(57)【要約】【課題】単純化された工程により柱状形状を有するパターン構造物を形成することができる半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】基板上に、選択素子膜及び可変抵抗膜を順次に形成する段階と、前記可変抵抗膜上に第１方向に延長する予備第１マスクパターンを形成する段階と、前記可変抵抗膜及び予備第１マスクパターン上に前記第１方向と直交する第２方向に延びる上部マスクパターンを形成する段階と、前記上部マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記予備第１マスクパターンをエッチングして柱状形状（ｐｉｌｌａｒ  ｓｈａｐｅ）を有する第１マスクパターンを形成する段階と、前記第１マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記可変抵抗膜及び選択素子膜を異方性エッチングして、可変抵抗パターンと選択パターンが積層された、柱状形状を有するパターン構造物を形成する段階と、を有する。【選択図】  図１５
2018006739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、選択素子膜及び可変抵抗膜を順次に形成する段階と、
前記可変抵抗膜上に第１方向に延長する予備第１マスクパターンを形成する段階と、
前記可変抵抗膜及び予備第１マスクパターン上に前記第１方向と直交する第２方向に延びる上部マスクパターンを形成する段階と、
前記上部マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記予備第１マスクパターンをエッチングして柱状形状（ｐｉｌｌａｒ  ｓｈａｐｅ）を有する第１マスクパターンを形成する段階と、
前記第１マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記可変抵抗膜及び選択素子膜を異方性エッチングして、可変抵抗パターンと選択パターンが積層された、柱状形状を有するパターン構造物を形成する段階と、を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記選択素子膜及び可変抵抗膜は、カルコゲン化合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記選択素子膜は、ＯＴＳ（Ｏｖｏｎｉｃ  Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｓｗｉｔｃｈ）物質を含み、
前記可変抵抗膜は、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記予備第１マスクパターンは絶縁性を有し、金属酸化物、金属窒化物、又は炭素系列の物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記予備第１マスクパターンは、２０〜１００Åの厚さで形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項６】
可変抵抗膜及び選択素子膜を異方性エッチングする段階において、前記第１マスクパターンのエッチング率は、前記可変抵抗膜及び選択素子膜のエッチング率の１／１０より低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記予備第１マスクパターンは、前記可変抵抗膜と選択素子膜の合計積層厚さの１／５より薄く形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記予備第１マスクパターンを形成する段階は、前記可変抵抗膜上に第１マスク膜及び第２マスク膜を順次に形成する段階と、
前記第２マスク膜上に前記第１方向に延長する第３マスクパターンを形成する段階と、
前記第３マスクパターン及び第２マスク膜の表面上にコンフォーマル（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）に第４マスク膜を形成する段階と、
前記第４マスク膜を異方性エッチングして第４マスクパターンを形成する段階と、
前記第４マスクパターンの間に形成されている第３マスクパターンを除去する段階と、
前記第４マスクパターンをエッチングマスクとして用いて第２マスク膜をエッチングして第２マスクパターンを形成する段階と、
前記第２マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記第１マスク膜をエッチングする段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記上部マスクパターンを形成する段階は、前記可変抵抗膜及び予備第１マスクパターン上に第５及び第６マスク膜を順次に形成する段階と、
前記第６マスク膜上に、前記第２方向に延長する第７マスクパターンを形成する段階と、
前記第７マスクパターン及び第６マスク膜の表面上にコンフォーマルに第８マスク膜を形成する段階と、
前記第８マスク膜を異方性エッチングして第８マスクパターンを形成する段階と、
前記第８マスクパターンの間に形成されている第７マスクパターンを除去する段階と、
前記第７マスクパターンをエッチングマスクとして用いて第６マスク膜をエッチングして第６マスクパターンを形成する段階と、
前記第６マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記第５マスク膜をエッチングする段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
基板上に、第１方向に延長する複数の第１導電パターンを形成する段階と、
前記第１導電パターン上に、選択素子膜及び可変抵抗膜を順次に形成する段階と、
前記可変抵抗膜上に前記第１方向に延びる予備第１マスクパターンを形成する段階と、
前記可変抵抗膜及び予備第１マスクパターン上に前記第１方向と直交する第２方向に延長する上部マスクパターンを形成する段階と、
前記上部マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記予備第１マスクパターンをエッチングして柱状形状（ｐｉｌｌａｒ  ｓｈａｐｅ）を有する第１マスクパターンを形成する段階と、
前記第１マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記可変抵抗膜及び選択素子膜を異方性エッチングし、可変抵抗パターンと選択パターンが積層された柱状形状を有するパターン構造物を形成する段階と、
前記パターン構造物上に前記第２方向に延長する複数の第２導電パターンを形成する段階と、を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子の製造方法に関し、特に、柱状形状（ｐｉｌｌａｒ  ｓｈａｐｅ）のパターン構造物を含む半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、可変抵抗メモリ素子が開発されてきている。
可変抵抗メモリは、導電ラインのクロスポイントにメモリセルが形成される。
各々のメモリセルは柱状形状を有するパターン構造物を含む。
【０００３】
しかしながら、選択パターン及び可変抵抗パターンを含む柱状形状を有するパターン構造物を形成する工程が複雑化するという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記従来の可変抵抗メモリ素子の製造における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、単純化された工程により柱状形状を有するパターン構造物を形成することができる半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためになされた本発明による半導体素子の製造方法は、基板上に、選択素子膜及び可変抵抗膜を順次に形成する段階と、前記可変抵抗膜上に第１方向に延長する予備第１マスクパターンを形成する段階と、前記可変抵抗膜及び予備第１マスクパターン上に前記第１方向と直交する第２方向に延びる上部マスクパターンを形成する段階と、前記上部マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記予備第１マスクパターンをエッチングして柱状形状（ｐｉｌｌａｒ  ｓｈａｐｅ）を有する第１マスクパターンを形成する段階と、前記第１マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記可変抵抗膜及び選択素子膜を異方性エッチングして、可変抵抗パターンと選択パターンが積層された、柱状形状を有するパターン構造物を形成する段階と、を有することを特徴とする。
【０００６】
また、上記目的を達成するためになされた本発明による半導体素子の製造方法は、基板上に、第１方向に延長する複数の第１導電パターンを形成する段階と、前記第１導電パターン上に、選択素子膜及び可変抵抗膜を順次に形成する段階と、前記可変抵抗膜上に前記第１方向に延びる予備第１マスクパターンを形成する段階と、前記可変抵抗膜及び予備第１マスクパターン上に前記第１方向と直交する第２方向に延長する上部マスクパターンを形成する段階と、前記上部マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記予備第１マスクパターンをエッチングして柱状形状（ｐｉｌｌａｒ  ｓｈａｐｅ）を有する第１マスクパターンを形成する段階と、前記第１マスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記可変抵抗膜及び選択素子膜を異方性エッチングし、可変抵抗パターンと選択パターンが積層された柱状形状を有するパターン構造物を形成する段階と、前記パターン構造物上に前記第２方向に延長する複数の第２導電パターンを形成する段階と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る半導体素子の製造方法によれば、柱状形状のエッチングマスクを用いて選択膜及び可変抵抗膜をエッチングすることによって、選択パターン及び可変抵抗パターンを含むパターン構造物を形成することができる。
したがって、選択素子膜及び可変抵抗膜をライン形態に先にエッチングする工程、ライン形態の選択素子膜及び可変抵抗膜の間を埋める埋め込み膜形成及び埋め込み膜の錬磨工程を行わない。これによって、パターン構造物の形成工程が単純になるという効果がある。
また、選択膜及び可変抵抗膜をライン形態に先にエッチングする時、選択膜及び可変抵抗膜の側壁露出に伴う側壁酸化を抑制することができる。これに加えて、選択素子膜及び可変抵抗膜を１回のエッチング工程によりエッチングしてパターン構造物を形成することによって、エッチングダメージを減少できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略平面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略平面図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略平面図である。
【図１８】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図１９】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図である。
【図２０】本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略平面図である。
【図２１】本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２２】本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２３】本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２４】本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２５】本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２６】本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２７】本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２８】本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２９】本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明に係る半導体素子の製造方法を実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１〜図２０は、本発明の実施形態に係る半導体素子のパターン構造物の形成方法を説明するための概略断面図及び平面図である。
図１〜図７、図９〜図１３、図１５、図１６、図１８、及び図１９は断面図であり、図８、図１４、図１７、及び図２０は平面図である。
図１から図６、図９、及び図１０は、図８のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、図７、図１１、図１２、図１５、及び図１８は、図８のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、図１３、図１６、及び図１９は図１４のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【００１１】
図１を参照すると、基板１００の上に選択素子膜１０２及び可変抵抗膜１０４を順次に形成する。
可変抵抗膜１０４の上に上部電極膜１０６、第１キャッピング膜１０８、及び第１マスク膜１１０を形成する。
第１マスク膜１１０の上に第２マスク膜１１２、第３マスク膜１１４、第４マスク膜１１６、第５マスク膜１１８を順次に形成する。
第５マスク膜１１８の上に第１フォトレジストパターン１２０を形成する。
【００１２】
本発明の例示的な実施形態において、図に示してはいないが、基板１００の上には導電構造物及び／又は絶縁パターンがさらに形成できる。
例示的な実施形態において、図に示してはいないが、選択素子膜１０２及び可変抵抗膜１０４の積層順序を変更して可変抵抗膜１０４の上に選択素子膜１０２を形成することもできる。
【００１３】
選択素子膜１０２及び可変抵抗膜１０４は、エッチング対象膜として機能する。
例示的な実施形態において、選択素子膜１０２及び可変抵抗膜１０４は、少なくとも一つの同一の物質を含むことができ、例えば、カルコゲン化合物を含むことができる。
選択素子膜１０２は、後続工程によりスイッチング動作を遂行する選択素子として機能する。
例示的な実施形態において、選択素子膜１０２は、ＯＴＳ（Ｏｖｏｎｉｃ  Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｓｗｉｔｃｈ）物質を含むことができる。
ＯＴＳ物質は、非晶質状態で温度によって抵抗が変化する。
選択素子膜１０２は、可変抵抗膜１０４に比べて広い温度範囲で非晶質状態を維持することができるが、非晶質状態でも温度変化によって大きい抵抗差を有することができる。
【００１４】
ＯＴＳ物質は、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、砒素（Ａｓ）及び／又はテルル（Ｔｅ）を含有することができ、これに加えて、セレニウム（Ｓｅ）及び／又は硫黄（Ｓ）をさらに含有することもできる。
【００１５】
ＯＴＳ物質は、例えば、ＡｓＴｅＧｅＳｉＩｎ、ＧｅＴｅ、ＳｎＴｅ、ＧｅＳｅ、ＳｎＳｅ、ＡｓＴｅＧｅＳｉＳｂＳ、ＡｓＴｅＧｅＳｉＩＰ、ＡｓＴｅＧｅＳｉ、Ａｓ２Ｔｅ３Ｇｅ、Ａｓ２Ｓｅ３Ｇｅ、Ａｓ２５（Ｔｅ９０Ｇｅ１０）７５、Ｔｅ４０Ａｓ３５Ｓｉ１８Ｇｅ６．７５Ｉｎ０．２５、Ｔｅ２８Ａｓ３４．５Ｇｅ１５．５Ｓ２２、Ｔｅ３９Ａｓ３６Ｓｉ１７Ｇｅ７Ｐ、Ａｓ１０Ｔｅ２１Ｓ２Ｇｅ１５Ｓｅ５０Ｓｂ２、Ｓｉ５Ｔｅ３４Ａｓ２８Ｇｅ１１Ｓ２１Ｓｅ１、ＡｓＴｅＧｅＳｉＳｅＮＳ、ＡｓＴｅＧｅＳｉＰ、ＡｓＳｅ、ＡｓＧｅＳｅ、ＡｓＴｅＧｅＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧｅＴｅＰｂ、ＧｅＳｅＴｅ、ＡｌＡｓＴｅ、ＳｅＡｓＧｅＣ、ＳｅＴｅＧｅＳｉ、ＧｅＳｂＴｅＳｅ、ＧｅＢｉＴｅＳｅ、ＧｅＡｓＳｂＳｅ、ＧｅＡｓＢｉＴｅ、ＧｅＡｓＢｉＳｅ、ＧｅｘＳｅ１−ｘ、などを含むことができる。
【００１６】
いくつかの実施形態において、選択素子膜１０２は、ダイオードを形成するための膜でありうる。
例えば、選択素子膜１０２は、ポリシリコンを含み得る。
【００１７】
例示的な実施形態において、可変抵抗膜１０４は相変化によって抵抗が変わる相変化物質を含み得る。
相変化物質は「Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ」が組み合わせられたカルコゲン化合物を含むことができる。この場合、選択素子膜及び可変抵抗膜は「Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ」を含む。
【００１８】
いくつかの例示的な実施形態において、可変抵抗膜１０４は、磁場又はスピン伝達トルク（Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴＴ）により抵抗が変わる物質を含み得る。
例えば、可変抵抗物質は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）などを含む強磁性体を含むことができる。
【００１９】
いくつかの例示的な実施形態において、可変抵抗膜１０４は、転移金属酸化物又はペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）系列の物質を含むこともできる。
【００２０】
例示的な実施形態において、図示してはいないが、選択素子膜１０２及び可変抵抗膜１０４の間に中間電極膜を形成する工程をさらに含むこともできる。
選択素子膜１０２がＯＴＳ物質を含み、可変抵抗膜１０４がＧＳＴ（Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ）物質を含む場合、選択素子膜及び可変抵抗膜は互いに類似した組成の物質を含むので、実質的に同一又は類似したエッチング特性を有する。
したがって、後続工程で、選択素子膜１０２及び可変抵抗膜１０４は、同一のエッチング工程により容易にエッチングできる。
また、選択素子膜１０２がＯＴＳ物質を含み、可変抵抗膜１０４がＧＳＴ物質を含む場合、中間電極膜が形成されないこともある。
【００２１】
上部電極膜１０６は、金属窒化物又は金属シリコン窒化物を含むことができる。
例示的な実施形態において、上部電極膜１０６は、チタニウム窒化物（ＴｉＮｘ）、チタニウムシリコン窒化物（ＴｉＳｉＮｘ）、タングステン窒化物（ＷＮｘ）、タングステンシリコン窒化物（ＷＳｉＮｘ）、タンタル窒化物（ＴａＮｘ）、タンタルシリコン窒化物（ＴａＳｉＮｘ）、ジルコニウム窒化物（ＺｒＮｘ）、ジルコニウムシリコン窒化物（ＺｒＳｉＮｘ）、チタニウムアルミニウム窒化物などを含むことができる。
【００２２】
第１キャッピング膜１０８は、絶縁物質を含み得る。
例示的な実施形態において、第１キャッピング膜１０８はシリコン窒化物を含む。
第１マスク膜１１０は、後続工程により選択素子膜１０２、可変抵抗膜１０４、及び上部電極膜１０６をエッチングするための実質的なエッチングマスクを提供する。
したがって、第１マスク膜１１０は、選択素子膜１０２、可変抵抗膜１０４、及び上部電極膜１０６との高いエッチング選択性を有する。
【００２３】
例示的な実施形態において、第１マスク膜１１０と選択素子膜１０２、第１マスク膜１１０と可変抵抗膜１０４、及び第１マスク膜１１０と上部電極膜１０６が、各々１：１０以上のエッチング選択比を有することができる。
第１マスク膜１１０と選択素子膜１０２、可変抵抗膜１０４と上部電極膜１０６の間のエッチング選択比が高いほど、第１マスク膜１１０は薄い厚さを有することができる。
例示的な実施形態において、第１マスク膜１１０は、可変抵抗膜１０４及び選択素子膜１０２の積層厚さの和の１／５より薄く形成できる。
【００２４】
例示的な実施形態において、第１マスク膜１１０は絶縁性を有し、金属酸化物、金属窒化物、炭素系列の物質を含むことができる。
例えば、第１マスク膜１１０は、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、ハフニウム酸化物、ＤＣＬ（ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  ｃａｒｂｏｎ）などを含むことができる。
【００２５】
例示的な実施形態において、第１マスク膜１１０は、１００Åより薄い厚さを有することができ、好ましくは２０Å〜１００Åの厚さを有し得る。
第１マスク膜１１０が１００Åより薄い厚さを有する場合、後続工程で第７マスク膜の平坦化工程を省略することができる。
しかしながら、第１マスク膜１１０の厚さはこれに限定されるものではない。
【００２６】
第２〜第５マスク膜（１１２、１１４、１１６、１１８）は、後続のダブルパターニング工程により第１マスク膜１１０を第１方向にパターニングするために提供される膜である。
このように、マスク膜を多層に形成することによって、微細な線幅を有するように第１マスク膜１１０をパターニングすることができる。
しかしながら、一部の実施形態において、第２〜第５マスク膜（１１２、１１４、１１６、１１８）のうち、少なくとも一つのマスク膜を形成しないことも可能である。
【００２７】
例示的な実施形態において、第２マスク膜１１２はシリコン酸化物を含み得る。
例示的な実施形態において、第３マスク膜１１４はポリシリコン膜を含み得る。
例示的な実施形態において、第４マスク膜１１６はスピンオンハードマスク膜をみ得る。
スピンオンハードマスク膜は、炭素を含み得る。
例示的な実施形態において、第５マスク膜１１８はシリコン酸窒化物又はシリコン窒化物を含み得る。
【００２８】
例示的な実施形態において、第２、第３、及び第５マスク膜（１１２、１１４、１１８）は、化学気相蒸着又は原子層積層工程により形成される。
第４マスク膜１１６は、スピンコーティング工程により形成される。
例示的な実施形態において、第５マスク膜１１８の上に下部反射防止コーティング（ＢＡＲＣ、ｂｏｔｔｏｍ  Ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔ  ｃｏａｔｉｎｇ）膜をさらに形成することもできる。
【００２９】
第１フォトレジストパターン１２０は、写真現像工程により形成することができる。
第１フォトレジストパターン１２０は、第１方向に延長するライン形状を有しながら第１方向と直交する第２方向に互いに離隔するように配置する。
例示的な実施形態において、第１フォトレジストパターン１２０の線幅は、後続工程で形成される予備第１マスクパターンの間隔と同一でありうる。
また、第１フォトレジストパターン１２０の間隔は、予備第１マスクパターンの線幅の２倍と予備第１マスクパターンの間隔の和と同一でありうる。
【００３０】
図２を参照すると、第１フォトレジストパターン１２０を用いて、第５マスク膜１１８及び第４マスク膜１１６を順次に異方性エッチングして第４マスクパターン１１６ａ及び第５マスクパターン１１８ａを形成する。
エッチング工程を遂行する中に、第１フォトレジストパターン１２０は大部分除去できる。
【００３１】
第４及び第５マスクパターン１１６ａ、１１８ａが積層された第１構造物及び第３マスク膜１１４の表面上にコンフォーマルに第６マスク膜１２２を形成する。
第６マスク膜１２２は、後続工程で形成される予備第１マスクパターンの線幅と実質的に同一の厚さで蒸着する。
第６マスク膜１２２は、原子層積層工程又は化学気相蒸着工程により形成することができる。
第６マスク膜１２２は、第３マスク膜１１４とエッチング選択性を有する物質を含む。  例示的な実施形態において、第６マスク膜１２２はシリコン酸化物を含む。
【００３２】
図３を参照すると、第６マスク膜１２２を異方性エッチングして第１構造物の側壁上に第６マスクパターン１２２ａを形成する。
第６マスクパターン１２２ａは、第１方向に延長するライン形状を有する。
第６マスクパターン１２２ａは、予備第１マスクパターンと実質的に同一な線幅及び同一な間隔を有する。
例示的な実施形態において、第６マスク膜１２２をエッチングする間、第５マスクパターン１１８ａの一部又は全部が除去できる。
【００３３】
図４を参照すると、第１構造物を除去する。
この後、第６マスクパターン１２２ａをエッチングマスクとして用いて第３マスク膜を異方性エッチングして第３マスクパターン１１４ａを形成する。
第３マスク膜１１４をエッチングする間に第６マスクパターン１２２ａの上部面が一部除去されて第６マスクパターン１２２ａの高さが減少され得る。
他の例として、第６マスクパターン１２２ａはエッチング工程中に全部除去することもできる。
【００３４】
図５を参照すると、第３マスクパターン１１４ａ及び第６マスクパターン１２２ａが積層された構造物をエッチングマスクとして用いて第２マスク膜１１２を異方性エッチングして第２マスクパターン１１２ａを形成する。
例示的な実施形態において、エッチング中に、第６マスクパターン１２２ａは全て除去され、第３マスクパターン１１４ａは一部が除去されて、第３マスクパターン１１４ａの高さが減少され得る。
一部の実施形態において、エッチング中に第３及び第６マスクパターン１１４ａ、１２２ａは全て除去できる。
【００３５】
図６から図８は、予備第１マスクパターン１１０ａを示す。
図６は第１方向に沿って切断した断面図であり、図７は第２方向に沿って切断した断面図である。
図８は、予備第１マスクパターン１１０ａの平面図である。
図６から図８を参照すると、第２マスクパターン１１２ａを用いて第１マスク膜１１０をエッチングすることによって、予備第１マスクパターン１１０ａを形成する。
予備第１マスクパターン１１０ａの間には第１キャッピング膜１０８の上部面が露出され得る。
【００３６】
例示的な実施形態において、第１マスク膜１１０をエッチングする間に第３マスクパターン１１４ａは全て除去できる。
この後、第２マスクパターン１１２ａを除去する。
例示的な実施形態において、第２マスクパターン１１２ａは等方性エッチング工程により除去することができる。
予備第１マスクパターン１１０ａは、第１方向に延長するライン形状を有する。
また、予備第１マスクパターン１１０ａは、第２方向に並列して反復配置され得る。
説明したように、１次ダブルパターニング工程により第１キャッピング膜１０８の上に予備第１マスクパターン１１０ａを形成することができる。
【００３７】
図９を参照すると、予備第１マスクパターン１１０ａ及び第１キャッピング膜１０８の上に第７マスク膜１３２を形成する。
第７マスク膜１３２は、予備第１マスクパターン１１０ａをエッチングするためのエッチングマスクとして提供する。
例示的な実施形態において、第７マスク膜１３２は、選択素子膜１０２及び可変抵抗膜１０４をエッチングする工程において一緒に除去できる物質を含み得る。
例示的な実施形態において、第７マスク膜１３２は第２マスク膜１１２と実質的に同一の物質を含み得る。
例えば、第７マスク膜１３２は、シリコン酸化物を含むことができる。
【００３８】
この際、予備第１マスクパターン１１０ａの上の第７マスク膜１３２の上部面と第１キャッピング膜１０８の上の第７マスク膜１３２の上部面の高さが互いに異なることがある。
しかしながら、予備第１マスクパターン１１０ａの高さが減少すれば、第７マスク膜１３２の上部面の段差が減少され得る。
例示的な実施形態において、予備第１マスクパターン１１０ａの高さが１００Åより低い場合、第７マスク膜１３２に対し平坦化工程を遂行しなくても平坦な上部面を有することができる。
したがって、例示的な実施形態において、第７マスク膜１３２に対する平坦化工程を遂行しないことがある。
一部の実施形態において、第７マスク膜１３２の上部面を平坦化するための工程を遂行することもできる。
【００３９】
図１０は第１方向に沿って切断した断面図であり、図１１は第２方向に沿って切断した断面図である。
図１０及び図１１を参照すると、第７マスク膜１３２の上に第８マスク膜１３４、第９マスク膜１３６、及び第１０マスク膜１３８を順次に形成する。
第１０マスク膜１３８の上に第２フォトレジストパターン１４０を形成する。
【００４０】
第８、第９、及び第１０マスク膜（１３４、１３６、１３８）は、各々第３、第４、及び第５マスク膜（１１４、１１６、１１８）と各々実質的に同一の物質を含み得る。
したがって、第８〜第１０マスク膜（１３４、１３６、１３８）を形成する工程は、図１を参照にして説明したものと実質的に同一でありうる。
【００４１】
第２フォトレジストパターン１４０は、写真工程により形成することができる。
第２フォトレジストパターン１４０は、第２方向に延長するライン形状を有しながら第１方向に互いに離隔して配置される。
即ち、第２フォトレジストパターン１４０は、予備第１マスクパターン１１０ａと直交し得る。
【００４２】
図１４は予備第１マスクパターン及び第７マスクパターンを示す平面図であり、図１２及び図１３は、各々図１４のＢ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線に沿って切断した断面図である。
図１２から図１４を参照すると、図２から図５を参照にして説明したものと実質的に同一の工程を遂行することができる。
上述の工程を遂行すれば、予備第１マスクパターン１１０ａの上に第７マスクパターン１３２ａが形成できる。
即ち、第７マスクパターン１３２ａは第２ダブルパターニング工程により形成できる。
【００４３】
この際、第２フォトレジストパターン１４０が第２方向に延長するので、第７マスクパターン１３２ａは第２方向に延長される。
第７マスクパターン１３２ａは、予備第１マスクパターン１１０ａと直交し得る。
第７マスクパターン１３２ａの一部分の底面は、予備第１マスクパターン１１０ａと接触し、第７マスクパターン１３２ａの一部分は第１キャッピング膜１０８と接触する。
例示的な実施形態において、第７マスクパターン１３２ａの上に第８マスクパターンの一部が残っていることもある。
【００４４】
図１７は、第８ハードマスク及び第１マスクパターンを示す平面図であり、図１５及び図１６は、各々図１７のＢ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線に沿って切断した断面図である。
図１５から図１７を参照すると、第７マスクパターン１３２ａをエッチングマスクとして用いて予備第１マスクパターン１１０ａをエッチングし、第１マスクパターン１１０ｂを形成する。
第１マスクパターン１１０ｂは、第１マスク膜１１０を第１方向及び第２方向に各々エッチングして形成されたものであるので、柱状形状を有しながら第１及び第２方向に規則的に配置される。
【００４５】
予備第１マスクパターン１１０ａをエッチングする工程で、第７マスクパターン１３２ａの一部又は全部が除去され得る。
一例に、図に示したように、第１マスクパターン１１０ｂ（図１５）及び第１キャッピング膜１０８（図１６）の上には第２方向に延長する第７マスクパターン１３２ａの一部が残り得る。
【００４６】
一方、エッチング工程を遂行する前に、予備第１マスクパターン１１０ａの間の部位には、第７マスクパターン１３２ａが形成された部分及び第１キャッピング膜１０８部分が反復配置される。
したがって、エッチング工程が遂行されると、図１６に示すように、露出した第１キャッピング膜１０８部位の上部面が一部エッチングされてリセス１０９が形成させる。
【００４７】
図２０は、パターン構造物を示す平面図であり、図１８及び図１９は各々図２０のＢ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線に沿って切断した断面図である。
図１８から図２０を参照すると、第７マスクパターン１３２ａが除去されるようにエッチング工程を遂行する。
【００４８】
続けて、第１マスクパターン１１０ｂをエッチングマスクとして使用して、第１キャッピング膜１０８、上部電極膜１０６、可変抵抗膜１０４、及び選択素子膜１０２を順次にエッチングする。
例示的な実施形態において、上記エッチング工程を遂行する間に第１キャッピング膜１０８の一部又は全部が除去できる。
例示的な実施形態において、第７マスクパターン１３２ａ、第１キャッピング膜１０８、上部電極膜１０６、可変抵抗膜１０４、及び選択素子膜１０２をエッチングする工程は、実質的に同一のエッチング条件で遂行できる。
【００４９】
例示的な実施形態において、可変抵抗膜１０４及び選択素子膜１０２は、カルコゲン化合物を含んでいるので、上記エッチング工程において実質的に同一又は近似するエッチング率でエッチングできる。
例示的な実施形態において、上記エッチング工程において、第７マスクパターン１３２ａは、可変抵抗膜１０４及び選択素子膜１０２と実質的に同一又は近似するエッチング率でエッチングできる。
例示的な実施形態において、上記エッチング工程で、第１マスクパターン１１０ｂは、可変抵抗膜１０４及び選択素子膜１０２のエッチング率の１／１０より低くあり得る。
【００５０】
したがって、基板１００の上に、選択パターン１０２ａ、可変抵抗パターン１０４ａ、及び上部電極１０６ａを含むパターン構造物１０７を形成することができる。
パターン構造物１０７は、第１及び第２方向に互いに並列して配置される。
パターン構造物１０７は、柱状形状を有する。
【００５１】
パターン構造物１０７を形成するためのエッチングする工程を遂行する前に、第７マスクパターン１３２ａの間の第１キャッピング膜１０８にはリセス１０９が形成され得る。
したがって、エッチング工程が遂行されれば、第１キャッピング膜１０８のリセスが転写されて、図１９に示すように、パターン構造物１０７の間の基板１００の上にリセス１０９ａが形成される。
リセス１０９ａは、第７マスクパターン１３２ａ及び予備第１マスクパターン１１０ａが形成されない部位に位置される。
【００５２】
このように、例示的な実施形態によれば、パターン構造物１０７は、柱状形状を有する第１マスクパターン１１０ｂをエッチングマスクとして使用して、第１キャッピング膜１０８、上部電極膜１０６、可変抵抗膜１０４、及び選択素子膜１０２を１次エッチングすることによって形成することができる。
したがって、上記エッチング工程中に側壁露出による酸化が抑制され、エッチングに伴うダメージを減少できる。
【００５３】
一般的な方法では、上部電極膜、可変抵抗膜、及び選択素子膜を、例えば第１方向に先に１次エッチングし、除去された部位に絶縁物質を含む埋め込み膜を埋めて平坦化した後、第２方向に２次エッチングする。
例えば、２回のエッチング工程が実行され、充填層に埋め込み膜を堆積、形成し、充填層に対し平坦化工程が遂行しなければならない。
また、２次エッチング工程時に、上部電極膜、可変抵抗膜、及び選択素子膜だけでなく、埋め込み膜を共に除去しなければならないので、エッチング工程が非常に難しいものとなり得る。
しかしながら、本発明の例示的な実施形態によれば、埋め込み膜形成工程及び平坦化工程が遂行されないので、工程を単純化することができる。
また、上部電極膜、可変抵抗膜、及び選択素子膜をエッチングする時、埋め込み膜を共にエッチングしないので、エッチング工程が容易であり得る。
【００５４】
図２１〜図２７は、本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
図２１〜図２５及び図２７において、左側の断面図はパターン構造物部位を第２方向に沿って切断したものであり、右側の断面図はパターン構造物部位を第１方向に沿って切断したものである。
図２６は、パターン構造物の間を第２方向及び第１方向各々に沿って切断した断面図である。
半導体素子に含まれるパターン構造物は、図１から図２０を参照にして説明したものと実質的に同一の工程を遂行して形成することができる。
【００５５】
図２１を参照すると、基板１０の上に第１方向に延長される第１導電パターン１４を形成する。
第１導電パターン１４は、第２方向に並列して配置される。第１導電パターン１４の間を埋める第１絶縁パターン１６を形成する。
例示的な実施形態において、基板１０の上にはトランジスタを含む下部素子及び下部素子を覆う絶縁膜１２を形成することができる。
例示的な実施形態において、第１導電パターン１４は絶縁膜１２上に形成され得る。
【００５６】
例示的な実施形態において、第１導電パターン１４はフォトリソグラフィ工程により形成することができる。
具体的には、基板１０の上に第１導電膜を形成する。
第１導電膜は、金属又は金属窒化物を含む。
例示的な実施形態において、第１導電膜は、第１バリア膜、第１金属膜、及び第２バリア膜を積層して形成することができる。
第１導電膜上にハードマスクを形成し、ハードマスクを用いて第１導電膜をエッチングすることによって、第１方向に延長する第１導電パターン１４を形成する。
複数の第１導電パターン１４の間を埋めるように絶縁膜を形成し、絶縁膜を平坦化して第１絶縁パターン１６を形成する。
例示的な実施形態において、絶縁膜はシリコン酸化物を含むことができる。この後、ハードマスクを除去する。
【００５７】
一部の実施形態において、第１導電パターン１４は、ダマシン工程により形成することができる。
具体的には、基板１０の上に第１絶縁膜を形成し、第１絶縁膜に第１方向に延長する開口部を形成する。
この後、開口部の内部に第１導電膜を形成し、第１絶縁膜の上部面が露出するように第１導電膜を平坦化して、第１絶縁パターン１６及び第１導電パターン１４を形成する。
例示的な実施形態において、第１導電パターン１４はワードラインに提供できる。
【００５８】
図２２を参照すると、第１導電パターン１４及び第１絶縁パターン１６の上に下部電極膜１８を形成する。
下部電極膜１８は、金属窒化物又は金属シリコン窒化物を含むことができる。
例示的な実施形態において、下部電極膜１８は、チタニウム窒化物（ＴｉＮｘ）、チタニウムシリコン窒化物（ＴｉＳｉＮｘ）、タングステン窒化物（ＷＮｘ）、タングステンシリコン窒化物（ＷＳｉＮｘ）、タンタル窒化物（ＴａＮｘ）、タンタルシリコン窒化物（ＴａＳｉＮｘ）、ジルコニウム窒化物（ＺｒＮｘ）、ジルコニウムシリコン窒化物（ＺｒＳｉＮｘ）、チタニウムアルミニウム窒化物などを含むことができる。
【００５９】
下部電極膜１８の上に、選択素子膜１０２及び可変抵抗膜１０４を順次に形成する。
可変抵抗膜１０４の上に上部電極膜１０６、第１キャッピング膜１０８、及び第１マスク膜１１０を形成する。
第１マスク膜１１０の上に第２マスク膜１１２、第３マスク膜１１４、第４マスク膜１１６、第５マスク膜１１８を順次に形成する。
第５マスク膜１１８の上に第１方向に延長する第１フォトレジストパターン１２０を形成する。
上記説明した工程は、図１を参照にして説明したものと同一でありうる。
【００６０】
図２３を参照すると、図２から図８を参照にして説明したものと実質的に同一の工程を遂行する。
したがって、第１キャッピング膜１０８の上に予備第１マスクパターン１１０ａを形成する。
予備第１マスクパターン１１０ａは、第１方向に延長するライン形状を有しながら第２方向に並列して配置される。
例示的な実施形態において、第１予備マスクパターン１１０ａは、第１導電パターン１４とオーバーラップされるように形成できる。
【００６１】
図２４を参照すると、図９から図１７を参照にして説明したものと実質的に同一の工程を遂行する。
したがって、第１予備マスクパターン１１０ａを第２方向にエッチングして第１マスクパターン１１０ｂを形成する。
第１マスクパターン１１０ｂは、柱状形状（ｐｉｌｌａｒ  ｓｈａｐｅ）を有する。
第１マスクパターン１１０ｂは、第１及び第２方向に規則的に配置される。
第１マスクパターン１１０ｂの間の一部領域には第１キャッピング膜１０８が露出される。
一方、図１６に示したように、第１キャッピング膜１０８の上部面の一部にはリセス１０９が形成され得る。
【００６２】
図２５を参照すると、第１マスクパターン１１０ｂの上部及び第１マスクパターン１１０ｂの間に形成された第７マスクパターン１３２ａを除去する。
この後、第１マスクパターン１１０ｂをエッチングマスクとして使用して、第１キャッピング膜１０８、上部電極膜１０６、可変抵抗膜１０４、及び選択素子膜１０２を順次にエッチングする。
したがって、選択パターン１０２ａ、可変抵抗パターン１０４ａ、及び上部電極１０６ａを含むパターン構造物１０７を形成する。
上記工程は、図１８及び図１９を参照にして説明したものと実質的に同一でありうる。
各々のパターン構造物１０７は、半導体素子でデータが格納されるメモリセルとして提供される。
【００６３】
この後、下部電極膜１８をエッチングして下部電極１８ａを形成する。
パターン構造物１０７は、第１導電パターン１４の上で規則的に配置される。
第１導電パターン１４及びパターン構造物１０７の間には下部電極１８ａが形成される。
【００６４】
図２６を参照すると、パターン構造物１０７の間の第１絶縁パターンの上部面には第１キャッピング膜１０８のリセスから転写されたリセス１０９ｂが形成される。
【００６５】
図２７を参照すると、第１絶縁パターン１６及び第１導電パターン１４の上にパターン構造物１０７の間のギャップを埋める第２絶縁パターン１４１を形成する。
例示的な実施形態において、パターン構造物１０７の間のギャップを完全に埋めるように絶縁膜を形成し、パターン構造物１０７の上部面が露出するように絶縁膜を平坦化する。
絶縁膜は、シリコン窒化物又はシリコン酸窒化物を含むことができる。
【００６６】
パターン構造物１０７及び第２絶縁パターン１４１の上に、第２方向に延長する第２導電パターン１４２を形成する。
第２導電パターン１４２は、パターン構造物１０７の上部面と接触する。
複数の第２導電パターン１４２の間に第３絶縁パターン１４４を形成する。
【００６７】
例示的な実施形態において、パターン構造物１０７及び第２絶縁パターン１４１の上に第２導電膜を形成し、第２導電膜上に第２方向に延長するハードマスク（図示せず）を形成する。
ハードマスクをエッチングマスクとして使用して第２導電膜をエッチングすることによって、第２導電パターン１４２を形成する。
この後、複数の第２導電パターン１４２の間を埋めるように絶縁膜を形成し、第２導電パターン１４２の上部面が露出するように平坦化して第３絶縁パターン１４４を形成する。
【００６８】
一部の実施形態において、第２導電パターン１４２はダマシン方式により形成することができる。
具体的には、パターン構造物１０７及び第２絶縁パターン１４１の上に絶縁膜を形成し、絶縁膜の一部をエッチングしてパターン構造物１０７の上部面を露出しながら第２方向に延長するトレンチを形成する。
トレンチの内部を埋めるように導電膜を形成し、絶縁膜の上部面が露出するように導電膜を平坦化して第２導電パターン１４２を形成する。
第２導電パターン１４２の間には第３絶縁パターン１４４が形成される。
したがって、半導体装置では、第１導電パターン１４と第２導電パターン１４２の交点にパターン構造物１０７を形成することができる。
【００６９】
図２８及び図２９は、本発明の例示的な実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
半導体素子は、複数の層に積層されるパターン構造物を含むことができる。
半導体素子は、図２１から図２７を参照にして説明した工程と同様の工程を遂行した後に、追加的な工程をさらに遂行することによって製造できる。
【００７０】
図２８を参照すると、まず、図２１から図２７を参照にして説明した工程と同様の工程を遂行する。
この後、第２導電パターン１４２及び第３絶縁パターン１４４の上に、図２２から図２６を参照にして説明した工程と同様の工程を遂行する。
したがって、第２導電パターン１４２の上に選択パターン１０２ｂ、可変抵抗パターン１０４ｂ、及び上部電極１０６ｂを含む上部パターン構造物１０７ａを形成する。
上部パターン構造物１０７ａは、パターン構造物１０７と実質的に同一の構造を有する。
上部パターン構造物１０７ａは、パターン構造物１０７と垂直方向にオーバーラップされるように配置される。
第２導電パターン１４２及び上部パターン構造物１０７ａの間には第２下部電極１８ｂが形成される。
各々の上部パターン構造物１０７ａは、半導体素子でデータが格納される上部メモリセルとして提供される。
【００７１】
図２９を参照すると、第２導電パターン１４２及び第３絶縁パターン１４４の上に上部パターン構造物１０７ａの間を埋める第４絶縁パターン１５０を形成する。
第４絶縁パターン１５０及び上部パターン構造物１０７ａの上に第１方向に延長する第３導電パターン１５２を形成する。
第３導電パターン１５２は、上部パターン構造物１０７ａの上部面と接触する。
第３導電パターン１５２の間には第５絶縁パターン１５４が形成される。
例示的な実施形態において、第３導電パターン１５２及び第５絶縁パターン１５４を形成する工程は、図２１を参照して説明したように、第１導電パターン１４及び第１絶縁パターン１６を形成する工程と実質的に同一でありうる。
【００７２】
上述した本発明の工程によれば、２層に積層されるパターン構造物を含む半導体素子を製造することができる。
一部の実施形態において、上記説明した工程を繰り返して遂行することによって、複数の層に積層されるパターン構造物を含む半導体素子を製造することができる。
【００７３】
尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係る半導体素子の製造方法におけるパターン構造物の形成方法は、高集積度を有するクロスポイント（交点）型可変抵抗メモリ素子の製造に効適に利用可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１０、１００    基板
１２    絶縁膜
１４    第１導電パターン
１６    第１絶縁パターン
１８    下部電極膜
１８ｂ    第２下部電極
１０２    選択素子膜
１０２ａ、１０２ｂ    選択パターン
１０４    可変抵抗膜
１０４ａ、１０４ｂ    可変抵抗パターン
１０６    上部電極膜
１０６ａ、１０６ｂ    上部電極
１０７    パターン構造物
１０７ａ    上部パターン構造物
１０８    第１キャッピング膜
１０９、１０９ａ    リセス
１１０    第１マスク膜
１１０ａ    予備第１マスクパターン
１１０ｂ    第１マスクパターン
１１２    第２マスク膜
１１２ａ    第２マスクパターン
１１４    第３マスク膜
１１４ａ    第３マスクパターン
１１６    第４マスク膜
１１６ａ    第４マスクパターン
１１８    第５マスク膜
１１８ａ    第５マスクパターン
１２０    第１フォトレジストパターン
１２２    第６マスク膜
１２２ａ    第６マスクパターン
１３２    第７マスク膜
１３２ａ    第７マスクパターン
１３４    第８マスク膜
１３６    第９マスク膜
１３８    第１０マスク膜
１４０    第２フォトレジストパターン
１４１    第２絶縁パターン
１４２    第２導電パターン
１４４    第３絶縁パターン
１５０    第４絶縁パターン
１５２    第３導電パターン
１５４    第５絶縁パターン
【図１】
2018006739.tif 000003
【図２】
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【図３】
2018006739.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018006739.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2018006739.tif 000028
【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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