JP2005197642A - 半導体素子の酸化膜形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体基板にエッチング損傷が発生することと酸化膜の膜質が低下することを防止すると共に、相異した領域に異なる厚さの酸化膜をそれぞれ形成することが可能な半導体素子の酸化膜形成方法を提供する。
【解決手段】低電圧素子領域と高電圧素子領域に区分された半導体基板上に第1酸化膜を形成する段階と、低電圧素子領域の第1酸化膜を目標の厚さだけ残留するように、エッチング工程で第1酸化膜を所定の厚さだけエッチングする段階と、前洗浄工程で第1酸化膜を完全に除去する段階と、低電圧素子領域に第2酸化膜を形成する段階とを含む。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体素子の酸化膜形成方法に係り、特に、互いに異なる厚さの酸化膜を同一の層に形成する半導体素子の酸化膜形成方法に関する。
一般に、フラッシュメモリ素子では、互いに異なる厚さのゲート酸化膜が要求される。すなわち、フラッシュメモリ素子には、動作電圧に応じて高電圧動作素子と低電圧動作素子が含まれるが、高電圧素子には厚いゲート酸化膜が必要であり、低電圧素子には相対的に薄いゲート酸化膜が必要である。従って、半導体基板上には互いに異なる厚さのゲート酸化膜が形成されなければならない。これをデュアルゲート酸化膜の形成工程という。以下、この工程の進行過程を簡略に説明する。
図1a〜図1cは従来の技術に係る半導体素子の酸化膜形成方法を説明するための素子の断面図である。
図1aを参照すると、セル又は低電圧素子が形成される領域(以下、「第1領域」という)と、高電圧素子が形成される領域(以下、「第2領域」という)が定義された半導体基板101の全体構造上に第1酸化膜102を形成する。第1酸化膜102は高電圧素子のゲート酸化膜を形成するための酸化膜である。
図1bを参照すると、第2領域上にエッチング防止膜103を形成した後、第1領域の第1酸化膜を除去する。この際、エッチング防止膜103はフォトレジストパターンで形成されることが一般的である。
一方、第1領域の第1酸化膜はBOE(Buffered Oxide Etchant)溶液を用いたエッチング工程で除去することができる。
図1cを参照すると、エッチング防止膜(図1bの103)を除去する。その後、第1領域に第2酸化膜104を形成する。この際、第2領域の第1酸化膜102上に第2酸化膜104が一部形成されることもある。第2酸化膜104はセルのトンネル酸化膜又は低電圧素子のゲート酸化膜を形成するための酸化膜である。
これにより、第1領域と第2領域には互いに異なる厚さの酸化膜がそれぞれ形成される。
前記の方法で互いに異なる厚さの酸化膜を形成する場合、図1bにおいて第1酸化膜が除去されることにより半導体基板101の表面が露出されるが、この過程でBOE溶液によって半導体基板101の表面に損傷が発生する。また、BOE溶液を用いたエッチング工程の時間が長くなるほど半導体基板101の表面がより荒くなり、マイクロトレンチ(図示せず)が形成される虞があるので、第2酸化膜104の膜質が低下し、低電圧素子の電気的特性が低下するという問題点が生ずる。
これに対し、本発明に係る半導体素子の酸化膜形成方法は、第1領域と第2領域に区分された半導体基板の全体上部に第1酸化膜を第1厚さに形成する。そして、第1領域の第1酸化膜を除去するが、第1領域の半導体基板に損傷が発生することを防止するために、第1酸化膜を所定の厚さだけ残留させた後、酸化膜形成前の洗浄工程で第1領域の第1酸化膜を完全に除去した後、第1領域に第2酸化膜を第2厚さに形成する。
他の方法として、第1領域の第1酸化膜を除去し、半導体基板の損傷された第1領域の表面を酸化させて犠牲酸化膜を形成した後、酸化膜形成前の洗浄工程で犠牲酸化膜を完全に除去した後、第1領域に第2酸化膜を第2厚さに形成する。
前記のような実施例によって、本発明は、半導体基板にエッチング損傷が発生することと酸化膜の膜質が低下することを防止すると共に、相異した領域に異なる厚さの酸化膜をそれぞれ形成することが可能な半導体素子の酸化膜形成方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一実施例に係る半導体素子の酸化膜形成方法は、低電圧素子領域と高電圧素子領域に区分された半導体基板上に第1酸化膜を形成する段階と、低電圧素子領域の第1酸化膜を目標の厚さだけ残留するように、エッチング工程で第1酸化膜を所定の厚さだけエッチングする段階と、前洗浄工程で第1酸化膜を完全に除去する段階と、低電圧素子領域に第2酸化膜を形成する段階とを含む。
前記において、第1酸化膜の残留厚さを20Å〜100Åにすることが好ましい。エッチング工程の際にBOE溶液が使用できる。
前洗浄工程の際、HSO溶液、希釈されたHF溶液、及びSC−1溶液が使用できる。
また、本発明の他の実施例に係る半導体素子の酸化膜形成方法は、低電圧素子領域と高電圧素子領域に区分された半導体基板上に第1酸化膜を形成する段階と、低電圧素子領域の第1酸化膜をエッチング工程で除去する段階と、低電圧素子領域の半導体基板の表面に発生した損傷を除去するために酸化工程で低電圧素子領域の半導体基板の表面を酸化させて犠牲酸化膜を形成する段階と、前洗浄工程で犠牲酸化膜を除去する段階と、低電圧素子領域に第2酸化膜を形成する段階とを含む。
前記において、第1酸化膜を形成する前に、半導体基板の表面に残留する異物又は自然酸化膜を除去するために洗浄工程を行う段階をさらに含むことができる。このような洗浄工程の際、10:1〜100:1の割合で希釈されたHF溶液と、SC−1溶液が使用できる。
第1酸化膜は750℃〜850℃の温度でウェット酸化工程によって形成することができ、200Å〜400Åの厚さにすることができる。
犠牲酸化膜は20Å〜100Åの厚さに形成されることが好ましく、750℃〜850℃の温度で行うウェット酸化工程、或いは800℃〜1050℃の温度で行うドライ酸化工程で形成できる。
前洗浄工程の際、HSO溶液、希釈されたHF溶液及びSC−1溶液の少なくとも1種以上が使用でき、HSO溶液、希釈されたHF溶液及びSC−1溶液が順次使用されるか、或いは希釈されたHF溶液が使用された後SC−1溶液が使用されるか、或いはSC−1溶液が使用された後希釈されたHF溶液が使用できる。
第2酸化膜は750℃〜850℃で行うウェット酸化工程、或いは900℃〜1100℃で行うドライ酸化工程で形成される。
第2酸化膜の形成後、窒素雰囲気のアニーリング工程を行って第2酸化膜を窒化酸化膜にする段階をさらに含むことができる。
窒素雰囲気のアニーリング工程の際にNO又はNOガスが供給され、5分〜30分間窒素雰囲気のアニーリング工程が実施できる。このような窒素雰囲気のアニーリング工程は300Torr〜760Torrの圧力と800℃〜1100℃で実施できる。
また、窒素雰囲気のアニーリング工程はインシチュー(In-situ)方式で行われることが好ましい。
本発明は、第1領域と第2領域に区分された半導体基板の全体上部に第1酸化膜を第1厚さに形成し、半導体基板の表面に損傷が発生することを防止しながら第1領域の第1酸化膜を除去した後、第1領域に第2酸化膜を第2厚さに形成することにより、半導体基板にエッチング損傷が発生することを防止して第1酸化膜の膜質を向上させるうえ、相異した領域に異なる厚さの酸化膜をそれぞれ形成することができる。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例を説明する。ところが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、様々な変形実施が可能である。但し、これらの実施例は本発明の開示を完全にし、当該技術分野で通常の知識を有する者に本発明の範疇を知らせるために提供されるものである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって理解されるべきである。
一方、ある膜が他の膜又は半導体基板の「上」にあると記載される場合、前記ある膜は前記他の膜又は半導体基板に直接接触して存在することもあり、或いはその間に第3の膜が介在されることもある。また、図面において、各層の厚さ又は大きさは説明の便宜及び明確性のために誇張されることもあり、同一の符号は同一の要素を指す。
図2a〜図2dは本発明の実施例に係る半導体素子の酸化膜形成方法を説明するための素子の断面図である。
図2aを参照すると、イオン注入工程によってウェル(図示せず)と素子のしきい値電圧調節用イオン注入層(図示せず)が形成され、セル又は低電圧素子が形成される領域(以下、「第1領域」という)と高電圧素子が形成される領域(以下、「第2領域」という)が定義された半導体基板201の全体構造上に第1酸化膜202を形成する。第1酸化膜202は高電圧素子のゲート酸化膜を形成するための酸化膜である。
第1酸化膜202は750℃〜850℃の温度でウェット酸化工程によって形成することができ、200Å〜400Åの厚さにすることができる。
一方、第1酸化膜202を形成する前に、半導体基板の表面に残留する異物又は自然酸化膜を除去するために洗浄工程を行うこともできる。この際、洗浄工程の際、10:1〜100:1の割合で希釈されたHF溶液と、SC−1溶液が使用できる。ここで、SC−1溶液はNHOH/H/HOからなる混合溶液である。
図2bを参照すると、第2領域上にエッチング防止膜203を形成する。この際、エッチング防止膜203はフォトレジストパターンで形成されることが一般的である。
その後、第1領域の第1酸化膜(図2aの202)を所定の厚さだけ除去して第1酸化膜202aを目標の厚さだけ残留させる。この際、NHFとHFが含まれたBOE溶液を用いて第1領域の第1酸化膜をエッチングすることができる。
この際、第1酸化膜202aの残留厚さは20Å〜100Åにする。これは、第1酸化膜202aの残留厚さが20Å以下であれば、半導体基板201の表面に損傷が発生するおそれがあり、第1酸化膜202aの残留厚さが100Å超過であれば、後続工程で第1酸化膜202aを除去することが難しいためである。
図2cを参照すると、エッチング防止膜(図2bの203)を除去する。その後、トランジスタのゲート酸化膜又はフラッシュメモリセルのトンネル酸化膜を形成する前に前洗浄(Pre-cleaning)工程を行い、第1領域に残留している第1酸化膜(図2bの202a)を除去する。
ここで、前洗浄工程の際、HSO溶液、希釈されたHF溶液、及びSC−1溶液が使用でき、前洗浄工程によって、第1酸化膜202aだけでなくエッチング防止膜(図2bの203)及び半導体基板201の表面に吸着されたC(Carbon)を完全に除去する。この際、HF溶液の希釈割合は10:1〜100:1にすることが好ましい。一方、SC−1溶液はNHOH/H/HOからなる混合溶液である。
前洗浄工程の主な目的はもともと、酸化膜をエッチングすることではなく、半導体基板201の表面に残留する異物又は極めて薄く形成された自然酸化膜を除去することである。従って、前洗浄工程を行っても、半導体基板201の表面には損傷が発生しない。
これを用いて、前洗浄工程で第1酸化膜を除去し得るように、図2bにおいてエッチング工程で第1酸化膜202aを最小限の厚さだけ残留させた後、前洗浄工程で第1酸化膜(図2bの202a)を完全に除去することにより、半導体基板201の表面に損傷が発生することを防止し且つ第1領域上部の酸化膜を全て除去することができる。
図2dを参照すると、第1領域に第2酸化膜204を形成する。この際、第2領域の第1酸化膜202上に第2酸化膜204が一部形成されることもある。第2酸化膜204は、セルのトンネル酸化膜或いは低電圧素子のゲート酸化膜を形成するための酸化膜の場合、第2領域に形成された第1酸化膜202より薄い厚さにする。
このような第2酸化膜204は10Å〜60Åの厚さを有し、酸化工程で形成することができる。一方、酸化工程後、窒素含有雰囲気でアニーリング工程を行って第2酸化膜204を窒化酸化膜(Oxynitride)にすることができる。ここで、酸化工程は750℃〜850℃の温度でウェット酸化工程によって行うか、或いは900℃〜1100℃の温度でドライ酸化工程によって行うことができる。その後、窒素含有雰囲気のアニーリング工程は、NO又はNOガスを供給しながら5分〜30分間行うことが好ましく、より具体的には300Torr〜760Torrの圧力と800℃〜1100℃で行うことができる。このような窒素含有雰囲気のアニーリング工程は、酸化工程を行った後、真空の破壊なしで同一のチャンバ内でインシチュー方式によって行われることが好ましい。
これにより、半導体基板201にエッチング損傷が発生することを防止するとともに、相異した領域に異なる厚さの酸化膜202及び204をそれぞれ形成することができる。
図3a〜図4bは本発明の他の実施例に係る半導体素子の酸化膜形成方法を説明するための素子の断面図である。
図3aを参照すると、イオン注入工程によってウェル(図示せず)と素子のしきい値電圧調節用イオン注入層(図示せず)が形成され、セル又は低電圧素子が形成される領域(以下、「第1領域」という)と高電圧素子が形成される領域(以下、「第2領域」という)が定義された半導体基板301の全体構造上に第1酸化膜302を形成する。第1酸化膜302は高電圧素子のゲート酸化膜を形成するための酸化膜である。
第1酸化膜302は750℃〜850℃の温度でウェット酸化工程によって形成することができ、200Å〜400Åの厚さにすることができる。
一方、第1酸化膜302を形成する前に、半導体基板の表面に残留する異物又は自然酸化膜を除去するために洗浄工程を行うこともできる。この際、洗浄工程の際、10:1〜100:1の割合で希釈されたHF溶液と、SC−1溶液が使用できる。ここで、SC−1溶液はNHOH/H/HOからなる混合溶液である。
図3bを参照すると、第2領域上にエッチング防止膜303を形成する。この際、エッチング防止膜303はフォトレジストパターンで形成されることが一般的である。
その後、第1領域の第1酸化膜(図3aの302)を所定の工程で除去する。この際、NHFとHFが含まれたBOE溶液を用いて第1領域の第1酸化膜(図3aの302)をエッチングすることができる。別の方法として、CF/O/Arガスを用いたプラズマエッチング方式で第1領域の第1酸化膜(図3aの302)をエッチングすることもできる。
図3cを参照すると、エッチング防止膜(図3bの303)を除去する。その後、第1酸化膜(図3aの302)のエッチング時に発生した損傷を除去するために、第1領域の半導体基板301の表面を損傷の発生した厚さだけ酸化させて犠牲酸化膜304を形成する。この際、犠牲酸化膜304は、750℃〜850℃の温度で行うウェット酸化工程、或いは800℃〜1050℃の温度で行うドライ酸化工程によって形成することができ、20Å〜100Åの厚さにすることが好ましい。これは、犠牲酸化膜304の厚さが20Å以下であれば、半導体基板301表面の損傷を完全に除去することができず、犠牲酸化膜304の厚さが100Å超過であれば、後続工程で犠牲酸化膜304を除去することが難しいためである。
図3dを参照すると、トランジスタのゲート酸化膜又はフラッシュメモリセルのトンネル酸化膜を形成する前に前洗浄工程を行い、第1領域に形成された犠牲酸化膜(図3の304)を除去する。
ここで、前洗浄工程の際、HSO溶液、希釈されたHF溶液及びSC−1溶液の少なくとも1種以上が使用できる。これらの溶液の使用順序は、工程の条件に応じて最適に定めることができる。例えば、HSO溶液、希釈されたHF溶液及びSC−1溶液を順次使用するか、或いは希釈されたHF溶液を使用した後SC−1溶液を使用するか、或いはSC−1溶液を使用した後希釈されたHF溶液を使用する方式で前洗浄工程を行うことができる。この際、HF溶液の希釈割合は10:1〜100:1にすることが好ましい。一方、SC−1溶液はNHOH/H/HOからなる混合溶液である。
前洗浄工程によって犠牲酸化膜304だけでなくエッチング防止膜(図3cの303)及び半導体基板301の表面に吸着されたCを完全に除去する。
参考として、前洗浄工程の主な目的は、酸化膜をエッチングすることではなく、半導体基板301の表面に残留する異物又は極めて薄く形成された自然酸化膜を除去することである。従って、前洗浄工程を行っても、半導体基板301の表面には損傷が発生しない。
これを用いて、前洗浄工程で犠牲酸化膜(図3cの304)を除去し得るように、図4aにおいて酸化工程で犠牲酸化膜(図3cの304)を適正の厚さに形成した後、前洗浄工程で犠牲酸化膜(図3cの304)を完全に除去することにより、半導体基板301の表面に発生した損傷を除去することができる。
図4bを参照すると、第1領域に第2酸化膜305を形成する。この際、第2領域の第1酸化膜302上に第2酸化膜305が一部形成されることもある。第2酸化膜305は、セルのトンネル酸化膜或いは低電圧素子のゲート酸化膜を形成するための酸化膜の場合、第2領域に形成された第1酸化膜302より薄くする。
このような第2酸化膜305は30Å〜100Åの厚さを有し、酸化工程で形成することができる。一方、酸化工程後、窒素含有雰囲気でアニーリング工程を行って第2酸化膜305を窒化酸化膜にすることができる。ここで、酸化工程は750℃〜850℃の温度でウェット酸化工程によって行うか、或いは900℃〜1100℃の温度でドライ酸化工程によって行うことができる。その後、窒素含有雰囲気のアニーリング工程はNO又はNOガスを供給しながら5分〜30分間行うことが好ましく、より具体的には300Torr〜760Torrの圧力と800℃〜1100℃で行うことができる。このような窒素含有雰囲気のアニーリング工程は、酸化工程を行った後、真空の破壊なしで同一のチャンバ内でインシチュー方式によって行われることが好ましい。
これにより、半導体基板301にエッチング損傷が発生することを防止すると共に、相異した領域に異なる厚さの酸化膜302及び305をそれぞれ形成することができる。
従来の技術に係る半導体素子の酸化膜形成方法を説明するための素子の断面図である。 本発明の実施例に係る半導体素子の酸化膜形成方法を説明するための素子の断面図である。 本発明の他の実施例に係る半導体素子の酸化膜形成方法を説明するための素子の断面図である。 本発明の他の実施例に係る半導体素子の酸化膜形成方法を説明するための素子の断面図である。
符号の説明
101、201、301 半導体基板
102、202、302 第1酸化膜
202a 第1酸化膜の残留膜
103、203、303 エッチング防止膜
104、204、305 第2酸化膜
304 犠牲酸化膜

Claims (20)

  1. 低電圧素子領域と高電圧素子領域に区分された半導体基板上に第1酸化膜を形成する段階と、
    前記低電圧素子領域の前記第1酸化膜を目標の厚さだけ残留するように、エッチング工程によって第1酸化膜を所定の厚さだけエッチングする段階と、
    前洗浄工程で第1酸化膜を完全に除去する段階と、
    前記低電圧素子領域に第2酸化膜を形成する段階とを含む半導体素子の酸化膜形成方法。
  2. 前記第1酸化膜の残留厚さが20Å〜100Åであることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  3. 前記エッチング工程の際にBOE溶液が使用されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  4. 前記前洗浄工程の際、HSO溶液、希釈されたHF溶液、及びSC−1溶液が使用されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  5. 前記第1酸化膜を形成する前に、前記半導体基板の表面に残留する異物又は自然酸化膜を除去するために洗浄工程を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  6. 前記洗浄工程の際、10:1〜100:1の割合で希釈されたHF溶液と、SC−1溶液が使用されることを特徴とする請求項5記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  7. 低電圧素子領域と高電圧素子領域に区分された半導体基板上に第1酸化膜を形成する段階と、
    前記低電圧素子領域の第1酸化膜をエッチング工程で除去する段階と、
    前記低電圧素子領域の半導体基板の表面に発生した損傷を除去するために酸化工程で前記低電圧素子領域の半導体基板の表面を酸化させて犠牲酸化膜を形成する段階と、
    前洗浄工程で前記犠牲酸化膜を除去する段階と、
    前記低電圧素子領域に第2酸化膜を形成する段階とを含む半導体素子の酸化膜形成方法。
  8. 前記第1酸化膜を形成する前に、前記半導体基板の表面に残留する異物又は自然酸化膜を除去するために洗浄工程を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項7記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  9. 前記洗浄工程の際、10:1〜100:1の割合で希釈されたHF溶液と、SC−1溶液が使用されることを特徴とする請求項7記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  10. 前記第1酸化膜が750℃〜850℃の温度でウェット酸化工程によって形成されることを特徴とする請求項7記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  11. 前記第1酸化膜が200Å〜400Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項7記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  12. 前記犠牲酸化膜が20Å〜100Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項7記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  13. 前記犠牲酸化膜が750℃〜850℃の温度で行うウェット酸化工程、或いは800℃〜1050℃の温度で行うドライ酸化工程で形成されることを特徴とする請求項7記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  14. 前記前洗浄工程の際、HSO溶液、希釈されたHF溶液、及びSC−1溶液の少なくとも1種以上が使用されることを特徴とする請求項7記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  15. 前記前洗浄工程の際、前記HSO溶液、前記希釈されたHF溶液及び前記SC−1溶液が順次使用されるか、或いは前記希釈されたHF溶液が使用された後前記SC−1溶液が使用されるか、或いは前記SC−1溶液が使用された後希釈されたHF溶液が使用されることを特徴とする請求項14記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  16. 前記第2酸化膜が750℃〜850℃で行うウェット酸化工程、或いは900℃〜1100℃で行うドライ酸化工程で形成されることを特徴とする請求項7記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  17. 前記第2酸化膜の形成後、窒素雰囲気のアニーリング工程を行って第2酸化膜を窒化酸化膜にする段階をさらに含むことを特徴とする請求項16記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  18. 前記窒素雰囲気のアニーリング工程の際、NO又はNOガスが供給され、5分〜30分間前記窒素雰囲気のアニーリング工程が行われることを特徴とする請求項17記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  19. 前記窒素雰囲気のアニーリング工程が300Torr〜760Torrの圧力と800℃〜1100℃で行われることを特徴とする請求項17記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
  20. 前記窒素雰囲気のアニーリング工程がインシチュー方式で行われることを特徴とする請求項17記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
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