KR20030000356A - Method for forming capacitor of semiconductor device using electrochemical etch - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고용량을 확보하면서 공정 신뢰성을 확보할 수 있는 전기화학적 식각을 이용한캐패시터 하부 전극 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a capacitor of a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a capacitor lower electrode using an electrochemical etching capable of securing process reliability while ensuring a high capacity.
반도체 메모리 소자의 수요가 급증함에 따라, 고용량의 캐패시터를 얻기 위한 다양한 기술들이 제안되고 있다. 상기 캐패시터는 각각 스토리지 노드(storage node) 및 플레이트 노드(plate node)라 불리우는 캐패시터 하부 전극과 상부 전극 사이에 유전체막이 개재된 구조로서, 그 용량은 전극의 표면적, 특히, 하부 전극의 표면적과 유전체막의 유전율에 비례하며, 전극들간의 거리에 반비례한다. 따라서, 고용량의 캐패시터를 얻기 위해서는 유전율이 큰 유전체막을 사용하거나, 전극의 표면적을 확대, 또는, 전극들간의 거리를 감소시키는 것이 필수적이다.As the demand for semiconductor memory devices has soared, various techniques for obtaining high capacity capacitors have been proposed. The capacitor is a structure in which a dielectric film is interposed between a capacitor lower electrode and an upper electrode, called a storage node and a plate node, respectively, and the capacitance of the capacitor is defined by the surface area of the electrode, in particular, the surface area of the lower electrode and the dielectric film. It is proportional to the dielectric constant and inversely proportional to the distance between the electrodes. Therefore, in order to obtain a high capacity capacitor, it is essential to use a dielectric film having a high dielectric constant, to enlarge the surface area of the electrode, or to reduce the distance between the electrodes.
그런데, 상기 전극들간의 거리, 즉, 유전체막의 두께를 감소시키는 것은 그 한계가 있는 바, 고용량의 캐패시터를 제조하기 위해서는 유전율이 큰 유전체막을 사용하거나, 또는, 전극의 표면적을 넓히는 방법의 이용이 바람직하다.However, reducing the distance between the electrodes, that is, the thickness of the dielectric film has a limitation. In order to manufacture a high capacity capacitor, it is preferable to use a dielectric film having a high dielectric constant or to use a method of increasing the surface area of the electrode. Do.
현재의 기술 동향에서, 유전체막의 재질로 탄탈륨산화막(Ta2O5)를 이용하는 것은 유전율의 증가를 통해 캐패시터 용량을 증가시킨 한 예이다. 또한, 핀(Fin) 구조, 스택(Stack) 구조 및 실린더(Cylinder) 구조 등의 3차원 구조로 캐패시터 하부 전극을 형성하는 것은 전극 표면적의 증가를 통해 캐패시터 용량을 증가시킨 한 예이다.In the current technology trend, using a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ) as the material of the dielectric film is an example of increasing the capacitor capacity through the increase in the dielectric constant. In addition, forming a capacitor lower electrode with a three-dimensional structure such as a fin structure, a stack structure, and a cylinder structure is an example of increasing the capacitor capacity through an increase in the electrode surface area.
상기한 구조들 중에서 실린더 구조는 비교적 간단한 공정으로 넓은 전극 면적으로 확보할 수 있다는 잇점이 있기 때문에 현재 대부분의 캐패시터는 상기 실린더 구조로 제작되고 있으며, 더 나아가, 최근에는 실린더 구조의 캐패시터 하부 전극에 MPS(Meta-stable Poly Silicon) 공정을 적용하여 전극 표면적을 극대화시키는 기술이 보편화되고 있다.Among the above structures, since the cylinder structure has an advantage of securing a large electrode area by a relatively simple process, most capacitors are manufactured in the above-described cylinder structure, and moreover, in recent years, MPS is applied to the lower electrode of the cylinder structure. The technique of maximizing the electrode surface area by applying a (Meta-stable Poly Silicon) process is becoming popular.
도 1은 MPS 공정을 통해 형성된 종래의 스토리지 노드를 도시한 단면도로서, 도시된 바와 같이, 캐패시터 하부 전극(10)은 폴리실리콘 재질로 이루어져, 실린더 형상으로 형성된다. 또한, 그 형성 후에는 열처리에 의한 표면에서의 결정 성장을 통해서, 그 표면에 HSG(Hemi Spherical Grain)-Si(5)이 형성되며, 이에 따라, 그 표면적이 극대화된다. 미설명된 도면부호 1은 실리콘 기판, 2는 불순물 확산 영역, 3은 층간절연막, 그리고, 4는 캐패시터용 플러그를 각각 나타낸다.1 is a cross-sectional view showing a conventional storage node formed through the MPS process, as shown, the capacitor lower electrode 10 is made of a polysilicon material, is formed in a cylindrical shape. In addition, after the formation, through the crystal growth on the surface by heat treatment, HSG (Hemi Spherical Grain) -Si (5) is formed on the surface, thereby maximizing the surface area. Unexplained reference numeral 1 denotes a silicon substrate, 2 an impurity diffusion region, 3 an interlayer insulating film, and 4 denotes a capacitor plug.
그러나, 전술한 기술의 적용에도 불구하고, 반도체 소자의 고집적화에 따라 캐패시터 형성 면적이 감소됨으로써, 종래의 캐패시터 구조 및 방법으로는 일정한 모양의 캐패시터 형성 및 고용량을 얻기 힘들다는 문제가 발생된다.However, despite the application of the above-described technology, the capacitor formation area is reduced according to the high integration of the semiconductor device, which causes a problem in that it is difficult to obtain a capacitor having a uniform shape and high capacity in the conventional capacitor structure and method.
또한, 종래에는 캐패시터의 높이의 증가를 통해 캐패시터 형성 면적을 확보하고 있지만, 이 경우에는 에스펙트 비(aspect ratio)의 증가로 인해서 공정 상의 신뢰성을 확보하기 어렵다는 또 다른 문제가 발생된다.In addition, although the capacitor formation area is secured by increasing the height of the capacitor, in this case, another problem that it is difficult to secure process reliability due to an increase in the aspect ratio.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 캐패시터 형성 면의 감소에도 불구하고, 고용량을 확보할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming a capacitor of a semiconductor device capable of securing a high capacity, despite the reduction of the capacitor formation surface, which is devised to solve the above problems.
또한, 본 발명은 에스펙트 비의 증가에도 불구하고, 공정 상의 신뢰성을 확보할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 제공함에 그 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method of forming a capacitor of a semiconductor device capable of securing process reliability despite an increase in the aspect ratio.
도 1은 종래 기술에 따라 형성된 캐패시터 하부 전극을 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a capacitor lower electrode formed according to the prior art.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of forming a capacitor according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
11 : 실리콘 기판 12 : 게이트 산화막11 silicon substrate 12 gate oxide film
13 : 게이트 전극 14 : 소오스/드레인 영역13 gate electrode 14 source / drain region
15 : 층간절연막 16 : 캐패시터용 플러그15: interlayer insulating film 16: plug for capacitor
17 : 실리콘 단결정층 18 : 홈17 silicon single crystal layer 18 groove
20 : 캐패시터 하부 전극 21 : 유전체막20 capacitor lower electrode 21 dielectric film
22 : 캐패시터 상부 전극 30 : 캐패시터22 capacitor upper electrode 30 capacitor
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캐패시터 형성방법은, 상부에 게이트 전극 및 소오스/드레인 영역을 포함하는 트랜지스터가 형성된 실리콘 기판을 제공하는 단계; 상기 트랜지스터를 포함한 실리콘 기판 상에 상기 소오스/드레인 영역과 콘택되는 캐패시터용 플러그를 갖는 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 캐패시터용 플러그 및 층간절연막 상에 소정 두께로 실리콘 단결정층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 단결정층을 전기화학적으로 식각하여, 그 표면에 수 개의 홈을 형성하는 단계; 상기 표면에 수 개의 홈이 형성된 실리콘 단결정층을 패터닝하여 캐패시터 하부 전극을 형성하는 단계; 및 상기 캐패시터 하부 전극 상에 유전체막과 캐패시터 상부 전극을 차례로 형성하는 단계를 포함한다.Capacitor forming method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of providing a silicon substrate having a transistor including a gate electrode and a source / drain region formed thereon; Forming an interlayer insulating film having a capacitor plug in contact with the source / drain region on a silicon substrate including the transistor; Forming a silicon single crystal layer with a predetermined thickness on the capacitor plug and the interlayer insulating film; Electrochemically etching the silicon single crystal layer to form several grooves on the surface thereof; Patterning a silicon single crystal layer having several grooves formed on the surface to form a capacitor lower electrode; And sequentially forming a dielectric film and a capacitor upper electrode on the capacitor lower electrode.
여기서, 상기 실리콘 단결정층을 전기화학적으로 식각하는 단계는, HF와 에탄올이 1:1의 부피비로 혼합된 용액이 담겨진 반응관 내에 실리콘 단결정층이 형성된 실리콘 기판을 침지시킨 상태로 1∼5V 중 어느 하나의 전압을 일정하게 걸어주는 것에 의해 이루어지며, 상기 홈은 수 ㎚ 내지 수천 ㎚의 직경을 갖도록 형성한다.Here, the step of electrochemically etching the silicon single crystal layer, any one of 1 to 5V while immersing the silicon substrate on which the silicon single crystal layer is formed in a reaction tube containing a solution of HF and ethanol mixed in a volume ratio of 1: 1. It is made by constantly applying one voltage, and the groove is formed to have a diameter of several nm to several thousand nm.
본 발명에 따르면, 실리콘 단결정층에 대한 전기화학적 식각을 행함으로써, 상기 실리콘 단결정층의 표면에 수 ㎚ 내지 수천 ㎚의 직경을 갖는 수 개의 홈을 형성할 수 있으며, 따라서, 매우 용이하게 고용량의 캐패시터를 형성할 수 있다.According to the present invention, by performing an electrochemical etching on the silicon single crystal layer, several grooves having a diameter of several nm to several thousand nm can be formed on the surface of the silicon single crystal layer, and therefore, a capacitor having a high capacity is very easily Can be formed.
(실시예)(Example)
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.2A through 2D are cross-sectional views illustrating processes of forming a capacitor according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(11) 상에 게이트 산화막(12)을 갖는 게이트 전극(13)과 소오스/드레인 영역(14)을 포함하는 트랜지스터를 형성하고, 그런다음, 상기 트랜지스터를 덮도록 실리콘 기판(11)의 전면 상에 층간절연막(15)을 형성한다. 이어서, 상기 층간절연막(15)의 일부분을 선택적으로 식각하여 상기 소오스/드레인 영역(14)을 노출시키는 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀 내에 도전막, 예컨데, 폴리실리콘막을 매립시켜 캐패시터용 플러그(16)를 형성한다.First, as shown in FIG. 2A, a transistor including a gate electrode 13 having a gate oxide film 12 and a source / drain region 14 is formed on a silicon substrate 11, and then the transistor is formed. An interlayer insulating film 15 is formed on the entire surface of the silicon substrate 11 to cover the gap. Subsequently, a portion of the interlayer insulating layer 15 is selectively etched to form a contact hole exposing the source / drain region 14, and a conductive film, for example, a polysilicon film is embedded in the contact hole to form a plug for a capacitor. 16).
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 선택적 에픽택셜 성장(Selective Epitaxial Growth) 공정을 통해 캐패시터용 플러그(16) 및 층간절연막(15) 상에 실리콘 단결정층(17)을 소정 두께로 성장시킨다.Next, as shown in FIG. 2B, the silicon single crystal layer 17 is grown to a predetermined thickness on the capacitor plug 16 and the interlayer insulating layer 15 through a selective epitaxial growth process.
그 다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 단결정층(17)을 전기화학적(electrochemical)으로 식각하여 그 표면에 수 ㎚ 내지 수천 ㎚의 직경을 갖는 수 개의 홈(孔 : 18)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 2C, the silicon single crystal layer 17 is electrochemically etched to form several grooves 18 having a diameter of several nm to several thousand nm on the surface thereof. .
여기서, 상기 실리콘 단결정층(17)에 대한 전기화학적 식각은 상기 실리콘 단결정층(17)이 형성된 결과물을 HF와 에탄올이 1:1의 부피비로 혼합된 용액이 담겨진 반응관 내에 침지(dipping)시킨 상태로 1∼5V 중 어느 하나의 전압을 일정하게 걸어주는 것에 의해 이루어지며, 단결정 실리콘에 대한 전기화학적 식각에 대해서는 『L.T canham, Appl. Lett 56, 1056 (1990)』에 자세하게 개시되어 있다.Here, the electrochemical etching of the silicon single crystal layer 17 is a state in which the resultant product of the silicon single crystal layer 17 is immersed in a reaction tube containing a solution in which HF and ethanol are mixed at a volume ratio of 1: 1. By applying a constant voltage of any one of 1 to 5V. For electrochemical etching of single crystal silicon, see LT canham, Appl. Lett 56, 1056 (1990).
다음으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 공지의 마스크 공정을 통해 단결정 실리콘층을 식각함으로써, 표면에 수 개의 홈들(18)을 갖는 캐패시터 하부 전극(20)을 형성한다. 그런다음, 상기 캐패시터 하부 전극(20) 상에 유전체막(21)과 캐패시터 상부 전극(22)을 차례로 형성하고, 이 결과로서, 본 발명에 따른 캐패시터(30)를 완성한다.Next, as shown in FIG. 2D, the single crystal silicon layer is etched through a known mask process to form a capacitor lower electrode 20 having several grooves 18 on the surface thereof. Then, the dielectric film 21 and the capacitor upper electrode 22 are sequentially formed on the capacitor lower electrode 20, and as a result, the capacitor 30 according to the present invention is completed.
상기와 같은 공정을 통해 형성되는 본 발명에 따른 캐패시터는 하부 전극용 물질로서 실리콘 단결정층을 형성하고, 이 실리콘 단결정층에 대한 전기화학적 식각을 수행하는 것만으로 표면적이 극대화된 캐패시터 하부 전극을 형성할 수 있다.The capacitor according to the present invention, which is formed through the above process, forms a silicon single crystal layer as a material for the lower electrode, and forms a capacitor lower electrode having a maximum surface area only by performing electrochemical etching on the silicon single crystal layer. Can be.
따라서, 본 발명의 방법을 이용하게 되면, 캐패시터 형성 면적이 감소됨에도 불구하고, 작은 부피에도 원하는 정도의 고용량을 확보할 수 있게 되며, 특히, 공정 상의 제어가 용이하기 때문에 공정 신뢰성도 확보할 수 있게 된다.Therefore, by using the method of the present invention, despite the reduction in the capacitor formation area, it is possible to ensure a high capacity of the desired degree even in a small volume, in particular, it is possible to ensure the process reliability because of easy control in the process do.
한편, 다공성의 표면을 갖는 캐패시터 하부 전극을 형성함에 있어서, 전기화학적 식각은 실리콘 단결정층에서만 가능하므로, 캐패시터 하부 전극용 물질로서 실리콘 단결정층의 이용은 반듯이 수반되어야 한다On the other hand, in forming the capacitor lower electrode having a porous surface, since electrochemical etching is possible only in the silicon single crystal layer, the use of the silicon single crystal layer as the material for the capacitor lower electrode must be accompanied.
이상에서와 같이, 본 발명은 실리콘 단결정층에 대한 전기화학적 식각을 통해 표면적이 극대화된 캐패시터 하부 전극을 형성하기 때문에 캐패시터 형성 면적의 감소에도 불구하고, 매우 용이하게 고용량의 캐패시터를 형성할 수 있다. 또한, 공정 상의 제어가 용이하기 때문에 공정 상의 신뢰성 및 재현성을 높일 수 있다.As described above, the present invention forms a capacitor lower electrode having a maximum surface area through the electrochemical etching of the silicon single crystal layer, so that a capacitor having a high capacity can be formed very easily despite the reduction of the capacitor formation area. In addition, since the process control is easy, process reliability and reproducibility can be improved.
결국, 본 발명의 방법을 이용하면, 고용량의 메모리 소자를 매우 용이하고,신뢰성 있게 제조할 수 있다.As a result, by using the method of the present invention, a high capacity memory device can be manufactured very easily and reliably.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.In addition, this invention can be implemented in various changes within the range which does not deviate from the summary.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100717476B1 (en) * | 2005-10-13 | 2007-05-14 | 엘지전자 주식회사 | A hinge apparatus for Kim-chi refrigerator |
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2001
- 2001-06-23 KR KR1020010036098A patent/KR20030000356A/en not_active Application Discontinuation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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