KR20100037726A - 인캡슐레이터를 포함하는 상변화 메모리 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상변화 메모리 소자 제조 및 그 방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 상변화 메모리 소자의 제조 방법은 반도체 기판을 제공하는 단계, 상기 반도체 기판 상부에 상변화 물질층을 포함하는 복수의 상변화 패턴 구조체를 형성하는 단계, 및 상기 상변화 물질층 측벽을 포지티브 슬롭하게 형성하는 단계를 포함한다.
PRAM, GST 식각, 폴리머, 인켑슐레이터
Description
본 발명은 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상변화 물질층을 보호하는 인켑슐레이터를 포함하는 상변화 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 메모리 소자는 전원이 차단되면 입력된 정보가 소거되는 휘발성 메모리인 RAM(Random Access Memory)과, 전원이 차단되더라도 입력된 정보가 계속 유지되는 비휘발성 메모리인 ROM(Read Only Memory)으로 구분된다. 현재 보편적으로 사용되는 RAM 소자로는 DRAM(Dynamic RAM), SRAM(Static RAM)을 들 수 있고, ROM 소자로는 플래쉬 메모리를 들 수 있다.
DRAM 및 SRAM은 소비 전력이 낮고 임의 접근이 가능한 이점이 있는 반면, 휘발성이며 높은 전하 저장 능력이 요구되어 커패시터의 용량을 높여야하는 단점이 있다. 캐시(Cash) 메모리 등으로 사용되는 SRAM은 임의 접근이 가능하고 속도가 빠른 장점이 있으나, 휘발성일 뿐 아니라 사이즈가 커서 비용이 높다는 한계가 있다. 아울러, 플래쉬 메모리는 비휘발성 메모리이긴 하나, 두개의 게이트가 적층된 구조를 갖기 때문에 전원 전압에 비해 높은 동작 전압이 요구된다. 이에 따라, 기록 및 소거 동작에 필요한 전압을 형성하기 위해 별도의 승압 회로를 필요로 하므로 고집적화가 어렵고 동작 속도가 느린 단점이 있다.
이러한 메모리 소자들의 단점을 극복하기 위해 개발된 메모리 소자로 강유전 메모리 소자(Ferroelectric Random Access Memory; FRAM), 강자성 메모리 소자(Magnetic Random Access Memory; MRAM) 및 상변화 메모리 소자(Phase-change Random Access Memory; PRAM)를 들 수 있다.
이 중에서, PRAM은 비정질 상태에서는 높은 저항을, 결정질 상태에서는 낮은 저항을 갖는 상변화 물질의 상변화에 의해 정보를 기록하고 독출하는 메모리 소자로서, 플래시 메모리에 비해 빠른 동작 속도 및 높은 집적도를 갖는 장점이 있다.
상변화 물질은 온도에 따라 결정 상태 및 비정질 상태의 서로 다른 상태를 갖는 물질로, 결정 상태에서는 비정질 상태에 비해 낮은 저항치를 나타내며 질서 정연한 규칙적인 원자 배열을 지니고 있다. 상변화 물질의 대표적인 예로 칼코게나이드(Chalcogenide)계 물질을 들 수 있으며, 이는 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb), 텔루리움(Te)으로 이루어진 GST 화합물이다.
PRAM 소자에서 하부 전극을 통해 전류를 인가하면 이에 의해 발생한 줄열(Joule Heat)에 의해 상변화 물질층의 온도가 변화되며, 인가되는 전류를 적절히 변화시켜 상변화 물질층의 결정 구조를 결정 상태 또는 비정질 상태로 변화시킬 수 있다. 즉, 줄 열에 의해 저항이 낮은 결정질(Crystalline) 상태(세트(SET) 상태)와 저항이 높은 비정질(Amorphous) 상태(리셋(Reset) 상태)로 상변화가 일어난다. 또한 쓰기 및 읽기 모드에서, 상변화 물질층을 통하여 흐르는 전류를 감지하여 상변화 기억 셀에 저장된 정보가 세트 상태의 데이터(0)인지 또는 리셋 상태의 데이터(1)인지 판별한다.
그런데 PRAM이 동작함에 따라, 상변화 물질층은 수축과 팽창을 반복하게 되고 이러한 부피 변화에 따라 상변화 물질층과 하부 전극 콘택(Bottom Electrode Contact; BEC)이 분리되는 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 상변화 물질층 및 상부 전극을 형성한 후 상변화 물질층의 변화를 방지하기 위해 인캡슐레이터를 형성하는 기술이 제안되었다.
도 1에 도시된 것과 같이, 하부 전극 콘택(도시되지 않음)을 포함하는 반도체 기판(10)상에 상변화 물질층(20), 상부 전극(30) 및 하드 마스크막(40)으로 구성된 상변화 구조체(45)를 형성한다. 그리고 나서, 전체 구조상에 인캡슐레이터(50)를 형성한다.
여기에서, 인캡슐레이터(50)는 실리콘 질화막을 이용하여 형성하는데, 이러한 실리콘 질화막은 증착 과정에서 스텝 커버리지(Step coverage) 특성이 매우 열악하여 도 1과 같이 상변화 구조체(45)의 상부에만 두껍게 형성되는 오버행 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라, 후속의 층간 절연막(60) 형성 공정시, 상변화 구조체(45) 사이가 완전히 매립되지 않고, 보이드(70)가 발생될 수 있다. 또한, 인캡슐레이터(50)가 상변화 구조체(45)의 측벽에 상대적으로 얇게 증착되어 있는 경우, 플라즈마 방식으로 상기 층간 절연층(60)을 형성하게 되면, 인캡슐레이터(50)가 상 대적으로 얇게 증착된 부분에 플라즈마 어택(Plasma Attack)이 발생될 수 있다. 이로 인해, 상변화 메모리 소자의 전기적 특성이 열화되는 문제점이 있다.
또한 상기 상변화 구조체(45)는 일반적인 포토리소그라피 방식으로 한정되기 때문에, 그것의 측벽이 수직 프로파일 또는 약간의(Slightly) 보잉(Bowing) 프로파일을 가질 수 있다. 이때 상변화가 발생되는 프로그래밍 볼륨(Programing Volume) 영역이 상기 상변화 물질층(20)의 가장자리인 경우 소자 특성이 열화되는 문제점 또한 있다.
보다 상세히 설명하면, 상변화 물질층(20)의 측벽면이 하부 전극 콘택(도시되지 않음) 내측에 위치되는 겨우, 열손실이 발생되어, 소자의 전기적 특성이 열화된다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 전기적 특성을 개선할 수 있는 상변화 메모리 소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 인캡슐레이터를 고르게 증착할 수 있는 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법은 상기 반도체 기판 상부에 상변화 물질층을 포함하는 테이퍼(Tapered)진 측벽을 갖는 복수의 상변화 구조체를 형성하는 단계를 포함하다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자는, 하부 전극 콘택을 구비한 반도체 기판, 및 상기 반도체 기판 상부에 하부 전극 콘택과 오버랩되도록 형성되는 상변화 구조체를 포함하며, 상기 상변화 구조체의 양측벽은 상기 상변화 구조체가 상기 하부 전극 콘택의 폭보다 크도록 포지티브(Positive) 형태로 테이퍼진 형상을 갖도록 형성된다.
본 발명에 따르면, 상변화 물질층 측벽을 테이퍼지게 형성하므로써, 인캡슐레이터를 고른 두께로 형성하여, 상변화 물질층의 특성 변화를 방지할 수 있다. 또한, 상변화 물질층의 측벽이 테이퍼지게 형성되므로, 하부 전극 콘택 전체와 상변 화 물질층이 오버랩되어, 열효율을 개선할 수 있다. 이에 따라, 상변화 메모리 소자의 전기적 특성이 개선된다.
이하 도면을 참조로 하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 2a을 참조하면, 접합영역(105)이 형성된 반도체 기판(100) 상부에 PN 다이오드(115)가 형성된 절연층(113)을 형성한다.
상기 제 1 층간 절연층(113)은 예를들어, TEOS(Tetra Ethly Ortho Silicate), USG(Undoped Silcate Glass) 또는 HDP-CVD(High Density Plasma-CVD) 등을 이용한 산화물이거나, 혹은 산화물과 질화물의 복합층일 수 있다.
이때, PN 다이오드(115)상에 선택적으로 오믹 콘택층(116)이 형성될 수 있다.
다음, 제 1 층간 절연층(113) 결과물 상부에 제 2 층간 절연층(120)을 형성한 다음, 상기 제 2 층간 절연층(120)을 부분적으로 식각하여, 오믹 콘택층(116)을 선택적으로 노출시키는 콘택홀(도시되지 않음)을 형성한다.
상기 콘택홀내에 도전층을 매립하여 하부 전극 콘택(125)을 형성한다. 여기서, 상기 하부 전극 콘택(125)은 불순물이 도핑된 폴리실리콘, 실리콘 게르마늄(Si-Ge), 또는 티타늄 질화막이 이용될 수 있다.
하부 전극 콘택(125)을 포함하는 제 2 층간 절연막(120)에 상변화 물질 층(160)을 형성한다. 상변화 물질층(160)은 칼코겐 화합물로 구성될 수 있고, 스퍼터링 방법으로 형성할 수 있다.
여기서, 상기 칼코겐 화합물은 게르마늄-안티몬-텔루륨(Ge-Sb-Te), 질소-게르마늄-안티몬-텔루륨(N-Ge-Sb-Te), 비소-안티몬-텔루륨(As-Sb-Te), 게르마늄-비스무스-텔루륨(Ge-Bi-Te), 주석-안티몬-텔루륨(Sn-Sb-Te), 은-인듐-안티몬-텔루륨 (Ag-In-Sb-Te), 금-인듐-안티몬-텔루륨(Au-In-Sb-Te), 게르마늄-인듐-안티몬-텔루륨 (Ge-In-Sb-Te), 셀레늄-안티몬-텔루륨(Se-Sb-Te), 주석-인듐-안티몬-텔루륨 ( Sn -In-Sb-Te), 비소-게르마늄-안티몬-텔루륨(As-Ge-Sb-Te)등과 같은 칼코겐나이드 합금들 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
또 다른 예로서 상기 칼코겐 화합물은 탄탈륨-안티몬-텔루륨 (Ta-Sb-Te), 니오븀-안티몬-텔루륨(Nb-Sb-Te) 또는 바나듐-안티몬-텔루륨(V-Sb-Te) 등과 같은 같은 5A족 원소-안티몬-텔루륨을 포함하거나, 또는 탄탈륨-안티몬-셀레늄 (Ta-Sb-Se), 니오븀-안티몬-셀레늄(Nb-Sb-Se) 또는 바나듐-안티몬-텔루륨(V-Sb-Se)등과 같은 5A족 원소-안티몬-셀레늄을 포함할 수 있다. 또한, 상변화 물질층은 텅스텐-안티몬-텔루륨(W-Sb-Te), 몰리브덴-안티몬-텔루륨(Mo-Sb-Te), 또는 크롬-안티몬-텔루륨(Cr-Sb-Se)등과 같은 6A족 원소-안티몬-텔루륨을 포함하거나 또는 텅스텐-안티몬-셀레늄(W-Sb-Se), 몰리브덴-안티몬-셀레늄(Mo-Sb-Se) 또는 크롬-안티몬-셀레늄(Cr-Sb-Se)등과 같은 6A족 원소-안티몬-셀레늄을 포함할 수 있다. 또한 상기 상변화 물질층(160)은 질소(N) 또는 산화물(SiO2) 등의 다양한 도펀트를 포함할 수 있 다.
본 실시예에서, 상변화 물질층(160)으로는 게르마늄-안티몬-텔루륨(GST)를 사용하였으며, 약 100 내지 1000Å의 두께로 형성한다.
이어서, 상변화 물질층(160) 상부에 화학 기상 증착 공정, 물리 기상 증착 공정 또는 원자층 증착 공정을 이용하여 상부 전극층(170)을 형성하고 나서, 상기 상부 전극(170)상에 하드 마스크막(180)을 형성한다. 여기서, 상기 상부 전극(170)으로는 질소 원소를 함유하는 도전성 물질, 금속 또는 금속 실리사이드를 사용하여 형성된다. 여기서, 상기 질소 원소를 함유하는 도전성 물질은 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 몰리브덴 질화물(MoN), 니오브 질화물(NbN), 티타늄-실리콘 질화물(TiSiN), 티타늄-알루미늄 질화물(TiAlN), 티타늄-보론 질화물(TiBN), 지르코늄-실리콘 질화물(ZrSiN), 텅스텐-실리콘 질화물(WSiN), 텅스텐-보론 질화물(WBN), 지르코늄-알루미늄 질화물(ZrAlN), 몰리브덴-실리콘 질화물(MoSiN), 몰리브덴-알루미늄 질화물(MoAlN), 탄탈륨-실리콘 질화물 (TaSiN), 탄탈륨-알루미늄 질화물(TaAlN), 티타늄 질산화물(TiON), 티타늄-알루미늄 질산화물(TiAlON), 텅스텐 질산화물(WON) 또는 탄탈륨 질산화물(TaON)을 포함할 수 있다.
다음, 하드 마스크막(180), 상부 전극(170) 및 상변화 물질층(160)을 순차적으로 식각하여, 상변화 구조체(185)를 형성한다.
종래의 경우, 상기 상변화 물질층(160)은 사불화탄소(CF4) 및 산소(O2)가스를 이용하여 기판(100)에 대해 상기 상변화 물질층(160)의 측벽이 거의 직각 또는 네거티브 프로파일(Negative Profile)을 이루도록 식각을 진행하였다. 그러나, 본 실시예에서는 상부 전극(170)의 식각 진행 후, 상변화 물질층(160) 즉, GST층을 사불화탄소(CF4) 및 산소(O2)가스 대신 붕소(B)포함 가스, 예컨대 5~10sccm 염소(Cl2) / 15~25sccm 삼염화붕소(BCl3) / 40~60sccm 삼불화탄화수소(CHF3)가스를 이용하여 식각한다. 상기와 같이, 염소/삼염화붕소/삼불화탄화수소의 혼합가스를 이용하여 상변화 물질층(160)을 식각하면, 상변화 물질층(160)을 구성하는 성분과 상기 식각 가스를 구성하는 성분, 특히 붕소 성분이 반응하여, 상변화 물질층(160) 식각 시 측벽을 테이퍼진 형태로 식각된다. 상기 상변화 물질층(160) 식각 시 탄화수소 화합물(CHx) 및 질화붕소(BN) 등의 폴리머가 측벽에 생성될 수 있다.
이때, 식각 가스와 반응하는 폴리머는 외부로 노출된 상변화 물질층(160)의 측벽에만 선택적으로 형성되므로, 상변화 물질층(160)을 차폐하는 역할을 하여, 상변화 물질층(160)의 물성 변화를 줄일 수 있다.
이때, 상변화 물질층(160)의 식각은 플라즈마 식각 방식으로 진행될 수 있으며, 그러한 경우 플라즈마의 소스 파워는 0.6 ~ 0.7KW의 범위, 바이어스 파워는 1 ~ 140KW 범위, 챔버의 압력은 8 ~ 12mT 범위로 설정하여, 테이퍼진 형태의 상변화 물질층(160)을 형성할 수 있다.
상기와 같이 식각 가스의 변경에 따라 측벽에 테이퍼진 형태의 상변화 물질층(160)이 형성되어, 상변화 구조체(185)의 측벽 프로파일이 약 60~75°정도의 경사를 가지는 프로파일을 갖게 된다. 이에 따라, 도 2b에 도시된 바와 같이 상변화 구조체(185)의 어스펙트비가 개선되어, 인켑슐레이터(210)가 보다 균일한 두께로 형성된다. 따라서, 후속의 제 3 층간 절연층(220) 형성시 상변화 구조체(185) 사이에 보이드없이 제 3 층간 절연층(220)을 형성할 수 있다.
또한 테이퍼진 측벽으로 상변화 물질층(160)의 하부 영역 선폭이 상대적으로 증대된다. 이에 따라, 하부 전극 콘택(125)과 상변화 물질층(160)이 모두 오버랩(Overlap)되어, 상변화 메모리 소자의 열효율을 개선할 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 설명하였지만, 본 발명은 이에 의해 제한되는 것은 아니고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 상변화 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도, 및
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 기판 113 : PN 다이오드
116 : 오믹콘택 125 : 하부 전극
120,200 : 절연층 160 : 상변화 물질층
170 : 상부 전극 180 : 하드 마스크막
185 : 상변화 구조체 210 : 인캡슐레이터
Claims (10)
- 반도체 기판을 제공하는 단계; 및상기 반도체 기판 상부에 테이퍼(Tapered)진 측벽의 상변화 물질층을 갖는 복수의 상변화 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 상변화 메모리 소자 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 상변화 구조체를 형성하는 단계는,상기 반도체 기판 상부에 상변화 물질층을 형성하는 단계;상기 상변화 물질층 상부에 상부 전극층을 형성하는 단계;상기 상부 전극층 상부에 하드 마스크막을 형성하는 단계; 및상기 하드 마스크막, 상부 전극층, 및 상변화 물질층을 순차적으로 식각하는 단계를 포함하는 상변화 메모리 소자의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 상변화 물질층은 칼코겐 화합물을 포함하고, 상기 칼코겐 화합물은 붕소(B)포함 식각 가스를 이용하여 식각하는 상변화 메모리 소자 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 식각 가스는 5~10sccm의 염소(Cl2) / 15~25sccm의 삼염화붕소(BCl3) / 40~60sccm의 삼불화탄화수소(CHF3) 비율로 공급하는 상변화 메모리 소자 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 상변화 구조체를 형성하는 단계 이후에,상기 반도체 기판상에 인캡슐레이터를 형성하는 단계를 더 포함하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법.
- 스위칭 소자를 구비한 반도체 기판을 제공하는 단계;상기 반도체 기판 상부에 제 1 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 스위칭 소자와 전기적으로 콘택되도록 상기 제 1 층간 절연층내에하부 전극 콘택을 형성하는 단계;상기 제 1 층간 절연층 상부에 상변화 물질층 및 상부 전극층을 순차적으로 증착하는 단계;상기 상부 전극층을 식각하는 단계;상기 상변화 물질층의 양 측벽이 포지티브 형태로 테이퍼지도록 상기 상변화 물질층을 붕소 포함 가스를 이용하여 식각하는 단계; 및상기 반도체 기판 결과물 상부에 인캡슐레이터를 형성하는 단계를 포함하는 상변화 메모리 소자 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 상변화 물질층은 칼코겐 화합물이고,상기 상변화 물질층의 식각 가스는 염소(Cl2) / 삼염화붕소(BCl3) / 삼불화탄화수소(CHF3) 가스를 포함하는 상변화 메모리 소자 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 가스로 플라즈마 식각시,플라즈마의 소스 파워는 0.6 ~ 0.7 Kw의 범위, 바이어스 파워는 1 ~ 140 Kw 범위, 챔버의 압력은 8 ~ 12 mT 범위로 설정하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법.
- 하부 전극 콘택을 구비한 반도체 기판; 및상기 반도체 기판 상부에 상기 하부 전극 콘택과 오버랩되도록 형성되는 상변화 구조체를 포함하며,상기 상변화 구조체의 양 측벽은 상기 상변화 구조체가 상기 하부 전극 콘택의 폭보다 크도록 그 측벽이 포지티브 형태로 테이퍼진 형상을 갖는 상변화 메모리 소자.
- 제 9 항에 있어서,상기 상변화 구조체는,상기 하부 전극 콘택상에 형성되는 상변화 물질층;상기 상변화 물질층 상부에 형성되는 상부 전극;상기 상부 전극 상부에 형성되는 하드 마스크막; 및상기 상변화 물질층 측벽이 테이퍼진 형태의 측벽을 갖는 상변화 메모리 소자.
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