KR100358137B1 - 기저 층간절연막으로서 수소확산 방지를 위한 티타늄산화막을 구비하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속배선간 절연막 형성 및 페시베이션 공정 등과 같이 캐패시터 형성 후 실시되는 후속 공정에서 발생하는 수소에 의한 손상을 억제하기 위하여, 기저 층간절연막으로서 수소확산 방지를 위한 티타늄산화막을 구비하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, SBT(SrBi2Ta2O9) 등의 강유전체막을 이용한 FeRAM 소자 제조에 있어서 강유전체 캐패시터 상부에 형성되는 금속배선간 절연막 및 페시베이션층 형성 공정에서 발생하는 수소에 의한 소자 특성 저하를 방지하기 위하여 상기 각 절연막의 기저층으로 티타늄산화막(TiOx)을 형성하는데 특징이 있다.
Description
본 발명은 강유전체 메모리 소자 제조 분야에 관한 것으로, 특히 기저 층간절연막으로서 수소확산 방지를 위한 티타늄산화막을 구비하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자에서 강유전체(ferroelectric) 재료를 캐패시터에 사용함으로써 기존 DRAM 소자에서 필요한 리프레쉬(refresh)의 한계를 극복하고 대용량의 메모리를 이용할 수 있는 소자의 개발이 진행되어왔다.
강유전체 메모리 소자(Ferroelectric Random Access Memory, 이하 FeRAM이라 함)는 비휘발성 메모리 소자의 일종으로 전원이 끊어진 상태에서도 저장 정보를 기억하는 장점이 있을 뿐만 아니라 동작 속도도 기존의 DRAM(Dynamic Random Access Memory)에 필적하여 차세대 메모리 소자로 각광받고 있다.
SrBi2Ta2O9(이하, SBT라 함)와 같은 강유전체는 상온에서 유전상수가 수백에서 수천에 이르며 두 개의 안정한 잔류분극(remnant polarization) 상태를 갖고 있어 이를 박막화하여 비휘발성(nonvolatile) 메모리 소자로의 응용이 실현되고 있다. 즉, 강유전체 박막을 비휘발성 메모리 소자로 사용하는 경우 가해주는 전기장의 방향으로 분극의 방향을 조절하여 신호를 입력하고 전기장을 제거하였을 때 남아있는 잔류분극의 방향에 의해 디지털 신호 1과 0을 저장하게 되는 원리를 이용하는 것이다.
FeRAM 소자의 축전물질로는 전술한 SrBi2Ta2O9(이하 SBT라 함)와 Pb(ZrxTi1-x)O3(이하 PZT라 함) 박막이 주로 사용된다. 상기와 같은 강유전체막의 우수한 강유전 특성을 얻기 위해서는 상하부 전극물질의 적절한 선택과 공정의 제어가 필수적이다.
특히, SBT 또는 PZT 등과 같은 강유전체를 이용한 메모리 소자 제조에서 강유전체 캐패시터 형성 후에 진행되는 절연막 형성 공정으로는, 캐패시터 보호 절연막(capacitor capping dielectric) 형성 공정, 금속배선간 절연막(inter-metal dielectric) 형성 공정 및 페시베이션(passivation) 공정 등이 있다. 이러한 절연막 형성 공정은 통상적으로 실란(Silane, SiH4)과 같이 수소를 포함한 원료가스와 플라즈마를 사용하기 때문에 수소 원자, 이온 및 분자 등을 쉽게 발생시키고, 이들 수소 원자들은 강유전체로 확산하여 강유전체의 특성을 저하시킨다. 절연막 형성 공정에서 유발되는 수소에 의한 손상(hydrogen damage)을 방지 또는 보상하기 위해서 600 ℃ 이상의 고온에서 증착을 실시하거나, 600 ℃ 이상의 고온의 산소분위기에서 후 열처리를 실시하거나 또는, TEOS(Si(OC2H5)4)와 같이 수소를 가지고 있지 않은 원료가스를 이용하는 방법 등이 제시되고 있다.
그러나, SBT 등과 같은 강유전체를 사용하는 FeRAM 소자의 층간절연막 형성 공정에서는 600 ℃ 이상의 고온 공정이 가능하나, 금속배선 형성 이후 실시되는 금속배선간 절연막 형성 공정과 페시베이션 공정은 층간절연막 형성 공정과는 달리 금속배선층의 특성 때문에 고온 증착 및 후열처리가 불가능하다. 또한, 대부분의 절연막 형성 공정은 수분흡수방지 특성 향상을 위하여 일반적으로 TEOS 보다는 실란을 원료가스로 사용한다. 그러므로, 금속배선간 절연막 형성 및 페시베이션 공정에서는 공정조건 조절을 통해 수소에 의한 손상을 억제시키는데 한계가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 금속배선간 절연막 형성 및 페시베이션 공정 등과 같이 캐패시터 형성 후 실시되는 후속 공정에서 발생하는 수소에 의한 손상을 억제하기 위하여, 기저 층간절연막으로서 수소확산 방지를 위한 티타늄산화막을 구비하는 강유전체 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
도1 내지 도5는 본 발명의 실시예에 따른 FeRAM 소자 제조 공정 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
20: 하부전극 21: 강유전체막
22: 상부전극 28: 제1 TiOx막
31: 제2 TiOx막
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 있어서, 트랜지스터, 제1 층간절연막 및 비트라인 형성이 완료된 반도체 기판 상부에 제2 층간절연막을 형성하는 제1 단계; 상기 제2 층간절연막 상에 하부전극, 강유전체막 및 상부전극으로 이루어지는 강유전체 캐패시터를 형성하는 제2 단계; 상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 제1 TiOx막을 포함하는 캐패시터 보호 절연막을 형성하는 제3 단계; 상기 강유전체 캐패시터와 상기 트랜지스터를 연결하는 제2 금속배선을 형성하는 제4 단계; 상기 제4 단계가 완료된 전체 구조 상에 수소확산방지를 위한 제2 TiOx막(x는 1.0∼2.5)을 형성하는 제5 단계; 상기 제2 TiOx막 상에 금속배선간 절연막을 형성하는 제6 단계; 상기 금속배선간 절연막 상에 공급전원을 인가하기 위한 제2 금속배선을 형성하는 제7 단계; 및 상기 제7 단계가 완료된 전체 구조 상에 수소확산방지를 위한 제3 TiOx막(x는 1.0∼2.5)을 형성하는 제8 단계; 및 상기 제3 TiOx막 상에 페시베이션층을 형성하는 제9 단계를 포함하며, 산소 분위기에서의 후열처리에 의해 상기 제1 TiOx막의 표면에 TiO2막이 형성되도록 하는 것을 특징으로 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 SBT(SrBi2Ta2O9) 등의 강유전체막을 이용한 FeRAM 소자 제조에 있어서 강유전체 캐패시터 상부에 형성되는 금속배선간 절연막 및 페시베이션층 형성 공정에서 발생하는 수소에 의한 소자 특성 저하를 방지하기 위하여 상기 각 절연막의 기저층으로 티타늄산화막(TiOx)을 형성하는데 특징이 있다.
수소확산장벽막은 막형성 공정 자체에서 수소에 의한 손상을 유발하지 않아야 하고, 후속 공정에서 발생하는 수소원자, 이온 및 분자에 대한 우수한 확산방지특성을 가져야 한다. 또한, 금속배선 절연막 형성 공정 및 페시베이션 직전의 웨이퍼는 굴곡(topology)이 매우 크므로 균일한 두께의 막 형성을 위해 우수한피복(step coverage) 특성이 요구된다.
본 발명은 이러한 특성을 충족시킬 수 있는 방지막으로서, Ti 타겟(target)을 이용한 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 또는 TiO2타겟을 이용한 스퍼터링 등의 물리기상증착법(physical vapor deposition, 이하 PVD법이라 함)으로 형성된 티타늄산화막(TiOx)을 형성한다. Ar과 O2의 혼합가스 또는 Ar 가스를 사용하는 PVD법은 제조 공정상 수소가 발생하지 않는 공정이며, 400 ℃ 이하의 저온에서 증착한 TiOx박막은 비정질 또는 열적으로 안정한 루틸(rutile) 상을 형성하기 때문에 빠른 확산속도를 갖는 수소의 박막 내 경로(path)를 길게 하거나 또는 포획 사이트(trap site)로 작용하여 확산을 억제한다.
특히, 650 ℃ 이상의 고온 공정이 필요한 SBT 등의 강유전체막을 형성하는 FeRAM 소자 제조 공정에서 캐패시터 보호막(capacitor level dielectric)의 기저층으로 TiOx박막을 형성하고 열처리를 하면, TiOx박막의 표면이 치밀한 TiO2구조를 형성한다. 따라서, 캐패시터 보호막, 금속배선간 절연막 및 페시베이션층의 기저층으로서 TiOx박막을 형성할 경우에는 보다 우수한 확산방지막 특성을 나타낼 수 있다.
이하, 첨부된 도면 도1 내지 도5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 FeRAM 소자 제조 방법을 설명한다.
먼저 도1에 도시한 바와 같이, 소자분리막(11), 트랜지스터, 제1층간절연막(15), 비트라인(16) 형성이 완료된 반도체 기판(10) 상에 BPSG(borophospho silicate glass)막으로 이루어지는 제2 층간절연막(17)을 형성하고, 상기 제2 층간절연막(17) 상에 수분 침투 또는 층간절연막 내의 도펀트 확산을 억제하기 위한 HTO(high temperature oxide)막(18)을 형성한다. 도면에서 미설명 도면부호 '12'는 게이트 산화막, '13'은 게이트 전극, '14A'는 비트라인과 접속되는 제1 접합영역, '14B'는 강유전체 캐패시터와 접속되는 제2 접합영역을 나타낸다.
다음으로 도2에 도시한 바와 같이, HTO막(18) 상에 TiOx또는 Ti 등으로 이루어지는 접착층(19)을 형성하고, 접착층(19) 상에 하부전극(20), 강유전체막(21) 및 상부전극(22)으로 이루어지는 강유전체 캐패시터를 형성한다.
이때, 접착층(19) 상에 하부전극(20)을 이룰 제1 전도막, 강유전체막(20) 및 상부전극(21)을 이룰 제2 전도막을 차례로 증착하고, 상기 제2 전도막 상에 TiN 등으로 하드마스크(도시하지 않음)를 형성하고, 상기 제2 전도막, 강유전체막(20), 상기 제2 전도막 및 접착층(19)을 패터닝하여 강유전체 캐패시터를 형성하고, 상기 하드마스크를 제거하는 방법을 이용한다.
강유전체막(21)은 SBT(SrBi2Ta2O9), SBTN(SrBi(Ta,Nb)2O9), SrBi2Nb2O9등과 같은 Bi-레이어드 페롭스카이트(Bi-layered perovskite) 물질 또는 ABO3로 표현되는 화학식을 갖는 페롭스카이트 구조의 PbTiO3, Pb(Zr1-xTix)O3, (Pb, La)(Zr1-xTix)O3, (Pb, La)TiO3등으로 형성한다. 한편, 하부전극(20) 및 상부전극(22) 각각은 Pt,Pt-합금, Ru, Ir 등과 같은 금속막으로 형성하여 MFM(metal-ferroelectric-metal) 구조의 캐패시터를 형성하거나, 또는 RuO2, IrO2, (La, Sr)CoO3등과 같은 산화물로 캐패시터의 전극을 형성한다.
다음으로 도3에 도시한 바와 같이, 강유전체 캐패시터 형성이 완료된 반도체 기판(10) 상부에 100 Å 내지 2000 Å 두께의 TiOx의 단일층 또는 SiO2및 TiOx의 복합 구조로 이루어지는 캐패시터 보호막(23)을 형성한다. 캐패시터 보호막(23)을 이루는 TiOx층은 Ti 금속 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 등과 같은 PVD법으로 상온 내지 400 ℃에서 형성하며, 이때 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 방법을 이용할 수도 있다.
상기 강유전체막(21)을 Bi-레이어드 페롭스카이트 물질로 형성하는 경우에는 600 ℃ 내지 850 ℃ 온도의 산소 분위기에서 후열처리를 실시하고, 페롭스카이트 물질로 형성하는 경우에는 600 ℃ 내지 850 ℃ 온도의 산소 분위기에서 후열처리를 실시한다.
다음으로 도4에 도시한 바와 같이, 캐패시터 보호막(24) 상에 BPSG 및 TEOS-SiO2의 이중층 또는 BPSG, USG(undoped silicate glass)로 이루어지는 제3 층간절연막(24)을 형성한다. 제3 층간절연막(24)을 이루는 TEOS-SiO2형성시 수소의 발생량을 감소시키기 위하여 TEOS(tetra-ethyl ortho-silicate)계 가스(Si(OC2H5)4, B(OC2H5)5, P(OC2H5)5)와 O3를 사용하고, 증착방법으로는 플라즈마를 사용하지 않는CVD법을 이용하기도 한다.
이어서, 제3 층간절연막(24) 및 캐패시터 보호막(23)을 선택적으로 식각하여 상부전극(22)을 노출시키는 제1 콘택홀을 형성하고, 제3 층간절연막(24), 캐패시터 보호막(23), HTO막(18), 제2 층간절연막(17), 제1 층간절연막(15)을 선택적으로 식각하여 트랜지스터의 제2 접합영역(14B)을 노출시키는 제2 콘택홀을 형성한다.
다음으로, 캐패시터 상부전극(22) 상에 확산방지막 패턴(25)을 형성한다.
이후 도5에 도시한 바와 같이, TiN 등의 확산장벽 금속막(26) 및 Al 등의 금속막(27)을 차례로 증착하고 패터닝하여, 제1 콘택홀 및 제2 콘택홀을 통하여 강유전체 캐패시터와 트랜지스터를 연결하는 제1 금속배선을 형성한다.
이어서, 금속배선간 절연막 형성 공정에서 발생하는 수소의 확산에 의해 소자 특성 저하가 일어나는 것을 방지하기 위해 제1 금속배선 상에 산소함량 x가 1.0 내지 2.5인 제1 TiOx막(28)을 형성한다. 이때, 제1 TiOx막(28)은 PVD법을 이용하여 100 Å 내지 1500 Å 두께로 형성한다.
다음으로, 제1 TiOx막(28) 상에 SiON, SOG(spin on glass), SiOx등의 적층 구조로 이루어지는 금속배선간 절연막(29)을 형성하고, 제1 금속배선과 제2 금속배선을 연결하기 위한 콘택홀(도시하지 않음)을 형성하고, 공급전원(Vcc)을 인가하기 위한 제2 금속배선(30)을 형성한다.
이어서, 후속되는 페시베이션층 형성 공정에서 발생하는 수소에 의한 강유전체 특성 저하를 방지하기 위하여 PVD법을 이용하여 100 Å 내지 1500 Å 두께의제2 TiOx막(31)을 증착한 후, 제2 TiOx막(31) 상에 Si3N4등으로 이루어지는 페시베이션층(32)을 형성한다.
전술한 본 발명의 실시예에서 TiOx막은 비정질막일 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 강유전체 캐패시터 상부에 형성되는 캐패시터 보호산화막, 금속배선간 절연막 및 페시베이션층 형성 공정에서 상기 각 절연막의 기저층을 이루는 티타늄산화막(TiOx)을 물리기상증착법으로 형성함으로써, 절연막 형성 공정에서 발생하는 수소에 의한 소자 특성 저하를 방지할 수 있다.
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- 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 있어서,트랜지스터, 제1 층간절연막 및 비트라인 형성이 완료된 반도체 기판 상부에 제2 층간절연막을 형성하는 제1 단계;상기 제2 층간절연막 상에 하부전극, 강유전체막 및 상부전극으로 이루어지는 강유전체 캐패시터를 형성하는 제2 단계;상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 제1 TiOx막을 포함하는 캐패시터 보호 절연막을 형성하는 제3 단계;상기 강유전체 캐패시터와 상기 트랜지스터를 연결하는 제2 금속배선을 형성하는 제4 단계;상기 제4 단계가 완료된 전체 구조 상에 수소확산방지를 위한 제2 TiOx막(x는 1.0∼2.5)을 형성하는 제5 단계;상기 제2 TiOx막 상에 금속배선간 절연막을 형성하는 제6 단계;상기 금속배선간 절연막 상에 공급전원을 인가하기 위한 제2 금속배선을 형성하는 제7 단계; 및상기 제7 단계가 완료된 전체 구조 상에 수소확산방지를 위한 제3 TiOx막(x는 1.0∼2.5)을 형성하는 제8 단계; 및상기 제3 TiOx막 상에 페시베이션층을 형성하는 제9 단계를 포함하며,산소 분위기에서의 후열처리에 의해 상기 제1 TiOx막의 표면에 TiO2막이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제1 TiOx 막을,TiOx의 단일층 또는 SiO2및 TiOx의 복합층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
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