KR20240015018A - 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은, 기판 상에 복수의 절연층 및 복수의 희생층을 적층하는 단계, 상기 복수의 절연층 및 상기 복수의 희생층을 관통하는 개구를 형성하는 단계, 상기 희생층을 제거하여 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치 내부에 배리어층을 적층하는 단계, 상기 배리어층 상에 제1 전극층을 적층하는 단계, 상기 제1 전극층 상에 유전체층을 적층하는 단계, 상기 유전체층에 대한 열처리를 수행하는 단계, 상기 유전체층 상에 제2 전극층을 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
데이터 저장을 필요로 하는 전자 시스템에서 고용량의 데이터를 저장할 수 있는 반도체 소자 장치가 요구되고 있다. 데이터 저장 용량을 증가시키면서, 소비자가 요구하는 우수한 성능 및 저렴한 가격을 충족시키기 위해 반도체 소자 장치의 집적도를 증가시키는 것이 요구되고 있다. 2차원 또는 평면적 반도체 소자 장치의 경우, 집적도는 단위 메모리 셀이 점유하는 면적에 의해 주로 결정되기 때문에, 미세 패턴 형성 기술의 수준에 크게 영향을 받는다. 하지만, 패턴의 미세화를 위해서는 초고가의 장비들이 필요하기 때문에, 2차원 반도체 소자 장치의 집적도는 증가하고는 있지만 여전히 제한적이다. 이에 따라, 3차원적으로 배열되는 메모리 셀들을 구비하는 3차원 반도체 소자 메모리 장치들이 제안되고 있다
본 발명의 목적은 안정성 및 전기적 특성이 개선된 반도체 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 누설전류의 크기를 감소시킬 수 있는 반도체 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 명세서의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 명세서의 다른 목적 및 장점들은 이하에서 기술되는 본 명세서의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 명세서의 목적 및 장점들은 청구범위에 기재된 구성요소들 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은, 기판 상에 복수의 절연층 및 복수의 희생층을 적층하는 단계, 상기 복수의 절연층 및 상기 복수의 희생층을 관통하는 개구를 형성하는 단계, 상기 희생층을 제거하여 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치 내부에 배리어층을 적층하는 단계, 상기 배리어층 상에 제1 전극층을 적층하는 단계, 상기 제1 전극층 상에 유전체층을 적층하는 단계, 상기 유전체층에 대한 열처리를 수행하는 단계, 상기 유전체층 상에 제2 전극층을 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열처리는 수소 분위기에서 수행되는 1차 열처리를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열처리는 수소 분위기에서 수행되는 1차 열처리 및 산소 분위기에서 수행되는 2차 열처리를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열처리는 200℃ 내지 1000℃의 온도로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열처리가 수행될 때 공급되는 가스의 기압은 2기압 내지 50기압일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연층은 실리콘(Si)을 포함하고, 상기 희생층은 실리콘 게르마늄(SiGe)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전체층은 하프늄 옥사이드(HfO2), 지르코늄 옥사이드(ZrO2), 바나듐 옥사이드(VO2), 티타늄 옥사이드(TiO2), 틴 옥사이드(SnO2), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 징크 옥사이드(ZnO), 하프늄 실리콘 옥사이드(HfSiO), 지르코늄 실리콘 옥사이드(ZrSiO) 또는 니오븀 옥사이드(Nb2O5) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면 수소 분위기 하에서 수행되는 열처리에 의해서 유전체층의 결함 또는 불순물이 제거될 수 있다. 이에 따라서 반도체 소자의 성능 및 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한 반도체 소자의 누설전류가 감소할 수 있다.
도 1 내지 도 6은 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 과정을 나타낸다.
도 7은 일반적인 반도체 소자의 누설 전류와 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 의해서 제조된 반도체 소자의 누설 전류를 비교한 그래프이다.
도 8은 일반적인 반도체 소자의 유전체층의 박막 밀도와 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 의해서 제조된 반도체 소자의 유전체층의 박막 밀도를 비교한 그래프이다.
도 7은 일반적인 반도체 소자의 누설 전류와 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 의해서 제조된 반도체 소자의 누설 전류를 비교한 그래프이다.
도 8은 일반적인 반도체 소자의 유전체층의 박막 밀도와 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 의해서 제조된 반도체 소자의 유전체층의 박막 밀도를 비교한 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서의 실시예들을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 명세서를 설명함에 있어서 본 명세서와 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 1 내지 도 6은 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 과정을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 복수의 절연층(12) 및 복수의 희생층(14)이 교번적으로 그리고 반복적으로 적층될 수 있다. 복수의 절연층(12) 및 복수의 희생층(14)은 에피택셜 성장될 수 있다. 일 실시예에서, 기판(10)은 단결정 실리콘 웨이퍼로 이루어질 수 있다. 각각의 절연층(12)은 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 각각의 희생층(14)은 실리콘 저마늄(SiGe)을 포함할 수 있다. 각각의 희생층(14)은 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있고, 각각의 절연층(12)은 일부 영역에서 두께가 달라질 수 있다.
희생층(14)이 실리콘 저마늄(SiGe)으로 이루어질 경우, 희생층(14) 내부에서 저마늄(Ge)이 차지하는 비율이 실리콘(Si)이 차지하는 비율보다 높을 수 있다. 이렇게 희생층(14) 내부에서 저마늄(Ge)이 차지하는 비율이 실리콘(Si)이 차지하는 비율보다 높으면, 후술할 제조 공정에서, 절연층(12)에 대한 식각 선택비(etching seletiviy)를 높일 수 있다. 그러나 희생층(14)의 성분이나 성분비가 전술한 실시예로 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 희생층(14)의 성분이나 성분비는 달라질 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 희생층(14) 및 절연층(12)을 수직으로 관통하는 개구(16)가 형성될 수 있다. 예컨대 패터닝을 통해 희생층(14) 및 절연층(12)을 에칭하여 개구(16)를 형성할 수 있다. 개구(16)에 의해서 희생층(14) 및 절연층(12)의 측벽들이 노출될 수 있다. 후속 공정에서 개구(16)를 이용하여 희생층(14)이 제거될 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 희생층(14)과 절연층(12)의 식각 선택비를 이용하여 희생층(14)이 제거될 수 있다. 희생층(14)이 제거됨으로써 복수의 트렌치(18)가 형성된다. 희생층(14)은 예를 들어, 실리콘 게르마늄(SiGe)으로 이루어질 수 있다. 이 때, 희생층(14)을 구성하는 게르마늄(Ge)의 비중이 실리콘(Si)에 비해 높을 경우, 절연층(12)에 포함된 실리콘(Si)에 대해 식각 선택비가 높아질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 염산(HCl) 등을 이용한 습식 식각을 수행함으로써, 희생층(14)이 제거될 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 각각의 트렌치(18) 내부에 배리어층(20), 제1 전극층(21), 유전체층(22)이 순차적으로 적층될 수 있다. 배리어층(20)은 금속 물질(예컨대, Ti, TiN 또는 Co)을 포함할 수 있다. 제1 전극층(21)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 예컨대 제1 전극층(21)은 금속 질화물, 금속 산화물, 금속 실리사이드, 도전성 카본, 폴리실리콘, 또는 이들의 조합과 같은 도전층을 포함할 수 있다. 다른 예로, 제1 전극층(21)은 TiN, Al, W 또는 Ru을 포함할 수 있다. 그러나 제1 전극층(21)에 포함되는 금속 물질의 종류가 상기 열거된 물질로 한정되는 것은 아니다.
유전체층(22)은 고유전율 물질(high-k)을 포함할 수 있다. 유전체층(22)은 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 공정을 통해 증착될 수 있다.
일 실시예에서, 유전체층(22)에 포함되는 고유전율 물질은 예를 들어, 하프늄 옥사이드(HfO2), 지르코늄 옥사이드(ZrO2), 바나듐 옥사이드(VO2), 티타늄 옥사이드(TiO2), 틴 옥사이드(SnO2), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 징크 옥사이드(ZnO), 하프늄 실리콘 옥사이드(HfSiO), 지르코늄 실리콘 옥사이드(ZrSiO) 또는 니오븀 옥사이드(Nb2O5) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나 고유전율 물질의 종류가 전술한 실시예로 제한되는 것은 아니다.
도 4와 같이 유전체층(22)이 형성된 후, 유전체층(22)에 대한 1차 열처리가 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(22)에 대한 1차 열처리는 수소 성분을 포함하는 가스 분위기에서 수행될 수 있다. 예컨대 유전체층(22)에 대한 1차 열처리는 H2 또는 D2 분위기에서 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(22)에 대한 1차 열처리가 수행될 때 공급되는 수소 성분을 포함하는 가스의 기압은 2기압 내지 50기압일 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(22)에 대한 1차 열처리는 200℃ 내지 1000℃의 온도로 수행될 수 있다.
다른 실시예에서, 유전체층(22)에 대한 1차 열처리는 질소 성분을 포함하는 가스 분위기에서 수행될 수 있다. 예컨대 유전체층(22)에 대한 1차 열처리는 N2 분위기에서 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(22)에 대한 1차 열처리가 수행될 때 공급되는 질소 성분을 포함하는 가스의 기압은 2기압 내지 50기압일 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(22)에 대한 1차 열처리는 200℃ 내지 1000℃의 온도로 수행될 수 있다.
반도체 소자가 스케일링 다운될수록 유전체층(22)의 두께가 한계 이상으로 얇아지고 이로 인해 누설전류가 커질 수 있다. 누설전류는 유전체층(22) 내에 존재하는 결함(defect) 또는 불순물에 의해서 발생한다. 특히, 고유전율 물질(high-k)로 이루어지는 유전체층(22)의 조직의 결함은 다른 절연막(예를 들어, SiO2)의 조직의 결함보다 약 100배 이상 많아 누설전류의 발생가능성이 높아진다. 그러나 전술한 1차 열처리가 수행되면 유전체층(22)의 결함 또는 불순물이 제거될 수 있다. 이에 따라서 유전체층(22)의 막질이 향상되고 누설전류가 감소될 수 있다.
다른 실시예에서, 유전체층(22)에 대한 1차 열처리가 수행된 후 유전체층(22)에 대한 2차 열처리가 추가적으로 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 유전체층(22)에 대한 2차 열처리는 산소 성분을 포함하는 가스 분위기에서 수행될 수 있다. 예컨대 유전체층(22)에 대한 2차 열처리는 O2, O3 또는 H2O 분위기에서 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(22)에 대한 2차 열처리가 수행될 때 공급되는 산소 성분을 포함하는 가스의 기압은 2기압 내지 50기압일 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(22)에 대한 2차 열처리는 200℃ 내지 1000℃의 온도로 수행될 수 있다. 유전체층(22)에 대한 2차 열처리에 의해서 유전체층(22)의 막질이 보다 향상되고 누설전류가 보다 더 감소될 수 있다.
실시예에 따라서는 유전체층(22)에 대해서 1차 열처리만이 수행될 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 유전체층(22) 상에 제2 전극층(23)이 형성될 수 있다. 제2 전극층(23)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 예컨대 제2 전극층(23)은 금속 질화물, 금속 산화물, 금속 실리사이드, 도전성 카본, 폴리실리콘, 또는 이들의 조합과 같은 도전층을 포함할 수 있다. 다른 예로, 제2 전극층(23)은 TiN, Al, W 또는 Ru을 포함할 수 있다. 그러나 제2 전극층(23)에 포함되는 금속 물질의 종류가 상기 열거된 물질로 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 개구(16) 내부에 셀 구조체(30)가 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 셀 구조체(30)는 제1 전극층(21) 또는 제2 전극층(23)과 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 구성요소(예컨대, 트랜지스터) 또는 제1 전극층(21) 또는 제2 전극층(23)과 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 구성요소를 전기적으로 연결하는 도선(예컨대, 워드 라인 또는 비트 라인) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
도 7은 일반적인 반도체 소자의 누설 전류와 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 의해서 제조된 반도체 소자의 누설 전류를 비교한 그래프이다.
도 7에서 No anneal은 유전체층에 대한 열처리가 수행되지 않은 일반적인 반도체 소자의 누설 전류값을 나타낸다. 또한 도 7에서 HPA는 일 실시예에 따라서 유전체층에 대한 1차 열처리가 수행된 반도체 소자의 누설 전류값을 나타낸다. 또한 도 7에서 HPA+HPO는 다른 실시예에 따라서 유전체층에 대한 1차 열처리 및 2차 열처리가 순차적으로 수행된 반도체 소자의 누설 전류값을 나타낸다. 참고로 1차 열처리 및 2차 열처리는 각각 500℃/20기압에서 1시간 동안 이루어졌으며, 1차 열처리는 수소 분위기에서 이루어졌고 2차 열처리는 산소 분위기에서 이루어졌다.
도 7에 도시된 바와 같이, 유전체층에 대한 열처리가 수행되지 않은 반도체의 누설 전류값이 1일 때, 일 실시예에 따라서 유전체층에 대한 1차 열처리가 수행된 반도체 소자의 누설 전류값은 0.87이다. 또한 다른 실시예에 따라서 유전체층에 대한 1차 열처리 및 2차 열처리가 순차적으로 수행된 반도체 소자의 누설 전류값은 0.79이다. 실험 결과에 따르면, 1차 열처리 또는 1차 및 2차 열처리를 통해 유전체층의 결함 또는 불순물을 제거함으로써 반도체 소자의 누설전류가 감소함을 알 수 있다. 특히 산소 분위기에서 2차 열처리가 추가로 수행되면 1차 열처리만 수행된 경우에 비해 누설 전류가 10% 가량 추가로 감소함을 알 수 있다.
도 8은 일반적인 반도체 소자의 유전체층의 박막 밀도와 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 의해서 제조된 반도체 소자의 유전체층의 박막 밀도를 비교한 그래프이다.
도 8에서 No anneal은 유전체층에 대한 열처리가 수행되지 않은 일반적인 반도체 소자의 유전체층의 박막 밀도를 나타낸다. 또한 도 8에서 HPA는 일 실시예에 따라서 유전체층에 대한 1차 열처리가 수행된 반도체 소자의 유전체층의 박막 밀도를 나타낸다. 또한 도 8에서 HPA+HPO는 다른 실시예에 따라서 유전체층에 대한 1차 열처리 및 2차 열처리가 순차적으로 수행된 반도체 소자의 유전체층의 박막 밀도를 나타낸다. 참고로 1차 열처리 및 2차 열처리는 각각 500℃/20기압에서 1시간 동안 이루어졌으며, 1차 열처리는 수소 분위기에서 이루어졌고 2차 열처리는 산소 분위기에서 이루어졌다.
도 8에 도시된 바와 같이, 유전체층에 대한 열처리가 수행되지 않은 일반적인 반도체 소자의 박막 밀도가 1일 때, 일 실시예에 따라서 유전체층에 대한 1차 열처리가 수행된 반도체 소자의 유전체층의 박막 밀도는 1.05이다. 또한 다른 실시예에 따라서 유전체층에 대한 1차 열처리 및 2차 열처리가 순차적으로 수행된 반도체 소자의 박막 밀도는 1.21이다. 실험 결과에 따르면, 1차 열처리 또는 1차 및 2차 열처리를 통해 유전체층의 결함 또는 불순물을 제거함으로써 유전체층의 막질이 개선됨을 알 수 있다. 특히 산소 분위기에서 2차 열처리가 추가로 수행되면 1차 열처리만 수행된 경우에 비해 박막 밀도가 20% 가량 증가함을 알 수 있다.
전술한 실시예들에 따르면, 수소 분위기 하에서 유전체층에 대한 1차 열처리가 수행되거나, 수소 분위기 하에서 유전체층에 대한 1차 열처리가 수행된 후 산소 분위기 하에서 유전체층에 대한 2차 열처리가 수행됨으로써 유전체층의 결함 또는 불순물이 제거될 수 있다. 이에 따라서 유전체층의 막질이 개선되고 누설전류가 감소한다. 따라서 반도체 소자의 안정성 및 전기적 특성이 개선될 수 있다. 일 실시예에 따른 반도체 소자의 예시로는 DRAM(Dynamic Random Access Memory)을 들 수 있다.
이상과 같이 본 명세서에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 명세서가 한정되는 것은 아니며, 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있을 것이다. 아울러 앞서 본 명세서의 실시예를 설명하면서 본 명세서의 구성에 따른 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 한다.
Claims (7)
- 기판 상에 복수의 절연층 및 복수의 희생층을 적층하는 단계;
상기 복수의 절연층 및 상기 복수의 희생층을 관통하는 개구를 형성하는 단계;
상기 희생층을 제거하여 트렌치를 형성하는 단계;
상기 트렌치 내부에 배리어층을 적층하는 단계;
상기 배리어층 상에 제1 전극층을 적층하는 단계;
상기 제1 전극층 상에 유전체층을 적층하는 단계;
상기 유전체층에 대한 열처리를 수행하는 단계;
상기 유전체층 상에 제2 전극층을 적층하는 단계를 포함하는
반도체 소자의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열처리는
수소 분위기에서 수행되는 1차 열처리를 포함하는
반도체 소자의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열처리는
수소 분위기에서 수행되는 1차 열처리 및 산소 분위기에서 수행되는 2차 열처리를 포함하는
반도체 소자의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열처리는
200℃ 내지 1000℃의 온도로 수행되는
반도체 소자의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열처리가 수행될 때 공급되는 가스의 기압은 2기압 내지 50기압인
반도체 소자의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 절연층은 실리콘(Si)을 포함하고,
상기 희생층은 실리콘 게르마늄(SiGe)을 포함하는
반도체 소자의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체층은
하프늄 옥사이드(HfO2), 지르코늄 옥사이드(ZrO2), 바나듐 옥사이드(VO2), 티타늄 옥사이드(TiO2), 틴 옥사이드(SnO2), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 징크 옥사이드(ZnO), 하프늄 실리콘 옥사이드(HfSiO), 지르코늄 실리콘 옥사이드(ZrSiO) 또는 니오븀 옥사이드(Nb2O5) 중 적어도 하나를 포함하는
반도체 소자의 제조 방법.
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