KR20090020826A - Method of manufacturing phase change memory device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 상변화 물질의 결함을 방지하여 전기적 특성을 개선할 수 있는 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a phase change memory device, and more particularly, to a method of manufacturing a phase change memory device capable of improving electrical characteristics by preventing defects of a phase change material.
반도체 메모리 소자 중에서 전원의 공급이 중단되어도 저장된 데이터가 손실되지 않는 비휘발성 메모리 소자가 각광받고 있다. 비휘발성 메모리 소자 중에서도 플래시 메모리 소자(flash memory device)를 대표적인 소자라고 할 수 있다.Among semiconductor memory devices, nonvolatile memory devices that receive stored data are not lost even when power supply is interrupted. Among the nonvolatile memory devices, a flash memory device may be referred to as a typical device.
플래시 메모리 소자는 전하 트랩층을 포함하는데, 전하 트랩층에 전하의 유/무에 따라 소거 셀(erase cell) 또는 프로그램 셀(program cell)을 구별하여 일반적으로 말하는 "0" 또는 "1"을 독출(read)할 수 있다. 또한, 상술한 메모리 소자는 소거 상태 또는 프로그램 상태만을 구별하였지만, 최근에 다수의 프로그램 상태를 구별할 수 있는 멀티 레벨 칩(multi level chip; MLC) 방식의 소자가 개발되었다. The flash memory device includes a charge trap layer, which distinguishes an erase cell or a program cell according to the presence / absence of charges from the charge trap layer, and reads a commonly referred to as "0" or "1". (read) In addition, although the above-described memory device distinguishes only an erase state or a program state, recently, a multi level chip (MLC) type device capable of distinguishing a plurality of program states has been developed.
하지만, 이러한 소자들은 반도체 메모리 소자의 집적도가 증가할수록 이웃하는 소자들 간에 발생할 수 있는 간섭(interference) 특성이 증가하고 있으며, 미세패턴의 한계로 인하여 집적도를 증가하기가 매우 어렵다.However, as the degree of integration of semiconductor memory devices increases, such devices increase interference characteristics that may occur between neighboring devices, and it is very difficult to increase the degree of integration due to the limitation of micropatterns.
이에 따라, 새로운 메모리 소자로 상변화 메모리 소자(phase change memory device)가 제안되었다.Accordingly, a phase change memory device has been proposed as a new memory device.
상변화 메모리 소자는 전하의 유/무를 판단하는 것이 아니라 상변화막을 통과하는 전류량으로 예를 들면 "0" 또는 "1" 상태를 구별하게 된다. 구체적으로 설명하면, 상변화막은 온도에 따라 결정질(crystalline) 또는 비정질(amorphous)의 상태로 상변이 하여 물성이 변화된다. 이때, 상변화막이 결정질 상태일 경우에는 흐르는 전류의 양이 증가하고, 비정질 상태일 경우에는 전류의 양이 감소하므로 이러한 전류의 양을 감지하여 "0" 또는 "1" 상태를 구별할 수 있다. The phase change memory device does not determine the presence / absence of electric charges, but distinguishes the “0” or “1” states by the amount of current passing through the phase change film. Specifically, the phase change film is phase-transformed to a crystalline or amorphous state depending on temperature, thereby changing its physical properties. At this time, when the phase change film is in the crystalline state, the amount of current flowing increases, and in the amorphous state, the amount of current decreases, so that the amount of current can be sensed to distinguish the "0" or "1" state.
상변화막은 켈코게나이드(GexSbyTez; 이하 GST)라는 합금 박막으로 형성할 수 있는데, 켈코게나이드(GST)막은 패터닝할 때, 켈코게나이드(GST)막에 포함된 안티몬(antimony; Sb)이 주변 막(layer)으로 확산(diffusion) 되기가 쉬워 상변화막의 물리적 특성이 변화되어 상변화 특성이 감소하기가 쉽다. 또한, 켈코게나이드(GST)막은 식각 공정에 취약하기 때문에 식각 공정 시 균열(crack) 또는 공핍(void)이 발생하기 쉽기 때문에 후속 공정을 진행하기가 어려워질 수 있으며, 상변화 메모리 소자가 손상을 입기가 쉽고, 이에 따라 전기적 특성이 열화될 수 있다. The phase change layer may be formed of an alloy thin film called chalcogenide (Ge x Sb y Te z ; hereinafter GST). The chalcogenide (GST) layer is antimony contained in the chalcogenide (GST) layer when patterned. Sb is easily diffused into the surrounding layer, and the physical properties of the phase change film are changed, so that the phase change property is easily reduced. In addition, since the chalcogenide (GST) film is vulnerable to the etching process, cracks or voids are likely to occur during the etching process, which may make it difficult to proceed with subsequent processes. It is easy to wear, and therefore, the electrical characteristics may be degraded.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 절연막을 형성한 후, 절연막에 상변화막이 형성될 홀을 형성하고, 홀 내부에 캐핑막을 형성하여 후속 상변화막의 확산을 방지할 수 있으며, 상변화막이 홀 내부에 형성되므로 상변화막의 패터닝 공정을 생략할 수 있으므로 패터닝 공정에 취약한 상변화막의 손상을 방지할 수 있으므로, 소자의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.The problem to be solved by the present invention, after forming the insulating film, to form a hole to form a phase change film in the insulating film, and to form a capping film in the hole to prevent the subsequent diffusion of the phase change film, the phase change film is inside the hole Since the patterning process of the phase change film can be omitted, the damage to the phase change film vulnerable to the patterning process can be prevented, thereby improving the reliability of the device.
본 발명은 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 하부전극 상에 콘택 플러그가 형성된 반도체 기판이 제공된다. 콘택 플러그를 포함한 반도체 기판상에 절연막을 형성한다. 콘택 플러그가 노출되도록 절연막에 홀을 형성한다. 홀 내부가 채워지도록 콘택 플러그 및 절연막 상에 상변화막을 형성한다. 홀 내부에만 상변화막이 잔류하도록 연마공정을 실시한다. 상변화막의 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법으로 이루어진다.The present invention relates to a method of manufacturing a phase change memory device, and a semiconductor substrate having a contact plug formed on a lower electrode is provided. An insulating film is formed on a semiconductor substrate including a contact plug. Holes are formed in the insulating film to expose the contact plugs. A phase change film is formed on the contact plug and the insulating film to fill the inside of the hole. The polishing process is carried out so that the phase change film remains only inside the hole. A method of manufacturing a phase change memory device including forming an upper electrode on an upper portion of a phase change film.
상변화막은 열에 의하여 결정질 또는 비정질 상태로 변환되는 상변화 물질로 형성하며, 상변화 물질은 GST로 형성한다. GST는 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루리움(Te)의 화합물이며, GST는 Ge2Sb2Te5이다.The phase change film is formed of a phase change material that is converted into a crystalline or amorphous state by heat, and the phase change material is formed of GST. GST is a compound of germanium (Ge), antimony (Sb) and tellurium (Te), and GST is Ge 2 Sb 2 Te 5 .
상변화막을 형성하는 단계 이전에, 홀의 표면을 따라 캐핑막을 형성한다. 캐핑막에 이온주입 공정을 실시하는 단계를 더 포함한다. 캐핑막은 질화막으로 형성하며, 이온주입 공정은 불순물로 안티몬(Sb)을 주입한다. Prior to forming the phase change film, a capping film is formed along the surface of the hole. And performing an ion implantation process on the capping film. The capping film is formed of a nitride film, and the ion implantation process injects antimony (Sb) as impurities.
콘택 플러그는 전도성 물질로 형성하며, 전도성 물질은 폴리실리콘막, 실리콘막(epitaxial growth Si) 또는 텅스텐막으로 형성한다. The contact plug is formed of a conductive material, and the conductive material is formed of a polysilicon film, a silicon film (epitaxial growth Si), or a tungsten film.
본 발명은, 절연막을 형성한 후, 절연막에 상변화막이 형성될 홀을 형성하고, 홀 내부에 캐핑막을 형성하여 후속 상변화막의 확산을 방지할 수 있으며, 상변화막이 홀 내부에 형성되므로 패터닝 공정을 생략할 수 있으므로 패터닝 공정에 취약한 상변화막의 손상을 방지할 수 있다.According to the present invention, after forming the insulating film, a hole in which the phase change film is to be formed is formed in the insulating film, and a capping film is formed in the hole to prevent subsequent diffusion of the phase change film, and the patterning process is formed since the phase change film is formed inside the hole. Since it is possible to omit the damage to the phase change film vulnerable to the patterning process.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to the present invention.
도 1a를 참조하면, 하부전극(104)을 포함하는 반도체 기판(100)이 제공된다. 구체적으로 설명하면, 반도체 기판(100)상에 층간 절연막용 제1 절연막(102)을 형성하고, 반도체 기판(100)이 노출되도록 제1 절연막(102)을 패터닝한다. 노출된 반도체 기판(100)상에 금속막을 채워 하부전극(104)을 형성한 후, 화학적기계적연마(chemical mechanical polishing; CMP)공정을 실시하여 제1 절연막(102)과 하부전극(104)의 상부를 평탄화한다. 제1 절연막(102)은 산화막으로 형성할 수 있고, 하부전극(104)은 금속막으로 형성할 수 있다. Referring to FIG. 1A, a
이어서, 제1 절연막(102) 및 하부전극(104)의 상부에 층간 절연막용 제2 절연막(106)을 형성한다. 제2 절연막(106)은 산화막으로 형성할 수 있다. 제2 절연막(106)의 상부에 콘택 홀(107) 영역이 개방된 하드 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 하드 마스크 패턴(미도시)에 따라 식각 공정을 실시하여 제2 절연막(106)에 하부전극(104)의 일부를 노출시키는 콘택 홀(107)을 형성한다. Subsequently, a second
도 1b를 참조하면, 콘택 홀(107) 내부에 콘택 플러그(108)를 형성한다. 콘택 플러그(108)는 발열체로써 전도성 물질로 형성할 수 있다. 예를 들면, 콘택 플러그(108)용 물질로 폴리실리콘막, 실리콘막(epitaxial growth Si) 또는 텅스텐막을 형성할 수 있다. 구체적으로, 콘택 홀(107)의 내부에 전도성 물질을 형성하되, 콘택 홀(107)을 완전히 채우기 위하여 제2 절연막(106)이 모두 덮이도록 형성하는 것이 바람직하다. 제2 절연막(106)의 상부가 노출되도록 화학적기계적연마(CMP)공정을 실시하여 콘택 홀(107) 내부에 콘택 플러그(108)가 형성되도록 한다. 이때, 도 1a에서 형성한 하드 마스크 패턴(미도시)도 함께 제거한다. 이처럼 콘택 플러그(108)는 하부전극(104)과 접하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 후속 하부전극으 로 전달되는 전압에 의해 콘택 플러그(108)의 발열 온도가 달라진다.Referring to FIG. 1B, a
이어서, 제2 절연막(106) 및 콘택 플러그(108)의 상부에 층간 절연막용 제3 절연막(110)을 형성한다. 제3 절연막(110)은 산화막으로 형성할 수 있다. 제3 절연막(110)의 상부에 후속 상변화막이 형성될 영역이 개방된 하드 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 하드 마스크 패턴(미도시)에 따라 식각 공정을 실시하여 제3 절연막(110)에 콘택 플러그(108)가 노출되도록 홀(111)을 형성한다. 하드 마스크 패턴(미도시)을 제거한다.Subsequently, a third
도 1c를 참조하면, 후속 공정에서 형성될 상변화막(114)의 불순물 확산(diffusion)을 방지하기 위하여 홀(도 1b의 111)의 표면을 따라 캐핑막(112)을 형성한다. 캐핑막(112)은 질화막으로 형성할 수 있으며, 홀(도 1b의 111)의 폭을 고려하여 5nm 내지 20nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이어서, 상변화막(114)으로부터의 불순물 확산(diffusion)을 더욱 방지하기 위하여 캐핑막(112)에 이온주입 공정을 실시한다. 이온주입 공정 시, 불순물은 상변화막(114)에서 확산이 발생하는 이온을 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상변화막(114)에서는 안티몬(antimony; Sb) 이온이 주로 확산 되기 때문에, 이온주입 공정 시 안티몬(Sb)을 불순물로 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 이온주입 공정을 실시한 후에, 건식 식각 공정인 에치백(etch back) 공정을 실시하여 콘택 플러그(108) 상부에 형성된 캐핑막(112)은 제거하고, 제3 절연막(110)의 측벽에 형성된 캐핑막(112)은 잔류시킬 수도 있다.Referring to FIG. 1C, the
이어서, 캐핑막(112)의 상부에 상변화막(114)을 형성한다. 바람직하게는, 상 변화막(114)이 홀(도 1b의 111) 내부에 채워지도록 형성한다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Next, a
상변화막(114)은 상변화(phase change) 물질로 형성한다. 상변화 물질이란 두 개의 안정된 상태(two stable states)인 비정질 상태(amorphous state) 및 결정 상태(crystalline state)를 가지며, 이러한 상태 중 어느 하나로 변환할 수 있는 물질을 의미한다. 일반적으로, 결정 상태의 물질은 비정질 상태의 물질에 비하여 비저항이 낮다. 이에 따라, 결정 상태의 상변화 물질과 비정질 상태의 상변화 물질 간의 전류량의 차이를 감지하여 이를 논리(예를 들어, "0" 또는 "1")로 판별할 수 있다. 상변화 물질로 널리 알려진 물질은 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루리움(Te)의 화합물인 GST(GexSbyTez, 예를 들면 Ge2Sb2Te5)가 있다. GST와 같은 상변화 물질은 열에 의하여 결정질 또는 비정질 상태로 변환될 수 있다. 이는, 하부전극(104)을 통해 전압이 전달되면 콘택 플러그(108) 내의 저항에 의해 콘택 플러그(108)가 발열하고 이로 인해 상변화막(114)의 상태가 변환된다. The
도 1d를 참조하면, 제3 절연막(110)이 드러나도록 평탄화 공정을 실시하여 상변화막(114) 및 캐핑막(112)의 일부를 제거한다. 상변화막(114)은 상변화 물질의 특성상 습식(wet) 또는 건식(dry) 식각 공정에 매우 취약하지만, 상술한 바와 같이 제3 절연막(110)의 개방된 패턴 내에 상변화막(114)을 채움으로써 상변화막(114)의 패터닝 공정을 수행하지 않는다. 이로 인하여, 상변화막(114)의 손상을 감소시킬 수 있다.Referring to FIG. 1D, a planarization process is performed to expose the third insulating
이어서, 상변화막(114)의 상부에 상부전극(118)을 형성한다. 예를 들면, 제3 절연막(110), 캐핑막(112) 및 상변화막(114)의 상부에 층간 절연막용 제4 절연막(116)을 형성한 후, 상변화막(114)이 드러나도록 제4 절연막(116)을 패터닝 한다. 그리고, 노출된 상변화막(114)의 상부에 금속막을 형성하여 상부전극(118)을 형성할 수 있다.Subsequently, an
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention described above has been described in detail in a preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, the present invention will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 반도체 기판 102 : 제1 절연막100
104 : 하부전극 106 : 제2 절연막104: lower electrode 106: second insulating film
108 : 콘택 플러그 110 : 제3 절연막108: contact plug 110: third insulating film
112 : 캐핑막 114 : 상변화막112: capping film 114: phase change film
116 : 제4 절연막 118 : 상부전극116: fourth insulating film 118: upper electrode
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |