KR20020003002A - 강유전체 회복 열처리 공정에 따른 콘택 저항 증가를방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 식각에 의해 열화된 강유전체 특성을 회복시키기 위한 열처리 과정에서 콘택 저항의 증가를 방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 관한 것으로, 강유전체 특성을 열화시키는 식각 충격을 제거하기 위하여 종래 열적 회복(thermal recovery) 공정 진행시 콘택 저항이 증가하는 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 광학적인 회복(optical recovery) 공정을 실시하는데 그 특징이 있다. 즉, 식각 공정시 생성되어 강유전체막 내부에 포획된 전하와 결합하여 식각 충격을 소멸시키는 전자와 전공 쌍을 종래 열적 회복 공정에서는 열에너지에 의해 생성시키는 반면, 본 발명에서는 광학적 에너지로 전자 정공쌍을 생성시킨다. 광학적 회복 공정은 식각 공정 후 강유전체의 밴드 갭(band gap)(PZT의 경우 3.4 eV, SBT의 경우 4.2 eV) 보다 높은 에너지를 갖는 자외선(ultra violate) 광을 조사(irridation)한다.

Description

강유전체 회복 열처리 공정에 따른 콘택 저항 증가를 방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법{Method for forming FeRAM capable of preventing increment of contact resistance during recovery anneal}

본 발명은 반도체 메모리 소자 제조 분야에 관한 것으로, 특히 강유전체 회복 열처리 공정에 따른 콘택 저항 증가를 방지할 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.

FeRAM의 축전물질로는 Sr_xBi_yTa₂O₉(이하 SBT)와 PZT(Pb(Zr_xTi_1-x)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.

이하, 첨부된 도면 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 종래 기술에 따른 FeRAM 소자 제조 공정 방법을 설명한다.

먼저 도 1a에 도시한 바와 같이, 소자분리막(11) 그리고 게이트 절연막(12), 게이트 전극(13) 및 소오스·드레인(14)으로 이루어지는 트랜지스터 형성이 완료된 반도체 기판(10) 상에 HTO(high temperature oxide)와 BPSG(borophosphosilicateglass)를 적층하여 제1 층간절연막(15)을 형성하고, 제1 층간절연막(15)을 선택적으로 식각하여 소오스·드레인(14)을 노출시키는 제1 콘택홀(C1)을 형성하고, 제1 콘택홀(C1)을 통하여 트랜지스터의 소오스·드레인(14)과 연결되는 비트라인(16)을 형성한 다음, 비트라인(16) 형성이 완료된 전체 구조 상에 제2 층간절연막(17)을 형성하고, 제2 층간절연막(17)과 제1 층간절연막(15)을 선택적으로 식각하여 트랜지스터의 또 다른 소오스·드레인(14)과 연결되는 제2 콘택홀(C2)을 형성하고, 제2 콘택홀(C2) 내에 폴리실리콘 플러그(18), 폴리실리콘 플러그(18) 상에 Ti, Co 등을 형성하고 후열처리하여 실리사이드층(19)을 형성한 후, TiN, TiAlN 또는 TiSiN 등을 증착하고 CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 실시하여 콘택홀 내에 확산방지막(20)을 형성한다.

다음으로 도 1b에 도시한 바와 같이, 하부전극막(21), 강유전체막(22) 및 상부전극막(23)을 적층하고, 마스크 공정 및 식각 공정 등으로 상부전극막(23), 강유전체막(22) 그리고 하부전극막(21)을 패터닝하여 캐패시터 패턴을 형성한다. 그 후, 식각 충격에 의해 열화된(degradation)된 강유전체 특성을 회복시켜주기 위한 열처리 공정을 실시한다.

다음으로 도 1c에 도시한 바와 같이, 상기와 같은 강유전체 캐패시터 형성이 완료된 전체 구조 상에 수소 확산방지막(24) 및 제3 층간절연막(25)을 형성하고, 제3 층간절연막(25)과 수소 확산방지막(24)을 선택적으로 식각하여 강유전체 캐패시터의 상부전극(23)을 노출시키는 제3 콘택홀(C3)을 형성한 다음, 금속배선(26)을 형성한다.

강유전체 특성은 통상적으로 플라즈마를 사용하는 여러 식각 공정시 발생하는 식각충격(etching damage)에 의해서 쉽게 열화된다. 일반적으로 식각충격은 식각 공정 중 주로 플라즈마에 의해 발생하는 전하가 강유전체막 내부에 포획(trap)되는 것에 기인한다. 이런 식각 충격을 제거하여 열화된 강유전체 특성을 회복시키기 위하여 종래에는 비교적 높은 온도(450 ℃ 내지 700 ℃)에서 후속 열처리 공정을 진행한다. 후속 열처리 공정은 강유전체막 내부에 전자와 정공 쌍을 생성시키며, 상기 전자와 정공 쌍은 식각 충격을 야기시키는 강유전체막 내부에 포획된 전하들과 결합(recombination)하여 식각 충격을 소멸시키는 역할을 한다. 그러나, 상기와 같은 회복 열처리 공정은 통상적으로 콘택 저항 증가, 특히 고밀도 FeRAM 소자의 경우 폴리실리콘 플러그의 콘택 저항을 증가시켜 소자의 특성을 저하시키는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 식각에 의해 열화된 강유전체 특성을 회복시키기 위한 열처리 과정에서 콘택 저항의 증가를 방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 FeRAM 소자 제조 공정 단면도,

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시 예에 따른 FeRAM 소자 제조 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

39: 폴리실리콘 플러그 42: 하부전극막

43: 강유전체막 44: 상부전극막

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상부에 강유전체막 형성이 완료된 상태에서 식각 공정을 진행하는 제1 단계; 및 상기 제1 단계가 완료된상기 기판 상부에 3 eV 내지 5 eV의 자외선 광을 조사하여 상기 식각 공정에 의한 상기 강유전체막의 열화를 회복시키는 제2 단계를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 트랜지스터를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제3 단계; 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 트랜지스터의 소오스·드레인을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 제4 단계; 상기 콘택홀 내부에 폴리실리콘 플러그를 형성하는 제5 단계; 및 상기 제5 단계가 완료된 전체 구조 상에 하부전극막, 강유전체막 및 상부전극막을 적층하고 상기 상부전극막, 상기 강유전체막 및 상기 하부전극막을 선택적으로 식각하여 강유전체 캐패시터 패턴을 형성하는 제6 단계; 및 상기 제6 단계가 완료된 상기 기판 상부에 3 eV 내지 5 eV의 자외선 광을 조사하여 상기 식각 공정에 의한 상기 강유전체막의 열화를 회복시키는 제7 단계를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기 제7 단계 후, 상기 강유전체 캐패시터를 덮는 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 강유전체 캐패시터의 상부전극을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 제8 단계; 및 상기 제8 단계가 완료된 기판 상부에 3 eV 내지 5 eV의 자외선 광을 조사하여 상기 식각 공정에 의한 상기 강유전체막의 열화를 회복시키는 제9 단계를 더 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공한다.

강유전체 특성을 열화시키는 식각 충격을 제거하기 위하여 종래 열적 회복(thermal recovery) 공정 진행시 콘택 저항이 증가하는 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 광학적인 회복(optical recovery) 공정을 실시하는데 그 특징이 있다. 즉, 식각 공정시 생성되어 강유전체막 내부에 포획된 전하와 결합하여 식각 충격을 소멸시키는 전자와 전공 쌍을 종래 열적 회복 공정에서는 열에너지에 의해 생성시키는 반면, 본 발명에서는 광학적 에너지로 전자 정공쌍을 생성시킨다. 광학적 회복 공정은 식각 공정 후 강유전체의 밴드 갭(band gap)(PZT의 경우 3.4 eV, SBT의 경우 4.2 eV) 보다 높은 에너지를 갖는 자외선(ultra violate) 광을 조사(irridation)한다.

이하 첨부된 도면 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 상세하게 설명한다.

먼저 도 2a에 도시한 바와 같이, 소자분리막(31) 그리고 게이트 절연막(32), 게이트 전극(33) 및 소오스·드레인(34)으로 이루어지는 트랜지스터 형성이 완료된 반도체 기판(30) 상부에 BPSG 등으로 제1 층간절연막(35)을 형성하고, 상기 제1 층간절연막(35) 내에 형성된 콘택홀을 통하여 상기 트랜지스터의 소오스·드레인(34)과 연결되는 비트라인(36)을 형성한다. 이어서, 비트라인(36) 형성이 완료된 전체 구조 상에 제2 층간절연막(37)을 형성하고, 제2 층간절연막(37) 상에 고온 산화막(high temperature oxide, HTO) 등으로 페시베이션 산화막(passivation oxide)(38)을 형성한 다음, 페시베이션 산화막(38) 및 제2 층간절연막(37)을 선택적으로 식각하여 소오스·드레인(34)을 노출시키는 콘택홀을 형성한 다음, 상기 콘택홀 내에 캐패시터의 하부전극과 연결되는 수직배선인 폴리실리콘 플러그(39)를 형성한다.

다음으로 도 2b에 도시한 바와 같이, 폴리실리콘 플러그(39) 상의 자연산화막을 제거한 후, 페시베이션 산화막(38) 및 폴리실리콘 플러그(39) 상에 Ti, Co 등으로 접착층(adhesion layer, 40)을 형성하고, 후열처리를 실시하여 접촉저항 감소를 위한 실리사이드(도시하지 않음)를 일부 형성한 후, 접착층(40) 상에 산소확산을 방지하기 위한 확산방지막(41)을 TiN, TiAlN, TiSiN 등으로 형성한다. 이어서, 확산방지막(41) 상에 Ir/IrO_x적층구조로 이루어지는 하부전극막(42)을 형성하고 상기 하부전극막(42) 상에 강유전체막(43)을 형성한다.

상기 강유전체막(43)은 페롭스카이트(perovskite) 구조의 PZT(Pb(Zr_xTi_1-x)O₃, x는 0.4 내지 0.6) 또는 Bi-레이어드(Bi-layered) 페롭스카이트구조의 SBT(Sr_xBi_yTa₂O₉, x는 0.7 내지 1.0, y는 2.0 내지 2.6), SBTN(Sr_xBi_y(Ta_iNb_j)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), BLT(Bi_4-xLa_xTi₃O₁₂, x는 0.6 내지 0.9) 등의 물질로 형성하며, 증착방법으로는 MOD(metal organic deposition), 졸-겔(sol-gel), LSMCD(liquid source mist chemical deposition), 스퍼터링(sputtering) 또는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 방법을 이용한다.

다음으로 도 2c에 도시한 바와 같이, 강유전체막(42) 상에 Pt 또는 IrO_x로 이루어지는 상부전극막(43)을 형성한다.

이어서 도 2d에 보이는 바와 같이, 마스크 공정 및 식각 공정 등으로 상부전극막(43), 강유전체막(42), 하부전극막(41), 확산방지막(41) 그리고 접착층(40)을 패터닝하여 캐패시터 패턴을 형성한다. 그 후, 식각 충격에 의해 열화된(degradation)된 강유전체 특성을 회복시켜주기 위해 자외선 광을 조사한다. 이때, PZT와 같은 페롭스카이트 구조의 강유전체막의 경우 3 eV 내지 4 eV(파장 410 ㎚ 내지 310 ㎚)인 UV 광을 조사하고, SBT, SBTN, BLT와 같은 Bi-레이어드 페롭스카이트 구조의 강유전체의 경우 4 eV 내지 5 eV(파장 310 ㎚ 내지 250 ㎚)인 UV 광을 조사한다. UV 광 조사시 기판의 온도는 상온으로 유지한다.

다음으로 도 2e에 도시한 바와 같이 전체 구조 상에 Al₂O₃수소확산방지막(45)을 형성하고, SiO_x, SOG(spin on glass) 및 SiON 등을 증착하여 평탄화를 위한 층간절연막(46)을 형성하고, TiN 반사방지막 및 Al막 등을 적층하고 패터닝하여 금속배선(47)을 형성한다. 한편, 도 2e에는 도시되어 있지 않지만 상기 캐패시터를 덮는 층간절연막(46)을 선택적으로 식각하여 상기 상부전극막(44)을 노출시키는 콘택홀 형성 한 후에도 강유전체 특성을 회복시키기 위하여 UV 광을 조사할 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

예로서, 전술한 본 발명의 실시예에서는 폴리실리콘 플러그 구조를 갖는 고밀도 FeRAM 소자 제조 공정을 설명하였지만, 본 발명은 NPP(non-poly-plug) 구조를 갖는 저밀도 FeRAM 소자의 캐패시터 패턴 형성을 위한 식각 공정 후 실시되는 1차 회복 공정 및 캐패시터 전극을 노출시키는 콘택홀 형성 공정 후 실시되는 2차 회복 공정에 적용될 수 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 강유전체의 식각 충격을 제거하기 위하여 광학적 회복 공정을 실시함에 따라 종래 열적 회복 공정 진행시 유발되어던 콘택 저항 증가 문제를 효과적으로 방지할 수 있어, 그에 따른 캐패시터 특성 향상을 기대할 수 있다.

Claims (6)

1. 축전물질로 강유전체막을 구비하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 있어서,

   기판 상부에 강유전체막 형성이 완료된 상태에서 식각 공정을 진행하는 제1 단계; 및

   상기 제1 단계가 완료된 상기 기판 상부에 3 eV 내지 5 eV의 자외선 광을 조사하여 상기 식각 공정에 의한 상기 강유전체막의 열화를 회복시키는 제2 단계

   를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
2. 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 있어서,

   트랜지스터를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제3 단계;

   상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 트랜지스터의 소오스·드레인을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 제4 단계;

   상기 콘택홀 내부에 폴리실리콘 플러그를 형성하는 제5 단계; 및

   상기 제5 단계가 완료된 전체 구조 상에 하부전극막, 강유전체막 및 상부전극막을 적층하고 상기 상부전극막, 상기 강유전체막 및 상기 하부전극막을 선택적으로 식각하여 강유전체 캐패시터 패턴을 형성하는 제6 단계; 및

   상기 제6 단계가 완료된 상기 기판 상부에 3 eV 내지 5 eV의 자외선 광을 조사하여 상기 식각 공정에 의한 상기 강유전체막의 열화를 회복시키는 제7 단계를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제7 단계 후,

   상기 강유전체 캐패시터를 덮는 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 강유전체 캐패시터의 상부전극을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 제8 단계; 및

   상기 제8 단계가 완료된 상기 기판 상부에 3 eV 내지 5 eV의 자외선 광을 조사하여 상기 식각 공정에 의한 상기 강유전체막의 열화를 회복시키는 제9 단계

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제2 단계, 상기 제7 단계 또는 상기 제9 단계에서 상기 기판 온도를 상온으로 유지하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 강유전체막을 페롭스카이트 구조의 강유전체막으로 형성하고, 상기 제2 단계, 상기 제7 단계 또는 상기 제9 단계에서 3 eV 내지 4 eV의 자외선 광을 조사하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 강유전체막을 Bi-레이어드 페롭스카이트 구조의 강유전체막으로 형성하고, 상기 제2 단계, 상기 제7 단계 또는 상기 제9 단계에서 4 eV 내지 5 eV의 자외선 광을 조사하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.