KR20020055251A - Method of manufacturing a capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 커패시터 제조 방법에 관한 것으로, 특히 하부 전극을 통해 확산하는 O2에 의해 확산 방지막이 산화되는 것을 방지하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 커패시터 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a capacitor, and more particularly, to a method of manufacturing a capacitor that can improve electrical characteristics by preventing the diffusion barrier from being oxidized by O 2 diffused through a lower electrode.
최근 들어, 디자인 룰이 0.10um 이하인 고집적 DRAM의 캐패시터 구조는 컵 타입(Cup type) 구조의 하부 전극인 저장 전극(Storage node)으로 CVD-Ru막을 사용한다. 이때, CVD-Ru막으로 이용 가능한 막두께(Thickness)가 300Å 이하이므로, BST 증착과 후속 열처리 공정에서, CVD-Ru막을 통하여 확산해 들어가는 O2에 의해 확산 방지막(Diffusion barrier)이 산화될 가능성이 커진다. 따라서, 확산 방지막이 산화되지 않도록 하기 위하여, 후속 열처리 온도를 낮추면 유효 산화막 두께(Tox)가 증가하게 되므로 하부 전극의 높이를 증가시켜야 한다. 그렇게 되면, 공정의 난이도가 증가하게 된다.Recently, a capacitor structure of a highly integrated DRAM having a design rule of 0.10 μm or less uses a CVD-Ru film as a storage node, which is a lower electrode of a cup type structure. At this time, since the thickness available for the CVD-Ru film is 300 Å or less, the diffusion barrier may be oxidized by O 2 diffused through the CVD-Ru film in the BST deposition and subsequent heat treatment processes. Grows Therefore, in order to prevent the diffusion barrier film from oxidizing, lowering the subsequent heat treatment temperature increases the effective oxide film thickness Tox, so the height of the lower electrode must be increased. This increases the difficulty of the process.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 하부 전극 상에 BST 유전체막을 형성한 후 XRD 회절 패턴으로 열처리 온도에 따른 Ru 하부 전극의 산화 여부를 나타내는 특성 그래프이다. Ru 하부 전극 위에 BST 유전체막을 CVD법으로 증착하고 N2에 1 내지 5%의 O2가 첨가된 분위기의 퍼니스(Furnace)에서 열처리를 실시하면 550℃에서부터 Ru 하부 전극이 산화되어 RuO2가 생성된다. 이는, 외부의 O2가 BST 유전막을 통과하여 Ru 하부 전극을 산화시키 때문이다. 따라서, Ru 하부 전극 상에 BST 유전막을 증착한 후 후속 열처리 온도를 증가시키는 것이 힘들어진다. 또한, Ru 하부 전극 상에 증착된 BST 유전막의 누설 전류 특성을 향상시키기 위해서는 Ru 하부 전극 또는 BST 유전막의 N2O 또는 N2+O 플라즈마 처리(Plasma treatment)가 필요하며, 후속 공정의 윈도우(Window)가 매우 작아서 안정적인 전기적 특성을 확보하는 것이 어렵다.1A and 1B, after forming a BST dielectric film on a lower electrode, a characteristic graph showing whether or not the Ru lower electrode is oxidized according to an annealing temperature with an XRD diffraction pattern. When the BST dielectric film is deposited on the lower electrode of the Ru by CVD and heat-treated in a furnace in which 1 to 5% of O 2 is added to N 2 , the lower electrode of the Ru is oxidized at 550 ° C. to form RuO 2 . . This is because external O 2 passes through the BST dielectric film to oxidize the Ru lower electrode. Therefore, it is difficult to increase the subsequent heat treatment temperature after depositing the BST dielectric film on the Ru lower electrode. In addition, in order to improve the leakage current characteristics of the BST dielectric film deposited on the Ru bottom electrode, N 2 O or N 2 + O plasma treatment of the Ru bottom electrode or BST dielectric film is required, and a window of a subsequent process may be used. ) Is so small that it is difficult to secure stable electrical properties.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 하부 전극 상에 O2의 확산 계수가 매우 낮아서 하부 전극을 쉽게 산화시키지 않는 Ta2O5를 얇게 증착한 후 BST 유전체막을 증착하여 이중 구조의 유전체막을 형성함으로써 하부 전극과 확산 방지막의 산화를 방지하면서 후속 열처리의 온도를 증가시킬 수 있어 유효 산화막 두께를 낮추고 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 커패시터 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, in order to solve the above problem, the present invention provides a double layer dielectric layer by depositing a thin layer of Ta 2 O 5 which does not easily oxidize the lower electrode due to a very low diffusion coefficient of O 2 on the lower electrode. The purpose of the present invention is to provide a method of manufacturing a capacitor capable of increasing the temperature of subsequent heat treatment while preventing oxidation of the lower electrode and the diffusion barrier, thereby lowering the effective oxide film thickness and improving electrical characteristics.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 하부 전극 상에 BST 유전체막을 형성한 후 XRD 회절 패턴으로 열처리 온도에 따른 Ru 하부 전극의 산화 여부를 나타내는 특성 그래프.1A and 1B, after forming a BST dielectric film on a lower electrode, a characteristic graph showing whether or not the Ru lower electrode is oxidized according to an annealing temperature with an XRD diffraction pattern.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명에 따른 커패시터 제조 방법을 설명하기 위하여 순차적으로 도시한 소자의 단면도.2A to 2I are cross-sectional views of devices sequentially shown in order to explain a capacitor manufacturing method according to the present invention.
도 3은 하부 전극 상에 Ta2O5막을 형성한 후 각종 열처리에 따른 하부 전극 산화 특성을 도시한 특성 그래프.3 is a characteristic graph illustrating lower electrode oxidation characteristics according to various heat treatments after forming a Ta 2 O 5 film on the lower electrode.
도 4는 하부 전극 상에 Ta2O5막을 형성한 후 O2분위기의 퍼니스 열처리 시 온도에 따른 하부 전극 산화 특성을 도시한 특성 그래프.FIG. 4 is a characteristic graph showing lower electrode oxidation characteristics with temperature upon furnace heat treatment in an O 2 atmosphere after forming a Ta 2 O 5 film on the lower electrode. FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 반도체 기판2 : 제 1 층간 절연막DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2: 1st interlayer insulation film
3a : 폴리실리콘3b : TiSix막3a: polysilicon 3b: TiSix film
3c : TiSiN막3 : 콘택 플러그3c: TiSiN film 3: contact plug
4 : 제 2 층간 절연막5 : 하부 전극4: second interlayer insulating film 5: lower electrode
6 : Ta2O5막7 : BST막6: Ta 2 O 5 film 7: BST film
67 : 유전체막8 : 상부 전극67 dielectric film 8: upper electrode
본 발명에 따른 커패시터 제조 방법은 콘택홀이 형성된 반도체 기판이 제공되는 단계, 콘택홀에 폴리실리콘, 오믹 콘택층 및 확산 방지막이 순차적으로 매립하여 콘택 플러그를 형성하는 단계, 전체 상부에 제 2 층간 절연막을 형성한 후 소정 영역을 식각하여 콘택 플러그를 노출시키는 단계, 콘택 플러그를 포함한 전체 상부에 하부 전극층을 형성한 후 제 2 층간 절연막 상의 하부 전극층을 제거하여 서로 분리된 하부 전극을 형성하는 단계, 전체 상부에 산소 확산 계수가 낮은 유전물질을 증착하여 제 1 유전체막을 형성하는 단계, 제 1 유전체막의 표면 플라즈마 처리 및 열처리를 실시하여 제 1 유전체막을 졀정화시키는 단계, 제 1 유전체막 상에 제 2 유전체막을 형성한 후 열처리로 제 2 유전체막을 결정화시켜 제 1 및 제 2 유전체막으로 이루어진 이중 구조의 유전체막을 형성하는 단계 및 이중 구조의 유전체막 상에 상부 전극을 형성하는 단계로 이루어진다.The capacitor manufacturing method according to the present invention comprises the steps of providing a semiconductor substrate with a contact hole, forming a contact plug by sequentially filling a polysilicon, an ohmic contact layer and a diffusion barrier in the contact hole, the second interlayer insulating film on the whole Forming a lower electrode layer on the second interlayer insulating layer by forming a lower electrode layer on the entire upper portion including the contact plug after etching the predetermined region by etching the predetermined region after forming the lower electrode layer separated from each other; Depositing a dielectric material having a low oxygen diffusion coefficient thereon to form a first dielectric film, performing surface plasma treatment and heat treatment of the first dielectric film to purify the first dielectric film, and a second dielectric on the first dielectric film After the film is formed, the second dielectric film is crystallized by heat treatment to form a first and second dielectric film. A step of forming the upper electrode on the dielectric film and a step of dual-phase structure to form a dielectric film structure.
폴리실리콘은 전체 상부에 화학기상증착법으로 500 내지 3000Å의 두께로 증착한 후 제 1 층간 절연막 상부에서 500 내지 2000Å 아래에 위치하도록 전면 식각을 실시하여 형성한다. 오믹 콘택층은 전체 상부에 티타늄막을 100 내지 1000Å의 두께로 증착한 후 급속 열처리를 실시하여 폴리실리콘과 반응시키고, 반응하지 않은 티타늄막은 제거하여 폴리실리콘의 계면에 TiSix막으로 형성한다. 확산 방지막은 TiCl4, SiCl4와 NH3가스를 동시에 공급하여 CVD법으로 전체 상부에 500 내지 5000Å 두께의 TiSiN막을 증착한 후 화학적 기계적 연마를 실시하여 제 1 층간 절연막 상부의 TiSiN을 제거하고 콘택홀에만 잔류하는 TiSiN막으로 형성한다.Polysilicon is formed by depositing a thickness of 500 to 3000 에 on the entire upper portion by chemical vapor deposition, and then performing a front surface etching to be located below 500 to 2000 에서 above the first interlayer insulating film. The ohmic contact layer is deposited on the entire upper portion of the titanium film to a thickness of 100 to 1000Å, and then subjected to rapid heat treatment to react with polysilicon, and the unreacted titanium film is removed to form a TiSix film at the interface of the polysilicon. The diffusion barrier is formed by simultaneously supplying TiCl 4 , SiCl 4, and NH 3 gas, depositing a TiSiN film having a thickness of 500 to 5000Å over the entire CVD method, and then performing chemical mechanical polishing to remove TiSiN on the upper surface of the first interlayer insulating film. It is formed of a TiSiN film remaining only.
제 2 층간 절연막은 2000 내지 10000Å의 두께로 형성한다.The second interlayer insulating film is formed to a thickness of 2000 to 10000 GPa.
하부 전극층은 Ru막, Pt막, SrRuO3막, (Ba, Sr)RuO3막 또는 Ir막을 증착하여 형성한다. 이때, Ru막은 Ru(OD)3또는 Ru(EtCp)2를 소오스로하여 CVD법으로 200 내지 350℃ 범위의 온도에서 증착한다. 하부 전극을 형성한 후 300 내지 400℃의 온도와 0.2 내지 2.5 Torr의 압력에서 플라즈마 발생 전력을 50 내지 300W로 인가하여 N2+O2, O2또는 N2O 플라즈마 분위기에서 30 내지 180초 동안 하부 전극 플라즈마 표면 처리를 실시한다.The lower electrode layer is formed by depositing a Ru film, a Pt film, a SrRuO 3 film, a (Ba, Sr) RuO 3 film or an Ir film. At this time, the Ru film is deposited at a temperature in the range of 200 to 350 ° C. by CVD using Ru (OD) 3 or Ru (EtCp) 2 as a source. After forming the lower electrode, the plasma generating power was applied at 50 to 300 W at a temperature of 300 to 400 ° C. and a pressure of 0.2 to 2.5 Torr for 30 to 180 seconds in an N 2 + O 2 , O 2 or N 2 O plasma atmosphere. The lower electrode plasma surface treatment is performed.
제 1 유전체막은 Ta2O5막으로 형성하는데, Ta2O5막은 전구체로 Ta(OC2H5)2를 사용하고, 산화가스로는 O2, N2O 또는 O2+N2O를 사용하여 MOCVD법으로 300 내지 450℃ 범위의 온도에서 20 내지 80Å의 두께로 형성한다. 제 1 유전체막의 표면 플라즈마 처리는 300 내지 450℃ 범위의 온도와 0.2 내지 2.5 Torr의 압력에서 플라즈마 발생 전력을 50 내지 300W로 인가하여 N2+O2, O2또는 N2O 플라즈마 분위기에서 30 내지 180초 동안 실시한다. 제 1 유전체막 열처리는 N2분위기에서 600 내지 800℃ 범위의 온도로 1 내지 10분 동안 급속 열처리로 실시한다. 제 1 유전체막의 열처리는 퍼니스(Furnace)를 이용하여 N2분위기에서 600 내지 800℃ 범위의 온도로 실시할 수도 있다.First to form a dielectric film Ta 2 O 5 film, Ta 2 O 5 as a film precursor using Ta (OC 2 H 5) 2, and oxidizing gas is used for O 2, N 2 O or O 2 + N 2 O By a MOCVD method to form a thickness of 20 to 80 kPa at a temperature in the range of 300 to 450 ℃. The surface plasma treatment of the first dielectric film is performed by applying plasma generation power of 50 to 300 W at a temperature in the range of 300 to 450 ° C. and a pressure of 0.2 to 2.5 Torr, thereby applying 30 to 30 in an N 2 + O 2 , O 2 or N 2 O plasma atmosphere. Run for 180 seconds. The first dielectric film heat treatment is performed by rapid heat treatment for 1 to 10 minutes at a temperature ranging from 600 to 800 ° C. in an N 2 atmosphere. The heat treatment of the first dielectric film may be performed at a temperature in the range of 600 to 800 ° C. in an N 2 atmosphere using a furnace.
제 2 유전체막은 BST 유전체막으로 형성하는데, BST 유전체막은 전구체로 Ba(METHD)2, Sr(METHD)2, Ti(MPD)(THD)2,를 사용하고, 산화가스로는 O2, N2O 또는 O2+N2O를 사용하여, MOCVD법으로 350 내지 420℃ 범위의 온도에서 50 내지 300Å의 두께로 형성한다. BST 유전체막은 Ba 소오스로는 Ba(METHD)2[Ba(O4C14H25)2], Ba(THD)2-trien [Ba(C11H19O2)2-(NH2(C2H4)NH(C2H4))2] 또는 Ba(THD)2-pmdt [Ba(C11H19O2)2-C9H23N3] 등을 사용하고, Sr 소오스로는 Sr(METHD)2[Sr(O4C14H25)2], Sr(THD)2-trien[Sr(C11H19O2)2-(NH2(C2H4))2] 또는 Sr(THD)2-C9H23N3]를 사용하며, Ti 소오스로는 Ti(O-i-Pr)4[Ti(OC3H7)]4, Ti(MPD)(THD)2[Ti(O2C6H12)(C11H9O2)2], Ti(O-i-Pr)2(THD)2[Ti(OC3H7)2(C11H9O2)2] 또는 Ti(O-t-Bu)2(THD)2[Ti(OC4H9)2(C11H19O2)2]를 사용하여, (Ba,Sr)O막과 TiO2막을 단원자층으로 반복 증착하는 ALD법으로 형성할 수도 있다. 제 2 유전체막을 형성한 후에 질소 분위기에서 500 내지 750℃ 범위의 온도로 1 내지 10분 동안 급속 열처리를 실시한다.The second dielectric film is formed of a BST dielectric film. The BST dielectric film uses Ba (METHD) 2 , Sr (METHD) 2 , Ti (MPD) (THD) 2 , as a precursor, and O 2 , N 2 O as an oxidizing gas. Or O 2 + N 2 O, to form a thickness of 50 to 300 Pa by MOCVD method at a temperature in the range of 350 to 420 ° C. The BST dielectric film is Ba (METHD) 2 [Ba (O 4 C1 4 H 25 ) 2 ], Ba (THD) 2 -trien [Ba (C 11 H 19 O 2 ) 2- (NH 2 (C 2). H 4 ) NH (C 2 H 4 )) 2 ] or Ba (THD) 2 -pmdt [Ba (C 11 H 19 O 2 ) 2 -C 9 H 23 N 3 ] and the like. (METHD) 2 [Sr (O 4 C 14 H 25 ) 2 ], Sr (THD) 2 -trien [Sr (C 11 H 19 O 2 ) 2- (NH 2 (C 2 H 4 )) 2 ] or Sr (THD) 2 -C 9 H 23 N 3 ], Ti (Oi-Pr) 4 [Ti (OC 3 H 7 )] 4 , Ti (MPD) (THD) 2 [Ti (O 2 C 6 H 12 ) (C 11 H 9 O 2 ) 2 ], Ti (Oi-Pr) 2 (THD) 2 [Ti (OC 3 H 7 ) 2 (C 11 H 9 O 2 ) 2 ] or Ti ( ALD repeatedly depositing (Ba, Sr) O and TiO 2 films as monoatomic layers using Ot-Bu) 2 (THD) 2 [Ti (OC 4 H 9 ) 2 (C 11 H 19 O 2 ) 2 ] You can also form by law. After the second dielectric film is formed, rapid heat treatment is performed for 1 to 10 minutes at a temperature in the range of 500 to 750 ° C. in a nitrogen atmosphere.
상부 전극은 200 내지 350℃의 온도에서 Ru막을 증착하여 형성하며, 상부 전극을 형성한 후에는 1 내지 5%의 산소가 포함된 질소 분위기에서 350 내지 600℃ 범위의 온도로 10 내지 60분 동안 열처리를 실시한다.The upper electrode is formed by depositing a Ru film at a temperature of 200 to 350 ° C, and after forming the upper electrode, heat treatment for 10 to 60 minutes at a temperature ranging from 350 to 600 ° C in a nitrogen atmosphere containing 1 to 5% of oxygen. Is carried out.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in more detail.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명에 따른 커패시터 제조 방법을 설명하기 위하여 순차적으로 도시한 소자의 단면도이다.2A to 2I are cross-sectional views of devices sequentially shown to explain a method of manufacturing a capacitor according to the present invention.
도 2a를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 반도체 기판(1) 상에 제 1 층간 절연막(2)을 형성한 후 소정 영역을 식각하여 반도체 기판(1)의 접합면이 노출되도록 콘택홀을 한다. 이후 콘택홀 내부에 콘택 플러그용 폴리실리콘(3a)을 매립한 후 폴리실리콘(3a) 상부의 일부분을 제거하여 콘택홀의 일부분을 콘택 플러그용 폴리실리콘(3a)으로 매립한다.Referring to FIG. 2A, after forming the first interlayer insulating film 2 on the semiconductor substrate 1 on which various elements for forming a semiconductor device are formed, a predetermined region is etched to expose the bonding surface of the semiconductor substrate 1. Make a contact hole. Thereafter, the contact plug polysilicon 3a is embedded in the contact hole, and then a part of the upper portion of the polysilicon 3a is removed to bury a part of the contact hole with the polysilicon 3a for the contact plug.
콘택 플러그용 폴리실리콘(3a)은 콘택홀이 형성된 반도체 기판(1) 상부에 화학기상증착법으로 500 내지 3000Å 두께의 폴리실리콘(3a)을 증착한 후 제 1 층간 절연막(2) 상부에서 500 내지 2000Å 아래에 폴리실리콘(3a)이 위치하도록 전면 식각을 실시하여 형성한다.The contact plug polysilicon 3a is formed by depositing polysilicon 3a having a thickness of 500 to 3000 kPa on the semiconductor substrate 1 on which the contact hole is formed by chemical vapor deposition, and then forming the polysilicon 3a on the first interlayer insulating film 2. It is formed by performing an entire surface etching so that the polysilicon 3a is located below.
도 2b를 참조하면, 폴리실리콘막(3a) 상에는 후속 공정에서 형성될 확산 방지막과의 접착 특성 및 오믹 콘택 형성을 이루기 위하여 TiSix막(3b)을 형성한다.Referring to FIG. 2B, a TiSix film 3b is formed on the polysilicon film 3a in order to achieve adhesion characteristics and ohmic contact formation with the diffusion barrier film to be formed in a subsequent process.
TiSix막(3b)은 폴리실리콘(3a)을 포함한 전체 상부에 티타늄막을 100 내지 1000Å의 두께로 증착한 후 급속 열처리(RTP)를 실시하여 폴리실리콘(3a)과 반응시켜 폴리실리콘(3a)의 계면에 형성한다. 이후 반응하지 않은 티타늄막이나 제 1 층간 절연막(2) 상의 TiN막을 습식식각으로 제거한다.The TiSix film 3b is formed by depositing a titanium film on the entire surface including the polysilicon 3a to a thickness of 100 to 1000 GPa, and then performing rapid heat treatment (RTP) to react with the polysilicon 3a to interface with the polysilicon 3a. To form. Thereafter, the TiN film which is not reacted or the TiN film on the first interlayer insulating film 2 is removed by wet etching.
도 2c를 참조하면, TiSix막(3b) 상에는 확산 방지막으로 TiSiN막(3c)을 형성한다.Referring to FIG. 2C, a TiSiN film 3c is formed on the TiSix film 3b as a diffusion barrier.
TiSiN(3c)은 TiCl4, SiCl4와 NH3가스를 동시에 공급하여 CVD법으로 반도체 기판(1) 상부 전체에 500 내지 5000Å 두께의 TiSiN(3c)을 증착한 후 화학적 기계적 연마(CMP)를 실시하여 제 1 층간 절연막(2) 상부의 TiSiN을 제거하여 콘택홀에만 존재하도록 형성한다. 이로써, 콘택홀 내부가 완전히 매립되면서, 폴리실리콘층(3a), TiSix막(3b) 및 TiSiN막(3c)으로 이루어진 콘택 플러그(3)가 형성된다.TiSiN (3c) is supplied with TiCl 4 , SiCl 4 and NH 3 gas at the same time to deposit TiSiN (3c) of 500 to 5000Å thickness over the entire semiconductor substrate 1 by CVD and then chemical mechanical polishing (CMP). As a result, TiSiN on the first interlayer insulating film 2 is removed to be present only in the contact hole. As a result, the contact plug 3 made of the polysilicon layer 3a, the TiSix film 3b, and the TiSiN film 3c is formed while the inside of the contact hole is completely filled.
도 2d를 참조하면, 반도체 기판(1) 상부 전체에 캡 절연막으로 제 2 층간 절연막(4)을 형성한 후 후속 공정에서 형성될 하부 전극의 형태를 정의하기 위하여 소정 영역을 건식 식각으로 제거해 콘택 플러그(3)가 노출되도록 한다. 이때, 제 1 절연막(2) 상부에는 미리 식각 방지막(도시되지 않음)을 형성하여 제 2 층간 절연막(4)을 식각할 때 제 1 층간 절연막(2)이 식각되지 않도록 한다.Referring to FIG. 2D, after forming the second interlayer insulating film 4 as the cap insulating film over the semiconductor substrate 1, the contact plug is removed by dry etching to define the shape of the lower electrode to be formed in a subsequent process. Allow (3) to be exposed. In this case, an etch stop layer (not shown) is formed on the first insulating layer 2 to prevent the first interlayer insulating layer 2 from being etched when the second interlayer insulating layer 4 is etched.
제 2 층간 절연막(4)은 2000 내지 10000Å의 두께로 형성한다. 서, 제 2 층간 절연막(4)의 식각 형태에 따라 하부 전극의 형태가 결정되며, 이로 인해 커패시터의 구조가 컵(Cup) 구조인지, 실린더 구조인지, 단순한 적층 구조인지가 결정된다. 본 발명의 기술 내용은 모든 구조의 커패시터에 적용되며, 본 발명에서는 컵 구조의 커패시터를 예로 설명한다.The second interlayer insulating film 4 is formed to a thickness of 2000 to 10000 GPa. In this case, the shape of the lower electrode is determined according to the etching form of the second interlayer insulating film 4, thereby determining whether the capacitor has a cup structure, a cylinder structure, or a simple stacked structure. The technical content of the present invention applies to capacitors of all structures, and in the present invention, a capacitor having a cup structure will be described as an example.
도 2e를 참조하면, 콘택 플러그(3)를 포함한 전체 상부에 하부 전극용 금속막을 CVD법으로 증착한 후 화학적 기계적 연마나 에치-백(Etch-back) 공정으로 제 2 층간 절연막(4) 상의 하부 전극용 금속막을 제거하여 분리된 하부 전극(5)을 형성한다. 이후 N2+O2, O2또는 N2O 플라즈마 분위기에서 하부 전극(5)의 표면을 플라즈마 처리하여 막질을 개선시킨다.Referring to FIG. 2E, the lower electrode metal film is deposited on the entire upper portion including the contact plug 3 by CVD and then the lower portion on the second interlayer insulating film 4 by chemical mechanical polishing or etch-back process. The metal film for electrodes is removed to form a separate lower electrode 5. Thereafter, the surface of the lower electrode 5 is plasma treated in an N 2 + O 2 , O 2, or N 2 O plasma atmosphere to improve film quality.
하부 전극(5)으로는 Ru, Pt, SrRuO3, (Ba, Sr)RuO3또는 Ir을 증착하여 형성한다. 하부 전극(5)을 Ru막으로 형성할 경우에는 Ru(OD)3또는 Ru(EtCp)2를 소오스로하여 CVD법으로 200 내지 350℃ 범위의 온도에서 Ru막을 증착한다.The lower electrode 5 is formed by depositing Ru, Pt, SrRuO 3 , (Ba, Sr) RuO 3, or Ir. When the lower electrode 5 is formed of a Ru film, a Ru film is deposited at a temperature in the range of 200 to 350 ° C. by CVD using Ru (OD) 3 or Ru (EtCp) 2 as a source.
하부 전극 플라즈마 표면 처리는 300 내지 400℃의 온도와 0.2 내지 2.5 Torr의 압력에서 플라즈마 발생 전력을 50 내지 300W로 인가하여 30 내지 180초 동안 실시한다.The lower electrode plasma surface treatment is performed for 30 to 180 seconds by applying plasma generation power at 50 to 300 W at a temperature of 300 to 400 ° C. and a pressure of 0.2 to 2.5 Torr.
도 2f를 참조하면, 하부 전극(5)을 포함한 전체 상부에 Ta2O5막(6)을 형성한다. 이후 플라즈마 처리 및 열처리를 실시하여 Ta2O5막(6)을 결정화시킨다.Referring to FIG. 2F, a Ta 2 O 5 film 6 is formed over the entire top including the lower electrode 5. Thereafter, plasma treatment and heat treatment are performed to crystallize the Ta 2 O 5 film 6.
Ta2O5막(6)은 전구체로 Ta(OC2H5)2를 사용하고, 산화가스로는 O2또는 N2O를 사용하여 MOCVD법으로 300 내지 450℃ 범위의 온도에서 20 내지 80Å 두께로 형성한다. Ta2O5막 플라즈마 처리는 N2+O2, O2또는 N2O 플라즈마 분위기에서 실시하는데, 300 내지 450℃의 온도와 0.2 내지 2.5 Torr의 압력에서 플라즈마 발생 전력을 50 내지 300W로 인가하여 30 내지 180초 동안 실시한다.The Ta 2 O 5 film 6 uses Ta (OC 2 H 5 ) 2 as the precursor and O 2 or N 2 O as the oxidizing gas and is 20 to 80 mm thick at a temperature in the range of 300 to 450 ° C. by MOCVD. To form. Ta 2 O 5 film plasma treatment is carried out in an N 2 + O 2 , O 2 or N 2 O plasma atmosphere, by applying a plasma generating power of 50 to 300W at a temperature of 300 to 450 ℃ and a pressure of 0.2 to 2.5 Torr For 30 to 180 seconds.
Ta2O5막(6) 열처리는 N2분위기에서 600 내지 800℃ 범위의 온도로 1 내지 10분 동안 급속 열처리로 실시한다. 또는, Ta2O5막(6) 열처리는 퍼니스(Furnace)를 이용하여 N2분위기에서 600 내지 800℃ 범위의 온도로 열처리를 실시해 Ta2O5막(6)을 결정화시킨다.The heat treatment of the Ta 2 O 5 film 6 is carried out by rapid heat treatment for 1 to 10 minutes at a temperature ranging from 600 to 800 ° C. in an N 2 atmosphere. Alternatively, the Ta 2 O 5 film 6 is heat-treated at a temperature ranging from 600 to 800 ° C. in an N 2 atmosphere using a furnace to crystallize the Ta 2 O 5 film 6.
도 2g를 참조하면, Ta2O5막(6)을 포함한 전체 상부에 BST막(7)을 형성하여 Ta2O5막(6)과 BST막(7)으로 이루어진 이중 구조의 유전체막(67)을 형성한다. 이후 급속 열처리를 실시하여 BST막(7)을 유전 특성을 향상시킨다.Referring to Figure 2g, Ta 2 O 5 film 6, the upper frame to the BST film 7 to Ta 2 O 5 film 6 and the BST film 7 as a dielectric film of a dual structure consisting of (67 to form a including ). The rapid heat treatment is then performed to improve the dielectric properties of the BST film 7.
BST막(7)은 전구체(Precursor)로는 Ba(METHD)2, Sr(METHD)2, Ti(MPD)(THD)2,를 사용하고, 산화가스로는 O2또는 N2O를 사용하여, MOCVD법으로 350 내지 420℃ 범위의 온도에서 50 내지 300Å의 두께로 형성한다. BST막 급속 열처리는 질소 분위기에서 500 내지 750℃ 범위의 온도로 1 내지 10분 동안 실시한다.The BST film 7 uses Ba (METHD) 2 , Sr (METHD) 2 , Ti (MPD) (THD) 2 , as the precursor, and O 2 or N 2 O as the oxidizing gas. And a thickness of 50 to 300 kPa at a temperature in the range of 350 to 420 ° C. Rapid thermal treatment of the BST film is carried out in a nitrogen atmosphere at a temperature in the range of 500 to 750 ° C. for 1 to 10 minutes.
BST막(7)을 MOCVD법 대신에 (Ba,Sr)O막과 TiO2막을 단원자층으로 반복 증착하는 ALD법으로 형성할 수도 있다. 또한, Ba 소오스로는 Ba(METHD)2[Ba(O4C14H25)2], Ba(THD)2-trien [Ba(C11H19O2)2-(NH2(C2H4)NH(C2H4))2] 또는 Ba(THD)2-pmdt [Ba(C11H19O2)2-C9H23N3] 등을 사용하고, Sr 소오스로는 Sr(METHD)2[Sr(O4C14H25)2], Sr(THD)2-trien[Sr(C11H19O2)2-(NH2(C2H4))2] 또는 Sr(THD)2-C9H23N3]를 사용하며, Ti 소오스로는 Ti(O-i-Pr)4[Ti(OC3H7)]4, Ti(MPD)(THD)2[Ti(O2C6H12)(C11H9O2)2], Ti(O-i-Pr)2(THD)2[Ti(OC3H7)2(C11H9O2)2] 또는 Ti(O-t-Bu)2(THD)2[Ti(OC4H9)2(C11H19O2)2]를 사용할 수 있다.Instead of the MOCVD method, the BST film 7 may be formed by an ALD method in which a (Ba, Sr) O film and a TiO 2 film are repeatedly deposited in a monoatomic layer. In addition, Ba sources include Ba (METHD) 2 [Ba (O 4 C 1 4 H 25 ) 2 ], Ba (THD) 2 -trien [Ba (C 11 H 19 O 2 ) 2- (NH 2 (C 2 H). 4 ) NH (C 2 H 4 )) 2 ] or Ba (THD) 2 -pmdt [Ba (C 11 H 19 O 2 ) 2 -C 9 H 23 N 3 ], and the like. METHD) 2 [Sr (O 4 C 14 H 25 ) 2 ], Sr (THD) 2 -trien [Sr (C 11 H 19 O 2 ) 2- (NH 2 (C 2 H 4 )) 2 ] or Sr ( THD) 2 -C 9 H 23 N 3 ], and the Ti source is Ti (Oi-Pr) 4 [Ti (OC 3 H 7 )] 4 , Ti (MPD) (THD) 2 [Ti (O 2 C 6 H 12 ) (C 11 H 9 O 2 ) 2 ], Ti (Oi-Pr) 2 (THD) 2 [Ti (OC 3 H 7 ) 2 (C 11 H 9 O 2 ) 2 ] or Ti (Ot -Bu) 2 (THD) 2 [Ti (OC 4 H 9 ) 2 (C 11 H 19 O 2 ) 2 ] can be used.
도 2h를 참조하면, BST막(7)을 포함한 전체 상부에 상부 전극(8)을 형성하여 커패시터를 제조한다. 이후 열처리를 실시하여 커패시터의 전기적 특성을 향상시킨다.Referring to FIG. 2H, a capacitor is manufactured by forming the upper electrode 8 over the entire part including the BST film 7. The heat treatment is then performed to improve the electrical characteristics of the capacitor.
상부 전극(8)은 200 내지 350℃의 온도에서 Ru막을 증착하여 형성한다. 커패시터 열처리는 수%의 산소가 포함된 질소 분위기에서 350 내지 600℃ 범위의 온도로 10 내지 60분 동안 실시한다.The upper electrode 8 is formed by depositing a Ru film at a temperature of 200 to 350 ° C. Capacitor heat treatment is performed for 10 to 60 minutes at a temperature in the range 350 to 600 ° C. in a nitrogen atmosphere containing several percent oxygen.
도 3은 하부 전극 상에 Ta2O5막을 형성한 후 각종 열처리에 따른 하부 전극 산화 특성을 도시한 특성 그래프이다.3 is a characteristic graph illustrating lower electrode oxidation characteristics according to various heat treatments after forming a Ta 2 O 5 film on the lower electrode.
도 3을 참조하면, PVD-Ru 하부 전극 상에 Ta2O5막을 100Å의 두께로 증착한 후 급속 열처리(RTP)와 퍼니스(Furnace)를 이용하여 800℃에서 열처리한 후의 XRD 결과를 도시한 특성 그래프로써, N2분위기의 급속 열처리와 N2에 1 내지 5%의 O2분위기의 퍼니스 열처리에서는 Ru 하부 전극에 산화가 발생하지 않고, O2분위기의 퍼니스 열처리에서는 Ru 하부 전극이 산화된다.Referring to FIG. 3, after the Ta 2 O 5 film was deposited on the PVD-Ru lower electrode to a thickness of 100 μs, the XRD result after the heat treatment at 800 ° C. using rapid heat treatment (RTP) and furnace (Furnace) was shown. as a graph, in the heat treatment furnace of the rapid thermal annealing and N 2 of the N 2 atmosphere of 1-5% O 2 atmosphere, the oxidation does not occur in the Ru lower electrode, in the heat treatment furnace in the atmosphere of O 2 Ru lower electrode is oxidized.
도 4는 하부 전극 상에 Ta2O5막을 형성한 후 O2분위기의 퍼니스 열처리 시 온도에 따른 하부 전극 산화 특성을 도시한 특성 그래프이다.FIG. 4 is a characteristic graph illustrating lower electrode oxidation characteristics according to temperature during furnace heat treatment in an O 2 atmosphere after forming a Ta 2 O 5 film on the lower electrode.
도 4를 참조하면, O2분위기의 퍼니스 열처리 온도에 따른 XRD 결과로써Ta2O5/Ru 구조는 650 내지 750℃까지는 O2분위기에서도 Ru 하부 전극이 산화되지 않는다. 이는 도 1의 BST/Ru의 결과와 비교해 보면, Ta2O5에서 O2의 확산 계수가 BST에 비하여 매우 낮아서 750℃까지는 Ru 하부 전극쪽으로 O2가 확산하지 못하므로 Ru 하부 전극이 산화되지 않는다.Referring to FIG. 4, as a result of XRD according to the furnace heat treatment temperature of the O 2 atmosphere, the Ta 2 O 5 / Ru structure does not oxidize the Ru lower electrode even in an O 2 atmosphere up to 650 to 750 ° C. Compared with the result of BST / Ru of FIG. 1, the diffusion coefficient of O 2 in Ta 2 O 5 is much lower than that of BST, and thus the Ru bottom electrode is not oxidized since O 2 does not diffuse toward the Ru bottom electrode up to 750 ° C. .
Ru와 같은 귀금속류(Noble metal) 상에서 Ta2O5의 유전상수는 70정도이고, 두께 의존성이 나타나지 않으므로, BST/Ru 계면에 존재하는 저유전 상수의 계면층(Interfacial layer)을 Ta2O5가 대체하게 되면 동일한 후속 열처리 조건에서 BST 단일층에 비하여 BST/Ta2O5이중층의 유전상수는 감소하지 않는다. 오히려. 우수한 O2확산 방지 특성으로 후속 열처리 온도를 증가시킬 수 있으므로 BST/Ta2O5이중층의 유전상수를 증가시킬 수 있다.Since Ta 2 O 5 has a dielectric constant of about 70 on the noble metals such as Ru and no thickness dependence, Ta 2 O 5 has a low dielectric constant interfacial layer. The replacement does not reduce the dielectric constant of the BST / Ta 2 O 5 bilayer compared to the BST monolayer at the same subsequent heat treatment conditions. rather. The excellent O 2 diffusion preventing properties can increase the subsequent heat treatment temperature, thereby increasing the dielectric constant of the BST / Ta 2 O 5 bilayer.
또한, BST는 비선형(Non-linear) 유전물질(Dielectric)로써 커패시턴스(Capacitance)가 바이어스 전압(Bias voltage)에 대한 의존성(Dependence)을 가지고 있으나, Ta2O5는 선형(Linear) 유전물질로써 바이어스 전압에 대한 의존성을 가지고 있지 않다. 따라서, BST/Ta2O5구조의 이중 유전체막을 사용하면, BST 단일층을 사용하는 경우보다 바이어스 전압 의존성이 감소하므로 실제 DRAM 동작 전압인 ±1.0V에서의 커패시턴스는 오히려 증가한다.In addition, BST is a non-linear dielectric material, whose capacitance has a dependence on bias voltage, but Ta 2 O 5 is a linear dielectric material. There is no dependence on voltage. Therefore, when the double dielectric film of the BST / Ta 2 O 5 structure is used, the bias voltage dependency is reduced compared to the case of using the BST single layer, so that the capacitance at the actual DRAM operating voltage of ± 1.0 V is rather increased.
상술한 바와 같이, 본 발명은 Ta2O5막의 우수한 산소 확산 방지 특성을 이용하여 후속 열처리 온도를 증가시킬 수 있고, Ta2O5/Ru 계면의 안정된 누설전류 특성을 이용할 수 있으므로 BST/Ru 또는 Ta2O5/Ru 구조보다 높은 유전상수와 낮은 누설전류 특성을 확보할 수 있어 공정의 안정성과 소자의 전기적 특성을 향상시키는 효과가 있다.As described above, the present invention can increase the subsequent heat treatment temperature by using the excellent oxygen diffusion prevention properties of the Ta 2 O 5 film, and can use the stable leakage current characteristics of the Ta 2 O 5 / Ru interface, so that BST / Ru or It is possible to secure higher dielectric constant and lower leakage current characteristics than Ta 2 O 5 / Ru structure, thereby improving process stability and device electrical characteristics.
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