KR20000024905A - 반도체장치의 캐퍼시터 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유전율이 높아 정전용량을 증대시키고 고순도로서 누설전류와 절연파괴전압 특성이 개선된 캐퍼시터 형성방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 캐퍼시터 형성방법은 반도체 기판위에 하부전극과 질화막을 형성하는 단계; Ta 원료물질을 반응챔버내로 단락적으로(pulsing) 인입하여 Ta2O5박막을 증착하는 단계; Ta2O5박막을 후속 열처리하는 단계; 및 상부전극 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그 결과 캐퍼시터의 누설전류을 최소한 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전기적 특성이 우수해 짐으로써 더욱 고집적화된 DRAM 의 개발이 용이해지고, 높은 충전용량으로 인해 리프레쉬(refresh) 특성이 우수하고 신뢰성이 우수한 반도체 장치를 개발할 수 있다.

Description

반도체장치의 캐퍼시터 형성방법
본 발명은 반도체장치의 캐퍼시터 형성방법에 관한 것으로, 특히 유전율이 높아 정전용량을 증대시키고 고순도로서 누설전류와 절연파괴전압 특성이 개선된 캐퍼시터 형성방법에 관한 것이다.
DRAM의 집적도가 64M에서 256M로 증가함에 따라, 셀의 크기의 감소는 더욱 가속화되고 있고, 이로 인하여 캐퍼시터의 면적감소는 필연적 요소가 되고 있다. 따라서, 한정된 면적에 큰 정전용량을 가지는 캐퍼시터를 실현시키기 위하여 유전율이 큰 캐퍼시터 유전체를 사용하려는 연구가 계속되어 왔으며, 이러한 노력의 결과로 종래에 사용되어 오던 Si3N4보다 유전율이 높은 탄탈륨옥사이드(Ta2O5) 박막이 캐퍼시터의 유전막으로 사용되기에 이르렀다.
그러나, 차세대 DRAM 의 유전체로서 각광받고 있는 Ta2O5박막의 경우 Ta 의 원료물질로 사용하는 Ta(OC2H5)5, TaCl5등의 금소유기화합물(metal-organic) 원료에 탄소(C) 등의 불순물이 함유되어 있어, 박막내의 탄소 등의 불순물과 Ta 과 산소(O2)와의 미반응으로 인해 산소 소공이 생성된다. 그리하여, 탄소계 미반응물이 박막내에 트랩사이트(trap site)로 작용하고, 산소결핍시 생성되는 산소공공(oxygen vacancy)이 전자를 내놓게 되어 누설전류의 발생, 절연파괴전압등 박막의 전기적 특성의 열화를 초래한다.
종래에는 이러한 열화를 방지하기위해, 탄소계 불순물을 제거하고 산소공공을 감소시키기 위한 방안으로 Ta2O5증착후 열처리를 1회 내지 2회 행하였다. 그러나, 이 방법은 Ta2O5와 하부전극과의 계면에 저유전율의 산화층을 생성시켜 충전용량(capacitance)를 떨어뜨릴 뿐만 아니라 추가장비를 도입해야하고 공정 단계가 많아 캐퍼시터의 공정시간이 길어지고 결함(defect)이 생길 가능성도 매우 높은 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 Ta2O5증착시 Ta2O5박막의 탄소계 불순물을 제거하고 산소공공을 감소시키는 공정을 수행함으로써 유전율이 높아 정전용량이 증가되고, 전기적 특성이 개선된 캐퍼시터 형성방법을 제공하는 데에 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 Ta2O5박막 증착시 Ta 원료를 단락적으로 유입하는 단락 시간(tp)을 표시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 캐퍼시터 형성방법을 설명하기 위한 Ta2O5박막 캐퍼시터 구조도이다.
* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호설명*
10 : 폴리실리콘막 20 : 질화막
30 : 탄탈륨옥사이드막 40 : 상부전극
50 : 폴리실리콘막
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따르는 캐퍼시터 형성방법은 반도체 기판위에 하부전극과 질화막을 형성하는 단계; Ta 원료물질을 반응챔버내로 단락적으로(pulsing) 인입하여 Ta2O5박막을 증착하는 단계; Ta2O5박막을 후속 열처리하는 단계; 및 상부전극 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 캐퍼시터 형성방법에서는 Ta2O5박막 증착시 반응 챔버내로 Ta 원료를 단락적으로 도입함으로써(도 1) Ta 원료물질의 인입이 이루어지지 않는 단락시간(tP)에는 탄소계 불순물이 산소와 반응하여 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등의 가스로 탈착하기 때문에, 증착된 Ta2O5박막 내의 탄소 불순물의 함유량을 현격하게 감소시킬 수 있으며, Ta 과 O2의 반응 시간이 충분하여 산소공공의 생성이 억제된다. 따라서, 고순도의 치밀한 Ta2O5박막을 얻을 수 있다. 또한, 낮은 증착속도(deposition rate)로 Ta2O5박막의 단차 도포성(step coverage)이 우수해져 누설전류 및 절연파괴전압 등의 전기적 특성이 현저하게 향상된다.
본 발명의 캐퍼시터 형성방법에서는 Ta2O5박막 증착시 반응 챔버내로 Ta 원료를 단락적으로 인입하는 단락 시간(tp)은 0.1~30 초로 하여 탄소계 불순물이 산소와 충분히 반응할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, Ta 인입 시간은 Ta 과 산소가 충분히 반응할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 캐퍼시터 형성방법에서 Ta2O5박막 증착방법은 CVD (Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure CVD) 방법이나 PECVD 법 등으로 하는 것이 바람직하며, Ta2O5박막 증착은 300~700℃의 온도로 0.01~10 Torr 의 압력에서 실시하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 캐퍼시터 형성방법에서 Ta2O5박막 증착시 Ta 원료를 단락적으로 유입하는 단락 시간(tp)을 산소원료의 계속적인 유입시간과 비교하여 표시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 캐퍼시터 형성방법을 설명하기 위한 Ta2O5박막 캐퍼시터 구조도이다.
먼저, 종래의 방법에 따라 불순물이 도핑된 폴리실리콘이나 HSG (hemispherical silicon grain)(10)을 형성하고, 하부전극의 산화방지를 목적으로 질화막(Si3N4)(20)을 형성한다.
Ta 원료물질로 액상의 Ta(OC2H5), TaCl5, TaI5등을 사용하고, O 의 원료물질로는 O2, O3, N2O, NO, NO2등을 사용하여, Ta 원료물질을 반응 챔버내로 0.1초 내지 30초의 단락시간으로 인입시키는 방식으로, CVD 법에 따라 Ta2O5박막(30) 증착을 실시한다.
Ta2O5박막 증착후 전기적 특성을 더욱 향상시키기 위해서 후속 열처리를 한다. 후속 열처리는 단일 열처리 또는 두 단계 열처리를 하며, 두 단계 열처리를 이용할 경우에는, 일단계로 O2, O3, N2O, NO, NO2등의 가스를 사용하여 300~600℃온도에서 0.1~1 Torr 의 저압에서 열처리한 다음, 700~900℃온도에서 저압 또는 상압에서 고압 열처리한다. Ta2O5박막의 열처리는 플라즈마, UV 등의 보조 에너지원을 이용하여 O2, O3, N2O, NO, NO2등의 가스를 활성화시킨 상태에서 진행시킬 수 있다.
후속 열처리가 끝난 다음, 저유전층인 SiO2형성을 막고 누설전류를 감소시키기 위해 TaN, TiN, WN 등으로 상부전극(40)을 형성시킨다.
이렇게 형성된 상부전극(40) 위에 필요에 따라 불순물이 도핑된 폴리실리콘(50)을 증착시킬 수 있다.
이와 같이 형성된 캐퍼시터는 Ta2O5박막이 고순도이고 매우 치밀하여 결함밀도가 낮아서, 전기적 특성이 우수할 뿐만 아니라 산소 확산도(oxygen diffusivity)도 종래의 저밀도 Ta2O5박막보다 낮아져 후속 열처리 공정시 상하부 전극의 산화가 감소되어 등가 산화막 두께를 현재의 35Å 보다 더욱 낮출 수 있다.
이상에서는 본 발명의 캐퍼시터 형성방법의 바람직한 실시예로서 Ta2O5박막을 갖는 캐퍼시터를 형성방법에 대해 기술하였으나, 본 발명은 이 실시예에만 한정되는 것이 아니라 차세대 캐퍼시터의 유전체로 사용될 BST((Ba,Sr)TiO3), STO(SrTiO3), BTO(BaTiO3), PZT(Pb(Zr,Ti)O3), PLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O3) 등, CVD의 원료물질로 금속유기화합물을 사용하는 고유전율 박막의 경우에도 당업자라면 본 발명의 방법을 응용하여 실시할 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 고순도의 치밀한 캐퍼시터는 고순도의 치밀한 Ta2O5박막으로 이루어져 누설전류을 최소한 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전기적 특성이 우수해 짐으로써 더욱 고집적화된 DRAM 의 개발이 용이해지고, 높은 충전용량으로 인해 리프레쉬(refresh) 특성이 우수하고 신뢰성이 우수한 반도체 장치를 개발할 수 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 기판위에 하부전극과 질화막을 형성하는 단계;
    Ta 원료물질을 반응챔버내로 단락적으로(pulsing) 인입하여 Ta2O5박막을 증착하는 단계;
    Ta2O5박막을 후속 열처리하는 단계;
    및 상부전극 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 캐퍼시터 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서, Ta2O5박막 증착단계에서 Ta 원료를 단락적으로 인입하는 단락 시간(tp)은 0.1~30 초로 하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 캐퍼시터 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서, Ta2O5박막 증착은 300~700℃의 온도로 0.01~10 Torr 의 압력에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 캐퍼시터 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서, Ta2O5박막 증착 단계에서 유전체로서 Ta2O5대신에BST((Ba,Sr)TiO3), STO(SrTiO3), BTO(BaTiO3), PZT(Pb(Zr,Ti)O3) 및 PLZT ((Pb,La)(Zr,Ti)O3)로 이루어진 그룹에서 선택된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 캐퍼시터 형성방법.
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