KR20110072024A - Method for fabricating phase-change memory device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상변화 물질의 캡핑막을 형성하는 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 for forming a capping film of a phase change material.
메모리 장치의 저전력화의 요구에 따라 비휘발성(non-volitile)이며 리프레쉬(refresh)가 필요없는 차세대 메모리 장치들이 연구되고 있다. 차세대 메모리 장치들 중 하나인, 상변화 메모리 소자(phase-change random access memory, 이하 'PCRAM'이라 한다)는 GeSbTe와 같은 상변화(phasechange) 물질이 전기적인 펄스에 의한 국부적인 열 발생에 의해 결정질(crystalline)과 비정질(amorphous) 상태로 변화하는 특성을 이용하여 이진정보를 기억하는 소자이다. In accordance with the demand for low power consumption of memory devices, next-generation memory devices that are non-volitile and do not need refresh are being studied. One of the next generation memory devices, phase-change random access memory (hereinafter referred to as 'PCRAM') is a phase change material such as GeSbTe, which is crystallized by local heat generation by electrical pulses. It is a device that stores binary information by using characteristics that change into (crystalline) and amorphous (amorphous) states.
즉, 상변화 메모리 소자는 상변화 물질층에 가열되는 온도 및 가열 시간에 따라 상변화 물질층의 저항값이 변화하여 데이터를 프로그래밍할 수 있다. 이와 같은 상변화 물질층의 온도 특성은 상변화 메모리 소자의 동작 특성을 결정하는데 중요한 요소가 된다. That is, the phase change memory device may program data by changing resistance values of the phase change material layer according to a temperature and a heating time of heating the phase change material layer. The temperature characteristic of the phase change material layer is an important factor in determining the operation characteristics of the phase change memory device.
한편, 상변화 물질의 특성상, 상변화 물질층은 400℃ 이하의 저온 공정에서 형성하게 되고, 이후의 후속 공정도 저온 공정으로 진행하도록 하는 것이 상변화 물질층의 특성에 영향을 주지 않게 된다. 따라서, 상변화 물질층을 이후의 후속 공정 및 기타 공정으로 발생되는 열로부터 보호할 수 있는 캡핑막을 형성하는 것이 중요하다.On the other hand, due to the characteristics of the phase change material, the phase change material layer is formed at a low temperature process of 400 ° C. or less, and the subsequent process also proceeds to a low temperature process without affecting the properties of the phase change material layer. Therefore, it is important to form a capping film that can protect the phase change material layer from heat generated in subsequent subsequent and other processes.
하지만, 캡핑막 형성시, 저온 공정으로 진행하면서도 상변화 물질층을 충분히 둘러싸도록 형성하는 것은 실질적으로 어렵다. However, when forming the capping film, it is practically difficult to form the capping film so as to sufficiently surround the phase change material layer.
본 발명의 기술적 과제는 저온 공정에서도 단차 피복성을 향상시킨 캡핑막을 형성하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a phase change memory device for forming a capping film having improved step coverage even in a low temperature process.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상에 상변화막 패턴을 형성하는 단계, 상기 상변화막 패턴 상에 상부 전극 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 상변화막 패턴의 상변이가 유발되는 온도 범위 미만에서 상기 상변화막 패턴 및 상기 상부 전극 패턴을 함께 둘러싸는 절연막을 복수회 반복하여 증착함으로써 캡핑막을 형성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the technical object of the present invention, a method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention is to form a phase change film pattern on a semiconductor substrate, the upper electrode pattern on the phase change film pattern Forming a capping film by repeatedly depositing an insulating film surrounding the phase change film pattern and the upper electrode pattern at a time below the temperature range at which the phase change of the phase change film pattern is induced. .
본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 따르면, 상변화막 패턴 및 상부 전극 패턴을 함께 둘러싸며 보호하는 캡핑막 형성시, 다단계(multi-step)의 절연막 형성 사이클(cycle)을 반복함으로써 저온 공정에서도 단차 피복성을 향상시킬 수 있다. According to the method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention, a multi-step insulating film forming cycle is formed when a capping film is formed to surround and protect the phase change film pattern and the upper electrode pattern. By repeating this, the step coverage can be improved even at a low temperature process.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하에서 설명되는 실 시예들에 한정하지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 설명의 편의를 위해 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다. 또한, 층 또는 막이 다른 층 또는 다른 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 다른 층에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층 또는 막이 개재될 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments introduced below are provided to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention can be embodied in other forms without being limited to the embodiments described below. In the drawings, lengths, thicknesses, and the like of layers and regions may be exaggerated for convenience of description. Like numbers refer to like elements throughout the specification. In addition, where a layer or film is said to be on another layer or on another "on" it may be formed directly on the other film or on another layer, or a third layer or film may be interposed therebetween.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다. Hereinafter, a method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. 1 to 4 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
우선, 도 1을 참조하면, 반도체 기판(101)에 고농도 n형 불순물 영역(미도시)을 형성한다. First, referring to FIG. 1, a high concentration n-type impurity region (not shown) is formed in the
고농도 n형 불순물 영역(미도시)이 형성된 반도체 기판(101) 상부에 층간 절연막(102)을 형성한다. 제 1 층간 절연막(102)은 치밀한 막질 특성을 가지면서, 층간 평탄화 특성을 포함하는 HDP(High density plasma)막일 수 있다. An interlayer
이러한 제 1 층간 절연막(102) 내에 PN 다이오드 패턴(103)을 형성한다. PN 다이오드 패턴(130)은 P형 물질막(103a) 및 N형 물질막(103b)을 포함한다. 접합형 워드라인일 경우에는 PN 다이오드 패턴(103)은 SEG 방식으로 형성할 수도 있고, 금속 워드라인일 경우에는 PN 다이오드 패턴(103)은 폴리 실리콘막으로 형성할 수도 있다. The
PN 다이오드 패턴(103)이 형성된 층간 절연막(102) 상부에 실리사이드를 제 공하기 위한 도전성 물질, 예컨대, 코발트 금속막(104)을 형성한다. 코발트 금속막(104) 상부에 형성된 제 2 층간 절연막(105)내에 하부전극 패턴(106)을 형성한다. 하부 전극 패턴(106)은 TiN 계열의 도전층일 수 있다.A conductive material, for example, a
상기의 결과물에 칼코겐화합물, 즉 GeSbTe물질을 이용하여 상변화 물질막을 증착 후, 패터닝을 실시하여 상변화막 패턴(107)을 형성한다. 상변화막 패턴(107) 상부에 상부 전극 패턴(108)을 형성한다.The phase change material film is deposited on the resultant using a chalcogen compound, that is, a GeSbTe material, and then patterned to form a phase
도 2를 참조하면, 상기의 결과물에 캡핑막용 제 1 물질막(109a)을 형성한다.Referring to FIG. 2, the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상변화막 패턴(107) 및 상부 전극 패턴(108)을 함께 둘러싸며 보호하는 캡핑막 형성시, 다단계(multi-step)의 절연막 형성 사이클(cycle)을 반복하여 소정의 원하는 두께로 형성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when forming a capping film that surrounds and protects the phase
통상, 하부 전극 패턴(106)과 상변화막 패턴(107)간의 계면의 산화(oxidation)를 방지하고, 상변화막 패턴(107)의 상변화 물질중 일부의 원소, 예컨대 Te, Sb등의 외부로의 확산을 방지하도록 상변화막 패턴(107) 및 상부 전극 패턴(108)을 둘러싸는 캡핑막이 필요하다. 이에 따라, 고온의 상변화 과정 중 발생할 수 있는 열적(thermal) 부피 변화에 대해 충분한 내구성을 갖는 물질로 캡핑막을 형성해야 한다. 또한, 캡핑막을 형성시, 상변화막 패턴(107)의 상변이를 유발하지 않는 온도 범위 이내에서 형성하는 것이 중요하다. 예를 들어, Si3N4와 같은 질화물을 이용하여 캡핑막을 형성하고자 할 경우, LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)공정을 이용하려고 한다면, LPCVD 공정은 600℃ 이상의 고온을 이용하는 공정이므로, 저온의 캡핑막 공정으로 적용하는 것은 불가하다. 또한, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposion)공정을 이용하여 캡핑막을 형성하고자 할 경우 상변화막 패턴(107)과 상부 전극 패턴(108)의 종횡비(aspect ratio)가 높으므로, 단차 피복성(step coverage)이 낮아질 수 있다. 더 나아가, 질화물의 특성상, 평탄면에 증착시키는 것은 용이하나 소정의 두께로 패턴을 따라 컨포말하게 형성하는 것은 어렵다. 그리하여, 후속의 습식 식각 공정시, 습식 식각율 특성이 좋지 않아 캡핑막의 일부가 부분적으로 손실될 수 있었다. 다시 말하면, 캡핑막 형성시, 상변화막 패턴(107)의 상변이를 유발하지 않는 온도 범위 이내에서 단차 피복성을 향상시키는 것은 곤란하였다. In general, the oxidation of the interface between the
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 질화물질을 이용하여 캡핑막 형성시, SiH4, NH3, 및 N2 가스를 이용하여 소정의 얇은 두께로 질화물질을 복수회 반복하여 증착 한다. 매회 질화물 증착 후, 후처리(post-treatment)를 실시한다. 이와 같이, 질화물질막을 증착하고 후처리하는 것을 한 사이클(1 cycle)로 적용하여, 이러한 사이클을 반복하며 원하는 타겟 두께의 캡핑막을 형성할 수 있다.However, according to one embodiment of the present invention, when the capping film is formed using the nitride material, the nitride material is repeatedly deposited a plurality of times to a predetermined thin thickness by using SiH 4, NH 3, and N 2 gas. After nitride deposition each time, post-treatment is performed. In this way, the deposition and post-treatment of the nitride material film may be applied in one cycle, thereby repeating the cycle to form a capping film having a desired target thickness.
보다 구체적으로, 상변화막 패턴(107)의 상변이를 유발하지 않는 온도 범위, 예컨대 약 300 내지 350℃의 공정 온도 및200W의 RF 전력 공급 조건에서, SiH4 가스를 70sccm으로 주입하고, NH3 가스를 100sccm, N2 가스를 2000sccm 양으로 공급하여, 캡핑막용 제 1 물질막(109a)을 약 50Å 내지 60Å의 두께로 형성한다. 이와 같이, 일회에 비교적 얇은 두께로 형성하는 것은 상변화막 패턴(107) 및 상부 전극 패턴(108)의 프로파일을 따라 컨포말하게 형성하는 것이 더욱 용이하여, 단차 피복성을 향상시킬 수 있다.More specifically, in a temperature range that does not cause phase shift of the phase
캡핑막용 제 1 물질막(109a) 형성 후, 기판 결과물 전면에 N2 가스를 이용하여 막질을 조밀화하는 후처리를 실시한다. 이러한 후처리를 실시함으로써, 증착된 캡핑막용 제 1 물질막(109a)의 물성을 강화시켜 후속 공정에 의해 캡핑막용 제 1 물질막(109a)의 산화물 침투(oxide penetration) 현상을 억제할 수 있다. 이와 동시에, 후처리를 실시함으로써, 캡핑막용 제 1 물질막(109a)의 막질이 치밀해진다.After the formation of the
이러한 후처리는, 200W의 RF 전력 공급 조건에서 N2 가스를 2000sccm 양으로 대략 5 내지 7초 동안 공급하도록 한다.This post treatment allows N2 gas to be supplied in an amount of 2000 sccm for approximately 5-7 seconds at 200 W of RF power supply conditions.
도 3을 참조하면, 상기의 결과물에 캡핑막용 제 2 물질막(109b)을 형성한다.Referring to FIG. 3, a
즉, 약 300 내지 350℃의 공정 온도 및200W의 RF 전력 공급 조건에서, SiH4 가스를 70sccm으로 주입하고, NH3 가스를 100sccm, N2 가스를 2000sccm 양으로 공급하여, 캡핑막용 제 1 물질막(109a)을 약 50Å의 두께로 형성한다. 캡핑막용 제 2 물질막(109b) 형성 후, 기판 결과물 전면에 200W의 RF 전력 공급 조건에서 N2 가스를 2000sccm 양으로 대략 5 내지 7초 동안 공급하도록 한다.That is, at a process temperature of about 300 to 350 ° C. and an RF power supply condition of 200 W, the SiH 4 gas is injected at 70 sccm, the NH 3 gas is supplied at 100 sccm, and the N 2 gas is supplied at an amount of 2000 sccm to form the
계속해서, 도 2 및 도 3의 공정들을 반복하여 도 4에 도시된 바와 같이, 타겟 두께의 캡핑막(109)을 완성한다.Subsequently, the processes of FIGS. 2 and 3 are repeated to complete the
즉, 소정의 두께, 예컨대 700Å 두께의 캡핑막(109)이 형성되도록 질화물질막 증착 및 후처리의 사이클을 13 내지 15 사이클 정도 반복할 수 있다. 그러나, 이러한 사이클의 수는 제한되지 않음은 물론이며, 최종 타겟 캡핑막(109)의 두께에 따라 달라질 수 있으며, 또한 사이클마다 증착되는 질화물질막의 두께에 따라 달라질 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 캡핑막(109)을 저온 공정에서도 단차 피복성이 향상될 수 있도록 다단(multi step)의 증착 공정으로 형성하는 것이 중요하다.That is, the cycle of the nitride material film deposition and the post-treatment may be repeated about 13 to 15 cycles so that the
또한, N2 가스의 농도를 증가시킴에 따라 매 사이클마다 형성되는 박막 두께를 보다 얇게 조절할 수도 있다. In addition, as the concentration of the N 2 gas is increased, the thickness of the thin film formed every cycle may be controlled to be thinner.
한편, 질화물질막 증착한 후에 후처리를 하는 것으로 예시하였으나, 경우에 따라서, 질화물질막 형성 전, 전처리(pre-treatment)를 수행하고 질화물질막을 형성할 수도 있음은 물론이다. 하지만, 이전의 결과물의 손상이나 충격을 보다 감소시킬 수 있도록 질화물질막 증착한 후에 후처리를 하는 것이 보다 바람직할 수 있다.On the other hand, it is illustrated that the post-treatment is performed after the nitride material film is deposited, but in some cases, before forming the nitride material film, the pre-treatment may be performed and the nitride material film may be formed. However, it may be more desirable to perform post-treatment after deposition of the nitride film to further reduce damage or impact of previous results.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡핑막 형성하는 방법으로, SiH4, NH3, 및 N2 가스를 이용하여 소정의 얇은 두께로 질화물질을 반복하여 증착함으로써, 타겟 두께의 캡핑막(109)을 형성할 수 있다. As described above, in the method of forming a capping film according to an embodiment of the present invention, by repeatedly depositing a nitride material to a predetermined thin thickness using SiH 4, NH 3, and N 2 gas, the
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In the above, embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. The described embodiments are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
도 1내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 형성 방법을 순차적으로 도시한 단면도이다.1 to 4 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of forming a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101: 반도체 기판 102: 제 1 층간 절연막101: semiconductor substrate 102: first interlayer insulating film
103: 다이오드 패턴 104: 코발트 금속막103: diode pattern 104: cobalt metal film
105: 제 2 층간 절연막 106: 하부 전극 패턴105: second interlayer insulating film 106: lower electrode pattern
107: 상변화막 패턴 108: 상부 전극 패턴107: phase change film pattern 108: upper electrode pattern
109: 캡핑막 109: capping film
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KR1020090128784A KR20110072024A (en) | 2009-12-22 | 2009-12-22 | Method for fabricating phase-change memory device |
Publications (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2009
- 2009-12-22 KR KR1020090128784A patent/KR20110072024A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11037988B2 (en) | 2017-07-06 | 2021-06-15 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor device |
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