KR20170041489A - 식각 부산물 검사 방법 및 이를 이용한 반도체 소자 제조 방법 - Google Patents
식각 부산물 검사 방법 및 이를 이용한 반도체 소자 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
자기 터널 층들을 형성하고, 상기 자기 터널 층들 상에 하드 마스크를 형성하고, 상기 자기 터널 층들을 식각하여 자기 터널 접합을 형성하되, 상기 자기 터널 접합의 측벽들 상에 식각 부산물이 형성되고, 상기 식각 부산물을 케미컬 처리하여 화학적 반응물로 변환하고, 및 상기 화학적 반응물을 검사하는 것을 포함하는 반도체 소자 제조 방법이 설명된다.
Description
본 발명은 반도체 소자를 제조하는 공정에서 식각 부산물을 검사하는 방법, 및 상기 검사된 식각 부산물을 참조하여 반도체 소자 제조 공정의 공정 조건들을 설정, 수정, 및 보정하여 수행하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 다양한 공정을 통하여 제조된다. 예를 들어, 자기 저항 메모리(MRAM, Magneto-resistive Random Access Memory)의 자기 터널 접합(MTJ, Magneto Tunnel Junction)은 이온 빔 스퍼터링 같은 물리적 식각 공정에 의해 형성된다. 금속성 물질을 포함하는 식각 부산물이 자기 터널 접합의 측면 상에 잔존하여 MRAM 소자의 오동작이 야기된다. 따라서, 상기 식각 부산물을 검사 및 분석하는 과정이 필요하다. 상기 식각 부산물은 전자 현미경을 이용하여 분석하여도 시각적으로 보이지 않으므로 복잡한 검사 과정이 필요하여 생산성을 저하시킨다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속을 포함하는 식각 부산물을 시각적으로 빠르게 검사 및 분석할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 식각 부산물을 검사 및 분석하여 반도체 소자를 제조하는 공정의 생산성을 높이는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 식각 부산물을 검사 및 분석하여 반도체 소자 제조 공정의 공정 조건들을 설정, 수정, 및 보정하여 수행하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자 제조 방법은 자기 터널 층들을 형성하고, 상기 자기 터널 층들 상에 하드 마스크를 형성하고, 상기 자기 터널 층들을 식각하여 자기 터널 접합을 형성하되, 상기 자기 터널 접합의 측벽들 상에 식각 부산물이 형성되고, 상기 식각 부산물을 케미컬 처리하여 화학적 반응물로 변환하고, 및 상기 화학적 반응물을 검사하는 것을 포함한다.
상기 자기 터널 접합은 씨드 층, 하부 고정 자성층, 비자성 층, 상부 고정 자성층, 하부 터널링 배리어 층, 자유 층, 상부 터널링 배리어 층, 및 캡핑 층을 포함할 수 있다.
상기 하부 터널링 배리어 층은 마그네슘 산화물 (MgO)을 포함할 수 있다. 상기 상부 터널링 배리어 층은 마그네슘 산화물(MgO), 탄탈륨 산화물(TaO), 티타늄 산화물(TiO), 바륨 산화물(BaO), 지르코늄 산화물(ZrO), 알루미늄 산화물(AlO), 스트론튬 산화물(SrO), 하프늄 산화물(HfO), 란타늄 산화물(LaO), 세륨 산화물(CeO), 사마륨 산화물(SmO), 토륨 산화물(ThO), 칼슘 산화물(CaO), 스칸듐 산화물(ScO), 이트륨 산화물(YO), 크롬 산화물(CrO), 텅스텐 산화물(WO), 또는 기타 금속 산화물 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 하드 마스크는 텅스텐 (W) 또는 티타늄 질화물 (TiN) 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 식각 부산 물은 텅스텐 (W) 또는 티타늄(Ti) 중 하나를 주로 포함할 수 있다. 상기 화학적 반응물은 텅스텐 산화물 (WOx) 또는 티타늄 산화물(TiO3) 중 하나를 주로 포함할 수 있다.
상기 케미컬 처리는 유기 솔벤트, 아민, 및 물이 혼합된 케미컬을 이용하는 것을 포함할 수 있다.
상기 유기 솔벤트는 암모니아, 에탄올, 프로판올, 헥산, 디에틸에터, 이소프로필 알코올, 테트라하이드로퓨란, 또는 아세톤 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 아민은 NH2-NH2 또는 NH2OH 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 케미컬은 45 ~ 54Vol%의 상기 유기 솔벤트, 45 ~ 54Vol%의 상기 아민, 및 1% 이하의 상기 물을 포함할 수 있다.
상기 화학적 반응물을 검사하는 것은 TEM(Transmission Electron Microscope)을 이용하여 시각적으로 검사하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법은 기판 상에 절연 층을 형성하고, 상기 절연 층 상에 자기 터널 접합 및 하드 마스크를 형성하되, 상기 자기 터널 접합 및 상기 하드 마스크의 측면들 상에 식각 부산물이 형성되고, 상기 식각 부산물을 케미컬 처리하여 화학적 반응물로 변환하고, 및 상기 화학적 반응물을 검사하여 상기 자기 터널 접합을 형성하는 공정의 조건들을 수정하는 것을 포함한다.
상기 자기 터널 접합을 형성하는 공정은 아르곤 플라즈마를 이용한 이온 빔 스퍼터링 공정을 포함할 수 있다.
상기 조건들을 수정하는 것은 상기 이온 빔 스퍼터링 공정의 가스 유량, 이온 밀도, 플라즈마 소스 파워, 플라즈마 바이어스 파워, 스퍼터링 압력, 온도, 또는 공정 수행 시간 중 어느 하나 이상을 수정하는 것을 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 식각 부산물을 산화시키고, 및 상기 산화된 식각 부산물을 제거하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 자기 터널 접합을 유기 솔벤트를 이용하여 세정하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법은 하부 층간 절연 층 상에 타겟 물질 층을 형성하고, 상기 타겟 물질 층 상에 텅스텐(W) 또는 티타늄 질화물(TiN) 중 하나를 포함하는 하드 마스크를 형성하고, 상기 타겟 물질 층을 식각하여 패턴을 형성하되, 상기 패턴의 측벽들 상에는 텅스텐(W) 또는 티타늄(Ti)을 주로 포함하는 식각 부산물이 형성되고, 상기 식각 부산물을 습식 산화시켜 텅스텐 산화물(WOx) 또는 티타늄 산화물(TiO3)로 변환하고, 상기 텅스텐 산화물(WOx) 또는 상기 티타늄 산화물(TiO3)을 전자 현미경을 이용하여 검사하고, 및 상기 식각 부산물을 건식 산화시키는 것을 포함한다.
상기 건식 산화는 챔버 내에서 상기 식각 부산물을 O2 가스를 이용하여 산화시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 건식 산화된 식각 부산물을 할로겐족 원소를 가진 가스를 이용하여 제거하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 하부 층간 절연 층을 관통하는 하부 전극을 형성하고, 상기 건식 산화된 식각 부산물 상에 라이너 층을 형성하고, 상기 라이너 층 상에 상부 층간 절연 층을 형성하고, 및 상기 상부 층간 절연 층을 관통하여 상기 하드 마스크와 연결되는 상부 전극을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 상부 전극 상에 비트 라인을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의하면, 반도체 소자 제조 공정에서 텅스텐(W) 또는 티타늄(Ti)을 포함하는 식각 부산물의 형성 정도를 평가할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의하면, 반도체 소자 제조 공정에서 발생하는 텅스텐(W) 또는 티타늄(Ti)을 포함하는 식각 부산물을 평가하여 공정 조건들을 최적화할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의하면, 반도체 소자 제조 공정에서 발생하는 금속성 식각 부산물을 TEM 같은 전자 현미경을 이용하여 시각적으로 확인할 수 있으므로, 검사에 소요되는 시간이 단축된다.
기타 다양한 효과들이 본문 내에서 언급될 것이다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 설명하는 플로우 차트이고, 및
도 2a 내지 2h는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 개략적으로 설명하기 위한 반도체 소자의 종단면도들이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 설명하는 플로우 차트이고, 및
도 4a 내지 4c는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 개략적으로 설명하기 위한 반도체 소자의 종단면도들이다.
도 2a 내지 2h는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 개략적으로 설명하기 위한 반도체 소자의 종단면도들이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 설명하는 플로우 차트이고, 및
도 4a 내지 4c는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 개략적으로 설명하기 위한 반도체 소자의 종단면도들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 '아래(below)', '아래(beneath)', '하부(lower)', '위(above)', '상부(upper)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 '아래(below)' 또는 '아래(beneath)'로 기술된 소자는 다른 소자의 '위(above)'에 놓여질 수 있다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께, 형태는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
명세서 전문에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 설명하는 플로우 차트이고, 도 2a 내지 2h는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 개략적으로 설명하기 위한 반도체 소자의 종단면도들이다.
도 1 및 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법은 기판(10) 상에 하부 층간 절연 층(20)을 형성하고, 및 상기 하부 층간 절연 층(20)을 관통하여 상기 기판(10)과 연결되는 하부 전극(25)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. (S10) 상기 기판(10)은 실리콘 웨이퍼, SOI(silicon on insulator) 웨이퍼, 또는 SiGe 같은 에피택셜 성장 층을 갖는 반도체 웨이퍼를 포함할 수 있다. 상기 하부 층간 절연 층(20)은 TEOS (tetraethylorthosilicate) 또는 HDP (high density plasma) 산화물 같은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 하부 전극(25)은 폴리실리콘, 금속, 금속 합금, 또는 금속 실리사이드 같은 전도체를 포함할 수 있다. 상기 방법은 CMP 같은 평탄화 공정을 수행하여 상기 하부 층간 절연 층(20) 및 상기 하부 전극(25)의 상면들이 공면이 되도록 평탄화하는 것을 포함할 수 있다.
도 1 및 2b를 참조하면, 상기 방법은 상기 하부 층간 절연 층(20) 및 상기 하부 전극(25) 상에 식각 타겟 물질 층인 자기 터널 층들(30a) 및 하드 마스크(40)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. (S20) 상기 자기 터널 층들(30a)은 씨드 층(31), 하부 고정 자성 층(32), 비자성(SAF: synthetic anti-ferromagnetic) 층(33), 상부 고정 자성 층(34), 하부 터널링 배리어 층(35), 자유 층(36), 상부 터널링 배리어 층(37), 및 캡핑 층(38)을 포함할 수 있다. 상기 씨드 층(31)은 탄탈륨(Ta) 층, 티타늄(Ti) 층, 루데늄(Ru) 층, 또는 그 조합들 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 씨드 층(31)은 탄탈륨(Ta) 층 또는 티타늄 층(Ti), 및 루데늄(Ru) 층 중 어느 하나 이상을 포함하는 단일 층 또는 이중 층일 수 있다. 예를 들어, 탄탈륨(Ta) 층 또는 티타늄(Ti) 층 중 어느 하나, 및 루데늄(Ru) 층을 가진 이중 층으로 형성될 수도 있다. 상기 하부 고정 자성 층(32)은 코발트-백금(CoPt) 층, 코발트-팔라듐(CoPd) 층, 코발트-백금(CoPt)과 코발트-팔라듐(CoPd)의 합금 층, 또는 코발트/백금(Co/Pt) 층과 코발트/팔라듐(Co/Pd) 층의 교대(alternating) 적층(stack) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 비자성 층(33)은 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 또는 오스뮴(Os) 같은 비자성(anti-ferromagnetic) 금속들 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 상부 고정 자성 층(34)은 코발트-철 (CoFe) 기반의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 고정 자성 층(34)은 코발트-아이언-보론(CoFeB)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 상부 고정 자성 층(34)은 다층의 코발트-아이언-보론(CoFeB) 층 / 탄탈륨(Ta) 층 / 코발트-아이언-보론(CoFeB)층을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 상부 고정 자성 층(34)은 다층의 코발트(Co) 층 / 보론(B) 층 / 코발트-아이언-보론(CoFeB) 층, 또는 코발트(Co) 층 / 텅스텐(W) 층 / 코발트-아이언-보론(CoFeB) 층 / 텅스텐(W) 층 / 코발트-아이언-보론(CoFeB) 층을 포함할 수 있다. (Co/B/CoFeB or Co/W/CoFeB/W/CoFeB) 상기 하부 터널링 배리어 층(35)은 마그네슘 산화물 (MgO)을 포함할 수 있다. 상기 자유 층(36)은 단일 코발트-아이언-보론(CoFeB) 층, 또는 다층의 코발트-아이언-보론(CoFeB) 층 / 텅스텐(W) 층 / 코발트-아이언-보론(CoFeB) 층 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 상부 터널링 배리어 층(37)은 마그네슘 산화물(MgO), 탄탈륨 산화물(TaO), 티타늄 산화물(TiO), 바륨 산화물(BaO), 지르코늄 산화물(ZrO), 알루미늄 산화물(AlO), 스트론튬 산화물(SrO), 하프늄 산화물(HfO), 란타늄 산화물(LaO), 세륨 산화물(CeO), 사마륨 산화물(SmO), 토륨 산화물(ThO), 칼슘 산화물(CaO), 스칸듐 산화물(ScO), 이트륨 산화물(YO), 크롬 산화물(CrO), 텅스텐 산화물(WO), 또는 기타 금속 산화물 중 하나를 포함할 수 있다. 확장된 다른 실시예에서, 상기 상부 터널링 배리어 층(37)은 생략될 수도 있다. 상기 캡핑 층(38)은 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti) 탄탈륨 질화물(TaN), 또는 티타늄 질화물(TiN) 같은 금속 또는 전도성 금속 화합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 하드 마스크(40)는 금속 또는 금속 질화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하드 마스크(40)는 텅스텐(W), 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN) 또는 티타늄 질화물(TiN) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 하드 마스크(40)가 텅스텐(W) 또는 티타늄 질화물(TiN) 중 어느 하나를 포함하는 것으로 가정, 설명된다. 상기 씨드 층(31), 상기 하부 고정 자성 층(32), 상기 비자성 층(33), 상기 상부 고정 자성 층(34), 상기 자유 층(36), 상기 캡핑 층(38), 및 상기 하드 마스크(40)는 스퍼터링(sputtering) 같은 PVD(physical vapor deposition) 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 상부 고정 자성 층(34)은 MOCVD (metallic organic chemical vapor deposition) 공정을 이용하여 형성될 수도 있다. 상기 하부 터널링 배리어 층(35) 및 상기 상부 터널링 배리어 층(37)은 스퍼터링 같은 PVD 공정을 수행하여 마그네슘 (Mg) 층 또는 탄탈륨(Ta) 층을 형성하고, 상기 마그네슘 (Mg) 층 또는 탄탈륨(Ta) 층을 산화시켜 형성될 수 있다. 확장된 다른 실시예에서, 상기 상부 터널링 배리어 층(37)은 위에서 언급된 금속들 중 하나를 형성하고, 그 금속들을 산화시켜 형성될 수도 있다.
도 1 및 2c를 참조하면, 상기 방법은 상기 하드 마스크(40)를 식각 마스크로 이용하는 식각 공정을 수행하여 상기 자기 터널 층들(30a)을 패터닝하여 자기 터널 접합(30)(MTJ: Magnetic Tunnel Junction)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. (S30) 상기 자기 터널 접합(30)은 식각된 상기 씨드 층(31), 상기 하부 고정 자성 층(32), 상기 비자성 층(33), 상기 상부 고정 자성 층(34), 상기 하부 터널링 배리어 층(35), 상기 자유 층(36), 상기 상부 터널링 배리어 층(37), 및 상기 캡핑 층(38)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 식각 공정은 아르곤 플라즈마를 이용하는 이온 빔 스퍼터링 에칭 공정을 포함할 수 있다. 상기 하드 마스크(40)는 얇아질 수 있다. 상기 자기 터널 접합(30)의 측면들 및 상기 하드 마스크(40)의 측면들 상에는 식각 부산물(50)이 형성될 수 있다. 상기 식각 부산물(50)은 텅스텐(W) 또는 티타늄(Ti)처럼 상기 하드 마스크(40)에 포함된 금속을 주로 포함할 수 있다. 상기 식각 부산물(50)은 상기 자기 터널 접합(30)의 하부 측벽보다 상부 측벽 상에 더 두껍게 형성될 수 있다.
도 1 및 2d를 참조하면, 상기 방법은 상기 기판(10)의 일부를 분리하거나 또는 검사용 기판(10)을 채취하여 검사용 시료를 제조하고 (S40), 및 상기 검사용 시료를 케미컬 처리하여 상기 식각 부산물(50)을 가시적인(visible) 화학적 반응물(51)로 변환하는 것을 포함할 수 있다. (S50) 구체적으로, 상기 방법은 상기 검사용 시료의 상기 식각 부산물(50)을 유기 솔벤트와 아민(amine)이 혼합된 케미컬을 이용하여 화학적 반응을 유도하는 것을 포함할 수 있다. 상기 케미컬은 약 45 ~ 54 Vol%의 유기 솔벤트, 약 45 ~ 54 Vol%의 NH2-NH2, 및 약 0 내지 1 Vol%의 물(H2O)을 포함할 수 있다. 상기 식각 부산물(50)이 텅스텐(W)을 포함하는 경우, 상기 케미컬 처리는 다음 반응식으로 표현될 수 있다.
(일반식)
상기 텅스텐 산화물(WOx)은 상기 유기 솔벤트에 용해될 수 있다.
또는, 상기 방법은 암모니아, 에탄올, 프로판올, 헥산, 디에틸에터, 이소프로필 알코올, 테트라하이드로퓨란, 또는 아세톤 중 하나를 포함하는 유기 솔벤트, NH2OH, 및 물(H2O)을 포함하는 케미컬로 상기 검사용 시료, 즉 상기 식각 부산물(50)이 형성된 상기 검사용 기판(10)을 케미컬 처리하는 것을 포함할 수 있다. 상기 케미컬은 약 45 ~ 54 Vol%의 유기 솔벤트, 약 45 ~ 54 Vol%의 NH2OH, 및 약 0 내지 1 Vol%의 물(H2O)을 포함할 수 있다. 상기 식각 부산물(50)이 텅스텐(W)을 포함하는 경우, 상기 케미컬 처리는 다음 반응식으로 표현될 수 있다.
(일반식)
다른 실시예에서, 상기 식각 부산물(50)이 티타늄 질화물(TiN)을 포함하는 경우, 상기 방법은 상기 검사용 시료, 즉 상기 식각 부산물(50)이 형성된 상기 검사용 기판(10)을 NH2-NH2 및 물(H2O), 또는 NH2OH 및 물(H2O)을 포함하는 케미컬을 이용하여 케미컬 처리하는 것을 포함할 수 있다. 상기 NH2-NH2, NH2OH, 물(H2O)은 티타늄 질화물(TiN)에 염기(-OH)를 공여할 수 있다. 예를 들어, 1몰의 티타늄 질화물 (TiN)에 3몰 이상의 염기(-OH)가 제공되어 티타늄 산화물(TiO)이 생성될 수 있다. 예를 들어, 상기 케미컬은 약 45 ~ 54 Vol%의 유기 솔벤트, 약 45 ~ 54 Vol%의 NH2-NH2 또는 NH2OH, 및 약 0 내지 1 Vol%의 물(H2O)을 포함할 수 있다. 상기 유기 솔벤트는 암모니아, 에탄올, 프로판올, 헥산, 디에틸에터, 이소프로필 알코올, 테트라하이드로퓨란, 또는 아세톤 중 하나를 포함할 수 있다. 상기 케미컬 처리는 다음 반응식으로 표현될 수 있다.
(일반식)
상기 티타늄 산화물(TiO3)은 상기 유기 솔벤트에 용해될 수 있다.
상기 케미컬 처리는 습식 산화 공정을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 화학적 반응물(51)은 상기 식각 부산물(50)이 습식 산화된 물질들을 포함할 수 있다. 상기 화학적 반응물(51)은 상기 식각 부산물(50)보다 큰 체적을 가질 수 있다. 즉, 상기 식각 부산물(50)의 체적은 상기 케미컬 처리를 통하여 증가할 수 있다.
상기 방법은 TEM (Transmission Electron Microscope) 같은 전자 현미경을 이용하여 상기 화학적 반응물(51)을 검사 및 분석하는 것을 포함할 수 있다. (S60) 상기 식각 부산물(50)은 TEM을 이용하여 시각적으로 구분이 어려우므로, TEM EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 같은 복잡한 분석 방법을 이용하여 통하여 분석되어야 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 의한 상기 화학적 반응물(51)은 TEM을 이용하여 시각적으로 확인, 검사될 수 있다. 상기 화학적 반응물(51)의 정성적 및 정량적 검사 결과에 따라 반도체 제조 공정이 평가될 수 있고, 및 공정 조건들이 수정, 보정될 수 있다. 구체적으로, 상기 화학적 반응물(51)의 검사 결과를 참조하여 상기 하드 마스크(40)의 종류 및 두께, 상기 식각 공정의 공정 수행 시간, 가스 유량, 이온 밀도, 플라즈마 소스 파워, 바이어스 파워, 및 스퍼터링 압력 같은 다양한 공정 조건들이 수정, 보정될 수 있다.
도 1 및 2e를 참조하면, 상기 방법은 도 2c를 더 참조하여, 산화 공정을 수행하여 상기 식각 부산물(50)을 산화시키는 것을 포함할 수 있다. (S70) 예를 들어, 상기 식각 부산물(50)은 챔버 내에서 산소(O2) 가스에 의하여 건식 산화될 수 있다. 상기 산화 공정의 공정 조건들은 상기 화학적 반응물(51)의 검사 결과를 참조하여 설정, 수정, 또는 보정될 수 있다.
도 1 및 2f를 참조하면, 상기 방법은 상기 자기 터널 접합(30), 상기 하드 마스크(40), 및 상기 하부 층간 절연 층(20)의 표면들 상에 컨포멀하게 라이너 층(60)을 형성하고, 및 상기 라이너 층(60) 상에 상부 층간 절연 층(70)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. (S80) 예를 들어, 상기 라이너 층(60)은 상기 자기 터널 접합(30) 및 상기 하드 마스크(40)의 측면들 상의 산화된 식각 부산물(52) 상에 컨포멀하게 형성될 수 있다. 상기 라이너 층(60)은 알루미늄 산화물(Al2O3), 실리콘 질화물(SiN), 실리콘 산화질화물(SiON), 또는 실리콘 탄화 질화물(SiCN) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 상부 층간 절연 층(70)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
도 1 및 2g를 참조하면, 상기 방법은 상기 상부 층간 절연 층(70) 및 상기 라이너 층(60)를 관통하여 상기 하드 마스크(40)를 노출하는 홀을 형성하고, 상기 홀 내에 상부 전극(80)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. (S90) 상기 상부 전극(80)은 상기 홀의 내벽들 및 상기 노출된 하드 마스크(40) 상에 형성된 전극 배리어 층(81) 및 상기 전극 배리어 층(81) 상에 형성된 전극 플러그(82)를 포함할 수 있다. 상기 전극 배리어 층(81)은 티타늄 질화물(TiN) 또는 탄탈륨 질화물(TaN)을 포함할 수 있다. 상기 전극 플러그(82)는 텅스텐(W) 같은 금속을 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 상부 전극(80) 및 상기 상부 층간 절연 층(70)의 상면을 공면화하기 위하여 CMP (chemical mechanical polishing) 같은 평탄화 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
도 1 및 2h를 참조하면, 상기 방법은 상기 상부 전극(80) 및 상기 상부 층간 절연 층(70)의 상면 상에 비트 라인(90)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. (S100) 상기 비트 라인(90)은 비트 라인 배리어 층(91) 및 비트 라인 배선(92)을 포함할 수 있다. 상기 비트 라인 배리어 층(91)은 티타늄 질화물(TiN) 또는 탄탈륨 질화물(TaN)을 포함할 수 있다. 상기 비트 라인 배선(92)은 텅스텐(W) 같은 금속을 포함할 수 있다. 이후, 상기 방법은 상기 비트 라인(90) 상에 절연성 물질을 형성하는 것을 포함하는 다음 공정을 진행하는 것을 포함할 수 있다. (S110)
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 설명하는 플로우 차트이고, 도 4a 내지 4c는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법을 개략적으로 설명하기 위한 반도체 소자의 종단면도들이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 소자를 제조하는 방법은 먼저, 도 3 및 도 2a 내지 2d 또는 2e를 참조하여 설명된 공정들을 수행하여 기판(10) 상에 하부 층간 절연 층(20) 및 하부 전극(25)을 형성하고 (S10), 상기 하부 층간 절연 층(20) 및 상기 하부 전극(25) 상에 자기 터널 층들(30a) 및 하드 마스크(40)를 형성하고 (S20), 식각 공정을 수행하여 자기 터널 접합(30)을 형성하되 상기 자기 터널 접합(30) 및 상기 하드 마스크(40)의 측면들 상에 식각 부산물(50)이 형성되고 (S30), 검사용 시료를 제조하고 (S40), 상기 검사용 시료를 케미컬 처리하여 상기 식각 부산물(50)을 화학적 반응물(51)로 변환하고 (S50), 상기 화학적 반응물(51)을 TEM 같은 전자 현미경을 이용하여 검사 및 분석하고 (S60), 및 상기 식각 부산물(50)을 산화시키는 것(S70)을 포함할 수 있다. 확장된 다른 실시예에서, 상기 식각 부산물(50)을 산화시키는 것(S70)은 생략될 수도 있다.
도 3 및 4a를 참조하면, 상기 방법은 트리밍 공정을 수행하여 상기 산화된 식각 부산물(52)을 제거하는 것을 포함할 수 있다. (S75) 확장된 다른 실시예에서, 상기 방법은 트리밍 공정을 수행하여 상기 식각 부산물(50)을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 상기 트리밍 공정은 플로린(F), 클로린(Cl), 또는 브롬(Br) 같은 할로겐족 원소를 포함하는 가스를 이용하여 화학적으로 상기 산화된 식각 부산물(52) 또는 식각 부산물(50)을 부분적 또는 완전히 제거하는 것을 포함하 수 있다. 본 실시예에서, 본 발명의 기술적 사상을 이해하기 쉽도록 상기 산화된 식각 부산물(52) 또는 식각 부산물(50)이 완전히 제거된 것으로 가정, 설명된다. 상기 방법은 상기 잔여 산화된 식각 부산물(52) 또는 상기 잔여 식각 부산물(50), 또는 상기 자기 터널 접합(30)을 유기 솔벤트 등을 이용하여 세정하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 유기 솔벤트는 암모니아, 에탄올, 프로판올, 헥산, 디에틸에터, 이소프로필 알코올, 테트라하이드로퓨란, 또는 아세톤 중 하나를 포함할 수 있다.
도 3 및 4b를 참조하면, 상기 방법은 상기 자기 터널 접합(30), 상기 하드 마스크(40), 및 상기 하부 층간 절연 층(20)의 표면들 상에 컨포멀하게 라이너 층(60)을 형성하고, 및 상기 라이너 층(60) 상에 상부 층간 절연 층(70)을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
도 3 및 4c를 참조하면, 상기 방법은 상부 전극(80) 및 비트 라인(90)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 설명되지 않은 구성 요소들은 도 2a 내지 2h를 참조하면 이해될 수 있을 것이다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 기판
20: 하부 층간 절연 층
25: 하부 전극 30: 자기 터널 접합
30a: 자기 터널 층들 31: 씨드 층
32: 하부 고정 자성 층 33: 비자성 층
34: 상부 고정 자성 층 35: 하부 터널링 배리어 층
36: 자유 층 37: 상부 터널링 배리어 층
38: 캡핑 층 40: 하드 마스크
50: 식각 부산물 51: 화학적 반응물
52: 산화된 식각 부산물 60: 라이너 층
70: 상부 층간 절연 층 80: 상부 전극
81: 전극 배리어 층 82: 전극 플러그
90: 비트 라인 91: 비트 라인 배리어 층
92: 비트 라인 배선
25: 하부 전극 30: 자기 터널 접합
30a: 자기 터널 층들 31: 씨드 층
32: 하부 고정 자성 층 33: 비자성 층
34: 상부 고정 자성 층 35: 하부 터널링 배리어 층
36: 자유 층 37: 상부 터널링 배리어 층
38: 캡핑 층 40: 하드 마스크
50: 식각 부산물 51: 화학적 반응물
52: 산화된 식각 부산물 60: 라이너 층
70: 상부 층간 절연 층 80: 상부 전극
81: 전극 배리어 층 82: 전극 플러그
90: 비트 라인 91: 비트 라인 배리어 층
92: 비트 라인 배선
Claims (10)
- 자기 터널 층들을 형성하고,
상기 자기 터널 층들 상에 하드 마스크를 형성하고,
상기 자기 터널 층들을 식각하여 자기 터널 접합을 형성하되, 상기 자기 터널 접합의 측벽들 상에 식각 부산물이 형성되고,
상기 식각 부산물을 케미컬 처리하여 화학적 반응물로 변환하고, 및
상기 화학적 반응물을 검사하는 것을 포함하는 반도체 소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기 터널 접합은 씨드 층, 하부 고정 자성층, 비자성 층, 상부 고정 자성층, 하부 터널링 배리어 층, 자유 층, 상부 터널링 배리어 층, 및 캡핑 층을 포함하는 반도체 소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 하드 마스크는 텅스텐 (W) 또는 티타늄 질화물 (TiN) 중 하나를 포함하는 반도체 소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 식각 부산 물은 텅스텐 (W) 또는 티타늄(Ti) 중 하나를 주로 포함하고, 및
상기 화학적 반응물은 텅스텐 산화물 (WOx) 또는 티타늄 산화물(TiO3) 중 하나를 주로 포함하는 반도체 소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 케미컬 처리는 유기 솔벤트, 아민, 및 물이 혼합된 케미컬을 이용하는 것을 포함하는 반도체 소자 제조 방법. - 제5항에 있어서,
상기 유기 솔벤트는 암모니아, 에탄올, 프로판올, 헥산, 디에틸에터, 이소프로필 알코올, 테트라하이드로퓨란, 또는 아세톤 중 하나를 포함하는 반도체 소자 제조 방법. - 제5항에 있어서,
상기 아민은 NH2-NH2 또는 NH2OH 중 하나를 포함하는 반도체 소자 제조 방법. - 제5항에 있어서,
상기 케미컬은 45 ~ 54Vol%의 상기 유기 솔벤트, 45 ~ 54Vol%의 상기 아민, 및 1% 이하의 상기 물을 포함하는 반도체 소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 화학적 반응물을 검사하는 것은 TEM을 이용하여 시각적으로 검사하는 것을 포함하는 반도체 소자 제조 방법. - 하부 층간 절연 층 상에 타겟 물질 층을 형성하고,
상기 타겟 물질 층 상에 텅스텐(W) 또는 티타늄 질화물(TiN) 중 하나를 포함하는 하드 마스크를 형성하고,
상기 타겟 물질 층을 식각하여 패턴을 형성하되, 상기 패턴의 측벽들 상에는 텅스텐(W) 또는 티타늄(Ti)을 주로 포함하는 식각 부산물이 형성되고,
상기 식각 부산물을 습식 산화시켜 텅스텐 산화물(WOx) 또는 티타늄 산화물(TiO3)로 변환하고,
상기 텅스텐 산화물(WOx) 또는 상기 티타늄 산화물(TiO3)을 전자 현미경을 이용하여 검사하고, 및
상기 식각 부산물을 건식 산화시키는 것을 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
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