KR20090038065A - Method for manufcturing phase change memory device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상변화 메모리 장치(Phase Change Memory device)의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a manufacturing technology of a semiconductor device, and more particularly, to a method of manufacturing a phase change memory device.
최근에 차세대 비휘발성 메모리 장치로서, 상변화 메모리 장치가 제안되었다. 상변화 메모리 장치는 재료가 갖는 결정상태에 따라 그 저항값이 바뀌는 상변화 물질(phase change material)을 사용하여 적절한 조건의 전류 또는 전압의 인가방법을 통하여 재료가 갖는 결정 상태를 제어하는 방법으로 정보를 저장하고 재료의 결정상태에 따른 저항값의 변화로부터 저장된 정보의 종류를 판독하는 방식을 취한다.Recently, a phase change memory device has been proposed as a next generation nonvolatile memory device. A phase change memory device is a method of controlling a crystal state of a material through a method of applying a current or voltage under an appropriate condition using a phase change material whose resistance value changes according to the crystal state of the material. It stores the data and reads the type of stored information from the change of the resistance value according to the crystal state of the material.
도 1은 종래기술에 따른 상변화 메모리 장치를 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a phase change memory device according to the prior art.
도 1을 참조하여, 종래기술에 따른 상변화 메모리 장치의 제조방법을 살펴보면, 기판(11)상에 하부전극(12)을 형성한 후, 하부전극(12) 상에 상변화물질층(13) 을 형성한다. 이때, 상변화물질층(13)은 게르마늄-안티몬-텔루늄(Ge-Sb-Te, GST)를 사용하여 형성한다. Referring to FIG. 1, a method of manufacturing a phase change memory device according to the related art is described. After forming a
이어서, 상변화물질층(13) 상에 하드마스크패턴(14)을 형성한 후, 하드마스크패턴(14)을 식각장벽(etch barrier)으로 상변화물질층(13)을 식각하여 상변화 메모리 장치를 형성한다.Subsequently, after the
상술한 종래기술에서는 상변화물질층(13)을 식각하기 위하여 할로겐(halogen)가스를 사용하는데 할로겐가스와 상변화물질층(13)을 구성하는 원소 즉, 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb), 텔루늄(Te)의 반응성 차이로 인하여 안티몬(Sb)이 외부로 확산(out diffusion)되고, 이러한 안티몬이 외확산으로 인하여 상변화물질층(13) 표면에 텔루늄(Te)이 축적(pile up)되는 현상이 발생한다. In the above-described prior art, a halogen gas is used to etch the phase
이러한 안티몬(Sb)의 외확산 및 텔루늄(Te)의 축적은 상변화물질층(13)의 격자구조 또는 조성의 변화를 유발하여 상변화물질층의 전기적인 특성을 열화시키는 문제점이 있다. 또한, 상변화물질층 표면에 축적된 텔루늄(Te)은 고저항소스(high resist source)로 작용하는 문제점이 있으며, 후속 상변화물질층(13)을 덮는 실리콘산화막 형성과정에서 상변화물질층(13)과 실리콘산화막간의 계면특성을 열화시켜 실리콘산화막에 크랙(crack)을 발생시키는 문제점이 있다. The external diffusion of the antimony (Sb) and the accumulation of tellurium (Te) cause a change in the lattice structure or composition of the phase
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상변화물질층을 식각하는 과정에서 발생하는 식각손상으로 인하여 상변화물질층의 전기적인 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있는 상변화 메모리 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above problems of the prior art, a phase change memory device that can prevent the electrical characteristics of the phase change material layer from deteriorating due to the etching damage generated in the process of etching the phase change material layer Its purpose is to provide a method of manufacturing.
또한, 본 발명은 상변화물질층의 표면에 텔루늄(Te)이 축적되는 것을 방지할수 있는 상변화 메모리 소자의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a phase change memory device capable of preventing the accumulation of tellurium (Te) on the surface of the phase change material layer.
상기 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명의 상변화 메모리 장치의 제조방법은 하부전극 상에 상변화물질층을 형성하는 단계; 상기 상변화물질층 상에 하드마스크패턴을 형성하는 단계; 상기 하드마스크패턴을 식각장벽으로 상기 상변화물질층을 식각하여 상변화물질층패턴을 형성하는 단계 및 상기 상변화물질층 식각시 발생한 식각손상(etch damage)를 큐어링(curing)하는 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: forming a phase change material layer on a lower electrode; Forming a hard mask pattern on the phase change material layer; Forming a phase change material layer pattern by etching the phase change material layer using the hard mask pattern as an etch barrier, and curing etch damage generated during the phase change material layer etching. do.
상기 큐어링하는 단계는, 상기 상변화물질층을 구성성분 중 어느 하나를 이온주입하여 실시할 수 있다. 이때, 상기 상변화물질층은 게르마늄-안티몬-텔루늄(Ge-Sb-Te, GST)을 포함하고, 상기 이온주입은 안티몬(Sb)을 사용하여 실시할 수 있다. The curing may be performed by ion implanting any one of the components of the phase change material layer. In this case, the phase change material layer may include germanium-antimony-tellurium (Ge-Sb-Te, GST), and the ion implantation may be performed using antimony (Sb).
또한, 상기 큐어링하는 단계는, 상기 하드마스크패턴 측벽에 완충막을 형성 한 후에 진행할 수도 있으며, 상기 완충막은 포토레지스트로 형성할 수 있다. The curing may be performed after the buffer film is formed on the sidewalls of the hard mask pattern, and the buffer film may be formed of a photoresist.
상기 이온주입시 도즈량은 상기 상변화물질층패턴의 전체부피 대비 5%보다 작은 도즈량을 사용할 수 있으며, 상기 상변화물질층패턴에서 상변화가 발생하는 영역의 부피 대비 15%보다 작은 도즈량을 사용할 수 있다. The dose may be less than 5% of the total volume of the phase change material layer pattern, and the dose amount less than 15% of the volume of the region where phase change occurs in the phase change material layer pattern. Can be used.
상기 완충막을 형성하지 않은 경우, 상기 이온주입은 0°~ 9°범위의 이온주입 각도로 실시할 수 있으며, 상기 완충막을 형성한 경우, 상기 이온주입은 0°~ 5°범위의 이온주입 각도로 실시할 수 있다. When the buffer membrane is not formed, the ion implantation may be performed at an ion implantation angle in the range of 0 ° to 9 °. When the buffer membrane is formed, the ion implantation is at an ion implantation angle in the range of 0 ° to 5 °. It can be carried out.
상기 이온주입시 Rp타겟은 상기 기판과 접하는 상기 상변화물질층패턴의 하부면으로부터 상변화물질층패턴의 총 높이 대비 50%를 넘지않도록 실시할 수 있으며, 상기 이온주입시 5KeV ~ 100KeV 범위의 이온주입 에너지를 사용하여 실시할 수 있다.When the ion implantation, the Rp target may be performed so as not to exceed 50% of the total height of the phase change material layer pattern from the lower surface of the phase change material layer pattern contacting the substrate, and the ion may be in the range of 5KeV to 100KeV. This can be done using implanted energy.
상기 이온주입 후, 주입된 불순물을 활성화시키기 위한 열처리단계를 더 실시할 수 있다. After the ion implantation, a heat treatment step for activating the implanted impurities may be further performed.
상기 상변화물질층을 식각하는 단계는, 비활성기체와 할로겐가스가 혼합된 가스를 사용하여 실시할 수 있으며, 상기 비활성기체는 아르곤을 포함하고, 상기 할로겐가스는 CL2 또는 CHF3을 포함할 수 있다. The etching of the phase change material layer may be performed using a gas in which an inert gas and a halogen gas are mixed, the inert gas may include argon, and the halogen gas may include CL 2 or CHF 3 . have.
상기 하드마스크패턴은 도전막 예컨대, 티타늄질화막으로 형성할 수 있다. The hard mask pattern may be formed of a conductive film, for example, a titanium nitride film.
본 발명은 상변화물질층을 식각하는 과정에서 발생하는 상변화물질층의 식각손상을 큐어링함으로써, 상변화물질층의 전기적인 특성이 변화하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 이를 통하여 상변화물질층 표면에 텔루늄(Te)이 축적되는 것을 방지하여 상변화물질층에 접하는 박막과 상변화물질층 사이의 계면특성이 열화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of preventing the electrical properties of the phase change material layer from changing by curing the etch damage of the phase change material layer generated in the process of etching the phase change material layer. This prevents the accumulation of tellurium (Te) on the surface of the phase change material layer, thereby preventing deterioration of interfacial properties between the thin film contacting the phase change material layer and the phase change material layer.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리 장치의 제조방법을 도시한 공정단면도이다.2A through 2B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이, 소정의 구조물이 구비된 기판(21)에 하부전극(22)을 형성한다. 이때, 하부전극(22)은 TiN, WN, TiAlN 및 TiW로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다.As shown in FIG. 2A, the
다음으로, 하부전극(22) 상에 상변화물질층(23)을 형성한다. 이때, 상변화물질층(23)은 칼코겐화합물을 사용하여 형성할 수 있다. 여기서, 상변화물질층(23)에 사용가능한 칼코켄화합물은 게르마늄-안티몬-텔루늄, 비소-안티몬-텔루늄, 주석-안티몬-텔루늄, 주석-인듐-안티몬-텔루늄, 비소-게르마늄-안티몬-텔루늄, 탄탈륨, 니오브 내지 바나듐 등과 같은 5A족 원소-안티몬-텔루늄, 텅스텐, 몰리브덴, 내지 크 롬 등과 같은 6A족 원소-안티몬-텔루늄, 5A족 원소-안티몬-셀렌, 또는 6A족 원소-안티몬-셀렌 등을 포함한다. 바람직하게는, 상변화물질층(23)으로 게르마늄-안티몬-텔루늄(Ge-Sb-Te, GST)을 사용한다.Next, a phase
다음으로, 상변화물질층(23) 상에 하드마스크패턴(24)을 형성한다. 이때, 하드마스크패턴(24)은 도전막 예컨대, 티타늄질화막으로 형성할 수 있으며, 상변화 메모리 장치의 상부전극으로 작용한다.Next, a
도 2b에 도시된 바와 같이, 하드마스크패턴(24)을 식각장벽으로 상변화물질층(23)을 식각하여 상변화물질층패턴(23A)을 형성한다. 이때, 식각공정은 비활성가스와 할로겐가스가 혼합된 혼합가스를 사용하여 실시할 수 있다. 여기서, 비활성가스로는 아르곤가스를 사용할 수 있으며, 할로겐가스로는 CL2 또는 CHF3을 사용할 수 있다.As shown in FIG. 2B, the phase
여기서, 할로겐가스와 상변화물질층(23)을 구성하는 원소 즉, 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb), 텔루늄(Te)의 반응성 차이로 인하여 안티몬(Sb)이 외부로 확산(out diffusion)되고, 이러한 안티몬(Sb)의 외확산으로 인하여 상변화물질층패턴(23A) 표면에 텔루늄(Te)이 축적(pile up)되는 현상이 발생한다. Here, antimony (Sb) out diffuses due to a difference in reactivity between the elements constituting the halogen gas and the phase
도 2c에 도시된 바와 같이, 상변화물질층패턴(23A) 측벽에 완충막(25)을 형성한다. 이때, 완충막(25)은 후속 상변화물질층패턴(23A)의 식각손상을 큐어링하기 위한 이온주입공정시 이온주입완충막으로 작용하며, 포토레지스트(photo resist)로 형성할 수 있다. As illustrated in FIG. 2C, a buffer layer 25 is formed on sidewalls of the phase change
여기서, 완충막(25)을 형성하는 방법은 상변화물질층패턴(23A)을 포함하는 결과물 전면에 포토레지스트를 도포한 후, 하드마스크패턴(24)과 동일한 마스크를 사용하여 노광 및 현상공정을 진행함으로써, 상변화물질층패턴(23A) 측벽에 완충막(25)을 형성할 수 있다. Here, the buffer film 25 is formed by applying a photoresist on the entire surface of the resultant material including the phase change
한편, 후속 이온주입공정시 이온주입 각도와 같은 공정조건을 조절하여 상변화물질층패턴(23A)내 원하는 위치에 불순물 이온주입이 가능할 경우 완충막(25) 형성공정을 생략할 수도 있다. Meanwhile, in the subsequent ion implantation process, when the impurity ion implantation is possible at a desired position in the phase change
다음으로, 식각공정시 발생한 상변화물질층패턴(23A) 식각손상을 큐어링한다. 이때, 큐어링공정은 상변화물질층패턴(23A)을 형성하는 과정에서 외부로 확산되어 손실된 안티몬(Sb)을 이온주입공정을 통하여 보상해주는 방법으로 실시할 수 있다. 이를 통하여 상변화물질층패턴(23A)내 손실된 안티몬(Sb)을 보상해주고, 안티몬(Sb)의 외확산으로 인하여 상변화물질층패턴 표면에 텔루늄(Te)이 축적(pile up)되는 현상을 해소할 수 있다. 즉, 큐어링공정을 통하여 상변화물질층패턴(23A)의 변형된 격자구조 또는 조성의 변화를 최초 상태로 복구할 수 있다.Next, the etch damage of the phase change
여기서, 식각손상을 큐어링하기 위한 이온주입공정시 안티몬(Sb)의 도즈량은 식각공정시 손실된 안티몬은 충분히 보상해 줄 수 있도록 상변화물질층패턴(23A)의 전체부피 대비 5%보다 작은 도즈량을 사용하여 실시할 수 있으며, 도면의 'A'와 같이 하부전극(22)에서 전달되는 줄열(joule heating)에 의하여 상변화물질층패턴(23A)내 상변화가 발생하는 영역의 부피 대비 15%보다 작은 도즈량을 사용하여 실시할 수 있다. Here, the dose of antimony (Sb) during the ion implantation process to cure the etch damage is less than 5% of the total volume of the phase change
또한, 이온주입공정은 상변화물질층패턴(23A)의 측벽에 완충막(25)을 형성하지 않은 경우, 0°~ 9°범위의 이온주입 각도로 실시할 수 있으며, 상변화물질층패턴(23A)의 측벽에 완충막(25)을 형성한 경우, 0°~ 5°범위의 이온주입 각도로 실시할 수 있다.In addition, when the buffer layer 25 is not formed on the sidewall of the phase change
또한, 이온주입공정시 Rp타겟은 기판(21)과 접하는 상변화물질층패턴(23A)의 하부면으로부터 상변화물질층패턴(23A)의 총 높이 대비 50%보다 낮도록 실시하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 기판(21)과 상변화물질층패턴(23A)이 접하는 하부면을 시점으로, 상변화물질층패턴(23A)의 총 높이가 1000Å일 경우, Rp타겟의 위치는 상변화물질층패턴(23A) 하부면으로부터 500Å 높이를 넘지 않도록 조절하는 것이 바람직하다. 이는 상변화물질층패턴(23A)에서 실질적으로 상변화가 발생하는 영역(하부전극과 상변화물질층패턴이 접하는 영역)을 집중적으로 큐어링하기 위함이다. 이를 위하여 이온주입시 5KeV ~ 100KeV 범위의 이온주입 에너지를 사용하여 이온주입공정을 실시할 수 있다. In addition, in the ion implantation process, the Rp target may be performed to be lower than 50% of the total height of the phase change
여기서, Rp타겟은 이온주입대상층 예컨대, 상변화물질층패턴(23A)에서 주입된 불순물 예컨대, 안티몬(Sb)의 농도가 가장높은 위치를 말한다.Here, the Rp target refers to a position where the concentration of impurities, such as antimony (Sb), injected from the ion implantation target layer, for example, the phase change
다음으로, 완충막(25)을 제거한 후, 상변화물질층패턴(23A)에 주입된 안티몬을 활성화시키기 위한 열처리공정을 실시한다. 이때, 열처리는 급속열처리방법(Rapid Thermai Annealing, RTA), 퍼니스열처리방법(furnace annealing) 및 레이져열처리방법(laser annealing)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 방법을 사용하여 실시할 수 있다.Next, after the buffer film 25 is removed, a heat treatment process for activating antimony injected into the phase change
한편, 상변화 메모리 장치를 완성하기 위한 후속 층간절연막 형성공정 또는 금속배선공정과 같은 후속 공정시 상변화물질층패턴(23A)에 주입된 안티몬(Sb)을 활성화시킬 수 있는 충분한 열에너지가 제공될 경우, 상술한 열처리과정을 생략할 수도 있다.On the other hand, when sufficient thermal energy is provided to activate the antimony (Sb) injected into the phase change
다음으로, 도면에 도시하지는 않았지만, 상변화물질층패턴(23A) 및 하드마스크패턴(24)을 덮는 절연막을 형성하고, 절연막의 일부를 식각하여 상부전극 즉, 하드마스크패턴(24)을 전기적으로 연결하는 배선공정을 실시하여 상변화 메모리 장치를 완성할 수 있다.Next, although not shown, an insulating film covering the phase change
이와 같이, 본 발명은 상변화물질층을 식각하는 과정에서 발생하는 상변화물질층의 식각손상을 큐어링함으로써, 상변화물질층의 전기적인 특성이 변화하는 것을 방지할 수 있다. 이를 통하여 상변화물질층 표면에 텔루늄(Te)이 축적되는 것을 방지하여 상변화물질층에 접하는 박막과 상변화물질층 사이의 계면특성이 열화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention can prevent the electrical properties of the phase change material layer from being changed by curing the etching damage of the phase change material layer generated in the process of etching the phase change material layer. This prevents the accumulation of tellurium (Te) on the surface of the phase change material layer, thereby preventing deterioration of interfacial properties between the thin film contacting the phase change material layer and the phase change material layer.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will appreciate that various embodiments within the scope of the technical idea of the present invention are possible.
도 1은 종래기술에 따른 상변화 메모리 장치를 도시한 단면도. 1 is a cross-sectional view showing a phase change memory device according to the prior art.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리 장치의 제조방법을 도시한 공정단면도.2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
*도면 주요 부분에 대한 부호 설명** Description of symbols on the main parts of the drawings *
21 : 기판 22 : 하부전극21
23 : 상변화물질층 24 : 하드마스크패턴23: phase change material layer 24: hard mask pattern
25 : 완충막25: buffer membrane
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