KR100655137B1 - 유기금속 화학기상증착법을 이용한 알루미나막 형성 방법및 그를 이용한 강유전체 메모리 소자 제조 방법 - Google Patents
유기금속 화학기상증착법을 이용한 알루미나막 형성 방법및 그를 이용한 강유전체 메모리 소자 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 수소 확산방지 특성이 양호한 Al2O3막을 보다 빠른 속도로 증착시켜 생산성을 향상시킬 수 있는, 유기금속 화학기상증착법을 이용한 알루미나막 형성 방법 및 그를 이용한 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 관한 것으로, MOCVD 방법을 이용하여 Al2O3막을 형성함으로써 종래 보다 증착속도를 향상시키는데 그 특징이 있다. 본 발명의 실시 예에서는, MTMA((CH3)3Al(C2H5)5
(CH3)3) 액체를 40 ℃ 내지 80 ℃에서 기화하여 생성한 원료가스를 120 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 유지된 운반선(delivery line)을 통하여 챔버내에 주입해서 0.05 Torr 내지 2 Torr 압력, 300 ℃ 내지 600 ℃ 증착온도 조건에서 100 Å 내지 300 Å 두께의 Al2O3막을 형성하는 방법을 제시한다. 이와 같은 조건으로 MOCVD 방법에 의해 증착된 Al2O3막은 종래 ALD 방법에 의해 증착된 경우와 유사한 수소확산 방지 특성 및 단차피복 특성을 가질 뿐만 아니라, ALD법에 의한 증착속도(5 Å/분 이하) 보다 빠른 증착속도(20 Å/분 이상)를 얻을 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.
캐패시터, 강유전체, Al2O3, 수소확산방지막, MOCVD
Description
도1 내지 도6은 본 발명의 실시 예에 따른 FeRAM 제조 공정 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 도면부호의 설명*
20: 하부전극막 21: 강유전체막
22: 상부전극막 23, 28, 31: Al2O3 수소확산방지막
29: 금속배선간 절연막 32: 페시베이션막
본 발명은 반도체 메모리 소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히 Al2O3 수소확 산방지막을 보다 빠른 속도로 증착시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 메모리 소자에서 강유전체(ferroelectric) 재료를 캐패시터에 사용함으로써 기존 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 소자에서 필요한 리프레쉬(refresh)의 한계를 극복하고 대용량의 메모리를 이용할 수 있는 소자의 개발이 진행되어왔다. FeRAM(ferroelectric random access memory) 소자는 비휘발성 메모리 소자의 일종으로 전원이 끊어진 상태에서도 저장 정보를 기억하는 장점이 있을 뿐만 아니라 동작 속도도 기존의 DRAM에 필적하여 차세대 기억소자로 각광받고 있다.
FeRAM 소자의 축전물질로는 SrBi2Ta2O9 (이하 SBT)와 Pb(Zr,Ti)O3
(이하 PZT) 박막이 주로 사용된다. 강유전체는 상온에서 유전상수가 수백에서 수천에 이르며 두 개의 안정한 잔류분극(remnant polarization) 상태를 갖고 있어 이를 박막화하여 비휘발성(nonvolatile) 메모리 소자로의 응용이 실현되고 있다. 강유전체 박막을 이용하는 비휘발성 메모리 소자는, 가해주는 전기장의 방향으로 분극의 방향을 조절하여 신호를 입력하고 전기장을 제거하였을 때 남아있는 잔류분극의 방향에 의해 디지털 신호 1과 0을 저장하는 원리를 이용한다.
FeRAM 소자에서 캐패시터의 강유전체 재료로서 PZT, SBT, SrxBiy(TaiNb
j)2O9(이하 SBTN) 등의 페롭스카이트(perovskite) 구조를 갖는 강유전체를 사용하는 경우 통상적으로 Pt, Ir, Ru, Pt 합금 등의 금속으로 상부전극을 형성한다.
FeRAM 소자 제조시 절연막 형성 공정은 크게 층간절연막(inter-layer dielectric), 금속배선간 절연막(inter-metal dielectric) 및 페시베이션(passivation)막 형성 공정으로 대별된다.
이러한 절연막 형성 공정은 통상적으로 실란(silane, SiH4)과 같은 수소를 포함한 원료가스와 플라즈마를 사용하기 때문에 수소 원자, 이온 및 분자를 쉽게 발생시켜 이들이 강유전체로 확산하여 강유전체의 특성을 저하시키는 손상(hydrogen damage)을 유발한다. 이런 절연막 형성시 발생되는 수소에 의한 손상을 방지하기 위해서는 600 ℃ 이상의 고온에서 증착 및 후 열처리를 실시하거나 TEOS(Si(OC2H5)4) 등과 같은 적절한 원료가스를 선택하여 절연막을 형성하는 방법이 있다.
그러나, 금속배선간 절연막 및 페시베이션막 형성 공정은 층간절연막 형성 공정과 달리 하부에 있는 Al 등의 금속배선 때문에 고온 증착 및 고온 후속 열처리가 불가능하다. 또한, 수분 흡수 방지 특성 향상을 위하여 통상적으로 TEOS 보다는 실란을 원료가스로 사용한다. 이러한 이유에서 종래의 FeRAM 제조 공정시 금속배선간 절연막 및 페시베이션막 형성 공정에서는 공정 변수를 조절하여 수소에 의한 강유전체 특성저하를 방지하는데, 이 방법에는 한계가 있다.
수소에 의한 강유전체의 손상을 효과적으로 방지하기 위하여 금속배선간 절연막 및 페시베이션막 형성 공정 전에 별도의 수소 확산방지막 형성 공정을 실시하는 방법이 제시되었다. 이러한 수소 확산방지막 형성 공정에서 요구되는 특성은 다 음과 같은 세 가지로 요약된다. 첫째, 막형성 공정 자체에서 수소 발생에 의한 손상을 유발하지 않아야 한다. 둘째, 수소 확산방지막 형성 이후 실시되는 후속 공정 즉, 금속 배선간 절연막 및 페시베이션막 형성 공정에서 발생하는 수소 원자, 이온 및 분자에 대한 우수한 확산방지 특성을 가져야한다. 셋째, 금속배선간 절연막 및 페시베이션 직전의 웨이퍼는 굴곡(topology)이 매우 크므로 균일한 두께를 갖는 막형성을 위해 우수한 피복(step coverage) 특성을 가져야 한다.
이러한 특성을 모두 만족시키기 위하여 수소확산 방지 특성이 우수한 Al2O3을 ALD(atomic layer deposition)법으로 증착하여 수소확산방지막을 형성하는 방법이 제시되었다. ALD법은 일종의 CVD법이므로 피복 특성이 우수한 장점이 있으나, ALD법을 이용하여 Al2O3막을 형성할 경우 다음과 같은 단점이 있다. 즉, ALD법에 의한 Al2O3막 형성 공정은 1 주기가 공정 챔버 내에 TMA(Al(CH3)3)를 약 0.2초 동안 흘려주는 제1 단계, N2 퍼지 가스(purge gas)를 약 1초 동안 흘려주는 제2 단계, H2O 산화 가스(oxidation gas)를 약 1초 동안 흘려주는 제3 단계 그리고 N2 퍼지 가스를 약 1초 동안 흘려주는 제4 단계로 이루어진다. 따라서, 증착 속도가 5 Å/분 이하 정도로 매우 느리기 때문에 생산성이 낮은 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 수소 확산방지 특성이 양호 한 Al2O3막을 보다 빠른 속도로 증착시켜 생산성을 향상시킬 수 있는, 유기금속 화학기상증착법을 이용한 알루미나막 형성 방법 및 그를 이용한 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 트랜지스터 형성이 완료된 반도체 기판 상에 하부전극, 강유전체막 및 상부전극으로 이루어지는 캐패시터를 형성하는 제1 단계; 및 상기 제1 단계가 완료된 전체 구조 상에 MOCVD법으로 제1 Al2O3 수소확산방지막을 형성하는 제2 단계를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기 제2 단계 후, 상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 층간절연막을 형성하는 제3 단계; 상기 캐패시터와 상기 트랜지스터를 연결하는 제1 금속배선을 형성하는 제4 단계; 상기 제4 단계가 완료된 전체 구조 상에 MOCVD법으로 제2 Al2O3 수소확산방지막을 형성하는 제5 단계; 및 상기 제2 제1 Al2O3 수소확산방지막 상에 금속배선간 절연막을 형성하는 제6 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기 제6 단계 후, 상기 제1 금속배선과 연결되는 제2 금속배선을 형성하는 제7 단계; 상기 제7 단계가 완료된 전 체 구조 상에 MOCVD법으로 제3 Al2O3 수소확산방지막을 형성하는 제8 단계; 및 상기 제3 Al2O3 수소확산방지막 상에 페시베이션막을 형성하는 제9 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, TMA((CH3)3Al(C2H5)
5(CH3)3) 액체를 이용한 원료가스를 준비하는 제1 단계; 및 상기 원료가스를 운반선을 통하여 증착 챔버 내에 상기 원료가스를 주입하여 기판 상에 Al2O3막을 형성하는 제2 단계를 포함하는 Al2O3막 형성 방법을 제공한다.
본 발명은 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 방법을 이용하여 Al2O3막을 형성함으로써 종래 보다 증착속도를 향상시키는데 그 특징이 있다. 본 발명의 실시 예에서는, MTMA((CH3)3Al(C2H5)5(CH
3)3) 액체를 40 ℃ 내지 80 ℃에서 기화하여 생성한 원료가스를 120 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 유지된 운반선(delivery line)을 통하여 챔버내에 주입해서 0.05 Torr 내지 2 Torr 압력, 300 ℃ 내지 600 ℃ 증착온도 조건에서 100 Å 내지 300 Å 두께의 Al2O3막을 형성하는 방법을 제시한다. 이와 같은 조건으로 MOCVD 방법에 의해 증착된 Al2O3막은 종래 ALD 방법에 의해 증착된 경우와 유사한 수소확산 방지 특성 및 단차피복 특성을 가질 뿐만 아니라, ALD법에 의한 증착속도(5 Å/분 이하) 보다 빠른 증착속도(20 Å/분 이상)를 얻을 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면 도1 내지 도6을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 FeRAM 소자 제조 방법을 상세히 설명한다.
먼저, 도 1에 도시한 바와 같이, 소자분리막(11) 그리고, 게이트 절연막(12), 게이트 전극(13) 및 소오스·드레인(14)으로 이루어지는 트랜지스터 형성이 완료된 반도체 기판(10) 상부에 BPSG(borophospho silicate glass) 등으로 제1 층간절연막(15)을 형성하고, 상기 제1 층간절연막(15) 내에 형성된 콘택홀을 통하여 상기 트랜지스터의 소오스·드레인(14)과 연결되는 비트라인(16)을 형성한다. 이어서, 비트라인(16) 형성이 완료된 전체 구조 상에 제2 층간절연막(17)을 형성하고, 제2 층간절연막(17) 상에 고온 산화막(high temperature oxide, HTO) 등으로 페시베이션 산화막(passivation oxide)(18)을 형성한다.
다음으로 도 2에 도시한 바와 같이, 페시베이션 산화막(18) 상에 접착층(adhesion layer, 19), 하부전극막(20), 강유전체막(21) 및 상부전극막(22)을 적층하고 마스크 공정 및 식각 공정 등으로 상부전극막(22), 강유전체막(21), 하부전극막(20)을 패터닝하여 강유전체 캐패시터 패턴을 형성한다. 상기 접착층(19)은 TiOx, Al2O3 등으로 형성하고, 상기 하부전극막(20) 및 상부전극막(22) 각각은 금속(Pt, Ir, Ru) 또는 단일산화물(RuO2, IrO2, (La,Sr)CoO
3 등) 또는 이들 금속과 산화물의 복합재료 등으로 형성하며, 상기 강유전체막(21)은 Pb(ZrxTi1-x)O3(x는 0.4 내지 0.6), SrxBiyTa2
O9(x는 0.7 내지 1.0, y는 2.0 내지 2.6) 또는 SrxBiy(TaiNbj)2O9(x는 0.7 내지 1.0, y는 2.0 내지 2.6, i는 0.7 내지 0.9, j는 0.1 내지 0.3) 또는 BLT(BixLayTi3O12, x는 3.2 내지 3.4, y는 0.7 내지 0.9)으로 형성한다.
강유전체 캐패시터 형성을 위한 패터닝 공정 후에는 식각 충격에 의해 열화된 강유전체 특성을 회복시키기 위한 1차 회복 열처리를 실시한다.
이어서 도 3에 도시한 바와 같이, 캐패시터 상부를 덮는 층간절연막 형성 과정에서 발생하는 수소에 의한 강유전체 특성 저하를 방지하기 위하여 MOCVD법으로 100 Å 내지 300 Å 두께의 제1 Al2O3 수소확산방지막(23)을 형성하고, 선택적으로 식각하여 하부전극막(20), 강유전체막(21) 및 상부전극막(22)의 적층구조로 이루어지는 캐패시터 패턴의 측벽 및 상부면을 덮는 제1 Al2O3 수소확산방지막(23) 패턴을 형성한다.
다음으로 도 4에 도시한 바와 같이, 전체 구조 상에 SiO2, BPSG 또는 SiO2와 BPSG의 적층 구조로 이루어지는 제3 층간절연막(24)을 형성하고, 제3 층간절연막(24) 및 제1 Al2O3 수소확산방지막(23)을 선택적으로 식각하여 상부전극막(22)을 노출시키는 콘택홀을 형성하고, 금속 배선 및 확산방지막 형성 공정시 캐패시터의 특성이 저하되는 것을 방지하기 위하여 상부전극막과 접하는 제1 확산방지막(25) 패턴을 TiN, Ir/IrOx 등으로 형성한 다음, 층간절연막(24), 페시베이션 산화막(18), 제2 층간절연막(17) 및 제1 층간절연막(15)을 선택적으로 식 각하여 반도체 기판(10)에 형성된 소오스·드레인(14)을 노출시키는 콘택홀을 형성한다.
이어서 도 5에 도시한 바와 같이, 캐패시터와 트랜지스터를 연결하는 금속배선(metalization)을 위하여 TiN/Ti 등의 적층구조로 이루어지는 제2 확산방지막(26)을 형성하고, TiN 반사방지막 및 Al막 등의 제1 금속막(26)을 증착한 다음, 제2 금속막(26) 및 제2 확산방지막(26)을 패터닝하여 제1 금속배선을 형성한다.
다음으로 도 6에 보이는 바와 같이, 금속배선간 절연막을 형성하는 공정에서 수소에 의해 강유전체 특성이 저하되는 것을 방지하기 위하여 전체 구조 상에 100 Å 내지 300 Å 두께의 제2 Al2O3 수소확산방지막(28)을 형성한다.
이후, SiON, SOG(spin on glass), SiOx의 적층 구조로 이루어지는 금속배선간 절연막(29)을 형성하고, 제1 금속배선과 제2 금속배선과의 연결을 위한 콘택홀(도시하지 않음)을 형성하고, TiN 반사방지막 및 Al막으로 이루어지는 금속막(30)으로 제2 금속배선을 형성한다.
이후, 페시베이션막 형성 공정에서 발생하는 수소에 의한 강유전체 특성 저하를 방지하기 위하여 전체 구조 상에 100 Å 내지 300 Å 두께의 제3 Al2O3 수소확산방지막(31)을 형성하고, 그 상부에 SiOx 및 Si3N4 등을 적층하여 페시베이션막(32)을 형성한다.
상기 제1 , 제2 및 제3 수소확산방지막(23, 28, 31) 각각은 MTMA((CH3)3Al(C2H5)5(CH3)3) 액체를 40 ℃ 내지 80 ℃에서 기화하여 생성한 원료가스를 120 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 유지된 운반선을 통하여 챔버내에 주입해서 0.05 Torr 내지 2 Torr 압력, 300 ℃ 내지 600 ℃ 증착온도 조건에서 형성한다. 상기 원료가스의 운반을 위하여 Ar 또는 N2 가스를 이용한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
그 예로서 전술한 본 발명의 실시예에서는 폴리실리콘 플러그 구조의 FeRAM 소자 제조 공정을 설명하였지만, 본 발명은 폴리실리콘 플러그를 채용하지 않는 NPP(non-poly-plug) 구조에도 적용될 수 있다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 FeRAM 소자 제조시 MOCVD법으로 Al2O3 수소확산방지막을 형성함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.
Claims (10)
- 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 있어서,트랜지스터 형성이 완료된 반도체 기판 상에 하부전극, 강유전체막 및 상부전극으로 이루어지는 캐패시터를 형성하는 제1 단계; 및상기 제1 단계가 완료된 전체 구조 상에 MTMA((CH3)3Al(C2H5)5(CH3)3) 액체를 원료가스로 이용한 MOCVD법으로 제1 Al2O3 수소확산방지막을 형성하는 제2 단계를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 단계 후,상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 층간절연막을 형성하는 제3 단계;상기 캐패시터와 상기 트랜지스터를 연결하는 제1 금속배선을 형성하는 제4 단계;상기 제4 단계가 완료된 전체 구조 상에 MTMA((CH3)3Al(C2H5)5(CH3)3) 액체를 원료가스로 이용한 MOCVD법으로 제2 Al2O3 수소확산방지막을 형성하는 제5 단계; 및상기 제2 제1 Al2O3 수소확산방지막 상에 금속배선간 절연막을 형성하는 제6 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제6 단계 후,상기 제1 금속배선과 연결되는 제2 금속배선을 형성하는 제7 단계;상기 제7 단계가 완료된 전체 구조 상에 MTMA((CH3)3Al(C2H5)5(CH3)3) 액체를 원료가스로 이용한 MOCVD법으로 제3 Al2O3 수소확산방지막을 형성하는 제8 단계; 및상기 제3 Al2O3 수소확산방지막 상에 페시베이션막을 형성하는 제9 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
- 삭제
- 제 3 항에 있어서,상기 제2 단계, 상기 제5 단계 또는 상기 제8 단계 각각은,상기 MTMA((CH3)3Al(C2H5)5(CH3)3) 액체를 40 ℃ 내지 80 ℃에서 기화하여 상기 원료가스를 생성하는 단계;120 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 유지된 운반선을 통하여 상기 원료가스를 상기 챔버내에 주입해서, 0.05 Torr 내지 2 Torr 압력, 300 ℃ 내지 600 ℃ 증착온도에서 상기 제1 Al2O3수소확산방지막, 상기 제2 Al2O3수소확산방지막 또는 상기 제3 Al2O3수소확산방지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
- Al2O3 막 형성 방법에 있어서,MTMA((CH3)3Al(C2H5)5(CH3)3) 액체를 이용한 원료가스를 준비하는 제1 단계; 및상기 원료가스를 운반선을 통하여 증착 챔버 내에 상기 원료가스를 주입하여 기판 상에 Al2O3막을 형성하는 제2 단계를 포함하는 Al2O3막 형성 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 제1 단계는,상기 MTMA((CH3)3Al(C2H5)5(CH3)3 ) 액체를 40 ℃ 내지 80 ℃에서 기화하여 상기 원료가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 Al2O3막 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 제2 단계는,120 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 유지된 운반선을 통하여 상기 원료가스를 상기 챔버내에 주입하는 것을 특징으로 하는 Al2O3막 형성 방법.
- 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2 단계에서,상기 원료가스의 운반을 위하여 Ar 또는 N2 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 Al2O3막 형성 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 제2 단계는,0.05 Torr 내지 2 Torr 압력, 300 ℃ 내지 600 ℃ 증착온도에서 상기 Al2O3막을 형성하는 것을 특징으로 하는 Al2O3막 형성 방법.
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