KR20080062007A - Method for forming capacitor of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도1A to 1D are cross-sectional views illustrating processes of forming a capacitor of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명과 종래 기술에 따른 캡핑막의 증착 온도를 보여주는 그래프.Figure 2 is a graph showing the deposition temperature of the capping film according to the present invention and the prior art.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
110: 반도체기판 120: 층간절연막110: semiconductor substrate 120: interlayer insulating film
130: 스토리지 노드 콘택 140: 몰드절연막130: storage node contact 140: mold insulating film
150: 접착층 151: TiSix막150: adhesive layer 151: TiSix film
160: 스토리지 노드 170: 유전체막160: storage node 170: dielectric film
180: 플레이트 노드용 금속막 190: 저온의 캡핑막180: metal film for the plate node 190: low temperature capping film
본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유전체막의 결정화를 억제하여 유전체막의 결정립계를 통한 누설전류 증가를 방지할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a capacitor of a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a capacitor of a semiconductor device capable of suppressing an increase in leakage current through grain boundaries of the dielectric film by suppressing crystallization of the dielectric film.
반도체 메모리 소자의 수요가 급증함에 따라 디램과 같은 메모리 소자에서 소정의 데이터를 저장하는 기억 장소로서 기능하는 고용량의 캐패시터(capacitor)를 얻기 위한 다양한 기술들이 제안되고 있다. 여기서, 캐패시터는 스토리지 노드(storage node)와 플레이트 노드(plate node) 사이에 유전체막(dielectric)이 개재된 구조로서, 그 용량은 전극 표면적과 유전체막의 유전율에 비례하며, 전극들간의 간격, 즉, 유전체막의 두께에 반비례한다.As the demand for semiconductor memory devices soars, various techniques have been proposed for obtaining high capacity capacitors that function as storage locations for storing predetermined data in memory devices such as DRAMs. Here, the capacitor is a structure in which a dielectric film is interposed between the storage node and the plate node, the capacitance of which is proportional to the surface area of the electrode and the dielectric constant of the dielectric film, and the distance between the electrodes, that is, It is inversely proportional to the thickness of the dielectric film.
한편, 고용량의 캐패시터를 얻기 위해서는 유전율이 큰 유전체막을 사용하거나, 전극 표면적을 확대시키거나, 또는, 전극들간의 거리를 줄이는 것이 요구된다. 그런데, 전극들간의 거리, 즉, 유전체막의 두께를 줄이는 것은 그 한계가 있는 바, 고용량의 캐패시터를 형성하기 위한 연구는 유전율이 큰 유전체막을 사용하거나, 또는, 전극 표면적을 넓히는 방식으로 진행되고 있다.On the other hand, in order to obtain a high capacity capacitor, it is required to use a dielectric film having a high dielectric constant, to enlarge the electrode surface area, or to reduce the distance between the electrodes. However, reducing the distance between the electrodes, that is, the thickness of the dielectric film has its limitation, and researches for forming a capacitor having a high capacity have been conducted by using a dielectric film having a high dielectric constant or increasing the electrode surface area.
일반적으로, 스토리지 노드 및 플레이트 노드로는 TiN이 그 공정의 용이성 때문에 널리 사용되고 있으며, 유전체막으로는 Al2O3, HfO2, ZrO2 및 Ta2O5가 널리 사용되고 있다.In general, TiN is widely used as a storage node and a plate node because of its ease of processing, and Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2, and Ta 2 O 5 are widely used as dielectric films.
한편, 캐패시터 상부에 금속배선을 형성하기 위한 IMD(Inter Metal Dielectic) 식각 공정시, 셀지역과 주변지역간의 단차로 인한 셀지역의 과도 식각을 방지하기 위해 상기 플레이트 노드 상에 캡핑막(Capping layer)을 형성하고 있다.Meanwhile, a capping layer is formed on the plate node to prevent excessive etching of the cell region due to the step between the cell region and the surrounding region during the intermetal dielectic (IMD) etching process for forming the metal wiring on the capacitor. To form.
통상적으로, 상기 캡핑막은 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD) 방식에 따라 SiH4 가스를 이용하여 형성하고 있으며, 상기 SiH4의 열분해 온도가 500℃ 온도임에 따라 증착 온도는 500℃ 정도이다.Typically, the capping film is formed by using SiH 4 gas according to Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) method, and the deposition temperature is about 500 ° C. as the pyrolysis temperature of the SiH 4 is 500 ° C. to be.
그러나, 상기 캡핑막의 증착 온도가 상기 유전체막의 증착 온도(250∼480℃)와 플레이트 노드의 증착 온도(∼450℃) 보다 높음에 따라 캡핑막 형성시 유전체막의 결정화 정도가 증가하게 되면서 유전체막의 결정립계를 통한 누설 전류의 증가 현상이 발생되고 있다.However, as the deposition temperature of the capping film is higher than the deposition temperature of the dielectric film (250 to 480 ° C.) and the plate node deposition temperature (˜450 ° C.), the degree of crystallization of the dielectric film increases when the capping film is formed. An increase in leakage current is occurring.
다시말하면, 상기 유전체막은 플레이트 노드 및 캡핑막의 증착 온도에 따라 결정화 정도가 달라지게 되는데, 상기 캡핑막의 증착 온도가 유전체막의 증착 온도 보다 높은 경우에는 유전체막의 결정화는 증가하게 되면서 유전체막의 결정립계를 통한 누설 전류의 증가 현상을 발생시킨다.In other words, the degree of crystallization of the dielectric layer varies depending on the deposition temperature of the plate node and the capping layer. When the deposition temperature of the capping layer is higher than the deposition temperature of the dielectric layer, the crystallization of the dielectric layer increases and leakage current through the grain boundary of the dielectric layer increases. Causes an increase of the phenomenon.
반면, 유전체막의 결정화 증가로 인한 누설 전류의 증가 현상을 방지하기 위해서는 유전체막의 두께를 증가시켜야 하나, 이는, 상대적으로 캐패시턴스(capacitance)의 감소 및 센싱 마진(sensing margin)의 감소를 가져와 소자 동작의 불량을 유발시키게 된다.On the other hand, in order to prevent an increase in leakage current due to an increase in the crystallization of the dielectric film, the thickness of the dielectric film should be increased, which causes relatively poor capacitance and a sensing margin, resulting in poor device operation. Will cause.
본 발명은 캡핑막의 증착 온도를 낮게 갖도록 하여 유전체막의 결정화를 억제할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a method for forming a capacitor of a semiconductor device capable of suppressing crystallization of a dielectric film by having a low deposition temperature of a capping film.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 스토리지 노드 콘택이 구 비된 반도체기판 상에 스토리지 노드 형성 영역을 갖는 홀이 구비된 몰드절연막을 형성하는 단계; 상기 홀의 전면 상에 스토리지 노드를 형성하는 단계; 및 상기 스토리지 노드를 포함한 몰드절연막 상에 유전체막과 플레이트 노드용 금속막 및 캡핑막을 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법에 있어서, 상기 캡핑막은, 400∼500℃의 온도에서 Si2H6 가스 및 Si2H6 가스를 포함한 가스 중에서 어느 하나의 가스를 플로우 시키면서 형성하는 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes forming a mold insulating film having a hole having a storage node forming region on a semiconductor substrate provided with a storage node contact; Forming a storage node on the front of the hole; And forming a dielectric film, a metal film for a plate node, and a capping film on a mold insulating film including the storage node. The method of claim 1, wherein the capping film is formed of Si 2 at a temperature of 400 to 500 ° C. Provided are a method of forming a capacitor of a semiconductor device which is formed while flowing any one of gases including H 6 gas and Si 2 H 6 gas.
여기서, 상기 캡핑막은 400∼500℃의 온도로 형성하되, 바람직하게는, 430∼470℃의 온도로 형성하는 것을 포함한다.Here, the capping film may be formed at a temperature of 400 to 500 ° C., preferably, at a temperature of 430 to 470 ° C.
상기 Si2H6 가스를 포함한 가스는 Si2H6＋SiH4의 혼합 가스인 것을 포함한다.The gas containing the Si 2 H 6 gas includes a mixed gas of Si 2 H 6 + SiH 4 .
상기 홀이 구비된 몰드절연막을 형성하는 단계 후, 상기 홀의 전면 상에 스토리지 노드를 형성하는 단계 전, 상기 홀을 포함한 몰드절연막 상에 접착층을 형성하는 단계; 및 상기 접착층을 열처리하는 단계;를 더 포함한다.Forming an adhesive layer on the mold insulating layer including the hole after forming the mold insulating layer including the hole and before forming the storage node on the front surface of the hole; And heat treating the adhesive layer.
상기 접착층은 Ti막인 것을 포함한다.The adhesive layer includes a Ti film.
상기 유전체막은 ALD 방식에 따라 형성하는 것을 포함한다.The dielectric film includes forming according to the ALD method.
상기 유전체막은 Al2O3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, TiO2 및 STO 물질 중에서 어느 하나 이상의 물질을 사용하여 형성하는 것을 포함한다.The dielectric film may be formed using any one or more of Al 2
상기 스토리지 노드는 TiN막, TaN막, WN막, Pt막 및 Ru막 중에서 어느 하나의 막으로 형성하는 것을 포함한다.The storage node may be formed of any one of a TiN film, a TaN film, a WN film, a Pt film, and a Ru film.
상기 플레이트 노드용 금속막은 CVD 방식 또는 ALD 방식에 따라 형성하는 것을 포함한다.The plate node metal film may be formed by a CVD method or an ALD method.
상기 플레이트 노드용 금속막은 TiN막, TaN막, WN막, Pt막 및 Ru막 중에서 어느 하나의 막으로 형성하는 것을 포함한다.The plate node metal film may be formed of any one of a TiN film, a TaN film, a WN film, a Pt film, and a Ru film.
상기 캡핑막은 50∼400Å 두께로 형성하는 것을 포함한다.The capping film may be formed to a thickness of 50 to 400
(실시예)(Example)
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명의 기술적 원리를 설명하면, 본 발명은 캐패시터용 상부막인 플레이트 노드 상부에 캡핑막(Capping layer) 형성시, Si2H6 가스, 또는, Si2H6 가스를 포함한 가스, 즉, Si2H6＋SiH4의 혼합가스를 플로우(flow) 시키면서 수행하는 것을 특징으로 한다.First, the technical principle of the present invention, when the capping layer (Capping layer) is formed on the plate node, the upper layer for the capacitor, the gas containing Si 2 H 6 gas, or Si 2 H 6 gas, namely , Si 2 H 6 + SiH 4 It is characterized by performing while flowing (flow) the mixed gas.
이와 같이, 상기 캡핑막을 Si2H6 가스 또는 Si2H6＋SiH4의 혼합가스를 사용하여 형성하게 되면, 저온 공정으로 캡핑막을 형성할 수 있게 되므로, 상기 캡핑막의 고온 공정으로 인한 유전체막의 결정화 증가를 억제할 수 있게 된다.As such, when the capping film is formed using a mixed gas of Si 2 H 6 gas or Si 2 H 6 + SiH 4 , the capping film can be formed by a low temperature process, thereby increasing the crystallization of the dielectric film due to the high temperature process of the capping film. Can be suppressed.
자세하게는, 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 캐패시터 형성방법을 설명하도록 한다.In detail, a method of forming a capacitor of a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 1D.
도 1a를 참조하면, 층간절연막(120) 및 층간절연막(120) 사이에 폴리 계열의 스토리지 노드 콘택(storage lode contact, 130)이 형성된 반도체기판(110)을 마련 한 후, 상기 스토리지 노드 콘택 (130)및 층간절연막(120) 상에 몰드절연막(140)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, after the
그런다음, 상기 몰드절연막(140)을 식각하여 스토리지 노드 콘택(130)을 노출시키면서 스토리지 노드(storage lode) 형성 영역을 한정하는 홀(H)을 형성한다.Thereafter, the
도 1b를 참조하면, 상기 홀(H)을 포함한 몰드절연막(140) 상에 접착층으로 Ti막(티타늄막,150)을 증착한 후, 상기 Ti막(150)에 대해 고온의 열처리(annealing) 공정을 진행한다.Referring to FIG. 1B, after depositing a Ti film (titanium film) 150 with an adhesive layer on the
이때, 상기 열처리 공정시, 상기 폴리 계열인 스토리지 노드 콘택(130)과 Ti막의 일부가 반응하게 되면서 스토리지 노드 콘택(130)과 Ti막(150)의 계면 사이에 TiSix막(티타늄실리사이드막,151)이 형성한다.At this time, during the heat treatment process, a TiSix layer (titanium silicide layer 151) is formed between the
그런다음, 상기 TiSix막(151)을 포함한 Ti막(150) 상에 스토리지 노드용 금속막을 증착한다.Then, a metal film for the storage node is deposited on the
이때, 상기 스토리지 노드용 금속막은 TiN막, TaN막, WN막, Pt막 및 Ru막 중에 어느 하나의 막을 사용하여 증착하도록 한다.In this case, the storage node metal film is deposited using any one of a TiN film, a TaN film, a WN film, a Pt film, and a Ru film.
다음으로, 상기 스토리지 노드용 금속막을 식각하여 상기 홀(H)의 전면 상에 스토리지 노드(160)을 형성함과 아울러 이웃하는 스토리지 노드(160)들간을 분리시킨다.Next, the
도 1c를 참조하면, 상기 스토리지 노드(160)를 포함한 몰드절연막(140) 상에 고유전율을 갖는 유전체막(170)을 증착한다.Referring to FIG. 1C, a
이때, 상기 유전체막(170)은 원자층증착(Atomic Layer Deposition: 이하 ,ALD) 방식에 따라 형성하도록 하며, Al2O3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, TiO2 및 STO 물질 중에서 어느 하나 이상의 물질을 사용하여 증착하도록 한다.In this case, the
그런다음, 상기 유전체막(170) 상에 플레이트 노드용 금속막(180)을 증착한다.Then, a plate
이때, 상기 플레이트 노드용 금속막(180)은 화학적기상증착(Chemical Vapor Deposition: 이하, CVD) 방식 또는 ALD 방식에 따라 형성하도록 하며, TiN막, TaN막, WN막, Pt막 및 Ru막 중에서 어느 하나의 막을 사용하여 형성하도록 한다. At this time, the plate
한편, 도시하지는 않았으나, 상기에 전술한 바와 같은 방식으로 플레이트 노드용 금속막을 1차로 증착하고 나서, 상기 1차로 증착된 플레이트 노드용 금속막 상에 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition: 이하 PVD) 방식에 따라 TiN막을 증착하여 이중막으로 이루어진 플레이트 노드용 금속막을 형성할 수 있다.On the other hand, although not shown, after the first deposition of the metal film for the plate node in the same manner as described above, the physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition: PVD) method on the first deposited metal film for the node Accordingly, a TiN film may be deposited to form a metal film for plate nodes formed of a double film.
도 1d를 참조하면, 상기 플레이트 노드용 금속막(180) 상에 캡핑막(Capping layer,190)을 50∼400Å 두께로 형성한다.Referring to FIG. 1D, a
이때, 상기 캡핑막(190)은 저압(low pressure)의 분위기에서 Si2H6 가스를 플로우시키면서 비도핑된(un-doping) Si막 또는 도핑된 Si막으로 형성한다.In this case, the
여기서, 상기 Si2H6 가스는 저온에서도 그 분해능이 가능하기 때문에 저온인 400∼500℃의 온도, 바람직하게는, 430∼470℃ 온도로 형성하도록 한다. Here, the Si 2 H 6 The gas can be formed at a low temperature of 400 to 500 ° C., preferably at a temperature of 430 to 470 ° C., because the resolution is possible at low temperatures.
한편, 상기 캡핑막을 Si2H6 가스를 포함한 가스, 바람직하게는, Si2H6＋SiH4의 혼합 가스를 플로우 시키면서 형성하는 것도 가능하다.On the other hand, the capping film may be formed while flowing a gas containing Si 2 H 6 gas, preferably a mixed gas of Si 2 H 6 + SiH 4 .
이처럼, 상기 캡핑막(190)은 저온의 온도에서 분해능이 발생하는 Si2H6 가스 및 Si2H6＋SiH4의 혼합 가스로 형성함에 따라, 저온의 증착 온도를 갖는 캡핑막의 형성이 가능하게 되므로, 캡핑막의 형성시 상기 유전체막(170)의 결정화를 최소화시킬 수 있게 된다.As such, the
따라서, 상기 저온의 증착 온도를 갖는 캡핑막으로 인하여 상기 유전체막의 결정화를 억제할 수 있게 되어, 이로 인해, 유전체막의 결정립계를 통한 캐패시터의 누설 전류를 감소시킬 수 있게 된다.Therefore, the crystallization of the dielectric film can be suppressed due to the capping film having the low temperature deposition temperature, thereby reducing the leakage current of the capacitor through the grain boundary of the dielectric film.
도 2는 종래의 기술에 따른 캡핑막의 증착 온도와 본 발명의 실시예에 따른 캡핑막의 증착 온도를 나타내는 그래프로서, 도시된 바와 같이, 종래의 기술에서의 SiH4 가스를 사용한 캡핑막의 증착 온도보다 본 발명의 기술에서의 Si2H6 가스를 사용한 캡핑막의 증착 온도가 더 낮은 것을 볼 수 있다. Figure 2 is a graph showing the deposition temperature of the capping film according to the prior art and the deposition temperature of the capping film according to an embodiment of the present invention, as shown, as shown, than the deposition temperature of the capping film using the SiH 4 gas in the prior art Si 2 H 6 in the technology of the invention It can be seen that the deposition temperature of the capping film using the gas is lower.
이후, 도시하지는 않았으나, 상기 캡핑막과 플레이트 노드용 금속막 및 유전체막을 식각하여 본 발명의 실시예에 따른 스토리지 노드와 유전체막 및 플레이트 노드로 구성된 캐패시터를 형성한다.Subsequently, although not shown, the capping layer, the metal layer for the plate node, and the dielectric layer are etched to form a capacitor including the storage node, the dielectric layer, and the plate node according to the embodiment of the present invention.
전술한 바와 같이, 본 발명은, 저온에서 분해능이 가능한 Si2H6 가스 또는 Si2H6＋SiH4의 혼합 가스를 사용하여 캡핑막을 형성함에 따라, 저온의 증착 온도로 캡핑막의 형성이 가능하게 됨으로써, 이로 인해, 고온의 캡핑막 증착시 유전체막의 결정화 증가를 억제할 수 있어, 결과적으로, 캐패시터의 누설 전류를 감소시킬 수 있다.As described above, the present invention is Si 2 H 6 capable of resolution at low temperatures As the capping film is formed using a gas or a mixed gas of Si 2 H 6 + SiH 4 , the capping film can be formed at a low deposition temperature, thereby suppressing an increase in the crystallization of the dielectric film during the deposition of a high temperature capping film. As a result, the leakage current of the capacitor can be reduced.
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, 캐패시터의 상부전극인 플레이트 노드 상부에 저온에서 분해능이 가능한 Si2H6 가스, 또는, Si2H6＋SiH4의 혼합가스를 사용하여 캡핑막을 형성함으로써, 저온의 증착 온도로 캡핑막을 형성할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, a capping film is formed by using a Si 2 H 6 gas or a mixed gas of Si 2 H 6 + SiH 4 that can be resolved at low temperature on the plate node, which is the upper electrode of the capacitor. The capping film can be formed at the deposition temperature.
따라서, 본 발명은 저온 공정으로 캡핑막을 형성할 수 있게 되므로, 상기 캡핑막의 고온 공정으로 인한 유전체막의 결정화 증가를 억제할 수 있게 되어, 유전체막의 결정립계를 통한 캐패시터의 누설 전류를 감소시킬 수 있어, 결과적으로, 소자의 특성 향상을 기대할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.Therefore, the present invention can form a capping film in a low temperature process, it is possible to suppress the increase in crystallization of the dielectric film due to the high temperature process of the capping film, it is possible to reduce the leakage current of the capacitor through the grain boundary of the dielectric film, resulting Thus, the effect of improving the characteristics of the device can be obtained.
Claims (11)
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