KR20100040020A - Method for forming noble metal and method for manufacturing capacitor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체장치 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 귀금속류 박막의 형성 방법 및 그를 이용한 캐패시터 제조 방법에 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 method of forming a noble metal thin film and a method of manufacturing a capacitor using the same.
루테늄(Ru)과 같은 귀금속류 박막(Noble metal)의 경우 다른 물질과의 반응성이 떨어지기 때문에 증착시 접착력이 불량하며, 3차원 섬(3-Dimension island) 형태로 핵이 형성된 이후에 클러스터(cluster)끼리 서로 붙는 형태로 균질막(homogeneous film)이 형성되는 특성을 가지기 때문에 매우 거친 표면 형상을 갖게 된다.Noble metals such as ruthenium (Ru) have poor adhesion during deposition because they are less reactive with other materials, and clusters after the nucleus is formed in the form of 3-Dimension islands. Since the homogeneous film is formed in the form of bonding with each other, it has a very rough surface shape.
이와 같이 접착력 불량 및 매우 거친 표면을 갖는 귀금속류 박막은 후속 공정에서 초래되는 써멀버짓(thermal budget)으로 인하여 박막 자체가 서로 뭉치는 결정립성장(grain-growth)이 발생하면서 결정립계(grainboundary) 주위에서 마이크로보이드(micro viod)를 형성한다.As described above, the noble metal thin film having poor adhesion and a very rough surface has micro-voids around the grainboundary as grain-growth occurs due to the thermal budget in the subsequent process. to form a micro viod.
이처럼 마이크로보이드가 형성되면 후속하는 물리적 및 화학적 패터닝 공정을 진행하는 동안 리프팅(lifting) 및 보이드(void)와 같은 불량을 유발하게 되며, 이는 소자의 신뢰성을 저하시키게 된다. 또한 거친 표면을 갖는 귀금속류 물질 위에 유전막을 형성시키는 경우 누설 전류 특성이 악화되는 문제점이 발생하게 된다.Such formation of microvoids can lead to defects such as lifting and voids during subsequent physical and chemical patterning processes, which degrade the reliability of the device. In addition, when a dielectric film is formed on a noble metal material having a rough surface, leakage current characteristics may be deteriorated.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서 귀금속류 박막의 표면 거칠기를 개선하고 후속 써멀버짓에 의한 마이크로보이드 형성을 미연에 방지할 수 있는 귀금속류 박막 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for forming a noble metal thin film which can improve the surface roughness of the noble metal thin film and prevent the formation of microvoids by a subsequent thermal budget. .
또한, 본 발명의 다른 목적은 접착성이 우수하고 표면거칠기가 개선된 귀금속류 박막을 채용한 캐패시터 제조 방법을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for producing a capacitor employing a noble metal thin film having excellent adhesion and improved surface roughness.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 귀금속류 박막 형성 방법은 귀금속류 박막을 증착하는 단계; 및 비산화성 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 열처리는 급속열처리(RTP) 방법을 이용하며, 상기 급속열처리는 N2, NH3 또는 H2 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 분위기에서 진행하는 것을 특징으로 한다.The noble metal thin film forming method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of depositing a noble metal thin film; And a heat treatment in a non-oxidizing atmosphere, wherein the heat treatment uses a rapid heat treatment (RTP) method, and the rapid heat treatment is performed in an atmosphere including any one selected from N 2 , NH 3, or H 2 . It is done.
그리고, 본 발명의 캐패시터 제조 방법은 하부전극으로 사용되는 귀금속류 박막을 증착하는 단계; 상기 귀금속류 박막에 대해 비산화성분위기에서 급속열처리하는 단계; 상기 급속열처리된 귀금속류 박막 상에 유전막을 형성하는 단계; 및 상기 유전막 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 비산화성분위기는 N2, NH3 또는 H2 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the capacitor manufacturing method of the present invention comprises the steps of depositing a noble metal thin film used as a lower electrode; Rapid heat treatment of the noble metal thin film in a non-oxidation atmosphere; Forming a dielectric film on the rapid heat-treated noble metal thin film; And forming an upper electrode on the dielectric layer, wherein the non-oxidation component crisis includes any one selected from N 2 , NH 3, or H 2 .
상술한 본 발명은 귀금속류 박막을 적용한 캐패시터에서 귀금속류 박막을 증착한 후 급속열처리 공정을 통하여 표면 거칠기를 향상시키고, 유전막과의 접착력 및 결정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이를 통해 보다 조밀한 형태의 유전막을 얻을 수 있기 때문에 낮은 두께에서도 높은 유전율을 갖는 효과를 가져옴으로써 반도체장치의 신뢰성 및 구조적 안정성 향상에 기여할 수 있다.The present invention described above has the effect of improving the surface roughness through the rapid heat treatment process after depositing the noble metal thin film in the capacitor to which the noble metal thin film is applied, and improving the adhesion and crystallinity with the dielectric film. As a result, a denser dielectric film can be obtained, which has a high dielectric constant even at a low thickness, thereby contributing to the improvement of reliability and structural stability of the semiconductor device.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. .
본 발명은 루테늄(Ru), 인듐(In), 이리듐(Ir), 루테늄이리듐합금(Ru-Ir alloy), 루테늄인듐합금(Ru-In alloy), 인듐이리듐합금(In-Ir alloy) 등의 귀금속류 박막의 표면 거칠기를 개선하고 후속 공정에서 귀금속류 박막과 인접한 박막의 계면에서 발생되는 마이크로보이드를 제거하는 방법이다.Precious metals such as ruthenium (Ru), indium (In), iridium (Ir), ruthenium iridium alloy (Ru-Ir alloy), ruthenium indium alloy (Ru-In alloy), indium iridium alloy (In-Ir alloy) It is a method to improve the surface roughness of the thin film and to remove microvoids generated at the interface between the thin film of the noble metals and the adjacent thin film in a subsequent process.
원자층증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)은 반응소스를 챔버 내로 순차적으로 주입하고 퍼지하는 방식으로 기판 상에 복수의 원자층을 순차적으로 증착하는 방법이다.Atomic Layer Deposition (ALD) is a method of sequentially depositing a plurality of atomic layers on a substrate by sequentially injecting and purging a reaction source into the chamber.
이러한 원자층증착법(ALD)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)처럼 화학반응을 이용하는 증착법이지만 각각의 반응소스가 챔버 내에서 혼합 되지 않고 하나씩 펄스(Pulse)로 흘려진다는 점에서 화학기상증착법(CVD)과 구별된다. 예컨대, A가스와 B가스를 사용하는 경우, A가스 주입, 퍼지, B가스 주입 및 퍼지의 순서로 진행한다.This atomic layer deposition method (ALD) is a deposition method using a chemical reaction, such as chemical vapor deposition (CVD), but chemical vapor deposition method in that each reaction source flows in pulses one by one without mixing in the chamber. (CVD). For example, when using A gas and B gas, it progresses in order of A gas injection, purge, B gas injection, and purge.
1) A가스를 주입한다. 이때, A가스의 분자가 화학흡착(Chemical absorption)된다.1) Inject A gas. At this time, molecules of A gas are chemically absorbed.
2) 챔버 내부에 잔류하는 A가스는 비활성가스로 퍼지한다.2) A gas remaining inside the chamber is purged with inert gas.
3) B가스를 주입하면, A가스와 B가스 사이의 반응은 화학흡착된 A가스가 있는 표면에서만 일어나 원자층 박막이 증착된다. 따라서 어떠한 모폴로지(Morphology)를 가진 표면이라 해도 100%의 단차피복성(Step coverage)을 획득할 수 있는 것으로 알려져 있다.3) When B gas is injected, the reaction between A gas and B gas occurs only on the surface of the chemisorbed A gas, and the atomic layer thin film is deposited. Therefore, it is known that even a surface having any morphology (Morphology) can obtain 100% step coverage.
4) A가스와 B가스의 반응 후 챔버에 잔존하는 B가스 및 반응부산물을 퍼지시킨다.4) After the reaction of A gas and B gas, purge the B gas and the reaction byproduct remaining in the chamber.
이와 같이, 1) 단계 내지 4)단계를 통해 원자층 증착을 반복함으로써 박막의 두께를 원자층 단위로 조절할 수 있게 된다.As such, by repeating atomic layer deposition through steps 1) to 4), the thickness of the thin film may be adjusted in atomic layer units.
이하, 실시예에서는 루테늄막을 증착하기 위해 원자층증착법(ALD)을 이용한다. 따라서, A 가스는 루테늄소스가 될 것이고, B가스는 루테늄소스의 분해를 위한 반응가스가 될 것이다.In the following embodiment, atomic layer deposition (ALD) is used to deposit the ruthenium film. Thus, A gas will be a ruthenium source, B gas will be a reaction gas for the decomposition of ruthenium source.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 루테늄막의 형성방법을 도시한 공정 흐름도이다.1 is a process flowchart illustrating a method of forming a ruthenium film according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 루테늄막의 형성방법은 크게 루 테늄막 증착단계(101)와 급속열처리 단계(102)로 이루어진다.Referring to FIG. 1, a ruthenium film forming method according to an exemplary embodiment of the present invention includes a ruthenium
먼저, 루테늄막 증착단계(101)는 원자층증착법(ALD)을 이용한다.First, the ruthenium
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 루테늄막의 원자층증착법을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining the atomic layer deposition method of the ruthenium film according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 루테늄막의 원자층증착은 루테늄소스주입단계, 퍼지단계, 반응가스주입단계 및 퍼지단계의 순서로 이루어진 (Ru소스/퍼지/반응가스/퍼지)를 M회 반복한다. (Ru소스/퍼지/반응가스/퍼지)가 루테늄막의 원자층증착을 위한 단위사이클이 된다. 도 2에서 반응가스는 오존(O3)을 사용한 경우이다.Referring to FIG. 2, atomic layer deposition of a ruthenium film is repeated M times (Ru source / purge / reaction gas / purge) consisting of a ruthenium source injection step, a purge step, a reaction gas injection step, and a purge step. (Ru source / purge / reactive gas / purge) becomes a unit cycle for atomic layer deposition of a ruthenium film. In FIG. 2, the reaction gas uses ozone (O 3 ).
루테늄소스 주입 단계는 루테늄막이 증착될 기판이 장착된 챔버 내에 루테늄 소스(Ru 소스)를 공급하는 단계로서, 루테늄 소스의 공급에 의해 루테늄 소스가 기판 표면에서 흡착되도록 한다. 루테늄 소스는 Ru(Cp)2, Ru(MeCp)2, Ru(EtCp)2, Ru(tmhd)3, Ru(mhd)3 및 Ru(od)3로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나를 이용한다. 이러한 루테늄소스들은 고체 또는 액체의 유기금속화합물로서 별도의 기화기(Vaporizer)를 통해 기화시켜 가스 상태로 챔버 내부에 공급될 수 있다. 그리고, 전술한 루테늄소스들은 루테늄을 함유하고 있는 루테늄전구체(Ru Precursor)라 일컫는다.The ruthenium source injection step is to supply a ruthenium source (Ru source) into the chamber on which the substrate on which the ruthenium film is to be deposited is mounted, and the ruthenium source is adsorbed on the substrate surface by the supply of the ruthenium source. The ruthenium source uses one selected from the group consisting of Ru (Cp) 2 , Ru (MeCp) 2 , Ru (EtCp) 2 , Ru (tmhd) 3 , Ru (mhd) 3, and Ru (od) 3 . These ruthenium sources may be supplied into the chamber in a gaseous state by vaporizing through a separate vaporizer as a solid or liquid organometallic compound. In addition, the ruthenium sources described above are referred to as Ru Precursor containing ruthenium.
상술한 루테늄소스들은 루테늄 원자에 붙어 있는 리간드(Ligand)가 반응가스와 반응하게 되어 루테늄막을 증착하게 된다. 그리고, 루테늄막이 증착될 기판은 실리콘(Si), 실리콘산화막(SiO2), Ti와 같은 금속막, TiN과 같은 금속질화막, ZrO2 와 같은 유전막을 포함한다. 기판은 원자층 증착 공정시 200℃∼400℃를 유지한다. 기판 온도가 200℃보다 낮으면 루테늄소스가 기판 표면에 흡착되지 않고, 400℃보다 높으면 기판이 고온에 의해 손상을 받는다. In the ruthenium sources described above, a ligand attached to a ruthenium atom reacts with a reaction gas to deposit a ruthenium film. The substrate on which the ruthenium film is to be deposited includes silicon (Si), silicon oxide film (SiO 2 ), a metal film such as Ti, a metal nitride film such as TiN, and a dielectric film such as ZrO 2 . The substrate is maintained at 200 ° C. to 400 ° C. during the atomic layer deposition process. If the substrate temperature is lower than 200 ° C, ruthenium source is not adsorbed on the substrate surface, if higher than 400 ° C the substrate is damaged by the high temperature.
퍼지단계는 흡착 반응후 남은 잉여의 루테늄 소스를 제거하는 퍼지 단계로서, 이때 퍼지 가스로는 루테늄 소스와 반응하지 않는 비활성 기체인 아르곤(Ar), 질소(N2)를 사용한다. 또한, 퍼지단계는 펌핑(pumping)에 의해 잉여의 루테늄 소스를 제거할 수도 있다.The purge step is a purge step to remove the excess ruthenium source remaining after the adsorption reaction, wherein the purge gas is used as the inert gas (Ar), nitrogen (N 2 ) that does not react with the ruthenium source. The purge step may also remove excess ruthenium source by pumping.
반응가스주입단계는 반응가스를 공급하여 흡착된 루테늄 소스의 리간드를 제거하기 위한 단계이다. 반응가스는 O2, 오존(O3), N2O, O2 플라즈마, NH3, H2 리모트플라즈마(Remote plasma) 중에서 선택된 어느 하나를 사용한다. 바람직하게, 반응가스는 오존(O3)을 사용하며, 이때 오존의 농도는 50∼400g/m3의 범위를 갖는다. 오존은 산소(O2) 및 NH3와 같은 다른 반응가스보다 반응성이 크면서도 농도를 쉽게 제어할 수 있어, 형성되는 루테늄 박막의 특성을 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다. 오존의 농도를 적절히 제어하여 루테늄막을 증착하면 산소에 비하여 증착속도를 증가시킬 수 있고, 또한 기판 표면에서의 반응성의 개선으로 잠복시간(Incubation time)을 감소시켜 매우 얇은 두께에서도 연속적인 박막의 형성이 가능하여 컨포멀(Conformal)한 증착이 가능하다. 위와 같이 반응성이 큰 오존(O3)을 반응가스로 하여 루테늄막을 증착하면 기포가 없이 접착력이 우수하고 증착속도가 큰 컨포멀한 루테늄막을 저온에서 얻을 수 있다. 또한, 증착속도가 크고 저온에서 형성된 컨포멀한 루테늄막을 캐패시터의 전극으로 적용하게 되면 양산성이 우수하고 루테늄막의 높은 일함수에 의해 매우 우수한 특성의 캐패시터를 형성하는 것이 가능하여 40nm 이하의 DRAM을 구현할 수 있다.The reaction gas injection step is a step for removing a ligand of the adsorbed ruthenium source by supplying a reaction gas. The reaction gas may be any one selected from O 2 , ozone (O 3 ), N 2 O, O 2 plasma, NH 3 , and H 2 remote plasma. Preferably, the reaction gas uses ozone (O 3 ), wherein the concentration of ozone is in the range of 50-400 g / m 3 . Ozone is more reactive than other reaction gases such as oxygen (O 2 ) and NH 3, and can easily control the concentration, so that the characteristics of the ruthenium thin film formed can be easily controlled. Deposition of ruthenium films by controlling the concentration of ozone can increase the deposition rate compared to oxygen, and also reduce the incubation time by improving the reactivity on the substrate surface. Conformal deposition is possible. When the ruthenium film is deposited using the highly reactive ozone (O 3 ) as described above, a conformal ruthenium film having excellent adhesion without bubbles and having a high deposition rate can be obtained at a low temperature. In addition, when a conformal ruthenium film formed at a low deposition rate and having a low deposition rate is used as an electrode of a capacitor, it is possible to form a capacitor having excellent mass productivity and a capacitor having a very good characteristic by the high work function of the ruthenium film. Can be.
퍼지단계는 반응가스와 반응하여 생성된 반응부산물 및 반응하고 남은 반응가스를 퍼지하는 단계이다. 퍼지단계는 비활성 기체인 아르곤(Ar), 질소(N2)를 사용한다. 또한, 퍼지단계는 펌핑(pumping)에 의해 잉여의 루테늄 소스를 제거할 수도 있다.The purge step is a step of purging the reaction by-products generated by reacting with the reaction gas and the remaining reaction gas. The purge step uses inert gases argon (Ar) and nitrogen (N 2 ). The purge step may also remove excess ruthenium source by pumping.
위와 같이 (Ru소스/퍼지/반응가스/퍼지)로 이루어지는 단위사이클을 M회 반복하므로써 단차피복성이 우수한 원자층 단위로 루테늄막을 증착한다. 루테늄막은 100∼300Å의 두께로 증착될 수 있다.By repeating the unit cycle consisting of (Ru source / purge / reactive gas / purge) as described above M times, ruthenium films are deposited in atomic layer units having excellent step coverage. Ruthenium film may be deposited to a thickness of 100 ~ 300Å.
상술한 바와 같이, 루테늄막을 증착한 후에 열처리단계(102)를 진행한다. 열처리단계(102)는 루테늄막의 접착성 및 표면거칠기를 개선할 수 있다.As described above, after the ruthenium film is deposited, the
열처리단계(102)는 급속열처리(Rapid Thermal Process; RTP) 공정을 적용한다. 급속열처리 공정은 450∼700℃의 온도에서 N2, NH3, H2와 같이 비산화성 가스 분위기에서 진행한다. 그리고, 급속열처리 공정은 2∼10분동안 진행한다.
도 3a 및 도 3b는 루테늄막의 열처리 전후의 표면거칠기 및 결정성 변화를 도시한 사진이다. 도 3a의 표면거칠기는 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 RMS(Root Mean Square)로 나타낸 결과이다. 루테늄막 증착후의 RMS는 2.99nm이나, 열처리후의 RMS는 1.74nm로 감소함을 알 수 있다. 이는 표면거칠기가 개선됨을 의미한다.3A and 3B are photographs showing surface roughness and crystallinity change before and after heat treatment of a ruthenium film. The surface roughness of FIG. 3A is a result represented by root mean square (RMS) using AFM (Atomic Force Microscope). The RMS after ruthenium film deposition is 2.99 nm, but the RMS after heat treatment decreases to 1.74 nm. This means that surface roughness is improved.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 열처리후 결정립성장이 발생하면서 오히려 표면 형상이 부드러워지고(Smooth) 결정성이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 도 3b에서 루테늄막은 열처리후에 (100), (102), (101) 결정성이 증착후보다 더 향상됨을 알 수 있다.Referring to FIGS. 3A and 3B, it can be seen that as the grain growth occurs after the heat treatment, the surface shape becomes smooth and the crystallinity is improved. In FIG. 3B, it can be seen that the ruthenium film has improved crystallinity (100), (102), (101) after heat treatment than after deposition.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터의 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.4A to 4E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor according to an embodiment of the present invention.
도 4a에 도시된 바와 같이, 워드라인, 비트라인 등이 형성된 기판(21) 상부에 층간절연막(22)을 형성한 후 콘택홀을 형성한다. 여기서, 층간절연막(22)은 하부 구조물에 의한 단차를 완화시키기 위해 CMP(Chemical Mechanical Polishing)를 이용한 평탄화가 진행될 수 있다.As shown in FIG. 4A, an
이어서, 콘택홀 내부를 매립하는 스토리지노드콘택플러그(23)를 형성한다. 이때, 스토리지노드콘택플러그(23)는 폴리실리콘플러그와 배리어메탈의 적층이 될 수 있다.Subsequently, the storage node contact plug 23 filling the inside of the contact hole is formed. In this case, the storage
이어서, 전면에 식각정지막(24)과 몰드막(25)을 적층한다. 여기서, 식각정지막(24)은 실리콘질화막(SiN)이며, 몰드막(25)은 산화막 물질이다.Subsequently, the
이어서, 몰드막(25)과 식각정지막(24)을 차례로 식각하여 스토리지노드콘택플러그(23)를 오픈시키는 오픈영역(26)을 형성한다. 이때, 오픈영역(26) 형성을 위해 먼저 식각정지막(24)에서 식각이 멈출때까지 몰드막(25)을 식각하고, 이후 식각 정지막(24)을 식각한다. Subsequently, the
상술한 오픈영역(26)은 캐패시터의 하부전극이 형성될 3차원 구조의 홀(Hole)이다.The
도 4b에 도시된 바와 같이, 오픈영역(26)에 캐패시터의 하부전극으로 사용되는 루테늄막(27)을 증착한다. 하부전극은 루테늄막(Ru)외에 인듐(In), 이리듐(Ir), 루테늄이리듐합금(Ru-Ir alloy), 루테늄인듐합금(Ru-In alloy), 인듐이리듐합금(In-Ir alloy) 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수도 있다. 이하, 루테늄막을 하부전극으로 이용하는 경우라 가정한다.As shown in FIG. 4B, a
하부전극으로 사용되는 루테늄막(27) 증착 방법은 도 2에 따른 원자층증착방법을 이용할 수 있다.The deposition method of the
루테늄막(27)의 원자층증착은 루테늄소스주입단계, 퍼지단계, 반응가스주입단계 및 퍼지단계의 순서로 이루어진 (Ru소스/퍼지/반응가스/퍼지)를 M회 반복한다. (Ru소스/퍼지/반응가스/퍼지)가 루테늄막의 원자층증착을 위한 단위사이클이 된다.The atomic layer deposition of the
루테늄소스주입단계는 루테늄막이 증착될 기판이 장착된 챔버 내에 루테늄 소스(Ru 소스)를 공급하는 단계로서, 루테늄 소스의 공급에 의해 루테늄 소스가 기판 표면에서 흡착되도록 한다. 루테늄 소스는 Ru(Cp)2, Ru(MeCp)2, Ru(EtCp)2, Ru(tmhd)3, Ru(mhd)3 및 Ru(od)3로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나를 이용한다. 이러한 루테늄소스들은 고체 또는 액체의 유기금속화합물로서 별도의 기화 기(Vaporizer)를 통해 기화시켜 가스 상태로 챔버 내부에 공급될 수 있다. 그리고, 전술한 루테늄소스들은 루테늄을 함유하고 있는 루테늄전구체(Ru Precursor)라 일컫는다.The ruthenium source injection step is to supply a ruthenium source (Ru source) in the chamber in which the substrate on which the ruthenium film is to be deposited is mounted, so that the ruthenium source is adsorbed on the surface of the substrate. The ruthenium source uses one selected from the group consisting of Ru (Cp) 2 , Ru (MeCp) 2 , Ru (EtCp) 2 , Ru (tmhd) 3 , Ru (mhd) 3, and Ru (od) 3 . These ruthenium sources may be supplied into the chamber in a gaseous state by vaporizing through a separate vaporizer as a solid or liquid organometallic compound. In addition, the ruthenium sources described above are referred to as Ru Precursor containing ruthenium.
상술한 소스들은 루테늄 금속원자에 붙어 있는 리간드가 반응가스와 반응하게 되어 루테늄막을 증착하게 된다. 그리고, 루테늄막의 원자층 증착 공정시 기판온도는 200℃∼400℃를 유지한다. 기판 온도가 200℃보다 낮으면 루테늄소스가 기판 표면에 흡착되지 않고, 400℃보다 높으면 기판이 고온에 의해 손상을 받는다. In the aforementioned sources, the ligand attached to the ruthenium metal atom reacts with the reaction gas to deposit a ruthenium film. In the atomic layer deposition process of the ruthenium film, the substrate temperature is maintained at 200 ° C to 400 ° C. If the substrate temperature is lower than 200 ° C, ruthenium source is not adsorbed on the substrate surface, if higher than 400 ° C the substrate is damaged by the high temperature.
퍼지단계는 흡착 반응후 남은 잉여의 루테늄 소스를 제거하는 퍼지 단계로서, 이 때 퍼지 가스로는 루테늄 소스와 반응하지 않는 비활성 기체인 아르곤(Ar), 질소(N2)를 사용한다. 또한, 퍼지단계는 펌핑(pumping)에 의해 잉여의 루테늄 소스를 제거할 수도 있다.The purge step is a purge step of removing the excess ruthenium source remaining after the adsorption reaction, wherein the purge gas is used as the inert gas (Ar), nitrogen (N 2 ) that does not react with the ruthenium source. The purge step may also remove excess ruthenium source by pumping.
반응가스주입단계는 반응가스를 공급하여 흡착된 루테늄 소스의 리간드를 제거하기위한 단계이다. 반응가스는 O2, O3, N2O, O2 플라즈마, NH3, H2 리모트플라즈마(Remote plasma) 중에서 선택된 어느 하나를 사용한다. 바람직하게, 반응가스는 오존(O3)을 사용하며, 이때 오존의 농도는 50∼400g/m3의 범위를 갖는다. 오존은 산소(O2) 및 NH3와 같은 다른 반응가스보다 반응성이 크면서도 농도를 쉽게 제어할 수 있어, 형성되는 루테늄 박막의 특성을 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다. 오존의 농도를 적절히 제어하여 루테늄막을 증착하면 산소에 비하여 증착속도를 증가시킬 수 있고, 또한 기판 표면에서의 반응성의 개선으로 잠복시간(Incubation time)을 감소시켜 매우 얇은 두께에서도 연속적인 박막의 형성이 가능하여 컨포멀(Conformal)한 증착이 가능하다. 위와 같이 반응성이 큰 오존을 반응가스로 하여 루테늄막을 증착하면 기포가 없이 접착력이 우수하고 증착속도가 큰 컨포멀한 루테늄막을 저온에서 얻을 수 있다. 또한, 증착속도가 크고 저온에서 형성된 컨포멀한 루테늄막을 캐패시터의 전극으로 적용하게 되면 양산성이 우수하고 루테늄막의 높은 일함수에 의해 매우 우수한 특성의 캐패시터를 형성하는 것이 가능하여 40nm 이하의 DRAM을 구현할 수 있다.Reaction gas injection step is to remove the ligand of the adsorbed ruthenium source by supplying the reaction gas. The reaction gas may be any one selected from O 2 , O 3 , N 2 O, O 2 plasma, NH 3 and H 2 remote plasma. Preferably, the reaction gas uses ozone (O 3 ), wherein the concentration of ozone is in the range of 50-400 g / m 3 . Ozone is more reactive than other reaction gases such as oxygen (O 2 ) and NH 3, and can easily control the concentration, so that the characteristics of the ruthenium thin film formed can be easily controlled. Deposition of ruthenium films by controlling the concentration of ozone can increase the deposition rate compared to oxygen, and also reduce the incubation time by improving the reactivity on the substrate surface. Conformal deposition is possible. When the ruthenium film is deposited using ozone having high reactivity as a reaction gas, a conformal ruthenium film having excellent adhesion without bubbles and having a high deposition rate can be obtained at a low temperature. In addition, when a conformal ruthenium film formed at a low deposition rate and having a low deposition rate is used as an electrode of a capacitor, it is possible to form a capacitor having excellent mass productivity and a capacitor having a very good characteristic by the high work function of the ruthenium film. Can be.
퍼지단계는 반응가스와 반응하여 생성된 반응부산물 및 반응하고 남은 반응가스를 퍼지하는 단계이다. 퍼지단계는 비활성 기체인 아르곤(Ar), 질소(N2)를 사용한다. 또한, 퍼지단계는 펌핑(pumping)에 의해 잉여의 루테늄 소스를 제거할 수도 있다.The purge step is a step of purging the reaction by-products generated by reacting with the reaction gas and the remaining reaction gas. The purge step uses inert gases argon (Ar) and nitrogen (N 2 ). The purge step may also remove excess ruthenium source by pumping.
위와 같이 (Ru소스/퍼지/반응가스/퍼지)로 이루어지는 단위사이클을 M회 반복하므로써 단차피복성이 우수한 원자층 단위로 루테늄막을 증착한다. 루테늄막(27)은 100∼300Å의 두께로 증착될 수 있다.By repeating the unit cycle consisting of (Ru source / purge / reactive gas / purge) as described above M times, ruthenium films are deposited in atomic layer units having excellent step coverage.
도 4c에 도시된 바와 같이, 열처리를 진행한다. 열처리는 루테늄막(27)의 접착성 및 표면거칠기를 개선할 수 있다.As shown in FIG. 4C, heat treatment is performed. The heat treatment may improve the adhesion and surface roughness of the
열처리는 급속열처리(Rapid Thermal Process; RTP) 공정을 적용한다. 급속열처리 공정은 450∼700℃의 온도에서 N2, NH3, H2와 같이 비산화성 가스 분위기에서 진행한다. 그리고, 급속열처리 공정은 2∼10분동안 진행한다.The heat treatment applies a Rapid Thermal Process (RTP) process. The rapid heat treatment process proceeds in a non-oxidizing gas atmosphere such as N 2 , NH 3 and H 2 at a temperature of 450 to 700 ° C. The rapid heat treatment process then proceeds for 2 to 10 minutes.
이하, 열처리된 루테늄막은 도면부호 '27A'와 같다.Hereinafter, the heat treated ruthenium film is the same as '27A'.
도 4d에 도시된 바와 같이, 열처리된 루테늄막(27A)에 대해 하부전극 분리공정을 진행하여 하부전극(27B)을 형성한다. 하부전극분리공정은 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 또는 에치백을 이용하여 진행한다.As shown in FIG. 4D, the lower electrode separation process is performed on the heat treated
도 4e에 도시된 바와 같이, 전면에 유전막(28)과 상부전극(29)을 차례로 형성한다. 유전막은 TiO2, Nb2O5, Ta2O5, SrTiO3, BaTiO3, (Ba,Sr)TiO3 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고, 유전막(28)은 증착후에 결정화를 위한 열처리가 진행될 수 있다.As shown in FIG. 4E, the
상부전극(29)은 하부전극과 동일하게 루테늄(Ru), 인듐(In), 이리듐(Ir), 루테늄이리듐합금(Ru-Ir alloy), 루테늄인듐합금(Ru-In alloy), 인듐이리듐합금(In-Ir alloy) 등의 귀금속류 박막을 포함할 수 있고, 원자층증착법에 의해 증착한 후에 계면특성 향상을 위한 열처리가 수행될 수 있다. The
여기서, 상부전극(29)을 형성한 후의 열처리는 하부전극 형성후의 열처리와 동일하게 급속열처리(RTP)를 적용할 수 있다. 열처리 분위기는 비산화성 분위기 또는 산화성 분위기를 사용할 수 있다. 예컨대, 상부전극(29) 형성후의 열처리는 O2, N2, N2O, O3 또는 이들 중 적어도 두가지 이상이 혼합된 혼합가스를 이용할 수 있다. 이와 같이, 상부전극 형성후에는 열처리를 산화성 분위기에서 진행하여도 무방하다.Here, the rapid heat treatment (RTP) may be applied to the heat treatment after the
상술한 실시예에서는 콘케이브 구조의 하부전극을 갖는 캐패시터에 대해 설명하였으나, 본 발명은 실린더형(Cylinder type) 하부전극, 또는 필라형(pillar type) 하부전극을 갖는 캐패시터 제조 방법에도 적용 가능하다.In the above-described embodiment, a capacitor having a lower electrode having a concave structure has been described, but the present invention can be applied to a capacitor manufacturing method having a cylindrical type lower electrode or a pillar type lower electrode.
도 5는 루테늄막을 열처리한 경우와 열처리하지 않은 경우의 마이크로보이드 형성 정도를 비교한 사진이다. 도 5는 유전막이 STO(SrTiO3)인 경우이다.5 is a photograph comparing the degree of formation of microvoids when the ruthenium film is heat-treated and unheated. 5 is a case where the dielectric film is STO (SrTiO 3 ).
도 5를 참조하면, 루테늄막 증착후에 열처리를 수행하지 않은 경우 STO 증착 및 결정화를 위한 열처리동안 루테늄막의 결정립성장(grain growth)으로 인하여 결정립계(Grainboundary) 부위에서 마이크로보이드(도면부호 'V' 참조)가 발생하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, when the heat treatment is not performed after the ruthenium film deposition, the microvoids (see reference numeral 'V') at the grainboundary site due to grain growth of the ruthenium film during heat treatment for STO deposition and crystallization) You can see that occurs.
반면에 루테늄막을 증착한 후에 열처리를 수행한 경우 루테늄막이 이미 자유표면(free surface)을 갖는 상태에서 결정립성장이 이루어지기 때문에 인접 박막과의 계면에서 마이크로보이드가 형성되는 것을 미연에 방지할 수 있다. 또한, STO 증착 및 결정화 열처리 동안에도 매우 안정한 접착특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, when the heat treatment is performed after the deposition of the ruthenium film, since the grain growth occurs while the ruthenium film already has a free surface, it is possible to prevent the formation of the microvoid at the interface with the adjacent thin film. In addition, it can be seen that the adhesion properties are very stable even during STO deposition and crystallization heat treatment.
뿐만아니라 보다 조밀(dense)한 유전막이 형성되도록 유도하기 때문에 동일하게 증착된 STO가 열처리한 루테늄막 위에서 오히려 낮은 두께(140Å)를 나타냄에도 불구하고 훨씬 높은 (110) 배향성을 갖는 페로브스카이트(perovskite) 형태로 성장하는 것이 확인되었으며, 이는 유전막의 전기적 특성을 향상시키는데 크게 기여할 수 있는 효과이다.In addition, because it leads to the formation of a denser dielectric film, perovskite having a much higher (110) orientation even though the same deposited STO has a relatively low thickness (140 로) on the heat treated ruthenium film. growth in the perovskite form, which can greatly contribute to the improvement of the electrical properties of the dielectric film.
도 6은 STO 박막의 배향성을 비교한 사진으로서, 루테늄막 증착(as-Ru)후에 바로 형성하는 것보다 루테늄막 증착 및 열처리후(600℃ N2/Ru)에 STO 박막의 (110) 배향성이 더 높은 것을 알 수 있다.FIG. 6 is a photograph comparing the orientation of STO thin films, and the (110) orientation of the STO thin film after ruthenium film deposition and heat treatment (600 ° C. N 2 / Ru) is higher than that formed immediately after ruthenium film deposition (as-Ru). It can be seen that it is higher.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 루테늄막의 형성방법을 도시한 공정 흐름도.1 is a process flow diagram illustrating a method of forming a ruthenium film according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 루테늄막의 원자층증착법을 설명하기 위한 도면.2 is a view for explaining the atomic layer deposition method of ruthenium film according to an embodiment of the present invention.
도 3a 및 도 3b는 루테늄막의 열처리 전후의 표면거칠기 및 결정성 변화를 도시한 사진.3A and 3B are photographs showing surface roughness and crystallinity change before and after heat treatment of a ruthenium film.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 캐패시터의 제조 방법을 도시한 공정 단면도.4A to 4E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor according to an embodiment of the present invention.
도 5는 루테늄막을 열처리한 경우와 열처리하지 않은 경우의 마이크로보이드 형성 정도를 비교한 사진. 5 is a photograph comparing the degree of formation of microvoids when the ruthenium film is heat-treated and when not.
도 6은 STO 박막의 배향성을 비교한 사진.6 is a photograph comparing the orientation of the STO thin film.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : 기판 22 : 층간절연막21
23 : 스토리지노드콘택플러그 24 : 식각정지막23: storage node contact plug 24: etch stop
25 : 몰드막 27, 27A : 루테늄막25
27B : 하부전극 28 : 유전막27B: lower electrode 28: dielectric film
29 : 상부전극29: upper electrode
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080099050A KR20100040020A (en) | 2008-10-09 | 2008-10-09 | Method for forming noble metal and method for manufacturing capacitor using the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100040020A true KR20100040020A (en) | 2010-04-19 |
Family
ID=42216237
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020080099050A KR20100040020A (en) | 2008-10-09 | 2008-10-09 | Method for forming noble metal and method for manufacturing capacitor using the same |
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR20100040020A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101651512B1 (en) * | 2015-06-01 | 2016-08-29 | 한국과학기술연구원 | Atomic layer deposition of platinum group metal thin films |
-
2008
- 2008-10-09 KR KR1020080099050A patent/KR20100040020A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101651512B1 (en) * | 2015-06-01 | 2016-08-29 | 한국과학기술연구원 | Atomic layer deposition of platinum group metal thin films |
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