KR20040100766A - Method of forming composite dielectric layer by atomic layer deposition and method of manufacturing capacitor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 장치에 사용되는 복합 유전막의 형성방법 및 이를 이용한 케패시터의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 현저하게 향상된 공정성 및 경제성을 나타내는 원자층 증착(Atom Layer Deposition: ALD)방식을 이용한 복합 유전막의 인-시츄 형성방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 캐패시터의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a composite dielectric film used in a semiconductor device and a method of manufacturing a capacitor using the same, and more particularly, using an atomic layer deposition (ALD) method, which shows remarkably improved processability and economy. An in-situ formation method of a composite dielectric film and a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device using the same.
ALD법은 단원자층의 화학적 흡착(Chemisorption) 및 탈착(Desorption)을 이용한 박막증착기술로서, 각 반응물질들을 개별적으로 분리하여 펄스형태로 챔버에 공급하여 기판표면에 반응물질의 표면 포화반응에 의한 화학적 흡착과 탈착을 이용한 것이다.The ALD method is a thin film deposition technique using chemical adsorption and desorption of monoatomic layers. Each reactant is individually separated and supplied to the chamber in a pulse form. Adsorption and desorption are used.
도 1a 내지 도 1d는 일반적인 ALD의 반응 매커니즘을 설명하는 단면도들이다. 도 1a를 참조하면, 웨이퍼(10)에 가스상태의 반응물 AXn(g)를 전달한다. 전달된 반응물 AXn(g)은 화학적 흡착(chemisorption)에 의해 표면에 흡착되고, 화학적 흡착물 상에 물리적 흡착(physisorption)에 의해 증착된다.1A-1D are cross-sectional views illustrating the reaction mechanism of a typical ALD. Referring to FIG. 1A, a gaseous reactant AXn (g) is transferred to the wafer 10. The delivered reactant AXn (g) is adsorbed to the surface by chemisorption and is deposited by physical adsorption on the chemical adsorbate.
도 1b를 참조하면, 정화(purging) 공정에 의해 물리적으로 흡착된 AXn을 제거하면 화학적으로 흡착된 고체 상태의 AXn(s)만 남게 된다. 그러므로, 단원자층의 두께를 가지게 된다. 여기서, Xn은 n개의 기로 형성된 화학적 리간드를 의미한다.Referring to FIG. 1B, when the physically adsorbed AXn is removed by a purging process, only the chemically adsorbed solid state AXn (s) remains. Therefore, the monoatomic layer has a thickness. Here, Xn means a chemical ligand formed of n groups.
도 1c를 참조하면, AXn(s)로 코팅된 물질의 표면에 H20와 같은 수증기를 전달하면, A가 산화되어 AO가 표면에 생성되고, Xn기는 H기와 반응하여 HXn(g)로 제거된다. 도 1d를 참조하면, 정화(purging) 공정에 의해 잔여 불순물을 제거하면 화학적으로 흡착된 고체 상태의 AO(s)의 단원자층의 두께를 가진 산화막만 남게 된다.Referring to FIG. 1C, when water vapor such as H20 is delivered to the surface of the material coated with AXn (s), A is oxidized to generate AO on the surface, and the Xn group reacts with the H group to remove HXn (g). Referring to FIG. 1D, when residual impurities are removed by a purging process, only an oxide layer having a thickness of a monoatomic layer of AO (s) in a chemically adsorbed solid state remains.
상기 ALD는 기존의 화학적 기상증착(Chemical Vapor Deposition: CVD)과 달리 자기제한적 반응(self-limiting reaction)에 의하여 반응가스가 기판 표면에서만 반응하고 가스와 가스간에는 반응하지 않는다. 따라서 박막의 조성 정밀제어가 쉽고, 파티클 발생이 없으며, 대면적의 박막 증착시 균일성이 우수하고, 박막 두께의 정밀 조절이 용이하고, 박막 내 불순물이 적게 포함되며, 스텝 커버리지가 우수한 장점이 있다. 더구나, ALD 방식의 박막 증착공정은 향후 반도체 장치의 디자인 룰(design rule)이 축소됨에 따라 더욱 더 중요한 공정으로 부각될 것으로 예상된다.Unlike the conventional chemical vapor deposition (CVD), the ALD reacts with the reaction gas only on the substrate surface and does not react between the gas and the gas by a self-limiting reaction. Therefore, it is easy to precisely control the composition of the thin film, there is no particle generation, it is excellent in uniformity when depositing a large area of the thin film, it is easy to precisely control the thickness of the thin film, contains less impurities in the thin film, and has excellent step coverage. . In addition, the ALD thin film deposition process is expected to emerge as a more important process as the design rule of the semiconductor device is reduced in the future.
한편, 반도체 캐패시터 등에 사용되는 유전막은 박막 상태로 큰 캐패시턴스를 확보하여야 하는 유전적 특성과 누설전류(current leakage)가 작아야 하는 절연적 특성을 동시에 구비하여야 한다. 이러한 특성을 만족시키기 위하여 최근 복합 유전막에 대한 연구가 행해지고 있다On the other hand, the dielectric film used for the semiconductor capacitor and the like must have both dielectric properties to ensure large capacitance in a thin film state and insulating properties to be small in current leakage. In order to satisfy these characteristics, recent studies on composite dielectric films have been conducted.
예를 들면, 대한민국 공개특허 제10-2001-0088207호에는 CVD 법으로 형성된탄탈륨 산화막 상에 ALD 방식로 티타늄 산화막을 형성하여 안정된 누설전류 특성 및 탄탈륨 산화막의 유전상수를 향상시킬 수 있는 탄탈륨 산화막-티타늄 산화막 복합유전막의 형성방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법에 의하는 경우, 탄탈륨 산화막을 CVD 방식으로 적층하기 때문에 정밀한 두께 제어가 용이하지 않고, CVD와 ALD라는 서로 다른 적층 방식을 동시에 사용하기 때문에 공정성에 문제가 있다.For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2001-0088207 discloses a tantalum oxide film-titanium which can improve the stable leakage current characteristics and the dielectric constant of the tantalum oxide film by forming a titanium oxide film on the tantalum oxide film formed by the CVD method by the ALD method. A method of forming an oxide composite dielectric film is disclosed. However, in this method, since the tantalum oxide film is laminated by the CVD method, precise thickness control is not easy, and there is a problem in fairness because different lamination methods such as CVD and ALD are used simultaneously.
또한 대한민국공개특허 제10-2001-0056446호에는 ALD 방식에 의한 산화 알루미늄과 산화 탄탈륨의 연속적 증착방법이 개시되어 있다. 상기 발명에 의하면, 산화 알루미늄과 산화 탄탈륨이 200 내지 600℃의 온도범위에서 연속적으로 증착되는데, 이 경우 서로 다른 반응 소스간에 분해온도가 다르기 때문에 ALD 반응 전 일부 반응(source) 물질의 분해로 ALD 방식에 의한 적층이 용이하지 않을 우려가 있다.In addition, Korean Patent Publication No. 10-2001-0056446 discloses a continuous deposition method of aluminum oxide and tantalum oxide by the ALD method. According to the present invention, aluminum oxide and tantalum oxide are continuously deposited in the temperature range of 200 to 600 ° C. In this case, since decomposition temperature is different between different reaction sources, the decomposition of some source materials before the ALD reaction results in the ALD method. There is a possibility that the lamination by means may not be easy.
즉, 복합 유전막은 서로 다른 이종의 화합물을 반응물질로 사용하기 때문에, 공정의 온도 여유도(temperature window)가 중요시된다. 이를 알루미늄 산화막(Al2O3)과 하프늄 산화막(HfO2)을 오존을 산화가스로 사용하여 ALD방식으로 연속 증착하는 것을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.In other words, since the composite dielectric film uses different heterogeneous compounds as reactants, the temperature window of the process is important. This will be described by taking an aluminum oxide film (Al 2 O 3) and a hafnium oxide film (HfO 2) as an example of continuous deposition using ozone as an oxidizing gas.
트리메틸 알루미늄(TriMethyl Aluminium: TMA)을 전구체(precusor)로 하고 오존(O3)을 산화가스로 사용하여 ALD 방식으로 알루미늄 산화막(Al2O3)을 형성하는 공정의 반응온도는 약 450℃정도이다.The reaction temperature of the process of forming aluminum oxide film (Al2O3) by ALD method using trimethyl aluminum (TMA) as a precursor and ozone (O3) as an oxidizing gas is about 450 ° C.
상기 형성된 알루미늄 산화막 상에 하프늄 알콕사이드(Hf(OtBu)4)를 전구체로 하고 오존을 산화가스로 한 하프늄 산화막의 ALD 증착 온도는 약 300℃ 정도이며 이 경우 하기 반응식 1과 같은 반응이 일어난다. 단, 하기 반응식에서 M은 금속을 나타낸다.The ALD deposition temperature of the hafnium oxide film using hafnium alkoxide (Hf (OtBu) 4) as a precursor and ozone as an oxidizing gas on the formed aluminum oxide film is about 300 ° C., in which case a reaction as in Scheme 1 below occurs. However, in the following reaction formula, M represents a metal.
그러나 상기 하프늄 알콕사이드 전구체는 상기 알루미늄 산화막의 형성온도인 약 450℃에서는 하기 반응식 2와 같은 분해(decomposition)를 일으킨다.However, the hafnium alkoxide precursor causes decomposition as shown in Scheme 2 at about 450 ° C., which is the formation temperature of the aluminum oxide film.
즉, 알루미늄 산화막과 하프늄 산화막을 동일한 온도범위의 반응기에서 인-시츄 환경에서 연속 반응시키면, 하프늄 알콕사이드의 분해로 인하여 하프늄 산화막의 원자층 증착이 어려워진다.That is, when the aluminum oxide film and the hafnium oxide film are continuously reacted in an in-situ environment in a reactor having the same temperature range, atomic layer deposition of the hafnium oxide film becomes difficult due to decomposition of the hafnium alkoxide.
따라서 복합 산화막 형성시 유전막의 종류에 따라 별도의 반응기에서 반응시키거나, 하나의 유전막을 형성하고 반응기의 온도를 하강시킨 후 다른 유전막을 형성하여야 한다. 이는 결과적으로 반도체 제조공정의 단위시간당 처리량 감소 및 경제성 저하를 가져온다.Therefore, when the composite oxide film is formed, it may be reacted in a separate reactor according to the type of dielectric film, or one dielectric film is formed and the temperature of the reactor is lowered before forming another dielectric film. This results in reduced throughput per unit time of the semiconductor manufacturing process and lowered economics.
따라서 반응에 적합한 반응물질을 선택하기 위한 연구가 행해지고 있다. 예를 들면, 미국등록특허 6486080호에는 반응 챔버에 반도체 기판을 넣고, 금속 알콕사이드나 M(OCH2CF3)4, M(OCH(CF3)2)4, M(OC(CH3)2CCl3)4 등의 할로겐이 포함된 금속 알콕사이드 전구체와 산화가스를 이용해 절연막을 제조함으로써, 높은 유전상수를 가지는 금속 산화막을 제조하는 방법이 개시되어 있다.Therefore, research has been conducted to select suitable reactants for the reaction. For example, U.S. Patent No. 6486080 puts a semiconductor substrate in a reaction chamber and halogen such as metal alkoxide, M (OCH2CF3) 4, M (OCH (CF3) 2) 4, M (OC (CH3) 2CCl3) 4, A method of producing a metal oxide film having a high dielectric constant is disclosed by manufacturing an insulating film using an included metal alkoxide precursor and an oxidizing gas.
그러나 상기 발명은 기본적으로 CVD 방식에 의한 증착을 대상으로, 유전율이 우수한 유전막의 형성을 목표로 하고 있다. 따라서 ALD 방식에 의한 이종의 유전막을 동일한 공정 환경(in-situ) 하에서 연속으로 형성하는 데 적합한 방법을 제시하지 못하고 있다. 따라서 ALD 방식에 의한 복합 유전막의 연속형성을 위한 온도 여유도가 넓은 반응물질을 이용한 복합 유전막의 형성방법이 요청되고 있다.However, the present invention aims at the formation of a dielectric film having excellent dielectric constant for basically deposition by CVD. Therefore, there is no suitable method for continuously forming heterogeneous dielectric films by the ALD method under the same process environment (in-situ). Therefore, a method of forming a composite dielectric film using a reactant having a wide temperature margin for continuous formation of the composite dielectric film by an ALD method has been requested.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 인-시츄 ALD 공정에 적합한 반응물질을 전구체로 이용하여 복합 유전막을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, a first object of the present invention is to provide a method for forming a composite dielectric film using a reactant suitable for in-situ ALD process as a precursor.
본 발명의 제2 목적은 상기 복합 유전막의 형성방법을 이용한 반도체 캐패시터의 제조방법을 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor capacitor using the method of forming a composite dielectric film.
도 1a 내지 1d는 원자층 증착방식을 설명하기 위한 단면도들이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating an atomic layer deposition method.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 복합 유전막의 형성방법을 설명하기 위한 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a method of forming a composite dielectric film according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 캐패시터의 형성방법을 설명하기 위한 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method of forming a capacitor according to an embodiment of the present invention.
도 4는 도 3에 설명된 캐패시터의 하부구조의 일예를 설명하기 위한 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating an example of a lower structure of the capacitor illustrated in FIG. 3.
* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *Brief description of the main parts of the drawing
20 : 기판 22 : 소자분리층20: substrate 22: device isolation layer
24 : 게이트 산화막 26 : 폴리실리콘층24: gate oxide film 26: polysilicon layer
28 : 텅스텐 실리사이드층 30 : 측벽 스페이서28 tungsten silicide layer 30 sidewall spacer
32 : 마스크층 34 : 드레인 콘택 플러그32 mask layer 34 drain contact plug
36 : 소오스 콘택 플러그 38 : 제 1 절연막36 source contact plug 38 first insulating film
40 : 비트라인 42 : 스페이서40: bit line 42: spacer
44 : 마스크층 46 : 제 2 절연막44 mask layer 46 second insulating film
48 : 하부 전극 50 : 제1 유전막48: lower electrode 50: first dielectric film
50 : 제2 유전막 52 : 상부전극50: second dielectric layer 52: upper electrode
상술한 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 복합 유전막의 형성방법에 의하면, 우선 기판을 반응기에 위치시키고, 반응기에 제1 금속 화합물을 투입하여 상기 기판 상에 제1 금속을 흡착시킨 후, 반응기에 산화가스를 투입하여 흡착된 제1 금속을 산화시켜 제1 유전막을 형성한다. 이어서, 반응기에 적어도 하나의 수소가 전자 끄는 기(electron withdrawing group)로 치환된금속 알콕사이드 화합물인 제2 금속 화합물을 투입하여 제1 유전막 상에 제2 금속을 흡착시킨 후 반응기에 산화가스를 투입하여 상기 흡착된 제2 금속을 산화시켜 제2 유전막을 형성시킨다.According to the method of forming a composite dielectric film according to an embodiment of the present invention for achieving the first object of the present invention described above, the substrate is first placed in a reactor, the first metal compound is introduced into the reactor and 1 After the metal is adsorbed, oxidizing gas is introduced into the reactor to oxidize the adsorbed first metal to form a first dielectric film. Subsequently, a second metal compound, which is a metal alkoxide compound substituted with an electron withdrawing group, is adsorbed to the reactor to adsorb a second metal on the first dielectric layer, and then an oxidizing gas is introduced into the reactor. The adsorbed second metal is oxidized to form a second dielectric layer.
여기서, 전자 끄는 기가 F, Cl, NO, CO, 또는 CN이고, 치환된 전자 끄는 기의 개수를 조절하여 제2 금속 화합물의 분해 온도를 조절한다. 또한, 제1 유전막 및 상기 제2 유전막이 동일한 온도범위에서 ALD 반응으로 연속적으로 형성된다.Here, the electron withdrawing group is F, Cl, NO, CO, or CN, and the decomposition temperature of the second metal compound is controlled by controlling the number of substituted electron withdrawing groups. In addition, the first dielectric film and the second dielectric film are continuously formed by the ALD reaction in the same temperature range.
상술한 본 발명의 제 2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 캐패시터의 제조방법에 의하면, 우선 하부 전극을 포함하는 하부구조물이 형성된 기판을 반응기에 위치시킨다. 이어서, 반응기에 제1 금속화합물을 투입하여 하부 전극 상에 제1 금속을 흡착시킨 후 반응기에 산화가스를 투입하여 흡착된 제1 금속을 산화시켜 제1 유전막을 형성시킨다. 계속하여, 반응기에 적어도 하나의 전자 끄는 기로 치환된 금속 알콕사이드 화합물인 제2 금속화합물을 투입하여 제1 유전막 상에 제2 금속을 흡착시키고, 반응기에 산화가스를 투입하여 흡착된 제2 금속을 산화시켜 제2 유전막을 형성시켜 복합 유전막을 형성한다. 마지막으로, 형성된 복합 유전막 상에 상부전극을 형성하여 캐패시터를 제조한다.According to the method of manufacturing a capacitor according to an embodiment of the present invention for achieving the second object of the present invention described above, first, a substrate on which a lower structure including a lower electrode is formed is placed in a reactor. Subsequently, a first metal compound is added to the reactor to adsorb the first metal on the lower electrode, and then an oxidizing gas is added to the reactor to oxidize the adsorbed first metal to form a first dielectric film. Subsequently, a second metal compound, which is a metal alkoxide compound substituted with at least one electron withdrawing group, is introduced into the reactor to adsorb the second metal on the first dielectric layer, and an oxidizing gas is introduced into the reactor to oxidize the adsorbed second metal. To form a second dielectric layer to form a composite dielectric layer. Finally, an upper electrode is formed on the formed composite dielectric film to manufacture a capacitor.
본 발명에 의하면, 온도 여유도가 큰 반응물질 사용함으로써, ALD 방식을 이용한 증착공정에서 서로 다른 범위의 분해온도를 가지는 박막들을 하나의 챔버에서 연속적으로 형성할 수 있다. 또한 이러한 반응물질을 캐패시터의 복합 유전막 형성에 이용하면, 신뢰도가 우수한 복합 유전막을 하나의 챔버에서 동시에 형성하는 것이 가능해지고, 결과적으로 반도체 소자의 신뢰성 및 수율향상에 기여할 수 있게된다.According to the present invention, by using a reactant having a large temperature margin, thin films having a different decomposition temperature in a deposition process using an ALD method can be continuously formed in one chamber. In addition, when such a reactant is used to form a composite dielectric film of a capacitor, it is possible to simultaneously form a composite dielectric film having excellent reliability in one chamber, and consequently, contribute to the improvement of reliability and yield of a semiconductor device.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 복합 유전막의 연속 형성방법 및 이를 이용한 캐패시터의 제조방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of continuously forming a composite dielectric film and a method of manufacturing a capacitor using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 복합 유전막의 형성방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 2를 참조하면, 기판을 반응기에 위치시키고(S10), 제1 금속을 흡착시킨(S20)후, 제1 유전막을 형성한다(S30). 계속하여, 제2 금속 전구체를 도입하여 제2 금속을 흡착하고(S40), 마지막으로 제2 유전막을 형성함으로서 복합유전막을 형성한다(S50).2 is a flowchart illustrating a method of forming a composite dielectric film according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the substrate is placed in a reactor (S10), the first metal is adsorbed (S20), and a first dielectric layer is formed (S30). Subsequently, a second metal precursor is introduced to adsorb the second metal (S40), and finally, a second dielectric film is formed to form a composite dielectric film (S50).
우선, 본 실시예에서는 기판을 반응기에 위치시킨다(S10).First, in this embodiment, the substrate is placed in the reactor (S10).
상기 기판은 예를 들면, 통상의 실리콘 웨이퍼이며, 상기 실리콘 웨이퍼는 각종의 활성 소자 등이 형성된 하부구조물을 포함할 수 있다. 그리고 상기 반응기는 ALD 반응기이고, 상기 기판은 로봇 암 등의 기판이송 장치에 의하여 상기 반응기에 투입된다.The substrate may be, for example, a conventional silicon wafer, and the silicon wafer may include a substructure on which various active devices and the like are formed. The reactor is an ALD reactor, and the substrate is introduced into the reactor by a substrate transfer device such as a robot arm.
이어서, 상기 반응기에 제1 금속 화합물을 투입하여 상기 기판 상에 제1 금속을 흡착시킨다(S20).Subsequently, a first metal compound is introduced into the reactor to adsorb the first metal on the substrate (S20).
상기 제1 금속화합물은 증착하려는 막의 종류에 따라 다르다. 예를 들면 알루미늄 산화막을 유전막으로 형성하려는 경우 상기 제1 금속화합물은 그 전구체로서 TMA, 트리에틸 알루미늄(TriEthyl Aluminium: TEA) 등을 사용할 수 있으며, 이중 TMA가 적합하다. TMA를 전구체로 사용하는 경우를 예로 들어 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 가스 상태의 TMA가 반응기에 투입되고 상기 TMA는 화학적 흡착에의하여 상기 기판 표면에 흡착되고, 상기 화학적 흡착물 상에 물리적 흡착에 의하여 증착된다. 여기에 질소(N2) 가스등의 퍼지가스를 투입하여 물리적 흡착에 의하여 형성된 부분을 제거하면 화학적으로 흡착된 고체상태의 금속만이 남게 된다.The first metal compound depends on the type of film to be deposited. For example, when the aluminum oxide film is to be formed as a dielectric film, the first metal compound may use TMA, triethyl aluminum (TEA), or the like as a precursor thereof, and TMA is suitable. A case where TMA is used as a precursor will be described in detail below. A gaseous TMA is introduced into the reactor and the TMA is adsorbed onto the substrate surface by chemical adsorption and deposited by physical adsorption on the chemical adsorbate. When a purge gas such as nitrogen (N 2) gas is added thereto to remove the portion formed by physical adsorption, only the chemically adsorbed solid metal remains.
계속하여, 상기 반응기에 산화가스를 투입하여 상기 흡착된 제1 금속을 산화시켜 제1 유전막을 형성시킨다(S30).Subsequently, an oxidizing gas is introduced into the reactor to oxidize the adsorbed first metal to form a first dielectric layer (S30).
상기 산화가스로는 H2O나 O3 등을 사용할 수 있지만, 형성되는 막질의 신뢰도 측면에서 O3가 바람직하다. 즉 H2O를 사용하는 경우 반응 온도를 낮출 수 있지만, 형성되는 막질에 OH 기가 잔존하는 등의 문제점이 발생된다. 또한, 반응물질로 TMA를 사용한 경우 형성되는 제1 유전막은 알루미늄 산화막이다. TMA를 예로 들어 설명하면, 상기 형성된 화학적으로 흡착된 금속층 상에 오존 등의 산화가스를 투입하여 상기 제1 금속을 산화시킨다. 이어서 퍼지가스를 도입하여 잔여 불순물을 제거하면 화학적으로 흡착된 고체상태의 알루미늄 산화막인 제1 유전막이 형성된다. 상술한 ALD 방식에 의한 알루미늄 산화막의 증착은 약 450℃ 정도에서 실시된다.As the oxidizing gas, H 2 O, O 3, or the like may be used, but O 3 is preferable in view of the reliability of the film formed. That is, when H 2 O is used, the reaction temperature can be lowered, but problems such as OH groups remain in the film formed. In addition, the first dielectric film formed when TMA is used as the reactant is an aluminum oxide film. Taking the TMA as an example, an oxidizing gas such as ozone is added to the formed chemically adsorbed metal layer to oxidize the first metal. Subsequently, a purge gas is introduced to remove residual impurities, thereby forming a first dielectric film, which is a chemically adsorbed solid aluminum oxide film. The deposition of the aluminum oxide film by the ALD method described above is performed at about 450 ° C.
이후, 상기 반응기에 적어도 하나의 수소가 전자 끄는 기로 치환된 금속 알콕사이드 화합물인 제2 금속 화합물을 투입하여 상기 제1 유전막 상에 제2 금속을 흡착시킨다(S40).Thereafter, a second metal compound, which is a metal alkoxide compound substituted with an electron withdrawing group, is introduced into the reactor to adsorb a second metal on the first dielectric layer (S40).
상기 제2 금속 화합물로 하프늄 알콕사이드, 티타늄 알콕사이드, 또는 지르코늄 알콕사이드를 사용하는 경우, 이러한 제2 금속화합물의 분해 온도는 약 300 내지 350℃이다. 상기 알루미늄 산화막을 증착한 후 인-시츄 환경에서 상기 제2 금속화합물을 투입하는 경우 알루미늄 산화막의 증착온도인 약 450℃에서는 상기 제2금속 화합물은 하기 반응식 3에 나타난 분해가 진행되어 ALD방식에 의한 증착이 어려워진다.When hafnium alkoxide, titanium alkoxide, or zirconium alkoxide is used as the second metal compound, the decomposition temperature of the second metal compound is about 300 to 350 ° C. When the second metal compound is introduced in an in-situ environment after depositing the aluminum oxide film, the second metal compound is decomposed as shown in Scheme 3 below at about 450 ° C., which is the deposition temperature of the aluminum oxide film. Deposition becomes difficult.
따라서, 본 발명에서는 상기 금속 알콕사이드의 수소를 하나 이상의 전자 끄는 기 F, Cl, NO, CO, 또는 CN로 치환한 화합물을 사용한다. 이러한 제2 금속 화합물을 전구체로 사용하면 상기 반응식 3에서 생성되는 카보캐타이언(carbocation)의 불안정성으로 인하여 에너지 장벽(energy barrier)이 크고 따라서 분해반응이 일어나는 온도가 상승된다. 따라서 공정의 온도여유도가 커지고 알루미늄 산화막을 증착한 후 인-시츄 환경에서 제2 유전막을 형성할 수 있다. 결과적으로, 복합 유전막의 형성을 별도의 반응기에서 하거나, 반응기의 온도를 조절한 후 행해야 하는 문제점을 극복할 수 있다.Therefore, in the present invention, a compound in which hydrogen of the metal alkoxide is substituted with one or more electron withdrawing groups F, Cl, NO, CO, or CN is used. When the second metal compound is used as a precursor, the energy barrier is large due to the instability of the carbocation generated in Scheme 3, and thus the temperature at which the decomposition reaction occurs is increased. Therefore, the temperature margin of the process may be increased, and the second dielectric layer may be formed in an in-situ environment after depositing the aluminum oxide layer. As a result, the problem of forming the composite dielectric film in a separate reactor or adjusting the temperature of the reactor can be overcome.
이때 치환되는 전자 끄는 기의 수를 조절하여 분해온도를 조절할 수 있다. 하프늄 알콕사이드에서 F로 수소를 치환하는 경우를 예로 들면, 치환 개수가 2개이면 약 400℃, 4개이면 약 450℃, 6개이면 약 500℃의 분해온도를 가지게 된다. 따라서 상기 알루미늄 산화막을 형성할 때 보다 높은 온도에서 반응이 일어나는 유전막을 증착한 후 하프늄 산화막을 형성하려는 경우 치환되는 전자 끄는 기의 개수를 조절하여 최적의 전구체를 사용할 수 있다.In this case, the decomposition temperature may be adjusted by controlling the number of electron withdrawing groups to be substituted. In the case of replacing hydrogen with F in the hafnium alkoxide, for example, two substitutions have a decomposition temperature of about 400 ° C, four of which are about 450 ° C, and six of which are about 500 ° C. Therefore, when forming a hafnium oxide film after depositing a dielectric film that reacts at a higher temperature when forming the aluminum oxide film, an optimal precursor may be used by controlling the number of electron withdrawing groups to be substituted.
본 단계에서도 상술한 바와 마찬가지로 N2 등의 퍼지가스로 물리적 흡착물을 제거하는 과정을 포함할 수 있다.This step may also include removing the physical adsorbate with a purge gas such as N2 as described above.
마지막으로, 상기 반응기에 산화가스를 투입하여 상기 흡착된 제2 금속을 산화시켜 제2 유전막을 형성시킨다(S50).Finally, an oxidizing gas is introduced into the reactor to oxidize the adsorbed second metal to form a second dielectric layer (S50).
상기 산화가스로는 H2O나 O3 등을 사용할 수 있지만, 형성되는 막질의 신뢰도 측면에서 O3가 바람직하다. 또한, 상기 형성되는 제2 유전막은 사용된 반응 물질의 종류에 따라 하프늄 산화막, 지르코늄 산화막, 또는 티타늄 산화막이다.As the oxidizing gas, H 2 O, O 3, or the like may be used, but O 3 is preferable in view of the reliability of the film formed. In addition, the second dielectric layer formed may be a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, or a titanium oxide film depending on the type of reaction material used.
구체적으로, 상기 형성된 화학적으로 흡착된 제2 금속층 상에 오존 등의 산화가스를 투입하여 상기 제2 금속을 산화시킨다. 이어서 N2 등의 퍼지가스를 도입하여 잔여 불순물을 제거하면 화학적으로 흡착된 고체상태의 제2 유전막이 형성된다.Specifically, an oxidizing gas such as ozone is injected onto the formed chemically adsorbed second metal layer to oxidize the second metal. Subsequently, a purge gas such as N 2 is introduced to remove residual impurities to form a chemically adsorbed solid state second dielectric film.
상술한 방법에 의하면, 상기 제1 유전막 및 상기 제2 유전막이 동일한 온도범위에서 형성될 수 있어서, 반도체 장치의 수율을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한 산화가스로 오존을 사용하는 경우에 문제되는 반응 온도 상승에 따른 문제점을 온도 여유도가 큰 반응물질을 사용하여 극복할 수 있어 소자의 신뢰도 향상에 기여할 수 있다.According to the above method, the first dielectric film and the second dielectric film can be formed in the same temperature range, so that the yield of the semiconductor device can be remarkably improved. In addition, when using ozone as the oxidizing gas, the problem caused by the reaction temperature rise can be overcome by using a reactant having a large temperature margin, thereby contributing to improving the reliability of the device.
또한, 본 발명은 상기 복합유전막의 연속 형성방법을 이용하는 캐패시터의 제조방법을 제공한다. 이하에서는 반도체 커패시터의 유전막 형성에 관하여 설명하지만, 반도체 기판 상에 유전막을 개재하여 게이트 전극이 형성되는 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터의 유전막 등에도 동일한 원리가 적용될 수 있음은 물론이다.In addition, the present invention provides a method of manufacturing a capacitor using the continuous formation method of the composite dielectric film. Hereinafter, a dielectric film formation of a semiconductor capacitor will be described. However, the same principle may be applied to a dielectric film of a metal oxide semiconductor (MOS) transistor in which a gate electrode is formed on a semiconductor substrate through a dielectric film.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 캐패시터의 형성방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 3을 참조하면, 우선 하부 전극이 형성된 기판을 반응기에 위치시킨다(S100). 이어서, 상기 반응기에 제1 금속화합물을 투입하여 상기 하부 전극 상에 제1 금속을 흡착시키고(S200), 상기 반응기에 산화가스를 투입하여 상기 흡착된 제1 금속을 산화시켜 제1 유전막을 형성시킨다(S300).3 is a flowchart illustrating a method of forming a capacitor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, first, a substrate on which a lower electrode is formed is placed in a reactor (S100). Subsequently, a first metal compound is introduced into the reactor to adsorb the first metal on the lower electrode (S200), and an oxidizing gas is introduced into the reactor to oxidize the adsorbed first metal to form a first dielectric layer. (S300).
계속하여, 상기 반응기에 적어도 하나의 전자 끄는 기로 치환된 금속 알콕사이드 화합물인 제2 금속화합물을 투입하여 상기 제1 유전막 상에 제2 금속을 흡착시키고(S400), 상기 반응기에 산화가스를 투입하여 상기 흡착된 제2 금속을 산화시켜 제2 유전막을 형성시킨다(S500). 마지막으로 상기 제2 유전막 상에 상부전극을 형성(S600)함으로써 복합 유전막을 가지는 캐패시터를 제조한다.Subsequently, a second metal compound, which is a metal alkoxide compound substituted with at least one electron withdrawing group, is introduced into the reactor to adsorb a second metal on the first dielectric layer (S400), and an oxidizing gas is introduced into the reactor. The adsorbed second metal is oxidized to form a second dielectric layer (S500). Finally, a capacitor having a composite dielectric film is manufactured by forming an upper electrode on the second dielectric film (S600).
우선, 본 실시예에서는 하부 전극을 포함하는 하부구조물이 형성된 기판을 반응기에 위치시킨다(S100).First, in this embodiment, the substrate on which the lower structure including the lower electrode is formed is placed in the reactor (S100).
상기 하부 전극은 금속, 금속산화물, 금속질화물, 금속산질화물, 또는 도전성 실리콘 등의 도전성 재질을 포함하며, 상기 하부 구조물은 각종의 활성 소자들을 포함하고 있다. 도 4는 도 3에 설명된 캐패시터의 하부구조물의 일예를 설명하기 위한 단면도이다. 도 4에는 디램(Dynamic Random Access Memory: DRAM)의 셀 캐패시터의 하부구조물이 나타나 있다.The lower electrode includes a conductive material such as metal, metal oxide, metal nitride, metal oxynitride, or conductive silicon, and the lower structure includes various active elements. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of a lower structure of the capacitor illustrated in FIG. 3. 4 illustrates a substructure of a cell capacitor of a DRAM (Dynamic Random Access Memory (DRAM)).
DRAM은 실리콘 기판(20)에 트렌치형 소자분리층(22)을 형성하고, 액티브 영역에 액티브 소자를 형성한다. 통상적으로 액티브 소자는 MOS 트랜지스터로 구성된다. MOS 트랜지스터는 게이트 산화막(24) 상에 폴리실리콘(26) 및 텅스텐 실리사이드(28)의 적층구조로 된 게이트 전극층을 포함한다. 게이트 전극층은 절연물질인 측벽 스페이서(30)와 마스크 층(32)으로 보호된다. 게이트 전극층을 이온주입 마스크로 사용하여 액티브 영역의 기판 표면에 불순물을 이온주입하여 소스 및 드레인 영역을 형성한다.The DRAM forms a trench type isolation layer 22 in the silicon substrate 20 and forms an active device in the active region. Typically, the active element is composed of MOS transistors. The MOS transistor includes a gate electrode layer having a stacked structure of polysilicon 26 and tungsten silicide 28 on the gate oxide film 24. The gate electrode layer is protected by an insulating material sidewall spacer 30 and a mask layer 32. Using the gate electrode layer as an ion implantation mask, impurities are implanted into the surface of the substrate in the active region to form source and drain regions.
드레인 영역 및 소오스 영역의 콘택을 위하여 셀프 얼라인 콘택기술로 콘택을 형성하고 형성된 콘택 내에 폴리실리콘과 같은 도전물질로 채워서 콘택 플러그(34, 36)를 형성한다. 콘택 플러그는 CMP 공정에 의해 서로 독립적으로 분리될 수 있다. 이와 같이 구성된 MOS 트랜지스터를 제1 절연막(38)으로 덮고 제1 절연막(38)의 표면을 CMP 공정으로 평탄하게 가공한다.The contact plugs 34 and 36 are formed by forming a contact by a self-aligned contact technique for contacting the drain region and the source region, and filling the formed contact with a conductive material such as polysilicon. The contact plugs may be separated independently from each other by a CMP process. The MOS transistor configured as described above is covered with the first insulating film 38 and the surface of the first insulating film 38 is processed to be flat by the CMP process.
제1 절연막(38)에 비트라인 콘택을 형성하고, 드레인 콘택 플러그(34)를 노출시키고 비트라인(40)을 형성한다. 비트라인(40)은 절연물질인 측벽 스페이서(42)와 마스크 층(44)으로 보호된다. 비트라인(40)이 형성된 표면에 제2 절연막(46)을 덮고 마찬가가지로 제 2 절연막(46)의 표면을 CMP 공정으로 평탄하게 가공한다.The bit line contact is formed on the first insulating layer 38, the drain contact plug 34 is exposed, and the bit line 40 is formed. The bit line 40 is protected by an insulating material sidewall spacer 42 and a mask layer 44. Similarly, the second insulating film 46 is covered on the surface on which the bit line 40 is formed, and the surface of the second insulating film 46 is similarly processed by the CMP process.
셀 캐패시터는 제 2 절연막(46) 상에 형성한다. 제2 절연막(46)에 매몰 콘택을 형성하고, 소오스 콘택 플러그(36)를 노출시킨다. 소오스 콘택 플러그가 노출된 제2 절연막(46) 상에 폴리실리콘과 같은 도전물질로 이루어진 하부전극(48)을 형성한다. 하부전극(48)은 표면적을 넓히기 위하여 5,000∼15,000Å 정도의 높은 높이를 가진 실린더 형상을 하고, 그 표면에 HSG와 같은 요철구조를 가질 수도 있다.The cell capacitor is formed on the second insulating film 46. A buried contact is formed in the second insulating film 46, and the source contact plug 36 is exposed. A lower electrode 48 made of a conductive material such as polysilicon is formed on the second insulating layer 46 where the source contact plug is exposed. The lower electrode 48 may have a cylindrical shape having a high height of about 5,000 to 15,000 위하여 in order to increase the surface area, and may have a concave-convex structure such as HSG on the surface thereof.
이어서, 상기 반응기에 제1 금속화합물을 투입하여 상기 하부 전극(48) 상에제1 금속을 흡착시킨다(S200).Subsequently, the first metal compound is introduced into the reactor to adsorb the first metal on the lower electrode 48 (S200).
상기 제1 금속화합물은 증착하려는 막의 종류에 따라 다르다. 예를 들면 알루미늄 산화막을 유전막으로 형성하려는 경우 상기 제1 금속화합물은 그 전구체로서 TMA, TEA 등을 사용할 수 있으며, 이중 TMA가 적합하다. TMA를 전구체로 사용하는 경우를 예로 들어 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 가스 상태의 TMA가 반응기에 투입되고 상기 TMA는 화학적 흡착에 의하여 상기 하부 전극 표면에 흡착되고, 상기 화학적 흡착물 상에 물리적 흡착에 의하여 증착된다. 여기에 N2 가스 등의 퍼지가스를 투입하여 물리적 흡착에 의하여 형성된 부분을 제거하면 화학적으로 흡착된 고체상태의 금속만이 남게 된다.The first metal compound depends on the type of film to be deposited. For example, when the aluminum oxide film is to be formed as a dielectric film, the first metal compound may use TMA, TEA, or the like as its precursor, of which TMA is suitable. A case where TMA is used as a precursor will be described in detail below. A gaseous TMA is introduced into the reactor and the TMA is adsorbed on the lower electrode surface by chemical adsorption and deposited by physical adsorption on the chemical adsorbate. If a purge gas such as N2 gas is added thereto to remove the portion formed by physical adsorption, only chemically adsorbed solid metal remains.
계속하여, 상기 반응기에 산화가스를 투입하여 상기 흡착된 제1 금속을 산화시켜 제1 유전막(50)을 형성한다(S300).Subsequently, an oxidizing gas is introduced into the reactor to oxidize the adsorbed first metal to form a first dielectric layer 50 (S300).
상기 산화가스로는 H2O나 O3 등을 사용할 수 있지만, 형성되는 막질의 신뢰도 측면에서 O3가 바람직하다. 또한, 반응물질로 TMA를 사용한 경우 상기 제1 유전막은 알루미늄 산화막이다. TMA를 예로 들어 설명하면, 상기 형성된 화학적으로 흡착된 금속층 상에 오존 등의 산화가스를 투입하여 상기 제1 금속을 산화시킨다. 이어서 퍼지가스를 도입하여 잔여 불순물을 제거하면 화학적으로 흡착된 고체상태의 알루미늄 산화막인 제1 유전막이 형성된다. 상술한 ALD 방식에 의한 알루미늄 산화막의 증착은 약 450℃ 정도에서 실시된다.As the oxidizing gas, H 2 O, O 3, or the like may be used, but O 3 is preferable in view of the reliability of the film formed. In addition, when TMA is used as the reactant, the first dielectric layer is an aluminum oxide layer. Taking the TMA as an example, an oxidizing gas such as ozone is added to the formed chemically adsorbed metal layer to oxidize the first metal. Subsequently, a purge gas is introduced to remove residual impurities, thereby forming a first dielectric film, which is a chemically adsorbed solid aluminum oxide film. The deposition of the aluminum oxide film by the ALD method described above is performed at about 450 ° C.
그리고, 상기 반응기에 적어도 하나의 전자 끄는 기로 치환된 금속 알콕사이드 화합물인 제2 금속화합물을 투입하여 상기 제1 유전막 상에 제2 금속을 흡착시킨다(S400).In addition, a second metal compound, which is a metal alkoxide compound substituted with at least one electron withdrawing group, is introduced into the reactor to adsorb a second metal on the first dielectric layer (S400).
상기 제2 금속 화합물로 하프늄 알콕사이드, 티타늄 알콕사이드, 또는 지르코늄 알콕사이드를 사용하는 경우, 이러한 제2 금속화합물의 분해 온도는 약 300 내지 350℃이다. 상기 알루미늄 산화막을 증착한 후 인-시츄 환경에서 상기 제2 금속화합물을 투입하는 경우 알루미늄 산화막의 증착온도인 약 450℃에서는 상기 제2 금속 화합물은 상기 반응식 3에 나타난 분해가 진행되어 ALD방식에 의한 증착이 어려워진다.When hafnium alkoxide, titanium alkoxide, or zirconium alkoxide is used as the second metal compound, the decomposition temperature of the second metal compound is about 300 to 350 ° C. When the second metal compound is introduced in an in-situ environment after the deposition of the aluminum oxide film, the second metal compound is decomposed as shown in Scheme 3 at about 450 ° C., which is the deposition temperature of the aluminum oxide film. Deposition becomes difficult.
따라서, 본 발명에서는 상기 금속 알콕사이드의 수소를 하나 이상의 전자 끄는 기 즉 F, Cl, NO, CO, 또는 CN로 치환한 화합물을 사용한다. 이러한 제2 금속 화합물을 전구체로 사용하면 상기 반응식 3에 나타난 분해반응이 일어나는 온도가 상승되어 알루미늄 산화막을 증착한 후 인-시츄 환경에서 제2 유전막을 형성할 수 있다. 따라서 복합 유전막의 형성을 별도의 반응기에서 하거나, 반응기의 온도를 조절한 후 행해야 하는 문제점을 극복할 수 있다.Therefore, the present invention uses a compound in which hydrogen of the metal alkoxide is substituted with one or more electron withdrawing groups, that is, F, Cl, NO, CO, or CN. When the second metal compound is used as a precursor, a temperature at which a decomposition reaction shown in Scheme 3 occurs is increased to deposit an aluminum oxide layer, and then to form a second dielectric layer in an in-situ environment. Therefore, it is possible to overcome the problem of forming the composite dielectric film in a separate reactor or after adjusting the temperature of the reactor.
이때 치환되는 전자 끄는 기의 수를 조절하여 분해온도를 조절할 수 있다. 하프늄 알콕사이드에서 F로 수소를 치환하는 경우를 예로 들면, 치환 개수가 2개이면 약 400℃, 4개이면 약 450℃, 6개이면 약 500℃의 분해온도를 가지게 된다. 따라서 상기 알루미늄 산화막을 형성할 때 보다 높은 온도에서 반응이 일어나는 유전막을 증착한 후 하프늄 산화막을 형성하려는 경우 치환되는 전자 끄는 기의 개수를 조절하여 최적의 전구체를 사용할 수 있다.In this case, the decomposition temperature may be adjusted by controlling the number of electron withdrawing groups to be substituted. In the case of replacing hydrogen with F in the hafnium alkoxide, for example, two substitutions have a decomposition temperature of about 400 ° C, four of which are about 450 ° C, and six of which are about 500 ° C. Therefore, when forming a hafnium oxide film after depositing a dielectric film that reacts at a higher temperature when forming the aluminum oxide film, an optimal precursor may be used by controlling the number of electron withdrawing groups to be substituted.
본 단계에서도 상술한 바와 마찬가지로 N2 등의 퍼지가스로 물리적 흡착물을제거하는 과정을 포함할 수 있다.This step may also include removing the physical adsorbate with a purge gas such as N2 as described above.
이후, 상기 반응기에 산화가스를 투입하여 상기 흡착된 제2 금속을 산화시켜 제2 유전막(51)을 형성시킨다(S500). 상기 산화가스로는 O3가 바람직하다. 또한, 상기 형성되는 제2 유전막은 사용된 반응 물질의 종류에 따라 하프늄 산화막, 지르코늄 산화막, 또는 티타늄 산화막이다.Thereafter, an oxidizing gas is introduced into the reactor to oxidize the adsorbed second metal to form a second dielectric layer 51 (S500). As the oxidizing gas, O 3 is preferable. In addition, the second dielectric layer formed may be a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, or a titanium oxide film depending on the type of reaction material used.
구체적으로, 상기 형성된 화학적으로 흡착된 제2 금속층 상에 오존 등의 산화가스를 투입하여 상기 제2 금속을 산화시킨다. 이어서 N2 등의 퍼지가스를 도입하여 잔여 불순물을 제거하면 화학적으로 흡착된 고체상태의 제2 유전막이 형성된다.Specifically, an oxidizing gas such as ozone is injected onto the formed chemically adsorbed second metal layer to oxidize the second metal. Subsequently, a purge gas such as N 2 is introduced to remove residual impurities to form a chemically adsorbed solid state second dielectric film.
끝으로, 상기 제2 유전막 상에 상부전극(52)을 형성하여 캐패시터를 제조한다(S600). 상기 하부 전극은 금속, 금속산화물, 금속질화물, 금속산질화물, 또는 도전성 실리콘 등의 도전성 재질을 포함하며, 통상의 도전성 물질 증착방법으로 형성된다.Finally, a capacitor is manufactured by forming an upper electrode 52 on the second dielectric layer (S600). The lower electrode includes a conductive material such as metal, metal oxide, metal nitride, metal oxynitride, or conductive silicon, and is formed by a conventional conductive material deposition method.
본 발명에 의하면, 온도 여유도가 큰 반응물질 사용함으로써, ALD 방식을 이용한 증착공정에서 서로 다른 범위의 분해온도를 가지는 박막들을 하나의 챔버에서 연속적으로 형성할 수 있다. 또한 이러한 반응물질을 캐패시터의 복합 유전막 형성에 이용하면, 신뢰도가 우수한 복합 유전막을 하나의 챔버에서 동시에 형성하는 것이 가능해지고, 결과적으로 반도체 소자의 신뢰성 및 수율향상에 기여할 수 있게 된다.According to the present invention, by using a reactant having a large temperature margin, thin films having a different decomposition temperature in a deposition process using an ALD method can be continuously formed in one chamber. In addition, when such a reactant is used for forming a composite dielectric film of a capacitor, it is possible to simultaneously form a composite dielectric film having excellent reliability in one chamber and consequently contribute to the improvement of reliability and yield of a semiconductor device.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
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