KR20020014488A - Capacitor of semiconductor device having nucleation enhancement layer and upper electrode, and fabrication method thereof - Google Patents

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KR20020014488A KR1020000047811A KR20000047811A KR20020014488A KR 20020014488 A KR20020014488 A KR 20020014488A KR 1020000047811 A KR1020000047811 A KR 1020000047811A KR 20000047811 A KR20000047811 A KR 20000047811A KR 20020014488 A KR20020014488 A KR 20020014488A
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Abstract

PURPOSE: A capacitor having a nucleation enhancement layer and an upper electrode is provided to form the upper electrode conformal and continuous because of the nucleation enhancement layer, by forming the nucleation enhancement layer on a dielectric layer and by forming the upper electrode on the nucleation enhancement layer. CONSTITUTION: A lower electrode(12) is formed on a semiconductor substrate(10). The dielectric layer(14) is formed on the lower electrode. The nucleation enhancement layer(16) is formed on the dielectric layer. The upper electrode(18) is formed on the nucleation enhancement layer.

Description

핵형성 촉진층과 상부 전극을 구비한 반도체 소자의 커패시터 및 그 제조방법{Capacitor of semiconductor device having nucleation enhancement layer and upper electrode, and fabrication method thereof}Capacitor of semiconductor device having nucleation promoting layer and upper electrode and method for manufacturing thereof {Capacitor of semiconductor device having nucleation enhancement layer and upper electrode, and fabrication method

본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 소자의 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a capacitor and a method for manufacturing the semiconductor device.

반도체 메모리 소자가 고집적화됨에 따라 커패시터의 유효면적이 점차 작아지고 있다. 이에 따라, 커패시터의 유전체막을 질화막-산화막(NO막)으로 사용할 경우 원하는 커패시턴스를 확보할 수 없게 되었다. 따라서, 탄탈륨 산화막, BST(BaSrTiO3)막, PZT(PbZrTiO3)막 등과 같이 유전율이 NO막에 비해 수십 내지 수백배 이상을 갖는 고유전체막을 사용하게 되었다.As semiconductor memory devices are highly integrated, the effective area of capacitors is gradually decreasing. Accordingly, when the dielectric film of the capacitor is used as a nitride film-oxide film (NO film), desired capacitance cannot be secured. Therefore, high dielectric films such as tantalum oxide films, BST (BaSrTiO 3 ) films, PZT (PbZrTiO 3 ) films and the like have tens to hundreds or more times higher dielectric constant than NO films.

그리고, 상술한 고유전체막을 사용할 때 커패시터의 전극은 종래의 폴리실리콘 전극을 사용할 수 없어 산화 저항성이 크거나 산화가 되어도 도전체의 특성을 나타내는 백금(Pt), 루테늄(Ruthenium:Ru), 이리듐(Ir) 등의 귀금속 전극이 사용되고 있다.In addition, when the above-described high-k dielectric film is used, the electrode of the capacitor cannot use a conventional polysilicon electrode, and therefore, platinum (Pt), ruthenium (Ru), and iridium (), which exhibit the characteristics of the conductor even if the oxidation resistance is large or oxidized Precious metal electrodes such as Ir) are used.

상기 귀금속 전극중에서 루테늄은 RuO3나 RuO4와 같은 기상이 존재하므로 O2+ Cl2플라즈마 분위기에서 쉽게 식각이 되어 백금과 같이 에치이 어려운 물질에 비해 휠씬 적용 가능성이 높은 물질이다. 상기 루테늄막을 3차원 구조의 실제 반도체 소자에 적용하기 위해서는 스텝 커버리지가 우수한 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 증착하는 것이 바람직하다.Among the precious metal electrodes, ruthenium has a gaseous state such as RuO 3 or RuO 4 , so it is easily etched in an O 2 + Cl 2 plasma atmosphere, and thus is more likely to be applied than a material difficult to etch such as platinum. In order to apply the ruthenium film to a real semiconductor device having a three-dimensional structure, it is preferable to deposit by chemical vapor deposition (CVD) with excellent step coverage.

그러나, 화학기상증착법으로 형성되는 루테늄막은 전구체의 분해가스로서 산소를 사용하므로 RuO2가 형성되는 영역이 존재하며 CVD-TiN막과 같은 기존의 CVD 막질에 비해 증착할 수 있는 조건의 범위가 작으며 하부 막질에 따라 표면 모폴로지가 크게 변화한다.However, since the ruthenium film formed by chemical vapor deposition uses oxygen as the decomposition gas of the precursor, there is a region where RuO 2 is formed, and the range of conditions that can be deposited is smaller than that of the conventional CVD film such as CVD-TiN film. The surface morphology changes significantly with the underlying film quality.

특히, BST막 위에 CVD법에 의한 Ru막(CVD-Ru막)을 형성하는 경우, 즉 BST막을 유전체막으로 사용하여 CVD-Ru막을 상부 전극으로 사용하는 경우는 도 1에 도시한 바와 같이 씨딩 밀도가 매우 떨어져 섬형태(island type)로 CVD-Ru막이 형성된다. 이러한 섬 형태의 CVD-Ru막은 연속적인 막이 되지 못하여 상부 전극으로서의 역할을 하지 못하게 된다.In particular, in the case of forming a Ru film (CVD-Ru film) by the CVD method on the BST film, that is, when the CVD-Ru film is used as the upper electrode by using the BST film as the dielectric film, as shown in FIG. Is very apart to form a CVD-Ru film in an island type. This island-shaped CVD-Ru film does not become a continuous film and cannot serve as an upper electrode.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 섬 형태가 아닌 연속적인 상부 전극을 구비한 반도체 소자의 커패시터를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a capacitor of a semiconductor device having a continuous upper electrode rather than the island shape.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 다른 과제는 상기 반도체 소자의 커패시터 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a capacitor of the semiconductor device.

도 1은 종래 기술에 의하여 BST막 상에 화학기상증착법으로 루테늄 상부 전극을 형성한 경우의 전자현미경 사진이다.1 is an electron micrograph of a ruthenium upper electrode formed by chemical vapor deposition on a BST film according to the prior art.

도 2는 본 발명에 의한 반도체 소자의 커패시터를 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.

도 3 내지 도 5는 도 2에 도시한 본 발명의 반도체 소자의 커패시터의 제조방법을 도시한 단면도들이다.3 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor of the semiconductor device of the present invention shown in FIG. 2.

도 6은 BST막 상에 형성되어 있는 핵형성 촉진층인 탄탈륨 산화막 상에 화학기상증착법으로 루테늄 상부 전극을 형성한 경우의 전자 현미경 사진이다.FIG. 6 is an electron micrograph when a ruthenium upper electrode is formed by chemical vapor deposition on a tantalum oxide film which is a nucleation promoting layer formed on a BST film.

도 7은 핵형성 촉진층인 탄탈륨 산화막 상에 화학기상증착법으로 루테늄 상부 전극을 형성한 경우의 전자 현미경 사진이다.FIG. 7 is an electron micrograph of a ruthenium upper electrode formed by chemical vapor deposition on a tantalum oxide film serving as a nucleation promotion layer.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 반도체 소자의 커패시터는 반도체 기판 상에 하부 전극 및 유전체막이 형성되어 있다. 상기 유전체막은 BST막으로 구성할 수 있다. 상기 유전체막 상에는 핵형성 촉진층, 예컨대 탄탈륨 산화막이 형성되어 있다. 상기 핵형성 촉진층 상에는 상부 전극이 형성되어 있다. 상기 상부 전극은 핵형성 촉진층으로 인하여 컨포몰하게 연속적인 막으로 형성할 수 있다.In order to achieve the above technical problem, in the capacitor of the semiconductor device of the present invention, a lower electrode and a dielectric film are formed on a semiconductor substrate. The dielectric film may be a BST film. A nucleation promoting layer such as a tantalum oxide film is formed on the dielectric film. An upper electrode is formed on the nucleation promoting layer. The upper electrode can be formed into a conformally continuous film due to the nucleation promoting layer.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 반도체 소자의 커패시터 형성 방법은 반도체 기판 상에 하부 전극을 형성한 후 상기 하부 전극 상에 유전체막을 형성한다. 이어서, 상기 유전체막 상에 핵형성 촉진층을 형성한 후, 상기 핵형성 촉진층 상에 상부 전극을 형성한다. 상기 핵형성 촉진층은 탄탄륨 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 유전체막은 BST막으로 형성하는 것이 바람직하다.In order to achieve the above another technical problem, in the method of forming a capacitor of a semiconductor device of the present invention, after forming a lower electrode on a semiconductor substrate, a dielectric film is formed on the lower electrode. Subsequently, after the nucleation promotion layer is formed on the dielectric film, an upper electrode is formed on the nucleation promotion layer. The nucleation promoting layer is preferably formed of a tantalum oxide film. The dielectric film is preferably formed of a BST film.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위(상)"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention illustrated below may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. In the drawings, the size or thickness of films or regions is exaggerated for clarity. In addition, when a film is described as "on" another film or substrate, the film may be directly on top of the other film, and a third other film may be interposed therebetween.

도 2는 본 발명에 의한 반도체 소자의 커패시터를 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.

구체적으로, 반도체 기판(10), 예컨대 실리콘 기판 상에 커패시터의 하부 전극(12)이 형성되어 있다. 상기 하부 전극(12)은 Pt. Ru, TiN, Ir, RuO2, SRO 또는 이들의 조합으로 구성할 수 있다. 상기 하부 전극(12) 상에는 유전체막(14)이 형성되어 있다. 상기 유전체막(14)은 BST막으로 구성한다.Specifically, the lower electrode 12 of the capacitor is formed on the semiconductor substrate 10, for example, the silicon substrate. The lower electrode 12 is Pt. Ru, TiN, Ir, RuO 2 , SRO or a combination thereof. The dielectric film 14 is formed on the lower electrode 12. The dielectric film 14 is composed of a BST film.

상기 유전체막(14) 상에는 핵형성 촉진층(nucleation enhancement layer, 16)이 형성되어 있다. 상기 핵형성 촉진층(16)은 탄탈륨 산화막(Ta2O5)으로 구성하하는 것이 바람직하다. 상기 핵형성 촉진층(16)인 탄탈륨 산화막은 20Å 이하, 바람직하게는 5∼10Å의 두께로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 핵형성촉진층(16) 상에 상부 전극(18)이 형성되어 있다. 상기 상부 전극(18)은 백금족 귀금속막, 예컨대 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등으로 형성되어 있다. 본 실시예에서는, 상기 상부 전극으로 루테늄으로 형성한다.A nucleation enhancement layer 16 is formed on the dielectric film 14. The nucleation promoting layer 16 is preferably composed of a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ). The tantalum oxide film serving as the nucleation promotion layer 16 is preferably 20 kPa or less, preferably 5 to 10 kPa. In addition, an upper electrode 18 is formed on the nucleation promotion layer 16. The upper electrode 18 is formed of a platinum group precious metal film such as platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), or the like. In this embodiment, the upper electrode is formed of ruthenium.

특히, 본 발명의 반도체 소자의 커패시터는 유전체막(14) 상에 핵형성 촉진층(16)이 형성되어 있다. 상기 핵형성 촉진층(16)은 상기 상부 전극(18) 형성할 때 씨딩 밀도를 증가시켜 상부 전극(18)이 연속적인 막으로서 컨포몰(conformal)하게 성장할 수 있도록 한다.In particular, the nucleation promoting layer 16 is formed on the dielectric film 14 in the capacitor of the semiconductor device of the present invention. The nucleation promoting layer 16 increases seeding density when forming the upper electrode 18 so that the upper electrode 18 can be conformally grown as a continuous film.

도 3 내지 도 5는 도 2에 도시한 본 발명의 반도체 소자의 커패시터의 제조방법을 도시한 단면도들이다.3 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor of the semiconductor device of the present invention shown in FIG. 2.

도 3를 참조하면, 반도체 기판(10), 예컨대 실리콘 기판 상에 커패시터의 하부 전극(12)을 형성한다. 상기 하부 전극(12)은 Pt. Ru, TiN, Ir, RuO2, SRO 또는 이들의 조합으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 3, a lower electrode 12 of a capacitor is formed on a semiconductor substrate 10, for example, a silicon substrate. The lower electrode 12 is Pt. Ru, TiN, Ir, RuO 2 , SRO or a combination thereof.

도 4를 참조하면, 상기 하부 전극(12) 상에 유전체막(14)을 형성한다. 상기 유전체막(14)은 BST막으로 형성한다. 상기 BST막은 유전상수가 200∼300으로 일정한 면적에서 좀더 높은 커패시턴스를 얻을 수 있다.Referring to FIG. 4, a dielectric film 14 is formed on the lower electrode 12. The dielectric film 14 is formed of a BST film. The BST film has a dielectric constant of 200 to 300 to obtain a higher capacitance at a constant area.

도 5을 참조하면, 상기 유전체막(14) 상에 핵형성 촉진층(nucleation enhancement layer, 16)을 형성한다. 상기 핵형성 촉진층(16)은 탄탈륨 산화막(Ta2O5)을 20Å 이하, 바람직하게는 5∼10Å의 두께로 형성한다. 상기 핵형성 촉진층(16)은 후의 상부 전극(18) 형성할 때 씨딩 밀도를 증가시켜 상부 전극(18)이 연속적인 막으로서 컨포몰(conformal)하게 성장할 수 있도록 하기 위하여 형성한다.Referring to FIG. 5, a nucleation enhancement layer 16 is formed on the dielectric layer 14. The nucleation promotion layer 16 forms a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ) to a thickness of 20 kPa or less, preferably 5 to 10 kPa. The nucleation promoting layer 16 is formed to increase seeding density when forming the upper electrode 18 so that the upper electrode 18 can be conformally grown as a continuous film.

계속하여, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 상기 핵형성 촉진층(16) 상에 상부 전극(18)을 형성한다. 상기 상부 전극(18)은 화학기상증착법을 이용하여 백금족 귀금속막, 예컨대 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등으로 형성한다. 본 실시예에서 상기 상부 전극(18)으로 화학기상증착법으로 이용하여 루테늄막을 형성한다. 이때, 공정 조건은 250∼400℃, 압력은 0.1∼50 Torr, 소스는 루테늄 소스 + O2를 이용한다.Subsequently, as shown in FIG. 2, an upper electrode 18 is formed on the nucleation promoting layer 16. The upper electrode 18 is formed of a platinum group precious metal film such as platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), or the like using chemical vapor deposition. In this embodiment, a ruthenium film is formed using the chemical vapor deposition method as the upper electrode 18. At this time, the process conditions are 250 to 400 ℃, the pressure is 0.1 to 50 Torr, the source uses a ruthenium source + O 2 .

도 6은 BST막 상에 형성되어 있는 핵형성 촉진층인 탄탈륨 산화막 상에 화학기상증착법으로 루테늄 상부 전극을 형성한 경우의 전자 현미경 사진이고, 도 7은 핵형성 촉진층인 탄탈륨 산화막 상에 화학기상증착법으로 루테늄 상부 전극을 형성한 경우의 전자 현미경 사진이다.6 is an electron micrograph of a ruthenium upper electrode formed by chemical vapor deposition on a tantalum oxide film, which is a nucleation promoting layer formed on a BST film, and FIG. 7 is a chemical vapor phase on a tantalum oxide film, a nucleation promoting layer. It is an electron microscope photograph when a ruthenium upper electrode is formed by vapor deposition.

구체적으로, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 본 발명의 루테늄 상부 전극은 종래의 도 1과 비교하여 볼 때 씨딩 밀도가 높아 섬형태로 형성되지 않고 연속적으로 컨포몰하게 형성됨을 알 수 있다. 이렇게 본 발명의 루테늄 상부 전극은 연속적으로 컨포몰하게 형성되어 BST막과 같은 고유전체막 상에 적용하여 커패시터를 구성할 수 있다.Specifically, as shown in FIGS. 6 and 7, the ruthenium upper electrode of the present invention has a higher seeding density as compared to the conventional FIG. 1, and thus is formed continuously without conformation. Thus, the ruthenium upper electrode of the present invention is continuously conformally formed to apply a capacitor on a high dielectric film such as a BST film.

상술한 바와 같이 본 발명의 반도체 소자의 커패시터는 고유전체막 상에 핵형성 촉진층이 형성되어 있고 상부 전극이 컨포몰하게 연속적으로 구성되어 있다.다시 말해, 본 발명의 반도체 소자의 커패시터는 화학기상증착법으로 상부 전극을 형성할 때 고유전체막 상에 핵형성 촉진층이 형성되어 있어 루테늄 상부 전극이 컨포몰하게 연속적으로 형성되어 있다. 이러한 상부 전극은 BST막과 같은 고유전체막 상에 적용하여 커패시터를 구성할 수 있다.As described above, in the capacitor of the semiconductor device of the present invention, a nucleation promoting layer is formed on the high-k dielectric film, and the upper electrode is conformally and continuously configured. In other words, the capacitor of the semiconductor device of the present invention is formed by chemical vapor phase. When the upper electrode is formed by the deposition method, a nucleation promoting layer is formed on the high-k dielectric film, and the ruthenium upper electrode is conformally and continuously formed. The upper electrode may be applied on a high dielectric film such as a BST film to form a capacitor.

Claims (6)

반도체 기판 상에 형성된 하부 전극;A lower electrode formed on the semiconductor substrate; 상기 하부 전극 상에 형성된 유전체막;A dielectric film formed on the lower electrode; 상기 유전체막 상에 형성된 핵형성 촉진층; 및A nucleation promoting layer formed on the dielectric film; And 상기 핵형성 촉진층 상에 형성된 상부 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 커패시터.And a top electrode formed on the nucleation promoting layer. 제1항에 있어서, 상기 유전체막은 BST막으로, 상기 핵형성 촉진층은 탄탄륨 산화막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 커패시터.2. The capacitor of claim 1, wherein the dielectric film is a BST film and the nucleation promoting layer is a tantalum oxide film. 제1항에 있어서, 상기 상부 전극은 백금족 귀금속막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 커패시터.The capacitor of claim 1, wherein the upper electrode is a platinum group precious metal film. 반도체 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;Forming a lower electrode on the semiconductor substrate; 상기 하부 전극 상에 유전체막을 형성하는 단계;Forming a dielectric film on the lower electrode; 상기 유전체막 상에 핵형성 촉진층을 형성하는 단계; 및Forming a nucleation promoting layer on the dielectric film; And 상기 핵형성 촉진층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 커패시터 제조방법.And forming an upper electrode on the nucleation promotion layer. 제4항에 있어서, 상기 유전체막은 BST막으로, 상기 핵형성 촉진층은 탄탄륨 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 커패시터 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the dielectric film is a BST film and the nucleation promoting layer is a tantalum oxide film. 제4항에 있어서, 상기 상부 전극은 백금족 귀금속막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 커패시터 제조방법.The method of claim 4, wherein the upper electrode is formed of a platinum group noble metal film.
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