KR20020050416A - Capacitor in semiconductor device and method of making the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A capacitor and a method for manufacturing the same are provided to prevent an oxidation of a lower electrode by forming an oxide diffusion barrier layer between the lower electrode and a dielectric film. CONSTITUTION: An interlayer dielectric having a contact hole is formed on a semiconductor substrate. A plug is formed by sequentially filling a plurality of conductive layers into the contact hole. A lower electrode is formed on the plug. An oxide diffusion barrier layer(31) made of a tantalum(Ta) is formed on the lower electrode. A dielectric film made of BST is formed on the oxide diffusion barrier layer(31). By annealing the resultant structure at atmosphere of oxygen, the Ta film is converted to a Ta2O5 film. Then, an upper electrode is formed on the dielectric film.

Description

반도체 소자의 캐패시터 및 그의 제조 방법{Capacitor in semiconductor device and method of making the same}Capacitor in semiconductor device and manufacturing method therefor {Capacitor in semiconductor device and method of making the same}

본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것으로, 특히 캐패시터의 하부 전극과 유전층사이에 산화 확산 방지층을 개재하여 캐패시터 하부 전극의 하지층의 산화를 방지하여 캐패시터의 안정성을 개선시키는 반도체 소자의 캐패시터 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device, and more particularly, to a capacitor of a semiconductor device which improves stability of a capacitor by preventing oxidation of an underlying layer of a capacitor lower electrode through an oxide diffusion prevention layer between a lower electrode and a dielectric layer of the capacitor. It relates to a manufacturing method thereof.

반도체 소자가 집적화되면서 필요한 정전용량을 확보하기 위해서 고유전물질과 금속 전극을 사용하고 있다.As semiconductor devices are integrated, high dielectric materials and metal electrodes are used to secure necessary capacitance.

그리고 고유전물질로 사용하는 BST는 증착 및 열처리 공정시 산소 결핍을 보충하기 위해서 저온에서 N2O 또는 N2+ O2플라즈마 열처리 및 고온의 산소 분위기에서 열처리가 필요하다.In addition, BST used as a high dielectric material requires N 2 O or N 2 + O 2 plasma heat treatment at low temperature and heat treatment in a high temperature oxygen atmosphere to compensate for oxygen deficiency during the deposition and heat treatment processes.

그런데 캐패시터의 하부 전극으로 Ru층을 사용하는 경우 산소가 BST층을 통과하여 하부 전극이 산화하여 RuO2가 생성되고, 캐패시터의 하부 전극으로 Pt층을 사용하는 경우 Pt층의 입계를 통하여 산소가 장벽 금속층까지 확산하여 장벽 금속층의 산화가 발생한다.However, when the Ru layer is used as the lower electrode of the capacitor, oxygen passes through the BST layer and the lower electrode is oxidized to generate RuO 2. When the Pt layer is used as the lower electrode of the capacitor, oxygen is barriered through the grain boundary of the Pt layer. Diffusion to the metal layer results in oxidation of the barrier metal layer.

따라서 캐패시터의 하부 전극 및 장벽 금속층의 산화를 방지하고 BST 유전층을 사용하는 캐패시터의 전기적 특성을 확보하기 위해서는 후속 열처리 공정 조건이 제한적일 수 밖에 없다.Therefore, in order to prevent oxidation of the lower electrode and the barrier metal layer of the capacitor and to secure the electrical characteristics of the capacitor using the BST dielectric layer, subsequent heat treatment process conditions are limited.

이러한 문제로 인해 유전층을 형성하고 후속 열처리 공정에서 캐패시터의 하부 전극과 장벽 금속층의 산화를 억제하는 공정 기술이 요구되고 있다.Due to this problem, there is a demand for a process technology for forming a dielectric layer and inhibiting oxidation of the lower electrode and the barrier metal layer of the capacitor in a subsequent heat treatment process.

이하 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a capacitor manufacturing method of a semiconductor device of the prior art will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1a내지 도 1e는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법의 공정 단면도이다.1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the prior art.

도 1a와 같이, 워드라인(도면에 도시되지 않음)과 비트라인(도면에 도시되지 않음)을 형성된 반도체 기판(1)상에 산화층으로 제 1 절연층(2)을 형성하고, 제 1 절연층(2)을 식각하여 제 1 콘택홀(3)을 형성한 후, 제 1 콘택홀(3)을 포함한 제 1 절연층(2)상에 다결정 실리콘층을 적층하고 에치백(etch back)하여 다결정 실리콘 플러그(4)을 형성한다.As shown in FIG. 1A, a first insulating layer 2 is formed as an oxide layer on a semiconductor substrate 1 on which word lines (not shown) and bit lines (not shown) are formed, and a first insulating layer is formed. (2) is etched to form the first contact hole 3, and then a polycrystalline silicon layer is laminated and etched back on the first insulating layer 2 including the first contact hole 3 The silicon plug 4 is formed.

도 1b와 같이, 제 1 콘택홀(3)내의 다결정 실리콘 플러그(4)상에 장벽 금속층으로 Ti층(5)을 형성하고, Ti층(5)상에 TiN층(6)을 형성한다.As shown in FIG. 1B, the Ti layer 5 is formed as a barrier metal layer on the polycrystalline silicon plug 4 in the first contact hole 3, and the TiN layer 6 is formed on the Ti layer 5.

도 1c와 같이, 제 1 절연층(2)과 TiN층(6)상에 산화층 식각 저지층(oxide etch barrier layer)로 질화층(7)을 형성하고, 질화층(7)상에 산화층으로 제 2 절연층(8)을 형성한다.As shown in FIG. 1C, a nitride layer 7 is formed on the first insulating layer 2 and the TiN layer 6 by an oxide etch barrier layer, and an oxide layer is formed on the nitride layer 7. 2 Insulating layer 8 is formed.

그리고 제 1 콘택홀(3)과 대응되는 제 2 절연층(8)을 식각하여 캐패시터 구조를 형성하기 위한 제 2 콘택홀(9)을 형성한다.The second insulating layer 8 corresponding to the first contact hole 3 is etched to form a second contact hole 9 for forming a capacitor structure.

도 1d와 같이, 제 2 콘택홀(9)을 포함한 제 2 절연층(8)상에 캐패시터 하부 전극을 형성하기 위한 제 1 Ru층(10)을 형성하고, CMP 또는 에치백 이용하여 식각하여 제 2 콘택홀(8) 내에 캐패시터의 하부 전극을 형성한다.As shown in FIG. 1D, a first Ru layer 10 is formed on the second insulating layer 8 including the second contact hole 9 to form a capacitor lower electrode, and is etched using CMP or etch back. The lower electrode of the capacitor is formed in the contact hole 8.

여기서 제 1Ru층(10) 대신에 Pt층을 사용할 수 있다.In this case, a Pt layer may be used instead of the first Ru layer 10.

도 1e와 같이, 제 1 Ru층(10)상에 유전층으로 BST층(11)을 형성하고BST층(10)상에 캐패시터의 상부 전극으로 제 2 Ru층(12)을 형성한다.As shown in FIG. 1E, the BST layer 11 is formed as the dielectric layer on the first Ru layer 10, and the second Ru layer 12 is formed as the upper electrode of the capacitor on the BST layer 10.

이와 같은 종래 기술의 반도체 소자의 캐패시터는 다음과 같은 문제가 있다.Such a capacitor of a semiconductor device of the prior art has the following problems.

캐패시터의 필요한 정전 용량의 확보를 위하여 고유전 물질로 BST층과 하부 전극 물질로 Ru층을 사용하는 경우, BST층을 하부 전극상에 증착하고 열처리 공정을 수행하게 되는 데, 특히 BST층의 산소 결핍을 보충하기 위해서 저온에서 N2O 또는 N2+ O2플라즈마 열처리 및 고온의 산소 분위기에서 열처리가 필요하다.When using the BST layer as the high dielectric material and the Ru layer as the lower electrode material in order to secure the required capacitance of the capacitor, the BST layer is deposited on the lower electrode and subjected to a heat treatment process. In particular, oxygen deficiency of the BST layer In order to compensate for this, N 2 O or N 2 + O 2 plasma heat treatment at low temperature and heat treatment in a high temperature oxygen atmosphere are required.

그런데 캐패시터의 하부 전극으로 Ru층을 사용하는 경우 산소가 BST층을 통과하여 하부 전극이 산화하여 RuO2가 생성되고, 캐패시터의 하부 전극으로 Pt층을 사용하는 경우 Pt층의 입계를 통하여 산소가 장벽 금속층까지 확산하여 장벽 금속층의 산화가 발생하게 된다.However, when the Ru layer is used as the lower electrode of the capacitor, oxygen passes through the BST layer and the lower electrode is oxidized to generate RuO 2. When the Pt layer is used as the lower electrode of the capacitor, oxygen is barriered through the grain boundary of the Pt layer. Diffusion to the metal layer causes oxidation of the barrier metal layer.

따라서 BST층은 캐패시터의 하부 전극층 또는 그 하지층의 산화를 우려하여 충분한 열처리를 수행할 수 없고, 이러한 열처리에서도 캐패시터의 하부 전극 및 장벽 금속층에서 산화가 발생하여 안정적인 캐패시터를 제조하기가 어렵게 되는 문제가 있다.Therefore, the BST layer cannot be sufficiently heat treated due to the oxidation of the lower electrode layer or the underlying layer of the capacitor, and even in such heat treatment, oxidation occurs at the lower electrode and the barrier metal layer of the capacitor, making it difficult to manufacture a stable capacitor. have.

또한 0.1um 이하의 디자인룰(design rule)을 가지는 반도체 소자의 캐패시터 하부 전극의 두께는 300 Å 이하로 제약되는 데 BST층의 증착과 후속 열처리 공정에서 하부 전극을 통하여 확산하여 들어간 산소에 의해 산화 가능성이 커지고 장벽 금속층의 산화를 방지하기 위해 후속 열처리 공정을 낮추면 유전층의 두께가 증가하여 캐패시터 하부 전극의 면적을 증가시켜야 하는 문제가 있다.In addition, the thickness of a capacitor lower electrode of a semiconductor device having a design rule of 0.1 μm or less is limited to 300 μs or less, which may be oxidized by oxygen diffused through the lower electrode during deposition of a BST layer and subsequent heat treatment. In order to increase the thickness and lower the subsequent heat treatment process to prevent oxidation of the barrier metal layer, there is a problem that the thickness of the dielectric layer must be increased to increase the area of the capacitor lower electrode.

도 1a내지 도 1e는 종래 기술의 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법의 공정 단면도1A to 1E are cross-sectional views of a capacitor manufacturing method of a semiconductor device of the prior art.

도 2a내지 도 2f는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법의 공정 단면도2A to 2F are cross-sectional views of a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings

21 : 반도체 기판 22 : 제 1 절연층21 semiconductor substrate 22 first insulating layer

23 : 제 1 콘택홀 24 : 다결정 실리콘 플러그23: first contact hole 24: polycrystalline silicon plug

25 : Ti층 26 : TiN층25 Ti layer 26 TiN layer

27 : 질화층 28 : 제 2 절연층27: nitride layer 28: second insulating layer

29 : 제 2 콘택홀 30 : 제 1 Ru층29: second contact hole 30: first Ru layer

31 : Ta층 32 : BST층31: Ta layer 32: BST layer

33 : 제 2 Ru층33: the second Ru layer

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터는 반도체 기판상의 콘택홀을 가진 절연층; 상기 콘택홀내의 플러그; 상기 플러그상의 하부 전극; 상기 하부 전극상의 산소 확산 방지층; 상기 산소 확산 방지층상의 유전층; 상기 유전층상의 상부 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.A capacitor of a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object is an insulating layer having a contact hole on the semiconductor substrate; A plug in the contact hole; A lower electrode on the plug; An oxygen diffusion barrier layer on the lower electrode; A dielectric layer on the oxygen diffusion barrier layer; And an upper electrode on the dielectric layer.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법은 반도체 기판상에 콘택홀을 가진 절연층을 형성하는 단계; 상기 콘택홀내에 플러그을 형성하는 단계; 상기 플러그상에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극상의 산소 확산 방지층을 형성하는 단계; 상기 산소 확산 방지층상에 유전층을 형성하는 단계; 상기 유전층상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device, the method including: forming an insulating layer having a contact hole on a semiconductor substrate; Forming a plug in the contact hole; Forming a lower electrode on the plug; Forming an oxygen diffusion barrier layer on the lower electrode; Forming a dielectric layer on the oxygen diffusion barrier layer; And forming an upper electrode on the dielectric layer.

본 발명은 0.1um 이하의 디지인룰(design rule)을 가지는 소자의 캐패시터 제조 공정에서 유전층 증착 후 열공정시 장벽 금속층의 산화를 억제하여 캐패시터의 전기적 특성을 개선시키는 방법이다.The present invention is a method of improving the electrical characteristics of the capacitor by inhibiting the oxidation of the barrier metal layer during the thermal process after the dielectric layer deposition in the capacitor manufacturing process of the device having a design rule of 0.1um or less.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 및 그의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a capacitor and a manufacturing method thereof of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2a내지 도 2f는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터의 제조 방법의 공정 단면도이다.2A to 2F are cross-sectional views of a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.

도 2a와 같이, 워드라인(도면에 도시되지 않음)과 비트라인(도면에 도시되지않음)을 형성된 반도체 기판(21)상에 산화층으로 제 1 절연층(22)을 형성하고, 제 1 절연층(22)을 식각하여 제 1 콘택홀(23)을 형성한 후, 제 1 콘택홀(23)을 포함한 제 1 절연층(22)상에 다결정 실리콘층을 적층하고 에치백(etch back)하여 다결정 실리콘 플러그(24)을 형성한다.As shown in FIG. 2A, a first insulating layer 22 is formed of an oxide layer on a semiconductor substrate 21 on which word lines (not shown) and bit lines (not shown) are formed, and a first insulating layer is formed. After etching the 22 to form the first contact hole 23, the polycrystalline silicon layer is laminated and etched back on the first insulating layer 22 including the first contact hole 23. The silicon plug 24 is formed.

도 2b와 같이, 제 1 콘택홀(23)내의 다결정 실리콘 플러그(24)상에 장벽 금속층으로 Ti층(25)을 형성하고, Ti층(25)상에 TiN층(26)을 형성한다.As shown in FIG. 2B, the Ti layer 25 is formed as a barrier metal layer on the polycrystalline silicon plug 24 in the first contact hole 23, and the TiN layer 26 is formed on the Ti layer 25.

도 2c와 같이, 제 1 절연층(22)과 TiN층(26)상에 산화층 식각 저지층(oxide etch barrier layer)로 질화층(27)을 형성하고, 질화층(27)상에 산화층으로 제 2 절연층(28)을 형성한다.As shown in FIG. 2C, a nitride layer 27 is formed on the first insulating layer 22 and the TiN layer 26 as an oxide etch barrier layer, and an oxide layer is formed on the nitride layer 27. 2 Insulating layer 28 is formed.

그리고 제 1 콘택홀(23)과 대응되는 제 2 절연층(28)을 식각하여 캐패시터 구조를 형성하기 위한 제 2 콘택홀(29)을 형성한다.The second insulating layer 28 corresponding to the first contact hole 23 is etched to form a second contact hole 29 for forming a capacitor structure.

도 2d와 같이, 제 2 콘택홀(29)을 포함한 제 2 절연층(28)상에 제 1 Ru층(30)을 LPCVD 방법으로 형성하고, CMP 또는 에치백 이용하여 식각하여 제 2 콘택홀(28) 내에 캐패시터의 하부 전극을 형성한다.As shown in FIG. 2D, the first Ru layer 30 is formed on the second insulating layer 28 including the second contact hole 29 by the LPCVD method, and is etched using CMP or etch back to form the second contact hole ( 28) to form the lower electrode of the capacitor.

여기서 제 1 Ru층(30) 대신에 Pt, RuO2, Ir/IrO2, SrRuO3등을 사용할 수 있다.Instead of the first Ru layer 30, Pt, RuO 2 , Ir / IrO 2 , SrRuO 3 , or the like may be used.

LPCVD 방법으로 제 1 Ru층(30)을 증착하는 방법은 Ru의 원료 물질로 Ru(OD)3및 Ru(Etcp)2를 사용하고 기화기(vaporizer)를 이용하여 원료 물질을 기상 상태로 만들고, 원료 물질의 운반 가스인 Ar의 유량은 50 ~ 200 sccm, 원료 물질을분해하기 위한 반응 가스인 O2의 유량으로 50 ~ 400 sccm, 희석 가스 Ar의 유량은 400 ~ 800 sccm, 반응 챔버의 압력은 0.1 ~ 10 torr, 그리고 반도체 기판(21)의 온도는 230 ~350℃의 조건에서 Rudmf 100 ~ 300 Å 두께로 증착한다.The method of depositing the first Ru layer 30 by the LPCVD method uses Ru (OD) 3 and Ru (Etcp) 2 as Ru raw materials, and makes the raw materials in a gaseous state by using a vaporizer. The flow rate of Ar, the carrier gas of the material, is 50 to 200 sccm, the flow rate of O 2 , which is a reactive gas for decomposing raw materials, is 50 to 400 sccm, the flow rate of the diluent gas Ar is 400 to 800 sccm, and the pressure of the reaction chamber is 0.1. ~ 10 torr, and the temperature of the semiconductor substrate 21 is deposited to a Rudmf 100 ~ 300 Å thickness under the conditions of 230 ~ 350 ℃.

여기서 Ru(OD)3의 정식 화학식은 Ru(ch3COCHCOCH2CH2CH2ch3)3이고 화학명은 Tris(2,4-octanedionato)ruthenium 이고, Ru(Etcp)2의 화학식은 (Ru(C2H5C5H4)2)이고, 화학식은 Bis(rthylcyclopentadieny)ruthenium이다.Wherein the formula of Ru (OD) 3 is Ru (ch 3 COCHCOCH 2 CH 2 CH 2 ch 3 ) 3 , the chemical name is Tris (2,4-octanedionato) ruthenium, and the formula of Ru (Etcp) 2 is (Ru (C 2 H 5 C 5 H 4 ) 2 ), and the chemical formula is Bis (rthylcyclopentadieny) ruthenium.

제 1 Ru층(30) 내에 포함되어 있는 산소 원자를 제거하기 위해,유전층을 증착하는 챔버에서 인시튜(in-situ)방법으로 NH3플라즈마(plasma)처리를 실시하여 Ru층(30)내에 함유되어 있는 산소 원자를 제거한다.In order to remove the oxygen atoms contained in the first Ru layer 30, NH 3 plasma treatment is performed in-situ in the chamber in which the dielectric layer is deposited to be contained in the Ru layer 30. Remove the oxygen atom.

산소 원자의 제거 방법은 반도체 기판(21)의 온도는 유전층 Ta2O5증착 온도와 동일 온도, 플라즈마 처리시 플라즈마 파워는 100 ~ 300 W, NH3 가스의 유량은 100 ~ 300 sccm, 반응챔버의 압력은 0.1 ~ 2 torr, 그리고 처리 시간은 60 ~120초의 조건하에서 실시한다.In the method of removing oxygen atoms, the temperature of the semiconductor substrate 21 is the same as the deposition temperature of the dielectric layer Ta 2 O 5 , the plasma power during plasma treatment is 100 to 300 W, the flow rate of NH 3 gas is 100 to 300 sccm, the pressure of the reaction chamber Is 0.1 to 2 torr, and the treatment time is performed under the conditions of 60 to 120 seconds.

도 2e와 같이 제 1 Ru층(30)을 플라즈마 처리 후에 ALD 방법(atomic layer deposition method)으로 Ta층(31)을 증착한다.As shown in FIG. 2E, after the plasma treatment of the first Ru layer 30, the Ta layer 31 is deposited by the ALD method (atomic layer deposition method).

Ta층(31)을 증착하는 방법은 첫 번째로 Ta의 원료 물질로 TaCl5, 반응 원료의 운반 가스는 N2또는 Ar, 그리고 퍼지(purge)가스로 H2또는 NH3가스을 이용하고, 두 번째로 운반가스 및 퍼지 가스의 유량은 100 ~ 200 sccm으로 유지하고, 세번째로 반응 챔버의 압력은 0.1 ~ 10 torr, 반도체 기판(21)의 온도는 230 ~350℃로 유지하고, 네 번째로 Ta 원료 물질의 양은 0.006 ~ 0.1 cc/min로 유지하고, 다섯 번째로 TaCl5원료 물질의 유량은 150 ~ 200℃로 상태로 유지되는 기화기에서 기상 상태로 0.1 ~ 수초간 플로우(flow)시키고, 여섯 번째로 N2또는 NH3는 0.1 ~ 수초간 플로우하면서 플라즈마 처리를 실시한다.The Ta layer 31 is deposited by using TaCl 5 as a raw material of Ta, N 2 or Ar as a reaction gas, and H 2 or NH 3 as a purge gas. The flow rate of the carrier gas and the purge gas is maintained at 100 to 200 sccm, thirdly, the pressure of the reaction chamber is 0.1 to 10 torr, and the temperature of the semiconductor substrate 21 is maintained at 230 to 350 ° C. The amount of material is maintained at 0.006 ~ 0.1 cc / min, and fifthly, the flow rate of TaCl 5 raw material is flowed in the gaseous state for 0.1 ~ several seconds in the vaporizer is maintained at 150 ~ 200 ℃, and the sixth N 2 or NH 3 performs a plasma treatment while flowing for 0.1 to several seconds.

이때 플라즈마 처리시의 R.F 파워는 30 ~ 500 watt로 하고 반응챔버의 압력은 0.1 ~ 10 torr로 유지한다.At this time, the R.F power during plasma treatment is 30 ~ 500 watt and the pressure of the reaction chamber is maintained at 0.1 ~ 10 torr.

여기서 Ta층(31)은 다섯 번째와 여섯 번째를 반복하여 실시하거나, 5 단계에서 플라즈마를 여기시켜 플라즈마 처리를 하는 경우 6 단계를 생략할 수 있다.In this case, the Ta layer 31 may be repeatedly performed by the fifth and sixth, or the sixth step may be omitted when the plasma treatment is performed by exciting the plasma in the fifth step.

도 2f와 같이, Ta층(31)의 증착 후 MOCVD 방법으로 BST층(32)을 증착한다.As shown in FIG. 2F, the BST layer 32 is deposited by the MOCVD method after the deposition of the Ta layer 31.

BST층(32)을 증착하는 방법은 첫 번재로 BST의 원료 물질로 Ba(METHD)2, Sr(METHD)2, Ti(MPD)(THD)2, 반응 원료의 운반가스로 Ar 또는 N2, 그리고 산화가스로 O2또는 N2O를 사용하고, 두 번째로 운반 가스의 우량은 200 ~ 400 sccm, 산화 가스의 유량은 300 ~ 1000 sccm으로 유지하고, 세 번째로 반응로의 압력 및 온도는 1 ~ 5 torr과 350 ~ 420℃의 조건하에서 50 ~ 300 Å 두께의 BST층(32)을 증착한다.The first method of depositing the BST layer 32 includes Ba (METHD) 2 , Sr (METHD) 2 , Ti (MPD) (THD) 2 as a raw material of BST, and Ar or N 2 as a carrier gas of a reaction raw material. And using O 2 or N 2 O as the oxidizing gas, secondly, the rain gas has a good flow rate of 200 to 400 sccm, the flow rate of the oxidizing gas is 300 to 1000 sccm, and the third pressure and temperature of the reactor A BST layer 32 having a thickness of 50 to 300 mm 3 is deposited under conditions of 1 to 5 torr and 350 to 420 ° C.

그리고 BST층(32)의 후속 공정으로 저온공정으로 플라즈마 열처리 또는 UV-O3열처리를 실시한다.BST층(32) 내의 탄소, 수소 등의 불순물 및 결함을 제거하기 위해 플라즈마 열처리 및 UV-O3열처리 방법은 첫 번째로 300 ~500 ℃의 온도로 O2또는 N2O 및 N2+ O2혼합가스 분위기에서 30 ~120초 동안 200 ~ 500 watt의 파워에서 플라즈마 처리하고 두번째로 300 ~ 450 ℃로 2 ~ 10분 동안 15 ~ 30 mW/cm2의 강도로 UV-O3처리를 실시한다.And a low-temperature process to the next step of the BST layer 32 is subjected to the plasma heat treatment or UV-O 3 heat-treated carbon .BST layer, plasma treatment and UV-O 3 in order to remove the impurities and defects, such as hydrogen in the 32 The heat treatment method firstly plasma treatment at a power of 200 to 500 watts for 30 to 120 seconds in an O 2 or N 2 O and N 2 + O 2 mixed gas atmosphere at a temperature of 300 to 500 ℃ and secondly 300 to 450 ℃ UV-O 3 treatment at a strength of 15 to 30 mW / cm 2 for 2 to 10 minutes.

BST층(32)의 유전특성을 향상시키기 위해 급속열처리(rapid thermal anneal)공정으로 500 ~750℃의 온도, Ar 또는 N2분위기 1 ~ 10 분 동안 열처리한다.In order to improve the dielectric properties of the BST layer 32, a rapid thermal anneal process is performed at a temperature of 500 to 750 ° C. for 1 to 10 minutes in an Ar or N 2 atmosphere.

여기서 BST층(32)가 형성되기 전에 적층되는 Ta층(31)은 BST층(32)의 후속 열공정에서 Ta층(31)이 산소와 반응하여 BST층(32)과 캐패시터의 하부전극의 계면에서 Ta2O5를 형성함으로써 산소 확산에 대한 캐패시터의 하부 전극 및 장벽 금속층의 산화를 방지함으로써 캐패시터의 전기적 특성을 개선시킬 수 있다.Here, the Ta layer 31 which is stacked before the BST layer 32 is formed has an interface between the BST layer 32 and the lower electrode of the capacitor because the Ta layer 31 reacts with oxygen in a subsequent thermal process of the BST layer 32. By forming Ta 2 O 5 , the electrical characteristics of the capacitor can be improved by preventing oxidation of the lower electrode and the barrier metal layer of the capacitor against oxygen diffusion.

도 2f와 같이, BST층(32)사에 캐패시터의 상부전극으로 제 2 Ru층(33)을 형성하고 수 % 산소가 포함되어 있는 질소 분위기에서 350 ~ 600 ℃에서 10 ~ 60 분 동안 급속열처리 및 퍼니스(furnace)을 실시한다.As shown in FIG. 2F, a second Ru layer 33 is formed on the BST layer 32 as the upper electrode of the capacitor, and rapid heat treatment for 10 to 60 minutes at 350 to 600 ° C. in a nitrogen atmosphere containing several% oxygen. Carry out a furnace.

여기서 캐패시터의 상부 전극은 제 2 Ru층(33) 대신 Pt, RuO2, Ir/IrO2, SrRuO를 사용할 수 있다.The upper electrode of the capacitor may use Pt, RuO 2 , Ir / IrO 2 , or SrRuO instead of the second Ru layer 33.

이와 같은 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.Such a capacitor of a semiconductor device and a method of manufacturing the same according to the present invention have the following effects.

캐패시터의 하부 전극으로 사용하는 Ru층과 유전층으로 사용하는 BST층사이에 ALD 방법으로 Ta층을 증착하고 후속 열처리 공정에서 Ta층이 산소와 반응하여 Ta2O5층을 형성되므로 캐패시터의 하부 전극과 장벽 금속층의 산화를 방지한다.The Ta layer is deposited between the Ru layer used as the lower electrode of the capacitor and the BST layer used as the dielectric layer, and the Ta layer reacts with oxygen to form a Ta 2 O 5 layer in a subsequent heat treatment process. Prevent oxidation of the barrier metal layer.

따라서 BST층의 후속 열처리 공정에서의 온도를 증가시킬 수 있고 Ta2O5층/Ru층의 계면의 안정한 누설 전류 특성을 이용할 수 있어 반도체 소자의 공정 안정성과 수율 증가에 기여할 수 있다.Therefore, it is possible to increase the temperature in the subsequent heat treatment process of the BST layer and to use the stable leakage current characteristics of the interface of the Ta 2 O 5 layer / Ru layer can contribute to the process stability and yield increase of the semiconductor device.

Claims (9)

반도체 기판상의 콘택홀을 가진 절연층;An insulating layer having a contact hole on the semiconductor substrate; 상기 콘택홀내의 플러그;A plug in the contact hole; 상기 플러그상의 하부 전극;A lower electrode on the plug; 상기 하부 전극상의 산소 확산 방지층;An oxygen diffusion barrier layer on the lower electrode; 상기 산소 확산 방지층상의 유전층;A dielectric layer on the oxygen diffusion barrier layer; 상기 유전층상의 상부 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터.And a top electrode on the dielectric layer. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극은 Ru, Pt, RuO2, Ir/IrO2, SrRuO3중 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터.The capacitor of claim 1, wherein the lower electrode and the upper electrode are selected from Ru, Pt, RuO 2 , Ir / IrO 2 , and SrRuO 3 . 제 1 항에 있어서, 상기 산소 확산 방지층은 Ta2O5를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터.The capacitor of claim 1, wherein the oxygen diffusion barrier layer uses Ta 2 O 5 . 반도체 기판상에 콘택홀을 가진 절연층을 형성하는 단계;Forming an insulating layer having a contact hole on the semiconductor substrate; 상기 콘택홀내에 플러그을 형성하는 단계;Forming a plug in the contact hole; 상기 플러그상에 하부 전극을 형성하는 단계;Forming a lower electrode on the plug; 상기 하부 전극상의 산소 확산 방지층을 형성하는 단계;Forming an oxygen diffusion barrier layer on the lower electrode; 상기 산소 확산 방지층상에 유전층을 형성하는 단계;Forming a dielectric layer on the oxygen diffusion barrier layer; 상기 유전층상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.And forming an upper electrode on the dielectric layer. 제 4 항에 있어서, 상기 산소 확산 방지층을 형성하는 단계는The method of claim 4, wherein the forming of the oxygen diffusion barrier layer is 상기 하부 전극상에 Ta층을 형성하는 단계;Forming a Ta layer on the lower electrode; 상기 Ta층상에 상기 유전층으로 BST층을 형성하는 단계;Forming a BST layer on the Ta layer as the dielectric layer; 상기 BST층의 유전특성의 개선을 위해 산소 분위기에서 열처리를 실시하여 상기 Ta층을 Ta2O5으로 변화시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.And heat-treating in an oxygen atmosphere to improve the dielectric properties of the BST layer, thereby changing the Ta layer to Ta 2 O 5 . 제 5 항에 있어서, 상기 Ta층을 형성하는 방법은 Ta의 원료 물질로 TaCl5, 반응 원료의 운반 가스는 N2또는 Ar, 그리고 퍼지(purge)가스로 H2또는 NH3가스을 이용하고, 운반가스 및 퍼지 가스의 유량은 100 ~ 200 sccm, 반응 챔버의 압력은 0.1 ~ 10 torr, 반도체 기판의 온도는 230 ~ 350℃, Ta 원료 물질의 양은 0.006 ~ 0.1 cc/min, TaCl5의 유량은 150 ~ 200℃의 상태로 유지되는 기화기에서 기상 상태로 공급 시간은 0.1 ~ 수초, N2또는 NH3공급 시간은 0.1 ~ 수초, R.F 파워는 30 ~ 500 watt의 조건하에서 ALD 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 5, wherein the Ta layer is formed by using TaCl 5 as a raw material of Ta, N 2 or Ar as a carrier gas, and H 2 or NH 3 gas as a purge gas. The flow rate of the gas and purge gas is 100 to 200 sccm, the pressure of the reaction chamber is 0.1 to 10 torr, the temperature of the semiconductor substrate is 230 to 350 ° C, the amount of Ta raw material is 0.006 to 0.1 cc / min, and the flow rate of TaCl 5 is 150 The vaporizer is maintained in the state of ~ 200 ℃ in the gaseous state supply time is 0.1 ~ seconds, N 2 or NH 3 supply time is 0.1 ~ seconds, RF power is formed by the ALD method under the conditions of 30 ~ 500 watt A method for producing a capacitor of a semiconductor device. 제 5 항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극은 Ru, Pt, RuO2, Ir/IrO2, SrRuO3중 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 5, wherein the lower electrode and the upper electrode are selected from Ru, Pt, RuO 2 , Ir / IrO 2 , and SrRuO 3 . 제 5 항에 있어서, BST층을 형성하는 방법은 BST의 원료 물질로 Ba(METHD)2, Sr(METHD)2, Ti(MPD)(THD)2, 반응 원료의 운반가스로 Ar 또는 N2, 그리고 산화가스로 O2또는 N2O를 사용하고, 운반 가스의 유량은 200 ~ 400 sccm, 산화 가스의 유량은 300 ~ 1000 sccm, 반응로의 압력 및 온도는 1 ~ 5 torr과 350 ~ 420℃의 조건하에서 온도에서 MOCVD 방법으로 50 ~ 300 Å 두께의 BST층을 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 5, wherein the BST layer is formed by Ba (METHD) 2 , Sr (METHD) 2 , Ti (MPD) (THD) 2 as a raw material of BST, or Ar or N 2 , as a carrier gas of the reaction raw material. And using O 2 or N 2 O as the oxidizing gas, the flow rate of the carrier gas is 200 ~ 400 sccm, the flow rate of the oxidizing gas is 300 ~ 1000 sccm, the pressure and temperature of the reactor 1 ~ 5 torr and 350 ~ 420 ℃ A method of manufacturing a capacitor for a semiconductor device, characterized in that to deposit a BST layer of 50 ~ 300 Å thickness by the MOCVD method at the temperature under the conditions of. 제 5 항에 있어서, BST층의 후속 열처리 방법은 첫 번째로 300 ~500 ℃의 온도로 O2또는 N2O 및 N2+ O2혼합가스 분위기에서 30 ~120초 동안 200 ~ 500 watt의 파워에서 플라즈마 처리하고, 두 번째로 300 ~ 450℃의 온도로 2 ~ 10분 동안 15 ~30 mW/cm2의 강도로 UV-O3처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.6. The method of claim 5, wherein the subsequent heat treatment of the BST layer is first performed at a temperature of 300-500 ° C. for a power of 200-500 watts for 30-120 seconds in an O 2 or N 2 O and N 2 + O 2 mixed gas atmosphere. Plasma treatment, and secondly, UV-O 3 treatment at a intensity of 15 to 30 mW / cm 2 for 2 to 10 minutes at a temperature of 300 to 450 ℃.
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