KR19990032769A - Capacitor Manufacturing Method of Semiconductor Memory Device - Google Patents

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이상호
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윤종용
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    • H01L28/00Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L28/60Electrodes
    • H01L28/82Electrodes with an enlarged surface, e.g. formed by texturisation
    • H01L28/84Electrodes with an enlarged surface, e.g. formed by texturisation being a rough surface, e.g. using hemispherical grains

Abstract

본 발명은 반구형 그레인 실리콘을 갖는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 억세스 트랜지스터가 형성된 반도체 기판에 절연 물질층들을 형성하고, 상기 절연 물질층들에 콘택홀을 형성한다. 상기 콘택홀 및 물질층에 도핑된 제1다결정 실리콘과 도핑되지 않은 제1다결정 실리콘을 형성한 후, 동시에 패터닝하여 스토리지 전극을 형성한다. 이어서 상기 스토리지 전극에 도핑되지 않은 제3다결정 실리콘으로 스페이서를 형성한 후, 상기 제2다결정 실리콘과 제3다결정 실리콘의 표면에 HSG 실리콘을 성장시킨다. 상기 HSG 실리콘을 성장시킴으로써 캐패시터의 면적이 보다 증가되고, 또한 상기 HSG 실리콘의 내부 도핑농도를 높여 줌으로써 Cmin/Cmax의 비율을 높일 수 있다.The present invention relates to a capacitor of a semiconductor memory device having hemispherical grain silicon and a manufacturing method thereof. Insulating material layers are formed on the semiconductor substrate on which the access transistor is formed, and contact holes are formed in the insulating material layers. The doped first polycrystalline silicon and the undoped first polycrystalline silicon are formed in the contact hole and the material layer, and then patterned at the same time to form a storage electrode. Subsequently, spacers are formed of undoped third polycrystalline silicon on the storage electrode, and then HSG silicon is grown on the surfaces of the second polycrystalline silicon and the third polycrystalline silicon. By growing the HSG silicon, the area of the capacitor is further increased, and the ratio of Cmin / Cmax can be increased by increasing the internal doping concentration of the HSG silicon.

Description

반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법Capacitor Manufacturing Method of Semiconductor Memory Device

본 발명은 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반구형 그레인(hemi-spherical grain; 이하 "HSG"라 한다) 실리콘을 이용한 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor memory device, and more particularly, to a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor memory device using hemi-spherical grain (hereinafter referred to as "HSG") silicon.

반도체 메모리 장치는 휘발성의 램(RAM : Random Access Memory)제품과 비휘발성의 롬(ROM ; Read Only Memory)제품으로 크게 구분할 수 있다, 램 제품중에서 특히 디램(DRAM ; Dynamic Random Access Memory)은 단위셀의 캐패시터에 데이터를 저장하는 메모리 장치로서, 상기 캐패시터의 정전 용량, 즉 캐패시턴스는 데이터의 저장 능력을 의미한다. 따라서 상기 캐패시턴스가 부족할 경우에는 데이터를 저장한 후 다시 읽고자 할 때 잘못 읽어내는 오류가 발생하기도 한다. 이러한 데이터 오류를 방지하기 위해 일정 시간 경과 후 데이터를 재저장하는 소위, 리프레쉬 동작을 수행하게 된다. 상기 리프레쉬 동작은 캐패시턴스에 의해 영항을 받으므로 캐패시턴스를 증가시키는 것은 리프레쉬 특성을 증가시킬 수 있는 주요 방법중의 하나라고 할 수 있다. 그러나 최근 반도체 메모리 장치가 고집적화됨에 따라 칩당 단위 셀의 면적이 감소하여 캐패시터를 형성할 수 있는 면적 또한 감소하였다. 그러므로 반도체 장치의 고집적됨에 따라 단위 면적당 캐패시턴스를 증가시키는 것이 본 분야에서 매우 중요하게 대두되고 있다.Semiconductor memory devices can be classified into volatile random access memory (RAM) products and nonvolatile read only memory (ROM) products. Among the RAM products, in particular, DRAM (DRAM) is a unit cell. A memory device for storing data in a capacitor of C, wherein the capacitance of the capacitor, that is, the capacitance, refers to a storage capacity of the data. Accordingly, when the capacitance is insufficient, an error of incorrect reading may occur when the data is to be stored and read again. In order to prevent such data errors, a so-called refresh operation is performed to restore the data after a certain time. Since the refresh operation is affected by the capacitance, increasing the capacitance may be one of the main methods for increasing the refresh characteristics. However, as semiconductor memory devices have been highly integrated in recent years, the area of unit cells per chip is reduced, so that the area for forming a capacitor is also reduced. Therefore, it is very important in the art to increase the capacitance per unit area as the semiconductor device is highly integrated.

캐패시턴스는, 하부 전극으로 기능하는 스토리지 전극과 상부 전극으로 기능하는 플레이트 전극이 서로 접촉하는 단면적에 비례하고, 상기 두 전극간의 거리에반비례한다. 따라서 제한된 같은 면적내에 스토리지 전극의 표면적을 보다 증가시키는 것이 캐패시턴스를 증가시킬 수 있는 가장 중요한 요인중의 하나라고 볼 수 있다. 이에 따라 본 분야에서는 같은 면적에 보다 충분한 캐패시턴스를 확보하고자 비트 라인 상 캐패시터(Capacitor Over Bit-line ; 이하 COB 라 칭함) 공정을 사용하기 시작하였고 나아가서는 원통(cylinder)형, 박스(box)형, 핀(fin)형 등의 3차원적 구조의 스택형 캐패시터들을 제조하기에 이르렀다. 그러나 스토리지 전극의 구조를 개선하여 제조한 상기 캐패시터들은, 제조 공정이 복잡하여 시간, 단가 등이 높아지는 문제가 있고 더 나아가서는 고집적화에 따른 디자인 룰(design rule)의 한계에 부딪히게 된다.The capacitance is proportional to the cross-sectional area in which the storage electrode serving as the lower electrode and the plate electrode serving as the upper electrode are in contact with each other, and inversely proportional to the distance between the two electrodes. Therefore, further increasing the surface area of the storage electrode within the same limited area is one of the most important factors that can increase the capacitance. Accordingly, in this field, in order to secure more sufficient capacitance in the same area, a capacitor over bit line (hereinafter referred to as COB) process has begun to be used, and furthermore, a cylinder type, a box type, The manufacture of stacked capacitors having a three-dimensional structure such as a fin type has been achieved. However, the capacitors manufactured by improving the structure of the storage electrode have a problem in that a manufacturing process is complicated and time, cost, etc. are increased, and further, they face a limitation of a design rule due to high integration.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 스토리지 전극의 구조를 개선하는 방향에서 벗어나 스토리지 전극에 사용되는 물질의 물리적 성질을 이용하여 캐패시턴스를 증가시키고자 하는 여러 가지 방법들이 연구되고 있다. 그 중의 하나로서, 반구형 실리콘(Hemi Spherical Grain ; 이하 HSG 라 칭함) 실리콘을 이용하여 캐패시턴스를 증가시키는 방법이 도입되었다. 상기 방법은, 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition ; 이하 LPCVD 라 칭함)을 이용하여 스토리지 전극의 표면에 HSG 실리콘을 성장시켜 스토리지 전극의 표면에 요철을 형성시킴으로서 스토리지 전극의 표면적을 증가시키는 방법이다. HSG 실리콘을 성장시키는 방법을 간단히 설명하면, 무정형 실리콘(amorphous silicon)을 반도체 기판에 증착한 후, 약 1torr의 기압하에서 약 550℃의 온도로 가열하면, 상기 무정형 실리콘층이 올록볼록한 형태의 무정형 실리콘, 즉 HSG 실리콘으로 변하게 된다. 상기 HSG 실리콘은 가열되기 전의 평평한 표면에 비해 약 2 내지 3배로 표면적이 증가되어 보다 큰 표면적을 가지는 스토리지 전극을 형성할 수 있게 되었다. 또한 종래의 HSG 실리콘을 사용하지 않은 캐패시터에 비해 약 1.8배의 전하를 축적할 수 있게 되었다. 게다가 최근에는, LPCVD 방법으로 HSG 실리콘을 형성하고 자연산화층(native oxide)을 제거한 후 진공 상태에서 어닐링(annealing)하여 어떠한 표면에 대해서도 HSG 실리콘을 형성할 수 있게 되어 본 분야에서 새롭게 각광받는 있는 추세이다. 그러나 HSG 실리콘은 그 성장과정에서, 스토리지 전극의 구성물질인 도전물내에 존재하는 엔(N)형의 불순물, 예컨대 인(phosphorus)이 상기 HSG 실리콘내에는 농도가 매우 낮아지게 된다. 왜냐하면, HSG 실리콘 성장과정이 일종의 재결정 성장과정을 거치기 때문이다. 이와 같이 HSG 실리콘내에 인의 농도가 낮으면, 캐패시터에 바이어스가 가해지는 방향에 따라 캐패시턴스가 달라지게 되는 문제가 발생한다.In order to solve the above problems, various methods for increasing the capacitance using the physical properties of materials used for the storage electrodes are being researched away from improving the structure of the storage electrodes. As one of them, a method of increasing capacitance using hemispherical silicon (hereinafter referred to as HSG) silicon has been introduced. The method includes increasing the surface area of the storage electrode by growing HSG silicon on the surface of the storage electrode using Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) to form irregularities on the surface of the storage electrode. to be. Briefly, a method of growing HSG silicon is described. Amorphous silicon is deposited on a semiconductor substrate, and then heated to a temperature of about 550 ° C. under a pressure of about 1 torr, and the amorphous silicon layer is convex. That is, HSG silicon. The HSG silicon has an increased surface area of about two to three times that of the flat surface before being heated to form a storage electrode having a larger surface area. In addition, it is possible to accumulate about 1.8 times as much charge as a capacitor without using conventional HSG silicon. In addition, in recent years, HSG silicon is formed by the LPCVD method, the native oxide is removed, and annealing in vacuum is performed to form HSG silicon on any surface. . However, in the growth process of HSG silicon, an N-type impurity, such as phosphorus, present in the conductive material constituting the storage electrode becomes very low in the HSG silicon. This is because the HSG silicon growth process undergoes a kind of recrystallization growth process. As such, when the concentration of phosphorus in the HSG silicon is low, a problem arises in that the capacitance varies depending on the direction in which the bias is applied to the capacitor.

일반적으로, 캐패시터의 상부 및 하부 전극은 각각 플레이트 전극 및 스토리지 전극으로 구성되는데, 통상적으로 스토리지 전극에는 엔형 불순물이 포함된 다결정 실리콘을 사용하는데, 통상적으로는 1E20 내지 1E23/Cm3사이로 도핑된 다결정 실리콘을 사용한다. 그리고 그 위에 HSG 실리콘을 형성시키는데, 통상적으로 상기 스토리지 전극을 형성하는 다결정 실리콘보다 1/100 내지 1/1000 이하로 낮게 도핑된다. 그 결과, 캐패시터에 데이터를 저장할 때 양쪽 노드에 걸리는 전위 포텐셜 차이에 의해 발생되는 전계에 의해 스토리지 전극의 표면에 전자나 홀이 모이게 된다. 그러나 상기에서 언급한 바와 같이, HSG 실리콘내에 엔형 불순물의 농도가 낮게 되면 전계에 의해 스토리지 전극의 표면에 모인 전자들과 서로 상쇄되어 공핍층이 형성된다. 이러한 공핍층은 하나의 기생 캐패시턴스로 작용하게 된다. 상기 기생 캐패시턴스를 Cd라 하고, 캐패시터의 유전체에 의해 발생한 캐패시턴스를 Cc라 하면 Cd << Cc의 관계가 성립된다. 이때, 상기 플레이트 전극, 공핍층에 의한 기생 캐패시턴스, 유전체 자체에 의한 캐패시턴스, 그리고 스토리지 전극은 직렬 구조를 형성하게 되어 전체 캐패시턴스 Ct는 (Cc*Cd)/(Cc+Cd)가 된다. Cd << Cc의 관계를 고려하면 Ct < Cc의 관계가 성립되어 최소 캐패시턴스와 최대 캐패시턴스의 비율, 즉 Cmin/Cmax의 비율이 작아짐을 알 수 있다.In general, the upper and lower electrodes of the capacitor are composed of a plate electrode and a storage electrode, respectively, and typically, the storage electrode uses polycrystalline silicon containing an en-type impurity, and is typically polycrystalline silicon doped between 1E20 and 1E23 / Cm 3. Use And HSG silicon is formed thereon, which is typically doped less than 1/100 to 1/1000 less than the polycrystalline silicon forming the storage electrode. As a result, electrons or holes are collected on the surface of the storage electrode by the electric field generated by the potential potential difference between the two nodes when storing data in the capacitor. However, as mentioned above, when the concentration of the en-type impurity in the HSG silicon is low, the depletion layer is formed by canceling each other with the electrons collected on the surface of the storage electrode by the electric field. This depletion layer acts as one parasitic capacitance. If the parasitic capacitance is referred to as Cd and the capacitance generated by the dielectric of the capacitor is referred to as Cc, a relationship of Cd <<Cc is established. At this time, the plate electrode, the parasitic capacitance by the depletion layer, the capacitance by the dielectric itself, and the storage electrode form a series structure, so that the total capacitance Ct becomes (Cc * Cd) / (Cc + Cd). Considering the relationship of Cd <<Cc, it can be seen that the relationship of Ct <Cc is established and the ratio of the minimum capacitance and the maximum capacitance, that is, the ratio of Cmin / Cmax, becomes small.

디램 제품에서는 최소 캐패시턴스 상기 최소 캐패시턴스 Cmin의 의미가 대단히 중요한데, 이것은 데이터 "1"을 저장할 때 "하이(HIGH)" 상태의 전위 레벨을 사용하기 때문이다. "하이" 레벨을 사용한다는 것은 스토리지 전극에 "하이" 전위 레벨이 인가되는 것을 의미하며, 이것은 플레이트 전극의 전위보다 스토리지 전극의 전위가 높다는 것을 의미한다. 따라서, 상술한 바와 같이 HSG 실리콘 내의 n형 도핑 농도가 낮아지면 데이터 "0"을 저장할 때보다 데이터 "1"을 저장하고자 할 때 더 작은 량의 전하가 충전되게 된다. 이러한 비대칭성 캐패시턴스는 전체 반도체 칩의 성능을 저하시키는데, 예를 들어 데이터 "1"의 리프레쉬 마진(refresh margin)이 감소시키는 문제를 일으키게 된다. 따라서 상기한 문제를 해소하기 위해 스토리지 전극을 구성하는 다결정 실리콘층의 도핑 농도를 높여서 HSG 실리콘 내부의 도핑 농도를 증가시키는 방법이 제안되었다. 그러나, 도 1에서 보여지는 것처럼 스토리지 전극을 구성하는 다결정 실리콘층의 도핑 농도와 HSG 실리콘의 크기는 반비례 관계가 있다. 다시 말해, 다결정 실리콘의 농도가 높아지면 HSG 실리콘의 성장이 방해되는, 소위 발드 디펙(bald defect)이 발생하기 때문에, 결과적으로 원하는 스토리지 전극의 표면적을 얻을 수 없게 된다.In DRAM products, the meaning of minimum capacitance, Cmin, is very important because DRAM uses a potential level of "HIGH" state when storing data "1". Using the "high" level means that the "high" potential level is applied to the storage electrode, which means that the potential of the storage electrode is higher than that of the plate electrode. Therefore, as described above, when the n-type doping concentration in the HSG silicon is lowered, a smaller amount of charge is charged when the data "1" is to be stored than when the data "0" is stored. This asymmetric capacitance degrades the performance of the entire semiconductor chip, for example, causing a problem in that the refresh margin of data "1" is reduced. Therefore, in order to solve the above problem, a method of increasing the doping concentration of HSG silicon by increasing the doping concentration of the polycrystalline silicon layer constituting the storage electrode has been proposed. However, as shown in FIG. 1, the doping concentration of the polycrystalline silicon layer constituting the storage electrode is inversely related to the size of the HSG silicon. In other words, when the concentration of polycrystalline silicon is increased, so-called bald defects occur, which hinder the growth of HSG silicon, and as a result, the desired surface area of the storage electrode cannot be obtained.

따라서 본 발명의 목적은, 상기한 종래의 문제점을 해소할 수 있는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor memory device that can solve the above-mentioned conventional problems.

본 발명의 또 다른 목적은, HSG 실리콘을 사용하여 표면적을 보다 증가시킬 수 있는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor memory device which can further increase the surface area by using HSG silicon.

본 발명의 또 다른 목적은, HSG 실리콘 내부의 도핑 농도가 낮아지는 것을 방지하여 Cmin/Cmax의 비율을 높일 수 있는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor memory device, which can increase the ratio of Cmin / Cmax by preventing the doping concentration of HSG silicon from lowering.

도 1은 스토리지 전극을 구성하는 다결정 실리콘층의 불순물 도핑 농도와 HSG 실리콘 크기와의 관계를 도시한 그래프1 is a graph showing the relationship between the impurity doping concentration and the HSG silicon size of the polycrystalline silicon layer constituting the storage electrode.

도 2a 내지 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법을 순차적으로 도시한 단면도들2A through 2E are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.

상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 기판의 상부에 평탄화층 , 식각 방지층 그리고 물질층을 형성하는 단계와; 상기 평탄화층, 식각 방지층 그리고 물질층에 콘택홀을 형성하는 단계와; 상기 콘택홀이 형성된 반도체 기판에 고도핑된 제1다결정 실리콘층 및 도핑되지 않은 제2다결정 실리콘층을 형성하는 단계와; 상기 고도핑된 제1다결정 실리콘층과 도핑되지 않은 제2다결정 실리콘층을 동시에 패터닝하여 캐패시터의 하부 전극인 스토리지 전극들을 형성하는 단계와; 상기 스토리지 전극들이 형성된 결과물에 도핑되지 않은 제3다결정 실리콘층을 형성하는 단계와; 상기 제3다결정 실리콘층에 에치백을 실시하여 상기 스토리지 전극의 측벽들에 스페이서를 형성하는 단계와; 상기 도핑되지 않은 제2/제3다결정 실리콘층의 표면에 반구형 그레인(HSG) 실리콘을 성장시키는 단계와; 상기 물질층을 습식 식각하는 언더컷 공정을 실시하는 단계를 적어도 포함함을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of forming a planarization layer, an etch stop layer and a material layer on top of the semiconductor substrate; Forming contact holes in the planarization layer, an etch stop layer and a material layer; Forming a highly doped first polycrystalline silicon layer and an undoped second polycrystalline silicon layer on the contact hole-formed semiconductor substrate; Simultaneously patterning the doped first polycrystalline silicon layer and the undoped second polycrystalline silicon layer to form storage electrodes that are lower electrodes of the capacitor; Forming an undoped third layer of polycrystalline silicon on the resulting formation of said storage electrodes; Etching back the third polycrystalline silicon layer to form spacers on sidewalls of the storage electrode; Growing hemispherical grain (HSG) silicon on the surface of the undoped second / third polycrystalline silicon layer; A method of fabricating a capacitor in a semiconductor memory device, the method comprising performing an undercut process of wet etching the material layer.

바람직하게는, 상기 제1다결정 실리콘층은 종래의 스토리지 전극용 다결정 실리콘층에 비해 보다 얇게 형성시키고 그 위에 제2다결정 실리콘을 형성시킴으로써 다층구조를 이루도록 한다.Preferably, the first polycrystalline silicon layer is formed thinner than the conventional polycrystalline silicon layer for storage electrodes and forms a second polycrystalline silicon thereon to form a multilayer structure.

바람직하게는, 상기 HSG 실리콘은, 상기 제2다결정 실리콘층 및 제3다결정 실리콘층에만 부분적으로 성장시킨다.Preferably, the HSG silicon is partially grown only in the second polycrystalline silicon layer and the third polycrystalline silicon layer.

이어서, 상기 언더컷 공정 후에 상기 스토리지 전극의 상부에 유전체층 및 캐패시터의 상부 전극으로 기능하는 플레이트 전극을 더 형성하여 캐패시터를 완성하는 단계를 더 포함한다.Subsequently, after the undercut process, the method may further include forming a plate electrode, which functions as an upper electrode of the dielectric layer and the capacitor, on the storage electrode to complete the capacitor.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2a 내지 2e는 본 발명에 따른 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법을 순차적으로 도시한 단면도들이다.2A through 2E are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor memory device according to the present invention.

도 2a에는 반도체 기판에 트랜지스터 및 콘택홀(114)을 형성하는 단계가 도시되어 있다.2A illustrates a step of forming a transistor and a contact hole 114 in a semiconductor substrate.

상기 트랜지스터는, 통상의 소자 분리층 제조 방법인 국부 산화법(LOCal Oxide Silicon), 또는 보다 개선된 PBL공정에 의해 형성된 소자 분리층(102)들에 의해 정의된 엑티브 영역에 게이트 절연층(104) 및 게이트 전극(106), 상기 게이트 전극(106)을 자기 정렬된 마스크로 이용하여 상기 반도체 기판에 이온주입 공정을 실시하여 소오스 및 드레인 영역(도시하지 않음)을 형성함으로써 완성된다. 상기 게이트 전극(106)은 워드 라인(word line)으로 기능하고 상기 드레인 영역에는 비트 라인(도시하지 않음)이 형성된다. 또한 상기 소오스 영역에는 후속의 공정에서 캐패시터의 하부 전극인 스토리지 전극이 형성되어 진다. 상기 트랜지스터를 형성시키는 과정에서 단차가 발생된 상기 반도체 기판(100)을 평탄화시키기 위한 평탄화층(108)과 식각방지층(110), 그리고 언더컷용 물질층(112)을 차례로 형성한다. 바람직하게는, 상기 식각방지층(110)과 물질층(112)은 습식 식각에 대해 우수한 식각 선택비를 가지는 물질들, 예컨대 실리콘 질화층과 실리콘 산화층으로 각각 형성시킨다. 이어서 상기 물질층(112), 식각 방지층(110), 평탄화층(108)을 동시에 건식 식각하여 상기 트랜지스터의 소오스 영역을 노출시키는 콘택홀(114)을 형성한다.The transistor includes a gate insulating layer 104 and an active region defined by local oxide (LOCal Oxide Silicon), which is a conventional method of fabricating a device isolation layer, or device isolation layers 102 formed by a more advanced PBL process. The source and drain regions (not shown) are formed by performing an ion implantation process on the semiconductor substrate using the gate electrode 106 and the gate electrode 106 as self-aligned masks. The gate electrode 106 functions as a word line and a bit line (not shown) is formed in the drain region. In addition, a storage electrode, which is a lower electrode of the capacitor, is formed in the source region in a subsequent process. A planarization layer 108, an etch stop layer 110, and an undercut material layer 112 are formed in order to planarize the semiconductor substrate 100 in which the step is generated in the process of forming the transistor. Preferably, the etch stop layer 110 and the material layer 112 are formed of materials having an excellent etching selectivity with respect to wet etching, for example, a silicon nitride layer and a silicon oxide layer. Subsequently, the material layer 112, the etch stop layer 110, and the planarization layer 108 are simultaneously dry-etched to form a contact hole 114 exposing the source region of the transistor.

도 2b에는 스토리지 전극의 패턴을 형성하는 단계가 도시되어 있다.2B illustrates a step of forming a pattern of the storage electrode.

상기 콘택홀(114) 및 상기 물질층(112) 상부에 불순물, 예컨대 인(Phosphorus)이 고농도로 도핑된 제1다결정 실리콘층(116)과 불순물이 도핑되지 않은 제2다결정 실리콘층(118)을 전면 형성시킨다. 바람직하게는, 상기 제1다결정 실리콘층(116)의 불순물 도핑농도는 포화상태에 이르도록 약 1E22atom/cm3에 이르도록 도핑한다. 또한 바람직하게는, 상기 제1다결정 실리콘층(116)은 종래의 두께에 비해 보다 얇은 약 4000Å 내지 7000Å의 두께로 형성한다. 이어서, 상기 전면 형성된 제1다결정 실리콘층(116)과 제2다결정 실리콘층(118)에 사진 공정을 실시하여 상기 트랜지스터의 소오스 영역과 접촉되는 스토리지 전극들을 형성한다.The first polycrystalline silicon layer 116 doped with impurities such as phosphorus (Phosphorus) and the second polycrystalline silicon layer 118 not doped with impurities are disposed on the contact hole 114 and the material layer 112. Form the front. Preferably, the impurity doping concentration of the first polycrystalline silicon layer 116 is doped to reach about 1E22 atom / cm 3 to reach saturation. Also preferably, the first polycrystalline silicon layer 116 is formed to a thickness of about 4000 kPa to 7000 kPa, which is thinner than the conventional thickness. Subsequently, a photolithography process is performed on the first polycrystalline silicon layer 116 and the second polycrystalline silicon layer 118 formed on the entire surface to form storage electrodes in contact with the source region of the transistor.

도 2c에는 스페이서(120)와 시드(seed)(122)를 형성하는 단계가 도시되어 있다.2C illustrates the steps of forming a spacer 120 and a seed 122.

상기 형성된 스토리지 전극들 및 물질층(112) 상부에 불순물이 도핑되지 않은 제3다결정 실리콘층을 전면 형성한다. 이어서, 각각의 스토리지 전극을 분리하기 위해서 상기 제3다결정 실리콘층에 전면 에치백을 실시한다. 상기 에치백의 결과로 상기 스토리지 전극의 양 측벽에는 스페이서(120)가 형성된다. 이어서, 상기 결과물의 전면에 HSG 실리콘을 성장시키기 위한 시드(122)를 형성한다.A third polycrystalline silicon layer that is not doped with impurities is formed on the storage electrodes and the material layer 112. Subsequently, a front etch back is performed on the third polycrystalline silicon layer to separate each storage electrode. As a result of the etch back, spacers 120 are formed on both sidewalls of the storage electrode. Subsequently, a seed 122 for growing HSG silicon is formed on the entire surface of the resultant.

도 2d에는 HSG 실리콘을 성장시키는 단계가 도시되어 있다.2D illustrates the steps of growing HSG silicon.

상기 제2다결정 실리콘층(118)의 상부, 제3다결정실리콘층으로 이루어진 스페이서(120), 그리고 물질층(112)의 표면에 형성되어 상기 시드(122)를 이용하여 HSG 실리콘을 성장시킨다. 이때, 상기 시드(122)는 상기 물질층(112)와 같은 산화층에서 보다 상기 제2다결정 실리콘층(118)과 상기 스페이서(120)에서 우선적으로 성장된다. 종래의 HSG 실리콘 성장단계에 있어서는, 스토리지 전극용 다결정 실리콘층의 불순물 도핑농도가 높을수록 HSG 실리콘이 성장되지 않는 문제점, 즉 발드 디펙이 발생되어 상기 스토리지 전극용 다결정 실리콘의 도핑 농도를 충분히 높이지 못하였다. 그러나 본 발명에서는, 스토리지 전극용 제1다결정 실리콘(116)은 충분히 고농도로 도핑시키고 그 상부와 측면들에는 저농도로 도핑된 제2/제3다결정 실리콘층들(118,120)을 추가로 형성시킴으로써 발드 디펙을 방지할 수 있게 된다. 이어서, 상기 HSG 실리콘을 성장시키고 난 후에 POCl3(Phosphorus Oxide Cl3) 처리를 하여 상기 HSG 실리콘 내부에 인을 확산시킴으로써 도핑된 HSG 실리콘(124)을 형성시킨다. 그리고 나서, 상기 HSG 실리콘(124) 내부에 확산된 인의 농도구배를 균등히 하기 위해 약 600℃의 온도에서 어닐(anneal)을 실시한다. 이로써 인의 도핑농도가 균등하고 HSG 실리콘에 의해 표면에 요철이 형성된 스토리지 전극(126)이 완성된다.The HSG silicon is grown on the surface of the second polycrystalline silicon layer 118, the spacer 120 formed of the third polycrystalline silicon layer, and the surface of the material layer 112. In this case, the seed 122 is preferentially grown in the second polycrystalline silicon layer 118 and the spacer 120 than in the same oxide layer as the material layer 112. In the conventional HSG silicon growth step, as the impurity doping concentration of the polycrystalline silicon layer for the storage electrode increases, HSG silicon does not grow, that is, a defect is generated, and thus the doping concentration of the polycrystalline silicon for the storage electrode is not sufficiently increased. It was. However, in the present invention, the first polycrystalline silicon 116 for the storage electrode is sufficiently dedoped and the Bald Defect is formed by additionally forming second and third polycrystalline silicon layers 118 and 120 that are lightly doped on the top and sides thereof. Can be prevented. Subsequently, the HSG silicon is grown and then treated with POCl 3 (Phosphorus Oxide Cl 3 ) to diffuse phosphorus into the HSG silicon to form the doped HSG silicon 124. Then, annealing is performed at a temperature of about 600 ° C. to equalize the concentration gradient of phosphorus diffused in the HSG silicon 124. This completes the storage electrode 126 in which the doping concentration of phosphorus is uniform and irregularities are formed on the surface by HSG silicon.

도 2e에는 캐패시터를 완성하는 단계가 도시되어 있다.2E illustrates the steps of completing the capacitor.

상기 스토리지 전극(126)을 형성한 후, 상기 물질층(112)를 습식 식각하는 언더컷 공정을 실시한다. 통상적으로, 언더컷 공정으로 인해 노출된 상기 스토리지 전극의 하부 면적은 캐패시턴스를 증가시킬 수 있는 유효면적으로 이용된다. 이어서, 상기 스토리지 전극이 형성된 결과물의 전면에 산화층등으로 이루어진 캐패시터의 유전체층(128) 및 캐패시터의 상부 전극으로 기능하는 플레이트 전극(130)을 차례로 형성하여 반도체 메모리 장치용 캐패시터를 완성한다.After the storage electrode 126 is formed, an undercut process of wet etching the material layer 112 is performed. Typically, the bottom area of the storage electrode exposed due to the undercut process is used as an effective area that can increase capacitance. Subsequently, the dielectric layer 128 of the capacitor including the oxide layer and the like, and the plate electrode 130 serving as the upper electrode of the capacitor are sequentially formed on the entire surface of the resultant in which the storage electrode is formed to complete the capacitor for the semiconductor memory device.

상술한 바와 같이 본 발명은, 충분히 도핑된 제1다결정 실리콘층을 미리 형성하고, 그 상부와 측벽에 도핑되지 않은 제2다결정 실리콘층 및 제3다결정 실리콘층을 추가로 형성한다. HSG 실리콘은 상기 도핑되지 않은 제2다결정 실리콘 및 제3다결정 실리콘층에서 성장되므로 발드 디펙이 발생되지 않는다. 또한 POCl3처리에 의해 HSG 실리콘의 내부로 고농도의 인을 확산시킨 뒤 어닐링을 실시하여 스토리지 전극의 인의 농도를 균일화시킨다. 이처럼 HSG 실리콘을 이용하여 캐패시터의 면적을 보다 증가시킬 수 있다. 또한 HSG 실리콘 내부의 도핑농도를 높임으로써 Cmin/Cmax의 비율을 높일 수 있다.As described above, the present invention previously forms a sufficiently doped first polycrystalline silicon layer, and further forms an undoped second polycrystalline silicon layer and a third polycrystalline silicon layer on top and sidewalls thereof. HSG silicon is grown in the undoped second polycrystalline silicon and third polycrystalline silicon layers so that no bald defects occur. POCl 3 treatment also diffuses a high concentration of phosphorus into the HSG silicon and then anneals to uniformize the phosphorus concentration of the storage electrode. HSG silicon can be used to increase the area of the capacitor. In addition, the ratio of Cmin / Cmax may be increased by increasing the doping concentration in the HSG silicon.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art to various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.

Claims (9)

억세스 트랜지스터가 형성된 반도체 기판의 상부에 평탄화층 , 식각 방지층, 그리고 물질층을 형성하는 단계와;Forming a planarization layer, an etch stop layer, and a material layer on the semiconductor substrate on which the access transistor is formed; 상기 평탄화층, 식각 방지층, 그리고 물질층에 콘택홀을 형성하는 단계와;Forming a contact hole in the planarization layer, an etch stop layer, and a material layer; 상기 콘택홀이 형성된 반도체 기판에 고도핑된 제1다결정 실리콘층 및 도핑되지 않은 제2다결정 실리콘층을 형성하는 단계와;Forming a highly doped first polycrystalline silicon layer and an undoped second polycrystalline silicon layer on the contact hole-formed semiconductor substrate; 상기 고도핑된 제1다결정 실리콘층과 도핑되지 않은 제2다결정 실리콘층을 동시에 패터닝하여 캐패시터의 하부 전극인 스토리지 전극들을 형성하는 단계와;Simultaneously patterning the doped first polycrystalline silicon layer and the undoped second polycrystalline silicon layer to form storage electrodes that are lower electrodes of the capacitor; 상기 스토리지 전극들이 형성된 결과물에 도핑되지 않은 제3다결정 실리콘층을 형성하는 단계와;Forming an undoped third layer of polycrystalline silicon on the resulting formation of said storage electrodes; 상기 제3다결정 실리콘층을 전면 에치백하여, 상기 스토리지 전극의 측벽들에 스페이서를 형성하는 단계와;Etching back the third polycrystalline silicon layer to form spacers on sidewalls of the storage electrode; 상기 도핑되지 않은 제2다결정 실리콘 및 제3다결정 실리콘층의 표면에 반구형 그레인(HSG) 실리콘을 성장시키는 단계와;Growing hemispherical grain (HSG) silicon on the surfaces of the undoped second polycrystalline silicon and third polycrystalline silicon layers; 상기 물질층을 습식 식각하는 언더컷 공정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법.And an undercut process step of wet etching the material layer. 제 1항에 있어서, 상기 언더컷 공정후에 상기 결과물에 캐패시터의 유전체층 및 캐패시터의 하부 전극으로 기능하는 플레이트 전극을 형성하여 캐패시터를 완성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 장치의 캐패시터 제조 방법.2. The method of claim 1, further comprising forming a plate electrode on the resultant substrate after the undercut process, which functions as a dielectric layer of the capacitor and a lower electrode of the capacitor, thereby completing the capacitor. 제 1항에 있어서, 상기 반구형 그레인 실리콘은 제2다결정 실리콘 및 제3다결정 실리콘의 표면에서만 선택적으로 성장됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the hemispherical grain silicon is selectively grown only on the surfaces of the second polycrystalline silicon and the third polycrystalline silicon. 제 1항에 있어서, 상기 제1다결정 실리콘은 불순물의 농도가 포화상태에 이를때까지 도핑됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the first polycrystalline silicon is doped until the concentration of impurities reaches a saturation state. 제 1항에 있어서, 상기 반구형 실리콘은 상기 제2다결정 실리콘층 및 제3다결정 실리콘층에 형성되어 있는 시드로 인해 성장됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the hemispherical silicon is grown due to seeds formed in the second polycrystalline silicon layer and the third polycrystalline silicon layer. 제 1항에 있어서, 상기 물질층에 형성되어 있는 시드는 언더컷 공정에 의해 물질층과 함께 제거됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the seed formed in the material layer is removed together with the material layer by an undercut process. 제 1항에 있어서, 상기 물질층과 식각 방지층은 임의의 습식 식각에 대해 우수한 식각 선택비를 갖는 물질로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the material layer and the etch stop layer are formed of a material having an excellent etching selectivity with respect to any wet etching. 제 1항에 있어서, 상기 물질층 및 식각 방지층은 실리콘 질화층 및 실리콘 산화층으로 각각 형성됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the material layer and the etch stop layer are formed of a silicon nitride layer and a silicon oxide layer, respectively. 제 1항에 있어서, 상기 반구형 실리콘은, 포클(POCl3) 처리에 의해 도핑됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the hemispherical silicon is doped by a POCl 3 process.
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KR100679251B1 (en) * 2000-07-11 2007-02-05 삼성전자주식회사 Method for manufacturing capacitors of the semiconductor device

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