KR20080062726A - Metal-insulator-metal capacitor having high capacitance and method of fabricating the same - Google Patents

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Abstract

A metal-insulator-metal capacitor with high capacitance and a fabricating method thereof are provided to prevent electrical quality degradation due to the high-temperature thermal treatment by forming a ZrNbO layer with excellent thermal stability. A metal-insulator-metal capacitor having high capacitance comprises a first metal layer(220), a ZrNbO(Zirconium Niobium Oxide) layer(240), and a second metal layer(260). The first metal cylinder as a capacitor bottom electrode, shaped like a cylinder and a concave, is placed on a semiconductor substrate(200). The ZrNbO layer as a capacitor dielectric film is placed on the first metal layer. The second metal layer as an upper electrode film is positioned on the ZrNbO layer. The first metal layer has a thickness of 100 Å to 500Å. A thickness of the ZrNbO layer is 50Å to 150Å.

Description

높은 커패시턴스를 갖는 금속-절연체-금속 커패시터 및 그 제조방법{Metal-insulator-metal capacitor having high capacitance and method of fabricating the same}Metal-insulator-metal capacitor having high capacitance and method of fabrication thereof {Metal-insulator-metal capacitor having high capacitance and method of fabricating the same}

도 1은 종래의 금속-절연체-금속 커패시터를 나타내 보인 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional metal-insulator-metal capacitor.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-절연체-금속 커패시터를 나타내 보인 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a metal-insulator-metal capacitor according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속-절연체-금속 커패시터를 나타내 보인 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a metal-insulator-metal capacitor according to another embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 금속-절연체-금속 커패시터의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막을 형성하는 과정의 일 예를 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.을 형성하는 과정의 일 예를 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.4 is a view illustrating an example of a process of forming a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film of a metal-insulator-metal capacitor according to an embodiment of the present invention. to be.

도 5는 본 발명에 따른 금속-절연체-금속 커패시터의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막을 형성하는 과정의 다른 예를 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.FIG. 5 is a view illustrating another example of a process of forming a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film of a metal-insulator-metal capacitor according to the present invention.

본 발명은 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 높은 커패시턴스 를 갖는 금속-절연체-금속 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitor and a method of manufacturing the same, and more particularly to a metal-insulator-metal capacitor having a high capacitance and a method of manufacturing the same.

최근 반도체소자의 집적도 증가로 인해, 셀의 단면적이 감소하고 있다. 따라서 특히 디램(DRMA; Dynamic Random Access Memory)과 같은 메모리소자의 경우, 소자 동작에 필요한 커패시턴스(capacitance)를 얻기가 점점 어려워지고 있다. 이에 따라 기가비트(giga bit)급 이상의 메모리소자를 동작시키는데 필요한 커패시터를 제조하는데 있어서, 유전체막의 두께를 박막화하고, 커패시터의 유효단면적을 증가시키기 위하여 실린더(cylinder)형, 컨케이브(concave)형과 같은 3차원 구조의 하부전극막을 채용하고 있다. 그러나 이와 같은 방법만으로는 집적도 증가추세에 부응하지 못하고 있으며, 따라서 최근에는 유전체막으로서 고유전율을 갖는 유전체막을 사용하려는 노력이 이루어지고 있다.Due to the recent increase in the degree of integration of semiconductor devices, the cell cross-sectional area is decreasing. Therefore, especially in the case of a memory device such as a dynamic random access memory (DRMA), it is increasingly difficult to obtain the capacitance required for device operation. Accordingly, in manufacturing a capacitor required to operate a gigabit class or more memory device, in order to reduce the thickness of the dielectric film and increase the effective area of the capacitor, such as a cylinder type and a concave type The lower electrode film of the three-dimensional structure is adopted. However, such a method alone does not meet the trend of increasing integration, and thus, efforts have recently been made to use a dielectric film having a high dielectric constant as the dielectric film.

고유전율을 갖는 유전체막을 채용하는 경우, 금속-절연체-금속(MIM; metal-insulater-metal) 구조로 커패시터를 형성하는 것이 바람직한 것으로 알려져 있다. 통상적으로 폴리실리콘-절연체-폴리실리콘(SIS; polysilicon-insulator-polysilicon) 구조에서 사용되는 폴리실리콘 전극의 경우, 유전체막과의 반응을 억제해주기 위한 저유전체막이 필요한데, 이 저유전체막으로 인해 전체 커패시턴스를 개선하는데 한계를 나타낸다. 이에 반해 일함수(work function)가 큰 금속막으로 전극을 형성하는 금속-절연체-금속 커패시터는 금속전극막과 유전체막 사이의 계면에 장벽층이 형성되며, 이 장벽층에 의해 누설전류가 제어된다. 따라서 저유전체막을 추가하지 않아도 안정된 전기적인 특성을 확보할 수 있으며, 그 결과 유전체막의 박막화를 통해 커패시턴스를 증대시킬 수 있게 된다.In the case of employing a dielectric film having a high dielectric constant, it is known to form a capacitor in a metal-insulater-metal (MIM) structure. In general, a polysilicon electrode used in a polysilicon-insulator-polysilicon (SIS) structure requires a low dielectric film to suppress a reaction with a dielectric film, and the low dielectric film causes a total capacitance. It shows the limit to improve. In contrast, in the metal-insulator-metal capacitor forming an electrode with a metal film having a large work function, a barrier layer is formed at the interface between the metal electrode film and the dielectric film, and the leakage current is controlled by the barrier layer. . Therefore, it is possible to secure stable electrical characteristics without adding a low dielectric film, and as a result, it is possible to increase capacitance through thinning of the dielectric film.

도 1은 종래의 금속-절연체-금속 커패시터를 개략적으로 나타내 보인 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional metal-insulator-metal capacitor.

도 1을 참조하면, 금속-절연체-금속 커패시터(100)는, 제1 금속전극막(120), 유전체막(140) 및 제2 금속전극막(160)이 순차적으로 적층되는 구조를 갖는다. 유전체막(140)으로는 하프늄옥사이드(HfO2)/알루미늄옥사이드(Al2O3)막이나, 또는 하프늄옥사이드(HfO2)/알루미늄옥사이드(Al2O3)/하프늄옥사이드(HfO2)막을 사용할 수 있다. 그러나 70㎚급 이하의 금속배선공정이 적용되는 분야에서는, 등가산화막두께(Tox; Eqivalent Oxide Thickness : 커패시터의 커패시턴스를 동일한 용량을 얻기 위해 요구되는 유전율 3.9의 열산화막 두께로 환산한 수치)의 한계가 대략 11Å 정도이므로, 대략 25fF/셀 이상의 셀 커패시턴스를 얻기 어려운 것으로 알려져 있다.Referring to FIG. 1, the metal-insulator-metal capacitor 100 has a structure in which the first metal electrode film 120, the dielectric film 140, and the second metal electrode film 160 are sequentially stacked. As the dielectric film 140, a hafnium oxide (HfO 2 ) / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film or a hafnium oxide (HfO 2 ) / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) / hafnium oxide (HfO 2 ) film may be used. Can be. However, in the field where the metal wiring process of 70 nm or less is applied, the limit of the equivalent oxide thickness (Tox) is the limit of the capacitance of the capacitor converted to the thermal oxide thickness of 3.9, which is required to obtain the same capacitance. Since it is about 11 mW, it is known that it is difficult to obtain a cell capacitance of about 25 fF / cell or more.

따라서 최근에는 제1 금속전극막(120)으로서 루테늄(Ru)과 같은 귀금속(novel metal)을 사용하고, 유전체막(140)으로 탄탈륨옥사이드(Ta2O5)나 하프늄옥사이드(HfO2)와 같이 고유전율을 갖는 단일 유전체막을 채용한 금속-절연체-금속 커패시터의 개발이 이루어지고 있다. 그러나 단일 유전체막을 채용하더라도, 등가산화막두께(Tox)를 11Å 이하로 낮추면 여전히 누설전류가 발생하여 실제 적용하는데 용이하지 않은 것으로 알려져 있다.Therefore, recently, a noble metal such as ruthenium (Ru) is used as the first metal electrode film 120, and the dielectric film 140 has a high dielectric constant such as tantalum oxide (Ta 2 O 5) or hafnium oxide (HfO 2). There is a development of a metal-insulator-metal capacitor employing a single dielectric film. However, even when a single dielectric film is employed, it is known that if the equivalent oxide film thickness (Tox) is lowered to 11 mA or less, leakage current still occurs, and thus it is not easy for practical application.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 등가산화막두께를 10Å 이하로 낮 추어서 충분한 용량의 커패시턴스를 얻을 수 있는 금속-절연체-금속 커패시터를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a metal-insulator-metal capacitor capable of achieving a capacitance of sufficient capacity by lowering the equivalent oxide film thickness to 10 kW or less.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기와 같은 금속-절연체-금속 커패시터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the metal-insulator-metal capacitor as described above.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-절연체-금속 커패시터는, 반도체기판 위에 배치된 커패시터 하부전극막으로서의 제1 금속막; 상기 제1 금속막 위에 배치되는 커패시터 유전체막으로서의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막; 및 상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 위에 배치되는 커패시터 상부전극막으로서의 제2 금속막을 포함한다.In order to achieve the above technical problem, a metal-insulator-metal capacitor according to an embodiment of the present invention, the first metal film as a capacitor lower electrode film disposed on a semiconductor substrate; A zirconium niobium oxide (ZrNbO) film as a capacitor dielectric film disposed on the first metal film; And a second metal film serving as a capacitor upper electrode film disposed on the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film.

상기 제1 금속막은 실린더(cylinder)형 구조일 수 있다.The first metal film may have a cylindrical structure.

상기 제1 금속막은 컨케이브(concave)형 구조일 수도 있다.The first metal film may have a concave structure.

상기 제1 금속막은 티타늄나이트라이드(TiN)막, 루테늄(Ru)막, 루테늄옥사이드(RuO2)막, 탄탈륨나이트라이드(TaN)막, 텅스텐(W)막, 텅스텐나이트라이드(WN)막, 이리듐(Ir)막, 이리듐나이트라이드(IrO2)막, 백금(Pt)막, 또는 어느 조합으로 이루어질 수 있다.The first metal film may be a titanium nitride (TiN) film, a ruthenium (Ru) film, a ruthenium oxide (RuO 2) film, a tantalum nitride (TaN) film, a tungsten (W) film, a tungsten nitride (WN) film, or iridium ( Ir) film, iridium nitride (IrO 2) film, platinum (Pt) film, or any combination thereof.

상기 제1 금속막은 100Å 내지 500Å의 두께를 가질 수 있다.The first metal film may have a thickness of 100 kPa to 500 kPa.

상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막은 50Å 내지 150Å의 두께를 가질 수 있다.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film may have a thickness of 50 kPa to 150 kPa.

상기 제2 금속막은 루테늄(Ru)막, 티타늄나이트라이드(TiN)막, 탄탈륨나이트 라이드(TaN)막, 텅스텐(W)막, 텅스텐나이트라이드(WN)막, 루테늄옥사이드(RuO2)막, 이리듐(Ir)막, 이리듐나이트라이드(IrO2)막, 백금(Pt)막, 또는 어느 조합으로 이루어질 수 있다.The second metal film may be a ruthenium (Ru) film, a titanium nitride (TiN) film, a tantalum nitride nitride (TaN) film, a tungsten (W) film, a tungsten nitride (WN) film, a ruthenium oxide (RuO 2) film, or iridium ( Ir) film, iridium nitride (IrO 2) film, platinum (Pt) film, or any combination thereof.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-절연체-금속 커패시터의 제조방법은, 반도체기판 위에 커패시터 하부전극막으로서의 제1 금속막을 형성하는 단계; 상기 제1 금속막 위에 커패시터 유전체막으로서 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막을 형성하는 단계; 및 상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 위에 커패시터 상부전극막으로서의 제2 금속막을 형성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above technical problem, a method of manufacturing a metal-insulator-metal capacitor according to an embodiment of the present invention, forming a first metal film as a capacitor lower electrode film on a semiconductor substrate; Forming a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film as a capacitor dielectric film on the first metal film; And forming a second metal film as a capacitor upper electrode film on the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film.

상기 제1 금속막은 실린더(cyclinder)형 구조로 형성할 수 있다.The first metal film may be formed in a cylindrical structure.

상기 제1 금속막은 컨케이브(concave)형 구조로 형성할 수도 있다.The first metal film may be formed in a concave structure.

상기 제1 금속막을 형성한 후에 플라즈마 어닐링, 퍼니스 어닐링 또는 급속열처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 어닐링은, 200℃ 내지 500℃의 온도, 0.1torr 내지 10torr의 압력, 100W 내지 500W의 파워조건의 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 1분 내지 5분 동안 수행할 수 있다. 상기 퍼니스 어닐링은, N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스 분위기의 퍼니스에서 600℃ 내지 800℃ 온도조건으로 수행할 수 있다. 그리고 상기 급속열처리는, 700torr 내지 760torr의 상압이나 1torr 내지 100torr의 감압 및 500℃ 내지 800℃의 온도 조건인 급속열처리 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또 는 NH3 가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 수행할 수 있다.After forming the first metal film, the method may further include performing plasma annealing, furnace annealing, or rapid thermal treatment. The plasma annealing is performed in an atmosphere of N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 in a chamber at a temperature of 200 ° C. to 500 ° C., a pressure of 0.1 tor to 10 tor, and a power condition of 100 W to 500 W. The gas may be supplied at 5 sccm to 5 slm for 1 to 5 minutes. The furnace annealing may be carried out at a temperature of 600 ℃ to 800 ℃ in a furnace of N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 gas atmosphere. The rapid heat treatment may include N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or in a rapid heat treatment chamber having a normal pressure of 700 tor to 760 tor, a reduced pressure of 1 tor to 100 tor, and a temperature of 500 to 800 ° C. NH 3 gas can be carried out by feeding 5sccm to 5slm.

상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막은 50Å 내지 150Å의 두께로 형성할 수 있다.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film may be formed to a thickness of 50 kPa to 150 kPa.

상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막은 원자층증착(ALD)방법 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용하여 형성할 수 있다.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film may be formed using an atomic layer deposition (ALD) method or a plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method.

상기 원자층증착(ALD)방법 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용한 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 형성은 200℃ 내지 500℃의 온도에서 수행할 수 있다.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film formation using the atomic layer deposition (ALD) method or the plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method may be performed at a temperature of 200 ° C to 500 ° C.

상기 원자층증착(ALD)방법 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용한 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 형성은, 지르코늄(Zr) 소스가스로 C16H36ZrO4를 전구체로 사용하고, 니오븀(Nb) 소스가스로 Nb(OEt)5나 니오븀(Nb)을 함유한 유기금속화합물을 전구체로 사용하며, 그리고 반응가스로서 오존(O3), 플라즈마 산소(plsama O2) 또는 수증기(H2O vapor)를 사용하여 수행할 수 있다.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film formation using the atomic layer deposition (ALD) method or plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method uses C 16 H 36 ZrO 4 as a zirconium (Zr) source gas as a precursor. And an organometallic compound containing Nb (OEt) 5 or niobium (Nb) as a precursor as a niobium (Nb) source gas, and ozone (O 3 ), plasma oxygen (plsama O 2 ) or water vapor as a reaction gas. (H 2 O vapor) can be used.

상기 원자층증착(ALD)방법 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용한 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 형성은, 지르코늄(Zr) 소스가스 공급, 퍼지가스 공급, 반응가스 공급 및 퍼지가스 공급을 순차적으로 수행하는 제1 사이클과, 니오븀(Nb) 소스가스 공급, 퍼지가스 공급, 반응가스 공급 및 퍼지가스 공급을 순차적으로 수행하는 제2 사이클을 반복적으로 실시하여 수행하되, 상기 제1 사이클과 제2 사이클의 비율은 적어도 9:1 이하가 되도록 할 수 있다.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film formation using the atomic layer deposition (ALD) method or the plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method includes a zirconium (Zr) source gas supply, a purge gas supply, a reactant gas supply, and a purge. A first cycle of sequentially performing a gas supply and a second cycle of sequentially performing a niobium (Nb) source gas supply, a purge gas supply, a reactant gas supply, and a purge gas supply are performed by repeatedly performing the first cycle. The ratio of cycles to second cycles may be at least 9: 1 or less.

상기 원자층증착(ALD)방법 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용한 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 형성은, 지르코늄(Zr) 소스가스 공급, 퍼지가스 공급, 니오븀(Nb) 소스가스 공급, 퍼지가스 공급, 반응가스 공급 및 퍼지가스 공급을 순차적으로 수행하는 단계를 반복적으로 실시하여 수행하되, 상기 지르코늄(Zr) 소스가스의 공급과 상기 니오븀(Nb) 소스가스의 공급의 횟수가 적어도 9:1 이하가 되도록 할 수도 있다.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film formation using the atomic layer deposition (ALD) method or the plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method includes a zirconium (Zr) source gas supply, a purge gas supply, and a niobium (Nb) source. The gas supply, the purge gas supply, the reaction gas supply, and the purge gas supply may be performed repeatedly by sequentially performing the supply of the zirconium (Zr) source gas and the number of supply of the niobium (Nb) source gas. It may be at least 9: 1 or less.

상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막을 형성한 후에, 플라즈마 어닐링, 퍼니스 어닐링 또는 급속열처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 어닐링은, 200℃ 내지 500℃의 온도, 0.1torr 내지 10torr의 압력, 100W 내지 500W의 파워조건의 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 1분 내지 5분 동안 수행할 수 있다. 상기 퍼니스 어닐링은, N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스 분위기의 퍼니스에서 600℃ 내지 800℃ 온도조건으로 수행할 수 있다. 그리고 상기 급속열처리는, 700torr 내지 760torr의 상압이나 1torr 내지 100torr의 감압 및 500℃ 내지 800℃의 온도 조건인 급속열처리 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 수행할 수 있다.After forming the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film, the method may further include performing plasma annealing, furnace annealing, or rapid thermal treatment. The plasma annealing is performed in an atmosphere of N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 in a chamber at a temperature of 200 ° C. to 500 ° C., a pressure of 0.1 tor to 10 tor, and a power condition of 100 W to 500 W. The gas may be supplied at 5 sccm to 5 slm for 1 to 5 minutes. The furnace annealing may be carried out at a temperature of 600 ℃ to 800 ℃ in a furnace of N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 gas atmosphere. In addition, the rapid heat treatment may include N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3, or NH in a rapid heat treatment chamber having a normal pressure of 700 tor to 760 tor, a reduced pressure of 1 tor to 100 tor, and a temperature of 500 to 800 ° C. 3 gas can be carried out by feeding 5sccm to 5slm.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되 어져서는 안된다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-절연체-금속 커패시터를 나타내 보인 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a metal-insulator-metal capacitor according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 금속-절연체-금속 커패시터(280)는, 반도체기판(200) 위에 배치되는 커패시터 하부전극막으로서의 제1 금속막(220)과, 제1 금속막(220) 위에 배치되는 커패시터 유전체막으로서의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240)과, 그리고 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240) 위에 배치되는 커패시터 상부전극막으로서의 제2 금속막(260)을 포함하여 구성된다. 반도체기판(200)과 금속-절연체-금속 커패시터(280) 사이에는 층간절연막(202)이 배치된다. 금속-절연체-금속 커패시터(280)의 제1 금속막(220)은 반도체기판(200) 내의 불순물영역과 전기적으로 연결되는데, 이를 위해 층간절연막(202)을 관통하도록 도전성 컨택플러그(204)가 배치되며, 이에 따라 도전성 컨택플러그(204)의 상부는 제1 금속막(220)에 컨택되고, 하부는 반도체기판(200)에 컨택된다.Referring to FIG. 2, the metal-insulator-metal capacitor 280 according to an embodiment includes a first metal film 220 as a capacitor lower electrode film disposed on the semiconductor substrate 200, and a first metal film 220. A zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240 as a capacitor dielectric film disposed on the upper layer) and a second metal film 260 as a capacitor upper electrode film disposed on the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240 do. An interlayer insulating film 202 is disposed between the semiconductor substrate 200 and the metal-insulator-metal capacitor 280. The first metal film 220 of the metal-insulator-metal capacitor 280 is electrically connected to an impurity region in the semiconductor substrate 200. For this purpose, the conductive contact plug 204 is disposed to penetrate the interlayer insulating film 202. Accordingly, the upper portion of the conductive contact plug 204 contacts the first metal layer 220, and the lower portion contacts the semiconductor substrate 200.

제1 금속막(220)은 실린더(cylinder)형 구조를 가지며, 따라서 커패시터 유전체막으로서의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240)은 실린더형 제1 금속막(220)의 내벽 및 외벽를 모두 덮도록 배치된다. 제1 금속막(220)은 티타늄나이트라이드(TiN)막, 루테늄(Ru)막, 루테늄옥사이드(RuO2)막, 탄탈륨나이트라이드(TaN)막, 텅스텐(W)막, 텅스텐나이트라이드(WN)막, 이리듐(Ir)막, 이리듐나이트라이드(IrO2)막 또는 백금(Pt)막으로 이루어지거나, 그것들 중 어느 조합(combination)으로도 이루어질 수 있다. 제1 금속막(220)은 대략 100Å 내지 500Å의 두께를 갖 는다.The first metal film 220 has a cylindrical structure, and thus, the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240 as a capacitor dielectric film is disposed to cover both the inner wall and the outer wall of the cylindrical first metal film 220. do. The first metal film 220 includes a titanium nitride (TiN) film, a ruthenium (Ru) film, a ruthenium oxide (RuO 2) film, a tantalum nitride (TaN) film, a tungsten (W) film, and a tungsten nitride (WN) film , An iridium (Ir) film, an iridium nitride (IrO 2) film, or a platinum (Pt) film, or any combination thereof. The first metal film 220 has a thickness of approximately 100 kPa to 500 kPa.

지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240)은 대략 50Å 내지 150Å의 두께를 갖는다. 이 두께 범위에서, 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240)의 브레이크다운전압은 셀(cell)당 대략 2.0V 이상으로 증가되고, 누설전류특성도 셀당 대략 0.5fA 이하 수준으로 유지시킬 수 있다. 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240)의 유전율(ε)은, 니오븀(Nb) 함유량에 따라 대략 25 내지 35 범위 내에서 조절가능한데, 이는 유전율이 대략 20인 하프늄옥사이드(HfO2)막이나 지르코늄옥사이드(ZrO2)막에 비하여 높으며, 이에 따라 대략 5Å 내지 10Å의 등가산화막두께(Tox)를 얻는 것이 가능해진다. 또한 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240) 내의 니오븀(Nb)의 함유량을 적절하게 조절하여 누설전류 발생수준(leakage current density)과 브레이크다운전압 특성도 조절할 수 있다. 이 외에도 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240)은 하프늄옥사이드(HfO2)막이나 지르코늄옥사이드(ZrO2)막에 비하여 열적 안정성이 우수하며, 이에 따라 금속-절연체-금속 커패시터(280) 형성 이후에 수행되는 고온의 열공정에 의한 소자의 특성열화가 억제된다.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240 has a thickness of approximately 50 kPa to 150 kPa. In this thickness range, the breakdown voltage of the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240 is increased to about 2.0 V or more per cell, and the leakage current characteristic can be maintained at about 0.5 fA or less per cell. The dielectric constant (ε) of the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240 is adjustable within the range of about 25 to 35 depending on the content of niobium (Nb), which is a hafnium oxide (HfO 2 ) film or zirconium oxide having a dielectric constant of about 20 Compared with the (ZrO 2 ) film, the equivalent oxide film thickness Tox of about 5 kV to 10 kV can be obtained. In addition, by adjusting the content of niobium (Nb) in the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240, it is possible to control the leakage current density and the breakdown voltage characteristics. In addition, the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240 has better thermal stability than the hafnium oxide (HfO 2 ) film or the zirconium oxide (ZrO 2 ) film, and thus, after forming the metal-insulator-metal capacitor 280, The deterioration of the characteristics of the device due to the high temperature thermal process performed is suppressed.

제2 금속막(260)은 루테늄(Ru)막, 티타늄나이트라이드(TiN)막, 탄탈륨나이트라이드(TaN)막, 텅스텐(W)막, 텅스텐나이트라이드(WN)막, 루테늄옥사이드(RuO2)막, 이리듐(Ir)막, 이리듐나이트라이드(IrO2)막 또는 백금(Pt)막으로 이루어지거나, 그것들 중 어느 조합으로도 이루어질 수 있다.The second metal film 260 includes a ruthenium (Ru) film, a titanium nitride (TiN) film, a tantalum nitride (TaN) film, a tungsten (W) film, a tungsten nitride (WN) film, and a ruthenium oxide (RuO2) film And an iridium (Ir) film, an iridium nitride (IrO 2) film, or a platinum (Pt) film, or any combination thereof.

이와 같은 금속-절연체-금속 커패시터(280)를 형성하기 위해서는, 먼저 층간 절연막(202)을 통해 반도체기판(200)과 연결된 도전성 컨택플러그(204) 위에 실린더형 제1 금속막(220)을 형성한다. 실린더형 제1 금속막(220)을 형성하기 위하여 통상의 몰드절연막(미도시)이 이용될 수 있다. 제1 금속막(220)을 형성한 후에는 플라즈마 어닐링(plasma annealing), 퍼니스 어닐링(furnace annealing) 또는 급속열처리(RTP; Rapid Thermal Processing)를 수행하여, 제1 금속막(220)을 치밀화(densification)하고, 제1 금속막(220) 내부 및 표면에 누설전류의 원인이 되는 잔류불순물을 휘발시키며, 그리고 표면의 거칠기(roughness)를 완화하여 전계집중을 감소시킨다.In order to form the metal-insulator-metal capacitor 280, first, a cylindrical first metal film 220 is formed on the conductive contact plug 204 connected to the semiconductor substrate 200 through the interlayer insulating film 202. . In order to form the cylindrical first metal film 220, a conventional mold insulating film (not shown) may be used. After the first metal film 220 is formed, plasma annealing, furnace annealing, or rapid thermal processing (RTP) is performed to densify the first metal film 220. In addition, volatilization of residual impurities that cause leakage currents in and on the first metal film 220 is reduced, and the roughness of the surface is alleviated to reduce the electric field concentration.

플라즈마 어닐링은, 200℃ 내지 500℃의 온도, 0.1torr 내지 10torr의 압력, 100W 내지 500W의 파워조건의 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 1분 내지 5분 동안 수행한다. 상기 퍼니스 어닐링은, N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스 분위기의 퍼니스에서 600℃ 내지 800℃ 온도조건으로 수행한다. 그리고 급속열처리는, 700torr 내지 760torr의 상압이나 1torr 내지 100torr의 감압 및 500℃ 내지 800℃의 온도 조건인 급속열처리 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 수행한다.Plasma annealing is an N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 atmosphere gas in a chamber at a temperature of 200 ° C to 500 ° C, a pressure of 0.1torr to 10torr, and a power condition of 100W to 500W. 5 sccm to 5 slm was fed for 1 to 5 minutes. The furnace annealing is performed at a temperature of 600 ° C. to 800 ° C. in a furnace of N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 gas atmosphere. And rapid heat treatment is carried out in N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3, or NH 3 in a rapid heat treatment chamber having a normal pressure of 700 tor to 760 tor, a reduced pressure of 1 tor to 100 tor, and a temperature of 500 to 800 ° C. This is done by feeding 5 sccm to 5 slm of gas.

다음에 층간절연막(202) 및 제1 금속막(220) 위에 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240)을 형성한다. 이 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240)은 원자층증착(ALD; Atomic LaNber Deposition)방법이나, 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD; Plasma Enhanced ALD)방법을 사용하여 형성하는데, 이에 대해서는 뒤에 서 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다음에 통상의 증착방법을 사용하여 제2 금속막(260)을 형성한다.Next, a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240 is formed on the interlayer insulating film 202 and the first metal film 220. The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240 is formed by using atomic layer deposition (ALD) or plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD). This will be described in more detail later. Next, the second metal film 260 is formed using a normal deposition method.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속-절연체-금속 커패시터를 나타내 보인 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a metal-insulator-metal capacitor according to another embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 금속-절연체-금속 커패시터(380)는, 반도체기판(300) 위에 배치되는 커패시터 하부전극막으로서의 제1 금속막(320)과, 제1 금속막(320) 위에 배치되는 커패시터 유전체막으로서의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(340)과, 그리고 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(340) 위에 배치되는 커패시터 상부전극막으로서의 제2 금속막(360)을 포함하여 구성된다. 반도체기판(300)과 금속-절연체-금속 커패시터(380) 사이에는 층간절연막(302)이 배치된다. 금속-절연체-금속 커패시터(380)의 제1 금속막(320)은 반도체기판(300) 내의 불순물영역과 전기적으로 연결되는데, 이를 위해 층간절연막(302)을 관통하도록 도전성 컨택플러그(304)가 배치되며, 이에 따라 도전성 컨택플러그(304)의 상부는 제1 금속막(320)에 컨택되고, 하부는 반도체기판(300)에 컨택된다.Referring to FIG. 3, the metal-insulator-metal capacitor 380 according to the present embodiment includes a first metal film 320 as a capacitor lower electrode film disposed on the semiconductor substrate 300, and a first metal film 320. ), And a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 340 as a capacitor dielectric film and a second metal film 360 as a capacitor upper electrode film disposed on the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 340. do. An interlayer insulating film 302 is disposed between the semiconductor substrate 300 and the metal-insulator-metal capacitor 380. The first metal film 320 of the metal-insulator-metal capacitor 380 is electrically connected to an impurity region in the semiconductor substrate 300, and the conductive contact plug 304 is disposed to penetrate the interlayer insulating film 302. Accordingly, the upper portion of the conductive contact plug 304 contacts the first metal layer 320 and the lower portion contacts the semiconductor substrate 300.

이와 같은 본 실시예에 따른 금속-절연체-금속 커패시터(380)는 커패시터 하부전극막으로서의 제1 금속막(320)이 컨케이브(concave)형 구조를 갖는다는 점에서 도 2를 참조하여 설명한 실시예와 다르다. 따라서 상기 금속-절연체-금속 커패시터(380)의 외벽 사이에는 절연성 캡핑막(306)이 배치되고, 커패시터 유전체막인 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(340)은 컨케이브형 구조의 제1 금속막(320) 내벽 위에 배치된다.The metal-insulator-metal capacitor 380 according to the present exemplary embodiment has been described with reference to FIG. 2 in that the first metal layer 320 as the capacitor lower electrode layer has a concave structure. Is different from Accordingly, an insulating capping film 306 is disposed between the outer walls of the metal-insulator-metal capacitor 380, and the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 340, which is a capacitor dielectric film, is formed of a first metal film having a convex structure ( 320) disposed on the inner wall.

이와 같은 금속-절연체-금속 커패시터(380)를 형성하는 방법은 도 2의 금속-절연체-금속 커패시터(280)를 형성하는 방법과 유사하지만, 제1 금속막(320)을 컨케이브형 구조로 형성한다는 점에서는 상이하다. 즉 컨케이브형 구조의 제1 금속막(320)을 형성하기 위해서는, 몰드절연막이 아닌 절연성 캡핑막(306)이 사용되며, 이 절연성 캡핑막(306)은 몰드절연막과는 달리 제1 금속막(320)을 형성한 후에도 제거되지 않는다..The method of forming the metal-insulator-metal capacitor 380 is similar to the method of forming the metal-insulator-metal capacitor 280 of FIG. 2, but the first metal film 320 is formed in a concave structure. It is different in that it is. That is, in order to form the first metal film 320 having a convex structure, an insulating capping film 306 is used instead of a mold insulating film. The insulating capping film 306 is formed of a first metal film (unlike a mold insulating film). It is not removed after forming 320).

도 4는 본 발명에 따른 금속-절연체-금속 커패시터의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240/340)을 형성하는 과정의 일 예를 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.4 is a view illustrating an example of a process of forming a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240/340 of a metal-insulator-metal capacitor according to the present invention.

앞서 언급한 바와 같이, 금속-절연체-금속 커패시터(도 2의 280/도 3의 380)의 유전체막으로서의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240/340)은 대략 50Å 내지 150Å 두께로 형성하는데, 이는 원자층증착(ALD)방법이나, 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용하여 형성한다. 구체적으로, 층간절연막(202/302) 및 도전성 컨택플러그(204/304)를 갖는 반도체기판(200/300)을 원자층증착설비 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착설비내에 로딩한다. 그리고 지르코늄(Zr) 소스가스, 퍼지가스, 반응가스 및 퍼지가스를 순차적으로 공급한다. 지르코늄(Zr) 소스가스 공급(t1), 퍼지가스 공급(t2), 반응가스 공급(t3) 및 퍼지가스 공급(t4)을 모두 합하면, 지르코늄옥사이드(ZrxOy) 원자층이 형성되는 1-1 사이클(cycle)이 구성된다. 다음에는 니오븀(Nb) 소스가스, 퍼지가스, 반응가스 및 퍼지가스를 순차적으로 공급한다. 니오븀(Nb) 소스가스 공급(t5), 퍼지가스 공급(t6), 반응가스 공급(t7) 및 퍼지가스 공급(t8)을 모두 합하면, 니오븀옥사이드(NbxOy) 원자층이 형성되는 1-2 사이클이 구성된다. 이와 같은 1-1 사이클과 1-2 사이클은 원하는 두께의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240/340)이 얻어질 때까지 반복적으로 수행된다. 이때 지르코늄옥사이드(ZrxOy) 원자층이 형성되는 1-1 사이클과, 니오븀옥사이드(NbxOy) 원자층이 형성되는 1-2 사이클을 대략 9:1 이하의 비율이 되도록 수행하여 지르코늄(Zr)과 니오븀(Nb)의 상대적인 조성비를 조절할 수 있다.As mentioned above, the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240/340 as the dielectric film of the metal-insulator-metal capacitor (280 in FIG. 2/380 in FIG. 3) is formed to a thickness of approximately 50 kV to 150 kV. It is formed using the atomic layer deposition (ALD) method or the plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method. Specifically, the semiconductor substrate 200/300 having the interlayer insulating film 202/302 and the conductive contact plugs 204/304 is loaded into the atomic layer deposition facility or the plasma enhanced atomic layer deposition facility. And zirconium (Zr) source gas, purge gas, reactant gas and purge gas are sequentially supplied. When zirconium (Zr) source gas supply (t1), purge gas supply (t2), reactant gas supply (t3) and purge gas supply (t4) are added together, 1- Zirconium oxide (Zr x O y ) atomic layer is formed. One cycle is configured. Next, niobium (Nb) source gas, purge gas, reaction gas and purge gas are sequentially supplied. Niobium (Nb) source gas supply (t5), the purge gas supply (t6), add up the reaction gas supply (t7) and the purge gas supply (t8), niobium oxide (Nb x O y) 1- which an atomic layer is formed Two cycles are configured. These 1-1 cycles and 1-2 cycles are repeatedly performed until a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240/340 having a desired thickness is obtained. At this time, zirconium oxide is performed in a ratio of 1-1 cycles in which a zirconium oxide (Zr x O y ) atomic layer is formed and 1-2 cycles in which a niobium oxide (Nb x O y ) atomic layer is formed at a ratio of about 9: 1 or less. The relative composition ratio of (Zr) and niobium (Nb) can be adjusted.

도 5는 본 발명에 따른 금속-절연체-금속 커패시터의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240/340)을 형성하는 과정의 다른 예를 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.FIG. 5 is a view illustrating another example of a process of forming a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240/340 of a metal-insulator-metal capacitor according to the present invention.

본 예의 경우에도, 먼저 층간절연막(202/302) 및 도전성 컨택플러그(204/304)를 갖는 반도체기판(200/300)을 원자층증착설비 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착설비내에 로딩한다. 그리고 원자층증착설비 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착설비 내로의 지르코늄(Zr) 소스가스 공급(t1), 퍼지가스 공급(t2), 니오븀(Nb) 소스가스 공급(t3), 퍼지가스 공급(t4), 반응가스 공급(t5) 및 퍼지가스 공급(t6)을 순차적으로 수행한다. 그러면 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240/340)이 원자층 단위로 형성되는 1 사이클이 수행된다. 이때, 지르코늄(Zr) 소스가스의 공급과 니오븀(Nb) 소스가스의 공급 횟수를 적어도 9:1 이하가 되도록 하여 지르코늄(Zr)과 니오븀(Nb)의 상대적인 조성비를 조절한다. 경우에 따라서는 공급 횟수를 조절하는 대신에 지르코늄(Zr) 소스가스의 공급량과 니오븀(Nb) 소스가스의 공급량을 조절할 수도 있다.Also in this example, the semiconductor substrate 200/300 having the interlayer insulating film 202/302 and the conductive contact plugs 204/304 is first loaded into the atomic layer deposition apparatus or the plasma enhanced atomic layer deposition apparatus. And zirconium (Zr) source gas supply (t1), purge gas supply (t2), niobium (Nb) source gas supply (t3), and purge gas supply (t4) into an atomic layer deposition facility or a plasma enhanced atomic layer deposition facility. , Reaction gas supply t5 and purge gas supply t6 are sequentially performed. Then, one cycle in which the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240/340 is formed in atomic layer units is performed. In this case, the relative composition ratio of zirconium (Zr) and niobium (Nb) is controlled by supplying the zirconium (Zr) source gas and the number of supply of the niobium (Nb) source gas to at least 9: 1 or less. In some cases, instead of adjusting the supply frequency, the supply amount of the zirconium (Zr) source gas and the supply amount of the niobium (Nb) source gas may be adjusted.

이 경우에도, 지르코늄(Zr) 소스가스로서, C16H36ZrO4와 같은 유기금속화합물을 전구체로 사용한다. 니오븀(Nb) 성분의 소스가스로는 Nb(OEt)5이나 니오븀(Nb)을 함유한 유기금속화합물을 전구체로 사용한다. 지르코늄(Zr) 소스가스와 니오븀(Nb) 소스가스는 각각 대략 50-500sccm만큼 공급한다. 반응가스로는 오존(O3), 플라즈마 산소(plasma O2) 또는 수증기(H20 vapor)를 사용한다. 반응가스로서 대략 200±20g/㎥ 농도의 오존(O3)을 사용하는 경우 공급량은 대략 0.1-1slm이 되도록 한다. 퍼지가스로는 질소(N2)가스 또는 아르곤(Ar)가스를 사용한다.Also in this case, as a zirconium (Zr) source gas, an organometallic compound such as C 16 H 36 ZrO 4 is used as a precursor. As a source gas of niobium (Nb) component, an organometallic compound containing Nb (OEt) 5 or niobium (Nb) is used as a precursor. The zirconium (Zr) source gas and the niobium (Nb) source gas are supplied by approximately 50-500 sccm, respectively. As the reaction gas, ozone (O 3 ), plasma oxygen (plasma O 2 ) or water vapor (H 2 0 vapor) is used. When using ozone (O 3 ) at a concentration of approximately 200 ± 20 g / m 3 as the reaction gas, the supply amount is approximately 0.1-1 slm. Nitrogen (N 2 ) gas or argon (Ar) gas is used as the purge gas.

지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240/340)을 형성한 후에는 플라즈마 어닐링, 퍼니스 어닐링 또는 급속열처리를 수행하여, 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막(240/340)의 누설전류발생을 최소화하고 브레이크다운전압을 증가시킨다. 플라즈마 어닐링은, 200℃ 내지 500℃의 온도, 0.1torr 내지 10torr의 압력, 100W 내지 500W의 파워조건의 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 1분 내지 5분 동안 수행한다. 상기 퍼니스 어닐링은, N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스 분위기의 퍼니스에서 600℃ 내지 800℃ 온도조건으로 수행한다. 그리고 급속열처리는, 700torr 내지 760torr의 상압이나 1torr 내지 100torr의 감압 및 500℃ 내지 800℃의 온도 조건인 급속열처리 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 수행한다.After forming the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240/340, plasma annealing, furnace annealing or rapid thermal treatment is performed to minimize the leakage current of the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film 240/340 and to break down. Increase the voltage Plasma annealing is an N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 atmosphere gas in a chamber at a temperature of 200 ° C to 500 ° C, a pressure of 0.1torr to 10torr, and a power condition of 100W to 500W. 5 sccm to 5 slm was fed for 1 to 5 minutes. The furnace annealing is performed at a temperature of 600 ° C. to 800 ° C. in a furnace of N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 gas atmosphere. And rapid heat treatment is carried out in N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3, or NH 3 in a rapid heat treatment chamber having a normal pressure of 700 tor to 760 tor, a reduced pressure of 1 tor to 100 tor, and a temperature of 500 to 800 ° C. This is done by feeding 5 sccm to 5 slm of gas.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속-절연체-금속 커패시터 및 그 제조방법에 의하면, 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막을 커패시터 유전체막으로 사용함으로써 대략 5Å 내지 10Å의 등가산화막두께(Tox)를 얻을 수 있으므로 충분히 큰 커패시턴스를 얻을 수 있으며, 낮은 누설전류특성 및 높은 브레이크다운전압을 얻을 수 있어서 소자의 동작특성 및 안정성을 증대시킬 수 있다는 이점이 제공된다. 이 외에도 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막은 우수한 열 안정성을 가지고 있으므로, 커패시터 형성 이후 수행되는 고온 열처리에 의한 전기적 특성열화가 억제된다는 이점도 또한 제공된다.As described so far, according to the metal-insulator-metal capacitor and the method for manufacturing the same, an equivalent oxide film thickness (Tox) of approximately 5 kV to 10 kV can be obtained by using a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film as the capacitor dielectric film. Thus, a sufficiently large capacitance can be obtained, and a low leakage current characteristic and a high breakdown voltage can be obtained, thereby increasing the operation characteristics and stability of the device. In addition, since the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film has excellent thermal stability, there is also an advantage that the deterioration of electrical characteristics by high temperature heat treatment performed after capacitor formation is suppressed.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. Do.

Claims (24)

반도체기판 위에 배치된 커패시터 하부전극막으로서의 제1 금속막;A first metal film serving as a capacitor lower electrode film disposed on the semiconductor substrate; 상기 제1 금속막 위에 배치되는 커패시터 유전체막으로서의 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막; 및A zirconium niobium oxide (ZrNbO) film as a capacitor dielectric film disposed on the first metal film; And 상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 위에 배치되는 커패시터 상부전극막으로서의 제2 금속막을 포함하는 금속-절연체-금속 커패시터.And a second metal film serving as a capacitor upper electrode film disposed on the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 금속막은 실린더(cylinder)형 구조인 금속-절연체-금속 커패시터.And the first metal film has a cylindrical structure. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 금속막은 컨케이브(concave)형 구조인 금속-절연체-금속 커패시터.And the first metal film has a concave structure. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 금속막은 티타늄나이트라이드(TiN)막, 루테늄(Ru)막, 루테늄옥사이드(RuO2)막, 탄탈륨나이트라이드(TaN)막, 텅스텐(W)막, 텅스텐나이트라이드(WN)막, 이리듐(Ir)막, 이리듐나이트라이드(IrO2)막, 백금(Pt)막, 또는 어느 조합으로 이루어지는 금속-절연체-금속 커패시터.The first metal film may be a titanium nitride (TiN) film, a ruthenium (Ru) film, a ruthenium oxide (RuO 2) film, a tantalum nitride (TaN) film, a tungsten (W) film, a tungsten nitride (WN) film, or iridium ( A metal-insulator-metal capacitor comprising an Ir) film, an iridium nitride (IrO 2) film, a platinum (Pt) film, or any combination thereof. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 금속막은 100Å 내지 500Å의 두께를 갖는 금속-절연체-금속 커패시터.And the first metal film has a thickness of 100 kV to 500 kV. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막은 50Å 내지 150Å의 두께를 갖는 금속-절연체-금속 커패시터.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film has a thickness of 50 kHz to 150 kHz metal-insulator-metal capacitor. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 금속막은 루테늄(Ru)막, 티타늄나이트라이드(TiN)막, 탄탈륨나이트라이드(TaN)막, 텅스텐(W)막, 텅스텐나이트라이드(WN)막, 루테늄옥사이드(RuO2)막, 이리듐(Ir)막, 이리듐나이트라이드(IrO2)막, 백금(Pt)막, 또는 어느 조합으로 이루어지는 금속-절연체-금속 커패시터.The second metal film may be a ruthenium (Ru) film, a titanium nitride (TiN) film, a tantalum nitride (TaN) film, a tungsten (W) film, a tungsten nitride (WN) film, a ruthenium oxide (RuO 2) film, or iridium ( A metal-insulator-metal capacitor comprising an Ir) film, an iridium nitride (IrO 2) film, a platinum (Pt) film, or any combination thereof. 반도체기판 위에 커패시터 하부전극막으로서의 제1 금속막을 형성하는 단계;Forming a first metal film as a capacitor lower electrode film on the semiconductor substrate; 상기 제1 금속막 위에 커패시터 유전체막으로서 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막을 형성하는 단계; 및Forming a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film as a capacitor dielectric film on the first metal film; And 상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 위에 커패시터 상부전극막으로서의 제2 금속막을 형성하는 단계를 포함하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.Forming a second metal film as a capacitor upper electrode film on the zirconium niobium oxide (ZrNbO) film. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제1 금속막은 실린더(cyclinder)형 구조로 형성하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.The first metal film is a cylinder (cyclinder) structure to form a metal-insulator-metal capacitor manufacturing method. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제1 금속막은 컨케이브(concave)형 구조로 형성하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.The first metal film is a concave (concave) structure to form a metal-insulator-metal capacitor manufacturing method. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제1 금속막을 형성한 후에 플라즈마 어닐링, 퍼니스 어닐링 또는 급속열처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.And performing plasma annealing, furnace annealing, or rapid thermal treatment after forming the first metal film. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 플라즈마 어닐링은, 200℃ 내지 500℃의 온도, 0.1torr 내지 10torr의 압력, 100W 내지 500W의 파워조건의 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 1분 내지 5분 동안 수행하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.The plasma annealing is performed in an atmosphere of N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 in a chamber at a temperature of 200 ° C. to 500 ° C., a pressure of 0.1 tor to 10 tor, and a power condition of 100 W to 500 W. Method for producing a metal-insulator-metal capacitor is supplied for 5sccm to 5slm gas for 1 minute to 5 minutes. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 퍼니스 어닐링은, N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스 분위기의 퍼니스에서 600℃ 내지 800℃ 온도조건으로 수행하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.The furnace annealing is performed in a furnace of N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 gas atmosphere at 600 ℃ to 800 ℃ temperature conditions metal-insulator-metal capacitor manufacturing method. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 급속열처리는, 700torr 내지 760torr의 상압이나 1torr 내지 100torr의 감압 및 500℃ 내지 800℃의 온도 조건인 급속열처리 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 수행하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.The rapid heat treatment is carried out in N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 in a rapid heat treatment chamber at atmospheric pressure of 700 tor to 760 tor, a reduced pressure of 1 tor to 100 tor, and a temperature of 500 to 800 ° C. Metal-insulator-metal capacitor manufacturing method performed by supplying 5sccm to 5slm of gas. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막은 50Å 내지 150Å의 두께로 형성하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film is formed of a metal-insulator-metal capacitor having a thickness of 50 kV to 150 kV. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막은 원자층증착(ALD)방법 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용하여 형성하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.The zirconium niobium oxide (ZrNbO) film is formed using an atomic layer deposition (ALD) method or a plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 원자층증착(ALD)방법 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용한 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 형성은 200℃ 내지 500℃의 온도에서 수행하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.Zirconium niobium oxide (ZrNbO) film formation using the atomic layer deposition (ALD) method or plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method is carried out at a temperature of 200 ℃ to 500 ℃ metal-insulator-metal capacitor manufacturing method . 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 원자층증착(ALD)방법 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용한 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 형성은,Zirconium niobium oxide (ZrNbO) film formation using the atomic layer deposition (ALD) method or plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method, 지르코늄(Zr) 소스가스로 C16H36ZrO4를 전구체로 사용하고, 니오븀(Nb) 소스가스로 Nb(OEt)5나 니오븀(Nb)을 함유한 유기금속화합물을 전구체로 사용하며, 그리고 반응가스로서 오존(O3), 플라즈마 산소(plsama O2) 또는 수증기(H2O vapor)를 사용하여 수행하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.Using C 16 H 36 ZrO 4 as a precursor as a zirconium (Zr) source gas, an organometallic compound containing Nb (OEt) 5 or niobium (Nb) as a precursor as a niobium (Nb) source gas, and reacting A method of manufacturing a metal-insulator-metal capacitor, which is performed using ozone (O 3 ), plasma oxygen (plsama O 2 ) or water vapor (H 2 O vapor) as a gas. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 원자층증착(ALD)방법 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용한 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 형성은,Zirconium niobium oxide (ZrNbO) film formation using the atomic layer deposition (ALD) method or plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method, 지르코늄(Zr) 소스가스 공급, 퍼지가스 공급, 반응가스 공급 및 퍼지가스 공급을 순차적으로 수행하는 제1 사이클과, 니오븀(Nb) 소스가스 공급, 퍼지가스 공급, 반응가스 공급 및 퍼지가스 공급을 순차적으로 수행하는 제2 사이클을 반복적 으로 실시하여 수행하되, 상기 제1 사이클과 제2 사이클의 비율은 적어도 9:1 이하가 되도록 하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.A first cycle of sequentially performing zirconium (Zr) source gas supply, purge gas supply, reactant gas supply, and purge gas supply, followed by niobium (Nb) source gas supply, purge gas supply, reactant gas supply, and purge gas supply And repeatedly performing a second cycle, wherein the ratio of the first cycle to the second cycle is at least 9: 1. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 원자층증착(ALD)방법 또는 플라즈마 엔핸스드 원자층증착(PE-ALD)방법을 사용한 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막 형성은,Zirconium niobium oxide (ZrNbO) film formation using the atomic layer deposition (ALD) method or plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) method, 지르코늄(Zr) 소스가스 공급, 퍼지가스 공급, 니오븀(Nb) 소스가스 공급, 퍼지가스 공급, 반응가스 공급 및 퍼지가스 공급을 순차적으로 수행하는 단계를 반복적으로 실시하여 수행하되, 상기 지르코늄(Zr) 소스가스의 공급과 상기 니오븀(Nb) 소스가스의 공급의 횟수가 적어도 9:1 이하가 되도록 하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.Zirconium (Zr) source gas supply, purge gas supply, niobium (Nb) source gas supply, purge gas supply, the reaction gas supply and purge gas supply to perform the steps in sequence to perform repeatedly, the zirconium (Zr) A method of manufacturing a metal-insulator-metal capacitor such that the number of supply of source gas and the supply of niobium (Nb) source gas is at least 9: 1 or less. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 지르코늄니오븀옥사이드(ZrNbO)막을 형성한 후에, 플라즈마 어닐링, 퍼니스 어닐링 또는 급속열처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.And forming a zirconium niobium oxide (ZrNbO) film, and then performing plasma annealing, furnace annealing, or rapid thermal treatment. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 플라즈마 어닐링은, 200℃ 내지 500℃의 온도, 0.1torr 내지 10torr의 압력, 100W 내지 500W의 파워조건의 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 분위기가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 1분 내지 5분 동안 수행하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.The plasma annealing is performed in an atmosphere of N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 in a chamber at a temperature of 200 ° C. to 500 ° C., a pressure of 0.1 tor to 10 tor, and a power condition of 100 W to 500 W. Method for producing a metal-insulator-metal capacitor is supplied for 5sccm to 5slm gas for 1 minute to 5 minutes. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 퍼니스 어닐링은, N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스 분위기의 퍼니스에서 600℃ 내지 800℃ 온도조건으로 수행하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.The furnace annealing is performed in a furnace of N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 gas atmosphere at 600 ℃ to 800 ℃ temperature conditions metal-insulator-metal capacitor manufacturing method. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 급속열처리는, 700torr 내지 760torr의 상압이나 1torr 내지 100torr의 감압 및 500℃ 내지 800℃의 온도 조건인 급속열처리 챔버 내에 N2, H2, N2/H2, O2, O3 또는 NH3 가스를 5sccm 내지 5slm 공급하여 수행하는 금속-절연체-금속 커패시터 제조방법.The rapid heat treatment is carried out in N 2 , H 2 , N 2 / H 2 , O 2 , O 3 or NH 3 in a rapid heat treatment chamber at atmospheric pressure of 700 tor to 760 tor, a reduced pressure of 1 tor to 100 tor, and a temperature of 500 to 800 ° C. Metal-insulator-metal capacitor manufacturing method performed by supplying 5sccm to 5slm of gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2588231A1 (en) * 2010-07-01 2013-05-08 Lucite International UK Limited A mixed oxide catalyst and a process for the production of ethylenically unsaturated carboxylic acids or esters
CN112714945A (en) * 2018-09-28 2021-04-27 东京毅力科创株式会社 Method for manufacturing semiconductor device

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