KR20070000707A - Method for forming capacitor of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating processes for forming a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.
도 2은 본 발명에 따른 캐패시터 유전막을 설명하기 위한 도면. 2 is a view for explaining a capacitor dielectric film according to the present invention.
도 3는 본 발명에 따른 유전막 형성시의 HfO2 박막과 ZrO2 박막의 증착 과정을 설명하기 위한 도면.3 is a view for explaining the deposition process of the HfO2 thin film and ZrO2 thin film when forming a dielectric film according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 반도체 기판 2 : 층간절연막1
3 : 콘택홀 4 : 스토리지 노드 콘택3: contact hole 4: storage node contact
10 : 스토리지전극 12 : HfO2 박막 10: storage electrode 12: HfO2 thin film
14 : ZrO2 박막 20 : 유전막 14: ZrO2 thin film 20: dielectric film
30 : 플레이트전극 40 : 캐패시터30 plate electrode 40 capacitor
본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 는, 소망하는 충전용량을 확보하면서 누설전류 특성 또한 확보할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
최근 반도체 제조 기술의 발달로 메모리 제품의 고집적화가 가속화됨에 따라 단위 셀 면적이 크게 감소하고 있으며, 동작전압의 저전압화가 이루어지고 있다. 이에 따라, 소자의 리프레쉬 시간(refresh time)이 단축되고 소프트 에러(soft error)가 발생한다는 문제점들이 야기되고 있고, 이러한 문제를 방지하기 위해, 25fF/셀 이상의 높은 충전용량을 갖고 누설전류가 적은 캐패시터의 개발이 지속적으로 요구되고 있다. Recently, as the integration of memory products is accelerated due to the development of semiconductor manufacturing technology, the unit cell area is greatly reduced, and the operating voltage is reduced. As a result, problems arise such that the refresh time of the device is shortened and soft errors occur. In order to prevent such a problem, a capacitor having a high charging capacity of 25 fF / cell and a low leakage current is used. Development is constantly required.
주지된 바와 같이, 캐패시터의 충전용량은 전극 표면적 및 유전체의 유전상수에 비례하고, 전극간 거리에 해당하는 유전막 두께, 보다 정확하게는, 유전막의 등가산화막 두께(Tox: equivalent SiO2 thickness)에 반비례한다. 그러므로, 고집적 소자에서 요구되는 큰 충전용량을 갖는 캐패시터를 구현하기 위해서는 높은 유전율을 가지면서 등가산화막 두께를 낮출 수 있는 유전막을 사용해야 한다. As is well known, the charge capacity of a capacitor is proportional to the electrode surface area and the dielectric constant of the dielectric, and inversely proportional to the dielectric film thickness corresponding to the distance between electrodes, more precisely, the equivalent SiO2 thickness (Tox) of the dielectric film. Therefore, in order to implement a capacitor having a large charge capacity required in a high density device, it is necessary to use a dielectric film having a high dielectric constant and lowering the equivalent oxide film thickness.
종래 Si3N4(ε=7) 박막을 유전막으로 사용하는 NO(Nitride-Oxide) 캐패시터는 고집적화에 따르는 충전용량 확보에 한계를 드러내게 되었고, 충분한 충전용량 확보를 위해, Si3N4(ε=7) 보다 높은 유전상수를 갖는 Ta2O5(ε=25), Al2O3(ε=9) 및 HfO2(ε=20) 등을 단일 유전체로 적용한 SIS(Polisilicon-Insulator-Polisilicon) 구조의 캐패시터 개발이 이루어지고 있다.NO (Nitride-Oxide) capacitors using Si3N4 (ε = 7) thin film as a dielectric film have revealed a limitation in securing charge capacity due to high integration, and dielectric constant higher than Si3N4 (ε = 7) to secure sufficient charge capacity. Capacitors having a SIS (Polisilicon-Insulator-Polisilicon) structure in which Ta 2 O 5 (ε = 25), Al 2 O 3 (ε = 9), and HfO 2 (ε = 20) having a single dielectric are applied.
그런데, Ta2O5(ε=25)막은 누설전류에 취약할 뿐 아니라 열처리시 발생하는 산화막때문에 사실상 등가산화막의 두께를 30Å이하로 낮출 수 없다는 문제점이 있 다. 또, Al2O3(ε=9)막은 유전상수가 Si3N4(ε=7)막과 별 차이가 없기 때문에 높은 충전용량 확보에 한계가 있으며, HfO2(ε=20)막은 등가산화막의 두께를 15Å이하로 낮추면 누설전류가 증가하고 항복전압 강도가 크게 작아져 반복적인 전기적 충격에 취약하기 때문에 캐패시터의 내구성을 저하시킨다는 문제점이 있다. However, the Ta2O5 (ε = 25) film is not only susceptible to leakage current, but also has a problem in that the thickness of the equivalent oxide film cannot be lowered to 30 dB or less due to the oxide film generated during heat treatment. In addition, the Al2O3 (ε = 9) film does not differ from the Si3N4 (ε = 7) film, and thus there is a limit to securing a high charge capacity, and the HfO2 (ε = 20) film reduces the equivalent oxide thickness to 15 Å or less. There is a problem in that the durability of the capacitor is lowered because the leakage current increases and the breakdown voltage strength is greatly reduced, which is vulnerable to repetitive electric shock.
한편, 종래 SIS(Polisilicon-Insulator-Polisilicon)형 캐패시터에서 전극물질로 사용되어왔던 폴리실리콘의 경우도 고집적 소자에서 요구되는 높은 전기전도성을 확보하는데 한계가 있는바, 높은 전기전도도를 갖는 금속체를 새로운 전극물질로 사용하고자 하게 되었다.Meanwhile, polysilicon, which has been used as an electrode material in a SIS (Polisilicon-Insulator-Polisilicon) type capacitor, also has a limitation in securing high electrical conductivity required for highly integrated devices. It was intended to be used as an electrode material.
이에, 100㎚ 이하의 미세 금속배선을 갖는 고집적 디램 공정에 적용할 수 있는 새로운 캐패시터로서, 종래 폴리실리콘 전극과 단일 유전막 대신에, 금속전극과 이중 혹은 삼중 유전막를 채용한 캐패시터들이 개발되고 있다. 예컨데, 금속계 전극(TiN)과 HfO2/Al2O3와 같은 이중 유전체를 채용한 MIS(Metal-Insulator-Polisilicon) 구조의 캐패시터나, 또는, 금속계 전극(TiN)과 HfO2/Al2O3/HfO2와 같은 삼중 유전체를 채용한 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조의 캐패시터가 개발되고 있다. 상기와 같이 금속전극 및 다중 유전막을 채용함으로써, 유전막과 전극간 접합특성을 향상시키고 등가산화막의 두께를 낮추어 높은 충전용량을 확보할 수 있는 캐패시터를 구현하고자 한 것이다. Accordingly, as a new capacitor that can be applied to a highly integrated DRAM process having a fine metal wiring of 100 nm or less, conventional capacitors employing a metal electrode and a double or triple dielectric film instead of a polysilicon electrode and a single dielectric film have been developed. For example, a metal-insulator-polioliicon (MIS) capacitor employing a double dielectric such as metal based electrode (TiN) and HfO2 / Al2O3, or a triple dielectric such as metal based electrode (TiN) and HfO2 / Al2O3 / HfO2. One MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitor has been developed. By employing the metal electrode and the multiple dielectric film as described above, to improve the bonding characteristics between the dielectric film and the electrode and to reduce the thickness of the equivalent oxide film to implement a capacitor capable of ensuring a high charge capacity.
그러나, 상기한 종래의 MIS 또는 MIM 구조의 캐패시터의 경우, 70nm 이하 금속배선을 갖는 소자에 적용하는데는 어려움이 있다. 상기 MIS 또는 MIM 캐패시터의 HfO2/Al2O3 및 HfO2/Al2O3/HfO2의 다중 유전막은 등가산화막 두께 한계가 11Å 정 도이기 때문에 70nm 이하 금속배선이 적용되는 디램에서 25fF/셀 이상의 충전용량을 얻기 힘들기 때문이다. However, in the case of the conventional MIS or MIM structure capacitor, it is difficult to apply to the device having a metal wiring of 70nm or less. This is because multiple dielectric films of HfO2 / Al2O3 and HfO2 / Al2O3 / HfO2 of the MIS or MIM capacitor have an equivalent oxide thickness limit of about 11 Å, which makes it difficult to obtain a charge capacity of 25 fF / cell or more in a DRAM to which a metal wiring of 70 nm or less is applied. .
한편, 최근에는 Ru 금속을 전극물질로 사용한 Ru/Ta2O5/Ru 또는 Ru/HfO2/Ru 구조의 MIM형 캐패시터에 대한 개발이 이루어지고 있으나, 이들의 경우, 등가산화막의 두께를 11Å이하로 낮추면 높은 누설전류가 발생하기 때문에 70nm급 이하 금속배선을 갖는 512M급 이상의 차세대 디램에 적용하는 것은 어려움이 있다. Recently, development of MIM capacitors having Ru / Ta2O5 / Ru or Ru / HfO2 / Ru structures using Ru metal as an electrode material has been developed, but in these cases, when the thickness of the equivalent oxide film is lowered to 11 Å or less, high leakage Because current is generated, it is difficult to apply to next-generation DRAM of 512M class or more having metal wiring of 70nm or less.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 70nm급 이하 금속배선을 갖는 차세대 디램 제품에서 필요로하는 충전용량을 확보하면서 누설전류 특성 또한 확보할 수 있는 반도체 소자의 MIM형 캐패시터 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, the MIM type of semiconductor device that can also secure the leakage current characteristics while ensuring the charge capacity required in the next generation DRAM products having a metal wiring of 70nm or less It is an object to provide a method of forming a capacitor.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 스토리지 노드 콘택이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 스토리지 노드 콘택과 연결되게 금속 스토리지전극을 형성하는 단계; 상기 금속 스토리지전극 상에 HfO2 박막을 증착하는 단계; 상기 HfO2 박막 상에 ZrO2 박막을 증착하여 HfO2 박막과 ZrO2 박막의 이중막으로 이루어진 유전막을 형성하는 단계;및 상기 HfO2 박막과 ZrO2 박막의 이중막으로 이루어진 유전막 상에 금속 플레이트전극을 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of providing a semiconductor substrate formed with a storage node contact; Forming a metal storage electrode connected to the storage node contact; Depositing an
여기서, 상기 스토리지전극 및 플레이트전극은 TiN, Ru, TaN, W, WN, RuO2, Ir, IrO2 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 금속계 물질로 형성한다. Here, the storage electrode and the plate electrode is formed of any one metal-based material selected from the group consisting of TiN, Ru, TaN, W, WN, RuO2, Ir, IrO2 and Pt.
상기 스토리지전극을 형성하는 단계 후, 그리고, 상기 HfO2 박막을 증착하는 단계 전, 스토리지전극을 치밀화시키고 누설전류 증가의 원인이 되는 전극내 잔류 불순물이 제거되도록 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기에서 200∼800℃의 저온 어닐링을 수행한다. 이때, 상기 저온 어닐링은 플라즈마, 전기로 및 RTP(Rapid Thermal Process : 이하, RTP) 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 방식으로 수행한다.After forming the storage electrode, and before depositing the HfO2 thin film, N2, H2, N2 / H2, O2, O3 so as to densify the storage electrode and remove residual impurities in the electrode, which causes an increase in leakage current. Or low temperature annealing at 200 to 800 ° C. in an NH 3 atmosphere. In this case, the low temperature annealing is performed by any one method selected from the group consisting of a plasma, an electric furnace and a rapid thermal process (RTP).
여기서, 상기 플라즈마를 이용한 저온 어닐링은, 100∼500W의 RF 전력을 갖는 플라즈마를 이용하여, 200∼500℃ 온도범위와 0.1∼10torr 압력범위에서, 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 1∼5분 동안 진행한다. Here, the low temperature annealing using the plasma, using a plasma having an RF power of 100 ~ 500W, in the 200 ~ 500 ℃ temperature range and 0.1 ~ 10torr pressure range, while flowing the selected gas by 5sccm ~ 5slm 1-5 Proceed for minutes.
한편, 상기 전기로를 이용한 저온 어닐링은, 600∼800℃ 온도로 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행하며, RTP를 이용한 저온 어닐링은, 500∼800℃ 온도범위를 갖는 상압(700∼760torr) 또는 감압(1∼100torr) 챔버내에서 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행한다.Meanwhile, the low temperature annealing using the electric furnace is performed while flowing the selected gas at a temperature of 600 to 800 ° C. by 5 sccm to 5 slm, and the low temperature annealing using RTP is an atmospheric pressure having a temperature range of 500 to 800 ° C. (700 to 760 torr). Or in the reduced pressure (1 to 100 torr) chamber while flowing the selected gas by 5 sccm to 5 slm.
상기 HfO2 박막은 5∼50Å의 두께로 증착하며, 상기 ZrO2 박막은 10∼50Å의 두께로 증착한다. The
상기 HfO2 박막과 ZrO2 박막은 ALD(Atomic Layer Deposition : 이하, ALD) 또는 PE-ALD(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition : 이하, PE-ALD) 방법에 따라 200∼500℃의 온도에서 증착한다. The HfO2 thin film and the ZrO2 thin film are deposited at a temperature of 200 to 500 ° C. according to ALD (Atomic Layer Deposition: ALD) or PE-ALD (Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition: PE-ALD) method.
상기 HfO2 박막의 증착은 Hf의 소오스가스로 C16H36HfO4를 사용하거나 Hf를 함유한 다른 유기금속화합물(TDEAHf, TEMAHf 등)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 Hf의 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시킨다. 한편, 반응가스중 O3의 농도는 200±20g/m3으로 한다.The deposition of the HfO2 thin film using C16H36HfO4 as the source gas of Hf, or any one selected from the group consisting of other organometallic compounds containing Hf (TDEAHf, TEMAHf, etc.), the reaction gas O3, O2 and H2O vapor Use any one selected from the group consisting of At this time, the source gas of Hf flows 50-500 sccm, and the reaction gas flows 0.1-1 slm. On the other hand, the concentration of O3 in the reaction gas is 200 ± 20 g / m3.
상기 ZrO2 박막의 증착은 Zr의 소오스가스로 Zr[N(CH3)C2H5]4를 사용하거나 Zr을 함유한 다른 유기금속화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, O2, 플라즈마 O2, N2O, 플라즈마 N2O 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시키고, 반응가스중 O3의 농도는 200±20g/m3으로 한다.The deposition of the ZrO2 thin film uses Zr [N (CH3) C2H5] 4 as the source gas of Zr, or any one selected from the group consisting of other organometallic compounds containing Zr, and as a reaction gas, O3, O2, Any one selected from the group consisting of
상기 ALD 또는 PE-ALD 방법에 따라 HfO2 박막을 증착하고 ZrO2 박막을 증착하는 단계 전, 또는, ZrO2 박막을 증착하고 플레이트전극을 형성하는 단계 전, 유전막내 탄소 불순물 및 결정립을 제거하면서 유전막 표면의 거칠기(roughness)를 완화하여 궁극적으로 유전막의 누설전류 및 항복전압 특성이 향상되도록 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기에서 200∼800℃의 저온 어닐링을 수행한다. According to the ALD or PE-ALD method, before the step of depositing the HfO2 thin film and the ZrO2 thin film, or before the step of depositing the ZrO2 thin film and forming the plate electrode, roughness of the dielectric film surface while removing carbon impurities and grains in the dielectric film Low temperature annealing is performed at 200 to 800 ° C. in an
이때, 상기 저온 어닐링은 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 방식으로, 전술한 스토리지전극의 저온 어닐링 조건과 동일한 조건으로 수행한다.In this case, the low temperature annealing is performed in any one method selected from the group consisting of plasma, electric furnace, and RTP method, under the same conditions as the low temperature annealing condition of the storage electrode.
상기 플레이트전극을 형성하는 단계 후, 그리고, 후속공정을 진행하기 전, 후속공정에서의 수소 성분, 수분, 온도 및 전기적 충격으로부터 소자의 구조적 안정성을 확보하기 위해 Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2 및 TiO2와 같은 산화막 또는 TiN과 같은 금속 물질로 이루어진 보호막을 ALD 방식으로 50∼200Å 두께로 형성한다.After forming the plate electrode and before proceeding to the subsequent process, Al 2
(실시예)(Example)
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 70㎚급 이하 디램 캐패시터에 요구되는 25fF/셀 이상의 충전용량, 0.5fF/셀 이하의 누설전류 및 2.0V(@ 1pA/셀) 이상의 항복전압 특성을 얻을 목적으로, 금속 스토리지전극 상에 HfO2 박막과 ZrO2 박막을 적층한 이중 유전막을 채용한 MIM형 캐패시터를 구성한다. The present invention provides a charge capacity of 25 fF / cell or more, a leakage current of 0.5 fF / cell or less, and a breakdown voltage characteristic of 2.0 V (@ 1 pA / cell) or more required for a 70 nm or less DRAM capacitor. A MIM capacitor employing a double dielectric film in which an HfO2 thin film and a ZrO2 thin film is laminated is constructed.
이 경우, ZrO2(Eg=7.8eV,ε=25) 박막이 종래의 Ta2O5(Eg=4.5eV,ε=25) 유전막보다 큰 밴드 갭 에너지(Band Gap Energy: Eg) 값을 갖는 물질인 것과, HfO2(Eg=5.7eV,ε=20) 박막이 TiN 또는 Ru과 같은 금속과 계면친화력(interfacial affinity)이 좋은 물질인 것과 관련해서, HfO2/ZrO2의 이중 유전막은 캐패시터의 누설전류 발생 억제력을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, HfO2/ZrO2의 등가산화막의 두께를 11Å 이하로 낮출 수 있다. 그러므로, HfO2/ZrO2의 이중 유전막을 채용한 본 발명의 MIM형 캐패시터는 셀 사이즈가 작은 70nm급 이하 디램에서도 25fF/셀 이상의 대용량의 충전용량을 얻을 수 있다. In this case, the ZrO2 (Eg = 7.8eV, ε = 25) thin film is a material having a band gap energy (Eg) value larger than that of the conventional Ta2O5 (Eg = 4.5eV, ε = 25) dielectric film, and HfO2 (Eg = 5.7eV, ε = 20) As the thin film is a material with good interfacial affinity with a metal such as TiN or Ru, the double dielectric film of HfO2 / ZrO2 can improve the suppression of the leakage current generation of the capacitor. have. Thereby, the thickness of the equivalent oxide film of HfO2 / ZrO2 can be reduced to 11 kPa or less. Therefore, the MIM capacitor of the present invention employing a double dielectric film of HfO2 / ZrO2 can obtain a large-capacity charging capacity of 25 fF / cell or more even in a 70 nm or less DRAM having a small cell size.
결과적으로, HfO2/ZrO2의 이중 유전막을 채용한 본 발명의 캐패시터는 70nm급 이하 금속배선을 갖는 차세대 디램 제품에서 필요로하는 충전용량을 확보하면서 양상적용 가능한 누설전류 및 항복전압 특성 또한 확보할 수 있다. As a result, the capacitor of the present invention employing the double dielectric film of HfO2 / ZrO2 can secure the applicable leakage current and breakdown voltage characteristics while securing the charging capacity required for the next generation DRAM products having a metal wiring of 70 nm or less. .
자세하게, 도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating processes of forming a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.
도 1a를 참조하면, 트랜지스터 및 비트라인을 포함한 하부 패턴들(도시안됨)이 형성된 반도체 기판(1)의 전면 상에 상기 하부 패턴들을 덮도록 층간절연막(2)을 형성한다. 그런다음, 상기 층간절연막(2)을 식각하여 기판 접합영역 또는 랜딩플러그폴리(LPP)를 노출시키는 콘택홀(3)을 형성한 후, 상기 콘택홀(3) 내에 도전막을 매립시켜 스토리지 노드 콘택(4)을 형성한다. 이어서, 상기 스토리지 노드 콘택(4)을 포함한 층간절연막(2) 상에 스토리지 노드 콘택(4)과 연결되게 스토리지전극(10)을 형성한다. Referring to FIG. 1A, an
여기서, 상기 스토리지전극(10)은 TiN, Ru, TaN, W, WN, RuO2, Ir, IrO2 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 금속계 물질로 형성하되, 200∼500Å 두께로 형성한다. 또한, 상기 스토리지전극(10)은 도시된 바와 같은 원통형(cylinder) 구조 이외에 오목(concave) 구조, 또는, 단순 플레이트(plate) 구조로도 형성 가능하다. Here, the
상기 스토리지전극(10)을 형성한 후, 스토리지전극(10)을 치밀화시키고 누설전류 증가의 원인이 되는 전극내 잔류 불순물이 제거되도록 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기에서 200∼800℃의 저온 어닐링을 수행한다.After the
이때, 상기 저온 어닐링은 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 방식으로 수행한다. 플라즈마를 이용하여 어닐링할 경우, 100∼500W의 RF 전력을 갖는 플라즈마를 이용하여, 200∼500℃ 온도범위와 0.1∼10torr 압력범위에서, 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 1∼5분 동안 진행한다. 한편, 전기로를 이용하여 어닐링할 경우, 600∼800℃ 온도로 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행하며, RTP를 이용하여 어닐링할 경우, 500∼800℃ 온도범위를 갖는 상압(700∼760torr) 또는 감압(1∼100torr) 챔버내에서 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행한다. In this case, the low temperature annealing is performed by any one method selected from the group consisting of plasma, electric furnace and RTP method. When annealing using a plasma, a plasma having an RF power of 100 to 500 W is used for 1 to 5 minutes while flowing a selected gas by 5 sccm to 5 slm at a temperature range of 200 to 500 ° C. and a pressure range of 0.1 to 10 torr using a plasma having a power of 100 to 500 W. do. On the other hand, when annealing using an electric furnace, a gas selected at 600 to 800 ° C is flowed by 5 sccm to 5 slm, and when annealing using RTP, an atmospheric pressure having a temperature range of 500 to 800 ° C (700 to 760torr) is used. Or in a reduced pressure (1 to 100 torr) chamber while flowing the selected gas by 5 sccm to 5 slm.
도 1b를 참조하면, 상기 스토리지전극(10) 상에 HfO2 박막(12)을 증착하고, 그런다음, 상기 HfO2 박막(12) 상에 ZrO2 박막(14)을 증착하여 HfO2 박막(12)과 ZrO2 박막(14)의 이중막으로 이루어진 유전막(20)을 형성한다. Referring to FIG. 1B, a HfO2
여기서, 상기 HfO2 박막(12) 및 ZrO2 박막(14)은 고용량의 충전용량을 유지시키면서, 유전막의 누설전류 특성을 0.5fF/셀 이하 수준으로 낮추며 항복전압 특성을 2.0V(@ 1pA/셀) 이상으로 유지시키기 위한 것으로, ALD 또는 PE-ALD 방법에 따라 200∼500℃의 온도에서 HfO2 박막(12)은 5∼50Å의 두께로, ZrO2 박막(14)은 10∼50Å의 두께로 증착한다.(도 2 참조)Here, the HfO2
도 3은 ALD 또는 PE-ALD 공정에 따른 HfO2 박막(12) 및 ZrO2 박막(14)의 증착 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 도시된 바와 같이 HfO2 박막(12) 및 ZrO2 박막(14)의 증착은 "소오스가스 플로우, 퍼지, 반응가스 플로우, 퍼지"를 순차 진행하는 증착 싸이클을, 소망하는 두께의 박막이 얻어질 때까지 반복 수행하는 방식으로 진행한다. 3 is a view for explaining the deposition process of the HfO2
이때, 상기 HfO2 박막의 증착은 Hf의 소오스가스로 C16H36HfO4를 사용하거나 Hf를 함유한 다른 유기금속화합물(TDEAHf, TEMAHf 등)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 Hf의 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시킨다. 한편, 반응가스중 O3의 농도는 200±20g/m3으로 한다. At this time, the deposition of the HfO2 thin film using any one selected from the group consisting of C16H36HfO4 as the source gas of Hf or other organometallic compounds (TDEAHf, TEMAHf, etc.) containing Hf, the reaction gas O3, O2 and Use any one selected from the group consisting of H2O steam. At this time, the source gas of Hf flows 50-500 sccm, and the reaction gas flows 0.1-1 slm. On the other hand, the concentration of O3 in the reaction gas is 200 ± 20 g / m3.
한편, 상기 ZrO2 박막의 증착은 Zr의 소오스가스로 Zr[N(CH3)C2H5]4를 사용하거나 Zr을 함유한 다른 유기금속화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 전구체로 사용하고, 반응가스로 O3, O2, 플라즈마 O2, N2O, 플라즈마 N2O 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시키고, 반응가스중 O3의 농도는 200±20g/m3으로 한다. On the other hand, the deposition of the ZrO2 thin film using Zr [N (CH3) C2H5] 4 as the source gas of Zr or any one selected from the group consisting of other organometallic compounds containing Zr as a precursor, and as a reaction gas Any one selected from the group consisting of
아울러, 상기 ALD 또는 PE-ALD 방법에 따라 HfO2 박막을 증착하고 ZrO2 박막을 증착하는 단계 전, 또는, ZrO2 박막을 증착하고 플레이트전극을 형성하는 단계 전, 유전막내 탄소 불순물 및 결정립을 제거하면서 유전막 표면의 거칠기(roughness)를 완화하여 궁극적으로 유전막의 누설전류 및 항복전압 특성이 향상되도록 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기에서 200∼800℃의 저온 어닐링을 수행한다. In addition, before depositing the HfO2 thin film and depositing the ZrO2 thin film according to the ALD or PE-ALD method, or before depositing the ZrO2 thin film and forming the plate electrode, the dielectric film surface is removed while removing carbon impurities and grains in the dielectric film. The low temperature annealing is performed at 200 to 800 ° C. in an
이때, 상기 저온 어닐링은 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 방식으로 수행한다. 상기 플라즈마, 전기로 및 RTP 방식의 어닐링은 전술한 스토리지전극의 저온 어닐링 조건과 동일한 조건으로 진행한다.In this case, the low temperature annealing is performed by any one method selected from the group consisting of plasma, electric furnace and RTP method. The annealing of the plasma, the electric furnace and the RTP method is performed under the same conditions as the low temperature annealing condition of the storage electrode.
도 1c를 참조하면, 상기 HfO2/ZrO2의 유전막(20) 상에 TiN, TaN, W, WN, Ru, RuO2, Ir, IrO2 및 Pt과 같은 금속계 물질로 이루어진 플레이트전극(30)을 형성하고, 이를 통해, HfO2/ZrO2의 이중막 구조로 이루어진 유전막(20)이 채용된 본 발명에 따른 MIM형 캐패시터(40)의 형성을 완성한다.Referring to FIG. 1C, a
여기서, 상기 플레이트전극(30)의 형성 후에는 후속 집적공정 또는 패키지 공정에서의 환경성 테스트에서 수소(hydrogen) 성분, 수분, 온도 또는 전기적 충격 등으로부터 캐패시터(40)의 구조적인 안정성을 확보하기 위한 보호막으로서 Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2 및 TiO2와 같은 산화막 또는 TiN과 같은 금속 물질로 이루어진 보호막을 ALD 방식으로 50∼200Å 두께로 증착함이 바람직하다. Here, after the
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.As mentioned above, although the present invention has been illustrated and described with reference to specific embodiments, the present invention is not limited thereto, and the following claims are not limited to the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention. It can be easily understood by those skilled in the art that can be modified and modified.
이상에서와 같이, 본 발명은 MIM형 캐패시터의 유전막으로, 금속과 계면친화력(interfacial affinity)이 우수한 HfO2 박막과 큰 밴드 갭 에너지와 유전상수를 갖는 ZrO2 박막의 이중막으로 이루어진 ZrO2/HfO2 유전막을 채용함으로써, 종래의 Ta2O5, HfO2 및 ZrO2 등을 단일 유전막으로 채용한 MIM형 캐패시터 보다 낮은 등가산화막 두께(11Å 이하) 및 누설전류 특성(0.5fA/셀 이하)을 얻을 수 있고, 아울러, 2.0V(@ 1pA/셀) 이상의 항복전압 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 MIM 형 캐패시터는 70㎚급 이하의 고집적 메모리 제품에서 요구하는 25fF/셀 이상의 충분한 충전용량을 얻을 수 있다. As described above, the present invention adopts a ZrO2 / HfO2 dielectric film composed of a double layer of a HfO2 thin film having excellent interfacial affinity with a metal and a ZrO2 thin film having a large band gap energy and dielectric constant as a dielectric film of a MIM type capacitor. As a result, an equivalent oxide film thickness (11 kΩ or less) and leakage current characteristics (0.5 fA / cell or less) can be obtained, compared to conventional MIM capacitors employing Ta2O5, HfO2, ZrO2, and the like as a single dielectric film. Breakdown voltage characteristics of 1 pA / cell) can be obtained. Therefore, the MIM capacitor of the present invention can obtain sufficient charge capacity of 25 fF / cell or more required for a high density memory product of 70 nm or less.
또한, 본 발명은 고유전율을 가지면서 내열성이 우수한 ZrO2막을 HfO2막 상에 적층한 이중 유전막을 형성함으로써, HfO2막의 열안정성 문제와 누설전류 발생 문제를 동시에 해결할 수 있어, 반도체 소자의 열안정성 및 전기적 성능을 동시에 향상시킬 수 있다. In addition, the present invention forms a double dielectric film in which a
결과적으로, 본 발명의 MIM형 캐패시터는 70㎚급 이하의 고집적 메모리 제품에서 요구하는 충전용량과 누설전류 및 항복전압 특성을 만족시킬 수 있고, 아울러, 높은 온도를 요하는 후속공정의 온도 제약을 해소할 수 있으므로, ULSI(Ultra Large Scale Integration) 제품군의 캐패시터로서 용이하게 적용할 수 있다. As a result, the MIM capacitor of the present invention can satisfy the charge capacity, leakage current, and breakdown voltage characteristics required for 70 nm or less highly integrated memory products, and remove the temperature constraints of subsequent processes requiring high temperatures. As a result, it can be easily applied as a capacitor of ULSI (Ultra Large Scale Integration) family.
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