KR20020003068A - 강유전체 결정화 공정에 따른 폴리실리콘 플러그의 산화를방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법 - Google Patents

강유전체 결정화 공정에 따른 폴리실리콘 플러그의 산화를방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강유전체막 결정화를 위한 열처리 공정에서 폴리실리콘 플러그의 산화 및 열적 파괴를 효과적으로 방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 관한 것으로, 강유전체막의 결정화 공정 전에 강유전체막을 산소 플라즈마로 처리하여 강유전체막 내부에 잔류하는 탄소를 효과적으로 제거함으로써 강유전체를 구성하는 원소들의 이동도를 향상시키는데 그 특징이 있다. 이에 따라, 상대적으로 낮은 온도인 500 ℃ 내지 700 ℃에서 강유전체 결정화 반응을 원활하게 일으킬 수 있다.

Description

강유전체 결정화 공정에 따른 폴리실리콘 플러그의 산화를 방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법{Method for forming FeRAM capable of preventing oxidation of polysilicon plug during ferroelectric crystallization process}
본 발명은 반도체 메모리 소자 제조 분야에 관한 것으로, 특히 강유전체 결정화 공정에 따른 폴리실리콘 플러그의 산화를 방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 메모리 소자에서 강유전체(ferroelectric) 재료를 캐패시터에 사용함으로써 기존 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 소자에서 필요한리프레쉬(refresh)의 한계를 극복하고 대용량의 메모리를 이용할 수 있는 소자의 개발이 진행되어왔다. FeRAM(ferroelectric random access memory) 소자는 비휘발성 메모리 소자의 일종으로 전원이 끊어진 상태에서도 저장 정보를 기억하는 장점이 있을 뿐만 아니라 동작 속도도 기존의 DRAM에 필적하여 차세대 기억소자로 각광받고 있다.
FeRAM의 축전물질로는 SrxBiyTa2O9(이하 SBT)와 (Pb(ZrxTi1-x)O3(이하 PZT) 박막이 주로 사용된다. 강유전체는 상온에서 유전상수가 수백에서 수천에 이르며 두개의 안정한 잔류분극(remnant polarization) 상태를 갖고 있어 이를 박막화하여 비휘발성(nonvolatile) 메모리 소자로의 응용이 실현되고 있다. 강유전체 박막을 이용하는 비휘발성 메모리 소자는, 가해주는 전기장의 방향으로 분극의 방향을 조절하여 신호를 입력하고 전기장을 제거하였을 때 남아있는 잔류분극의 방향에 의해 디지털 신호 1과 0을 저장하는 원리를 이용한다.
이하, 첨부된 도면 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 종래 기술에 따른 FeRAM 소자 제조 공정 방법을 설명한다.
먼저 도 1a에 도시한 바와 같이, 소자분리막(11) 그리고 게이트 절연막(12), 게이트 전극(13) 및 소오스·드레인(14)으로 이루어지는 트랜지스터 형성이 완료된 반도체 기판(10) 상에 HTO(high temperature oxide)와 BPSG(borophosphosilicate glass)를 적층하여 제1 층간절연막(15)을 형성하고, 제1 층간절연막(15)을 선택적으로 식각하여 소오스·드레인(14)을 노출시키는 제1 콘택홀(C1)을 형성하고, 제1 콘택홀(C1)을 통하여 트랜지스터의 소오스·드레인(14)과 연결되는 비트라인(16)을형성한 다음, 비트라인(16) 형성이 완료된 전체 구조 상에 제2 층간절연막(17)을 형성하고, 제2 층간절연막(17)과 제1 층간절연막(15)을 선택적으로 식각하여 트랜지스터의 또 다른 소오스·드레인(14)과 연결되는 제2 콘택홀(C2)을 형성하고, 제2 콘택홀(C2) 내에 폴리실리콘 플러그(18), 폴리실리콘 플러그(18) 상에 Ti, Co 등을 형성하고 후열처리하여 실리사이드층(19)을 형성한 후, TiN, TiAlN 또는 TiSiN 등을 증착하고 CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 실시하여 콘택홀 내에 확산방지막(20)을 형성한다.
다음으로 도 1b에 도시한 바와 같이, 하부전극막(21), 강유전체막(22) 및 상부전극막(23)을 적층하고, 마스크 공정 및 식각 공정 등으로 상부전극막(23), 강유전체막(22) 그리고 하부전극막(21)을 패터닝하여 캐패시터 패턴을 형성한다. 그 후, 식각 충격에 의해 열화된(degradation)된 강유전체 특성을 회복시켜주기 위한 열처리 공정을 실시한다.
다음으로 도 1c에 도시한 바와 같이, 상기와 같은 강유전체 캐패시터 형성이 완료된 전체 구조 상에 수소 확산방지막(24) 및 제3 층간절연막(25)을 형성하고, 제3 층간절연막(25)과 수소 확산방지막(24)을 선택적으로 식각하여 강유전체 캐패시터의 상부전극(23)을 노출시키는 제3 콘택홀(C3)을 형성한 다음, 금속배선(26)을 형성한다.
상기 강유전체막(23)은 통상적으로 MOD(metal organic deposition), 졸-겔(sol-gel), LSMCD(liquid source mist chemical deposition) 또는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 방법으로 형성한다. 상기와 같은방법으로 강유전체막을 형성한 후, 결정화(crystallization)를 위한 후열처리를 650 ℃ 내지 800 ℃의 비교적 고온에서 실시한다. 강유전체막의 특성 즉, 강유전체막의 조성 및 구조는 결정화 온도 결정에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 MOD, 졸-겔, MOCVD법으로 형성된 강유전체막은 유기물을 다량 함유하고 있으며, 이런 유기물은 결정화 열처리 공정 초기에서 휘발되어 제거되지만, 미량의 탄소 원소는 강유전체막 내에 잔류하게 된다.
강유전체 결정화 온도를 낮추기 위해서는 강유전체를 구성하는 원소들이 강유전체 결정격자의 정해진 위치로 이동하는 이동도를 향상시켜야 하는데, 전술한 바와 같이 강유전체막 내에 잔류하는 탄소는 결정화 공정시 강유전체를 구성하는 원소들이 강유전체 결정격자의 정해진 위치로 이동하는 이동도를 저하시킨다. 따라서, 강유전체 결정화를 위한 강유전체 구성원소들의 이동도를 충분히 확보하기 위해서는 상기와 같은 고온에서 열처리를 실시하여야 한다.
그런데, 이와 같이 고온에서 행하는 강유전체 결정화 공정은 고밀도 FeRAM 소자에서 강유전체 캐패시터 아래에 형성되는 폴리실리콘 플러그의 열적 파괴를 일으켜 폴리실리콘 플러그 콘택 저항을 증가시키는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 강유전체막 결정화를 위한 열처리 공정에서 폴리실리콘 플러그의 산화 및 열적 파괴를 효과적으로 방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 FeRAM 소자 제조 공정 단면도,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시 예에 따른 FeRAM 소자 제조 공정 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
39: 폴리실리콘 플러그 42: 하부전극막
43: 강유전체막 44: 상부전극막
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 상부에 하부전극막, 강유전체막 및 상부전극을 적층하여 강유전체 캐패시터를 형성하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 있어서, 상기 강유전체막을 형성하는 단계; 상기 강유전체막 내에 이온을 조사하는 단계; 및 상기 강유전체막 결정화를 위한 열처리 공정을 실시하는 단계를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 트랜지스터를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계; 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 트랜지스터의 소오스·드레인을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 제2 단계; 상기 콘택홀 내부에 폴리실리콘 플러그를 형성하는 제3 단계; 및 상기 제3 단계가 완료된 전체 구조 상에 하부전극막, 강유전체막 및 상부전극으로 이루어지는 강유전체 캐패시터를 형성하되, 상기 강유전체막 내에 이온을 조사한 다음, 상기 강유전체막 결정화를 위한 열처리 공정을 실시하는 제4 단계를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 강유전체막의 결정화 공정 전에 강유전체막을 산소 플라즈마로 처리하여 강유전체막 내부에 잔류하는 탄소를 효과적으로 제거함으로써 강유전체를 구성하는 원소들의 이동도를 향상시키는데 그 특징이 있다. 이에 따라, 상대적으로 낮은 온도인 500 ℃ 내지 700 ℃에서 강유전체 결정화 반응을 원활하게 일으킬 수 있다.
이하 첨부된 도면 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 상세하게 설명한다.
먼저 도 2a에 도시한 바와 같이, 소자분리막(31) 그리고 게이트 절연막(32), 게이트 전극(33) 및 소오스·드레인(34)으로 이루어지는 트랜지스터 형성이 완료된 반도체 기판(30) 상부에 BPSG 등으로 제1 층간절연막(35)을 형성하고, 상기 제1 층간절연막(35) 내에 형성된 콘택홀을 통하여 상기 트랜지스터의 소오스·드레인(34)과 연결되는 비트라인(36)을 형성한다. 이어서, 비트라인(36) 형성이 완료된 전체 구조 상에 제2 층간절연막(37)을 형성하고, 제2 층간절연막(37) 상에 고온 산화막(high temperature oxide, HTO) 등으로 페시베이션 산화막(passivation oxide)(38)을 형성한 다음, 페시베이션 산화막(38) 및 제2 층간절연막(37)을 선택적으로 식각하여 소오스·드레인(34)을 노출시키는 콘택홀을 형성한 다음, 상기 콘택홀 내에 폴리실리콘 플러그(39), 폴리실리콘 플러그(39) 상에 Ti, Co 등을 형성하고 후열처리하여 실리사이드층(40)을 형성한 후, TiN, TiAlN 또는 TiSiN 등을 증착하고 CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 실시하여 콘택홀 내에 확산방지막(41)을 형성한다.
다음으로 도 2b에 도시한 바와 같이, Ir/IrOx적층구조로 이루어지는 하부전극막(42)을 형성하고 상기 하부전극막(42) 상에 강유전체막(43)을 형성한다.
상기 강유전체막(43)은 페롭스카이트(perovskite) 구조의 PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3, x는 0.4 내지 0.6), Bi-레이어드(Bi-layered) 구조의 SBT(SrxBiyTa2O9, x는 0.7 내지 1.0, y는 2.0 내지 2.6), SBTN(SrxBiy(Ta1-zNbz)2O9, x는 0.7 내지 1.0, y는 2.0 내지 2.6, z는 0.1 내지 0.3), BLT(Bi4-xLaxTi3O12, x는 0.6 내지 0.9) 등의 물질로 형성하며, 증착방법으로는 MOD, 졸-겔, LSMCD, 스퍼터링(sputtering) 또는 MOCVD 방법을 이용한다.
이어서, 상기 반도체 기판(30)의 온도를 100 ℃ 내지 300 ℃로 유지한 상태에서 1 분 내지 10분 동안 강유전체막(43)을 O2플라즈마로 처리한다. 이때 RF 플라즈마 또는 ECR 플라즈마를 이용한다. 계속하여, 상대적으로 낮은 온도인 500 ℃ 내지 700 ℃에서 결정화를 위한 열처리 공정을 실시한다. 상기 열처리 공정은 O2또는 O3등과 같은 산화가스 분위기 또는 N2 또는 Ar과 같은 비산화가스 분위기에서 실시한다.
다음으로 도 2c에 도시한 바와 같이, 강유전체막(42) 상에 Pt 또는 IrOx로 이루어지는 상부전극막(43)을 형성한다.
이어서 도 2d에 보이는 바와 같이, 마스크 공정 및 식각 공정 등으로 상부전극막(43), 강유전체막(42), 하부전극막(41), 확산방지막(41) 그리고 접착층(40)을 패터닝하여 캐패시터 패턴을 형성한다. 그 후, 식각 충격에 의해 열화된(degradation)된 강유전체 특성을 회복시켜주기 위한 열처리 공정을 실시한다.
다음으로 도 2e에 도시한 바와 같이 전체 구조 상에 Al2O3수소확산방지막(45)을 형성하고, SiOx, SOG(spin on glass) 및 SiON 등을 증착하여 평탄화를 위한 층간절연막(46)을 형성하고, TiN 반사방지막 및 Al막 등을 적층하고패터닝하여 금속배선(47)을 형성한다.
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 폴리실리콘 플러그 구조를 갖는 고밀도 FeRAM 소자 제조 공정에서 강유전체막을 산소 플라즈마 처리한 다음 결정화 공정을 실시함으로써 500 ℃ 내지 700 ℃ 정도의 저온에서 결정화 공정을 진행하는 것이 가능하다. 따라서, 종래 상압(760 Torr) 고온(650 ℃ 내지 800 ℃) 온도 조건으로 강유전체 결정화를 위한 열처리 공정을 실시하는 경우 발생하는 산화 및 열적 파괴에 따른 폴리실리콘 플러그 콘택 저항 문제를 해결할 수 있어서 강유전체 캐패시터의 특성 향상을 기대할 수 있다.

Claims (7)

  1. 반도체 기판 상부에 하부전극막, 강유전체막 및 상부전극을 적층하여 강유전체 캐패시터를 형성하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 있어서,
    상기 강유전체막을 형성하는 단계;
    상기 강유전체막을 산소 플라즈로 처리하는 단계; 및
    상기 강유전체막 결정화를 위한 열처리 공정을 실시하는 단계
    를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
  2. 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 있어서,
    트랜지스터를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계;
    상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 트랜지스터의 소오스·드레인을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 제2 단계;
    상기 콘택홀 내부에 폴리실리콘 플러그를 형성하는 제3 단계; 및
    상기 제3 단계가 완료된 전체 구조 상에 하부전극막, 강유전체막 및 상부전극으로 이루어지는 강유전체 캐패시터를 형성하되, 상기 강유전체막을 산소 플라즈마로 처리한 다음, 상기 강유전체막 결정화를 위한 열처리 공정을 실시하는 제4 단계
    를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 강유전체막 결정화를 위한 열처리 공정은 500 ℃ 내지 700 ℃ 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 강유전체막을,
    PZT, SBT, SBTN 또는 BLT로 형성하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제4 단계는,
    상기 제3 단계가 완료된 전체 구조 상에 상기 하부전극막을 형성하는 제5 단계;
    상기 하부전극막 상에 강유전체막을 형성하는 제6 단계;
    상기 강유전체막을 플라즈마 처리하는 제7 단계;
    상기 강유전체막 결정화를 위한 열처리 공정을 실시하는 제8 단계; 및
    상기 강유전체막 상에 상기 상부전극막을 형성하는 제9 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제7 단계에서,
    상기 반도체 기판의 온도를 100 ℃ 내지 300 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제7 단계는,
    1분 내지 10 분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
KR1020000038120A 2000-06-30 2000-06-30 강유전체 결정화 공정에 따른 폴리실리콘 플러그의 산화를방지할 수 있는 강유전체 메모리 소자 제조 방법 Withdrawn KR20020003068A (ko)

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