KR20010078553A - 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것으로, Ru 하부전극을 이용하는 Ta2O5캐패시터에서 유전체막인 Ta2O5막 증착전에 Ru 하부전극을 저온에서 산화 처리하여 Ru 결정립계를 산소원자로 채워주어 양질의 RuO2를 형성하므로써, Ta2O5막 증착공정 및 후속 열공정시에 Ta2O5유전체막과 Ru 하부전극 사이에 생성되는 RuO2에 의한 Ta2O5유전체막의 스트레스를 억제하여 박막의 들뜸 현상을 방지하고, Ta2O5유전체막으로부터 산소 원자 확산 및 Ru 하부 전극의 하부층인 TiN막의 산화를 방지하여 캐패시터의 누설전류 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것으로, 특히 금속 물질을 하부전극으로 사용하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 메모리 소자의 고집적화에 따라 소자의 크기는 감소하게 되고, 이에 의해 유효 산화막 두께(Tox)의 감소가 요구되며, 보다 신뢰성 있는 소자를 제조하기 위해서는 바이어스 전압에 따른 전하저장 용량의 변화를 감소시키면서 누설 전류와 같은 전기적 특성을 개선시키는 것이 필요하다. 이러한 특성 개선을 위해서 기존의 폴리실리콘 대신에 금속 물질을 상부 및 하부 전극으로 사용하는 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조의 캐패시터가 연구되고 있다. 금속 전극 캐패시터 형성시 유전체막 증착 후의 열공정에 의한 하부 전극 물질의 산화 방지 및 캐패시터의 유효 산화막 두께, 누설전류 특성이 개선된 신뢰성 있는 소자를 제조하기 위해서는 양질의 캐패시터 유전체막을 증착하는 방법과 열공정 조건의 조절이 매우 중요하다.
메모리 소자의 Ta2O5를 포함한 캐패시터 제조공정시 하부전극 물질로 Ru 등과 같은 귀금속 물질을 사용할 경우 폴리실리콘과의 에너지 장벽 즉, 일함수가 크므로 유효 산화막 두께를 감소시킬 수 있으며, 동일 유효 산화막 두께에서의 누설 전류를 감소시킬 수 있다. 그런데 유전체막인 Ta2O5막 증착시 산소가 부족한 상태이며 탄소 및 수소 등의 불순물을 포함하기 때문에 캐패시터의 유전 특성을 확보하기 위해서 후속 열공정이 필요하다. Ta2O5막의 유전 특성을 확보하기 위하여 고온의 산소분위기에서 열처리하는데 있어서, 열공정 온도가 높거나 열처리 시간이 길어지면열처리시 하부 전극이 산화하여 산화물이 형성된다. 하부 전극이 Ru로 형성된 경우 RuO2가 생성되는데, RuO2생성시의 유전체막인 Ta2O5막내 산소가 하부 전극으로 확산되어 하부 전극의 Ru막에 비해 부피 팽창을 하여 박막의 들뜸현상이 발생하거나, 계면의 표면 거침 정도가 증가되는 문제가 발생된다. 또한, Ta2O5막내 산소가 Ru 하부 전극으로 확산하게 되면 하부의 베리어막인 TiN과 반응하여 TiO 또는 TiON이 형성되어 캐패시터의 전기적 특성을 저하시킨다.
따라서, 본 발명은 유전체막인 Ta2O5막 후속 열공정시 산소 원자의 확산을 방지하고 누설 류 특성을 개선시킬 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 제조 법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판 상에 산화막을 형성한 후 상기 산화막 상에 폴리실리콘막, 베리어막 및 Ru막을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 Ru막 상부면에 RuO2막 및 유전체막을 형성한 후 열공정을 실시하는 단계; 및 상기 유전체막인 상부면에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명〉
10 : 반도체 기판 11 : 산화막
12 : 폴리실리콘막 13 : 베리어막
14 : Ru막 15 : RuO2막
16 : Ta2O5막 17 : 상부전극
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(10) 상부에 산화막(11)을 형성하고, 도프트 폴리실리콘막(12), 베리어막(13) 및 Ru막(14)을 순차적으로 형성한 후 산화막(11)이 노출될 때까지 상기 막들을 패터닝하여 하부 전극을 형성한다.
상기에서, 베리어막(13)은 TiN막으로 이루어며 MOCVD 방법 또는 PVD 방법으로 증착한다. MOCVD 방법으로 TiN막을 증착할 경우 2 내지 10 Torr 압력 및 300 내지 500℃ 온도의 반응로에서 원료 물질로 Ti(N(CH3)2)4(TDMAT)를 이용하고, 운반 가스로는 He 및 Ar 가스를 사용한다. 이때, Ti(N(CH3)2)4(TDMAT) 원료 물질의 유량은 200 내지 500sccm으로 하고, 운반가스 He 및 Ar 가스의 유량은 100 내지 300sccm으로 한다. 베리어막(13)인 TiN막 증착 후 500 내지 1000W의 전력으로 20 내지 50 초간 플라즈마 처리한다.
Ru막(14)은 PVD 방법 또는 CVD 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성한다. PVD 방법을 이용하여 형성되는 Ru막(14)은 Ar 가스 분위기의 반응로에서 500 내지 2000Å의 두께로 증착한다. 이때, 반응로는 50 내지 200sccm의 Ar 가스와 2 내지 10mTorr의 압력 및 250 내지 350℃의 온도 분위기를 유지한 상태에서 Ru를 증착하고, 플라즈마 전력은 500 내지 2000W를 유지한다.
도 1b를 참조하면, Ru막(14) 상부에 RuO2막(15)을 형성하여 하부전극을 형성한다.
상기에서, RuO2막(15)은 Ru막(14) 상부에 형성된 자연 산화막이 제거되도록 50:1의 HF를 이용하여 30 내지 50 초간 세정 공정을 실시한 후 저온 산소 분위기의 급속 열공정, 플라즈마 처리 공정 및 UV/O3처리 공정 중 어느 하나를 이용하여 형성한다. 저온 산소 분위기의 급속 열공정은 450 내지 550℃ 온도의 O2또는 N2O 가스 분위기에서 5 내지 20초간 산화 처리한다. 플라즈마 처리 공정은 300 내지 550℃ 온도의 O2또는 N2O 가스 분위기에서 30 내지 120초간 200 내지 500W 전력으로 실시한다. UV/O3처리 공정은 300 내지 550℃에서 2 내지 5분간 15 내지 30mW/cm2강도로 실시한다.
도 1c를 참조하면, RuO2막(15) 상부에 유전체막인 Ta2O5막(16) 및 상부 전극(17)을 형성한 후 열공정을 실시한다.
상기에서, Ta2O5막(16)은 원료 물질로 Ta(C2H5O)5(tantalum etoxide)을 0.005 내지 2cc 양으로 사용하고, 반응로에서 반응 원료의 운반 가스로 350 내지 450sccm 유량의 N2가스를, 산화제로는 20 내지 50sccm 유량의 O2가스를 이용한다. 이때, 반응로내는 0.1 내지 0.6 Torr의 압력 및 300 내지 400℃의 온도를 유지한다.
유전체막인 Ta2O5막(16) 대신에 (BaxSr1-x)TiO3(BST) 또는 (PbxZr1-x)TiO3(PZT) 와 같은 강유전체를 이용할 수 있다.
열공정은 급속 열처리 공정 및 반응로 열공정 중 어느 하나를 이용한다. 급속 열처리 공정은 O2및N2, Ar, He 등 비활성 가스 혼합 분위기에서 500 내지 650℃ 온도로 30 내지 60초간 실시하고, 반응로 열공정은 산소 및 비활성 가스 혼합 분위기에서 500 내지 600℃ 온도로 10 내지 30분간 실시한다. 급속 열공정 또는 반응로 열공정에서 산소 및 비활성 가스의 혼합비는 1 : 10 내지 1 : 1 로 유지한다.
상부 전극(17)은 화학기상증착 방법을 이용하여 TiN막/폴리실리콘막 또는 Ru 와 같은 금속 물질로 이루어진다. 화학기상증착 방법으로 TiN막 형성시 300 내지 500℃온도 및 0.1 내지 2 Torr 압력에서 원료 물질로 TiCl4를 이용하고, 반응 가스로는 NH3가스를 이용하여 200 내지 500Å의 두께로 형성한다. 이때 원료 물질 및 NH3가스의 양은 각각 10 내지 1000sccm을 유지한다. 폴리실리콘막은 800 내지 1200Å의 두께로 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 유전체막 Ta2O5막 증착전에 하부전극 물질 Ru막을 저온에서 산화 처리하므로써 Ru 결정립계를 산소 원자로 채워주어 양질의 RuO2를 형성하여 후속 열공정시 생성되는 RuO2에 의한 Ta2O5유전체막의 스트레스를 억제하여 박막의 들뜸 현상을 방지하고 Ta2O5유전체막으로부터 산소 원자 확산 및 Ru막 하부의 TiN막의 산화를 방지하여 캐패시터의 누설 전류 및 전기적 특성을 향상 시키는 효과가 있다.
Claims (9)
- 산화막이 형성된 반도체 기판 상에 폴리실리콘막, 베리어막 및 Ru막을 순차적으로 형성한 후 패터닝하여 하부전극을 형성하는 단계;상기 Ru막 상부면에 RuO2막 및 유전체막을 형성한 후 열공정을 실시하는 단계; 및상기 유전체막 상부면에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 베리어막은 MOCVD 방법 및 PVD 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성된 TiN막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 MOCVD 방법으로 형성되는 TiN막은 2 내지 10 Torr 압력 및 300 내지 500℃ 온도의 반응로에서 원료 물질로 Ti(N(CH3)2)4(TDMAT)를 이용하고, 운반 가스로는 He 및 Ar 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 Ru막은 PVD 방법 및 CVD 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 PVD 방법으로 형성되는 Ru막은 50 내지 200sccm의 Ar 가스 분위기와 2 내지 10 mTorr의 압력 및 250 내지 350℃ 온도의 반응로에서 500 내지 2000W 전력의 플라즈마를 이용하여 500 내지 2000Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 RuO2막은 상기 Ru막 상에 형성된 자연 산화막이 제거되도록 50:1 HF를 이용하여 30 내지 50 초간 세정 공정을 실시한 후 저온 산소 분위기의 급속 열공정, 플라즈마 처리 공정 및 UV/O3처리 공정 중 어느 하나를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유전체막은 Ta2O5막, BST막 및 PZT막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열공정은 급속 열처리 공정 및 반응로 열공정 중 어느 하나를 이용하며, 상기 급속 열처리 공정은 산소 및 비활성 가스 혼합 분위기에서 500 내지 650℃ 온도로 30 내지 60초간 실시하고, 상기 반응로 열공정은 산소 및 비활성 가스 혼합 분위기에서 500 내지 600℃ 온도로 10 내지 30 분간 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극은 화학기상증착 방법을 이용하여 TiN막/폴리실리콘막 및 Ru와 같은 금속 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
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