KR100474190B1 - 반도체 소자의 열처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 열처리 방법에 관한 것으로, 트랜지스터의 채널 영역에 발생한 댕글링 본드에 수소 분위기의 열처리로 수소 원자를 결합시켜 불안정한 격자 구조의 농도를 저하시키는 과정에서, 챔버 내부에 장착된 고온 발열체 필라멘트를 이용하여 다량의 수소/중수소 원자를 발생시켜 일반적인 수소 열처리 방법에 비해 훨씬 많은 수소/중수소 원자를 반도체 기판의 채널 영역에 유입시킴으로써 공정시간을 단축시킴과 동시에 트랜지시터의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 열처리 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 열처리 방법에 관한 것으로, 특히 트랜지스터의 채널 영역에 발생한 댕글링 본드에 수소 분위기의 열처리로 수소 원자를 결합시켜 불안정한 격자 구조의 농도를 저하시킴으로써 트랜지스터의 전기적 특성을 향상시키는 반도체 소자의 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조공정에서는 일반적으로 금속 배선을 형성하기 위한 공정이 실시된 후 수소 분위기에서 400 내지 500℃의 온도로 수소 열처리를 실시한다. 이러한 수소 분위기의 열처리는 트랜지스터 채널 영역인 반도체 기판과 게이트 산화막 계면에 존재하는 댕글링 본드(Dangling bond)에 수소 원자를 결합시켜 불안정한 격자 구조의 농도를 감소시키면서 소자 특성을 향상시킨다.
다시 말해, 수소 열처리에 의해 반도체 소자의 특성이 향상되는 것은 채널 영역, 즉 SiO2/Si 부위의 댕글링 본드(Dangling bond)에 수소 원자가 결합하면서 그 농도가 크게 줄어들기 때문이다. 수소 원자는 수소 기체분자가 표면에 분해 흡착(Dissociative adsorption)하면서 형성되어 내부로 확산한다. 그러나 400 내지 500℃의 저온에서 이와 같은 표면반응만으로는 충분한 양의 수소 원자를 생성하는 것이 어려울 뿐 아니라, 금속배선의 층수가 증가하면서 채널 영역으로 충분한 양이 확산해 들어가기도 점점 어려워진다. 따라서, 충분한 양의 수소 원자를 채널영역으로 충분한 양이 확산해 들어가기도 점점 어려워진다. 결국, 충분한 양의 수소 원자를 채널 영역까지 도달시키기 위해서는 단순히 열에너지에 의해 진행되는 표면반응 이외에 또 다른 추가적인 수소원자의 공급방법이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 챔버 내부에 장착된 고온 발열체 필라멘트를 이용하여 다량의 수소/중수소 원자를 발생시켜 일반적인 수소 열처리 방법에 비해 훨씬 많은 수소/중수소 원자를 반도체 기판의 채널 영역에 유입시킴으로써 공정시간을 단축시킴과 동시에 트랜지스터의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 열처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 열처리 방법은 반도체 기판 위에 형성된 트랜지스터와 주변 소자를 연결시키기 위한 금속배선이 적어도 3층 이상으로 형성된 상기 반도체 기판을 열처리 챔버 내부로 장착시키는 단계; 상기 반응 챔버 내부로 수소 함유 가스를 공급하는 단계; 상기 반응 챔버 내부에 장착된 고온 발열체 필라멘트를 가열하여 상기 고온 발열체 필라멘트 주위의 기상에서 다량의 수소 원자를 발생시키는 단계; 및 상기 다량의 수소 원자를 상기 적어도 3층 이상으로 형성된 금속배선을 통해서 상기 트랜지스터의 채널 영역으로 유입시켜 상기 채널 영역의 댕글링 본드와 상기 수소 원자를 결합시키는 단계로 이루어진다.
이때, 반도체 기판은 200 내지 500℃의 온도로 가열한다. 수소 함유 가스는 수소, 중수소 및 삼중수소 가스 중 적어도 어느 하나 이상을 혼합한 혼합 가스를 사용한다. 수소 함유 가스는 불활성 기체와 함께 열처리 챔버 내부로 공급할 수도 있다. 고온 발열체 필라멘트는 텅스텐 또는 탄탈륨 등의 내열성 금속으로 만들거나, 실리콘 카바이드 또는 흑연 등의 비금속 재질로 만들며, 800 내지 2500℃의 온도로 가열한다. 수소 원자의 유입량은 수소 함유 가스의 압력, 반도체 기판과 고온 발열체 필라멘트와의 거리에 따라 결정되며, 반도체 기판이 고온 발열체로 노출되는 것을 방지하는 노출 방지 수단을 이용하여 반도체 기판의 노출 시간을 조절함으로써 조절할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 고집적화에 따른 반도체 소자의 다층 배선의 예를 도시한 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 최근 들어 반도체 소자의 구조가 고집적화 됨에 따라, 필드 산화막(2)이 형성된 반도체 기판(1)에는 게이트 산화막(3), 게이트 전극(4), 게이트 스페이서(5) 및 소오스/드레인(6)으로 이루어진 트랜지스터를 제조하고, 주변 소자와의 연결 및 절연을 위하여 층간 절연막(7a, 7b 및 7c), 콘택 플러그(8a, 8b 및 8c) 및 소정 패턴의 금속 배선(9a, 9b 및 9c)이 다층의 구조로 형성된다.
수소 분위기의 열처리는 금속 배선(9a, 9b 및 9c)이 3층 이상 형성된 상태에서 실시하는 것이 일반적이며, 소자 집적도의 향상에 따라 금속 배선의 층수는 계속 증가할 것으로 예상된다. 따라서, 금속 배선의 층수가 증가하게 되면 채널 영역(1a)으로 확산되는 수소 원자의 양도 줄어든다. 결국, 충분한 양의 수소 원자를 채널 영역(1a)까지 도달시키기 위해서는 단순히 열에너지에 의해 진행되는 표면반응 이외에 또 다른 추가적인 수소원자의 공급방법이 필요하다.
이하에서는, 본 발명에 의해 채널 영역(1a)으로 충분한 양의 수소 원자를 확산시킬 수 있는 열처리 방법을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 열처리 방법을 실시하기 위한 장비의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 다량의 수소/중수소 원자를 생성하기 위한 텅스텐이나 탄탈륨 등의 고온 발열체 필라멘트(20)를 구비한 열처리 챔버(10)는 수소 가스를 공급하기 위한 가스 공급 라인(30)이 연결되고, 챔버(10) 내부를 진공 상태로 만들기 위한 진공 펌프(40)가 연결된다. 고온 발열체 필라멘트(20)와 반도체 기판(1) 사이에는 고온 발열체 필라멘트(20)로의 반도체 기판(1) 노출 시간을 조절할 수 있는 셔터(50)가 구비된다.
도 1에서 도시한 바와 같이 소정의 공정을 실시한 반도체 기판(1)을 열처리 챔버(10)에 장착한다. 이후 반도체 기판(1)이 장착된 열처리 챔버(10) 내부로 가스 공급 라인(30)을 통해 수소(H2) 또는 중수소(D2)를 공급하면서 고온 발열체 필라멘트(20)를 800 내지 2500℃의 온도로 가열한다. 이때, 고온 발열체 필라멘트(20) 주위의 기상에서 다량의 수소/중수소 원자가 생성되면서 고온 발열체 필라멘트(20)로부터 반도체 기판(1)쪽으로 수소/중수소 원자가 확산하여 반도체 기판(1)내로 유입된다.
이때, 반도체 기판(1)의 온도는 200 내지 500℃의 범위로 유지한다. 또한, 수소/중수소 가스 대신에 수소/삼중수소나 수소/중수소/삼중수소 가스를 이용할 수도 있다. 이러한 가스는 불활성 가스와 혼합하여 사용할 수 있다. 고온 발열체 필라멘트(20)는 텅스텐, 탄탈륨 등의 내열성 금속으로 만들어지며, 실리콘 카바이드(SiC)나 흑연(Graphite) 등의 비금속 재질로 만들 수도 있다. 반도체 기판(1)내로 유입되는 수소/중수소 원자의 양은 수소/중수소 가스의 압력이나 고온 발열체 필라멘트(20)와 반도체 기판(1)의 거리를 조절하여 제어할 수 있다.
이렇게 반도체 기판(1)의 내부로 유입된 수소/중수소 원자는 도 1의 채널 영역(1a)의 댕글링 본드(Dangling bond)와 결합하여 불안정한 격자 구조의 농도를 감소시키면서 트랜지스터의 전기적 특성을 향상시킨다.
이와 같은 방법을 사용함으로써, 단순히 수소 분자의 표면 분해 반응에 의존하던 기존의 수소 열처리 방법에 비해 훨씬 많은 양의 수소/중수소 원자를 반도체 기판(1) 내로 유입시켜 채널 영역에 도달하는 수소/중수소 원자의 양을 대폭 증가시킬 수 있으며, 열처리 공정 시간을 크게 단축할 수 있다. 또한, 수소 열처리 시 수소 대신 중수소를 사용하는 경우에는 핫 캐리어 이펙트(Hot-carrier effect)에 의해 소자의 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 고온 발열체 필라멘트를 이용하여 다량의 수소/중수소 원자를 발생시켜 반도체 기판의 채널 영역으로 유입시킴으로써 채널 영역의 격자 구조를 안정화시켜 공정 시간을 단축시킴과 동시에 트랜지스터의 전기적 특성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 고집적화에 따른 반도체 소자의 다층 배선의 예를 도시한 소자의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 열처리 방법을 실시하기 위한 장비의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 : 반도체 기판 1a : 채널 영역
2 : 필드 산화막 3 : 게이트 산화막
4 : 게이트 전극 5 : 게이트 스페이서
6 : 소오스/드레인 7a, 7b, 7c : 층간 절연막
8a, 8b, 8c : 콘택 플러그 9a, 9b, 9c : 금속 배선
10 : 열처리 챔버 20 : 고온 발열체 필라멘트
30 : 가스 공급 라인 40 : 진공 펌프
50 : 셔터
Claims (9)
- 반도체 기판 위에 형성된 트랜지스터와 주변 소자를 연결시키기 위한 금속배선이 적어도 3층 이상으로 형성된 상기 반도체 기판을 열처리 챔버 내부로 장착시키는 단계;상기 반응 챔버 내부로 수소 함유 가스를 공급하는 단계;상기 반응 챔버 내부에 장착된 고온 발열체 필라멘트를 가열하여 상기 고온 발열체 필라멘트 주위의 기상에서 다량의 수소 원자를 발생시키는 단계; 및상기 다량의 수소 원자를 상기 적어도 3층 이상으로 형성된 금속배선을 통해서 상기 트랜지스터의 채널 영역으로 유입시켜 상기 채널 영역의 댕글링 본드와 상기 수소 원자를 결합시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 기판은 200 내지 500℃의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 수소 함유 가스는 수소, 중수소 및 삼중수소 가스 중 적어도 어느 하나 이상을 혼합한 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 수소 함유 가스는 불활성 기체와 함께 상기 열처리 챔버 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 고온 발열체 필라멘트는 텅스텐 또는 탄탈륨 등의 내열성 금속으로 만들어 진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 고온 발열체 필라멘트는 실리콘 카바이드 또는 흑연 등의 비금속 재질로 만들어 진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 고온 발열체 필라멘트는 800 내지 2500℃의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 수소 원자의 유입량은 상기 수소 함유 가스의 압력, 상기 반도체 기판과 상기 고온 발열체 필라멘트와의 거리에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 수소 원자의 유입량은 상기 반도체 기판이 상기 고온 발열체로 노출되는 것을 방지하는 노출 방지 수단을 이용하여 상기 반도체 기판의 노출 시간을 조절함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 열처리 방법.
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