KR20000001477A - 하드 마스크를 이용한 강유전체 커패시터의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
하드마스크를 이용한 강유전체 커패시터의 제조방법에 관해 개시한다. 본 발명의 커패시터의 제조방법은, 하부구조가 형성된 반도체 기판 상에 하부전극층, 유전물질층, 상부전극층을 차례로 적층하고, 티타늄 산화막(TiO2)을 하드마스크로 사용하고 산소비율이 0.2~0.8 정도인 산소와 염소의 혼합가스를 식각가스로 사용하여 상부전극을 패터닝한다. 이어서, 포토레지스트 패턴을 이용하여 유전막을 패터닝하고, 하부전극을 상부전극의 패터닝시와 같은 방법으로 패터닝하여 커패시터를 제조한다.
본 발명에 따르면, 산소와 염소의 혼합가스 하에서 티타늄 산화막에 대한 상하부전극 물질인 백금의 식각선택비가 크기 때문에 하드마스크의 두께를 낮출 수 있으며, 상하부전극층의 양호한 프로파일이 가능하고, 충분한 오정렬 마진이 확보된다. 또한, 사진식각공정의 수가 줄어들고, 그에 필요한 레티클의 수도 줄어들어 커패시터 제조공정이 단순해진다.
Description
본 발명은 하드마스크를 이용한 강유전체 커패시터의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 티타늄 산화막(TiO2)을 하드마스크로 사용하여 BST((Ba,Sr)TiO3), PZT(Pb(Zr,Ti)O3) 또는 Y1 등의 고유전율 재료를 유전막으로 사용하는 커패시터를 제조하는 방법에 관한 것이다. 여기서 Y1이란, 비스무스(Bi)층 형상 구조계에 속하는 강유전체 재료로서, 대표적으로 SrBi4Ti4O15, SrBi2Ta2O9, SrBi2Nb2O9, PbBi2Ta2O9, BaBi2Nb2O9등을 들 수 있다.
반도체 장치 특히, 메모리 디바이스에서 커패시터는 데이터의 저장수단으로서 사용된다. 저장된 데이터는 변형됨이 없이 유지되어야 하고, 외부 영향(예컨데, 알파(α) 입자)에 의해 발생하는 소프트 에러(soft error))에 의해 저장된 데이터가 손상되는 것을 방지할 수 있어야 한다. 한편, 반도체 장치의 고집적화에 따라 트랜지스터나 커패시터와 같은 반도체 소자들이 형성될 수 있는 영역이 점점 좁아지고 있다.
따라서, 좁은 영역에서 외부의 영향에도 데이터의 저장기능과 유지기능을 정상적으로 수행할 수 있을 정도의 커패시턴스를 갖도록 하는 여러 방법이 모색되고 있다. 그 방법중의 하나가 하부전극의 형태를 스택(stack)형이나 실린더(cylinder)형 또는 핀(fin)형 등과 같이 입체화하여 최대한 그 표면적을 넓히는 방법인데, 이 방법은 하부전극의 표면적을 확장할 수 있는 잇점이 있는 반면, 공정이 복잡해지는 문제와 앞으로 반도체장치가 더욱 고집적화될 수 있다는 점을 고려할 때 임시방편으로 그칠 가능성이 크다.
다른 방법은 유전율이 큰 유전체를 사용하는 것이다. 이러한 유전체로는 BST, PZT 또는 Y1등이 있다. 이러한 유전체들은 기존의 유전막인 실리콘 산화막(SiO2)이나 실리콘 나이트라이드막(Si3N4), 또는 이들의 조합인 NO(Si3N4/SiO2)나 ONO(SiO2/Si3N4/SiO2), 또는 탄탈륨 산화막(Ta2O5)에 비해 유전율이 수백배 이상이다. 따라서, 고유전율의 유전체를 사용하는 경우, 반도체 장치가 고집적화되더라도 반도체 장치가 필요로 하는 커패시턴스를 충분히 제공할 수 있다.
강유전체를 커패시터의 유전막으로 사용하기 위해선, 커패시터의 전극으로 강유전체와 잘 어울릴 수 있는 내열성 금속층을 사용해야 한다. 현재, 강유전체와 가장 잘 어울릴 수 있는 대표적 내열성 금속층으로서 백금(Pt)층이 널리 사용되고 있다. 백금층은 고온의 산소분위기에서 내산화성이 우수할 뿐만 아니라 강유전체막의 성장에 유리하다.
그런데, 백금과 같은 내열성 금속은 식각반응물의 기화도가 낮다. 따라서, 식각반응물이 마스크나 백금층에 다시 부착되고 이 결과, 식각된 백금층의 측벽은 낮은 각도로 된다. 또한, 포토레지스트를 마스크로 사용하여 백금을 패터닝하는 경우, 백금층의 식각율이 매우 낮아 포토레지스트의 두께가 지나치게 높아진다. 따라서, 미세 패턴의 형성이 어려워진다.
또한, 강유전체 유전막으로 사용되는 PZT박막은 통상 졸-겔 스핀 코팅(Sol-Gel spin coating)법으로 제조되는데, 이때 백금등으로 이루어진 전극형성용 물질이 하지막으로 웨이퍼 전면에 형성되어 있어야 한다. 그리고, 통상 상부전극으로부터 유전막, 하부전극의 순으로 패터닝을 하여 커패시터를 제조하게 된다. 이때, 포토레지스트를 마스크로 하여 패터닝을 하면 낮은 경사도와 선폭증가로 인한 오정렬 마진(misalign margin)이 줄어드는 문제점이 있다. 도 1은 포토레지스트를 이용하여 상부전극과 유전막을 식각한 시료의 주사현미경 사진으로, 도시된 바와 같이 각 막의 낮은 경사도로 미세패턴의 제어가 어려우며, 하부전극의 식각시 작은 오정렬 마진으로 인해 식각도중 유전막이 손상되기 쉽다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 강유전체 커패시터의 백금족 금속으로 이루어지는 상하부전극을 식각함에 있어서, 하드마스크를 이용함으로써 미세패턴 형성이 가능하고 오정렬 마진이 충분히 확보되는 반도체 장치의 커패시터 제조방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래의 방법에 의하여, 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 백금으로 이루어진 상부전극과 유전막을 식각한 시료의 주사현미경 사진이다.
도 2는 식각가스로 사용되는 산소와 염소의 혼합가스중 산소의 비율에 따른 백금과 티타늄 산화막의 식각율 및 티타늄 산화막에 대한 백금의 식각선택비를 도시한 그래프이다.
도 3은 산소와 염소의 혼합가스를 식각가스로 하고 하드마스크를 사용하여 백금층을 식각한 경우의 주사현미경 사진이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 의한 커패시터의 제조공정을 차례로 도시한 단면도이다.
도 5는 종래의 방법에 의하여 제조된 커패시터를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 의하여 제조된 커패시터의 주사현미경 사진이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 하드마스크를 이용한 커패시터 제조방법은 다음과 같이 실시한다.
반도체 기판 상에 하부전극층, 유전물질층 및 상부전극층을 순차적으로 형성하고, 상부전극층 상에 제1 하드마스크 패턴을 형성한다. 이어서, 제1 하드마스크 패턴을 식각마스크로, 산소 및 염소가 혼합된 가스를 식각가스로 사용하여 상부전극층을 패터닝하여 상부전극을 형성하고, 사진식각공정을 수행하여 유전물질층을 패터닝하여 하부전극층을 노출하도록 유전막을 형성한다. 그리고, 유전막이 형성된 결과물 전면에 제2 하드마스크층을 형성하고 사진식각공정을 수행하여 제1 하드마스크 패턴, 상부전극 및 유전막의 상면 및 측면을 덮도록 제2 하드마스크 패턴을 형성한 다음, 상부전극을 형성하는 방법과 동일한 방법으로 하부전극층을 패터닝하여 하부전극을 형성함으로써 커패시터를 제조한다.
이때, 상기 제1 및 제2 하드마스크는 티타늄 산화막(TiO2)으로 형성하는 것이 바람직하고, 식각가스로 사용되는 산소 및 염소의 혼합가스는 전체 혼합가스중 산소의 비율이 0.2~0.8로 하는 것이 바람직하다.
또한, 유전물질로는 BST, PZT 또는 Y1으로 형성하는 것이 바람직하고, 상하부전극층은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh) 또는 루테늄(Ru) 등의 백금족 금속이나 산화 이리듐(IrO2), 산화 루테늄(RuO2) 또는 산화 로듐(RhO2) 등의 백금족 금속의 산화물로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 산소와 염소의 혼합가스를 식각가스로 사용하여 백금족 금속이나 그 산화물을 식각할 때, 하드마스크 특히 티타늄 산화막으로 이루어진 하드마스크가 잘 식각되지 않는 특성을 이용하여 백금족 금속이나 그 산화물을 상하부전극으로 사용하는 커패시터를 제조하는 방법을 제공한다.
도 2는 산소와 염소의 혼합가스중 산소의 비율에 따른 백금(G1)과 티타늄 산화막(G2)의 식각율 및 티타늄 산화막에 대한 백금의 식각선택비(G3)를 도시한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 산소의 비율이 0.2 이상일 때 식각선택비는 10:1 이상이 되고 특히 0.4일 때는 20:1 이상이 되어, 마스크로 사용되는 티타늄 산화막의 두께는 수백Å 정도이면 충분하다. 이렇게 낮은 두께의 마스크를 사용하여 백금층을 식각하면, 식각반응물이 다시 부착될 측면 공간을 근본적으로 줄일 수 있고, 과도식각방법으로 이를 제거할 때 과도식각량을 줄일 수 있게 된다. 도 3에 티타늄 산화막을 하드마스크로 하고 산소와 염소의 혼합가스를 식각가스로 하여 백금층을 식각한 주사현미경 사진을 도시하였다. 도 3에서 보듯이 그 경사도는 약 80°로서 도 1의 포토레지스트를 이용하여 백금층을 식각한 종래기술에 비하여, 훨씬 더 미세한 패턴의 형성이 가능함을 알 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 커패시터의 제조방법을 상세히 설명한다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일실시예에 따른 커패시터의 제조방법을 도시한 단면도로서 반도체 장치의 커패시터가 형성되는 영역을 도시한다.
도 4a를 보면, 하부구조가 형성되어 있는 반도체 기판 상에 하부전극층(200), 유전물질층(300) 및 상부전극층(400)이 차례로 적층되어 있다. 여기서, 하부구조로는 반도체 기판(100), 층간절연막(110), 하부전극을 위한 컨택(120) 등이 형성되어 있을 수 있다. 또한, 하부전극층(200) 및 상부전극층(400)은 전술한 바와 같은 백금족 금속이나 그 산화물로 형성되어 있고, 유전물질층(300)은 강유전체인 BST, PZT 또는 Y1 등으로 형성된다.
이렇게 형성된 상부전극층(400) 위에 티타늄 산화막으로 이루어진 하드마스크층을 적층하고, 그 위에 포토레지스트 패턴을 형성한 다음 이를 마스크로 하여 하드마스크층을 식각한다. 그리고 포토레지스트를 제거하면 상부전극을 식각하기 위한 마스크인 하드마스크 패턴(500)이 형성된다.
이어서, 하드마스크 패턴(500)을 식각마스크로 이용하고 산소와 염소의 혼합가스를 식각가스로 하여 식각하면 도 4b에 도시된 바와 같이, 상부전극(410)이 형성된다. 이때, 산소와 염소의 혼합가스중 산소의 비율은 전술한 바와 같이 0.2~0.8로 한다. 그리고, 상부전극(410)의 식각마스크로 사용되었던 티타늄 산화막(500)은 제거할 필요없이 그대로 놔둔다.
다음, 노출된 유전물질층(300) 상에 포토레지스트 패턴을 형성하고 이를 마스크로 하여 하부전극층(200)이 드러나도록 유전막(310)을 패터닝한 다음 포토레지스트를 제거하면 도 4c와 같이 된다.
지금까지의 결과물 전면에 다시 티타늄 산화막으로 이루어진 하드마스크층을 적층하고, 그 위에 포토레지스트 패턴을 형성한 다음 이를 마스크로 하여 하드마스크층을 식각한다. 그리고 포토레지스트를 제거하면, 도 4d와 같이 하부전극을 식각하기 위한 하드마스크 패턴(600)이 형성된다.
이렇게 형성된 하드마스크 패턴(600)을 식각마스크로 하고 상기의 상부전극 식각시와 같이 산소와 염소의 혼합가스를 식각가스로 사용하여 하부전극층(200)을 식각하면 도 4e에서와 같은 하부전극(210)이 형성됨으로써 커패시터의 제조를 완료하게 된다. 이때의 주사현미경 사진이 도 6이다.
이때, 하부전극(210)의 식각마스크로 사용했던 티타늄 산화막(600)은 FRAM 장치에서 강유전체 유전막을 보호하는 희생산화막으로 사용되기 때문에, 따로 제거할 필요가 없다. 그리고, 본 실시예에 따르면 도 5에 도시된 종래의 방법에 비해 사진식각공정이 세 번으로 줄고 그에 필요한 마스크(레티클)의 수도 세 장으로 줄어든다. 도 5에 도시된 종래의 방법은, 하부구조가 형성된 반도체 기판(10,11,12)상에 하부전극층, 유전물질층, 상부전극층을 차례로 적층하고, 포토레지스트 패턴을 이용하여 상부전극(40), 유전막(30), 하부전극(20)을 차례로 패터닝한 다음, 강유전체 유전막을 보호하기 위하여 티타늄 산화막을 적층하고 사진식각공정을 수행하여 보호막(50)을 형성하므로 총 네 번의 사진식각공정을 수행하여야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 하드마스크를 이용한 강유전체 커패시터의 제조방법은 상하부전극으로 사용되는 금속층인 백금층을 패터닝하기 위해, 티타늄 산화막을 하드마스크로 사용하고 식각가스로서 산소비율이 0.2~0.8 정도인 산소와 염소의 혼합가스를 사용한다. 이러한 조건하에서 측면 경사각이 80°정도인 양호한 프로파일의 백금층 패턴이 형성되며, 아울러 상기 백금층과 티타늄 산화막간의 식각선택비는 10:1 이상이 되므로 상기 티타늄 산화막을 얇은 두께로 형성할 수 있다. 이에 따라, 백금층을 패터닝하는 과정에서 발생되는 식각반응물이 적층될 수 있는 측면의 공간이 근본적으로 작아져서 소량의 식각반응물만이 결과물의 측면에 부착된다. 따라서, 백금층 패턴과 그 마스크의 측면에 부착되는 식각반응물 제거를 위한 과도식각량을 줄일 수 있다.
또한, 티타늄 산화막을 하드마스크로 사용함으로써, 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용한 경우에 비해 사진식각공정의 수가 줄어들고, 그에 필요한 레티클의 수도 줄어들어 커패시터 제조공정이 단순해지고 시간과 비용도 줄어든다.
Claims (5)
- (a) 반도체 기판 상에 하부전극층, 유전물질층 및 상부전극층을 순차적으로 형성하는 단계;(b) 상기 상부전극층 상에 제1 하드마스크 패턴을 형성하는 단계;(c) 상기 제1 하드마스크 패턴을 식각마스크로, 산소 및 염소가 혼합된 가스를 식각가스로 사용하여 상기 상부전극층을 패터닝하여 상부전극을 형성하는 단계;(d) 사진식각공정을 수행하여 상기 유전물질층을 패터닝하여 하부전극층을 노출하도록 유전막을 형성하는 단계;(e) 상기 (d)단계의 결과물 전면에 하드마스크층을 형성하고 사진식각공정을 수행하여 상기 제1 하드마스크 패턴, 상부전극 및 유전막의 상면 및 측면을 덮도록 제2 하드마스크 패턴을 형성하는 단계; 및(f) 상기 제2 하드마스크 패턴을 식각마스크로, 산소 및 염소가 혼합된 가스를 식각가스로 사용하여 상기 하부전극층을 패터닝하여 하부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 커패시터 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 하드마스크 패턴은 티타늄 산화막(TiO2)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 커패시터 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 산소 및 염소가 혼합된 가스는 전체 혼합가스중 산소의 비율이 0.2~0.8인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 커패시터 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 유전물질층은 BST, PZT 및 Y1으로 이루어진 군중 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 커패시터 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 상부전극층 또는 하부전극층은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 산화 이리듐(IrO2), 산화 루테늄(RuO2) 및 산화 로듐(RhO2)으로 이루어진 군중 선택된 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 커패시터 제조방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1998
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