KR100398037B1 - 플래쉬 메모리 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플래쉬 메모리 제조 방법에 관한 것으로서, 도프트 폴리실리콘(doped Poly Si)과 WSix의 적층구조로 컨트롤 게이트가 형성된 소정의 반도체 기판 상부에 도프트 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘의 보호층을 형성한 후, 후속공정시 보호층의 소정 부위까지만 식각하여 콘택홀을 형성함으로써, WSix가 노출되어 소정 부위가 산화되는 것을 방지할 수 있는 플래쉬 메모리 제조 방법을 제공함에 있다.
Description
본 발명은 플래쉬 메모리 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 도프트 폴리실리콘(doped Poly Si)과 WSix의 적층구조로 컨트롤 게이트가 형성된 소정의 반도체 기판 상부에 도프트 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘의 보호층을 형성한 후, 후속공정시 보호층의 소정 부위까지만 식각하여 콘택홀을 형성함으로써, WSix가 노출되어 소정 부위가 산화되는 것을 방지할 수 있는 플래쉬 메모리 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 사용되는 플래쉬(Flash) 소자는 크게 도프트 폴리실리콘(doped Poly Si)과 WSix의 적층구조로 형성된 컨트롤 게이트(control gate)와, 상부 금속라인과, 소자 동작전압을 부여하기 위해 컨트롤 게이트와 상부 금속라인을 접속하기 위한 콘택플러그가 형성된 구조가 많이 사용된다.
플래쉬 소자의 제조 방법을 간략하게 설명하면, 우선 도프트 폴리실리콘(doped Poly Si)과 WSix의 적층구조로 컨트롤 게이트가 형성된 소정의 반도체 기판 상부에 비반사층 및 절연층이 순서적으로 증착된 후, 소정의 식각공정에 의해 패터닝되어 WSix가 노출되도록 콘택홀이 형성된다. 이어서, 콘택홀을 포함한 전체 구조 상부에 확산방지막이 형성된 후, 콘택홀을 메우도록 텅스텐 플러그로써 콘택홀을 메우게 된다. 이후, 전체 구조 상부에 금속라인 및 베리어층이 순차적으로 증착된 후, 패터닝되어 형성된다.
그러나, 콘택홀을 형성시, 소정의 식각공정에 의해 WSix의 상부표면의 소정 부분이 산소에 노출되게 되는데, 이 노출된 WSix의 소정 부위와 산소가 반응하여 WSix의 상부표면에 WO3또는 WO와 같은 텅스텐 산화물이 생성된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 콘택홀 형성시, 이루어지는 소정의 식각공정에 의해 확산방지막과 WSix층 사이에 텅스텐 산화물이 형성된다.
이 텅스텐 산화물은 후속공정에 의해 그 두께가 증가하여 WSix와 확산방지막 사이에 잔재하게 된다. 이로 인해, WSix와 확산방지막간의 콘택저항이 증가하게 되어 소자의 동작속도가 감소하는 문제가 도출된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 0.18㎛ 이상의 고집적 플래쉬소자에서는 WSix내부에 갈라짐(seam)이 발생하여 컨트롤 게이트의 Rs를 증가시키는 원인이 된다. 이 갈라짐은 WSix 형성 후, 하부 모폴로지(mophology)에 따른 WSix 증착방향(혹은 결정성장 방향) 차이에 의해 서로 다른 결정성장 방향이 만나게 되는 부위가 취약해져 후속 셀 사이드 벽 보강작업의 일환인 고온 산화막 형성 공정시 산소에 노출된 WSix의 취약한 성장계면이 산화하여 생성된다. 이로 인해 컨트롤 게이트의 단선을 유발시키는 문제점도 발생하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 콘택플러그가 형성될 콘태홀 형성시, 컨트롤 게이트의 소정 부위가 노출되는 것을 방지하기 위한 반도체 소자의 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 도프트 폴리실리콘과 WSix의 적층구조로 컨트롤 게이트가 형성된 소정의 반도체 기판 상부에 도프트 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘의 보호층을 형성한 후, 후속공정시 보호층의 소정 부위까지만 식각하여 콘택홀을 형성함으로써, WSix가 노출되어 소정 부위가 산화되는 것을 방지할 수 있는 플래쉬 메모리 제조 방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 플래쉬 메모리의 단면을 촬영한 TEM 사진.
도 2는 도 1에 도시된 WSix에 형성된 갈라짐(seam)을 촬영한 TEM 사진.
도 3(a) 내지 도 3(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플래쉬 메모리의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 플래쉬 메모리 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플래쉬 메모리의 단면을 촬영한 TEM 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 반도체 기판 2 : 실리콘층
3 : WSix 4 : 컨트롤 게이트
5 : 보호층 6 : 비반사층
7 : 절연층 8 : 콘택홀
9 : 제 1 금속보호막 10 : 콘택플러그
11 : 제 2 금속보호막 12 : 금속라인
13 : 제 3 금속보호막
본 발명은 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 컨트롤 게이트를 형성하는 단계와; 상기 컨트롤 게이트 상부에 보호층을 형성하는 단계와; 상기 보호층 상부에 비반사층을 형성하는 단계와; 상기 비반사층 상부에 절연층을 형성하는 단계와; 상기 보호층의 소정 부위가 노출되도록 콘택홀을 형성하는 단계와; 상기 콘택홀을 포함한 전체 구조 상부에 제 1 금속보호막을 형성하는 단계와; 상기 콘택홀을 메우기 위해 콘택플러그를 형성하는 단계와; 상기 콘택플러그 상부에 제 2 금속보호막을 형성하는 단계와; 상기 제 2 금속보호막을 포함한 전체 구조 상부에 금속라인을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3(a) 내지 도 3(c)는 본 발명의 일 실시`예에 따른 플래쉬 메모리 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 플래쉬 메모리의 단면도이다.
도 3(a)를 참조하면, 우선 소정의 반도체 기판(1) 상부에 도시되지 않은 터널 산화막, 플로팅 게이트가 증착된 후, 패터닝되어 형성된다.
반도체 기판(1)은 HF와 H2O가 50:1 또는 100:1의 비율로 혼합된 제 1 혼합용액과 NH4OH, H2O2및 H2O가 소정 비율로 혼합된 제 2 혼합용액이 소정 비율로 혼합된 세정용액에 의해 세정된다.
터널 산화막은 750∼800℃의 온도범위내에서 습식산화를 진행한 후, 900∼910℃의 온도범위와 N2의 기체분위기에서 20∼30분동안 열처리되어 형성된다.
플로팅 게이트는 550∼620℃의 온도범위와, 0.1∼3Torr의 압력과, SiH4또는 Si2H6와 같은 Si가스와 PH3가스분위기에서 500∼1500Å의 두께로 형성된다.
이후, 플로팅 게이트를 포함한 전체 구조 상부는 HF와 H2O가 50:1 또는 100:1의 비율로 혼합된 제 1 혼합용액과 NH4OH, H2O2및 H2O가 소정 비율로 혼합된 제 2 혼합용액이 소정 비율로 혼합된 세정용액에 의해 세정된다.
이후, 전체 구조 상부에 810∼850℃의 온도범위와, 0.1∼0.`5Torr의 압력과, TDDB(Time Dependent Dieletric Breakdown)특성이 좋은 SiH2Cl2와 N2O 가스를 소오스로 하여 HTO(Hot Temperature Oxide)의 제 1 유전체막(도시되지 않음)이 형성된다.
이어서, 제 1 유전체막 상부에는 NH3와 SiH2Cl2가 소정의 비율로 혼합된 가스분위기에서 제 2 유전체막(도시되지 않음)이 형성됨과 아울러, 810∼850℃의 온도범위와, 0.1∼0.5Torr의 압력과, TDDB(Time Dependent Dieletric Breakdown)특성이 좋은 SiH2Cl2와 N2O 가스를 소오스로 하여 HTO(Hot Temperature Oxide)의 제 3 유전체막(도시되지 않음)이 형성된다.
이후, 전체 구조 상부는 각 유전체막의 특성을 향상시킴과 아울러 계면특성을 강화하기 위해 습식산화방식으로 750∼790℃의 온도범위에서 증기를 이용해 열처리된다.
이후, 전체 구조 상부에 실리콘층(2)이 형성된다. 실리콘층(2)은 510∼550℃의 온도범위와, 0.1∼1Torr의 압력과, SiH4 또는 Si2H6와 같은 Si 가스와 PH3가스분위기에서 도프트 비정질 실리콘을 증착한 후, Si 가스분위기에서만 비정질 실리콘을 증착하여 도프트 비정질 실리콘과 비정질 실리콘이 5:1∼7:1의 비율로 500∼1000Å의 두께로 형성된다.
이후, 실리콘층(2)을 포함한 전체 구조 상부는 HF와 H2O가 소정 비유로 혼합된 제 1 혼합용액과 NH4F와 HF가 소정 비율로 혼합된 제 2 혼합용액이 소정 비율로 혼합된 세정용액에 의해 세정된다.
이후, 실리콘층(2)을 포함한 전체 구조 상부에 WSix(3)이 형성된다. WSix(3)는 낮은 F와, 낮은 포스트 어닐드 스트레스(post annealed stress)와, 좋은 접착강도를 갖는 SiH2Cl2와 WF6의 반응을 이용하여 300∼600℃의 온도범위에서 적절한 스텝 커버리지(step coverage)를 구현하며 Rs를 최소화 시킬 수 있는 화학양론적비 2.0∼2.8정도로 하여 500∼2000Å 정도의 두께로 형성된다.
이후, WSix(3)을 포함한 전체 구조 상부에 도프트 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘이 동일한 증착장비내에서 in-situ로 진행되거나 전처리 세정공정을 포함한 다른 증착장비내에서 ex-situ로 진행되어 보호층(5)이 형성된다.
도프트 비정질 실리콘을 in-situ로 증착할 경우, 보호층(5)은 550∼650℃의 온도범위와, 0.1∼3Torr의 압력과, Si2H6와 PH3가 1.0:1.5∼1.5:2.0의 비율로 혼합된 가스분위기 또는 SiH4와 PH3가 1.0:1.5∼1.5:2.0의 비율로 혼합된 가스분위기에서 200∼500Å의 두께로 형성된다.
도프트 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘을 ex-situ로 증착할 경우, 전처리공정으로 WSix(3) 증착후, 그 상부에 잔재하는 파티클(particle) 또는 자연산화막을 제거하기 위해 H2SO4와 H2O2가 소정 비율로 혼합된 세정용액, NH4OH, H2O2및 H2O가 소정 비율로 혼합된 세정용액, HF와 H2O가 소정 비율로 혼합된 세정용액 또는 NH4F와 HF가 소정 비율로 혼합된 세정용액을 이용한 세정공정이 이루어진다.
비정질 실리콘을 ex-situ로 증착할 경우, 보호층(5)은 460∼550℃의 온도범위와, 0.1∼3Torr의 압력과, Si가 100∼2000sccm정도 주입되고 PH3가 50∼200sccm정도 주입되어 Si2H6와 PH3가 소정의 비율로 혼합된 가스분위기 또는 SiH4와 PH3가 소정의 비율로 혼합된 가스분위기에서 200∼500Å의 두께로 형성된다.
이후, 보호층(5)을 포함한 전체 구조 상부는 H2SO4와 H2O2이 소정의 비율로 혼합된 세정용액을 이용하여 세정된다.
이후, 전체 구조 상부는 SiH4, N2O, N2또는 He를 이용하여 300∼1500Å의 두께로 비반사층(6)이 형성된다. 또한, 비반사층(6)은 낮은 반사율과 적절한 리프랙티브 인덱스(refractive index)를 가지는 SiOxNy박막이 300∼1500Å의 두께로 형성될 수 도 있다.
이후, 비반사층(6)을 포함한 전체 구조 상부에 TEOS 또는 DCS를 이용한 산화막이나 PSG, BPSG 또는 SOG의 산화막 계열 박막의 절연층(7)이 형성된다.
이후, 소정의 식각공정에 의해 보호층(5)의 소정 부위가 노출되도록 절연층(7) 및 비반사층(6)이 식각되어 콘택홀(8)이 형성된다.
이후, 콘택홀(8)을 포함한 전체 구조 상부는 HF와 H2O가 소정 비율로 혼합된 세정용액 또는 NH4F와 HF가 소정 비율로 혼합된 세정용액을 이용하여 세정된다.
도 3(b)를 참조하면, 전체 구조 상부에 Ti과 TiN 적층구조의 제 1 금속보호막(9)이 형성된다.
이후, 콘택홀(8)을 메우도록 W가 증착된 후, 패터닝되어 콘택플러그(10)가 형성됨과 아울러 콘택플러그(10)의 상부에는 Ti과 TiN 적층구조의 제 2금속보호막(11)이 형성된다.
도 3(c)를 참조하면, 오믹콘택층(11)을 포함한 전체 구조 상부에 Al의 금속라인(12)과, Ti과 TiN 적층구조의 제 3 금속보호막(13)이 순차적으로 형성된다.
전술한 바와 같이 본 발명은 도프트 폴리실리콘(doped Poly Si)과 WSix의 적층구조로 컨트롤 게이트가 형성된 소정의 반도체 기판 상부에 도프트 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘의 보호층이 형성된 후, 비반사층 및 절연층이 순서적으로 증착된다. 이후, 보호층이 노출되도록 절연층 및 비반사층이 소정의 식각공정에 의해 패터닝되어 콘택홀이 형성된다. 이어서, 콘택홀을 포함한 전체 구조 상부에 제 1 금속보호막이 형성된 후, 콘택홀을 메우도록 콘택플러그 및 제 2 금속보호막이 순차적으로 형성된다. 이후, 전체 구조 상부에 금속라인 및 제 3 금속보호막 순차적으로 증착된 후, 패터닝되어 형성된다.
즉, WSix의 상부에 보호층을 형성한 후, 보호층의 소정 부위까지만 식각하여 콘택홀을 형성함으로써, WSix가 노출되는 것을 방지하여 그 상부표면이 산화되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 도 4와 같이 WSix의 내부에 발생되는 갈라짐의 방지하여 일정한 형태의 WSix를 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 도프트 폴리실리콘(doped Poly Si)과 WSix의 적층구조로 컨트롤 게이트가 형성된 소정의 반도체 기판 상부에 도프트 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘의 보호층을 형성한 후, 후속공정시 보호층의 소정 부위까지만 식각하여 콘택홀을 형성함으로써, WSix가 노출되어 소정 부위가 산화되는 것을 방지할 수 있다.
이로 인해, 후속공정에서 형성되는 콘택플러그와 WSix의 계면특성이 개선되어 콘택저항이 감소하게 됨과 아울러 WSix의 내부가 갈라지는 것을 방지할 수 있다.
Claims (21)
- 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 컨트롤 게이트를 형성하는 단계와;상기 컨트롤 게이트 상부에 보호층을 형성하는 단계와;상기 보호층 상부에 비반사층을 형성하는 단계와;상기 비반사층 상부에 절연층을 형성하는 단계와;상기 보호층의 소정 부위가 노출되도록 콘택홀을 형성하는 단계와;상기 콘택홀을 포함한 전체 구조 상부에 제 1 금속보호막을 형성하는 단계와;상기 콘택홀을 메우기 위해 콘택플러그를 형성하는 단계와;상기 콘택플러그 상부에 제 2 금속보호막을 형성하는 단계와;상기 오믹콘택층을 포함한 전체 구조 상부에 금속라인을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소정의 구조는 상기 반도에 기판을 HF와 H2O가 50:1 또는 100:1의 비율로 혼합된 제 1 혼합용액과 NH4OH, H2O2및 H2O가 소정 비율로 혼합된 제 2 혼합용액이 소정 비율로 혼합된 세정용액에 의해 세정된 후, 터널 산화막, 플로팅 게이트및 유전체층이 순차적으로 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 터널 산화막은 750∼800℃의 온도범위내에서 습식산화를 진행한 후, 900∼910℃의 온도범위와 N2의 기체분위기에서 20∼30분동안 열처리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 플로팅 게이트는 550∼620℃의 온도범위와, 0.1∼3Torr의 압력과, SiH4또는 Si2H6와 같은 Si 가스와 PH3가스분위기에서 500∼1500Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 유전체층은 상기 플로팅 게이트가 형성된 후, HF와 H2O가 50:1 또는 100:1의 비율로 혼합된 제 1 혼합용액과 NH4OH, H2O2및 H2O가 소정 비율로 혼합된 제 2 혼합용액이 소정 비율로 혼합된 세정용액에 의해 세정된 후, 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 유전체층은 810∼850℃의 온도범위와, 0.1∼0.5Torr의 압력과, SiH2Cl2와 N2O 가스분위기에서 형성되는 제 1 유전체막과;상기 제 1 유전체막 상부에 NH3와 SiH2Cl2가 소정의 비율로 혼합된 가스분위기에서 형성되는 제 2 유전체막과;상기 제 2 유전체막 상부에 810∼850℃의 온도범위와, 0.1∼0.5Torr의 압력과, SiH2Cl2와 N2O 가스분위기에서 형성되는 제 3 유전체막의 적층구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 기판은 습식산화방식으로 750∼790℃의 온도범위에서 증기를 이용해 열처리되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 컨트롤 게이트는 실리콘층 및 WSix의 적층구조 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 실리콘층은 510∼550℃의 온도범위와, 0.1∼1Torr의 압력과, SiH4또는 Si2H6와 같은 Si 가스와 PH3가스분위기에서 도프트 비정질 실리콘을 증착된 후, Si 가스분위기에서만 비정질 실리콘을 증착하여 도프트 비정질 실리콘과 비정질 실리콘이 5:1∼7:1의 비율로 500∼1000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 WSix는 상기 실리콘층을 포함한 전체 구조 상부가 HF와 H2O가 소정 비율로 혼합된 제 1 혼합용액과 NH4F와 HF가 소정 비율로 혼합된 제 2 혼합용액이 소정 비율로 혼합된 세정용액에 의해 세정된 후, 300∼600℃의 온도범위와, 낮은 F, SiH2Cl2와 WF6의 혼합가스분위기에서 2.0∼2.8정도의 화학양론적비로 500∼2000Å 정도의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호층은 도프트 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘이 동일한 증착장비내에서 in-situ로 진행되거나 전처리 세정공정을 포함한 다른 증착장비내에서 ex-situ로 진행되어 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 도프트 비정질 실리콘을 in-situ로 증착할 경우, 상기 보호층은 550∼650℃의 온도범위와, 0.1∼3Torr의 압력과, Si2H6와 PH3가 1.0:1.5∼1.5:2.0의 비율로 혼합된 가스분위기 또는 SiH4와 PH3가 1.0:1.5∼1.5:2.0의 비율로 혼합된 가스분위기에서 200∼500Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 도프트 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘을 ex-situ로 증착할 경우, 상기 WSix을 포함한 전체 구조 상부는 H2SO4와 H2O2가 소정 비율로 혼합된 세정용액, NH4OH, H2O2및 H2O가 소정 비율로 혼합된 세정용액, HF와 H2O가 소정 비율로 혼합된 세정용액 또는 NH4F와 HF가 소정 비율로 혼합된 세정용액을 이용한 세정되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 비정질 실리콘을 ex-situ로 증착할 경우, 상기 보호층 460∼550℃의 온도범위와, 0.1∼3Torr의 압력과, Si가 100∼2000sccm정도 주입되고 PH3가 50∼200sccm정도 주입되어 Si2H6와 PH3가 소정의 비율로 혼합된 가스분위기 또는SiH4와 PH3가 소정의 비율로 혼합된 가스분위기에서 200∼500Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 비반사층은 상기 보호층을 포함한 전체 구조 상부가 H2SO4와 H2O2이 소정의 비율로 혼합된 세정용액을 이용하여 세정된 후, SiH4, N2O, N2또는 He를 이용하여 300∼1500Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 비반사층은 SiOxNy박막이 300∼1500Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 절연층은 TEOS 또는 DCS를 이용한 산화막이나 PSG, BPSG 또는 SOG의 산화막 계열 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 금속보호막은 상기 콘택홀을 포함한 전체 구조 상부가 HF와 H2O가 소정 비율로 혼합된 세정용액 또는 NH4F와 HF가 소정 비율로 혼합된 세정용액을 이용하여 세정된 후, Ti와 TiN 적층구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 콘택플러그는 W로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속라인은 Al이 형성되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속라인 상부에 Ti와 TiN의 적층구조의 제 3 금속보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 제조 방법.
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