KR20100034412A - 자기 성장 기법을 이용한 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성 방법 - Google Patents

자기 성장 기법을 이용한 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성 방법 Download PDF

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Abstract

자기 성장 기법을 이용한 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성방법을 개시한다. 개시된 본 발명은, 상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성방법은 다음과 같다. 먼저, 반도체 기판의 선택된 부분에 불순물 영역을 형성한다음, 상기 불순물 영역 상부에 촉매역할을 하는 도전 패턴을 형성한다. 이어서, 상기 도전 패턴이 형성된 상기 반도체 기판 결과물에 다이오드 원료 물질을 공급하여, 상기 불순물 영역과 상기 도전 패턴 사이에 다이오드를 자기 성장시킨다.
자기성장, 다이오드, 도핑, 금속촉매

Description

자기 성장 기법을 이용한 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성 방법{Method for Forming Diode of Phase Changeable Memory Device using Self-Growing Technique}
본 발명은 상변화 메모리 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자기 성장 기법을 이용한 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 상변화 메모리 소자는 상변화 물질층 및 상기 상변화 물질층에 선택적으로 동작 전류를 제공하는 스위칭 소자를 포함한다. 현재, 상변화 메모리 소자의 스위칭 소자로는 적은 면적을 차지하는 다이오드가 일반적으로 이용되고 있다.
스위칭 소자로서의 다이오드는 n형의 SEG(Selective epitaxial growth)층을 형성하는 단계, 상기 n형의 SEG층에 p형의 불순물을 주입하여 p형의 SEG층을 형성하는 단계, 및 p형의 SEG층 상부에 오믹층을 형성하는 단계로 얻어진다.
그런데, 이와 같은 다이오드 형성방법은 다음과 같은 문제점을 갖는다.
먼저, 상기 n형의 SEG층을 형성하는 단계시, 종래에는 SEG층 성장과 함께 n 형의 불순물이 도입되었다. 그런데, 이렇게 도입되는 n형의 불순물은 SEG층이 형성되는 반도체 기판 표면의 손상을 유발하게 되고, 상기 노출된 반도체 기판과 반응되어 공극(void) 및 자연 산화막을 발생한다. 이와 같은 공극 및 자연 산화막은 이후 전류 손실의 원인이 된다.
또한, 종래의 다이오드는 PN 접합을 형성하기 위해, 복수회의 이온 주입 공정이 진행될 수 있다. 그런데, 이렇게 이온 주입된 불순물들은 후속의 활성화를 위한 열처리 공정시, 다이오드의 n형 및 p형 불순물 영역간, 및 반도체 기판의 접합 영역과 다이오드의 n형 불순물 영역간의 이온 이동이 이루어질 수 있다. 이로 인해, 다이오드의 불순물 영역 및 반도체 기판의 불순물 영역의 농도를 유지하는 데 어려움이 있다.
또한, 종래의 다이오드는 상술한 바와 같이 이후 형성될 히팅 전극과의 전기적 콘택을 위해 형성되는 오믹층을 포함한다. 이러한 오믹층으로는 금속 질화막 또는 실리사이드막이 이용될 수 있다. 그런데, 이와 같은 오믹층 형성시, 그 하부의 SEG층과 오믹층 사이의 부피 차이로 인해, 실질적인 다이오드를 구성하는 SEG층과 오믹층 사이에 공극이 발생될 수 있고, 이러한 공극은 누설 전류의 원인이 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 다이오드와 콘택되는 반도체 기판의 손상을 줄이면서, 정해진 불순물 영역의 농도를 유지할 수 있는 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 누설 전류를 줄일 수 있는 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성방법은 다음과 같다. 먼저, 반도체 기판의 선택된 부분에 불순물 영역을 형성한다음, 상기 불순물 영역 상부에 촉매역할을 하는 도전 패턴을 형성한다. 이어서, 상기 도전 패턴이 형성된 상기 반도체 기판 결과물에 다이오드 원료 물질을 공급하여, 상기 불순물 영역과 상기 도전 패턴 사이에 다이오드를 자기 성장시킨다.
본 발명에 의하면, 다이오드를 도전 패턴층을 이용한 자기 성장 기법으로 형성함으로써, 도전 패턴층의 증착에 따른 공극을 방지할 수 있고, 별도의 이온 주입 공정이 요구되지 않으므로, 불순물 영역들의 농도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 불순물 이온 주입으로 인한 반도체 기판 표면의 손상을 줄일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하도록 한 다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 따른 자기 성장 기법을 이용한 다이오드 형성 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다. 먼저, 도 1a를 참조하면,접합 영역(도시되지 않음)이 형성된 반도체 기판(10) 상부에 도전층(14)을 형성한다. 상기 도전층(14)은 자기 성장을 위한 촉매층으로서, 다른 물질과 반응하여 도전 화합물을 생성할 수 있는 모든 도전물이 이용될 수 있으며, 이러한 도전층(14)는 단일 물질 혹은 다중 물질일 수 있다. 또한, 이후 자기 성장 공정시, 도전층(14)의 성장 속도 및 성장 방향을 조절하기 위해 불순물이 첨가될 수 있다. 이와 같은 도전층(14)은 플라즈마를 이용한 물리 증착 방법, 화학 증착 방법 또는 액상 도포법으로 형성될 수 있다.
다음, 도 1b를 참조하면, 상기 도전층(14)을 다이오드 예정 영역에 위치되도록 패터닝한다. 도면 부호 14a는 도전 패턴을 나타낸다. 상기 도전 패턴(14a)의 크기는 이후 자기 성장 공정시 부피 변화를 고려하여 설정된다. 또한, 상기 도전 패턴(14a)의 저부가 반드시 반도체 기판(10)의 표면, 즉 접합 영역(도시되지 않음) 표면에 위치하는 것이 중요하다.
도 1c를 참조하면, 상기 도전 패턴(14a)을 자기 성장 기법을 이용하여 성장시켜, 다이오드(20)를 형성한다. 여기서, 자기 성장 기법이란 금속 및 비금속 물질의 휘스커(whisker)를 성장시키는 방법을 응용한 기법으로서, 자기 성장 기법의 기본 원리는 금속에 가스 혹은 액상의 물질을 포화시켜서 상기 금속이 일정 농도 이상이 되었을 때, 단일 혹은 여러 방향 순금속, 금속 화합물 혹은 비금속 등이 석출 되는 원리이다. 이러한 자기 성장 기법은 금속 입자 표면적이 적을수록 요구되는 활성화 에너지가 낮고, 저온에서 쉽게 다른 물질과 반응된다. 특히, 이러한 자기 성장 기법은 표면 확산 또는 내부 확산 경로를 통하여 내부에 일정량의 금속 화합물(규화물, 질화물, 탄화물)이 점진적으로 성장되고, 계속적으로 원료 물질(가스)의 공급이 이루어지는 경우, 일정 농도 이상으로 과포화되어 일정 방향으로 석출이 일어난다. 이때 석출되는 물질은 공급되는 가스의 종류와 촉매로 이용되는 도전층의 종류에 따라 달라질 수 있다.
이러한 자기 성장 기법을 이용한 다이오드를 형성하는 단계는, 도전 패턴(14a)이 형성된 반도체 기판(10) 결과물 상에 다이오드 원료 물질을 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 다이오드 원료 물질로는 실리콘 포함 가스 또는 실리콘 포함 액상 물질이 이용될 수 있으며, 상기 다이오드 원료 물질에 따라, 다이오드의 성분이 변화된다. 또한, 이온 주입 후 열처리에 의한 불순물의 이상 거동을 감소시키기 위하여, 다이오드 원료 물질은 상기 실리콘과 같은 메인 성분 외에 원료 가스 이외에 불순물을 포함할 수 있고, 이러한 도펀트에 따라 다이오드 물성이 달라질 수 있다. 본 실시예에서는 PN 다이오드를 형성하기 위하여, 먼저 n형의 불순물과 실리콘 포함가스를 공급하여 n형 다이오드층을 형성하고, 이어 p형의 불순물과 실리콘 포함가스를 공급하여 p형 다이오드층을 형성할 수 있다.
여기서, 다이오드(20)의 성장 속도, 다이오드를 구성하는 물질의 밀도 및 결정 방향은 원료 물질의 종류 및 양, 희석 가스의 양, 공정 온도 및 압력등에 따라 달라질 수 있다.
일반적으로 원료 물질로서 가스가 제공되는 경우, 공정 온도는 50~800℃ 정도일 수 있으며, 바람직하게는 하부, 혹은 기 형성된 반도체 소자의 물성이 변화되지 않는 임계 온도까지의 범위일 수 있다.
성장 시간은 공정 온도 및 장비의 종류에 따라 좌우되며, 대개 5~120분 정도일 수 있다. 특별히 아주 짧은 길이를 갖는 다이오드를 형성하는 경우는 수 초 동안 성장 공정이 진행될 수 있으며, 이와 같은 경우 촉매로 사용되는 금속의 재질이 매우 중요하다.
도 1d를 참조하면, 다이오드(20) 사이의 반도체 기판 상에 층간 절연막(25)을 형성한다. 층간 절연막(25)은 예를 들어, 상기 자기 성장 기법으로 형성된 다이오드(20) 및 그것의 촉매층인 도전 패턴(14a)이 충분히 매립되도록 형성될 수 있으며, 예컨대, HDP(high density plasma) 방식 또는 액상 증착 방식으로 형성될 수 있다.
다음, 도 1e를 참조하면, 상기 층간 절연막(25)을 상기 도전 패턴(14a) 표면이 노출되도록 화학적 기계적 연마한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 다이오드를 도전 패턴층을 이용한 자기 성장 기법으로 형성함으로써, 도전 패턴층의 증착에 따른 공극을 방지할 수 있고, 별도의 이온 주입 공정이 요구되지 않으므로, 불순물 영역들의 농도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 불순물 이온 주입으로 인한 반도체 기판 표면의 손상을 줄일 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성방법을 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 반도체 기판 14a : 도전 패턴
20 : 다이오드

Claims (6)

  1. 반도체 기판의 선택된 부분에 불순물 영역을 형성하는 단계;
    상기 불순물 영역 상부에 촉매역할을 하는 도전 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 도전 패턴이 형성된 상기 반도체 기판 결과물에 다이오드 원료 물질을 공급하여, 상기 불순물 영역과 상기 도전 패턴 사이에 다이오드를 자기 성장시키는 단계를 포함하는 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이오드 원료 물질은 실리콘 포함 물질인 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다이오드 원료 물질은 실리콘 포함 가스인 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 다이오드 원료 물질은 실리콘 포함 액상 물질인 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이오드를 자기 성장시키는 단계는,
    상기 반도체 기판 결과물에 n형의 불순물 및 실리콘 포함 물질을 공급하여 n형의 다이오드층을 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 기판 결과물에 p형의 불순물 및 실리콘 포함 물질을 공급하여 p형의 다이오드층을 형성하는 단계를 포함하는 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 패턴은 단일층 또는 복수층으로 구성된 상변화 메모리 소자의 다이오드 형성방법.
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