KR19990075645A - 강유전체 커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents

강유전체 커패시터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

강유전체 커패시터 및 그 제조방법을 개시한다. 이 방법은. 소자분리막이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계;와, 상기 반도체 기판의 전면에 확산방지용 물질, 하부전극 형성용 물질 및 강유전체 물질을 차례로 증착하는 단계;와, 상기 결과물 전면에 커패시터를 형성하기 위한 영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성하는 단계;와, 상기 감광막 패턴을 마스크로 하여 상기 강유전체 물질, 하부전극 형성용 물질 및 확산방지용 물질을 차례로 식각함으로서 강유전체층, 하부전극 및 확산방지층을 형성하는 단계;와, 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계;와, 상기 결과물 전면에 상부전극 형성용 물질을 형성하고, 상기 강유전체층을 덮으며 상기 강유전체에 전압을 인가하기 위하여 전원단자까지 연장되도록 하는 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 상부전극 형성용 물질을 식각함으로써 상부전극을 형성한다.

Description

강유전체 커패시터 및 그 제조방법
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 강유전체 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
강유전체, 예컨대 PZT(PbZrxTi1-xO3), PLZT(La로 도핑된 PZT) 또는 PNZT(Nb로 도핑된 PZT)는 종래의 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물에 비해 유전율이 높고 분극 반전 특성을 지니기 때문에 차세대 메모리 소자의 제조에 적합한 물질로서 주목받고 있다.
이러한 강유전체는 유전상수가 매우 크기 때문에 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 커패시터 물질로 사용할 경우 플래너(planar) 구조로도 현 수준의 메모리용 커패시터를 제작할 수 있으며, 스택(stack)이나 트렌치(trench) 구조를 이용하면 Giga급 단위의 메모리 소자의 제작을 가능하게 한다.
최근에는 저장된 정보를 반영구적으로 보관하여 별도의 리프레쉬(refresh) 과정을 수행할 필요가 없는 새로운 형태의 DRAM 메모리 소자인 강유전체 메모리 소자(Ferroelectric Random Access Memory;이하 FRAM이라 함)의 제조에 자발 분극 특성을 지닌 강유전체가 유용하게 사용되고 있다.
도 1은 종래의 강유전체 커패시터를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 강유전체 커패시터는 하부전극(124)과 상부전극(128) 및 강유전체(126)를 구비한다. 이러한 종래의 강유전체 커패시터는 도 1에 도시된 바와 같이 소자분리막(110) 위에 형성될 수 있다. 소자분리막(110)은 통상의 LOCOS(Local Oxidation of Silicon) 방법에 의해 형성될 수 있다.
이와 같은 종래의 강유전체 커패시터를 제조하는 방법을 도 1과 함께 설명하면 다음과 같다.
먼저 반도체 기판(100)의 전면에 화학기상증착법(Chemical Vapour Deposition)과 같은 통상의 방법으로 TiO2를 증착한다. 그리고 사진식각을 이용하여 TiO2층을 패터닝함으로써 TiO2패턴(122)을 형성한다. 이때, 반도체 기판(100)에는 소자분리막(110)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 TiO2패턴(122)이 형성된 결과물 전면에 하부전극 형성용 물질을 증착하고 사진식각을 이용하여 TiO2패턴(122) 위에 하부전극(124)을 형성한다. 다음, 하부전극(124)이 형성된 결과물 전명에 PZT와 같은 강유전체 물질을 증착하고 사진식각을 이용하여 하부전극(124) 위에 강유전체층(126)을 형성한다. 이어서, 강유전체층(126)이 형성된 결과물 전면에 상부전극 형성용 물질을 증착하고 사진식각공정을 이용하여 강유전체층(126) 위에 상부전극(128)을 형성한다. 그리고, 이와 같은 강유전체 커패시터를 보호하기 위하여 TiO2층(132)을 증착한다. 이어서, 층간절연층을 증착한 후, 사진식각공정을 이용하여 상부전극(128)과 금속층을 연결하기 위한 DC(Direct Contact)을 형성한다. DC가 형성된 결과물 전면에 금속층(138)을 증착하고 식각함으로서 종래의 강유전체 커패시터가 완성된다.
그런데, 종래의 강유전체 커패시터 제조방법에 있어서, 상기 강유전체막 패턴의 측벽은 경사진 형태로 식각되며, 강유전체 위에 강유전체보다 작은면적을 갖는 상부전극층의 식각에 의해서 강유전체막이 식각손상을 받게 된다. 그 결과, 강유전체막은 비정질화되고 이는 강유전체 커패시터의 신뢰성을 낮추는 결과가 된다. 또한, 금속층을 형성하는 공정이 필수적이므로 공정진행시간이 지연되어 생산원가가 높게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 금속층을 없애고 금속층의 역할을 상부전극층이 하도록 함으로써 금속층 형성공정으로 인한 강유전체의 식각손상을 줄여 반도체 소자의 신뢰성을 높이고 또한, 생산원가를 낮출 수 있는 강유전체 커패시터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 강유전체 커패시터를 나타내는 단면도이다.
도 2내지 도 4는 본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 제조방법을 단계적으로 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200:반도체 기판 110,120:소자분리막
122,310':TiO2층 124,320':하부전극
126,340':강유전체 128,420:상부전극
138:금속층
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강유전체 커패시터 제조방법은. 소자분리막이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계;와, 상기 반도체 기판의 전면에 확산방지용 물질, 하부전극 형성용 물질 및 강유전체 물질을 차례로 증착하는 단계;와, 상기 결과물 전면에 커패시터를 형성하기 위한 영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성하는 단계;와, 상기 감광막 패턴을 마스크로 하여 상기 강유전체 물질, 하부전극 형성용 물질 및 확산방지용 물질을 차례로 식각함으로서 강유전체층, 하부전극 및 확산방지층을 형성하는 단계;와, 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계;와, 상기 결과물 전면에 상부전극 형성용 물질을 형성하고, 상기 강유전체층을 덮으며 상기 강유전체에 전압을 인가하기 위하여 전원단자까지 연장되도록 하는 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 상부전극 형성용 물질을 식각함으로써 상부전극을 형성한다.
상기 상부전극은 상기 강유전체층을 모두 덮는 것이 바람직하며, 상기 확산방지층은 TiO2로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 강유전체 커패시터 제조방법은, 상기 하부전극 형성용 물질을 증착한 후, 상기 강유전체 물질을 증착하기 전에 산소공급용 물질을 더 증착하는 단계;와, 상기 강유전체 물질을 식각한 후, 상기 하부전극 형성용 물질을 식각하기 전에 상기 산소공급용 물질을 식각하여 산소공급층을 형성하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 산소공급층은 IrO2로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강유전체 커패시터는, 소자분리막이 형성된 반도체 기판;과, 상기 반도체 기판에 형성된 확산방지층;과, 상기 확산방지층 위에 형성된 하부전극;과, 상기 하부전극 위에 형성된 강유전체층;과, 상기 강유전체층 위에 형성된 상부전극을 구바하고, 상기 상부전극은 상기 강유전체층을 덮으며 상기 강유전체에 전압을 인가하기 위하여 전원단자까지 연장된다.
상기 상부전극은 상기 강유전체층을 모두 덮는 것이 바람직하며, 상기 확산방지층은 TiO2로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 강유전체 커패시터는, 상기 하부전극과 상기 강유전체층 사이에 산소공급층이 더 구비되는 것이 바람직하고, 상기 산소공급층은 IrO2로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 강유전체 커패시터 및 그 제조방법은, 금속층을 없애고 금속층의 역할을 상부전극층이 하도록 함으로써 금속층 형성공정으로 인한 강유전체의 식각손상을 줄여 반도체 소자의 신뢰성을 높이고 또한, 금속층 형성공정을 생략함으로써 생산원가를 낮출 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 국한되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 또한, 도면에서 층이나 영역들의 두께는 설명을 명확하게 하기 위하여 과장된 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 또한 어떤 층이 다른 층 또는 기판의 "상부"에 있다고 기재된 경우, 상기 어떤 층이 상기 다른 층 또는 기판의 상부에 직접 접촉하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 개재될 수도 있다.
도 2내지 도 4는 본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 제조방법을 단계적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도2를 참조하면, 도 1을 참조하면, 반도체기판(100) 상에 선택적 산화방법(LOCOS; Local Oxidation of Silicon)과 같은 통상의 소자분리 공정을 적용하여 반도체기판(100)을 활성영역과 비활성영역으로 한정하는 필드산화막(210)을 형성한다. 여기서, 반도체 기판(200)에는 게이트 절연막(미도시)을 개재하여 형성된 게이트(미도시)와 소오스 영역(미도시) 및 드레인 영역(미도시)으로 이루어진 트랜지스터가 형성되어 있을 수 있다.
도 3을 참조하면, 필드산화막(210)이 형성된 반도체 기판(200)의 전면에, 예를 들면 TiO2와 같은 확산방지층 형성용 물질(310)을 증착한다. 그리고 캐패시터의 하부전극 형성용 도전물질(320)착한다. 하부전극 형성용 도전물질(320)은 Pt, Ru, RuO2, Ir, IrO2및 그 조합중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하며,내산화성이 우수한 백금막으로 형성하는 것이 더욱 바람직하다. 계속하여 상기 하부전극 형성용 물질층(320) 위에 강유전체(340), 예를 들면 PZT를 증착한다. 한편, PZT와 같은 강유전체가 커패시터의 유전막으로 사용될 때, 시간이 지나면서 막 내의 산소가 줄어들게 되고 그 결과 강유전체 커패시터의 신뢰성이 저하된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 강유전체(340) 내로 산소를 공급함으로써 신뢰성을 유지하기 위하여 강유전체(340)를 증착하기 전에 예를 들면, IrO2와 같은 산소공급을 위한 물질(330)을 증착할 수 있다. 강유전체(340)가 증착된 반도체 기판(200)의 전면에 통상의 사진공정을 통하여 강유전체 커패시터 패턴을 정의하는 감광막(350) 패턴을 형성한다. 이어서, 감광막 패턴(350)을 마스크로 하여 식각공정을 진행함으로써. 강유전체(340), 산소공급을 위한 물질층(330), 하부전극 형성용 도전물질층(320), 확산방지용 물질층(310)을 차례로 식각한다. 여기서, 상기 층들(349, 330, 320, 310)에 대한 식각은 이방성 식각이 바람직하다.
도 4에는, 도 3의 강유전체(340), 산소공급을 위한 물질층(330), 하부전극 형성용 도전물질층(320), 확산방지용 물질층(310)가 이미 설명한 바와 같이 차례로 식각된 후의 강유전체층(340'), 산소공급층(330'), 하부전극(320'), 확산방지층(310')이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 확산방지층(310'), 하부전극(320'), 산소공급층(330'), 강유전체층(340')이 차례로 형성된 반도체 기판의 전면(200)에 캐패시터의 상부전극 형성용 도전물질을 증착한다. 여기서, 상기 은 하부전극 형성용 도전물질(320)과 동일한 물질인 것이 바람직하다. 즉, 상부전극 형성용 도전물질은 Pt, Ru, RuO2, Ir, IrO2및 그 조합중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하며,내산화성이 우수한 백금막으로 형성하는 것이 더욱 바람직하다. 이어서, 통상의 사진식각공정을 통하여 상부전극 형성용 도전물질층을 식각함으로써 상부전극(420)을 형성하여 강유전체 커패시터를 완성한다. 이때, 상부전극(420)은 강유전체층(340')을 모두 덮고 있으며, 또한 종래의 강유전체 커패시터의 금속층 역할을 할 수 있도록 종래의 금속층의 연장방향과 동일한 방향으로 연장되도록 한다.
이와 같은 본 발명의 강유전체 커패시터의 형성방법에 따르면, 종래의 강유전체 커패시터 형성방법에 비해 층간절연막 및 금속층 형성공정이 생략되기 때문에 반도체 소자를 제조하는 시간이 단축되어 생산원가를 낮출 수 있다. 또한, 상부전극이 강유전체 층을 덮고 있기 때문에 종래의 강유전체 커패시터에 비해 커패시턴스를 크게 하는 것이 가능하며 상부 전극층을 형성하기 위한 식각분위기에 노출되는 강유전체 부분을 현저하게 줄일 수 있어 반도체 소자의 신뢰성을 높일 수 있다.
이상 실시예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로서, 본 발명의 기술사상 및 범위내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 각종 변형 및 개량이 가능함은 명백하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 강유전체 커패시터 및 그 제조방법은, 금속층을 없애고 금속층의 역할을 상부전극층이 하도록 함으로써 금속층 형성공정으로 인한 강유전체의 식각손상을 줄여 반도체 소자의 신뢰성을 높이고 또한, 금속층 형성공정을 생략함으로써 생산원가를 낮출 수 있다.

Claims (10)

  1. 소자분리막이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 반도체 기판의 전면에 확산방지용 물질, 하부전극 형성용 물질 및 강유전체 물질을 차례로 증착하는 단계;
    상기 결과물 전면에 커패시터를 형성하기 위한 영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 감광막 패턴을 마스크로 하여 상기 강유전체 물질, 하부전극 형성용 물질 및 확산방지용 물질을 차례로 식각함으로서 강유전체층, 하부전극 및 확산방지층을 형성하는 단계;
    상기 감광막 패턴을 제거하는 단계;
    상기 결과물 전면에 상부전극 형성용 물질을 형성하고, 상기 강유전체층을 덮으며 상기 강유전체에 전압을 인가하기 위하여 전원단자까지 연장되도록 하는 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 상부전극 형성용 물질을 식각함으로써 상부전극을 형성하는 단계를 구비하는 강유전체 커패시터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부전극은 상기 강유전체층을 모두 덮는 것을 특징으로 하는 강유전체 커패시터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 확산방지층은 TiO2로 이루어진 것을 특징으로 하는 강유전체 커패시터의 제조방법,
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부전극 형성용 물질을 증착한 후, 상기 강유전체 물질을 증착하기 전에 산소공급용 물질을 더 증착하는 단계; 및
    상기 강유전체 물질을 식각한 후, 상기 하부전극 형성용 물질을 식각하기 전에 상기 산소공급용 물질을 식각하여 산소공급층을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 강유전체 커패시터의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산소공급층은 IrO2로 이루어진 것을 특징으로 하는 강유전체 커패시터의 제조방법.
  6. 소자분리막이 형성된 반도체 기판;
    상기 반도체 기판에 형성된 확산방지층;
    상기 확산방지층 위에 형성된 하부전극;
    상기 하부전극 위에 형성된 강유전체층; 및
    상기 강유전체층 위에 형성된 상부전극을 구바하고,
    상기 상부전극은 상기 강유전체층을 덮으며 상기 강유전체에 전압을 인가하기 위하여 전원단자까지 연장되는 것을 특징으로 하는 강유전체 커패시터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부전극은 상기 강유전체층을 모두 덮는 것을 특징으로 하는 강유전체 커패시터.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 확산방지층은 TiO2로 이루어진 것을 특징으로 하는 강유전체 커패시터,
  9. 제6항에 있어서,
    상기 하부전극과 상기 강유전체층 사이에 산소공급층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 강유전체 커패시터,
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산소공급층은 IrO2로 이루어진 것을 특징으로 하는 강유전체 커패시터.
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