KR20060031991A

KR20060031991A - 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법

Info

Publication number: KR20060031991A
Application number: KR1020040080991A
Authority: KR
Inventors: 서원준
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2004-10-11
Filing date: 2004-10-11
Publication date: 2006-04-14

Abstract

본 발명은 스토리지노드 산화막 식각 마스크가 하부 구조와 오정렬이 나더라도, 실린더 형성을 위한 습식 식각시 습식 식각 케미컬이 하부 산화막과 접촉할 수 없는 구조를 갖도록하여 스토리지노드 벙커를 방지하는데 적합한 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 반도체 기판 상부에 랜딩플러그를 형성하는 단계; 상기 랜딩플러그를 포함하는 전체 구조 상에 질화물의 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 질화물을 식각하여 스토리지노드 콘택플러그 표면을 개방시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 상기 콘택홀의 내부에 스토리지노드 콘택플러그를 형성하는 단계; 상기 콘택플러그를 포함하는 전체 구조 상에 스토리지노드 산화물을 형성하는 단계; 상기 스토리지노드 산화물을 선택적으로 식각하여 상기 콘택플러그를 노출시키는 스토리지노드홀을 형성하는 단계; 상기 스토리지노드홀 내부에 스토리지노드용 도전층을 형성하는 단계; 및 습식 케미컬에 의해 상기 스토리지노드 산화물을 제거하는 단계를 포함한다.

MIM 실린더형 캐패시터, 스토리지노드 벙커, 하부 전극, 질화막

Description

반도체 소자의 캐패시터 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING CAPACITOR IN SEMICONDUCTOR DEVICE}

도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 도시한 공정 단면도와 TEM 사진,

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 도시한 공정 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

21 : 반도체 기판 22 : 층간절연막

23 : 랜딩플러그 24 : 층간절연막

25 : 스토리지노드콘택플러그 26 : 전도막

27 : 식각중지막 28 : 스토리지노드산화막

29 : 스토리지노드마스크 30 : 스토리지노드홀

31 : 스토리지노드

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 캐패시터 하부막 손상을 방지하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 DRAM이 고집적화됨에 따라 캐패시터의 타입도 콘케이브(Concave)형 캐패시터에서 실린더(Cylinder)형 캐패시터로 바뀌고 있다. 이는 캐패시터의 디멘젼(Demension)이 작아짐에 따라 캐패시터 용량이 작아지기 때문에 이를 보상하기 위한 변화이다.

또한, 고용량 캐패시터 구현을 위해 MIM(Metal-Insulator-Metal) 실린더형 캐패시터를 사용한다. MIM 실린더형 캐패시터는 비저항이 작고 공핍(Deplection)에 의한 기생 캐패시턴스가 없기 때문에, 고성능 반도체 장치에 주로 이용한다.

도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 도시한 공정 단면도와 TEM 사진이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(11) 상부에 층간절연막(12)을 형성한 후, 층간절연막(12)을 관통하여 반도체 기판(11)의 일부와 연결되는 랜딩플러그(13)를 형성한다. 이 때, 랜딩플러그(13)는 폴리실리콘플러그이다. 이어서, 랜딩플러그콘택플러그(13)를 포함하는 반도체 기판 전면에 스토리지노드플러그(15) 형성을 위한 층간절연막(14)을 증착한다. 이 때의 층간절연막은 산화물이다. 스토리지노드콘택플러그(15) 형성 이전에 소자분리, 워드라인 및 비트라인 등의 DRAM 구성에 필요한 공정이 진행된다.

다음으로, 스토리지노드콘택플러그(15) 상부에 식각정지막(16)과 스토리지노드산화막(17)을 적층하여 형성한다. 여기서, 스토리지노드산화막(17)은 실린더 구조의 스토리지노드가 형성될 홀을 제공하기 위한 산화막이고, 식각정지막(16)은 스토리지노드산화막(17) 식각시 하부구조물이 식각되는 것을 방지하기 위한 식각베리어 역할을 한다.

계속해서, 스토리지노드산화막(17)과 식각정지막(16)을 순차적으로 식각하여 스토리지노드콘택플러그(15) 상부를 개방시키는 스토리지노드홀을 형성한다. 이어서, 스토리지노드홀 아래에 노출된 스토리지노드콘택플러그(15) 표면에 접촉하도록, 스토리지노드홀의 내부에 실린더 구조를 갖는 스토리지노드(18)를 형성한다.

이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 스토리지노드 산화막(17)을 습식 딥아웃하여 스토리지노드(18)의 내벽 및 외벽을 모두 드러낸다. 습식 딥아웃은 불산 용액(HF)을 이용하여 진행하는데, 이 때, 산화물인 층간절연막(14)으로 습식 케미컬이 침투하여 스토리지노드 벙커(19)가 발생한다.

도 1c는 습식 케미컬에 의해 하부 산화막의 어택(이하 SN Bunker) 이 발생한 TEM 사진으로, 습식 케미컬에 의해 산화물인 층간절연막(12, 14)이 손상되어 스토리지노드 벙커를 발생시킨 상태를 보여준다.

상술한 바와 같이, 종래 기술은 MIM 실린더형 캐패시터를 형성하기 위한 캐패시터 산화막 습식 식각시 하부 층간절연막 손상을 가져오는 문제가 발생한다. 이러한 손상은 셀 내에서만 국한되면 사이즈가 큰 멀티-비트-페일(Multi-Bit-Fail)이 발생하며, 코어(Core)나 페리(Peri)에 걸쳐서 나타나면 M1C 끼리의 DC 페일의 원인 이 된다.

한편, 스토리지노드 벙커가 발생되는 원인은 다음과 같다. 캐패시터 하부 전극을 형성하기 위한 스토리지노드(Storage Node) 산화막 식각마스크(Etch Mask)와 하부 플러그간의 오정렬(Miss Align)과 캐패시터 하부 메탈 전극의 문제에 의해 발생한다. 스토리지노드 마스크와 하부 플러그 간의 오정렬이 발생하면 캐패시터 하부 메탈이 습식 식각시 식각 장벽층으로 그 역할을 해주어야 문제가 발생하지 않으나, 초미세 패턴과 고종횡비율(High Aspect Ratio)의 콘택 하부에 메탈 전극의 균열이나 스텝 커버리지(Step Coverage) 문제에 의한 국부적인 증착 불량, 기타 디펙트에 의한 증착 불량이 발생하면 하부 산화막과의 습식 케미컬 통로(Path)를 형성하여 하부 산화막(14)의 손상을 가져온다.

결국, 마스크 공정을 진행하다보면 이러한 오정렬은 불가피하게 발생하며, 특히 양산 공정에서는 더욱 발생 빈도가 높아 마스크 정정렬만으로 이러한 문제를 해결하기는 힘들다. 따라서, 이를 개선하기 위해서는 오정렬이 발생해도 층간절연막 손상에 의한 벙커 발생이 없는 구조의 셋업(Setup)이 필수적이다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 스토리지노드 산화막 식각 마스크가 하부 구조와 오정렬이 나더라도, 실린더 형성을 위한 습식 식각시 습식 식각 케미컬이 하부 산화막과 접촉할 수 없는 구조를 갖도록하여 스토리지노드 벙커를 방지하는데 적합한 반도체 소자 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법은 반도체 기판 상부에 랜딩플러그를 형성하는 단계, 상기 랜딩플러그를 포함하는 전체 구조 상에 질화물의 층간절연막을 형성하는 단계, 상기 질화물을 식각하여 스토리지노드 콘택플러그 표면을 개방시키는 콘택홀을 형성하는 단계, 상기 콘택홀의 내부에 스토리지노드 콘택플러그를 형성하는 단계, 상기 콘택플러그를 포함하는 전체 구조 상에 스토리지노드 산화물을 형성하는 단계, 상기 스토리지노드 산화물을 선택적으로 식각하여 상기 콘택플러그를 노출시키는 스토리지노드홀을 형성하는 단계, 상기 스토리지노드홀 내부에 스토리지노드용 도전층을 형성하는 단계; 및 습식 케미컬에 의해 상기 스토리지노드 산화물을 제거하는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(21) 상부에 층간절연막(22)을 형성한다. 이어서, 랜딩플러그 공정을 진행하여, 랜딩플러그(23)를 형성한다. 이어서, 랜딩플러그(23)를 포함하는 반도체 기판(21) 전면에 스토리지노드콘택플러그를 형성하기 위한 층간절연막(24)을 증착한다. 이 때, 층간절연막(24)은 산화막 대신 후속 공정에서 진행될 스토리지노드 산화막 습식 식각시 습식 케미컬에 대한 손실을 방지하기 위한 식각장벽층으로 작용할 수 있도록 질화막을 사용한다. 질화막 이외에도 스토리지노드 산화막과 식각선택비가 큰 절연 물질을 사용할 수 있다. 이어서, 층간절연막(24) 상부에 층간절연막(24)을 관통하여 반도체 기판(21)의 일부와 연결되는 스토리지노드콘택플러그를 형성하기 위한 콘택마스크(25)를 증착한다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 콘택마스크(25)를 이용하여 층간절연막(24)을 식각하여 스토리지노드홀을 형성한다. 콘택마스크(25)를 제거하고, 스토리지노드콘택플러그를 포함하는 반도체 기판(21) 전면에 도전체 물질인 폴리실리콘막(26)을 증착한다. 이 때, 도전체 물질로 티타늄실리사이드(Ti-silicide), 백금(Pt), 티타늄(Ti) 또는 텅스텐(W)을 사용할 수 있다.

계속해서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 폴리실리콘막(26) 증착 후, 마스크 없는 블랭킷 식각(Blanket Etch) 혹은 CMP 공정을 통해 층간절연막(24a)이 노출될 정도로 폴리실리콘막(26a)을 평탄화시켜 콘택플러그를 형성한다.

이어서, 플러그(26a) 상부에 식각정지막(27)과 스토리지노드산화막(28)을 적층하여 형성한다. 여기서 스토리지노드산화막(28)은 실린더 구조의 스토리지노드가 형성될 홀을 제공하기 위한 산화막이고, 식각정지막(27)은 스토리지노드산화막 식각시 하부구조물이 식각되는 것을 방지하기 위한 식각베리어 역할을 한다. 바람직 하게, 식각정지막(27)은 저압화학기상증착방식(LPCVD)의 실리콘질화막(Si₃N₄)으로 형성하며, 그 두께는 500Å∼1500Å이고, 스토리지노드산화막(28)은 PSG, BPSG, USG, TEOS 또는 HDP 산화막으로 형성한다.

계속해서, 스토리지노드산화막(28) 상부에, 스토리지노드홀을 형성하기 위한 스토리지노드 마스크(29)를 증착한다.

도 2d에 도시된 바와 같이, 형성된 스토리지노드 마스크(29)를 이용하여 스토리지노드산화막(28)과 식각정지막(27)을 순차적으로 식각하여 스토리지노드콘택플러그(26b) 상부를 개방시키는 스토리지노드홀(30)을 형성한다. 이 때, 스토리지노드홀(30)은 스토리지노드콘택플러그(26b)의 상부를 식각할 정도의 깊이로 형성한다. 스토리지노드홀 (30)을 형성하고나서, 스토리지노드 마스크(29)를 제거한다. 형성된 콘택은 질화물(24b, 27a)과 플러그(26b)에 둘러싸여있고, 산화막(22)과는 절대 접촉할 수 없다.

도 2e에 도시된 바와 같이, 스토리지노드홀(30) 아래에 노출된 스토리지노드콘택플러그(26b) 표면에 하부 전극인 스토리지노드(31)로 사용하는 금속 물질을 형성한다. 이 때, 금속 물질(31)은 티타늄실리사이드(Ti-silicide), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨실리사이드(Ta-silicide) 또는 니켈실리사이드(Ni-Silicide)에서 선택된 어느 한 금속 물질을 사용한다. 금속 물질(31)을 증착한 후, 식각 혹은 CMP를 통하여 스토리지노드 분리(Isolation)를 완성한다.

스토리지노드 분리 공정은 스토리지노드홀(30)을 제외한 스토리지노드산화막 (28a) 표면 상부에 형성된 금속 물질을 CMP 또는 에치백으로 제거하여 실린더형 스토리지노드(31)를 형성하는 것이다. 여기서 CMP 또는 에치백 공정시에 연마재나 식각된 입자 등의 불순물이 실린더형 스토리지노드(31) 내부에 부착되는 등의 우려가 있으므로, 스텝커버리지 특성이 좋은 산화막으로 스토리지노드홀(30)의 내부를 모두 채운 후에, 스토리지노드산화막(28a)이 노출될 때까지 연마 또는 에치백을 수행하고 산화막을 제거한다. 이 때, 스토리지노드 분리 공정을 진행할 때, 캐패시터 내부의 하부 전극을 보호하기 위하여, 분리 공정 전에 USG, TEOS, SOG, PSG, BPSG 의 그룹에서 선택되는 산화막을 도포한다.

계속해서, 도 2f에 도시된 바와 같이, 스토리지노드산화막(28a)을 선택적으로 습식 식각하여 스토리지노드(31)의 내벽 및 외벽을 모두 드러낸다.

이 때, 습식 식각 공정은 주로 불산(HF) 용액 또는 BOE 용액을 이용하여 진행하는데, 산화막으로 형성한 스토리지노드산화막(28a)이 불산 용액에 의해 식각된다. 한편 스토리지노드산화막(28a) 아래의 식각정지막(27)은 산화막의 습식 식각시 선택비를 갖는 실리콘질화막으로 형성하였고, 또한, 층간절연막(24) 역시 질화물이므로, 습식 케미컬이 금속 물질로 형성된 하부 전극을 통하여 침투하더라도, 산화물과 만날 수 없기 때문에 스토리지노드 벙커 디펙트가 생길 수 없다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은 종래 기술을 이용하여 공정 단계의 증가 없이 스토리지노드 벙커를 방지하여 수율 증대 및 신뢰성을 확보하는 효과가 있다.

Claims

반도체 기판 상부에 랜딩플러그를 형성하는 단계;

상기 랜딩플러그를 포함하는 전체 구조 상에 질화물의 층간절연막을 형성하는 단계;

상기 질화물을 식각하여 스토리지노드 콘택플러그 표면을 개방시키는 콘택홀을 형성하는 단계;

상기 콘택홀의 내부에 스토리지노드 콘택플러그를 형성하는 단계;

상기 콘택플러그를 포함하는 전체 구조 상에 스토리지노드 산화물을 형성하는 단계;

상기 스토리지노드 산화물을 선택적으로 식각하여 상기 콘택플러그를 노출시키는 스토리지노드홀을 형성하는 단계;

상기 스토리지노드홀 내부에 스토리지노드용 도전층을 형성하는 단계; 및

습식 케미컬에 의해 상기 스토리지노드 산화물을 제거하는 단계

를 포함하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 스토리지노드용 도전층은 TiN, 폴리실리콘, Pt, Ti, W, 탄탈늄실리사이드, 니켈실리사이드의 그룹에서 선택된 어느 하나인 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 습식 케미컬은 불산 케미컬 또는 BOE 케미컬인 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 스토리지노드콘택플러그는 폴리실리콘, 티타늄실리사이드, Pt, Ti, W의 그룹에서 선택된 어느 하나인 물질을 사용하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 스토리지노드 산화물은 PSG, BPSG, USG, TEOS 의 그룹에서 선택되는 어느 하나인 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.