KR20090107363A - Method of Forming Phase-Change Layer in Phase-Change Memory Device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 상변화 메모리 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상변화 메모리의 상변화막을 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a phase change memory device, and more particularly, to a method of forming a phase change film of a phase change memory.
PRAM은 가열 후 냉각되면서 결정 상태 또는 비정질 상태로 변화되는 상변화 물질을 이용하여 데이터를 저장한다. 즉, 결정 상태의 상변화 물질은 저항이 낮고 비정질 상태의 상변화 물질은 저항이 높기 때문에, 결정 상태는 셋(set) 또는 논리 레벨 0로 정의하고 비정질 상태는 리셋(reset) 또는 논리 레벨 1로 정의할 수 있다.The PRAM stores data using a phase change material that is changed into a crystalline state or an amorphous state as it is cooled after heating. That is, because the phase change material in the crystalline state has low resistance and the phase change material in the amorphous state has high resistance, the crystal state is defined as set or logic level 0 and the amorphous state is reset or logic level 1 Can be defined
이러한 PRAM에 적용되는 상변화막으로는 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루트(Te)로 구성된 칼코게나이드 화합물(Ge-Sb-Te:GST)이 주로 이용되고 있다. GST와 같은 상변화막은 공급되는 전류의 크기 및 시간에 따라 발생되는 열에 의하여 그 결정 상태가 변화될 수 있다.As the phase change film applied to the PRAM, a chalcogenide compound (Ge-Sb-Te: GST) composed of germanium (Ge), antimony (Sb) and tellurium (Te) is mainly used. A phase change film such as GST may change its crystal state by heat generated according to the magnitude and time of a supplied current.
이미 알려진 바와 같이, 상변화막 형성시 스퍼터링(sputtering) 공정 또는 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 공정을 주로 이용한다. 이러한 방식은 상변화막을 조성하는 성분, 예컨대 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루트(Te)의 조성비를 정확하게 제어하기 어려운 점이 있다. 또한, 각각 성분으로부터 형성되는 물질막의 성장 속도를 제어하기도 어렵다.As already known, a sputtering process or a physical vapor deposition (PVD) process is mainly used in forming a phase change film. This method is difficult to accurately control the composition ratio of the components constituting the phase change film such as germanium (Ge), antimony (Sb) and tellurium (Te). In addition, it is difficult to control the growth rate of the material film formed from each component.
현재에는 치밀한 조직의 상변화막을 형성하기 위하여, ALD(Atomic Layer Deposition) 방식으로 상변화막을 형성하고 있다. 여기서, ALD 공정의 주요 이슈되는 공정 요소(factor)는, 전구체(precursor)와 반응 가스의 온도 및 전구체(precursor)가 플라즈마와 반응되는 전구체의 열분해 온도, 즉, 증착 대상 원소의 증착 온도 범위이다.Currently, in order to form a phase change film of dense tissue, a phase change film is formed by an ALD (Atomic Layer Deposition) method. Here, the main factor in the ALD process is the temperature of the precursor and reactant gas and the pyrolysis temperature of the precursor to which the precursor reacts with the plasma, that is, the deposition temperature range of the element to be deposited.
도 1은 일반적인 ALD 챔버에서 상변화막을 형성하는 경우, 각 성분별 증착 온도 범위를 나타낸 그래프이다. 1 is a graph showing deposition temperature ranges for each component when a phase change film is formed in a general ALD chamber.
상변화막으로는 GST막을 이용하였으며, GST막을 형성하기 위한 전구체로는 TEMAGe, TEMASb, Te(iPr)2 를 사용하였다. A GST film was used as a phase change film, and TEMAGe, TEMASb, Te (iPr) 2 was used as a precursor for forming a GST film.
도 1의 그래프에 의하면, 게르마늄(Ge)은 250-400 ℃, 안티몬(Sb)은 100-150 ℃, 텔루트(Te)는 100-200 ℃의 증착 온도 범위를 갖는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 이들의 각 성분들의 증착 온도 범위가 상이하므로, 이들 성분들을 동시에 증착할 수 있는 적정 온도를 정하기 어렵다. 다시 말해, 다성분계의 복합 물질막을 동일 ALD 챔버에서 증착하는 것은 사실상 어렵다.According to the graph of FIG. 1, it can be seen that germanium (Ge) has a deposition temperature range of 250-400 ° C., antimony (Sb) 100-150 ° C., and tellurium (Te) 100-200 ° C. FIG. As such, since the deposition temperature range of each of these components is different, it is difficult to determine an appropriate temperature at which these components can be deposited simultaneously. In other words, it is virtually difficult to deposit multicomponent composite material films in the same ALD chamber.
본 발명의 기술적 과제는 상변화막의 조성비 제어가 용이하고, 조직이 치밀한 양질의 상변화막을 형성하도록 상변화 메모리 소자의 상변화막 형성 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method of forming a phase change film of a phase change memory device such that the composition ratio of the phase change film can be easily controlled and a fine structure of the phase change memory can be formed.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 상변화막 형성 방법은, 반도체 기판 상에 실리콘 하부 전극 콘택을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계 및 상기 층간 절연막 상부에 각각 증착 온도가 상이한 복합 원소에 대해 서로 다른 리액터에서 순차적으로 증착시킴으로써 상변화막을 형성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the technical object of the present invention, a phase change film forming method of a phase change memory device according to an embodiment of the present invention, forming an interlayer insulating film including a silicon lower electrode contact on a semiconductor substrate and the interlayer And forming a phase change film by sequentially depositing the same on the insulating film in different reactors for composite elements having different deposition temperatures.
본 발명의 일 실시예에 따르면 복합막인 상변화막을 구성하는 각 원소별로 최적의 공정 분위기에서 형성함으로써, 양질의 상변화막을 형성할 수 있다. 즉, 상변화막을 형성하는 공정으로, 상변화막의 구성 원소별 증착 온도가 적정화된 각각의 리액터를 구비하고, 이에 따라 최적의 증착 온도 조건으로 순차적으로 ALD를 수행함으로써 가능하다. 이로써, 다성분계 상변화막의 조성비의 제어가 용이하며, 상변화막의 증착 두께의 제어 또한 용이하다. 더 나아가, 치밀한 양질의 상변화막을 형성할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, by forming in the optimum process atmosphere for each element constituting the phase change film as a composite film, it is possible to form a high quality phase change film. That is, in the process of forming a phase change film, each reactor having an appropriate deposition temperature for each constituent element of the phase change film may be provided, and accordingly, ALD may be sequentially performed at an optimum deposition temperature condition. This makes it easy to control the composition ratio of the multi-component phase change film, and also to control the deposition thickness of the phase change film. Furthermore, a fine phase change film of high quality can be formed.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 형성 방법을 설명한다. 도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자(100)의 형성 방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다. Hereinafter, a method of forming a phase change memory device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 6. 2 to 6 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of forming a phase
우선, 도 2에 도시된 바와 같이, 고농도 n형 불순물 영역(112)이 형성된 반도체 기판(110)을 준비한다. 이러한 반도체 기판(110) 상부에 제 1 층간 절연막(114)을 형성한다. 제 1 층간 절연막(114)은 예를 들어, 층간 평탄화 특성이 우수한 HDP(High Density Plasma) 산화막이 이용될 수 있으며, 그것의 두께는 이후 형성될 다이오드의 높이와 실질적으로 동등한 높이 정도일 수 있다.First, as shown in FIG. 2, the
제 1 층간 절연막(114)에 다이오드가 형성될 콘택홀(미도시)을 형성한 후, 콘택홀이 충분히 매립되도록 제 1 도전형, 예컨대 n형의 SEG(Selective Epitaxial Growth)막(115b)을 성장시킨다. 계속해서, n형의 SEG막(115b) 상부에 제 2 도전형, 예컨대 p형의 불순물을 주입하여 p형의 불순물 영역(115a)을 형성한다. 이로써, 다이오드(115)를 형성한다.After forming a contact hole (not shown) in which the diode is to be formed in the first
이러한 다이오드(115) 및 제 1 층간 절연막(114) 상에 제 2 층간 절연막(116)을 형성한다. 이후, 제 2 층간 절연막(116)에 하부 전극용 콘택홀(미도시)을 형성한 후, 콘택홀을 매립하여 하부 전극 콘택(Bottom Electrode Contat; BEC, 117)을 형성한다.The second
여기서, 도시하지 않았으나, 하부 전극 콘택(117)과 접촉하는 다이오드(115)의 표면에는 전기적 접촉을 위해 티타늄을 이용한 오믹(ohmic)층을 형성할 수도 있음은 물론이다.Although not shown, an ohmic layer using titanium may be formed on the surface of the
이어서, 하부 전극 콘택(117)과 콘택되도록 제 2 층간 절연막(116) 상부에 상변화막을 형성한다. Subsequently, a phase change film is formed on the second
본 실시예의 상변화막은 그것을 구성하는 각 원소(성분)들이 최적의 온도에서 진행될 수 있도록, 도 7에 도시된 멀티 리액터(multi-reactor)를 구비한 ALD 장비에서 형성한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 ALD 장비(200)는 진공이 유지되고 있는 챔버(210) 내부에 복수의 리액터들(220a-220h)이 방사상으로 배열된 구조를 갖는다. 이러한 각 리액터들(220a-220h)은 상변화막을 구성하는 원소의 수, 또는 그 이상의 수만큼 구비될 수 있으며, 상변화막의 조성비에 따라 그 수가 조절될 수 있다. 본 실시예에서는 상변화막으로 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루트(Te)로 구성된 칼코게나이드 화합물(Ge-Sb-Te:GST)을 이용하였으며, 챔버(210)내의 리액터(220a-220h)는 GST의 성분비를 고려하여 하나의 챔버(210)내에 8개를 구비하였다. The phase change film of this embodiment is formed in an ALD device having a multi-reactor shown in FIG. 7 so that each element (component) constituting it can proceed at an optimum temperature. As shown in FIG. 7, the
이러한 본 실시예의 ALD 장비는 하나의 리액터(220a-220h)에서 단일 원소로 된 원자층이 최적의 온도에서 증착될 수 있도록 각 리액터(220a-220h)마다 공정 온도를 달리 설정한다. The ALD device of this embodiment sets a different process temperature for each
도 3및 도 7을 참조하면, 우선 ALD 장비의 제 1 리액터(220a)에서 제 2 층간 절연막(116) 상부에 상변화막을 이루는 물질중 하나인 제 1 원소의 전구체, 예컨대, 게르마늄 전구체를 이용하여 제 1 물질막(118a), 즉 게르마늄(Ge)막을 형성한다. 보다 구체적으로, 게르마늄(Ge)의 전구체로는 TEMAGe가 이용될 수 있으며, 상기 제 1 리액터(220a)의 온도를 약 250-400 ℃ 범위로 조절하여, 예를 들어, 5 내 지 15 사이클 동안 게르마늄 원자층을 형성한다. 3 and 7, first, using a precursor of a first element, for example, a germanium precursor, which is one of materials forming a phase change layer on the second
공지된 바와 같이, ALD 프로세스는 전구체의 공급 및 퍼지(purge) 과정을 한 사이클(cycle)로 정의한다. 이에 따라, 제 1 물질막(118a)을 형성하는 ALD 프로세스를 보다 자세히 설명하면, TEMAGe전구체 공급 단계에서, TEMAGe전구체들은 화학적 흡착(chemisorption) 및 물리적 흡착(physisorption)에 의해 대상물 표면에 흡착된다. 이어서, 퍼지 단계에서 원하는 원자층을 제외한 나머지 원자들 및 물리적으로 흡착된 원자들을 제거한다. 계속해서, 다시 전구체 공급 단계에서 이전 흡착된 원자층과 전구체 물질이 재차 화학적 흡착 및 물리적 흡착에 의해 대상물 표면에 흡착된다. 이러한 사이클을 5내지 15사이클 동안 반복하는 것으로써, 제 1 물질막(118a)을 형성할 수 있다.As is known, the ALD process defines the process of supplying and purging precursors in one cycle. Accordingly, the ALD process for forming the
계속해서, 도 4및 도 7을 참조하면, 제 1 리액터(220a)에서 제 1 물질막(118a)이 형성된 반도체 기판 결과물(100)은 제 2 원소의 전구체가 공급되는 제 2 리액터(220b)에 장입한다. 그 후, 제 2 리액터(220b)내에서 제 1 물질막(118a) 상부에 제 2 원소의 전구체를 이용하여 제 2 물질막(118b)을 형성한다.4 and 7, the semiconductor substrate resultant 100 in which the
우선, 제 2 원소는 텔루트(Te)라 할 때, 그것의 전구체로는 Te(iPr)2 가 이용될 수 있으며, 제 2 리액터(220b)의 온도를 약 100-200 ℃의 범위로 조절하여, 예를 들어, 10 내지 20 사이클 동안 텔루트(Te) 원자와 제 1 물질막(118a)을 반응시킨 제 2 물질막(118b), 예컨대, GeTe막을 형성할 수 있다 . First, when the second element is called tellurium (Te), Te (iPr) 2 may be used as its precursor, and the temperature of the
전술한 바와 같이, Te(iPr)2 전구체 공급 단계 및 퍼지 단계를 10 내지 20 사이클을 반복함으로써 제 2 물질막(118b)을 형성할 수 있다.As described above, the
이어서, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 리액터(220c)에서 제 2 물질막(118b)이 형성된 반도체 기판 결과물(100)은 제 3 원소의 전구체가 공급되는 제 3 리액터(220c)에 장입한다. 그 후, 제 3 리액터(220c)내에서 제 2 물질막(118b) 상부에 제 3 원소의 전구체를 이용하여 제 3 물질막(118b)을 형성한다. Subsequently, as shown in FIGS. 5 and 7, the semiconductor substrate resultant 100 in which the
전술한 물질막 형성 방법과 유사하게, 제 3 원소를 안티몬(Sb)이라 할 때, 그것의 전구체로는 TEMASb 가 이용될 수 있으며, 제 3 리액터(220c)의 온도를 약 100-150 ℃의 범위로 조절하여, 예를 들어, 1 내지 8사이클 동안 안티몬(Sb) 원자와 제 2 물질막(118c)을 반응시킨 제 3 물질막(118c), 예컨대 GeSbTe막을 형성한다. 즉, TEMASb 전구체 공급 단계 및 퍼지 단계를 1 내지 8 사이클 반복함으로써, 제 3 물질막(118c)을 형성할 수 있다.Similar to the material film forming method described above, when the third element is called antimony (Sb), TEMASb may be used as its precursor, and the temperature of the
즉, 각각의 최적의 공정 온도 범위로 유지되는 멀티 리액터를 이용하여, 각각의 상변화막을 이루는 원소들의 증착을 조밀하고도 박막 도포성(step coverage)이 양호하도록 형성할 수 있다.That is, by using the multi-reactor maintained in each optimum process temperature range, the deposition of the elements constituting each phase change film can be formed to have a high density and good step coverage.
도 6및 도 7을 참조하면, 제 3 리액터(220c)에서 제 3 물질막(118c)이 형성된 반도체 기판 결과물(100)은 제 2 원소의 전구체가 공급되는 제 4 리액터(220d)에 추가적으로 장입할 수 있다. 그 후, 제 4 리액터(220d)내에서 제 3 물질막(118c) 상부에 제 2 원소의 전구체를 이용하여 상변화막(118)을 완성한다. 6 and 7, the semiconductor substrate resultant 100 in which the
전술한 바와 같이, 제 2 원소의 전구체인 Te(iPr)2 를 이용하여 약 100-200 ℃의 온도 범위에서 예를 들어, 5 내지 15 사이클 동안 텔루트(Te) 원자와 제 3 물질막(118c)과 반응시켜 상변화막(118)을 완성한다. 이와 같이, 텔루트(Te)에 대해서, 두번의 ALD를 수행하는 것은, 텔루트(Te)가 초격자(super lattice) 구조이기 때문이다. 또한, 이로써 형성하려는 상변화막(118)의 조성비(예를 들어, Ge2Sb2Te5)를 보다 정확하게 제어할 수 있다. 완성된 상변화막(118)은 각각의 원소별 최적의 ALD 공정 분위기에서 반응시켜 형성된 막이므로, 치밀하고 단차 도포성(step coverage)이 양호하며, 그 조성비가 보다 정확할 수 있다.As described above, using the Te (iPr) 2 precursor of the second element, the tellurium (Te) atom and the
도시하지 않았으나, 이후 상변화막(118)의 패터닝, 상부 전극 및 배선 형성 공정을 통해 상변화 메모리 소자를 완성한다.Although not shown, a phase change memory device is completed through the patterning of the
전술한 대로, 원소별 증착 온도를 유지하는 멀티 리액터(220a-220d)를 순차적으로 경유하며 ALD공정을 진행함으로써, 원하는 상변화막(118)을 형성할 수 있다. 나머지 리액터(220e-220h)는 상기의 리액터(220a-220d)에 대응되도록 구비되어, 상기의 리액터(220a-220d)와 동일한 기능 및 동일 공정 조건을 유지하는 리액터이다. 따라서, 상기의 리액터(220a-220d)와 중복되는 설명을 생략하나, 이를 구비한 것은 다수개의 기판에 대해 병렬 처리(parallel process)가 가능하도록 하기 위한 바람직한 실시예이다. 생산 수율을 향상하도록 원소별 ALD 공정이 이루어지는 리액터의 수를 확장하는 것은 당업자라면 이해 가능하다.As described above, the desired
한편, 본 발명의 일 실시예는 어디까지나 상변화막(118)을 구성하는 원소별로, 순차적 증착이 이루어지는 것을 예시하는 것이므로, 상기의 순서에 제한되지 않음은 물론이다. 예를 들어, 제 1 물질막(118a) 형성 후, 안티몬(Sb)의 전구체를 반응시켜 제 2 물질막(118b)을 형성할 수 있다. 또는, 텔루트(Te)에 대해 두번에 나누어 ALD를 수행하는 것으로 예시하였으나, 한번의 공정으로 가능할 수 있음은 물론이다.On the other hand, since the embodiment of the present invention is to illustrate that the sequential deposition is performed for each element constituting the
다만, 본 발명의 일 실시예에 따르면 복합막인 상변화막(118)을 구성하는 각 원소별로 최적의 공정 분위기에서 형성하도록 하면 가능하다. 즉, 상변화막(118)을 형성하는 공정으로, 각각의 원소별 리액터를 구비하고 이에 따라 최적의 증착 온도 조건으로 순차적으로 ALD를 수행함으로써 가능하다.However, according to an embodiment of the present invention, it is possible to form each element of the
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 복합막인 상변화막을 구성하는 원소별로 최적의 공정 분위기에서 순차적으로 형성함으로써, 보다 정확한 조성비 및 최적의 증착 조건으로 형성할 수 있다. 이로써, 상변화 메모리 소자의 공정 수율이 향상될 수 있다. 또한, 이를 수행하는 멀티 리액터를 포함하는 챔버를 이용하고, 이에 대해 기판의 병렬 처리를 가능하게 함으로써 생산의 수율을 향상시킬 수 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, by sequentially forming each element of the phase change film, which is a composite film, in an optimal process atmosphere, it is possible to form a more accurate composition ratio and optimum deposition conditions. As a result, the process yield of the phase change memory device may be improved. In addition, it is possible to improve the yield of production by using a chamber including a multi-reactor to do this, and by enabling parallel processing of the substrates.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해 석되어야 한다.As those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features, the embodiments described above should be understood as illustrative and not restrictive in all aspects. Should be. 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 are included in the scope of the present invention. Should be.
도 1은 ALD 공정시 상변화 물질의 각 원소별 증착 온도 범위를 나타내는 그래프, 1 is a graph showing the deposition temperature range of each element of the phase change material in the ALD process,
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 형성 방법을 순차적으로 도시한 단면도, 및2 to 6 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of forming a phase change memory device according to an embodiment of the present invention; and
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 리액터를 구비한 ALD 장비의 개념도이다.7 is a conceptual diagram of an ALD device having a multi-reactor according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
110 : 반도체 기판 115 : 다이오드110
117 : 하부 전극 콘택 118a : 제 1 물질막117:
118b : 제 2 물질막 118c : 제 3 물질막118b:
118 : 상변화막118: phase change film
Claims (6)
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