KR100600292B1 - Method of manufacturing a capacitor in a semiconductor device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것으로, 캐패시터의 유전체막으로 Ta2O5막을 형성하고 600∼700℃의 온도에서 질소 가스와 산소 가스를 사용한 급속 열처리 공정으로 Ta2O5막을 결정화시킨 후 오존 플라즈마 처리를 실시하므로써 Ta2O5막과 하부 전극과의 계면 반응을 최대한 줄여 Ta2O5막내에 존재하는 탄소를 제거하고 산소 공핍을 억제하여 캐패시터의 누설 전류 특성을 개선할 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device, wherein a Ta 2 O 5 film is formed as a dielectric film of a capacitor and the Ta 2 O 5 film is crystallized by a rapid heat treatment process using nitrogen gas and oxygen gas at a temperature of 600 to 700 ° C. after may ozone interfacial reaction of Ta 2 O 5 film and the lower electrode and by performing plasma processing as much as possible by reducing removing the carbon present in the Ta 2 O 5 N to improve the leakage current characteristics of a capacitor to suppress the oxygen depletion.

탄탈륨산화막, 급속 열처리, 오존 플라즈마 처리Tantalum Oxide, Rapid Heat Treatment, Ozone Plasma Treatment

Description

반도체 소자의 캐패시터 제조 방법{Method of manufacturing a capacitor in a semiconductor device} Method of manufacturing a capacitor in a semiconductor device             

도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.1 (a) to 1 (c) are cross-sectional views of a device for explaining a capacitor manufacturing method of a semiconductor device according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

11 : 반도체 기판 12 : 폴리실리콘막11 semiconductor substrate 12 polysilicon film

13 : 제 1 TiN막 14 : 텅스텐막13: first TiN film 14 tungsten film

15 : Ta2O5막 16 : 제 2 TiN막15 Ta 2 O 5 film 16: 2nd TiN film

본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것으로, 특히 캐피시터 의 유전체막으로 사용되는 Ta2O5막과 하부 전극과의 계면 반응을 최대한 줄여 Ta2O5막내에 존재하는 탄소를 제거하고 산소 공핍을 억제하므로써 캐패시터의 누설 전류 특성을 개선할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitor manufacturing method of a semiconductor device, particularly the interfacial reaction of Ta 2 O 5 film and the lower electrode is used as the dielectric film of the capacitors as possible to reduce removal of carbon present in the Ta 2 O 5 N and an oxygen-depleted The present invention relates to a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device which can improve the leakage current characteristics of the capacitor by suppressing the above-mentioned.

탄탈륨산화막(Ta2O5)은 기존의 DRAM 제조 공정에서 캐패시터의 유전체막으로 사용되는 ONO막(Oxide-Nitride-Oxide)보다 유전율이 5배 정도 더 크므로 1G 이상의 고집적도가 요구되는 DRAM 제조 공정에서 캐패시터의 유전체막 물질로 각광받고 있다. 특히 Ta2O5는 CVD 공정을 사용하여 높은 스텝커버러지를 얻을 수 있고, 후속 열처리 공정에 의해 유전 특성이 좋고 누설 전류가 작은 막으로 구현될 수 있다.Tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ) is about 5 times larger dielectric constant than Oxide-Nitride-Oxide, which is used as the dielectric film of capacitor in DRAM manufacturing process. Has been spotlighted as a dielectric film material for capacitors. In particular, Ta 2 O 5 can obtain high step coverage by using a CVD process, and can be realized as a film having good dielectric properties and a small leakage current by a subsequent heat treatment process.

종래 Ta2O5막을 유전체막으로 사용하는 캐패시터의 하부 전극은 일반적으로 급속 열질화 공정으로 표면 처리된 폴리실리콘막을 사용한다. 그러나 소자가 고집적화될수록 안정된 소자의 동작을 위해 필요한 셀당 캐패시턴스는 변화되지 않지만 캐패시터 셀 사이즈는 점점 감소하게 된다. 따라서, 유효 산화막의 두께인 30Å 정도의 폴리실리콘막을 하부 전극으로 사용하는 Ta2O5막을 유전체막으로 사용하는 캐패시터의 구조는 한계에 도달하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 금속으로 하부 전극을 형성하여 산화막의 두께를 줄이는 방법이 시도되고 있다. 하지만 금속 하부 전극을 도입할 경우 Ta2O5막과 금속 하부 전극의 계면 반응을 최대한 억제하면 서 Ta2O5막내에 존재하는 탄소를 제거하고 산소 공핍을 억제해야지만 누설 전류를 낮출 수 있다. 이 때문에 낮은 온도에서 산소 가스를 사용하여 급속 열처리 공정을 실시하거나 플라즈마를 여기시켜 Ta2O5막을 처리하는 공정을 실시하여야만 한다.The lower electrode of the capacitor using a conventional Ta 2 O 5 film as a dielectric film generally uses a polysilicon film surface-treated by a rapid thermal nitriding process. However, as the device becomes more integrated, the capacitance per cell required for stable device operation does not change, but the capacitor cell size gradually decreases. Therefore, the structure of a capacitor using a Ta 2 O 5 film using a polysilicon film having a thickness of about 30 GPa, which is an effective oxide film, as a lower electrode as a dielectric film reaches a limit. In order to solve this problem, a method of reducing the thickness of an oxide film by forming a lower electrode made of metal has been attempted. However, only ought if the introduction of the metal lower electrode if possible suppressing the Ta 2 O 5 film and a metal bottom electrode interface reaction of books removing the carbon present in the Ta 2 O 5 N and to suppress oxygen depletion may reduce the leakage current. For this reason, it is necessary to perform a rapid heat treatment process using oxygen gas at a low temperature or to treat the Ta 2 O 5 film by exciting the plasma.

따라서, 본 발명은 Ta2O5와 금속 하부 전극과의 계면 반응을 최대한 줄이면서 Ta2O5막내에 존재하는 탄소를 제거하고 산소 공핍을 억제하여 Ta2O5 캐패시터의 누설 전류 특성을 확보할 수 있는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the invention is by the Ta 2 O 5 and the interface reaction between the metal lower electrode as much as possible, while reducing removing the carbon present in the Ta 2 O 5 N and to suppress oxygen depletion to obtain the leakage current characteristic of the Ta 2 O 5 capacitor It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법에 있어서, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 하부 전극을 형성하는 단계와, 상기 하부 전극 상부에 Ta2O5막을 형성하는 단계와, 상기 Ta2O5막에 질소 및 산소 가스 분위기에서 급속 열처리 공정을 실시하여 상기 Ta2O5막을 결정화시킨 후 오존 플라즈마 처리를 실시하는 단계와, 상기 Ta2O5막 상부에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device, the method comprising: forming a lower electrode on an upper portion of a semiconductor substrate on which a predetermined structure is formed, and forming a Ta 2 O 5 film on the lower electrode; And performing a rapid heat treatment process on the Ta 2 O 5 film in a nitrogen and oxygen gas atmosphere to crystallize the Ta 2 O 5 film and performing an ozone plasma treatment, and forming an upper electrode on the Ta 2 O 5 film. Characterized in that it comprises a step.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.1 (a) to 1 (c) are cross-sectional views of a device for explaining a capacitor manufacturing method of a semiconductor device according to the present invention.

도 1(a)를 참조하면, 소정의 공정을 통해 게이트, 소오스, 드레인 및 비트라인등이 형성되고, 이들과 상부에 형성될 구조를 절연시키기 위한 층간 절연막이 형성된 반도체 기판(11) 상부에 폴리실리콘막(12)을 형성한다. 폴리실리콘막(12)의 표면을 HF 또는 BOE로 식각하여 자연 산화막을 제거한 후 폴리실리콘막(12) 상부에 제 1 TiN막(13)을 100∼200Å의 두께로 형성하고, 그 상부에 텅스텐막(14)을 100∼500Å의 두께로 형성하여 하부 전극을 형성한다. 텅스텐막(14) 상부에 Ta2O5막(15)을 형성한다. Ta2O5막(15)은 액상인 탄탈륨 에칠레이트(Ta(OC 2H5)5)를 170∼190℃의 온도로 유지되는 기화기안에서 기상 상태로 만들고, 이 기상 상태의 탄탈륨 에칠레이트와 반응 가스로 10∼1000sccm의 산소를 0.1∼1.2Torr의 압력을 유지하는 반응로내에 유입시켜 350∼450℃로 가열된 웨이퍼에 증착한다.Referring to FIG. 1A, a gate, a source, a drain, a bit line, and the like are formed through a predetermined process, and a poly layer is formed on the semiconductor substrate 11 on which an interlayer insulating film for insulating the structure to be formed thereon is formed. The silicon film 12 is formed. The surface of the polysilicon film 12 is etched with HF or BOE to remove the native oxide film, and then the first TiN film 13 is formed on the polysilicon film 12 to a thickness of 100 to 200 kPa, and the tungsten film is formed thereon. (14) is formed to a thickness of 100 to 500 kHz to form a lower electrode. A Ta 2 O 5 film 15 is formed on the tungsten film 14. The Ta 2 O 5 film 15 makes the liquid tantalum acrylate (Ta (OC 2 H 5 ) 5 ) in a gaseous state in a vaporizer maintained at a temperature of 170 to 190 ° C., and reacts with the tantalum ethylene in this gaseous state. 10 to 1000 sccm of oxygen is introduced into the gas into a reactor maintained at a pressure of 0.1 to 1.2 Torr and deposited on a wafer heated to 350 to 450 캜.

도 1(b)는 질소(N2) 및 산소(O2) 가스 분위기에서 열처리 공정을 실시하여 Ta2O5막(15)을 결정화시키고, 오존(O3) 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 Ta2O5막(15)을 처리하는 상태의 단면도이다. Ta2O5막(15)을 결정화시키기 위한 열처리 공정은 600∼700℃에서 질소 가스와 산소 가스의 혼합량을 1∼10slm 정도 유입시키고 30∼60초간 급속 열처리 공정으로 실시한다. 이때, 질소 가스의 양이 산소 가스의 양보다 많아야 하는데, 예를들어 질소 와 산소의 비율이 50∼90%:10∼50% 정도 되도록 한다. 질소 가스와 산소 가스를 함께 사용하는 이유는 산소 가스만을 사용할 경우 산소에 의한 하부 전극의 산화를 방지하기 위함이다. 또한, 오존 플라즈마 처리 방법은 다음과 같다. 챔버내의 압력을 10∼900Torr로 유지하고, 서브 히터의 온도를 300∼400℃로 유지한 상태에서 고주파 전력을 50∼400W로 인가한다. 이때, 고주파 전력을 인가할 때 서브 히터를 그라운드로 하고 샤워 히터를 전극으로 한다. 또한, 오존 플라즈마 처리 시간은 1분∼20분 정도로 하고, 이때, 오존의 농도는 10000∼20000ppm으로 한다.FIG. 1 (b) shows the crystallization of the Ta 2 O 5 film 15 by performing a heat treatment process in a nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) gas atmosphere, and excitation of an ozone (O 3 ) gas in a plasma state to provide Ta. 2 O is a cross-sectional view of a state in which the handle 5 film 15. The heat treatment step for crystallizing the Ta 2 O 5 film 15 is carried out by rapid heat treatment for 30 to 60 seconds while introducing a mixed amount of nitrogen gas and oxygen gas at 600 to 700 ° C. for about 1 to 10 slm. At this time, the amount of nitrogen gas should be larger than the amount of oxygen gas, for example, so that the ratio of nitrogen and oxygen is about 50-90%: 10-50%. The reason why nitrogen gas and oxygen gas are used together is to prevent oxidation of the lower electrode by oxygen when only oxygen gas is used. In addition, the ozone plasma processing method is as follows. The high frequency power is applied at 50 to 400 W while the pressure in the chamber is maintained at 10 to 900 Torr and the temperature of the sub heater is maintained at 300 to 400 ° C. At this time, when applying high frequency power, the sub heater is set to ground and the shower heater is set to the electrode. In addition, ozone plasma treatment time is about 1 to 20 minutes, and ozone concentration is 10000-20000 ppm at this time.

도 1(c)는 Ta2O5막(15) 상부에 제 2 TiN막(16)을 600∼700℃의 온도에서 100∼500Å의 두께로 형성한 상태의 단면도이다. 이후 상부 전극을 형성하여 캐패시터의 제조를 완료한다.FIG. 1C is a cross-sectional view of the second TiN film 16 formed on the Ta 2 O 5 film 15 at a thickness of 100 to 500 kPa at a temperature of 600 to 700 ° C. After that, the upper electrode is formed to complete the manufacture of the capacitor.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 캐패시터의 유전체막으로 Ta2O5막을 형성하고 600∼700℃의 온도에서 질소 가스와 산소 가스를 사용한 급속 열처리 공정으로 Ta2O5막을 결정화시킨 후 오존 플라즈마 처리를 실시하므로써 Ta2O5막과 하부 전극과의 계면 반응을 최대한 줄여 Ta2O5막내에 존재하는 탄소를 제거하고 산소 공핍을 억제하여 캐패시터의 누설 전류 특성을 개선할 수 있다.
As described above, according to the present invention, a Ta 2 O 5 film is formed as a dielectric film of a capacitor, and the Ta 2 O 5 film is crystallized by a rapid heat treatment process using nitrogen gas and oxygen gas at a temperature of 600 to 700 ° C., followed by ozone plasma treatment. by the carried out by the interfacial reaction of Ta 2 O 5 film and the lower electrode and removed as much as possible by reducing the carbon present in the Ta 2 O 5 N and to suppress oxygen depletion is possible to improve the leakage current characteristics of the capacitor.

Claims (8)

소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 하부 전극을 형성하는 단계;Forming a lower electrode on the semiconductor substrate having a predetermined structure formed thereon; 상기 하부 전극 상부에 Ta2O5막을 형성하는 단계;Forming a Ta 2 O 5 film on the lower electrode; 상기 Ta2O5막에 질소 및 산소 가스 분위기에서 급속 열처리 공정을 실시하여 상기 Ta2O5막을 결정화시킨 후 오존 플라즈마 처리를 실시하는 단계; 및Performing a rapid heat treatment process on the Ta 2 O 5 film in a nitrogen and oxygen gas atmosphere to crystallize the Ta 2 O 5 film and then performing ozone plasma treatment; And 상기 Ta2O5막 상부에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.Forming an upper electrode on the Ta 2 O 5 film, the method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 전극은 폴리실리콘막, TiN막 및 텅스텐막의 적층 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the lower electrode has a laminated structure of a polysilicon film, a TiN film, and a tungsten film. 제 1 항에 있어서, 상기 급속 열처리 공정은 600 내지 700℃의 온도에서 30 내지 60초간 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the rapid heat treatment is performed at a temperature of 600 to 700 ° C. for 30 to 60 seconds. 제 1 항에 있어서, 상기 질소 가스와 산소 가스의 혼합량은 1 내지 10slm인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.The method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to claim 1, wherein the mixing amount of the nitrogen gas and the oxygen gas is 1 to 10 slm. 제 1 항에 있어서, 상기 질소 가스와 산소 가스의 비율은 50 내지 90% : 10 내지 50%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the ratio of the nitrogen gas and the oxygen gas is 50 to 90%: 10 to 50%. 제 1 항에 있어서, 상기 오존 플라즈마 처리는 챔버내의 압력을 10 내지 900Torr로 유지하고, 서브 히터의 온도를 300 내지 400℃로 유지한 상태에서 고주파 전력을 50 내지 400W로 인가하여 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the ozone plasma treatment is performed by applying high frequency power at 50 to 400 W while maintaining the pressure in the chamber at 10 to 900 Torr and maintaining the temperature of the sub heater at 300 to 400 ° C. A method for producing a capacitor of a semiconductor device. 제 1 항에 있어서, 상기 오존 플라즈마 처리는 1분 내지 20분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the ozone plasma treatment is performed for 1 to 20 minutes. 제 1 항에 있어서, 상기 오존 플라즈마 처리시의 오존 농도는 10000 내지 20000ppm인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 캐패시터 제조 방법.The method of claim 1, wherein the ozone concentration during the ozone plasma treatment is 10000 to 20000 ppm.
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