KR20090072794A - Semiconductor memory device having a capacitor of double-layer cylinder structure and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 복층 실린더 구조의 캐패시터를 구비한 고집적 반도체 메모리소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a highly integrated semiconductor memory device having a capacitor having a multilayer cylinder structure, and a method of manufacturing the same.
반도체 메모리소자의 집적도가 증가하고 디자인 룰(design rule)이 급격히 축소됨에 따라, 한정된 면적 내에 충분한 캐패시턴스를 가지는 캐패시터를 구현하기가 더욱 어려워지고 있다. 특히, 디램(DRAM)과 같은 휘발성(volatile) 메모리소자의 경우 셀(cell) 내부에 지속적인 데이터(data)의 저장을 위하여 주기적으로 전하를 보충해 주어야 하는 리프래쉬(refresh) 과정이 필요한데, 이러한 리프래쉬 과정은 많은 전력을 소모시키기 때문에 특히 모바일(mobile) 제품에 있어서는 매우 불리한 요소로 작용할 수 있다. 따라서, 리프래쉬 주기를 증가시켜 이러한 문제점을 극복할 필요가 있다. As the degree of integration of semiconductor memory devices increases and design rules rapidly decrease, it becomes more difficult to implement a capacitor having sufficient capacitance in a limited area. In particular, in the case of volatile memory devices such as DRAM, a refresh process is required to periodically replenish charges in order to continuously store data in a cell. The flash process consumes a lot of power, which can be very disadvantageous, especially for mobile products. Therefore, it is necessary to overcome this problem by increasing the refresh period.
메모리소자의 리프래쉬 주기를 증가시키기 위해서는 셀 내의 캐패시턴스(Cs)를 증가시키거나, 셀 내부에 기생하는 기생 캐패시턴스(Cb)를 감소시키는 방법이 있다. 일정 수준 이상의 캐패시턴스(Cs)를 확보하기 위한 방법으로, 유전상수가 큰 유전막을 사용하거나, 캐패시터의 유효 면적을 증가시키거나, 또는 전극 사이의 간격을 감소시키는 등의 여러 가지 방법이 시행되고 있다. 이 중, 캐패시터의 면적을 증가시키기 위하여, 실린더형 스토리지 전극을 형성하고, 실린더의 높이를 증가시키며, 실린더의 직경을 최대한 늘이는 노력들이 시도되고 있다.In order to increase the refresh period of the memory device, there is a method of increasing the capacitance Cs in the cell or decreasing the parasitic capacitance Cb parasitic in the cell. As a method for securing a certain level of capacitance (Cs), various methods, such as using a dielectric film having a large dielectric constant, increasing the effective area of a capacitor, or reducing the distance between electrodes, have been implemented. Among these, efforts have been made to form a cylindrical storage electrode, increase the height of the cylinder, and increase the diameter of the cylinder as much as possible to increase the area of the capacitor.
그러나, 급격한 디자인 룰의 감소로 인해 실린더의 직경은 이전 세대 기술에 비해 현저히 감소하게 되었고, 이에 따른 캐패시턴스의 감소를 보상하기 위하여 실린더의 높이는 더욱 높아지게 되었다. 이러한 실린더의 높이 증가는 예컨대 컨택홀 형성을 위한 식각 등의 후속 공정의 난이도를 증가시키며 셀 영역과 주변회로 영역 사이의 단차를 더욱 증가시키는 결과를 초래하게 되었다.However, due to the drastic reduction of design rules, the diameter of the cylinder is significantly reduced compared to the previous generation technology, and the height of the cylinder is further increased to compensate for the reduction in capacitance. This increase in the height of the cylinders increases the difficulty of subsequent processes, such as etching for forming contact holes, resulting in further increases in the step between the cell area and the peripheral circuit area.
한편, 반도체 메모리소자, 특히 디램(DRAM) 소자의 경우 고집적화가 진행됨에 따라 칩 크기를 줄이려는 노력이 많이 수행되고 있다. 이러한 노력의 일 예로, 셀 구조의 변화, 구체적으로 활성영역들의 평면적인 배열 또는 레이아웃(layout)을 변화시키는 경우를 고려할 수 있다. 현재 널리 알려진 활성영역의 레이아웃 형태는 8F2 구조로서, 하나의 활성영역 위에 두 개의 스토리지 노드를 배치하는 구조이다. 8F2 구조의 경우, 원형 실린더 구조의 스토리지 노드를 채용할 경우 스토리지 노드 컨택과 스토리지 노드의 위치를 오프셋(offset)하여 이웃 스토리지 노드와의 간격을 동일하게 유지할 수 있는 구조로, 한정된 면적 내에 보다 많은 실린더를 형성할 수 있는 이점이 있다.On the other hand, in the case of semiconductor memory devices, particularly DRAM devices, as integration is advanced, efforts to reduce chip size have been made. As an example of such an effort, a case of changing a cell structure, specifically, a planar arrangement or layout of active regions may be considered. Currently, the layout of the active area is an 8F2 structure, in which two storage nodes are arranged on one active area. In the case of the 8F2 structure, when a circular cylinder storage node is employed, the space between the storage node contact and the storage node can be offset to maintain the same distance from neighboring storage nodes. There is an advantage that can form.
도 1은 8F2 구조의 종래의 디램(DRAM)의 셀의 배열을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating an arrangement of cells of a conventional DRAM having an 8F2 structure.
도 1을 참조하면, 하나의 활성영역(100)에 두 개의 스토리지 노드(111, 112)가 배열된다. 첫 번째 세로열의 스토리지 노드들(111, 112)은 아래로 쉬프트(shift)되어 있고, 그와 이웃한 두 번째 세로열의 스토리지 노드들(121, 122, 123)은 위로 쉬프트되어 있다. 따라서, 최종적으로 완성되는 스토리지 노드의 배치는 정사각형 배치가 아닌 마름모형으로 바뀌게 된다. 이렇게 마름모 형태로 배치하여 스토리지 노드를 형성하게 되는데, 통상 다음과 같은 공정으로 이루어진다.Referring to FIG. 1, two
먼저, 스토리지 노드 컨택이 형성된 반도체기판 상에 식각정지막을 형성한 다음, 그 위에 몰드 절연막을 한 층 또는 다층으로 적층한다. 최종 실린더의 높이는 12,000Å 정도이나, 후속 식각공정에서의 손실을 고려하여 몰드 절연막의 높이를 13,000Å 정도로 한다. 이후, 사진식각 공정을 실시하여 실린더의 내면에 해당하는 몰드 절연막과 식각정지막을 식각하여 스토리지 노드 컨택이 노출되도록 한다. 스토리지 전극을 형성하기 위하여 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 티타늄 나이트라이드(TiN)를 전면에 증착한 다음, 에치백하고 세정 또는 식각 장비를 사용하여 몰드 절연막을 제거하면, 셀 단위로 한정된 실린더형 스토리지 노드가 형성된다. 다음에, 실린더 모양 스토리지 노드의 전면에 유전체막을 증착한 다음 상부전극용 도전막을 증착하여 실린더형 캐패시터를 완성한다.First, an etch stop layer is formed on a semiconductor substrate on which a storage node contact is formed, and then a mold insulating layer is stacked thereon in one layer or multiple layers. Although the height of the final cylinder is about 12,000 mm 3, the height of the mold insulating film is about 13,000 mm 3 in consideration of the loss in the subsequent etching process. Thereafter, a photolithography process is performed to etch the mold insulating layer and the etch stop layer corresponding to the inner surface of the cylinder to expose the storage node contacts. Titanium nitride (TiN) with good step coverage is deposited on the front surface to form a storage electrode, and then etched back and the mold insulating film is removed using a cleaning or etching apparatus. The node is formed. Next, a dielectric film is deposited on the front surface of the cylindrical storage node, and then a conductive film for the upper electrode is deposited to complete the cylindrical capacitor.
상기한 종래의 실린더형 캐패시터의 제조방법에 따르면, 급속한 디자인 룰의 감소로 인해 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 즉, 스토리지 노드를 형성하기 위한 실린더와 실린더 사이에는 어느 정도의 간격을 유지해야 후속 유전체막 증착공정을 진행할 수 있으며, 실린더 외부의 몰드 절연막을 제거하는 딥 아웃(dip out) 공정 중에 실린더간의 붙음을 방지할 수 있다. 통상, 디자인 룰이 66nm일 때 실린더 사이의 간격은 대략 80nm 이상을 유지해야 하고, 실린더의 직경은 100nm 정도가 될 때 양산이 적합하다고 여겨진다. 이러한 상황에서 디자인 룰이 50nm로 축소된다면, 실린더의 간격을 70nm로 축소한다고 가정할 때, 실린더의 직경은 70nm에 불과해져 제조과정에서 이러한 크기의 스토리지 노드의 형성은 어렵게 된다. 실린더의 직경이 작아지면 식각공정의 난이도가 증가하여 원하는 프로파일 형성이 어려움은 물론, 유전체막이 형성되는 면적이 줄어들어 셀 캐패시턴스(Cs)가 급격하게 감소한다. 실린더의 직경이 전반으로 감소하여 발생한 셀 캐패시턴스(Cs)를 보상하려면 실린더의 높이는 대략 1.6배가 되어야 하는데, 이는 실린더형 스토리지 노드를 형성하기 위한 공정의 난이도가 그만큼 높아짐을 의미한다.According to the conventional method of manufacturing a cylindrical capacitor, there are some problems due to the rapid reduction of design rules. In other words, it is necessary to maintain a certain gap between the cylinder for forming the storage node and the cylinder in order to proceed with the subsequent dielectric film deposition process, and sticking between the cylinders during the dip out process of removing the mold insulating film outside the cylinder. You can prevent it. Normally, when the design rule is 66 nm, the spacing between cylinders should be maintained at approximately 80 nm or more, and mass production is considered suitable when the diameter of the cylinder is about 100 nm. In this situation, if the design rule is reduced to 50 nm, assuming that the cylinder spacing is reduced to 70 nm, the diameter of the cylinder is only 70 nm, making it difficult to form a storage node of this size during manufacturing. If the diameter of the cylinder is small, the difficulty of the etching process increases, so that not only the desired profile is formed, but also the area in which the dielectric film is formed is reduced, and the cell capacitance Cs is drastically reduced. To compensate for the cell capacitance (Cs) caused by the reduction in the diameter of the cylinder as a whole, the height of the cylinder must be approximately 1.6 times, which means that the difficulty of forming the cylindrical storage node is that much higher.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 공정 난이도를 증가시키지 않으면서도 충분한 셀 캐패시턴스를 확보하여 고집적화된 메모리소자의 제조를 가능하게 하는 구조의 반도체 메모리소자를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a semiconductor memory device having a structure capable of manufacturing a highly integrated memory device by securing sufficient cell capacitance without increasing process difficulty.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 공정 난이도를 증가시키지 않으면서도 충분한 셀 캐패시턴스를 확보할 수 있는 고집적화된 반도체 메모리소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a highly integrated semiconductor memory device capable of securing sufficient cell capacitance without increasing process difficulty.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 반도체 메모리소자는, 반도체기판 상에, 서로 이웃하지 않도록 교대로 배열된 실린더형의 하부 스토리지 노드 및 전극기둥과, 상기 하부 스토리지 노드 및 전극기둥의 표면에 형성된 제1 유전체막과, 상기 제1 유전체막 상에 형성된 하부 플레이트 전극과, 상기 하부 플레이트 전극이 형성된 결과물 상에, 상기 전극기둥을 노출시키도록 형성된 층간절연막, 및 상기 층간절연막 상에, 상기 전극기둥과 접속하도록 형성된 실린더형의 상부 스토리지 노드를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, a semiconductor memory device according to the present invention includes a cylindrical lower storage node and an electrode pillar, which are alternately arranged so as not to be adjacent to each other, and formed on a surface of the lower storage node and the electrode pillar on a semiconductor substrate. On the interlayer insulating film formed on the first dielectric film, the lower plate electrode formed on the first dielectric film, the resultant product on which the lower plate electrode is formed, and the electrode pillar, and on the interlayer insulating film, the electrode pillar It characterized in that it comprises a cylindrical upper storage node formed to connect with.
상기 하부 스토리지 노드는 마름모 형태로 배치될 수 있다.The lower storage node may be arranged in a rhombus shape.
상기 하부 스토리지 노드 및 상부 스토리지 노드는 티타늄 나이트라이드(TiN)로 이루어질 수 있다.The lower storage node and the upper storage node may be made of titanium nitride (TiN).
상기 상부 스토리지 노드는 상기 층간절연막에 형성된 컨택을 통해 상기 전 극기둥과 접속할 수 있다.The upper storage node may be connected to the electrode pole through a contact formed in the interlayer insulating layer.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 반도체 메모리소자의 제조방법은, 반도체기판 상부에, 하나의 활성영역에 두 개씩 배치되도록 스토리지 노드 컨택을 형성하는 단계와, 상기 스토리지 노드 컨택과 접속된 실린더형의 스토리지 노드 및 전극기둥을 형성하되, 실린더들이 서로 이웃하지 않도록 스토리지 노드와 전극기둥을 교대로 배치하는 단계와, 상기 스토리지 노드 및 전극기둥의 표면에 제1 유전체막 및 하부 플레이트 전극을 형성하는 단계와, 결과물을 덮는 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 전극기둥이 노출되도록 상기 층간절연막을 식각하는 단계, 및 상기 전극기둥 상부의 상기 층간절연막 상에, 상기 전극기둥과 접속하는 실린더형의 상부 스토리지 노드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor memory device, including forming a storage node contact on a semiconductor substrate so that two storage nodes are arranged in one active region, and a cylinder connected to the storage node contact. Forming a storage node and an electrode pillar of a type, and alternately disposing the storage node and the electrode pillar so that the cylinders do not neighbor each other, and forming a first dielectric layer and a lower plate electrode on the surfaces of the storage node and the electrode pillar. Forming an interlayer insulating film covering the resultant; etching the interlayer insulating film so that the electrode pillars are exposed; and on the interlayer insulating film on the electrode pillars, a cylindrical upper portion connected to the electrode pillars. Forming a storage node.
상기 스토리지 노드 컨택은 마름모 형태로 배치하는 것이 바람직하다.The storage node contacts are preferably arranged in a rhombus shape.
상기 하부 스토리지 노드 및 전극기둥을 형성하는 단계는, 스토리지 노드 컨택이 형성된 층간절연막 상에 몰드 절연막을 형성하는 단계와, 하부 스토리지 노드가 형성될 영역의 상기 몰드 절연막을 식각하는 단계와, 결과물 상에 도전막을 형성한 후 에치백함으로써 상기 스토리지 노드 컨택과 접속된 실린더 모양의 하부 스토리지 노드를 형성하는 단계, 및 상기 몰드 절연막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the lower storage node and the electrode pillar may include forming a mold insulating film on the interlayer insulating film on which the storage node contact is formed, etching the mold insulating film in the region where the lower storage node is to be formed, and on the resultant. The method may include forming a cylindrical lower storage node connected to the storage node contact by etching back after forming the conductive layer, and removing the mold insulating layer.
상기 몰드 절연막을 형성하기 전에, 상기 층간절연막 상에 식각정지막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Before forming the mold insulating layer, the method may include forming an etch stop layer on the interlayer insulating layer.
상기 도전막을 형성하는 단계에서, 상기 실린더 사이의 공간이 매립되도록 도전막을 증착할 수 있다.In the forming of the conductive film, the conductive film may be deposited to fill a space between the cylinders.
상기 하부 스토리지 노드 및 전극기둥은 티타늄 나이트라이드(TiN)로 형성할 수 있다.The lower storage node and the electrode pillar may be formed of titanium nitride (TiN).
상기 전극기둥과 접속하는 실린더형의 상부 스토리지 노드를 형성하는 단계는, 상기 층간절연막을 식각하여 상기 전극기둥을 노출시키는 컨택홀을 형성하는 단계와, 상기 컨택홀을 도전막으로 매립하여 컨택 플러그를 형성하는 단계와, 컨택 플러그가 형성된 상기 층간절연막 상에 몰드 절연막을 형성하는 단계와, 상기 컨택 플러그를 포함하는 영역이 노출되도록 상기 몰드 절연막을 식각하는 단계, 및 결과물 상에 도전막을 증착한 후 에치백함으로써 상기 컨택 플러그와 접속된 상부 스토리지 노드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the cylindrical upper storage node connecting to the electrode pillar may include forming a contact hole for etching the interlayer insulating layer to expose the electrode pillar, and filling the contact hole with a conductive layer to form a contact plug. Forming a mold, forming a mold insulating film on the interlayer insulating film on which the contact plug is formed, etching the mold insulating film to expose a region including the contact plug, and depositing a conductive film on the resultant. And backing up to form an upper storage node connected with the contact plug.
상기 컨택 플러그는 티타늄(Ti)/티타늄나이트라이드(TiN)로 형성할 수 있다.The contact plug may be formed of titanium (Ti) / titanium nitride (TiN).
본 발명에 따르면, 스토리지 노드의 배열을 마름모형으로 변경함으로써 보다 높은 밀도로 스토리지 노드를 배치할 수 있다. 또한, 스토리지 노드를 복층으로 구성함으로써, 동일층에 배열되는 스토리지 노드 사이의 간격을 증가시킬 수 있고 실린더의 직경을 증가시킬 수 있으며 원하는 실린더의 높이를 줄일 수 있다. 따라서, 공정의 난이도를 증가시키지 않으면서도 충분한 셀 캐패시턴스를 확보할 수 있다.According to the present invention, by changing the arrangement of storage nodes into a rhombus, it is possible to place the storage nodes at a higher density. In addition, by configuring the storage nodes in multiple layers, it is possible to increase the distance between the storage nodes arranged in the same layer, increase the diameter of the cylinder and reduce the height of the desired cylinder. Therefore, sufficient cell capacitance can be secured without increasing the difficulty of the process.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하 기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 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.
8F2 구조의 디램(DRAM)의 경우 하나의 활성영역에 두 개의 스토리지 노드가 배치된다. 스토리지 노드를 원형 실린더 형태로 구현할 경우 스토리지 노드의 배열을 정사각형 배열에서 마름모형으로 변경함으로써 보다 높은 밀도로 스토리지 노드를 배치할 수 있다. 본 발명에서는 스토리지 노드를 복층으로 구성하되, 하나의 스토리지 노드(하부 스토리지 노드)는 스토리지 노드 컨택 바로 위에 실린더 형태로 구성하고, 다른 하나의 스토리지 노드 위치에는 상부 스토리지 노드와 스토리지 노드 컨택을 연결해주는 컨택 플러그만 형성한다. 하부 스토리지 노드를 형성하는 공정이 완료되면 상부 스토리지 노드를 형성하여 복층형의 스토리지 노드를 완성하게 된다.In the case of DRAM having 8F2 structure, two storage nodes are arranged in one active area. Implementing storage nodes in the form of circular cylinders allows for higher density storage nodes by changing the array of storage nodes from square arrays to diamonds. In the present invention, the storage node is configured in a plurality of layers, one storage node (lower storage node) is configured in the form of a cylinder directly above the storage node contact, the other storage node contacts connecting the upper storage node and the storage node contact Only form a plug. When the process of forming the lower storage node is completed, the upper storage node is formed to complete the multilayer storage node.
도 2는 본 발명에 따른 고집적 반도체 메모리소자의 셀 배열을 보여주는 도면으로서, 스토리지 노드 컨택의 배치를 나타내고 있다.2 is a diagram illustrating a cell arrangement of a highly integrated semiconductor memory device according to an exemplary embodiment of the present invention, and illustrates an arrangement of storage node contacts.
도 2를 참조하면, 첫 번째 세로열에는 실린더 모양의 하부 스토리지 노드(211, 212)를 배치하고, 그와 이웃한 두 번째 세로열에는 전극기둥(221, 222, 223)만 배치한다. 이와 같이, 동일 평면 상에서 실린더 모양의 스토리지 노드와 전극기둥이 교대로 배치되고 실린더형 스토리지 노드들은 교대로 다른 평면상에 배치되기 때문에, 실린더들이 하나의 평면 상에 배치된 경우(도 1 참조)에 비해 실린더 사이의 공간을 넓게 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 실린더의 직경도 증가시킬 수 있 다. 따라서, 공정의 난이도를 증가시키지 않으면서도 충분한 셀 캐패시턴스를 확보할 수 있게 된다.Referring to FIG. 2, lower
도 3 내지 도 9는 본 발명에 따른 복층형 스토리지 노드를 구비하는 고집적 반도체 메모리소자의 제조방법을 과정을 나타낸 단면도들로서, 도 2의 A-A'선을 자른 단면도들이다.3 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a highly integrated semiconductor memory device having a multilayer storage node according to an exemplary embodiment of the present invention, taken along line AA ′ of FIG. 2.
도 3을 참조하면, 반도체기판(300) 상부에 형성된 층간절연막(302)을 식각하여 컨택홀을 형성한 다음, 이 컨택홀을 도전물질로 채워 스토리지 노드 컨택(304, 305)을 형성한다. 상기 컨택홀을 형성하기 위한 식각공정은 다단계로 진행될 수 있으며, 상기 스토리지 노드 컨택(304, 305)은 잘 알려진 바와 같이 컨택홀이 형성된 결과물 상에 일정 두께로 도전물질을 증착한 다음 에치백 또는 화학기계적연마(CMP) 공정을 수행하여 형성할 수 있다. 그리고, 8F2 구조를 구현하기 위하여, 하나의 활성영역에 두 개의 스토리지 노드 컨택(304, 305)이 형성되도록 한다. 도시되지는 않았지만, 상기 반도체기판(300)에는 활성영역을 한정하는 소자분리막이 형성되어 있으며, 상기 반도체기판(300) 상에는 게이트 및 소스/드레인으로 이루어진 트랜지스터와 비트라인 등의 하부 구조가 형성되어 있음은 물론이다.Referring to FIG. 3, a contact hole is formed by etching the
도 4를 참조하면, 스토리지 노드 컨택(304, 305)이 형성된 결과물 상에, 예를 들어 질화막을 500 ∼ 600Å 정도의 두께로 증착하여 식각정지막(306)을 형성한다. 식각정지막(306)은 후속 실린더 형성을 위하여 몰드 절연막을 패터닝할 때 하부 층에 대한 마스크 역할을 하는 것으로, 통상 몰드 절연막을 산화막으로 형성할 경우 식각정지막(306)은 산화막에 대해 식각선택비를 갖는 질화막으로 형성한다.Referring to FIG. 4, an
식각정지막(306) 상에, 예를 들어 산화막을 단층 또는 다층으로 적층하여 몰드 절연막(308)을 형성한다. 후속 식각 공정에 의한 손실을 고려하여 몰드 절연막(308)을 13,000 ∼ 15,000Å 정도의 두께로 형성한다. A
다음, 사진식각 공정을 실시하여 스토리지 노드가 형성될 영역의 몰드 절연막(308)을 식각한 다음, 스토리지 노드 컨택(304, 305) 위의 식각정지막(306)을 제거하여 스토리지 노드 컨택(304, 305)이 노출되도록 한다. 이때, 몰드 절연막이 식각되는 영역의 크기는 다른데, 도시된 것과 같이 몰드 절연막(308)이 넓게 식각된 부분과 좁게 식각된 부분이 교번적으로 형성된다. 몰드 절연막(308)이 넓게 식각된 부분에는 후속 단계에서 스토리지 노드 컨택(304)과 연결된 실린더형 하부 스토리지 노드가 형성되고, 몰드 절연막(308)이 좁게 식각된 부분에는 도전막으로 채워져 스토리지 노드 컨택(305)과 상부 스토리지 노드를 연결시킬 전극기둥이 형성된다.Next, a photolithography process is performed to etch the
도 5를 참조하면, 반도체기판 상의 결과물 전면에 스토리지 노드용 도전막(310a)을 200 ∼ 250Å 정도의 두께로 증착한다. 전술한 바와 같이, 고집적 메모리소자에서 실린더의 높이는 높고 직경은 작기 때문에 스토리지 노드용 도전막(310a)은 스텝 커버리지가 우수한 물질로 형성하여야 하는데, 이러한 물질로 대표적인 것은 티타늄 나이트라이드(TiN)이다. 이때, 몰드 절연막(308)이 좁게 식각된 영역은 상기 스토리지 노드용 도전막(310a)으로 매립되어 스토리지 노드 컨택(305)과 연결된 전극 기둥 형태가 된다.Referring to FIG. 5, the
다음에, 몰드 절연막(308) 상부에 증착되어 있던 스토리지 노드용 도전막(310a)을 에치백 공정으로 제거하여 스토리지 노드가 셀 단위로 분리되도록 한 다.Next, the storage
도 6을 참조하면, 실린더형 스토리지 노드 사이에 남아 있는 몰드 절연막(도 3의 308)을 딥-아웃(dip-out) 공정으로 제거하면 도시된 바와 같이 실린더형 스토리지 노드(310)와 전극기둥(311)만 남게 된다. 몰드 절연막을 제거함으로써 실린더의 내, 외면을 모두 유효 캐패시터 면적으로 사용할 수 있으므로 셀 캐패시턴스를 증가시킬 수 있다. 이렇게 하여 두 개의 실린더형 하부 스토리지 노드(310) 사이에는 하나의 전극 기둥(311)이 형성된다.Referring to FIG. 6, when the
다음에, 스토리지 노드가 형성된 결과물의 전면에 유전체막(312)을 형성한다. 유전체막(312)은 캐패시터의 유전체막으로 널리 사용되는 물질을 사용하여 예를 들어 원자층증착(ALD) 방법으로 형성할 수 있다. 다음에, 상기 유전체막(312) 상에 플레이트 전극용 도전막(314)을 일정 두께 증착한다. 플레이트 전극용 도전막(314)은 티타늄 나이트라이드(TiN)와 도핑된 폴리실리콘막을 각각 500 ∼ 800Å과 300Å의 두께로 적층하여 형성할 수 있다. 이어서, 주변회로 영역의 상기 플레이트 전극용 도전막(314)을 식각한 다음, 셀 영역과 주변회로 영역의 단차를 없애기 위하여 전면에 약 20,000Å 정도 두께의 산화막을 증착한다. 증착된 산화막을 예를 들어 화학기계적연마(CMP) 공정으로 평탄화하여 층간절연막(316)을 형성한다.Next, a
상기 층간절연막(316)에 대해 사진식각 공정을 실시하여 주변회로 영역의 플레이트 전극용 도전막(314)과 금속 배선층을 접속시키기 위한 컨택홀을 형성한다. 다음에, 상기 컨택홀을 알루미늄(Al)과 같은 도전막으로 매립하여 컨택(318)을 형성한다. 이 컨택(318)은 상부 스토리지 노드에서 만들어지는 다른 컨택과 연결되어 이후에 금속 배선층과 연결된다.A photolithography process is performed on the
도 7을 참조하면, 하부 스토리지 노드 사이에 형성되어 있는 전극기둥(311)을 상부 스토리지 노드와 연결시키기 위하여, 전극기둥(311) 위의 층간절연막(316) 및 플레이트 전극용 도전막(314)을 식각하여 전극기둥(311)이 노출되도록 한다. 이때, 식각에 의해 홀(hole) 측벽의 플레이트 전극용 도전막(314)이 노출되므로, 이를 다른 도전층들로부터 절연시키기 위하여, 결과물 상에 나이트라이드와 같은 절연막(320)을 300 ∼ 500Å 정도의 두께로 형성한다. 다음, 전극기둥(311) 위에 형성된 절연막(320)을 제거한 다음, 예를 들어 도핑된 폴리실리콘막을 300 ∼ 500Å 정도의 두께로 증착하여 상기 전극기둥(311) 상에 형성된 홀을 매립한다. 다음에, 나머지 영역에 형성된 폴리실리콘막을 제거함으로써 전극기둥(311)과 접속된 컨택 플러그(322)를 형성한다.Referring to FIG. 7, in order to connect the
다음에, 컨택 플러그가 형성된 결과물 상에 예를 들어 나이트라이드를 500 ∼ 600Å 정도 두께로 증착하여 식각 정지막(etch stopper)(324)을 형성한다. 이 식각 정지막(324)은 상부 스토리지 노드를 형성하기 위하여 몰드 절연막을 식각할 때 하부 막들이 식각되는 것을 방지하는 역할을 한다.Next, for example, nitride is deposited to a thickness of about 500 to 600 kPa on the resultant in which the contact plug is formed to form an
도 8을 참조하면, 상기 식각 정지막(324) 상에 예를 들어 산화막을 9,000 ∼ 10,000Å 정도의 두께로 증착하여 상부 스토리지 노드를 형성하기 위한 몰드 절연막(326)을 형성한다. 다음에, 사진식각 공정을 수행하여 컨택 플러그(322)를 포함하는 영역이 노출되도록 상기 몰드 절연막(326)을 패터닝한 다음, 결과물 상에 예를 들어 티타늄 나이트라이드(TiN)와 같은 전극용 도전막을 300 ∼ 350Å 정도의 두께로 증착한다. 다음에, 상기 몰드 절연막(326) 상에 형성되어 있던 전극용 도전막을 에치백하여 제거함으로써, 실린더형의 상부 스토리지 노드(328)를 형성한다. 상부 스토리지 노드(328)는 컨택 플러그(322)와 전극기둥(311)을 통해 스토리지 노드 컨택(304)과 접속된다.Referring to FIG. 8, a
도 9를 참조하면, 상기 몰드 절연막을 딥-아웃 공정으로 제거함으로써 상부 스토리지 노드(328)를 완성한다. 이어서, 결과물 상에 유전체막(330)과 상부 플레이트 전극용 도전막(332)을 형성하여 복층 실린더 구조의 캐패시터를 완성한다. 이후, 층간절연막(334) 및 금속 배선층과의 접속을 위한 컨택(336)을 하부 스토리지 노드의 경우와 같은 방법으로 진행한다.Referring to FIG. 9, the
실린더 구조의 스토리지 노드에 있어서, 실린더를 상, 하층의 복층으로 구현하였을 때 가장 큰 효과는 하층에 실린더를 형성할 수 있는 공간이 증가하여 보다 큰 직경의 실린더를 형성할 수 있다는 것이다. 실린더의 직경이 커지면 유전체막의 면적이 증가하여 셀 캐패시턴스의 여유가 생기므로, 실린더의 높이를 감소시킬 수 있다. 이를 통해 실린더간의 붙음을 방지하고 양산성이 높은 캐패시터를 만들 수가 있다.In the storage node of the cylinder structure, the biggest effect of implementing the cylinder in the upper and lower layers is that the space for forming the cylinder in the lower layer is increased to form a larger diameter cylinder. As the diameter of the cylinder is increased, the area of the dielectric film is increased to allow a margin of cell capacitance, thereby reducing the height of the cylinder. This prevents sticking between cylinders and creates a highly productive capacitor.
예를 들어, 50nm의 디자인 룰에서 종래의 방식으로 실린더를 구성할 때, 실린더 벽의 두께를 20nm로, 실린더 사이의 간격을 70nm로, 실린더의 외부 직경을 70nm로 한다고 가정할 때, 복층 실린더 구조를 적용하면 실린더의 외부 직경을 100nm로 증가시킬 수 있다. 이러한 외부 직경의 증가는 유전체막의 면적의 증가를 가져와 셀 캐패시턴스가 증가하게 된다. 따라서, 그 증가분만큼 실린더의 높이를 줄일 수 있게 된다. 실험에 의하면, 위와 같은 조건으로 할 때 종래의 단층 실린더 구조에 비해 실린더의 높이를 16.7% 정도 줄일 수 있는 것으로 나타났다.For example, when constructing a cylinder in a conventional manner in a design rule of 50 nm, a multilayer cylinder structure, assuming that the thickness of the cylinder wall is 20 nm, the distance between the cylinders is 70 nm, and the outer diameter of the cylinder is 70 nm. By applying, the outer diameter of the cylinder can be increased to 100 nm. This increase in the outer diameter results in an increase in the area of the dielectric film, resulting in an increase in cell capacitance. Therefore, the height of the cylinder can be reduced by that increase. According to the experiment, the height of the cylinder can be reduced by about 16.7% compared to the conventional single cylinder structure under the above conditions.
그리고, 본 발명의 복층 실린더 구조에서, 상부 스토리지 노드는 하부 스토리지 노드보다 더 큰 직경의 실린더로 형성할 수 있다. 이는, 하층에는 상부 스토리지 노드를 스토리지 노드 컨택과 연결하기 위한 전극기둥(도 9의 311)을 형성하여야 하지만, 상층에는 전기기둥을 형성할 필요가 없기 때문에 그만큼의 실린더 직경을 크게 할 수 있다. 이 경우, 이웃 실린더와의 간격을 종래와 동일하게 70nm로 유지한다고 할 때 실린더의 외부 직경을 130nm까지 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 실린더의 높이는 기존에 비해 54.5%까지 줄일 수 있다.In the multilayer cylinder structure of the present invention, the upper storage node may be formed of a cylinder having a larger diameter than the lower storage node. It is necessary to form an electrode pillar (311 of FIG. 9) for connecting the upper storage node to the storage node contact in the lower layer, but it is possible to increase the cylinder diameter as much as it is not necessary to form an electrical pillar in the upper layer. In this case, it is possible to increase the outer diameter of the cylinder to 130 nm when maintaining the distance from the neighboring cylinder at 70 nm as in the prior art. Accordingly, the height of the cylinder can be reduced by 54.5% compared with the conventional.
그리고, 하부 스토리지 노드 사이에 형성되는 전극기둥(도 9의 311)의 표면에도 유전체막(312)과 하부 플레이트 전극용 도전막(314)이 형성되므로, 전극기둥 자체가 캐패시터 역할을 하게 된다. 즉, 전극기둥의 표면적에 해당하는 만큼의 셀 캐패시턴스를 증가시키는 효과가 있으므로, 실린더의 높이를 더욱 낮출 수 있는 요인이 된다.In addition, since the
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.
도 1은 8F2 구조의 종래의 디램(DRAM)의 셀의 배열을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating an arrangement of cells of a conventional DRAM having an 8F2 structure.
도 2는 본 발명에 따른 고집적 반도체 메모리소자의 셀 배열을 보여주는 도면이다.2 is a view showing a cell arrangement of a highly integrated semiconductor memory device according to the present invention.
도 3 내지 도 9는 본 발명에 따른 복층형 스토리지 노드를 구비하는 고집적 반도체 메모리소자의 제조방법을 과정을 나타낸 단면도들이다.3 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a highly integrated semiconductor memory device having a multilayer storage node according to the present invention.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020070141017A KR20090072794A (en) | 2007-12-28 | 2007-12-28 | Semiconductor memory device having a capacitor of double-layer cylinder structure and method for forming the same |
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Cited By (2)
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KR20130074352A (en) * | 2011-12-26 | 2013-07-04 | 삼성전자주식회사 | Semiconductor device having capacitors |
KR20220091611A (en) | 2019-11-19 | 2022-06-30 | 타나카 세이미츠 코교 가부시키가이샤 | Manufacturing apparatus and manufacturing method of laminated iron core |
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2007
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US9349724B2 (en) | 2011-12-26 | 2016-05-24 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor device having capacitors |
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