KR20100007594A - 반도체 소자 제조방법, 이를 이용한 반도체 소자 모니터링방법 및 이에 의하여 제조된 반도체 소자 - Google Patents
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Abstract
반도체 소자 제조방법, 이를 이용한 반도체 소자 모니터링 방법 및 이에 의하여 제조된 반도체 소자가 제공된다.
본 발명에 따른 반도체 소자 제조방법은 전극 및 상기 전극과 접촉하는 절연층을 포함하는 반도체 소자의 상기 전극에 전압을 인가하는 단계; 및 탐침 현미경의 탐침을 상기 절연층의 일단면에 접촉시킴으로써 사용자가 원하는 위치에 전도성 통로를 상기 절연층 내에 형성시키는 것을 특징으로 하며, 사용자가 원하는 정확한 위치에 전도성 통로를 형성시킬 수 있으므로, 공정 제어가 매우 용이하다. 또한 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 이용하는 경우 스위칭 소자의 면적도 축소시킬 수 있으며, 더 나아가, 종래 기술의 경우 전도성 통로 형성을 확인하기 위해서는 별도의 모니터링 단계가 요구되었으나, 본 발명의 경우 전도성 통로를 구비한 반도체 소자를 제조한 후, 즉시 별도의 공정 없이 반도체 소자를 모니터링할 수 있으므로 공정 경제적이다.
Description
본 발명은 반도체 소자 제조방법, 이를 이용한 반도체 소자 모니터링 방법 및 이에 의하여 제조된 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공정 제어가 매우 용이하며, 보다 공정 경제적인 반도체 소자 제조방법, 이를 이용한 반도체 소자 모니터링 방법 및 이에 의하여 제조된 반도체 소자에 관한 것이다.
현재 메모리 반도체를 대표하는 것은 DRAM과 플래시 메모리이다. DRAM은 동적 랜덤 액세스라는 이름처럼 저장된 자료에 접근하는 경로가 자유롭기 때문에 처리 속도가 빠르다. 또한 기억소자(Memory cell)당 가격이 싸고 집적도를 높일 수 있기 때문에 대용량 메모리로서 널리 이용되고 있다. 그러나 트랜지스터와 커패시터로 구성된 구조상 저장된 전하의 누설이 일어나 전원이 공급되고 있는 동안이라도 일정 기간 내에 주기적으로 정보를 다시 써넣지 않으면 기억된 내용이 없어지는 메모리이다. 이처럼 DRAM은 REFRESH를 계속해 주어야 하는 한계점이 있다.
반면 플래시 메모리는 데이터를 읽어들일 때 정해진 주소를 찾아가는 순서가 있다. 낸드 플래시는 직렬, 노어 플래시는 병렬로 구성돼 있기 때문에 읽기 속도 면에서 노어 플래시가 상대적으로 빠르다. 그러나 트랜지스터로 구성된 구조상 누설 전류가 없기 때문에 전원 공급이 중단되어도 저장된 자료는 그대로 저장되는 단점이 있다. 따라서, 상기 DRAM의 고속 데이터처리 능력, 플래시 메모리의 비휘발성을 동시에 갖는 차세대 메모리의 개발이 요청되고 있으며, 지금까지 개발된 차세대 메모리는 PRAM, FRAM (Ferroelectric RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등이 대표적이다.
PRAM은 상변화메모리, 상태변화메모리 라고도 하며, 전원이 끊겨도 저장된 정보가 지워지지 않는 플래시메모리의 장점과 전원이 끊어지면 저장된 자료가 소멸되지만 빠른 처리 속도를 자랑하는 디램의 장점을 모두 가지고 있는 차세대 반도체이다. FRAM은 강유전체가 캐패시터 재료로 사용되며 DRAM과 거의 동일한 구조와 동작원리를 갖는다. 강유전체란 자연상태에서 전기편극을 갖고 있는 물질로 전기장을 가하지 않아도 자발적으로 전기편극이 있는 물질이다. 이런 셀 구성 물질에는 ‘PZT(PbZrTiO)’ 합성물질이 사용되고 있지만 대용량화에 어려움이 있다는 한계점을 갖고 있다. 또한, 상기 PRAM, FRAM (Ferroelectric RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등의 차세대 메모리는 제조 공정상의 여러 어려움이 있으며, 모바일, 디지털 응용에서 요구되는 전원이 차단된 상태에서도 안정적으로 장기간 데이터를 보존할 수 있는 비휘발성이고, 저전력, DRAM과 같은 빠른 동작속도, Gb급 이상의 높은 집적도, 낮은 생산원가 등의 상용화를 위한 실질적인 요건을 만족하지 못해 상용화가 이루어지지 못하고 있다. 따라서 DRAM과 플래시 메모리의 태생적 한계를 원천적으로 극복 할 수 있고, SoC와 접목할 수 있는 새로운 비휘발성 메모리가 개발되어야 하는 것이다.
이와 같은 새로운 비휘발성 메모리 중 하나로서 reRAM이 있다. reRAM은 전기적 신호에 따라 저항이 크게 변화하는 특성을 이용한 비휘발성 메모리로서, 일반적으로 금속산화물을 이용한 MIM(Metal Insulator Metal)구조로 만들어지며, 종래의 플래시램(FRAM)보다 빠른 속도와 저전압 동작 특성을 가지고 있고, 우주복사선이나 전자파 등에 영향을 받지 않는 장점이 있다. 이러한 reRAM의 저항값은 절연층 내의 전도성 통로의 유무 및 그 특성에 따라 좌우되는데, 종래 기술의 경우 전극 사이에 전압(바이어스)를 인가함으로써 상기 절연층 내의 임의의 위치에 랜덤하게 전도성 통로를 형성시켰다.
하지만, 현재까지 reRAM과 같은 반도체 소자에서 상기 전도성 통로를 제어된 방식으로 형성시킬 수 있는 방법은 개시되어 있지 않다. 특히, 소자 구조가 복잡해짐에 따라 전도성 통로의 제어된 방식의 연결이 요구되는 상황을 고려하여 볼 때 제어된 방식으로 전도성 통로를 형성시키는 새로운 방법이 절실히 요구된다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 원하는 위치에 선택적으로 제어가능한 방식으로 전도성 통로를 형성시킬 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 반도체 소자의 제조에 사용된 방식을 이용하여 반도체 소자를 모니터링하는 방법을 제공하는 데 있다.
더 나아가 본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 방법에 따라 제조된 반도체 소자를 제공하는 데 있다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전극 및 상기 전극과 접촉하는 절연층을 포함하는 반도체 소자의 상기 전극에 전압을 인가하는 단계; 탐침 현미경의 탐침을 상기 절연층의 일단면에 접촉시킴으로써 사용자가 원하는 위치에 전도성 통로를 상기 절연층 내에 형성시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법을 제공한다. 이때 상기 전도성 통로의 위치는 상기 탐침현미경의 접촉 위치에 따라 선택적으로 형성되며, 상기 반도체 소자는 reRAM일 수 있다. 더 나아가 상기 전도성 통로는 인가되는 전압에 따라 그 통로의 길이가 조절될 수 있다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상기 탐침 현미경을 이용하여 상기 반도체 소자를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 모니터링 방법을 제공한다. 이때 상기 모니터링은 상기 탐침현미경의 탐침의 전기적 특성을 측 정함으로써 수행될 수 있다.
상기 세 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상술한 방법에 따라 제조된 반도체 소자를 제공하며, 상기 반도체 소자는 reRAM일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법은 종래의 전체 전극에 바이어스를 인가하여 임의의 위치에 랜덤하게 전도성 통로를 위치시키는 대신 사용자가 원하는 정확한 위치에 전도성 통로를 형성시킬 수 있으므로, 공정 제어가 매우 용이하다. 또한 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 이용하는 경우 스위칭 소자의 면적도 축소시킬 수 있다. 더 나아가, 종래 기술의 경우 전도성 통로 형성을 확인하기 위해서는 별도의 모니터링 단계가 요구되었으나, 본 발명의 경우 전도성 통로를 구비한 반도체 소자를 제조한 후, 즉시 별도의 공정 없이 반도체 소자를 모니터링할 수 있으므로 공정 경제적이다.
이하, 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법은 종래의 표면 분석을 위하여 사용되었던 탐침현미경을 반도체 소자의 제조에 직접 응용한다.
탐침 현미경은 대체로 미세한 탐침(프로브)에 의해 시료의 표면을 주사하면서 시료와의 사이의 상호 작용을 검출함으로써, 시료의 표면의 형상이나 물리량을 검출하여 영상화할 수 있는 현미경으로서, 상기 상호 작용으로서 탐침과 시료와의 사이에 흐르는 전류를 이용하는 주사형 터널 현미경(Scanning Tunneling Microscope: STM)이나 탐침과 시료와의 사이에 작용하는 원자간 힘을 이용하는 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope: AFM) 등이 있으나, 본 발명에서 사용되는 탐침 현미경은 주사 탐침 현미경이 바람직하나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1은 일반적인 주사 탐침 현미경(모델명: Multimode SPM IIIa, Veeco, 미국)의 구조를 나타내는 사진이며, 도 2는 주사 탐침 현미경의 구조를 나타내는 블록도이다. 본 발명은 이와 같이 시료의 형상 등을 모니터링하기 위한 탐침현미경의 탐침을 반도체 소자, 특히 reRAM과 같이 금속-절연층-금속(MIM) 구조의 반도체 소자의 절연층에 접촉시킴으로써 전도성 통로(필라멘트)를 선택적으로 형성시키는 점에 기초한 것이다. 따라서 본 발명은 전도성 통로를 원하는 위치에 선택적으로 형성할 수 있으므로, 공정 목적에 따라 복수의 전도성 통로를 이용한 네트워크 등을 설계, 형성할 수 있다.
본 발명은 특히 주사현미경의 일종인 접촉식의 전도성 원자힘 현미경( CAFM(conductive AFM)방식으로 절연층에 AFM을 접촉시킨 후, 바이어스를 전극에 인가하는 경우 절연층 내에서 전도성 통로가 형성되는 점에 기초한 것이며, 도 3은 CAFM 방식의 접촉식 CAFM(conductive AFM)의 바이어스 인가시 작동 개념도이다.
도 4는 본 발명의 탐침현미경을 이용한 반도체 소자 제조방법의 대략적인 개념을 나타내는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 전극 및 상기 전극과 접촉하는 절연층을 확인할 수 있다. 이때 상기 전극에는 바이어스가 인가되는데, 본 발명에서는 상기 전극에 인가되는 바이어스와는 별도로 전도성 통로를 형성시키고자 하는 상기 절연층의 위치 에 상기 탐침현미경의 탐침을 접촉시키게 된다. 따라서, 상기 탐침현미경의 탐침은 종래의 드레인 전극과 같은 기능을 수행하게 되는데, 이때 상기 바이어스가 인가되는 전극과 상기 탐침의 접촉 위치 사이에는 전도성 통로(필라멘트)가 형성된다.
특히 반도체 소자, 예를 들면 reRAM에 있어서 전도성 통로의 유무 또는 수에 따라 소자의 저항값은 낮아지거나, 높아지게 된다. 만약 본 발명과 같이 사용자가 원하는 위치에 전도성 통로를 원하는 수만큼 자유로이 형성할 수 있는 경우라면 스위칭 소자의 저항값 등도 자유로이 설계, 제어할 수 있는 것을 의미한다. 특히, 전극 전체에 전압을 인가한 후, 절연층 중 임의의 위치에 전도성 통로를 랜덤하게 형성하는 종래 기술과 비교하여 볼 때 상기 효과는 종래 기술로부터는 결코 기대할 수 없는 본 발명의 효과 중 하나이다.
본 발명이 적용될 수 있는 소자는 reRAM에 제한되지 않으며, 전극과 접촉하는 절연층의 구조이며, 상기 전극과 전기적으로 연결되는 전도성 통로가 요구되는 어떠한 임의의 소자에도 적용될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.
더 나아가, 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법은 사용자가 탐침의 접촉 위치를 조절함으로써 전극과 연결된 전도성 통로의 길이를 선택적으로 제어할 수 있는 놀라운 공정 제어 효과를 갖는다. 즉, 보다 긴 전도성 통로를 형성하고자 하는 경우, 탐침의 접촉위치를 바이어스가 인가되는 전극으로부터 보다 멀게 이격시킴으로써 보다 긴 길이의 전도성 통로를 형성할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 탐침현미경의 탐침을 이용하여 전도성 통로를 예상 가능한 위치에 형성시킬 뿐만 아니라, 상기 탐침현미경을 형성된 전도성 통로를 모니 터링하는 데 사용할 수 있다.
종래 기술은 전도성 통로를 형성한 후, 별도의 모니터링 장치를 이용한 모니터링 공정이 요구하였으며, 이때 부가되는 모니터링에 의하여 공정 시간이 과도하게 길어짐으로써, 제조 원가의 상승 등을 초래하였다.
하지만, 본 발명에서는 소자의 제조에 직접 적용된 탐침 현미경을 반도체 소자 제조 후 즉시 모니터링에 사용하는, 소위 인-시투 방식의 반도체 소자 모니터링에 응용할 수 있다. 이는 상기 탐침 현미경의 본래 개발 목적에 부합되는 것이나, 본 발명은 특히 제조와 모니터링 모두에 상기 탐침 현미경을 응용함으로써 공정 시간을 절약할 수 있으며, 이로써 반도체 소자의 제조와 동시에 소자의 불량 여부 등도 사용자가 즉시 확인, 모니터링할 수 있게 한다.
이때 상기 모니터링은 상기 탐침현미경을 이용한 이미지화뿐만 아니라, 상기 탐침현미경의 탐침에 흐르는 전류 또는 전압 등의 전기적 특성을 측정함으로써 수행될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 탐침현미경을 이용한 어떠한 방식의 모니터링도 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들어, 전류 등을 측정하고자 하는 경우 상기 탐침에 전류계 등을 간단히 연결함으로써 전류의 모니터링이 가능하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 전도성 통로를 나타내는 이미지이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따라 전극과 수직 형태로 연결된 전도성 통로(필라멘트)가 매우 효과적으로 형성되었음을 알 수 있다.
또한 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 소자의 전류-전압 곡선을 나타낸다. 특히, 상기 도 6의 결과는 반도체 소자의 제조에 사용된 탐침 현미경의 탐침에 대한 전기적 특성을 측정함으로써 얻은 결과이며, 이와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법은 인가되는 바이어스의 변화에 따른 전류 변화를 실시간으로 사용자가 모니터링할 수 있는 방법 또한 동시에 제공할 수 있음을 알 수 있다.
도 1은 일반적인 주사 탐침 현미경(모델명: Multimode SPM IIIa, Veeco, 미국)의 구조를 나타내는 사진이다.
도 2는 주사 탐침 현미경의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 3은 주사 탐침 현미경의 한 종류인 접촉식 CAFM(conductive AFM)의 바이어스 인가시 작동 개념도이다.
도 4는 본 발명의 탐침현미경을 이용한 반도체 소자 제조방법의 개념을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 전도성 통로를 나타내는 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 소자의 전류-전압 곡선을 나타낸다.
Claims (10)
- 전극 및 상기 전극과 접촉하는 절연층을 포함하는 반도체 소자의 전극에 전압을 인가하는 단계; 및 탐침 현미경의 탐침을 상기 절연층의 일단면에 접촉시킴으로써 사용자가 원하는 위치에 전도성 통로를 상기 절연층 내에 형성시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 전도성 통로는 상기 탐침 현미경의 탐침과 상기 절연층이 접촉하는 위치 및 상기 전극 간에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 반도체 소자는 reRAM인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 전도성 통로와 상기 전극 간의 길이는 상기 탐침 현미경의 탐침과 상기 절연층이 접촉하는 위치를 조절함으로써 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 탐침현미경은 주사 탐침 현미경인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제 5항에 있어서, 싱기 주사 현미경은 접촉식의 전도성 원자힘 현미경(CAFM, conductive AFM)인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따라 반도체 소자를 제조한 후, 상기 탐침현미경을 이용하여 상기 반도체 소자를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 모니터링 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 모니터링은 상기 절연층과 접촉하는 탐침현미경의 상기 탐침의 전기적 특성을 측정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 모니터링 방법.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 제조된 반도체 소자.
- 제 9항에 있어서,상기 반도체 소자는 reRAM인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
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| CN106500884A (zh) * | 2016-11-28 | 2017-03-15 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种压力传感器芯体及其制备方法 |
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| KR101041916B1 (ko) | 2011-06-16 |
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