KR100418568B1 - 수소배리어막을 구비하는 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 층간절연막 또는 금속간절연막내 잔존하는 수분 및 수소로 인한 캐패시터의 열화를 방지하고, 금속배선 형성후 이루어지는 소자 보호막 형성시 유발된 수소의 캐패시터로의 침투를 방지하도록 한 반도체소자의 제조 방법에 관한 것으로, 트랜지스터 및 강유전체 캐패시터 형성이 완료된 반도체기판상에 제 1 절연막을 형성하는 단계, 상기 제1절연막내에 잔존하는 수소 및 수분을 제거하기 위해 플라즈마처리하는 단계, 상기 제 1 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 트랜지스터와 강유전체 캐패시터의 소정 부분을 노출시키는 배선용 콘택홀을 각각 형성하는 단계, 상기 콘택홀을 통해 상기 트랜지스터와 강유전체 캐패시터를 전기적으로 접속시키는 제 1 금속배선을 형성하는 단계, 상기 제 1 금속배선상에 제 2 절연막을 형성하는 단계, 상기 제2절연막내에 잔존하는 수소 및 수분을 제거하기 위해 플라즈마처리하는 단계, 상기 제 2 절연막상에 제 2 금속배선을 형성하는 단계, 상기 제 2 금속배선을 포함한 상기 제 2 절연막상에 수소배리어막을 형성하는 단계, 및 상기 수소배리어막상에 보호막을 형성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 반도체소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 절연막(Dielcetric layer)에 잔존하는 수소(H2) 또는 수분(H2O)을 제거하도록 한 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 메모리 소자에서 강유전체막(Ferroelectric Layer)을 캐패시터에 사용함으로써 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 소자에서 필요한 리프레쉬(Refresh)의 한계를 극복하고 대용량의 메모리를 이용할 수 있는 소자의 개발이 진행되어왔다.
이러한 강유전체막을 이용하는 강유전체 메모리 소자(Ferroelectric Random Access Memory; 이하 'FeRAM'이라 약칭함)는 비휘발성 메모리 소자(Nonvolatile Memory device)의 일종으로 전원이 끊어진 상태에서도 저장 정보를 기억하는 장점이 있을 뿐만 아니라 동작 속도도 DRAM에 필적하여 차세대 기억소자로 각광받고 있다.
이러한 FeRAM 소자의 축전물질로는 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 갖는 SrBi2Ta2O9(이하 'SBT'라 약칭함), Pb(Zr,Ti)O3(이하 'PZT'라 약칭함), SrxBiy(TaiNbj)2O9(이하 SBTN)와 같은 강유전체막이 주로 사용되며, 강유전체막은 상온에서 유전상수가 수백에서 수천에 이르며 두 개의 안정한 잔류분극(Remnant polarization; Pr) 상태를 갖고 있어 이를 박막화하여 비휘발성(Nonvolatile) 메모리 소자로의 응용이 실현되고 있다.
강유전체막을 이용하는 비휘발성 메모리 소자는, 가해주는 전기장의 방향으로 분극의 방향을 조절하여 신호를 입력하고 전기장을 제거하였을 때 남아있는 잔류분극의 방향에 의해 디지털 신호 '1'과 '0'을 저장하는 히스테리시스(Hysteresis) 특성을 이용한다.
그런데, 반도체 메모리 소자의 캐패시터 유전막을 강유전체막으로 형성하는데 있어서, 가장 장애가 되는 문제 중 하나는 캐패시터 유전막으로 채용된 강유전체의 강유전 특성이 캐패시터 형성공정 이후에 수행되는 반도체 메모리 소자의 집적공정(integration process)에서 열화된다는 것이다.
반도체 메모리 소자의 집적과정에서 강유전체로 된 캐패시터 유전막이 열화되는 문제를 이하에서 구체적으로 살펴보면, 반도체 메모리 소자의 제조에 있어서 캐패시터 형성공정을 수행한 이후에는 층간절연막(Interlayer Dielectric) 공정, 금속간 절연막(InterMetal Dielectric; IMD)공정, 보호막(Passivation) 공정 등이 수행된다.
그런데, 이러한 공정들을 수행하는 동안에는 캐패시터 유전막을 열화시킬 수 있는 불순물, 특히 수분 및 수소가 유발될 수 있으며, 유발된 수분과 수소는 공정이 진행되는 동안 직접적으로 캐패시터 유전막으로 침투하기도 하고, 층간절연막, 금속간절연막 또는 보호막내에 흡수되어 캐패시터 유전막으로 간접적으로 침투하기도 한다. 그 결과, 캐패시터 유전막으로 사용된 강유전체의 강유전 특성 중의 하나인 잔류분극(Pr)이 감소하게 된다.
예를 들어, 강유전체 캐패시터를 반도체 기판에 형성한 이후에 실란(SiH4) 가스와 산소(O2) 가스를 반응가스로 이용하여 실리콘 산화막으로 이루어진 층간절연막을 형성하는 공정을 진행하면, 실란가스(SiH4)와 산소가스(O2)가 반응한 후 수소가 부산물로 파생된다. 파생된 수소는 강유전체 캐패시터의 유전막으로 직접적으로 확산하여 캐패시터 유전막을 열화시키기도 하고, 층간절연막내에 흡수되어 서서히 캐패시터 유전막을 열화시키기도 한다. 그 결과, 캐패시터 유전막의 잔류분극(Pr)값이 감소되어, 캐패시터 유전막의 강유전 특성이 상실되는 문제까지 발생되기도 한다.
이처럼, 반도체 메모리 소자의 집적과정에서 수소나 수분 등의 불순물로 인한 캐패시터 유전막이 열화되는 문제는 층간절연막을 형성하기 위한 층간절연막(ILD)공정에서만 발생하는 것은 아니며, 수분을 다량 함유하는 금속간 절연막을 형성하기 위한 금속간 절연막(IMD) 공정 및 보호막을 형성하기 위한 보호막 공정에서도 실질적으로 동일한 문제가 발생하게 된다.
이러한 FRAM 소자의 특성 저하를 방지하기 위해서는 수소의 캐패시터로의 침입을 방지하는 것이 중요하며, 이를 위해 수소나 수분을 발생치 않는 층간절연막이나 금속간 절연막 공정을 개발해야 하지만, 기술적인 어려움과 경제적인 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 캐패시터에 접속되는 금속배선에 수소배리어막을 포함시키거나, 절연막 형성후 열처리 공정을 실시하여 막내에 잔존하는 수소나 수분을 제거하는 방법이 제안되었다.
그러나, 수소배리어막으로서 티타늄(Ti)을 포함하는 Ti/TiN/Al의 순서로 적층된 금속배선을 적용한 종래기술은 수소 어택(attack)으로부터 캐패시터를 보호하기 위해서 수소배리어막이 캐패시터를 충분히 덮어야만 하는 공정상 제약이 따르는문제점이 있다.
다른 종래기술은, 도 1에 도시된 바와 같이, 트랜지스터 제조 공정이 완료된 반도체기판(11)상에 제 1 층간절연막(ILD-1)(12)을 형성한 후, 제 1 층간절연막(12)상에 하부전극(13), 강유전체막(14), 상부전극(15)으로 이루어진 캐패시터를 형성한다.
다음으로, 캐패시터를 포함한 전면에 제 2 층간절연막(ILD-2)(16)을 형성한 후, 제 2 층간절연막(16)내에 잔존하는 수분 및 수소를 포함한 불순물들을 제거하기 위해 800℃ 이상의 고온에서 열처리를 실시한다.
이후, 트랜지스터와 캐패시터를 접속시키기 위한 국부배선(Local interconnection)(또는 금속배선), 금속간절연막(IMD), 최종 금속배선을 형성한 후 보호막을 형성한다. 금속간절연막 형성후에도 고온의 열처리를 실시하여 금속간절연막내에 잔존하는 수분이나 수소를 제거한다.
그러나, 상술한 종래기술에서는 고온 열처리시 캐패시터의 특성 열화가 발생되며 금속배선의 금속막(특히 Al의 녹는점 660℃)이 녹는 문제점이 있고, 보호막 형성시 유발된 수소가 국부배선을 통해 캐패시터로 침투하므로써 캐패시터의 강유전체막의 열화를 초래한다.
고온 열처리의 문제점을 해결하기 위해 저온(450℃)에서 장시간동안 열처리하는 방법이 제안되었는데, 장시간 공정에 따른 공정 부담이 증가하고, 또한 수분 및 수소를 효과적으로 제거하는데 한계가 있다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 절연막내에 잔존하는 수분 및 수소를 포함한 불순물에 의한 소자의 열화를 방지하고 캐패시터로의 수소 침투를 방지하도록 한 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 절연막에 잔존하는 수분 및 수소의 제거 방법을 간략히 도시한 도면,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 수소배리어막을 구비하는 반도체소자의 제조 방법을 도시한 도면,
도 3은 열처리된 절연막상에 수소배리어막으로서 알루미나를 적용한 경우의 정상분극 변화량을 도시한 도면,
도 4는 700℃까지 열처리온도를 승온시킨 절연막상에 알루미나를 적층시킨 경우의 XPS(X-ray Photoemission Spectroscopy)로 측정한 깊이 프로파일을 도시한 도면,
도 5a 내지 도 5c는 TDS(Thermal Desorption Spectroscopy) 분석을 통한 절연막내 수분 및 수소의 탈리 정도를 도시한 그래프,
도 5d는 TDS 분석시 절연막의 열처리 온도에 따른 불순물들의 결합 상태를 비교한 도면,
도 6a 내지 도 6c는 TDS 분석전 FTIR 분석 결과를 도시한 도면,
도 7은 미열처리된 절연막상에 수소배리어막으로서 티타늄 또는 알루미나를 적용했을 경우의 캐패시터의 분극특성을 비교한 히스테리시스 곡선.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : 반도체기판 22 : 필드산화막
24 : 게이트전극 25 : 소스/드레인
26 : 제 1 층간절연막 27 : 티타늄막
28 : 백금-하부전극 29 : 강유전체막
30 : 백금-상부전극 31 : 제 2 층간절연막
32 : 티타늄질화막 33 : 제 1 금속배선
34 : 비트라인콘택 35 : 금속간절연막
36 : 제 2 금속배선 37 : 알루미나층
38 : 보호막
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 제조 방법은 캐패시터 제조 공정이 완료된 반도체 기판상에 절연막을 형성하는 단계, 상기 절연막내에 잔존하는 수소 및 수분을 제거하기 위해 플라즈마처리하는 단계, 상기 절연막상에 금속배선을 형성하는 단계, 상기 금속배선을 포함한 상기 절연막상에 수소배리어막을 형성하는 단계, 및 상기 수소배리어막상에 보호막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명의 강유전체 메모리 소자의 제조 방법은 트랜지스터 및 강유전체 캐패시터 형성이 완료된 반도체기판상에 제 1 절연막을 형성하는 단계, 상기 제 1 절연막을 플라즈마처리하는 단계, 상기 제 1 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 트랜지스터와 강유전체 캐패시터의 소정 부분을 노출시키는 배선용 콘택홀을 각각 형성하는 단계, 상기 콘택홀을 통해 상기 트랜지스터와 강유전체 캐패시터를 전기적으로 접속시키는 제 1 금속배선을 형성하는 단계, 상기 제 1 금속배선상에 제 2 절연막을 형성하는 단계, 상기 제 2 절연막을 플라즈마처리하는 단계, 상기 제 2 절연막상에 제 2 금속배선을 형성하는 단계, 상기 제 2 금속배선을 포함한 상기 제2절연막상에 수소배리어막을 형성하는 단계, 및 상기 수소배리어막상에 보호막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 제 1 절연막 또는 제 2 절연막을 플라즈마처리하는 단계는 직류전력 또는 고주파전력 중 어느 하나를 인가하여 플라즈마를 발생시키거나, 또는 상기 제 1 절연막 또는 상기 제 2 절연막상에 금속막을 스퍼터링 증착하는 단계, 및 상기 금속막을 식각하는 단계를 포함함여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
첨부된 도면에 따른 본 발명의 실시예는 층간절연막(ILD) 및 금속간 절연막(IMD) 내에 잔존하는 불순물을 제거하고, 보호막(Passivation) 형성 중에 발생되는 수소의 캐패시터로의 침투를 방지하기 위한 것이므로, 트랜지스터의 제조 공정에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체기판(21)에 소자간 격리를 위한 필드산화막(22)을 형성한 후, 반도체기판(21)상에 게이트산화막(23), 게이트전극(24) 및 소스/드레인(25)을 포함하는 통상의 트랜지스터 제조 공정을 실시한다.
트랜지스터 제조 공정이 완료된 후, 게이트전극(24)을 포함한 반도체기판(21)상에 제 1 층간절연막(ILD-1)(26)으로서 BPSG(Boron PhosphorousSilicate Glass)막을 형성한 후, BPSG막을 리플로우시켜 평탄화한다.
다음으로, 평탄화된 제 1 층간절연막(26)상에 티타늄, 백금, 강유전체막을 순차적으로 형성한 후, 강유전체막, 백금 및 티타늄을 순차적으로 식각하여 티타늄막(27)/백금-하부전극(28)/강유전체막(29)의 순서로 적층된 캐패시터 구조를 형성한다.
여기서, 티타늄막(27)은 제 1 층간절연막(26)인 BPSG막과 백금-하부전극(28)간의 접착력을 증가시키기 위한 접착층(Glue layer)으로서, 50㎚∼250㎚의 두께로 증착된다.
한편, 티타늄막(27)과 같은 접착층으로는 티타늄막외에 탄탈륨막(Ta), 티타늄질화막(TiN) 또는 티타늄질화알루미늄막(TiAlN) 중 어느 하나를 적용해도 된다.
그리고, 강유전체막(29)은 BLT, Ta2O5, SBT(SrBi2Ta2O9), SBTN(SrBi (TaNb)2O9), PZT(Pb(Zr1-xTix)O3) 또는 PLZT(Pb,La((Zr1-xTix)O3) 중 어느 하나를 이용하며, 하부전극은 백금외에 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 이리듐산화막(IrO2), 루테늄산화막(RuO2) 또는 이들의 합금막 중 어느 하나를 이용한다.
계속해서, 강유전체막(29)상에 백금(Pt)을 형성한 후 선택적으로 패터닝하여 캐패시터의 백금-상부전극(30)을 형성한다. 상술된 백금-하부전극(28) 및 백금-상부전극(30)의 물질로는 백금(Pt)외에 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 이리듐산화막(IrO2),루테늄산화막(RuO2) 또는 이들을 적절한 두께로 조합시킨 적층막을 사용한다.
전술한 캐패시터의 전극 및 강유전체막 형성시, 상부전극, 강유전체막, 하부전극, 접착층을 순차적으로 식각할 수 있으며, 상부/하부 전극 및 강유전체막은 반응성이온식각(Reactive Ion Etching; RIE)법을 통해 식각된다.
계속해서, 백금-상부전극(30), 강유전체막(29), 백금-하부전극(28)으로 이루어지는 강유전체 캐패시터를 포함한 전면에 제 2 층간절연막(ILD-2)(31)으로서 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)계 산화막과 BPSG(Boro Phospho Silicate Glass)을 순차적으로 형성하거나, 또는 TEOS계 산화막과 PSG(Phospho Silicate Glass)을 순차적으로 형성한다.
여기서, 제 2 층간절연막(ILD-2)(31) 형성시, 반응가스로서 오존(O3)가스를 이용하고, 수소를 발생시키지 않는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 소스, 예컨대 테트라에틸오소실리케이트[TEOS:Si(OC2H5)4)]를 사용하여 400℃의 기판온도에서 TEOS계 산화막을 20㎚∼100㎚의 두께로 형성하고, BPSG막을 100㎚∼700㎚의 두께로 형성한다. 그리고, BPSG막 형성후 BPSG막의 막질 향상을 위해 500℃∼900℃에서 질소(N2)와 산소(O2)의 혼합 가스 분위기에서 열처리한다.
계속해서, 제 2 층간절연막(31) 증착후, 고진공 또는 저진공에서 직류 전력(DC power) 또는 고주파 전력(RF power) 중 어느 하나를 선택하여 플라즈마를 발생시키고, 발생된 플라즈마를 이용하여 제 2 층간절연막(31)내에 잔존하는 수분(H2O) 및 수소(H2)를 포함한 불순물(CO2, CO, CH3, C, O2)을 제거한다.
플라즈마를 발생시켜 불순물을 제거하는 방법은, 플라즈마발생장치내에 아르곤 가스를 도입하여 아르곤 플라즈마(Ar+plasma)를 발생시키면, 플라즈마발생을 위한 고에너지에 의해 아르곤(Ar+), 전자(e-) 등이 제 2 층간절연막(31)내로 침투하게 된다.
즉, 플라즈마 분위기를 조성하므로써 발생된 여러 이온 및 분자들이 고에너지를 갖고 제 2 층간절연막(31)으로 침투하여, 예컨대 H20-SiO, H2-SiO 등의 결합을 끊어 제 2 층간절연막(31)내에 잔존하는 수분(H2O) 및 수소(H2)를 제거한다.
전술한 제 2 층간절연막(31)내 수분 및 수소를 포함한 불순물을 제거하는 다른 방법은 제 2 층간절연막(31)상에 티타늄막을 12KW의 직류 모드와 실온하에서 스퍼터링 증착하는데, 티타늄을 증착하는동안 제 2 층간절연막(31)내 수분(H2O)과 스퍼터링시 발생된 플라즈마가 상호작용(Interaction)하므로써 제 2 층간절연막(31)내의 수분이 방출된다.
더욱이, 티타늄막과 수소의 흡수경향이 강하기 때문에, 제 2 층간절연막(31)내에서 수분(H2O)이 플라즈마와 상호작용하는동안 분해되는 수증기(H2O)로부터 수소(H2)가 티타늄막으로 흡수된다. 계속해서, 수소가 흡수된 티타늄막을 통상의 식각방법을 이용하여 제거하므로써, 별도의 열처리 공정없이 캐패시터 상부의 제 2 층간절연막(31)내에 잔존하는 수분 및 수소를 제거한다.
전술한 바와 같은 티타늄 증착을 통해 제 2 층간절연막(31)내에 잔존하는 불순물을 제거하는 방법은 티타늄 증착을 위한 것이 아니고 티타늄의 스퍼터링 증착중에 수분을 제거하고, 증착후 수소가 흡수된 티타늄막을 제거하므로써 수소를 제거하는 것이다.
비록 본 발명의 실시예에서는 티타늄막의 증착 공정을 이용하였으나, 티타늄을 제외한 다른 금속막의 증착공정, 특히 플라즈마를 이용한 증착법을 적용해도 되며, 이러한 금속막들은 불순물을 제거한 후 식각되는 희생막이므로 그 증착 두께는 두껍지 않아도 된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 제 2 층간절연막(31)을 선택적으로 식각하여 트랜지스터의 소스/드레인(25)과 캐패시터의 백금-상부전극(30)을 노출시키는 국부배선용 콘택홀과 비트라인을 접속시키기 위한 비트라인 콘택홀을 형성한다.
그리고, 두 콘택홀을 포함한 전면에 티타늄질화막(TiN)(32)을 형성하고 선택적으로 식각하여, 국부배선용 콘택홀을 통해 백금-상부전극(30)에만 접속되되 백금-상부전극(30)을 포함한 캐패시터를 덮는 폭으로 잔류시킨다. 이 때, 티타늄질화막(32)은 강유전체 캐패시터 영역에만 형성되며, 비트라인 콘택홀에는 형성되지 않는다.
여기서, 티타늄질화막(32)은 백금-상부전극(30)의 백금(Pt)이 후속 금속배선막의 알루미늄(Al)과 낮은 온도에서 반응이 심하게 일어나는 문제를 해결하기 위한 확산방지막(Diffusion barrier layer)이면서, 후속 금속배선막에 포함된 티타늄(Ti)이 강유전체막(29) 또는 백금-상부전극(30)으로 확산하는 것을 방지한다.
계속해서, 백금-상부전극(30)에만 접속된 티타늄질화막(32)을 포함한 전면에Ti/TiN/Al의 적층막을 증착한 후 선택적으로 식각하여 트랜지스터의 소스/드레인(25)과 캐패시터의 백금-상부전극(30)을 접속시키며 Ti/TiN/Al의 적층 구조로 이루어진 제 1 금속배선(33)을 형성하고, 트랜지스터의 소스/드레인(25)에 접속되는 비트라인 콘택(34)을 형성한다.
여기서, 전술한 제 1 금속배선(33)은 캐패시터의 상부전극(30)과 트랜지스터의 소스/드레인(25)을 전기적으로 접속시키는 국부배선(Local interconnection)이다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 제 1 금속배선(33) 및 비트라인 콘택(34)을 포함한 전면에 금속간절연막(IMD)(35)으로서 자체 평탄화 특성을 갖는 SOG(Spin on glass)계 절연막을 증착한다. 여기서, SOG계 절연막은 스핀온도포(Spin on coating)법, 화학적기상증착법(CVD) 또는 물리적기상증착법(PVD) 중 어느 한 방법을 통해 증착되고, SOG계 절연막으로 SiON(100㎚)/SOG(400㎚)/SRO(Silicon-rich Oxide)(400㎚)의 3중막을 이용할 수 있다.
상술한 금속간절연막(35)으로 이용된 SOG계 절연막은 통상적으로 막내에 수분 및 수소 등의 불순물이 다량 함유되어 있기 때문에, 이러한 불순물을 제거하기 위한 공정을 실시한다.
불순물 제거 방법은, 제 2 층간절연막(31)내 불순물 제거 방법과 동일하게 진행하는데, 플라즈마 분위기를 이용하여 금속간 절연막(35)내 H2O-Si, H2-Si 결합을 분해시키거나, 또는 플라즈마를 이용한 금속막의 스퍼터링 증착을 진행하므로써금속간 절연막(35)내에 잔존하는 수분 및 수소를 포함한 불순물을 탈리시킨다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 평탄화된 금속간 절연막(35)상에 제 1 금속배선(33) 및 비트라인콘택(34)과 동일한 Ti/TiN/Al의 적층막을 형성한 후, 적층막을 선택적으로 식각하여 제 2 금속배선(36)을 형성한다.
계속해서, 제 2 금속배선(36)상에 화학기상증착(CVD) 소스를 사용하는 증착법 또는 물리기상증착법(PVD) 중 어느 한 방법으로 수소배리어막인 알루미나(Al2O3)(37)를 2㎚∼100㎚두께로 증착한다.
여기서, 화학기상증착 소스를 사용하는 증착법으로는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 이용하며, 알루미나(37)는 수소확산방지는 물론 금속배선의 플라즈마식각으로 인한 손실을 방지한다.
다음으로, 알루미나(37)상에 보호막(38)으로서 PE-USG(Plasma Enhanced Undoped Silica Glass)계 산화막과 Si3N4의 이중막을 증착한다.
통상의 기술에서는 금속간 절연막과 보호막 형성시 수소가 발생되어 국부배선을 통해 캐피시터로 침입하는 현상이 발생되는데, 본 발명의 실시예에서는 최종 금속배선인 제 2 금속배선(36)상에 수소침투방지막으로서 알루미나(37)를 형성하여 수소의 침투를 방지한다.
이러한 알루미나(37)는 각 금속배선상에 형성하지 않고 캐패시터와 보호막 공정 전의 최종 금속배선상에만 형성하므로써 소자의 집적도 저하를 방지하면서 수소침투 방지 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 층간절연막 및 금속간 절연막 등의 절연막 형성후, 열처리 공정을 실시하지 않고 플라즈마분위기나 금속막의 스퍼터링 증착 및 식각을 통해 절연막내 불순물을 제거하였으나, 다른 실시예로서 이러한 공정을 적용하기전에 저온에서 열처리 공정을 먼저 실시할 수 있다.
다시 말하면, 캐패시터상에 절연막을 형성한 후, 450℃보다 작은 온도(300℃∼450℃)에서 열처리를 실시하여 절연막내 수분을 부분적으로 제거한 후, 플라즈마분위기 또는 금속막의 스퍼터링증착 및 식각을 실시하여 잔존하는 수분 및 수소를 제거한다.
그리고, 보호막 형성전에 완료된 최종 금속배선상에 알루미나를 형성하므로써 보호막 형성시 유발된 수소의 절연막으로의 침투를 방지한다.
위와 같은 방법을 적용하는 경우, 열처리 공정이 추가되지만 수분 및 수소 제거 효과 및 수소 침투 방지 효과가 우수하므로 적용가능성이 높다.
도 3은 알루미나를 수소배리어막으로 적용하고 절연막의 열처리 온도를 700℃까지 승온시킨 경우와 열처리전의 노말라이즈드 분극값[Normalized polarization, ΔP(ΔP = P*,switched - P^,nonswitched)]을 비교한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 보호막형성후 절연막의 열처리없이 알루미나만을 적용한 경우의 노말라이즈드 분극값이 가장 크고, 절연막의 열처리온도가 증가될수록(500℃->700℃) 보호막 형성후 노말라이즈드 분극값이 알루미나의 증착전과 근사해짐을 알 수 있다.
즉, 보호막 형성후 측정된 분극값들은 열처리된 절연막상에 알루미나를 증착하기전의 분극값에 노말라이즈된다.
도 4는 700℃까지 열처리온도를 승온시킨 절연막상에 알루미나를 적층시킨 경우의 XPS(X-ray Photoemission Spectroscopy)로 측정한 깊이 프로파일을 도시한 것으로, 알루미나 하부의 절연막의 깊이 프로파일은 열처리 온도에 무관함을 알 수 있다.
도 3 내지 도 4는 절연막상에 알루미늄 배리어막만을 적용한 샘플(Sample)을 비교한 것으로, 알루미나 배리어막의 유무는 캐패시터의 열화에 영향을 미치지만, 층간절연막 또는 금속간 절연막 형성후 실시하는 열처리 공정은 강유전체 캐패시터의 열화에 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
이는 절연막내 수분 또는 수소를 포함한 불순물에 의해 강유전체 캐패시터의 열화 현상이 발생된다고 예측할 수 있는데, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 이를 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5c는 600℃까지 처리온도를 승온시킨 온도의 함수로 나타낸 TDS(Thermal Desorption Spectroscopy) 분석 결과를 도시한 것으로서, TDS 온도에 따른 가스의 탈리량을 도시하고 있다. 참고로, TDS분석은 기판을 일정 온도로 승온시키면서 가열시켜 절연막내에 잔존하는 불순물들의 탈리정도를 분석하는 공정이다.
이 때, TDS 분석시, CO2,CO, CH3, C, O2와 같은 가스들의 탈리강도는 무시하고 수분과 수소에 대해서만 탈리 특성을 분석하였고, 절연막 하부의 기판은 절연막 증착전에 800℃에서 1시간동안 열처리되었고, 기판으로부터 흡수된 불순물은 무시하였다.
도 5a는 알루미나를 미적용한 열처리 경우만을 나타낸 TDS 분석 결과로서, TDS 온도 200℃∼300℃에서 수분(H2O)이 다량 탈리되는 반면, 수소(H2)는 거의 탈리되지 않음을 알 수 있다. 여기서, 절연막의 열처리 조건(열처리 미적용, 500℃, 700℃)에 따라 수분의 탈리량이 다르며, 열처리 온도가 증가할수록 수분의 탈리량이 작다.
즉, 열처리후 절연막을 TDS 분석하는 경우, 수분의 탈리량이 작기 때문에 열처리온도가 높을수록 절연막내 수분이 다량 제거되었음을 알 수 있다.
도 5b는 절연막 상부에 수소배리어막으로서 알루미나를 적용한 경우의 TDS 분석결과로서, TDS 온도 400℃ 근처에서 가장 많은 수분이 탈리됨을 알 수 있다. 이는 400℃ 전까지는 알루미나층이 수분 탈리를 블록킹(Blocking)하고, 400℃ 이후에 수분을 탈리시킴을 의미합니다.
이와 같이, 알루미나층을 이용한다 해도, 후속 보호막 공정이 이루어진후, 대부분의 수분 및 수소는 알루미나층을 통해 밖으로 확산되지 않고, 보호막공정동안 높은 열에너지로 절연막내에 잔류하기 때문에, 이러한 불순물들은 캐패시터를 덮고 있는 절연막 또는 캐패시터 및 금속배선 사이의 비아(via)와 같은 약한 경로를 통해 쉽게 캐패시터로 도착할 것이다.
캐패시터에서의 불순물들의 상호작용은 캐패시터의 비페로브스카이트상이 형성되는 결과를 초래하고, 결과적으로 캐패시터의 전기적 열화를 초래한다.
도 5c는 절연막상에 수소배리어막으로서 티타늄막을 적용한 경우의 TDS 분석 결과로서, TDS 온도 200℃∼300℃ 근처에서 수소(H2)가 다량 탈리되는 반면, 수분(H2O)은 거의 탈리되지 않는다.
이 때, 탈리되는 수소는 절연막내에서 탈리되는 것이 아니라 티타늄 증착시 티타늄에 흡수된 수소가 TDS 분석중 가열에 의해 탈리되는 것이며, 수분의 탈리량이 거의 없는 이유는 티타늄 증착시에 절연막내 수분이 모두 제거되었기 때문이다.
살펴본 바와 같이, 티타늄막을 수소배리어막으로 적용했을 경우, 절연막내 수분이나 수분이 가장 적게 잔존함을 알 수 있다.
도 5d는 TDS 분석시 열처리온도에 따른 절연막내 불순물들의 결합상태를 도시한 도면으로서, 열처리를 미적용한 경우에는 H2O-SiO, H2O-Al2O3/SiO, H2O-Ti/SiO, H2-SiO, H2-Al2O3/SiO, H2-Ti/SiO 결합들이 다수 존재하지만, 열처리온도가 증가할수록 잔존하는 결합들의 수가 감소함을 알 수 있다.
특히, H2O-Ti/SiO 결합의 경우, 열처리온도가 증가하더라도 그 잔존량이 변하지 않음을 알 수 있는데, 이는 티타늄증착시 SiO 내 수분이 제거되었기 때문이다. 그리고, 티타늄 적용시 가장 작은 수분과의 결합이 나타남을 알 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 절연막 또는 수소배리어막 증착후에 절연막내의 불순물들의 결합상태, 및 탈리 가스들의 불확실한 이동을 명확하게 파악하기 위해서, FTIR(Fourier Transform Infrared) 분석을 실시한 결과로서, 절연막의 열처리 조건에 따른 TDS 분석전의 결과를 나타내고 있다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 수소배리어막없이 절연막만을 형성한 경우에는 열처리 온도가 증가함에 따라 수분(H2O)이 감소하는 피크치로 넓은 범위에 걸쳐 검출됨을 알 수 있고(도 4a), 알루미나층을 수소배리어막으로 적용한 경우(도 4b)에도 그 범위는 비록 좁지만 열처리 온도가 증가함에 따라 수분이 검출된다.
그러나, 티타늄막을 수소배리어막으로 적용한 경우는 열처리 조건에 무관하게 거의 무시할만큼의 수분이 검출됨을 알 수 있다.
TDS 분석 결과와 FTIR 분석 결과를 종합해보면, 절연막상에 수소배리어막으로서 알루미나를 적용한 경우와 티타늄막을 적용한 경우 분석결과가 상이하다. 다시 말하면, 티타늄증착후 절연막내에는 수분이 거의 잔존하지 않지만, 알루미나 증착후 절연막내에는 수분이 그대로 잔존하고 있다.
상술한 알루미나와 티타늄막 적용에 따른 차이로부터, 열처리를 미적용한절연막상에 티타늄 또는 알루미나를 증착한 후, 강유전체 캐패시터의 P-V(Polarization versus Voltage) 곡선을 측정해보면, 알루미나를 적용한 경우는 열화가 심하게 관찰되나 티타늄의 경우는 열화가 거의 발생되지 않음을 알 수 있다(도 7 참조).
상술한 바와 같은 실시예에서는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법을 설명하였으나, 본 발명은 DRAM 등 캐패시터 제조 공정이 포함된 모든 반도체 소자의 제조 방법에 적용될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 반도체 소자의 제조 방법은 캐패시터 상부의 절연막을 플라즈마처리하므로써 절연막내 수분 및 수소를 제거하여 캐패시터의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 보호막형성전에 수소배리어막으로서 알루미나층을 형성하므로써 보호막형성시 유발된 수소가 캐패시터로 침투하는 것을 방지하여 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (13)
- 반도체소자의 제조 방법에 있어서,캐패시터 제조 공정이 완료된 반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;상기 절연막내에 잔존하는 수소 및 수분을 제거하기 위해 플라즈마처리하는 단계;상기 절연막 상에 금속배선을 형성하는 단계;상기 금속배선을 포함한 상기 절연막 상에 수소배리어막을 형성하는 단계; 및상기 수소배리어막 상에 소자 보호막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 플라즈마처리 단계는,직류전력 또는 고주파전력 중 어느 하나를 인가하여 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 반도체소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 플라즈마처리 단계는,상기 절연막상에 금속막을 스퍼터링 증착하는 단계; 및상기 금속막을 식각하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 반도체소자의 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 금속막은 티타늄막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 수소배리어막은 화학기상증착법, 물리기상증착법 또는 원자층증착법 중 어느 한 방법을 이용하여 형성하되, 상기 수소배리어막은 알루미나를 포함함을 특징으로 하는 반도체소자의 제조 방법.
- 강유전체 메모리 소자의 제조 방법에 있어서,트랜지스터 및 강유전체 캐패시터 형성이 완료된 반도체기판상에 제 1 절연막을 형성하는 단계;상기 제 1 절연막내에 잔존하는 수분 및 수소를 제거하기 위해 플라즈마처리하는 단계;상기 제 1 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 트랜지스터와 강유전체 캐패시터의 소정 부분을 노출시키는 배선용 콘택홀을 각각 형성하는 단계;상기 콘택홀을 통해 상기 트랜지스터와 강유전체 캐패시터를 전기적으로 접속시키는 제 1 금속배선을 형성하는 단계;상기 제 1 금속배선상에 제 2 절연막을 형성하는 단계;상기 제 2 절연막내에 잔존하는 수분 및 수소를 제거하기 위해 플라즈마처리하는 단계;상기 제 2 절연막상에 제 2 금속배선을 형성하는 단계;상기 제 2 금속배선을 포함한 전면에 수소배리어막을 형성하는 단계; 및상기 수소배리어막상에 소자 보호막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 1 절연막 또는 상기 제 2 절연막을 플라즈마처리하는 단계는,직류전력 또는 고주파전력 중 어느 하나를 인가하여 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 1 절연막 또는 상기 제 2 절연막을 플라즈마처리하는 단계는상기 제 1 절연막 또는 상기 제 2 절연막상에 금속막을 스퍼터링 증착하는단계; 및상기 금속막을 식각하는 단계를 포함함여 이루어짐을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 금속막은 티타늄막을 포함함을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 수소배리어막을 형성하는 단계는,상기 제 2 금속배선상에 화학기상증착법, 물리기상증착법 또는 원자층증착법 중 어느 한 방법을 이용하여 알루미나층을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 1 절연막은 TEOS계 산화막과 BPSG막의 순서로 적층되는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 2 절연막은 SOG계 절연막을 포함함을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제 1 금속배선 또는 상기 제 2 금속배선을 형성하는 단계는,티타늄, 티타늄질화막, 알루미늄을 순차적으로 적층하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법.
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