KR100722776B1 - Method of forming a silicon rich nano-crystalline structure using atomic layer deposition process and method of manufacturing a non-volatile semiconductor device using the same - Google Patents
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Abstract
원자층 증착 공정을 이용한 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 형성 방법 및 이를 이용한 불휘발성 반도체 장치의 제조 방법이 개시된다. 대상체 상으로 제1 실리콘 화합물을 포함하는 제1 가스를 제공하여 대상체 상에 실리콘 리치 화학 흡착층을 형성한다. 실리콘 리치 화학 흡착층 상으로 산소를 포함하는 제2 가스를 제공하여 대상체 상에 실리콘 리치 절연층을 형성한 후, 실리콘 리치 절연층 상으로 제2 실리콘 화합물을 포함하는 제3 가스를 제공하여 실리콘 리치 절연층 상에 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성한다. 이와 같은 과정들을 반복적으로 수행하여 대상체 상에 복수 개의 실리콘 리치 절연층들 및 실리콘 나노-크리스탈 층들을 갖는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 형성한다. 실리콘 함량의 변화 폭을 확장시킬 수 있는 가스를 이용하는 원자층 증착 공정을 통하여 실리콘 리치 절연층들과 실리콘 리치 나노-크리스탈 층들을 포함하여 높은 실리콘 함량과 우수한 단차 도포성을 갖는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 형성할 수 있다. 이러한 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 전하 트랩핑 구조물로 포함하는 불휘발성 반도체 장치의 기록 동작 및 소거 동작의 속도를 향상시킬 수 있고 데이터 보존력을 개선할 수 있다.A method of forming a silicon rich nano-crystal structure using an atomic layer deposition process and a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor device using the same are disclosed. A first gas comprising a first silicon compound is provided onto the object to form a silicon rich chemisorption layer on the object. Providing a second gas containing oxygen on the silicon rich chemisorption layer to form a silicon rich insulating layer on the object, and then providing a third gas comprising a second silicon compound onto the silicon rich insulating layer A silicon nano-crystal layer is formed on the insulating layer. These processes are repeatedly performed to form a silicon rich nano-crystal structure having a plurality of silicon rich insulating layers and silicon nano-crystal layers on the object. Silicon-rich nano-crystal structures with high silicon content and excellent step coverage, including silicon-rich insulating layers and silicon-rich nano-crystal layers through an atomic layer deposition process using a gas that can extend the variation of silicon content Can be formed. The write and erase operations of the nonvolatile semiconductor device including the silicon rich nano-crystal structure as the charge trapping structure can be improved, and data retention can be improved.
Description
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a silicon rich nano-crystal structure according to the present invention.
도 2는 실란의 화학 구조를 설명하기 위한 모식도이다. It is a schematic diagram for demonstrating the chemical structure of a silane.
도 3은 헥사클로로디실란(HCD)의 화학 구조를 설명하기 위한 모식도이다.3 is a schematic diagram for explaining the chemical structure of hexachlorodisilane (HCD).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 원자층 증착 공정을 이용하여 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.4 is a process flowchart illustrating a method of forming a silicon rich nano-crystal structure using an atomic layer deposition process according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 원자층 증착 공정을 이용하여 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.5 is a process flowchart illustrating a method of forming a silicon rich nano-crystal structure using an atomic layer deposition process according to another embodiment of the present invention.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 불휘발성 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.6 to 8 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor device in accordance with embodiments of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10:대상체 15, 25, 35, 215, 216, 217:실리콘 리치 절연층10:
20, 30, 220, 221:실리콘 나노-크리스탈 층20, 30, 220, 221: Silicon nano-crystal layer
50:실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물50: silicon rich nano-crystal structure
200:기판 205:소자 분리막200: substrate 205: device isolation membrane
210:터널 유전층 230:전하 트랩핑 구조물210: tunnel dielectric layer 230: charge trapping structure
235:차단 유전층 240:컨트롤 게이트235: blocking dielectric layer 240: control gate
본 발명은 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 형성 방법 및 이를 이용한 불휘발성 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 공정을 통하여 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 불휘발성 반도체 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a silicon rich nano-crystal structure and a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor device using the same, and more particularly, to a silicon rich nano-crystal structure through an atomic layer deposition (ALD) process. A method of forming and a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor device using the same.
반도체 메모리 장치는 일반적으로 DRAM(dynamic random access memory) 및 SRAM(static random access memory)과 같이 시간이 지남에 따라 데이터를 잃어버리지만 데이터의 입력 및 출력이 빠른 휘발성(volatile) 반도체 메모리 장치와 입력된 데이터가 유지되지만 데이터의 입력 및 출력이 느린 불휘발성 반도체 메모리 장치로 크게 구분할 수 있다. 근래 들어 이러한 불휘발성 반도체 메모리 장치 중 전기적으로 데이터의 입력 및 출력이 가능한 EEPROM(electrically erasable and programmable ROM) 장치 또는 플래시 메모리 장치에 대한 수요가 증가하고 있다.Semiconductor memory devices generally lose their data over time, such as dynamic random access memory (DRAM) and static random access memory (SRAM), but volatile semiconductor memory devices with fast data input and output The data can be largely classified into a nonvolatile semiconductor memory device in which data is retained but data input and output are slow. Recently, the demand for electrically erasable and programmable ROM (EEPROM) devices or flash memory devices capable of electrically inputting and outputting data among these nonvolatile semiconductor memory devices is increasing.
통상적으로 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀은 반도체 기판 상에 형성된 플로팅 게이트를 포함하는 적층형 게이트 구조를 갖는다. 이러한 적층형 게이트 구조는 전형적으로 하나 이상의 터널 유전층 또는 층간 유전층과 상기 플로팅 게이트의 상부 또는 주변에 형성된 컨트롤 게이트를 포함한다.Typically, a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device has a stacked gate structure including a floating gate formed on a semiconductor substrate. Such stacked gate structures typically include one or more tunnel dielectric or interlayer dielectric layers and control gates formed on or around the floating gate.
전술한 적층형 게이트 구조를 갖는 불휘발성 반도체 장치의 메모리 셀은 채널 영역에서 발생된 열 전자(hot electron)들이 터널 유전층의 에너지 장벽을 넘어 플로팅 게이트로 주입되는 방식으로 정보가 프로그래밍 되며, F-N(Fowler-Nordheim) 터널링 방식에 의해 상기 플로팅 게이트 내의 전자들을 제거함으로써 기록된 정보가 소거된다. In the memory cell of the nonvolatile semiconductor device having the stacked gate structure described above, information is programmed in such a manner that hot electrons generated in a channel region are injected into a floating gate over an energy barrier of a tunnel dielectric layer, and FN (Fowler- Nordheim) recorded information is erased by removing the electrons in the floating gate by a tunneling method.
그러나 종래의 적층형 게이트 구조를 갖는 불휘발성 반도체 장치의 메모리 셀은 기록된 데이터를 유지하기 위한 전자 보유(retention)와 관련하여 문제점을 가진다. 예를 들면, 플래시 메모리 장치의 메모리 셀이 기록된 정보를 유지하기 위해서는 플로팅 게이트에 주입된 전자들이 유지되어야 하지만, 터널 유전층에 핀홀(pinhole)과 같은 결함(defect)들이 존재하면 플로팅 게이트에 주입된 전자들이 이러한 결함들을 통해 유출됨으로써 플래시 메모리 장치의 데이터 보존력이 저하된다. 또한, 적층형 게이트 구조를 갖는 플래시 메모리 장치의 메모리 셀에 있어서, 전자들이 관통될 터널 접합(tunnel junction)을 구성하는 터널 산화층이 밴드 다이어그램에서 높은 에너지 장벽을 갖고 있는 산화물과 같은 절연 물질을 사용하여 형성된다. 이 경우, 전자들에 대한 에너지 장벽이 높기 때문에 상기 에너지 장벽의 두께가 감소되지 않으면 전자의 터널링 확률이 기하급수적으로 감소된다. 따라서 터널 유전층을 매우 정확하고 얇은 두께로 형성하여야 하는데, 이는 터널 유전층의 균일한 형성을 매우 어렵게 하고 플래시 메모리 장치의 신뢰성을 저하시키게 된다.However, memory cells of a conventional nonvolatile semiconductor device having a stacked gate structure have problems with electron retention for retaining written data. For example, electrons injected into the floating gate must be retained in order to maintain information in which the memory cell of the flash memory device is written. However, if defects such as pinholes exist in the tunnel dielectric layer, they are injected into the floating gate. The electrons flow out through these defects, thereby lowering the data retention of the flash memory device. In addition, in a memory cell of a flash memory device having a stacked gate structure, a tunnel oxide layer constituting a tunnel junction through which electrons are to be formed using an insulating material such as an oxide having a high energy barrier in a band diagram. do. In this case, since the energy barrier for the electrons is high, the tunneling probability of the electrons decreases exponentially unless the thickness of the energy barrier is reduced. Therefore, the tunnel dielectric layer must be formed with a very accurate and thin thickness, which makes the uniform formation of the tunnel dielectric layer very difficult and degrades the reliability of the flash memory device.
최근에는 적층형 게이트 구조에서 발생하는 문제점들을 해결하기 위하여 실리콘 리치 산화층(silicon rich oxide layer)을 전하 트랩핑 층(charge trapping layer)으로 이용하는 새로운 불휘발성 반도체 장치가 개발되었다. 불휘발성 반도체 장치의 전하 트랩핑 층으로 이용되는 실리콘 리치 산화층 내에는 실리콘 나노-크리스탈(silicon nano-crystal)들이 형성되며, 이러한 실리콘 나노-크리스탈들이 플로팅 게이트로서 역할을 한다. 상기 실리콘 나노-크리스탈들은 터널링 효과에 의해 전자들을 트랩핑하거나 또는 디-트랩핑(de-trapping)하며, 서로 전기적으로 이격된다. Recently, a new nonvolatile semiconductor device using a silicon rich oxide layer as a charge trapping layer has been developed to solve the problems occurring in the stacked gate structure. Silicon nano-crystals are formed in the silicon rich oxide layer used as the charge trapping layer of the nonvolatile semiconductor device, and these silicon nano-crystals serve as floating gates. The silicon nano-crystals trap or de-trap electrons by the tunneling effect and are electrically spaced from each other.
상기 불휘발성 반도체 장치의 프로그래밍 동작 동안, 전자들은 상기 실리콘 나노-크리스탈들에 주입되지만, 실리콘 나노-크리스탈들이 서로 이격되어 있기 때문에 실리콘 나노-크리스탈들 사이에서 전자들의 이동이 제한된다. 따라서 터널 유전층에 결함이 발생하여도 이러한 결함에 의한 누설 전류가 인접한 실리콘 나노-크리스탈에 트랩되어 있는 전자들에 영향을 미치지 않게 된다. During the programming operation of the nonvolatile semiconductor device, electrons are injected into the silicon nano-crystals, but the movement of electrons between the silicon nano-crystals is limited because the silicon nano-crystals are spaced from each other. Thus, even if a defect occurs in the tunnel dielectric layer, the leakage current caused by the defect does not affect the electrons trapped in the adjacent silicon nano-crystals.
종래의 실리콘 나노-크리스탈을 포함하는 불휘발성 반도체 메모리 장치에 있어서, 실리콘 나노-크리스탈마다 하나의 전자가 저장될 때 수반되는 문턱 전압(threshold voltage)의 쉬프트(shift)를 이용하여 하나 이상의 데이터 비트를 저장할 수 있는 다중 스테이트 셀(multi-state cell)을 구현할 수 있다.In a nonvolatile semiconductor memory device including a conventional silicon nano-crystal, one or more data bits are extracted by using a shift of a threshold voltage that is involved when one electron is stored per silicon nano-crystal. A multi-state cell that can be stored can be implemented.
전술한 종래의 불휘발성 반도체 장치에 있어서, 실리콘 리치 산화층은 미국 특허 제6,274,429호, 미국특허 제5,726,070호, 미국특허 제5,763,937호, 미국특허 제6,774,061호 및 미국특허 제6,458,722호 등에 개시되어 있는 바와 같이 실란(SiH4) 가스와 아산화질소(N2O) 가스를 사용하는 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정, 플라즈마-증대 화학 기상 증착(PECVD) 공정 또는 실리콘 주입(implantation) 공정과 같은 다양한 공정들을 통하여 형성될 수 있다.In the above-described conventional nonvolatile semiconductor device, the silicon rich oxide layer is disclosed in US Pat. No. 6,274,429, US Pat. No. 5,726,070, US Pat. No. 5,763,937, US Pat. No. 6,774,061, US Pat. Through various processes, such as low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), or silicon implantation, using silane (SiH 4 ) and nitrous oxide (N 2 O) gases. Can be formed.
실란 가스 및 아산화질소 가스를 사용하는 저압 화학 기상 증착 공정으로 실리콘 리치 산화층을 형성할 경우, 실란 가스와 아산화질소 가스의 반응에 따라 실리콘-실리콘(Si-Si)의 결합들보다 실리콘-산소(Si-O)의 결합들이 형성될 확률이 더 높기 때문에 실리콘 리치 산화층의 실리콘 함량을 증가시키는데 한계가 있다.When the silicon rich oxide layer is formed by a low pressure chemical vapor deposition process using silane gas and nitrous oxide gas, silicon-oxygen (Si-Si) bonds are more important than silicon-silicon (Si-Si) bonds depending on the reaction of silane gas and nitrous oxide gas. Since the bonds of -O) are more likely to be formed, there is a limit to increasing the silicon content of the silicon rich oxide layer.
또한, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(HDP-CVD) 공정으로 패턴이 형성된 기판 상에 실리콘 리치 산화층을 형성할 경우, 플라즈마의 직진성에 의해 실리콘 리치 산화층의 단차 도포성(step coverage)이 매우 불량해질 뿐만 아니라 패턴의 측벽 및 저부에 증착되는 실리콘 리치 산화층 내의 실리콘 함량이 차이가 나는 문제가 발생된다.In addition, when the silicon rich oxide layer is formed on a patterned substrate by a high density plasma chemical vapor deposition (HDP-CVD) process, the step coverage of the silicon rich oxide layer is very poor due to the straightness of the plasma. A problem arises in that the silicon content in the silicon rich oxide layer deposited on the sidewalls and bottom of the pattern is different.
한편, 산화층 내에 실리콘 이온들을 주입하여 실리콘 리치 산화층을 형성하는 방법에 있어서, 이온 주입에 의한 실리콘 리치 산화층의 손상으로 인하여 누설 전류가 발생하게 되며, 실리콘 리치 산화층 내의 실리콘 나노-크리스탈들의 밀도와 크기를 제어하는 것이 어렵다는 문제가 있다.Meanwhile, in the method of forming a silicon rich oxide layer by implanting silicon ions into the oxide layer, leakage current is generated due to damage of the silicon rich oxide layer by ion implantation, and the density and size of the silicon nano-crystals in the silicon rich oxide layer are increased. There is a problem that it is difficult to control.
따라서, 본 발명의 일 목적은 원자층 증착 공정을 이용하여 높은 실리콘 함 량 및 우수한 단차 도포성을 갖는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 형성 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, one object of the present invention is to provide a method for forming a silicon rich nano-crystal structure having high silicon content and excellent step coverage by using an atomic layer deposition process.
본 발명의 다른 목적은, 원자층 증착 공정을 통하여 높은 실리콘 함량 및 우수한 단차 도포성을 갖는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 전하 트랩핑 층으로 포함하는 불휘발성 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor device including a silicon rich nano-crystal structure having a high silicon content and excellent step coverage through an atomic layer deposition process as a charge trapping layer.
전술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 원자층 적층 공정을 이용한 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 형성 방법에 있어서, 대상체 상으로 제1 실리콘 화합물을 포함하는 제1 가스를 제공하여 상기 대상체 상에 실리콘 리치 화학 흡착층을 형성한다. 상기 실리콘 리치 화학 흡착층 상으로 산소를 포함하는 제2 가스를 제공하여 상기 대상체 상에 실리콘 리치 절연층을 형성한 후, 상기 실리콘 리치 절연층 상으로 제2 실리콘 화합물을 포함하는 제3 가스를 제공하여 상기 실리콘 리치 절연층 상에 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성한다.In order to achieve the above object of the present invention, a method for forming a silicon rich nano-crystal structure using an atomic layer deposition process according to the preferred embodiments of the present invention, comprising a first silicon compound on the object 1 gas is provided to form a silicon rich chemisorption layer on the object. After providing a second gas containing oxygen on the silicon rich chemisorption layer to form a silicon rich insulating layer on the object, to provide a third gas containing a second silicon compound on the silicon rich insulating layer. To form a silicon nano-crystal layer on the silicon rich insulating layer.
상기 제1 실리콘 화합물은 두 개의 실리콘 원자들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 실리콘 화합물은 헥사디클로로실란(HCD)을 포함할 수 있다. 상기 제2 가스는 아산화질소 가스 또는 산소 가스를 포함할 수 있다. 상기 제2 실리콘 화합물은 실리콘 및 수소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 실리콘 화합물은 실란을 포함할 수 있다. The first silicon compound may include two silicon atoms. For example, the first silicon compound may include hexadichlorosilane (HCD). The second gas may include nitrous oxide gas or oxygen gas. The second silicon compound may include silicon and hydrogen. For example, the second silicon compound may include silane.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 실리콘 리치 화학 흡착층을 형성하는 단 계 및 상기 실리콘 리치 절연층을 형성하는 단계를 반복적으로 수행하여 상기 실리콘 리치 절연층의 실리콘 함량을 조절할 수 있다. 또한, 상기 제3 가스의 유량을 조절하여 상기 실리콘 나노-크리스탈 층 내의 실리콘 나노-크리스탈들의 크기 및 밀도를 제어할 수 있다. In embodiments of the present disclosure, the step of forming the silicon rich chemisorption layer and the step of forming the silicon rich insulating layer may be repeatedly performed to control the silicon content of the silicon rich insulating layer. In addition, the flow rate of the third gas may be adjusted to control the size and density of the silicon nano-crystals in the silicon nano-crystal layer.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 실리콘 리치 화학 흡착층을 형성하는 단계, 상기 실리콘 리치 절연층을 형성하는 단계 및 상기 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성하는 단계를 반복적으로 수행함으로써, 상기 대상체 상에 복 수개의 실리콘 리치 절연층들 및 상기 실리콘 리치 절연층들 사이에 개재된 복수 개의 실리콘 나노-크리스탈 층들을 형성한다. According to embodiments of the present invention, by repeatedly forming the silicon rich chemisorption layer, forming the silicon rich insulating layer and forming the silicon nano-crystal layer, on the object A plurality of silicon rich insulating layers and a plurality of silicon nano-crystal layers interposed between the silicon rich insulating layers are formed.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성하기 전에, 상기 실리콘 리치 절연층으로부터 원하지 않는 물질을 제거할 수 있다. 이 경우, 상기 실리콘 리치 절연층 상으로 수소를 포함하는 가스를 제공하여 상기 실리콘 리치 절연층으로부터 원하지 않는 물질을 제거할 수 있다. 예를 들면, 상기 수소를 포함하는 가스는 암모니아 가스, 수소 가스 또는 중수소 가스를 포함할 수 있다. In embodiments of the present invention, the unwanted material may be removed from the silicon rich insulating layer before forming the silicon nano-crystal layer. In this case, an undesired material may be removed from the silicon rich insulating layer by providing a gas containing hydrogen on the silicon rich insulating layer. For example, the gas containing hydrogen may include ammonia gas, hydrogen gas, or deuterium gas.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 열처리할 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 질소를 포함하는 분위기 하의 약 800∼1,100℃ 정도의 온도에서 약 10∼90분 동안 열처리할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the silicon rich nano-crystal structure may be heat-treated. For example, the silicon rich nano-crystal structure may be heat treated for about 10 to 90 minutes at a temperature of about 800 to 1,100 ° C. under an atmosphere containing nitrogen.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 예비 산화시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 질소 및 산소를 포함하는 분위기 하에서 예비 산화시킬 수 있다. In another embodiment of the present invention, the silicon rich nano-crystal structure may be pre-oxidized. For example, the silicon rich nano-crystal structure may be pre-oxidized in an atmosphere containing nitrogen and oxygen.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 플래시 어닐링시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물은 상기 대상체를 약 20∼500℃ 정도의 온도로 유지시킨 상태에서 약 5∼20msec 동안 플래시 어닐링될 수 있다. In another embodiment of the present invention, the silicon rich nano-crystal structure may be flash annealed. For example, the silicon rich nano-crystal structure may be flash annealed for about 5 to 20 msec while maintaining the object at a temperature of about 20 to 500 ° C.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 원자층 적층 공정을 이용한 불휘발성 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 기판 상에 터널 유전층을 형성한 후, 상기 터널 유전층 상에 원자층 적층 공정을 통해 전하 트랩핑 구조물을 형성한다. 상기 전하 트랩 구조물 상에는 컨트롤 게이트가 형성된다. 상기 전하 트랩핑 구조물을 형성하는 단계에 있어서, 상기 터널 유전층 상으로 제1 실리콘 화합물을 포함하는 제1 가스를 제공하여 상기 터널 유전층 상에 실리콘 리치 화학 흡착층을 형성한 후, 상기 실리콘 리치 화학 흡착층 상으로 산소를 포함하는 제2 가스를 제공하여 상기 터널 유전층 상에 실리콘 리치 절연층을 형성한다. 이어서, 상기 실리콘 리치 절연층 상으로 제2 실리콘 화합물을 포함하는 제3 가스를 제공하여 상기 실리콘 리치 절연층 상에 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성한다.In order to achieve the above object of the present invention, in the method of manufacturing a nonvolatile semiconductor device using the atomic layer deposition process according to the preferred embodiments of the present invention, after forming a tunnel dielectric layer on a substrate, the tunnel dielectric layer A charge trapping structure is formed on the substrate through an atomic layer deposition process. A control gate is formed on the charge trap structure. Forming the charge trapping structure, providing a first gas comprising a first silicon compound on the tunnel dielectric layer to form a silicon rich chemisorption layer on the tunnel dielectric layer, and then the silicon rich chemisorption A second gas containing oxygen is provided on the layer to form a silicon rich insulating layer on the tunnel dielectric layer. Subsequently, a third gas including a second silicon compound is provided on the silicon rich insulating layer to form a silicon nano-crystal layer on the silicon rich insulating layer.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 실리콘 리치 화학 흡착층을 형성하는 단계, 상기 실리콘 리치 절연층을 형성하는 단계 및 상기 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성하는 단계를 반복적으로 수행하여, 상기 터널 유전층 상에 복 수개의 실리콘 리치 절연층들 및 상기 실리콘 리치 절연층들 사이에 개재된 복수 개의 실리콘 나노-크리스탈 층들을 포함하는 상기 전하 트랩핑 구조물을 형성할 수 있다. In embodiments of the present invention, the forming of the silicon rich chemisorption layer, the forming of the silicon rich insulating layer, and the forming of the silicon nano-crystal layer may be repeatedly performed to form a layer on the tunnel dielectric layer. The charge trapping structure may be formed to include a plurality of silicon rich insulating layers and a plurality of silicon nano-crystal layers interposed between the silicon rich insulating layers.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전하 트랩핑 구조물을 질소를 포함하는 분위기 하에서 열처리할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전하 트랩핑 구조물을 질소 및 산소를 포함하는 분위기 하에서 예비 산화시킬 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 전하 트랩핑 구조물을 플래시 어닐링시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the charge trapping structure may be heat treated in an atmosphere containing nitrogen. According to another embodiment of the present invention, the charge trapping structure may be pre-oxidized in an atmosphere containing nitrogen and oxygen. In another embodiment of the present invention, the charge trapping structure may be flash annealed.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전하 트랩핑 구조물과 상기 컨트롤 게이트 사이에 차단 유전층을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 차단 유전층은 실리콘 화합물 또는 금속 산화물을 사용하여 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a blocking dielectric layer may be formed between the charge trapping structure and the control gate. For example, the blocking dielectric layer may be formed using a silicon compound or a metal oxide.
본 발명에 따르면, 실리콘 함량의 변화 폭을 확장시킬 수 있는 가스들을 이용하는 원자층 증착 공정을 통하여 실리콘 리치 절연층들과 실리콘 리치 나노-크리스탈 층들을 포함하여 높은 실리콘 함량과 우수한 단차 도포성을 갖는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 형성할 수 있다. 또한, 이와 같은 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 전하 트랩핑 구조물로 포함하는 불휘발성 반도체 장치의 기록 동작 및 소거 동작의 속도를 향상시킬 수 있는 동시에 상기 불휘발성 반도체 장치의 데이터 보존력을 개선할 수 있다.According to the present invention, silicon having high silicon content and excellent step coverage, including silicon rich insulating layers and silicon rich nano-crystal layers, through an atomic layer deposition process using gases that can extend the variation of silicon content Rich nano-crystal structures can be formed. In addition, it is possible to improve the speed of writing and erasing operations of the nonvolatile semiconductor device including the silicon rich nano-crystal structure as the charge trapping structure, and at the same time improve the data retention of the nonvolatile semiconductor device.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 따른 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 형성 방법 및 이를 이용한 불휘발성 반도체 장치의 제조 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만. 본 발명이 하기의 실시예들에 제한 되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 대상체, 기판, 층(막), 영역, 패드, 패턴들 또는 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 전극, 패드, 패턴 또는 구조물들이 대상체, 기판, 각 층(막), 영역, 전극, 패드 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 전극, 패드, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 패드, 다른 전극, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 대상체나 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 물질, 가스, 화합물, 층(막), 영역, 패드, 전극, 패턴 또는 구조물들이 "제1", "제2", "예비", "하부" 및/또는 "상부"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 물질, 가스, 화합물, 층(막), 영역, 전극, 패드, 패턴 또는 구조물들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2", "예비", "하부" 및/또는 "상부"는 각 물질, 가스, 화합물, 층(막), 영역, 전극, 패드, 패턴 또는 구조물들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.Hereinafter, a method of forming a silicon rich nano-crystal structure and a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor device using the same according to preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and those skilled in the art may implement the present invention in various other forms without departing from the technical spirit of the present invention. In the accompanying drawings, the dimensions of objects, substrates, layers (films), regions, pads, patterns, or structures are shown to be larger than actual for clarity of the invention. In the present invention, each layer (film), region, electrode, pad, pattern or structures may be "on", "on" or "on" an object, substrate, each layer (film), region, electrode, pad or pattern. When referred to as being formed "under", it means that each layer (film), region, electrode, pad, pattern or structure is formed directly over or below the substrate, each layer (film), region, pad or patterns. Alternatively, other layers (films), different regions, different pads, different electrodes, different patterns or other structures may be additionally formed on the object or substrate. In addition, when a material, gas, compound, layer (film), region, pad, electrode, pattern, or structure is referred to as "first", "second", "spare", "bottom" and / or "top" It is not intended to limit these members, but merely to distinguish each material, gas, compound, layer (film), region, electrode, pad, pattern or structure. Thus, "first", "second", "preparation", "lower" and / or "top" may be different for each material, gas, compound, layer (film), region, electrode, pad, pattern or structure. It can be used alternatively or interchangeably.
실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물Silicon Rich Nano-Crystal Structures
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a silicon rich nano-crystal structure according to embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물(50)은 복수 개의 실리콘 리치(silicon rich) 절연층들(15, 25, 35)과 복수 개의 실리콘 나노-크리스탈(silicon nano-crystal) 층들(20, 30)이 대상체(10) 상에 서로 교대로 반복적으로 적층된 구조를 가진다.Referring to FIG. 1, the silicon rich nano-
대상체(10)는 실리콘 웨이퍼 또는 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판과 같은 반도체 기판이나 금속 산화물 단결정 기판 등을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상체(10)와 절연 구조물(50) 사이에는 도전층 및/또는 추가적인 절연층이 개재될 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에 있어서, 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)은 실리콘 리치 실리콘 산화층(silicon rich silicon oxide layer)들에 해당되며, 실리콘 나노-크리스탈 층들(20, 30)은 나노-크리스탈 실리콘 산화층(nano-crystalline silicon oxide layer)에 해당된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)은 각기 실리콘 리치 실리콘 산질화층(silicon rich silicon oxynitride layer)들에 해당되며, 실리콘 나노-크리스탈 층들(20, 30)은 각기 나노-크리스탈 실리콘 산질화층(nano-crystalline silicon oxynitride layer)에 해당된다.In one embodiment of the invention, the silicon rich insulating
본 발명의 일 실시예에 따르면, 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)은 각기 두 개의 실리콘 원자들을 함유하는 제1 실리콘 화합물을 포함하는 제1 가스와 산소(O)를 포함하는 제2 가스를 사용하는 원자층 적층 공정을 통하여 형성된다. 예를 들면, 상기 제1 가스는 헥사클로로디실란[hexachlorodisilane(Si2Cl6); HCD] 가스를 포함하며, 상기 제2 가스는 아산화질소(N2O) 가스 또는 산소(O2) 가스를 포함한다. 이 경우, 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)은 각기 실리콘 리치 실리콘 산화층들에 해당된다. 또한, 실리콘 나노-크리스탈 층들(20, 30)은 각기 제2 실리콘 화합물 을 포함하는 제3 가스를 사용하는 원자층 적층 공정을 통하여 형성된다. 예를 들면, 상기 제3 가스는 실란(SiH4) 가스를 포함한다. 이 때, 실리콘 나노-크리스탈 층들(20, 30)은 각기 나노-크리스탈 실리콘 산화층들에 해당된다.According to one embodiment of the invention, the silicon rich insulating
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)은 각기 두 개의 실리콘 원자들을 함유하는 제1 실리콘 화합물을 포함하는 제1 가스, 산소(O)를 포함하는 제2 가스 그리고 수소(H)를 포함하는 제3 가스를 사용하는 원자층 적층 공정을 통하여 형성된다. 예를 들면, 상기 제1 가스는 헥사클로로디실란(HCD) 가스를 포함하고, 상기 제2 가스는 아산화질소 가스 또는 산소 가스를 포함하며, 상기 제3 가스는 암모니아(NH3) 가스, 수소(H2) 가스 또는 중수소(D2) 가스를 포함한다. 이 때, 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)은 각기 실리콘 리치 실리콘 산질화층들에 해당된다. 또한, 실리콘 나노-크리스탈 층들(20, 30)은 각기 제2 실리콘 화합물을 포함하는 제4 가스를 사용하는 원자층 적층 공정을 통하여 형성된다. 이 경우, 실리콘 나노-크리스탈 층들(20, 30)은 각기 나노-크리스탈 실리콘 산질화층들에 해당된다.According to another embodiment of the present invention, the silicon rich insulating
원자층 증착(ALD) 공정에 있어서, 기판과 같은 대상체 상에 반응성 전구체들 을 화학적으로 흡착(chemisorption)시켜 반응성 전구체들의 단일층(mono-layer)을 형성하게 된다. 즉, 각 반응성 전구체들의 공급을 불활성 가스 퍼지에 의해 분리시키면서 상기 반응성 전구체들을 챔버 내에 위치하는 대상체 상으로 교대로 공급하여 상기 대상체 상에 반응성 전구체들의 단일층을 형성한다. 각 반응성 전구체들의 공급에 따라 상기 대상체 상에 이전에 증착된 단일층에 대해 새로운 단일층을 추가적으로 형성함으로써, 요구되는 두께를 가지는 균일한 층을 형성한다. 이러한 원자층 증착 공정의 사이클을 반복적으로 수행하여 대상체 상에 원하는 두께를 가지는 절연층을 형성할 수 있다.In an atomic layer deposition (ALD) process, chemically adsorbing reactive precursors on an object, such as a substrate, to form a mono-layer of reactive precursors. That is, the reactive precursors are alternately supplied onto an object located in the chamber while the supply of each reactive precursor is separated by an inert gas purge to form a monolayer of reactive precursors on the object. By additionally forming a new monolayer on the previously deposited monolayer on the object upon supply of respective reactive precursors, a uniform layer having the required thickness is formed. The cycle of the atomic layer deposition process may be repeatedly performed to form an insulating layer having a desired thickness on the object.
하나의 실리콘 원자를 포함하는 실리콘 화합물인 실란(SiH4) 가스를 사용하는 원자층 적층 공정을 통하여 형성되는 종래의 실리콘 산화층에 있어서, 실리콘과 산소 사이의 원자 비율은 약 1.0:1.95 정도이다. 이에 비하여, 두 개의 실리콘 원자들을 포함하는 실리콘 화합물인 헥사클로로디실란(HCD) 가스를 사용하는 원자층 적층 공정을 통하여 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)을 형성할 경우, 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35) 내의 실리콘과 산소 사이의 원자 비율은 약 1.0:1.8 정도가 된다. 따라서 본 발명에 따른 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)은 종래의 실리콘 산화층에 비하여 높은 실리콘 함량을 가진다.In a conventional silicon oxide layer formed through an atomic layer deposition process using a silane (SiH 4 ) gas, which is a silicon compound containing one silicon atom, the atomic ratio between silicon and oxygen is about 1.0: 1.95. In contrast, when the silicon rich insulating
도 2는 종래의 실리콘 산화층을 형성하기 위한 실리콘 화합물인 실란의 화학 구조를 나타내는 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)을 형성하기 위한 실리콘 화합물인 헥사클로로디실란(HCD)의 화학 구조를 설명하기 위한 모식도이다.FIG. 2 is a schematic diagram showing a chemical structure of a silane which is a silicon compound for forming a conventional silicon oxide layer, and FIG. 3 is a hexa, which is a silicon compound for forming the silicon rich insulating
도 2 및 도 3을 참조하면, 실란 가스를 사용하는 원자층 증착 공정을 수행할 경우에는 기판과 같은 대상체의 표면에 -SiH3가 흡착된다. 그러나 헥사클로로디실란(HCD) 가스를 사용하는 원자층 증착 공정을 수행할 경우에는 대상체의 표면에 -Si2Cl4 또는 -Si2Cl5가 흡착된다. 구체적으로는, 실란 가스를 이용하는 원자층 적층 공정을 수행하면 대상체의 표면에 하나의 실리콘 원자를 포함하는 실리콘 화합물이 흡착되어 화학 흡착층을 형성한다. 이에 비하여, 헥사클로로디실란(HCD) 가스를 이용하는 원자층 적층 공정을 수행하게 되면 대상체 표면에 두 개의 실리콘 원자들을 포함하는 실리콘 화합물이 흡착되어 실리콘 리치 화학 흡착층(silicon rich chemisorption layer)을 형성하게 된다. 이에 따라, 헥사클로로디실란(HCD) 가스를 사용하여 형성된 실리콘 리치 화학 흡착층 내의 실리콘 함량이 실란 가스를 사용하여 형성된 화학 흡착층에 비하여 높아진다.2 and 3, when performing an atomic layer deposition process using silane gas, -SiH 3 is adsorbed onto a surface of an object such as a substrate. However, when performing an atomic layer deposition process using hexachlorodisilane (HCD) gas, -Si 2 Cl 4 or -Si 2 Cl 5 is adsorbed on the surface of the object. Specifically, when the atomic layer deposition process using the silane gas is performed, a silicon compound including one silicon atom is adsorbed on the surface of the object to form a chemical adsorption layer. In contrast, when the atomic layer deposition process using hexachlorodisilane (HCD) gas is performed, a silicon compound including two silicon atoms is adsorbed on an object surface to form a silicon rich chemisorption layer. do. Accordingly, the silicon content in the silicon rich chemisorption layer formed using hexachlorodisilane (HCD) gas is higher than that of the chemisorption layer formed using silane gas.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대상체 상에 형성된 높은 실리콘 함량을 갖는 실리콘 리치 화학 흡착층 상으로 산소를 포함하는 제2 가스를 공급할 경우, 상기 실리콘 리치 화학 흡착층과 제2 가스가 반응하여 상기 대상체 상에 단일 실리콘 리치 실리콘 산화층과 같은 단일 실리콘 리치 절연층이 형성된다. In one embodiment of the present invention, when supplying a second gas containing oxygen on the silicon rich chemisorption layer having a high silicon content formed on the object, the silicon rich chemisorption layer and the second gas reacts A single silicon rich insulating layer, such as a single silicon rich silicon oxide layer, is formed on the object.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 대상체 상에 형성된 실리콘 리치 화학 흡착층 상으로 산소를 포함하는 제2 가스 및 수소를 포함하는 제3 가스를 순차적으로 공급할 경우, 상기 실리콘 리치 화학 흡착층과 제2 가스가 반응하여 상기 대상체 상에 단일 실리콘 리치 실리콘 산질화층과 같은 단일 실리콘 리치 절연층이 형성되는 한편 상기 단일 실리콘 리치 절연층으로부터 염소(Cl)와 같은 원하지 않는 성분이 제거된다.According to another embodiment of the present invention, when the second gas containing oxygen and the third gas containing hydrogen are sequentially supplied onto the silicon rich chemisorption layer formed on the object, the silicon rich chemisorption layer and the The two gases react to form a single silicon rich insulating layer, such as a single silicon rich silicon oxynitride layer, on the object while removing unwanted components such as chlorine (Cl) from the single silicon rich insulating layer.
실란 가스를 사용하여 형성되는 종래의 단일 실리콘 산화층에 있어서는 인접한 실리콘 원자들끼리는 산소 원자를 중심으로 서로 결합하게 된다. 이에 비하여, 헥사클로로디실란(HCD) 가스 및 산소를 포함하는 제2 가스를 사용하거나 수소를 포함하는 제3 가스를 추가적으로 사용하여 형성되는 단일 실리콘 리치 절연층에 있어서, 인접하는 실리콘 원자들끼리 서로 직접 결합되기 때문에 단일 실리콘 리치 절연층 내에 실리콘-실리콘(Si-Si) 결합들이 생성된다. 즉, 헥사클로로디실란(HCD) 가스를 사용하여 형성된 실리콘 리치 절연층은 실란 가스를 사용하여 형성된 실리콘 산화층에 비해 높은 실리콘 함량을 가진다. 결국, 헥사클로로디실란(HCD) 가스 및 제2 가스를 사용하거나 제3 가스를 추가적으로 사용하는 원자층 적층 공정을 수행하여 높은 실리콘 함량을 가지는 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)을 형성할 수 있다.In a conventional single silicon oxide layer formed using silane gas, adjacent silicon atoms are bonded to each other around an oxygen atom. In contrast, in a single silicon rich insulating layer formed by using a hexachlorodisilane (HCD) gas and a second gas containing oxygen, or by additionally using a third gas including hydrogen, adjacent silicon atoms are separated from each other. Because of the direct bonding, silicon-silicon (Si-Si) bonds are created in a single silicon rich insulating layer. That is, the silicon rich insulating layer formed using hexachlorodisilane (HCD) gas has a higher silicon content than the silicon oxide layer formed using silane gas. As a result, an atomic layer deposition process using hexachlorodisilane (HCD) gas and a second gas or additionally using a third gas is performed to form silicon rich insulating
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상체(10) 상에 요구되는 두께 및 실리콘 함량을 갖는 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)을 형성하기 위하여, 각 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)을 형성하기 위한 원자층 적층 공정의 사이클을 반복적으로 수행할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, in order to form the silicon rich insulating
다시 도 1을 참조하면, 실리콘 나노-크리스탈 층들(20, 30)은 각기 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35) 사이에 제2 실리콘 화합물을 포함하는 제3 가스를 사용 하는 원자층 적층 공정을 통하여 형성된다.Referring back to FIG. 1, the silicon nano-
본 발명에 따르면, 단일 실리콘 리치 절연층(15)을 형성하기 위한 원자층 적층 공정의 하나의 사이클을 수행한 다음, 실리콘 및 수소를 함유하는 제2 실리콘 화합물을 포함하는 가스를 사용하는 원자층 적층 공정의 다른 하나의 사이클을 수행함으로써, 단일 실리콘 리치 절연층(15)의 일부를 단일 실리콘 나노-크리스탈 층(20)으로 변화시킨다. 즉, 실리콘 리치 절연층(15) 상으로 상기 실리콘을 포함하는 가스를 공급하면, 실리콘이 단일 실리콘 리치 절연층(15)과 반응하여 단일 실리콘 리치 절연층(15) 상에 단일 실리콘 나노-크리스탈 층(20)이 형성된다. 이와 동시에, 상기 실리콘 및 수소를 포함하는 가스에 포함된 수소가 단일 실리콘 리치 절연층(15)으로부터 염소(Cl)와 같은 원하지 않는 성분을 제거한다.According to the present invention, after performing one cycle of the atomic layer deposition process for forming a single silicon rich insulating
전술한 공정들과 마찬가지로, 단일 실리콘 나노-크리스탈 층(20) 상에 다시 단일 실리콘 리치 절연층(25)을 형성한 다음, 단일 실리콘 리치 절연층(25)의 일부를 다시 단일 실리콘 나노-크리스탈 층(30)으로 변화시킨다. 이러한 공정들을 반복적으로 수행함으로써, 대상체(10) 상에 복수 개의 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)과 복수 개의 실리콘 나노-크리스탈 층들(20, 30)을 포함하는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물(50)을 형성한다. As with the processes described above, a single silicon rich insulating
본 발명에 있어서, 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물(50)이 높은 실리콘 함량을 갖는 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35) 사이에 실리콘 나노-크리스탈 층들(20, 30)이 개재된 구조를 가지기 때문에, 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물(50) 내의 실리콘 함량을 크게 증가시킬 수 있다.In the present invention, the silicon rich nano-
또한, 원자층 적층 공정의 사이클들의 반복 회수를 조절하여 실리콘 리치 절연층들(15, 25, 35)의 두께를 조절하거나 실리콘 나노-크리스탈 층들(20, 30) 내의 실리콘 나노-크리스탈들의 크기 및 밀도를 조절함으로써, 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물(50) 내의 실리콘 함량의 변화의 폭을 보다 증가시킬 수 있는 동시에 우수한 단차 도포성 및 향상된 두께 균일도(thickness uniformity)를 갖는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물(50)을 형성할 수 있다.In addition, the number of cycles of the atomic layer deposition process can be controlled to control the thickness of the silicon rich insulating
실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 형성 방법Method of Forming Silicon Rich Nano-Crystal Structures
도 4는 본 발명의 실시예들에 따라 원자층 증착 공정을 이용하여 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.4 is a process flow diagram illustrating a method of forming a silicon rich nano-crystal structure using an atomic layer deposition process in accordance with embodiments of the present invention.
도 4를 참조하면, 반도체 기판 또는 금속 산화물 단결정 기판과 같은 대상체를 원자층 증착 장비의 반응 챔버 내에 로딩시킨다(단계 S100). 상기 반응 챔버 내의 온도는 약 600∼650℃ 정도로 유지된다. 예를 들면, 상기 반응 챔버의 내부 온도는 약 630℃ 정도가 된다. 이에 따라, 상기 반응 챔버 내에 위치하는 상기 대상체도 실질적으로 약 600∼650℃ 정도의 온도를 가진다.Referring to FIG. 4, an object such as a semiconductor substrate or a metal oxide single crystal substrate is loaded into a reaction chamber of an atomic layer deposition apparatus (step S100). The temperature in the reaction chamber is maintained at about 600 ~ 650 ℃. For example, the internal temperature of the reaction chamber is about 630 ℃. Accordingly, the object located in the reaction chamber also has a temperature of about 600 to 650 ° C substantially.
상기 반응 챔버 내에 위치하는 상기 대상체 상으로 제1 반응성 전구체(reactive precursor)로서 제1 가스를 공급하여 상기 대상체 상에 실리콘 리치 화학 흡착층을 형성한다(단계 S110). 상기 제1 가스는 적어도 두 개의 실리콘 원자들을 갖는 제1 실리콘 화합물을 포함한다. 예를 들면, 상기 제1 반응성 전구체로서 상기 제1 가스는 헥사디클로로실란(HCD) 가스를 포함한다.A first gas is supplied as a first reactive precursor onto the object positioned in the reaction chamber to form a silicon rich chemisorption layer on the object (step S110). The first gas comprises a first silicon compound having at least two silicon atoms. For example, the first gas as the first reactive precursor includes a hexadichlorosilane (HCD) gas.
상기 대상체 상으로 헥사디클로로실란(HCD) 가스를 포함하는 상기 제1 가스가 제공되면, 상기 제1 가스의 제1 부분은 상기 대상체에 화학적으로 흡착되어 상기 대상체 상에 상기 실리콘 리치 화학 흡착층이 형성된다. 한편, 상기 제1 가스의 제2 부분은 상기 대상체 또는 상기 실리콘 리치 화학 흡착층에 물리적으로 흡착되거나 상기 반응 챔버 내에 잔류한다. 이와 같이 물리 흡착되거나 잔류하는 제1 가스의 제2 부분은 상기 대상체 상에 형성된 실리콘 리치 화학 흡착층의 순도를 감소시키는 불순물 또는 오염 물질로 작용하게 된다. When the first gas including hexadichlorosilane (HCD) gas is provided on the object, the first portion of the first gas is chemically adsorbed to the object to form the silicon rich chemisorption layer on the object. do. Meanwhile, the second portion of the first gas is physically adsorbed to the object or the silicon rich chemisorption layer or remains in the reaction chamber. As such, the second portion of the first gas that is physically adsorbed or remains serves as an impurity or contaminant to reduce the purity of the silicon rich chemisorption layer formed on the object.
상기 실리콘 리치 화학 흡착층, 상기 대상체 및 상기 반응 챔버로부터 잔류하는 상기 제1 가스의 제2 부분을 제거한다(단계 S120). 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 펌핑 공정을 통하여 상기 반응 챔버로부터 상기 제1 가스의 제2 부분을 제거할 수 있다. 예를 들면, 상기 반응 챔버 내의 압력이 약 1.0Torr 이하가 되게 상기 반응 챔버를 펌핑함으로써, 헥사디클로로실란(HCD) 가스를 포함하는 제1 가스의 제2 부분을 제거할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 반응 챔버를 제1 퍼지 가스로 퍼지하는 제1 퍼지 공정을 통하여 상기 제1 가스의 제2 부분을 제거할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 퍼지 가스는 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스 또는 질소(N2) 가스 등의 불활성 가스를 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 제1 펌핑 공정과 상기 제1 퍼지 공정을 동시에 수행하여 헥사디클로로실란(HCD) 가스를 포함하는 제1 가스의 제2 부분을 상기 반응 챔버로부터 제거할 수 있다. The second portion of the first gas remaining from the silicon rich chemisorption layer, the object, and the reaction chamber is removed (step S120). According to an embodiment of the present invention, the second portion of the first gas may be removed from the reaction chamber through a first pumping process. For example, by pumping the reaction chamber such that the pressure in the reaction chamber is about 1.0 Torr or less, the second portion of the first gas containing hexadichlorosilane (HCD) gas can be removed. In another embodiment of the present invention, the second portion of the first gas may be removed through a first purge process of purging the reaction chamber with the first purge gas. For example, the first purge gas includes an inert gas such as argon (Ar) gas, helium (He) gas, or nitrogen (N 2 ) gas. In another embodiment of the present invention, the first pumping process and the first purge process may be performed simultaneously to remove a second portion of the first gas containing hexadichlorosilane (HCD) gas from the reaction chamber. have.
상기 실리콘 리치 화학 흡착층 상으로 제2 반응성 전구체로서 제2 가스를 공급하여 상기 대상체 상에 실리콘 리치 절연층을 형성한다(단계 S130). 상기 제2 반응성 전구체로서 상기 제2 가스는 산소를 포함한다. 예를 들면, 상기 제2 가스는 아산화질소 가스 또는 산소 가스를 포함한다. 이 경우, 상기 실리콘 리치 절연층은 실리콘 리치 실리콘 산화층에 해당된다.A second gas is supplied as a second reactive precursor onto the silicon rich chemisorption layer to form a silicon rich insulating layer on the object (step S130). As the second reactive precursor, the second gas contains oxygen. For example, the second gas includes nitrous oxide gas or oxygen gas. In this case, the silicon rich insulating layer corresponds to a silicon rich silicon oxide layer.
상기 대상체 상에 형성된 실리콘 리치 화학 흡착층 상으로 상기 제2 가스를 공급하면, 상기 실리콘 리치 화학 흡착층과 상기 제2 가스에 포함된 산소가 화학적으로 반응함으로써, 상기 대상체 상에는 높은 실리콘 함량을 가지는 동시에 우수한 단차 도포성을 가지는 단일 실리콘 리치 절연층이 형성된다.When the second gas is supplied onto the silicon rich chemisorption layer formed on the object, the silicon rich chemisorption layer and oxygen contained in the second gas are chemically reacted, thereby having a high silicon content on the object. A single silicon rich insulating layer having excellent step coatability is formed.
상기 대상체 상에 실리콘 리치 절연층을 형성한 다음, 상기 반응 챔버 내에 잔류하는 반응하지 않은 제2 가스를 상기 반응 챔버로부터 제거한다(S140). 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 펌핑 공정을 이용하여 상기 반응 챔버 내에 잔류하는 제2 가스를 제거할 수 있다. 예를 들면, 상기 반응 챔버 내의 압력이 약 1.0Torr 이하가 되도록 상기 반응 챔버를 펌핑하여 반응하지 않은 제2 가스를 제거할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 퍼지 가스를 사용하는 제2 퍼지 공정을 이용하여 상기 반응 챔버로부터 잔류하는 제2 가스를 제거할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 퍼지 가스는 아르곤 가스, 헬륨 가스 또는 질소 가스 등의 불활성 가스를 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 펌핑 공정과 상기 제2 퍼지 공정을 동시에 수행하여 반응하지 않은 제2 가스를 상기 반응 챔버로부터 제거할 수 있다.After the silicon rich insulating layer is formed on the object, the second unreacted gas remaining in the reaction chamber is removed from the reaction chamber (S140). In one embodiment of the present invention, the second gas remaining in the reaction chamber can be removed using the second pumping process. For example, the second chamber may be removed by pumping the reaction chamber so that the pressure in the reaction chamber is about 1.0 Torr or less. According to another embodiment of the present invention, the second gas remaining in the reaction chamber may be removed using a second purge process using the second purge gas. For example, the second purge gas includes an inert gas such as argon gas, helium gas, or nitrogen gas. According to another embodiment of the present invention, the second pumping process and the second purge process may be performed simultaneously to remove the unreacted second gas from the reaction chamber.
다시 도 4를 참조하면, 상기 제1 가스를 공급하는 단계(S110), 상기 잔류하는 제1 가스를 제거하는 단계(S120), 상기 제2 가스를 공급하는 단계(S130) 및 상기 잔류하는 제2 가스를 제거하는 단계(S140)로 이루어진 원자층 적층 공정의 제1 사이클(I)을 적어도 1회 이상 반복적으로 수행하여 상기 실리콘 리치 절연층 내의 실리콘 함량을 조절한다. 즉, 상기 제1 사이클(I)의 반복 회수를 조절하여 상기 실리콘 리치 절연층의 실리콘 리치도(richness)를 조절한다. Referring back to FIG. 4, supplying the first gas (S110), removing the remaining first gas (S120), supplying the second gas (S130), and the remaining second gas. The silicon content in the silicon rich insulating layer is controlled by repeatedly performing at least one or more first cycles (I) of the atomic layer deposition process including removing the gas (S140). That is, the silicon richness of the silicon rich insulating layer is controlled by controlling the number of repetitions of the first cycle I.
상기 제1 사이클(I)의 반복 회수가 작을 경우, 상기 실리콘 리치 절연층 내의 실리콘 함량이 너무 높아지기 때문에 상기 실리콘 리치 절연층이 전기적 절연층으로서의 기능을 상실할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 사이클(I)의 반복 회수를 조절하여 상기 실리콘 리치 절연층 내의 실리콘 함량을 적절하게 유지한다. 예를 들면, 상기 제1 사이클(I)을 5회 내지 10회 정도 반복적으로 수행하여 상기 대상체 상에 적절한 실리콘 함량을 갖는 실리콘 리치 절연층을 형성한다.When the number of repetitions of the first cycle I is small, the silicon rich insulating layer may lose its function as an electrical insulating layer because the silicon content in the silicon rich insulating layer becomes too high. Accordingly, the number of repetitions of the first cycle I is controlled to properly maintain the silicon content in the silicon rich insulating layer. For example, the first cycle I may be repeatedly performed about 5 to 10 times to form a silicon rich insulating layer having an appropriate silicon content on the object.
원자층 적층 공정의 상기 제1 사이클(I)을 반복적으로 수행한 다음, 상기 반응 챔버 내부에 제3 반응성 전구체로서 실리콘 및 수소를 함유하는 제2 실리콘 화합물을 포함하는 제3 가스를 공급하여 상기 실리콘 리치 절연층 상에 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성한다(단계 S150). 예를 들면, 상기 제3 가스를 실란 가스를 포함한다. 상기 제3 가스가 상기 실리콘 리치 절연층 상으로 공급되면, 상기 실리콘 리치 절연층과 상기 제3 가스가 반응함으로써, 상기 실리콘 리치 절연층의 일부가 상기 실리콘 나노-크리스탈 층으로 변화된다. 이와 동시에, 상기 제3 가스는 상기 실리콘 리치 절연층에 흡착되어 있는 염소(Cl)와 같은 원하지 않는 성분들을 탈착 시킨다. 상기 실리콘 리치 절연층이 실리콘 리치 실리콘 산화층일 때, 상기 실리콘 나노-크리스탈 층은 나노-크리스탈 실리콘 산화층이 된다.After the first cycle (I) of the atomic layer deposition process is repeatedly performed, a third gas containing a second silicon compound containing silicon and hydrogen as a third reactive precursor is supplied into the reaction chamber to supply the third gas. A silicon nano-crystal layer is formed on the rich insulating layer (step S150). For example, the third gas contains a silane gas. When the third gas is supplied onto the silicon rich insulating layer, a portion of the silicon rich insulating layer is changed into the silicon nano-crystal layer by reacting the silicon rich insulating layer and the third gas. At the same time, the third gas desorbs unwanted components such as chlorine (Cl) adsorbed on the silicon rich insulating layer. When the silicon rich insulating layer is a silicon rich silicon oxide layer, the silicon nano-crystal layer becomes a nano-crystal silicon oxide layer.
상기 제1 반응성 전구체로서 헥사디클로로실란(HCD) 가스를 포함하는 제1 가스를 사용하고 제2 반응성 전구체로서 산소를 포함하는 제2 가스를 사용할 경우, 상기 제1 사이클(I)을 수 회 반복적으로 수행하여 상기 대상체 상에 실리콘 리치 절연층을 증착하면 일정 시점부터 상기 실리콘 리치 절연층이 더 이상 성장하지 않게 된다. 이러한 이유는 상기 헥사디클로로실란(HCD) 가스에 함유된 염소가 실리콘 과 공유 결합을 형성함으로 인하여 후속 단계에서 실리콘 원자가 실리콘 원자 또는 산소 원자와 추가적으로 결합하는 것이 방해되기 때문이다.When using a first gas containing hexadichlorosilane (HCD) gas as the first reactive precursor and using a second gas containing oxygen as the second reactive precursor, the first cycle (I) is repeated several times. When the silicon rich insulating layer is deposited on the object, the silicon rich insulating layer no longer grows from a certain point in time. This is because the chlorine contained in the hexadichlorosilane (HCD) gas forms a covalent bond with silicon, thereby preventing further bonding of silicon atoms with silicon or oxygen atoms in a subsequent step.
상기 실리콘 리치 절연층이 적절한 두께를 갖도록 성장하지 못할 경우, 실리콘 나노-크리스탈 층과 그 상부에 형성되는 다른 실리콘 나노-크리스탈 층 사이의 간격이 좁아지게 된다. 이러한 실리콘 나노-크리스탈 층들을 포함하는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 불휘발성 반도체 메모리 장치의 전하 트랩핑 구조물로 적용할 경우, 인접하는 실리콘 나노-크리스탈 층들에 트랩된 전자들이 서로 밀거나 당기는 것과 같은 원하지 않는 작용을 하기 때문에 상기 불휘발성 메모리 장치의 전기적 특성을 저하시키게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 상기 제1 반응성 전구체로서 헥사디클로로실란(HCD) 가스를 사용하고 상기 제2 반응성 전구체로서 아산화질소 가스 또는 산소 가스를 사용하여 원자층 단위의 단일 실리콘 리치 절연층을 형성한 후, 상기 단일 실리콘 리치 절연층에 수소(H)를 포함하는 가스를 추가적으로 제공하여 상기 실리콘 리치 절연층에 흡착되어 있는 염소 성분을 탈착시킬 수 있다.If the silicon rich insulating layer fails to grow to have an appropriate thickness, the gap between the silicon nano-crystal layer and other silicon nano-crystal layers formed thereon becomes narrow. When applying a silicon rich nano-crystal structure comprising such silicon nano-crystal layers as a charge trapping structure of a nonvolatile semiconductor memory device, the desired trapped electrons trapped in adjacent silicon nano-crystal layers can be pushed or pulled together. The non-volatile memory device deteriorates the electrical characteristics of the nonvolatile memory device. In order to solve this problem, hexadichlorosilane (HCD) gas is used as the first reactive precursor and nitrous oxide gas or oxygen gas is used as the second reactive precursor to form a single silicon rich insulating layer in atomic layer units. Thereafter, the gas containing hydrogen (H) may be additionally provided to the single silicon rich insulating layer to desorb the chlorine component adsorbed on the silicon rich insulating layer.
예를 들면, 헥사디클로로실란(HCD) 가스를 공급하는 단계, 잔류하는 헥사디클로로실란(HCD) 가스를 제거하는 단계, 아산화질소 가스를 공급하는 단계 및 반응하지 않은 아산화질소 가스를 제거하는 단계로 이루어진 원자층 적층 공정의 사이클을 80회 정도 반복적으로 수행할 경우, 상기 대상체 상에 약 106Å 정도의 두께를 갖는 실리콘 리치 실리콘 산화층을 형성할 수 있다. 그러나 이러한 실리콘 리치 실리콘 산화층의 굴절률(Refractive Index; R.I)을 측정하였을 때, 상기 실리콘 리치 산화층은 약 1.77 정도로 낮은 굴절률을 갖는 것으로 나타내기 때문에 상기 실리콘 리치 실리콘 산화층의 실리콘 함량도 낮은 것을 확인할 수 있다.For example, the process includes supplying hexadichlorosilane (HCD) gas, removing residual hexadichlorosilane (HCD) gas, supplying nitrous oxide gas, and removing unreacted nitrous oxide gas. When the cycle of the atomic layer deposition process is repeatedly performed about 80 times, a silicon rich silicon oxide layer having a thickness of about 106 kPa may be formed on the object. However, when the refractive index (R.I) of the silicon rich silicon oxide layer is measured, the silicon rich oxide layer is shown to have a low refractive index of about 1.77, it can be seen that the silicon content of the silicon rich silicon oxide layer is also low.
본 발명에 따르면, 상기 원자층 적층 공정의 제1 사이클(I)을 반복적으로 수행한 다음, 실리콘 원자와 수소 원자를 포함하는 가스를 공급하여 실리콘 리치 절연층 상에 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성함과 동시에 상기 실리콘 리치 절연층에 흡착되어 있는 염소 성분을 탈착시킴으로써, 상기 대상체 상에 요구되는 실리콘 리치도를 갖는 실리콘 리치 절연층을 효과적으로 형성할 수 있다.According to the present invention, the first cycle (I) of the atomic layer deposition process is repeatedly performed, followed by supplying a gas containing silicon atoms and hydrogen atoms to form a silicon nano-crystal layer on the silicon rich insulating layer. At the same time, by desorbing the chlorine component adsorbed on the silicon rich insulating layer, it is possible to effectively form a silicon rich insulating layer having a silicon rich degree required on the object.
상기 반응 챔버 내의 압력을 약 1.0Torr 정도로 유지하면서 상기 대상체 상으로 약 0.5L 정도의 유량으로 약 8초 동안 상기 제3 가스로 실란 가스를 공급할 경우, 상기 실란 가스는 실리콘 리치 절연층의 표면에 도달할 때 상기 대상체의 온도에 의해 실리콘(Si)과 수소(H)로 분해되어 상기 실리콘 리치 절연층 상에 실리콘 나노-크리스탈들을 형성한다. 이와 동시에, 분해된 수소는 상기 실리콘 리치 절연층에 흡착되어 있는 염소와 반응하여 염화수소(HCl)를 형성함으로써, 상기 실리콘 리치 절연층으로부터 염소를 탈착시킨다. 이때, 상기 실란 가스의 유량을 조절함으로써, 상기 실리콘 나노-크리스탈 층 내의 실리콘 나노-크리스탈들의 크기 및 밀도를 조절할 수 있다.When the silane gas is supplied to the third gas for about 8 seconds at a flow rate of about 0.5 L onto the object while maintaining the pressure in the reaction chamber at about 1.0 Torr, the silane gas reaches the surface of the silicon rich insulating layer. When decomposed into silicon (Si) and hydrogen (H) by the temperature of the object to form silicon nano-crystals on the silicon rich insulating layer. At the same time, the decomposed hydrogen reacts with chlorine adsorbed on the silicon rich insulating layer to form hydrogen chloride (HCl), thereby desorbing chlorine from the silicon rich insulating layer. At this time, by adjusting the flow rate of the silane gas, the size and density of the silicon nano-crystals in the silicon nano-crystal layer can be adjusted.
상기 실리콘 리치 절연층 상에 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성하고 상기 실리콘 리치 절연층으로부터 원하지 않는 성분을 탈착시킨 다음, 상기 반응 챔버로부터 잔류하는 반응하지 않은 제3 가스를 제거한다(단계 S160). 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응 챔버 내의 압력이 약 1Torr 이하가 되도록 펌핑하는 제3 펌핑 공정을 통하여 상기 반응 챔버로부터 상기 반응하지 않은 제3 가스를 제거할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 반응 챔버를 아르곤, 헬륨, 질소 등의 불활성 가스를 포함하는 제3 퍼지 가스로 퍼지하는 제3 퍼지 공정을 이용하여 상기 반응 챔버 내에 잔류하는 제3 가스를 제거할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제3 펌핑 공정과 제3 퍼지 공정을 동시에 수행하여 상기 반응 챔버로부터 반응하지 않은 제3 가스를 제거할 수 있다. 이에 따라, 상기 대상체 상에는 단일 실리콘 리치 절연층 및 단일 실리콘 나노-크리스탈 층을 포함하는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물이 형성된다.A silicon nano-crystal layer is formed on the silicon rich insulating layer, and an unwanted component is desorbed from the silicon rich insulating layer, and then an unreacted third gas remaining from the reaction chamber is removed (step S160). According to an embodiment of the present invention, the third unreacted gas may be removed from the reaction chamber through a third pumping process of pumping the pressure in the reaction chamber to be about 1 Torr or less. In another embodiment of the present invention, the third gas remaining in the reaction chamber is removed using a third purge process in which the reaction chamber is purged with a third purge gas containing an inert gas such as argon, helium, nitrogen, or the like. can do. According to another embodiment of the present invention, the third pumping process and the third purge process may be simultaneously performed to remove the unreacted third gas from the reaction chamber. Accordingly, a silicon rich nano-crystal structure including a single silicon rich insulating layer and a single silicon nano-crystal layer is formed on the object.
다시 도 4를 참조하면, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물이 원하는 두께를 가질 때까지 제1 가스를 공급하는 단계(S110), 잔류하는 제1 가스를 제거하는 단계(S120), 제2 가스를 공급하는 단계(S130), 잔류하는 제2 가스를 제거하는 단계(S140), 제3 가스를 공급하는 단계(S150) 그리고 잔류하는 제3 가스를 제거하는 단계(S160)로 이루어진 원자층 적층 공정의 제2 사이클(II)을 반복적으로 수행한 다. 이에 따라, 상기 대상체 상에는 복수 개의 실리콘 리치 절연층들과 복수 개의 실리콘 나노-크리스탈 층들이 서로 반복적으로 교대로 적층된 구조를 갖는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물이 형성된다.Referring to FIG. 4 again, supplying a first gas until the silicon rich nano-crystal structure has a desired thickness (S110), removing a remaining first gas (S120), and supplying a second gas. The step S130, removing the remaining second gas (S140), supplying the third gas (S150), and removing the remaining third gas (S160). Repeat cycle 2 (II). Accordingly, a silicon rich nano-crystal structure having a structure in which a plurality of silicon rich insulating layers and a plurality of silicon nano-crystal layers are repeatedly stacked alternately with each other is formed on the object.
이 후에, 원하는 두께를 갖는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물이 형성된 대상체를 상기 반응 챔버로부터 언로딩시킨다(단계 S170). Thereafter, the object on which the silicon rich nano-crystal structure having the desired thickness is formed is unloaded from the reaction chamber (step S170).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물 내의 실리콘 나노-크리스탈들이 석출되는 양을 증가시키기 위하여 상기 실리콘 리치나노-크리스탈 구조물을 열처리한다. 예를 들면, 상기 열처리 공정은 약 800∼1,100℃ 정도의 온도에서 질소를 포함하는 가스 분위기 하에서 약 10∼90분 동안 수행된다. 또한, 상기 열처리 공정을 통하여 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물 내에 원하지 않는 전하 트랩 사이트(trap site)들이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 상기 열처리 공정을 거친 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 불휘발성 반도체 장치의 전하 트랩핑 구조물로 이용할 경우, 상기 불휘발성 반도체 장치의 기록(programming) 동작 및 소거(erasing) 동작 속도를 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 전술한 바와 같이 열처리된 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 전하 트랩핑 구조물로 포함하는 불휘발성 반도체 장치의 기록 동작 및 소거 동작의 속도는 열처리하지 않은 경우에 비하여 약 1.5∼2.0배 정도 증가하게 된다.According to an embodiment of the present invention, the silicon rich nano-crystal structure is heat-treated to increase the amount of silicon nano-crystals in the silicon rich nano-crystal structure. For example, the heat treatment process is performed for about 10 to 90 minutes in a gas atmosphere containing nitrogen at a temperature of about 800 to 1,100 ℃. In addition, the heat treatment process may prevent the formation of unwanted charge trap sites in the silicon rich nano-crystal structure. Meanwhile, when the silicon rich nano-crystal structure having undergone the heat treatment process is used as a charge trapping structure of the nonvolatile semiconductor device, the writing and erasing operation speed of the nonvolatile semiconductor device can be improved. . For example, the speed of the write operation and the erase operation of the nonvolatile semiconductor device including the heat-treated silicon rich nano-crystal structure as the charge trapping structure as described above is increased by about 1.5 to 2.0 times as compared with the case without heat treatment. Done.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 질소 및 산소를 포함하는 분위기 하에서 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물에 대한 예비 산화 공정을 진행함으로써, 후속 공정에서 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물이 지나치게 산화되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 전하 트랩핑 구조물로 포함하는 불휘발성 반도체 장치의 데이터 보존(data retention) 능력을 향상시킬 수 있다. According to another embodiment of the present invention, by performing a preliminary oxidation process for the silicon rich nano-crystal structure in an atmosphere containing nitrogen and oxygen, it is possible to prevent the silicon rich nano-crystal structure from being excessively oxidized in a subsequent process. The data retention capability of the nonvolatile semiconductor device including the silicon rich nano-crystal structure as a charge trapping structure can be improved.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물에 대하여 플래시 어닐링(flash annealing) 공정을 수행하여 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 실리콘 나노-크리스탈들의 양을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 플래시 어닐링 공정은 상기 대상체를 약 20∼500℃ 정도의 온도로 유지한 상태에서 약 5∼20msec 동안 수행된다. 또한, 상기 플래시 어닐링 공정을 거친 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 불휘발성 반도체 장치의 전하 트랩핑 구조물로 적용할 경우, 상기 불휘발성 반도체 장치의 기록 및 소거 동작 속도와 데이터 보존력을 개선할 수 있다. 예를 들면, 상기 플래시 어닐링 공정을 거친 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 전하 트랩핑 구조물로 포함하는 불휘발성 반도체 장치는 플래시 공정을 수행하지 않은 경우 보다 약 10∼20% 정도 향상된 기록 동작 및 소거 동작 속도를 가진다.According to another embodiment of the present invention, a flash annealing process may be performed on the silicon rich nano-crystal structure to increase the amount of silicon nano-crystals of the silicon rich nano-crystal structure. For example, the flash annealing process is performed for about 5 to 20 msec while maintaining the object at a temperature of about 20 to 500 ° C. In addition, when the silicon rich nano-crystal structure subjected to the flash annealing process is applied to the charge trapping structure of the nonvolatile semiconductor device, the write and erase operation speed and the data retention of the nonvolatile semiconductor device can be improved. For example, a nonvolatile semiconductor device including the silicon rich nano-crystal structure, which has undergone the flash annealing process, as a charge trapping structure, has a write and erase operation speed about 10 to 20% higher than that without the flash process. Has
본 발명에 따르면, 제1 가스를 공급하는 단계(S110), 잔류하는 제1 가스를 제거하는 단계(S120), 제2 가스를 공급하는 단계(S130) 및 잔류하는 제2 가스를 제거하는 단계(S140)로 이루어진 제1 사이클(I)을 수 회 반복적으로 수행하여 실리콘 리치 절연층을 형성한다. 이어서, 제3 가스를 공급하는 단계(S150) 및 잔류하는 제3 가스를 제거하는 단계(S160)를 실시한 후, 상기 제1 사이클(I)에 제3 가스를 공급하는 단계(S150) 및 잔류하는 제3 가스를 제거하는 단계(S160)가 추가된 상기 제 2 사이클(II)을 반복적으로 수행하여 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 형성한다. 적절한 실리콘 함량을 갖는 실리콘 리치 절연층 상에 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성함과 동시에 상기 실리콘 리치 절연층 내에 흡착되어 있는 염소를 탈착시킨 후, 실리콘 나노-크리스탈 층상에 다시 적절한 두께를 갖는 실리콘 리치 절연층을 형성하기 때문에 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물 내의 실리콘 함량을 크게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 두께를 균일하게 제어할 수 있다.According to the present invention, the step of supplying the first gas (S110), the step of removing the remaining first gas (S120), the step of supplying the second gas (S130) and removing the remaining second gas ( The first cycle I consisting of S140 is repeatedly performed several times to form a silicon rich insulating layer. Subsequently, after performing the step of supplying the third gas (S150) and the step of removing the remaining third gas (S160), the step of supplying the third gas to the first cycle (S150) and remaining The second cycle II to which the third gas removing step S160 is added is repeatedly performed to form the silicon rich nano-crystal structure. After forming the silicon nano-crystal layer on the silicon rich insulating layer having the appropriate silicon content and desorbing the chlorine adsorbed in the silicon rich insulating layer, the silicon rich insulation having the appropriate thickness again on the silicon nano-crystal layer. By forming the layer, not only can the silicon content in the silicon rich nano-crystal structure be greatly increased, but the thickness of the silicon rich nano-crystal structure can be uniformly controlled.
다음 표 1은 원자층 적층 공정의 제1 사이클(I)과 제2 사이클(II)의 반복 회수에 따른 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물들의 두께 및 굴절률(refractive index)을 측정한 결과를 나타낸 것이다.Table 1 shows the results of measuring the thickness and refractive index of the silicon rich nano-crystal structures according to the number of repetitions of the first cycle (I) and the second cycle (II) of the atomic layer deposition process.
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 형성된 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물들은 모두 2.0 이상의 높은 굴절률들을 가지기 때문에 각기 높은 실리콘 함량을 가짐을 알 수 있다. 그러나 제1 사이클(I)을 반복적으로 수행하여 실리콘 리치 절연층을 형성한 후, 실리콘 나노-크리스탈 층의 형성 및 염소 탈착을 위한 실란 가스 공급을 실시하기 때문에, 상기 실리콘 리치 절연층의 두께를 증가시키는데 한계가 있을 수 있다. 즉, 상기 제1 사이클(I)을 10회 이상 반복적으로 수행하여도 실리콘 리치 절연층의 두께가 실질적으로 증가하지 않을 수 있다. 이러한 이유는 실란 가스만으로는 상기 실리콘 리치 절연층으로부터 충분한 염소 탈착이 이루어지지 않기 때문으로 여겨진다. 따라서 실리콘 리치 절연층의 두께를 증가시키기 위해서는 실리콘을 포함하는 가스 외에도 별도의 염소 탈착을 위한 가스가 요구될 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that each of the silicon rich nano-crystal structures formed according to the present invention has a high silicon content because they all have high refractive indices of 2.0 or more. However, since the silicon rich insulating layer is repeatedly formed by repeatedly performing the first cycle (I), the silane gas is supplied for the formation of the silicon nano-crystal layer and the chlorine desorption, thereby increasing the thickness of the silicon rich insulating layer. There may be a limit to this. That is, even if the first cycle I is repeatedly performed ten or more times, the thickness of the silicon rich insulating layer may not increase substantially. This is considered to be because silane gas alone does not sufficiently desorb chlorine from the silicon rich insulating layer. Therefore, in order to increase the thickness of the silicon rich insulating layer, a gas for chlorine desorption may be required in addition to the gas containing silicon.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자층 증착 공정을 이용한 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 형성 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.5 is a process flowchart illustrating a method of forming a silicon rich nano-crystal structure using an atomic layer deposition process according to another embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 반도체 기판 또는 금속 산화물 단결정 기판과 같은 대상체를 원자층 증착 설비의 반응 챔버 내에 로딩시킨다(단계 S200). 이 때, 상기 반응 챔버 내의 온도는 약 600∼650℃ 정도로 유지된다.Referring to FIG. 5, an object such as a semiconductor substrate or a metal oxide single crystal substrate is loaded into a reaction chamber of an atomic layer deposition facility (step S200). At this time, the temperature in the reaction chamber is maintained at about 600 ~ 650 ℃.
상기 반응 챔버 내로 제1 반응성 전구체로서 적어도 두 개의 실리콘 원자를 갖는 제1 실리콘 화합물을 포함하는 제1 반응 가스를 제공하여 상기 대상체 상에 실리콘 리치 화학 흡착층을 형성한다(단계 S210). 예를 들면, 상기 제1 가스는 헥사클로로디실란 가스를 포함한다. 상기 제1 가스의 제1 부분은 상기 대상체에 화학적으로 흡착되어 상기 실리콘 리치 화학 흡착층을 형성하지만, 상기 제1 가스의 제2 부분은 상기 대상체 또는 상기 실리콘 리치 화학 흡착층에 물리적으로 흡착되거나 상기 반응 챔버 내에 잔류하게 된다.Into the reaction chamber, a first reaction gas including a first silicon compound having at least two silicon atoms as a first reactive precursor is provided to form a silicon rich chemisorption layer on the object (step S210). For example, the first gas includes hexachlorodisilane gas. The first portion of the first gas is chemically adsorbed to the object to form the silicon rich chemisorption layer, but the second portion of the first gas is physically adsorbed to the object or the silicon rich chemisorption layer or It remains in the reaction chamber.
상기 반응 챔버로부터 상기 제1 가스의 제2 부분을 제거한다(단계 S220). 상기 제1 가스의 제2 부분은 제1 펌핑 공정, 제1 퍼지 공정 또는 제1 펌핑 공정과 제1 퍼지 공정을 조합한 공정을 이용하여 상기 반응 챔버로부터 제거된다. 예를 들면, 상기 반응 챔버 내의 압력을 약 1Torr 이하가 되도록 펌핑하거나, 상기 반응 챔버를 아르곤 가스, 헬륨 가스 또는 질소 가스 등의 불활성 가스로 퍼지하거나, 전술한 펌핑과 퍼지를 동시에 수행하여 잔류하는 제1 가스의 제2 부분을 상기 반응 챔버로부터 제거한다.The second portion of the first gas is removed from the reaction chamber (step S220). The second portion of the first gas is removed from the reaction chamber using a first pumping process, a first purge process, or a combination of the first pumping process and the first purge process. For example, the pressure in the reaction chamber is pumped to be about 1 Torr or less, or the reaction chamber is purged with an inert gas such as argon gas, helium gas, or nitrogen gas, or the above-described pumping and purging are performed at the same time. A second portion of one gas is removed from the reaction chamber.
제2 반응성 전구체로서 상기 실리콘 리치 화학 흡착층 상으로 산소를 포함하는 제2 가스를 제공하여 상기 대상체 상에 실리콘 리치 절연층을 형성한다(단계 S230). 예를 들면, 상기 제2 가스는 산소 가스 또는 아산화질소 가스를 포함한다. 상기 실리콘 리치 절연층은 상기 제2 가스와 상기 실리콘 리치 화학 흡착층의 반응에 따라 상기 대상체 상에 형성된다. 따라서 상기 실리콘 리치 절연층은 높은 실리콘 함량과 우수한 단차 도포성을 가진다.A second gas containing oxygen is provided on the silicon rich chemisorption layer as a second reactive precursor to form a silicon rich insulating layer on the object (step S230). For example, the second gas includes oxygen gas or nitrous oxide gas. The silicon rich insulating layer is formed on the object according to the reaction of the second gas and the silicon rich chemisorption layer. Therefore, the silicon rich insulating layer has a high silicon content and excellent step coverage.
제2 펌핑 공정, 제2 퍼지 공정 또는 제2 펌핑 공정과 제2 퍼지 공정을 조합한 공정을 통하여 상기 반응 챔버 내에 잔류하는 반응하지 않은 상기 제2 가스를 제거한다(단계 S240). 예를 들면, 상기 반응 챔버 내의 압력이 1Torr 이하가 되도록 상기 반응 챔버를 펌핑하거나, 상기 반응 챔버를 불활성 가스를 포함하는 제2 퍼지 가스를 사용하여 퍼지하거나, 펌핑과 퍼지를 동시에 수행하여 잔류하는 제2 가스 상기 반응 챔버로부터 제거한다.The unreacted second gas remaining in the reaction chamber is removed through a second pumping process, a second purge process, or a process combining the second pumping process and the second purge process (step S240). For example, the reaction chamber may be pumped so that the pressure in the reaction chamber is 1 Torr or less, or the reaction chamber is purged using a second purge gas containing an inert gas, or the pump and purge may be performed simultaneously. 2 gases are removed from the reaction chamber.
상기 반응 챔버로 수소를 포함하는 제3 가스를 도입하여 상기 실리콘 리치 절연층 내에 흡착되어 있는 원하지 않는 성분을 제거한다(단계 S250). 예를 들면, 상기 제3 가스는 암모니아 가스, 수소 가스 또는 중수소 가스를 포함하며, 상기 제3 가스에 포함된 수소가 상기 실리콘 리치 절연층에 흡착된 염소와 반응하여 염화수소를 형성함으로써, 상기 실리콘 리치 절연층으로부터 원하지 않는 성분이 제거된다.A third gas containing hydrogen is introduced into the reaction chamber to remove unwanted components adsorbed in the silicon rich insulating layer (step S250). For example, the third gas includes ammonia gas, hydrogen gas, or deuterium gas, and hydrogen contained in the third gas reacts with chlorine adsorbed to the silicon rich insulating layer to form hydrogen chloride, thereby forming the silicon rich. Unwanted components are removed from the insulating layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제3 가스가 수소 및 질소를 포함하고 상기 실리콘 리치 절연층이 실리콘 리치 실리콘 산화층일 경우, 상기 제3 가스에 포함된 질소가 상기 실리콘 리치 절연층의 실리콘과 반응하여 실리콘 댕글링 본드(dangling bond)들을 감소시키면서 결합력이 강한 실리콘-질소(Si-N) 결합들을 형성하게 된다. 이에 따라, 상기 실리콘 리치 실리콘 산화층은 실리콘 리치 실리콘 산질화층으로 변화된다. 이러한 실리콘 리치 실리콘 산질화층 내의 실리콘-질소 결합들은 실리콘 리치 실리콘 산질화층 내에 원하지 않는 전하 트랩 사이트들이 형성되는 것을 감소시키는 동시에 상기 실리콘 리치 산질화층의 열 또는 응력에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the third gas includes hydrogen and nitrogen, and the silicon rich insulating layer is a silicon rich silicon oxide layer, nitrogen included in the third gas may include silicon of the silicon rich insulating layer. The reaction forms strong silicon-nitrogen (Si-N) bonds while reducing silicon dangling bonds. Accordingly, the silicon rich silicon oxide layer is changed into a silicon rich silicon oxynitride layer. Silicon-nitrogen bonds in such a silicon rich silicon oxynitride layer can reduce the formation of unwanted charge trap sites in the silicon rich silicon oxynitride layer while improving the durability against heat or stress of the silicon rich silicon oxynitride layer. .
상기 실리콘 리치 절연층으로부터 원하지 않는 물질을 제거한 다음, 상기 반응 챔버 내에 잔류하는 반응하지 않은 제3 가스를 상기 반응 챔버로부터 제거한다(단계 S260). 전술한 바와 유사하게, 잔류하는 제3 가스는 제3 펌핑 공정, 제3 퍼지 공정 또는 제3 펌핑 공정과 제3 퍼지 공정을 조합한 공정을 이용하여 상기 반응 챔버로부터 제거된다. 예를 들면, 상기 반응 챔버 내의 압력이 약 1Torr 이하가 되도록 상기 반응 챔버를 펌핑하거나, 불활성 가스를 포함하는 제3 퍼지 가스로 상기 반응 챔버를 퍼지하거나, 이러한 펌핑과 퍼지를 동시에 수행하여 상기 반응 챔버 내에 잔류하는 제3 가스를 제거한다.After removing the unwanted material from the silicon rich insulating layer, an unreacted third gas remaining in the reaction chamber is removed from the reaction chamber (step S260). Similar to the foregoing, the remaining third gas is removed from the reaction chamber using a third pumping process, a third purge process, or a combination of the third pumping process and the third purge process. For example, the reaction chamber may be pumped such that the pressure in the reaction chamber is about 1 Torr or less, or the reaction chamber is purged with a third purge gas containing an inert gas, or the pumping and purging are performed simultaneously. The third gas remaining inside is removed.
상기 제1 가스를 공급하는 단계(S210), 상기 잔류하는 제1 가스를 제거하는 단계(S220), 상기 제2 가스를 공급하는 단계(S230), 상기 잔류하는 제2 가스를 제거하는 단계(S240), 상기 제3 가스를 공급하는 단계(S250) 그리고 상기 잔류하는 제3 가스를 제거하는 단계(S260)로 이루어진 원자층 적층 공정의 제3 사이클(III) 사이클을 적어도 1회 이상 반복적으로 수행함으로써, 상기 실리콘 리치 절연층의 실리콘 함량을 조절한다. 상기 원자층 적층 공정의 제3 사이클(III)의 반복 횟수가 작을 경우, 상기 실리콘 리치 절연층 내의 실리콘 함량이 너무 높아져 상기 실리콘 리치 절연층의 전기적 절연 특성이 저하될 수 있으므로, 상기 제3 사이클(III)을 5회 내지 10회 정도로 반복적으로 수행한다.Supplying the first gas (S210), removing the remaining first gas (S220), supplying the second gas (S230), removing the remaining second gas (S240) ), By repeatedly performing the third cycle (III) cycle of the atomic layer deposition process consisting of supplying the third gas (S250) and removing the remaining third gas (S260). To adjust the silicon content of the silicon rich insulating layer. When the number of repetitions of the third cycle (III) of the atomic layer deposition process is small, the silicon content in the silicon rich insulating layer may be so high that the electrical insulating properties of the silicon rich insulating layer may be degraded. III) is repeated 5 to 10 times.
다시 도 5를 참조하면, 상기 제3 사이클(III)을 반복하여 수행한 후, 상기 반응 챔버로 제2 실리콘 화합물을 포함하는 제4 가스를 공급하여 상기 실리콘 리치 절연층 상에 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성한다(단계 S270). 예를 들면, 상기 제4 가스는 실란 가스를 포함한다. 여기서, 상기 제4 가스의 유량을 조절하여 상기 실리콘 나노-크리스탈 층 내의 실리콘 나노-크리스탈들의 크기 및 밀도를 제어할 수 있다.Referring back to FIG. 5, after repeatedly performing the third cycle (III), the silicon nano-crystal layer on the silicon rich insulating layer is supplied to the reaction chamber by supplying a fourth gas containing a second silicon compound. (Step S270). For example, the fourth gas includes silane gas. Here, the size and density of the silicon nano-crystals in the silicon nano-crystal layer may be controlled by adjusting the flow rate of the fourth gas.
제4 펌핑 공정, 제4 퍼지 공정 또는 제4 펌핑 공정과 제4 퍼지 공정을 조합한 공정을 이용하여 상기 반응 챔버 내에 잔류하는 반응하지 않은 제4 가스를 제거한다(단계 S280). 예를 들면, 상기 반응 챔버 내의 압력이 약 1Torr 이하가 되도록 펌핑하거나, 상기 반응 챔버를 불활성 가스를 포함하는 제4 퍼지 가스로 퍼지하거나, 이러한 펌핑과 퍼지를 동시에 수행하여 잔류하는 제4 가스를 제거한다. 이에 따라, 상기 대상체 상에는 상기 실리콘 리치 절연층 및 상기 실리콘 나노-크리스탈 층을 포함하는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물이 형성된다.The unreacted fourth gas remaining in the reaction chamber is removed using a fourth pumping process, a fourth purge process, or a process combining a fourth pumping process and a fourth purge process (step S280). For example, the pump may be pumped so that the pressure in the reaction chamber is about 1 Torr or less, or the reaction chamber is purged with a fourth purge gas containing an inert gas, or the pump and purge are performed simultaneously to remove the remaining fourth gas. do. Accordingly, a silicon rich nano-crystal structure including the silicon rich insulating layer and the silicon nano-crystal layer is formed on the object.
상기 실리콘 리치 구조물이 요구되는 두께를 가질 때까지, 상기 제1 가스를 공급하는 단계(단계 S210), 상기 잔류하는 제1 가스를 제거하는 단계(S220), 상기 제2 가스를 공급하는 단계(S230), 상기 잔류하는 제2 가스를 제거하는 단계(S240), 상기 제3 가스를 공급하는 단계(S250) 및 상기 잔류하는 제3 가스를 제거하는 단계(S250)를 포함하는 제3 사이클(III)을 수회 반복한 다음, 상기 제3 사이클(III)과 상기 제4 가스를 공급하는 단계(S270) 및 상기 잔류하는 제4 가스를 제거하는 단계(S280)를 포함하는 원자층 적층 공정의 제4 사이클(IV)을 반복적으로 수행한다. 따라서 상기 대상체 상에는 원하는 두께를 가지는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물이 형성된다.Supplying the first gas (step S210), removing the remaining first gas (S220), and supplying the second gas until the silicon rich structure has a required thickness (S230). ), A third cycle (III) including removing the remaining second gas (S240), supplying the third gas (S250), and removing the remaining third gas (S250). After repeating several times, the fourth cycle of the atomic layer deposition process comprising the step of supplying the third cycle (III) and the fourth gas (S270) and removing the remaining fourth gas (S280) Repeat (IV). Therefore, a silicon rich nano-crystal structure having a desired thickness is formed on the object.
상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물이 요구되는 적절한 두께를 가질 경우, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물이 형성된 대상체를 상기 반응 챔버로부터 언로딩시킨다(단계 S290).When the silicon rich nano-crystal structure has the required thickness, the object on which the silicon rich nano-crystal structure is formed is unloaded from the reaction chamber (step S290).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물 내의 실리콘 나노-크리스탈들이 석출되는 양을 증가시키고, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물 내에 원하지 않는 전하 트랩 사이트들이 형성되는 것을 방지하기 위하여 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 열처리할 수 있다. 이와 같은 열처리 공정을 거친 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 불휘발성 반도체 장치의 전하 트랩핑 구조물로 이용할 경우, 상기 불휘발성 반도체 장치의 기록 동작 및 소거 동작 속도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물에 대한 예비 산화 공정을 수행하여 후속 공정에서 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물이 지나치게 산화되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 전하 트랩핑 구조물로 포함하는 불휘발성 반도체 장치의 데이터 보존 능력을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물에 대하여 플래시 어닐링 공정을 수행하여 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 실리콘 나노-크리스탈들의 양을 증가시킬 수 있다. 이러한 플래시 어닐링 공정을 거친 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 불휘발성 반도체 장치의 전하 트랩핑 구조물로 적용할 경우, 상기 불휘발성 반도체 장치의 기록 및 소거 동작 속도와 데이터 보존력을 개선할 수 있다.According to one embodiment of the invention, to increase the amount of silicon nano-crystals in the silicon rich nano-crystal structure and to prevent the formation of unwanted charge trap sites in the silicon rich nano-crystal structure The silicon rich nano-crystal structure can be heat treated. When the silicon rich nano-crystal structure, which has undergone such heat treatment, is used as the charge trapping structure of the nonvolatile semiconductor device, the write and erase speeds of the nonvolatile semiconductor device can be improved. According to another embodiment of the present invention, by performing a preliminary oxidation process for the silicon rich nano-crystal structure to prevent excessive oxidation of the silicon rich nano-crystal structure in a subsequent process, the silicon rich nano-crystal The data preservation capability of the nonvolatile semiconductor device including the structure as a charge trapping structure can be improved. According to another embodiment of the present invention, a flash annealing process may be performed on the silicon rich nano-crystal structure to increase the amount of silicon nano-crystals of the silicon rich nano-crystal structure. When the silicon rich nano-crystal structure subjected to the flash annealing process is applied to the charge trapping structure of the nonvolatile semiconductor device, the write and erase operation speed and data retention of the nonvolatile semiconductor device can be improved.
상술한 바와 같이, 단일 실리콘 리치 절연층의 원자층을 형성하는 공정과 상기 실리콘 리치 절연층 내의 원하지 않는 성분을 탈착시키는 공정을 교대로 반복하여 수행하기, 상기 실리콘 리치 절연층의 두께 증가 한계를 극복할 수 있다. 다시 말하면, 상기 원자층 적층 공정의 제3 사이클(III)의 반복 회수를 조절하여 상기 실리콘 리치 절연층의 두께를 더욱 증가시킬 수 있다.As described above, alternately repeating a process of forming an atomic layer of a single silicon rich insulating layer and a process of desorbing unwanted components in the silicon rich insulating layer, overcome the limitation of increasing the thickness of the silicon rich insulating layer. can do. In other words, the thickness of the silicon rich insulating layer may be further increased by controlling the number of repetitions of the third cycle (III) of the atomic layer deposition process.
다음 표 2는 상기 원자층 적층 공정의 제3 사이클(III) 및 제4 사이클(IV)의 반복 회수에 따른 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물들의 두께 및 굴절률을 측정한 결과를 나타낸 것이다.Table 2 below shows the results of measuring thickness and refractive index of the silicon rich nano-crystal structures according to the number of repetitions of the third cycle (III) and the fourth cycle (IV) of the atomic layer deposition process.
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 상기 수소를 포함하는 가스를 이용하여 원하지 않는 성분이 제거된 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물들은 모두 2.2 이상의 매우 높은 굴절률을 가지기 때문에, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물들의 실리콘 리치도도 매우 높은 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 2, the silicon-rich nano-crystal structures of the silicon-rich nano-crystal structures, because all of the silicon-rich nano-crystal structures from which unwanted components have been removed using the gas containing hydrogen, all have a very high refractive index of 2.2 or more. Richness is also very high.
전술한 바에 따르면, 단일 실리콘 리치 절연층을 형성하는 공정, 단일 실리콘 리치 절연층 내의 원하지 않는 성분을 탈착시키는 공정으로 이루어진 제3 사이클(III)을 수 회 반복적으로 수행한 후, 상기 실리콘 리치 절연층 상에 실리콘 나노-크리스탈 층을 형성하기 때문에, 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 두께 증가 한계를 극복할 수 있다. 즉, 상기 제3 사이클(III)의 반복 회수에 비례하여 상기 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물의 두께를 증가시킬 수 있다.As described above, after repeatedly performing the third cycle (III), which includes a process of forming a single silicon rich insulating layer and a process of desorbing unwanted components in the single silicon rich insulating layer, the silicon rich insulating layer is repeatedly performed. Since the silicon nano-crystal layer is formed on it, the thickness increase limit of the silicon rich nano-crystal structure can be overcome. That is, the thickness of the silicon rich nano-crystal structure may be increased in proportion to the number of repetitions of the third cycle (III).
다음 표 3은 종래의 실리콘 산화층과 본 발명에 따른 실리콘 리치 실리콘 산화층 및 실리콘 리치 실리콘 산질화층 내의 실리콘(Si), 산소(O) 및 질소(N) 함량과 굴절률을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 상기 실리콘, 산소 및 질소 함량은 X-선 광전자 분석기(X-ray Photo-electron Spectroscopy; XPS)를 통해 분석하였다.Table 3 shows the results of measuring the silicon (Si), oxygen (O) and nitrogen (N) content and refractive index in the conventional silicon oxide layer, the silicon rich silicon oxide layer and the silicon rich silicon oxynitride layer according to the present invention. The silicon, oxygen and nitrogen contents were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
상기 표 3에 있어서, 종래의 실리콘 산화층은 실란 가스를 사용하여 형성하였다. 상기 실리콘 리치 실리콘 산화층은, 헥사디클로로실란 가스를 공급 하는 단계 및 아산화질소 가스를 공급하는 단계를 포함하는 이루어진 제1 사이클을 5회 반복하여 수행한 다음, 실란 가스를 공급하는 단계 및 제1 사이클을 포함하는 제2 사이클을 10회 반복하여 수행함으로써 형성하였다. 상기 실리콘 리치 실리콘 산질화층들은, 헥사디클로로실란 가스를 공급하는 단계, 아산화질소 가스를 공급하는 단계 및 암모니아 가스를 공급하는 단계로 이루어진 제3 사이클을 5회 반복하여 수행한 후, 실란 가스를 공급하는 단계 및 상기 제3 사이클을 포함하는 제4 사이클을 5회 반복하여 수행함으로써 형성되었다. 여기서, 실리콘 리치 실리콘 산질화층들(A, B, C)은 암모니아 가스의 유량에 따라 구분된다. 즉, 실리콘 리치 실리콘 산질화층(A)은 암모니아 가스의 유량이 가장 높은 경우를 나타내고, 실리콘 리치 실리콘 산질화층(C)은 암모니아 가스의 유량이 가장 낮은 경우에 해당되며, 실리콘 리치 실리콘 산질화층(B)은 암모니아 가스의 유량이 중간 정도인 것을 나타낸다.In Table 3, the conventional silicon oxide layer was formed using silane gas. The silicon rich silicon oxide layer may be performed by repeating five times of a first cycle including supplying hexadichlorosilane gas and supplying nitrous oxide gas, and then supplying silane gas and performing a first cycle. It was formed by performing a repeating second cycle containing 10 times. The silicon rich silicon oxynitride layers are subjected to five times of a third cycle consisting of supplying hexadichlorosilane gas, supplying nitrous oxide gas, and supplying ammonia gas, and then supplying silane gas. And a fourth cycle including the third cycle is repeated five times. Here, the silicon rich silicon oxynitride layers A, B, and C are classified according to the flow rate of the ammonia gas. That is, the silicon rich silicon oxynitride layer (A) shows the case where the flow rate of ammonia gas is the highest, and the silicon rich silicon oxynitride layer (C) corresponds to the case where the flow rate of the ammonia gas is the lowest, and the silicon rich silicon oxynitride Layer (B) shows that the flow rate of ammonia gas is moderate.
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 실란 가스를 사용하는 종래의 실리콘 산화층에 있어서, 실리콘 함량과 산소 함량 사이의 비는 약 1:2 정도이다. 또한, 종래의 실리콘 산화층은 약 1.46 정도의 낮은 굴절률을 나타낸다. 이에 비하여, 본 발명에 따른 실리콘 리치 실리콘 산화층 내의 실리콘 함량과 산소의 함량은 거의 비슷하며, 본 발명에 따른 실리콘 리치 실리콘 산화층은 약 2.13 정도의 상대적으로 높은 굴절률을 가진다. 또한, 본 발명에 따른 실리콘 리치 실리콘 산질화층들(A, B, C)은 약 2.36 내지 약 2.37 정도의 높은 굴절률을 가지며, 암모니아 가스의 유량 변화에 따라 실리콘 리치 실리콘 산질화층들(A, B, C) 내의 산소 함량 및 질소 함량이 변화되는 반면, 실리콘 함량은 거의 균일하게 나타난다. 따라서 암모니아 가스의 유량을 조절하여 실리콘 리치 실리콘 산질화층 내의 질소 함량을 최적화시킬 경우, 실리콘-질소(Si-N) 결합들의 형성에 따라 실리콘 리치 실리콘 산질화층 내의 원하지 않는 전하 트랩 사이트들을 감소시켜 안정된 전기적 특성을 갖는 실리콘 리치 실리콘 산질화층을 형성할 수 있다.As shown in Table 3 above, in the conventional silicon oxide layer using silane gas, the ratio between the silicon content and the oxygen content is about 1: 2. In addition, the conventional silicon oxide layer exhibits a low refractive index of about 1.46. On the other hand, the silicon content and oxygen content in the silicon rich silicon oxide layer according to the present invention are almost similar, and the silicon rich silicon oxide layer according to the present invention has a relatively high refractive index of about 2.13. In addition, the silicon rich silicon oxynitride layers (A, B, C) according to the present invention have a high refractive index of about 2.36 to about 2.37, and the silicon rich silicon oxynitride layers (A, While the oxygen content and nitrogen content in B, C) change, the silicon content appears almost uniform. Therefore, in order to optimize the nitrogen content in the silicon rich silicon oxynitride layer by adjusting the flow rate of ammonia gas, unwanted charge trap sites in the silicon rich silicon oxynitride layer are reduced by forming silicon-nitrogen (Si-N) bonds. It is possible to form a silicon rich silicon oxynitride layer having stable electrical properties.
불휘발성 반도체 장치의 제조 방법Manufacturing method of nonvolatile semiconductor device
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 불휘발성 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.6 to 8 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 실리콘 웨이퍼 또는 SOI 기판과 같은 기판(200) 상에 소자 분리층(205)을 형성하여 기판(200)을 활성 영역과 소자 분리 영역으로 구분한다. 예를 들면, 소자 분리층(205)은 쉘로우 트렌치 소자 분리(STI) 공정 또는 열산화 공정을 이용하여 형성된다.Referring to FIG. 6, the
기판(200)의 활성 영역 상에 터널 유전층(205)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 터널 유전층(205)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 산질화물과 같은 실리콘 화합물을 사용하여 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 터널 유전층(205)은 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 알루미늄 산화물 등과 같은 고유전율을 갖는 금속 산화물을 사용하여 형성된다.A
도 7을 참조하면, 터널 유전층(205) 상에 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물에 해당되는 전하 트랩핑 구조물(charge trapping layer)(230)을 형성한다. 전하 트랩핑 구조물(230)은 복수 개의 실리콘 리치 층들(215, 216, 217)과 복수 개의 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221)을 포함한다. Referring to FIG. 7, a
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 트랩핑 구조물(230)은 헥사디클로로실란(HCD) 가스를 포함하는 제1 가스 및 산소를 포함하는 제2 가스를 사용하는 원자층 적층 공정의 제1 사이클과 실리콘을 포함하는 제3 가스를 추가적으로 사용하는 원자층 적층 공정의 제2 사이클을 수회 반복적으로 수행하여 형성된다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전하 트랩핑 구조물(230)은 헥사디클로로실란(HCD) 가스를 포함하는 제1 가스, 산소를 포함하는 제2 가스 및 수소를 포함하는 제3 가스를 사용하는 원자층 적층 공정의 제3 사이클 그리고 실리콘을 포함하는 제4 가스를 추가적으로 사용하는 원자층 적층 공정의 제4 사이클을 수회 반복적으로 수행하여 형성된다.As described above, the
본 발명에 따른 전하 트랩핑 구조물(230)에 있어서, 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221)은 종래의 불휘발성 반도체 장치의 플로팅 게이트와 실질적으로 동일한 역할을 한다.In the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전하 트랩핑 구조물(230) 내의 실리콘 나노-크리스탈들이 석출되는 양을 증가시키고 전하 트랩핑 구조물(230) 내에 원하지 않는 전하 트랩 사이트들이 형성되는 것을 방지하기 위하여 전하 트랩핑 구조물(230)을 열처리함으로써, 열처리 공정을 거친 전하 트랩핑 구조물(230)을 포함하는 불휘발성 반도체 장치의 기록 동작 및 소거 동작 속도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전하 트랩핑 구조물(230)에 대한 예비 산화 공정을 수행하여, 후속 공정에서 전하 트랩핑 구조물(230)이 지나치게 산화되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 불휘발성 반도체 장치의 데이터 보존 능력을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전하 트랩핑 구조물(230)에 대하여 플래시 어닐링 공정을 수행하여 실리콘 나노-크리스탈들의 양을 증가시킬 수 있으며, 상기 불휘발성 반도체 장치의 기록 및 소거 동작 속도와 데이터 보존력을 개선할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the charge trap is increased to increase the amount of silicon nano-crystals in the
도 8을 참조하면, 전하 트랩층(106) 상에 차단 유전층(blocking dielectric layer)(235)을 형성한다. 차단 유전층(235)은 그 상부에 형성되는 컨트롤 게이트(240)로부터 전하 트랩핑 구조물(230)로 전하들이 이동하는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 차단 유전층(235)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 산질화물 등의 실리콘 화합물을 사용하여 형성된다. 또한, 차단 유전층(235)은 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물 또는 알루미늄 산화물 등의 높은 유전율을 갖는 금속 산화물을 사용하여 형성할 수 있다. Referring to FIG. 8, a blocking
차단 유전층(235) 상에 도전성 물질을 사용하여 컨트롤 게이트(240)를 형성한다. 컨트롤 게이트(240)는 불순물로 도핑된 폴리실리콘, 금속 또는 금속 질화물을 사용하여 형성된다. 컨트롤 게이트(240)에 인접하는 기판(200)에 불순물을 주입하여 소스/드레인 영역들을 형성함으로써 기판(200) 상에 불휘발성 반도체 장치를 완성한다.
이하, 전술한 구조를 가지는 불휘발성 반도체 장치의 기록(programming) 동작, 읽기(reading) 동작 및 소거(erasing) 동작을 설명한다.Hereinafter, a programming operation, a reading operation, and an erasing operation of the nonvolatile semiconductor device having the above-described structure will be described.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 불휘발성 반도체 장치의 프로그래밍 동작에 있어서, 컨트롤 게이트(240)와 상기 소스 영역에 전압을 인가하고 상기 드레인 영역을 접지시킨다. 이에 따라, 상기 소스 영역 부근에서 열전자들이 발생하며, 발생된 열전자들은 터널 유전층(205)의 에너지 장벽을 넘어 상기 소스 영역 부근의 복수 개의 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 내로 이동한다. 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 내에 열전자들이 주입됨에 따라 상기 불휘발성 반도체 장치의 문턱 전압(threshold voltage)이 상승하여 상기 불휘발성 반도체 장치에 데이터가 기록된다.In the programming operation of the nonvolatile semiconductor device according to an embodiment of the present invention, a voltage is applied to the
실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221)은 실리콘 리치 절연층들(215, 216, 217)에 의해 서로 전기적으로 이격되어 있기 때문에, 상기 프로그래밍 동작 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 중 어느 하나에 주입된 전자는 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 중 다른 하나로 이동하지 못하게 된다.Since the silicon nano-
본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 불휘발성 반도체 장치의 프로그래밍 동작에 있어서, 상기 소스 영역 및 드레인 영역을 접지시키고 컨트롤 게이트(240)와 기판(200)에 전압을 인가하는 F-N 터널링 현상을 이용하여 상기 불휘발성 반도체 장치에 데이터를 기록할 수 있다. 이 경우, 전자들이 F-N 터널링 현상에 의해 복수 개의 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 내로 균일하게 주입된다.In the programming operation of the nonvolatile semiconductor device according to another embodiment of the present invention, the source region and the drain region are grounded and the FN tunneling phenomenon of applying a voltage to the
상기 불휘발성 반도체 장치의 읽기 동작에 있어서, 컨트롤 게이트(240) 및 상기 드레인 영역에 전압을 인가하고 상기 소스 영역을 접지시킨다. 이 때, 컨트롤 게이트(240)에 인가되는 게이트 전압(Vg)은 복수 개의 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 내에 열전자들이 주입되었을 때의 문턱 전압보다 낮아진다. 따라서 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 내에 전자들이 주입된 메모리 셀에서는 채널 전류가 흐르지 않기 때문에, 이러한 메모리 셀에서는 "0"의 데이터가 얻어진다. 반면, 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 내에 전자들이 주입되지 않은 메모리 셀에서는 상기 게이트 전압에 의해 채널이 턴-온되어 채널 전류가 흐르게 된다. 이에 따라, 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 내에 전자들이 주입되지 않은 메모리 셀에서는 "1"의 데이터가 얻어진다.In a read operation of the nonvolatile semiconductor device, a voltage is applied to the
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 불휘발성 반도체 장치의 소거 동작은 열 정공 주입(hot hole injection) 방식을 이용하여 수행된다. 구체적으로는, 컨트롤 게이트(240)에 음의 전압을 인가하여 상기 소스 영역 근처에서 열 정공들을 발생시키면, 발생된 열 정공들은 컨트롤 게이트(240)에 인가된 전압에 의해 터널 유전층(210)의 에너지 장벽을 넘어 상기 소스 영역 부근의 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 내에 이동한다. 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 내로 주입된 열 정공들은 실리콘 나노- 크리스탈 층들(220, 221) 내의 전자들을 제거하여 상기 불휘발성 반도체 장치로부터 데이터를 삭제한다.In one embodiment of the present invention, the erase operation of the nonvolatile semiconductor device is performed using a hot hole injection method. Specifically, when a negative voltage is applied to the
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 불휘발성 반도체 장치의 소거 동작은 컨트롤 게이트(240)에 음의 전압을 인가하고 기판(200)에 양의 전압을 인가하여 유도되는 F-N 터널링 방식으로 수행될 수 있다. 이 경우, 실리콘 나노-크리스탈 층들(220, 221) 내에 주입된 전자들이 F-N 터널링 방식으로 소거됨으로써 상기 불휘발성 반도체 장치로부터 데이터가 삭제된다.According to another exemplary embodiment of the present disclosure, the erase operation of the nonvolatile semiconductor device may be performed by applying a negative voltage to the
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 실리콘 함량의 변화 폭을 확장시킬 수 있는 가스를 이용하는 원자층 증착 공정을 통하여 실리콘 리치 절연층들과 실리콘 리치 나노-크리스탈 층들을 포함하여 높은 실리콘 함량과 우수한 단차 도포성을 갖는 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 형성할 수 있다. 또한, 이와 같은 실리콘 리치 나노-크리스탈 구조물을 전하 트랩핑 구조물로 포함하는 불휘발성 반도체 장치의 기록 동작 및 소거 동작의 속도를 향상시킬 수 있는 동시에 상기 불휘발성 반도체 장치의 데이터 보존력을 개선할 수 있다.As described above, according to the present invention, the silicon rich insulating layers and the silicon rich nano-crystal layers through the atomic layer deposition process using a gas that can extend the range of change of the silicon content, including the high silicon content and excellent step coating A silicon rich nano-crystal structure can be formed. In addition, it is possible to improve the speed of writing and erasing operations of the nonvolatile semiconductor device including the silicon rich nano-crystal structure as the charge trapping structure, and at the same time improve the data retention of the nonvolatile semiconductor device.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to vary the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated that modifications and variations can be made.
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