늄산화물(ZrO2) 및 하프늄산화물(HfO2)보다 유전율이 낮을 수 있다. 따라서, 유전층(320)은 고유전율물질 및 고유전물질보다 밴드갭이 큰 고밴드갭물질의 스택을 포함할 수 있다. 유전층(320)은 알루미늄산화물 외에 다른 고밴드갭물질로서 실리콘산화물(SiO2)을 포함할 수도 있다. 유전층(320)은 고밴드갭물질을 포함하므로써 누설전류가 억제될 수 있다. 고밴드갭물질은 극히 얇을 수 있다. 고밴드갭물질은 고유전율물질보다 얇을 수 있다.
다른 실시예에서, 유전층(320)은 고유전율물질과 고밴드갭물질이 번갈아 적층된 라미네이트 구조를 포함할 수 있다. 예컨대, ZAZA(ZrO2/Al2O3/ZrO2/Al2O3), ZAZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2/Al2O3/ZrO2), HAHA(HfO2/Al2O3/HfO2/Al2O3) 또는 HAHAH(HfO2/Al2O3/HfO2/Al2O3/HfO2)를 포함할 수 있다. 위와 같은 라미네이트 구조에서, 알루미늄산화물(Al2O3)은 극히 얇을 수 있다.
계면층(340)은 하부전극(310)과 유전층(320) 사이에 형성될 수 있다. 계면층(340)은 하부전극(310)의 산화를 억제하는 산화억제물질(anti-oxidation material)일 수 있다. 계면층(340)은 유전층(320)보다 얇을 수 있다. 계면층(340)은 하부전극(310)보다 산화가 잘 안되는 물질일 수 있다.
계면층(340)과 유전층(320)은 동종의 물질을 포함할 수 있다. 즉, 유전층(320)은 제1물질을 포함할 수 있고, 계면층(340)또한 제1물질을 포함할 수 있다. 유전층(320)은 제1물질의 산화물일 수 있고, 계면층(340)또한 제1물질의 산화물일 수 있다. 제1물질은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 탄탈륨(Ta)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전층(320)은 하프늄산화물(HfO2), 지르코늄산화물(ZrO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 니오븀산화물(Nb2O5) 또는 스트론튬티타늄산화물(SrTiO3)을 포함할 수 있다. 계면층(340)은 하프늄산화물(Hf-oxide, HfOx), 지르코늄산화물(Zr-oxide, ZrOx), 니오븀산화물(Nb-oxide, NbOx), 몰리브덴산화물(Mo-oxide, MoOx), 텅스텐산화물(tungsten-oxide, WOx) 또는 탄탈륨산화물(Ta-oxide, TaOx)일 수 있다. 계면층(340)으로서 제1물질의 산화물은 제1물질의 질화물이 산화물로 컨버팅된 물질일 수 있다. 즉, 계면층(340)은 제1물질의 질화물이 산화공정에 노출되어 산화된 산화물일 수 있다. 유전층(320)은 증착법에 의해 형성된 제1물질의 산화물일 수 있다.
다른 실시예에서, 계면층(340)은 제1물질을 포함할 수 있고, 유전층(320)은 제1물질과는 다른 제2물질을 포함할 수 있다. 계면층(340)은 제1물질의 산화물일 수 있고, 유전층(320)은 제2물질의 산화물일 수 있다. 제1물질은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 탄탈륨(Ta)을 포함할 수 있다. 제2물질은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 계면층(340)은 하프늄산화물(Hf-oxide), 지르코늄산화물(Zr-oxide), 니오븀산화물(Nb-oxide), 몰리브덴산화물(Mo-oxide), 텅스텐산화물(tungsten-oxide) 또는 탄탈륨산화물(Ta-oxide)일 수 있다. 유전층(102)은 하프늄산화물(HfO2), 지르코늄산화물(ZrO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 니오븀산화물(Nb2O5) 또는 스트론튬티타늄산화물(SrTiO3)을 포함할 수 있다. 계면층(340)으로서 제1물질의 산화물은 제1물질의 질화물이 산화물로 컨버팅된 물질일 수 있다. 즉, 계면층(340)은 제1물질의 질화물이 산화공정에 노출되어 산화된 산화물일 수 있다. 유전층(320)은 증착법에 의해 형성된 제2물질의 산화물일 수 있다.
계면층(340)은 유전층(320) 형성시 하부전극(310)의 산화를 억제할 수 있다. 계면층(340)은 높은 유전율 및 높은 밴드 갭(high band gap)을 가질 수 있고, 이로써 누설전류를 억제할 수 있다.
계면층(340)은 ZrN, HfN, NbN, MoN, WN, TaN 또는 이들의 조합으로부터 선택된 질화물이 유전층(320) 형성시 산화된 물질일 수 있다.
다른 실시예에서, 계면층(340)은 제1물질의 질화물과 제1물질의 산화물이 적층된 스택을 포함할 수 있다. 제1물질은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 탄탈륨(Ta)을 포함할 수 있다. 제1물질의 질화물은 ZrN, HfN, NbN, MoN, WN 또는 TaN을 포함할 수 있고, 제1물질의 산화물은 하프늄산화물(Hf-oxide, HfOx), 지르코늄산화물(Zr-oxide, ZrOx), 니오븀산화물(Nb-oxide, NbOx), 몰리브덴산화물(Mo-oxide, MoOx), 텅스텐산화물(tungsten-oxide, WOx) 또는 탄탈륨산화물(Ta-oxide, TaOx)을 포함할 수 있다. 일 예로, 계면층(340)은 ZrN/ZrOx의 스택을 포함할 수 있다. 제1물질의 질화물은 도전성물질로서, 하부전극(310)보다 높은 일함수를 가질 수 있다. 계면층(340)은 하부전극(310)의 표면을 에워싸는 형상일 수 있다.
스토리지노드콘택플러그의 상부 플러그(205)와 하부전극(310) 사이에 도전성 계면층(341)이 형성될 수 있다. 도전성 계면층(341)은 상부 플러그(205)와 하부전극(310)을 전기적으로 접속시키는 물질일 수 있다. 도전성 계면층(341)은 하부전극(310)의 저면에 접촉될 수 있다. 도전성 계면층(341)은 계면층(340)과 동일하게 제1물질을 포함하되, 계면층(340)은 제1물질의 산화물일 수 있고, 도전성 계면층(341)은 제1물질의 질화물일 수 있다. 도전성 계면층(341)은 ZrN, HfN, NbN, MoN, TaN 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 도전성 계면층(341)은 하부전극(310)보다 높은 일함수를 가질 수 있다.
위와 같이, 계면층(340)은 하부전극(310)과 유전층(320) 사이에 위치하여, 하부전극(310)의 산화를 억제할 수 있다. 아울러, 계면층(340)은 유전층(320)과 함께 캐패시터구조물(300)의 캐패시턴스를 증대시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 하부전극(310)의 벤딩(bending)에 의해 이웃한 하부전극(310) 간에 브릿지(brigde)가 발생되더라도, 계면층(340)이 효과적으로 하부전극(310) 간의 전류를 차단하여 브릿지에 의한 불량을 억제할 수 있다.
계면층(340)은 높은 일함수를 가지므로, 유전층(320)과의 컨덕션밴드오프셋(conduction band offset)을 개선하여 캐패시터의 누설 전류를 억제할 수 있다.
도 3a 내지 도 3j는 일실시예에 따른 반도체장치를 제조하는 방법의 일예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 하부 구조물(11L)이 형성될 수 있다. 하부 구조물(11L)은 반도체 기판, 반도체 소자들, 및 층간 절연막들을 포함할 수 있다. 하부 구조물(11L)은 메모리셀들이 배치되는 영역을 포함할 수 있다. 하부 구조물(11L)은 도 2의 하부 구조물(201)에 대응될 수 있다. 하부 구조물(11L)은 기판(11), 기판(11) 상의 스토리지노드콘택플러그를 포함할 수 있다. 스토리지노드콘택플러그는 하부 플러그(L1) 및 상부 플러그(L2)의 적층일 수 있다. 스토리지노드콘택플러그는 층간절연층(L3)을 관통하여 기판(11)에 접속될 수 있다.
하부 구조물(11L) 상에, 몰드 구조물(M10)이 형성될 수 있다. 몰드 구조물(M10)은 하부 구조물(11L) 상에 차례로 적층된 제1몰드층(12), 제1서포터층(13), 제2몰드층(14), 제2서포터층(15)을 포함할 수 있다. 제1몰드층(12) 및 제2몰드층(14)은 예를 들어, 실리콘산화물(SiO2)일 수 있다. 제1몰드층(12) 및 제2몰드층(14)은 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD)과 같은 증착 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
제1 및 제2서포터층(13, 15)은 제1몰드층(12) 및 제2몰드층(14)에 대하여 식각 선택성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 제1서포터층(13) 및 제2서포터층(15)은 실리콘질화물 또는 실리콘탄소질화물(SiCN)을 포함할 수 있다. 제2서포터층(15)은 제1서포터층(13)보다 더 두껍게 형성될 수 있다. 제1서포터층(13) 및 제2서포터층(15)은 제1몰드층(12) 및 제2몰드층(14)보다 얇게 형성될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 복수의 오프닝(16)이 형성될 수 있다. 오프닝(16)은 마스크층(도시 생략)을 이용한 몰드 구조물(M10)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 오프닝(16)을 형성하기 위해, 마스크층을 식각장벽으로 하여 제1서포터층(15), 제2몰드층(14), 제1서포터층(13) 및 제1몰드층(12)을 순차적으로 식각할 수 있다. 오프닝(16)을 형성하기 위해, 건식식각, 습식식각 또는 이들의 조합을 이용할 수 있다. 오프닝(16)은 하부전극(또는 스토리지노드)이 형성될 홀이라고 지칭될 수 있다. 오프닝(16)은 고종횡비(high aspect ratio)를 가질 수 있다. 오프닝(16)은 적어도 1:1 이상의 종횡비를 가질 수 있다. 예를 들어, 오프닝(16)은 1:10 이상의 고종횡비를 가질 수 있다. 종횡비는 폭(width) 대 높이(height)의 비율을 지칭할 수 있다.
위와 같은 일련의 식각 공정에 의해, 복수의 오프닝(16)을 포함하는 몰드구조물(M10)이 형성될 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 오프닝(16) 내에 산화억제물질(17')이 형성될 수 있다. 산화억제물질(17')은 오프닝(16)이 형성된 몰드구조물(M10) 상에 컨포멀하게 형성될 수 있다. 산화억제물질(17')은 하부 전극(도 3e의 BE)에 비해 산화가 되지 않는 물질을 포함할 수 있다. 산화억제물질(17')은 후속 공정에서 산화되더라도 산소확산도(Oxygen diffusivity)가 낮은 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 산화억제물질(17')은 후속 공정에서 산화되더라도, 산화된 상태에서 높은 유전율과 높은 밴드갭을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 산화억제물질(17')은 도전성을 가지면서 하부 전극(도 3e의 BE)보다 높은 일함수(high work function)을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 산화억제물질(17')은 ZrN, HfN, NbN, MoN, WN, TaN 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 산화억제물질(17')과 유전층(도 3i의 20)은 동일한 제1물질을 포함할 수 있다. 이때, 산화억제물질(17')은 제1물질의 질화물일 수 있고, 유전층(도 3i의 20)은 제1물질의 산화물일 수 있다.
산화억제물질(17')은 질화물 상(nitride phase)에서는 저저항 상태를 갖고, 산화물 상(oxide phase)에서는 높은 유전율 및 높은 밴드갭(band gap)을 가질 수 있다.
예를 들어, 산화억제물질(17')은 지르코늄질화물(Zr-nitride)을 포함할 수 있고, 지르코늄질화물은 질화물 상에서는 저저항 상태이나, 산화물 상에서는 높은 유전율 및 높은 밴드갭을 가질 수 있다. 질화물 상 지르코늄질화물은 산화공정에 노출되기 이전의 지르코늄질화물을 지칭할 수 있고, 산화물 상 지르코늄질화물은 산화공정에 노출된 지르코늄질화물을 지칭할 수 있다. 질화물 상 지르코늄질화물의 예로는 ZrN을 포함할 수 있고, 산화물 상 지르코늄질화물의 예로는 ZrOx을 포함할 수 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 산화억제물질(17') 상에 제1도전물질(18')과 제2도전물질(19')이 차례로 형성될 수 있다. 제1도전물질(18')과 제2도전물질(19')은 오프닝(16)의 내부를 채울 수 있다.
제1도전물질(18')과 제2도전물질(19')은 폴리실리콘, 금속, 금속질화물, 도전성 금속산화물, 금속실리사이드, 귀금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1도전물질(18')과 제2도전물질(19')은 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 텅스텐(W) 또는 텅스텐 질화물(WN), 루테늄(Ru), 루테늄 산화물(RuO2), 이리듐(Ir), 이리듐 산화물(IrO2), 플래티늄(Pt) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 제1도전물질(18')과 제2도전물질(19')은 모두 티타늄 질화물(TiN)을 포함할 수 있다. 제1도전물질(18')과 제2도전물질(19')은 원자층증착(ALD)에 의해 형성된 티타늄질화물(ALD-TiN)을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1도전물질(18')과 제2도전물질(19')은 티타늄질화물과 텅스텐의 적층구조를 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 제1도전물질(18')과 제2도전물질(19')은 티타늄질화물과 폴리실리콘의 적층구조를 포함할 수도 있다.
다른 실시예에서, 제1도전물질(18')과 제2도전물질(19')은 동일 물질로서, 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 즉, 제1도전물질(18') 및 제2도전물질(19') 중 어느 하나의 도전물질로 오프닝(16)을 채울 수 있다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 하부전극(BE)이 형성될 수 있다. 하부전극(BE)을 형성하기 위해 하부전극 분리 공정이 수행될 수 있다. 하부전극 분리 공정은 에치백 공정 또는/및 CMP 공정을 포함할 수 있다. 하부전극 분리 공정에 의해, 제2서포터층(15) 상에서 산화억제물질(17'), 제1도전물질(18') 및 제2도전물질(19')이 제거될 수 있다.
하부전극(BE)은 실린더형 전극(18) 및 필라형 전극(19)을 포함할 수 있다. 실린더형 전극(18)은 제1도전물질(18')의 식각에 의해 형성될 수 있고, 필라형 전극(19)은 제2도전물질(19')의 식각에 의해 형성될 수 있다. 하부전극(BE)의 외벽에는 초기 계면층(17)이 형성될 수 있다. 초기 계면층(17)은 산화억제물질(17')의 식각에 의해 형성될 수 있다. 초기 계면층(17)은 하부전극(BE)의 외벽을 에워싸는 형상일 수 있다. 초기 계면층(17)의 바텀부는 하부 구조물(11L)의 상부 플러그(L2)에 접촉될 수 있다. 초기 계면층(17)에 의해 하부전극(BE)과 제1 및 제2서포터층(13, 15)이 접촉되지 않을 수 있다. 초기 계면층(17)에 의해 하부전극(BE)과 제1,2몰드층(12, 14)이 접촉되지 않을 수 있다.
초기 계면층(17)은 하부전극(BE)을 에워싸는 형상일 수 있다.
도 3f에 도시된 바와 같이, 제2서포터(15)가 형성될 수 있다. 제2서포터(15)를 형성하기 위해, 서포터마스크층(SM)을 이용하여 제2서포터층(15)의 일부를 식각할 수 있다. 제2서포터층(15)의 식각에 의해 서포터오프닝(S1) 및 제2서포터(15)가 형성될 수 있다.
제2서포터(15)는 계면층(17)을 사이에 두고 하부전극(BE)의 상부 측벽에 접촉할 수 있다. 제2서포터(15)에 의해 제2몰드층(14)의 일부 표면들이 노출될 수 있다. 제2서포터(15)는 하부전극(BE)의 외측벽 일부분을 에워싸는 형상일 수 있다. 이와 같은, 제2서포터(15)는 제2몰드층(14)을 제거하는 후속 공정에서 종횡비가 큰 하부전극(BE)이 쓰러지는 것을 방지할 수 있다.
도 3g에 도시된 바와 같이, 제2몰드층(14)이 제거될 수 있다. 예를 들어, 제2몰드층(14)은 습식딥아웃 공정에 의해 제거될 수 있다. 제2몰드층(14)을 제거하기 위한 습식케미컬은 서포터오프닝(S1)을 통해 공급될 수 있다. 습식케미컬은 HF, NH4F/NH4OH, H2O2, HCl, HNO3, H2SO4 등의 케미컬을 하나 또는 그 이상 사용할 수 있다.
예를 들어, 제2몰드층(14)이 실리콘산화물로 형성된 경우, 제2몰드층(14)은 불산을 포함하는 케미컬을 이용한 습식 딥아웃 공정에 의해 제거될 수 있다. 제2몰드층(14)을 제거할 때, 제2몰드층(14)에 대해 식각 선택성을 갖는 제2서포터(15)는 제거되지 않고 잔류할 수 있다. 이에 따라, 인접하는 하부전극(BE)이 제2서포터(15)에 의해 지지되므로, 하부전극(BE)의 쓰러짐이 방지될 수 있다.
도 3h에 도시된 바와 같이, 제1서포터(13)가 형성될 수 있다. 서포터마스크층(SM)을 이용하여 제1서포터층(13)의 일부를 식각할 수 있다. 제1서포터층(13)의 식각에 의해 제1서포터(13)가 형성될 수 있다.
제1서포터(13)를 형성한 후에, 제1몰드층(12)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 제1몰드층(12)은 습식딥아웃 공정에 의해 제거될 수 있다. 제1몰드층(12)을 제거하기 위한 습식케미컬은 서포터오프닝(S1)을 통해 공급될 수 있다. 습식케미컬은 HF, NH4F/NH4OH, H2O2, HCl, HNO3, H2SO4 등의 케미컬을 하나 또는 그 이상 사용할 수 있다.
예를 들어, 제1몰드층(12)이 실리콘산화물로 형성된 경우, 제1몰드층(12)은 불산을 포함하는 케미컬을 이용한 습식 딥아웃 공정에 의해 제거될 수 있다. 제1몰드층(12)을 제거할 때, 제1몰드층(12)에 대해 식각 선택성을 갖는 제2서포터(15) 및 제1서포터(13)는 제거되지 않고 잔류할 수 있다. 이에 따라, 인접하는 하부전극(BE)이 제2서포터(15) 및 제1서포터(13)에 의해 지지되므로, 하부전극(BE)의 쓰러짐이 방지될 수 있다.
제2몰드층(14) 및 제1몰드층(12)이 제거됨에 따라, 초기 계면층(17)의 외벽이 모두 노출될 수 있다. 하부전극(BE)의 상부는 제2서포터(15)에 의해 지지될 수 있다. 하부전극(BE)의 중간부는 제1서포터(13)에 의해 지지될 수 있다.
상술한 바와 같은 일련의 딥아웃 공정시에, 초기 계면층(17)은 하부전극(BE)의 어택을 보호할 수 있다.
후속하여, 서포터마스크층(SM)이 제거될 수 있다.
도 3i에 도시된 바와 같이, 유전층(20)이 형성될 수 있다. 유전층(20)은 하부전극(BE) 및 제1,2서포터(15, 13) 상에 형성될 수 있다. 유전층(20)의 일부는 하부구조물(11L)을 커버링할 수 있다. 유전층(20)은 실리콘산화물보다 유전율이 높은 고유전율 물질을 포함할 수 있다. 고유전율 물질(High-k material)은 하프늄산화물(HfO2), 지르코늄산화물(ZrO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 니오븀산화물(Nb2O5) 또는 스트론튬티타늄산화물(SrTiO3)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 유전층(20)은 앞서 언급된 고유전율 물질을 두 층 이상 포함하는 복합층으로 이루어질 수도 있다.
본 실시예에서 유전층(20)은 등가산화막두께(EOT)를 충분히 낮추면서도 양호한 누설 전류 특성을 갖는 지르코늄산화물-베이스 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, ZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 유전층(20)은 HAH(HfO2/Al2O3/HfO2) 를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 유전층(20)은 TZAZ(TiO2/ZrO2/Al2O3/ZrO2), TZAZT(TiO2/ZrO2/Al2O3/ZrO2/TiO2), ZAZT(ZrO2/Al2O3/ZrO2/TiO2), TZ(TiO2/ZrO2) 또는 ZAZAT(ZrO2/Al2O3/ZrO2/Al2O3/TiO2)을 포함할 수 있다. TZAZ, TZAZT, ZAZT, TZ, ZAZAT와 같은 유전층 스택에서, TiO2는 Ta2O5로 대체될 수도 있다.
유전층(20)은 단차피복성이 우수한 화학기상증착(CVD) 또는 원자층증착(ALD)을 이용하여 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 유전층(20)을 형성하는 동안에, 초기 계면층(17)이 산화될 수 있다. 그렇다 할지라도, 하부전극(BE)이 산화되지는 않을 수 있다. 초기 계면층(17)이 산화되어, 절연성 계면층(17S)과 도전성 계면층(17L)이 형성될 수 있다. 절연성 계면층(17S)은 하부전극(BE)과 유전층(20) 사이에 형성될 수 있고, 도전성 계면층(17L)은 상부 플러그(L2)와 하부전극(BE) 사이에 형성될 수 있다. 절연성 계면층(17S)은 초기 계면층(17)의 산화에 의해 형성된 초기 계면층(17)의 산화물을 지칭할 수 있고, 도전성 계면층(17L)은 산화되지 않고 잔류하는 초기 계면층(17)을 지칭할 수 있다.
예를 들어, 초기 계면층(17)이 지르코늄질화물(ZrN)인 경우, 절연성 계면층(17S)은 지르코늄산화물(ZrOx)일 수 있고, 도전성 계면층(17L)은 지르코늄질화물(ZrN)일 수 있다. 도전성 계면층(17L)은 상부 플러그(L2)와 하부전극(BE)을 전기적으로 접속시킬 수 있다.
도전성 계면층(17L)은 HfN, NbN, MoN, WN, TaN 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 절연성 계면층(17S)은 HfOx, NbOx, WOx, TaOx 또는 MoOx을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 하부전극(BE)과 절연성 계면층(17S) 사이에 도전성 계면층(도시 생략)이 더 형성될 수도 있다. 예컨대, 유전층(20) 형성시, 계면층(17)의 표면 일부가 산화되어 계면성 절연층(17S)이 얇은 두께로 형성될 수 있고, 계면층(17)의 나머지는 산화되지 않고 도전성 계면층으로 잔류할 수 있다.
다른 실시예에서, 절연성 계면층(17S)은 ZrON, HfON, NbON, WON, TaON 또는 MoON을 포함할 수도 있다.
도 3j에 도시된 바와 같이, 유전층(20) 상에 상부전극(21)이 형성될 수 있다. 상부전극(21)은 이웃하는 하부전극(BE) 사이를 채울 수 있다. 상부전극(21)은 금속-베이스 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부전극(21)은 티타늄(Ti), 티타늄질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨질화물(TaN), 티타늄알루미늄질화물(TiAlN), 텅스텐(W), 텅스텐질화물(WN), 루테늄(Ru), 루테늄산화물(RuO2), 이리듐(Ir), 이리듐산화물(IrO2), 플래티늄(Pt) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상부전극(21)은 저압화학기상증착(LPCVD), 플라즈마화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 또는 원자층증착(ALD)을 이용하여 형성될 수 있다. 상부전극(21)은 원자층증착에 의해 형성된 티타늄질화물(ALD-TiN)을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상부전극(21)은 다층 구조일 수 있다. 상부전극(21)은 제1금속함유물질, 실리콘저마늄 및 제2금속함유물질을 차례로 적층하여 형성할 수도 있다. 제1금속함유물질과 제2금속함유물질은 티타늄(Ti), 티타늄질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨질화물(TaN), 티타늄알루미늄질화물(TiAlN), 텅스텐(W), 텅스텐질화물(WN), 루테늄(Ru), 루테늄산화물(RuO2), 이리듐(Ir), 이리듐산화물(IrO2), 플래티늄(Pt) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1금속함유물질은 티타늄질화물일 수 있고, 제2금속함유물질은 텅스텐질화물과 텅스텐이 적층된 WN/W일 수 있다. 실리콘저마늄은 보론이 도핑될 수 있다.
본 실시예에서, 상부전극(21)은 갭필물질 및 저저항물질을 포함할 수 있다. 갭필물질은 실리콘저마늄(SiGe)을 포함할 수 있고, 저저항물질은 텅스텐질화물(WN)을 포함할 수 있다. 갭필물질은 하부전극(BE) 사이의 좁은 갭을 보이드없이 채울 수 있다. 저저항물질은 상부전극(21)의 저항을 낮출 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 제조하는 방법의 일예를 설명하기 위한 도면이다. 도 4a 내지 도 4d는 도 2b에 도시된 캐패시터를 제조하는 방법의 일례로서, 도 3a 내지 도 3j와 유사하게 수행될 수 있다.
먼저, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 일련의 공정에 의해, 오프닝(16)을 갖는 몰드구조물(M10) 상에 산화억제물질(17')을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 산화억제물질(17') 상에 하부전극물질(18A)이 형성될 수 있다. 하부전극물질(18A)은 도 3d의 제1도전물질(18')과 동일할 수 있다.
하부전극물질(18A) 상에 추가 산화억제물질(17")을 형성할 수 있다. 추가 산화억제물질(17")과 산화억제물질(17')은 동일 물질일 수 있다. 추가 산화억제물질(17") 및 산화억제물질(17')은 HfN, NbN, MoN, WN, TaN 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 하부전극 분리 공정이 수행될 수 있다. 이에 따라, 하부전극물질(18A)의 분리에 의해 실린더 형상의 하부전극(BE)이 형성될 수 있고, 추가 산화억제물질(17")과 산화억제물질(17')의 분리에 의해 초기 계면층들(17)이 형성될 수 있다. 초기 계면층들(17)은 하부전극(BE)을 에워싸는 형상일 수 있다.
후속하여, 도 3f 내지 도 3h에 도시된 일련의 공정들이 수행될 수 있다.
이에 따라, 도 4c에 도시된 바와 같이, 하부전극(BE)의 외벽을 지지하는 제2서포터(15) 및 제1서포터(13)가 형성될 수 있다.
다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 유전층(20)이 형성될 수 있다. 유전층(20)을 형성하는 동안에, 초기 계면층들(17)이 산화될 수 있다. 이에 따라, 하부전극(BE)의 실린더 내측 표면 및 실린더 외측 표면에 절연성계면층들(17S)이 형성될 수 있다. 하부전극(BE)과 상부 플러그(L2) 사이에는 초기 계면층이 산화되지 않고 도전성 계면층(17L)으로 잔류할 수 있다. 절연성 계면층(17S)은 HfOx, NbOx, WOx, TaOx 또는 MoOx을 포함할 수 있다. 도전성 계면층(17L)은 HfN, NbN, MoN, WN, TaN 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
후속하여, 도 3j에 도시된 바와 같이, 유전층(20) 상에 상부전극(21)이 형성될 수 있다.
전술한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
201 : 하부 구조물 300 : 캐패시터구조물
310 : 하부전극 311 : 제1서포터
312 : 제2서포터 320 : 유전층
330 : 상부전극 340 : 계면층
341 : 도전성 계면층
310 : 하부전극 311 : 제1서포터
312 : 제2서포터 320 : 유전층
330 : 상부전극 340 : 계면층
341 : 도전성 계면층
Claims (20)
- 기판 상의 스토리지노드콘택플러그;
상기 스토리지노드콘택플러그 상의 하부전극;
상기 하부전극 상의 유전층;
상기 유전층 상의 상부전극;
상기 하부전극과 유전층 사이의 제1계면층; 및
상기 스토리지노드콘택플러그와 하부전극 사이의 제2계면층를 포함하고,
상기 제2계면층은 상기 하부전극보다 높은 일함수를 갖는 도전성 계면층인
캐패시터.
- ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 제1계면층과 제2계면층은 제1물질을 함유하되, 상기 제1계면층은 제1물질의 절연성 물질을 포함하고, 상기 제2계면층은 상기 제1물질의 도전성 물질을 포함하는 캐패시터.
- ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 제1계면층과 제2계면층은 제1물질을 함유하되, 상기 제1계면층은 상기 제1물질의 산화물을 포함하고, 상기 제2계면층은 상기 제1물질의 질화물을 포함하는 캐패시터.
- ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 제1계면층과 제2계면층은 Zr, Hf, Nb, Mo, W 또는 Ta 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 제1물질을 함유하되, 상기 제1계면층은 상기 제1물질의 산화물을 포함하고, 상기 제2계면층은 상기 제1물질의 질화물을 포함하는 캐패시터.
- ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 제1계면층과 제2계면층은 Zr, Hf, Nb, Mo, W 또는 Ta 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 제1물질을 함유하되, 상기 제2계면층은 상기 제1물질의 질화물을 포함고, 상기 제1계면층은 상기 제1물질의 질화물로부터 산화된 상기 제1물질의 산화물을 포함하는 캐패시터.
- ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 제1계면층과 유전층은 동종의 제1물질을 함유하되, 상기 제1계면층과 유전층은 상기 제1물질의 산화물을 포함하는 캐패시터.
- ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 제1계면층은 제1물질의 산화물을 포함하고, 상기 유전층은 제2물질의 산화물을 포함하되, 상기 제1물질과 제2물질은 서로 다른 물질인 캐패시터.
- ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 제1계면층은 상기 하부전극의 표면을 에워싸고, 상기 제2계면층은 상기 하부전극의 저면에 접촉된 캐패시터.
- ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 하부전극은 실린더 형상 또는 필라 형상을 갖는 캐패시터.
- ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 하부전극의 외벽을 지지하는 서포터를 더 포함하되,
상기 하부전극과 서포터 사이에 상기 제1계면층의 일부가 위치하는 캐패시터.
- 스토리지노드콘택구조물이 형성된 하부 구조물 상에 몰드구조물을 형성하는 단계;
상기 몰드구조물을 식각하여 상기 스토리지노드콘택구조물을 노출시키는 오프닝을 형성하는 단계;
상기 오프닝이 형성된 몰드구조물 상에 산화억제물질을 형성하는 단계;
상기 산화억제물질 상에 상기 오프닝 내에 위치하는 하부전극을 형성하는 단계;
상기 산화억제물질을 선택적으로 제거하여 상기 하부전극을 에워싸는 초기 계면층을 형성하는 단계;
상기 몰드구조물을 제거하여 상기 초기 계면층을 노출시키는 단계;
상기 하부전극의 측벽에 형성된 초기 계면층을 절연성 계면층으로 컨버팅시켜 상기 하부전극의 측벽과 유전층 사이에 제1계면층을 형성하고, 상기 하부전극의 저면과 스토리지노드콘택구조물 사이에 제2계면층 형성하기 위해, 상기 초기 계면층 상에 유전층을 형성하는 단계; 및
상기 유전층 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 제2계면층은 상기 하부전극보다 높은 일함수를 갖는 도전성 계면층인
캐패시터 제조 방법.
- ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제11항에 있어서,
상기 초기 계면층 상에 유전층을 형성하는 단계는,
상기 초기 계면층을 산화시키는 단계를 포함하되, 상기 절연성 계면층은 상기 초기 계면층의 산화물을 포함하는 상기 제1계면층인 캐패시터 제조 방법.
- ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제11항에 있어서,
상기 초기 계면층 상에 유전층을 형성하는 단계에서,
상기 하부전극과 스토리지노드콘택구조물 사이에 상기 초기 계면층을 잔류시키는 단계를 포함하되, 상기 잔류하는 초기 계면층은 도전성을 갖는 상기 제2계면층인 캐패시터 제조 방법.
- ◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제11항에 있어서,
상기 절연성 계면층과 유전층은 동종의 제1물질을 함유하되, 상기 절연성 계면층과 유전층은 상기 제1물질의 산화물을 포함하는 캐패시터 제조 방법.
- ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제11항에 있어서,
상기 절연성 계면층은 제1물질의 산화물을 포함하고, 상기 유전층은 제2물질의 산화물을 포함하되, 상기 제1물질과 제2물질은 서로 다른 물질인 캐패시터 제조 방법.
- ◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제11항에 있어서,
상기 산화억제물질은 제1물질의 질화물을 포함하고, 상기 절연성 계면층은 상기 제1물질의 산화물을 포함하는 캐패시터 제조 방법.
- ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제11항에 있어서,
상기 산화억제물질은 제1물질의 질화물을 포함하고, 상기 절연성 계면층은 상기 제1물질의 질화물로부터 산화된 상기 제1물질의 산화물을 포함하는 캐패시터 제조 방법.
- ◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제11항에 있어서,
상기 산화억제물질과 절연성 계면층은 Zr, Hf, Nb, Mo, W 또는 Ta 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 제1물질을 함유하되, 상기 절연성 계면층은 상기 제1물질의 산화물을 포함하고, 상기 산화억제물질은 상기 제1물질의 질화물을 포함하는 캐패시터 제조 방법.
- ◈청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제11항에 있어서,
상기 하부전극은 실린더 형상 또는 필라 형상을 갖는 캐패시터 제조 방법.
- ◈청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제11항에 있어서,
상기 몰드구조물은 복수의 몰드층과 복수의 서포터층을 포함하는 캐패시터 제조 방법.
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