KR100605101B1 - Ferroelectric memory device and method of forming the same - Google Patents
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Abstract
들뜸 현상을 방지할 수 있는 강유전체 메모리 장치 및 그 형성 방법을 개시한다. 이 장치는 정렬키 영역을 구비하는 반도체 기판에 적층된 층간 절연막; 상기 층간 절연막 상에 보호막; 상기 정렬키 영역에서 상기 보호막과 상기 층간 절연막을 차례로 관통하는 리세스된 영역; 상기 리세스된 영역의 측벽과 바닥을 덮는 잔류 도전막; 상기 잔류 도전막의 바닥과 측벽의 일부를 덮는 잔류 절연막; 상기 잔류 절연막 및 상기 잔류 도전막 상에 차례로 적층된 하부 전극막 및 강유전막을 구비하되, 상기 보호막은 상기 하부 전극막 및 상기 잔류 절연막 사이에 개재되는 것을 특징으로 하며, 상기 개재된 보호막은 상기 강유전막 내의 납성분등의 확산을 방지하여 상기 잔류 절연막과 상기 납성분등의 반응을 방지하여 들뜸 현상을 방지한다.A ferroelectric memory device and a method of forming the same are disclosed. The apparatus includes an interlayer insulating film laminated on a semiconductor substrate having an alignment key region; A protective film on the interlayer insulating film; A recessed region sequentially passing through the passivation layer and the interlayer insulating layer in the alignment key region; A residual conductive film covering sidewalls and bottoms of the recessed regions; A residual insulating film covering a portion of the bottom and sidewalls of the residual conductive film; And a lower electrode film and a ferroelectric film sequentially stacked on the residual insulating film and the residual conductive film, wherein the protective film is interposed between the lower electrode film and the residual insulating film, and the interposed protective film is the ferroelectric film. The diffusion of lead and the like in the interior is prevented and the reaction between the residual insulating film and the lead and the like is prevented, thereby preventing the floating phenomenon.
강유전막, 티타늄산화막Ferroelectric film, titanium oxide film
Description
도 1은 종래 기술에 따른 정렬키 영역을 구비하는 강유전체 메모리 장치의 단면도를 나타낸다.1 is a cross-sectional view of a ferroelectric memory device having an alignment key region according to the prior art.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬키 영역을 구비하는 강유전체 메모리 장치의 단면도를 나타낸다.2 is a cross-sectional view of a ferroelectric memory device having an alignment key region according to an embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 7은 도 2의 강유전체 메모리 장치를 형성하는 방법을 순차적으로 나타내는 공정 단면도들이다.3 through 7 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of forming the ferroelectric memory device of FIG. 2.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1, 100: 반도체 기판 3, 102: 게이트 패턴1, 100:
5, 104: 제 1 층간 절연막 7, 106: 콘택 패드5, 104: first interlayer
9, 108: 제 2 층간 절연막 11, 116: 보호막9, 108: second interlayer
13, 110: 스페이서 15, 112: 콘택 도전막13 and 110:
17, 114: 절연막 19, 118: 베리어막17, 114:
21, 120: 하부 전극막 23, 122: 강유전막21 and 120:
25, 124: 상부 전극막25, 124: upper electrode film
본 발명은 비휘발성 메모리 소자 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 정렬키 영역을 구비하는 강유전체 메모리 장치 및 그 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile memory device and a method of forming the same, and more particularly, to a ferroelectric memory device having an alignment key region and a method of forming the same.
반도체 장치의 소자가 고집적화됨에 따라 캐패시터를 사용하는 메모리 장치에서 좁은 면적에 큰 용량을 가지는 캐패시터를 형성하는 것이 중요한 과제가 되고 있다. 소면적 대용량 캐패시터를 실현하기 위한 방법들 중의 하나로 높은 유전율을 가지는 유전막을 채용한 캐패시터 형성 방법이 연구되고 있다. 특히, 최근에는 캐패시터에 강유전체를 이용하여 리프레쉬(refresh)가 필요없고 높은 동작 특성을 가진 비휘발성 메모리 장치를 형성하는 방법이 많이 연구되고 있다. 대표적 강유전막 물질로는 PZT, BST등의 티탄산 금속 화합물을 들 수 있다. 이들 화합물이 강유전성을 갖기 위해서는 기판에 성막하고 처리하기 쉬운 아몰포스 구조의 전단계 물질 상태에서 결정화가 이루어지거나, 강유전성 배열을 가지는 결정화가 이루어져야 한다. 그리고 이들 물질의 결정화를 위해서는 통상 고온, 산소 분위기에서 일정 시간 처리하는 단계가 필요하다. 그런데, 이들 물질을 고온 산소분위기에서 처리할 때 이미 형성되어 있는 반도체 장치의 구성 부분이 영향을 받는 문제가 발생할 수 있다. As devices of semiconductor devices are highly integrated, it is an important task to form capacitors having a large capacity in a small area in a memory device using capacitors. As one of methods for realizing a small area large capacity capacitor, a method of forming a capacitor employing a dielectric film having a high dielectric constant has been studied. In particular, recently, many methods have been studied to form a nonvolatile memory device having a high operating characteristic without using refresh by using a ferroelectric in a capacitor. Representative ferroelectric film materials include metal titanate compounds such as PZT and BST. In order for these compounds to have ferroelectricity, they must be crystallized in a pre-stage material state of an amorphous structure, which is easy to form and process on a substrate, or crystallization having a ferroelectric array. In order to crystallize these materials, a step of processing for a predetermined time in a high temperature, oxygen atmosphere is usually required. However, when these materials are processed in a high temperature oxygen atmosphere, there may arise a problem that the components of the semiconductor device already formed are affected.
도 1은 종래 기술에 따른 정렬키 영역을 구비하는 강유전체 메모리 장치의 단면도를 나타낸다.1 is a cross-sectional view of a ferroelectric memory device having an alignment key region according to the prior art.
도 1을 참조하면, 셀 어레이 영역과 정렬키 영역을 구비하는 반도체 기판(1) 상에 게이트 패턴(3)들을 형성하고 제 1 층간 절연막(5)을 적층한다. 상기 제 1 층간 절연막(5)을 평탄화하여 상기 게이트 패턴(3)들의 상부면을 노출시킨다. 상기 게이트 패턴들(3) 사이에 자기정렬콘택공정으로 콘택 패드(7)를 형성한다. 상기 반도체 기판(1)의 전면 상에 제 2 층간 절연막(9)을 적층한다. 상기 제 2 층간 절연막(9) 상에 보호막(11)을 적층한다. 상기 보호막(11)과 상기 제 2 층간 절연막(9)을 차례대로 패터닝하여 상기 셀 어레이 영역에서 콘택홀을 형성하는 동시에 상기 정렬키 영역에서 정렬키 홈을 형성하기 위한 리세스된 영역을 형성한다. 상기 콘택홀의 내측벽을 덮는 스페이서(13)를 형성하고 콘택 도전막(15)을 적층하여 상기 콘택홀을 채우는 동시에 상기 리세스된 영역의 내측벽과 바닥을 덮는다.Referring to FIG. 1,
상기 콘택 도전막(15) 상에 절연막(17)을 적층하고 상기 절연막(17)과 상기 콘택 도전막(15)에 대해 평탄화 공정을 진행하여 상기 보호막(11)을 노출시키는 동시에 상기 보호막(11) 상의 상기 절연막(17)과 상기 콘택 도전막(15)을 제거한다. 따라서, 상기 정렬키 영역의 상기 리세스된 영역안에 상기 콘택 도전막(15)으로 이루어지는 잔류 도전막과 상기 절연막(17)으로 이루어지는 잔류 절연막이 남는다. 베리어막(19)과 하부 전극막(21)을 콘포말하게 적층하고 패터닝하여 상기 셀 어레이 영역에서 하부 전극을 형성한다. 상기 정렬키 영역에서 상기 베리어막(19)과 상기 하부 전극막(21)은 도 1과 같이 남을 수 있다.The
강유전막(23)과 상부 전극막(25)을 차례로 적층하고, 상기 상부 전극막(25)을 패터닝하여 상기 셀 어레이 영역에서 상부 전극을 형성한다. 그리고 상기 강유 전막(23)이 강유전성을 갖도록 하기 위해 열처리 공정을 실시한다. 이때, 상기 강유전막(23) 내부의 납(Pb) 성분등이 상기 하부 전극막(21) 및 상기 베리어막(19)을 통해 확산하여 상기 절연막(17)과 반응하여 바람직하지 않은 화합물을 형성한다. 이로 인해 상기 절연막(17) 상의 상기 베리어막(19), 상기 하부 전극막(21) 및 상기 강유전막(23)등이 들뜨게 되어 후속의 사진식각 공정에서 정렬키 역할을 제대로 하기 어렵게 된다.The
또한 상기 보호막(11)의 두께로 인해 셀 어레이 영역과 주변회로 영역의 단차가 더우 증가한다. 따라서, 주변회로 영역에서 메탈 콘택을 형성하기 위한 패터닝 공정에서 하부의 도전막까지 완전히 뚫리지 않아 메탈 콘택 오픈(metal contact open)이 발생할 수 있으며, 후속의 사진식각 공정에서 도프(DOF, depth of focus) 마진이 부족할 수 있다.In addition, due to the thickness of the
따라서, 상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 과제는 강유전막 내부의 납 성분의 확산등을 방지하여 들뜸 현상을 방지할 수 있고 단차를 완화할 수 있는 강유전체 메모리 장치 및 그 형성 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, in order to solve the above problems, the present invention provides a ferroelectric memory device and a method of forming the same, which can prevent the floating phenomenon by preventing the diffusion of lead components in the ferroelectric film and can alleviate the step. have.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 강유전체 메모리 장치는 정렬키 영역을 구비하는 반도체 기판에 적층된 층간 절연막; 상기 층간 절연막 상에 보호막; 상기 정렬키 영역에서 상기 보호막과 상기 층간 절연막을 차례로 관통하는 리세스된 영역; 상기 리세스된 영역의 측벽과 바닥을 덮는 잔류 도전막; 상기 잔류 도전막의 바닥과 측벽의 일부를 덮는 잔류 절연막; 상기 잔류 절연막 및 상기 잔류 도전막 상에 차례로 적층된 하부 전극막 및 강유전막을 구비하되, 상기 보호막은 상기 하부 전극막 및 상기 잔류 절연막 사이에 개재되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, the ferroelectric memory device of the present invention comprises an interlayer insulating film stacked on a semiconductor substrate having an alignment key region; A protective film on the interlayer insulating film; A recessed region sequentially passing through the passivation layer and the interlayer insulating layer in the alignment key region; A residual conductive film covering sidewalls and bottoms of the recessed regions; A residual insulating film covering a portion of the bottom and sidewalls of the residual conductive film; And a lower electrode film and a ferroelectric film sequentially stacked on the residual insulating film and the residual conductive film, wherein the passivation film is interposed between the lower electrode film and the remaining insulating film.
상기 강유전체 메모리 장치에 있어서, 상기 보호막은 바람직하게 티타늄산화막(TiO2)의 단일막으로 이루어지거나 티타늄산화막과 실리콘질화막의 이중막으로 이루어진다.In the ferroelectric memory device, the protective film is preferably made of a single film of titanium oxide (TiO 2 ) or a double film of a titanium oxide film and a silicon nitride film.
상기 하부 전극막과 상기 보호막 사이에 베리어막이 개재될 수 있다. 이때, 상기 베리어막은 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 텅스텐(W)을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속 또는 상기 적어도 하나의 금속의 실리사이드 또는 상기 적어도 하나의 금속의 질화물로 이루어질 수 있다. 상기 잔류 절연막과 상기 층간 절연막은 바람직하게는 동일한 물질로 이루어진다. 상기 강유전막은 PZT[Pb(Zr,Ti)O3], PbTiO3, SrTiO3, BaTiO3
, PbLaTiO3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3, BST[(Ba,Sr)TiO3], Ba4Ti3O12, SrBi2Ta2O9 및 Bi4Ti3O12을 구비하는 그룹에서 선택되는 하나의 물질로 이루어질 수 있다.A barrier layer may be interposed between the lower electrode layer and the passivation layer. In this case, the barrier film is at least one metal selected from the group consisting of titanium (Ti), tantalum (Ta), aluminum (Al), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and tungsten (W) or the at least one It may be made of a silicide of a metal or a nitride of the at least one metal. The residual insulating film and the interlayer insulating film are preferably made of the same material. The ferroelectric film is PZT [Pb (Zr, Ti) O 3], PbTiO 3, SrTiO 3, BaTiO 3, PbLaTiO 3, (Pb, La) (Zr, Ti)
상기 반도체 기판은 셀 어레이 영역을 더 구비하며, 상기 셀 어레이 영역에서, 상기 보호막과 상기 층간 절연막을 차례로 관통하여 상기 반도체 기판과 전기적으로 접속하는 콘택 플러그; 및 상기 콘택 플러그 및 상기 보호막 상에서 상기 콘택 플러그와 중첩되며 차례로 적층된 하부 전극막, 강유전막 및 상부 전극막을 더 구비할 수 있다.The semiconductor substrate further includes a cell array region, the contact plug electrically passing through the passivation layer and the interlayer insulating layer and electrically connected to the semiconductor substrate in the cell array region; And a lower electrode layer, a ferroelectric layer, and an upper electrode layer overlapping the contact plug and sequentially stacked on the contact plug and the passivation layer.
상기 강유전체 메모리 장치를 형성하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 셀 어레이 영역과 정렬키 영역을 구비하는 반도체 기판 상에 층간 절연막을 형성한다. 상기 층간 절연막을 패터닝하여 상기 정렬키 영역에서 상기 층간 절연막에 리세스된 영역을 형성한다. 상기 리세스된 영역이 형성된 상기 반도체 기판 상에 도전막과 절연막을 차례로 적층한다. 평탄화 공정을 진행하여 상기 층간 절연막을 노출시키는 동시에 상기 리세스된 영역의 바닥과 측벽을 덮는 잔류 도전막 및 상기 잔류 도전막의 바닥과 측벽을 덮는 잔류 절연막을 형성한다. 전면 이방성 식각 공정을 진행하여 상기 층간 절연막의 일부와 상기 잔류 절연막의 일부를 동시에 식각한다. 상기 식각된 층간 절연막의 상부와 잔류 도전막의 측벽 및 상기 잔류 절연막 상에 보호막을 형성한다. 상기 보호막 상에 하부 전극막을 형성한다. 그리고 강유전막을 형성한다.A method of forming the ferroelectric memory device is as follows. First, an interlayer insulating film is formed on a semiconductor substrate having a cell array region and an alignment key region. The interlayer insulating layer is patterned to form a region recessed in the interlayer insulating layer in the alignment key region. A conductive film and an insulating film are sequentially stacked on the semiconductor substrate on which the recessed region is formed. A planarization process is performed to expose the interlayer insulating film, and to form a residual conductive film covering the bottom and sidewalls of the recessed region and a residual insulating film covering the bottom and sidewalls of the residual conductive film. A surface anisotropic etching process is performed to etch a part of the interlayer insulating film and a part of the remaining insulating film at the same time. A passivation layer is formed on the etched interlayer insulating layer, sidewalls of the remaining conductive layer, and the remaining insulating layer. A lower electrode layer is formed on the passivation layer. And a ferroelectric film is formed.
상기 방법에 있어서, 상기 보호막은 스퍼터링(Sputtering), 저압화학기상증착(Low pressure chemical vapor deposition), 또는 화학기상증착(Chemical vapor deposition) 방법으로 형성될 수 있다.In the above method, the passivation layer may be formed by sputtering, low pressure chemical vapor deposition, or chemical vapor deposition.
상기 하부 전극막을 형성하기 전에 베리어막이 형성될 수 있다. 상기 베리어막은 스퍼터링(sputtering) 또는 화학기상증착(Chemical vapor deposition) 방법으로 형성될 수 있다. 상기 강유전막은 금속유기화학기상증착(Metal organic chemical vapor deposition), 졸-겔(sol-gel) 또는 스퍼터링(Sputtering) 방법으로 형성될 수 있다.A barrier film may be formed before forming the lower electrode film. The barrier film may be formed by sputtering or chemical vapor deposition. The ferroelectric film may be formed by metal organic chemical vapor deposition, sol-gel, or sputtering.
상기 방법에 있어서, 상기 리세스된 영역이 형성될 때, 상기 셀 어레이 영역 에서 상기 층간 절연막을 관통하는 콘택홀이 형성될 수 있다. 상기 도전막을 적층할 때, 상기 콘택홀이 상기 도전막으로 매립될 수 있으며, 상기 평탄화 공정으로 상기 콘택홀 안에 상기 도전막으로 이루어지는 콘택 플러그가 형성될 수 있다. 또한 상기 보호막은 상기 콘택 플러그의 측벽을 더 덮도록 형성될 수 있다. 상기 강유전막 상에 상부 전극을 형성한다.In the method, when the recessed region is formed, a contact hole penetrating the interlayer insulating layer may be formed in the cell array region. When the conductive layers are stacked, the contact hole may be filled with the conductive layer, and a contact plug including the conductive layer may be formed in the contact hole by the planarization process. In addition, the passivation layer may be formed to further cover the sidewall of the contact plug. An upper electrode is formed on the ferroelectric film.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the scope of the invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. In addition, where a layer is said to be "on" another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween. Like numbers refer to like elements throughout.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬키 영역을 구비하는 강유전체 메모리 장치의 단면도를 나타낸다.2 is a cross-sectional view of a ferroelectric memory device having an alignment key region according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 셀 어레이 영역과 정렬키 영역을 구비하는 반도체 기판(100) 상에 소자 분리막(미도시)에 의해 한정된 활성 영역 상에 게이트 패턴(102)들이 배치된다. 상기 게이트 패턴(102)은 차례로 적층된 게이트 절연막, 게이트 전극 및 캐핑막 패턴과 측벽을 덮는 스페이서로 이루어질 수 있다. 상기 게 이트 패턴(102)들 사이의 상기 활성 영역에는 소오스/드레인 영역들이 배치될 수 있다. 상기 게이트 패턴들(102)과 동일 선상에 제 1 층간 절연막(108)이 위치하며 상기 게이트 패턴들(102)의 측벽을 덮는다. 상기 게이트 패턴들(102) 사이에 콘택 패드(106)가 배치된다.Referring to FIG. 2,
상기 제 1 층간 절연막(104) 상에 제 2 층간 절연막(108)이 위치한다. 상기 제 1 및 제 2 층간 절연막들(104, 108)은 HSQ(Hydrogen Silsesquioxane), BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glss), HDP(High density plasma) 산화막, PETEOS(plasma enhanced tetraethyl orthosilicate), USG(Undoped Silicate Glass), PSG(Phosphorus Silicate Glss), PE-SiH4 및 Al2O3를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제 2 층간 절연막(108)은 종래의 것(도 1의 참조번호 9)에 비해 얇은 두께를 갖는다.A second
상기 제 2 층간 절연막(108) 상에 보호막(116)이 위치한다. 상기 보호막(116)은 티타늄산화막(TiO2)의 단일막으로 이루어지거나 티타늄산화막과 실리콘질화막의 이중막으로 이루어진다. 상기 보호막(116)과 상기 제 2 층간 절연막(109)을 관통하여 상기 셀 어레이 영역에서 상기 콘택 패드(106)을 노출시키는 콘택홀(109a)과 상기 정렬키 영역에서 상기 제 1 층간 절연막(104)을 노출시키는 리세스된 영역(109b)이 배치된다. 상기 리세스된 영역(109b)의 바닥은 상기 제 1 층간 절연막(104)을 관통하여 상기 반도체 기판(100) 상의 패드 산화막(미도시)을 노출시킬 수 있다. 또는 상기 리세스된 영역(109b)의 바닥은 상기 제 1 층간 절 연막(104)에 이르지 못하고, 상기 제 2 층간 절연막(108)의 소정 깊이를 노출시킬 수 있다.The
상기 콘택홀(109a) 내측벽에 스페이서(110)가 위치한다. 도시하지는 않았지만, 상기 리세스된 영역(109b)의 내측벽에도 스페이서가 위치할 수 있다. 상기 콘택홀(109a)를 채워 상기 콘택 패드(106)와 전기적으로 접속하는 콘택 플러그(112a)가 있으며, 상기 리세스된 영역(109b)의 측벽과 바닥을 덮는 잔류 도전막(114b)이 있다. 상기 잔류 도전막(114b) 상에 잔류 절연막(114b)이 위치한다. 또한 상기 잔류 절연막(114b) 상에 상기 보호막(116)이 위치한다. 상기 잔류 절연막(114b)은 상기 제 2 층간 절연막(108)과 동일한 식각 선택비를 갖는 물질로 이루어지며, 바람직하게는 동일한 물질로 이루어진다.The
상기 셀 어레이 영역에서 상기 콘택 플러그(120a)와 중첩되는 하부 전극(120a)이 위치하고 상기 하부 전극(120a) 상에 강유전막(122)과 상부 전극(124a)이 위치한다. 상기 하부 전극(120a)과 상기 상부 전극(124a)은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 플래티늄(Pt), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 팔라듐(Pd), 루테늄산화물(RuOX), 이리듐산화물(IrOX), 및 플래티늄산화물(PtOX), 로듐산화물(RhO
X), 오스뮴산화물(OsOX), 및 팔라듐산화물(PdOX)을 구비하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 상기 강유전막(122)은 PZT[Pb(Zr,Ti)O3], PbTiO3, SrTiO3, BaTiO3, PbLaTiO3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3, BST[(Ba,Sr)TiO
3], Ba4Ti3O12, SrBi2Ta2O9 및 Bi4Ti3O12을 구비하는 그룹에서 선택되는 하나의 물질로 이루어질 수 있다.The
상기 상부 전극(124a)은 적어도 2개의 하부 전극(120a)들과 동시에 중첩되도록 형성될 수 있다. 이는 후속의 상부 전극 콘택 형성 시, 공정 마진을 높인다. 상기 하부 전극(120a) 밑에 베리어막(118)이 위치할 수 있다. 상기 정렬키 영역에서도 베리어막(118), 하부 전극막(120) 및 상기 강유전막(122)이 존재하며, 상부 전극막(124)도 존재할 수 있다. 상기 정렬키 영역에서 정렬키 홈(126)이 위치하여, 사진식각 공정에서 정렬키 역할을 할 수 있다.The
상기 구조의 강유전체 메모리 장치에서, 상기 정렬키 영역에서 상기 베리어막(118)과 상기 잔류 절연막(114b) 사이에 보호막(116)이 개재되어 후속의 강유전성을 위한 열처리 공정에서 상기 강유전막(122) 내의 납 성분 등의 확산을 막을 수 있다. 따라서, 종래의 들뜸 현상을 방지할 수 있다. 또한 상기 제 2 층간 절연막(108)이 종래보다 얇은 두께를 갖으므로 주변회로 영역과의 단차를 완화할 수 있다.In the ferroelectric memory device having the above structure, a
도 3 내지 도 7은 도 2의 강유전체 메모리 장치를 형성하는 방법을 순차적으로 나타내는 공정 단면도들이다.3 through 7 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of forming the ferroelectric memory device of FIG. 2.
도 3을 참조하면, 셀 어레이 영역과 정렬키 영역을 구비하는 반도체 기판(100) 상에 소자 분리막(미도시)을 형성하여 활성 영역을 한정한다. 상기 활성 영역 상에 게이트 패턴(102)을 형성한다. 상기 게이트 패턴(102)은 통상적인 방법 에 의해 형성할 수 있다. 상기 게이트 패턴(102) 사이의 상기 활성 영역에 이온주입공정으로 소오스/드레인 영역들(미도시)을 형성한다. 제 1 층간 절연막(104)을 적층하고 평탄화하여 상기 게이트 패턴(102) 상부를 노출시킨다. 자기정렬콘택(Self align contact, SAC) 공정으로 상기 게이트 패턴(102)들 사이에 콘택 패드(106)를 형성한다. 도시하지는 않았지만, 상기 게이트 패턴(102)들의 상부와 상기 콘택 패드(106) 상부를 덮는 식각저지막을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 3, an isolation layer (not shown) is formed on a
제 2 층간 절연막(108)을 적층하고, 선택적으로 패터닝하여 상기 셀 어레이 영역에서 상기 콘택 패드(106)을 노출시키는 콘택홀(109a)을 형성하는 동시에 상기 정렬키 영역에서 상기 제 1 층간 절연막(108)을 노출시키는 리세스된 영역(109b)을 형성할 수 있다. 이때 식각의 정도에 따라, 상기 리세스된 영역(109b)은 상기 제 1 층간 절연막을 통하여 상기 반도체 기판(100) 상의 패드 산화막(미도시)을 노출시킬 수 있다. 스페이서막을 적층하고 이방성 식각하여 상기 콘택홀(109a)의 내측벽을 덮는 스페이서를 형성한다. 이때, 도시하지는 않았지만, 상기 리세스된 영역(109b)의 내측벽을 덮는 스페이서도 형성될 수 있다.A second
상기 제 1 및 제 2 층간 절연막들(104, 108)은 HSQ(Hydrogen Silsesquioxane), BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glss), HDP(High density plasma) 산화막, PETEOS(plasma enhanced tetraethyl orthosilicate), USG(Undoped Silicate Glass), PSG(Phosphorus Silicate Glss), PE-SiH4 및 Al2O3를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 상기 스페이서막은 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 2 층간 절연막들(104, 108)은 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition), LPCVD(Low-pressure chemical vapor deposition), ALD(Atomic layer deposition), 및 SOG(Spin on glass)를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.The first and second
콘택 도전막(112)을 적층하여 상기 콘택홀(109a)을 채우는 동시에 상기 리세스된 영역(109b)의 측벽과 바닥을 덮는다. 상기 콘택 도전막(112)은 알루미늄, 구리, 텅스텐, 티타늄 및 탄탈륨을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 상기 콘택 도전막(112) 상에 절연막(114)을 형성한다. 이때 상기 리세스된 영역(109b)은 넓은 폭을 갖으므로 상기 절연막(114)이 상기 리세스된 영역(109b)을 다 채우지 못한다. 상기 절연막(114)은 상기 제 2 층간 절연막(108)과 동일한 식각 선택비를 갖는 물질로 형성되며 바람직하게는 동일한 물질로 형성된다.The contact
도 4를 참조하면, 평탄화 공정을 진행하여 상기 제 2 층간 절연막(108) 상의 상기 절연막(114)과 상기 콘택 도전막(112)을 제거한다. 따라서, 상기 제 2 층간 절연막(108)과 상기 콘택 플러그(112a)가 노출될 수 있으며 상기 리세스된 영역(109b)의 내측벽과 바닥을 덮는 잔류 도전막(112b)과 잔류절연막(114b)이 남을 수 있다.Referring to FIG. 4, a planarization process is performed to remove the insulating
도 5를 참조하면, 상기 콘택 도전막(112)과 상기 절연막들(108, 114)의 식각 선택비를 이용하여 전면 이방성 식각 공정을 진행한다. 이때, 상기 층간 절연막(108)과 상기 잔류 절연막(114b)이 동일한 식각 선택비를 갖으므로 같은 식 각 속도로 식각된다. 반면에 상기 콘택 플러그(112a) 및 상기 잔류 도전막(112b) 및 상기 스페이서(110)은 식각되지 않는다. 상기 전면 이방성 식각 공정의 진행 시간을 조절하여 상기 절연막들(108, 114b)의 식각 정도를 조절한다. 상기 전면 이방성 식각 공정으로 상기 제 2 층간 절연막(108)의 두께가 얇아져, 후속의 보호막(116)을 적층한다할지라도 주변회로 영역과의 단차를 완화할 수 있다.Referring to FIG. 5, an anisotropic etching process is performed by using an etching selectivity between the contact
도 6을 참조하면, 상기 결과물의 전면 상에 보호막(116)을 콘포말하게 적층한다. 이때, 상기 보호막(116)은 스퍼터링(Sputtering), 저압화학기상증착(Low pressure chemical vapor deposition), 또는 화학기상증착(Chemical vapor deposition) 방법으로 형성될 수 있다. 상기 보호막(116)은 티타늄산화막의 단일막 또는 티타늄산화막과 실리콘 질화막의 이중막으로 형성될 수 있다. 이때 상기 실리콘질화막은 저압화학기상증착 방법으로 형성될 수 있다. 상기 보호막(116)은 도 5의 전면 이방성 식각 공정에서 상기 제 2 층간 절연막(108)이 리세스된 정도의 두께 정도 또는 그 이상의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 6, a
도 7을 참조하면, 상기 보호막(116)에 대해 평탄화 공정을 진행하여 상기 콘택 플러그(112a) 및 상기 잔류 도전막(112b)을 노출시킨다. 상기 평탄화 공정은 상기 보호막(116) 상에 희생막(미도시)을 적층하여 진행될 수 있으며, 상기 평탄화 공정이 완료된 후 상기 희생막은 제거될 수 있다.Referring to FIG. 7, the
후속으로 도 2와 같이 베리어막(118), 하부 전극(120), 강유전막(122) 및 상부 전극(124a)을 형성한다. 상기 베리어막(118)은 스퍼터링(sputtering) 또는 화학기상증착(Chemical vapor deposition) 방법으로 형성될 수 있다. 상기 하부 전극(120a)과 상기 상부 전극(124a)은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 플래티늄(Pt), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 팔라듐(Pd), 루테늄산화물(RuOX), 이리듐산화물(IrOX), 및 플래티늄산화물(PtOX), 로듐산화물(RhOX), 오스뮴산화물(OsOX), 및 팔라듐산화물(PdO
X)을 구비하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 상기 강유전막(122)은 PZT[Pb(Zr,Ti)O3], PbTiO3, SrTiO3, BaTiO3, PbLaTiO
3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3, BST[(Ba,Sr)TiO3], Ba4Ti3O12, SrBi2Ta2O9 및 Bi4Ti3O12을 구비하는 그룹에서 선택되는 하나의 물질로 형성될 수 있다.Subsequently, the
이때 상기 강유전막(122)은 패터닝되지 않으며, 이로써 식각에 의한 강유전막의 손상을 방지할 수 있다. 상기 상부 전극(124a)을 형성한 후, 상기 강유전막(122)의 강유전성을 위한 열처리 공정을 진행한다. 이때 상기 보호막(116)이 상기 강유전막(122)의 납성분등의 확산을 방지하여 종래의 들뜸 현상을 억제한다.In this case, the
따라서, 본 발명에 의한 강유전체 메모리 장치 및 그 형성 방법에 따르면, 정렬키 영역에서 강유전막과 잔류 절연막 사이에 보호막이 개재되어, 후속의 강유전성을 위한 열처리 공정에서 강유전막 내의 납 성분등의 확산을 방지하여 종래의 상기 납성분 등과 상기 잔류 절연막과의 반응에 의한 들뜸 현상을 방지할 수 있다. 또한 층간 절연막이 이방성으로 식각되어 두께가 얇아지므로, 보호막이 존재할지라도 주변회로 영역과의 단차를 완화하여 후속의 메탈 콘택 오픈을 방지할 수 있고 도프 마진을 확보할 수 있다.Therefore, according to the ferroelectric memory device and the method of forming the same, a protective film is interposed between the ferroelectric film and the remaining insulating film in the alignment key region, thereby preventing diffusion of lead components and the like in the ferroelectric film in a subsequent heat treatment process for ferroelectricity. Thus, the lifting phenomenon due to the reaction with the conventional lead component and the residual insulating film can be prevented. In addition, since the interlayer insulating layer is etched anisotropically and the thickness is thin, even if the protective film is present, it is possible to mitigate the step with the peripheral circuit region to prevent subsequent metal contact opening and to secure the dope margin.
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