KR19980030045A - 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 필드 산화막 제조방법에 관한 것으로, 반도체 기판을 일정깊이로 리세스하여 필드 산화막을 형성하는 방법에 있어서, 필드 산화막 성장을 위한 필드 산화공정의 초기에는 습식방법을 적용하여 필드영역 중앙부위에서 필드 산화막이 성장하기 않게 되는 문제점을 해결하고, 또한 필드 산화공정의 후기에는 건식방법에 의한 산화를 실시하여 질화막 스페이서 하부의 필드 산화막의 기울기가 양의 기울기를 가지도록 함으로써, 음의 기울기 형성에 따른 게이트 산화막 형성시 필드 산화막과 게이트 산화막이 만나는 경계부위에서 전계가 집중되어 게이트 산화막의 신뢰성이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 필드 산화막 제조방법에 관한 것으로, 특히 반도체 기판을 일정깊이로 리세스(recess)하여 필드 산화막을 형성하는 방법에 있어서, 필드 산화막 성장을 위한 필드 산화공정의 초기와 후기에 습식 및 건식산화 처리를 각각 별도로 실시함으로써 필드 산화막이 미성장하는 현상을 방지함과 아울러, 필드산화막의 기울기가 양의 기울기를 가지도록 함으로써 게이트 산화막 형성시 그 신뢰성을 향상시킬수 있는 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법에 관한 것이다.
종래의 기술에 따른 필드 산화막 형성방법에 대해 첨부도면을 참조하여 살펴 보면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 le 는 종래 기술에 따른 필드 산화막 형성 공정단계로서, 질화막 스페이서를 형성한 후 반도체 기판을 리세스 하여 필드 산화막을 형성하는 필드 산화막 형성방법의 일예를 도시한 도면이다.
도 1a 를 참조하면, 반도체 기판(1) 상부에 패드 산화막(2)을 형성한 다음, 전체 구조 상부에 소정두께의 제 1 질화막(3)을 증착한다.
다음 마스크를 이용하여 예정된 필드 영역의 상기 제 1 질화막(3)을 식각해 낸다.
이때 상기 제 1 질화막(3) 식각시 과도식각(overetching)을 실시하여 반도체 기판(1)도 소정두께 예컨데, 50 ~ 100Å 리세스 되도록 한다.
도 1b 를 참조하면, 전체구조 상부에 다시 소정 두께의 제 2 질화막(4)을 증착한다.
도 1c 를 참조하면, 마스크 없이 전면 건식식각으로 상기 제 2 질화막(4)을 식각하여 질화막 스페이서(4')를 형성한다.
도 ld를 참조하면, 다시 노출된 반도체 기판(1)을 건식식각으로 리세스하여 반도체 기판(1)상에 소정깊이의 홈을 형성한다.
이때 상기 리세스 식각 공정에서 실리콘 대 질화막의 선택비가 무한대가 아니기 때문에 필드 영역의 반도체 기판(1) 뿐만 아니라 활성영역의 질화막(3)도 일부 식각되어 질화막성 찌꺼기(R)가 형성되어 홈에 모인다.
특히 메모리 소자의 셀영역과 같이 활성영역대 필드영역의 면적 비율이 비교적 작은 곳에서는 질화막성 찌꺼기의 발생이 적으나, 필드영역에 비해 활성영역의 면적이 매우 큰 주변회로 지역에서는 질화막성 찌꺼기의 발생이 많다.
실리콘 리세스 식각공정에서 발생되는 질화막성 찌꺼기(R)는 외부로 방출되거나 협곡 형상의 필드영역에 재증착(redeposition)되는 데, 주변회로 지역의 필드영역에는 찌꺼기의 발생량이 많기 때문에 찌꺼기의 일부가 필드영역의 홈 바닥에 남게 된다.
상기 질화막성 찌꺼기(R)를 제거하기 위해서는 도 1e에 도시한 바와 같이, 다시 건식 질화막 식각으로 한번 더 추가식각을 해 주면 질화막성 찌꺼기(R)의 두께가 얇아지거나 추가식각공정에서도 완전히는 제거되지 않고 일부는 남아 있게 된다.
상기의 상태에서 필드산화공정을 실시하면 산화방법에 따라 다음과 같은 특징이 있다.
참고로, 종래기술에서는 건식산화의 경우 산화시간이 너무 길어서 필드산화는 습식방법으로만 실시하였다.
첫째로, 상기 질화막성 찌꺼기(R)가 일부 남아 있을 때, 수소와 산소를 이용한 습식 필드산화(wet field oxidation)를 하면 도 2a 에서처럼 필드산화막(5)이 정상적으로 성장하게 된다.
이는 습식산화의 경우 질화성분을 산화시키는 능력이 뛰어나기 때문이다.
둘째, 필드산화를 수소없이 산소만을 이용해서 건식 필드산화(dry field oxidation)를 실시하면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 필드영역 중앙부위의 필드 산화막(5)이 성장하지 않는 현상이 발생하게 된다.
이는 홈 바닥에 질화막성 찌꺼기(R)가 조금이라도 남아 있을 때 건식산화의 경우가 습식산화의 경우에 비해 질화막성 찌꺼기(R)를 산화시키는 능력이 현저히 떨어지기 때문에 발생하는 현상이다.
한편, 활성영역 대 필드영역의 면적비율이 작은 지역에서는 질화막성 찌꺼기(R)가 남아 있지 않기 때문에 건식 필드 산화를 실시해도 도 2c 에 도시된 바와같은 필드 산화막(5)이 정상적으로 성장된다.
도 3a 내지 도 3c 는 상기 도 1 에 적용된 공정으로 필드 산화막(5)을 습식방법과 건식방법으로 성장시켰을 때 필드 산화막 형상의 차이점을 설명하기 위한 도면으로서, 도 3a 는 950℃ 에서 습식방법으로 필드산화를 실시한 상태의 도면이고, 도 3b는 1100℃ 에서 습식방법으로 필드산화를 실시한 상태의 도면이고, 도 3c 는 1100℃에서 건식방법으로 필드산화를 실시한 상태의 도면이다.
상기 도면을 참조하면, 습식 필드산화 방법으로 상기 도 3a 처럼 950℃와 같은 비교적 저온에서 필드 산화를 실시하면 질화막 스페이서 밑의 필드 산화막(5)이 음(-)의 기울기를 가지게 된다.
또한 상기 도 3b 에서 처럼, 1100℃ 와 같은 비교적 고온에서 필드산화를 실시해도 필드 산화막(5) 기울기가 영(수직)에 가깝게 된다.
이와같이 필드 산화막(5)의 기울기가 음이나 수직으로 형성되면 질화막(3,4')을 제거한 후 희생산화 공정을 거치고 게이트 산화막(gate oxide)을 형성하면 필드 산화막(5)과 게이트 산화막이 만나는 경계 부위에서 전계(electric field)가 집중되어 게이트 산화막의 신뢰성이 저하된다.
도 4 는 종래의 기술에서, 필드산화를 습식방법으로 실시했을 때, 게이트 산화막의 신뢰성이 저하되는 것을 나타내는 도면이다.
이는 상기에서 설명한 바와 같이 습식 필드산화에 의해 산화막의 기울기가 영 또는 음(-)을 나타내기 때문이다.
한편, 건식 필드산화 방법으로 1100℃에서 필드 산화를 실시하면 상기 도 3c 에서 처럼 질화막 스페이서 밑의 필드 산화막(5)이 양(+)의 기울기를 가지는 것을 알 수 있고, 이 경우 필드 산화막과 게이트 산화막이 만나는 경계부위에서 전계의 집중을 막을 수 있다.
따라서 상기에서 살펴 본 바와 같이. 종래의 기술에 따라 필드 산화막 형성시, 필드영역에 비해 활성영역의 면적이 매우 큰 주변회로 영역에서 많이 발생되는 질화막성 찌꺼기(R)가 존재하는 상태에서 건식 필드산화를 실시하게 되면 필드영역의 중앙부위 필드 산화막이 올바로 성장하지 못하게 되는 문제가 있고, 또한 필드 산화를 종래의 방법과 같이 습식필드 산화를 실시할 경우, 형성되는 필드 산화막의 활성영역과의 경계부에서의 기울기가 음의 기울기로 변하여 게이트 산화막 형성시 그 특성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 필드산화 공정의 초기에는 습식방법을 사용하여 반도체 기판의 모든 부위에서 필드 산화막이 성장하지 않게 되는 현상을 제거하고, 나머지 필드산화 공정의 후기에는 건식방법으로 필드산화를 실시하여 필드 산화막의 기울기를 양의 상태로 하여 게이트 산화막 형성이 그 특성이 저하되지 않도록 하여 반도체 소자의 제조수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체소자의 필드 산화막 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1a내지 도 1e 는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 필드 산화막 제조 공정도
도 2a 는 종래 기술에 따른 필드 산화막 제조 공정에서 습식방법으로 필드산화를 실시했을 때의 주변회로 지역의 필드 산화막 형상을 도시한 도면
도 2b 는 종래 기술에 따른 필드 산화막 제조 공정에서 건식방법으로 필드산화를 실시했을 때의 주변회로 지역의 필드 산화막 형상을 도시한 도면
도 2c 는 종래 기술에 따른 필드 산화막 제조 공정에서 건식방법으로 필드산화를 실시했을 때의 셀지역의 필드 산화막 형상을 도시한 도면
도 3a 는 일정온도(950℃)에서 습식방법으로 필드산화를 실시한 후의 필드 산화막 형상을 도시한 도면
도 3b 는 일정온도(1100℃)에서 습식방법으로 필드산화를 실시한 후의 필드 산화막 형상을 도시한 도면
도 3c 는 일정온도(1100℃)에서 건식방법으로 필드산화를 실시한 후의 필드 산화막 형상을 도시한 도면
도 4는 종래 기술에 따른 필드 산화막 제조 공정에서 습식방법으로 필드산화를 실시했을 때 게이트 산화막의 열화를 나타내는 도면
도 5a 내지 도 5g 는 본 발명의 기술에 따른 반도체 소자의 필드 산화막 제조 공정도
도 6 은 본 발명의 기술에 따라 일정온도(1100℃)에서 소정두께(3000Å)의 필드 산화막을 성장시키기 위한 레시퍼(recipe)의 일 예를 도시한 도면
도 7 은 본 발명의 기술에 따라 일정온도(1100℃)에서 소정두께(3000Å)의 필드 산화막을 성장시키기 위한 레시피(recipe)의 또 다른 일 예를 도시한 도면
도 8 은 본 발명의 기술에 따라 필드산화를 실시했을 때 게이트 산화막의 신뢰성이 향상된 것을 나타낸 도면
도 9 는 종래기술과 본 발명의 기술에 있어서의 필드 산화막 제조공정에서 씨닝(thinning) 현상을 도시한 도면
* 도면의 주요 부분에 대한 설명
1 : 반도체 기판, 2 : 패드 산화막, 3 : 제 1 질화막, 4 : 제 2 질화막, 5 : 필드 산화막A : 필드영역, B : 활성영역
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 필드 산화막 형성방법에 의하면, 반도체 기판 상부에 패드 산화막, 제 1 질화막을 차례로 형성하는 공정과, 마스크 공정을 통하여 예정된 필드 산화막 영역의 상기 제 1 질화막을 식각함과 동시에 상기 반도체 기판의 소정깊이가 리세스 되도록 하는 공정과, 반도체 기판 상부 전면에 제 2 질화막을 형성하는 공정과, 상기 제 2 질화막을 식각하여 노출된 반도체 기판상부와 상기 제 1 질화막 측벽에 걸쳐지는 질화막 스페이서를 형성하는 공정과, 상기 질화막 스페이서를 식각장벽으로 하여 노출된 반도체 기판을 건식식각하여 일정깊이 리세스하는 공정과, 상기 노출된 반도체 기판을 습식산화와 건식산화를 혼합하여 필드 산화막을 형성하는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 적합한 실시예에 대한 상세한 설명을 하기로 한다.
도 5a 내지 도 5g 는 본 발명의 기술에 따른 필드 산화막 제조공정 단계를 도시한 단면도이다.
도 5a 를 참조하면, 반도체 기판(1)을 산화시켜 패드 산화막(2)을 형성하고 그 상부에 제 1 질화막(3)을 형성한다. 그 후 포토/식각 공정을 통하여 필드영역으로 예정된 상기 제 1 질화막(3)을 식각한다.
이때 과도식각을 실시하여 반도체 기판(1)이 소정 두께 예컨데. 50~100Å로 리세스 되도록 한다.
도 5b를 참조하면, 전체구조 상부에 제 2 질화막(4)을 증착한다.
도 5c를 참조하면, 마스크 없이 전면식각으로 건식식각하여 상기 노출된 반도체 기판(1)과 제 1 질화막(3) 측벽에 질화막 스페이서(4')를 형성한다.
도 5d 를 참조하면, 상기 질화막 스페이서(4')를 식각장벽으로 하여 노출된 반도체 기판(1)을 건식식각하여 일정깊이 리세스 한다.
이 때 리세스된 반도체 기판(1)의 홈에는 식각시 활성영역의 제 1질화막(3)도 일부 식각되어 질화막성 찌꺼기(R)가 형성된다.
도 5e를 참조하면, 건식식각으로 질화막 식각을 한번 더 실시한다.
이 때 상기 질화막 식각시 질화막 스페이서(4')의 손실이 최소화됨과 동시에 상기 질화막성 찌꺼기(R)를 최대로 제거하기 위해 식각깊이를 약100~300Å를 목표로 하여 그 식각시간을 조절한다.
도 5f 를 참조하면, 습식방법과 건식방법을 병행한 필드 산화를 실시하여 필드 산화막(5)을 형성한다.
도 5g 는 상기 도 5f 에서의 필드 산화막(5)의 기울기가 양(+)의 값을 가짐을 도시한 도면이다.
이때 상기 습식방법과 건식방법을 병행한 필드 산화의 경우는 그 조건을 다양하게 실시할 수 있으나 도 6 에서 그 일 예를 도시하였다.
상기 도 6 을 참조하면, 필드산화 목적온도 1100℃ 에서 3000Å의 필드산화막을 얻기 위해 초기 약 2분간 동안은 수소와 산소를 이용한 습식 방법으로 1000Å 의 필드산화를 실시한다. 습식산화가 진행되는 동안, 필드영역에 비해 활성영역의 면적이 매우 큰 주변회로 지역의 필드 영역에 질화막성 찌꺼기(R)가 남아 있어도 습식산화에 의해 완전히 산화되어 버린다.
그러나 습식산화이기 때문에 필드 산화막의 기울기는 0 또는 음(-)(950℃ 에서 필드산화를 하는 경우)의 기울기가 유지한다.
이후 필드 산화막의 기울기를 양(+)으로 만들기 위해 나머지 2000Å의 두께는 수소를 없애고 산소만을 이용하여 건식산화 방법으로 동일한 온도에서 일정시간 예컨데, 약 280분 동안 필드산화를 추가 실시하여 전체 원하는 두께 3000Å 을 성장시킨다.
여기서, 전체 필드 산화막 중에서 습식산화막과 건식산화막의 두께비는 상기 도 6 에서 예시한 것 처럼 1:2 정도가 적합하지만, 경우에 따라서는 적절한 비율, 예컨데 1:2 ~ 2:1 과 같이 임의로 조절할 수 있다.
또한 습식필드산화를 건식필드 산화보다 나중에 실시하면 상기에서 언급한 효과는 발생하지 않는다.
또한 습식 또는 건식 필드 산화막을 성장시키는 온도는 각각 다르게 할 수도 있다. 예를 들면, 습식은 950℃ 에서, 건식은 1100℃에서 필드산화를 할 수 있다.
또 하나의 습식산화 레시피로 일부분의 습식 필드산화를 진행한 후, 또 다른 건식산화 레시피로 나머지 건식필드 산화막을 형성하고 그 후 웨이퍼를 대기중에 노출시켰다가 다시 소정온도에서 건식방법으로 추가 필드 산화를 실시할 수도 있다.
도 7 은 필드 산화의 또 다른 한 예를 도시한 도면이다.
상기 도시된 필드 산화의 방법은 앞에서 언급한 장점을 얻는 것과 동시에 필드 산화막 씨닝(field oxide thinning; 넓은 영역에 비해 좁은 필드 영역에서 필드 산화막의 두께가 얇게 성장되는 현상) 현상을 개선하기 위한 목적이다.
이때 상기 필드 산화막 씨닝 현상은 필드 산화막 내에 쌓인 응력(stress)이 주요원인인 것으로 판단되어 오고 있다.
따라서 필드 산화막의 씨닝현상을 개선시키기 위해서는 필드 산화막내의 응력을 해소(relief)해 주어야 한다.
상기 도 7 에 도시된 예에서의 필드산화 방법은 습식방법으로 1100℃에서 1000Å 필드 산화막을 성장시킨 후, 건식산화를 진행하기 전에 질소분위기에서 약 30분 동안 어닐(anneal)을 실시하여 1000Å의 필드 산화막 내의 쌓여 있는 응력을 해소시킨다.
그 결과 나머지 건식 필드산화를 진행하는 동안에 좁은 영역에서도 더 두꺼운 필드 산화막이 성장하여 필드 써닝 현상이 개선된다.
상기 도 7 과 같은 방법에서도 전체 필드 산화막 중에서 습식 산화막과 건식 산화막의 두께비는 상기 도 6 에 예시한 것 처럼 1:2 정도가 적당하지만, 경우에 따라서는 그 비율을 임의로 조절할 수 있다.
또한 습식 또는 건식 필드 산화막을 성장시키는 온도는 각각 다르게 할 수도 있다. 예컨데 습식을 950℃에서, 건식은 1100℃에서 필드 산화를 할 수도 있다.
도 8 은 본 발명에 의해 필드산화를 실시했을 때, 게이트 산화막의 신뢰성이 향상된 것을 보여주는 데이타이다.
본 발명에 의해 필드 산화막의 기울기를 양(+)으로 만들어 줌으로써, 약 95% 이상의 다이에서 우수한 파괴전압을 보이고 있다.
도 9 는 종래기술과 본 발명의 기술에 있어서 필드 산화막 씨닝현상을 비교한 도면으로서, 본 발명의 경우가 5 내기 10% 씨닝 현상이 개선된 것을 보이고 있다.
또한 본 발명은 상기 도 1a 내지 도 1f 에서 설명한 바와같은 종래의 방법에만 국한되지 않는다. 즉 반도체 기판(1)을 열적으로 산화시켜 필드산화막을 형성하는 각종 소자분리막 형성방법에서 본 발명의 필드 산화공정을 적용할 수 있다.
특히 반도체 기판(1)을 소정깊이로 리세스한 후 필드산화를 실시하는 경우에는 그 효과가 극대화된다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따라 필드 산화막 형성시 필드 산화공정의 초기에는 습식방법을 사용하여 주변회로영역에서도 필드 산화막의 성장이 정상적으로 이뤄질 수 있게 하고, 필드산화의 후기에는 건식방법으로 필드 산화를 실시하여 필드 산화막의 기울기를 양으로 만들어 질화막 제거후 희생산화 공정을 거치고 게이트 산화막을 형성하면 필드 산화막과 게이트 산화막이 만나는 경계 부위에서 전계가 집중되는 것을 방지함으로써 게이트 산화막 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (9)
- 반도체 기판 상부에 패드 산화막, 제 1 질화막을 차례로 형성하는 공정과, 마스크 공정을 통하여 예정된 필드 산화막 영역의 상기 제 1 질화막을 식각함과 동시에 상기 반도체 기판의 소정깊이가 리세스 되도록 하는 공정과, 반도체 기판 상부 전면에 제 2 질화막을 형성하는 공정과, 상기 제 2 질화막을 식각하여 노출된 반도체 기판상부와 상기 제 1 질화막 측벽에 걸쳐지는 질화막 스페이서를 형성하는 공정과, 상기 질화막 스페이서를 식각장벽으로 하여 노출된 반도체 기판을 건식식각하여 일정깊이 리세스하는 공정과, 상기 노출된 반도체 기판을 습식산화와 건식산화를 혼합하여 필드 산화막을 형성하는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리세스되는 반도체 기판의 두께는 50~100Å 인것을 특징으로 하는 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 필드 산화막 형성시 습식 및 건식산화 온도를 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 필드 산화막 형성시 습식 및 건식산화를 각각 다른 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 습식 및 건식산화시의 온도는 900 내지 1200℃ 인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 필드 산화막을 하나의 레시피로 습식 및 건식산화시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 습식산화공정 이후에 어닐링 공정을 포함시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 어닐링 공정은 질소 분위기에서 1000 내지 1200℃ 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 형성되는 전체 필드 산화막 중에서 습식산화막과 건식산화막의 두께비는 대략 1:2 ~ 2:1 로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 필드 산화막 형성방법.
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