KR100358150B1 - 수소 저장 금속막을 이용하여 수소확산을 방지하는 강유전체메모리 소자 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제조 공정 및 비용의 증가 없이 수소확산에 의한 강유전체 특성 저하를 효과적으로 방지할 수 있는 수소 저장 금속막을 이용한 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 관한 것으로, 수소에 의한 강유전체 캐패시터의 열화를 방지하고자 Mg₂Ni, CaNi₅, CaNi₇등과 같이 수소를 저장하는 특성이 있는 물질을 집적화 공정에 적용하는데 그 특징이 있다. 수소 저장합금에 관한 연구에서 많이 밝혀진 바와 같이 MgNi₂, CaNi₅, CaNi₇등의 물질이 수소를 저장하는 기본적인 원리는 Ni이 수소를 쉽게 활성화시키는 촉매 역할을 하고, 수소와 발열반응을 일으키는 Mg, Ca 등의 알카리 금속이 수소와 결합을 하는 반응을 통하여 수소를 잡아 저장하는 것이다.

Description

수소 저장 금속막을 이용하여 수소확산을 방지하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법{Method for forming feram capable of preventing hydrogen diffusion using hydrogen trapping metal layer}

본 발명은 반도체 메모리 소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히 수소 확산에 의한 강유전체 특성 저하를 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 필요한 리프레쉬(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.

FeRAM 소자의 축전물질로는 SrBi₂Ta₂O₉(이하 SBT)와 Pb(Zr,Ti)O₃(이하 PZT) 박막이 주로 사용된다. 강유전체는 상온에서 유전상수가 수백에서 수천에 이르며 두 개의 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.

FeRAM 소자에서 캐패시터의 강유전체 재료로서 PZT, SBT(이하, Y1이라 함), Sr_xBi_y(Ta_iNb_j)₂O₉(이하 SBTN) 등의 페롭스카이트(perovskite) 구조를 갖는 강유전체를 사용하는 경우 통상적으로 Pt, Ir, Ru, Pt 합금 등의 금속으로 상부전극을 형성한다.

종래의 FeRAM 소자 제조 공정은 실리콘 웨이퍼 상에 CMOS를 형성하고, 캐패시터, 층간절연막, 금속배선, 금속배선간 절연막 및 페시베이션막 등을 형성하는 과정을 포함한다. 층간절연막, 금속배선간 절연막 및 페시베이션막은 주로 실리콘 산화막 또는 실리콘질화막으로 이루어지며 이를 형성하기 위해서 사일렌(SiH₄)등의 물질을 이용한다. 따라서, 층간절연막, 금속배선간 절연막 및 페시베이션막 증착시에 부산물인 수소의 생성을 피할 수 없으며, 이와 같이 생성된 수소는 강유전체의 페롭스카이트(perovskite) 등과 같은 기본 격자 구조를 이루는 산소와 반응하여 강유전체 특성을 저하시키는 치명적인 문제점이 발생한다.

이러한 수소에 의한 강유전체막 특성 열화를 감소시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 사일렌을 사용한 박막의 증착과정에서 부산물로 생성되는 수소를 줄이기 위해 TEOS(tetraethyl orthosilicate) 등을 사용할 수도 있으나, 이 경우 공정 단가가 상승하는 문제점이 있다.

또한, 소자의 보호, 방습 등의 목적으로 페시베이션 공정에서 필수적인 Si₃N₄박막 형성시에도 사일렌계 물질을 사용하는데, 공정이 완료된 후에 외부로부터 침입하는 수소를 효과적으로 막을 수 없다는 단점이 있다.

금속박막으로 캐패시터 구조를 덮음으로써 수소에 의한 열화를 방지할 수도 있다. 종래 금속배선으로 캐패시터 부분을 완전히 덮어 부산물인 수소에 의한 열화를 감소시킬 수도 있으나 금속배선 사이로 침투하는 수소에 의한 영향을 방지할 수 없다. 따라서, 수소 확산에 의한 열화를 방지하기 위하여 새로운 금속막을 추가로 형성하여야 하는데, 이 경우 또 다른 금속배선간 절연막 형성 공정이 필요하며 이에 따른 생산단가의 증가를 피할 수 없다. 또한, 박막 내에 이미 존재하는 수소에 의한 캐패시터 열화는 방지할 수 없다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 제조 공정 및 비용의 증가 없이 수소확산에 의한 강유전체 특성 저하를 효과적으로 방지할 수 있는, 수소 저장 금속막을 이용한 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 FeRAM 제조 공정 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 도면부호의 설명*

11: 하부전극 12: 강유전체막

12: 상부전극 16: 금속막

17: 수소 저장 금속막

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 트랜지스터 형성이 완료된 반도체 기판 상에 하부전극, 강유전체막 및 상부전극으로 이루어지는 캐패시터를 형성하는 제1 단계, 상기 제1단계가 완료된 전체 구조상에 층간절연막을 형성하는 제2 단계, 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 캐패시터의 상부전극을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 제3 단계, 상기 콘택홀을 통해 상기 캐패시터의 상부전극에 연결되는 금속막과 Mg, Ca, Mg₂Ni, CaNi₅또는 CaNi₇중 하나로 이루어진 수소저장금속막을 순차적으로 적층 형성하는 제4 단계, 및상기 수소 저장 금속막 및 상기 금속막을 패터닝하여 상기 금속막과 수소저장금속막의 적층 구조로 이루어지는 금속배선을 형성하는 제5 단계를 포함하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 수소에 의한 강유전체 캐패시터의 열화를 방지하고자 Mg₂Ni, CaNi₅, CaNi₇등과 같이 수소를 저장하는 특성이 있는 물질을 집적화 공정에 적용하는데 그 특징이 있다. 수소 저장합금에 관한 연구에서 많이 밝혀진 바와 같이 MgNi₂, CaNi₅, CaNi₇등의 물질이 수소를 저장하는 기본적인 원리는 Ni이 수소를 쉽게 활성화시키는 촉매 역할을 하고, 수소와 발열반응을 일으키는 Mg, Ca 등의 알카리 금속이 수소와 결합을 하는 반응을 통하여 수소를 잡아 저장하는 것이다.

따라서, 사일렌을 사용하여 실리콘산화막이나 실리콘질화막을 형성할 경우 발생하는 수소를 MgNi₂, CaNi₅, CaNi₇등의 물질로 잡아서 저장하기 때문에 캐패시터의 특성 열화를 방지할 수 있다. MgNi₂, CaNi₅, CaNi₇등의 전도성 특성을 이용하여 소자의 금속배선 형성시 적용할 수 있다.

첨부된 도면 도1을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 FeRAM 소자 제조 공정 방법을 상세히 설명한다.

먼저, CMOS 등의 형성이 완료된 반도체 기판 상에 제1 층간절연막(10)을 형성하고, 상기 제1 층간절연막(10) 상에 하부전극(11), 강유전체막(12) 및 상부전극(13)으로 이루어지는 강유전체 캐패시터를 형성하고, 제2 층간절연막(14)을 형성한다.

이어서, 제2 층간절연막(14)을 선택적으로 식각하여 상부전극(13)을 노출시키는 콘택홀을 형성하고, 이후의 금속 배선 등의 형성 공정시 캐패시터 특성이 저하되는 것을 방지하기 위하여 상부전극(13)과 접하는 확산방지막 패턴(15)을 형성한다.

다음으로, 금속막(16) 및 수소 저장 금속막(17)의 적층구조로 이루어지는 금속배선을 형성한 다음, 전체 구조 상에 제3 층간절연막(18)을 형성한다.

수소 저장 금속막(17)은 Mg, Ca 등의 알카리 금속으로 형성하거나 Ni를 촉매제로 사용하는 Mg₂Ni, CaNi₅, CaNi₇으로 형성한다. 수소 저장 금속막(17)은 미케니컬 얼로이(mechanical alloy)를 사용한 스퍼터링(sputtering)으로 증착한다.

금속막(16)은 Al, Cu, W, Si 또는 실리사이드로 형성할 수도 있다.

수소 저장금속막(17) 형성 후 100 ℃ 내지 1000 ℃ 온도에서 한번 이상 열처리를 실시한다.

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 수소 확산방지막으로서 Mg, Ca, Ni 또는이들의 화합물인 Mg₂Ni, CaNi₅, CaNi₇등의 금속간 화합물(intermetallic compound)로 이루어지는 수소 저장 금속막을 이용하기 때문에 전기 전도도 측면에서도 우수하다. 따라서, 금속배선에 적용 가능하며 이들 물질이 금속간 화합물을 형성하기 때문에 전자이주(electromigration) 측면에서도 유리한 특성을 얻을 수 있다.

따라서, 캐패시터의 열화를 방지할 목적으로 별도의 금속층을 형성하는 종래 기술과 비교할 때, 이와 같이 수소 저장 금속막을 금속배선 형성에 적용하는 방법은 보다 용이한 공정으로 수소에 의한 특성 열화를 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, Mg₂Ni, CaNi₅, CaNi₇등이 금속 배선 주위에 존재하는 수소를 잡아서 저장하기 때문에 금속 배선의 간격이 떨어져 있어도 캐패시터 특성 열화를 방지할 수 있다.

그리고, 사일렌을 이용한 공정 과정에서 생성되는 수소를 금속배선인 Mg₂Ni, CaNi₅, CaNi₇등에서 잡을 수 있기 때문에, 수소에 의한 영향을 줄이기 위해 사용하였던 값비싼 TEOS 대신에 사일렌계의 물질 적용이 가능함으로써 공정 단가를 감소시킬 수 있으며, 페시베이션막 형성 공정에서 사일렌의 반응에 의해 형성되는 Si₃N₄막을 용이하게 사용할 수 있다.

Claims (5)

1. 강유전체 메모리 소자 제조 방법에 있어서,

   트랜지스터 형성이 완료된 반도체 기판 상에 하부전극, 강유전체막 및 상부전극으로 이루어지는 캐패시터를 형성하는 제1 단계;

   상기 제1 단계가 완료된 전체 구조상에 층간절연막을 형성하는 제2 단계;

   상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 캐패시터의 상부전극을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 제3 단계;

   상기 콘택홀을 통해 상기 캐패시터의 상부전극에 연결되는 금속막과 Mg, Ca, Mg₂Ni, CaNi₅또는 CaNi₇중 하나로 이루어진 수소저장금속막을 순차적으로 적층 형성하는 제4 단계; 및

   상기 수소 저장 금속막 및 상기 금속막을 패터닝하여 상기 금속막과 수소저장금속막의 적층 구조로 이루어지는 금속배선을 형성하는 제5 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제4 단계 후,

   100 ℃ 내지 1000 ℃ 온도에서 적어도 한번 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 강유전체 메모리 소자 제조 방법.