KR20060039651A - 반도체 소자의 캐패시터 형성방법 - Google Patents

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박기선
송한상
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주식회사 하이닉스반도체
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Abstract

본 발명은 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 관한 것이다. 이 방법은, 도전 플러그가 구비된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 상기 도전 플러그를 노출시키는 콘택홀을 갖는 캡산화막을 형성하는 단계; 결과물의 전면에 스토리지 노드 전극용 도전막을 형성하는 단계; 상기 스토리지 노드 전극용 도전막 상에 감광막을 도포하여 상기 콘택홀을 매립시키는 단계; 상기 캡산화막이 노출될 때까지 상기 스토리지 노드 전극용 도전막을 식각하여 스토리지 노드 전극을 형성하는 단계; 상기 감광막을 제거하는 단계; 그로부터 얻어지는 결과물의 전면에 ALD(atomic layer deposition) 방법에 의해 HfON막을 증착하여 유전체막을 형성하는 단계; 및 상기 유전체막 상에 플레이트 노드 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

반도체 소자의 캐패시터 형성방법{Method for forming capacitor in semiconductor device}
도 1은 종래의 HfO2 유전체막이 결정화된 상태를 나타내는 AFM(atomic force microscope) 사진.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 반도체 기판 11: 층간절연막
12: 제 1 콘택홀 13: 도전플러그
14: 제 2 콘택홀 15: 캡산화막
16: 스토리지 노드 전극용 도전막 16a: 스토리지 노드 전극
17: 감광막 18: 유전체막
19: 플레이트 노드 전극 20: 캐패시터
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이고, 특히, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 관한 것이다.
최근 반도체 제조 기술의 발달로 메모리 제품의 고집적화가 가속화됨에 따라 단위 셀 면적이 크게 감소하고 있고, 동작전압도 낮추어지고 있다.
그러므로, 셀 면적의 감소에 따라 충분한 용량을 확보하기 위해서, Si3N4(ε= 4)를 유전체막으로 사용하고 있는 디램용 NO(nitride-oixde) 캐패시터의 경우, 반구형 구조의 전극 표면을 갖는 3차원 형태의 스토리지 노드 전극이 형성되며, 스토리지 노드 전극의 높이가 계속적으로 증가되고 있다. 그러나, NO 캐패시터는 256M 이상의 차세대 디램 제품에 필요한 충전용량을 확보하는데 그 한계가 있다. 그래서, 충분한 충전용량 확보를 위해 유전체막으로서 Ta2O5(ε= 25), Al2O 3(ε= 9) 및 HfO2(ε= 20) 등을 채용한 캐패시터의 개발이 활발하게 진행되고 있다.
그러나, Ta2O5 유전체막은 누설전류에 취약한 문제점이 있고; Al2O3 유전체막은 유전상수가 Si3N4 유전체막과 별 차이가 없기 때문에, 충전용량 확보가 비교적 어렵게 된다. HfO2 유전체막은, 유전상수가 20 정도로 Al2O3 유전체막 보다는 충전용량 확보 측면에서 유리하지만, 도 1 에 도시한 바와 같이 일정 두께 이상으로 증착되는 경우 그 자체로 결정화되고, 일정 두께 이하로 증착되는 경우 후속 열공정에 의해 쉽게 결정화되는 경향이 있다. 도 1은 종래의 HfO2 유전체막이 결정화된 상태를 나타내는 AFM 사진이다. HfO2 유전체막이 결정화되면, 다수의 결정입계의 생성이 수반되고, 다수의 결정입계는 누설 전류의 경로로 작용하여 누설 전류를 증가시키게 된다. 또한, HfO2 유전체막의 결정화 과정에서 발생되는 부피 팽창으로 인해 유전체막 주위에 스트레스가 발생되어, 캐패시터의 전기적 특성이 열화되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 선행기술에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 내재되었던 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은, 유전체막의 결정화를 최소화함으로써 누설 전류의 증가를 방지하고 캐패시터의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일면에 따라, 반도체 소자의 캐패시터 형성방법이 제공되고: 이 방법은, 도전 플러그가 구비된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 상기 도전 플러그를 노출시키는 콘택홀을 갖는 캡산화막을 형성하는 단계; 결과물의 전면에 스토리지 노드 전극용 도전막을 형성하는 단계; 상기 스토리지 노드 전극용 도전막 상에 감광막을 도포하여 상기 콘택홀을 매립시키는 단계; 상기 캡산화막이 노출될 때까지 상기 스토리지 노드 전극용 도전막을 식각하여 스토리지 노드 전극을 형성하는 단계; 상기 감광막을 제거하는 단계; 그로부터 얻어지는 결과물의 전면에 ALD 방법에 의해 HfON막을 증착하여 유 전체막을 형성하는 단계; 및 상기 유전체막 상에 플레이트 노드 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 스토리지 노드 전극용 도전막은 다결정실리콘, TiN, Ru, Ir 및 Pt로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 방법이, 상기 감광막을 제거하는 단계 후, 상기 스토리지 노드 전극 양측의 캡산화막을 제거하는 단계;를 추가로 구비한다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 HfON막은, 기판의 온도를 200~350℃로 유지하고 반응 챔버의 압력을 0.1~1 torr로 유지하는 상태에서, 증착된다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 HfON막은, Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 제 2 퍼지 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 3 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하는 ALD 방법에 의해 증착된다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 Hf 소스 가스는, Hf(N(C2H5)2)4 , Hf(N(CH3)2)4 및 Hf(N(C2H5CH3)2 )4로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 원료로 한다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 퍼지 공정에서는, 퍼지 가스가 0.1~10 초 동안 100~1,000 sccm의 유량으로 공급된다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 퍼지 가스는 Ar 및 N2 가스로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나이다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 산화가스의 플로우 공정에서는, O3 및 H2O 가스로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나가 1~10 초 동안 200~500 sccm의 유량으로 공급된다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 산화가스의 플라즈마 공정에서는, O2 및 O3 플라즈마로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나가 1~10 초 동안 50~300 W의 파워로 인가된다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 질화가스의 플로우 공정에서는, NH3 가스가 1~10 초 동안 200~500 sccm의 유량으로 공급된다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 질화가스의 플라즈마 공정에서는, NH3 플라즈마가 1~10 초 동안 50~300 W의 파워로 인가된다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 HfON막은, Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 제 2 퍼지 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 3 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하는 ALD 방법에 의해 증착된다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 HfON막은, Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 2 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하는 ALD 방법에 의해 증착된다.
본 발명의 또 다른 일면에 따라, 상기 HfON막은, Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 2 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하는 ALD 방법에 의해 증착된다.
(실시예)
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상술하기로 한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법은, 먼저 도 2a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10) 상에 층간절연막(11)을 형성한 후, 층간절연막(11)을 선택적으로 식각하여 기판(10)의 소정 부분을 노출시키는 제 1 콘택홀(12)을 형성한다. 이어서, 제 1 콘택홀(12)을 도전막으로 매립시켜 도전 플러그(13)를 형성한다. 그런다음, 도전 플러그(13)를 포함한 층간절연막(11) 상에 캡산화막(15)을 형성한 후, 캡산화막(15)을 선택적으로 식각하여 도전 플러그(13)를 노출시키는 제 2 콘택홀(14)을 형성한다.
계속해서, 도 2b에 도시한 바와 같이, 결과물의 전면에 스토리지 노드 전극 용 도전막(16)을 형성한 후에, 스토리지 노드 전극용 도전막(16) 상에 감광막(17)을 도포하여 제 2 콘택홀(14)을 매립시킨다. 스토리지 노드 전극용 도전막(16)은 다결정실리콘, TiN, Ru, Ir 및 Pt로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진다.
다음으로, 도 2c에 도시한 바와 같이, 캡산화막(15)이 노출될 때까지 스토리지 노드 전극용 도전막(16)을 식각하여 스토리지 노드 전극(16a)을 형성한다. 그리고나서, 감광막(17)을 제거한다. 아울러, 도면에 도시하지는 않았지만, 감광막(17)을 제거한 후에, 스토리지 노드 전극(16a)의 표면적을 증가시키기 위해, 즉 더 큰 충전용량을 확보하기 위해, 스토리지 노드 전극(16a) 양측의 캡산화막(15)을 제거할 수도 있다.
그 후에, 도 2d에 도시한 바와 같이, 그로부터 얻어지는 결과물의 전면에 ALD 방법에 의해 HfON막을 증착하여 유전체막(18)을 형성한다. HfON막은, 기판의 온도를 200~350℃로 유지하고 반응 챔버의 압력을 0.1~1 torr로 유지하는 상태에서, 증착된다.
ALD 방법에 의한 HfON막의 증착은, Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 제 2 퍼지 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 3 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하거나, 또는 Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 제 2 퍼지 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 3 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하는 방식으로 진행된다.
또한, ALD 방법에 의한 HfON막의 증착은, Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 2 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하거나, 또는 Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 2 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하는 방식으로 진행될 수도 있다.
이러한 ALD 방법에 의해 HfON막을 증착함에 있어서, Hf 소스 가스는, Hf(N(C2H5)2)4, Hf(N(CH3)2)4 및 Hf(N(C2H5CH3)2)4로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 원료로 한다. 제 1, 제 2 및 제 3 퍼지 공정에서는, 퍼지 가스가 0.1~10 초 동안 100~1,000 sccm의 유량으로 공급되며, 퍼지 가스는 Ar 및 N2 가스로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나이다. 산화가스의 플로우 공정에서는, O3 및 H2O 가스로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나가 1~10 초 동안 200~500 sccm의 유량으로 공급된다. 산화가스의 플라즈마 공정에서는, O2 및 O3 플라즈마로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나가 1~10 초 동안 50~300 W의 파워로 인가된다. 질화가스의 플로우 공정에서는, NH3 가스가 1~10 초 동안 200~500 sccm의 유 량으로 공급되며; 질화가스의 플라즈마 공정에서는, NH3 플라즈마가 1~10 초 동안 50~300 W의 파워로 인가된다.
본 발명의 유전체막(18)을 이루는 HfON은 종래기술에 있어서의 HfO2에 비해 질소(N) 성분을 더 포함하고 있다. 한편, 열역학적으로, 화합물의 성분이 많아질수록 결정립 형성에 필요한 활성화 에너지가 높아지므로, 2 성분계인 HfO2에 비해 3 성분계인 HfON이 결정화에 필요한 활성화 에너지가 더 높다는 것을 알 수 있다. 따라서, 질소 성분이 함유된 HfON막을 유전체막(18)으로 이용하면, 유전체막(18)의 결정화를 최소화할 수 있다.
그리고나서, 도 2e에 도시한 바와 같이, 유전체막(18) 상에 플레이트 노드 전극(19)을 형성한 후, 결과물에 대한 열처리 공정을 진행하여 본 발명에 따른 캐패시터(20)를 완성한다.
본 발명의 상기한 바와 같은 구성에 따라, 질소 성분이 함유된 HfON막을 유전체막으로 사용함으로써, 유전체막의 결정화를 최소화할 수 있다. 따라서, 유전체막의 결정화에 따른 누설 전류의 증가를 방지할 수 있고, 캐패시터의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니고 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변 화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

Claims (15)

  1. 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 있어서,
    도전 플러그가 구비된 반도체 기판을 제공하는 단계;
    상기 반도체 기판 상에 상기 도전 플러그를 노출시키는 콘택홀을 갖는 캡산화막을 형성하는 단계;
    결과물의 전면에 스토리지 노드 전극용 도전막을 형성하는 단계;
    상기 스토리지 노드 전극용 도전막 상에 감광막을 도포하여 상기 콘택홀을 매립시키는 단계;
    상기 캡산화막이 노출될 때까지 상기 스토리지 노드 전극용 도전막을 식각하여 스토리지 노드 전극을 형성하는 단계;
    상기 감광막을 제거하는 단계;
    그로부터 얻어지는 결과물의 전면에 ALD 방법에 의해 HfON막을 증착하여 유전체막을 형성하는 단계; 및
    상기 유전체막 상에 플레이트 노드 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스토리지 노드 전극용 도전막은, 다결정실리콘, TiN, Ru, Ir 및 Pt로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법이, 상기 감광막을 제거하는 단계 후, 상기 스토리지 노드 전극 양측의 캡산화막을 제거하는 단계;를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 HfON막은, 기판의 온도를 200~350℃로 유지하고 반응 챔버의 압력을 0.1~1 torr로 유지하는 상태에서, 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 HfON막은, Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 제 2 퍼지 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 3 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하는 ALD 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 Hf 소스 가스는, Hf(N(C2H5)2)4, Hf(N(CH3) 2)4 및 Hf(N(C2H5CH3)2)4로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 원료로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 퍼지 공정에서는, 퍼지 가스가 0.1~10 초 동안 100~1,000 sccm의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 퍼지 가스는 Ar 및 N2 가스로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 산화가스의 플로우 공정에서는, O3 및 H2O 가스로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나가 1~10 초 동안 200~500 sccm의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 산화가스의 플라즈마 공정에서는, O2 및 O3 플라즈마로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나가 1~10 초 동안 50~300 W의 파워로 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 질화가스의 플로우 공정에서는, NH3 가스가 1~10 초 동안 200~500 sccm의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 질화가스의 플라즈마 공정에서는, NH3 플라즈마가 1~10 초 동안 50~300 W의 파워로 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 HfON막은, Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 제 2 퍼지 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 3 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하는 ALD 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 HfON막은, Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 2 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적 으로 시행하는 ALD 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 HfON막은, Hf 소스 가스의 플로우 공정, 제 1 퍼지 공정, 산화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 질화가스의 플로우 또는 플라즈마 공정, 및 제 2 퍼지 공정을 순차 수행하는 증착 사이클을 소망하는 두께의 막이 얻어질 때까지 반복적으로 시행하는 ALD 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
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