KR100436054B1

KR100436054B1 - 강유전체캐패시터제조방법

Info

Publication number: KR100436054B1
Application number: KR1019960076404A
Authority: KR
Inventors: 이창구
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 1996-12-30
Filing date: 1996-12-30
Publication date: 2004-12-04
Also published as: KR19980057134A

Abstract

본 발명은 고집적도의 강유전체 기억소자의 SBT 강유전체를 캐패시터 유전체로 사용함에 있어서, 캐패시터 제작시 저온 증착공정으로 SBT 박막을 입혀 Bi 이온의 휘발 및 확산하는 정도를 줄이면서 이후 Bi의 이온 주입에 의해 보통 4~15% 정도 손실되는 Bi를 보충하여 Bi 이온으로부터 야기되는 열화 현상을 개선하며, 나아가서 적당한 에너지 및 주입량에 의한 이온주입과 결정화 열처리에 의해 SBT 강유전체 결정성을 확대하여 잔류분극치를 높이며 피로특성, 누설전류 특성 등의 소자 특성의 향상을 이루는데 있다.

Description

강유전체 캐패시터 제조 방법

본 발명은 SrBi₂Ta₂O₉(이하, SBT라 함) 강유전체 캐패시터 제조 방법에 관한 것으로, 특히 피로, 누설전류, 정보 유지 등의 신뢰성 개선과 더불어 잔류분극치의증대로 고집적 강유전체 소자(FRAM)에 적용할 수 있는 강유전체 캐패시터 제조 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, FRAM은 정보 저장을 하기 위한 캐패시터의 구조 및 제조 기술이 가장 중요하다고 할 수 있다. 그 외에 트랜지스터 구조 형성, 절연, 인터컨넥션등의 기술은 DRAM을 통해 많은 고도의 기술이 이룩되었기 때문에 소자내에서 강유전체 캐패시터를 전후 공정과 연관지어 어떻게 잘 만드냐에 따라 우수한 강유전체 소자의 특성이 좌우된다. 그래서 강유전체 캐패시터를 이루는 강유전체(Ferroelectric) 및 상·하부 전극의 재료 선정과 공정 방법은 강유전체 램 개발에 핵심이 된다.

캐패시터의 재료로는 크게 두가지로 Pb(ZrTi)O₃(이하, PZT라 함)와 SBT 강유전체가 쓰이고 있는데, PZT 강유전체는 근본적으로 잔류분극치가 커서 전하의 축적, 곧 정보의 저장 능력이 월등한 데 비해 소자의 신뢰도에 관계되는 피로특성(Fatigue), 정보유지의 특성(Retension), 누설 전류특성(Leakage)등이 열악한 것이 단점이 된다.

그러나 SBT 강유전체는 잔류분극치는 작으나 신뢰도 특성은 PZT에 비해 우수한 것으로 알려져 있다.

이런 이유로 SBT를 이용한 강유전체 캐패시터는 현행 가장 유망한 것으로 부각되어 있으나 고집적도의 강유전체 RAM을 만들기 위해서는 충족시켜야할 조건들이 많이 있다. 좀더 우수한 강유전체 특성과 신뢰도 특성의 확보해야 할 과제가 남아있고 이를 실현시킬 직접화상의 문제를 해결해야 한다.

도 1은 문헌을 통해 일반적으로 알려진 종래의 SBT 강유전체 램 구조를 나타내는 단면도로서, 소자분리(FOX)가 이루어진 실리콘기판 상에 통상적인 공정으로 트랜지스터 구조(워드라인)와 비트라인을 형성하고, BPSG 막으로 층간 절연을 이룬 다음, 폴리실리콘(1) 콘택, 확산방지/접착층(2)백금 하부전극(3), SBT 강유전체 박막(4), 백금 상부전극(5)이 차례로 적층된 캐패시터를 형성한다. 그리고 층간절연막(8)에 의해 층간 절연을 이룬다음 금속배선(9)을 형성한다.

여기서, SBT 강유전체 캐패시터(2, 3, 4, 5)의 제작 공정은 캐패시터 전후 공정과 상호 관련이 깊어 신중을 기해야 한다. 왜냐하면 SBT 박막을 강유전체상(Perovskite Phase)으로 결정화하는 데에는 고온의 열공정이 필수적이어서 고온의 박막 증착 과정이나 결정화 열처리 시에 Bi 이온의 휘발 및 확산이 일어나고 산소 동공(O vacancy)이 생겨난다. 또한 이들 불순물이 백금(Pt) 하부전극을 통해 쉽게 확산해 가고 Bi가 Pt과 Ti에 반응하므로 SBT 박막의 고유 잔류분극치를 얻지 못하는 것 외에 피로특성 등의 소자 특성이 나빠지게 된다. 또한 스토리지 노드(Storage Node)로 이용되는 폴리실리콘(Poly Silicon)의 산화는 피할 수 없다.

본 발명은 Bi 이온의 휘발 및 확산을 억제하므로써, 피로, 누설전류, 정보 유지 등의 신뢰성 개선과 더불어 잔류분극치의 증대로 고집적 강유전체 소자를 제조할 수 있는 강유전체 캐패시터 제조 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 일반적인 SBT 강유전체 램 구조를 나타내는 단면도,

도 2A내지 도 2G는 본발명의 일실시예에 의한 강유전체 캐패시터 제조 방법을 나타내는 공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

201: 강유전체상 202: 비강유전체상

203: 비정질상 20: Bi 이온 주입

21: 폴리실리콘막 22: Ti/TiN막

23: 백금 하부전극 24: SBT 박막

24a: SBT 강유전체 박막 25: 산화막

26: Ti 27: 백금 상부전극

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판상에 스토리지 노드 콘택을 형성하는 단계; 전체구조 상부에 제1접찹층/확산방지막과 백금하부전극을 차례로 형성하는 단계; 상기 백금하부전극 상에 피로특성 개선 및 산소 확산 방어를 위한 박막을 형성하는 단계; 강유전체상과 비강유전체상 그리고 비정질상이 혼재하는 불안정한 결정상의 SBT 박막을 증착하되, SBT박막내의 Bi가 휘발 또는 확산되는 것을 억제하기 위해 150~400℃의 저온 증착으로 상기 SBT 박막을 증착하는 단계; 상기 불안정한 결정상의 SBT 박막에 Bi를 이온 주입하여 확산 또는 손실되는 Bi를 보충하는 단계; 마스크 및 식각 공정으로 상기 적층된 막들을 패터닝하는 단계; 고온에서 열처리하여 상기 불안정한 SBT 박막을 완성된 강유전체상을 지닌 SBT 강유전체 박막으로 결정화하는 단계; 전체구조 상에 제2접착층/장벽금속막을 형성하고 마스크 및 식각 공정으로 상기 SBT 강유전체 박막의 일부를 노출시키는 단계; 및 백금상부전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

도 2A 내지 도 2G는 본 실시예에 의한 강유전체 캐패시터 제조 방법을 나타내는 단면도로서, 이를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2A와 같이, 통상적인 공정으로 트랜지스터 구조(워드라인 포함)와 비트라인을 형성하고, 층간 절연을 이룬 다음, 폴리실리콘막(21)으로 스토리지 노드 콘택을 형성한 상태에서, 전체구조 상부에 접착층 및 확산방지막인 Ti(300~1500Å)/TiN(300~2000Å)막(22) 및 백금(Pt) 하부전극(23)을 차례로 적층한다. 그리고 백금 하부전극(23) 위에 200~800Å 두께의 RuO₂막(도면에 도시되지 않음)을 형성한 다음, 일반적 공정 온도보다 낮은 150~400℃의 저온에서 졸-겔(Sol-Gel)방법 또는 스퍼터링 증착법 또는 금속-유기체 화학증착법(MOCVD)으로 증착되어 강유전체상과 비강유전체상(pychiore phase) 그리고 비정질상이 혼재하는 완전하지 않은 중간 수준의 SBT박막(24)을 형성한다.

이 단계에서, SBT박막(24)은 저온 공정에 의해서 형성됨으로, 고온 증착시 발생되는 SBT 박막(24)내의 Bi의 확산 또는 휘발을 방지한다. 그리고, RuO₂막은 산소 또는 Bi 이온이 하부전극 백금으로 확산되는 것을 방지한다.

이어서, 도 2B와 같이, 불안정한 상을 가지는 SBT 박막(24)에 추가로 Bi를 이온 주입(20)하는데, Bi의 이온 주입시 그 에너지를 300KeV~2MeV로 하고, 그 주입량을 1×10¹²~1×10¹⁶/㎠으로 한다. Bi 이온 주입(20)을 하는 이유는 SBT 박막(24)의 결정 상태를 더욱 더 불안정하게하고 비정질화 시키기 위해서이며, 또한, 손실되기 쉬운 Bi 이온을 보충하여 조성을 조절하기 위해서이다. 도 2C에 이때의 SBT 박막(24)의 결정상이 나타나 있는데, Bi 이온 주입(20)에 의해 SBT 박막의 결정 상태가 더욱 더 불안정하게 되고 비정질화 됨에 따라 SBT 박막(24)의 결정 핵 생성률은 작아지게 된다. 동도면에서, "201" 은 강유전체상, "202" 는 비강유전체상, "203" 은 비정질상을 각각 나타낸다.

이어서, 도 2D와 같이, SBT 박막(24), 백금 하부전극(23) 및 Ti/TiN막(22)을 동일 마스크를 사용한 식각을 실시하여 패터닝한다.

이어서, O₂또는 N₂분위기의 600~900℃ 고온에서 급속으로 열처리 하거나 장시간 열처리하여 완성된 강유전체상을 지닌 SBT 강유전체 박막(24a)을 형성하는데, 도 2E에 도시된 바와같이, 감소된 결정핵은 고온의 열처리가 진행됨에 따라 결정화 되어 주위 입자와 접촉할 때까지 성장한다. 따라서 성장한 결정 입자의 크기는 SBT 박막 내의 핵 농도에 영향을 받게 되고 핵의 농도가 낮을수록 확대된 결정 입자를 얻게 되는 한편 입자 사이의 경계 면적을 줄일 수 있게 된다.

이어서, 도 2F와 같이, 그 접착층인 산화막(25)과 장벽금속인 Ti막(26)을 차례로 형성한 다음, 마스크 및 식각 공정으로 상기 SBT 강유전체 박막(24a)이 일부 노출되도록 한다.

그리고, 도 2G와 같이, 백금 상부전극(27)을 형성하고 패터닝하여 최종적인 캐패시터 구조를 완성한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 강유전체 박막의 확대된 결정 입자를 얻게 되는 한편 결정 입자간의 경계 면적이 감소하는 효과 외에, 동시에 과잉의 Bi 이온을 통해 공정 중에 휘발 및 확산에 의해 손실되는 Bi를 보충한다. 또한 하부전극 위에 RuO₂를 얇게 입히므로써 Bi 및 산소의 백금 하부전극으로의 확산을 억제시켜 다결정실리콘의 산화를 억제하고 피로특성을 개선한다. 이러한 효과들로 인해 SBT 강유전체 캐패시터를 이용한 기억 소자의 잔류분극치가 커지고 신뢰성 또한 개선을 시킬 수가 있다.

본 발명은 피로특성, 누설전류특성, 정보유지 특성 등의 신뢰성 개선 외에고집적 소자에 필요되는 강유전체 캐패시터의 잔류 분극치의 확대를 이룰 수 있다.

Claims

기판상에 스토리지 노드 콘택을 형성하는 단계;

전체구조 상부에 제1접찹층/확산방지막과 백금하부전극을 차례로 형성하는 단계;

상기 백금하부전극 상에 피로특성 개선 및 산소 확산 방어를 위한 박막을 형성하는 단계;

강유전체상과 비강유전체상 그리고 비정질상이 혼재하는 불안정한 결정상의 SBT 박막을 증착하되, SBT 박막내의 Bi가 휘발 또는 확산되는 것을 억제하기 위해 150~400℃의 저온 증착으로 상기 SBT 박막을 증착하는 단계;

상기 불안정한 결정상의 SBT 박막에 Bi를 이온 주입하여 확산 또는 손실되는 Bi를 보충하는 단계;

마스크 및 식각 공정으로 상기 적층된 막들을 패터닝하는 단계;

고온에서 열처리하여 상기 불안정한 SBT 박막을 완성된 강유전체상을 지닌 SBT 강유전체 박막으로 결정화하는 단계;

전체구조 상에 제2접착층/장벽금속막을 형성하고 마스크 및 식각 공정으로 상기 SBT 강유전체 박막의 일부를 노출시키는 단계; 및

백금상부전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 강유전체 캐패시터 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 피로특성 개선 및 산소 확산 방어를 위한 박막을 200~800Å 두께의 RuO₂로 형성하는 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 Bi의 이온 주입시 그 에너지를 300KeV~2MeV로 하는 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터 제조 방법.
제3항에 있어서,

상기 Bi의 이온 주입시 그 주입량을 1×10¹²~1×10¹⁶/㎠으로 하는 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터 제조 방법.
제1항에 있어서 ,

상기 SBT 박막의 결정화를 위한 열처리 온도를 600~900℃로 하는 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터 제조 방법.