KR100729267B1 - 화학 기계적 연마 방법, 상기 화학 기계적 연마 방법을이용한 강유전 커패시터 제조 방법 및 상기 화학 기계적연마 방법을 이용한 강유전 메모리 장치 제조 방법 - Google Patents

화학 기계적 연마 방법, 상기 화학 기계적 연마 방법을이용한 강유전 커패시터 제조 방법 및 상기 화학 기계적연마 방법을 이용한 강유전 메모리 장치 제조 방법 Download PDF

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Abstract

화학 기계적 연마 방법, 상기 화학 기계적 연마 방법을 이용한 강유전 커패시터 제조 방법 및 상기 화학 기계적 연마 방법을 이용한 강유전 메모리 장치 제조 방법이 개시된다. 티타늄 및 산소를 포함하고 연마 정지막 패턴으로 사용되는 강유전막 패턴을 형성한다. 강유전막 패턴 상에 연마 대상막을 형성한다. 세리아를 포함하는 슬러리를 사용하여 강유전막 패턴이 노출될 때까지 연마 대상막을 연마한다. 따라서 강유전막 패턴에 손상을 가하지 않고 연마 대상막을 연마할 수 있다.

Description

화학 기계적 연마 방법, 상기 화학 기계적 연마 방법을 이용한 강유전 커패시터 제조 방법 및 상기 화학 기계적 연마 방법을 이용한 강유전 메모리 장치 제조 방법{Chemical mechanical polishing method, Method of manufacturing a ferro-electric capacitor using the chemical mechanical polishing method and Method of manufacturing a ferro-electric memory device using the chemical mechanical polishing method}
도 1 내지 2는 본 발명의 실시예에 따른 화학 기계적 연마 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3 내지 8은 본 발명의 실시예에 따른 강유전 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9 내지 15는 본 발명의 실시예에 따른 강유전 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 16 내지 19는 본 발명의 실시예에 따른 강유전 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 20 내지 23은 본 발명의 실시예에 따른 강유전 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 24 내지 29는 본 발명의 실시예에 따른 강유전 커패시터 제조 방법을 설 명하기 위한 단면도들이다.
도 30 내지 39는 본 발명의 실시예에 따른 강유전 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 40 내지 43은 본 발명의 실시예에 따른 강유전 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 44 내지 47은 본 발명의 실시예에 따른 강유전 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 48 내지 53은 본 발명의 실시예에 따른 강유전 메모리 장치의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 54는 강유전막 패턴의 분극율 관련 실험에서 강유전막 패턴들의 히스테리시스 루프들을 나타내는 그래프이다.
도 55는 강유전막 패턴의 분극율 관련 실험에서 강유전막 패턴들을 관통하여 흐르는 누설 전류들을 나타내는 그래프이다.
도 56 내지 60은 전면 식각 공정 관련 실험에서 강유전막 패턴들의 분극율을 나타내는 그래프이다.
도 61은 금속 산화물을 포함하는 제2 접착막 관련 실험에서 강유전막의 분극율을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 하부 구조물 11 : 강유전막 패턴
12 : 절연막 13 : 절연막 패턴
본 발명은 화학 기계적 연마 방법, 상기 화학 기계적 연마 방법을 이용한 강유전 커패시터 제조 방법 및 상기 화학 기계적 연마 방법을 이용한 강유전 메모리 장치 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 막을 평탄화하기 위해 사용되는 화학 기계적 연마 방법, 상기 화학 기계적 연마 방법을 이용한 강유전 커패시터 제조 방법 및 상기 화학 기계적 연마 방법을 이용한 강유전 메모리 장치 제조 방법에 관한 것이다.
화학 기계적 연마 공정은 연마 정지막 패턴을 도포하는 막을 평탄화하기 위하여 사용된다. 일반적으로 화학 기계적 연마 공정에서 막은 연마 정지막 패턴보다 큰 연마율을 갖는다.
강유전막 패턴을 화학 기계적 연마 공정의 연마 정지막 패턴으로 사용하여 강유전 메모리 장치를 제조하는 방법의 일 예는 한국 특허 등록 공보 제0428775호에 기재되어 있다.
그러나 일반적으로 강유전막 패턴을 연마 정지막 패턴으로 사용하는 경우, 화학 기계적 연마 공정에서 강유전막 패턴의 연마율이 상대적으로 크다. 따라서 화학 기계적 연마 공정에서 강유전막 패턴의 손실이 상대적으로 많다는 문제가 있다. 또한, 화학 기계적 연마 공정에 의해서 강유전막 패턴에 결함들이 발생한다는 문제가 있다.
본 발명의 제1 목적은 강유전막 패턴에 손상을 가하지 않는 화학 기계적 연마 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 상술한 화학 기계적 연마 방법을 사용하여 강유전 커패시터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 목적은 상술한 화학 기계적 연마 방법을 사용하여 강유전 메모리 장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함하고 연마 정지막 패턴으로 사용되는 강유전막 패턴을 형성한다. 강유전막 패턴 상에 연마 대상막을 형성한다. 강유전막 패턴이 노출될 때까지 세리아를 포함하는 슬러리를 사용하여 연마 대상막을 연마한다.
여기서, 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]일 수 있다. 슬러리의 pH는 5 내지 9일 수 있다. 연마 대상막은 BPSG(Boro-Phosphor Silicate Glass, PSG(Phosphor Silicate Glass), USG(Undoped Silicate Glass), SOG(Spin On Glass), FOX(Flowable OXide), PE-TEOS(Plasma Enhanced-Tetra Ethyl Ortho Silicate), HDP-CVD(High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition) 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.
상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 하부 전극을 형성한다. 하부 전극 상에 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함하고 연마 정지막 패턴으로 사용되는 강유전막 패턴을 형성한다. 하부 전극 및 강유전막 패턴 상에 절연막을 형성한다. 세리아를 포함하는 슬러리를 사용하여 강유전막 패턴이 노출될 때까지 절연막을 연마하여 절연막 패턴을 형성한다. 강유전막 패턴 및 절연막 패턴 상에 상부 전극을 형성한다.
여기서, 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]을 포함할 수 있다. 슬러리의 pH는 5 내지 9일 수 있다. 절연막은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.
상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하부 전극막 상에 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함하는 강유전막을 형성한다. 강유전막 상에 접착막을 형성한다. 접착막 상에 마스크막 패턴을 형성한다. 마스크막 패턴을 식각 마스크로 사용하여 접착막, 강유전막 및 하부 전극막을 순차적으로 식각하여 마스크막 패턴, 접착막 패턴, 강유전막 패턴 및 하부 전극을 포함하는 구조물을 형성한다. 구조물을 도포하는 절연막을 형성한다. 연마 정지막 패턴으로 사용되는 강유전막 패턴의 표면이 노출될 때까지 세리아를 포함하는 슬러리를 사용하여 절연막, 마스크막 패턴 및 접착막 패턴에 화학 기계적 연마 공정을 수행한다. 강유전막 패턴 상에 상부 전극을 형성한다.
여기서, 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]을 포함할 수 있다. 슬러리의 pH는 5 내지 9일 수 있다. 절연막은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.
상기 제3 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 채널 영역, 제1 소스/드레인 영역, 제2 소스/드레인 영역, 게이트 산화막 패턴 및 게이트 전극을 포함하는 트랜지스터를 형성한다. 트랜지스터의 제2 소스/드레인 영역과 전기적으로 연결되는 하부 전극을 형성한다. 하부 전극 상에 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함하고 연마 정지막 패턴으로 사용되는 강유전막 패턴을 형성한다. 하부 전극 및 강유전막 패턴 상에 절연막을 형성한다. 세리아를 포함하는 슬러리를 사용하여 강유전막 패턴이 노출될 때까지 절연막을 연마하여 절연막 패턴을 형성한다. 강유전막 패턴 및 절연막 패턴 상에 상부 전극을 형성한다.
여기서, 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]을 포함할 수 있다. 슬러리의 pH는 5 내지 9일 수 있다. 절연막은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 화학 기계적 연마 공정에서 강유전막 패턴이 연마 정지막 패턴으로 효과적으로 사용될 수 있다. 화학 기계적 연마 공정에 의해 강유전막 패턴이 손상을 거의 받지 않는다. 또한, 화학 기계적 연마 공정에 의해서 강유전막 패턴의 표면 특성이 개선된다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 구성 요소들이 "제1", "제2"," 제3", 제4, 제5 또는 제6 으로 언급되는 경우 이러한 구성 요소들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 구성 요소들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2", "제3", 제4, 제5, 또는 제6 구성 요소들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다. 제1 구성 요소가 제2 구성 요소의 "상"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 제1 구성 요소가 제2 구성 요소의 위에 직접 형성되는 경우뿐만 아니라 제1 구성 요소 및 제2 구성 요소 사이에 제3 구성 요소가 개재될 수 있다.
화학 기계적 연마 방법
도 1 내지 2는 본 발명의 실시예에 따른 화학 기계적 연마 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 하부 구조물(10) 상에 강유전막 패턴(11)이 형성된다. 강유전막 패턴(11)은 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함한다. 예를 들어, 강 유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]일 수 있다.
하부 구조물(10) 상에 강유전막 패턴(11)을 도포하는 절연막(12)을 형성한다. 절연막(12)은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성한다. 예를 들어, 절연막(12)은 BPSG(Boro-Phosphor Silicate Glass), PSG(Phosphor Silicate Glass), USG(Undoped Silicate Glass), SOG(Spin On Glass), FOX(Flowable OXide), PE-TEOS(Plasma Enhanced-Tetra Ethyl Ortho Silicate), HDP-CVD(High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition) 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 절연막(12) 상에 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing : CMP) 공정을 강유전막 패턴(11)이 노출될 때까지 수행한다. 따라서 절연막(12)이 절연막 패턴(13)으로 변형된다.
화학 기계적 연마 공정에서 세리아(ceria)를 포함하는 슬러리(slurry)를 사용한다. 이는 슬러리가 세리아를 포함하는 경우, 화학 기계적 연마 공정에서 절연막(12)의 연마율(polishing rate)은 강유전막 패턴(11)의 연마율보다 크기 때문이다. 따라서 강유전막 패턴(11)은 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴(polish stop pattern)의 역할을 한다.
슬러리의 pH가 약 5 미만이면 강유전막 패턴(11)의 연마율이 증가한다. 슬러리의 pH가 약 9를 초과하면 강유전막 패턴(11)의 연마율이 증가한다. 슬러리 내에 서 강유전막 패턴(11)의 연마율이 증가하는 경우, 강유전막 패턴(11)은 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 없다. 따라서 슬러리의 pH는 약 5 내지 약 9일 수 있다. 예를 들어 슬러리의 pH는 약 6 내지 약 8일 수 있다.
강유전 커패시터 제조 방법 1
도 3 내지 8은 본 발명의 실시예에 따른 강유전 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 홀(hole : 100)을 갖는 제1 절연막 패턴(101)을 형성한다. 홀(100)에 콘택 구조물(102)이 형성된다. 제1 절연막 패턴(101)의 상면과 콘택 구조물(102)의 상면은 실질적으로 동일한 평면상에 위치할 수 있다.
제1 절연막 패턴(101) 및 콘택 구조물(102) 상에 하부 전극막(103) 및 강유전막(104)을 순차적으로 형성한다. 강유전막(104)은 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 사용하여 형성한다. 예를 들어, 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]일 수 있다.
강유전막(104) 상에 마스크막 패턴(105)을 형성한다. 마스크막 패턴(105)은 콘택 구조물(102)과 수직적으로 대응할 수 있다. 마스크막 패턴(105)의 폭은 콘택 구조물(102)의 폭보다 실질적으로 클 수 있다.
도 4를 참조하면, 마스크막 패턴(105)을 식각 마스크로 사용하여 강유전 막(104) 및 하부 전극막(104)을 순차적으로 식각한다. 따라서 강유전막(104) 및 하부 전극막(103)은 각각 강유전막 패턴(107) 및 하부 전극(106)으로 변형된다. 강유전막(104) 및 하부 전극막(103)을 식각하는 동안 마스크막 패턴(105)의 크기는 줄어든다.
도 5를 참조하면, 제1 절연막 패턴(101) 상에 하부 전극(106), 강유전막 패턴(107) 및 마스크막 패턴(105)을 도포하도록 제2 절연막(108)을 형성한다. 제2 절연막(108)은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 절연막(108)은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2 절연막(108) 및 마스크막 패턴(105) 상에 화학 기계적 연마 공정을 강유전막 패턴(107)이 노출될 때까지 수행한다. 따라서 제2 절연막(108)은 제2 절연막 패턴(109)으로 변형한다. 또한 마스크막 패턴(105)이 화학 기계적 연마 공정에 의해서 제거된다.
화학 기계적 연마 공정에서 세리아를 포함하는 슬러리를 사용한다. 이는 슬러리가 세리아를 포함하는 경우, 화학 기계적 연마 공정에서 제2 절연막(108)의 연마율은 강유전막 패턴(107)의 연마율보다 크기 때문이다. 따라서 강유전막 패턴(108)은 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴의 역할을 한다.
슬러리의 pH가 약 5 미만이면 강유전막 패턴(107)의 연마율이 증가한다. 슬러리의 pH가 약 9를 초과하면 강유전막 패턴(107)의 연마율이 증가한다. 슬러리 내에서 강유전막 패턴(107)의 연마율이 증가하는 경우, 강유전막 패턴(107)은 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 없다. 따라서 슬러리의 pH는 약 5 내지 약 9일 수 있다. 예를 들어 슬러리의 pH는 약 6 내지 약 8일 수 있다.
화학 기계적 연마 공정에서 강유전막 패턴(107)의 표면이 약간 연마된다. 따라서 거칠기(roughness)와 같은 강유전막 패턴(107)의 표면 특성이 개선된다. 예를 들어, 화학 기계적 연마 공정을 수행한 후 강유전막 패턴(107)의 표면은 실질적으로 매끄러울 수 있다.
도 7을 참조하면, 강유전막 패턴(107) 및 제2 절연막 패턴(109) 상에 상부 전극막(110)을 형성한다. 상부 전극막(110)은 금속, 불순물들로 도핑된 폴리 실리콘 또는 도전성을 갖는 금속 질화물과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상부 전극막(110)을 식각하여 상부 전극(111)을 형성한다. 상부 전극(111)은 적어도 둘의 강유전막 패턴(107)들과 전기적으로 접촉한다. 따라서 하부 전극(106), 강유전막 패턴(107) 및 상부 전극(111)을 포함하는 강유전 커패시터가 제조된다.
강유전 커패시터 제조 방법 2
도 9 내지 15는 본 발명의 실시예에 따른 강유전 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9를 참조하면, 홀(200)을 갖는 제1 절연막 패턴(201)을 형성한다. 제1 절연막 패턴(201) 상에 홀(200)을 매립하는 제1 도전막을 형성한다. 제1 도전막은 텅스텐을 사용하여 형성될 수 있다. 제1 도전막을 제1 절연막 패턴(201)이 노출될 때 까지 평탄화하여 홀(200) 내에 예비 제1 콘택을 형성한다. 예비 제1 콘택에 전면 이방성 식각(etch back) 공정을 수행하여 예비 제1 콘택의 상부를 제거한다. 따라서 예비 제1 콘택은 제1 콘택(202)으로 변형한다. 제1 콘택(202)은 홀(200)을 부분적으로 매립한다.
제1 콘택(202)으로 부분적으로 매립된 홀(200)을 완전히 매립하도록 제1 절연막 패턴(201) 상에 제2 도전막을 형성한다. 제2 도전막은 텅스텐 질화물을 사용하여 형성할 수 있다. 제2 도전막을 제1 절연막 패턴(201)이 노출될 때까지 평탄화하여 제1 콘택(202)으로 부분적으로 매립된 홀(200)을 완전히 매립하는 제2 콘택(203)을 형성한다. 따라서 홀(200) 내에 제1 콘택(202) 및 제2 콘택(203)을 포함하는 콘택 구조물(204)이 형성된다.
예비 제1 콘택이 텅스텐을 포함하는 경우, 예비 제1 콘택의 상부에 디싱(dishing)이 빈번히 발생한다. 따라서 제2 콘택(203)은 디싱을 방지하는 역할을 한다.
제1 절연막 패턴(201) 및 콘택 구조물(204) 상에 제1 접착막(205)을 형성한다. 제1 접착막(205)은 티타늄을 사용하여 형성할 수 있다. 제1 접착막(205) 상에 산화 방지막(206)을 형성한다. 산화 방지막(206)은 티타늄 알루미늄 질화물을 사용하여 형성할 수 있다.
산화 방지막(206) 상에 하부 전극막(207)을 형성한다. 하부 전극막(207)은 금속, 불순물들로 도핑된 폴리 실리콘 또는 도전성을 갖는 금속 질화물과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
하부 전극막(207) 상에 강유전막(208)이 형성된다. 강유전막(208)은 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함한다. 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]일 수 있다.
강유전막(208) 상에 제2 접착막(209)을 형성한다. 제2 접착막(209)은 알루미늄 산화물을 사용하여 형성할 수 있다. 제2 접착막(209)은 강유전막(208)을 보호한다. 또한, 제2 접착막(209)은 후속 공정들에 의해서 형성될 마스크막 패턴(210)을 강유전막(208)에 견고하게 고정시킨다.
알루미늄 산화물을 포함하는 제2 접착막(209)은 화학 기상 증착(chemical vapor deposition: CVD) 공정 또는 원자층 증착(atomic layer deposition : ALD) 공정을 통해서 형성될 수 있다. 여기서 제2 접착막(209)을 형성할 때 사용되는 소스 가스는 수소를 포함하는 트리에틸알루미늄(TMA : trimethylaluminium)을 포함한다. 일반적으로 알루미늄 산화물은 하기의 반응식에 의해서 얻어진다.
[반응식]
2Al(CH3)3 + O3 → Al2O3 + 3C2H6
상기 반응식에서 보여지는 바와 같이, 트리에틸알루미늄과 에탄(C2H6)은 수소를 포함한다. 따라서 강유전막(208)은 트리에틸알루미늄 또는 에탄에 포함된 수소에 의해서 열화된다. 결과적으로 강유전막(208)의 표면에는 열화막(208a: dead layer)이 형성된다.
또한, 열화막(208a)은 강유전막(208) 상에 실리콘 산화막을 형성할 때도 형성된다. 이는 일반적으로 실리콘 산화막을 형성할 때 사용되는 소스 가스가 수소를 포함하기 때문이다.
제2 접착막(209) 상에 마스크막을 형성한다. 마스크막은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성한다. 예를 들어, 마스크막은 BPSG(Boro-Phosphor Silicate Glass), PSG(Phosphor Silicate Glass), USG(Undoped Silicate Glass), SOG(Spin On Glass), FOX(Flowable OXide), PE-TEOS(Plasma Enhanced-Tetra Ethyl Ortho Silicate), HDP-CVD(High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition) 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성할 수 있다. 마스크막이 PE-TEOS를 사용하여 형성되는 경우, 마스크막은 약 200℃의 저온에서 형성될 수 있다. 마스크막에 포토리소그래피(photolithography) 공정을 수행한다. 따라서 마스크막은 마스크막 패턴(210)으로 변형한다.
도 10을 참조하면, 마스크막 패턴(210)을 식각 마스크로 사용하여 제2 접착막(209), 강유전막(208), 하부 전극막(207), 산화 방지막(206) 및 제1 접착막(205)을 이방성으로 식각한다. 따라서 제2 접착막(209), 강유전막(208), 하부 전극(207), 산화 방지막(206) 및 제1 접착막(205)은 각각 제2 접착막 패턴(215), 강유전막 패턴(214), 하부 전극(213), 산화 방지막 패턴(212) 및 제1 접착막 패턴(211)으로 변형된다. 제2 접착막(209), 강유전막(208), 하부 전극막(207), 산화 방지막(206) 및 제1 접착막(205)을 이방성으로 식각하는 동안, 마스크막 패턴(210)의 크기는 줄어든다. 여기서 강유전막(208)이 강유전막 패턴(214)으로 변화하기 때 문에, 열화막(208a)은 열화막 패턴(214a)으로 변화한다.
도 11을 참조하면, 제1 절연막 패턴(201), 마스크막 패턴(210), 제2 접착막 패턴(215), 강유전막 패턴(214), 하부 전극(213), 산화 방지막 패턴(212) 및 제1 접착막 패턴(211)을 도포하는 캡핑막(216)을 형성한다. 캡핑막(216)은 강유전막 패턴(214)을 보호하는 역할을 한다. 예를 들어, 캡핑막(216)은 수소가 강유전막 패턴(214)을 열화시키는 것을 방지한다.
캡핑막(216) 상에 제2 절연막(217)을 형성한다. 제2 절연막(217)은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성한다. 예를 들어, 제2 절연막(2217)은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
도 12를 참조하면, 제2 절연막(217), 캡핑막(216), 마스크막 패턴(210), 제2 접착막 패턴(215)에 제1 화학 기계적 연마 공정을 강유전막 패턴(214)의 표면에 형성된 열화막 패턴(214a)이 노출될 때까지 수행한다. 따라서 제2 절연막(217) 및 캡핑막(216)은 각각 제2 절연막 패턴(218) 및 캡핑막 패턴(219)으로 변형한다. 또한, 마스크막 패턴(210) 및 제2 접착막 패턴(215)은 제1 화학 기계적 연마 공정에 의해서 제거된다.
제1 화학 기계적 연마 공정에서 세리아를 포함하는 슬러리를 사용한다. 이는 슬러리가 세리아를 포함하는 경우, 제1 화학 기계적 연마 공정에서 제2 절연막(217)의 연마율이 강유전막 패턴(214)의 연마율보다 크기 때문이다. 따라서 열화막 패턴(214a)을 포함하는 강유전막 패턴(214)은 제1 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴의 역할을 한다.
슬러리의 pH가 약 5 미만이면 강유전막 패턴(214)의 연마율이 증가한다. 슬러리의 pH가 약 9를 초과하면 강유전막 패턴(214)의 연마율이 증가한다. 슬러리 내에서 강유전막 패턴(214)의 연마율이 증가하는 경우, 강유전막 패턴(214)은 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 없다. 따라서 슬러리의 pH는 약 5 내지 약 9일 수 있다. 예를 들어 슬러리의 pH는 약 6 내지 약 8일 수 있다.
도 13을 참조하면, 강유전막 패턴(214), 제2 절연막 패턴(218) 및 캡핑막 패턴(219) 상에 제2 화학 기계적 연마 공정을 수행한다. 제2 화학 기계적 연마 공정은 열화막 패턴(214a)이 제거될 때까지 수행된다. 제2 화학 기계적 연마 공정에 사용되는 슬러리는 제1 화학 기계적 연마 공정에서 사용되는 슬러리와 실질적으로 동일하다. 제2 화학 기계적 연마 공정에 의해서 열화막 패턴(214a)이 강유전막 패턴(214)로부터 제거되기 때문에 강유전막 패턴(214)의 전기적 신뢰성이 증가한다.
도 14를 참조하면, 강유전막 패턴(214), 제2 절연막 패턴(218) 및 캡핑막 패턴(219) 상에 치유막(220)을 형성한다. 치유막(220)은 페포보스카이트 구조를 갖는 금속 산화물을 사용하여 형성할 수 있다. 따라서 후속 공정에서 수소가 치유막(220)을 뚫고 강유전막 패턴(214)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 치유막(220)은 스트론튬 루데늄 산화물을 사용하여 형성할 수 있다.
치유막(220) 상에 상부 전극막(221)을 형성한다. 상부 전극막(221)은 금속, 불순물들로 도핑된 폴리 실리콘 또는 도전성을 갖는 금속 질화물과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
도 15를 참조하면, 상부 전극막(221) 및 치유막(220)을 식각하여 상부 전극(222) 및 치유막 패턴(223)을 각각 형성한다. 상부 전극(222)은 적어도 둘의 강유전막 패턴(214)들과 전기적으로 접촉한다. 따라서 하부 전극(213), 강유전막 패턴(214) 및 상부 전극(222)을 포함하는 강유전 커패시터가 제조된다.
강유전 커패시터 제조 방법 3
도 16 내지 19는 본 발명의 실시예에 따른 강유전 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 16를 참조하면, 도 9 내지 11에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 제1 콘택(302) 및 제2 콘택(303)으로 이루어진 콘택 구조물(304)로 채워진 홀(300)을 갖는 제1 절연막 패턴(301) 상에 제1 접착막 패턴(311), 산화 방지막 패턴(312), 하부 전극(313), 강유전막 패턴(314), 제2 접착막 패턴(315), 캡핑막(316) 및 제2 절연막(317)을 형성한다. 강유전막 패턴(314)의 표면에는 열화막 패턴(314a)이 형성되어 있다.
도 17을 참조하면, 제2 절연막(317), 캡핑막(316), 마스크막 패턴(310), 제2 접착막 패턴(315)에 제1 화학 기계적 연마 공정을 강유전막 패턴(314)의 표면에 형성된 열화막 패턴(314a)이 노출될 때까지 수행한다. 따라서 제2 절연막(317) 및 캡핑막(316)은 각각 제2 절연막 패턴(318) 및 캡핑막 패턴(319)으로 변형한다. 또한, 마스크막 패턴(310) 및 제2 접착막 패턴(315)은 제1 화학 기계적 연마 공정에 의해서 제거된다.
제1 화학 기계적 연마 공정에서 세리아를 포함하는 슬러리를 사용한다. 이는 슬러리가 세리아를 포함하는 경우, 제1 화학 기계적 연마 공정에서 제2 절연막(317)의 연마율이 강유전막 패턴(314)의 연마율보다 크기 때문이다. 따라서 강유전막 패턴(314)은 제1 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴의 역할을 한다.
슬러리의 pH가 약 5 미만이면 강유전막 패턴(314)의 연마율이 증가한다. 슬러리의 pH가 약 9를 초과하면 강유전막 패턴(314)의 연마율이 증가한다. 슬러리 내에서 강유전막 패턴(314)의 연마율이 증가하는 경우, 강유전막 패턴(314)은 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 없다. 따라서 슬러리의 pH는 약 5 내지 약 9일 수 있다. 예를 들어 슬러리의 pH는 약 6 내지 약 8일 수 있다.
도 18을 참조하면, 강유전막 패턴(314), 제2 절연막 패턴(318) 및 캡핑막 패턴(319) 상에 제2 화학 기계적 연마 공정을 수행한다. 제2 화학 기계적 연마 공정은 열화막 패턴(314a)이 제거될 때까지 수행된다.
제2 화학 기계적 연마 공정에서 실리카를 포함하는 슬러리를 사용한다. 이는 슬러리가 실리카를 포함하는 경우, 강유전막 패턴(314)의 연마율이 증가하기 때문에 강유전막 패턴(314)의 표면에 형성된 열화막 패턴(314a)을 빠르게 제거할 수 있다. 제2 화학 기계적 연마 공정에 의해서 열화막 패턴(314a)이 강유전막 패턴(314)로부터 제거되기 때문에 강유전막 패턴(314)의 전기적 신뢰성이 증가한다.
도 19를 참조하면, 도 13 내지 14에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 강유전막 패턴(314), 제2 절연막 패턴(318) 및 캡핑막 패 턴(319) 상에 치유막 패턴(323) 및 상부 전극(322)을 형성한다. 따라서 하부 전극(313), 강유전막 패턴(314) 및 상부 전극(322)을 포함하는 강유전 커패시터가 제조된다.
강유전 커패시터 제조 방법 4
도 20 내지 23은 본 발명의 실시예에 따른 강유전 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 20을 참조하면, 도 9 내지 11에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 제1 콘택(402) 및 제2 콘택(403)으로 이루어진 콘택 구조물(404)로 채워진 홀(400)을 갖는 제1 절연막 패턴(401) 상에 제1 접착막 패턴(411), 산화 방지막 패턴(412), 하부 전극(413), 강유전막 패턴(414), 제2 접착막 패턴(415), 캡핑막(416) 및 제2 절연막(417)을 형성한다. 강유전막 패턴(414)의 표면에는 열화막 패턴(414a)이 형성되어 있다.
도 21을 참조하면, 제2 절연막(417), 캡핑막(416), 마스크막 패턴(410), 제2 접착막 패턴(415)에 화학 기계적 연마 공정을 강유전막 패턴(414)의 표면에 형성된 열화막 패턴(414a)이 노출될 때까지 수행한다. 따라서 제2 절연막(417) 및 캡핑막(416)은 각각 제2 절연막 패턴(418) 및 캡핑막 패턴(419)으로 변형한다. 또한, 마스크막 패턴(410) 및 제2 접착막 패턴(415)은 화학 기계적 연마 공정에 의해서 제거된다.
화학 기계적 연마 공정에서 세리아를 포함하는 슬러리를 사용한다. 이는 슬 러리가 세리아를 포함하는 경우, 화학 기계적 연마 공정에서 제2 절연막(417)의 연마율이 강유전막 패턴(414)의 연마율보다 크기 때문이다. 따라서 강유전막 패턴(414)은 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴의 역할을 한다.
슬러리의 pH가 약 5 미만이면 강유전막 패턴(414)의 연마율이 증가한다. 슬러리의 pH가 약 9를 초과하면 강유전막 패턴(414)의 연마율이 증가한다. 슬러리 내에서 강유전막 패턴(414)의 연마율이 증가하는 경우, 강유전막 패턴(414)은 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 없다. 따라서 슬러리의 pH는 약 5 내지 약 9일 수 있다. 예를 들어 슬러리의 pH는 약 6 내지 약 8일 수 있다.
도 22를 참조하면, 불소를 포함하는 식각 가스를 사용하여 강유전막 패턴(414), 제2 절연막 패턴(418) 및 캡핑막 패턴(419)에 전면 식각(etch back) 공정을 수행한다. 식각 가스는 불화 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 식각 가스는 일불화탄소(CF), 이불화탄소(CF2), 삼불화탄소(CF3), 사불화 탄소(CF4) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 전면 식각 공정은 열화막 패턴(414a)이 강유전막 패턴(414)으로부터 제거될 때까지 수행된다.
도 23을 참조하면, 도 13 내지 14에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 강유전막 패턴(414), 제2 절연막 패턴(418) 및 캡핑막 패턴(419) 상에 치유막 패턴(423) 및 상부 전극(422)을 형성한다. 따라서 하부 전극(413), 강유전막 패턴(414) 및 상부 전극(422)을 포함하는 강유전 커패시터가 제조된다.
강유전 커패시터 제조 방법 5
도 24 내지 29는 본 발명의 실시예에 따른 강유전 커패시터 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 24를 참조하면, 도 9에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 제1 콘택(502) 및 제2 콘택(503)으로 이루어진 콘택 구조물(504)로 채워진 홀(500)을 갖는 제1 절연막 패턴(501) 상에 제1 접착막(505), 산화 방지막(506), 하부 전극막(507) 및 강유전막(508)을 형성한다.
이어서 강유전막(508) 상에 제2 접착막(509)을 형성한다. 제2 접착막(509)은 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 산화물은 스트론튬 루데늄 산화물 또는 크롬 루데늄 산화물일 수 있다. 제2 접착막(509)는 스퍼터링(sputtering) 공정과 같은 물리 기상 증착(physical vapor deposition : PVD) 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 금속 산화물을 포함하는 제2 접착막(209)을 물리 기상 증착 공정을 사용하여 형성하는 경우, 수소를 포함하는 소스 가스를 사용하지 않는다. 따라서 강유전막(508)의 표면에 열화막이 형성되지 않는다.
제2 접착막(509)은 후속 공정들에 의해서 형성될 마스크막 패턴(510)을 강유전막(508)에 견고하게 고정시킨다. 또한, 제2 접착막(509)은 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물을 포함하기 때문에 후속 공정에서 수소가 제2 접착막(509)을 뚫고 강유전막(508)에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
제2 접착막(509) 상에 마스크막을 형성한다. 마스크막은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성한다. 예를 들어, 마스크막은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성할 수 있다. 마스크막이 PE-TEOS를 사용하여 형성되는 경우, 마스크막은 약 200℃의 저온에서 형성될 수 있다. 마스크막에 포토리소그래피 공정을 수행한다. 따라서 마스크막은 마스크막 패턴(510)으로 변형한다.
도 25를 참조하면, 마스크막 패턴(510)을 식각 마스크로 사용하여 제2 접착막(509), 강유전막(508), 하부 전극막(507), 산화 방지막(506) 및 제1 접착막(505)을 이방성으로 식각한다. 따라서 제2 접착막(509), 강유전막(508), 하부 전극(507), 산화 방지막(506) 및 제1 접착막(505)은 각각 제2 접착막 패턴(515), 강유전막 패턴(514), 하부 전극(513), 산화 방지막 패턴(512) 및 제1 접착막 패턴(511)으로 변형한다. 제2 접착막(509), 강유전막(508), 하부 전극막(507), 산화 방지막(506) 및 제1 접착막(505)을 이방성으로 식각하는 동안, 마스크막 패턴(510)의 크기는 줄어든다.
도 26를 참조하면, 제1 절연막 패턴(501), 마스크막 패턴(510), 제2 접착막 패턴(515), 강유전막 패턴(514), 하부 전극(513), 산화 방지막 패턴(512) 및 제1 접착막 패턴(511)을 도포하는 캡핑막(516)을 형성한다. 캡핑막(516)은 강유전막 패턴(514)을 보호하는 역할을 한다. 예를 들어, 캡핑막(516)은 수소가 강유전막 패턴(514)을 열화시키는 것을 방지한다.
캡핑막(516) 상에 제2 절연막(517)을 형성한다. 제2 절연막(517)은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성한다. 예를 들어, 제2 절연막(517)은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
도 27을 참조하면, 제2 절연막(517), 캡핑막(516), 마스크막 패턴(510), 제2 접착막 패턴(515)에 화학 기계적 연마 공정을 강유전막 패턴(514)이 노출될 때까지 수행한다. 따라서 제2 절연막(517) 및 캡핑막(516)은 각각 제2 절연막 패턴(518) 및 캡핑막 패턴(519)으로 변형한다. 또한, 마스크막 패턴(510) 및 제2 접착막 패턴(515)은 화학 기계적 연마 공정에 의해서 제거된다.
화학 기계적 연마 공정에서 세리아를 포함하는 슬러리를 사용한다. 이는 슬러리가 세리아를 포함하는 경우, 화학 기계적 연마 공정에서 제2 절연막(517)의 연마율이 강유전막 패턴(514)의 연마율보다 크기 때문이다. 따라서 강유전막 패턴(514)은 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴의 역할을 한다.
슬러리의 pH가 약 5 미만이면 강유전막 패턴(514)의 연마율이 증가한다. 슬러리의 pH가 약 9를 초과하면 강유전막 패턴(514)의 연마율이 증가한다. 슬러리 내에서 강유전막 패턴(514)의 연마율이 증가하는 경우, 강유전막 패턴(514)은 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 없다. 따라서 슬러리의 pH는 약 5 내지 약 9일 수 있다. 예를 들어 슬러리의 pH는 약 6 내지 약 8일 수 있다.
화학 기계적 연마 공정에서 스트론튬 루데늄 산화물 또는 크롬 루데늄 산화물과 같은 금속 산화물을 포함하는 제2 접착막 패턴(515)의 연마율이 상대적으로 높기 때문에 제2 접착막 패턴(515)은 화학 기계적 연마 공정에 의해서 용이하게 제 거될 수 있다.
도 28을 참조하면, 강유전막 패턴(514), 제2 절연막 패턴(518) 및 캡핑막 패턴(519) 상에 치유막(520)을 형성한다. 치유막(520)은 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물을 사용하여 형성할 수 있다. 치유막(520)은 후속 공정에서 수소가 치유막(520)을 뚫고 강유전막(508)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 치유막(520)은 스트론튬 루데늄 산화물을 사용하여 형성할 수 있다.
치유막(520) 상에 상부 전극막(521)을 형성한다. 상부 전극막(521)은 금속, 불순물들로 도핑된 폴리 실리콘 또는 도전성을 갖는 금속 질화물과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 치유막(520)은 강유전막 패턴(514) 및 상부 전극막(521) 사이에 형성될 수 있는 결함들을 치유한다.
도 29를 참조하면, 상부 전극막(521) 및 치유막(520)을 식각하여 상부 전극(522) 및 치유막 패턴(523)을 각각 형성한다. 상부 전극(522)은 적어도 둘의 강유전막 패턴(514)들과 전기적으로 접촉한다. 따라서 하부 전극(513), 강유전막 패턴(514) 및 상부 전극(522)을 포함하는 강유전 커패시터가 제조된다.
강유전 메모리 장치 제조 방법 1
도 30 내지 39는 본 발명의 실시예에 따른 강유전 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 30을 참조하면, 셜로우 트렌치 소자 분리(shallow trench isolation : STI) 공정과 같은 소자 분리 공정을 사용하여 웨이퍼의 표면에 소자 분리 패턴을 형성한다. 소자 분리 패턴은 필드(field) 영역(600)에 대응한다. 필드 영역(600)에 의해 둘러싸인 웨이퍼의 부분은 액티브(active) 영역(601)에 대응한다. 따라서 필드 영역(600) 및 액티브 영역(601)을 포함하는 반도체 기판(602)이 형성된다.
반도체 기판(602) 상에 게이트(gate) 산화막, 게이트 전극막 및 게이트 마스크막을 순차적으로 형성한다. 게이트 마스크막, 게이트 전극막 및 게이트 산화막을 순차적으로 식각하여 게이트 산화막 패턴(603), 게이트 전극(604) 및 게이트 마스크(605)를 포함하는 게이트 구조물(606)을 형성한다.
게이트 구조물(606)의 측벽 상에 스페이서(spacer : 607)를 형성한다. 스페이서(607) 및 게이트 마스크(605)를 하나의 이온 주입 마스크로 사용하여 액티브 영역의 표면에 불순물을 주입한다. 따라서 액티브 영역(601)의 표면에 제1 소스/드레인 영역(608) 및 제2 소스/드레인 영역(609)이 형성된다. 제1 소스/드레인 영역(608) 및 제2 소스/드레인 영역(609) 사이에 위치하는 액티브 영역(601)의 부분은 채널 영역(652)에 대응한다.
필드 영역(600), 제1 소스/드레인 영역(608) 및 제2 소스/드레인 영역(609) 상에 게이트 구조물(606)을 도포하도록 제1 절연막을 형성한다. 제1 절연막을 식각하여 제1 개구(611) 및 제2 개구(612)를 갖는 제1 절연막 패턴(610)을 형성한다. 제1 개구(611) 및 제2 개구(612)는 각각 제1 소스/드레인 영역(608) 및 제2 소스/드레인 영역(609)을 노출시킨다.
제1 절연막 패턴(610) 상에 제1 개구(611) 및 제2 개구(612)를 매립하는 제1 도전막을 형성한다. 제1 도전막을 제1 절연막 패턴(610)이 노출될 때까지 평탄화하 여 제1 개구(611) 및 제2 개구(612) 내에 제1 패드(613) 및 제2 패드(614)를 각각 형성한다.
제1 절연막 패턴(610), 제1 패드(613) 및 제2 패드(614) 상에 제2 절연막을 형성한다. 제2 절연막을 식각하여 제1 패드(613)를 노출시키는 제3 개구(615)를 갖는 예비 제2 절연막 패턴(616)을 형성한다.
도 31을 참조하면, 예비 제2 절연막 패턴(616) 상에 제3 개구(615)를 매립하는 제2 도전막을 형성한다. 제2 도전막을 식각하여 제3 개구(615)를 매립하는 비트 라인(bit line : 617)을 형성한다. 구체적으로 비트 라인(617)은 제3 개구(615)를 매립하는 하부(618) 및 예비 제2 절연막 패턴(616) 상에 위치하는 상부(619)를 갖는다.
비트 라인(617) 및 예비 제2 절연막 패턴(616) 상에 제3 절연막을 형성한다. 제3 절연막 및 예비 제2 절연막 패턴(616)을 식각한다. 따라서 제3 절연막 및 예비 제2 절연막 패턴(616)은 각각 제3 절연막 패턴(620) 및 제2 절연막 패턴(621)으로 변형한다. 제3 절연막 패턴(620) 및 제2 절연막 패턴(621)은 제2 패드(614)를 노출시키는 제4 개구(622)를 공유한다.
도 32를 참조하면, 제3 절연막 패턴(620) 상에 제4 개구(622)를 매립하는 제3 도전막을 형성한다. 제3 도전막은 텅스텐을 사용하여 형성할 수 있다. 제3 도전막을 제3 절연막 패턴(620)이 노출될 때까지 평탄화하여 제4 개구(622)를 매립하는 예비 제1 콘택을 형성한다. 예비 제1 콘택에 전면 이방성 식각 공정을 수행하여 예비 제1 콘택의 상부를 제거한다. 따라서 예비 제1 콘택은 제1 콘택(623)으로 변형 한다. 제1 콘택(623)은 제4 개구(622)를 부분적으로 매립한다.
제1 콘택(623)으로 부분적으로 매립된 제4 개구(622)를 완전히 매립하도록 제3 절연막 패턴(620) 상에 제4 도전막을 형성한다. 제4 도전막은 텅스텐 질화물을 사용하여 형성할 수 있다. 제4 도전막을 제3 절연막 패턴(620)이 노출될 때까지 평탄화하여 제1 콘택(623)으로 부분적으로 매립된 제4 개구(622)를 완전히 매립하는 제2 콘택(624)을 형성한다. 따라서 제4 개구(622) 내에 제1 콘택(623) 및 제2 콘택(624)을 포함하는 콘택 구조물(625)이 형성된다.
예비 제1 콘택이 텅스텐을 포함하는 경우, 예비 제1 콘택의 상부에 디싱이 빈번히 발생한다. 따라서 제2 콘택(624)을 포함하는 콘택 구조물(625)은 디싱을 방지하기 위하여 채용된다.
제3 절연막 패턴(620) 및 콘택 구조물(625) 상에 제1 접착막(626)을 형성한다. 제1 접착막(626)은 티타늄을 사용하여 형성할 수 있다. 제1 접착막(626) 상에 산화 방지막(627)을 형성한다. 산화 방지막(627)은 티타늄 알루미늄 질화물을 사용하여 형성할 수 있다.
산화 방지막(627) 상에 하부 전극막(628)을 형성한다. 하부 전극막(628)은 금속, 불순물들로 도핑된 폴리 실리콘 또는 도전성을 갖는 금속 질화물과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
하부 전극막(628) 상에 강유전막(629)이 형성된다. 강유전막(629)은 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함한다. 예를 들어, 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]일 수 있다.
강유전막(629) 상에 제2 접착막(630)을 형성한다. 제2 접착막(630)은 알루미늄 산화물을 사용하여 형성할 수 있다. 제2 접착막(630)은 강유전막(629)을 보호한다. 또한, 제2 접착막(630)은 후속 공정들에 의해서 형성될 마스크막 패턴(631)을 강유전막(629)에 견고하게 고정시킨다.
알루미늄 산화물을 포함하는 제2 접착막(630)은 화학 기상 증착 공정 또는 원자층 증착 공정을 통해서 형성될 수 있다. 여기서 제2 접착막(630)을 형성할 때 사용되는 소스 가스는 수소를 포함하는 트리에틸알루미늄을 포함한다. 일반적으로 알루미늄 산화물은 하기의 반응식에 의해서 얻어진다.
[반응식]
2Al(CH3)3 + O3 → Al2O3 + 3C2H6
상기 반응식에서 보여지는 바와 같이, 트리에틸알루미늄과 에탄은 수소를 포함한다. 따라서 강유전막(629)은 트리에틸알루미늄 또는 에탄에 포함된 수소에 의해서 열화된다. 결과적으로 강유전막(629)의 표면에는 열화막(608a: dead layer)이 형성된다.
또한, 열화막(628a)은 강유전막(629) 상에 실리콘 산화막을 형성할 때도 형성된다. 이는 일반적으로 실리콘 산화막을 형성할 때 사용되는 소스 가스가 수소를 포함하기 때문이다.
제2 접착막(630) 상에 마스크막을 형성한다. 마스크막은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성한다. 예를 들어, 마스크막은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성할 수 있다. 마스크막이 PE-TEOS를 사용하여 형성되는 경우, 마스크막은 약 200℃의 저온에서 형성될 수 있다. 마스크막에 포토리소그래피 공정을 수행한다. 따라서 마스크막은 마스크막 패턴(631)으로 변형한다.
도 33을 참조하면, 마스크막 패턴(631)을 식각 마스크로 사용하여 제2 접착막(630), 강유전막(629), 하부 전극막(628), 산화 방지막(627) 및 제1 접착막(626)을 이방성으로 식각한다. 따라서 제2 접착막(630), 강유전막(629), 하부 전극(628), 산화 방지막(627) 및 제1 접착막(626)은 각각 제2 접착막 패턴(632), 강유전막 패턴(633), 하부 전극(634), 산화 방지막 패턴(635) 및 제1 접착막 패턴(636)으로 변형된다. 제2 접착막(630), 강유전막(629), 하부 전극막(628), 산화 방지막(627) 및 제1 접착막(626)을 이방성으로 식각하는 동안, 마스크막 패턴(631)의 크기는 줄어든다. 여기서 강유전막(629)이 강유전막 패턴(633)로 변화하기 때문에, 열화막(629a)은 열화막 패턴(633a)으로 변화한다.
도 34를 참조하면, 제3 절연막 패턴(620), 마스크막 패턴(631), 제2 접착막 패턴(632), 강유전막 패턴(633), 하부 전극(634), 산화 방지막 패턴(635) 및 제1 접착막 패턴(636)을 도포하는 캡핑막(637)을 형성한다. 캡핑막(637)은 강유전막 패턴(633)을 보호하는 역할을 한다. 예를 들어, 캡핑막(637)은 수소가 강유전막 패턴(633)을 열화시키는 것을 방지한다.
캡핑막(637) 상에 제4 절연막(638)을 형성한다. 제4 절연막(638)은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성한다. 예를 들어, 제4 절연막(638)은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
도 35를 참조하면, 강유전막 패턴(633)의 표면에 형성된 열화막 패턴(633a)이 노출될 때까지 제4 절연막(638), 캡핑막(637), 마스크막 패턴(631), 제2 접착막 패턴(632)에 제1 화학 기계적 연마 공정을 수행한다. 따라서 제4 절연막(638) 및 캡핑막(637)은 각각 제4 절연막 패턴(639) 및 캡핑막 패턴(640)으로 변형한다. 또한, 마스크막 패턴(631) 및 제2 접착막 패턴(632)은 제1 화학 기계적 연마 공정에 의해서 제거된다.
제1 화학 기계적 연마 공정에서 세리아를 포함하는 슬러리를 사용한다. 슬러리가 세리아를 포함하는 경우, 제1 화학 기계적 연마 공정에서 제4 절연막(638)의 연마율이 강유전막 패턴(633)의 연마율보다 크다. 따라서 강유전막 패턴(633)은 제1 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 있다.
슬러리의 pH가 약 5 미만이면 강유전막 패턴(633)의 연마율이 증가한다. 슬러리의 pH가 약 9를 초과하면 강유전막 패턴(633)의 연마율이 증가한다. 슬러리 내에서 강유전막 패턴(633)의 연마율이 증가하는 경우, 강유전막 패턴(633)은 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 없다. 따라서 슬러리의 pH는 약 6 내지 약 8일 수 있다.
도 36을 참조하면, 강유전막 패턴(633), 제2 절연막 패턴(639) 및 캡핑막 패 턴(640) 상에 제2 화학 기계적 연마 공정을 수행한다. 제2 화학 기계적 연마 공정은 열화막 패턴(633a)이 제거될 때까지 수행된다. 제2 화학 기계적 연마 공정에 사용되는 슬러리는 제1 화학 기계적 연마 공정에서 사용되는 슬러리와 실질적으로 동일하다. 제2 화학 기계적 연마 공정에 의해서 열화막 패턴(633a)이 강유전막 패턴(633)로부터 제거되기 때문에 강유전막 패턴(633)의 전기적 신뢰성이 증가한다.
도 37을 참조하면, 강유전막 패턴(633), 제4 절연막 패턴(639) 및 캡핑막 패턴(640) 상에 치유막(641)을 형성한다. 치유막(641)은 페로보스카이트 구조를 갖는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 치유막(641)은 후속 공정에서 수소가 치유막(641)을 뚫고 강유전막 패턴(633)으로 도달하는 것을 방지하는 역할을 한다. 예를 들어, 치유막(641)은 스트론튬 루데늄 산화물을 사용하여 형성할 수 있다.
치유막(641) 상에 상부 전극막(642)을 형성한다. 상부 전극막(642)은 금속, 불순물들로 도핑된 폴리 실리콘 또는 도전성을 갖는 금속 질화물과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
도 38을 참조하면, 상부 전극막(642) 및 치유막(641)을 순차적으로 식각하여 상부 전극(643) 및 치유막 패턴(644)을 형성한다. 상부 전극(643)은 적어도 둘의 강유전막 패턴(633)들과 전기적으로 연결된다.
따라서 트랜지스터 및 강유전 커패시터를 포함하는 강유전 메모리 장치가 제조된다. 구체적으로 트랜지스터는 채널 영역(652), 제1 소스/드레인 영역(608), 제2 소스/드레인 영역(609), 게이트 산화막 패턴(603) 및 게이트 전극(604)을 포함한다. 강유전 커패시터는 하부 전극(634), 강유전막 패턴(633), 치유막 패턴(644) 및 상부 전극(643)을 포함한다.
도 39를 참조하면, 제4 절연막 패턴(639), 치유막 패턴(644) 및 상부 전극(643) 상에 제5 절연막을 형성한다. 제5 절연막 상에 워드 라인(word line : 645)을 형성한다. 제5 절연막 및 워드 라인(645) 상에 제6 절연막을 형성한다. 제6 절연막 및 제5 절연막을 순차적으로 식각한다. 따라서 제6 절연막 및 제5 절연막은 각각 제6 절연막 패턴(646) 및 제5 절연막 패턴(647)으로 변형된다. 제6 절연막 패턴(646) 및 제5 절연막 패턴(647)은 상부 전극(643)을 노출시키는 제5 개구(648)를 공유한다.
제6 절연막 패턴(646) 상에 제5 개구(648)를 매립하는 제5 도전막을 형성한다. 제5 도전막을 식각하여 제5 개구(648)를 매립하는 하부(649) 및 제6 절연막 패턴(646) 상에 위치하는 상부(650)를 포함하는 배선(651)을 형성한다.
강유전 메모리 장치 제조 방법 2
도 40 내지 43은 본 발명의 실시예에 따른 강유전 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 40을 참조하면, 도 30 내지 34에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 도 34에 도시된 구조물과 실질적으로 동일한 구조물을 형성한다. 여기서 열화막 패턴(733a)은 강유전막 패턴(733)의 표면에 형성된다.
도 41을 참조하면, 강유전막 패턴(733)이 노출될 때까지 제4 절연막(738), 캡핑막(737), 마스크막 패턴(731), 제2 접착막 패턴(732)에 제1 화학 기계적 연마 공정을 수행한다. 따라서 제4 절연막(738) 및 캡핑막(737)은 각각 제4 절연막 패턴(739) 및 캡핑막 패턴(740)으로 변형한다. 또한, 마스크막 패턴(731) 및 제2 접착막 패턴(732)은 제1 화학 기계적 연마 공정에 의해서 제거된다.
제1 화학 기계적 연마 공정에서 세리아를 포함하는 슬러리를 사용한다. 슬러리가 세리아를 포함하는 경우, 제1 화학 기계적 연마 공정에서 제4 절연막(738)의 연마율이 강유전막 패턴(733)의 연마율보다 크다. 따라서 강유전막 패턴(733)은 제1 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 있다.
슬러리의 pH가 약 5 미만이면 강유전막 패턴(733)의 연마율이 증가한다. 슬러리의 pH가 약 9를 초과하면 강유전막 패턴(733)의 연마율이 증가한다. 슬러리 내에서 강유전막 패턴(733)의 연마율이 증가하는 경우, 강유전막 패턴(733)은 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 없다. 따라서 슬러리의 pH는 약 6 내지 약 8일 수 있다.
도 42를 참조하면, 강유전막 패턴(733), 제2 절연막 패턴(739) 및 캡핑막 패턴(740) 상에 제2 화학 기계적 연마 공정을 수행한다. 제2 화학 기계적 연마 공정은 열화막 패턴(733a)이 제거될 때까지 수행된다.
제2 화학 기계적 연마 공정에서 실리카를 포함하는 슬러리를 사용한다. 이는 슬러리가 실리카를 포함하는 경우, 강유전 물질에 대한 연마율이 증가하기 때문에 강유전막 패턴(733)의 표면에 형성된 열화막 패턴(733a)을 빠르게 제거할 수 있다. 제2 화학 기계적 연마 공정에 의해서 열화막 패턴(733a)이 강유전막 패턴(733)로부터 제거되기 때문에 강유전막 패턴(733)의 전기적 신뢰성이 증가한다.
도 43을 참조하면, 도 37 내지 도 39에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 치유막 패턴(744), 상부 전극(743), 제5 절연막 패턴(747), 워드 라인(735), 제6 절연막 패턴(746) 및 배선(702)을 형성한다. 배선(702)은 제5 개구(748) 내에 위치한다. 또한, 배선(702)은 하부(749) 및 상부(750)를 포함한다.
강유전 메모리 장치 제조 방법 3
도 44 내지 47은 본 발명의 실시예에 따른 강유전 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 44를 참조하면, 도 30 내지 34에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 도 34에 도시된 구조물과 실질적으로 동일한 구조물을 형성한다. 여기서 열화막 패턴(833a)은 강유전막 패턴(833)의 표면에 형성된다.
도 45를 참조하면, 강유전막 패턴(833)이 노출될 때까지 제4 절연막(838), 캡핑막(837), 마스크막 패턴(831), 제2 접착막 패턴(832)에 화학 기계적 연마 공정을 수행한다. 따라서 제4 절연막(838) 및 캡핑막(837)은 각각 제4 절연막 패턴(839) 및 캡핑막 패턴(840)으로 변형한다. 또한, 마스크막 패턴(831) 및 제2 접착막 패턴(832)은 화학 기계적 연마 공정에 의해서 제거된다.
화학 기계적 연마 공정에서 세리아를 포함하는 슬러리를 사용한다. 슬러리가 세리아를 포함하는 경우, 화학 기계적 연마 공정에서 제4 절연막(838)의 연마율이 강유전막 패턴(833)의 연마율보다 크다. 따라서 강유전막 패턴(833)은 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 있다.
슬러리의 pH가 약 5 미만이면 강유전막 패턴(833)의 연마율이 증가한다. 슬러리의 pH가 약 9를 초과하면 강유전막 패턴(833)의 연마율이 증가한다. 슬러리 내에서 강유전막 패턴(833)의 연마율이 증가하는 경우, 강유전막 패턴(833)은 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 없다. 따라서 슬러리의 pH는 약 6 내지 약 8일 수 있다.
도 46을 참조하면, 불소를 포함하는 식각 가스를 사용하여 강유전막 패턴(833), 제2 절연막 패턴(839) 및 캡핑막 패턴(840)에 전면 식각 공정을 수행한다. 식각 가스는 불화 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 식각 가스는 일불화탄소, 이불화탄소, 삼불화탄소, 사불화 탄소 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 전면 식각 공정은 열화막 패턴(833a)이 강유전막 패턴(833)으로부터 제거될 때까지 수행된다.
도 47을 참조하면, 도 37 내지 도 39에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 치유막 패턴(844), 상부 전극(843), 제5 절연막 패턴(847), 워드 라인(835), 제6 절연막 패턴(846) 및 배선(802)을 형성한다. 배선(802)은 제5 개구(848)를 매립한다. 또한, 배선(802)은 하부(849) 및 상부(850)를 포함한다.
강유전 메모리 장치 제조 방법 4
도 48 내지 53은 본 발명의 실시예에 따른 강유전 메모리 장치의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 48을 참조하면, 도 30 내지 31에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 도 31에서 도시된 구조물과 실질적으로 동일한 구조물을 형성한다.
도 49를 참조하면, 제3 절연막 패턴(920) 상에 제4 개구(922)를 매립하는 제3 도전막을 형성한다. 제3 도전막은 텅스텐을 사용하여 형성할 수 있다. 제3 도전막을 제3 절연막 패턴(920)이 노출될 때까지 평탄화하여 제4 개구(922)를 매립하는 예비 제1 콘택을 형성한다. 예비 제1 콘택에 전면 이방성 식각 공정을 수행하여 예비 제1 콘택의 상부를 제거한다. 따라서 예비 제1 콘택은 제1 콘택(923)으로 변형한다. 제1 콘택(923)은 제4 개구(922)를 부분적으로 매립한다.
제1 콘택(923)으로 부분적으로 매립된 제4 개구(922)를 완전히 매립하도록 제3 절연막 패턴(920) 상에 제4 도전막을 형성한다. 제4 도전막은 텅스텐 질화물을 사용하여 형성할 수 있다. 제4 도전막을 제3 절연막 패턴(920)이 노출될 때까지 평탄화하여 제1 콘택(923)으로 부분적으로 매립된 제4 개구(922)를 완전히 매립하는 제2 콘택(924)을 형성한다. 따라서 제4 개구(922) 내에 제1 콘택(923) 및 제2 콘택(924)을 포함하는 콘택 구조물(925)이 형성된다.
예비 제1 콘택이 텅스텐을 포함하는 경우, 예비 제1 콘택의 상부에 디싱이 빈번히 발생한다. 따라서 제2 콘택(924)을 포함하는 콘택 구조물(925)은 디싱을 방지하기 위하여 채용된다.
제3 절연막 패턴(920) 및 콘택 구조물(925) 상에 제1 접착막(926)을 형성한다. 제1 접착막(926)은 티타늄을 사용하여 형성할 수 있다. 제1 접착막(926) 상에 산화 방지막(927)을 형성한다. 산화 방지막(927)은 티타늄 알루미늄 질화물을 사용 하여 형성할 수 있다.
산화 방지막(927) 상에 하부 전극막(928)을 형성한다. 하부 전극막(928)은 금속, 불순물들로 도핑된 폴리 실리콘 또는 도전성을 갖는 금속 질화물과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
하부 전극막(928) 상에 강유전막(929)이 형성된다. 강유전막(929)은 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함한다. 예를 들어, 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]일 수 있다.
강유전막(929) 상에 제2 접착막(930)을 형성한다. 제2 접착막(930)은 페로보스카이트 구조를 갖는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 산화물은 스트론튬 루데늄 산화물 또는 크롬 루데늄 산화물일 수 있다. 제2 접착막(930)는 스퍼터링 공정과 같은 물리 기상 증착 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 스트론튬 루데늄 산화물 또는 크롬 루데늄 산화물과 같은 금속 산화물을 포함하는 제2 접착막(930)를 물리 기상 증착 공정을 사용하여 형성하는 경우, 수소를 포함하는 소스 가스를 사용하지 않는다. 따라서 강유전막(929)의 표면에 열화막이 형성되지 않는다.
제2 접착막(930)은 후속 공정들에 의해서 형성될 마스크막 패턴(931)을 강유전막(929)에 견고하게 고정시킨다. 또한, 제2 접착막(930)은 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물을 포함하기 때문에 후속 공정에서 수소가 제2 접착막(930)을 뚫고 강유전막(929)에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
제2 접착막(930) 상에 마스크막을 형성한다. 마스크막은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성한다. 예를 들어, 마스크막은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성할 수 있다. 마스크막이 PE-TEOS를 사용하여 형성되는 경우, 마스크막은 약 200℃의 저온에서 형성될 수 있다. 마스크막에 포토리소그래피 공정을 수행한다. 따라서 마스크막은 마스크막 패턴(931)으로 변형한다.
도 50을 참조하면, 마스크막 패턴(931)을 식각 마스크로 사용하여 제2 접착막(930), 강유전막(929), 하부 전극막(928), 산화 방지막(927) 및 제1 접착막(926)을 이방성으로 식각한다. 따라서 제2 접착막(930), 강유전막(929), 하부 전극(928), 산화 방지막(927) 및 제1 접착막(926)은 각각 제2 접착막 패턴(932), 강유전막 패턴(933), 하부 전극(934), 산화 방지막 패턴(935) 및 제1 접착막 패턴(936)으로 변형된다. 제2 접착막(930), 강유전막(929), 하부 전극막(928), 산화 방지막(927) 및 제1 접착막(926)을 이방성으로 식각하는 동안, 마스크막 패턴(931)의 크기는 줄어든다.
도 51을 참조하면, 제3 절연막 패턴(920), 마스크막 패턴(931), 제2 접착막 패턴(932), 강유전막 패턴(933), 하부 전극(934), 산화 방지막 패턴(935) 및 제1 접착막 패턴(936)을 도포하는 캡핑막(937)을 형성한다. 캡핑막(937)은 강유전막 패턴(933)을 보호하는 역할을 한다. 예를 들어, 캡핑막(937)은 수소가 강유전막 패턴(933)을 열화시키는 것을 방지한다.
캡핑막(937) 상에 제4 절연막(938)을 형성한다. 제4 절연막(938)은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 사용하여 형성한다. 예를 들어, 제4 절연막(938)은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
도 52를 참조하면, 제2 절연막(917), 캡핑막(916), 마스크막 패턴(910), 제2 접착막 패턴(915)에 화학 기계적 연마 공정을 강유전막 패턴(914)이 노출될 때까지 수행한다. 따라서 제2 절연막(917) 및 캡핑막(916)은 각각 제2 절연막 패턴(918) 및 캡핑막 패턴(919)으로 변형한다. 또한, 마스크막 패턴(910) 및 제2 접착막 패턴(915)은 화학 기계적 연마 공정에 의해서 제거된다.
화학 기계적 연마 공정에서 세리아를 포함하는 슬러리를 사용한다. 이는 슬러리가 세리아를 포함하는 경우, 화학 기계적 연마 공정에서 제2 절연막(917)의 연마율이 강유전막 패턴(914)의 연마율보다 크기 때문이다. 따라서 강유전막 패턴(914)은 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴의 역할을 한다.
슬러리의 pH가 약 5 미만이면 강유전막 패턴(914)의 연마율이 증가한다. 슬러리의 pH가 약 9를 초과하면 강유전막 패턴(914)의 연마율이 증가한다. 슬러리 내에서 강유전막 패턴(914)의 연마율이 증가하는 경우, 강유전막 패턴(914)은 연마 정지막 패턴으로 사용될 수 없다. 따라서 슬러리의 pH는 약 5 내지 약 9일 수 있다. 예를 들어 슬러리의 pH는 약 6 내지 약 8일 수 있다.
화학 기계적 연마 공정에서 스트론튬 루데늄 산화물 또는 크롬 루데늄 산화물과 같은 금속 산화물을 포함하는 제2 접착막 패턴(915)의 연마율이 상대적으로 높기 때문에 제2 접착막 패턴(915)은 화학 기계적 연마 공정에 의해서 용이하게 제거될 수 있다.
도 53을 참조하면, 도 37 내지 도 39에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 치유막 패턴(944), 상부 전극(943), 제5 절연막 패턴(947), 워드 라인(935), 제6 절연막 패턴(946) 및 배선(902)을 형성한다. 배선(902)은 제5 개구(948) 내에 위치한다. 또한, 배선(902)은 하부(949) 및 상부(950)를 포함한다.
연마 실험 1
PZT[Pb(Zr, Ti)O3]을 포함하는 강유전막을 준비하였다. 제1 내지 6 슬러리들을 준비하였다. 구체적으로 제1 내지 3 슬러리들은 세리아를 포함하였다. 반면에 제4 내지 6 슬러리들은 실리카를 포함하였다. 또한, 제1, 2, 3, 4, 5 및 6 슬러리들의 pH들은 각각 약 2.4, 약 7.7, 약 11.5, 약 2.3, 약 7.5 및 약 11이었다.
강유전막에 제1, 2, 3, 4, 5 및 6 슬러리들을 독립적으로 사용하는 화학 기계적 연마 공정들을 수행하였다. 화학 기계적 연마 공정들에서 하방 압력(down pressure)은 약 1.0 psi이었다. 화학 기계적 연마 공정들에서 테이블 회전 속도는 약 10 r.p.m이었다. 강유전막의 연마율들이 측정되었다. [표 1]은 연마 실험의 결과를 나타낸다.
[표 1]
제1슬러리 제2슬러리 제3슬러리 제4슬러리 제5슬러리 제6슬러리
연마제 세리아 세리아 세리아 실리카 실리카 실리카
pH 2.4 7.7 11.5 2.3 7.5 11
연마율(Å/min) 96 22 76 302 89 191
[표 1]에 설명된 바와 같이, 제2 슬러리를 사용하여 화학 기계적 연마 공정을 수행하는 경우, 강유전막의 연마율이 상대적으로 낮았다. 따라서 강유전막을 식각하여 강유전막 패턴을 형성하는 경우, 강유전막 패턴은 제2 슬러리를 사용하는 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴으로 효과적으로 사용될 수 있다.
연마 실험 2
PZT[Pb(Zr, Ti)O3]을 포함하는 강유전막을 준비하였다. 제7 내지 12 슬러리들을 준비하였다. 구체적으로 제7 내지 9 슬러리들은 세리아를 포함하였다. 반면에 제10 내지 12 슬러리들은 실리카를 포함하였다. 또한, 제7, 8, 9, 10, 11 및 12 슬러리들의 pH들은 각각 약 2.4, 약 7.7, 약 11.5, 약 2.3, 약 7.5 및 약 11이었다.
강유전막에 제7, 8, 9, 10, 11 및 12 슬러리들을 독립적으로 사용하는 화학 기계적 연마 공정들을 수행하였다. 화학 기계적 연마 공정들에서 하방 압력은 약 6.0 psi이었다. 화학 기계적 연마 공정들에서 테이블 회전 속도는 약 50 r.p.m이었다. 강유전막의 연마율들이 측정되었다. [표 2]은 연마 실험의 결과를 나타낸다.
[표 2]
제7슬러리 제8슬러리 제9슬러리 제10슬러리 제11슬러리 제12슬러리
연마제 세리아 세리아 세리아 실리카 실리카 실리카
pH 2.4 7.7 11.5 2.3 7.5 11
연마율(Å/min) 2910 24 2010 4980 2970 3500
[표 2]에 설명된 바와 같이, 제8 슬러리를 사용하여 화학 기계적 연마 공정을 수행하는 경우, 강유전막의 연마율이 상대적으로 낮았다. 따라서 강유전막을 식각하여 강유전막 패턴을 형성하는 경우, 강유전막 패턴은 제2 슬러리를 사용하는 화학 기계적 연마 공정에서 연마 정지막 패턴으로 효과적으로 사용될 수 있다.
강유전막 패턴의 분극율 관련 실험
PZT[Pb(Zr, Ti)O3]을 포함하는 강유전막 패턴들을 준비하였다. 세리아를 포함하는 슬러리를 준비하였다. 슬러리의 pH는 약 7.7이었다.
강유전막 패턴들에 슬러리를 사용하는 화학 기계적 연마 공정들을 약 15초, 약 45초 및 약 75초간 독립적으로 수행하였다. 그 후, 강유전막 패턴들에 인가되는 전압들에 대한 강유전막 패턴들의 분극율(polarization)들을 측정하였다. 또한, 강유전막 패턴들을 관통하여 흐르는 누설 전류들을 측정하였다.
도 54는 강유전막 패턴들의 히스테리시스 루프(hysteresis loop)들을 나타내는 그래프이다.
도 54를 참조하면, 화학 기계적 연마 공정의 시간이 증가하더라도 히스테리 시스 루프들은 비교적 변하지 않는다. 따라서 슬러리를 사용하여 강유전막 패턴에 화학 기계적 연마 공정을 수행하는 경우, 강유전막 패턴의 특성이 열화되지 않는다.
도 55는 강유전막 패턴들을 관통하여 흐르는 누설 전류들을 나타내는 그래프이다.
도 55를 참조하면, 화학 기계적 연마 공정의 시간이 증가하더라도 누설 전류는 비교적 일정하게 유지된다. 따라서 슬러리를 사용하여 강유전막 패턴에 화학 기계적 연마 공정을 수행하는 경우, 강유전막 패턴의 특성이 열화되지 않는다.
전면 식각 공정 관련 실험
PZT[Pb(Zr, Ti)O3]을 포함하는 강유전막 패턴들을 준비하였다. 제1 내지 5 전면 식각 가스들을 준비하였다. 제1, 2, 3, 4 및 5 전면 식각 가스들은 각각 사불화 탄소(CF4), 염소(Cl2), 산소(O2), 브롬화 수소(HBr) 및 아르곤(Ar)을 포함하였다. 제1 내지 5 전면 식각 가스들을 사용하여 강유전막 패턴들에 전면 식각 공정들을 수행하였다. 그 후, 강유전막 패턴들의 분극율들을 측정하였다.
도 56, 57, 58, 59 및 60 은 각각 제1, 2, 3, 4 및 5 식각 가스를 사용하여 전면 식각 공정을 수행한 강유전막 패턴들의 분극율을 나타내는 그래프이다.
도 56을 참조하면, 사불화 탄소를 포함하는 제1 식각 가스를 사용하여 강유 전막 패턴에 전면 식각 공정을 수행하는 경우 강유전막 패턴의 분극율이 양호하였다. 즉, 제1 식각 가스를 사용하여 전면 식각 공정을 수행하는 경우, 강유전막 패턴은 손상을 거의 입지 않았다.
도 57 내지 60을 참조하면, 제2 내지 5 식각 가스를 사용하여 강유전막 패턴들에 전면 식각 공정들을 수행하는 경우 강유전막 패턴의 분극율들이 양호하지 않았다. 즉, 제2 내지 5 식각 가스를 사용하여 전면 식각 공정들을 수행하는 경우, 강유전막 패턴들은 손상을 입었다.
금속 산화물을 포함하는 제2 접착막 관련 실험
PZT[Pb(Zr, Ti)O3]을 포함하는 강유전막 제2 접착막을 형성하였다. 제2 접착막은 페로보스카이트 구조를 갖는 스트론튬 루데늄 산화물을 포함하였다. 제2 접착막은 스퍼터링 공정에 의해서 형성하였다. 제2 접착막의 두께는 약 100Å이었다.
제2 접착막 상에 PE-TEOS 산화물을 포함하는 마스크막을 형성하였다. 마스크막의 두께는 약 2000Å이었다. 마스크막 및 제2 접착막에 강유전막이 노출될 때까지 화학 기계적 연마 공정을 수행하였다. 화학 기계적 연마 공정들에서 하방 압력은 약 1.0psi이었다. 화학 기계적 연마 공정들에서 테이블 회전 속도는 약 10 r.p.m이었다. 화학 기계적 연마 공정은 약 60초간 수행되었다. 화학 기계적 연마 공정에서 사용된 슬러리는 세리아를 포함하였다. 또한 슬러리의 pH는 약 7.7이었 다.
도 61은 화학 기계적 연마 공정이 수행된 후 강유전막의 분극율을 나타내는 그래프이다.
도 61을 참조하면, 강유전막의 분극율이 양호하였다. 이는 제2 접착막을 형성할 때 강유전막의 표면에 열화막이 형성되지 않았기 때문이다.
본 발명에 따르면, 화학 기계적 연마 공정에서 강유전막 패턴이 연마 정지막 패턴으로 효과적으로 사용될 수 있다. 화학 기계적 연마 공정에 의해 강유전막 패턴이 손상을 거의 받지 않는다. 또한, 화학 기계적 연마 공정에 의해서 강유전막 패턴의 표면 특성이 개선된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (29)

  1. 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함하고, 연마 정지막 패턴으로 사용되는 강유전막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 강유전막 패턴 상에 연마 대상막을 형성하는 단계; 및
    상기 강유전막 패턴이 노출될 때까지 세리아를 포함하는 슬러리를 사용하여 상기 연마 대상막을 연마하는 단계를 포함하는 화학 기계적 연마 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 슬러리의 pH는 5 내지 9인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연마 대상막은 BPSG(Boro-Phosphor Silicate Glass, PSG(Phosphor Silicate Glass), USG(Undoped Silicate Glass), SOG(Spin On Glass), FOX(Flowable OXide), PE-TEOS(Plasma Enhanced-Tetra Ethyl Ortho Silicate), HDP-CVD(High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition) 산화물, 실 리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  5. 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 상에 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함하고, 연마 정지막 패턴으로 사용되는 강유전막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 및 상기 강유전막 패턴 상에 절연막을 형성하는 단계;
    세리아를 포함하는 슬러리를 사용하여 상기 강유전막 패턴이 노출될 때까지 상기 절연막을 연마하여 절연막 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 강유전막 패턴 및 상기 절연막 패턴 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 슬러리의 pH는 5 내지 9인 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 절연막은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  9. 채널 영역, 제1 소스/드레인 영역, 제2 소스/드레인 영역, 게이트 산화막 패턴 및 게이트 전극을 포함하는 트랜지스터를 형성하는 단계;
    상기 트랜지스터의 상기 제2 소스/드레인 영역과 전기적으로 연결되는 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 상에 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함하고, 연마 정지막 패턴으로 사용되는 강유전막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 및 상기 강유전막 패턴 상에 절연막을 형성하는 단계;
    세리아를 포함하는 슬러리를 사용하여 상기 강유전막 패턴이 노출될 때까지 상기 절연막을 연마하여 절연막 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 강유전막 패턴 및 상기 절연막 패턴 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 강유전 메모리 장치 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 슬러리의 pH는 5 내지 9인 것을 특징으로 하는 강유전 메모리 장치 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 절연막은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 메모리 장치 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 강유전막 패턴 및 상기 상부 전극 사이에 스트론튬 루데늄 산화물을 포함하는 치유막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 메모리 장치 제조 방법.
  14. 하부 전극막 상에 티타늄 및 산소를 갖는 강유전 물질을 포함하는 강유전막을 형성하는 단계;
    상기 강유전막 상에 접착막을 형성하는 단계;
    상기 접착막 상에 마스크막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스크막 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 접착막, 상기 강유전막 및 상기 하부 전극막을 순차적으로 식각하여 상기 마스크막 패턴, 접착막 패턴, 강유전막 패턴 및 하부 전극을 포함하는 구조물을 형성하는 단계;
    상기 구조물을 도포하는 절연막을 형성하는 단계;
    연마 정지막 패턴으로 사용되는 상기 강유전막 패턴의 표면이 노출될 때까지 세리아를 포함하는 슬러리를 사용하여 상기 절연막, 상기 마스크막 패턴 및 상기 접착막 패턴에 화학 기계적 연마 공정을 수행하는 단계; 및
    상기 강유전막 패턴 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 강유전 물질은 PZT[Pb(Zr, Ti)O3], SBT(SrBi2Ti2O9), BLT[Bi(La, Ti)O3], PLZT[Pb(La, Zr)TiO3] 또는 BST[Bi(Sr, Ti)O3]를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 슬러리의 pH는 5 내지 9인 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 절연막은 BPSG, PSG, USG, SOG, FOX, PE-TEOS, HDP-CVD 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 접착막은 상기 강유전막의 상기 표면을 열화시키는 수소를 포함하는 소스 가스를 사용하여 형성된 산화물을 포함하고,
    상기 화학 기계적 연마 공정을 수행한 후 상기 상부 전극을 형성하기 전에 상기 강유전막 패턴의 상기 열화된 표면을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 산화물은 알루미늄 산화물인 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 소스 가스는 트리에틸알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 열화된 표면을 제거하는 단계는 세리아를 포함하는 슬러리를 사용하는 화학 기계적 연마 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 세리아를 포함하는 상기 슬러리의 pH는 5 내지 9인 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  23. 제 18 항에 있어서, 상기 열화된 표면을 제거하는 단계는 실리카를 포함하는 슬러리를 사용하는 화학 기계적 연마 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  24. 제 18 항에 있어서, 상기 열화된 표면을 제거하는 단계는 불소를 포함하는 식각 가스를 사용하는 전면 식각 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 식각 가스는 일불화탄소(CF), 이불화탄소(CF2), 삼불화탄소(CF3), 사불화 탄소(CF4) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  26. 제 14 항에 있어서, 상기 접착막은 수소를 포함하는 소스 가스를 사용하지 않고 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 접착막은 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 금속 산화물은 스트론튬 루데늄 산화물 또는 크롬 루데늄 산화물인 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
  29. 제 26 항에 있어서, 상기 접착막은 물리 기상 증착 공정에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전 커패시터 제조 방법.
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KR100487917B1 (ko) 반도체소자의 화학적 기계적 연마방법

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