KR20090090181A - Semiconductor device having contact plug and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘택 플러그를 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor device having a contact plug and a method for manufacturing the same.
일반적으로, 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 종래의 MIS(Metal-Insulator-Silicon) 커패시터는 유전막과 폴리실리콘막 사이에 저유전막이 형성되어 원하는 커패시턴스(capacitance)를 얻을 수 없게 되었다. 이에 따라, 상기 MIS 커패시터를 대체할 수 있는 MIM(Metal-Insulator-Metal) 커패시터에 대한 필요성이 커지고 있다. In general, as the degree of integration of semiconductor devices increases, a conventional dielectric-insulator-silicon (MIS) capacitor has a low dielectric film formed between a dielectric film and a polysilicon film, thereby failing to obtain desired capacitance. Accordingly, there is a growing need for a metal-insulator-metal (MIM) capacitor that can replace the MIS capacitor.
통상적으로 MIM 커패시터는 상하부 전극을 금속막으로 구성하고, 상하부 전극 사이에 유전막(절연막)을 위치시키는 구조이다. MIM 커패시터는 실리콘 기판 상의 콘택 플러그 상에 형성된다. 콘택 플러그는 TiN막으로 구성된다. 콘택 플러그는 MIM 커패시터에 전하를 축적하거나 방출하기 위해서 MIM 커패시터를 구동 트랜지스터와 연결시키는 역할을 수행한다. In general, a MIM capacitor has a structure in which upper and lower electrodes are made of a metal film, and a dielectric film (insulating film) is positioned between the upper and lower electrodes. The MIM capacitor is formed on the contact plug on the silicon substrate. The contact plug is made of a TiN film. The contact plug serves to connect the MIM capacitor with the driving transistor in order to accumulate or discharge charge in the MIM capacitor.
그런데, MIM 커패시터를 실리콘 기판과 콘택하기 위해 이용되는 콘택 플러그 는 MIM 커패시터의 하부 전극을 형성할 때, 유전막을 형성할 때 또는 유전막 형성 후 열처리시 산화되게 된다. 콘택 플러그가 산화될 경우 MIM 커패시터와 실리콘 기판과의 콘택 저항이 증가하거나, 심지어는 MIM 커패시터를 실리콘 기판과 전기적으로 연결하지 못할 수도 있다.However, the contact plug used to contact the MIM capacitor with the silicon substrate is oxidized when forming the lower electrode of the MIM capacitor, when forming a dielectric film or during heat treatment after the dielectric film is formed. If the contact plug is oxidized, the contact resistance between the MIM capacitor and the silicon substrate may increase, or even the MIM capacitor may not be electrically connected to the silicon substrate.
특히, 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 콘택 플러그의 크기가 작아진다. 이에 따라서, 콘택 플러그의 산화 가능성은 매우 높아지고 있어 앞서 설명한 콘택 저항의 문제는 크게 대두되고 있다.In particular, as the degree of integration of semiconductor devices increases, the size of the contact plug becomes smaller. Accordingly, the possibility of oxidation of the contact plug is very high, and the problem of the contact resistance described above has been greatly raised.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 콘택 저항을 줄일 수 있는 콘택 플러그를 갖는 반도체 소자를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a contact plug that can reduce the contact resistance.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 콘택 저항을 줄일 수 있는 콘택 플러그를 얻을 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can obtain a contact plug that can reduce the contact resistance.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 예에 의한 반도체 소자는 지지층 상에 형성된 콘택홀을 갖는 절연층과, 콘택홀의 내벽 및 바닥에 형성된 제1 콘택 플러그와, 콘택홀을 매립하면서 상기 제1 콘택 플러그 상에 형성된 제2 콘택 플러그와, 상기 제1 콘택 플러그 및 제2 콘택 플러그와 연결되는 도전층을 포함하여 이루어진다. In order to solve the above problems, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention is an insulating layer having a contact hole formed on a support layer, a first contact plug formed on the inner wall and the bottom of the contact hole, and filling the contact hole And a second contact plug formed on the first contact plug, and a conductive layer connected to the first contact plug and the second contact plug.
본 발명의 반도체 소자에 있어서, 콘택홀의 바닥에 형성된 제1 콘택 플러그의 바닥 두께는 콘택홀의 내벽 상에 형성된 제1 콘택 플러그의 내벽 두께보다 두껍게 구성하여 이루어진다. 제1 콘택 플러그는 콘택홀의 바닥에 형성된 바닥 플러그와, 바닥 플러그 및 콘택홀의 내벽 상에 형성된 내부 플러그로 이루어질 수 있다. 바닥 플러그의 두께와 바닥 플러그 상에 형성된 내부 플러그의 두께의 합이 제1 콘택 플러그의 바닥 두께로 구성된다.In the semiconductor device of the present invention, the bottom thickness of the first contact plug formed on the bottom of the contact hole is configured to be thicker than the inner wall thickness of the first contact plug formed on the inner wall of the contact hole. The first contact plug may include a bottom plug formed on the bottom of the contact hole and an inner plug formed on the inner wall of the bottom plug and the contact hole. The sum of the thickness of the bottom plug and the thickness of the inner plug formed on the bottom plug constitutes the bottom thickness of the first contact plug.
바닥 플러그 상에 형성된 내부 플러그의 두께와 콘택홀의 내벽 상에 형성된 내부 플러그의 두께는 동일할 수 있다. 바닥 플러그 상에 형성된 내부 플러그의 두 께와 콘택홀의 내벽 상에 형성된 내부 플러그의 두께는 서로 다를 수 있다.The thickness of the inner plug formed on the bottom plug and the thickness of the inner plug formed on the inner wall of the contact hole may be the same. The thickness of the inner plug formed on the bottom plug and the thickness of the inner plug formed on the inner wall of the contact hole may be different.
제1 콘택 플러그는 고융점 금속막으로 구성하고, 제2 콘택 플러그는 귀금속막으로 구성할 수 있다. 지지층은 반도체 기판이나 폴리실리콘층일 수 있다.The first contact plug may be made of a high melting point metal film, and the second contact plug may be made of a precious metal film. The support layer may be a semiconductor substrate or a polysilicon layer.
또한, 본 발명의 다른 예에 의한 반도체 소자는 지지층 상에 형성된 제1 콘택홀을 갖는 제1 절연층과, 제1 콘택홀의 내벽 및 바닥에 형성되고, 제1 콘택홀의 내벽보다 바닥의 두께가 두껍게 형성된 제1 콘택 플러그와, 제1 콘택홀을 매립하면서 제1 콘택 플러그 상에 형성된 제2 콘택 플러그를 포함한다. 제1 콘택 플러그 및 제2 콘택 플러그 상에는 제1 콘택 플러그 및 제2 콘택 플러그를 노출하는 제2 콘택홀을 갖는 제2 절연층이 형성되어 있다. 제2 콘택홀 내의 제1 콘택 플러그 및 제2 콘택 플러그 상에 제2 절연층의 두께보다 두껍게(높게) 금속층으로 구성된 MIM 커패시터의 하부 전극이 형성되어 있다. 하부 전극 상에는 MIM 커패시터의 유전층이 형성되어 있고, 유전층 상에는 금속층으로 구성된 MIM 커패시터의 상부 전극이 형성되어 있다.In addition, the semiconductor device according to another embodiment of the present invention is formed on the first insulating layer having a first contact hole formed on the support layer, the inner wall and the bottom of the first contact hole, the thickness of the bottom is thicker than the inner wall of the first contact hole And a first contact plug formed and a second contact plug formed on the first contact plug while filling the first contact hole. On the first contact plug and the second contact plug, a second insulating layer having a second contact hole exposing the first contact plug and the second contact plug is formed. A lower electrode of the MIM capacitor formed of a metal layer thicker (higher) than the thickness of the second insulating layer is formed on the first contact plug and the second contact plug in the second contact hole. A dielectric layer of the MIM capacitor is formed on the lower electrode, and an upper electrode of the MIM capacitor composed of a metal layer is formed on the dielectric layer.
제1 콘택 플러그는 제1 콘택홀의 바닥에 형성된 바닥 플러그와, 바닥 플러그 및 제1 콘택홀의 내벽 상에 형성된 내부 플러그로 이루어질 수 있다. 바닥 플러그 상에 형성된 내부 플러그의 두께와 제1 콘택홀의 내벽 상에 형성된 내부 플러그의 두께는 동일하거나 서로 다를 수 있다. 콘택홀의 바닥에 형성된 제1 콘택 플러그의 두께는 100 내지 500Å로 할 수 있다. The first contact plug may include a bottom plug formed on the bottom of the first contact hole, and an inner plug formed on the bottom plug and an inner wall of the first contact hole. The thickness of the inner plug formed on the bottom plug and the thickness of the inner plug formed on the inner wall of the first contact hole may be the same or different. The thickness of the first contact plug formed at the bottom of the contact hole may be 100 to 500 kPa.
하부 전극 및 상부 전극은 귀금속막, 귀금속 전도성 산화막, 또는 페로브스카이트 구조의 전도성 산화막으로 구성하고, 유전층은 페로브스카이트 구조의 고유 전막으로 구성할 수 있다. The lower electrode and the upper electrode may be composed of a noble metal film, a noble metal conductive oxide film, or a conductive oxide film having a perovskite structure, and the dielectric layer may be formed of a unique electrode film having a perovskite structure.
상술한 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 반도체 소자의 제조방법은 지지층 상에 콘택홀을 갖는 절연층을 형성하고, 콘택홀의 바닥에 바닥 플러그를 형성하는 것을 포함한다. 바닥 플러그 및 콘택홀의 내벽에 내벽 플러그를 형성하여 콘택홀의 내벽보다 바닥의 두께가 두껍게 바닥 플러그 및 내벽 플러그로 구성된 제1 콘택 플러그를 형성한다. 콘택홀을 매립하면서 제1 콘택 플러그 상에 제2 콘택 플러그를 형성한다. In order to achieve the above technical problem, a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention includes forming an insulating layer having a contact hole on a support layer, and forming a bottom plug at the bottom of the contact hole. An inner wall plug is formed on the inner wall of the bottom plug and the contact hole to form a first contact plug including a bottom plug and an inner wall plug having a thicker thickness than the inner wall of the contact hole. A second contact plug is formed on the first contact plug while filling the contact hole.
바닥 플러그는 콘택홀에 매립되는 고융점 금속막을 형성 한 후, 콘택홀 내에 매립된 고융점 금속막을 일부 식각하여 형성할 수 있다. 내벽 플러그는 콘택홀의 내벽에 균일한 두께 또는 균일하지 않은 두께로 형성할 수 있다. 콘택홀의 바닥에서 제1 콘택 플러그의 두께를 100 내지 500Å로 형성할 수 있다.The bottom plug may be formed by forming a high melting point metal film embedded in the contact hole and then partially etching the high melting point metal film embedded in the contact hole. The inner wall plug may be formed to have a uniform thickness or a non-uniform thickness on the inner wall of the contact hole. At the bottom of the contact hole, the thickness of the first contact plug may be 100 to 500 mm.
제2 콘택 플러그를 형성한 후, 제1 콘택 플러그 및 제2 콘택 플러그 상에 제1 콘택 플러그 및 제2 콘택 플러그를 노출하는 제2 콘택홀을 갖는 제2 절연층을 형성하고, 제2 콘택홀 내의 제1 콘택 플러그 및 제2 콘택 플러그 상에 제2 절연층의 두께보다 두껍게 금속층으로 구성된 MIM 커패시터의 하부 전극을 형성하고, 하부 전극 상에 MIM 커패시터의 유전층을 형성하고, 유전층 상에 금속층으로 구성된 MIM 커패시터의 상부 전극을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.After forming the second contact plug, a second insulating layer having a second contact hole exposing the first contact plug and the second contact plug on the first contact plug and the second contact plug is formed, and the second contact hole is formed. Forming a lower electrode of the MIM capacitor consisting of a metal layer thicker than the thickness of the second insulating layer on the first contact plug and the second contact plug therein, forming a dielectric layer of the MIM capacitor on the lower electrode, and consisting of a metal layer on the dielectric layer The method may further include forming an upper electrode of the MIM capacitor.
본 발명의 반도체 소자는 콘택홀의 바닥에 형성된 제1 콘택 플러그의 바닥 두께를 콘택홀의 내벽 상에 형성된 제1 콘택 플러그의 내벽 두께보다 크게 구성한 다. 이렇게 될 경우, 본 발명의 반도체 소자는 도전층, 예컨대 MIM 커패시터의 전극에 포함된 산소나, 유전층 증착시나 어닐링시 이용되는 산소가 제1 콘택홀 하부의 지지층으로 유입되는 것을 줄일 수 있기 때문에, 1 콘택 플러그와 지지층 간의 콘택 저항을 크게 낮출 수 있다.The semiconductor device of the present invention configures the bottom thickness of the first contact plug formed on the bottom of the contact hole to be larger than the inner wall thickness of the first contact plug formed on the inner wall of the contact hole. In this case, since the semiconductor device of the present invention can reduce the inflow of oxygen contained in the conductive layer, for example, the electrode of the MIM capacitor, or oxygen used during the deposition or annealing of the dielectric layer to the support layer under the first contact hole, 1 The contact resistance between the contact plug and the support layer can be significantly lowered.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention illustrated in the following may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be implemented in various different forms. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. In the following figures, like reference numerals refer to like elements.
본 발명의 반도체 소자는 지지층, 예컨대 반도체 기판이나 폴리실리콘층을 노출하는 콘택홀 내에 고융점 금속막으로 제1 콘택 플러그를 얇게 형성하고, 콘택홀을 매몰하면서 제1 콘택 플러그 상에 귀금속막으로 제2 콘택 플러그를 형성하여 콘택 플러그를 형성한다. 특히, 본 발명의 반도체 소자는 콘택홀에 매립되는 제2 콘택 플러그를 귀금속막, 예컨대 Pt, Ru 또는 Ir로 구성한다. 이러한 콘택 플러그는 도전층, 예컨대 귀금속막, 귀금속 전도성 산화막, 또는 페로브스카이트 구조의 전도성 산화막으로 구성되는 MIM 커패시터의 전극으로부터 제1 콘택 플러그로의 산소 유입을 줄일 수 있어 제1 콘택 플러그의 산화를 줄일 수 있다.In the semiconductor device of the present invention, a thin first contact plug is formed in a contact hole exposing a support layer, for example, a semiconductor substrate or a polysilicon layer, and a thin first contact plug is formed, and the precious metal film is formed on the first contact plug while the contact hole is buried. 2 Contact plugs are formed to form contact plugs. In particular, the semiconductor device of the present invention comprises a second contact plug embedded in the contact hole with a noble metal film such as Pt, Ru or Ir. Such a contact plug can reduce the inflow of oxygen from the electrode of the MIM capacitor composed of a conductive layer such as a noble metal film, a noble metal conductive oxide film, or a conductive oxide film having a perovskite structure to the first contact plug, thereby oxidizing the first contact plug. Can be reduced.
더하여, 본 발명의 반도체 소자는 콘택홀의 바닥에 형성되고 고융점 금속막 으로 구성되는 제1 콘택 플러그의 두께를 두껍게 하고, 콘택홀을 매몰하면서 제1 콘택 플러그 상에 귀금속막으로 제2 콘택 플러그를 형성하여 콘택 플러그를 형성한다. 이러한 콘택 플러그는 도전층, 예컨대 MIM 커패시터의 전극으로부터 제1 콘택 플러그로의 산소 유입을 줄일 수 있어 제1 콘택 플러그의 산화를 더욱 줄일 수 있다. In addition, the semiconductor device of the present invention thickens the thickness of the first contact plug formed at the bottom of the contact hole and composed of a high melting point metal film, and inserts the second contact plug into the noble metal film on the first contact plug while the contact hole is buried. To form a contact plug. Such a contact plug can reduce the oxygen inflow from the electrode of the conductive layer, such as the MIM capacitor, into the first contact plug, further reducing the oxidation of the first contact plug.
결과적으로, 본 발명의 반도체 소자는 제1 콘택 플러그와 지지층간의 콘택 저항을 줄일 수 있다. 이와 같은 사상을 갖는 본 발명의 반도체 소자의 실시예를 아래에서 보다 자세하게 설명한다. As a result, the semiconductor device of the present invention can reduce the contact resistance between the first contact plug and the support layer. Embodiments of the semiconductor device of the present invention having such a concept will be described in more detail below.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라, 콘택 플러그를 갖는 반도체 소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a contact plug according to a first embodiment of the present invention.
구체적으로, 지지층(101) 상에 지지층(101)의 일부분을 노출시키는 제1 콘택홀(105)을 갖는 절연층(103)이 형성되어 있다. 지지층(101)은 반도체 기판, 예컨대 실리콘 기판일 수 있고, 폴리실리콘층일 수도 있다. 지지층(101)이 반도체 기판일 경우 제1 콘택홀(103)의 하부에는 불순물 영역(미도시)이 형성되어 있을 수 있다. 제1 절연층(103)은 실리콘 산화막으로 구성한다. In detail, an
제1 콘택홀(105)의 내벽 및 바닥에는 제1 콘택 플러그(CP1)가 형성되어 있다. 제1 콘택 플러그(CP1)는 제1 콘택홀(105)에 매몰되는 매몰 콘택 플러그이다. 제1 콘택 플러그(CP1)로 제1 콘택홀(105)의 일부분을 채운다. 제1 콘택 플러그(CP1)를 제1 콘택홀(105)의 내벽 및 바닥에 형성하는 이유는 후에 형성되는 제2 콘택 플러그(110a)와의 접촉성(adhesion)을 좋게 하고 콘택 저항(contact resistance)을 낮추기 위함이다. First contact plugs CP1 are formed on inner walls and bottoms of the
제1 콘택 플러그(CP1)는 제1 콘택홀(105)의 바닥에 형성된 바닥 플러그(107a)와, 바닥 플러그(107a) 및 제1 콘택홀(105)의 내벽 상에 형성된 내부 플러그(109a)로 이루어진다. 바닥 플러그(107a) 상에 형성된 내부 플러그(109a)의 두께(d4)와 제1 콘택홀(105)의 내벽 상에 형성된 내부 플러그(109a)의 두께(d2)는 도 1과 같이 동일하게 할 수 있다. 물론, 바닥 플러그(107a) 상에 형성된 내부 플러그(109a)의 두께(d4)와 제1 콘택홀(105)의 내벽 상에 형성된 내부 플러그(109a)의 두께(d2)를 서로 다르게 할 수 있다. The first contact plug CP1 includes a
제1 콘택 플러그(CP1), 즉 바닥 플러그(107a) 및 내부 플러그(109a)는 고융점 금속막으로 구성한다. 제1 콘택 플러그(CP1)를 구성하는 고융점 금속막은 W막, WN막, Ti막, TiN막, TiAlN막, TiSiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막 또는 TaSiN막으로 구성한다.The first contact plug CP1, that is, the
바닥 플러그(107a)의 두께(d3)와 바닥 플러그(107a) 상에 형성된 내부 플러그(109a)의 두께(d4)의 합이 제1 콘택 플러그(CP1)의 바닥 두께(d1)이다. 이에 따라, 제1 콘택홀(105)의 바닥에 형성된 제1 콘택 플러그(CP1)의 바닥 두께(d1)는 콘택홀(105)의 내벽 상에 형성된 제1 콘택 플러그(CP1)의 내벽 두께(d2)보다 크게 구성한다. 다시 말해, 제1 콘택 플러그(CP1)의 바닥 두께(d1)는 제1 콘택 플러그(CP1)의 내벽 두께(d2)보다 크게 구성한다. The sum of the thickness d3 of the
이렇게 제1 콘택홀(105)의 바닥에 형성된 제1 콘택 플러그(CP1)의 바닥 두께(d1)를 콘택홀(105)의 내벽 상에 형성된 제1 콘택 플러그(CP1)의 내벽 두께(d2) 보다 크게 구성할 경우, 후의 도전층, 즉 금속층에 포함된 산소나, 유전층 증착시나 어닐링시 이용되는 산소가 제1 콘택홀(105) 하부의 지지층(101)으로 유입되는 것을 크게 줄일 수 있어 제1 콘택 플러그(CP1)와 지지층(101) 간의 콘택 저항을 크게 낮출 수 있다. Thus, the bottom thickness d1 of the first contact plug CP1 formed on the bottom of the
특히, 제1 콘택 플러그(CP1)의 바닥 두께(d1)는 100Å 이상, 바람직하게는 100 내지 500Å의 두께로 형성한다. 예컨대, 바닥 플러그(107a)는 50 내지 400Å의 두께로 형성하고, 내벽 플러그(109a)는 50 내지 100Å으로 형성한다. 이렇게 될 경우, 위에서 언급한 바와 같이 산소가 제1 콘택홀(105) 하부의 지지층(101)으로 유입되는 것을 크게 줄일 수 있어 제1 콘택 플러그(CP1)와 지지층(101) 간의 콘택 저항을 크게 낮출 수 있다.In particular, the bottom thickness d1 of the first contact plug CP1 is formed to a thickness of 100 kPa or more, preferably 100 to 500 kPa. For example, the
물론, 제1 콘택 플러그(CP1)의 바닥 두께와 제1 콘택 플러그(CP1)의 내벽 두께를 동일하게 구성할 경우에도 제1 콘택 플러그(CP1)로의 산소 유입을 막을 수 있지만, 고집적 반도체 소자에서 콘택홀(105)의 직경이 작을 경우 제1 콘택 플러그(CP1)의 바닥 두께(d1)가 적정 두께, 예컨대 100Å보다 낮게 되면 제1 콘택 플러그(CP1)의 산화 가능성은 증가할 수 있다.Of course, even when the bottom thickness of the first contact plug CP1 and the inner wall thickness of the first contact plug CP1 are configured to be the same, oxygen inflow into the first contact plug CP1 can be prevented, but in a highly integrated semiconductor device, When the diameter of the
제1 콘택홀(105)을 매립하면서 제1 콘택 플러그(CP1), 즉 내부 플러그(109a) 상에 제2 콘택 플러그(110a, CP2)가 형성되어 있다. 제2 콘택 플러그(110a, CP2)는 제1 콘택홀(105)에 매몰되는 매몰 콘택 플러그이다. 제2 콘택 플러그(110a, CP2)는 귀금속막으로 구성한다. 제2 콘택 플러그(110a, CP2)를 구성하는 귀금속막은 Pt, Ru 또는 Ir이다. The second contact plugs 110a and CP2 are formed on the first contact plug CP1, that is, the
제1 콘택 플러그(CP1) 및 제2 콘택 플러그(110a, CP2) 상에 제1 콘택 플러그(CP1) 및 제2 콘택 플러그(110a, CP2)를 노출하는 제2 콘택홀(116)을 갖는 제2 절연층(114)이 형성되어 있다. 제2 절연층(111a)은 식각 저지 패턴으로 구성된다. 제2 절연층(111a)은 커패시터 제조공정에서 제1 절연층(103)을 보호한다. A second having a
제2 콘택홀(116) 내의 제1 콘택 플러그(CP1) 및 제2 콘택 플러그(110a, CP2) 상에 제2 절연층(114)의 두께보다 두껍게 형성되고 금속층으로 구성된 MIM 커패시터의 하부 전극(117a)이 형성되어 있다. 하부 전극(117a)은 스택형(stack type)으로 구성되어 있다. 하부 전극(117a)은 귀금속막, 귀금속 전도성 산화막, 또는 페로브스카이트 구조의 전도성 산화막으로 구성한다. 하부 전극(117a)을 구성하는 귀금속막은 Pt, Ru 또는 Ir이고, 귀금속 전도성 산화막은 PtO, RuO2 또는 IrO2이고, 페로브스카이트 구조의 전도성 산화막은 SrRuO3, BaRuO3, CaRuO3, (Ba, Sr)RuO3 또는 La(Sr, Co)O3이다. The
하부 전극(117a) 상에 MIM 커패시터의 유전층(121)이 형성되어 있다. 즉, 유전층(121)이 하부 전극(117a)을 전체적으로 덮도록 형성되어 있다. 유전층(121)은 페로브스카이트 구조의 고유전막으로 구성한다. 유전층(121)은 (Ba, Sr)TiO3, SrTiO3, BaTiO3, Ba(Zr, Ti)O3, Sr(Zr, Ti)O3, Pb(Zr,Ti)O3 또는 (Pb, La)(Zr, Ti)O3이다. The
유전층(121) 상에 금속층으로 구성된 MIM 커패시터의 상부 전극(123)이 형성 되어 있다. 상부 전극(123)은 하부 전극(117a)과 동일한 물질로 구성한다. 결과적으로, MIM 커패시터는 하부 전극(117a), 유전막(121) 및 상부 전극(123)으로 구성된다. 그리고, 제1 콘택 플러그(CP1) 및 제2 콘택 플러그(110a, CP2)는 MIM 커패시터에 전하를 축적하거나 방출하기 위해서 MIM 커패시터를 구동 트랜지스터(도시 안 함)와 연결시킨다. The
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따라, 콘택 플러그를 갖는 반도체 소자의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a contact plug according to a second embodiment of the present invention.
구체적으로, 도 2에서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 2의 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 소자는 도 1의 제1 실시예에 의한 반도체 소자와 비교하여, 커패시터의 하부 전극(117b)이 실린더형으로 형성하는 것을 제외하고는 동일하다. 이렇게 커패시터의 하부 전극(117b)을 실린더형으로 할 경우에는 커패시턴스를 향상시킬 수 있다. Specifically, in Fig. 2, the same reference numerals as in Fig. 1 denote the same members. The semiconductor device according to the second embodiment of the present invention of FIG. 2 is the same as the semiconductor device according to the first embodiment of FIG. 1 except that the
도 3 내지 도 11은 도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a first embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
도 3을 참조하면, 지지층(101), 예컨대 반도체 기판이나 폴리실리콘층 상에 제1 절연층(103)을 형성한다. 제1 절연층(103)은 실리콘 산화막을 이용하여 형성한다. 이어서, 제1 절연층(103)을 사진식각공정을 이용하여 패터닝함으로써, 지지층(101)의 일부를 노출하는 제1 콘택홀(105)을 형성한다. Referring to FIG. 3, a first insulating
도 4를 참조하면, 제1 콘택홀(105)을 매립하도록 콘택 플러그용 제1 금속층(107)을 형성한다. 제1 금속층(107)은 ALD(Atomic layer deposition)법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법 또는 PVD(Physical Vapor Deposition)법으로 형성할 수 있다. 제1 금속층(107)은 단차피복성이 좋은 ALD법이나 CVD법으로 형성하는 것이 바람직하다. 콘택 플러그용 제1 금속층(107)은 제1 콘택홀(105)을 매립하도록 지지층(101)의 전면에 고융점 금속층을 형성한 후, 화학기계적연마 공정이나 식각 공정을 통하여 제1 콘택홀(105) 내에만 형성한다. Referring to FIG. 4, a
제1 금속층(107)은 앞서 설명한 바와 같이 고융점 금속막, 예컨대 W막, WN막, Ti막, TiN막, TiAlN막, TiSiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막 또는 TaSiN막으로 형성한다. 제1 금속층(107)은 앞서 예시된 막질로 단일막으로 형성할 수도 있고, 앞서 예시된 막질의 복합막으로도 형성할 수 있다. As described above, the
도 5를 참조하면, 콘택 플러그용 제1 금속층(107)을 건식 또는 습식 식각으로 식각하여 제1 콘택홀(105)의 바닥에 일정 두께(d3)로 바닥 플러그(107a)를 형성한다. 바닥 플러그(107a)도 앞서 설명한 바와 같이 제1 콘택 플러그(CP1, 110a)를 구성한다. 바닥 플러그(107a)의 두께(d3)는 50Å 내지 400Å, 바람직하게는 150Å으로 형성한다.Referring to FIG. 5, the
도 6을 참조하면, 바닥 플러그(107a) 상에 제1 콘택홀(105)의 내벽 및 제1 절연층(103) 상에 콘택 플러그용 제2 금속층(109)을 형성한다. 제2 금속층(109)은 50Å 내지 100Å의 두께로 형성한다. 제2 금속층(109)은 ALD법, CVD법 또는 PVD법으로 형성할 수 있다. 제2 금속층(109)은 단차피복성이 좋은 ALD법이나 CVD법으로 형성하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 6, a
제2 금속층(109)을 단차 피복성이 좋은 방법으로 할 경우, 도 6에 도시한 바 와 같이 제1 콘택홀(105)의 내벽 및 바닥 플러그(107a) 상에 형성되는 제2 금속층(109)의 두께가 동일하게 구성된다. 그러나, 단차 피복성이 좋지 않은 경우 제1 콘택홀(105)의 내벽 및 바닥 플러그(107a) 상에 형성되는 제2 금속층(109)의 두께가 동일하지 않을 수 도 있다. 여하튼, 제2 금속층(109)의 형성으로 인해 바닥 플러그(107a) 상에 두께가 두꺼운 제1 콘택 플러그(CP1)가 형성된다. In the case where the
제2 금속층(109)은 앞서 설명한 바와 같이 고융점 금속층, 예컨대 W막, WN막, Ti막, TiN막, TiAlN막, TiSiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막 또는 TaSiN막으로 형성한다. 제2 금속층(109)은 앞서 예시된 막질로 단일막으로 형성할 수도 있고, 앞서 예시된 막질의 복합막으로도 형성할 수 있다. As described above, the
이어서, 제1 콘택홀(105)을 매립하도록 콘택 플러그용 제2 금속층(109) 상에 제2 콘택 플러그용 제3 금속층(110)을 형성한다. 제3 금속층(110)은 제1 콘택홀(105) 내에 바닥 플러그(107a) 및 제2 금속층(109)이 형성되어 있기 때문에, 용이하게 제2 콘택홀(105)을 매립할 수 있다. 제3 금속층(110)은 50Å 내지 500Å의 두께로 형성한다. 제3 금속층(110)은 ALD법, CVD법 또는 PVD법으로 형성할 수 있다. 제2 콘택 플러그용 제3 금속층(110)은 앞서 설명한 바와 같이 귀금속막, 예컨대 Pt, Ru 또는 Ir로 형성한다. 제3 금속층(110)은 앞서 예시된 막질로 단일막으로 형성할 수도 있고, 앞서 예시된 막질의 복합막으로도 형성할 수 있다. Subsequently, the
도 7을 참조하면, 제1 절연층(103)의 표면을 노출하도록 제3 금속층(110) 및 제2 금속층(109)을 식각한다. 즉, 제1 절연층(103) 상의 제3 금속층(110) 및 제2 금속층(109)을 식각한다. 이에 따라, 바닥 플러그(107a) 및 제1 콘택홀(105)의 내 벽 상에 제2 금속층(109)으로 이루어진 내벽 플러그(109a)가 형성된다. 바닥 플러그(107a) 및 내벽 플러그(109a)는 제1 콘택 플러그(CP1)를 구성한다. 그리고, 내벽 플러그(109a) 상의 제1 콘택홀(105)을 매립하면서 제3 금속층(110a)으로 구성된 제2 콘택 플러그(CP2)가 형성된다.Referring to FIG. 7, the
도 8을 참조하면, 제1 콘택 플러그(CP1), 제2 콘택 플러그(CP2) 및 제1 절연층(103) 상에 식각 방지층(111)을 형성한다. 식각 방지층(111)은 제1 절연층(103)을 보호하기 위하여 형성한다. 식각 방지층(111)은 실리콘 질화막, 탄탈륨 산화막 또는 그 조합막을 이용하여 형성한다.Referring to FIG. 8, an
식각 방지층(111) 상에 몰드층(115)을 형성한다. 몰드층(115)은 실리콘 산화막을 이용하여 형성한다. 몰드층(115)은 후속의 MIM 커패시터의 하부 전극이 안정되게 형성되는데 도움을 주기 위하여 형성한다. The
도 9를 참조하면, 몰드층(115) 및 식각 방지층(111)을 패터닝하여 제1 콘택 플러그(CP1) 및 제2 콘택 플러그(CP2, 110a)의 상부를 제2 콘택홀(116)을 형성한다. 제2 콘택홀(116) 형성시 몰드층(115)을 식각 방지층(111)을 식각 방지막으로 하여 식각한 후, 식각 방지층(111)을 다시 식각한다. 이렇게 되면, 제1 절연층(103) 상에는 제2 절연층(111a) 및 몰드층 패턴(115a)이 형성된다. Referring to FIG. 9, the
도 10을 참조하면, 제2 콘택홀(116) 내의 제1 콘택 플러그(CP1) 및 제2 콘택 플러그(110a) 상에 MIM 커패시터의 하부 전극(117a)을 형성한다. 하부 전극(117a)은 제1 콘택 플러그(CP1) 및 제2 콘택 플러그(110a) 상의 제2 콘택홀(116)에 하부 전극용 금속층을 충분히 매립한 후 화학기계적연마 방법이나 건식 식각 방법을 진 행한다. 이에 따라, 하부 전극(117a)은 제2 콘택홀(116) 내에만 형성되고, 하부 전극(117a)은 제2 절연층(111a)의 두께보다 두껍게 형성된다.Referring to FIG. 10, the
하부 전극(117a)은 앞서 설명한 바와 같이 귀금속막, 귀금속 전도성 산화막, 또는 페로브스카이트 구조의 전도성 산화막으로 구성한다. 하부 전극(117a)을 구성하는 귀금속막은 Pt, Ru 또는 Ir이고, 귀금속 전도성 산화막은 PtO, RuO2 또는 IrO2이고, 페로브스카이트 구조의 전도성 산화막은 SrRuO3, BaRuO3, CaRuO3, (Ba, Sr)RuO3 또는 La(Sr, Co)O3이다. As described above, the
도 11을 참조하면, 제2 절연층(111a)을 식각 방지막으로 하여 몰드층 패턴(115a)을 습식식각으로 제거한다. 몰드층 패턴(115a)의 습식 식각은 산화막 식각액, 예컨대 BOE(Buffered Oxide Etchant)를 이용하여 수십 내지 수백 초간 수행한다. Referring to FIG. 11, the
계속하여, 도 1에 도시한 바와 같이 상기 스택형의 하부 전극(117a)이 형성된 지지층(101)의 전면에 유전층(121)을 형성한다. 유전층(121)은 (Ba, Sr)TiO3, SrTiO3, BaTiO3, Ba(Zr, Ti)O3, Sr(Zr, Ti)O3, Pb(Zr,Ti)O3 또는 (Pb, La)(Zr, Ti)O3으로 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 1, the
다음에, 유전층(121) 상에 금속막으로 상부 전극(123)을 형성함으로써 MIM 커패시터를 갖는 반도체 소자를 완성한다. 상부 전극은 하부 전극과 동일한 막질로 형성한다.Next, the
도 12는 도 1의 본 발명과 비교를 위한 비교예의 반도체 소자의 단면도이다.12 is a cross-sectional view of a semiconductor device of a comparative example for comparison with the present invention of FIG. 1.
구체적으로, 도 12에서 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 12의 비교예의 반도체 소자는 도 1과 거의 동일하게 구성하며, 다만 콘택 플러그(15)를 티타늄 질화막(TiN) 또는 텅스텐막(W)으로 형성하고, 하부 전극(117a) 및 상부 전극(123)은 루테늄막으로 구성하였다. Specifically, in FIG. 12, the same reference numerals as used in FIG. 1 denote the same members. The semiconductor device of the comparative example of FIG. 12 is configured almost the same as that of FIG. 1, except that the
도 13 및 도 14는 도 1에 도시한 본 발명의 반도체 소자와 도 12의 비교예의 반도체 소자의 콘택 저항을 비교하기 위하여 도시한 도면이다.13 and 14 are diagrams for comparing the contact resistance of the semiconductor device of the present invention shown in Figure 1 and the semiconductor device of the comparative example of FIG.
구체적으로, 도 13 및 도 14에서, X축은 콘택 저항을 나타내며, Y축은 하나의 웨이퍼 상에서의 콘택 저항의 분포를 나타낸다. 도 13 및 도 14에서, 본 발명의 반도체 소자의 경우 제1 콘택 플러그(CP1)를 티타늄 질화막(TiN)으로 형성하고, 제2 콘택 플러그(110a, CP2)를 루테늄막(Ru)으로 구성한 경우이다. Specifically, in FIGS. 13 and 14, the X axis represents contact resistance and the Y axis represents distribution of contact resistance on one wafer. 13 and 14, in the semiconductor device of the present invention, the first contact plug CP1 is formed of a titanium nitride film TiN, and the second contact plugs 110a and CP2 are formed of a ruthenium film Ru. .
비교예의 반도체 소자의 콘택 저항, 즉 지지층(101)인 반도체 기판과 콘택 플러그(15)간의 콘택 저항은 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이 텅스텐 플러그인 경우(e) 106 오옴 정도이고, 티타늄 질화막 플러그인 경우(d) 109오옴 정도로 매우 높게 형성됨을 알 수 있다. 이는 하부 전극 증착시나, 유전층의 후속 열처리시, 예컨대 500 내지 600℃의 고온 열처리시 유입되는 산소에 의해 콘택 플러그(15)가 산화되기 때문인 것으로 해석할 수 있다. 이와 같이 콘택 저항이 클 경우 반도체 소자의 동작에 악영향을 미치거나, 심지어는 반도체 소자가 동작하기 않을 수 있다.The contact resistance of the semiconductor device of the comparative example, that is, the contact resistance between the semiconductor substrate, which is the
이에 반하여, 도 1에 도시한 본 발명의 반도체 소자의 콘택 저항, 즉 지지층 과 콘택 플러그간의 콘택 저항(f)은 도 13에 도시한 바와 같이 수십 오옴 정도로 낮음을 알 수 있다. 이는 본 발명은 콘택홀(105) 내벽 및 바닥에 제1 콘택 플러그(CP1)가 얇게 형성되고, 콘택홀(105) 내를 제2 콘택 플러그(CP2)로 채워서 제1 콘택 플러그(CP1)와 제2 콘택 플러그(VP2)간의 접촉 면적을 넓힘으로써 전극으로부터 유입되는 산소를 효과적으로 분산시키기 때문인 것으로 해석된다. 또한, 본 발명의 반도체 소자의 콘택 저항이 낮은 이유는 앞서와 같은 구조적인 요인으로 인해 전극으로부터 제1 콘택 플러그(CP1)로의 산소 유입을 막기 때문으로 해석할 수 있다.On the contrary, it can be seen that the contact resistance of the semiconductor device of the present invention shown in FIG. 1, that is, the contact resistance f between the support layer and the contact plug, is as low as several tens of ohms as shown in FIG. According to the present invention, the first contact plug CP1 is thinly formed on the inner wall and the bottom of the
더하여, 본 발명의 반도체 소자를 채용할 때 도 14에 도시한 바와 같이 제1 콘택 플러그(CP1)의 바닥 두께(d1)에 따라서도 콘택 저항이 달라짐을 알 수 있다. 즉, 도 14의 참조부호 b는 제1 콘택 플러그(CP1)의 바닥 두께(d1)를 100Å 보다 낮게 구성할 경우 콘택 저항이 증가함을 알 수 있으며, 참조번호 c로 표시한 바와 같이 제1 콘택 플러그(CP1)의 바닥 두께(d1)를 100Å보다 큰 350Å으로 할 경우 콘택 저항이 낮음을 알 수 있다. In addition, when employing the semiconductor device of the present invention, as shown in FIG. 14, it can be seen that the contact resistance also varies depending on the bottom thickness d1 of the first contact plug CP1. That is, reference numeral b of FIG. 14 indicates that the contact resistance increases when the bottom thickness d1 of the first contact plug CP1 is lower than 100 μs, and the first contact is indicated by reference numeral c. It can be seen that the contact resistance is low when the bottom thickness d1 of the plug CP1 is 350 kPa, which is larger than 100 kPa.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라, 콘택 플러그를 갖는 반도체 소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a contact plug according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따라, 콘택 플러그를 갖는 반도체 소자의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a contact plug according to a second embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 11은 도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a first embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
도 12는 도 1의 본 발명과 비교를 위한 비교예의 반도체 소자의 단면도이다.12 is a cross-sectional view of a semiconductor device of a comparative example for comparison with the present invention of FIG. 1.
도 13 및 도 14는 도 1에 도시한 본 발명의 반도체 소자와 도 12의 비교예의 반도체 소자의 콘택 저항을 비교하기 위하여 도시한 도면이다.13 and 14 are diagrams for comparing the contact resistance of the semiconductor device of the present invention shown in Figure 1 and the semiconductor device of the comparative example of FIG.
Claims (20)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US9153590B2 (en) | 2013-11-05 | 2015-10-06 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor devices including buried channels |
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2008
- 2008-02-20 KR KR1020080015492A patent/KR20090090181A/en not_active Application Discontinuation
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