KR19980046161A - 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 0.18 um급 이상의 디자인 룰을 갖는 차세대 반도체 소자에 적용할 수 있는 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 낮은 온도에서 양질의 게이트 산화막을 형성하는 방법이다. 불소기를 포함하는 가스를 이용하여 게이트 영역의 자연산화막을 제거하고 동시에 불소에 의한 표면 처리효과를 이용하는 것으로 이로 인해 다음의 플라즈마 산화공정에 의한 산화막의 계면특성을 우수하게 하고 산화막의 성장속도를 쉽게 조절할 수 있다.

Description

반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법

본 발명은 0.18 um급 이상의 디자인 룰을 갖는 차세대 반도체 소자에 적용할 수 있는 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 계면특성이 우수한 양질의 게이트산화막을 낮은 온도에서 형성할 수 있는 반도체 소자의 게이트 산화막을 형성하는 방법에 관한 것이다.

차세대 반도체 소자에서는 열용량(thermal budget)을 줄이기 위해 가능한 한 낮은 온도의 공정을 요구하고 있다. 종래의 게이트산화막은 성장한 산화막의 계면특성 등을 고려하여 높은 온도의 열전기로(furnace)에서 성장시킨 열산화막(thermal oxide)을 주로 사용하고 있다.

그러나, 열산화막의 성장은 900℃ 이상의 고온이 필요하므로 열용량이 크게 되는 문제를 피할 수 없으므로, 최근 열산화막과 같은 박막특성을 가지면서도 낮은 온도에서 산화막을 성장시킬 수 있는 방법에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서 고밀도 플라즈마를 이용한 산화막 형성방법은 응용면에서 상당한 관심을 끌고 있다. 특히, 전자싸이클로트론공명(ECR), 유도결합플라즈마(ICP), 헬리콘(Hellicon) 등의 고밀도 플라즈마원의 개발이 진척되면서, 수 mTorr 압력에서도 10¹³/cm³정도의 높은 밀도를 갖는 플라즈마를 형성할 수 있으므로 이러한 플라즈마 산화 방법은 실용화의 가능성이 점점 커지고 있다. 그러나 아직까지는 열산화막과 같은 정도의 박막특성이 얻어지고 있지는 않으므로 이에 대한 개선이 필요하다.

본 발명은 계면특성이 우수한 양질의 게이트산화막을 낮은 온도에서 형성할 수 있는 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1A 내지 도 1C는 본 발명의 일실시예에 따른 게이트산화막 형성공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11: 실리콘 기판

12: 자연산화막

13: 실리콘산화막

본 발명은 반도체 기판 상에 형성된 자연산화막을 제거하기 위해 불소기를 포함한 가스를 소오스 가스로한 제1플라즈마로 기판 표면을 처리하는 단계; 및 불소기를 포함하는 산화 가스를 소오스 가스로한 제2플라즈마에 의해 상기 반도체 기판 표면에 산화막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1A 내지 도 1C는 본 발명의 일실시예에 따른 게이트산화막 형성공정도로서, 도면부호 '11'은 실리콘 기판, '12'는 자연산화막, '13'은 실리콘산화막을 각각 나타낸다.

먼저, 도 1A는 실리콘 기판(11) 상에 성장되어 있는 자연산화막(12)을 제거하기 위하여 불소기를 포함하는 가스(CF₄, NF₃, F₂)의 플라즈마로 기판을 처리하는 과정을 나타내는 것으로, 부연하면, CF₄, NF₃, 또는 F₂등 불소를 포함하는 가스를 질소나 아르곤 등의 불활성 기체로 희석시켜 플라즈마 산화 공정 이전에 기판을 이 혼합가스로 플라즈마 처리하는 것이다. 이 과정은 실리콘 기판이 공기 중에 노출되는 경우, 약 20Å 정도의 자연산화막이 생기는 데, 이를 산화공정 이전에 제거하는 것을 목적으로 한다. 자연산화막은 열산화막에 비해 그 박막특성이나 계면특성이 떨어지므로 이 산화막을 제거하지 않은 상태로 플라즈마 산화방법을 사용할 경우, 전체적인 박막의 질이나 성장속도를 제어하는데 어려움이 있기 때문에, 일차적으로 제거해야 한다. 또한, 불소의 미량 도입으로 열산화막의 성장속도를 증가시킬 수 있다는 연구는 많이 진행되어 있으므로, 이러한 자연산화막 제거과정은 실리콘기판의 표면에 불소기를 남기게 되어 이후의 성장속도를 조절하는 역할을 하게된다.

도 1B는 자연산화막이 제거된 상태의 실리콘 기판을 도시하고, 그 표면에 불소기가 잔류하고 있는 상태를 나타낸다.

이어서, 도 1C는 불소기를 포함하는 O₂또는 N₂O 가스의 플라즈마로 실리콘 기판(11) 표면을 산화시켜 게이트산화막용 실리콘산화막(13)을 형성하는 상태를 나타내는 것으로, 종래의 플라즈마 산화방법은 O₂또는 N₂O 등 산화종만을 사용하여 플라즈마 산화막을 형성하였으나, 본 발명은 불소기를 포함하는 가스(CF₄, NF₃, F₂)를 이러한 산화종에 미량 첨가하여 함께 플라즈마를 형성하여, 이러한 플라즈마에 의해 기판을 산화시켜 산화막을 형성하는 방법이다. 이 경우, 미량 첨가된 불소는 앞서의 자연산화막 제거 단계에서 언급한 것과 같이 산화막의 성장속도를 증가시킬 수 있으므로, 공정시간을 줄일 수 있는 효과가 있으며, 미량 첨가된 불소가 실리콘 기판의 실리콘과 실리콘산화막간의 계면으로 이동하여 계면 특성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 실리콘과 실리콘산화막간의 계면에 형성된 불소기는 X선 등의 방사선에 대한 내성을 강화시키는 역할도 한다.

또한, O₂대신 N₂O를 사용하여 열산화막을 성장시킬 경우, 미량의 질소가 박막 내에 포함되고 이 질소는 계면특성을 우수하게 만든다는 연구결과가 보고되었다. 이 결과를 플라즈마 산화방법에 응용할 경우, 플라즈마 상태에서는 박막에 함유될 수 있는 여기된 질소가 열산화 방법에 비하면 많이 형성될 수 있으므로, N₂O를 이용한 플라즈마 산화법은 계면특성을 더욱 강화시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와같은 본 발명은 기판 상에 형성되어 있는 자연산화막을 제거하여 얇은 산화막을 제어할 때 생기는 문제를 제거할 수 있으며, 불소의 미량 첨가는 산화막의 성장속도를 증가시킨다는 기존의 결과에 의해 산화시간을 줄일 수도 있다. 또한, 이와 같은 전처리에 의해 기판 상에 남아 있는 불소는 실리콘-실리콘산화막의 계면으로 이동하여 계면의 포획밀도(trap density)를 낮추는 역할을 하고 X선 등의 방사선에 대한 내성을 증가시키며, 불소의 양을 조절하기 용이하며 불소를 첨가하는 위치를 조절하여 게더링(gettering)등의 효과도 기대할 수 있다. 특히, N₂O 가스에 불소기를 포함시켜서 플라즈마 산화막을 형성하는 경우, 위에서 언급한 불소 첨가 효과뿐만 아니라, N₂O에 의한 미량의 질소가 계면 쪽으로 이동하여 계면 특성을 우수하게 하는 특성을 동시에 얻을 수 있다.

본 발명은 불소기를 포함하는 가스를 플라즈마 산화 전에 전처리하거나 플라즈마 산화 중에 미량 첨가하여, 포획밀도(trap density)가 낮은 우수한 계면 특성을 갖는 산화막을 형성할 수 있으므로, 이를 반도체 소자를 구성하는 트랜지스터의 게이트산화막으로 사용하면 소자의 특성을 크게 향상시키게 된다. 또한, 플라즈마를 이용한 산화 방법이므로 반도체 공정에서 문제가 되는 열용량(thermal budget)을 줄일 수 있다.

Claims (6)

1. 반도체 기판 상에 형성된 자연산화막을 제거하기 위해 불소기를 포함한 가스를 소오스 가스로한 제1플라즈마로 기판 표면을 처리하는 단계; 및

   불소기를 포함하는 산화 가스를 소오스 가스로한 제2플라즈마에 의해 상기 반도체 기판 표면에 산화막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 반도체 소자의 게이트산화막 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판 표면 처리를 위한 제1플라즈마 소오스 가스는 불소기 함유 가스를 불활성 기체로 희석시킨 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트산화막 형성 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 불소기 함유 가스 CF₄, NF₃, 또는 F₂중 어느하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트산화막 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판 표면 처리시, 상기 자연산화막이 제거된 상기 반도체 기판 표면에 불소기를 잔류시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트산화막 형성 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2플라즈마의 소오스 가스인 산화 가스는 불소기를 포함하는 O₂또는 불소기를 포함하는 N₂O를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트산화막 형성 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 산화막과 그 하부의 반도체와의 계면에 불소기를 잔류시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트산화막 형성 방법.