KR20010008412A - Method for manufacturing capacitor of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a capacitor is provided to prevent a storage electrode from being oxidized in a thermal oxide process of a Ta2O5 thin film while increasing a surface area of the storage electrode, by using a tungsten silicide layer as a layer for the storage electrode. CONSTITUTION: A plug(121) connected to a semiconductor device or predetermined region of the semiconductor device through a contact hole of an interlayer dielectric(110) for isolation between devices is formed on a semiconductor substrate(100) having the semiconductor device. A storage electrode composed of a conductive layer including a tungsten silicide layer(122) is formed, contacting the plug. A Ta2O4 thin film as a dielectric material between electrodes is formed on an upper surface of the storage electrode. A plate electrode composed of a conductive layer including a metal layer is formed on the Ta2O4 thin film.

Description

반도체장치의 커패시터 제조방법Capacitor Manufacturing Method of Semiconductor Device

본 발명은 반도체장치의 커패시터 제조방법에 관한 것으로서, 특히 고집적 반도체장치의 커패시터의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체장치의 커패시터 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitor manufacturing method of a semiconductor device, and more particularly, to a capacitor manufacturing method of a semiconductor device capable of improving electrical characteristics of a capacitor of a highly integrated semiconductor device.

현재 반도체 소자는 고집적화를 달성하기 위하여 셀 면적의 감소 및 동작 전압의 저전압화에 관한 연구/개발이 활발하게 진행되고 있다. 더구나 반도체 소자의 고집적화가 이루어질수록 커패시터의 면적은 급격하게 감소되고 있기 때문에 기억소자의 동작에 필요한 전하 즉, 단위 면적에 확보되는 커패시턴스를 더욱 증가시켜야만 한다.At present, in order to achieve high integration of semiconductor devices, research / development has been actively conducted on reduction of cell area and reduction of operating voltage. In addition, as the integration of semiconductor devices increases, the area of the capacitor is rapidly decreasing, and thus, the charge required for the operation of the memory device, that is, the capacitance secured in the unit area, must be further increased.

한편, 메모리 셀에 사용되는 커패시터의 기본 구조는 전하저장(storage node)용 하부 전극, 유전체막 및 플레이트노드(plate node)인 상부전극으로 구성된다. 이러한 구조를 가지는 커패시터는 작은 면적 내에서 보다 큰 고커패시턴스를 얻기 위해서 첫째 얇은 유전체막 두께를 확보하거나, 둘째 3차원적인 커패시터의 구조를 통해서 유효 면적을 증가하거나, 셋째 유전율이 높은 물질을 사용하여 유전체막을 형성하는 등의 몇 가지 조건이 만족되어야만 한다.Meanwhile, the basic structure of a capacitor used in a memory cell is composed of a lower electrode for a storage node, a dielectric film, and an upper electrode that is a plate node. Capacitors having such a structure have a first thin dielectric film thickness to increase the high capacitance in a small area, increase the effective area through the structure of a three-dimensional capacitor, or use a dielectric material having a high dielectric constant. Several conditions must be met, such as forming a film.

반도체장치의 커패시터는 통상적으로 주어진 유전체막의 두께에서 누설 전류가 적어지면 적어질수록, 파괴 전압이 커지면 커질수록 좋은 유전체막을 얻지만 유전체막의 두께가 100Å 이하로 박막화될 경우 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 터널링에 의하여 누설 전류가 증가하여 신뢰성이 저하된다. 또한, 커패시터의 유효 면적을 증가시키기 위하여 3차원 구조를 이용해서 하부전극의 단면적을 증가시킬 경우에는 반도체장치의 고집적화에 따른 복잡한 구조로 인해 제조 공정이 어려워지고 있다. 이러한 이유에 의해서 메모리 셀에 이용되는 커패시터는 좁은 면적에서도 고커패시턴스의 확보가 충분히 이루어질 수 있도록 높은 유전율을 가지는 물질을 커패시터의 유전체막으로 이용하는 방법을 주로 사용하고 있는데, 고유전율을 가지는 유전체 재료는 TiO2, Ta2O5등이 있으며, 이들 중에서 Ta2O5를 갖는 커패시터 제조 방법은 다음과 같다.Capacitors in semiconductor devices generally obtain better dielectric films with less leakage current and larger breakdown voltages at a given dielectric film thickness, but Fowler-Nordheim when the dielectric film becomes thinner than 100 Å. ) The leakage current increases due to tunneling, which lowers the reliability. In addition, when the cross-sectional area of the lower electrode is increased by using a three-dimensional structure to increase the effective area of the capacitor, the manufacturing process becomes difficult due to the complicated structure resulting from the high integration of the semiconductor device. For this reason, the capacitor used in the memory cell mainly uses a method having a high dielectric constant as a dielectric film of the capacitor so that a high capacitance can be secured even in a small area. 2 , Ta 2 O 5 and the like, among these, the method for producing a capacitor having Ta 2 O 5 is as follows.

도 1은 고유전율의 Ta2O5박막을 갖는 MIS(Metal/Insulator/Silicon)형 커패시터의 구조를 설명하기 위한 수직단면도로서, 일반적으로 반도체메모리장치에 형성되는 커패시터(30)는 통상의 제조 공정에 따라 층간절연막(20)의 콘택홀을 통해서 반도체기판(10)의 활성영역과 접하며 불순물이 도핑된 폴리실리콘으로 이루어진 하부전극(32)과, 그 위에 고유전체로서 적층된 Ta2O5박막(34)과, 그 위에 얇은 티타늄질화막(TiN)과 도핑된 폴리실리콘층이 적층된 상부전극(38)으로 구성되어 있다.FIG. 1 is a vertical cross-sectional view illustrating a structure of a metal / insulator / silicon (MIS) capacitor having a Ta 2 O 5 thin film having a high dielectric constant. In general, a capacitor 30 formed in a semiconductor memory device is manufactured according to a conventional manufacturing process. A lower electrode 32 made of polysilicon doped with impurities and contacting the active region of the semiconductor substrate 10 through the contact hole of the interlayer insulating film 20, and a Ta 2 O 5 thin film 34 stacked thereon as a high dielectric material. And an upper electrode 38 on which a thin titanium nitride film TiN and a doped polysilicon layer are stacked.

상기 커패시터는 하부전극(32)의 표면 산화 안정성을 높이기 위해 질화처리를 하기 때문에 실리콘질화막(Si3N4) 내지 실리콘질화산화막(SiOxNy)(33)을 갖는다.The capacitor has a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) to a silicon nitride oxide film (SiO x N y) 33 because the capacitor is nitrided to increase the surface oxidation stability of the lower electrode 32.

한편, Ta2O5박막(34)의 증착공정은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), UV(Ultra Violet) - photo - CVD, RF(Radio Frequence) 마그네틱 스퍼터링(magnetic sputtering) 등과 같은 방법을 이용하는데, 최근에는 Ta2O5박막의 질을 우수하기 위해서 PECVD를 사용하거나 상대적으로 박막의 질은 떨어지지만 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 LPCVD 방법을 주로 사용하고 있다.Meanwhile, the deposition process of the Ta 2 O 5 thin film 34 is performed by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD), Ultra Violet (UV)-photo-CVD, and Radio Frequence (RF) magnetic sputtering ( magnetic sputtering, etc. Recently, PECVD is used to improve the quality of Ta 2 O 5 thin film or LPCVD method which is relatively low in quality but excellent in step coverage. .

그러나, 어느 방법을 이용하든지 상관없이Ta2O5박막(34)은 그 자체가 불안정한 화학양론비(stoichiometry)를 갖고 있기 때문에 Ta와 O의 조성비 차이에 기인한 치환형 Ta원자(vacancy atom)가 박막 내에 존재하게 된다. 그리고 Ta2O5의 원료원인Ta(OC2H5)5의 유기물과 O2(또는 N2O) 가스의 반응으로 인해서 불순물인 탄소원자와 탄소화합물(C, CH4등) 및 물(H20)도 함께 존재하게 된다. 그래서, Ta2O5박막(34)내에 불순물로 존재하는 탄소원자(carbon), 이온(ion)과 라디칼(radical)로 인해서 커패시터의 누설전류(leakage current)가 증가하게 되고 유전특성(dielectric characteristics)이 열화되는 문제를 갖고 있다.However, regardless of which method is used, since the Ta 2 O 5 thin film 34 itself has an unstable stoichiometry, substitutional Ta atoms due to differences in the composition ratios of Ta and O are produced. It is present in the thin film. And carbon atoms, carbon compounds (C, CH 4, etc.) and water (H) that are impurities due to the reaction of the organic material of Ta (OC 2 H 5 ) 5 , which is a raw material source of Ta 2 O 5 , with O 2 (or N 2 O) gas. 2 0) will also be present. Therefore, the leakage current of the capacitor increases due to carbon atoms, ions, and radicals present as impurities in the Ta 2 O 5 thin film 34, and dielectric characteristics This has a problem of deterioration.

이와 같은 전기적 특성을 개선하기 위해서 Ta2O5박막 증착후에 O2, N2O 또는 UV-O3분위기에서의 고온 아닐링 공정을 추가로 진행하고 있지만, 커패시터(30) 구조가 MIS일 경우 하부전극이 폴리실리콘을 함유하고 있기 때문에 이러한 공정에 의해 하부전극(32)의 실리콘과 Ta2O5박막(34)의 계면사이에 저유전율을 갖는 자연산화막(SiO2)이 형성하게 된다. 그러면, Ta2O5박막(34)의 유전율(ε)이 20∼25임에도 불구하고 하부전극(32) 계면에서 15∼20Å 정도가 산화되기 때문에 커패시턴스를 크게 감소시키고 있는 실정에 있다.In order to improve such electrical characteristics, a high temperature annealing process is further performed in an O 2 , N 2 O or UV-O 3 atmosphere after Ta2O 5 thin film deposition, but when the capacitor 30 structure is MIS, the lower electrode Since polysilicon is contained, a natural oxide film (SiO 2 ) having a low dielectric constant is formed between the silicon of the lower electrode 32 and the interface of the Ta 2 O 5 thin film 34 by this process. Then, although the dielectric constant? Of the Ta 2 O 5 thin film 34 is 20 to 25, about 15 to 20 mA is oxidized at the interface of the lower electrode 32, the capacitance is greatly reduced.

더욱이 커패시턴스를 증가시키고자 하부전극(32)의 표면적을 넓일 경우 하부전극의 표면에 요철 구조를 갖도록 낮은 P(Phosphorous) 농도의 HSG(HemiSpherial Grain)를 형성하기 위해서 낮은 P농도의 비정질 실리콘을 사용할 수밖에 없는데, 이 경우 금속확산장벽층으로 사용되고 있는 상부전극인 티타늄질화막(TiN)(36)과의 주 캐리어 원자수의 차이가 크게 차이가 나게 된다.Furthermore, when the surface area of the lower electrode 32 is increased to increase the capacitance, low P concentration amorphous silicon must be used to form HSG (HemiSpherial Grain) of low P (hosphorous) concentration to have an uneven structure on the surface of the lower electrode. In this case, the difference in the number of main carrier atoms from the titanium nitride film (TiN) 36, which is the upper electrode used as the metal diffusion barrier layer, is significantly different.

그러면, 전압 크기에 따라 종래 MIS형 커패시터의 커패시턴스가 변화되는 상관관계를 나타낸 도 2의 그래프와 같이 음전압에서 MIS형 커패시터는 주 캐리어의 차이로 인해 커패시턴스(△C)가 감소하게 됨을 알 수 있다.Then, as shown in the graph of FIG. 2 showing a correlation in which the capacitance of the conventional MIS capacitor changes according to the voltage magnitude, it can be seen that the capacitance ΔC decreases in the MIS capacitor at the negative voltage due to the difference in the main carriers. .

이를 극복하기 위해서는 고유전율의 Ta2O5박막을 갖는 커패시터가 하부전극도 금속을 사용하는 MIM(Metal/Insulator/Metal)구조로 변경되어야 하지만, 일반적으로 텅스텐(W), 텅스텐질화막(WN), 탄탈륨질화막(TaN)의 경우에는 하부전극의 표면적을 증가시키기 위한 요철 표면으로 형성할 수 없기 때문에 반도체메모리장치에서 요구되고 있는 고커패시턴스를 달성하는데 한계가 있었다.In order to overcome this problem, a capacitor having a high dielectric constant Ta2O 5 thin film should be changed to a metal / insulator / metal (MIM) structure in which the lower electrode is also made of metal. However, in general, tungsten (W), tungsten nitride (WN), and tantalum nitride film In the case of (TaN), there is a limit in achieving the high capacitance required in the semiconductor memory device because it cannot be formed as an uneven surface for increasing the surface area of the lower electrode.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 비정질 상태로 증착이 가능하며 후속 열처리 공정으로 비정질실리콘과 같이 후속 열공정을 통하여 상전이가 가능하기 때문에 표면을 요철형태로 형성할 수 있는 텅스텐실리사이드(WSix)를 하부전극의 막으로 이용함으로써 Ta2O5박막의 열산화 공정시 발생되는 하부전극의 산화를 방지하면서 동시에 하부전극의 표면적을 증가시킬 수 있는 반도체장치의 커패시터 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to be deposited in an amorphous state in order to solve the problems of the prior art as described above, and the surface can be formed into an uneven shape because the phase transition is possible through a subsequent thermal process such as amorphous silicon in a subsequent heat treatment process. By using tungsten silicide (WSix) as the film of the lower electrode, to provide a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device that can increase the surface area of the lower electrode while preventing the oxidation of the lower electrode generated during the thermal oxidation process of the Ta2O 5 thin film. .

도 1은 고유전율의 Ta2O5박막을 갖는 MIS형 커패시터의 구조를 설명하기 위한 수직단면도,1 is a vertical cross-sectional view for explaining the structure of a MIS capacitor having a high dielectric constant Ta2O 5 thin film,

도 2는 전압 크기에 따라 종래 MIS형 커패시터의 커패시턴스가 변화되는 상관관계를 나타낸 그래프,2 is a graph showing a correlation in which the capacitance of a conventional MIS capacitor is changed according to a voltage magnitude;

도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 반도체장치의 MIM형 커패시터 제조공정을 순서적으로 나타낸 수직단면도들,3A to 3F are vertical cross-sectional views sequentially illustrating a MIM capacitor manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention;

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명** Description of symbols on the main parts of the drawings *

100: 실리콘기판 110: 층간절연막100: silicon substrate 110: interlayer insulating film

121: 플러그 122: 텅스텐실리사이드막121: plug 122: tungsten silicide film

122': 텅스텐실리사이드 패턴 124: 하부전극의 요철 구조122 ': tungsten silicide pattern 124: uneven structure of the lower electrode

126: Ta2O5박막 128: 티타늄질화막126: Ta2O 5 thin film 128: titanium nitride film

129: 도핑된 폴리실리콘막129: doped polysilicon film

b: 하부전극 u: 상부전극b: lower electrode u: upper electrode

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전하저장용 하부전극과 그 위의 상부전극 및 상기 전극들에 내재된 고유전체 Ta2O5박막으로 이루어진 반도체장치의 커패시터를 제조함에 있어서, 반도체소자를 구비한 반도체기판 상부에 소자간 절연을 위한 층간절연막의 콘택홀을 통해서 반도체소자의 어느 한 영역 내지 반도체소자와 연결되는 플러그를 형성하는 단계와, 플러그와 접하며 텅스텐실리사이드를 포함한 도전층으로 이루어진 하부전극을 형성하는 단계와, 하부전극 상부면에 전극간 유전체로서 Ta2O5박막을 형성하는 단계와, Ta2O5박막 상부면에 금속막을 포함한 도전층으로 이루어진 상부전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor substrate including a semiconductor device in manufacturing a capacitor of a semiconductor device comprising a lower electrode for charge storage, an upper electrode thereon, and a high-k dielectric Ta2O 5 thin film embedded in the electrodes. Forming a plug connected to any region of the semiconductor device or the semiconductor device through a contact hole of an interlayer insulating film for insulating between devices, and forming a lower electrode made of a conductive layer including tungsten silicide in contact with the plug And forming a Ta2O 5 thin film as an inter-electrode dielectric on the upper surface of the lower electrode, and forming an upper electrode including a conductive layer including a metal film on the upper surface of the Ta2O 5 thin film.

본 발명의 제조방법에 있어서, 플러그 형성 공정은 층간절연막의 콘택홀에 도프트 폴리실리콘 또는 텅스텐 실리사이드를 매립한 후에 평탄화 공정으로 그 표면을 연마하고, 상기 하부전극의 형성 공정은 텅스텐실리사이드를 증착하고 이를 패터닝하여 하부전극의 패턴을 형성한 후에 600℃이상의 반응챔버내 온도와 N2, Ar 또는 He 가스 분위기에서 어닐링하는 것을 특징으로 한다.In the manufacturing method of the present invention, the plug forming step is to bury the doped polysilicon or tungsten silicide in the contact hole of the interlayer insulating film, and then polish the surface by the planarization step, and the forming of the lower electrode deposits tungsten silicide and After patterning this to form a pattern of the lower electrode, characterized in that the annealing in a reaction chamber temperature of more than 600 ℃ and N 2 , Ar or He gas atmosphere.

또한, 본 발명의 제조 방법에 있어서, 하부전극을 형성한 후에 반응챔버를 10-6Torr와 웨이퍼 온도를 500∼600℃ 분위기에서 SiH4/Si2H6가스를 20sccm(standard cubic centimeter per minute) 미만으로 하여 하부전극표면의 시드에 만들고 동일한 온도에서 어닐링 공정을 실시하여 하부전극의 표면을 요철구조로 형성하는 단계를 더 포함한다.In the manufacturing method of the present invention, after forming the lower electrode, 20 sccm (standard cubic centimeter per minute) of SiH 4 / Si 2 H 6 gas is used in a reaction chamber of 10 -6 Torr and a wafer temperature of 500 to 600 ° C. The method may further include forming a surface of the lower electrode in a concave-convex structure by making the seed on the surface of the lower electrode to be less than and performing an annealing process at the same temperature.

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

도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 반도체장치의 MIM형 커패시터 제조공정을 순서적으로 나타낸 수직단면도들이다.3A to 3F are vertical cross-sectional views sequentially illustrating a MIM capacitor manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention.

우선, 반도체기판으로서 실리콘기판의 활성 영역 상부면에 게이트 전극, 소스/드레인을 갖는 반도체소자(도시하지 않음)를 형성하고, 그 기판 전면에 USG(Undoped Silicate Glass), BPSG(Boro Phospho Silicate Glass) 및 SiON 중에서 선택한 물질을 증착하고 화학적기계적연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 실시하여 평탄화된 층간절연막을 형성한 후에, 기판의 활성영역 즉, 소자의 드레인 영역과 접촉하는 커패시터의 단면적을 확보하기 위하여 사진 및 식각 공정으로 상기 층간절연막을 선택 식각하여 콘택홀(도시하지 않음)을 형성한다.First, as a semiconductor substrate, a semiconductor device (not shown) having a gate electrode and a source / drain is formed on an upper surface of an active region of a silicon substrate, and USG (Undoped Silicate Glass) and BPSG (Boro Phospho Silicate Glass) are formed on the entire surface of the substrate. And depositing a material selected from SiON and performing a chemical mechanical polishing process to form a planarized interlayer insulating film, so as to secure a cross-sectional area of the capacitor in contact with the active region of the substrate, that is, the drain region of the device. And selectively etching the interlayer insulating layer through an etching process to form a contact hole (not shown).

그 다음, 도 3a에 도시된 바와 같이 비정질상태이며 불순물이 도핑된 실리콘을 상기 층간절연막(110)의 콘택홀을 충분히 채우도록 증착하고 화학적기계적연마공정을 실시하여 콘택홀을 매립하는 플러그(121)를 형성한다. 그 다음 층간 절연막(110) 전면에 텅스텐실리사이드막(WSix)(122)을 증착한다.Next, as shown in FIG. 3A, a plug 121 for depositing amorphous and impurity doped silicon is sufficiently filled with the contact hole of the interlayer insulating film 110 and performing a chemical mechanical polishing process to fill the contact hole. To form. Next, a tungsten silicide film (WSix) 122 is deposited on the entire interlayer insulating film 110.

한편, 상기와 같이 도프트 폴리실리콘의 플러그 공정대신에 LPCVD방식으로 SiH4+ WF6분위기에서 층간절연막(110)의 콘택홀에 텅스텐실리사이드막(122)이 매립되도록 0.5∼1㎛만큼 증착하여 플러그를 형성할 수도 있다. 이때 공정은 SiH4가스를 300∼500 sccm, WF6가스를 1∼5sccm 정도로 하여 반응챔버 내부로 흘려주며 화학 위상반응(phase reaction)이 일어나도록 1Torr 이하의 반응챔버 압력과 300∼500℃의 웨이퍼 온도에서 비정질 상태로 증착한다. 하지만, 상기 반응가스들은 챔버 크기에 따라 증감될 수 있다.Instead of the plug polysilicon plug process as described above, the plug is deposited by 0.5 to 1 μm so that the tungsten silicide layer 122 is buried in the contact hole of the interlayer dielectric layer 110 in the SiH 4 + WF 6 atmosphere by LPCVD. May be formed. In this process, SiH 4 gas is flowed into the reaction chamber with 300 to 500 sccm and WF 6 gas is about 1 to 5 sccm, and a reaction chamber pressure of 1 Torr or less and a wafer of 300 to 500 ° C. are used to cause a chemical phase reaction. Deposit in an amorphous state at temperature. However, the reaction gases may be increased or decreased depending on the chamber size.

이어서, 도 3b에 나타난 바와 같이, 간단한 적층 구조(stacked structure)의 하부전극을 형성하고자 상기 텅스텐실리사이드막(122) 위에 포토레지스트 패턴(123)을 도포하고 식각 공정을 진행하여 이 패턴(123)에 맞추어 이 막(122)을 패터닝하여 텡스텐실리사이드 패턴(122')을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 3B, a photoresist pattern 123 is coated on the tungsten silicide layer 122 to form a lower electrode having a simple stacked structure, and an etching process is performed on the pattern 123. The film 122 is then patterned to form a tungsten silicide pattern 122 '.

그 다음 도 3c에 나타난 바와 같이 포토레지스트 패턴(123)을 제거한 후에 HF 용액이 포함된 희석화학용액을 이용하여 결과물에 세정공정을 실시한다.After removing the photoresist pattern 123, as shown in FIG. 3c, the resultant is washed using a dilute chemical solution containing HF solution.

이어서, 도 3d에 나타난 바와 같이 비정질 상태의 텅스텐실리사이드 패턴(122')을 600℃이상의 반응챔버내 온도와 N2/Ar/He 가스 분위기에서 어닐링을 실시한다. 그러면, 텅스텐실리사이드막은 비정질상태에서 정방형태(tetragonal)로 상변이를 하게 되며 막내의 초과 실리콘원자(Si)에 의해 시드(seed)가 발생하게 되어 패턴(122')의 표면이 요철 형태(124)를 갖게 된다. 이에 따라 표면적이 넓어진 HSG 구조의 하부전극(b)이 형성된다.Next, as shown in FIG. 3D, the amorphous tungsten silicide pattern 122 ′ is annealed at a reaction chamber temperature of 600 ° C. or higher and N 2 / Ar / He gas atmosphere. Then, the tungsten silicide film is tetragonal in an amorphous state, and seeds are generated by excess silicon atoms (Si) in the film, so that the surface of the pattern 122 'is uneven (124). Will have As a result, a lower electrode b having an HSG structure having a larger surface area is formed.

또한, 위와 같은 HSG 구조의 하부전극(b)을 형성하기 위한 공정은 상기 어닐링 공정 대신에 시드를 형성하기 위한 가스로 SiH4내지 Si2H6을 20 sccm 이하를 반응챔버 내부로 흘려 화학 위상반응이 일어나도록 10-6Torr 이하의 반응 챔버내 압력과 500∼700℃의 웨이퍼 온도를 조건으로 하여 시딩(seeding) 공정을 실시하고, 가스만 차단시킨 동일한 반응챔버내에서 어닐링 공정을 실시하면 동일한 효과를 이룰 수 있다.In addition, the process for forming the lower electrode (b) of the HSG structure as described above is a gas for forming a seed instead of the annealing process by flowing SiH 4 to Si 2 H 6 20 sccm or less into the reaction chamber into the chemical phase reaction To achieve this, the seeding process was performed under a pressure of 10 −6 Torr or less and a wafer temperature of 500 to 700 ° C., and the annealing process was performed in the same reaction chamber where only gas was blocked. Can be achieved.

그 다음 도 3e에 나타난 바와 같이 Ta(OC2H5)5와 O2가스를 이용한 LPCVD법으로 상기 하부전극(b) 위에 전극간 유전체인 Ta2O5막(126)을 형성한다. 그리고, Ta2O5막(126)의 막질강화와 막(126)내 산소 공간, 탄소원자 계열의 불순물 제거를 위하여 후처리를 실시한다. 이때, 후처리 공정은 저온 O2내지 N2O 플라즈마 처리, 고온의 O2내지 N2O 열처리, UV-O3중에서 어느 하나 내지 둘 이상을 선택하여 실시하도록 한다.3E, a Ta 2 O 5 film 126, which is an inter-electrode dielectric, is formed on the lower electrode b by LPCVD using Ta (OC 2 H 5 ) 5 and O 2 gas. Then, post-treatment is performed to enhance the film quality of the Ta 2 O 5 film 126 and to remove impurities in the oxygen space and the carbon atom series in the film 126. At this time, the post-treatment process is performed by selecting any one or two or more of low temperature O 2 to N 2 O plasma treatment, high temperature O 2 to N 2 O heat treatment, UV-O 3 .

이후, 도 3f에 도시된 바와 같이 상기 결과물 상부에 열산화 처리 공정을 실시하고, TiCl4를 사용하여 화학기상증착법(CVD)으로 상기 Ta2O5박막(126) 위에 티타늄질화막(TiN)을 200∼1000Å정도 증착하여 단일 층의 상부전극을 형성한다.Thereafter, as illustrated in FIG. 3F, a thermal oxidation process is performed on the resultant, and a titanium nitride layer (TiN) is formed on the Ta 2 O 5 thin film 126 by chemical vapor deposition (CVD) using TiCl 4 . It is deposited by about ~ 1000Å to form a single layer of the upper electrode.

하지만, 본 실시예에서는 고온공정시 발생할 수 있는 티타늄질화막(TiN)의 산화와 상변이에 따른 내부응력을 감소시키기 위해 상부전극(u)을 티타늄질화막(128)과 불순물 도핑된 폴리실리콘층(129)이 적층된 구조로 한다. 이에 TiCl4을 사용하여 화학기상증착법으로 비정질 Ta2O5박막(126)위에 티타늄질화막(128)을 100∼500Å정도로 증착하고, 그 위에 불순물 도핑된 폴리실리콘층(129)을 500Å∼1000Å정도 적층하여서 상부 전극(u)을 완성한다.However, in the present embodiment, in order to reduce internal stress caused by oxidation and phase transition of the titanium nitride film TiN, which may occur during a high temperature process, the upper electrode u is doped with a titanium nitride film 128 and an impurity doped polysilicon layer 129. ) Is a laminated structure. Thus, TiCl 4 was deposited on the amorphous Ta 2 O 5 thin film 126 by the chemical vapor deposition method at about 100 to 500 mW, and the impurity-doped polysilicon layer 129 was deposited thereon at about 500 mW to 1000 mW. The upper electrode u is completed.

그러므로, 본 발명의 커패시터 제조 방법은 하부전극(b)의 물질로 비정질 상태의 텅스텐실리사이드막(122')을 증착한 후에 어닐링공정을 실시하면 텅스텐실리사이드막(122')이 비정질 상태의 실리콘과 동일하게 상변이가 가능하기 때문에 텅스텐실리사이드막(122')의 표면이 요철 형태를 갖는다. 이러한 요철 형태의 하부전극(b)을 형성한 후에, 유전체인 Ta2O5박막(126)을 증착하고 티타늄질화막(128) 내지 티타늄질화막 및 폴리실리콘층이 적층된 상부전극(u)으로 커패시터 제조 공정을 실시하게 되면 하부전극(b)의 표면적을 크게 증가시키면서 동시에 고커패시턴스를 확보할 수 있는 Ta2O5박막을 갖는 MIM 구조의 커패시터를 구현할 수 있다.Therefore, in the capacitor manufacturing method of the present invention, when the annealing process is performed after depositing the amorphous tungsten silicide film 122 'with the material of the lower electrode b, the tungsten silicide film 122' is the same as the silicon in the amorphous state. Since phase transition is possible, the surface of the tungsten silicide film 122 'has an uneven shape. After forming the uneven lower electrode b, a capacitor is formed by depositing a Ta 2 O 5 thin film 126 as a dielectric and an upper electrode u having a titanium nitride film 128 to a titanium nitride film and a polysilicon layer stacked thereon. When the process is performed, a capacitor having a MIM structure having a Ta 2 O 5 thin film capable of securing a high capacitance while simultaneously increasing the surface area of the lower electrode b can be realized.

종래 기술에 의한 MIS구조의 Ta2O5커패시터가 Ta2O5박막을 증착할 때 하부전극의 폴리실리콘과의 계면에서 저유전율(ε=4∼5)의 자연산화막이 10∼20Å 정도로 형성되기 때문에 유전체Ta2O5박막이 고유전율(ε= 20∼25)를 갖고 있음에도 불구하고 커패시턴스가 질화막/산화막의 유전체를 갖는 커패시터에 1.5배 정도밖에 향상되지 못하였다. 그러나, 상기한 바와 같이 본 발명에 따른 MIM 구조의 Ta2O5을 갖는 커패시터 제조방법을 이용하게 되면, 하부 전극 형성시 텅스텐실리사이드막을이비정질 상태로 증착하고 후속 열처리 공정을 진행하기 때문에 텅스텐실리사이드막 표면이 요철 형태로 되어 결국 하부 전극의 표면적을 증가시키게 된다. 그 결과, 본 발명의 커패시터는 종래 MIS 구조의 커패시터에 비해 최소 2배 이상 커패시턴스를 크게 확보할 수 있다.When a Ta 2 O 5 capacitor having a MIS structure according to the prior art deposits a Ta 2 O 5 thin film, a natural oxide film having a low dielectric constant (ε = 4 to 5) is formed at an interface of polysilicon of the lower electrode to about 10 to 20 kV. Therefore, although the dielectric Ta 2 O 5 thin film has a high dielectric constant (ε = 20 to 25), the capacitance was improved by about 1.5 times that of the capacitor having the dielectric of the nitride / oxide film. However, when the capacitor manufacturing method having the Ta 2 O 5 of the MIM structure according to the present invention is used as described above, the tungsten silicide film is deposited since the tungsten silicide film is deposited in an amorphous state when the lower electrode is formed and the subsequent heat treatment process is performed. The surface becomes irregular and eventually increases the surface area of the lower electrode. As a result, the capacitor of the present invention can secure the capacitance at least twice as large as that of the capacitor of the conventional MIS structure.

또한, 본 발명의 하부전극으로 사용되는 텅스텐실리사이드는 일반적인 디바이스에서 워드라인, 비트라인으로 많이 사용되고 있으며, 폴리실리콘과 같이 비정질 상태로 증착한 후에 어닐링을 하거나 시드 가스(Si2H6/SiH4)를 흘린 후 어닐링을 실시하면 쉽게 HSG의 하부전극을 얻을 수 있기 때문에 커패시터가 간단한 적층 형태라 하더라도 256M급 이상의 DRAM에서 요구되는 25fF/cell 이상의 커패시턴스를 확보할 수가 있다. 이에 더하여, 본 발명은 하부전극을 상부 전극의 금속 재료와 동일하게 금속을 사용하기 때문에 반도체장치에 음전압이 걸리더라도 주 캐리어의 차가 크지 않기 때문에 커패시턴스의 감소가 일어나지 않으며, 또한 고커패시턴스를 확보하기 위하여 3차원(Cylinder Crown) 구조의 커패시터를 형성할 경우에도 반도체소자의 고직접화가 가능하다.In addition, tungsten silicide used as the lower electrode of the present invention is widely used as a word line and a bit line in a general device, and annealing or seed gas (Si 2 H 6 / SiH 4 ) after deposition in an amorphous state such as polysilicon. After passing through the annealing, the HSG lower electrode can be easily obtained, so even if the capacitor is a simple stacked type, it is possible to secure the capacitance of 25 fF / cell or more required for a DRAM of 256 M or more. In addition, in the present invention, since the lower electrode uses the same metal as the metal material of the upper electrode, even if a negative voltage is applied to the semiconductor device, the difference in the main carrier is not large, so that the capacitance is not reduced, and the high capacitance is ensured. In order to form a three-dimensional (Cylinder Crown) capacitor, the semiconductor device can be directly connected directly.

그리고, 본 발명에서 하부전극으로 사용되는 텅스텐실리사이드가 종래기술에서 하부전극으로 사용되는 폴리실리콘보다 산화 저항성 측면에서 안정적인 물질이기 때문에Ta2O5박막 형성후 후속 열산화 공정으로 인해 하부전극이 산화되는 것을 방지하기 위한 RTN(Rapid Thermal Nitridation)과 같은 별도의 질화공정(Nitraidation Process)을 진행할 필요가 없어 전처리 세정공정과 같은 관련 단위 공정수를 줄일 수 있다.In addition, since the tungsten silicide used as the lower electrode in the present invention is more stable in terms of oxidation resistance than the polysilicon used as the lower electrode in the prior art, the lower electrode is oxidized due to a subsequent thermal oxidation process after forming a Ta 2 O 5 thin film. There is no need to perform a separate nitriding process such as Rapid Thermal Nitridation (RTN) to prevent the damage, thereby reducing the number of related unit processes such as a pretreatment cleaning process.

Claims (6)

전하저장용 하부전극과 그 위의 상부전극 및 상기 전극들에 내재된 고유전체 Ta2O5박막으로 이루어진 반도체장치의 커패시터를 제조함에 있어서,In manufacturing a capacitor of a semiconductor device comprising a lower electrode for charge storage, an upper electrode thereon, and a high-k dielectric Ta2O 5 thin film embedded in the electrodes, 반도체소자를 구비한 반도체기판 상부에 소자간 절연을 위한 층간절연막의 콘택홀을 통해서 반도체소자의 어느 한 영역 내지 반도체소자와 연결되는 플러그를 형성하는 단계;Forming a plug connected to any one region of the semiconductor device to the semiconductor device through a contact hole of an interlayer insulating film for inter-device insulation between the semiconductor substrates having the semiconductor device; 상기 플러그와 접하며 텅스텐실리사이드를 포함한 도전층으로 이루어진 하부전극을 형성하는 단계;Forming a lower electrode in contact with the plug and including a conductive layer including tungsten silicide; 상기 하부전극 상부면에 전극간 유전체로서 Ta2O5박막을 형성하는 단계; 및Forming a Ta 2 O 5 thin film as an inter-electrode dielectric on an upper surface of the lower electrode; And 상기 Ta2O5박막 상부면에 금속막을 포함한 도전층으로 이루어진 상부전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체장치의 커패시터 제조방법.And forming an upper electrode formed of a conductive layer including a metal film on an upper surface of the Ta 2 O 5 thin film. 제 1항에 있어서, 상기 플러그 형성 공정은,The method of claim 1, wherein the plug forming step, 상기 층간절연막의 콘택홀에 도프트 폴리실리콘 또는 텅스텐 실리사이드를 매립한 후에 평탄화 공정으로 그 표면을 연마하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 커패시터 제조방법.And embedding doped polysilicon or tungsten silicide in the contact hole of the interlayer insulating film, and then polishing the surface thereof by a planarization process. 제 1항에 있어서, 상기 하부전극의 형성 공정은,The method of claim 1, wherein the forming of the lower electrode, 텅스텐실리사이드를 증착하고 이를 패터닝하여 하부전극의 패턴을 형성한 후에 600℃이상의 반응챔버내 온도와 N2, Ar 또는 He 가스 분위기에서 어닐링하는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체장치의 커패시터 제조방법.After depositing and patterning the tungsten silicide to form a pattern of the lower electrode, the method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device, characterized in that the annealing in a reaction chamber temperature of 600 ℃ or more and N 2 , Ar or He gas atmosphere. 제 3항에 있어서, 상기 텅스텐실리사이드 증착 공정은,The method of claim 3, wherein the tungsten silicide deposition process, PECVD, LPCVD, UV-photo-CVD, RF 마그네틱 스퍼터링 중에서 어느 한 공정으로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 커패시터 제조방법.A method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device, characterized in that it is carried out by any one of PECVD, LPCVD, UV-photo-CVD, RF magnetic sputtering. 제 1항에 있어서, 상기 하부전극을 형성한 후에,The method of claim 1, wherein after forming the lower electrode, 반응챔버를 10-6Torr와 웨이퍼 온도를 500∼600℃ 분위기에서 SiH4/Si2H6가스를 20sccm 미만으로 하여 하부전극표면의 시드에 만들고 동일한 온도에서 어닐링 공정을 실시하여 하부전극의 표면을 요철구조로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 커패시터 제조방법.SiH 4 / Si 2 H 6 gas is less than 20 sccm in the reaction chamber at 10 -6 Torr and the wafer temperature is 500 ~ 600 ℃, and the bottom electrode surface is annealed at the same temperature. Capacitor manufacturing method of a semiconductor device characterized in that it further comprises the step of forming a concave-convex structure. 제 1항에 있어서, 상기 상부전극을 이루는 도전층은,The method of claim 1, wherein the conductive layer constituting the upper electrode, 단일 금속막 내지 얇은 티타늄질화막과 불순물이 도핑된 폴리실리콘막이 순차 적층된 막으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체장치의 커패시터 제조방법.A method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device, wherein a single metal film, a thin titanium nitride film, and a polysilicon film doped with impurities are sequentially formed.
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