KR20010109615A - 반도체 소자의 강유전체 캐패시터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 캐패시터 유전체로 강유전체 박막을 사용하는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터에 관한 것이다. 본 발명은 열적 안정성, 피로 특성 및 잔류 분극 특성을 확보할 수 있으며, 잔류 분극 특성이 우수한 SBT 사용시에도 집적도 측면에서 유리한 PP 구조를 적용할 수 있는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 특징적인 반도체 소자의 강유전체 캐패시터는, 소정의 하부층 상에 제공되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상부에 제공되며, 제1강유전체/제2강유전체/제3강유전체의 다층 구조로 이루어진 강유전체 박막; 및 상기 강유전체 박막 상부에 제공되는 상부 전극을 구비하되, 상기 제1강유전체가 SBT, SBTN, (Bi, La)₄Ti₃O₁₂중 어느 하나이며, 상기 제2 강유전체가 PZT, PLZT, Bi₄Ti₃O₁₂중 어느 하나이며, 상기 제3강유전체가 SBT, SBTN, (Bi, La)₄Ti₃O₁₂중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 소자의 강유전체 캐패시터{Ferroelectric capacitor in semiconductor device}

본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 캐패시터 유전체로 강유전체 박막을 사용하는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터에 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 적용함으로써 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.

상기와 같은 강유전체막의 우수한 강유전 특성을 얻기 위해서는 상하부 전극물질의 선택과 적절한 공정의 제어가 필수적이다.

일반적으로, 강유전체 캐패시터의 구조는 하부전극/강유전체막/상부전극의 구조로 이루어져 있다. 강유전체 기억소자의 강유전체 물질로는 SBT박막 또는 PZT박막이 주로 사용되며, 상/하부전극 재료로는 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru)과 같은 금속물질 또는 산화이리듐(IrO₂)이나 산화루테늄(RuO₂)과 같은 산화물이 주로 사용되고 있다.

그러나, 상기 강유전체 물질 중 PZT는 잔류분극값이 큰 장점이 있으나, 상, 하부전극 물질로 백금, 이리듐, 루테늄과 같은 금속물질을 채용할 경우 소자의 반복적인 읽기, 쓰기 동작에 따른 스위칭(switching)으로 인하여 잔류분극값이 감소하게 되는 피로(fatigue) 현상이 발생하는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위하여 상, 하부 전극물질을 백금 대신에 산화이리듐(IrO₂)이나 산화루테늄(RuO₂)과 같은 금속산화물 전극이 채용되고 있으나, 이와 같은 산화물 전극은 열적안정성이 떨어져 후속공정에서 안정성이 저하되는 문제점이 발생하고 있다.

또한, 강유전체 물질로 SBT를 사용하는 경우에는 금속 전극을 사용하더라도 피로 현상은 크게 나타나지 않으나, PZT를 강유전체 물질로 사용하는 경우보다 잔류분극값이 작고, PZT(600℃)보다 높은 800℃ 이상의 후속 열처리를 진행하여야 하는 단점이 있다.

현재, 강유전체 캐패시터는 구조 측면에서 NPP(Non-Plug Poly) 구조와 PP(Plug Poly)구조로 나눌 수 있다.

도 1a는 NPP 구조의 강유전체 캐패시터를 포함한 FeRAM의 단면 구성을 도시한 것이며, 도 1b는 PP 구조의 강유전체 캐패시터를 포함한 FeRAM의 단면 구성을 도시한 것이며, 도 1c는 종래기술에 따른 강유전체 캐패시터의 단면 구성을 도시한 것이다.

도 1a 및 도 1b에서 도면부호 '10'은 실리콘 기판, '11'은 게이트, '12'는 접합, '13'은 하부전극, '14'는 강유전체막, '15'는 상부전극, '16'은 제1금속배선, '17'은 비트라인, '18'은 제2금속배선, '19'는 콘택 플러그를 각각 나타낸 것이다.

도 1a를 참조하면, NPP 구조의 강유전체 캐패시터는 모스 트랜지스터의 접합(12)과 상부전극용 전도막(15)이 금속배선(16)에 의해 접속되어 상부전극(15)이 스토리지 노드 역할을 하게 되며, 비트라인(17)이 캐패시터 구조의 상부에 위치하게 된다.

도 1b를 참조하면, PP 구조의 강유전체 캐패시터는 접합(12)과 하부전극(13)이 콘택 플러그(19)에 의하여 접속되어 하부전극(13)이 스토리지 노드 역할을 하게 되며, 비트라인(17)이 캐패시터의 하부에 위치하게 된다.

한편, 도 1c에 도시된 바와 같이 종래기술에 따른 강유전체 캐패시터는 PP 구조이던지 NPP 구조이던지 간에 하부전극(1), 강유전체(2) 및 상부전극(3)의 구조를 이루게 된다.

일반적으로, 소자의 집적도 측면을 고려하게 되면, NPP 구조의 강유전체 캐패시터보다는 PP 구조의 강유전체 캐패시터를 채택하는 것이 바람직하지만, FeRAM 제작에 있어서 PP 구조를 채용하는데는 공정상의 어려움이 따른다. 즉, 고온 공정을 거치면 강유전체에 포함된 산소들이 하부 전극을 통해 확산되어 유전율이 낮은 SiO₂박막을 생성하게 되는데, 이 경우 외부에서 가해준 전압의 대부분이 유전율이낮은 SiO₂박막에 걸리게 되어 소자 작동에 있어서 치명적인 결함으로 작용하게 되는 문제점이 있다. 강유전체로 PZT를 사용할 경우에는 후속 열처리 온도를 600℃까지 낮출 수 있어 PP 구조를 적용할 수 있으나, SBT를 사용하는 경우 800℃ 이상의 후속 열처리를 필요로 하기 때문에 PP 구조의 적용에 있어서 어려움이 있으며, 이에 따라 집적도 측면에서 불리한 NPP 구조를 취하고 있다.

본 발명은 열적 안정성, 피로 특성 및 잔류 분극 특성을 확보할 수 있는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 잔류 분극 특성이 우수한 SBT 사용시에도 집적도 측면에서 유리한 PP 구조를 적용할 수 있는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 NPP 구조의 강유전체 캐패시터를 포함한 FeRAM의 단면도.

도 1b는 PP 구조의 강유전체 캐패시터를 포함한 FeRAM의 단면도.

도 1c는 종래기술에 따른 강유전체 캐패시터의 단면 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전체 캐패시터의 단면 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

21 : 하부전극 22 : 제1 SBT막

23 : PZT막 24 : 제2 SBT막

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 반도체 소자의 강유전체 캐패시터는, 소정의 하부층 상에 제공되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상부에 제공되며, 제1강유전체/제2강유전체/제3강유전체의 다층 구조로 이루어진 강유전체 박막; 및 상기 강유전체 박막 상부에 제공되는 상부 전극을 구비하되, 상기 제1강유전체가 SBT, SBTN, (Bi, La)₄Ti₃O₁₂중 어느 하나이며, 상기 제2 강유전체가PZT, PLZT, Bi₄Ti₃O₁₂중 어느 하나이며, 상기 제3강유전체가 SBT, SBTN, (Bi, La)₄Ti₃O₁₂중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 하부층은 모스 트랜지스터와, 상기 모스트랜지스터의 접합과 상기 하부 전극을 전기적으로 접속하기 위한 콘택 플러그를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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.

첨부된 도면 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전체 캐패시터의 단면 구성을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.

본 실시예에 따른 강유전체 캐패시터는 도 2에 도시된 바와 같이 소정의 하부층(20) 상부에 하부전극(21), 제1 SBT막(22), PZT막(23), 제2 SBT막(24)의 다층 구조로 이루어진 강유전체막 및 상부전극(25)이 차례로 적층된 구조를 가진다.

이때, 하부전극(21) 및 상부전극(25)은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 과 같은 금속물질이나, 산화이리듐(IrO₂), 산화루테늄(RuO₂)과 같은 금속산화물이나, 금속물질과 금속산화물을 함께 사용한 하이브리드(Hybrid) 물질 중 어느 하나를 사용하여 형성한다. 또한, 하부전극(21) 및 상부전극(25)의 두께는 각각 10~5000Å 범위에서 결정한다.

그리고, 제1 SBT막(22) 및/또는 제2 SBT막(24)을 대신하여 SBT에 Nb를 도핑(doping)한 SBTN막이나 (Bi, La)₄Ti₃O₁₂막을 사용할 수 있으며, PZT막(23)을 대신하여 PZT에 La를 도핑한 PLZT막이나 Bi₄Ti₃O₁₂막을 사용할 수 있다. 제1 SBT막(22), PZT막(23) 및 제2 SBT막(24) 각 층의 두께는 10~4000Å 범위에서 최적화하여 결정하며, 다층 구조의 강유전체막 전체 두께가 30Å~1㎛의 범위를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

이렇듯 본 발명은, 강유전체막을 SBT막이나 PZT막의 단일막 구성이 아닌, SBT막/PZT막/SBT막의 적층 구조 또는 이와 유사한 물질로 구성하며, 백금 등의 금속전극 사용시에도 PZT가 금속전극과 직접 접촉하지 않으므로, 피로 현상을 억제할 수 있게 된다. 또한, PZT는 SBT보다 큰 잔류분극값을 가지고 있으므로, SBT 단일막을 채용한 강유전체 캐패시터보다 큰 잔류분극값을 가지게 된다. 그리고, PZT가 주된 강유전체로서의 역할을 수행하게 되므로 후속 열처리 공정시 600℃ 정도의 저온 공정이 가능하며, 이에 따라 피로 특성이 우수한 SBT를 집적도 측면에서 유리한 PP 구조의 강유전체 캐패시터에 적용할 수 있게 된다.

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.

전술한 본 발명은 강유전체 박막의 잔류 분극 특성을 확보할 수 있으며, 전극 물질의 열적 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 SBT의 우수한 피로 특성을 확보하면서 후속 열처리 온도를 600℃까지 다운시킬 수 있어 PP 구조에의 SBT 적용을 가능하게 하며, 이로 인하여 FeRAM의 집적도를 개선하는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (2)

1. 소정의 하부층 상에 제공되는 하부 전극;

   상기 하부 전극 상부에 제공되며, 제1강유전체/제2강유전체/제3강유전체의 다층 구조로 이루어진 강유전체 박막; 및

   상기 강유전체 박막 상부에 제공되는 상부 전극을 구비하되,

   상기 제1강유전체가 SBT, SBTN, (Bi, La)₄Ti₃O₁₂중 어느 하나이며,

   상기 제2 강유전체가 PZT, PLZT, Bi₄Ti₃O₁₂중 어느 하나이며,

   상기 제3강유전체가 SBT, SBTN, (Bi, La)₄Ti₃O₁₂중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 하부층은,

   모스 트랜지스터와,

   상기 모스트랜지스터의 접합과 상기 하부 전극을 전기적으로 접속하기 위한 콘택 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 강유전체 캐패시터.