KR20010061278A - 반도체 소자의 강유전체 캐패시터 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 캐패시터 유전체로 강유전체 박막을 사용하는 강유전체 캐패시터 형성방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 열적안정성을 확보하여 하부 층간절연막과 하부전극용 전도막간의 접착력을 증가시킬 수 있는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실리콘산화막계 층간절연막상에 접착층으로 BN막을 형성하는 단계; 및 상기 BN막 상부에 하부전극, 강유전체막 및 상부전극을 차례로 적층 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

반도체 소자의 강유전체 캐패시터 형성방법{A method for forming ferroelectric capacitor in semiconductor device}

본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 캐패시터 유전체로 강유전체 박막을 사용하는 강유전체 캐패시터 형성방법에 관한 것이다.

강유전체 메모리 소자(Ferroelectric Random Access Memory, FeRAM)는 (Sr,Bi)Ta₂O₉(이하, SBT라 약칭함), Pb(Zr_xTi_x-1)O₃(이하, PZT라 약칭함) 등의 강유전체 물질을 캐패시터 유전체로 사용하는 비휘발성 메모리 소자의 일종으로 전원이 끊어진 상태에서도 저장 정보를 메모리하고 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 동작 속도 측면에서도 기존의 DRAM(Dynamic Random Access Memory)에 필적하기 때문에 차세대 메모리 소자로 각광받고 있다.

이와 같이, 반도체 소자에서 강유전체(ferroelectric) 재료를 캐패시터에 사용함으로써 기존 DRAM 소자에서 필요한 리프레쉬(refresh)의 한계를 극복하고 대용량의 메모리를 이용할 수 있는 소자의 개발이 진행되어왔다.

강유전체는 상온에서 유전상수가 수백에서 수천에 이르며 두 개의 안정한 잔류분극(remanent polarization) 상태를 갖고 있어 이를 박막화하여 비휘발성(nonvolatile) 메모리 소자로의 응용이 실현되고 있다. 강유전체 박막을 비휘발성 메모리 소자로 사용하는 경우 가해주는 전기장의 방향으로 분극의 방향을 조절하여 신호를 입력하고 전기장을 제거하였을 때 남아있는 잔류분극의 방향에 의해 디지털 신호 1과 0을 저장하게 되는 원리를 이용하는 것이다.

강유전체 메모리 소자의 축전물질로는 SBT 박막 또는 PZT 박막이 주로 사용되며, 강유전체막의 우수한 강유전 특성을 얻기 위해서는 상, 하부 전극물질 및 주변물질의 선택과 적절한 공정의 제어가 필수적이다.

일반적으로, 강유전체 캐패시터의 상, 하부전극 물질로는 백금, 이리듐, 루테늄 등과 같은 금속이 사용되고 있다. 그 중에서도, 백금이 가장 각광을 받고 있다. 그러나, 백금을 하부전극으로 사용하였을 경우에는 하부층에 형성되는 통상의 층간절연막인 실리콘산화막(SiO₂)과의 접합성이 매우 좋지 못하여 TiO₂또는 TiN과같은 물질을 백금과 실리콘산화막간의 접착막으로 사용되고 있다.

그러나, TiO₂를 접착막으로 사용하였을 경우에는 후속 공정인 고온의 열처리 시 백금의 결정립계에 침착하여 접착막으로서의 역할을 수행하지 못하는 문제점이 발생하고 있다.

또한, TiN을 접착막으로 사용하였을 경우에는 후속 공정인 고온의 열처리 시 TiN물질 자체가 열분해되거나 부분적으로 얇아져, TiO₂와 마찬가지로 접착막으로서의 역할을 수행하지 못하게 되는 문제점이 발생한다.

이에 따라, 후속 고온의 열공정을 거치게 되면서 백금막의 리프팅(lifting) 현상이 유발되고, 식각공정에 따른 잔유물(residue)을 완전히 제거하기 어렵게 되어 캐패시터의 단락(short)이 발생하게 되는 문제점이 있다.

한편, 이와 같은 문제점은 백금 이외에도 루테늄, 이리듐과 같은 물질을 상, 하부 전극물질로 사용하거나, IrO₂, RuO₂, SrRuO₃와 같은 전도성 금속산화물을 사용한 하이브리드 전극에서도 발생하고 있다.

본 발명은 열적안정성을 확보하여 하부 층간절연막과 하부전극용 전도막간의 접착력을 증가시킬 수 있는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 강유전체 캐패시터 단면을 도시한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명

14 : 제1층간절연막 15 : BN막

16 : 하부전극용 전도막 17 : 강유전체막

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실리콘산화막계 층간절연막상에 접착층으로 BN막을 형성하는 단계; 및 상기 BN막 상부에 하부전극, 강유전체막 및 상부전극을 차례로 적층 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 강유전체 캐패시터 단면을 도시한 것으로 먼저, 소자분리막(11)이 형성된 반도체 기판(10) 상부에 게이트(13)를 형성하고, 접합(12)을 형성한다. 이어서, 전체 구조 상부에 실리콘(Si) 또는 실리콘 산화막(SiO₂)을 사용하여 제1층간절연막(14)을 형성한 후 제1층간절연막(14) 상부에 BN막(15), 하부전극용 전도막(16), 강유전체막(17) 및 상부전극용 전도막(18)을 차례로 형성한다.

이때, BN막(15)은 제1층간절연막(14)과 하부전극용 전도막(16)간의 접착력 향상을 위한 접착층으로써, 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD)법 또는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)법을 사용하여 50 ~ 500 Å 정도의 두께로 증착하며, 그 결정구조가 육방적(Hexagonal) 구조, 육방정(Cubic) 구조, 비정질(Amorphous) 구조 중 적어도 어느 하나의 구조가 되도록 한다. 여기서, BN막(15)의 결정구조가 육방적 구조 또는 육방정 구조를 취하도록 하는 이유는 이후 형성될 하부전극용 전도막(16) 물질인 백금의 결정구조가 면심입방 구조를 가지고 있어서, 접착층 역할의 BN막(15) 결정 구조를 이와 유사하도록 하기 위함이며, BN막(15)의 결정구조가 비정질 구조를 취하도록 하는 것은 비정질 구조가 비교적 결정상으로 여유가 있는 구조이므로 접착층 역할 수행에 있어서 보다 근접할 수 있는 구조이기 때문이다. 또한, BN막(15)은 우수한 열전도성, 비교적 작은 열팽창 계수, 높은 화학적 안정성을 가지고 있는 장점이 있는 물질이다. 구체적으로, BN의 열팽창 계수는 7.5 ×10^-6 K^-1로써 SiO₂의 열팽창 계수 0.5 ×10^-6K^-1보다 큰 값을 가지며, Pt의 열팽창 계수 9 ×10^-6K^-1보다 작은 값을 가져 열팽창 계수 측면에서 SiO₂와 Pt의 중간값을 가져 Pt와 SiO₂간의 열팽창 계수 차이에 의한 열응력(Thermal Stress)를 완화시킬 수가 있다.

한편, 하부전극용 전도막(16) 및 상부전극용 전도막(18)은 백금을 사용하여 형성하는데, 이리듐, 루테늄과 같은 물질을 사용하여 형성할 수도 있다. 이때, IrO₂, RuO₂, SrRuO₃와 같은 전도성 금속산화물을 추가로 적층하여 이중 구조의 하부전극용 전도막(16) 및 상부전극용 전도막(18)을 형성할 수도 있다.

한편, 강유전체막(17)은 Pb(Zr, Ti)O₃, (Pb, La)(Zr, Ti)O₃, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂(Ta, Nb)₂O₉, Bi₄Ti₃O₁₂, (Bi, La)₄Ti₃O₁₂중 적어도 어느 하나의 물질을 사용하여 형성한다.

다음으로, 상부전극용 전도막(18)을 선택식각하여 강유전체 캐패시터의 상부전극 패턴을 형성한 후 강유전체막(17) 및 하부전극용 전도막(16)을 차례로 선택식각하여 패터닝한다.

다음으로, 상부전극 패턴과 게이트(12)의 접합(13)을 전기적으로 연결하기 위한 금속배선(20) 및 비트라인(22)을 형성한다. 여기서, 미설명된 도면부호 '19' 및 '21'은 각각 층간절연막을 나타내고 있다.

이렇듯, 본 발명은 통상의 층간절연막인 실리콘산화막과 그 상부에 형성되는 하부전극용 전도막인 백금막과의 접착층 물질로써, BN막을 사용하여 실리콘산화막과 백금막간의 접착력을 향상시켜, 후속 고온의 열처리 시에도 백금막의 리프팅에 따른 문제점을 방지할 수 있다.

한편, 본 실시예는 NPP(Non-Polisilicon Plug)구조를 갖는 강유전체 캐패시터를 설명하였으나, PP(Polisilicon Plug)구조의 강유전체 캐패시터에도 본 발명은 적용될 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 캐패시터 하부에 형성되는 층간절연막과 하부전극용 전도막간의접착력 향상 효과 및 열적 안정성 향상 효과가 있고, 이에 따라 하부전극용 전도막의 리프팅에 의한 소자의 단락을 방지하여 소자 형성 공정을 안정화하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 실리콘산화막계 층간절연막상에 접착층으로 BN막을 형성하는 단계; 및

   상기 BN막 상부에 하부전극, 강유전체막 및 상부전극을 차례로 적층 형성하는 단계

   를 포함하여 이루어지는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터 형성방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 하부전극은 백금을 사용하여 형성하며, 상기 BN막은 육방적 구조 또는 육방정 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터 형성방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 하부전극은, 그 하부가 백금, 이리듐, 루테늄 중 어느 하나이며, 상기 BN막은 비정질 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터 형성방법.