KR100307343B1 - A novel process to form reliable ultra-thin gate dielectric for advanced integrated circuit - Google Patents
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Abstract
본 명세서에는 실리콘 게이트 전계 효과 트랜지스터(silicon gate field effect transistor)에 사용되는 게이트 유전층을 제조하는 공정이 개시되고 있다. 게이트 유전체 층은 SiO2로 성장된 제 1 층, 실리콘 질화물이 증착된 제 2 층 및 SiO2가 증착된 제 3층의 복합층(composite)이다. 복합 게이트 유전체 층(composite gate dielectric) 내에 존재하는 실리콘 질화물(nitride silicon)은 붕소 도핑(boron doped)된 폴리 게이트(poly gate)로부터 채널(channel)로의 붕소 확산을 방해하며, 이에 따라 재생 가능한 게이트 임계 전압(threshold voltage)이 발생된다. 이 층들은 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) 반응기 내에서 인시튜(in-situ)로 형성된다. 이 증착된 층들은 남아있는 수소를 제거하기 위해 어닐링(annealing)되며, 이에 따라 게이트 유전체 층 내에서의 트랩 밀도(trap density)가 감소된다.Disclosed herein is a process for fabricating a gate dielectric layer for use in silicon gate field effect transistors. The gate dielectric layer is a composite of a first layer grown with SiO 2 , a second layer deposited with silicon nitride, and a third layer deposited with SiO 2 . Nitride silicon present in the composite gate dielectric interferes with the diffusion of boron from the boron doped poly gate to the channel, thus reproducing the gate threshold. A threshold voltage is generated. These layers are formed in-situ in a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) reactor. These deposited layers are annealed to remove the remaining hydrogen, thereby reducing the trap density in the gate dielectric layer.
Description
본 발명은 전계 효과 디바이스(field effect device)를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히, 실리콘 게이트 트랜지스터(silicon gate transistor) 용의 게이트 유전체(gate dielectric)를 생성하는 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method of manufacturing a field effect device, and more particularly, to a method of producing a gate dielectric for a silicon gate transistor.
1970 년대 초반에 실리콘 게이트 전계 효과 트랜지스터(silicon gate field effect transistor)를 시판한 이래, 채널 영역(channel region) 내에 있는 실리콘 기판 상에 SiO2층을 성장시키며, 성장된 산화물 층 상에 폴리실리콘을 증착함으로써 전계 효과 디바이스 용의 게이트 유전체가 제조되어 왔다. 본 기술 분야의 종사자들은 게이트 유전체를 형성하기 위한 다수의 대안적인 방법들을 사용했지만, SiO2가 성장된 유전체 층은 대체로 성장된 산화물과 실리콘 기판 사이의 계면(interface)의 특성 때문에 변함없이 우수한 유전체가 될 것이라는 것이 입증되었다. 이 계면에서의 저밀도의 표면 상태(low density of surface state)는 다른 유전체 재료를 사용하여 만족시키기에는 어려웠던 매력적인 특성이다. 산화물 층이 성장된 이후에, 후속의 처리 단계들에서의 잠재적인 오염의 영향으로부터 산화 실리콘 기판의 계면을 효과적으로 밀봉(seal)시키는 폴리실리콘 게이트 전극(electrode)이 바로 증착되기 때문에, 저밀도의 표면 상태는 일부에 국한된다.Since the commercialization of silicon gate field effect transistors in the early 1970s, SiO 2 layers were grown on silicon substrates in the channel region and polysilicon was deposited on the grown oxide layers. As a result, gate dielectrics for field effect devices have been manufactured. Workers in the art have used a number of alternative methods for forming gate dielectrics, but dielectric layers grown with SiO 2 generally have a consistently superior dielectric due to the nature of the interface between the grown oxide and the silicon substrate. Proved to be. The low density of surface state at this interface is an attractive feature that has been difficult to satisfy with other dielectric materials. After the oxide layer has been grown, a low density surface state is deposited because a polysilicon gate electrode is deposited immediately which effectively seals the interface of the silicon oxide substrate from the effects of potential contamination in subsequent processing steps. Is limited to some.
다수의 복합 유전체 층(composite dielectric layer), 특히, SiO2/Si3N4이 사용되었지만, 이들 복합물을 형성하는데 사용된 준비 기법(preparation techonology)은 전형적으로 계면의 품질을 저하시키며, 산화물-질화물 계면(oxide-nitride interface)에서의 전하 트래핑(charge trapping)에 의한 게이트 전압 히스테리시스(gate voltage hysteresis)를 발생시킨다. 비휘발성 메모리(non-volatile memory) 장치는 이 전하 저장 메카니즘(mechanism)을 이용하여 개발되었지만, 표준 DRAM(dynamic random access memory) 또는 SRAM(static random access memory) 및 논리 장치(logic device)에서, 복합 게이트 유전체는 질화물 박막의 전하 트래핑 특성으로 인하여, 일반적으로 꺼려져 왔다.Although many composite dielectric layers, in particular SiO 2 / Si 3 N 4 , have been used, the preparation techniques used to form these composites typically degrade the quality of the interface, and oxide-nitrides Gate voltage hysteresis is caused by charge trapping at the oxide-nitride interface. Non-volatile memory devices have been developed using this charge storage mechanism, but in standard dynamic random access memory (DRAM) or static random access memory (SRAM) and logic devices, Gate dielectrics have been generally turned off due to the charge trapping properties of nitride thin films.
실리콘 게이트 전계 효과 디바이스(silicon gate field effect device) 용의 복합 SiO2/Si3N4/SiO2게이트 유전체(composite gate dielectric)를 제조하기 위한 소정의 기법이 개발되어 왔다. 이 복합 산화물-질화물 유전체는 전기적으로 동종 성장(homogeneous grown) 산화물 층(oxide layer)으로 동작하지만, 주어진 두께에비하여 보다 높은 유전체 상수(dielectric constant)의 부가적인 장점을 가지며, 또한 붕소 도핑된(boron doped) 폴리실리콘 게이트로부터 게이트 유전체를 통과하는 붕소 확산을 효과적으로 차단한다. 이 기법의 중요한 특징은, SiO2/Si3N4층들과 SiO2층과 실리콘 기판 사이의 계면의 품질이, 복합물의 모든 층을 인시튜(in-situ)로 처리하고 남아있는 수소를 제거하기 위해 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) 침착층을 사후 어닐링함으로써 유지된다는 것이다. 남아있는 수소(residual hydrogen)는 트래핑 영역(trapping site)을 형성하는 복합층 내에서 댕글링(dangling) Si-H 결합(bond)들을 발생시킨다. 이들 Si-H 결합은 실란(silane) 또는 디실란(disilane) 및 암모니아 전구 물질(ammonia precursor)을 사용하는 LPCVD의 처리 특성이 된다.Certain techniques have been developed for producing composite SiO 2 / Si 3 N 4 / SiO 2 gate dielectrics for silicon gate field effect devices. This composite oxide-nitride dielectric acts as an electrically homogeneous grown oxide layer, but has the added advantage of higher dielectric constant for a given thickness, and is also boron-doped. doped) effectively blocks boron diffusion from the polysilicon gate through the gate dielectric. An important feature of this technique is that the quality of the interface between the SiO 2 / Si 3 N 4 layers and the SiO 2 layer and the silicon substrate is such that all layers of the composite are treated in-situ and the remaining hydrogen is removed. This is maintained by post annealing the low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) deposition layer. Residual hydrogen generates dangling Si—H bonds in the composite layer forming the trapping site. These Si-H bonds become processing characteristics of LPCVD using silane or disilane and ammonia precursors.
도 1은 본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 복합 게이트 유전체 층을 도시하는 전형적인 전계 효과 트랜지스터의 게이트 영역의 개략도,1 is a schematic diagram of a gate region of a typical field effect transistor showing a composite gate dielectric layer fabricated in accordance with the fabrication method of the present invention;
도 2는 도 1의 전계 효과 트랜지스터에 대해 추가적인 처리 단계들을 수행한 후의 개략도,2 is a schematic diagram after performing additional processing steps for the field effect transistor of FIG.
도 3 내지 도 6은 도 1의 복합 게이트 유전체 층을 형성하기 위한 공정 순서의 개략도,3-6 are schematic diagrams of process sequences for forming the composite gate dielectric layer of FIG. 1,
도 7은 본 발명에 따라 처리된 트랜지스터의 전압에 대한 구동 전류 및 게이트 누설 전류를, 표준 게이트 유전체 층을 갖는 트랜지스터의 경우와 비교하여 도시한 도면,7 shows the drive current and gate leakage current for the voltage of a transistor processed according to the present invention in comparison to the case of a transistor having a standard gate dielectric layer,
도 8은 전압에 대한 트랜스 콘덕턴스를 비교 도시한 도면,8 shows a comparison of transconductance with respect to voltage;
도 9는 트랜지스터 수명을 비교 도시한 도면.9 shows a comparison of transistor lifetimes.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
11 : 기판 12 : 필드 산화물11: substrate 12: field oxide
13 : SiO2성장층 14 : Si3N4증착층13: SiO 2 growth layer 14: Si 3 N 4 deposition layer
15 : SiO2증착층 16 : 폴리실리콘 게이트층15 SiO 2 deposited layer 16 polysilicon gate layer
17 : 폴리실리콘 게이트 18 : 소스17 polysilicon gate 18 source
19 : 드레인19: drain
도 1을 참조하면, 실리콘 기판(11)은 통상적인 방법으로 형성된 필드 산화물(field oxide)(12)과 함께 도시된다. 다음의 공정 순서에서 복합 게이트 유전층(composite gate dielectric layer)을 형성한다. 이 복합 유전체 층은 SiO2성장층(13), Si3N4증착층(14) 및 SiO2증착층(15)을 포함한다. 복합 게이트 유전체 스택(stack)을 형성하는 데에 있어서, 이후에 설명되는 바와 같이, 총 세 개의 유전체 층은 하나의 순차적인 동작으로 증착된다. 완성된 스택은 고속 열적 어닐링(rapid thermal anneal) 공정으로 처리된다. 폴리실리콘 게이트층(polysilicongate layer)(16)은 게이트 유전체 스택(gate dielectric stack) 상에 증착된다.Referring to FIG. 1, a silicon substrate 11 is shown with field oxide 12 formed in a conventional manner. In the next process sequence, a composite gate dielectric layer is formed. This composite dielectric layer includes a SiO 2 growth layer 13, a Si 3 N 4 deposition layer 14, and a SiO 2 deposition layer 15. In forming a composite gate dielectric stack, as will be described later, a total of three dielectric layers are deposited in one sequential operation. The completed stack is processed in a rapid thermal anneal process. A polysilicongate layer 16 is deposited on the gate dielectric stack.
게이트 유전체 및 폴리실리콘 게이트 콘택트 층을 형성한 이후에, 이 디바이스는 통상적인 방법으로 완성된다. 도 2를 참조하면, 게이트 유전체 층은 마스크로서의 폴리실리콘 게이트(17)에 의해 소스 및 드레인 영역에서 에칭되어 도시된다. 소스 및 드레인(18, 19)은 통상적인 이온 주입(ion implantation) 방법에 의하여 형성된다. 이와는 달리, 유전체 층은 적절하게 남아 있을 수 있으며, 소스 및 드레인의 주입물은 주입 마스크(mask)로서의 폴리실리콘 게이트에 의해 유전체 층을 통해 주입된다. p-튜브(p-tub) 상의 n-채널 디바이스에 대하여 도펀트(dopant)는 비소 또는 인(arsenic or phosphorus)이며, 또한, 이 도펀트는 게이트 도전율(conductivity)을 향상시키도록 노출된 게이트 전극(gate electrode)에 주입된다. 이후에, 레벨간 유전체(도시되지 않음)가 증착되며, 소스 및 드레인 콘택트 창이 통상적인 리소그래피(lithography)에 의하여 개방된다. 다음에, 소스 및 드레인 콘택트 금속화 층이 증착되고 패턴화되어, 소스 및 드레인에 대한 콘택트를 형성하며, 이 콘택트는 도 2에 대략적으로 도면 참조 부호 21과 22로 도시된다.After forming the gate dielectric and polysilicon gate contact layers, the device is completed in a conventional manner. 2, the gate dielectric layer is shown etched in the source and drain regions by polysilicon gate 17 as a mask. Sources and drains 18 and 19 are formed by conventional ion implantation methods. Alternatively, the dielectric layer may remain appropriate and the implant of the source and drain is injected through the dielectric layer by a polysilicon gate as an injection mask. For an n-channel device on a p-tub, the dopant is arsenic or phosphorus, which also exposes the gate electrode exposed to improve gate conductivity. electrode). Thereafter, an interlevel dielectric (not shown) is deposited, and the source and drain contact windows are opened by conventional lithography. Next, the source and drain contact metallization layers are deposited and patterned to form contacts for the source and drain, which contacts are shown generally at 21 and 22 in FIG. 2.
본 발명의 방법에 있어서의 중요한 특징은 실리콘 게이트 구조체를 형성한다는 것이다. 이는 도 3 내지 도 6과 관련하여 보다 상세하게 설명될 것이다.An important feature of the method of the present invention is that it forms a silicon gate structure. This will be explained in more detail with reference to FIGS. 3 to 6.
도 3을 참조하면, 도면 참조 부호 31로 도시되는 실리콘 기판은 성장된 산화물 층(32)과 함께 도시된다. 이 공정 단계 및 이어지는 모든 공정 단계는 동일한 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) 로(furnace)에서 순차적으로 수행되는 한편, 기판을 감소된 압력 상태로, 즉 로(furnace)의 진공도를 깨트리지 않은 상태로 유지하여 복합층의 게이트 유전체를 형성한다. 설명상, 이와 같은 방법으로 생성된 층들을 "인시튜(in-situ)"로 형성된 것으로 규정한다.Referring to FIG. 3, a silicon substrate, shown at 31, is shown with a grown oxide layer 32. This process step and all subsequent process steps are performed sequentially in the same low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) furnace, while the substrate is at reduced pressure, ie without breaking the vacuum of the furnace. To form a gate dielectric of the composite layer. For illustrative purposes, the layers created in this manner are defined as being formed "in-situ".
LPCVD 공정 자체는 통상적인 것으로, 소정의 적절한 LPCVD 반응기(reactor) 내에서 수행될 수도 있다. LPCVD 공정의 요점은 전구 물질(precursor)의 화학 반응을 개시시켜, 기판 상에 박막 또는 층을 형성하는 가열 공정과 저압 공정을 사용하는데 있다. 최초 산화물 층의 형성을 위해 실리콘 기판은 로 내에 장착되고, 대기는 1 Torr 미만, 가령 50-950 mTorr의 압력으로 펌핑(pumping)된다. 산화물 성장을 위한 대기는 임의의 적절한 산화 가스, 예를 들어 O2, NO, N2O일 수 있다. 이 산화 기체는 전형적으로 불활성 캐리어 가스(inert carrier gas)인 N2, Ar 또는 He과 함께 로 내부로 유입된다. 로의 온도는 전형적으로 500-850 ℃이며, 성장 속도(growth rate)는 선택된 특정의 상태에 좌우된다. 성장 공정은 통상적인 것으로, 당업자라면 적절한 상태를 잘 알 수 있을 것이다.The LPCVD process itself is conventional and may be performed in any suitable LPCVD reactor. The point of the LPCVD process is to use a heating process and a low pressure process to initiate the chemical reaction of precursors to form a thin film or layer on the substrate. The silicon substrate is mounted in the furnace to form the original oxide layer, and the atmosphere is pumped to a pressure of less than 1 Torr, for example 50-950 mTorr. The atmosphere for oxide growth can be any suitable oxidizing gas, for example O 2 , NO, N 2 O. This oxidizing gas is introduced into the furnace with N 2 , Ar or He, which is typically an inert carrier gas. The temperature of the furnace is typically 500-850 ° C., and the growth rate depends on the particular condition chosen. The growth process is conventional, and those skilled in the art will be well aware of the appropriate state.
도 4의 도면 참조 부호 33으로 도시된 Si3N4층은 이후 인시튜로 순차적으로 증착된다. 필요하다면, 압력 및 온도가 조절된다. 전형적으로 Si3N4는 성장된 산화물 층(32)보다 높은 압력, 가령 10-500 mTorr하에서 그리고, 보다 높은 온도, 가령 600-900 ℃의 온도에서 증착된다. 실리콘 질화물 증착을 위한 대기는 SiH4, SiH2Cl2등과 같은 실란(silane)과 혼합되는 N2, 또는 NH3를 포함한다. 바람직한복합물(mixture)은 암모니아와 이염화실란(dichlorosilane)이다.The Si 3 N 4 layer shown at 33 in FIG. 4 is subsequently deposited sequentially in situ. If necessary, the pressure and temperature are adjusted. Typically Si 3 N 4 is deposited at a higher pressure than grown oxide layer 32, such as 10-500 mTorr, and at a higher temperature, such as 600-900 ° C. The atmosphere for silicon nitride deposition includes N 2 , or NH 3 mixed with silanes such as SiH 4 , SiH 2 Cl 2, and the like. Preferred mixtures are ammonia and dichlorosilane.
도 5를 참조하면, 이 산화물 층(34)은 질화물 층(nitride layer)(33) 상에 증착된다. SiO2를 증착하기 위해 다양한 선택들이 행해질 수 있다. 일반적으로, TEOS(tetraethoxysilane)가 사용된다. 바람직한 선택은 N2O와 SiH2Cl2이며, 이는 본 명세서에 개시되는 인시튜 공정 순서와 특히 양립할 수 있다.Referring to FIG. 5, this oxide layer 34 is deposited on a nitride layer 33. Various choices can be made to deposit SiO 2 . Generally, tetraethoxysilane (TEOS) is used. Preferred choices are N 2 O and SiH 2 Cl 2 , which are particularly compatible with the in-situ process sequence disclosed herein.
상기 설명된 층들이 생성된 이후에, 유전체 스택은 LPCVD 층에 남아있는 수소를 제거하기 위해 어닐링된다. 실란 및 암모니아를 전구 기체로서 사용하는 LPCVD 공정에서는 상당한 양의 수소를 함유하며, 게이트 유전체에 남아있는 수소는 캐리어들을 트래핑하여, 게이트 임계치(gate threshold)(VT)를 변화시킨다. 이 공정 순서의 스테이지(stage)에서 남아있는 수소를 제거하는 것은 이러한 공정에서 중요하다. 어닐링은 불활성 기체 대기 상태에서 동일한 LPCVD 로(furnace)에서 수행되며, 불활성 기체는 바람직하게는 하나 이상의 이전 단계에서 사용되었던 캐리어 가스이다. 이 어닐링은 5 초 내지 5 분 동안 800-1000℃의 온도로 행해진다. 또한, 이 어닐링은 층의 다공성(porocity) 및 처리시의 오염 가능성을 감소시킨다.After the layers described above have been created, the dielectric stack is annealed to remove hydrogen remaining in the LPCVD layer. LPCVD processes using silane and ammonia as precursor gases contain a significant amount of hydrogen, and the hydrogen remaining in the gate dielectric traps carriers, changing the gate threshold (VT). It is important for this process to remove the hydrogen remaining at the stage of this process sequence. Annealing is carried out in the same LPCVD furnace in an inert gas atmosphere, where the inert gas is preferably the carrier gas that has been used in one or more previous steps. This annealing is carried out at a temperature of 800-1000 ° C. for 5 seconds to 5 minutes. This annealing also reduces the porosity of the layer and the potential for contamination during processing.
이 게이트 유전체 스택을 완성한 후에, 폴리실리콘 게이트층(35)은 도 6에 도시된 바와 같이 잘 알려진 기술을 사용하여 증착된다. 예를 들어, 전구 기체로서 SiH4및 H2와 함께 LPCVD 및 CVD(chemical vapor deposition)가 사용될 수 있다. 폴리실리콘층은 증발(evaporate) 또는 스퍼터링(sputtering)될 수 있다.After completing this gate dielectric stack, the polysilicon gate layer 35 is deposited using well known techniques as shown in FIG. For example, LPCVD and chemical vapor deposition (CVD) can be used with SiH 4 and H 2 as precursor gases. The polysilicon layer may be evaporated or sputtered.
게이트 유전체의 전체 두께는 매우 얇으며, 전형적으로, 현재의 기술 수준에서는 10 내지 50 옹스트롬(angstrom)이다. 이와 같은 이유로 인하여 이들 디바이스들은 게이트 유전체를 통해 n-채널로의 도펀트의 침투에 영향을 받기 쉬우며, 이에 따라, 게이트 임계 전압이 변화되고 Si/SiO2계면의 질이 저하된다. 실리콘 질화물층은 붕소 확산에 대한 장벽(barrier)으로 동작하므로 공정의 제조 수율(manufacturing yield)을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 복합층에서 바람직한 두께는 SiO2성장층은 3-20 옹스트롬이고, Si3N4증착층은 4-50 옹스트롬이며, SiO2증착층은 3-20 옹스트롬이다. 유전체 스택의 전체 두께는 10-90 옹스트롬 사이에 있으며, 바람직하게는 10-50 옹스트롬이다. 정확한 두께는 디바이스 기술 필요 조건에 좌우된다.The overall thickness of the gate dielectric is very thin and is typically 10 to 50 angstroms at the current state of the art. For these reasons, these devices are susceptible to the penetration of dopants through the gate dielectric into the n-channel, thereby changing the gate threshold voltage and degrading the quality of the Si / SiO 2 interface. The silicon nitride layer acts as a barrier to boron diffusion, thereby improving the manufacturing yield of the process. In the composite layer of the present invention, the preferred thickness of the SiO 2 growth layer is 3-20 angstroms, the Si 3 N 4 deposition layer is 4-50 angstroms, and the SiO 2 deposition layer is 3-20 angstroms. The overall thickness of the dielectric stack is between 10-90 angstroms, preferably 10-50 angstroms. The exact thickness depends on the device technical requirements.
본 발명의 복합 유전체 층의 제조 방법은 아래의 단계 순서에 따라 설명된다.The method for producing the composite dielectric layer of the present invention is described according to the following sequence of steps.
실리콘 기판은 통상적인 LPCVD 로(furnace)에 위치되고, 로는 800℃로 가열되며, 900 mTorr의 압력으로 낮추어진다. 산화 가스는 산소 유동 속도(flow late)가 1.9 slm인 질소 반송 가스 내의 산소이다. 성장은 10 옹스트롬의 두께를 갖는 산화물 층을 제조하기 위해 60 분 동안 진행된다.The silicon substrate is placed in a conventional LPCVD furnace, the furnace is heated to 800 ° C. and lowered to a pressure of 900 mTorr. The oxidizing gas is oxygen in a nitrogen carrier gas having an oxygen flow late of 1.9 slm. Growth proceeds for 60 minutes to produce an oxide layer with a thickness of 10 angstroms.
이후에 바로, 로 내의 압력은 65 mTorr로 조정되며, 로의 온도는 750℃로 조정된다. 암모니아와 이염화실란을 각각 22.5 sccm와 7.5 sccm으로 상기 로 내로 흐르게 함으로써, SiO2성장층 상에 실리콘 질화물 층이 증착된다. 이 증착은 20옹스트롬의 두께를 갖는 실리콘 질화물 층을 제조하기 위해 10분 동안 진행된다.Immediately thereafter, the pressure in the furnace is adjusted to 65 mTorr and the temperature of the furnace is adjusted to 750 ° C. A silicon nitride layer is deposited on the SiO 2 growth layer by flowing ammonia and dichlorosilane into the furnace at 22.5 sccm and 7.5 sccm, respectively. This deposition proceeds for 10 minutes to produce a silicon nitride layer having a thickness of 20 angstroms.
질화물 증착에 후속하여 로 온도 및 압력은 이전 단계의 상태로 유지되며, N2O와 SiH2Cl2를 각각 15 sccm과 7.5 sccm으로 로 내로 흐르게 함으로써 실리콘 질화물층 상에 SiO2층이 증착된다. 이 증착은 10 옹스트롬의 두께를 갖는 SiO2층을 증착하기 위해 10분 동안 진행된다.Following nitride deposition, the furnace temperature and pressure are maintained at the previous stages, and a SiO 2 layer is deposited on the silicon nitride layer by flowing N 2 O and SiH 2 Cl 2 into the furnace at 15 sccm and 7.5 sccm, respectively. This deposition proceeds for 10 minutes to deposit a SiO 2 layer having a thickness of 10 Angstroms.
복합 유전체 스택은 N2내에서 900℃로 30 초 동안 어닐링된다. 온도는 50 ℃/min의 비율로 증가한다. 이 증가 기간을 포함하는 전체 어닐링 시간은 7분이다. 일반적으로 온도는 적어도 25 ℃/min의 비율로 증가하여 800-1100℃의 범위로 5초에서 5분 동안 유지되는 것이 바람직하며, 어닐링 시간이 짧을수록 어닐링 온도는 높아진다. 어닐링에 사용되는 대기는 불활성 가스이거나, 희박한 농도를 갖는 산화성 가스일 수 있다. 후자의 경우에, 실리콘 기판은 매우 조금 산화될 것이며, 이는 성장된 산화물 층의 두께를 증가시킬 것이다. 전술한 일반적인 조건의 경우, 추가적인 두께는 전형적으로 수 옹스트롬이 되지만, 추가적인 두께는 전체 공정 설계에서 분해되어 버릴 수도 있다.The composite dielectric stack is annealed at 900 ° C. for 30 seconds in N 2 . The temperature increases at a rate of 50 ° C./min. The total annealing time including this increase period is 7 minutes. In general, the temperature is increased at a rate of at least 25 ℃ / min is preferably maintained for 5 seconds to 5 minutes in the range of 800-1100 ℃, the shorter the annealing time the higher the annealing temperature. The atmosphere used for annealing can be an inert gas or an oxidizing gas with a sparse concentration. In the latter case, the silicon substrate will be very slightly oxidized, which will increase the thickness of the grown oxide layer. For the general conditions described above, the additional thickness is typically a few angstroms, but the additional thickness may break down in the overall process design.
전기적인 성능은 본 발명에 따른 복합 게이트 유전체를 갖는 MOS 디바이스와 표준 SiO2게이트 유전체를 갖는 MOS 디바이스의 전기적인 데이터를 비교함으로써 설명된다. 편의상, 30 옹스트롬의 산화물-질화물-산화물(ONO)의 복합 게이트 유전체(oxide-nitride-oxide composite gate dielectric)를 갖는 디바이스와 40 옹스트롬의 SiO2(O) 게이트 유전체를 갖는 디바이스를 비교한다. 그러나, 도시된 바와 같이, 몇몇 시험에서 게이트 유전체가 보다 두껍기 때문에, 일반적으로 40 옹스트롬의 게이트 유전체가 보다 우수한 성능을 나타낼 것으로 기대되지만, 복합물 게이트 유전체의 향상된 품질로 인하여 성능 데이터는 적어도 동일한 결과를 나타내고 있다.Electrical performance is described by comparing the electrical data of a MOS device with a composite gate dielectric according to the present invention and a MOS device with a standard SiO 2 gate dielectric. For convenience, a device having an oxide-nitride-oxide composite gate dielectric of 30 Angstroms and a device having a 40 Angstrom SiO 2 (O) gate dielectric is compared. However, as shown, since the gate dielectric is thicker in some tests, a gate dielectric of 40 angstroms is generally expected to show better performance, but due to the improved quality of the composite gate dielectric, the performance data shows at least the same result. have.
도 7은 전압에 따른 게이트 구동 전류(ID)와 게이트 누설 전류(IG)를 도시하고 있다. 곡선(71)은 ID데이터를 나타내며, 곡선(72)은 IG데이터를 나타낸다. 이 경우에 있어서 트랜지스터는 0.24 ㎛ x 15 ㎛의 치수의 채널을 가지고 있다. VDS는 1.8 볼트이다. 점선 곡선은 40 옹스트롬의 SiO2(O) 게이트 유전체의 성능 데이터를 나타내며, 실선은 본 발명에 따라 도시된 30 옹스트롬의 복합(ONO) 게이트 유전체를 나타낸다. 1.8 볼트에서의 포화 전류(ID)는 ONO 디바이스에서 0.402 mA/㎛이며, O 디바이스에서는 0.381 mA/㎛이다. 측정된 임계 전압(VT)은 ONO 디바이스에서 0.47 볼트이고, O 디바이스에서는 0.48 볼트이다. 오프(off) 상태에서의 전류(Ioff)는 ONO 디바이스에서 2.4 pA/㎛이며, O 디바이스에서는 3.4 pA/㎛이다. 피크 트랜스콘덕턴스(peak transconductance)는 ONO 디바이스에서 374 mS/mm이고, O 디바이스에서는 345 mS/mm이며, S는 두 디바이스에 대하여 78로서 동일하다.FIG. 7 illustrates the gate driving current I D and the gate leakage current I G according to the voltage. Curve 71 represents I D data and curve 72 represents I G data. In this case the transistor has a channel dimension of 0.24 μm × 15 μm. V DS is 1.8 volts. The dashed curve represents the performance data of a 40 Angstrom SiO 2 (O) gate dielectric and the solid line represents the 30 Angstrom composite (ONO) gate dielectric shown in accordance with the present invention. Saturation current (I D ) at 1.8 volts is 0.402 mA / μm for ONO devices and 0.381 mA / μm for O devices. The measured threshold voltage (V T ) is 0.47 volts for ONO devices and 0.48 volts for O devices. The current I off in the off state is 2.4 pA / μm in the ONO device and 3.4 pA / μm in the O device. Peak transconductance is 374 mS / mm for ONO devices, 345 mS / mm for O devices, and S is equal to 78 for both devices.
도 8은 ONO 디바이스(실선 곡선)와 O 디바이스(점선 곡선)를 비교한 트랜스콘덕턴스(gm(S)) 대 VGS(V)의 도면이다. 곡선(81)은 NMOS 소자에 대한 것이며, 곡선(82)은 PMOS 소자에 대한 것이다.8 is a diagram of transconductance (g m (S)) vs. V GS (V) comparing an ONO device (solid curve) and an O device (dashed curve). Curve 81 is for the NMOS device and curve 82 is for the PMOS device.
도 9에는 NMOS DC 수명 대 기판 전류(Isus)(A)의 관계로 디바이스 수명 데이터가 도시되고 있다. 디바이스는 4 볼트에서 스트레스를 받는다. 또한, ONO 디바이스의 데이터는 실선 곡선으로 도시되며, O 디바이스의 데이터는 점선 곡선으로 도시되고 있다. 곡선(91)은 gm에서 10% 저하된 것으로 측정된 데이터를 나타내고, 곡선(92)은 ID-sat에서 저하된 것으로 측정된 데이터를 나타낸다. 1.8 볼트에서의 디바이스 동작 수명은 8.2 x 104년이다.9 shows device lifetime data in relation to NMOS DC lifetime versus substrate current I sus (A). The device is stressed at 4 volts. In addition, the data of the ONO device is shown by the solid line curve, and the data of the O device is shown by the dotted line curve. Curve 91 represents data measured to be 10% lower in g m and curve 92 represents data measured to be lower in I D-sat . Device operating life at 1.8 volts is 8.2 x 10 4 years.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 두께에 비하여 높은 유전체 상수를 갖고, 붕소 도핑된 폴리실리콘 게이트로부터 게이트 유전체를 통과하는 붕소 확산을 효과적으로 차단하며, 복합물의 모든 층을 인시튜로 처리하고 LPCVD 층을 어닐링하여 나머지 수소를 제거함으로써 SiO2/Si3N4층들과, SiO2층과 실리콘 기판 사이의 계면의 질을 보존하는 효과가 있다.As described above, the present invention has a high dielectric constant for the thickness, effectively blocks boron diffusion from the boron doped polysilicon gate through the gate dielectric, treats all layers of the composite in situ and anneales the LPCVD layer. By removing the remaining hydrogen, the quality of the interface between the SiO 2 / Si 3 N 4 layers and the SiO 2 layer and the silicon substrate is preserved.
당업자라면 본 발명의 다양한 추가적인 변형 실시예를 알 수 있을 것이다. 본 명세서의 특정 설명으로부터 본 기술의 기본적인 원리 및 이에 상응하는 원리에 기본적으로 의존하는 모든 변형예들은 본 발명의 범주 내의 것으로 간주된다.Those skilled in the art will recognize various additional modifications of the invention. All variations that basically rely on the basic principles of the present technology and corresponding principles from the specific description herein are considered to be within the scope of the present invention.
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