KR20060019491A - Methods of fabricating a mim capacitor employing a metal nitride layer as a lower electrode - Google Patents
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Abstract
금속 질화막을 하부전극으로 채택하는 엠아이엠 캐패시터 제조 방법들을 제공한다. 상기 방법들은 반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 것을 구비한다. 상기 절연막 상에 금속 소스 가스 및 질화 가스를 공급하여 금속 질화물을 증착한다. 상기 금속 질화물 상에 질소를 함유하는 플러싱 가스를 공급하여 질화 반응(nitridation) 을 강화시킨다(enhance). 상기 금속 소스 가스 및 상기 질화 가스의 공급과 아울러서 상기 플러싱 가스의 공급을 적어도 1회 번갈아가면서 반복적으로 수행하여 금속 질화막을 형성한다.Provided are a method of fabricating an M capacitor using a metal nitride film as a lower electrode. The methods include forming an insulating film on a semiconductor substrate. A metal source gas and a nitride gas are supplied onto the insulating film to deposit metal nitride. A nitrogen-containing flushing gas is supplied onto the metal nitride to enhance nitriding. In addition to the supply of the metal source gas and the nitride gas, the supply of the flushing gas is repeatedly performed alternately at least once to form a metal nitride film.
질화 플러싱, 몰딩막, 하부 전극, 습식 식각, SFD, CVDNitriding Flushing, Molding Film, Lower Electrode, Wet Etching, SFD, CVD
Description
도 1a 내지 도 1f는 본 발명에 의한 엠아이엠 캐패시터 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다. 1A through 1F are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing an M capacitor according to the present invention.
도 2는 본 발명에 의한 엠아이엠 캐패시터의 하부 전극을 형성하는 방법을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다. 2 is a timing diagram illustrating a method of forming a lower electrode of an M capacitor according to the present invention.
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엠아이엠 캐패시터의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing an IC capacitor.
일반적으로 반도체 메모리 소자, 특히 디램(DRAM;Dynamic Random Access Memory)은 단위 셀의 캐패시터에 데이터를 저장하는 메모리 장치이다. 즉, 상기 디램의 단위 셀은 직렬 연결된 하나의 억세스 트랜지스터 및 하나의 셀 캐패시터로 구성된다. In general, a semiconductor memory device, particularly a dynamic random access memory (DRAM), is a memory device that stores data in a capacitor of a unit cell. That is, the unit cell of the DRAM is composed of one access transistor and one cell capacitor connected in series.
상기 셀 캐패시터로 종래에는 MIS(Metal-insulator-silicon) 구조가 적용되 어 왔다. 상기 MIS 구조의 캐패시터는 하부전극인 스토리지 전극(storage electrode)으로서 폴리실리콘 전극이 사용된다. 그리고, 상부전극인 플레이트 전극(plate electrode)으로서 금속 전극이 사용된다. 상기 스토리지 전극과 상기 플레이트 전극 사이에 유전막이 배치된다. 그러나 상기 MIS 구조의 경우, 상기 폴리실리콘 전극과 유전막의 계면에서 산화 반응이 일어나 전기적인 특성을 변화시키는 단점이 있다. 또한, 금속 플레이트 전극에 인가되는 전압의 크기에 따라 상기 캐패시터는 불 균일한 정전 용량을 나타낸다. 예를 들어, 상기 폴리실리콘 스토리지 노드 전극이 n형 불순물로 도핑되고 상기 금속 플레이트 전극에 음의 전압이 인가되면, 상기 폴리실리콘 스토리지 노드 전극의 표면에 정공들이 유기된다. 즉 하부 전극의 표면에 공핍층(Depletion layer)이 형성될 수 있으며, 이러한 공핍층의 폭은 음 전압의 크기에 따라 변화한다. 이로 인하여 캐패시터의 정전 용량이 일정하지 않고 전극들에 인가되는 전압의 크기에 따라 변화된다. 결국, 상기 MIS 구조의 캐패시터는 정교한 특성이 요구되는 반도체 소자에는 부적합한 단점이 있다. As the cell capacitor, a metal-insulator-silicon (MIS) structure has been conventionally applied. As the capacitor of the MIS structure, a polysilicon electrode is used as a storage electrode which is a lower electrode. And a metal electrode is used as a plate electrode which is an upper electrode. A dielectric layer is disposed between the storage electrode and the plate electrode. However, in the case of the MIS structure, an oxidation reaction occurs at an interface between the polysilicon electrode and the dielectric layer, thereby changing electrical characteristics. In addition, depending on the magnitude of the voltage applied to the metal plate electrode, the capacitor exhibits an uneven capacitance. For example, when the polysilicon storage node electrode is doped with n-type impurities and a negative voltage is applied to the metal plate electrode, holes are induced on the surface of the polysilicon storage node electrode. That is, a depletion layer may be formed on the surface of the lower electrode, and the width of the depletion layer changes according to the magnitude of the negative voltage. As a result, the capacitance of the capacitor is not constant and changes depending on the magnitude of the voltage applied to the electrodes. As a result, the capacitor of the MIS structure is unsuitable for semiconductor devices requiring sophisticated characteristics.
또한, 디램 (DRAM) 소자의 디자인 룰 (design rule)이 감소되는 경우에, 제한된 면적 내에서 셀 용량(cell capacitance)을 증가시키기가 어렵다. 상기 셀 용량을 증가시키기 위하여 셀 커패시터의 높이(Height)를 증가시키는 방법과 유전막의 등가 산화막 두께(Toexq: Equivalent Oxide Thickness)를 감소시키는 방법이 있다. 상기 디자인 룰이 100nm 이하인 경우에, 상기 셀 커패시터의 높이를 2.0 μm 보다 크도록 증가시키는 데에 한계가 있을 수 있다. 따라서, 고집적 디램 (DRAM) 소자에 적합한 셀 커패시터를 구현하기 위해서는 상기 셀 커패시터의 유전막의 등 가 산화막 두께를 감소시키는 것이 요구된다. 종래의 MIS (Metal/Insulator/Polysilicon) 구조를 갖는 커패시터에 있어서, 약 20Å 보다 작은 등가 산화막 두께를 갖는 유전막을 형성하는 데에 한계가 있다.In addition, when the design rule of DRAM devices is reduced, it is difficult to increase cell capacitance within a limited area. In order to increase the cell capacity, there are a method of increasing the height of a cell capacitor and a method of reducing an equivalent oxide thickness (Toexq) of a dielectric film. If the design rule is 100 nm or less, there may be a limit to increasing the height of the cell capacitor to be larger than 2.0 μm. Therefore, in order to implement a cell capacitor suitable for a highly integrated DRAM (DRAM) device, it is required to reduce the equivalent oxide thickness of the dielectric film of the cell capacitor. In a capacitor having a conventional MIS (Metal / Insulator / Polysilicon) structure, there is a limitation in forming a dielectric film having an equivalent oxide film thickness of less than about 20 mW.
상술한 문제점들을 해결하기 위하여 최근에 상부 전극 및 하부 전극을 모두 금속층으로 형성하는 MIM 구조가 적용되고 있다. 특히, 상기 하부 전극을 타이타늄 질화막(TiN)으로 형성하는 기술이 상기 MIM 캐패시터에 적용되고 있다. 상기 타이타늄 질화막으로 형성된 하부 전극은 비저항이 작고 공핍층에 의한 기생 캐패시턴스 발생을 억제하기 때문에 전기적 신뢰성이 우수하다. 또한, 상기 타이타늄 질화막은 강한 내산화성(strong oxidation resistance)을 보이므로, 상기 타이타늄 질화막 상에 자연산화막(native oxide layer)의 형성이 억제될 수 있다. 따라서, 상기 타이타늄 질화막 상에 형성되는 유전막의 등가 산화막 두께 를 감소시키는 것이 용이할 수 있다. 이에 따라, 상기 MIM (Metal/Insulator/Metal) 커패시터에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있으며, 상기 하부전극으로서 상기 타이타늄 질화막 (TiN)이 널리 사용되고 있다.In order to solve the above-mentioned problems, a MIM structure in which both the upper electrode and the lower electrode are formed of a metal layer has recently been applied. In particular, a technique of forming the lower electrode with a titanium nitride film (TiN) has been applied to the MIM capacitor. The lower electrode formed of the titanium nitride film has a low specific resistance and excellent electrical reliability because it suppresses parasitic capacitance caused by the depletion layer. In addition, since the titanium nitride film has strong oxidation resistance, formation of a native oxide layer on the titanium nitride film can be suppressed. Therefore, it may be easy to reduce the equivalent oxide film thickness of the dielectric film formed on the titanium nitride film. Accordingly, research on the metal / insulator / metal (MIM) capacitor has been continuously conducted, and the titanium nitride film TiN is widely used as the lower electrode.
그런데, 상기 하부 전극 물질을 폴리 실리콘막 대신 타이타늄 질화막(TiN)으로 변경함에 따라 타이타늄 질화막 (TiN)으로 이루어진 하부 전극과 그 하부에 배치된 폴리실리콘 플러그 계면에서 콘택 저항이 증가하게 되어 소자의 동작 특성이 저하된다. 이러한 콘택 저항을 개선시키기 위해 오믹 콘택 층인 타이타늄 실리사이드막 (TiSi2)을 상기 폴리실리콘 플러그 상부면에 형성하는 방법이 적용되고 있다. However, as the lower electrode material is changed to a titanium nitride film (TiN) instead of a polysilicon film, contact resistance increases at a lower electrode made of a titanium nitride film (TiN) and a polysilicon plug interface disposed thereunder, thereby operating characteristics of the device. Is lowered. In order to improve such contact resistance, a method of forming a titanium silicide layer (TiSi2), which is an ohmic contact layer, on the upper surface of the polysilicon plug is applied.
상기 폴리실리콘 플러그 상부면에 타이타늄 실리사이드 층을 형성한 후에 금 속층으로 이루어진 하부 전극을 형성하는 방법이 한국 공개 특허 2002-84596호에 “캐패시터 제조 방법”이라는 제목으로 개시된바 있다.After forming a titanium silicide layer on the upper surface of the polysilicon plug, a method of forming a lower electrode made of a metal layer has been disclosed in Korean Patent Publication No. 2002-84596 entitled “Capacitor Manufacturing Method”.
상기 한국 공개 특허 2002-84596호에 개시된 바에 따르면, 층간 절연막을 관통하는 폴리실리콘 플러그를 갖는 기판 상에 식각 정지막 및 몰딩 절연막을 차례로 형성하고, 상기 몰딩 절연막 및 상기 식각 정지막을 패터닝하여 상기 폴리실리콘 플러그를 노출시키는 캐패시터 홀을 형성한다. 상기 캐패시터 홀을 갖는 기판의 전면 상에 타이타늄막을 형성함과 동시에 상기 폴리실리콘 플러그 표면에 타이타늄 실리사이드막을 형성한다. 상기 몰딩 절연막의 표면에 잔존하는 미반응된 타이타늄막을 제거하고, 상기 타이타늄 실리사이드막을 암모니아(NH3) 플라즈마에 노출시킨다. 그 결과, 상기 타이타늄 실리사이드막 표면에 질화된 타이타늄 실리사이드막(Ti-Si-N)이 형성된다. 상기 질화된 타이타늄 실리사이드막을 갖는 기판 상에 타이타늄 질화막 및 희생막을 차례로 형성한다. 상기 희생막 및 상기 타이타늄 질화막을 평탄화시키어 상기 캐패시터 홀 내에 타이타늄 질화막 패턴, 즉 하부 전극을 형성한다. 이어서, 상기 몰딩 절연막 및 상기 희생막을 제거하여 상기 하부 전극의 내측벽 및 외측벽을 노출시킨다. As disclosed in Korean Laid-Open Patent Publication No. 2002-84596, an etch stop film and a molding insulating film are sequentially formed on a substrate having a polysilicon plug penetrating an interlayer insulating film, and the patterned insulating film and the etch stop film are patterned to form the polysilicon. A capacitor hole is formed to expose the plug. A titanium film is formed on the entire surface of the substrate having the capacitor hole, and a titanium silicide film is formed on the surface of the polysilicon plug. The unreacted titanium film remaining on the surface of the molding insulating film is removed, and the titanium silicide film is exposed to ammonia (NH 3) plasma. As a result, a nitrided titanium silicide film (Ti-Si-N) is formed on the surface of the titanium silicide film. A titanium nitride film and a sacrificial film are sequentially formed on the substrate having the nitrided titanium silicide film. The sacrificial layer and the titanium nitride layer are planarized to form a titanium nitride layer pattern, that is, a lower electrode, in the capacitor hole. Subsequently, the molding insulating layer and the sacrificial layer are removed to expose the inner and outer walls of the lower electrode.
상기 한국 공개 특허 2002-84596호에 개시된 캐패시터 제조 방법에서, 상기 하부 전극의 내측벽 및 외측벽을 노출시키기 위하여 상기 몰딩 절연막 및 상기 희생막을 제거하는 동안 식각 용액이 상기 하부전극 및 상기 식각 정지막 (Etch stopper; Si3N4) 사이의 계면을 통해 침투하여 상기 층간 절연막이 추가로 식각될 수 있다. 그 결과, 상기 층간 절연막 내에 관통 홀(through hole)이 형성될 수 있 다. 결국, 상기 층간절연막 내의 관통홀은 결함(defect)으로 작용하여 반도체 소자의 수율을 저하시킬 수 있다.In the method of manufacturing a capacitor disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2002-84596, an etching solution is formed on the lower electrode and the etch stop layer while removing the molding insulating layer and the sacrificial layer to expose the inner and outer walls of the lower electrode. The interlayer insulating layer may be further etched by penetrating through an interface between a stopper (Si 3 N 4). As a result, through holes may be formed in the interlayer insulating film. As a result, the through-holes in the interlayer insulating film may act as defects to reduce the yield of the semiconductor device.
특히, 상기 타이타늄 질화막을 화학기상증착 (CVD; Chemical Vapor Deposition) 기술을 사용하여 형성하는 경우에, 생산성(Throughput)은 향상되나 상술한 바와 같이 상기 층간절연막 내에 관통홀이 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 화학기상증착 타이타늄 질화막(CVD-TiN)막은 사염화 타이타늄(TiCl4) 가스 및 암모니아(NH3) 가스의 지속적인 반응에 의해 형성되므로 상기 CVD-TiN막 내의 염소 함량(chlorine content)이 높을 수 있다. 이 경우에, 상기 염소 원자들은 상기 CVD-TiN막의 깨짐(Crack)을 유발시킬 수 있다.In particular, in the case where the titanium nitride film is formed by using a chemical vapor deposition (CVD) technique, the productivity is improved, but through holes may be formed in the interlayer insulating film as described above. In addition, since the chemical vapor deposition titanium nitride film (CVD-TiN) film is formed by the continuous reaction of titanium tetrachloride (TiCl 4) gas and ammonia (NH 3) gas, the chlorine content in the CVD-TiN film may be high. . In this case, the chlorine atoms may cause cracking of the CVD-TiN film.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 오믹 콘택층의 역할을 하는 금속 실리사이드막을 형성한 후에 잔류하는 미반응된 금속막을 완전히 질화시키어 상기 미반응된 타이타늄막에 의한 식각 결함의 생성을 방지할 수 있는 금속 질화막의 형성방법을 제공하는 데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to completely nitride the unreacted metal film remaining after forming the metal silicide film serving as the ohmic contact layer to prevent the formation of etching defects by the unreacted titanium film To provide a method of forming a.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 금속 질화막으로 형성된 전극 내의 염소 함량을 최소화시킬 수 있고 생산성을 향상시킬 수 있는 MIM 커패시터의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a MIM capacitor capable of minimizing chlorine content in an electrode formed of a metal nitride film and improving productivity.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양태는 금속 질화막의 형성방법을 제공한다. 상기 금속 질화막의 형성방법은 반도체 기판 상에 절연막을 형성 하는 것을 포함한다. 상기 절연막 상에 금속 소스 가스 및 질화 가스를 공급하여 금속 질화물(metal nitride)을 증착한다. 상기 금속 질화물 상에 질소를 함유하는 플러싱(flushing) 가스를 공급하여 질화 반응(nitridation)을 강화 (Enhancement) 시킨다. 계속해서, 상기 금속 소스 가스 및 상기 질화 가스의 공급과 아울러서 상기 플러싱 가스의 공급은 적어도 1회 번갈아가면서 반복적으로 수행된다. 그 결과, 상기 절연막 상에 순차적 흐름 증착(sequential flow deposition; SFD) 금속 질화막이 형성된다.One aspect of the present invention for solving the above technical problem provides a method of forming a metal nitride film. The method of forming the metal nitride film includes forming an insulating film on a semiconductor substrate. A metal source gas and a nitride gas are supplied onto the insulating layer to deposit metal nitride. A nitrogen-containing flushing gas is supplied onto the metal nitride to enhance nitriding. Subsequently, the supply of the flushing gas as well as the supply of the metal source gas and the nitriding gas are repeatedly performed alternately at least once. As a result, a sequential flow deposition (SFD) metal nitride film is formed on the insulating film.
본 발명의 몇몇 실시 예 들에서, 상기 금속 소스 가스는 타이타늄, 텅스텐 또는 탄탈륨을 함유하는 가스일 수 있다. 상기 타이타늄을 함유하는 가스는 사염화 타이타늄(TiCl4) 가스일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the metal source gas may be a gas containing titanium, tungsten or tantalum. The gas containing titanium may be titanium tetrachloride (TiCl 4) gas.
다른 실시예들에서, 상기 질화 가스는 질소 가스 또는 암모니아(NH3) 가스일 수 있다.In other embodiments, the nitriding gas may be nitrogen gas or ammonia (NH 3) gas.
또 다른 실시예들에서, 상기 플러싱 가스는 질소 가스 또는 암모니아(NH3) 가스일 수 있다.In still other embodiments, the flushing gas may be nitrogen gas or ammonia (NH 3) gas.
또 다른 실시예들에서, 상기 금속 질화물의 증착 후에 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스가 공급될 수 있다. 또한, 상기 질화 반응의 강화 후에 상기 반도체 기판 상에 퍼지 가스가 공급될 수 있다. 상기 퍼지 가스는 비활성 가스(inert gas)일 수 있다. 상기 비활성 가스는 질소 가스일 수 있다.In still other embodiments, a purge gas may be supplied onto the semiconductor substrate after deposition of the metal nitride. In addition, a purge gas may be supplied onto the semiconductor substrate after the nitriding reaction is enhanced. The purge gas may be an inert gas. The inert gas may be nitrogen gas.
또 다른 실시예들에서, 상기 순차적 흐름 증착(SFD) 금속 질화막 상에 화학기상증착(CVD) 금속 질화막이 추가로 형성될 수 있다. 상기 화학기상증착 금속 질 화막은 상기 플러싱 가스의 공급 없이 상기 금속 소스 가스 및 상기 질화 가스의 지속적인 반응에 의해 형성될 수 있다.본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 엠아이엠 캐패시터를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 반도체기판 상에 층간절연막을 형성하는 것과 상기 층간절연막을 관통하는 폴리실리콘 콘택 플러그를 형성하는 것을 포함한다. 상기 콘택 플러그 및 상기 층간절연막 상에 몰딩막을 형성하고, 상기 몰딩막을 패터닝하여 상기 콘택 플러그를 노출시키는 스토리지 노드홀을 형성한다. 상기 콘택 플러그 상부면에 오믹 콘택층을 형성한다. 상기 오믹 콘택층을 갖는 기판 상에 금속 소스 가스 및 질화 가스를 공급하여 금속 질화물을 증착한다. 상기 금속 질화물을 갖는 기판 상에 질소를 함유하는 플러싱 가스를 공급하여 상기 금속 질화물의 하부에 잔존하는 금속막의 질화 반응을 강화시킨다. 계속해서, 상기 금속 소스 가스 및 상기 질화 가스의 공급과 아울러서 상기 플러싱 가스의 공급은 적어도 1회 번갈아가면서 반복적으로 수행되어 금속 질화막으로 이루어진 하부전극막을 형성한다. 결과적으로, 상기 오믹 콘택층을 갖는 기판 상에 순차적 흐름 증착(sequential flow deposition; SFD) 금속 질화막이 형성된다.In still other embodiments, a chemical vapor deposition (CVD) metal nitride layer may be further formed on the sequential flow deposition (SFD) metal nitride layer. The chemical vapor deposition metal nitride film may be formed by the continuous reaction of the metal source gas and the nitride gas without supply of the flushing gas. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an IC capacitor do. The method includes forming an interlayer insulating film on a semiconductor substrate and forming a polysilicon contact plug penetrating the interlayer insulating film. A molding layer is formed on the contact plug and the interlayer insulating layer, and the molding layer is patterned to form a storage node hole exposing the contact plug. An ohmic contact layer is formed on an upper surface of the contact plug. The metal nitride is deposited by supplying a metal source gas and a nitride gas on the substrate having the ohmic contact layer. A flushing gas containing nitrogen is supplied onto the substrate having the metal nitride to strengthen the nitriding reaction of the metal film remaining under the metal nitride. Subsequently, the supply of the flushing gas as well as the supply of the metal source gas and the nitride gas are repeatedly performed at least once alternately to form a lower electrode film made of a metal nitride film. As a result, a sequential flow deposition (SFD) metal nitride film is formed on the substrate having the ohmic contact layer.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 오믹 콘택층을 형성하는 것은 상기 스토리지 노드홀을 갖는 기판 상에 금속막을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 상기 금속막을 증착하는 동안 상기 콘택 플러그는 상기 금속막과 반응하여 금속 실리사이드막을 형성할 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, forming the ohmic contact layer may include depositing a metal film on the substrate having the storage node hole. During the deposition of the metal layer, the contact plug may react with the metal layer to form a metal silicide layer.
다른 실시예들에서, 상기 금속 소스 가스는 타이타늄, 텅스텐 또는 탄탈륨을 함유하는 가스일 수 있다. 상기 타이타늄을 함유하는 가스는 사염화 타이타늄 (TiCl4) 가스이고, 상기 질화 가스는 암모니아(NH3) 가스 또는 질소 가스일 수 있다. 이 경우에, 상기 금속 질화물은 타이타늄 질화물일 수 있다. 상기 타이타늄 질화물은 150~350Å의 두께로 증착될 수 있다. In other embodiments, the metal source gas may be a gas containing titanium, tungsten or tantalum. The titanium-containing gas may be titanium tetrachloride (TiCl 4) gas, and the nitriding gas may be ammonia (NH 3) gas or nitrogen gas. In this case, the metal nitride may be titanium nitride. The titanium nitride may be deposited to a thickness of 150 ~ 350Å.
또 다른 실시예들에서, 상기 플러싱(Flushing) 가스는 NH3 가스 또는 N2 가스일 수 있다.In still other embodiments, the flushing gas may be an NH 3 gas or an N 2 gas.
또 다른 실시예들에서, 상기 금속 소스 가스 및 상기 질화 가스의 공급 후에 퍼지 가스를 공급할 수 있다. 또한, 상기 플러싱 가스의 공급 후에 퍼지 가스를 공급할 수 있다. 상기 퍼지 가스는 질소 가스일 수 있다.In still other embodiments, a purge gas may be supplied after the supply of the metal source gas and the nitriding gas. In addition, a purge gas may be supplied after the supply of the flushing gas. The purge gas may be nitrogen gas.
또 다른 실시예들에서, 상기 순차적 흐름 증착(SFD) 금속 질화막 상에 화학기상증착(CVD) 금속 질화막이 추가로 형성될 수 있다. 상기 화학기상증착 금속 질화막은 상기 플러싱 가스의 공급 없이 상기 금속 소스 가스 및 상기 질화 가스의 지속적인 반응에 의해 형성될 수 있다.In still other embodiments, a chemical vapor deposition (CVD) metal nitride layer may be further formed on the sequential flow deposition (SFD) metal nitride layer. The chemical vapor deposition metal nitride film may be formed by continuous reaction of the metal source gas and the nitride gas without supply of the flushing gas.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the scope of the invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.
도1a 내지 도1f는 본 발명의 실시예들에 따라 엠아이엠 캐패시터를 갖는 반 도체소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이고, 도2는 본 발명에 의한 엠아이엠 캐패시터의 하부 전극을 형성하는 방법을 설명하기 위한 타이밍다이어그램이다. 1A to 1F are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having an M capacitor according to embodiments of the present invention, and FIG. 2 is a method of forming a lower electrode of an M capacitor according to the present invention. This is a timing diagram for explaining.
도1a를 참조하면, 반도체 기판(100)에 소자 분리막(미도시함)을 형성한다. 상기 소자 분리막(미도시함)은 통상의 STI(Shallow trench isolation) 공정으로 진행할 수 있다. 상기 소자 분리막(미도시함)에 의해 활성 영역이 한정된다. 상기 소자 분리막(미도시함)이 형성된 반도체 기판 상에 게이트 절연막(102) 및 게이트 도전막을 차례로 형성한다. 상기 게이트 도전막은 내화성 금속 폴리사이드막(refractory metal polycide layer)으로 형성할 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 게이트 도전막은 폴리실리콘막 및 텅스텐 실리사이드막을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다. 상기 게이트 도전막을 패터닝하여 게이트 전극(108)을 형성한다. 결과적으로, 상기 게이트 전극(108)은 차례로 적층된 폴리실리콘 패턴(104) 및 텅스텐 실리사이드 패턴(106)을 갖도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1A, an isolation layer (not shown) is formed on the
상기 게이트 전극(108)을 이온 주입 마스크로 사용하여 상기 활성영역 내로 불순물 이온들을 주입하여 저농도 불순물 영역들(110)을 형성한다. 상기 게이트 전극(108)의 측벽 상에 통상의 방법을 사용하여 절연막 스페이서(112)를 형성한다. 상기 절연막 스페이서(112) 및 상기 게이트 전극(108)을 이온 주입 마스크로 사용하여 상기 활성영역 내로 불순물 이온들을 주입하여 상기 저농도 불순물 영역(110)보다 높은 농도를 갖는 고농도 불순물 영역들(114)을 형성한다. 상기 저농도 불순물 영역(110) 및 고농도 불순물 영역(114)은 엘디디형의 소오스/드레인 영역들 (116)을 구성하고, 상기 소오스/드레인 영역들(116) 및 상기 게이트 전극(108)은 모스 트랜지스터를 구성한다. The impurity ions are implanted into the active region using the
도1b를 참조하면, 상기 소오스/드레인 영역들(116)을 갖는 기판 상에 층간 절연막(118)을 형성한다. 상기 층간 절연막(118)을 패터닝하여 상기 소오스/드레인 영역들(116)중 어느 하나를 노출시키는 콘택홀(120)을 형성한다. 상기 층간 절연막(118) 상에 상기 콘택홀(120)을 채우는 도전막을 형성한다. 상기 도전막을 화학 기계적 연마 공정 등을 사용하여 평탄화시키어 상기 층간 절연막(118) 상부면을 노출시킨다. 이에 따라, 상기 콘택홀(120) 내에 콘택 플러그(122)가 형성된다. 상기 콘택 플러그(122)는 폴리실리콘막으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 1B, an
상기 콘택 플러그(122) 및 상기 층간 절연막(118) 상에 식각 정지막(124)을 형성한다. 상기 식각 정지막(124)은 실리콘 산화질화막(SiON) 또는 실리콘질화막(SiN)으로 형성할 수 있다.An
도1c를 참조하면, 상기 식각 정지막(124) 상에 몰딩막(126)을 형성한다. 상기 몰딩막(126)은 상기 식각 정지막(124)에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 몰딩막(126)은 PE-TEOS(plasma enhanced tetraethylorthosilicate) 산화막, BPSG막 또는 PSG막과 같은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 몰딩막(126) 및 식각 정지막(124)을 패터닝하여 상기 콘택 플러그(122)를 노출시키는 스토리지 노드홀(128)을 형성한다.Referring to FIG. 1C, a
상기 스토리지 노드홀(128)을 갖는 기판 상에 타이타늄막을 형성한다. 상기 타이타늄막은 화학 기상 증착(CVD) 기술을 사용하여 약 85Å의 두께로 증착할 수 있다. 상기 타이타늄막을 증착하는 동안 상기 콘택 플러그(122)의 표면에 타이타늄 실리사이드막(130)이 형성될 수 있다. 상기 타이타늄 실리사이드막(130)은 상기 타이타늄막 및 상기 콘택 플러그(122)의 상호반응에 의해 형성된다. 상기 타이타늄 실리사이드막(130)은 상기 콘택 플러그(122) 및 후속 공정에서 형성되는 하부전극 사이의 콘택 저항을 개선시키는 오믹 콘택층의 역할을 한다. 상기 타이타늄 실리사이드막(130)은 상기 타이타늄막을 형성한 후에 암모니아 플라즈마(NH3 Plasma) 분위기 하에서 실시되는 열처리 공정에 의해 형성될 수도 있다. 상기 열처리 공정 동안 상기 몰딩막의 표면에 잔존하는 미반응된 타이타늄막이 질화될 수 있다.A titanium film is formed on the substrate having the
도1d를 참조하면, 상기 타이타늄 실리사이드막(130)을 갖는 반도체 기판 상에 하부전극막(152)을 형성한다. 상기 하부전극막(152)은 금속 질화막, 예를 들어 타이타늄 질화막, 탄탈륨 질화막 또는 텅스텐 질화막으로 형성할 수 있다. 상기 하부전극막(152)은 제1 하부 전극막(132) 및 제2 하부 전극막(151)을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다. 상기 제1 하부 전극막(132)은 순차적 흐름 증착(Sequential Flow Deposition; SFD) 기술을 사용하여 형성할 수 있고, 상기 제2 하부 전극막(151)은 화학기상증착 기술(CVD)을 사용하여 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 및 제2 하부 전극막들(132, 151)은 200~300Å의 전체 두께(total thickness)를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 하부 전극막(132)은 70~200Å의 두께로 형성될 수 있고, 상기 제2 하부 전극막(151) 역시 70~200Å의 두께로 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 하부전극막(152)은 상기 제1 하부 전극막(132) 만으로 형성할 수 있다. 즉, 상기 제2 하부 전극막(151)을 형성하는 공정은 생략될 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 하부 전극막(132)은 150~350Å의 두께로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1D, a
한편, 상기 제2 하부전극막(151)을 형성하기 위한 상기 화학기상증착 공정 은 상기 제1 하부전극막(132)을 형성하기 위한 상기 순차적 흐름 증착 공정이 진행되는 챔버 내에서 연속적으로 실시될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 하부전극막(132, 151)은 인시투 방식을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 하부전극막들(132, 151)은 동일 온도에서 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 제1 및 제2 하부전극막들(132, 151)은 서로 다른 두개의 챔버들(two different chambers) 내에서 각각 형성될 수도 있다. 그러나, 상기 제1 및 제2 하부전극막(132, 151)은 생산성(throughput) 관점에서 인시투 방식을 사용하여 형성되는 것이 바람직하다.상기 하부전극막(152)을 형성하기 전에, 상기 몰딩막(126)의 표면에 잔존하는 미반응된 금속막(예를 들면, 미반응된 타이타늄막)은 통상의 습식 식각 공정을 사용하여 제거될 수 있다. 상기 습식 식각 공정을 실시한 후에도 잔존하는 타이타늄막은 질소를 함유하는 가스를 사용하여 플라즈마 처리될 수도 있다. 상기 질소 플라즈마 공정은 NH3 가스 또는 N2 가스를 사용하여 80초 동안 진행될 수 있다.Meanwhile, the chemical vapor deposition process for forming the second lower electrode film 151 may be continuously performed in a chamber in which the sequential flow deposition process for forming the first
본 발명의 다른 실시예들에서, 상기 타이타늄 실리사이드막(130)을 형성하기 위한 타이타늄막 및 상기 하부 전극막(152)을 형성하기 위한 금속 질화막은 인시튜 공정을 사용하여 연속적으로 형성될 수도 있다.In other embodiments of the present invention, the titanium film for forming the
상기 제1 하부전극막(132)은 상기 순차적 흐름 증착(Sequential Flow Deposition; SFD) 기술을 사용하여 타이타늄 질화막으로 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 하부 전극막(132)을 형성하는 방법을 도 2의 타이밍 다이아그램을 참 조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.The first
먼저, 상기 타이타늄 실리사이드막(130)을 갖는 반도체 기판을 반응 챔버 내로 로딩한다. 상기 반도체 기판이 로딩된 반응 챔버 내로 제 1 시간(T1) 동안 금속 소스 가스와 질화 가스를 주입하여 상기 반도체 기판 상에 금속 질화물을 증착한다(제 1 단계). 상기 금속 소스 가스는 TiCl4를 사용하며 5~50sccm의 유량(flow rate)으로 공급한다. 상기 질화 가스 주입은 NH3 또는 N2 가스를 사용하여 실시할 수 있다. 이때, 상기 질화 가스는 10~50sccm의 유량으로 공급할 수 있다. 상기 금속 소스 가스 및 질화 가스가 주입되는 동안, 상기 반응 챔버의 내부는 1~5Torr의 압력 및 550~800℃의 온도를 유지할 수 있다. 이에 따라, 상기 스토리지 노드홀(128) 내벽 및 상기 몰딩막(126)의 상부면 상에 타이타늄 질화물(상기 금속 질화물)이 증착된다.First, a semiconductor substrate having the
이어서, 제 2 시간(T2) 동안 상기 반응 챔버 내부에 잔류하는 미반응 금속 소스 가스와 질화 가스를 퍼지시킬 수 있다(제 2 단계). 상기 퍼지 공정은 비활성 기체, 예를 들어 질소(N2) 가스를 사용하여 실시할 수 있다. Subsequently, the unreacted metal source gas and the nitride gas remaining in the reaction chamber for the second time T2 may be purged (second step). The purge process may be carried out using an inert gas, for example nitrogen (N 2) gas.
상기 퍼지 공정 후에 제3 시간(T3) 동안 상기 반응 챔버 내로 암모니아(NH3)와 같은 기체를 주입하여 질화 플러싱(Flushing) 공정을 실시한다(제 3 단계). 상기 질화 플러싱 공정은 적어도 5초 동안 실시하는 것이 바람직하다. 상기 질화 플러싱 공정시 상기 반응 챔버의 내부 온도는 500~650℃일 수 있다. 보통 상기 질화 플러싱 공정은 상기 제1단계의 공정과 동일한 온도에서 인시투 방식(In-situ manner)을 사용하여 진행될 수 있다.After the purge process, a gas such as ammonia (NH 3) is injected into the reaction chamber for a third time T3 to perform a nitriding flushing process (third step). The nitriding flushing process is preferably performed for at least 5 seconds. The internal temperature of the reaction chamber during the nitriding flushing process may be 500 ~ 650 ℃. Usually, the nitriding flushing process may be performed using an in-situ manner at the same temperature as that of the first step.
상기 타이타늄 실리사이드막(130)을 형성한 후에 상기 스토리지 노드홀(128)의 내벽에 미반응된 타이타늄막이 잔존할지라도, 상기 미반응된 타이타늄막은 상기 질화 플러싱 공정에 의해 질화될 수 있다. 상기 질화 플러싱 공정 후에, 제 4 시간(T4) 동안 상기 반응 챔버 내에 잔류하는 질화 기체를 퍼지시킬 수 있다(제 4 단계). Although the unreacted titanium film remains on the inner wall of the
상기 제1 내지 제 4 단계들로 이루어지는 단일 공정 싸이클(one process cycle)을 적어도 2회 이상 반복 실시한다. 이는 상기 타이타늄 질화막을 형성하는 동안 상기 질화 플러싱 공정을 반복적으로 실시함으로써 상기 스토리지 노드홀 내에 잔존하는 미반응된 타이타늄막을 완전히 질화시키기 위함이다. 상기 단일 공정 싸이클(one cycle)은 10초 동안 진행될 수 있다. 상기 단일 공정 싸이클 동안 상기 타이타늄 질화막은 20~25Å의 두께로 형성될 수 있다. 상기 퍼지 공정들(제2 및 제4 단계들)중 적어도 하나의 퍼지 공정은 상기 단일 공정 싸이클을 진행하는 동안 생략될 수도 있다.The one process cycle consisting of the first to fourth steps is repeated at least twice. This is to completely nitride the unreacted titanium film remaining in the storage node hole by repeatedly performing the nitriding flushing process while forming the titanium nitride film. The single process cycle may run for 10 seconds. During the single process cycle, the titanium nitride film may be formed to a thickness of 20 to 25 kPa. The purge process of at least one of the purge processes (second and fourth steps) may be omitted during the single process cycle.
결국, 상기 단일 공정 사이클을 여러 번 반복적으로 수행하여 적어도 상기 제1 하부 전극막(132)을 형성함으로써 상기 몰딩막 표면에 잔존하는 타이타늄막을 완전히 질화시킬 수 있다. 따라서, 후속 공정에서 몰딩막 및 희생막을 제거하는 동안 습식 식각용액에 의한 식각 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이에 더하여, 적어도 상기 제1 하부 전극막(132)이 상기 순차적 흐름 증착 기술을 사용하여 형성되는 경우에, 상기 제1 하부 전극막(132)을 포함하는 상기 하부전극막(152) 내의 염소 함량을 최소화시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 하부 전극막(152)이 깨지는 (crack) 것을 방지할 수 있다.As a result, at least the first
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 제1 하부전극막(132)은 원자층 증착 기술을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 원자층 증착 기술을 사용하여 상기 제1 하부전극막(132)을 형성하는 동안 상기 질화 플러싱 공정이 적어도 2회 반복적으로 실시된다. In another embodiment of the present invention, the first
상기 제2 하부 전극막(151)을 형성하기 위한 상기 화학기상증착 공정은 상기 플러싱 가스의 사용 없이 상기 금속 소스 가스 및 상기 질화 가스의 지속적인 반응에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 상기 하부 전극막(152)이 상기 제1 및 제2 하부 전극막들(132, 151)을 차례로 적층시킴으로써 형성되면, 상기 하부 전극막(152)이 상기 제1 하부 전극막(132) 만으로 형성되는 경우에 비하여 생산성이 향상될 수 있다.The chemical vapor deposition process for forming the second lower electrode layer 151 may be formed by continuous reaction of the metal source gas and the nitride gas without using the flushing gas. Therefore, when the
상술한 실시예들에 따르면, 상기 하부전극막(금속 질화막; 152)을 형성하는 동안 상기 질화 플러싱 공정이 적어도 2회 반복적으로 실시된다. 따라서, 상기 스토리지 노드홀(128) 내에 잔존하는 타이타늄막을 효율적으로 질화시킬 수 있다.According to the embodiments described above, the nitride flushing process is repeatedly performed at least twice while the lower electrode film (metal nitride film) 152 is formed. Therefore, the titanium film remaining in the
도1d를 다시 참조하면, 상기 하부전극막(152) 상에 상기 스토리지 노드홀(128)을 채우는 희생막(133)을 형성한다. 상기 희생막(133)은 상기 몰딩막(126)과 동일한 물질막으로 형성할 수 있다.Referring back to FIG. 1D, a
도1e를 참조하면, 상기 희생막(133) 및 하부전극막(152)을 화학 기계적 연마 공정 또는 건식 에치백 공정을 사용하여 평탄화시키어 상기 몰딩막(126)의 상부면을 노출시킨다. 그 결과, 상기 스토리지 노드홀(128) 내에 격리된 스토리지 노드, 즉 하부 전극(152a)이 형성된다. 또한, 상기 하부전극(152a)에 의해 둘러싸여진 공간 내에 희생막 패턴(도시하지 않음)이 잔존할 수 있다.Referring to FIG. 1E, the
상기 하부전극막(152)이 상기 제1 및 제2 하부전극막들(132, 151)을 차례로 적층시키어 형성되는 경우에, 상기 하부전극(152a)은 제1 하부전극(132a) 및 상기 제1 하부전극(132a)의 내벽을 덮는 제2 하부전극(151a)을 구비하도록 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 제2 하부전극막(151)을 형성하는 공정이 생략되는 경우에, 상기 하부전극(152a)은 상기 제1 하부전극(132a) 만을 갖도록 형성될 수 있다.When the
상기 하부 전극(152a)을 형성한 후에 상기 몰딩막(126) 및 상기 희생막 패턴을 제거하여 상기 하부전극(152a)의 내벽(inner wall) 및 외측벽(outer sidewall)을 노출시킨다. 상기 몰딩막(126) 및 상기 희생막 패턴은 불산 용액과 같은 습식 식각용액을 사용하여 제거될 수 있다. 상기 몰딩막(126)을 제거하는 동안 상기 습식 식각용액은 상기 층간 절연막(118) 내로 침투되지 않을 수 있다. 이는 상기 제1 하부전극(132a) 및 상기 식각 정지막(124) 사이의 계면에 어떠한 타이타늄막도 존재하지 않기 때문이다. 따라서, 상기 층간 절연막(118) 내에 식각 결함이 형성되는 것을 방지할 수 있다.After the
도1f를 참조하면, 상기 몰딩막(126)이 제거된 반도체기판 상에 상기 하부전극(152a)의 표면을 덮는 유전막(134) 및 상부전극(136)을 차례로 형성한다. 상기 유전막(134)을 형성하기 전에, 상기 식각 정지막(124)을 선택적으로 제거할 수 있다. 상기 유전막(134)은 하프니움 산화막(HfO2), 알루미늄 산화막(Al2O3), 탄탈륨 산화막(Ta3O5), 란탄늄 산화막(La2O3) 또는 지르코늄 산화막(ZrO2)과 같은 고유전 막으로 형성할 수 있다. 상기 유전막(134)의 특성을 향상시키기 위해 상기 유전막(134)을 열처리하거나 또는 플라즈마 처리를 행할수 도 있다. 상기 상부 전극(136)은 타이타늄막, 텅스텐막, 탄탈륨막, 타이타늄 질화막, 텅스텐 질화막 또는 탄탈륨 질화막과 같은 금속막으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 1F, a
상술한 본 발명에 따르면, 몰딩막을 관통하는 스토리지 노드홀의 내벽을 덮는 하부 전극막으로서 금속 질화막을 형성하는 동안 적어도 2회의 질화 플러싱 단계가 반복적으로 진행된다. 그 결과, 상기 스토리지 노드홀 내에 미반응된 금속막이 잔존할지라도 상기 미반응된 금속막은 상기 질화 플러싱 단계 동안 완전히 질화될 수 있다. 이에 따라, 상기 몰딩막을 습식 식각용액을 사용하여 제거하는 동안 상기 습식 식각용액이 상기 하부전극 및 상기 식각정지막 사이의 계면을 통하여 상기 층간절연막 내부로 침투하는 것을 방지할 수 있다.According to the present invention described above, at least two nitriding flushing steps are repeatedly performed during the formation of the metal nitride film as the lower electrode film covering the inner wall of the storage node hole passing through the molding film. As a result, even though an unreacted metal film remains in the storage node hole, the unreacted metal film can be completely nitrided during the nitriding flushing step. Accordingly, while the molding layer is removed using the wet etching solution, the wet etching solution may be prevented from penetrating into the interlayer insulating layer through an interface between the lower electrode and the etching stop layer.
이에 더하여, 본 발명에 따르면, 하부전극막이 적어도 순차적 흐름 증착 공정 및 화학기상증착 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 하부전극막이 깨지는(crack) 것을 방지할 수 있고, 상기 하부전극을 구비하는 반도체소자의 생산성 또한 향상시킬 수 있다. In addition, according to the present invention, the lower electrode film can be formed using at least a sequential flow deposition process and a chemical vapor deposition process. As a result, cracking of the lower electrode layer can be prevented and productivity of the semiconductor device including the lower electrode can be improved.
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KR20110000290A (en) * | 2009-06-26 | 2011-01-03 | 삼성전자주식회사 | Method of manufacturing semiconductor device |
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