KR100230651B1 - 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 습식 산화(wet oxidation) 공정 진행시 불활성 기체를 주입하는 방법을 제공하여 산화막의 성장시간 조절 및 산화막의 두께를 조절할 수 있는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 질소 가스를 흘리면서 웨이퍼를 반응로에 인입시키는 단계와, 질소 가스를 흘리는 한편 소정량의 산소를 흘리면서 첫 번째 온도로부터 두 번째 온도로 반응로의 온도를 상승시키는 단계; 질소 가스와, 산소 그리고 수소 가스를 흘리면서 습식 산화공정을 진행하는 단계; 질소 가스를 흘리면서 온도를 하강시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 산화법을 이용한 박막의 산화막 형성 방법을 제공하여 박막의 습식 산화막을 형성할 수 있고, 고 품질의 산화막 및 산화막 두께를 조절할 수 있는 이점을 제공한다.

Description

습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법 { Method for forming a thin oxide layer using wet oxidation }
본 발명은 반도체 기판(semiconductor substrate) 또는 웨이퍼(wafer)에 산화막(oxide layer or oxide film)을 형성시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 불활성 기체를 반응로에 주입하면서 습식 산화(wet oxidation)막 형성 공정을 진행하는 방법으로 산화막의 성장시간 조절 및 산화막의 두께를 조절할 수 있는 박막의 습식 산화막을 형성할 수 있는 방법에 관한 것이다.
반도체 장치가 고집적화 되면서 반도체 장치를 구성하고 있는 소자의 크기도 점점 미세화되고 있고, 이에 따라 각 단위 소자들을 웨이퍼(wafer)의 기판상에서 구현하기 위한 웨이퍼 제조공정(wafer fabrication)에서도 많은 어려움이 따르고 있다. 특히 최근에는 웨이퍼의 대구경화 추세에 따라 웨이퍼에 산화막을 형성하기 위한 확산로(diffusion furnace ; 이하 '반응로'라 칭한다)의 구경(口徑)도 증가하고 길이도 늘어나는 경향으로 기술이 발전하고 있다. 그러나, 웨이퍼가 인입되는 반응로에서 성장시키는 산화막의 두께는 점차 박막화 되고 품질은 고품질로 형성하는 방안이 추구되고 있다.
반도체 산업에서 이산화 실리콘(silicon dioxide ; SiO2)막(이하 '산화막'이라고 칭한다)은 매우 다양한 용도로 사용되고 있다. 예를 들어 산화막은 각 소자들간을 전기적으로 분리 또는 절연하는 역할을 하는 필드 산화막(field oxide)으로 사용되고 있으며, 또한 게이트(gate) 산화막으로 사용되고 있거나 또는 금속 배선을 절연하는 역할 및 외부 환경으로부터 반도체 장치를 보호하는 패시베이션(passivation)층으로도 사용되고 있다.
이와 같이 다양한 용도로 사용되고 있는 산화막은 산소를 이용한 건식 방법 또는 산화제로 스팀(steam)을 이용한 습식 방법으로 형성할 수 있으며, 그 중에서도 습식 산화법은 산화막의 성장 속도가 빠르기 때문에 두께가 높은 공정에 주로 사용되고 있었다.
그러나, 최근에는 산화막의 두께가 약 300Å정도 이하로 형성시키는 방법에서도 산화막의 품질을 향상 시키기 위하여 습식 산화법이 사용되고 있는 추세이다. 이는 습식 산화법이 건식 산화법에 비해 산화막의 성장 속도가 빠르고 고품질의 산화막을 얻을 수 있기 때문이다.
습식 산화법에 의한 산화막 형성 방법 및 특징은 Silicon Processing For The VLSI Era, Volume 1에 잘 기술되어 있으며, 미국 특허공보 5,244,834호 및 미국 특허공보 5,210,056호 등에 기술되어 있다.
여기서 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 습식 산화 방법에 관하여 간략하게 설명하고자 한다.
도 1은 반응로(또는 heater)에서 습식 산화방법으로 산화막을 형성하기 위한 종래 기술을 나타내고 있고, 도 2는 반응로에서 습식 산화를 진행하는 공정을 나타내는 그래프이다. 산화 공정을 진행하기 위한 웨이퍼(도면에 도시안됨)가 적층되어 있는 웨이퍼 적층부(80)가 형성되어 있고, 반응로(100)가 웨이퍼 적층부(80)를 밀봉하고 있다. 또한, 반응로(100)에서 산화 공정을 진행하기 위하여 반응로(100) 상부에는 가스 입구(70)가 있고, 가스 입구(70)는 버너(burner ; 50)와 배관(60)으로 연결되어 있다. 계속해서 반응로(100)에 가스를 공급하기 위한 가스 공급배관을 설명하면, 반도체 공정에서 일반적으로 사용되고 있는 가스 공급장치를 통하여 질소, 산소, 수소와 염산(HCl) 가스가 공급 배관(10, 12, 14, 16)을 통하여 공급되고 있으며, 가스 공급 배관들(10, 12, 14, 16)의 중간에는 반응로(100)로 공급되는 가스의 양을 조절하기 위한 질량흐름조절기(mass flow controller ; MFC)(40)와 가스의 흐름을 차단할 수 있는 에어 밸브(air valve ; 30)가 각각 장착되어 있다.
산화막을 형성하기 위한 가스들이 각기 가스 공급 배관(10, 12, 14, 16)을 통하여 계속 공급되고 있고, 질량흐름조절기(40)와 에어 밸브(30)를 통과한 가스들은 버너(50)와 공급 배관(60)을 통하여 반응로(100)로 가스를 공급하도록 되어 있다. 산소, 질소, 염소 가스는 각각 에어 밸브(30)를 통과한 후 하나의 배관(20)에 합쳐져 버너(50)로 인입되도록 되어 있으며, 수소 가스(16)만이 따로 버너(50)와 배관(22)으로 연결되어 있다. 즉, 버너(50)에서 산소 가스와 수소 가스가 합쳐진 다음 합쳐진 혼합가스 또는 각각의 가스가 공급배관(60)을 통하여 반응로 내부로 들어가도록 되어 있는 것이다. 이때 산화막을 형성하기 위한 산화 반응에 필요한 가스의 양을 제어하는 것이 질량흐름조절기이고, 필요에 따라 가스 공급을 단속할 수 있는 것이 바로 에어 밸브이다.
웨이퍼가 반응로 내부로 인입될 때 질소 가스가 도 1의 질량흐름조절기와 에어 밸브 및 버너를 통과하여 반응로 내부에 계속 흐르도록 되어 있으며, 반응로 내부의 온도는 약 600℃ 내지 650℃를 유지하고 있다. 그리고, 반응로 주변에 설치된 히터로 일정한 열이 계속 유지되도록 하면서 초기 열 안정화 공정을 약 5분간 진행하면서 질소 가스가 반응로 내부로 계속 흐르도록 한다.
계속해서 산소 가스를 반응로 내부로 투입하면서 반응로의 온도를 약 850℃ 내지 1,000℃ 정도의 온도 범위로 상승시킨다. 그러면, 반응로 내부에 있는 웨이퍼의 실리콘 표면과 산소 가스가 반응하여 박막의 초기 산화막이 형성된다. 반응로 내부의 온도가 설정된 온도 범위에 도달하면 온도를 안정화시키는 공정을 실시한다. 이는 공정 조건에 따라 다르며 대략 850℃ 내지 1,000℃ 범위에서 온도를 조정하게 된다. 이와 같이 반응로 내부의 온도가 안정이 되면, 반응로 내부로 전술한 배관망을 통하여 수소와 산소 가스를 동시에 흘려 습식 산화막을 성장시키는 산화공정을 진행하게 된다. 이때 산소와 수소 가스는 버너에서 서로 화학반응을 하여 수증기 상태로 공급 되도록 되어 있다.
그리고, 습식 산화공정이 완료되면, 반응로 내부로 질소 가스를 흘리면서 후기 온도 안정화공정을 진행하게 된다. 이때 산소와 수소 가스의 공급을 중단한 상태에서 질소 가스만을 반응로 내부로 흘리면서 산화막의 열 안정화 공정을 실시하고, 곧 이어 반응로의 온도를 하강시키는 공정을 진행한 다음 웨이퍼를 반응로에서 언로드(unload)하는 공정을 진행하도록 되어 있다.
현재 이러한 습식 산화를 진행하는 반응로는 습식산화를 수행하기 위하여 산소 가스와 수소 가스를 버너에서 열반응 시키고, 이 열반응에 의해 발생한 수증기를 반응로에 주입함으로써 실리콘 웨이퍼에 산화 공정을 수행하고 있다.
그러나, 이러한 습식 산화공정을 진행할 때 버너에 불활성 기체(질소, 아르곤 및 헬륨 중 선택된 하나 또는, 질소, 아르곤 및 헬륨이 혼합된 가스)를 주입하면 산소 가스와 수소 가스의 열반응을 저해하여 수증기를 발생시킬 수 없어 습식 산화를 수행할 수 없다. 이는 산소 가스와 수소 가스가 버너에서 반응하여 수증기 상태로 반응로에 공급될 때 수증기의 분압을 낮추는데 한계가 있고, 따라서 웨이퍼에 성장되는 산화막의 두께를 조절하기 곤란하다.
그리고, 현재 이러한 습식 반응로의 또 다른 문제점은 웨이퍼의 대구경화에 따라 불활성 기체를 함께 주입하면서 습식 산화 공정을 진행할 때 수증기가 반응로 내부에서 실리콘 웨이퍼와 반응하는 농도를 낮추어 성장시키는 산화막의 두께 조절 및 산화막의 산포를 향상시킬 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 습식 산화 공정을 적용하여 웨이퍼에 형성되는 산화막의 성장 두께를 조절하기 곤란한 단점을 극복하기 위한 것으로서, 불활성 기체를 주입하면서 습식 산화막의 성장 두께를 조절할 수 있는 습식 산화막 형성 방법을 제공하는 것에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 반응로에 주입되는 가스 배관 설비를 나타내는 배관도.
도 2는 종래 기술에 의한 습식 산화막을 형성하기 위한 반응로 내부의 온도변화와 반응 가스의 관계를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명에 의한 반응로에 주입되는 가스 배관 설비를 나타내는 배관도.
도 4는 본 발명에 의한 질소 희석을 이용한 습식 산화 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도.
도 5는 본 발명에 의한 습식 산화법을 나타내는 그래프.
도 6과 도 7은 본 발명에 의한 습식 산화법 결과를 나타내는 그래프.
＜도면의 주요 부호에 대한 설명＞
10 ; 배관 30 ; 에어 밸브
40 ; MFC 50 ; 버너
70 ; 가스 입구 80 ; 웨이퍼 적층부
90 ; 배출구 100 ; 반응로
상기 목적을 달성하기 위하여 제1질소 가스와 제2질소 가스를 흘리면서 웨이퍼를 반응로에 인입시키는 단계; 상기 반응로에 상기 제1질소 가스와 제2질소 가스 그리고 산소 가스를 흘리면서 제1온도 안정화 공정을 진행하는 단계; 상기 제1질소 가스, 제2질소 가스와 산소 가스를 흘리면서 상기 반응로의 온도를 첫 번째 온도에서 두 번째 온도로 상승시키는 단계; 상기 제1질소 가스, 제2질소 가스 및 산소 가스를 흘리면서 상기 상승된 두 번째 온도를 안정화시키는 단계; 상기 제2질소 가스, 산소 가스와 수소 가스를 흘리면서 상기 웨이퍼에 습식산화막을 성장시키는 단계; 상기 제1질소 가스와 제2질소 가스를 흘리면서 제3온도 안정화 공정을 진행하는 단계; 상기 제1질소 가스와 제2질소 가스를 흘리면서 상기 반응로의 온도를 하강시키는 단계; 및 상기 제1질소 가스와 제2질소 가스가 흐르는 상태에서 상기 반응로에 있는 상기 웨이퍼를 언로딩 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
먼저, 도 3은 습식 산화 공정을 진행하기 위한 반응로와 반응로에 가스를 공급하는 배관을 나타내는 배관도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 습식 산화 공정을 나타내는 흐름도 및 그래프이다.
질소(10), 산소(12), 염산(14) 및 수소(16) 가스가 각각 질량흐름조절기(42)와 에어 밸브(32)를 통과한 다음 버너(52)로 인입되도록 되어 있고, 단지 수소(16) 가스 만이 따로 버너(52)에 배관(27)으로 연결되어 있다. 즉, 수소(16) 가스를 제외한 다른 가스(10, 12, 14)는 모두 하나의 배관(25)에 합쳐져 버너(52)로 인입되도록 되어 있다. 그리고, 질소(10) 가스는 따로 분기하여 도 3에 나타낸 것처럼 추가된 질량흐름조절기(45)와 배관(65)으로 직접 반응로(102)의 헤드(72)와 연결되어 있다. (이하, 버너를 통과하는 질소를 제1질소 가스라 하고, 직접 반응로의 헤드에 공급되는 질소를 제2질소 가스라 한다)
먼저, 산화막을 형성하기 위한 웨이퍼가 반응로(102) 내부로 로딩 되는 공정이 실시된다. 그리고, 제1온도 안정화 공정이 시작되며, 이때 반응로(102)의 온도는 약 650℃ 정도 유지되고 있으며, 동시에 분당 3ℓ내지 10ℓ정도의 제1질소 가스와 분당 5ℓ내지 10ℓ정도의 제2질소 가스 및 분당 500㎖의 산소 가스를 동시에 반응로(102)에 흐르게 한다. 제1온도 안정화 공정은 순수 질소 가스와 소량의 산소 가스를 반응로 내부로 약 5분 내지 7분정도 흘리면서 온도를 일정하게 조절한다.
그리고, 제1온도 안정화 공정 진행후 반응로 내부의 초기 온도가 안정되면, 반응로 주변에 있는 히터 코일(heater coil ; 도면에 도시안됨)을 가열하여 온도 상승(temperature ramp) 공정을 진행한다. 이때, 온도 상승 공정은 반응로의 온도를 약 800℃ 내지 900℃ 정도 상승시키면서 제1온도 안정화 공정에서와 같은 양의 질소와 산소 가스를 계속 흘리면서 진행한다. 이 온도 상승 공정은 약 20분 내지 30분 정도의 시간 동안 실시하게 된다.
그러면, 반응로 내부에 적층된 웨이퍼 표면은 질소 가스속에 포함된 소량의 산소 가스와 반응하여 약 5Å 내지 30Å 정도의 두께를 갖는 산화막이 형성된다. 즉, 반응로 내부는 질소 가스와 산소 가스가 흐르는 동안 상압의 분위기이며, 제1 온도 안정화 공정의 온도와 온도 상승 공정에서의 온도로 인하여 미량의 산소와 실리콘 웨이퍼 표면이 반응하여 막질의 특성이 우수한 산화막이 형성되는 것이다.
이와 같이 습식 산화 공정을 진행하기 위하여 설정 온도 범위 까지 반응로의 온도를 상승시키는 온도 상승 공정이 완료되면, 제2온도 안정화 공정을 진행하게 된다. 제2온도 안정화 공정은 반응로의 온도를 약 7분 내지 9분동안 온도 상승 공정과 같은 조건의 제1질소 가스, 제2질소 가스 및 산소 가스를 반응로에 흘리면서 반응로의 온도를 습식 산화 공정에 필요한 온도로 일정하게 하는 것이다.
이와 같이 제2온도 안정화 공정을 실시하는 이유는 습식 산화 공정을 진행하기 전에 반응로의 온도 구배를 일정하게 유지하기 위함이다. 즉, 온도 상승 공정에서 상승시킨 반응로의 온도가 정확하게 설정되기 위하여 제2온도 안정화 공정을 실시하는 것이다. 만약, 반응로의 온도가 불완전한 상태에서 습식 산화 공정을 진행할 경우 웨이퍼의 실리콘 기판상에 성장되는 산화막의 속도 및 산화막의 품질을 제어할 수 없게 된다.
그리고, 습식 산화 공정의 일부인 첫 번째 버언(burn) 공정과 두 번째 버언 공정을 실시한다. 첫 번째 버언 공정에서는 도 3의 버너(52)를 통과하는 제1질소 가스의 흐름을 중단시키고, 제2질소 가스를 반응로의 헤드를 통해 분당 약 5ℓ 내지 10ℓ 정도를 반응로에 흐르게 하고, 산소 가스의 양을 늘려 약 3ℓ정도의 산소 가스가 반응로 내부로 흐르게 한다. 이 첫 번째 버언 공정은 약 1분 내지 2분 정도로 실시하고, 반응로 내부에서는 산소의 분압이 높아져 산화막 형성이 활발하게 이루어 지도록 한다.
두 번째 버언 공정에서는 첫 번째 버언 공정과 같은 조건에서 수소 가스를 약 3ℓ 정도 투입하게 된다. 그러면, 산소와 수소 가스가 버너에서 혼합되게 되고, 버너에 가해진 열로 산소와 수소 가스가 서로 화학반응하여 수증기가 형성된다. 두 번째 버언 공정은 약 1분 정도 진행하며 습식 산화막을 형성하기 위한 초기 수증기를 만드는 역할을 한다.
계속해서, 습식 산화 공정이 약 20분 내지 30분 정도 일정한 온도에서 진행된다. 이때 분당 약 2.5ℓ 내지 10ℓ 정도의 제2질소 가스와, 분당 약 2ℓ 내지 5ℓ의 산소 및 분당 약 3ℓ내지 7.5ℓ의 수소가 반응로 내부로 흐르면서 습식 산화 공정이 진행된다. 즉, 버너(52)에서 발생한 수증기가 반응로(102) 내부로 흐르면서 습식 산화공정이 진행되는 것이다. 이때 제2질소 가스는 버너에 들어가지 않으므로 산소와 수소 가스가 반응하는 것을 방해하지 않고, 버너(52)에서 발생한 수증기와 제2질소 가스가 반응로의 헤드(70)에서 혼합되어 반응로(102) 내부를 흐르도록 되어 있다. 이때 불활성 기체인 질소 가스는 산화막 형성에 참여하지 않고, 반응로 내부의 분압을 유지하면서 웨이퍼의 실리콘 기판과 수증기가 접촉하여 산화막이 성장하는 시간을 저해하는 역할을 하게된다. 이는 실리콘 기판에 성장되는 산화막의 두께를 용이하게 조절할 수 있음을 의미한다. 또한, 반응로 내부의 분압을 일정하게 유지하기 위한 수단인 질소 가스 뿐만이 아니라 아르곤, 헬륨 등의 불활성 가스를 사용할 수 있고, 또한 질소, 아르곤, 헬륨 등의 혼합된 불활성 가스를 사용할 수도 있다.
여기서, 비활성 가스 희석 습식 산화(nonactive gas dilution for wet oxidation)의 이론적 배경을 살펴보면 다음과 같다.
실리콘(silicon)의 고온 산화에 관해서는 여러 가지의 이론이 있으나 그중에서 디일-그로브(DEAL-GROVB)의 이론에서 실리콘 기판상에 산화막이 성장하는 과정을 다음과 같이 가정한다.
단계 1 ; 기상 상태의 산화제(수증기 또는 산소)가 산화막 표면으로 흡착하는 단계
단계 2 ; 산화막이 확산에 의해 이동하는 단계
단계 3 ; 실리콘과 산화막과의 계면에서 반응하여 새로운 산화막을 성장시키는 단계.
상기 단계 1에서 산화제가 산화막 표면으로 흡착하는 단계는 헨리(HENRY)의 법칙에 따라 산화제의 분압에 비례한다. 따라서, 습식 산화 공정시 반응로 내부의 산화제의 분압을 낮추기 위하여 적당한 비율의 불활성기체(예; 질소, 아르곤 또는 헬륨 가스)를 함께 주입하는 것이다. 이와 같이 반응로 내부에서 산화제의 분압을 낮추기 위하여 산화제의 유량을 적게 주입하는 방법도 사용할 수 있으나, 대구경화된 웨이퍼 및 반응로에서 산화제의 확산 속도가 느려 반응로 내부에서 충분한 습식 산화제 분위기로 만들어 주는데 시간이 증가한다. 이러한 시간의 증가는 반응로 내부에 투입된 웨이퍼내 산포 및 웨이퍼와 웨이퍼 간의 산포가 불량하게 되어 균일한 제품을 만들 수 없다. 그러나, 이때 산화제의 유량은 적게 주입한 상태에서 나머지를 불활성 기체 적당량을 반응로에 채워서 함께 주입하면, 불활성 기체가 반응로내에서 캐리어(carrier) 역할을 하여 산화제의 확산 속도를 증가시키고, 웨이퍼 내 및 웨이퍼간에 기상 상태의 산화제가 고르게 흡착할 수 있게 한다. 뿐만 아니라 불활성 기체는 산화제의 분압을 낮추어서 산화막 표면으로 흡착하는 산화제의 농도를 적게 만들어서, 실질적인 산화막의 성장속도를 낮게 하여 웨이퍼내 산포 및 웨이퍼와 웨이퍼간의 산화막 산포가 양호한 제품을 만들 수 있다.
즉, 웨이퍼의 실리콘 기판 상에 성장되는 산화막의 두께를 제어할 수 있을 뿐만이 아니라 대구경화의 추세에 있는 반응로에서 균일한 두께의 산화막을 성장시키고, 산화막의 품질을 향상시킬 수 있는 것이다.
습식 산화 공정이 완료되면, 산소와 수소 가스의 공급을 중단하고 제1질소 가스 및 제2질소 가스를 반응로에 흘리면서 제3온도 안정화 공정을 진행한다. 제3온도 안정화 공정은 성장된 습식 산화막을 물리적으로 안정화시키기 위한 열처리 공정으로서, 습식 산화 공정과 동일한 온도 조건으로 약 10분 정도 실시한다. 이러한 제3온도 안정화 공정은 분당 약 10ℓ정도의 제1질소 가스와, 분당 약 5ℓ정도의 제2질소 가스를 흘리면서 실시한다.
계속해서 온도 하강 공정을 약 40분 내지 60분 정도 실시하여 반응로의 온도를 650℃ 정도로 낯춘다. 그리고, 웨이퍼를 언로드 하는 공정을 실시하여 습식 산화막이 형성된 웨이퍼를 반응로에서 꺼내는 언로드 공정을 진행한다. 이때에도 전술한 제3온도 안정화 공정과 같은 양의 제1질소 가스와 제2질소 가스를 흘리면서 온도 하강 공정 및 웨이퍼 언로드 공정을 진행한다.
그리고, 도 6과 도 7은 본 발명에 의한 습식 산화법으로 성장시킨 산화막의 두께 및 결과를 나타내는 그래프이다. 이 그래프는 습식 산화공정시 시간에 따라 성장되는 산화막의 두께를 나타낸 것이고, 초기 산화막의 두께가 25Å 정도가 되어 있는 것은 전술한 온도 상승공정시 성장된 초기 산화막의 두께이다.
도 6과 도 7에 표시된 1은 종래 기술에 의한 습식 산화막의 성장 속도 곡선이고, 도면에 표기된 2, 3, 4, 5는 각각 질소 가스를 약 5ℓ, 10ℓ, 12.5ℓ, 15ℓ를 흘리면서 습식 산화공정을 진행한 것을 나타내고 있다. 즉, 희석되는 질소 가스의 양이 증가할수록 습식 산화막의 성장속도가 감소되는 모양을 나타내고 있다.
그리고, 도 6은 820℃에서 습식 산화공정을 진행한 그래프이고, 도 7은 850℃에서 습식 산화를 진행한 그래프이고, 여기서는 900℃에서 습식 산화를 진행한 그래프는 생략하였다. 이와 같이 도 6과 도 7에 나타낸 그래프를 도표화 하면 표 1과 같다.
온도가스량 820℃ 850℃ 900℃
0:6:9(기존) 8.99Å/min 14.58Å/min 28.78Å/min
5:2:3 4.60Å/min 7.37Å/min 14.59Å/min
10:2:3 2.92Å/min 4.97Å/min 10.01Å/min
15:2:3 2.27Å/min 3.84Å/min 7.80Å/min
가스비는 "질소 : 산소 : 수소"의 분당 반응로를 흐르는 부피임Å/min : 분당 산화막이 성장하는 속도
즉, 표 1은 각 습식 산화속도에 따른 습식 산화막의 성장속도를 나타내고 있다. 조래와 같이 850℃에서 질소를 반응로에 흘리지 않은 상태에서 습식 산화공정을 진행하면, 산화막은 분당 약 14.58Å 두께로 성장하게 되는 것이다.
그러나 본 발명에 의한 예로 산화 공정을 850℃에서 분당 10ℓ의 질소, 2ℓ의 산소, 3ℓ의 수소를 흘리면서 습식 산화공정을 진행하면, 성장되는 산화막의 두께는 분당 4.97Å의 두께로 성장된다. 이는 습식 산화법으로 성장되는 산화막의 두께를 충분히 조절할 수 있음을 의미하게 된다.
또한, 도 7을 예로 들어 설명하면, 종래의 습식 산화막 형성방법으로 약 100Å 정도의 산화막을 성장시키기 위해서는 6분 정도의 산화공정을 진행한다. 그러나, 본 발명에 의한 습식 산화 방법중 10ℓ의 질소가스를 반응로에 흘리면서 습식 산화공정을 진행하면 15분 정도 산화공정을 진행하여야 한다.
이는 습식 산화 방법을 적용하여 동일한 두께의 산화막을 형성할 때 산화공정 시간을 조절할 수 있다는 것을 의미한다. 품질이 우수한 박막의 습식 산화막은 충분한 성장온도와 반응시간이 필요하며, 산화막이 성장하는 산화온도(800℃ ∼ 900℃)의 안정은 산화막의 품질에 영향을 미치고 있다. 그러므로, 본 발명에서와 같이 습식 산화막의 성장 시간이 증가한다는 것은 산화막의 품질을 높일 수 있다는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명에 의한 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법은 불활성 기체를 이용하여 습식 산화막의 성장 속도를 조절할 수 있고, 습식으로 성장되는 산화막의 두께조절이 용이할 뿐만이 아니라 생성되는 산화막의 품질을 증가시킬 수 있는 이점(利點)이 있다.

Claims (23)

  1. 습식 산화공정을 진행하기 위한 반응로에 제1질소 가스와 제2질소 가스 그리고 산소 가스를 흘리면서 제1온도 안정화 공정을 진행하고, 상기 제1질소 가스, 제2질소 가스 및 산소 가스를 흘리는 동시에 상기 반응로의 온도를 첫 번째 온도에서 두 번째 온도로 상승시키는 단계;
    상기 제1질소 가스, 제2질소 가스 및 산소 가스를 흘리면서 상기 상승된 두 번째 온도를 안정화시키는 제2온도 안정화 단계;
    상기 제2질소 가스, 산소 가스와 수소 가스를 흘리면서 웨이퍼에 습식 산화막을 성장시키는 단계; 및
    상기 제1질소 가스와 제2질소 가스를 흘리면서 제3온도 안정화 공정을 진행하고, 상기 반응로의 온도를 하강시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1질소 가스는 상기 반응로의 버너를 통하여 인입되고, 상기 제2질소 가스는 상기 반응로의 헤드로 인입되는 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 온도를 상승시키는 단계에서 상기 제1질소 가스와 제2질소 가스가 각각 분당 5ℓ 내지 10ℓ 정도 흘리면서 제1온도 안정화 공정 및 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 두 번째 온도로 상승시키는 단계에서 분당 0.5ℓ의 산소 가스를 상기 반응로에 흘리면서 온도 상승 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 습식 산화막을 성장시키는 단계가
    (1) 상기 반응로에 분당 10ℓ 정도의 제2질소 가스를 흘리는 동시에 분당 3ℓ 정도의 산소 가스를 흘리면서 첫 번째 버언 공정을 실시하는 단계; 및
    (2) 상기 반응로에 분당 10ℓ 정도의 제2질소 가스, 분당 3ℓ 정도의 산소 가스 및 분당 3ℓ 정도의 수소 가스를 흘리면서 두 번째 버언 공정을 실시하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 첫 번째 버언 공정을 2분간 실시하는 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 두 번째 버언 공정을 1분간 실시하는 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 습식 산화막을 성장시키는 단계의 온도가 800℃ 내지 900℃ 인 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 습식 산화막을 성장시키는 단계에서 상기 제2질소 가스가 분당 5ℓ 내지 15ℓ 정도인 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 습식 산화막을 성장시키는 단계에서 상기 산소 가스가 분당 2ℓ 내지 5ℓ 정도인 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 습식 산화막을 성장시키는 단계에서 상기 수소 가스가 분당 3ℓ 내지 8ℓ 정도인 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 제1질소 가스 및 제2질소 가스가 질소, 헬륨, 아르곤 또는 그중 어느 것과 혼합된 불활성 가스 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 박막의 산화막 형성 방법.
  13. 제1질소 가스와 제2질소 가스를 흘리면서 웨이퍼를 반응로에 인입시키는 단계;
    상기 반응로에 상기 제1질소 가스와 제2질소 가스 그리고 산소 가스를 흘리면서 제1온도 안정화 공정을 진행하는 단계;
    상기 제1질소 가스, 제2질소 가스 및 산소 가스를 흘리면서 상기 반응로의 온도를 첫 번째 온도에서 두 번째 온도로 상승시키는 단계;
    상기 제1질소 가스, 제2질소 가스 및 산소 가스를 흘리면서 상기 상승된 두 번째 온도를 안정화시키는 단계;
    상기 제2질소 가스, 산소 가스와 수소 가스를 흘리면서 상기 웨이퍼에 습식 산화막을 성장시키는 단계;
    상기 제1질소 가스와 제2질소 가스를 흘리면서 제3온도 안정화 공정을 진행하는 단계;
    상기 제1질소 가스와 제2질소 가스를 흘리면서 상기 반응로의 온도를 하강시키는 단계; 및
    상기 제1질소 가스와 제2질소 가스가 흐르는 상태에서 상기 반응로에 있는 상기 웨이퍼를 언로딩 하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 제1질소 가스는 상기 반응로의 버너를 통하여 인입되고, 상기 제2질소 가스는 상기 반응로의 헤드로 인입되는 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 온도를 상승시키는 단계에서 상기 제1질소 가스와 제2질소 가스가 각각 분당 5ℓ 내지 10ℓ 정도 흘리면서 실시하는 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
  16. 제 13항에 있어서, 상기 두 번째 온도로 상승시키는 단계에서 분당 0.5ℓ의 산소 가스를 상기 반응로에 흘리면서 820℃ 내지 900℃ 정도 온도 상승 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
  17. 제 13항에 있어서, 상기 습식 산화막을 성장시키는 단계가
    (1) 상기 반응로에 분당 10ℓ 정도의 제2질소 가스를 흘리는 동시에 분당 3ℓ 정도의 산소 가스를 흘리면서 첫 번째 버언 공정을 실시하는 단계; 및
    (2) 상기 반응로에 분당 10ℓ 정도의 제2질소 가스, 분당 3ℓ 정도의 산소 가스 및 분당 3ℓ 정도의 수소 가스를 흘리면서 두 번째 버언 공정을 실시하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 첫 번째 버언 공정을 2분간 실시하는 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 두 번째 버언 공정을 1분간 실시하는 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
  20. 제 13항에 있어서, 상기 습식 산화막을 성장시키는 단계의 온도가 800℃ 내지 900℃ 인 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
  21. 제 13항에 있어서, 상기 습식 산화막을 성장시키는 단계에서 상기 제2질소 가스가 분당 5ℓ 내지 15ℓ 정도인 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
  22. 제 13항에 있어서, 상기 습식 산화막을 성장시키는 단계에서 상기 산소 가스가 분당 2ℓ 내지 5ℓ 정도인 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
  23. 제 13항에 있어서, 상기 습식 산화막을 성장시키는 단계에서 상기 수소 가스가 분당 3ℓ 내지 8ℓ 정도인 것을 특징으로 하는 습식 산화를 이용한 박막의 산화막 형성 방법.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100390952B1 (ko) * 2000-06-28 2003-07-10 주식회사 하이닉스반도체 커패시터 제조 방법
US6777308B2 (en) 2002-05-17 2004-08-17 Micron Technology, Inc. Method of improving HDP fill process
US20050118802A1 (en) * 2003-12-02 2005-06-02 Chang-Sheng Tsao Method for implementing poly pre-doping in deep sub-micron process
JP5098294B2 (ja) * 2006-10-30 2012-12-12 株式会社デンソー 炭化珪素半導体装置の製造方法
JP5098295B2 (ja) * 2006-10-30 2012-12-12 株式会社デンソー 炭化珪素半導体装置の製造方法
US8222688B1 (en) 2009-04-24 2012-07-17 Cypress Semiconductor Corporation SONOS stack with split nitride memory layer
MY188961A (en) * 2013-07-01 2022-01-14 Solexel Inc High-throughput thermal processing methods for producing high-efficiency crystalline silicon solar cells
CN111952153B (zh) * 2020-08-21 2023-08-22 浙江晶科能源有限公司 隧穿氧化层的制备方法、太阳能电池及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100687410B1 (ko) * 2005-12-28 2007-02-26 동부일렉트로닉스 주식회사 반도체 소자의 게이트 산화막 형성방법

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