KR20060136240A - A capacitor in semiconductor apparatus and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속전극을 캐패시터의 하부전극으로 사용하는 실린더 구조의 캐패시터 형성시 하부전극 저부의 층간절연막 손실을 억제하고, 하부전극의 리닝현상을 방지하며 하부전극 저부의 컨택 플러그의 산화현상을 방지할 수 있는 반도체 장치의 캐패시터 및 그 형성방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 반도체 기판 상에 컨택 플러그가 개재되어 형성된 층간절연막과, 상기 컨택 플러그 양측의 상기 층간절연막 상에 형성된 식각정지막과, 상기 컨택 플러그와 상기 식각정지막 간에 형성된 단차부를 따라 형성된 전도성 베리어막과, 상기 식각정지막 상부로 돌출되도록 상기 전도성 베리어막 상에 형성된 캐패시터의 하부전극을 포함하는 반도체 장치의 캐패시터를 제공한다.The present invention suppresses the loss of the interlayer insulating film at the bottom of the lower electrode, prevents the lining of the lower electrode, and prevents oxidation of the contact plug at the bottom of the lower electrode when forming a capacitor having a cylindrical structure using a metal electrode as the lower electrode of the capacitor. The present invention provides a capacitor of the semiconductor device and a method of forming the same. To this end, the present invention provides an interlayer insulating film formed by interposing a contact plug on a semiconductor substrate, an etch stop film formed on the interlayer insulating film on both sides of the contact plug. And a conductive barrier layer formed along a stepped portion formed between the contact plug and the etch stop layer, and a lower electrode of a capacitor formed on the conductive barrier layer to protrude upward from the etch stop layer.
실린더, 캐패시터, Ru, 금속전극, 전도성 베리어막. Cylinder, Capacitor, Ru, Metal Electrode, Conductive Barrier Film.
Description
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 장치의 캐패시터 형성시 층간절연막의 디펙트 현상('D' 부위 참조)을 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a defect phenomenon (see 'D' region) of an interlayer insulating film when forming a capacitor of a semiconductor device according to the prior art.
도 2는 종래 기술에 따른 반도체 장치의 캐패시터 형성시 캐패시터 하부전극의 리닝현상('L' 부위 참조)을 도시한 단면도.2 is a cross-sectional view illustrating a phenomenon in which a capacitor lower electrode is formed (see 'L' region) when a capacitor is formed in a semiconductor device according to the related art.
도 3은 종래 기술에 따른 반도체 장치의 캐패시터 형성시 컨택 플러그의 산화현상('O' 부위 참조)을 도시한 단면도.3 is a cross-sectional view illustrating an oxidation phenomenon (see 'O' region) of a contact plug when a capacitor is formed in a semiconductor device according to the prior art.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 캐패시터를 도시한 단면도.4 is a cross-sectional view showing a capacitor of a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 캐패시터 형성공정을 도시한 공정단면도.5 to 9 are process cross-sectional views showing a capacitor forming process of a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
110 : 반도체 기판 111 : 층간절연막110
112 : 컨택 플러그 113: 식각정지막112: contact plug 113: etch stop
114 : 희생 절연막 115 : 전도성 베리어막114: sacrificial insulating film 115: conductive barrier film
116 : 캐패시터의 하부전극 117 : 유전막116: lower electrode of the capacitor 117: dielectric film
118 : 캐패시터의 상부전극 120 : 캐패시터118: upper electrode of the capacitor 120: capacitor
본 발명은 반도체 장치의 캐패시터 및 그 형성방법에 관한 것으로, 특히 60㎚급 이하의 디자인 룰(design rule)을 갖는 디램 소자 및 150㎚급 이하의 디자인 룰을 갖는 강유전체 메모리(FeRAM; Ferroelectrics Random Access Memory) 소자에 적용될 수 있는 캐패시터 및 그 형성방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitor of a semiconductor device and a method of forming the same. In particular, a DRAM device having a design rule of 60 nm or less and a ferroelectric memory (FeRAM) having a design rule of 150 nm or less The present invention relates to a capacitor applicable to an element and a method of forming the same.
근래에 컴퓨터가 급속히 보급되면서 반도체 장치들에 대한 수요도 크게 증가하고 있다. 이러한 반도체 장치들은 그 기능적인 면에 있어 높은 축적 용량을 가지면서 고속 동작이 요구된다. 이를 위하여 반도체 장치는 집적도, 응답 속도 및 신뢰도를 향상시키기 위한 방향으로 제조 기술들이 개발되고 있다.In recent years, with the rapid spread of computers, the demand for semiconductor devices has increased greatly. Such semiconductor devices require high speed operation while having a high storage capacity in terms of their functions. To this end, semiconductor devices are being manufactured with manufacturing techniques for improving integration, response speed, and reliability.
이와 같은 반도체 장치로서는 정보의 입력과 출력이 자유롭고, 고용량을 갖는 디램(DRAM; Dynamic Random Access Memory) 장치가 범용적으로 이용되고 있다. 디램 장치는 전하의 형태로 정보 데이터를 저장하는 메모리 셀 영역과 그 정보 데이터의 입력 및 출력을 위한 주변 회로 영역으로 구성된다. 또한, 디램 장치는 하나의 액세스 트랜지스터(access transistor)와 하나의 축적 캐패시터를 포함한다.As such a semiconductor device, a dynamic random access memory (DRAM) device having a high capacity and free input and output of information has been widely used. The DRAM device is composed of a memory cell area storing information data in the form of electric charge and a peripheral circuit area for input and output of the information data. The DRAM device also includes one access transistor and one accumulation capacitor.
상기 캐패시터는 집적도의 증가가 요구되는 반도체 장치에 부응하기 위해 그 크기가 더욱 감소되어야 한다. 그러나, 캐패시터의 크기가 축소됨에 따라 요구되는 축적 용량(이하, 유전 용량이라 함)을 확보하는 것이 점점 어려워지고 있다. 요구되는 유전 용량을 확보하기 위해서는 캐패시터에 사용되는 유전막의 유전 특성을 개선시켜야 하는데, 이러한 유전 특성은 등가 산화막 두께(Toxeq)와 누설 전류 밀도(leakage currnet density)로 평가될 수 있다. 참고로, 등가 산화막 두께는 실리콘 산화물이 아닌 다른 유전 물질로 이루어지는 유전막을 실리콘 산화물로 이루어지는 유전막의 두께로 환산한 값으로서, 그 값이 작을수록 단위 면적당 캐패시턴스는 증가한다. 또한, 누설 전류 밀도는 캐패시터의 전기적 특성 및 전력 소모와 관련된 것으로서, 그 값이 낮은 것이 반도체 소자의 전기적 특성상 바람직하다.The capacitor must be further reduced in size in order to meet the semiconductor device required to increase the degree of integration. However, as the size of the capacitor is reduced, it becomes increasingly difficult to secure the required storage capacity (hereinafter referred to as dielectric capacity). In order to secure the required dielectric capacity, it is necessary to improve the dielectric properties of the dielectric film used in the capacitor, which can be evaluated by an equivalent oxide thickness (Toxeq) and leakage currnet density. For reference, the equivalent oxide film thickness is a value obtained by converting a dielectric film made of a dielectric material other than silicon oxide into the thickness of a dielectric film made of silicon oxide, and the smaller the value, the higher the capacitance per unit area. In addition, the leakage current density is related to the electrical characteristics and power consumption of the capacitor, and a low value thereof is preferable in view of the electrical characteristics of the semiconductor device.
이에 따라, 80㎚급 이하의 디램 장치에서는 누설전류(leakage current) 특성을 개선시키면서 요구되는 유전 용량을 확보하기 위하여 HfO2/Al2O3의 적층구조로 형성된 유전막을 적용하였다. Accordingly, in the DRAM device of 80 nm or less, a dielectric film formed of a laminated structure of HfO 2 / Al 2 O 3 was applied in order to secure a required dielectric capacity while improving leakage current characteristics.
한편, 근래에는 축소된 크기로 높은 유전 용량을 갖는 캐패시터를 제조하기 위하여 반도체 기판 상에 캐패시터가 차지하는 수평(lateral) 면적은 증가시키지 않은 상태에서 캐패시터의 축적 용량을 향상시킬 수 있는 삼차원 구조의 캐패시터를 형성하고 있다. 삼차원 구조의 캐패시터의 대표적인 예로는 실린더(cylinder) 또는 콘케이브(concave) 구조의 캐패시터가 있다.Meanwhile, in order to manufacture a capacitor having a high dielectric capacity with a reduced size, a capacitor having a three-dimensional structure capable of improving the storage capacity of the capacitor without increasing the lateral area occupied by the capacitor on the semiconductor substrate has been recently developed. Forming. A representative example of a three-dimensional capacitor is a capacitor of a cylinder or concave structure.
그러나, 콘케이브 구조로는 HfO2/Al2O3의 유전막을 이용하여 요구되는 유전 용량을 확보하는데에 한계가 있어, 실린더 구조를 적용하여 캐패시터의 유전 용량을 확보하고 있다. 이러한 실린더 구조의 캐패시터 형성시 캐패시터의 하부전극(스토리지 노드)을 TiN으로 형성하는 경우에는 등가 산화막 두께가 11Å이 한계인데, 50㎚급 이하의 소자에서 요구되는 유전 용량을 확보하기 위해서는 등가 산화막 두께가 8Å이하가 되어야 한다. 결국, 60㎚급 이하의 소자에서 요구되는 유전 용량 확보를 위해서는 일함수(workfuntion) 값이 큰 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 또는 플라티늄(Pt)을 캐패시터의 하부전극으로 사용하는 금속전극 도입 기술이 필수적이다.However, the concave structure has a limit in securing the required dielectric capacity by using a HfO 2 / Al 2 O 3 dielectric film, and a cylinder structure is applied to secure the dielectric capacity of the capacitor. When the lower electrode (storage node) of the capacitor is formed of TiN when forming the capacitor of the cylinder structure, the equivalent oxide film thickness is limited to 11 kW, and the equivalent oxide film thickness is required to secure the dielectric capacity required for devices of 50 nm or less. It should be less than 8Å. As a result, metal electrode introduction technology using ruthenium (Ru), iridium (Ir), or platinum (Pt) having a large workfuntion value as a lower electrode of the capacitor to secure a dielectric capacity required for devices of 60 nm or less. This is essential.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따라 금속전극을 사용하는 실린더 구조의 캐패시터 형성시 발생하는 여러가지 문제점을 도시한 단면도이다. 여기서는, Ru으로 이루어진 금속전극을 캐패시터의 하부전극으로 사용하는 실린더 구조의 캐패시터 형성방법만을 다루기로 한다.1 to 3 are cross-sectional views illustrating various problems occurring when a capacitor of a cylinder structure using a metal electrode according to the prior art is formed. Here, only a method of forming a capacitor having a cylindrical structure using a metal electrode made of Ru as the lower electrode of the capacitor will be described.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 통상적인 실린더 구조의 캐패시터 형성방법은 다음과 같다.1 to 3, a method of forming a capacitor of a conventional cylinder structure is as follows.
먼저, 트랜지스터 및 비트라인 형성 공정이 완료된 반도체 기판(10) 상에 컨택 플러그(12)가 개재된 층간절연막(ILD : Inter Layer Dilectric; 11)을 형성한다. 여기서, 컨택 플러그(12)는 TiN으로 형성하거나, 텅스텐 또는 폴리 실리콘 상에 TiN이 적층된 구조로 형성한다.First, an interlayer insulating layer (ILD) 11 including a
이어서, 컨택 플러그(12)를 포함한 층간절연막(11) 상에 질화막 계열의 식각정지막(13)을 증착하고 식각정지막(13) 상에는 희생 절연막(미도시)을 증착한 후, 희생 절연막 및 식각정지막(13)을 식각하여 컨택 플러그(12)를 노출시키는 홀(미도 시)을 형성한다. 그런 후, 홀의 내부면을 따라 Ru로 이루어진 캐패시터의 하부전극(15)을 형성한다. Subsequently, a nitride-based
이어서, 실린더 구조의 하부전극(15)을 형성하기 위해 습식식각공정을 통해 희생 절연막을 제거한다. Subsequently, the sacrificial insulating layer is removed through a wet etching process to form the
그러나, 희생 절연막(미도시)의 제거시에는 도 1에 도시된 바와 같이 습식식각공정시 사용되는 케미컬(chemical)이 하부전극(15)과 식각정지막(13)의 계면을 따라 침투(화살표 방향)하여 하부전극(15) 저부의 층간절연막(11)을 녹이는 디펙트 현상('D' 부위 참조)이 발생한다. 이러한 디펙트 현상('D' 부위 참조)은, Ru가 SiO2 또는 Si-nitride와의 접착(adhesion) 특성이 떨어져 하부전극(15)과 질화막으로 이루어진 식각정지막(13) 간의 접착 특성이 떨어지는데서 연유한다. 이에 따라, 열공정, 원자층증착(ALD; Atomic Layer Deposition) 및 PEALD(Plasma Enhanced ALD) 중 어느 하나의 공정을 통해 하부전극(15)의 바닥부를 치밀하게 하는 방법이 사용되고 있으나, 이는 완벽한 해결책이 되지 못하고 있는 실정이다.However, when the sacrificial insulating layer (not shown) is removed, a chemical used in the wet etching process penetrates along the interface between the
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부전극(15)과 식각정지막(13) 간의 접착 특성이 열악하여 실린더 구조로 형성된 하부전극(15)이 쓰러지는 리닝(Leaning; 'L' 부위 참조) 현상이 발생될 수 있다. In addition, as shown in FIG. 2, the adhesion between the
이에 더하여, 후속 유전막 형성시 700℃이상의 열공정이 필요한 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이, O2가 컨택 플러그(12)로 침투하여 컨택 플러그(12) 상부를 산화시키는 산화현상(Oxidation, 'O' 부위 참조)이 발생될 수 있다. 이러한 산화현 상('O' 부위 참조)이 일어나면 컨택 플러그(12) 상부를 팽창시켜 실린더 구조의 하부전극(15)이 떨어져 나가는 문제점을 유발한다.In addition, when a thermal process of 700 ° C. or more is required to form a subsequent dielectric layer, as illustrated in FIG. 3, O 2 penetrates into the
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 금속전극을 캐패시터의 하부전극으로 사용하는 실린더 구조의 캐패시터 형성시 하부전극 저부의 층간절연막 손실을 억제할 수 있는 반도체 장치의 캐패시터 및 그 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and has a semiconductor device capable of suppressing the interlayer insulating film loss at the bottom of the lower electrode when forming a capacitor having a cylindrical structure using a metal electrode as the lower electrode of the capacitor. It is an object of the present invention to provide a capacitor and a method of forming the same.
또한, 본 발명은 금속전극을 캐패시터의 하부전극으로 사용하는 실린더 구조의 캐패시터 형성시 하부전극의 리닝현상을 방지할 수 있는 반도체 장치의 캐패시터 및 그 형성방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a capacitor of a semiconductor device and a method of forming the same, which can prevent the lowering of the lower electrode when a capacitor having a cylindrical structure using a metal electrode as a lower electrode of the capacitor is formed.
또한, 본 발명은 금속전극을 캐패시터의 하부전극으로 사용하는 실린더 구조의 캐패시터 형성시 하부전극 저부의 컨택 플러그의 산화현상을 방지할 수 있는 반도체 장치의 캐패시터 및 그 형성방법을 제공하는데 또다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a capacitor of a semiconductor device and a method of forming the same, which can prevent oxidation of a contact plug at the bottom of a lower electrode when a capacitor having a cylindrical structure using a metal electrode as a lower electrode of a capacitor is formed. have.
상기한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 반도체 기판 상에 컨택 플러그가 개재되어 형성된 층간절연막과, 상기 컨택 플러그 양측의 상기 층간절연막 상에 형성된 식각정지막과, 상기 컨택 플러그와 상기 식각정지막 간에 형성된 단차부를 따라 형성된 전도성 베리어막과, 상기 식각정지막 상부로 돌출되도록 상기 전도성 베리어막 상에 형성된 캐패시터의 하부전극을 포함하는 반도체 장치의 캐패시터를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an interlayer insulating film formed with a contact plug interposed on a semiconductor substrate, an etch stop film formed on the interlayer insulating film on both sides of the contact plug, the contact plug, and the contact plug. The present invention provides a capacitor of a semiconductor device including a conductive barrier layer formed along a stepped portion formed between the etch stop layers and a lower electrode of a capacitor formed on the conductive barrier layer to protrude upward from the etch stop layer.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 반도체 기판 상에 컨택 플러그가 개재된 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간절연막 상에 식각 정지막을 증착하는 단계와, 상기 식각 정지막 상에 희생 절연막을 증착하는 단계와, 상기 희생 절연막 및 상기 식각 정지막을 식각하여 상기 컨택 플러그를 노출시키는 홀을 형성하는 단계와, 상기 홀의 내부면을 따라 전도성 베리어막 및 캐패시터의 하부전극을 형성하는 단계와, 상기 희생 절연막을 제거하는 단계와, 상기 식각 정지막과 상기 캐패시터의 하부전극 사이에 개재된 상기 전도성 베리어막이 잔류하도록 상기 전도성 베리어막을 식각하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 캐패시터 형성방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming an interlayer insulating film having a contact plug interposed on a semiconductor substrate, depositing an etch stop film on the interlayer insulating film, and stopping the etch stop. Depositing a sacrificial insulating film on the film, etching the sacrificial insulating film and the etch stop film to form a hole exposing the contact plug, and forming a lower electrode of the conductive barrier film and the capacitor along the inner surface of the hole And removing the sacrificial insulating layer, and etching the conductive barrier layer so that the conductive barrier layer interposed between the etch stop layer and the lower electrode of the capacitor remains. to provide.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호는 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. In addition, in the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity, and in the case where the layers are said to be "on" another layer or substrate, they may be formed directly on another layer or substrate or Or a third layer may be interposed therebetween. Also, throughout the specification, the same reference numerals denote the same components.
실시예Example
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 캐패시터를 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a capacitor of a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 캐패시터는 반도체 기판(110) 상에 컨택 플러그(112)가 개재되어 형성된 층간절연막(ILD, 111)과, 컨택 플러그(112) 양측의 층간절연막(111) 상에 형성된 식각정지막(113)과, 컨택 플러그(112)와 식각정지막(113) 간에 형성된 단차부를 따라 형성된 전도성 베리어막(115)과, 식각정지막(113) 상부로 돌출되도록 전도성 베리어막(115; barrier layer) 상에 형성된 캐패시터의 하부전극(116)을 포함한다. 또한, 캐패시터의 하부전극(116)을 포함한 전체구조 상부의 단차를 따라 형성된 유전막(117) 및 유전막(117) 상부의 단차를 따라 형성된 캐패시터의 상부전극(118)을 더 포함함으로써, 캐패시터(120)가 완성된다.Referring to FIG. 4, a capacitor of a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention may include an interlayer insulating layer (ILD) 111 formed with a
여기서, 전도성 베리어막(115)은 캐패시터의 하부전극(116)과 식각정지막(115) 간의 계면을 따라 케미컬이 침투하는 것을 방지하면서 후속 열공정에 의해 O2가 침투하는 것을 방지하기 위해 적어도 3개의 성분으로 이루어진 다성분계 전도성 베리어 물질 또는 이성분계 전도성 베리어 물질로 형성된다. 다성분계 전도성 베리어 물질은 RuTiN, RuTiO, TiAlN, TiSiN, TaSiN, WSiN 및 WBN으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나로 이루어지고, 이성분계 전도성 베리어 물질은 TiN, WN 및 TaN으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나로 이루어진다.In this case, the
이때, 캐패시터의 하부전극(116)은 캐패시터의 유효면적을 증가시키기 위해 실린더 구조로 형성되고, Ru, Pt, Ir, Rh, Pd, Hf, Ti, W, Ta, Au 및 Ag로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나 또는 이들을 질화물과 혼합한 혼합물 또는 전도성 산화막으로 형성된다.At this time, the
또한, 유전막(117)은 HfO2, Al2O3, ZrO2, La2O3, Ta2O5, TiO2, BST(BaSrTiO3), SrTiO3, PZT, BLT, SPT, 및 Bi2Ti2O7으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 적층막 또는 이들의 복합물로 형성된다.In addition, the
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 캐패시터는 컨택 플러그(112)와 캐패시터의 하부전극(116) 간에 전도성 베리어막(115)을 개재시켜 컨택 플러그(112) 양측의 층간절연막(111)으로 케미컬이 침투하는 것을 억제할 수 있고, 컨택 플러그(112)로 O2가 침투하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 기존에 발생되던 층간절연막(111)의 디펙트 현상 및 컨택 플러그(112) 상부의 산화현상을 방지할 수 있다.That is, in the capacitor of the semiconductor device according to the preferred embodiment of the present invention, the
또한, 전도성 베리어막(115)을 질화물(nitride)이 혼합된 베리어 물질로 형성함으로써 식각정지막(113)과 캐패시터의 하부전극(116) 간의 접착력을 개선시켜 캐패시터의 하부전극(116)의 리닝현상을 방지할 수 있다.In addition, the
도 5 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 캐패시터 형성공정을 도시한 공정단면도들이다. 5 to 9 are process cross-sectional views illustrating a capacitor forming process of a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(미도시) 및 비트라인(미도시) 형성공정이 완료된 반도체 기판(110) 상에 층간절연막(111)을 증착한다. 이때, 층간절연막(111)은 산화막 계열의 물질로 형성한다. 예컨대, HDP(High Density Plasma) 산화막, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막, PSG(Phosphorus Silicate Glass)막, PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate)막, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)막, USG(Un-doped Silicate Glass)막, FSG(Fluorinated Silicate Glass)막, CDO(Carbon Doped Oxide)막 및 OSG(Organic Silicate Glass)막 중 어느 하나를 이용하여 단층막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성한다. First, as shown in FIG. 5, an
이어서, 마스크 공정 및 식각공정을 통해 층간절연막(111)을 식각하여 기판(110)의 일부를 노출시키는 컨택홀(미도시)을 형성한다. 그런 다음, 컨택홀이 매립되도록 플러그용 물질을 증착한 후 에치백(etch back) 또는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 실시하여 컨택홀에 매립되는 컨택 플러그(112)를 형성한다. 이때, 컨택 플러그(112)는 텅스텐(W), 폴리 실리콘 및 TiN으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나로 형성한다. 여기서, 텅스텐 또는 폴리 실리콘을 사용하여 컨택 플러그(112)를 형성하려면, 먼저 텅스텐 또는 폴리 실리콘을 증착한 후 이를 일정 깊이 리세스(recess)시킨다. 그런 다음, 티타늄 실리사이드(Ti-silicide)를 형성하고 TiN을 증착한 후 CMP 공정을 실시하여 이를 평탄화함으로써 컨택홀에 매립되는 컨택 플러그(112)가 형성된다. 한편, 텅스텐을 사용하는 경우에는 티타늄 실리사이드 형성공정은 생략 가능하다.Subsequently, the
이어서, 컨택 플러그(112)를 포함한 층간절연막(111) 상에 질화막 계열의 식 각정지막(113) 및 산화막 계열의 희생 절연막(114)을 순차적으로 증착한다. Subsequently, the nitride-based
이어서, 희생 절연막(114) 상에 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하고 이를 이용한 식각공정을 실시하거나, 하드마스크 스킴(scheme)을 이용한 식각공정을 실시하여 희생 절연막(114) 및 식각정지막(113)을 식각한다. 이로써, 컨택 플러그(112)를 노출시키는 홀(hole; 미도시)이 형성된다.Subsequently, a photoresist pattern (not shown) is formed on the sacrificial insulating
이어서, 홀을 포함한 전체 구조 상부의 단차를 따라 전도성 베리어막(115)을 증착한다. 여기서, 전도성 베리어막(115)은 적어도 3개의 성분으로 이루어진 다성분계 전도성 베리어 물질 또는 이성분(2개)계 전도성 베리어 물질을 1 내지 300Å의 두께로 증착한다. 상기 다성분계 전도성 베리어 물질은 RuTiN, RuTiO, TiAlN, TiSiN, TaSiN, WSiN 및 WBN으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나로 이루어지고, 상기 이성분계 전도성 베리어 물질은 TiN, WN 및 TaN으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나로 이루어진다.Subsequently, the
또한, 전도성 베리어막(115)의 증착공정은 ALD, PEALD, CVD(Chemical Vapor Deposition) 및 주기적(cyclic) CVD 방식으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나의 증착방식을 이용한다. 여기서, ALD 방식은 소스가스흡착단계/퍼지(purge)단계/리액턴드(reactant)단계/퍼지단계를 한 싸이클(cycle)로 실시하는데, 전도성 베리어막(115)이 다성분계 전도성 베리어 물질인 경우에는 각 성분에 대해 싸이클 횟수를 조절하여 각 성분에 대한 조성물비를 결정할 수 있다. 그 일례로, 전도성 베리어막(115)을 RuTiN으로 형성하려면 (Ru가스흡착단계/퍼지단계/리액턴트단계/퍼지단 계)를 m번 실시하고, (Ti가스흡착단계/퍼지단계/리액턴트단계/퍼지단계)를 n번 실시하되, m과 n을 조절하여 원하는 조성물비를 얻게된다. 퍼지단계는 Ar 또는 N2 가스를 챔버 내로 주입하여 소스(또는, 리액턴트)가스 흡착 후 반응하지 않고 잔류하는 잉여가스를 챔버 외부로 배출시키는 단계이고, 리액턴트단계는 암모니아 가스를 챔버 내로 주입하여 반응시키는 단계이다.In addition, the deposition process of the
또한, PEALD 방식은 ALD 방식의 리액턴트단계시에 플라즈마 처리를 실시한다.In the PEALD method, plasma processing is performed during the reactant step of the ALD method.
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 전도성 베리어막(115) 상부의 단차를 따라 캐패시터의 하부전극 물질(미도시)을 증착한다. 여기서, 캐패시터의 하부전극 물질은 Ru, Pt, Ir, Rh, Pd, Hf, Ti, W, Ta, Au 및 Ag로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나 또는 이들을 질화물과 혼합한 혼합물 또는 전도성 산화막으로 한다. Subsequently, as shown in FIG. 6, the lower electrode material (not shown) of the capacitor is deposited along the step above the
또한, 캐패시터의 하부전극 물질의 증착공정은 ALD, PEALD, CVD 및 주기적 CVD로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나의 증착방식을 이용하는데, 이러한 증착공정은 리액턴트 가스로서 O2, NH3, N2O, N2H4, Me2N2H2 및 H2로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합가스를 이용한다. In addition, the deposition process of the lower electrode material of the capacitor uses any one deposition method selected from the group consisting of ALD, PEALD, CVD, and periodic CVD, which is a reactive gas O 2 , NH 3 , N 2 O , N 2 H 4 , Me 2 N 2 H 2 And using any one selected from the group consisting of H 2 or mixed gas thereof.
이어서, 에치백 또는 CMP 공정을 실시하여 희생 절연막(114) 상부로 노출된 전도성 베리어막(115) 및 캐패시터의 하부전극 물질을 제거한다. 이로써, 홀(미도시)의 내부면을 따라 컨택 플러그(112)와 연결되는 전도성 베리어막(115) 및 캐패시터의 하부전극(116)이 형성된다.Subsequently, an etch back or CMP process is performed to remove the
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 캐패시터의 하부전극(116)이 형성된 전체 구조물을 케미컬에 담그는 웨트 딥 아웃(wet dip out) 공정을 실시하여 희생 절연막(114, 도 6 참조)을 제거한다. 이때, 전도성 베리어막(115)이 캐패시터의 하부전극(116)을 둘러싸고 있으므로, 웨트 딥 아웃 공정시에도 케미컬이 층간절연막(111)으로 침투하는 것을 억제할 수 있다. Subsequently, as shown in FIG. 7, the sacrificial insulating layer 114 (see FIG. 6) is removed by performing a wet dip out process in which the entire structure in which the
이어서, 도 8에 도시된 바와 같이, 습식식각공정을 실시하여 식각정지막(113) 상부로 돌출된 전도성 베리어막(115)을 식각한다. 이로써, 캐패시터의 하부전극(116)과 식각정지막(113) 간에는 전도성 베리어막(115)이 잔류하고 캐패시터의 하부전극(116)이 실린더 구조를 갖게 된다. 이때, 캐패시터의 하부전극(116)과 식각정지막(113) 간에 개재된 전도성 베리어막(115)은 금속과 질화물의 혼합물로 질화막 계열의 식각정지막(113)과 캐패시터의 하부전극(116) 간의 접착 특성을 개선시킨다. 따라서, 기존에 발생하던 캐패시터의 리닝현상을 방지할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 8, the
이어서, 도 9에 도시된 바와 같이, 캐패시터의 하부전극(116)을 포함한 전체 구조 상부의 단차를 따라 유전막(117)을 증착한다. 여기서, 유전막(117)은 HfO2, Al2O3, ZrO2, La2O3, Ta2O5, TiO2, BST(BaSrTiO3), SrTiO3, PZT, BLT, SPT, 및 Bi2Ti2O7으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 적층막 또는 이들의 복합물로 형성한다. 그 일례로, 적층막은 HfO2/Al2O3 및 HfO2/Al2O3/HfO2 등 가능한 조합물로 형성하고, 복합물은 Hf와 Al을 동시에 포함하는 HfXAlYOZ로 형성한다. 이때, 캐패시터의 하부전극(116)과 컨택 플러그(112) 간에 전도성 베리어막(115)이 존재하 므로, 유전막(117) 형성을 위한 열공정시에도 컨택 플러그로 O2가 침투하는 것을 억제할 수 있다.Next, as shown in FIG. 9, the
또한, 유전막(117)의 증착공정은 스퍼터링(sputtering), CVD 및 ALD로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나의 증착방식을 이용한다. ALD 방식은 소스가스흡착단계/퍼지단계/리액턴트단계/퍼지단계를 한 싸이크로 하여 실시한다. 일례로, ALD 방식을 이용하여 유전막(117)을 HfXAlYOZ로 형성하려면 (Hf가스흡착단계/퍼지단계/리액턴트단계/퍼지단계)를 m번 실시하고 (Al가스흡착단계/퍼지단계/리액턴트단계/퍼지단계)를 n번 실시하되, m, n은 1 내지 9회로 할 수 있다. 이때, 퍼지단계는 N2 가스를 챔버 내로 주입하여 소스(또는, 리액턴트)가스 흡착 후 반응하지 않고 잔류하는 잉여가스를 배출시키는 단계이고, 리액턴트단계는 O3 가스를 이용하여 반응시키는 단계이다. 다른 예로, HfXAlYOZ를 PEALD 방식을 이용할 때에는 ALD 방식의 리액턴트단계시에 O3를 O2로 대체하여 실시하고 플라즈마 처리를 실시한다. In addition, the deposition process of the
이어서, 누설전류 특성 개선을 위해 후처리공정을 실시하는데, 산소 및/또는 오존을 이용한 플라즈마 처리를 이용한다. 이러한 후처리공정은 200 내지 500℃의 온도로 실시한다.Subsequently, a post treatment process is performed to improve leakage current characteristics, and plasma treatment using oxygen and / or ozone is used. This post-treatment step is carried out at a temperature of 200 to 500 ℃.
이어서, 유전막(117) 상부의 단차를 따라 캐패시터의 상부전극(118)을 증착함으로써 캐패시터(120)를 완성한다. 이때, 캐패시터의 상부전극(118)은 캐패시터의 하부전극(116)과 동일한 물질로 형성하거나 전도성 박막으로 형성한다. 전도성 박만은 As 또는 P 등이 도핑(doping)되어 전도성을 갖는 전도성 실리콘 또는 전도성 TiN으로 이루어진다.Subsequently, the
상기한 과정 전체에서 ALD 방식 또는 CVD 방식의 증착공정 진행 후에는 박막 특성을 개선시키기 위해 매 싸이클마다 또는 2 내지 100 싸이클 마다 플라즈마 처리를 부가적으로 실시할 수 있다. 이러한 플라즈마 처리는 10 내지 1500W의 파워로 실시하고, 반응가스로서 O2, NH3, N2O, N2H4, Me2N2H2 및 H2로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합가스를 이용하여 실시한다.After the deposition process of the ALD method or the CVD method throughout the above process, the plasma treatment may be additionally performed every cycle or every 2 to 100 cycles in order to improve the thin film properties. The plasma treatment is performed at a power of 10 to 1500 W, and any one selected from the group consisting of O 2 , NH 3 , N 2 O, N 2 H 4 , Me 2 N 2 H 2, and H 2 as a reaction gas It is carried out using a mixed gas.
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail in the preferred embodiments, it should be noted that the above-described embodiments are for the purpose of description and not of limitation. In addition, it will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 컨택 플러그와 캐패시터의 하부전극 간에 전도성 베리어막를 개재시켜 희생 절연막 제거시 컨택 플러그 양측의 층간절연막으로 케미컬이 침투하는 것을 억제할 수 있고, 유전막 형성시 컨택 플러그로 O2가 침투하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 기존에 발생되던 층간절연막의 디펙트 현상 및 컨택 플러그 상부의 산화현상을 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, the penetration of the chemical into the interlayer insulating film on both sides of the contact plug when the sacrificial insulating film is removed by interposing the conductive barrier film between the contact plug and the lower electrode of the capacitor can be prevented. The penetration of O 2 can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the defect phenomenon of the interlayer insulating film and the oxidation phenomenon of the contact plug.
또한, 전도성 베리어막을 질화물(nitride)이 혼합된 베리어 물질로 형성함으 로써 식각정지막과 캐패시터의 하부전극 간의 접착력을 개선시켜 캐패시터의 하부전극의 리닝현상을 방지할 수 있다.In addition, the conductive barrier layer may be formed of a barrier material in which nitride is mixed to improve adhesion between the etch stop layer and the lower electrode of the capacitor, thereby preventing the lower electrode of the capacitor.
따라서, 60㎚급 이하의 디자인 룰(design rule)을 갖는 디램 소자의 수율 향향상과 원가절감 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 150㎚급 이하의 디자인 룰을 갖는 강유전체 메모리(FeRAM; Ferroelectrics Random Access Memory) 소자의 강유전 특성 및 패티규(fatigue) 특성을 향상시킬 수 있다.Therefore, not only the yield improvement and cost reduction effect of the DRAM device having a design rule of 60 nm or less can be obtained, but also a ferroelectric random access memory (FeRAM) having a design rule of 150 nm or less. ) Ferroelectric and fatigue characteristics of the device can be improved.
Claims (27)
Priority Applications (1)
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