KR100234393B1 - 반도체 장치의 강유전체 커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 장치의 강유전체 커패시터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은 반도체 기판의 일부분을 노출시키는 콘택홀을 갖는 층간절연막과, 상기 콘택홀에 형성된 확산방지막과, 상기 확산방지막 상에 형성되어 상기 콘택홀을 매립하는 반응방지막과, 상기 반응방지막과 연결되어 형성된 하부전극과, 상기 하부 전극 상에 형성된 강유전체막과, 상기 강유전체막 상에 형성된 상부전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 제공한다. 상기 반응방지막을 구성하는 물질은 백금족 금속의 산화물, 예컨대 산화루테니움, 산화이리디움 및 산화오스늄 중에서 선택된 하나로 구성하는 것이 바람직하다. 상기 확산방지막을 구성하는 물질은 Ta, Ru, Ir, Os, Pd, WSi, Wn 및 W 중에서 선택된 하나로 구성한다. 본 발명에 의하면, 단순한 공정으로 배리어막의 산화를 방지하여 콘택 저항의 증가를 방지할 수 있다.

Description

반도체 장치의 강유전체 커패시터 및 그 제조방법{Ferroelectric capacitor of semiconductor device and manufacturing method thereof}
본 발명은 반도체 장치의 강유전체 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 콘택저항의 증가를 방지하고 강유전체의 열화를 방지할 수 있는 반도체 장치의 강유전체 커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 장치, 예컨대 DRAM(Dynamic Random Acess Memory), FRAM(Ferro electric RAM) 등의 집적도가 증가함에 따라, PZT(PbZrTiO3) 혹은 BST(BaSrTiO3)와 같은 강유전체 물질이 커패시터의 유전체막으로 응용되고 있다. 이때, 강유전체막을 사용하는 커패시터의 하부 전극은 주로 백금족 원소 및 그 산화물이 사용된다. 그런데, 상기 강유전체 커패시터의 하부 전극은 반도체 기판 또는 콘택플러그로 사용되는 폴리실리콘막과 반응하기 때문에 상기 하부 전극과 폴리실리콘막 사이에는 이를 방지하는 배리어막(barrier layer)이 필요하다. 여기서, 배리어막을 이용하는 종래의 강유전체 커패시터를 설명한다.
도 1은 종래기술의 일예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 설명하기 위한 단면도이다.
구체적으로, 소오스 영역(3a), 드레인 영역(3b) 및 게이트 전극(5)을 포함하는 트랜지스터와 비트라인(7)이 형성된 반도체 기판(1) 상에 콘택홀을 갖는 층간절연막(9)이 형성되어 있다. 상기 콘택홀에는 실리콘 플러그(11)가 형성되어 있으며, 상기 실리콘 플러그(11)에 연결되고 탄탈륨(Ta)으로 구성된 배리어막(13)이 형성되어 있고, 상기 배리어막(13) 상에 백금으로 구성된 강유전체 커패시터의 하부 전극(15)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부전극(15) 상에 강유전체막(도시 안됨) 및 상부전극(도시 안됨)을 형성하여 하부 전극(15), 강유전체막 및 상부전극으로 강유전체 커패시터를 구성한다.
상기 도 1에 도시한 종래의 강유전체 커패시터는 하부전극(15)인 백금막과 실리콘 플러그(11) 사이에 반응을 방지하기 위하여 배리어막(13)이 형성되어 있다. 그런데, 하부 전극(15)인 백금막과 배리어막(13)의 측면이 노출되어 있기 때문에, 강유전체막 증착시 상기 배리어막(13)이 산화되어 부도체인 탄탈륨 산화막(Ta2O5)이 된다. 따라서, 하부전극(15)의 콘택 저항이 증가되어 커패시터로 사용할 수 없게 된다.
도 2는 종래 기술의 다른 예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 설명하기 위한 단면도이다. 도 2에서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
구체적으로, 도 2에 도시한 종래의 강유전체 커패시터는 배리어막(14)이 도 1의 배리어막(13)과 다르게 형성되어 있다. 즉, 배리어막(14)이 콘택홀에 매몰되어 도 1의 문제점인 배리어막(13)의 측면노출을 방지할 수 있게 되어 있다.
그런데, 도 2에 도시한 종래의 강유전체 커패시터의 제작방법을 살펴보면, 먼저, 상기 콘택홀에 플러그용 실리콘막을 매몰시킨 후 상기 콘택홀에 형성된 플러그용 실리콘막을 일부 식각해 리세스(recess) 영역과 실리콘 플러그(12)를 형성한다. 이어서, 상기 리세스 영역이 형성된 반도체 기판(1)의 전면에 배리어막을 형성한 후 화학기계적연마 등의 방법으로 평탄화하여 리세스 영역에 배리어막(14)을 매몰시킨다. 따라서, 도 2의 강유전체 커패시터는 실리콘 플러그(12)의 형성 및 배리막(14)의 형성 과정이 복잡한 단점이 있다.
결과적으로, 도 1 및 도 2에 도시한 종래의 강유전체 커패시터는 각각 배리어막의 측면이 노출되어 강유전체막의 증착시 산화되거나, 실리콘 플러그의 형성 및 배리막의 형성 과정이 복잡한 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 배리어막의 산화를 방지하면서도 단순한 공정을 갖는 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 제조하는 데 적합한 제조방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래기술의 일예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 종래 기술의 다른 예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4은 본 발명의 다른 예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5은 본 발명의 또다른 예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6 내지 도 9은 본 발명에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 기판의 일부분을 노출시키는 콘택홀을 갖는 층간절연막과, 상기 콘택홀에 형성된 확산방지막과, 상기 확산방지막 상에 형성되어 상기 콘택홀을 매립하는 반응방지막과, 상기 반응방지막과 연결되어 형성된 하부전극과, 상기 하부 전극 상에 형성된 강유전체막과, 상기 강유전체막 상에 형성된 상부전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 제공한다.
상기 반응방지막을 구성하는 물질은 백금족 금속의 산화물, 예컨대 산화루테니움, 산화이리디움 및 산화오스늄 중에서 선택된 하나로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 확산방지막을 구성하는 물질은 Ta, Ru, Ir, Os, Pd, WSi, Wn 및 W 중에서 선택된 하나로 구성한다.
또한, 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 기판 상에 콘택홀을 갖는 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 콘택홀에 배리어막용 확산방지막을 형성하는 단계와, 상기 확산방지막 상에 상기 콘택홀을 매립하도록 배리어막용 반응방지막을 형성하는 단계와, 상기 반응방지막과 연결되도록 하부전극을 형성하는 단계와, 상기 하부 전극 상에 형성된 강유전체막을 형성하는 단계와, 상기 강유전체막 상에 형성된 상부전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전체 커패시터 제조방법을 제공한다.
상기 확산방지막은 Ta, Ru, Ir, Os, Pd, WSi, WN 및 W 중에서 선택된 하나로 형성하고, 상기 반응방지막은 백금족 금속의 산화물로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 단순한 공정으로 배리어막의 산화를 방지하여 콘택저항의 증가를 방지할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3에서, 소오스 영역(23a), 드레인 영역(23b) 및 게이트 전극(25)을 포함하는 트랜지스터와 비트라인(27)이 형성된 반도체 기판(21) 상에 콘택홀을 갖는 층간절연막(29)이 형성되어 있다. 상기 콘택홀에는 베리어막 역할을 하는 확산방지막(31), 예컨대 Ta, Ru, Ir, Os, Pd, WSi, WN 또는 W막이 매립되어 형성되어 있다. 상기 매립된 확산방지막은 후속의 강유전제막의 형성시 산화되지 않는다. 그리고, 상기 확산방지막(31) 상에 연결되고 백금으로 구성된 강유전체 커패시터의 하부 전극(33)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부전극(33) 상에 강유전체막(35) 및 상부전극(37)을 형성하여 하부 전극(33), 강유전체막(35) 및 상부전극(37)으로 강유전체 커패시터를 구성한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 설명하기 위한 단면도이다. 도 4에서, 도 3과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
구체적으로, 도 4의 강유전체 커패시터는 상기 도 3의 커패시터의 확산방지막(31) 대신에 반응방지막(39)을 배리어막으로 형성하는 것을 제외하고는 동일하다. 상기 반응방지막(39)은 백금족 금속의 산화물, 애컨대 산화루테니움, 산화이리디움 또는 산화오스늄으로 형성되어 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터를 설명하기 위한 단면도이다. 도 5에서, 도 3과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
구체적으로, 도 5의 강유전체 커패시터는 도 3 및 도 4와는 다르게 콘택홀에 확산방지막(41)과 반응방지막(43)이 순착적으로 매립하여 배리어막 역할을 수행한다. 상기 확산방지막(41)은 도 3에 설명한 바와 같은 Ta, Ru, Ir, Os, Pd, WSi, WN 또는 W막으로 형성되어 있으며, 상기 반응방지막(43)은 도 4에 설명한 바와 같이 백금족 금속의 산화물, 예컨대 산화루테니움, 산화이리디움 또는 산화오스늄으로 형성되어 있다.
이하, 일예로 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터 제조방법을 설명한다.
도 6 내지 도 9은 본 발명에 의한 반도체 장치의 강유전체 커패시터 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6에서, 소오스 영역(23a), 드레인 영역(23b) 및 게이트 전극(25)을 포함하는 트랜지스터와 비트라인(27)이 형성된 반도체 기판 상에 층간절연막(29)을 형성한다. 이어서, 사진식각 공정으로 상기 소오스영역(23a) 상에 적층되어 있는 층간절연막(29)을 식각하여, 후에 형성될 커패시터의 하부전극을 접속시키기 위한 콘택홀(30)을 형성한다.
도 7에서, 상기 콘택홀(30)이 형성된 기판 상에 도전물질, 예컨대 Ru, Ir, Os, Pd, WSi, WN 또는 W를 증착하여 도전막(28)을 형성한다. 이때, 상기 도전물질을 백금족 금속의 산화물로 대치하여 형성하면 도 4에 도시한 본 발명의 제2 실시예의 강유전체 커패시터가 된다. 또한, 상기 콘택홀에 도전물질을 일부 형성하고 다시 백금족 금속의 산화물을 형성하면 도 5에 도시한 제3 실시예의 강유전체 커패시터가 된다.
도 8에서, 상기 도 7에서 형성된 도전막(28)을 에치백(etch-back)하거나 화학기계적폴리싱(CMP)하여 상기 콘택홀의 내부를 채우는 확산방지막(31)을 형성한다.
도 9에서, 상기 확산방지막(31)가 형성된 결과물 상에 도전물질, 예컨대 백금족 금속 또는 백금족 금속의 산화물을 침적한 후 패터닝하여 커패시터의 하부전극(33)을 형성한다. 상기 백금족 금속은 Pt, Ru, Ir 등을 이용하여 상기 백금족 금속의 산화물은 산화루테니움, 산화이리디움, 산화오스늄을 이용하여 형성한다.
다음에, 상기 하부전극이 형성된 결과물 상에 강유전체막(35), 예컨대 Ta2O5, SiO2, SrTiO3, (Ba, Sr)TiO3, PbZrTiO3, SrBi2Ta2O9, (Pb, La)(Zr, Ti)O3, Bi4Ti3O12막 또는 그 혼합막으로 형성한다. 상기 강유전체막(35)는 스퍼터링 방법, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법, 액체소스 CVD(Liquid Source CVD) 방법 또는 솔-겔(sol-gel) 방법등의 어느 하나를 사용하여 형성한다. 이어서, 상기 강유전체막(35) 상에 도전물질, 예컨대 백금족 금속 또는 백금족 금속의 산화물을 침적하여 커패시터 상부전극(37)을 형성한다. 상기 백금족 금속은 Pt, Ru, Ir 등을 이용하여 상기 백금족 금속의 산화물은 산화루테니움, 산화이리디움, 산화오스늄을 이용하여 형성한다.
본 발명이 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 반도체 장치의 강유전체 커패시터는 콘택홀에 매립되는 배리어막을 확산방지막 또는 반응방지막으로 형성하기 때문에 도 2와 같이 복잡한 공정을 거치지 않아 공정을 단순화할 수 있고, 강유전체막의 형성시 도 1과 다르게 산화를 방지하여 콘택저항의 증가를 방지할 수 있다.

Claims (6)

  1. 반도체 기판의 일부분을 노출시키는 콘택홀을 갖는 층간절연막;
    상기 콘택홀에 형성된 확산방지막;
    상기 확산방지막 상에 형성되어 상기 콘택홀을 매립하는 반응방지막;
    상기 반응방지막과 연결되어 형성된 하부전극;
    상기 하부 전극 상에 형성된 강유전체막; 및
    상기 강유전체막 상에 형성된 상부전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전체 커패시터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응방지막을 구성하는 물질은 백금족 금속의 산화물인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전체 커패시터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 백금족 금속의 산화물은 산화루테니움, 산화이리디움 및 산화오스늄 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전체 커패시터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 확산방지막을 구성하는 물질은 Ta, Ru, Ir, Os, Pd, WSi, Wn 및 W 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전체 커패시터.
  5. 반도체 기판 상에 콘택홀을 갖는 층간절연막을 형성하는 단계;
    상기 콘택홀에 배리어막용 확산방지막을 형성하는 단계;
    상기 확산방지막 상에 상기 콘택홀을 매립하도록 배리어막용 반응방지막을 형성하는 단계;
    상기 반응방지막과 연결되도록 하부전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 상에 형성된 강유전체막을 형성하는 단계; 및
    상기 강유전체막 상에 형성된 상부전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전체 커패시터 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 확산방지막은 Ta, Ru, Ir, Os, Pd, WSi, WN 및 W 중에서 선택된 하나로 형성하고, 상기 반응방지막은 백금족 금속의 산화물로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 강유전체 커패시터 제조방법.
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