KR19980055707A - Gate oxide film formation method of a semiconductor device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 산화 초기 웨이퍼 표면에 존재하는 자연 산화막을 고온 질소 가스로 어닐링하여 자연 산화막의 성장을 최소화하는 동시에 성장된 자연 산화막의 결합을 회복하고 열산화막화 시키기 때문에 게이트 산화막의 품질이 향상될 수 있으며 향후 고집적 소자의 게이트 산화막 형성시 적용할 수 있는 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법이 제시된다.The present invention relates to a method for fabricating a semiconductor device, and the method of annealing a natural oxide film present on the wafer surface with a high temperature nitrogen gas minimizes the growth of the natural oxide film while simultaneously recovering the bonding of the grown natural oxide film and thermally oxidizing the gate. A method of forming a gate oxide film of a semiconductor device, which may improve quality of an oxide film and may be applied to forming a gate oxide film of a highly integrated device in the future, is disclosed.

Description

반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법Gate oxide film formation method of a semiconductor device

본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 반도체 소자의 제조 공정에서 차세대 고집적 소자의 얇은 게이트(Thin Gate) 산화막 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a thin gate oxide film of a next generation high integration device in a semiconductor device manufacturing process.

종래 게이트 산화막 형성 공정에서의 문제점을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래의 게이트 산화막 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 반도체 소자 제조 공정에 따라 소정의 공정이 완료된 웨이퍼(11)에 게이트 산화막 형성 공정을 수행하기 위한 전 단계로서 케미칼 용액을 사용하여 웨이퍼(11) 표면에 존재하는 오염과 자연 산화막 등을 제거한다. 이어서 산화로에 웨이퍼(11)를 로딩하여 산화 공정을 진행한다. 산화로에 웨이퍼 로딩시 600~800℃의 온도 범위에서 질소 또는 질소와 산소의 혼합가스 분위기하에서 로딩하며, 이 때 자연 산화막(12)이 로딩 조건에 따라 1~3nm 정도 성정하게 되고 후속 습식(wet) 또는 건식(dry) 산화막 형성을 실시하므로써 게이트 산화막(13)이 형성된다. 이러한 방법에 의해 생성된 산화막의 경우 산화 공정 초기에 형성된 자연 산화막(12)에 존재하는 미반응 실리콘 원자의 결함과 표면의 거칠기등이 후속 열산화후에도 그대로 남아 전체적 게이트 산화막의 신뢰성을 저하시킨다. 특히 게이트 산화막의 두께가 10nm 이하로 내려가는 64M DRAM급 이상의 고집적 소자에서는 자연 산화막의 영향이 더욱더 심각하게 대두된다.Problems in the conventional gate oxide film forming process will be described with reference to FIG. 1 as follows. 1 is a cross-sectional view illustrating a conventional method of forming a gate oxide film. As a preliminary step for performing a gate oxide film forming process on the wafer 11 where a predetermined process is completed according to a semiconductor device manufacturing process, a chemical solution is used to remove contamination and a natural oxide film existing on the surface of the wafer 11. Subsequently, the wafer 11 is loaded in an oxidation furnace to proceed with an oxidation process. When the wafer is loaded into the oxide furnace, it is loaded in a nitrogen or nitrogen-oxygen mixed gas atmosphere at a temperature range of 600 to 800 ° C. At this time, the natural oxide film 12 is set to about 1 to 3 nm depending on the loading conditions, and is subsequently wet. Or dry oxide film formation, the gate oxide film 13 is formed. In the case of the oxide film produced by this method, defects of unreacted silicon atoms and roughness of the surface existing in the natural oxide film 12 formed at the beginning of the oxidation process remain after the subsequent thermal oxidation, thereby lowering the reliability of the overall gate oxide film. In particular, in the highly integrated devices of 64M DRAM class or more, in which the thickness of the gate oxide film is reduced to 10 nm or less, the influence of the natural oxide film becomes more serious.

따라서, 본 발명은 게이트 산화막 성장시 실리콘 표면에 존재하는 자연 산화막의 품질을 개선하여 전체적인 게이트 산화막의 신뢰성을 향상시키는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of improving the reliability of the gate oxide film by improving the quality of the native oxide film present on the silicon surface during the gate oxide film growth.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소정의 반도체 소자 제조 공정이 완료된 기판에 세정 공정을 실시하여 게이트 산화막이 성장될 영역에 잔류한 자연 산화막을 제거하는 단계와, 상기 기판을 저온의 질소 분위기인 산화로에 로딩하는 단계와, 상기 로딩 후 산화로의 온도를 올려 고온에서 어닐링을 실시하는 단계와, 상기 어닐링을 실시한 후 산화로의 온도를 산화 온도로 낮추어 게이트 산화막을 성장시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a step of removing a natural oxide film remaining in the region where the gate oxide film is to be grown by performing a cleaning process on a substrate having a predetermined semiconductor device manufacturing process, and the substrate is a low temperature nitrogen atmosphere Loading into an oxidation furnace, annealing at a high temperature after raising the temperature of the oxidation furnace after loading, and growing a gate oxide film by lowering the temperature of the oxidation furnace to an oxidation temperature after performing the annealing. It is done.

도 1은 종래의 게이트 산화막 형성 방법을 설명하기 위한 단면도.1 is a cross-sectional view illustrating a conventional method for forming a gate oxide film.

도 2는 본 발명에 따른 게이트 산화막 형성 방법을 설명하기 위한 단면도.2 is a cross-sectional view illustrating a method of forming a gate oxide film according to the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

11, 21:웨이퍼12:결함 자연 산화막11, 21: Wafer 12: Defective natural oxide film

22:무결함 자연 산화막13, 23:게이트 산화막22: flawless natural oxide film 13, 23: gate oxide film

본 발명은 게이트 산화막 성장시 자연 산화막의 품질을 향상시키고 전체적으로 게이트 산화막의 품질을 향상시키는 방법이다. 자연 산화막의 두께가 보통 약 3nm 정도로 볼 때 게이트 산화막에서 자연 산화막이 차지하는 비율은 10nm의 64M DRAM급 게이트 산화막 두께를 기준으로 약 30%에 달하는 등 향후 게이트 산화막 두께가 점점 더 감소하는 추세를 고려하면 자연 산화막의 제어가 매우 중요한 문제로 대두된다.The present invention is a method of improving the quality of the natural oxide film and the quality of the gate oxide film as a whole during the growth of the gate oxide film. Given that the thickness of the natural oxide layer is about 3 nm, the ratio of the natural oxide layer to the gate oxide layer is about 30% based on the thickness of the 64M DRAM gate oxide layer of 10 nm. Control of the natural oxide film is a very important problem.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 게이트 산화막 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도시된 바와 같이 게이트 산화막을 성장시키기 위한 전단계로서 통상적인 반도체 소자 제조 공정이 완료된 웨이퍼(21) 표면에 존재하는 산화막을 제거하기 위해 세정을 실시한다. 이때 세정후 게이트 산화막(23)이 성장될 영역에 산화막이 없어야 하므로 산화막 식각 용액은 HF 등의 용액으로 산화막을 완전히 제거한다. 세정 후 산화로에 웨이퍼 로딩시 자연 산화막(22)의 성장을 최소화하기 위해 로딩 온도를 600℃ 이하의 저온으로 질소 가스 분위기하에서 로딩한다. 로딩 후 성장된 자연 산화막의 품질을 향상시키기 위해 승온율을 5~30℃의 비율로 빨리 올려 산화로의 온도를 900℃ 정도의 고온에서 질소와 소량의 산소 가스로 어닐링하여 자연 산화막(22)내에 존재하는 미결합된 실리콘 본드와 표면 거칠기 및 기타 결정성 결함을 회복시키고 자연 산화막(22)을 열산화막과 같은 구조로 만든다. 이때, 어닐링시의 온도는 800~1000℃의 고온에서 질소 가스와 산소 가스를 사용하여 실시하여 질소 가스는 10~30ℓ, 산소 가스는 0.1~1ℓ로 사용하고 어닐링 시간은 10분에서 1시간 정도 실시한다. 이어서 온도를 산화 온도로 낮추어서 산소 또는 산소와 수소의 혼합가스를 사용하여 게이트 산화막(23)을 성장시키면 실리콘과 산화막 사이의 계면에 결합이 없는 산화막을 얻을 수 있다.2 is a cross-sectional view illustrating a method of forming a gate oxide film according to the present invention. As shown in the drawing, cleaning is performed to remove the oxide film existing on the surface of the wafer 21 where the conventional semiconductor device manufacturing process is completed as a preliminary step for growing the gate oxide film. At this time, since the oxide layer should not be present in the region where the gate oxide layer 23 will be grown after cleaning, the oxide layer etching solution completely removes the oxide layer using a solution such as HF. In order to minimize the growth of the native oxide film 22 when the wafer is loaded into the oxidation furnace after cleaning, the loading temperature is loaded under a nitrogen gas atmosphere at a low temperature of 600 ° C or lower. In order to improve the quality of the grown natural oxide film after loading, the temperature increase rate is increased quickly at a rate of 5 to 30 ° C., and the temperature of the oxidation furnace is annealed with nitrogen and a small amount of oxygen gas at a high temperature of about 900 ° C., so that The unbonded silicon bond and surface roughness and other crystalline defects present are recovered and the native oxide film 22 is made into a thermal oxide film-like structure. At this time, the temperature at the time of annealing is carried out using nitrogen gas and oxygen gas at a high temperature of 800 to 1000 ° C., the nitrogen gas is used at 10 to 30 l, the oxygen gas is used at 0.1 to 1 l, and the annealing time is performed at 10 minutes to 1 hour. do. Subsequently, by lowering the temperature to the oxidation temperature and growing the gate oxide film 23 using oxygen or a mixed gas of oxygen and hydrogen, an oxide film having no bond at the interface between the silicon and the oxide film can be obtained.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 자연 산화막의 성장을 최소화하는 동시에 성장된 자연 산화막의 결합을 회복하고 열산화막화 시키기 때문에 게이트 산화막의 품질이 향상될 수 있으며 향후 고집적 소자의 게이트 산화막 형성시 적용할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the quality of the gate oxide film can be improved since the growth of the natural oxide film is minimized and the bonding of the grown natural oxide film is restored and thermally oxidized, and can be applied in the future formation of the gate oxide film of the highly integrated device. It has an effect.

Claims (8)

소정의 반도체 소자 제조 공정이 완료된 기판에 세정 공정을 실시하여 게이트 산화막이 성장될 영역에 잔류한 자연 산화막을 제거하는 단계와,Performing a cleaning process on the substrate on which the predetermined semiconductor device manufacturing process is completed to remove the natural oxide film remaining in the region where the gate oxide film is to be grown; 상기 기판을 저온의 질소 분위기인 산화로에 로딩하는 단계와,Loading the substrate into an oxidation furnace which is a low temperature nitrogen atmosphere; 상기 로딩 후 산화로의 온도를 올려 고온에서 어닐링을 실시하는 단계와,Annealing at a high temperature after raising the temperature of the oxidation furnace after the loading; 상기 어닐링을 실시한 후 산화로의 온도를 산화 온도로 낮추어 게이트 산화막을 성정시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법.And forming a gate oxide film by lowering the temperature of the oxidation furnace to an oxidation temperature after performing the annealing. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 세정 공정은 HF 등의 산화막 식각 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법.The cleaning process is a method of forming a gate oxide film of a semiconductor device, characterized in that using an oxide film etching solution such as HF. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기판의 로딩시 산화로의 온도가 600℃ 이하임을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법.The method of forming a gate oxide film of a semiconductor device, characterized in that the temperature of the oxidation furnace at the time of loading the substrate 600 ° C or less. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 어닐링 공정은 질소와 소량의 산소 가스로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법.And said annealing step is performed with nitrogen and a small amount of oxygen gas. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 어닐링 공정시의 질소 가스는 10 내지 30ℓ의 양을 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법.The nitrogen oxide in the annealing process is used in the amount of 10 to 30L gate oxide film forming method of a semiconductor device. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 어닐링 공정시의 산소 가스는 0.1 내지 1ℓ의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법.Oxygen gas in the annealing process is used in an amount of 0.1 to 1L of the gate oxide film forming method of a semiconductor device. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 어닐링 공정은 800 내지 1000℃의 고온에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법.The annealing process is performed at a high temperature of 800 to 1000 ℃ gate oxide film forming method of a semiconductor device. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 어닐링 공정은 10분 내지 1시간 정도 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 산화막 형성 방법.The annealing process is performed for about 10 minutes to 1 hour.
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