KR20020053550A - Method of manufacturing a semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 상부 금속배선과의 절연을 위한 ILD 및 IMD와 같은 층간절연막이 형성되기전에 캐패시터 상부에 La2O3의 장벽층을 형성함으로써, 층간절연막을 형성하기 위한 후속공정시 주입되는 수소가 캐패시터내부로 유입되는 것을 방지하여 캐패시터의 강유전성 특성이 저하되는 것을 방지함과 아울러 유전체막이 열화되는 것을 방지할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device. In particular, an interlayer insulating film is formed by forming a barrier layer of La 2 O 3 on a capacitor before an interlayer insulating film such as ILD and IMD for insulating the upper metal wiring is formed. The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device capable of preventing hydrogen injected during a subsequent process to be introduced into a capacitor, thereby preventing the ferroelectric characteristics of the capacitor from deteriorating and preventing the dielectric film from deteriorating.
DRAM의 집적도가 증가하면서 보다 높은 유전율과 작은 누설전류 특성이 요구됨에 따라 캐패시터의 구조는 누설전류가 작은 MIM 구조로의 변화가 요구되고 있다.As the integration of DRAMs increases, higher dielectric constants and smaller leakage current characteristics are required, and therefore, the capacitor structure needs to be changed to a MIM structure with a small leakage current.
통상의 MIM 구조의 캐패시터 유전체막으로 SiO2/Si3N4/SiO2적층구조가 많이 이용되고 있다. 그러나, 최근에는 고유전율과 저누설전류의 캐패시터를 구현함과 아울러 캐패시터 제조공정의 단순화를 들어 적층구조에서 단층구조로 바뀌고 있는 추세이다. 이런 추세에 발맞추어, 1Gbit 이상의 집적도를 갖는 DRAM 소자의 캐패시터 유전체막으로 BST, Ta2O5또는 BLT(Bi4-x, Lax)Ti3O12)가 사용된다. BST, Ta2O5및 BST를 이용한 캐패시터는 Ru/Ta2O5/Ru, Ru/BST/Ru, Pt/BST/Pt 및 Pt/BLT/Pt의 구조가 많이 사용된다.SiO 2 / Si 3 N 4 / SiO 2 laminated structure is widely used as a capacitor dielectric film of a conventional MIM structure. However, in recent years, a capacitor having a high dielectric constant and a low leakage current and a simplified capacitor manufacturing process have been shifting from a stacked structure to a single layer structure. In line with this trend, BST, Ta 2 O 5, or BLT (Bi 4-x , La x ) Ti 3 O 12 ) is used as a capacitor dielectric film of a DRAM device having an integration density of 1 Gbit or more. Capacitors using BST, Ta 2 O 5, and BST are commonly used in structures of Ru / Ta 2 O 5 / Ru, Ru / BST / Ru, Pt / BST / Pt, and Pt / BLT / Pt.
이런 구조의 캐패시터 상부에는 상부 금속배선과의 절연을 위해 ILD(Inter-Level Dielectric) 및 IMD(Inter-Metal Dielectric)와 같은 층간절연막이 형성된다. 그러나, ILD 및 IMD를 형성하기 위한 소정의 증착공정시 주입되는 수소(Hydrogen)가 캐패시터의 유전체막내에 유입되어 유전체막의 산소결합을 파괴시켜 강유전성 특성을 저하시키게 된다.An interlayer insulating film such as inter-level dielectric (ILD) and inter-metal dielectric (IMD) is formed on the capacitor of the above structure to insulate the upper metal wiring. However, hydrogen injected during a predetermined deposition process for forming ILD and IMD flows into the dielectric film of the capacitor to break oxygen bonds in the dielectric film, thereby degrading ferroelectric properties.
특히, 캐패시터의 유전체막으로 BLT를 사용할 경우, ILD 및 IMD를 형성하기 위한 소정의 증착공정시 주입되는 수소가 캐패시터의 BLT내에 유입되어 전기적인 특성을 유지하기 위한 페로브스카이트층(perovskite layer)의 산소결합(Oxygen)을 파괴시켜 강유전성 특성을 저하시킴과 아울러 단위셀, 단위셀들간의 경계면 및 결정립계에 축적되어 단위셀의 배향방향의 이동을 억제시키거나 유전체막을 크게 열화시킨다.In particular, when the BLT is used as the dielectric film of the capacitor, hydrogen injected during the predetermined deposition process for forming the ILD and the IMD is introduced into the BLT of the capacitor to maintain the electrical properties of the perovskite layer. Degradation of oxygen bonds (Oxygen) reduces ferroelectric properties, and accumulates in the unit cell, the interface between the unit cells and grain boundaries, thereby inhibiting the movement of the unit cell in the alignment direction or greatly deteriorating the dielectric film.
따라서, 본 발명은 캐패시터 상부에 금속배선과의 절연을 위해 ILD 및 IMD와 같은 층간절연막을 형성하기 위한 소정의 증착공정시 주입되는 수소가 캐패시터의 유전체막내로 유입되는 것을 방지하여 유전체막의 강유전성 특성이 저하되는 것을방지하기 위한 반도체 소자의 제조 방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention prevents hydrogen injected during a predetermined deposition process for forming an interlayer insulating film such as ILD and IMD to insulate the metal wiring on the capacitor, thereby preventing the ferroelectric property of the dielectric film from being introduced into the dielectric film of the capacitor. It is to provide a method of manufacturing a semiconductor device for preventing the degradation.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명은 상부 금속배선과의 절연을 위한 ILD 및 IMD와 같은 층간절연막이 형성되기전에 캐패시터 상부에 La2O3의 장벽층을 형성함으로써, 층간절연막을 형성하기 위한 후속공정시 주입되는 수소가 캐패시터내부로 유입되는 것을 방지하여 캐패시터의 강유전성 특성이 저하되는 것을 방지함과 아울러 유전체막이 열화되는 것을 방지할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide a subsequent layer for forming an interlayer insulating film by forming a barrier layer of La 2 O 3 on top of a capacitor before an interlayer insulating film such as ILD and IMD for insulating the upper metal wiring is formed. The present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device capable of preventing hydrogen injected during a process from being introduced into a capacitor, thereby preventing the ferroelectric property of the capacitor from deteriorating and preventing the dielectric film from deteriorating.
도 1(a) 내지 도 1(d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 반도체 소자의 단면도.1 (a) to 1 (d) are cross-sectional views of a semiconductor device sequentially shown to explain a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 반도체 기판 2 : 필드산화막1 semiconductor substrate 2 field oxide film
3 : 게이트절연막 4 : 도전층3: gate insulating film 4: conductive layer
5 : 절연층 6 : 게이트전극5: insulation layer 6: gate electrode
7 : 스페이서 8 : 제 1 층간절연층7 spacer 8 first interlayer insulating layer
9 : 비트라인 10 : 제 2 층간절연층9 bit line 10 second interlayer insulating layer
11 : 다결정실리콘 12 : 오믹콘택층11: polycrystalline silicon 12: ohmic contact layer
13 : 확산방지막 14 : 제 1 콘택플러그13: diffusion barrier 14: first contact plug
15 : 하부전극 16 : 유전체막15 lower electrode 16 dielectric film
17 : 상부전극 18 : 장벽층17: upper electrode 18: barrier layer
19 : 제 3 층간절연층 20 : 제 2 콘택플러그19: third interlayer insulating layer 20: second contact plug
21 : 제 1 금속배선 22 : 제 4 층간절연층21: first metal wiring 22: fourth interlayer insulating layer
23 : 제 2 금속배선23: second metal wiring
본 발명은 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 제 1 절연막을 형성한 후, 상기 제 1 절연막의 소정 영역을 식각하여 상기 반도체 기판의 소정 영역을 노출시키는 제 1 콘택홀을 형성하는 단계와; 상기 제 1 콘택홀를 매립하도록 제 1 콘택플러그를 형성하는 단계와; 상기 제 1 콘택플러그 상부에 캐패시터를 형성하는 단계와; 상기 캐패시터를 포함한 전체 구조 상부에 장벽층을 형성하는 단계와; 상기 장벽층 상부에 제 2 절연막을 형성한 후, 상기 제 2 절연막의 소정 부위를 식각하여 상기 캐패시터가 노출되도록 제 2 콘택홀을 형성하는 단계와; 상기 제 2 콘택홀을 매립하도록 제 2 콘택플러그를 형성하는 단계와; 상기 제 2 콘택플러그 상부에 금속배선을 형성하는 단계를 포함한다.The present invention includes forming a first contact hole for exposing a predetermined region of the semiconductor substrate by etching a predetermined region of the first insulating layer after forming a first insulating layer on the semiconductor substrate having a predetermined structure; Forming a first contact plug to fill the first contact hole; Forming a capacitor on the first contact plug; Forming a barrier layer over the entire structure including the capacitor; Forming a second contact hole so as to expose the capacitor by etching a predetermined portion of the second insulating film after forming a second insulating film over the barrier layer; Forming a second contact plug to fill the second contact hole; And forming a metal wiring on the second contact plug.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 1(a) 내지 도 1(d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도이다.1 (a) to 1 (d) are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 1(a)를 참조하면, 우선 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(1)에 액티브영역과 필드영역을 확정하기 위한 필드산화막(2)이 형성된다. 필드산화막(2)을 포함한 전체 구조 상부에는 게이트전극(6)이 형성된다.Referring to Fig. 1A, first, a field oxide film 2 for determining an active region and a field region is formed in a semiconductor substrate 1 having a predetermined structure. The gate electrode 6 is formed on the entire structure including the field oxide film 2.
게이트전극(6)은 게이트절연막(3), 도전층(4) 및 절연층(5)이 순차적으로 증착된 후, 패터닝되어 형성된다. 이후, 게이트전극(6)의 양측면에는 후속 식각공정시, 자신을 보호하기 위한 스페이서(7)가 형성됨과 아울러 스페이서(7) 상부에는 소정의 절연막(도시되지 않음)이 형성될 수 도 있다.The gate electrode 6 is formed by sequentially depositing the gate insulating film 3, the conductive layer 4, and the insulating layer 5, and then patterning the gate insulating film 3. Subsequently, a spacer 7 may be formed on both sides of the gate electrode 6 to protect itself during a subsequent etching process, and a predetermined insulating layer (not shown) may be formed on the spacer 7.
스페이서(7)를 포함한 전체 구조 상부에는 제 1 층간절연층(8)이 증착된 후, 반도체 기판(1)의 소정 부위가 노출되게끔 제 1 콘택홀이 형성되도록 패터닝되어 형성된다.After the first interlayer insulating layer 8 is deposited on the entire structure including the spacers 7, the first interlayer insulating layer 8 is patterned to form a first contact hole to expose a predetermined portion of the semiconductor substrate 1.
이후, 전체 구조 상부에는 금속물질 또는 귀금속물질이 증착된 후, 패터닝되어 게이트전극(6)간에 형성된 제 1 콘택홀을 메우도록 비트라인(9)이 형성된다.Thereafter, after the metal material or the precious metal material is deposited on the entire structure, the bit line 9 is formed to fill the first contact hole formed between the gate electrodes 6 by patterning.
이후, 비트라인(9)을 포함한 전체 구조 상부에 제 2 층간절연층(10)이 증착된 후, 제 1 콘택홀을 경유하여 반도체 기판(1)의 소정 부위가 노출되게끔 제 2 콘택홀이 형성되도록 패터닝되어 형성된다. 이후, 제 2 콘택홀을 메우도록 제 1 콘택플러그(14)가 형성된다.Thereafter, after the second interlayer insulating layer 10 is deposited on the entire structure including the bit line 9, the second contact hole is exposed to expose a predetermined portion of the semiconductor substrate 1 via the first contact hole. Patterned to form. Thereafter, the first contact plug 14 is formed to fill the second contact hole.
제 1 콘택플러그(14)는 다결정실리콘(11), 오믹콘택층(12) 및 확산방지막(13)이 순차적으로 형성된 적층구조로 형성된다.The first contact plug 14 is formed in a laminated structure in which the polycrystalline silicon 11, the ohmic contact layer 12, and the diffusion barrier layer 13 are sequentially formed.
다결정실리콘(11)은 게이트전극(35)을 포함한 전체 구조 상부에 다결정실리콘이 증착된 후, 패터닝되어 제 2 콘택홀내의 소정 부위에 형성된다.The polysilicon 11 is formed on a predetermined portion in the second contact hole after polycrystalline silicon is deposited on the entire structure including the gate electrode 35.
오믹콘택층(12)은 다결정실리콘(11) 상부를 포함한 전체 구조 상부에 Ti막 또는 Co막이 형성된다. Ti막 또는 Co막이 형성된 반도체 기판(1)을 열처리 공정을 실시하여 제 2 콘택홀 내부의 다결정실리콘(11) 상부에 다결정실리콘(12)과 반응하여 티타늄 실리사이드막 또는 코발트 실리사이드막이 형성된다.In the ohmic contact layer 12, a Ti film or a Co film is formed on the entire structure including the polycrystalline silicon 11. The semiconductor substrate 1 having the Ti film or the Co film is thermally treated to react with the polycrystalline silicon 12 on the polycrystalline silicon 11 inside the second contact hole to form a titanium silicide film or a cobalt silicide film.
확산방지막(13)은 TiN막, TiSiN막, TiAlN막, TaSiN막 및 TaAlN막과 같은 질화막이 PVD 방법 또는 CVD 방법으로 형성된다.In the diffusion barrier 13, a nitride film such as a TiN film, a TiSiN film, a TiAlN film, a TaSiN film, and a TaAlN film is formed by a PVD method or a CVD method.
도 1(b)를 참조하면, 이후, 제 1 콘택플러그(14)를 포함하는 전체 구조 상부에 하부전극(15), 유전체막(16) 및 상부전극(17)이 순차적으로 증착된 후, 패터닝되어 캐패시터가 형성된다.Referring to FIG. 1B, after the lower electrode 15, the dielectric film 16, and the upper electrode 17 are sequentially deposited on the entire structure including the first contact plug 14, patterning is performed. Thus, a capacitor is formed.
하부전극(15)은 Ir, IrOx, Ru, RuOx, PtW, WN 및 TiN과 같은 귀금속물질이 MOCVD(Metal-organic chemical vapor deposition), PVD(Physical vapor deposition), 스핀온 및 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition)중 어느 하나에 의해 형성된다.The lower electrode 15 is formed of precious metals such as Ir, IrOx, Ru, RuOx, PtW, WN, and TiN, such as metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), physical vapor deposition (PVD), spin-on, and plasma enhanced chemical vapor (PECVD). It is formed by any one of the deposition).
유전체막(16)은 Bi와 La의 조성비가 3.25∼3.35atom%와 0.80∼0.90atom%인 BLT((BixLay)Ti3O12)가 액체 소스를 이용한 스핀온(Spin-on)방법, MOD 또는 LSMCD로증착된 후, 두 번에 걸친 베이크공정에 의해 경화됨과 아울러 급속 열처리공정에 의해 소정의 유기물이 제거됨과 동시에 페로브스카이트 BLT 핵 형성과 성장에 의해 형성된다.The dielectric film 16 is a spin-on method using BLT ((Bi x La y ) Ti 3 O 12 ) having a Bi and La composition ratio of 3.25 to 3.35 atoms and 0.80 to 0.90 atoms, using a liquid source. After being deposited with MOD or LSMCD, it is cured by two baking processes and the organic matter is removed by rapid heat treatment, and formed by perovskite BLT nucleation and growth.
여기서, 급속 열처리공정은 500∼700℃의 온도범위와, 상압의 압력과, O2, N2O 또는 O2와 N2O가 소정의 비율로 혼합된 혼합 기체분위기에서 이루어진다.Here, the rapid heat treatment process is performed in a mixed gas atmosphere in which a temperature range of 500 to 700 ° C., an atmospheric pressure, and O 2 , N 2 O or O 2 and N 2 O are mixed at a predetermined ratio.
상부전극(17)은 Ir, IrOx, Ru, RuOx, PtW, WN 및 TiN과 같은 귀금속물질이 MOCVD(Metal-organic chemical vapor deposition), PVD(Physical vapor deposition), 스핀온 및 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition)중 어느 하나에 의해 형성된다.The upper electrode 17 is a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), physical vapor deposition (PVD), spin-on, and plasma enhanced chemical vapor (PECVD) of precious metals such as Ir, IrOx, Ru, RuOx, PtW, WN, and TiN. It is formed by any one of the deposition).
도 1(c)를 참조하면, 이후, 상부전극(17)을 포함한 전체 구조 상부에 300∼700℃의 온도범위와 O2, N2O, H2O, H2O2또는 O2와 N2O가 소정 비율로 혼합된 혼합 기체분위기에서 CVD(Chemical vapor deposition) 또는 ALD(Atomic layer deposition)에 의해 50∼500Å의 두께로 La2O3의 장벽층(18)이 형성된다.Referring to FIG. 1 (c), the temperature range of 300 to 700 ° C. and O 2 , N 2 O, H 2 O, H 2 O 2, or O 2 and N are on the entire structure including the upper electrode 17. A barrier layer 18 of La 2 O 3 is formed to a thickness of 50 to 500 kPa by CVD (chemical vapor deposition) or ALD (atomic layer deposition) in a mixed gas atmosphere in which 2 O is mixed at a predetermined ratio.
이후, 장벽층(18)은 500∼800℃의 온도범위와 N2가스에서 급속열처리되어 결정화된다.Thereafter, the barrier layer 18 is rapidly thermally crystallized in a temperature range of 500 to 800 ° C. and N 2 gas.
도 1(d)를 참조하면, 장벽층(18)을 포함한 전체 구조 상부에 PSG(Phospho silicate glass), BPSG(Boro-phospho silicate glass), SOG(Spin on glass) 및 USG(Undoposed silicate glass)등의 산화물이 증착된 후, 캐패시터의 상부전극(17)이 노출되게끔 제 3 콘택홀이 형성되도록 패터닝되어 제 3 층간절연층(19)이 형성된다.Referring to FIG. 1 (d), a phospho silicate glass (PSG), a boro-phospho silicate glass (PSG), a spin on glass (SOG), an undoposed silicate glass (USG), and the like, are disposed on an entire structure including the barrier layer 18. After the oxide of is deposited, the third interlayer insulating layer 19 is formed by patterning the third contact hole so that the upper electrode 17 of the capacitor is exposed.
이후, 제 3 콘택홀을 매립하도록 제 2 콘택플러그(20)가 형성된다. 제 2 콘택플러그(20)는 TiN, Ti 및 Al이 순차적으로 형성된 적층구조로 형성된다.Thereafter, a second contact plug 20 is formed to fill the third contact hole. The second contact plug 20 is formed in a stacked structure in which TiN, Ti, and Al are sequentially formed.
이후, 제 2 콘택플러그(20)을 포함한 전체 구조 상부에 TiN, Ti 및 Al이 순차적으로 형성된 적층구조의 제 1 금속배선(21)이 형성된다.Thereafter, a first metal wiring 21 having a stacked structure in which TiN, Ti, and Al are sequentially formed on the entire structure including the second contact plug 20 is formed.
이후, 제 1 금속배선(21)을 포함한 전체 구조 상부에 IMD의 제 4 층간절연층(22)이 형성됨과 아울러 그 상부에는 제 2 금속배선(23)이 형성된다.Thereafter, the fourth interlayer insulating layer 22 of the IMD is formed on the entire structure including the first metal wiring 21 and the second metal wiring 23 is formed thereon.
전술한 바와 같이, 본 발명의 반도체 소자에는 상부 금속배선과의 절연을 위한 ILD 및 IMD와 같은 층간절연막이 형성되기전에 캐패시터 상부에 La2O3의 장벽층이 형성된다.As described above, in the semiconductor device of the present invention, a barrier layer of La 2 O 3 is formed on the capacitor before the interlayer insulating films such as ILD and IMD for insulating the upper metal wiring are formed.
상술한 바와 같이, 본 발명은 상부 금속배선과의 절연을 위한 ILD 및 IMD와 같은 층간절연막이 형성되기전에 캐패시터 상부에 La2O3의 장벽층을 형성함으로써, 층간절연막을 형성하기 위한 후속공정시 주입되는 수소가 캐패시터내부로 유입되는 것을 방지하여 캐패시터의 강유전성 특성이 저하되는 것을 방지함과 아울러 유전체막이 열화되는 것을 방지할 수 있다.As described above, the present invention forms a barrier layer of La 2 O 3 on the capacitor before the interlayer insulating film such as ILD and IMD for insulating the upper metal wiring is formed, thereby forming the interlayer insulating film. By preventing the injected hydrogen from flowing into the capacitor, it is possible to prevent the ferroelectric characteristics of the capacitor from deteriorating and to prevent the dielectric film from deteriorating.
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KR1020000083210A KR20020053550A (en) | 2000-12-27 | 2000-12-27 | Method of manufacturing a semiconductor device |
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