KR100468698B1 - 강유전체막용식각가스및이를이용한강유전체커패시터의제조방법 - Google Patents
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Abstract
강유전체막의 식각 가스 및 이를 이용한 강유전체 커패시터의 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 강유전체막의 식각 가스는 이온 충돌 효과를 높이기 위한 불활성 가스, 금속 성분을 식각하기 위한 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 및 산화물 성분을 식각하기 위한 불화 탄소 가스로 구성된다. 본 발명에 따른 강유전체막의 식각 가스는 강유전체막의 특성을 열화시키지 않고 일정 식각율을 유지하면서 강유전체막을 식각할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 강유전체막의 식각 가스 및 이를 이용하여 강유전체막을 유전체막으로 포함하는 강유전체 커패시터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
강유전체, 예컨대 PZT(PbZrxTi1-xO3), PLZT(La로 도핑된 PZT) 또는 PNZT(Nb로 도핑된 PZT)는 종래의 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물에 비해 유전율이 높고 분극 반전 특성을 지니기 때문에 차세대 메모리 소자의 제조에 적합한 물질로서 주목받고 있다.
즉, 강유전체는 유전상수가 매우 크기 때문에 DRAM의 커패시터 재료로 사용할 경우 플래너(planar) 구조로도 현 수준의 메모리용 커패시터를 제작할 수 있으며, 스택(stack)이나 트렌치(trench) 구조를 이용하면 Giga급 단위의 메모리 소자의 제작을 가능하게 한다.
최근에는 저장된 정보를 반 영구적으로 보관하여 별도의 리프레쉬(refresh) 과정을 수행할 필요가 없는 새로운 형태의 DRAM 메모리 소자인 FRAM (ferroelectric random access memory)의 제조에 자발 분극 특성을 지닌 강유전체가 유용하게 사용되고 있다.
그런데 대부분의 강유전체는 금속 산화물로 식각공정의 측면에서 금속으로서의 특성과 산화물로서의 특성을 동시에 지니고 있어서 강유전체를 사용하는 공정 조건이 매우 복잡해지는 단점이 있다. 예를 들면, 강유전체막의 건식 식각시 적절한 식각 가스를 설정하기가 용이하지 않고 식각 부산물이 식각된 강유전체막 패턴의 측벽에 재증착되는 문제점이 있다.
특히, PZT, PLZT 또는 PNZT와 같이 여러 가지 성분(Pb, Zr, Ti, O, La 또는 Nb)이 일정 조성비로 섞여 있는 강유전체는 그 조성비와 온도에 따라서 결정상이 정해지기 때문에 강유전체의 전기적 특성을 유지하기 위해서는 조성비를 일정하게 유지해야 한다. 따라서 식각 공정시 적합한 식각 가스가 사용되지 않을 경우 식각 가스에 노출된 강유전체막의 조성비가 변화하게 되고 이를 포함한 소자의 누설 전류나 정전 파괴 전압이 변화되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 강유전체막의 전기적 특성을 열화시키지 않으면서 강유전체막을 식각할 수 있는 식각 가스를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는 상기 건식 식각 가스를 사용하여 강유전체 커패시터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 건식 식각 가스는 불활성 가스, 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 및 불화 탄소 가스를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 강유전체 커패시터의 제조 방법에 따르면, 먼저 반도체 기판에 하부 전극 패턴, 강유전체막 및 상부 전극용 도전막을 차례대로 증착한다. 다음에 상기 상부 전극용 도전막을 셀 커패시터 단위로 패터닝한다. 이어서, 상기 패터닝된 상부 전극용 도전막을 식각 마스크로 사용하고 불활성 가스, 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 및 불화 탄소 가스를 포함하는 식각 가스를 사용하여 상기 강유전체막을 패터닝하여 셀 커패시터를 완성한다.
이 때, 불활성 가스로는 아르곤, 헬륨 또는 제논 가스를, 할로겐족 가스로는 염소 가스를, 할로겐화물 가스로는 브롬화수소산 가스를, 그리고 불화 탄소 가스로는 사불화 탄소, 삼불화 탄화수소, 또는 육불화탄소를 사용한다.
또, (할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스)/(할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 + 불화 탄소 가스)의 비는 0.3 내지 0.8로 조절하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 강유전체막으로는 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 산소(O)를 구성요소로 포함하는 막, 예컨대, PZT막, PLZT막 또는 PNZT막이 사용되는 것이 바람직하다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록하며, 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 여러 막과 영역들의 두께는 명료성을 위해서 강조되었다. 또한 어느 한 막이 다른 막 또는 기판위에 존재하는 것으로 지칭될 때, 다른 막 또는 기판 바로 위에 있을 수도 있고, 층간막이 존재할 수도 있다. 도면에서 동일참조부호는 동일부재를 나타낸다.
<강유전체막의 식각 가스>
본 발명에 따른 강유전체막의 식각 가스는 불활성 가스, 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 및 불화 탄소 가스를 포함한다. 식각 가스의 구성 요소중 불활성 가스는 건식 식각시 이온 충돌 효과를 높이기 위한 것이고, 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스는 강유전체막을 구성하는 금속 성분을 식각하기 위한 것이다. 그리고 불화 탄소 가스는 강유전체막을 구성하는 산화물 성분을 식각하기 위한 것이다.
이 때, 불활성 가스로는 아르곤, 헬륨 또는 제논 가스를, 할로겐족 가스로는 염소 가스를, 할로겐화물 가스로는 브롬화수소산 가스를, 그리고 불화 탄소 가스로는 사불화 탄소, 삼불화 탄화수소, 또는 육불화탄소를 사용한다.
또, (할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스)/(할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 + 불화 탄소 가스)의 비는 0.3 내지 0.8로 조절하여 강유전체막의 식각율이 1000Å/min이상이 되도록 한다.
본 발명에 따른 식각 가스를 사용하여 식각하기에 적합한 강유전체막은 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 산소(O))를 구성요소로 포함하는 막, 예컨대, PZT막, PLZT막 또는 PNZT막이다.
<강유전체 커패시터의 제조 방법>
도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전체 커패시터의 제조 방법을 설명한다.
도 1을 참조하면, 반도체기판(100)상에 선택적 산화방법(LOCOS; Local Oxidation of Silicon)과 같은 통상의 소자분리 공정을 적용하여 반도체기판을 활성영역과 비활성영역으로 한정하는 필드산화막(102)을 형성한 후, 게이트절연막(104), 게이트(106) 및 소오스/ 드레인(도시되지 않음)을 구비하는 트랜지스터를 형성한다. 이어서, 상기 트랜지스터의 드레인과 접촉하는 비트라인(108)을 형성한 후, 결과물 전면에 절연물질을 증착한 다음 평탄화하여 층간절연막(110)을 형성한다. 다음에, 상기 층간절연막(110)을 부분적으로 식각하여 콘택홀을 형성한 후 상기 콘택홀을 도전물질로 채움으로써, 트랜지스터의 소오스와 캐패시터의 하부전극을 연결하는 도전성 플러그(112)를 형성한다.
계속해서 플러그가 형성된 결과물상에 캐패시터의 하부전극을 형성하기 위한 도전물질을 증착하여 도전층을 형성한 다음, 통상의 사진식각 공정을 사용하여 상기 도전층을 패터닝함으로써 캐패시터의 하부전극(114)을 형성한다.
하부전극(114)이 형성된 결과물 전면에 강유전체막(116) 및 상부 전극용 도전층(118)을 형성한다. 강유전체막(116)으로는 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 산소(O)를 구성요소로 포함하는 막을 사용한다. 예를 들면, PZT막, PLZT막 또는 PNZT막이 사용될 수 있다. 그리고 상부도전층(118)은 백금계 또는 백금계 산화물을 증착하여 형성한다.
도 2를 참조하면 상부 전극용 도전층(118)상에 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한 후 이를 식각 마스크로 사용하여 상부 전극용 도전층(118)을 패터닝하여 상부 전극 패턴(118P)을 형성한다.
다음에 포토레지스트 패턴 및 상부 전극 패턴(118P)을 식각 마스크로 사용하고, 불활성 가스, 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 및 불화 탄소 가스로 이루어진 식각 가스를 사용하는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)방법에 의해 강유전체막(116)을 식각하여 강유전체막 패턴(116P)을 형성하여 셀 커패시터를 완성한다.
이 때, 이온 충돌 효과를 높이기 위한 불활성 가스로는 아르곤, 헬륨 또는 제논 가스를, 금속 성분을 식각하기 위한 할로겐족 가스 및 할로겐화물 가스로는 염소 가스 및 브롬화수소산 가스를, 그리고 산화물 성분을 식각하기 위한 불화 탄소 가스로는 사불화 탄소, 삼불화 탄화수소, 또는 육불화탄소를 사용한다.
그리고 반응성 이온 식각이 진행되는 식각 장치내로 (할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스)/(할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 + 불화 탄소 가스)의 비가 0.3 내지 0.8이 되도록 플로우시켜 강유전체막의 식각율이 1000Å/min이 되도록 플로우시킨다.
본 발명은 하기의 실험예를 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실험예가 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.
<실험예 1>
강유전체막의 식각에 어떠한 식각 가스가 필요하며 각 식각 가스는 강유전체막의 성분 중 어떤 성분의 식각에 적합한지를 알아보기 위하여 다음과 실시하였다. 먼저 복수개의 반도체 기판상에 2500Å 두께의 PZT막을 각각 형성한 후, 이들을 네 개의 그룹으로 나눈 후, 첫 번째 그룹에는 아무런 식각 처리도 하지 않았고, 두 번째 그룹에는 Ar 가스를 10sccm으로 0.5분 동안 플로우시켰고, 세 번째 그룹에는 Cl2 가스를 10sccm으로 0.5분 동안플로우시켰고, 네 번째 그룹에는 CF4 가스를 10sccm으로 0.5분 동안 플로우시켰다. 이렇게 서로 다른 식각 가스에 노출된 PZT박막 표면의 조성을 XPS 로 분석한 결과를 아래 표1에 나타내었다.
| 표본 | 식각 가스 | Pb | Zr | Ti | O | Pb/(Zr+Ti) | Zr/Ti |
| 1 | 미처리 | 21.91 | 14.97 | 4.78 | 58.33 | 1.109 | 3.132 |
| 2 | Ar | 4.31 | 25.47 | 7.12 | 63.11 | 0.132 | 3.577 |
| 3 | Cl2 | 4.86 | 22.69 | 6.48 | 65.97 | 0.166 | 3.502 |
| 4 | CF4 | 40.15 | 13.72 | 6.23 | 39.90 | 2.013 | 2.202 |
상기 표1의 결과로부터 알 수 있듯이 Ar 가스와 Cl2 가스는 Pb과 Ti을 선택적으로 식각하고, CF4 가스는 Zr을 선택적으로 식각함을 알 수 있었다. 특히 CF4 가스의 경우 O의 성분이 상당히 감소하였을 알 수 있다. 이는 CF4에 노출된 PZT막은 산화물로서의 특성이 감소하고 O가 부족한 금속성 물질막으로 변화한다는 것을 의미하여 PZT막의 전기적 특성이 열화되는 것을 의미한다.
<실험예 2>
실험예 1의 결과로부터 알 수 있듯이 CF4가스로 PZT막을 식각할 경우 PZT막내의 산소가 부족하게 되어 PZT가 금속성막으로 변화됨을 알 수 있었다. 그러나 PZT막이 금속성으로 변화되는 것을 방지하기 위하여 식각 가스에서 CF4를 빼버리면 일정 속도 이상의 식각율을 유지할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 공정시 최소 식각율로 요구되는 1000Å/min 이상의 식각율을 유지하기 위해서는 Cl2와 CF4의 비율을 어떻게 설정해야 하는가를 알아보기 위하여 Cl2/(Cl2+CF4)의 값을 0 에서부터 1까지 변화시키면서 PZT막에 대한 식각율을 측정하였다. 그 결과를 도3에 그래프로 도시하였다.
도 3에 도시되어 있는 그래프로부터 알 수 있듯이, 1000Å/min이상의 식각율을 유지하기 위해서는 Cl2/(Cl2+CF4)의 값이 0.3 내지 0.8이 되어야 함을 알 수 있었다.
<실험예 3>
식각 가스의 조성 비율에 따라 PZT 막의 전기적 특성이 어떻게 변화되는가를 알아보기 위하여 식각 가스의 조성 비율을 다르게 하면서 PZT막을 유전체막으로 포함하는 커패시터의 정전 파괴 전압을 측정하였다. 그 결과를 도4에 도시하였다. 도4에서 ＋는 Ar:Cl2:CF4 의 플로우 율의 비가10:0:10일 때를, ◆는 10:10:10일 때를, ▼는 10:20:10일 때를, ▲는 10:10:20일 때를, ●는 10:20:20일 때를 각각 나타낸다.
특히 Cl2와 CF4의 플로우 율의 비가 각각 10과 20일 때의 정전 파괴 전압을 도5에 도시하였다.
도 4와 도 5의 결과로부터 Cl2 의 플로우 율이 증가할수록 CF4의 플로우 율이 감소할수록 정전 파괴 전압이 향상되는 것을 알 수 있었다.
도면 및 상세한 설명에서 본 발명의 바람직한 실시예가 기술되었고, 특정 용어가 사용되었으나, 이는 이하의 청구범위에 개시되어 있는 발명의 범주로 이를 제한하고자 하는 목적이 아니라 기술적인 개념에서 사용된 것이다. 따라서 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.
본 발명에 따른 식각 가스를 사용하여 강유전체막을 식각하면, 강유전체막의 조성비는 변화시키지 않으면서 금속 성분과 산화물 성분을 모두 효과적으로 식각할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 식각 가스를 사용하면 강유전체 커패시터의 강유전체막을 일정값 이상의 식각율을 유지하면서 가공할 수 있고, 이렇게 형성된 강유전체 커패시터는 정전 파괴 전압등 그 전기적 특성이 향상된다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 강유전체 커패시터의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 3은 식각 가스내의 CF4/(Cl2+CF4)비와 PZT 막의 식각율간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 식각 가스내의 Ar:Cl2:CF4 의 비와 PZT 커패시터의 정전 파괴 전압간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 식각 가스내의 Cl2의 비와 정전 파괴 전압간의 관계 및 CF4의 비와 정전 파괴 전압간의 관계를 나타내는 그래프이다.
Claims (11)
- 불활성 가스, 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 및 불화 탄소 가스를 포함하되, (상기 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스)/(상기 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 + 상기 불화 탄소 가스)의 비가 0.3 내지 0.8이고, 상기 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 유량이 상기 불화 탄소 가스의 유량보다 큰 것을 특징으로 하는 강유전체막의 식각에 사용되는 식각 가스.
- 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스는 아르곤, 헬륨 또는 제논인 것을 특징으로 하는 강유전체막의 식각에 사용되는 식각 가스.
- 제1항에 있어서, 상기 할로겐족 가스는 염소 가스이며 상기 할로겐화물 가스는 브롬화수소산 가스인 것을 특징으로 하는 강유전체막의 식각에 사용되는 식각 가스.
- 제1항에 있어서, 상기 불화 탄소 가스는 사불화 탄소, 삼불화 탄화수소, 또는 육불화탄소인 것을 특징으로 하는 강유전체막의 식각에 사용되는 식각 가스.
- 제1항에 있어서, 상기 강유전체막은 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 산소(O)를 구성요소로 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 강유전체막의 식각에 사용되는 식각 가스.
- 제5항에 있어서, 상기 강유전체막은 PZT, PLZT 또는 PNZT인 것을 특징으로 하는 강유전체막의 식각에 사용되는 식각 가스.
- 반도체 기판에 하부 전극 패턴을 형성하는 단계;상기 하부 전극 패턴위에 강유전체막 및 상부 전극용 도전막을 차례대로 증착하는 단계;상기 상부 전극용 도전막을 셀 커패시터 단위로 패터닝하는 단계; 및상기 패터닝된 상부 전극용 도전막을 식각 마스크로 사용하고 불활성 가스, 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 및 불화 탄소 가스를 포함하되, (상기 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스)/(상기 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 + 상기 불화 탄소 가스)의 비가 0.3 내지 0.8이고, 상기 할로겐족 가스 또는 할로겐화물 가스 유량이 상기 불화 탄소 가스의 유량보다 큰 식각 가스를 사용하여 상기 강유전체막을 패터닝하여 셀 커패시터를 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 커패시터의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 불활성 가스는 아르곤, 헬륨 또는 제논인 것을 특징으로 하는 강유전체막의 식각에 사용되는 식각 가스.
- 제7항에 있어서, 상기 할로겐족 가스는 염소 가스이며 상기 할로겐화물 가스는 브롬화수소산 가스인 것을 특징으로 하는 강유전체막의 식각에 사용되는 식각 가스.
- 제7항에 있어서, 상기 불화 탄소 가스는 사불화 탄소, 삼불화 탄화수소, 또는 육불화탄소인 것을 특징으로 하는 강유전체막의 식각에 사용되는 식각 가스.
- 제7항에 있어서, 상기 강유전체막은 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 산소(O)를 구성요소로 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 강유전체막의 식각에 사용되는 식각 가스.
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