KR20070120242A - Method of forming a contact and method of manufacturing a phase-changeable memory device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘택 형성 방법을 설명하기 위한 개략적인 공정 단면도들이다.1 to 5 are schematic cross-sectional views illustrating a method for forming a contact according to an embodiment of the present invention.
도 6 내지 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 공정 단면도들이다.6 to 17 are schematic cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to another exemplary embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
200 : 반도체 기판 212 : 게이트 구조물200
220 : 하부 층간 절연막 222,224 : 제1, 제2 콘택 패드220: lower interlayer
228 : 도전 패턴 232a : 제1 개구부228
236 : 하부 전극 238 : 티타늄/티타늄 질화막236: lower electrode 238: titanium / titanium nitride film
240 : 코발트 실리사이드 패턴 246 : 상변화 물질층 240: cobalt silicide pattern 246: phase change material layer
252 : 상부전극 254 : 상부배선252: upper electrode 254: upper wiring
본 발명은 패턴 형성 방법 및 이를 이용한 상변화 메모리 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 형성된 도전 패턴들과 비트 라인 또는 콘택 플러그를 연결시키기 위한 콘택 형성방법 및 이를 이용한 상변화 메모리 장치의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pattern forming method and a method of manufacturing a phase change memory device using the same. A method for manufacturing a device.
반도체 메모리 장치는 전원 공급이 중단되었을 경우 저장 데이터의 유지 여부에 따라 일반적으로 DRAM 장치 또는 SRAM 장치와 같은 휘발성 반도체 메모리 장치와 플래시(flash) 메모리 장치 또는 EEPROM 장치와 같은 불휘발성 반도체 메모리 장치로 구분될 수 있다. 디지털 카메라, 휴대폰 또는 MP3 플레이어와 같은 기기에 사용되는 반도체 메모리 장치로는 불휘발성 메모리 소자인 플래시 메모리 장치가 주로 사용되고 있다. 그렇지만, 플래시 메모리 장치에 있어서는 데이터를 기록하거나 독취하는 과정에서 비교적 많은 시간이 요구되기 때문에, 이러한 플래시 장치를 대체하기 위하여 MRAM, FRAM 또는 PRAM 장치와 같은 새로운 반도체 장치가 개발되어 왔다.The semiconductor memory device is generally classified into a volatile semiconductor memory device such as a DRAM device or an SRAM device and a nonvolatile semiconductor memory device such as a flash memory device or an EEPROM device when a power supply is interrupted. Can be. As a semiconductor memory device used in a device such as a digital camera, a mobile phone or an MP3 player, a flash memory device which is a nonvolatile memory device is mainly used. However, since flash memory devices require a relatively long time in writing or reading data, new semiconductor devices such as MRAM, FRAM or PRAM devices have been developed to replace such flash devices.
불휘발성 반도체 메모리 장치 가운데 하나인 PRAM 장치는 칼코겐(chalcogenide) 화합물의 상전이(phase transition)에 의한 비정질(amorphous) 상태와 결정(crystal) 상태 사이의 저항의 차이를 이용하여 데이터를 저장한다. 즉, PRAM 장치는 인가된 펄스의 진폭과 길이에 따라 칼코겐 화합물인 GST(Ge2Sb2Te5)로 이루어진 상변화 물질층의 가역적 상변화(reversible phase transition)를 이용하여 데이터를 "0" 과 "1"의 상태로 저장한다. 다시 말하면, 저 항이 큰 비정질 상태로의 전환에 요구되는 리셋(reset) 전류와 저항이 작은 결정 상태로 바꾸는 셋(set) 전류는 아래에 위치하는 트랜지스터로부터 작은 사이즈를 갖는 하부 전극을 거쳐 상변화 물질층으로 전달되어 상변화가 일어난다. 상기 하부 전극의 상부 영역은 상변화 물질층에 연결되고, 상기 하부 영역은 상기 트랜지스터에 접촉되는 콘택에 연결된다. 이 경우, 상기 콘택은 저항이 낮은 오믹 콘택(ohmic contact)으로 이루어져야 한다.A PRAM device, which is one of nonvolatile semiconductor memory devices, stores data using a difference in resistance between an amorphous state and a crystal state due to a phase transition of a chalcogenide compound. That is, the PRAM device uses a reversible phase transition of a phase change material layer made of a chalcogenide compound, GST (Ge 2 Sb 2 Te 5 ), according to the amplitude and length of an applied pulse. And save it as "1". In other words, the reset current required for the transition to a large amorphous state and the set current for changing to a low resistance crystal state are transferred from the underlying transistor through a lower electrode having a smaller size to a phase change material. Transfer to the layer causes a phase change. An upper region of the lower electrode is connected to a phase change material layer, and the lower region is connected to a contact in contact with the transistor. In this case, the contact should be made of ohmic contact with low resistance.
보다 상세하게, 고집적화에 따라 상기 콘택의 폭은 감소하는 반면, 층간 절연막의 두께는 증가하여 콘택의 종횡비가 증가된다. 상기 콘택 바닥의 면적이 감소함에 따라, 상기 콘택 바닥의 계면 저항이 증가한다. 상기 콘택 저항이 증가하면, 전류 구동 능력이 크게 감소되고, 상기 전류 구동 능력이 감소함에 따라 반도체 장치의 속도가 감소된다.In more detail, as the integration increases, the width of the contact decreases while the thickness of the interlayer insulating layer increases, thereby increasing the aspect ratio of the contact. As the area of the contact bottom decreases, the interface resistance of the contact bottom increases. As the contact resistance increases, the current driving capability is greatly reduced, and as the current driving capability decreases, the speed of the semiconductor device is reduced.
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 콘택홀 바닥에 저항이 낮은 코발트 실리콘막을 형성한 후, 콘택용 도전막을 형성하여 저항이 낮은 오믹 콘택을 형성한다.In order to solve the above problems, a low-resistance cobalt silicon film is formed on the bottom of the contact hole, and then a conductive film for contact is formed to form an ohmic contact with low resistance.
보다 상세하게 설명하면, 실리콘을 포함하는 제1 도전 패턴들과 금속을 포함하는 제2 도전 패턴들이 형성된 기판 상에 상기 제1 도전 패턴들의 표면을 노출시키는 제1 콘택홀들과, 상기 제2 도전 패턴의 표면을 노출시키는 제2 콘택홀들을 포함하는 층간 절연막을 형성한다. 이어서, 상기 제1 및 제2 콘택홀 및 층간 절연막 상에 연속적으로 코발트막 및 티타늄/티타늄 질화막을 포함하는 금속 베리어막을 순차적으로 형성한다. 상기 금속 베리어막과 상기 제1 도전 패턴에 포함된 실리콘이 반응하여 상기 제1 도전 패턴들을 노출시키는 제1 콘택홀들의 저면에 코발트 실 리사이드가 형성되는 실리사이데이션 공정이 이루어진다.In more detail, first contact holes exposing the surface of the first conductive patterns on the substrate on which the first conductive patterns including silicon and the second conductive patterns including metal are formed, and the second conductive layer. An interlayer insulating film including second contact holes exposing the surface of the pattern is formed. Subsequently, metal barrier films including a cobalt film and a titanium / titanium nitride film are sequentially formed on the first and second contact holes and the interlayer insulating film. A silicidation process is performed in which cobalt silicide is formed on bottom surfaces of first contact holes exposing the first conductive patterns by reacting the metal barrier layer with silicon included in the first conductive pattern.
이어서, 실리사이데이션 공정으로 콘택홀 저면에 형성된 코발트 실리사이드막의 형성에 미 반응한 금속 베리어막을 식각 공정을 수행하여 제거한 후에, 콘택홀 도전막을 형성한다.Subsequently, after the metal barrier film which has not reacted to the formation of the cobalt silicide film formed on the bottom surface of the contact hole is removed by an etching process, a contact hole conductive film is formed.
이때, 고집적화에 따라, 식각 공정의 한계 및 식각 선택비 문제로 인하여, 상기 콘택홀 측벽에 상기 티타늄/티타늄 질화막이 완전히 제거되지 못하고 잔류하게 된다. 상기 티타늄/티타늄 질화막의 잔류량을 일정하게 조절하기 어려우며, 상기 콘택홀 내에 형성되는 하부 전극이 불균일하게 되어진다. 결과적으로, 하부 전극의 전기적인 특성이 저하되고, 상기 하부 전극을 포함하는 상변화 메모리 장치의 특성을 열화시키게 된다.At this time, due to the high integration, due to the limitations of the etching process and the etching selectivity problem, the titanium / titanium nitride film may not remain completely removed on the sidewall of the contact hole. It is difficult to constantly adjust the residual amount of the titanium / titanium nitride film, and the lower electrode formed in the contact hole becomes uneven. As a result, the electrical characteristics of the lower electrode are lowered and the characteristics of the phase change memory device including the lower electrode are deteriorated.
본 발명의 제1 목적은 구조 개선을 통하여 향상된 전기적 특성을 갖는 콘택 형성 방법을 제공하는데 있다.It is a first object of the present invention to provide a method for forming a contact having improved electrical properties through structural improvement.
본 발명의 제2 목적은 상기 콘택 형성 방법을 이용하여, 향상된 전기적 특성을 갖는 상변화 메모리 장치의 제조 방법을 제공하는데 있다.It is a second object of the present invention to provide a method of manufacturing a phase change memory device having improved electrical characteristics by using the contact forming method.
상기 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 콘택 형성 방법은, 실리콘 기판 상에 상기 기판의 일부를 노출시키는 콘택홀을 갖는 절연막을 형성하고, 상기 콘택홀 내부를 저항성 물질로 매립하고, 상기 저항성 물질이 상기 콘택홀 저면에만 존재하도록, 상기 저항성 물질을 부분적으로 식각함으 로써, 저항성 물질 패턴을 형성한다. 이어서, 상기 콘택홀 측벽에 잔존하는 저항성 물질을 세정 용액을 이용하여 제거한 후에, 상기 콘택홀을 완전히 매립하도록, 상기 저항성 물질 패턴 상에 도전막을 형성한다.In order to achieve the first object of the present invention, a contact forming method according to an embodiment of the present invention, forming an insulating film having a contact hole for exposing a portion of the substrate on a silicon substrate, and the resistive inside the contact hole A resistive material pattern is formed by partially etching the resistive material so that the resistive material is only embedded in the material, and the resistive material is present only at the bottom of the contact hole. Subsequently, after the resistive material remaining on the contact hole sidewall is removed using a cleaning solution, a conductive film is formed on the resistive material pattern so as to completely fill the contact hole.
이때, 상기 세정 용액은, 물에 혼합되는 질산, 인산, 및 초산이 75:15:1의 부피비를 가지며, 상기 저항성 물질은 티타늄 및 티타늄 질화막을 포함하고 있다.At this time, the cleaning solution, the nitric acid, phosphoric acid, and acetic acid mixed in water has a volume ratio of 75: 15: 1, and the resistive material includes titanium and titanium nitride film.
상기 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위하여 본 발명이 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 장치의 제조 방법은, 기판 상에 층간 절연막을 형성하고, 상기 층간 절연막에 도전 영역을 노출시키는 콘택홀을 형성하며, 상기 콘택홀 내에 저항성 물질을 형성한다. 이어서, 상기 저항성 물질이 상기 콘택홀 저면에만 존재하도록 상기 저항성 물질을 부분적으로 식각함으로써, 저항성 물질 패턴을 형성하고, 상기 콘택홀 측벽에 잔존하는 저항성 물질을 세정 용액을 이용하여 제거하며, 상기 저항성 물질 패턴 상에, 하부 전극, 상변화 물질막 및 상부 전극을 순차적으로 형성한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a phase change memory device, including forming an interlayer insulating film on a substrate and forming a contact hole exposing a conductive region to the interlayer insulating film. A resistive material is formed in the contact hole. Subsequently, by partially etching the resistive material so that the resistive material is present only on the bottom of the contact hole, a resistive material pattern is formed, and the resistive material remaining on the sidewall of the contact hole is removed using a cleaning solution, and the resistive material is removed. The lower electrode, the phase change material film, and the upper electrode are sequentially formed on the pattern.
상기 저항성 물질은 티타늄 및 티타늄 질화막을 포함하고 있으며, 상기 세정 용액은, 물에 혼합되는 질산, 인산, 및 초산이 75:15:1의 부피비를 갖는다. 이때, 상기 저항성 물질을 형성하기 이전에, 상기 콘택홀 및 상기 층간 절연막 상에 금속막을 연속적으로 형성하며, 상기 금속막에 포함된 금속과 상기 실리콘을 반응시켜 상기 콘택홀 저면에 선택적으로 금속 실리사이드 패턴을 형성한다. 상기 금속막은 코발트를 포함하며, 상기 금속 실리사이드 패턴은 코발트 실리사이드를 포함하고 있으며, 상기 상변화 물질은 칼코겐 화합물을 포함한다.The resistive material includes titanium and a titanium nitride film, and the cleaning solution has a volume ratio of 75: 15: 1 of nitric acid, phosphoric acid, and acetic acid mixed with water. In this case, before forming the resistive material, a metal film is continuously formed on the contact hole and the interlayer insulating layer, and a metal silicide pattern is selectively formed on the bottom surface of the contact hole by reacting the metal included in the metal film with the silicon. To form. The metal layer may include cobalt, the metal silicide pattern may include cobalt silicide, and the phase change material may include a chalcogen compound.
상기 하부 전극을 형성하기 이전에, 상기 하부 전극 양측에 질화막 스페이서를 형성하는 단계를 더 수행한다.Before forming the lower electrode, the method may further include forming nitride spacers on both sides of the lower electrode.
그리고, 상기 층간 절연막을 형성하기 이전에, 상기 기판 상에 소오스, 드레인 및 게이트를 포함하는 트랜지스터를 형성하고, 상기 트랜지스터를 매립하는 하부 층간 절연막을 형성하고, 상기 하부 층간 절연막 내에 상기 소오스 및 드레인이 각각 접속하는 콘택 패드를 형성하며, 상기 드레인과 접속하는 콘택 패드와 전기적으로 연결되는 도전 라인을 형성하는 단계를 더 수행한다.Before forming the interlayer insulating film, a transistor including a source, a drain, and a gate is formed on the substrate, a lower interlayer insulating film filling the transistor is formed, and the source and the drain are formed in the lower interlayer insulating film. The method may further include forming contact pads to be connected to each other, and forming conductive lines electrically connected to the contact pads to be connected to the drain.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 콘택 형성 방법 및 이를 이용한 상변화 메모리 장치의 제조 방법은, 콘택홀 측벽에 잔류하는 저항성 물질인 티타늄/티타늄 질화막을 세정 용액을 이용하여 제거함으로써, 콘택의 계면 저항이 작고, 전류 구동의 이상이 없는 콘택을 형성할 수 있으며, 상기와 같은 콘택 형성 방법을 이용하여, 전기적 특성을 일정하게 유지할 수 있는 상변화 메모리 장치를 제조할 수 있다.The contact forming method and the method of manufacturing a phase change memory device using the same according to the present invention configured as described above have a small interfacial resistance of the contact by removing the titanium / titanium nitride film, which is a resistive material remaining on the sidewalls of the contact hole, using a cleaning solution. In addition, it is possible to form a contact having no abnormality in current driving, and to manufacture a phase change memory device capable of maintaining a constant electrical characteristic by using the above-described contact forming method.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 기판, 막, 영역, 패드 또는 패턴들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 막, 영역, 패드 또는 패턴들이 기판, 각 막, 영역 또는 패드들의 "상에", "상부에" 또는 "상부면"에 형성되 는 것으로 언급되는 경우에는 각 막, 영역, 패드 또는 패턴들이 직접 기판, 각 막, 영역, 패드 또는 패턴들 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 막, 다른 영역, 다른 패드 또는 다른 패턴들이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 각 막, 영역, 패드 또는 패턴들이 "제1", "제2" 및/또는 "제3"으로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 막, 영역, 패드 또는 패턴들을 구분하기 위한 것이다. 따라서, "제1", "제2" 및/또는 "제3"은 각 막, 영역, 패드 또는 패턴들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments, and those skilled in the art will appreciate the technical spirit of the present invention. The present invention may be embodied in various other forms without departing from the scope of the present invention. In the accompanying drawings, the dimensions of the substrate, film, region, pad or patterns are shown to be larger than the actual for clarity of the invention. In the present invention, each film, region, pad or pattern is referred to as being formed on the "on", "top" or "top surface" of the substrate, each film, region or pads. Meaning that the pad or patterns are formed directly on the substrate, each film, region, pad or patterns, or another film, another region, another pad or other patterns may be additionally formed on the substrate. In addition, where each film, region, pad or pattern is referred to as "first," "second," and / or "third," it is not intended to limit these members but merely to define the respective film, region, pad or patterns To distinguish. Thus, "first", "second" and / or "third" may be used selectively or interchangeably for each film, region, pad or pattern, respectively.
콘택 형성 방법Contact Formation Method
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘택 형성 방법을 설명하기 위한 개략적인 공정 단면도들이다.1 to 5 are schematic cross-sectional views illustrating a method for forming a contact according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 실리콘 기판(100) 상에 상기 기판의 일부를 노출시키는 콘택홀(104)을 갖는 절연막(도시되지 않음)을 형성한다. 상기 절연막은 실리콘 산화물(SiO2)로 이루어질 수 있다. 이어서, 상기 절연막 상에 상기 절연막의 표면을 선택적으로 노출시키는 포토레지스트 패턴(도시되지 않음)을 형성한다.Referring to FIG. 1, an insulating film (not shown) having a
상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 상기 노출된 절연막을 상기 반도체 기판(100)이 노출되도록 식각하여 콘택홀(contact hole, 104)을 형성한다. 이때, 상기 식각 공정에 의해 상기 절연막으로부터 콘택홀(104)을 포함하는 절연막 구조물(102)을 수득한다.The exposed insulating layer is etched using the photoresist pattern as an etch mask to expose the
상기 콘택홀(104)을 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴은 애싱(ashing) 또는 스트립(strip) 공정에 의해 제거된다.After forming the
도 2를 참조하면, 상기 절연막 구조물(102) 및 콘택홀(104) 상에 금속막(106)을 연속적으로 형성한다. 상기 금속막(106)에 포함되는 금속으로는 코발트(Co) 등이 사용될 수 있다.Referring to FIG. 2, the
도 3을 참조하면, 상기 금속막(106)에 포함된 금속 즉, 코발트가 상기 콘택홀(104) 저면에 접촉된 실리콘과 반응하여 상기 콘택홀(104) 저면에 코발트 실리사이드(CoSi) 패턴(110)을 형성한다. 이때, 상기 코발트 실리사이드 패턴(110)을 형성하기 위하여 소정의 열처리를 수행할 수 있다.Referring to FIG. 3, a metal included in the
한편, 상기 코발트 실리사이드 패턴(110)은 이후에 형성되는 티타늄/티타늄 질화막(Ti/TiN,108)의 형성 공정에 의해 자연스럽게 형성될 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 우선, 상기 금속막(106) 상에 티타늄/티타늄 질화막을(108) 상기 콘택홀(도2, 104) 내부를 충분히 매립하도록 형성한다. Meanwhile, the
상기 티타늄/티타늄 질화막(108)은 화학 기상 증착 공정(Chemical Vapor Deposition : CVD) 또는 물리 기상 증착 공정(Physical Vapor Deposition : PVD)을 이용하여 형성될 수 있다. The titanium /
이때, 상기 티타늄/티타늄 질화막(108)을 형성하기 위한 공정 온도에 의해 상기 코발트 실리사이드 패턴(110)이 형성될 수 있으므로, 상기 코발트 실리사이드 패턴(110)을 형성하기 위하여 소정의 열처리를 생략할 수 있다.In this case, since the
상기 티타늄/티타늄 질화막(108)을 상기 코발트막(106) 상에 형성함으로써 , 상기 콘택홀(도2, 104) 내부에는 코발트 실리사이드 패턴(110) 및 티타늄/티타늄 질화막(108)이 적층되어 있다. 또한, 상기 절연막 상에는 코발트막 및 티타늄/티타늄 질화막(108)이 적층되어 있다.By forming the titanium /
도 4를 참조하면, 상기 절연막 구조물(102) 상에 형성된 코발트막(106) 및 티타늄/티타늄 질화막(108)과, 부가적으로 생성된 코발트 실리콘 티타늄막(미도시됨)을 제거한다. 상기 제거 공정은 식각 공정으로 수행될 수 있다. 이로써, 콘택홀(104) 저면에 코발트 실리사이드 패턴(110) 및 티타늄/티타늄 질화막(108a)이 적층되어 형성되게 된다.Referring to FIG. 4, the
구체적으로, 후속 공정으로 상기 콘택홀(도2, 104)내에 도전층(112)을 채우기 위하여, 상기 티타늄/티타늄 질화막(108)이 상기 콘택홀(104) 내의 소정의 높이로 채워지도록 건식 식각 공정을 수행한다.Specifically, a dry etching process is performed such that the titanium /
이때, 고집적화에 따른 식각 공정의 한계 및 식각 선택비 등으로 인하여 상기 콘택홀(104) 측벽에 잔류하는 티타늄/티타늄 질화막을 효과적으로 제거할 수 없다. 상기 콘택홀 측벽에 잔류하는 티타늄/티타늄 질화막을 제거하기 위하여, PAN 세정 용액을 사용하여 습식 세정을 수행한다. 상기 PAN 세정 용액은 인산(H3PO4), 초산(CH3COOH) 및 질산(HNO3)을 각각 75 : 25 : 1의 부피로 포함하는 세정 용액으로써, 금속과 금속 실리사이드 사이의 식각 선택비가 높다. 즉, 금속을 식각하여 제거하는 동안 상기 금속 실리사이드 패턴(110)은 거의 제거되지 않으며, 상기 콘택홀 측벽에 잔류하는 티타늄/티타늄 질화막(도시되지 않음)을 효과적으로 제거할 수 있다.In this case, due to the limitation of the etching process and the etching selectivity due to the high integration, the titanium / titanium nitride film remaining on the sidewall of the
상기 세정 공정의 결과로 상기 기판(100) 상에 형성된 절연막 구조물(102)의 콘택홀(104) 저면에만 코발트 실리사이드 패턴(110) 및 티타늄/티타늄 질화막(108a)이 형성되어 있다.As a result of the cleaning process, the
도 5를 참조하면, 상기 콘택홀(104)을 메우도록 상기 절연막 구조물(102) 상에 콘택용 도전층(112)을 형성하여 상기 반도체 기판(100)과 전기적으로 연결되는 콘택을 형성한다. 통상적으로 상기 도전층(112)은 텅스텐(W), 티타늄알루미늄질화물(TiAIN)등을 포함한다.Referring to FIG. 5, a contact
상변화 메모리 장치의 제조 방법Manufacturing Method of Phase Change Memory Device
도 6 내지 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 공정 단면도들이다.6 to 17 are schematic cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 셸로우 트렌치 소자 분리(Shallow Trench Isolation: STI) 공정 또는 실리콘 부분 산화법(local oxidation of silicon: LOCOS) 등과 같은 소자 분리 공정을 이용하여 반도체 기판(200)에 소자 분리막(203)을 형성함으로써, 반도체 기판(200)을 액티브 영역 및 필드 영역으로 구분한다.Referring to FIG. 6, the
반도체 기판(200) 상에 게이트 절연막 패턴(206), 게이트 전극(208) 및 하드 마스크 패턴(210)이 적층된 형태의 게이트 구조물(212)을 형성한다. 상기 게이트 구조물(212) 양측벽 및 기판(200) 상에 질화물을 증착한 후 이방성으로 식각하여 상기 게이트 구조물(212) 양측벽에 게이트 스페이서(214)를 형성한다. 상기 게이트 전극(108)은 도핑된 폴리실리콘막이나 금속막 등의 단일층으로 형성할 수 있고, 또는 도핑된 폴리실리콘막 및 금속막을 포함하는 다층 구조로 형성할 수 있다. A
다음에, 게이트 구조물(212)을 이온 주입 마스크로 이용하여 상기 게이트 구조물(212)양측으로 불순물을 주입함으로서 소오스/드레인 영역(216, 218)을 형성한다. 이에 따라, 소오스/드레인(216, 218) 및 게이트 구조물(212)로 구성되는 트랜지스터가 기판 상에 형성된다. 상기 트랜지스터는 상변화 메모리 장치의 단위 셀에서 스위치 역할을 한다. Next, source /
도 7을 참조하면, 상기 트랜지스터를 덮으면서 반도체 기판(200) 상에 하부 층간 절연막(220)을 형성한다. 상기 하부 층간 절연막(220)은 TEOS, USG, SOG 또는 HDP-CVD 등과 같은 산화물을 증착하여 형성한다. 상기 하부 층간 절연막(120)을 형성한 이 후에 화학 기계적 연마(CMP) 공정, 에치 백(etch back) 공정 또는 화학 기계적 연마와 에치 백을 조합한 공정을 이용하여 상기 하부 층간 절연막(120)을 평탄화시키는 공정을 더 수행할 수도 있다. Referring to FIG. 7, a lower
다음에, 사진 식각 공정을 통하여 하부 층간 절연막(220)을 부분적으로 식각하여 상기 소오스(216)의 상부면을 노출시키는 제1 콘택홀 및 상기 드레인을 노출시키는 제2 콘택홀(도시되지 않음)을 각각 형성한다. 상기 제1 콘택홀 및 제2 콘택홀 내부를 채우도록 제1 도전막(도시되지 않음)을 형성하고, 상기 제1 도전막을 CMP 또는 에치백 공정을 통해 상기 하부 층간 절연막(220)이 표면에 노출되도록 평탄화함으로서 제1 콘택 패드(222) 및 제2 콘택 패드(224)를 형성한다. 상기 제1 도전막으로 사용할 수 있는 도전 물질은 불순물이 도핑된 폴리실리콘이나 구리, 탄탈 륨, 텅스텐, 알루미늄 등과 같은 금속 물질을 예로 들 수 있다. Next, the first
도 8을 참조하면, 상기 제1 콘택 패드(222), 제2 콘택 패드(224) 및 하부 층간 절연막(220) 상에 제2 도전막(도시되지 않음)을 형성한다. 상기 제2 도전막으로는 불순물이 도핑된 폴리실리콘이나 탄탈륨, 텅스텐, 알루미늄 등과 같은 금속 물질을 사용할 수 있다. 다음에, 상기 제2 도전막을 패터닝하여 상기 제1 콘택 패드(222)와 접속하는 하부 배선 라인(226) 및 상기 제2 콘택 패드(224)와 접속하는 도전 패턴(228)을 각각 형성한다. Referring to FIG. 8, a second conductive layer (not shown) is formed on the
다른 방법으로, 상기 하부 배선 라인(226) 및 도전 패턴(228)을 구리로 형성할 경우에는 통상적으로 다마신 방법을 사용한다. 즉, 층간 절연막을 더 증착한 후 상기 하부 배선 라인 및 제1 도전 패턴이 형성될 부위에 제1 개구부를 형성한다. 다음에, 상기 제1 개구부 내에 구리막를 매립한 후 상기 구리막을 연마한다.Alternatively, when the
도 9를 참조하면, 하부 배선 라인(226) 및 도전 패턴(228)이 형성되어 있는 하부 층간 절연막(227)상에 제1 예비 층간 절연막(230)을 형성한다. 여기서, 제1 예비 층간 절연막(230)은 산화물계 물질을 증착시켜 형성하며, 바람직하게는, TEOS, USG, SOG 또는 HDP-CVD 산화물을 사용하여 형성할 수 있다. 이어서, 통상적인 사진 식각 공정으로 제1 예비 층간 절연막(230)을 부분적으로 식각하여 상기 도전 패턴(128)의 상부면을 노출시키는 제1 개구부(232)를 형성한다.Referring to FIG. 9, a first preliminary
상기 제1 예비 층간 절연막(230) 상부면 및 제1 개구부(232)의 프로파일을 따라 실리콘 산질화막을 형성하고, 상기 실리콘 산질화막 상에 실리콘 질화막을 형성한다. 다음에, 상기 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막을 상기 도전 패턴(228)의 상부면이 노출될 때까지 이방성으로 식각하여 상기 제1 개구부(232)의 측벽에 예비 스페이서(234)를 형성한다. 상기와 같이 공정을 진행하는 경우, 상기 예비 스페이서(234)는 실리콘 산질화막 및 실리콘 질화막이 적층된 이중 스페이서의 구조를 갖는다. A silicon oxynitride film is formed along the profile of the upper surface of the first preliminary
다른 방법으로, 상기 실리콘 산질화막 및 실리콘 산화막 중 어느 하나의 막을 증착한 후 이방성 식각하여 상기 제1 개구부(232)의 측벽에 단일 스페이서를 형성할 수도 있다.Alternatively, a single spacer may be formed on the sidewall of the
상기와 같이 예비 스페이서(234)를 형성함으로서, 상기 제1 개구부(132)의 오픈 사이즈를 포토 공정의 한계 해상도 이하로 감소시킬 수 있다. 따라서, 상기 제1 개구부(232) 내부에 형성되는 하부 전극의 사이즈를 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 상변화층 패턴 내에서 상 변화가 발생하여 데이터가 프로그래밍 되는 부분인 프로그래밍 영역의 크기를 최소화시킬 수 있다. 상기 프로그래밍 영역이 감소됨에 따라, 상변화를 시키기 위해 요구되는 전류를 감소시킬 수 있다.By forming the
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 스페이서(134)가 형성된 제1 개구부(232) 및 제1 예비 층간 절연막(230)상에 금속막(236)을 연속적으로 형성한다. 상기 금속막(236)에 포함되는 금속으로는 코발트(Co) 또는 티타늄(Ti) 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 코발트를 사용하기로 한다.10 and 11, a
이어서, 상기 금속막(236)에 포함된 금속 즉, 코발트가 상기 제1 개구부(232) 저면에 접촉된 실리콘과 반응하여 상기 제1 개구부(232a) 저면에 코발트 실리사이드(CoSi) 패턴(240)을 형성한다. 이때, 상기 코발트 실리사이드 패턴(240) 을 형성하기 위하여 소정의 열처리를 수행할 수 있다.Subsequently, a metal included in the
한편, 상기 코발트 실시사이드 패턴(240)은 이후에 형성되는 티타늄/티타늄 질화막(Ti/TiN)의 형성 공정에 의해 자연스럽게 형성될 수 있으며, 이 경우 열처리를 생략할 수 있다. 상기 금속막(236) 상에 티타늄/티타늄 질화막을(238) 상기 제1 개구부(232) 내부를 충분히 매립하도록 형성한다. Meanwhile, the cobalt
상기 티타늄/티타늄 질화막(238)은 화학 기상 증착 공정(Chemical Vapor Deposition :CVD) 또는 물리 기상 증착 공정(Physical Vapor Deposition : PVD)을 이용하여 형성될 수 있다. The titanium /
상기와 같은 공정으로, 상기 제1 개구부(232) 저면에는 코발트 실리사이드 패턴(240) 및 티타늄/티타늄 질화막(238)이 적층되어 있다. 상기 절연막 상에는 코발트막(236) 및 티타늄/티타늄 질화막(238)이 적층되어 있다. 또한, 코발트 실리콘 티타늄막(CoxSiyTiz)이 부가적으로 생성될 수 있다.In the above process, a
도 12를 참조하면, 상기 절연막(230) 상에 형성된 코발트막(236)과, 티타늄/티타늄 질화막(238)과, 부가적으로 생성된 코발트 실리콘 티타늄막을 식각 공정을 수행하여 제거한다. 이로써, 콘택홀(104) 저면에 코발트 실리사이드 패턴(110) 및 티타늄/티타늄 질화막(108a)이 적층되어 형성되게 된다.Referring to FIG. 12, the
구체적으로, 후속 공정으로 상기 제1 개구부(232)내에 제3 도전막(242)을 채우기 위하여, 상기 티타늄/티타늄 질화막(238)이 상기 제1 개구부(232) 내의 소정의 높이로 채워지도록 건식 식각 공정을 수행한다.Specifically, in order to fill the third
이때, 고집적화에 따른 식각 공정의 한계 등으로 인하여, 상기 건식 식각 공정으로는 제1 개구부(232) 측벽에 형성된 티타늄/티타늄 질화막을 효과적으로 제거할 수 없다. In this case, due to the limitation of the etching process due to the high integration, the dry etching process may not effectively remove the titanium / titanium nitride film formed on the sidewall of the
상기 제1 개구부(232) 측벽 잔류하는 티타늄/티타늄 질화막은 잔류량을 조절하기 어려워서, 후속으로 형성되는 하부 전극이 불균일하게 형성된다. 결과적으로, 상기 하부 전극을 포함하는 상변화 메모리 장치의 전기적인 특성을 일정하게 유지할 수 없게 된다. 상기 제1 개구부(232) 측벽에 잔류하는 티타늄/티타늄 질화막(도시되지 않음)을 제거하기 위하여, PAN 세정 용액을 사용하여 습식 세정을 수행한다. 상기 PAN 세정 용액은 인산(H3PO4), 초산(CH3COOH) 및 질산(HNO3)을 각각 75 : 25 : 1의 부피로 포함하는 세정 용액으로써, 금속과 금속 실리사이드 사이의 식각 선택비가 높다. 즉, 금속을 식각하여 제거하는 동안 상기 코발트 실리사이드 패턴(240))은 거의 제거되지 않으며, 상기 제1 개구부(232) 측벽에 잔류하는 티타늄/티타늄 질화막을 효과적으로 제거할 수 있다.The remaining amount of the titanium / titanium nitride film remaining on the sidewalls of the
세정 공정의 결과로 상기 기판(200) 상에 형성된 절연막 구조물(102)의 제1 개구부(232) 저면에만 코발트 실리사이드 패턴(240) 및 티타늄/티타늄 질화막 패턴(238a)이 형성되어 있다.As a result of the cleaning process, the
상기와 같은 세정 공정으로, 하부 전극(도14, 236)을 일정하게 형성 할 수 있으며, 향상된 전기적 특성을 갖는 상변화 메모리 장치를 제조할 수 있다.By the above cleaning process, the lower electrodes (FIGS. 14 and 236) may be constantly formed, and a phase change memory device having improved electrical characteristics may be manufactured.
도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 제1 개구부(도12.123a)를 채우면서 제1 예 비 층간 절연막(230) 상에 제3 도전막(242)을 형성한다. 여기서, 상기 제3 도전막(242)은 도핑된 폴리실리콘이나 탄탈륨, 구리, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 등과 같은 금속으로 형성할 수 있다. 또는, 티타늄 질화물, 티타튬 알루미늄 질화물 등과 같은 금속 질화물을 사용하여 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 제3 도전막(242)은 티타늄 알루미늄 질화물로 형성하는 것으로 예를 들면서 설명한다.13 and 14, a third
다음에, 제1 예비 층간 절연막(230)의 상부면이 노출될 때까지 상기 제3 도전막을 CMP 공정 또는 에치백 공정을 수행하여 평탄화한다. 상기 공정에 의해, 제1 개구부(232)를 매립하는 하부 전극(236)이 형성된다. 상기 예비 하부 전극(136)은 후속하여 형성되는 상변화막 패턴에 주울 히팅에 의한 열을 가하는 역할을 한다. 상기 공정을 수행하면, 예비 하부 전극(236), 예비 스페이서(234) 및 제1 예비 층간 절연막(230)의 상부면이 노출된다. Next, the third conductive film is planarized by performing a CMP process or an etch back process until the upper surface of the first preliminary
도 15를 참조하면, 상기 하부 전극(236) 및 제1 예비 층간 절연막(230) 상에 상변화 물질층(246)을 형성한다. 상변화 물질층(246)은 칼코겐 화합물을 스퍼터링 방법에 의해 증착시킨다. 여기서, 상기 칼코겐 화합물은 게르마늄-안티몬-텔루륨(Ge-Sb-Te), 주석-안티몬-텔루륨(Sn-Sb-Te), 인듐-안티몬-텔루륨(In-Sb-Te), 인듐-안티몬-게르마늄(Sn-Sb-Ge)계 물질을 들 수 있다. 또한, 상기 상변화 물질층(140)은 산소 또는 질소가 도핑된 칼코겐 화합물로 형성할 수 있다. 상기 상변화 물질층(140)으로 사용하기에 가장 적합한 칼코겐 화합물은 게르마늄-안티몬-텔루륨(GST)이며, 약 1000 내지 2000Å의 두께로 형성한다.Referring to FIG. 15, a phase
다음에, 상기 상변화 물질층(246) 상에 캡핑용 도전층(248)을 형성한다. 상 기 캡핑용 도전층(248)은 티타늄 또는 티타늄 질화물을 증착시켜 형성한다. 또는 상기 캡핑용 도전층은 티타늄을 증착한 후 상기 티타늄 상에 티타늄 질화물을 증착시켜 형성한다.Next, a capping
도 16을 참조하면, 상기 캡핑용 도전층(248) 및 상변화 물질층(246)을 부분적으로 식각하여, 상기 하부 전극(136a)과 접속하는 캡핑용 도전 패턴(248a) 및 상변화 물질층 패턴(246a)을 형성한다. Referring to FIG. 16, the capping
다음에, 상기 캡핑용 도전 패턴(248a) 및 상변화 물질층 패턴(246a)을 매립하도록 제2 층간 절연막(250)을 형성하고, 상기 제2 층간 절연막(250)의 소정 부위를 식각하여 상기 상변화 물질층 패턴(246a)의 상부면을 노출시키는 제2 개구부를 형성한다. Next, a second
상기 제2 개구부 내부에 도전 물질을 매립하고 평탄화함으로서 상부 전극(252, top electrode)을 형성한다. 상기 도전 물질은 질소 원소를 함유하는 도전성 물질, 금속 또는 금속 실리사이드를 사용할 수 있다.A
여기서, 상기 질소 원소를 함유하는 도전성 물질은 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 몰리브덴 질화물, 니오브 질화물, 티타늄-실리콘 질화물, 티타늄-알루미늄 질화물, 티타늄-보론 질화물, 지르코늄-실리콘 질화물, 텅스텐-실리콘 질화물, 텅스텐-보론 질화물, 지르코늄-알루미늄 질화물, 몰리브덴-실리콘 질화물, 몰리브덴-알루미늄 질화물, 탄탈륨-실리콘 질화물, 탄탈륨-알루미늄 질화물, 티타늄 산질화물, 티타늄-알루미늄 산질화물, 또는 텅스텐 산질화물, 탄탈륨 산질화물을 포함한다.The conductive material containing the nitrogen element may include titanium nitride, tantalum nitride, molybdenum nitride, niobium nitride, titanium-silicon nitride, titanium-aluminum nitride, titanium-boron nitride, zirconium-silicon nitride, tungsten-silicon nitride, tungsten- Boron nitride, zirconium-aluminum nitride, molybdenum-silicon nitride, molybdenum-aluminum nitride, tantalum-silicon nitride, tantalum-aluminum nitride, titanium oxynitride, titanium-aluminum oxynitride, or tungsten oxynitride, tantalum oxynitride.
또한, 상기 도전 물질로는 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 티타늄 실리사이드 또는 탄탈륨 실리사이드와 같은 금속 또는 금속 실리사이드를 사용할 수 있다. 그 외에도 도체로서 충분한 전류를 흘려줄 수 있는 전도성물질 이라면 사용이 가능하다.In addition, the conductive material may be a metal or metal silicide such as titanium, tungsten, molybdenum, tantalum, titanium silicide or tantalum silicide. In addition, any conductive material capable of flowing a sufficient current as a conductor can be used.
다음에, 상기 상부 전극(252)과 연결되는 상부 배선(254)을 형성시켜 상변화 메모리 장치를 완성한다.Next, an
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예 따른 콘택 형성 방법은, 콘택홀 측벽에 잔류하는 티타늄/티타늄 질화막을 세정 용액을 이용하여 제거함으로서, 개선된 구조 및 향상된 전기적 특성을 갖는 콘택을 형성할 수 있다. As described above, the method for forming a contact according to an embodiment of the present invention may form a contact having an improved structure and improved electrical properties by removing the titanium / titanium nitride film remaining on the sidewall of the contact hole using a cleaning solution. have.
또한, 상기와 같은 콘택 형성 방법을 이용하면, 전류 구동의 이상이 없으며, 일정한 특성이 유지되어, 신뢰성이 향상된 상변화 메모리 장치를 제조할 수 있다.In addition, when the above-described contact forming method is used, there is no abnormality in current driving, constant characteristics are maintained, and a phase change memory device having improved reliability can be manufactured.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the foregoing has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020060054725A KR20070120242A (en) | 2006-06-19 | 2006-06-19 | Method of forming a contact and method of manufacturing a phase-changeable memory device using the same |
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KR100876767B1 (en) * | 2007-09-06 | 2009-01-07 | 주식회사 하이닉스반도체 | Manufacturing method of phase change memory device |
US8119536B2 (en) | 2008-12-09 | 2012-02-21 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor device and method of forming the same |
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2006
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