KR101069657B1 - Manufacturing Method of Phase Change Random Access Memory Device - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 상변화 메모리 소자의 제조방법은 하부 구조가 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계, 반도체 기판 상에 상변화 물질층 및 상부 전극층을 순차적으로 형성하는 단계, 상부 전극층을 화학적으로 식각하는 단계, 및 상변화 물질층을 물리적으로 식각하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a phase change memory device according to the present invention may include providing a semiconductor substrate having a lower structure, sequentially forming a phase change material layer and an upper electrode layer on the semiconductor substrate, chemically etching the upper electrode layer, And physically etching the phase change material layer.
상변화 메모리 소자, 패시베이션 Phase Change Memory Devices, Passivation
Description
본 발명은 반도체 메모리 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상변화 메모리 소자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor memory device, and more particularly to a method of manufacturing a phase change memory device.
일반적으로 상변화 물질은 온도에 따라 결정질(Crystalline) 상태이거나 비정질(Amorphous) 상태를 갖는 물질이다. 상변화 물질의 결정질 상태와 비정질 상태는 상호 가역적이다. In general, the phase change material is a material having a crystalline state or an amorphous state depending on the temperature. The crystalline and amorphous states of phase change materials are mutually reversible.
곧, 상변화 물질은 결정질 상태에서 비결정질 상태로 상변화 될 수 있고, 다시 비결정질 상태에서 결정질 상태로 상변화 될 수 있다. 아울러, 결정질 상태인 상변화 물질의 저항과 비정질 상태인 상변화 물질의 저항은 서로 명확한 차이를 갖기 때문에, 메모리 소자로 사용하기 적합하다.In other words, the phase change material may be phase-changed from the crystalline state to the amorphous state, and may be phase-changed from the amorphous state to the crystalline state again. In addition, since the resistance of the phase change material in the crystalline state and the resistance of the phase change material in the amorphous state are clearly different from each other, it is suitable for use as a memory device.
상변화 메모리 소자(Phase Change Memory Device, 이하 PRAM)는 이러한 상변화 물질의 특성을 이용한 메모리 소자이다.Phase change memory devices (PRAMs) are memory devices utilizing the characteristics of such phase change materials.
일반적으로 PRAM은 트랜지스터 또는 다이오드와 같은 스위칭 소자 및 이에 전기적으로 연결된 상변화 물질로 구성되며, 상기 상변화 물질이 저장 매체로서 동 작된다. 여기서, 상기 상변화 물질로는 일반적으로 칼코게나이드 화합물(GeSbTe; GST)이 주로 이용되고 있다.In general, a PRAM is composed of a switching element such as a transistor or a diode and a phase change material electrically connected thereto, and the phase change material operates as a storage medium. In this case, a chalcogenide compound (GeSbTe; GST) is generally used as the phase change material.
PRAM이 안정적으로 동작하기 위해서는 상변화 물질층의 결정 변화량 및 각 상태의 저항을 일정 수준으로 유지하여야 하며, 반복적인 상변화에도 안정한 상태를 유지하여야 한다.In order for the PRAM to operate stably, the amount of crystal change in the phase change material layer and the resistance of each state must be maintained at a certain level, and the stable state must be maintained even after repeated phase changes.
그런데, 상기 상변화 물질층의 상변화 과정 또는 후속 공정시, 상변화 물질층을 구성하는 성분들이 외부로 확산될 수 있다. 이렇게 상변화 물질층을 구성하는 성분들이 확산되면, 상변화 물질층의 상변화 특성이 가변되어, PRAM의 특성이 바뀌게 된다.However, in the phase change process or the subsequent process of the phase change material layer, the components constituting the phase change material layer may be diffused to the outside. When the components constituting the phase change material layer are diffused, the phase change characteristics of the phase change material layer are changed, and the characteristics of the PRAM are changed.
종래에는 상변화 물질층의 박리 및 상변화 물질을 구성하는 성분들의 확산을 방지하면서 상변화 물질층의 특성을 안정한 상태로 유지시키기 위하여, 상변화 물질층을 커버하는 캡핑막 형성 기술이 제안되었다.Conventionally, a capping film forming technique for covering a phase change material layer has been proposed in order to maintain the properties of the phase change material layer in a stable state while preventing peeling of the phase change material layer and diffusion of components constituting the phase change material.
이러한 상변화 물질층의 캡핑막으로 실리콘 산화막(SiO) 및 실리콘 질화막(SiN)이 일반적으로 이용되고 있다. 아울러, 이러한 캡핑막은 상변화 물질층의 열적 영향을 최소화하기 위하여 저온 공정, 예컨대, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)방식이 주로 이용되고 있다.As the capping layer of the phase change material layer, a silicon oxide film (SiO) and a silicon nitride film (SiN) are generally used. In addition, in order to minimize the thermal effect of the phase change material layer, the capping layer is mainly used at a low temperature process such as PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).
도 1은 일반적인 상변화 메모리 소자의 공정 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a general phase change memory device.
그런데, 도 1을 참조하면, 실리콘 산화막(SiO2)으로 된 캡핑막(35)은 후속 열처리에 의한 상변화 물질층(20)의 열적 확산을 차단하기 어려울 뿐만 아니라, 상 변화 물질층(20)으로부터 확산되는 성분과 재결합하여 이상 조성 계면을 유발할 수 있다. 이러한 이상 조성의 계면은 PRAM의 동작에 영향을 미치며, 상변화 물질층(20)의 확산을 오히려 촉진시키게 되어 상변화 특성을 열화시킨다.However, referring to FIG. 1, the
또한, 상부전극(25)을 염소(Cl2) 계열의 식각 가스를 이용하여 식각 공정으로 진행할 경우, 과도 식각에 따라 상변화 물질층(20)과 염소(Cl2) 계열의 가스가 반응하여 상변화 물질층(20) 측벽에 식각 데미지가 발생하게 된다. 이러한 식각 데미지는 상변화 물질층(20)을 다공성 형태로 변화시킨다.In addition, when the
이러한 다공성 형태로 변화된 상변화 물질층(20)을 패터닝하게 되면, 측벽이 네거티브한 기울기을 갖게된다. 따라서, 후속 캡핑막(35) 증착시 단차 피복성이 열화되어 오버행 현상(35a)을 유발 시킨다. When the patterned phase
따라서, 본 발명의 목적은 상변화 물질의 패터닝 시, 상변화 물질층의 손상을 방지할 수 있는 상변화 메모리 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a phase change memory device capable of preventing damage to the phase change material layer during patterning of the phase change material.
또한, 본 발명의 다른 목적은 캡핑막 형성시 캡핑막의 밀도 및 단차피복성를 균일하게 유지할 수 있는 상변화 메모리 소자의 제조방법을 제공하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a phase change memory device capable of maintaining the density and step coverage of the capping film uniformly when forming the capping film.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 상변화 메모리 소자의 제조방법은 하부 구조가 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계, 상기 반도체 기판 상에 상변화 물질층 및 상부 전극층을 순차적으로 형성하는 단계, 상기 상부 전극층을 화학적으로 식각하는 단계 및 상기 상변화 물질층을 물리적으로 식각하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a phase change memory device, the method including: providing a semiconductor substrate having a lower structure, sequentially forming a phase change material layer and an upper electrode layer on the semiconductor substrate, and forming the upper electrode layer Chemically etching and physically etching the phase change material layer.
본 발명에 의하면, 상변화 물질층 및 상부 전극층을 다른 방식으로 식각하여 상변화 물질층의 손상을 방지할 수 있어, 상변화 메모리 소자의 누설 전류 방지 및 셋 저항을 향상 시킬 수 있다. According to the present invention, the phase change material layer and the upper electrode layer may be etched in different ways to prevent damage to the phase change material layer, thereby improving leakage current prevention and set resistance of the phase change memory device.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다. 2A to 2C are cross-sectional views of respective processes for describing a method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 2a에 도시된 바와같이, 반도체 기판 상에 불순물 영역(100a)을 형성한다. 상기 불순물 영역(100a)이 형성된 반도체 기판(100) 상부에 제 1 층간 절연층(110)을 형성한 다음, 제 1 층간 절연층(110) 내에 불순물 영역(100a)과 콘택되도록 스위칭 소자(120)를 형성한다. 본 발명의 실시예에서는 스위칭 소자(120)로서 PN 다이오드를 사용하였다.First, as shown in FIG. 2A, an
상기 스위칭 소자(120) 상부에 오믹 콘택층(130)을 형성할 수 있고, 본 발명에서는 오믹 콘택층(130) 물질로 코발트실리사이드(CoSi2)를 사용하였다.An
다음으로, 전체구조 상부에 제 2 층간 절연층(140)을 형성한 후, 상기 제 2 층간 절연층(140)을 소정부분 식각하여, 오믹 콘택층(130)을 선택적으로 노출시키는 콘택홀(도시되지 않음)을 형성한다.Next, after the second
다음, 상기 콘택홀 내부가 충진되도록 하부 전극 콘택(Bottom Electrode Contact, BEC)용 도전층을 형성하고 이를 평탄화하여 하부 전극 콘택(145)을 형성한다. Next, a conductive layer for bottom electrode contact (BEC) is formed and planarized so as to fill the inside of the contact hole, thereby forming a
여기서, 상기 하부 전극 콘택(145)은 불순물이 도핑된 폴리실리콘, 실리콘 게르마늄(Si-Ge), 또는 티타늄 질화막(TiN)이 이용될 수 있고, 상기 층간 절연층(110,140)은 예를들어, TEOS(Tetra Ethly Ortho Silicate), USG(Undoped Silcate Glass) 또는 HDP-CVD(High Density Plasma-CVD) 등을 이용한 산화물이거나, 혹은 산화물과 질화물의 복합층일 수 있다.The
다음, 도 2b에 도시된 바와같이, 전체구조 상부에 상변화 물질층(160), 상부 전극층(170) 및 식각 방지막(180)을 순차적으로 증착하고, 식각 방지막(180) 상부에 상변화 패턴층을 한정하기 위한 감광막 패턴(190)을 형성한다. 본 발명에서는 상기 식각 방지막(180)으로 실리콘 질화막(SiON)을 이용한다. Next, as shown in FIG. 2B, the phase
상기 상변화 물질층(160)은 게르마늄, 비소, 주석, 인듐, 게르마늄, 탄탈륨, 니오브 내지 바나듐 등과 같은 5A족-안티몬-텔루륨을 포함하며, 텅스텐, 몰리브덴 내지 크롬 등과 같은 6A족 원소-안티몬-텔레륨, 5A족 원소-안티몬-셀렌, 또는 6A족 원소-안티몬-셀렌 등으로 구성될 수 있다. The phase
상기 상변화 물질층(160)은 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 방법, 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방법을 이용하여 형성 할 수 있다.The phase
다음 상변화 패턴층을 한정하기 위해, 상기 감광막 패턴(190)을 이용하여 상기 식각 방지막(180), 상부 전극층(170) 및 상변화 물질층(160)을 순차적으로 식각한다.In order to define a next phase change pattern layer, the
이때, 상변화 패턴층 형성시 과도 식각에 따른 상변화 물질층의 손상을 방지하고자 2단계 식각 공정을 진행한다. In this case, a two-step etching process is performed to prevent damage to the phase change material layer due to excessive etching when the phase change pattern layer is formed.
우선, 상기 상변화 패턴층은 상부 전극층(170)까지 저스트(Just) 식각하는 화학적 식각 공정과, 상변화 물질층(160)을 식각하는 물리적 식각 공정을 통해 얻어질 수 있다. First, the phase change pattern layer may be obtained through a chemical etching process of just etching the
여기서, 상기 화학적 식각 공정시, 식각 가스(200)로는 염소(Cl2) 혼합가스, 예를 들어 Cl2/CHF3/BCl3/Ar 가스를 이용한다. 이때 상기 화학적 식각 가스(200)의 유입량은 Cl2이 12~15 sccm, CHF3는 20~30sccm, BCl3는 20~30sccm 및 Ar는 30~50sccm의 양으로 유입되며, 전력은 600~800W(S)/100~200W(B)의 조건으로 한다.In the chemical etching process, as the
상기 화학적 식각 공정을 저스트(Just)하게 진행하므로써 상기 화학적 식각가스인 염소(Cl2) 가스가 상변화 물질층(160)과 반응하는 것을 방지할 수 있고, 결과적으로 상변화 물질층(160)의 손상을 방지 할 수 있다.By just performing the chemical etching process, it is possible to prevent the chlorine (Cl 2) gas, which is the chemical etching gas, from reacting with the phase
그리고 나서, 상기 화학적 식각 공정시 잔존할 수 있는 상부 전극 물질과 상변화 물질층(160)을 식각하기 위한 물리적 식각 공정을 진행한다. Then, a physical etching process is performed to etch the upper electrode material and the phase
상기 물리적 식각 공정은 스퍼터링 방식일 수 있으며, 불활성 가스인 아르곤(Ar) 가스와 첨가가스인 질소(N2) 가스를 이용하여 진행된다. 이때, 아르곤(Ar) 가스는 100~150 sccm, 질소(N2) 가스는 20~40 sccm의 양으로 유입되며, 전력은 600~800W(S)/100~200W(B), 압력은 8~12mT의 조건으로 한다. The physical etching process may be a sputtering method, and is performed using argon (Ar) gas, which is an inert gas, and nitrogen (N 2 ) gas, which is an additive gas. At this time, argon (Ar) gas is introduced in the amount of 100 ~ 150 sccm, nitrogen (N 2 ) gas in the amount of 20 ~ 40 sccm, power is 600 ~ 800W (S) / 100 ~ 200W (B), pressure is 8 ~ The condition is 12mT.
여기서, 상기 물리적 식각 공정은 예를 들어, 스퍼터링 방식을 이용하여 진행한다. 또한, 첨가가스인 질소(N2) 가스는 스퍼터링을 이용한 식각 공정을 원할하게 진행시키기 위해 유입된다. In this case, the physical etching process is performed using, for example, a sputtering method. In addition, nitrogen (N 2 ) gas, which is an additive gas, is introduced to facilitate the etching process using sputtering.
또한, 도 2c에 도시된 바와같이, 물리적 식각 방법인 스퍼터링을 이용한 식각 단계시 상변화 물질층(160)과 질소(N2) 화합물의 반응에 의해 부산물이 파생된다. 상기 부산물에 산소(O2) 가스를 유입시키면, 상변화 패턴층(230) 측벽에 패시베 이션막(N-SiO2)(250)이 자연발생적으로 증착되도록 유도할 수 있다. In addition, as shown in Figure 2c, by-products are derived by the reaction of the phase
따라서, 본 발명은 2단계 식각 공정 즉, 화학적 및 물리적 식각 공정을 순차적으로 진행함으로써, 종래의 과도 식각에 따른 다공성 상변화 물질층(160)의 손상을 최소화 할 수 있다. Therefore, the present invention can minimize the damage of the porous phase
또한, 상변화 패턴층(230) 측벽에 자연 발생적으로 패시베이션막(250)이 형성됨으로써 상변화 물질층(160)의 손상을 방지함은 물론, 포지티브한 기울기를 가지는 상변화 패턴층(230)을 형성할 수 있다. 또한, 후속 캡핑막(260) 증착시에도 상변화 패턴층(230)의 측벽이 포지티브한 기울기를 가짐에 따라 오버행 현상을 차단할 수 있어 캡핑막(260)의 단차피복성(Step Coverage)을 향상시킬 수 있다.In addition, the
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌것으로서 이해해야만 한다.As such, those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative in all respects and not as restrictive.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.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. .
도 1은 일반적인 상변화 메모리 소자의 공정 단면도, 및1 is a process cross-sectional view of a typical phase change memory device, and
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 상변화 메모리 소자의 각 공정별 단면도이다.2A through 2C are cross-sectional views of processes of a phase change memory device formed according to an embodiment of the present invention.
〈주요 도면부호의 상세한 설명〉<Detailed description of the main reference numerals>
200 : 식각 가스 230 : 상변화 패턴층 200: etching gas 230: phase change pattern layer
250 : 패시베이션막 260 : 캡핑막 250: passivation film 260: capping film
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