KR20080079491A - Method of fabricating a capacitor having a high-k dielectric and capacitor fabricated thereby - Google Patents

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Abstract

A method for fabricating a capacitor having a high-k dielectric and a capacitor manufactured by the method are provided to improve the electrical characteristic of a cell capacitor by forming a titanium nitride layer on a first dielectric. A lower electrode(120a) is formed on a semiconductor substrate(100). A first dielectric(134) having a metal oxide layer is formed on the lower electrode. A titanium nitride layer is deposited on the first dielectric to form a second dielectric(136) on an upper surface of the first dielectric, and also an upper electrode is formed on the second dielectric. The titanium nitride layer contains excessive titanium than nitride. In case the titanium nitride layer is TixN1-x(0<x<1), a composition ratio of the titanium nitride layer is 0.6 to 0.9. The second dielectric is made of a titanium oxide layer or a titanium oxide nitride layer. The first dielectric is made of one selected from a group consisting of HfO2, ZrO2, Al2O3, TiO2, and a combination thereof.

Description

고유전막을 갖는 커패시터의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 커패시터{Method of fabricating a capacitor having a high-k dielectric and capacitor fabricated thereby}Method of fabricating a capacitor having a high-k dielectric and capacitor fabricated thereby

도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다. 1 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고유전막을 갖는 커패시터의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device manufactured thereby, and more particularly, to a method for manufacturing a capacitor having a high dielectric film and a capacitor manufactured thereby.

최근, 반도체소자는 고성능화 및 고집적화가 요구되고 있다. 이에 따라, 반도체소자를 구성하는 요소들 중 하나인 커패시터는 제한된 면적 내에서 일정값보다 큰 용량을 갖도록 형성되어야 한다. 또한, 반도체소자의 성능 및 신뢰성을 개선하기 위하여 커패시터의 크기가 작아지더라도 정전 용량은 충분하게 확보되어야 하고 브레이크다운 전압(breakdown voltage)도 높아야 한다. 이에 따라, 하부전극, 유전막 및 상부전극으로 구성된 커패시터가 일정값 이상의 정전 용량을 갖도록 하기 위 하여, 상기 유전막의 두께를 줄이는 방안이 연구되고 있다. Recently, semiconductor devices have been required to have high performance and high integration. Accordingly, the capacitor, which is one of the elements constituting the semiconductor device, must be formed to have a capacity larger than a predetermined value within a limited area. In addition, in order to improve the performance and reliability of the semiconductor device, even if the capacitor size is small, the capacitance must be sufficiently secured and the breakdown voltage must be high. Accordingly, in order to have a capacitor composed of a lower electrode, a dielectric layer, and an upper electrode have a capacitance greater than or equal to a predetermined value, a method of reducing the thickness of the dielectric layer has been studied.

셀 커패시터로 종래에는 MIS(Metal-insulator-silicon) 구조가 적용되어 왔다. 상기 MIS 구조의 커패시터는 하부 전극인 스토리지 전극(storage electrode)으로서 폴리실리콘 전극을 사용한다. 그리고, 상부 전극인 플레이트 전극(plate electrode)으로서 금속 전극이 사용된다. 상기 스토리지 전극과 상기 플레이트 전극 사이에 유전막이 배치된다. 그러나 상기 MIS 구조의 경우, 상기 폴리실리콘 전극과 유전막의 계면에서 산화 반응이 일어나 상기 유전막의 등가 산화막의 두께(Toexq: Equivalent Oxide Thickness)가 증가함으로써 전기적인 특성을 변화시키는 단점이 있다. 결국, 상기 MIS 구조의 커패시터는 정교한 특성이 요구되는 반도체 소자에는 부적합한 단점이 있다. As a cell capacitor, a metal-insulator-silicon (MIS) structure has been conventionally applied. The capacitor of the MIS structure uses a polysilicon electrode as a storage electrode which is a lower electrode. And a metal electrode is used as a plate electrode which is an upper electrode. A dielectric layer is disposed between the storage electrode and the plate electrode. However, in the case of the MIS structure, an oxidation reaction occurs at an interface between the polysilicon electrode and the dielectric layer, thereby increasing the equivalent oxide thickness (Toexq: Equivalent Oxide Thickness) of the dielectric layer, thereby changing electrical characteristics. As a result, the capacitor of the MIS structure is unsuitable for semiconductor devices requiring sophisticated characteristics.

또한, 디램 (DRAM) 소자의 디자인 룰 (design rule)이 감소되는 경우에, 제한된 면적 내에서 셀 용량(cell capacitance)을 증가시키기가 어렵다. 상기 셀 용량을 증가시키기 위하여 상기 셀 커패시터의 높이(Height)를 증가시키는 방법과 상기 유전막의 등가 산화막 두께를 감소시키는 방법이 있다. 상기 디자인 룰이 100nm 이하인 경우에, 상기 셀 커패시터의 높이를 2.0 μm 보다 크도록 증가시키는 데에 한계가 있을 수 있다. 따라서, 고집적 디램 (DRAM) 소자에 적합한 셀 커패시터를 구현하기 위해서는 상기 셀 커패시터의 유전막의 등가 산화막 두께를 감소시키는 것이 요구된다. 종래의 MIS (Metal/Insulator/Polysilicon) 구조를 갖는 커패시터에 있어서, 약 20Å 보다 작은 등가 산화막 두께를 갖는 유전막을 형성하는 데에 한계가 있다.In addition, when the design rule of DRAM devices is reduced, it is difficult to increase cell capacitance within a limited area. In order to increase the cell capacity, there are a method of increasing the height of the cell capacitor and a method of reducing the equivalent oxide thickness of the dielectric layer. If the design rule is 100 nm or less, there may be a limit to increasing the height of the cell capacitor to be larger than 2.0 μm. Therefore, in order to implement a cell capacitor suitable for a highly integrated DRAM (DRAM) device, it is required to reduce the equivalent oxide thickness of the dielectric film of the cell capacitor. In a capacitor having a conventional MIS (Metal / Insulator / Polysilicon) structure, there is a limitation in forming a dielectric film having an equivalent oxide film thickness of less than about 20 mW.

상술한 문제점들을 해결하기 위하여 최근에 상기 고유전막을 사용하는 셀 커패시터에서는 상부전극 및 하부전극을 모두 금속층으로 형성하는 MIM 구조가 적용되고 있다. 예를 들면, 상기 하부전극을 타이타늄 질화막(TiN)으로 형성하는 기술이 상기 MIM 커패시터에 적용되고 있다. 상기 타이타늄 질화막으로 형성된 하부전극은 비저항이 작고 공핍층에 의한 기생 정전 용량의 발생을 억제하기 때문에 전기적 신뢰성이 우수하다. 또한, 상기 타이타늄 질화막은 강한 내산화성(strong oxidation resistance)을 보이므로, 상기 타이타늄 질화막 상에 자연산화막(native oxide layer)의 형성이 억제될 수 있다. 따라서, 상기 타이타늄 질화막 상에 형성되는 유전막의 등가 산화막 두께를 감소시키는 것이 용이할 수 있다.In order to solve the above problems, in recent years, a cell capacitor using the high-k dielectric has been applied with a MIM structure in which both the upper electrode and the lower electrode are formed of a metal layer. For example, a technique of forming the lower electrode with a titanium nitride film (TiN) has been applied to the MIM capacitor. The lower electrode formed of the titanium nitride film has a low specific resistance and excellent electrical reliability because it suppresses generation of parasitic capacitance caused by a depletion layer. In addition, since the titanium nitride film has strong oxidation resistance, formation of a native oxide layer on the titanium nitride film can be suppressed. Therefore, it may be easy to reduce the equivalent oxide film thickness of the dielectric film formed on the titanium nitride film.

한편, 통상 사용되는 대략 3.9의 유전상수를 갖는 실리콘 산화막의 경우 두께가 줄어들면서, 누설 전류가 증가되는 현상을 나타낸다. 즉, 상기 실리콘 산화막은 대략 50Å 이하에서는 통상 알려진 실리콘 산화막의 브레이크다운 메카니즘(breakdown mechanism)인 F-N 터널링(Fowler-Nordhein tunneling)에 의하여 설명되지 않는다. 즉, 캐리어(carrier)가 실리콘 산화막의 금지대(forbidden gap)를 통하여 전극으로 이동하는 다이렉트 터널링(direct tunneling)이 일어난다. 그 결과, 누설 전류가 증가하게 된다. 이에 따라, 누설 전류의 증가 없이 적절한 정전 용량을 유지하기 위하여 높은 유전 상수를 갖는 고유전막이 널리 채택되고 있다. 즉, 유전막의 유전 상수가 높을수록 등가 산화막 두께(equivalent oxide thickness ; EOT)는 감소하게 된다. 상기 고유전막으로는 대체로 높은 산소 친화력을 갖는 금속 으로부터 얻어지는 금속 산화물로서 상기 하프늄 산화막(HfO2), 지르코늄 산화막(ZrO2), 알루미늄 산화막(Al2O3), 타이타늄 산화막(TiO2) 등이 주목받고 있다. On the other hand, in the case of a silicon oxide film having a dielectric constant of approximately 3.9, which is commonly used, the thickness decreases and the leakage current increases. That is, the silicon oxide film is not described below by FN tunneling (Fowler-Nordhein tunneling), which is a breakdown mechanism of the silicon oxide film, which is commonly known below about 50 kHz. That is, direct tunneling occurs in which a carrier moves to an electrode through a forbidden gap of a silicon oxide film. As a result, leakage current increases. Accordingly, a high dielectric film having a high dielectric constant has been widely adopted to maintain proper capacitance without increasing leakage current. That is, the higher the dielectric constant of the dielectric film, the smaller the equivalent oxide thickness (EOT). As the high-k dielectric film, a hafnium oxide film (HfO 2 ), a zirconium oxide film (ZrO 2 ), an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ), a titanium oxide film (TiO 2 ), and the like are generally used as metal oxides obtained from a metal having a high oxygen affinity. I am getting it.

이와 같이, 상기 셀 커패시터의 정전 용량을 확보하기 위하여 다양한 연구가 시도되고 있으며, 이에 대한 연구는 앞으로도 지속적으로 요구된다. As such, various studies have been attempted to secure the capacitance of the cell capacitor, and research on this is required continuously.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 충분한 정전 용량을 확보하는 커패시터의 제조 방법을 제공함에 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method of manufacturing a capacitor to ensure a sufficient capacitance.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 충분한 정전 용량을 확보하는 커패시터를 제공함에 있다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a capacitor to secure a sufficient capacitance.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 커패시터의 제조 방법이 제공된다. 상기 커패시터의 제조 방법은 반도체 기판 상에 하부 전극을 형성하는 것을 구비한다. 상기 하부 전극 상에 금속 산화막을 구비하는 제1 유전막을 형성한다. 상기 제1 유전막 상에 타이타늄 질화막을 증착하여 상기 제1 유전막의 상부 표면에 제2 유전막과 아울러서 상기 제2 유전막 상에 상부 전극을 형성한다. 상기 타이타늄 질화막은 질소에 비해 타이타늄을 과잉하게 함유한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, a method of manufacturing a capacitor is provided. The method of manufacturing the capacitor includes forming a lower electrode on a semiconductor substrate. A first dielectric layer having a metal oxide layer is formed on the lower electrode. A titanium nitride film is deposited on the first dielectric film to form an upper electrode on the second dielectric film together with a second dielectric film on an upper surface of the first dielectric film. The titanium nitride film contains excessive titanium as compared to nitrogen.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 타이타늄 질화막이 TixN1-X(0<x<1)일 경우에 상기 타이타늄의 조성비는 0.6 내지 0.9로 형성될 수 있다. In some embodiments of the present invention, when the titanium nitride film is Ti x N 1-X (0 <x <1), the composition ratio of titanium may be formed to be 0.6 to 0.9.

다른 실시예들에서, 상기 제2 유전막은 타이타늄 산화막 또는 타이타늄 산질 화막으로 형성될 수 있다. In other embodiments, the second dielectric layer may be formed of a titanium oxide layer or a titanium oxynitride layer.

또 다른 실시예들에서, 상기 타이타늄 산화막을 증착하는 것은 염화타이타늄 가스 및 염화암모늄 가스를 소스 가스로 사용하는 화학기상증착 공정을 이용하여 형성될 수 있다. In yet other embodiments, depositing the titanium oxide film may be formed using a chemical vapor deposition process using titanium chloride gas and ammonium chloride gas as the source gas.

또 다른 실시예들에서, 상기 제1 유전막은 하프늄 산화막(HfO2), 지르코늄 산화막(ZrO2), 알루미늄 산화막(Al2O3), 타이타늄 산화막(TiO2) 및 이들의 조합막으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 막으로 형성될 수 있다. In another embodiment, the first dielectric layer is selected from the group consisting of hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3), titanium oxide (TiO 2 ), and combinations thereof. It can be formed of either film.

또 다른 실시예들에서, 상기 하부 전극은 금속 질화막, 루쎄니움(Ru), 루쎄니움 산화막(RuO2), 플래티늄(Pt), 이리듐(Ir), 및 이리듐 산화막(IrO2)으로 이루어진 일 군 중 선택된 어느 하나의 막으로 형성될 수 있다. In another embodiment, the lower electrode may include a metal nitride film, ruthenium (Ru), ruthenium oxide (RuO 2 ), platinum (Pt), iridium (Ir), and iridium oxide (IrO 2 ). It can be formed of any one film selected.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 커패시터가 제공된다. 상기 커패시터는 반도체 기판 상에 제공되는 하부 전극을 구비한다. 상기 하부 전극 상에 배치되되, 질소에 비해 타이타늄을 과잉하게 갖는 타이타늄 질화막을 함유하는 상부 전극이 제공된다. 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 개재되며 차례로 적층되는 제1 및 제2 유전막들이 제공된다. 상기 제1 유전막은 금속 산화막을 구비하고, 상기 제2 유전막은 타이타늄 산화막 또는 타이타늄 산질화막을 구비한다. According to another aspect of the present invention for achieving the above technical problem, a capacitor is provided. The capacitor has a lower electrode provided on the semiconductor substrate. An upper electrode disposed on the lower electrode, the upper electrode containing a titanium nitride film having excess titanium compared to nitrogen is provided. First and second dielectric layers interposed between the lower electrode and the upper electrode and sequentially stacked are provided. The first dielectric layer includes a metal oxide layer, and the second dielectric layer includes a titanium oxide layer or a titanium oxynitride layer.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 소자(element) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the scope of the invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout. Also, an element or layer is referred to as "on" or "on" of another element or layer by interposing another layer or other element in the middle as well as directly above the other element or layer. Include all cases.

먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다. 도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다. First, a method of manufacturing a capacitor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. 1 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 콘택 플러그(112)를 갖는 층간 절연막(110)을 형성할 수 있다. 상기 층간 절연막(110)은 예를 들어, PE-TEOS(Plasma enhanced tetraethyl orthosilicate)막으로 형성될 수 있다. 도 1에 도시되어 있지 않으나, 상기 층간 절연막(110) 내의 상기 반도체 기판(100)에 스위칭 소자로서 사용되는 모스 트랜지스터(MOS transistor)가 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 콘택 플러그(112)는 상기 모스 트랜지스터의 소스/드레인 영역과 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다. Referring to FIG. 1, an interlayer insulating layer 110 having a contact plug 112 may be formed on a semiconductor substrate 100. The interlayer insulating layer 110 may be formed of, for example, a plasma enhanced tetraethyl orthosilicate (PE-TEOS) layer. Although not shown in FIG. 1, a MOS transistor used as a switching element may be formed in the semiconductor substrate 100 in the interlayer insulating layer 110. In this case, the contact plug 112 may be formed to be electrically connected to the source / drain region of the MOS transistor.

상기 콘택 플러그(112)를 갖는 반도체 기판(100) 상에 식각 저지막(114)을 형성할 수 있다. 상기 식각 저지막(114) 상에 몰딩막(116)을 형성할 수 있다. 상기 몰딩막(116)은 상기 식각 저지막(114)에 대하여 식각 선택비를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 식각 저지막(114)이 실리콘 질화막으로 형성되는 경우에, 상기 몰딩막(116)은 PE-TEOS막, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막 또는 이들의 조합막으로 이루어진 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. An etch stop layer 114 may be formed on the semiconductor substrate 100 having the contact plug 112. The molding layer 116 may be formed on the etch stop layer 114. The molding layer 116 may be formed to have an etching selectivity with respect to the etch stop layer 114. For example, when the etch stop layer 114 is formed of a silicon nitride layer, the molding layer 116 is a silicon oxide layer formed of a PE-TEOS layer, a boron phosphorus silicate glass (BPSG) layer, or a combination thereof. Can be formed.

상기 몰딩막(116) 및 상기 식각 저지막(114)을 패터닝하여 상기 콘택 플러그(112)를 노출시키는 스토리지 노드 홀(118)을 형성할 수 있다. The molding layer 116 and the etch stop layer 114 may be patterned to form a storage node hole 118 exposing the contact plug 112.

도 2를 참조하면, 상기 스토리지 노드 홀(118)을 갖는 반도체 기판(100) 상에 하부 전극막(120a)을 형성할 수 있다. 상기 하부 전극막(120a)은 상기 스토리지 노드 홀(118)의 내부 및 상기 몰딩막(116)의 상부면을 따라 형성될 수 있다. 상기 하부 전극막(120a)은 귀금속막 또는 금속 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 귀금속막은 루쎄니움(Ru), 루쎄니움 산화막(RuO2), 플래티늄(Pt), 이리듐(Ir), 및 이리듐 산화막(IrO2)으로 이루어진 일 군 중 선택된 어느 하나의 막으로 형성될 수 있다. 상기 금속 질화막은 타이타늄 질화막(TiN), 타이타늄 실리콘 질화막(TiSiN), 타이타늄 알루미늄 질화막(TiAlN), 탄탈륨 질화막(TaN) 및 텅스텐 질화막(WN)으로 이루어진 일 군 중 선택된 적어도 어느 하나의 막으로 형성될 수 있다. 이중, 상기 타이타늄 질화막은 높은 기계적 강도, 우수한 전기 전도성 및 내산화성을 갖는다. 이 경우에, 상기 하부 전극막(120a)은 화학적기상증착(chemical vapor deposition; CVD) 또는 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 공정을 사용하여 형성될 수 있다.Referring to FIG. 2, a lower electrode layer 120a may be formed on the semiconductor substrate 100 having the storage node hole 118. The lower electrode layer 120a may be formed in the storage node hole 118 and along an upper surface of the molding layer 116. The lower electrode film 120a may be formed of a noble metal film or a metal nitride film. The noble metal layer may be formed of any one selected from the group consisting of ruthenium (Ru), ruthenium oxide (RuO 2 ), platinum (Pt), iridium (Ir), and iridium oxide (IrO 2 ). The metal nitride layer may be formed of at least one selected from the group consisting of a titanium nitride layer (TiN), a titanium silicon nitride layer (TiSiN), a titanium aluminum nitride layer (TiAlN), a tantalum nitride layer (TaN), and a tungsten nitride layer (WN). have. Of these, the titanium nitride film has high mechanical strength, excellent electrical conductivity and oxidation resistance. In this case, the lower electrode layer 120a may be formed using a chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD) process.

이어서, 상기 하부 전극막(120a)을 갖는 반도체 기판(100) 상에 상기 스토리지 노드 홀(118)을 채우는 희생막(122)을 형성할 수 있다. 상기 희생막(122)은 상기 몰딩막(116)과 동일한 물질막으로 형성될 수 있다. Subsequently, a sacrificial layer 122 may be formed on the semiconductor substrate 100 having the lower electrode layer 120a to fill the storage node hole 118. The sacrificial layer 122 may be formed of the same material layer as the molding layer 116.

도 3을 참조하면, 상기 몰딩막(116)의 상부면을 노출시키도록 상기 희생막(122) 및 상기 하부 전극막(120a)을 평탄화할 수 있다. 상기 평탄화 공정은 화학적기계적연마(chemical mechanical polishing; CMP) 공정 또는 에치백(etch back) 공정으로 진행될 수 있다. 그 결과, 상기 스토리지 노드 홀(118)의 내부를 덮는 하부 전극(120a)이 형성된다. 이어서, 상기 몰딩막(116) 및 희생막(122)을 제거하여 상기 하부 전극(120a)의 내측벽 및 외측벽을 노출시켜 실린더 구조의 하부 전극(120a)을 형성시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 실린더 구조의 커패시터를 예로 들어 설명하나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 콘케이브(concave) 구조 또는 적층(stack) 구조와 같은 다양한 구조를 갖는 커패시터에 적용될 수 있다. 상기 콘케이브 구조의 경우에, 상기 희생막(122)을 선택적으로 제거한다. 그 결과, 상기 스토리지 노드 홀(118) 내부에 잔존되는 하부 전극이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 희생막(122)은 상기 몰딩막(116)에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3, the sacrificial layer 122 and the lower electrode layer 120a may be planarized to expose the upper surface of the molding layer 116. The planarization process may be performed by a chemical mechanical polishing (CMP) process or an etch back process. As a result, the lower electrode 120a covering the inside of the storage node hole 118 is formed. Subsequently, the molding layer 116 and the sacrificial layer 122 may be removed to expose the inner and outer walls of the lower electrode 120a to form the lower electrode 120a having a cylindrical structure. In the embodiment of the present invention, a capacitor having a cylinder structure will be described as an example, but the present invention is not limited thereto, and the present invention can be applied to a capacitor having various structures such as a concave structure or a stack structure. In the case of the concave structure, the sacrificial layer 122 is selectively removed. As a result, a lower electrode remaining inside the storage node hole 118 may be formed. The sacrificial layer 122 may be formed of an insulating layer having an etch selectivity with respect to the molding layer 116.

도 4를 참조하면, 상기 하부 전극(120a)을 갖는 반도체 기판(100) 상에 하부 유전막(130)을 증착할 수 있다. 상기 하부 유전막(130)은 고유전막으로서 금속 산화막, 예를 들어, 지르코늄 산화막(ZrO2)으로 형성될 수 있다. 상기 지르코늄 산화 막(130)은 TEMAZ(Tetra-Ethyl-Methyl Amino Zirconium; Zr[N(CH3)C2H5]4)와 같은 전구체(precursor) 및 산소를 함유하는 반응 가스를 사용하는 원자층 증착 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 원자층 공정은 200℃ 내지 400℃의 온도에서 진행될 수 있다. 이어서, 상기 지르코늄 산화막(130)은 고유전 상수를 갖도록 상기 비정질 상태의 지르코늄 산화막(130)에 대하여 질소 또는 산소 분위기에서 열처리하여 상기 지르코늄 산화막(130)을 결정화할 수 있다. 상기 열처리 공정은 300℃ 내지 600℃의 온도에서 진행될 수 있으며, 아르곤(Ar) 기체와 같은 비활성 기체를 더 첨가하여 진행될 수 있다. 산소 분위기에서 상기 열처리를 하는 경우에 상기 지르코늄 산화막(130)은 양호한 누설 전류 특성을 갖도록 형성될 수 있다. Referring to FIG. 4, a lower dielectric layer 130 may be deposited on the semiconductor substrate 100 having the lower electrode 120a. The lower dielectric layer 130 may be formed of a metal oxide layer, for example, a zirconium oxide layer (ZrO 2 ) as a high dielectric layer. The zirconium oxide film 130 is an atomic layer using a precursor gas such as Tetra-Ethyl-Methyl Amino Zirconium; Zr [N (CH 3 ) C 2 H 5 ] 4 ) and a reaction gas containing oxygen It may be formed by a deposition process. The atomic layer process may be carried out at a temperature of 200 ℃ to 400 ℃. Subsequently, the zirconium oxide layer 130 may be crystallized by heat-treating the amorphous zirconium oxide layer 130 in a nitrogen or oxygen atmosphere so as to have a high dielectric constant. The heat treatment process may be carried out at a temperature of 300 ℃ to 600 ℃, it can be carried out by further adding an inert gas, such as argon (Ar) gas. When the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, the zirconium oxide film 130 may be formed to have good leakage current characteristics.

상기 지르코늄 산화막(130) 상에 상부 유전막(132)을 증착할 수 있다. 상기 상부 유전막(132)은 상기 하부 유전막(130)과 다른 종류의 금속 산화막, 예를 들어, 타이타늄 산화막(TiO2)으로 형성될 수 있다. 상기 타이타늄 산화막(132)은 TEMAT(Tetra-Ethyl-Methyl Amino Titanium; Ti[N(CH3)C2H5]4)와 같은 전구체(precursor) 및 산소를 함유하는 반응 가스를 사용하는 원자층 증착 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 원자층 공정은 200℃ 내지 400℃의 온도에서 진행될 수 있다. 그 결과, 상기 하부 및 상부 유전막들(130, 132)로 구성되는 제1 유전막(134)이 형성될 수 있다, 한편, 상기 하부 및 상부 유전막들(130, 132)을 형성하는 과정에서 상기 하부 전극(120a) 상에 자연 산화막이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 유전막(134)의 등가 산화막 두께가 증가됨으로써 정전 용량이 감소될 수 있어, 이를 억제하기 위하여 상기 제1 유전막(134)을 형성하기 전에 상기 하부 전극(120a)의 표면에 균일하고 치밀한 산화막을 형성시킬 수 있다. An upper dielectric layer 132 may be deposited on the zirconium oxide layer 130. The upper dielectric layer 132 may be formed of a metal oxide layer different from the lower dielectric layer 130, for example, a titanium oxide layer (TiO 2 ). The titanium oxide layer 132 is an atomic layer deposition using a reactive gas containing a precursor and oxygen, such as TEMAT (Tetra-Ethyl-Methyl Amino Titanium; Ti [N (CH 3 ) C 2 H 5 ] 4 ) It can be formed by a process. The atomic layer process may be carried out at a temperature of 200 ℃ to 400 ℃. As a result, a first dielectric layer 134 including the lower and upper dielectric layers 130 and 132 may be formed. Meanwhile, the lower electrode in the process of forming the lower and upper dielectric layers 130 and 132. A natural oxide film may be formed on the 120a. Accordingly, the capacitance of the first dielectric layer 134 may be increased by increasing the equivalent oxide thickness, so that the uniformity is formed on the surface of the lower electrode 120a before the formation of the first dielectric layer 134. And a dense oxide film can be formed.

본 실시예에서와 같이 이층막으로 형성된 상기 제1 유전막(134)은 상술한 고유전막들 뿐만 아니라, 상기 제1 유전막(134)의 유전 특성 및 누설 전류 특성을 고려하여 하프늄 산화막(HfO2), 지르코늄 산화막(ZrO2), 알루미늄 산화막(Al2O3) 및 타이타늄 산화막(TiO2)과 같은 고유전막들의 조합막으로 형성될 수 있다. 아울러, 상기 제1 유전막(134)은 상기 고유전막들 중 선택된 어느 하나를 포함하는 단일막으로 형성될 수 있고, 3 개 이상의 다층막으로 형성될 수 있다. As described in the present embodiment, the first dielectric layer 134 formed of the two-layer film may include hafnium oxide (HfO 2 ), in consideration of the dielectric and leakage current characteristics of the first dielectric layer 134 as well as the high-k dielectric layers described above. It may be formed of a combination film of high dielectric films such as zirconium oxide (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and titanium oxide (TiO 2 ). In addition, the first dielectric layer 134 may be formed of a single layer including any one selected from the high dielectric layers, and may be formed of three or more multilayer layers.

도 5를 참조하면, 상기 제1 유전막(134)을 갖는 반도체 기판(100) 상에 질소에 비해 타이타늄을 과잉하게 함유하는 타이타늄 질화막(TixN1-x,0<x<1)을 증착한다. 그 결과, 상기 타이타늄 산화막을 포함하는 상부 전극(140)이 형성된다. 바람직하게는, 상기 타이타늄의 조성비(x)는 0.5 내지 0.9이도록 상기 타이타늄 질화막은 증착될 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 타이타늄의 조성비(x)는 0.7 내지 0.8로 형성될 수 있다. 상기 타이타늄 질화막은 화학적기상증착 공정 또는 스퍼터링을 사용하여 증착될 수 있다. 상기 화학적기상증착 공정에 의하는 경우에, 우수한 도포 단차성(step coverage)으로 인해 상기 타아타늄 질화막은 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 실린더 구조라도 상기 제1 유전막(134)을 따라 균일한 두께로 형성될 수 있다. 상기 화학적기상증착 공정은 염화타이타늄(TiCl4) 가스 및 염화암모 늄(NH3) 가스를 소스 가스로 사용할 수 있다. Referring to FIG. 5, a titanium nitride film (Ti x N 1-x , 0 <x <1) containing an excessive amount of titanium as compared to nitrogen is deposited on the semiconductor substrate 100 having the first dielectric layer 134. . As a result, the upper electrode 140 including the titanium oxide film is formed. Preferably, the titanium nitride film may be deposited such that the composition ratio x of the titanium is 0.5 to 0.9, and more preferably, the composition ratio x of the titanium may be formed of 0.7 to 0.8. The titanium nitride film may be deposited using a chemical vapor deposition process or sputtering. In the case of the chemical vapor deposition process, due to the excellent step coverage, the titanium nitride film has a uniform thickness along the first dielectric film 134 even in a cylindrical structure having a high aspect ratio. It can be formed as. In the chemical vapor deposition process, titanium chloride (TiCl 4 ) gas and ammonium chloride (NH 3 ) gas may be used as the source gas.

한편, 상기 타이타늄 질화막을 증착하는 동안에, 상기 타이타늄 질화막의 타이타늄이 상기 상부 유전막(132)의 상부 표면으로 확산하여 상기 상부 전극(140)과 상기 상부 유전막(132) 사이에 개재되는 제2 유전막(136)을 형성한다. 이 경우에, 상기 타이타늄이 효율적으로 확산되도록 열처리 공정을 실시할 수 있다. 그 결과, 상기 제1 및 제2 유전막들(134, 136)으로 구성되는 유전막(138)이 형성된다. 구체적으로, 상기 제2 유전막(136)은 상기 상부 유전막(132)의 상부 표면에 형성되며, 상기 표면에 형성된 제2 유전막(136)은 타이타늄 산화막 또는 타이타늄 산질화막으로 형성될 수 있다. 상기 타이타늄 산화막(TiOy) 또는 상기 타이타늄 산질화막은 상술한 고유전막에 비하여 높은 유전 상수를 가져 상기 유전막(138)의 정전 용량은 증가된다. 도 4의 실시예에서 언급한 바와 같이, 상기 상부 유전막(132)이 타이타늄 산화막으로 형성되는 경우에, 상기 제2 유전막(136)은 과잉 타이타늄을 갖는 산화막(TiOy) 또는 산질화막으로 형성되어 높은 유전 상수를 가질 수 있다. Meanwhile, during the deposition of the titanium nitride layer, the titanium nitride layer diffuses to the upper surface of the upper dielectric layer 132 and is interposed between the upper electrode 140 and the upper dielectric layer 132. ). In this case, a heat treatment process may be performed to efficiently diffuse the titanium. As a result, a dielectric film 138 composed of the first and second dielectric films 134 and 136 is formed. In detail, the second dielectric layer 136 may be formed on an upper surface of the upper dielectric layer 132, and the second dielectric layer 136 formed on the surface may be formed of a titanium oxide layer or a titanium oxynitride layer. The titanium oxide film TiO y or the titanium oxynitride film has a higher dielectric constant than the high dielectric film described above, so that the capacitance of the dielectric film 138 is increased. As mentioned in the embodiment of FIG. 4, when the upper dielectric layer 132 is formed of a titanium oxide layer, the second dielectric layer 136 is formed of an oxide layer (TiO y ) or an oxynitride layer having excess titanium and is high. It can have a dielectric constant.

이로써, 상기 하부 전극(120a), 상기 제1 및 제2 유전막(136)으로 구성되는 상기 유전막(138) 및 상기 상부 전극(140)을 구비하는 커패시터가 완성된다. 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 실린더 구조를 갖는 커패시터가 형성된다. 그러나, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 콘케이브 구조 또는 스택 구조와 같이 다양한 구조를 갖는 커패시터들에 적용될 수 있다. Thus, a capacitor including the dielectric layer 138 and the upper electrode 140 including the lower electrode 120a, the first and second dielectric layers 136 is completed. As described above, according to one embodiment of the present invention, a capacitor having a cylinder structure is formed. However, the spirit of the present invention is not limited thereto and may be applied to capacitors having various structures such as concave structures or stack structures.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터에 대하여 설명 한다.Hereinafter, a capacitor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5.

도 5를 다시 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 콘택 플러그(112)를 구비한 층간 절연막(110)이 배치될 수 있다. 상기 층간 절연막(110)은 예를 들어, PE-TEOS(Plasma enhanced tetraethyl orthosilicate)막을 구비할 수 있다. 아울러, 상기 층간 절연막(110)을 덮는 식각 저지막(114)이 제공될 수 있다. 도 5에 도시되어 있지 않으나, 상기 층간 절연막(110) 내의 상기 반도체 기판(100)에 스위칭 소자로서 사용되는 모스 트랜지스터(MOS transistor)가 제공될 수 있다. 이 경우에, 상기 콘택 플러그(112)는 상기 모스 트랜지스터의 소스/드레인 영역들 중 일 영역과 전기적으로 연결될 수 있다. Referring back to FIG. 5, an interlayer insulating layer 110 having a contact plug 112 may be disposed on the semiconductor substrate 100. The interlayer insulating layer 110 may include, for example, a plasma enhanced tetraethyl orthosilicate (PE-TEOS) layer. In addition, an etch stop layer 114 may be provided to cover the interlayer insulating layer 110. Although not shown in FIG. 5, a MOS transistor used as a switching element may be provided in the semiconductor substrate 100 in the interlayer insulating layer 110. In this case, the contact plug 112 may be electrically connected to one of the source / drain regions of the MOS transistor.

상기 콘택 플러그(112) 상에 하부 전극(120a) 및 이와 중첩되는 상부 전극(140)이 배치될 수 있다. 상기 하부 전극(120a)은 귀금속막 또는 금속 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 상부 전극(140)은 질소에 비해 타이타늄을 과잉하게 갖는 타이타늄 질화막(TixN1-x,0<x<1)을 함유한다. 상기 타이타늄의 조성비(x)는 0.5 내지 0.9일 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 타이타늄 조성비(x)는 0.7 내지 0.8일 수 있다. 상술한 바와 같이, 도 5의 실시예에서는 상기 하부 및 상부 전극들(120a, 140)이 실린더 구조를 갖고 있으나, 본 발명에 따른 커패시터는 이에 제한되지 않고, 다양한 구조 예를 들어, 콘케이브 구조 또는 스택 구조에 적용될 수 있다. The lower electrode 120a and the upper electrode 140 overlapping the contact plug 112 may be disposed on the contact plug 112. The lower electrode 120a may be formed of a noble metal film or a metal nitride film. The upper electrode 140 contains a titanium nitride film (Ti x N 1-x , 0 <x <1) having excessive titanium as compared to nitrogen. The composition ratio x of the titanium may be 0.5 to 0.9, and more preferably, the composition ratio x of the titanium may be 0.7 to 0.8. As described above, in the embodiment of FIG. 5, the lower and upper electrodes 120a and 140 have a cylinder structure, but the capacitor according to the present invention is not limited thereto, and various structures, for example, a concave structure or Applicable to the stack structure.

상기 하부 및 상부 전극들(120a, 140) 사이에 유전막(138)이 개재된다. 상기 유전막(138)은 제1 및 제2 유전막들(134, 136)을 구비한다. 상기 제1 유전막(134) 은 고유전막으로서 금속 산화막을 구비한다. 상기 제1 유전막(134)은 하부 및 상부 유전막들(130, 132)을 구비할 수 있다. 상기 하부 및 상부 유전막들 (130, 132)은 각각 지르코늄 산화막 및 타이타늄 산화막일 수 있다. 본 실시예에서와 같이 이층막으로 형성된 상기 제1 유전막(134)은 이뿐만 아니라, 상기 제1 유전막(134)의 유전 특성 및 누설 전류 특성을 고려하여 하프늄 산화막(HfO2), 지르코늄 산화막(ZrO2), 알루미늄 산화막(Al2O3) 및 타이타늄 산화막(TiO2)과 같은 고유전막들의 조합막을 구비할 수 있다. 아울러, 상기 제1 유전막(134)은 상기 고유전막들 중 선택된 어느 하나를 포함하는 단일막 또는 3 개 이상의 다층막을 구비할 수 있다. A dielectric layer 138 is interposed between the lower and upper electrodes 120a and 140. The dielectric layer 138 includes first and second dielectric layers 134 and 136. The first dielectric layer 134 includes a metal oxide layer as a high dielectric layer. The first dielectric layer 134 may include lower and upper dielectric layers 130 and 132. The lower and upper dielectric layers 130 and 132 may be a zirconium oxide layer and a titanium oxide layer, respectively. As described in the present embodiment, the first dielectric layer 134 formed of the two-layer film may include not only the hafnium oxide layer (HfO 2 ) and the zirconium oxide layer (ZrO) in consideration of the dielectric and leakage current characteristics of the first dielectric layer 134. 2 ), a combination film of high dielectric films such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and titanium oxide (TiO 2 ) may be provided. In addition, the first dielectric layer 134 may include a single layer or three or more multilayer layers including any one selected from among the high dielectric layers.

상기 제2 유전막(136)은 타이타늄 산화막 또는 타이타늄 산질화막일 수 있다. 상기 타이타늄 산화막(TiOy) 또는 타이타늄 산질화막은 상술한 고유전막들에 비해 높은 유전 상수를 가져 상기 유전막(138)의 정전 용량이 증가될 수 있다. 또한, 상기 상부 유전막(132)이 타이타늄 산화막인 경우에, 상기 제2 유전막(136)은 과잉 타이타늄을 갖는 산화막(TiOy) 또는 산질화막을 구비하여 높은 유전 상수를 가질 수 있다. The second dielectric layer 136 may be a titanium oxide layer or a titanium oxynitride layer. The titanium oxide layer TiO y or the titanium oxynitride layer has a higher dielectric constant than the above-described high dielectric layers, and thus the capacitance of the dielectric layer 138 may be increased. In addition, when the upper dielectric layer 132 is a titanium oxide layer, the second dielectric layer 136 may have a high dielectric constant by including an oxide layer (TiO y ) or an oxynitride layer having excess titanium.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 제1 유전막 상에 과잉 타이타늄을 갖는 타이타늄 질화막을 형성함으로써 상기 제1 유전막의 상부 표면에 높은 유전 상수를 갖는 제2 유전막을 형성한다. 그 결과, 상기 제1 및 제2 유전막들을 구비하는 유전막의 정전 용량은 증가되고, 셀 커패시터의 전기적 특성이 향상된다. As described above, according to the present invention, a second dielectric film having a high dielectric constant is formed on the upper surface of the first dielectric film by forming a titanium nitride film having excess titanium on the first dielectric film. As a result, the capacitance of the dielectric film having the first and second dielectric films is increased, and the electrical characteristics of the cell capacitor are improved.

Claims (10)

반도체 기판 상에 하부 전극을 형성하고,Forming a lower electrode on the semiconductor substrate, 상기 하부 전극 상에 금속 산화막을 구비하는 제1 유전막을 형성하고,Forming a first dielectric layer having a metal oxide layer on the lower electrode; 상기 제1 유전막 상에 타이타늄 질화막을 증착하여 상기 제1 유전막의 상부 표면에 제2 유전막과 아울러서 상기 제2 유전막 상에 상부 전극을 형성하되, 상기 타이타늄 질화막은 질소에 비해 타이타늄을 과잉하게 함유하는 커패시터의 제조 방법. Depositing a titanium nitride film on the first dielectric film to form an upper electrode on the second dielectric film together with a second dielectric film on an upper surface of the first dielectric film, wherein the titanium nitride film contains excess titanium compared to nitrogen Method of preparation. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 타이타늄 질화막이 TixN1-X(0<x<1)일 경우에 상기 타이타늄의 조성비는 0.6 내지 0.9로 형성되는 커패시터의 제조 방법.When the titanium nitride film is Ti x N 1-X (0 <x <1), the composition ratio of the titanium is formed of 0.6 to 0.9. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 유전막은 타이타늄 산화막 또는 타이타늄 산질화막으로 형성되는 커패시터의 제조 방법.And the second dielectric film is formed of a titanium oxide film or a titanium oxynitride film. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 타이타늄 질화막을 증착하는 것은 염화타이타늄 가스 및 염화암모늄 가 스를 소스 가스로 사용하는 화학기상증착 공정을 이용하여 형성되는 커패시터의 제조 방법.And depositing the titanium nitride film using a chemical vapor deposition process using titanium chloride gas and ammonium chloride gas as a source gas. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 유전막은 하프늄 산화막(HfO2), 지르코늄 산화막(ZrO2), 알루미늄 산화막(Al2O3), 타이타늄 산화막(TiO2) 및 이들의 조합막으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 막으로 형성되는 커패시터. The first dielectric layer is formed of any one selected from the group consisting of hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), and a combination thereof. Capacitor. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 하부 전극은 금속 질화막, 루쎄니움(Ru), 루쎄니움 산화막(RuO2), 플래티늄(Pt), 이리듐(Ir), 및 이리듐 산화막(IrO2)으로 이루어진 일 군 중 선택된 어느 하나의 막으로 형성하는 커패시터의 제조 방법. The lower electrode is formed of any one selected from the group consisting of a metal nitride film, ruthenium (Ru), ruthenium oxide (RuO 2 ), platinum (Pt), iridium (Ir), and iridium oxide (IrO 2 ). Method of manufacturing a capacitor. 반도체 기판 상에 제공되는 하부 전극;A lower electrode provided on the semiconductor substrate; 상기 하부 전극 상에 배치되되, 질소에 비해 타이타늄을 과잉하게 갖는 타이타늄 질화막을 함유하는 상부 전극; 및 An upper electrode disposed on the lower electrode, the upper electrode including a titanium nitride film having excess titanium compared to nitrogen; And 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 개재되며 차례로 적층되는 제1 및 제2 유전막들을 포함하되, 상기 제1 유전막은 금속 산화막을 구비하고, 상기 제2 유전막은 타이타늄 산화막 또는 타이타늄 산질화막을 구비하는 커패시터.A first dielectric layer interposed between the lower electrode and the upper electrode and sequentially stacked, wherein the first dielectric layer includes a metal oxide layer, and the second dielectric layer includes a titanium oxide layer or a titanium oxynitride layer. . 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 타이타늄 질화막이 TixN1-X(0<x<1)일 경우에 상기 타이타늄의 조성비는 0.6 내지 0.9인 커패시터.The composition ratio of the titanium is 0.6 to 0.9 when the titanium nitride film is Ti x N 1-X (0 <x <1). 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제1 유전막은 하프늄 산화막(HfO2), 지르코늄 산화막(ZrO2), 알루미늄 산화막(Al2O3), 타이타늄 산화막(TiO2) 및 이들의 조합막으로 이루어진 군 중 선택된 어느 하나의 막을 구비하는 커패시터. The first dielectric layer includes any one selected from the group consisting of hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), and a combination thereof. Capacitors. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 하부 전극은 금속 질화막, 루쎄니움(Ru), 루쎄니움 산화막(RuO2), 플래티늄(Pt), 이리듐(Ir), 및 이리듐 산화막(IrO2)으로 이루어진 일 군 중 선택된 어느 하나의 막을 구비하는 커패시터. The lower electrode includes any one selected from the group consisting of a metal nitride film, ruthenium (Ru), ruthenium oxide (RuO 2 ), platinum (Pt), iridium (Ir), and iridium oxide (IrO 2 ). Capacitors.
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