KR20010064099A - 새로운 알루미나막 형성방법 및 그를 이용한 반도체 소자제조방법 - Google Patents

새로운 알루미나막 형성방법 및 그를 이용한 반도체 소자제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 알루미나(Al2O3)막의 새로운 형성방법 및 그를 이용한 반도체 소자 제조방법에 관한 것이며, 막질이 치밀하면서, 생산성을 개선할 수 있는 새로운 알루미나막 형성방법을 제공하고, 고유전체(강유전체 포함) 캐패시터 형성 후의 후속 공정시 생산성을 확보하면서 효과적으로 수소의 침투를 방지할 수 있는 반도체 소자 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 TiAlN을 증착하고 이를 산화시켜 알루미나(Al2O3)막을 얻는 기술이다. TiAlN은 CVD법 및 PVD법 모두 용이하게 적용이 가능하며, 그 증착 속도가 1000Å/분(반응성 스퍼터링법 사용시)에 이르므로 생산성 향상을 기대할 수 있다. TiAlN을 산화시키면 알루미나와 TiO2가 형성되는데, 알루미나가 TiO2위에 존재하며 그 두께는 산화 전 TiAlN의 조성비 즉, Ti:Al의 비에 의존한다. 이렇게 형성된 알루미나 박막은 막질이 치밀하여 수소의 패시베이션에 효과적이다.

Description

새로운 알루미나막 형성방법 및 그를 이용한 반도체 소자 제조방법{A new method for forming alumina layer and fabricating method of semiconductor device using the same}
본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 알루미나(Al2O3)막의 새로운 형성방법 및 그를 이용한 반도체 소자 제조방법에 관한 것이다.
DRAM(Dynamic Random Access Memory)을 비롯한 반도체 소자의 고집적화에 따라 캐패시터의 충분한 정전용량을 확보하는 것이 큰 문제로 부각되었으며, 이를 해결하는 하나의 방안으로서 캐패시터의 하부 전극인 전하저장 전극의 표면적을 증가시키는 기술에 대한 많은 연구·개발이 진행되어 왔다. 그러나, 역시 고집적화에 수반되는 공정 마진의 저하 때문에 전하저장 전극의 표면적을 증가시키는데는 한계가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위하여 초고집적 DRAM에는 탄탈륨산화막(Ta2O5), BST((Ba1-xSrx)TiO3) 등의 고유전 물질을 캐패시터 유전막으로 사용하는 고유전체 캐패시터를 적용하고 있다. 이는 캐패시터의 정전용량이 유전율에 비례하는 원리를 적용한 것이다.
한편, 차세대 비휘발성 메모리 소자로 각광 받고 있는 강유전체 메모리 소자(FeRAM)에서는 캐패시터를 구성하는 유전물질로서 SrBi2Ta2O9(SBT), Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT) 등의 강유전 물질이 사용되고 있다.
이와 같이 강유전체 캐패시터를 포함한 고유전체 캐패시터를 제조함에 있어서, 우수한 유전체 박막 특성을 확보하기 위해서는 유전체 박막, 상/하부 전극 및 그 주변 물질의 선택과 적절한 공정의 제어가 필수적이다. 그 중에서도 유전체는 캐패시터의 특성을 좌우하는 핵심 물질이라 할 수 있다.
고유전체 물질(강유전체 물질 포함)은 거의 수소(H)에 대해 취약한 특성을 가지고 있다. 즉, 캐패시터가 형성된 후 후속 공정에서 사용되는 수소에 의해 고유전 특성이 상당 부분 손실되는 문제점이 있으며, 특히 강유전체 캐패시터의 경우 그 유전체 특성 저하가 치명적이다. 따라서, 수소의 확산을 방지할 수 있는 막이 필요한데, 알루미나(Al2O3)는 수소의 확산 방지에 매우 큰 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
현재까지 개발된 알루미나의 증착법으로 화학기상증착법의 일종인 원자층증착(atomic layer deposition, ALD)법이 사용되고 있다. ALD 방식의 알루미나는 알루미늄(Al)의 소오스 가스인 TMA(trimethyl aluminum) 또는 DMAH(dimethyl aluminum hidride)와 산소(O)의 소오스 가스인 O2, H2O 등의 반응을 이용하여 증착한다. 이때, 알루미늄의 소오스 가스와 산소의 소오스 가스를 교대로 반응기 내에 투입함으로써 알루미늄을 흡착시키고 그 위에 산소가 도착하여 반응함으로써 알루미나를 형성하는 공정을 반복적으로 수행하게 된다.
이와 같은 ALD 방식의 알루미나는 그 막질이 치밀한 특성이 있는 반면, 증착 속도가 50Å/분 이하로 매우 느리고, 증착 장비가 복잡하여 제조가 어렵고 장비의 운용이 안정적이지 못한 단점을 가지는 등 전체적으로 생산성 향상에 걸림돌이 되고 있다.
본 발명은 막질이 치밀하면서, 생산성을 개선할 수 있는 새로운 알루미나막 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고유전체(강유전체 포함) 캐패시터 형성 후의 후속 공정시 생산성을 확보하면서 효과적으로 수소의 침투를 방지할 수 있는 반도체 소자 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조 공정도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 하부층 11, 16 : 층간절연막
12 : 폴리실리콘 플러그 13 : 하부전극
14 : 고유전체 박막 15 : 상부전극
17 : TiAlN막 17a : TiO2막
18 : 알루미나막
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 알루미나막 형성방법은, 소정의 하부층이 형성된 기판 상에 티타늄알루미늄질화막(Ti1-xAlxN)을 형성하는 제1 단계와, 상기 티타늄알루미늄질화막에 대한 산화 공정을 실시하여 그 표면에 알루미나막을 형성하는 제2 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 반도체 소자 제조방법은, 소정의 하부층이 형성된 기판 상에 하부전극, 고유전체 또는 강유전체 박막 및 상부전극을 구비하는 캐패시터 구조를 형성하는 제1 단계; 상기 캐패시터 구조가 형성된 기판 전체 구조 상부에 층간절연막을 형성하는 제2 단계; 상기 층간절연막 상에 티타늄알루미늄질화막(Ti1-xAlxN)을 형성하는 제3 단계; 및 상기 티타늄알루미늄질화막에 대한 산화 공정을 실시하여 그 표면에 알루미나막을 형성하는 제4 단계를 포함하여 이루어진다.
즉, 본 발명은 TiAlN을 증착하고 이를 산화시켜 알루미나(Al2O3)막을 얻는 기술이다. TiAlN은 CVD법 및 PVD법 모두 용이하게 적용이 가능하며, 그 증착 속도가 1000Å/분(반응성 스퍼터링법 사용시)에 이르므로 생산성 향상을 기대할 수 있다. TiAlN을 산화시키면 알루미나와 TiO2가 형성되는데, 알루미나가 TiO2위에 존재하며 그 두께는 산화 전 TiAlN의 조성비 즉, Ti:Al의 비에 의존한다. 이렇게 형성된 알루미나 박막은 막질이 치밀하여 수소의 패시베이션에 효과적이다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
첨부된 도면 도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조 공정을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.
본 실시예에 따른 반도체 소자 제조 공정은, 우선 도 1에 도시된 바와 같이 소정의 공정을 마친 하부층(10) 상에 층간절연막(11)을 형성하고, 콘택홀을 형성한 다음, 콘택홀 내에 폴리실리콘 플러그(12)를 형성한다.
다음으로, 통상의 고유전체 캐패시터 제조 공정을 따라 하부전극(13), 고유전체 박막(14) 및 상부전극(15)으로 이루어진 캐패시터 구조(cap)를 형성한다.
계속하여, 캐패시터 구조(cap)가 형성된 기판 전체 구조 상부에 평탄화된 층간절연막(16)을 형성한다.
이어서, 층간절연막(16) 상에 Ti1-xAlxN막(티타늄알루미늄질화막)(17)을 증착한다. Ti1-xAlxN막(17)의 증착은 티타늄(Ti)과 알루미늄(Al)의 몰비가 9:1∼1:9인 TiAl 타켓을 사용한 N2분위기에서의 반응성 스퍼터링법으로 증착하거나, TiCl4, AlCl3및 N2및/또는 NH3을 사용한 CVD법으로 50∼1000Å만큼 증착한다.
도 2에 도시된 바와 같이 산화 공정을 실시하여 Ti1-xAlxN막(17) 상에 50∼1000Å 두께의 알루미나(Al2O3)막(18)을 형성한다. 이는 Ti1-xAlxN막(17) 내의 알루미늄(Al)이 산화 공정시 표면으로 확산되어 산소와 반응함에 따른 것으로, Ti1-xAlxN막(17) 내의 알루미늄이 모두 소모되어 알루미나막(18) 하부에는 TiO2막(17a)이 잔류하게 된다. 이때, 산화 공정을 위한 열처리는 O2, N2O, 오존(O3) 가스와 같은 산화 분위기 가스를 사용하며, 열처리 온도는 500∼1000℃로 한다.
상기와 같은 공정을 통해 알루미나를 증착하는 경우, CVD법 및 PVD법 모두 용이하게 적용이 가능하기 때문에 기존의 ALD법을 사용하는 경우에 비해 공정이 용이하고 안정한 알루미나 박막을 얻을 수 있으며, TiAlN의 증착 속도가 1000Å/분(반응성 스퍼터링법 사용시)에 이르므로 생산성 향상을 기대할 수 있다. 한편, 이렇게 형성된 알루미나 박막은 막질이 치밀하여 수소의 패시베이션에 효과적이므로 고유전체 캐패시터의 특성 열화를 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 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.
예컨대, 전술한 실시예에서는 캐패시터 구조에의 수소 침투를 방지하기 위한 캐핑층(capping layer)으로 알루미나를 사용하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 다른 공정에 다른 목적으로 알루미나를 사용하는 모든 경우에 적용된다.
본 발명은 기존의 보다 안정되고 빠른 알루미나의 증착이 가능하도록 하며, 이로 인하여 반도체 라인의 생산성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 알루미나 형성방법을 차세대 고유전체 캐패시터에 적용하는 경우, 보다 안정된 캐패시터 특성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 소정의 하부층이 형성된 기판 상에 티타늄알루미늄질화막(Ti1-xAlxN)을 형성하는 제1 단계와,
    상기 티타늄알루미늄질화막에 대한 산화 공정을 실시하여 그 표면에 알루미나막을 형성하는 제2 단계
    를 포함하여 이루어진 알루미나막 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    상기 알루미나막 하부에 이산화티타늄(TiO2)막이 잔류하는 것을 특징으로 하는 알루미나막 형성방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 티타늄알루미늄질화막은,
    알루미늄(Al)의 몰분율(X)이 1∼9인 것을 특징으로 하는 알루미나막 형성방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 티타늄알루미늄질화막은,
    티타늄(Ti)과 알루미늄(Al)의 몰비가 9:1∼1:9인 TiAl 타켓을 사용한 N2분위기에서의 반응성 스퍼터링법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 알루미나막 형성방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 티타늄알루미늄질화막은,
    TiCl4, AlCl3및 N2및/또는 NH3을 사용한 화학기상증착법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 알루미나막 형성방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 단계에서,
    상기 티타늄알루미늄질화막의 두께가 50∼1000Å인 것을 특징으로 하는 알루미나막 형성방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 알루미나막의 두께가 30∼500Å인 것을 특징으로 하는 알루미나막 형성방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 산화 공정은,
    O2, N2O, O3가스 중 적어도 하나를 포함하는 산화 분위기에서 500∼1000℃의 열처리 온도로 진행하는 것을 특징으로 하는 알루미나막 형성방법.
  9. 소정의 하부층이 형성된 기판 상에 하부전극, 고유전체 또는 강유전체 박막 및 상부전극을 구비하는 캐패시터 구조를 형성하는 제1 단계;
    상기 캐패시터 구조가 형성된 기판 전체 구조 상부에 층간절연막을 형성하는 제2 단계;
    상기 층간절연막 상에 티타늄알루미늄질화막(Ti1-xAlxN)을 형성하는 제3 단계; 및
    상기 티타늄알루미늄질화막에 대한 산화 공정을 실시하여 그 표면에 알루미나막을 형성하는 제4 단계
    를 포함하여 이루어진 반도체 소자 제조방법.
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