KR19990040753A - Method of forming dielectric film of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
1. 청구 범위에 기재된 발명이 속하는 기술 분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
본 발명은 플로팅 게이트와 유전체막의 계면 특성을 향상시키므로써 소자의 구동 특성을 개선시킬 수 있는 반도체 소자의 유전체막 형성 방법에 관한 것임.The present invention relates to a method for forming a dielectric film of a semiconductor device capable of improving the driving characteristics of the device by improving the interfacial properties of the floating gate and the dielectric film.
2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제2. Technical problem to be solved by the invention
플로팅 게이트 제조시 고온의 도핑 공정과 불순물의 과도한 도핑으로 인하여 그레인 경계의 홈이 깊어지며, 후속 유전체막 형성시 계면 특성이 저하되어 데이터 프로그램 전압 범위가 좁아지고 데이터 리텐션 특성이 저하되는 문제점을 해결하기 위함.Solving the problem of deep groove of grain boundary due to high temperature doping process and excessive doping of impurities during manufacturing of floating gate, and narrowing of data program voltage range and deterioration of data program voltage due to deterioration of interfacial characteristics in subsequent dielectric film formation To do so.
3. 발명의 해결 방법의 요지3. Summary of the Solution of the Invention
플로팅 게이트 제조시 인-시투(in-situ)로 인(P)이 도핑된 비정질 실리콘을 증착하고 비활성 기체로 희석된 산소 가스를 이용하여 패시베이션시킨 후 도핑되지 않은 비정질 실리콘을 형성하므로써 후속 공정으로 형성될 유전체막의 특성을 향상시켜 소자의 구동 특성을 향상시킬 수 있음.Subsequent processes are formed by depositing amorphous silicon doped with phosphorus (P) in-situ in a floating gate, passivating with oxygen gas diluted with an inert gas, and then forming undoped amorphous silicon. It is possible to improve the driving characteristics of the device by improving the characteristics of the dielectric film to be.
Description
본 발명은 반도체 소자의 유전체막 형성 방법에 관한 것으로, 특히 플로팅 게이트와 유전체막 사이의 계면 특성을 향상시키므로써 소자의 구동 특성을 개선시킬 수 있는 유전체막 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a dielectric film of a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a dielectric film that can improve driving characteristics of a device by improving an interface property between a floating gate and a dielectric film.
일반적인 스택 게이트 구조를 갖는 플래쉬 메모리에서 데이터의 프로그램(program) 및 판독(read) 방법은 다음과 같다. 즉, 콘트롤 게이트(control gate) 및 드레인(drain)에 고전압을 인가하고 이때 발생하는 핫 케리어 이펙트(hot carrier effect) 또는 파울러 노드하임 터널링(F-N tunneling)을 이용하여 터널 산화막(tunnel oxide)으로 전하를 통과시켜 이를 플로팅 게이트(floating gate)에 저장시키므로써 데이터가 프로그램된다. 또한 데이터를 판독할 때에는 데이터를 프로그램하는 경우보다 낮은 전압을 콘트롤 게이트에 인가하고 소오스(source)와 드레인(drain) 사이에 전위차를 유지시킨 상태에서 소오스와 드레인 사이에 흐르는 전류를 이용하여 데이터를 판독할 수 있다.A method of programming and reading data in a flash memory having a general stack gate structure is as follows. That is, a high voltage is applied to the control gate and the drain, and the charge is transferred to the tunnel oxide by using a hot carrier effect or FN tunneling. Data is programmed by passing it through and storing it in a floating gate. When reading data, read data using current flowing between the source and the drain while applying a lower voltage to the control gate and maintaining a potential difference between the source and the drain than when programming the data. can do.
이러한 스택 게이트 형태의 플래쉬 메모리에서는 플로팅 게이트와 콘트롤 게이트 사이에 형성되는 유전체막의 역할이 매우 중요하다. 즉, 데이터 프로그램시 콘트롤 게이트에 인가되는 고전압에서 전하가 플로팅 게이트 내부에만 유도되고 콘트롤 게이트에는 유지되지 않도록 베리어(barrier) 역할을 해야 한다. 또한 유전체막은 데이터를 프로그램한 후 인위적으로 소거시키지 않는 한 플로팅 게이트 내에 계속적으로 전하가 유지되어 데이터 리텐션(retention) 특성을 향상시킬 수 있도록 누설 전류 량을 최소화할 수 있는 구조로 제조되어야 한다.In such a stack gate type flash memory, the role of the dielectric film formed between the floating gate and the control gate is very important. That is, at the high voltage applied to the control gate during data programming, the charge must be acted as a barrier so that the charge is induced only inside the floating gate and not maintained at the control gate. In addition, the dielectric film must be manufactured in a structure capable of minimizing the amount of leakage current so that charge can be continuously maintained in the floating gate to improve data retention characteristics unless the data is artificially erased after programming.
일반적으로 사용되는 유전체막은 하부 산화막-질화막-상부 산화막(Oxide -Nitride-Oxide)의 삼중 구조를 갖는 ONO막을 들 수 있다. 이 경우 하부 산화막(ONO1)은 플로팅 게이트용 폴리실리콘 상부에 형성되며 ONO1의 특성은 그 하부층인 플로팅 게이트의 도핑 농도, 그레인(grain) 크기 등의 특성에 의존한다. 따라서 ONO1막의 특성을 개선하기 위해서는 최적화된 플로팅 게이트의 제조가 필요하게 된다.The dielectric film generally used includes an ONO film having a triple structure of a lower oxide film-nitride film-top oxide film (Oxide-Nitride-Oxide). In this case, the lower oxide layer ONO1 is formed on the polysilicon for the floating gate, and the characteristics of the ONO1 depend on the doping concentration, grain size, and the like of the floating layer, which is a lower layer thereof. Therefore, in order to improve the characteristics of the ONO1 film, it is necessary to manufacture an optimized floating gate.
종래의 유전체막 형성 방법은 다음과 같다. 즉, 게이트 산화막을 형성하고 약 620℃의 온도조건에서 도핑되지 않은 폴리실리콘막을 증착한다. 이후 불순물을 도핑하므로써 플로팅 게이트가 형성된다. 이때 불순물 소오스로는 POCl3가 사용되며 800℃ 이상의 온도 조건에서 확산 방법을 이용하여 불순물이 도핑된다. 그러나 이러한 경우, POCl3도핑 공정이 800℃ 이상의 고온에서 실시되고 폴리실리콘 그레인 경계(boundary)로 그레인 부피 이상의 불순물이 도핑되어, P2O5제거를 위한 후속 공정인 디글레이즈(deglaze) 공정을 거치면서 그레인 경계의 홈(grooving)이 깊어지게 된다. 또한 하부 산화막(ONO1) 형성을 위한 산화 공정시 그레인 경계면과 그레인 벌크 간의 산화 속도 및 조성이 달라 표면의 거칠기가 증가하는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 소자의 동작시 브레이크다운(breakdown) 전압이 낮아져 데이터 프로그램에 사용되는 전압의 선택 범위가 좁아지게 되고 소자의 리사이클링(recycling) 특성 및 데이터 리텐션 특성이 저하되는 문제점이 있다.The conventional dielectric film forming method is as follows. That is, a gate oxide film is formed and an undoped polysilicon film is deposited at a temperature of about 620 ° C. A floating gate is then formed by doping the impurities. POCl 3 is used as an impurity source, and impurities are doped using a diffusion method at a temperature of 800 ° C. or higher. In this case, however, the POCl 3 doping process is carried out at a high temperature of 800 ° C. or higher and doped with impurities over the grain volume to the polysilicon grain boundary, followed by a deglaze process which is a subsequent process for removing P 2 O 5. Groove deeper at the grain boundaries. In addition, in the oxidation process for forming the lower oxide film ONO1, there is a problem in that the surface roughness increases due to different oxidation rates and compositions between the grain boundary and the grain bulk. In addition, the breakdown voltage is lowered during operation of the device, thereby narrowing the selection range of the voltage used in the data program, and reducing the recycling and data retention characteristics of the device.
따라서, 본 발명은 인-시투로 인이 도핑된 비정질 실리콘을 증착하고 비활성 기체로 희석된 산소 가스를 이용하여 패시베이션시킨 후 도핑되지 않은 비정질 실리콘을 형성하므로써 후속 공정으로 형성될 유전체막의 특성을 향상시켜 소자의 구동 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 유전체막 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention improves the characteristics of the dielectric film to be formed in a subsequent process by depositing amorphous silicon doped with phosphorus in-situ and passivating it with oxygen gas diluted with an inert gas to form undoped amorphous silicon. It is an object of the present invention to provide a method for forming a dielectric film of a semiconductor device capable of improving the driving characteristics of the device.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 유전체막 형성 방법은 하부 전극과 상부 전극 사이에 형성되는 하부 산화막-질화막-상부 산화막(ONO) 구조의 유전체막에서 하부 산화막 형성 방법에 있어서, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 구조의 기판 상에 상기 하부 전극용 인-시투 도프트 비정질 실리콘막을 형성하는 단계와, 상기 도프트 비정질 실리콘막 상에 패시베이션막을 형성하는 단계와, 상기 패시베이션막 상부에 언도프트 비정질 실리콘막을 형성하는 단계와, 상기 언도프트 비정질 실리콘막을 산화시켜 하부 산화막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the method of forming a dielectric film of a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object, in the method of forming a lower oxide film in a dielectric film having a lower oxide film-nitride-top oxide film (ONO) structure formed between a lower electrode and an upper electrode, Forming an in-situ doped amorphous silicon film for the lower electrode on a substrate having a structure in which elements are formed for forming a semiconductor device, forming a passivation film on the doped amorphous silicon film, and forming the passivation film Forming an undoped amorphous silicon film thereon, and oxidizing the undoped amorphous silicon film to form a lower oxide film.
도 1(a) 내지 1(d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 유전체막 형성 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.1 (a) to 1 (d) are cross-sectional views of devices sequentially shown to explain a method of forming a dielectric film of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
11 : 반도체 기판 12 : 터널 산화막11 semiconductor substrate 12 tunnel oxide film
13 : 도프트 비정질 실리콘막 14 : 패시베이션막13 doped amorphous silicon film 14 passivation film
15 : 언도프트 비정질 실리콘막 150 : 하부 산화막(ONO1)15: undoped amorphous silicon film 150: lower oxide film (ONO1)
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 1(a) 내지 1(d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로팅 게이트 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.1 (a) to 1 (d) are cross-sectional views of devices sequentially shown to explain a method of manufacturing a floating gate according to an embodiment of the present invention.
도 1(a)에 도시된 바와 같이, 필드 산화막이 형성된 기판(11) 상부에 터널 산화막(12) 및 도프트 비정질 실리콘막(13)을 순차적으로 형성한다. 이때 터널 산화막(12)은 게이트 산화막으로 사용된다. 도프트 비정질 실리콘막(13)은 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 장비를 이용하여 500 내지 550℃의 온도 조건과 0.7 내지 1.0Torr 의 압력 조건에서 사일렌(SiH4) 가스를 소오스 가스로 하고 인산(PH3) 가스를 불순물 소오스 가스로 사용한다. 이러한 가스 조건에서 형성된 도프트 비정질 실리콘막(13)은 그 증착 조건에 따라 다음 [표 1]과 같은 표면 거칠기를 갖는다.As shown in FIG. 1A, the tunnel oxide film 12 and the doped amorphous silicon film 13 are sequentially formed on the substrate 11 on which the field oxide film is formed. In this case, the tunnel oxide film 12 is used as a gate oxide film. The doped amorphous silicon film 13 uses a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) apparatus as a source gas using a silica gas (SiH 4 ) at a temperature of 500 to 550 ° C. and a pressure of 0.7 to 1.0 Torr. PH 3 ) gas is used as impurity source gas. The doped amorphous silicon film 13 formed under such a gas condition has a surface roughness as shown in Table 1 according to the deposition conditions.
[표 1]에서 나타난 바와 같이, 500∼550℃의 온도 조건, 0.7∼1.0Torr의 압력 조건에서 표면 거칠기가 낮은 도프트 비정질 실리콘막(13)이 형성됨을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the doped amorphous silicon film 13 having a low surface roughness is formed under a temperature condition of 500 to 550 ° C. and a pressure condition of 0.7 to 1.0 Torr.
도 1(b)는 도프트 비정질 실리콘막(13)을 형성하고 패시베이션(passivation) 공정을 실시한 후의 소자의 단면도이다. 패시베이션 공정은 도프트 비정질 실리콘막(13) 표면의 실리콘 원자의 이동에 의한 표면 거칠기의 증가를 방지하고 하부 산화막(ONO1)과의 계면을 형성하기 위하여 실시하는 공정이다. 이때에는 도프트 비정질 실리콘막(13)에 모든 소오스 가스의 공급을 차단하고 500 내지 550℃의 온도 조건에서, 순수한 질소(N2) 가스 또는 비활성 기체에 산소(O2) 함유량을 20% 이하가 되도록한 혼합 가스를 20slpm 정도의 유량으로 30분 내지 1시간 동안 흘려준다. 이렇게 하여 형성된 패시베이션막(14)은 도프트 비정질 실리콘막(13)의 표면에 치밀하고 얇은 산화막으로 작용하며 후속 열공정에서 도프트 비정질 실리콘막(13) 표면의 실리콘 원자의 이동을 최소화하게 한다. 이는 결과적으로 도프트 비정질 실리콘막(13)과 하부 산화막(ONO1)과의 계면 특성을 향상시킨다.FIG. 1B is a cross-sectional view of the device after forming the doped amorphous silicon film 13 and performing a passivation process. The passivation step is a step performed to prevent an increase in surface roughness due to the movement of silicon atoms on the surface of the doped amorphous silicon film 13 and to form an interface with the lower oxide film ONO1. At this time, the supply of all source gases to the doped amorphous silicon film 13 is cut off, and at a temperature of 500 to 550 ° C., 20% or less of oxygen (O 2 ) content is contained in pure nitrogen (N 2 ) gas or inert gas. The mixed gas is allowed to flow for 30 minutes to 1 hour at a flow rate of about 20 slm. The passivation film 14 thus formed acts as a dense and thin oxide film on the surface of the doped amorphous silicon film 13 and minimizes the movement of silicon atoms on the surface of the doped amorphous silicon film 13 in subsequent thermal processes. This consequently improves the interface characteristics between the doped amorphous silicon film 13 and the lower oxide film ONO1.
도 1(c)는 패시베이션막(14)이 형성된 전체 구조 상부에 언도프트 비정질 실리콘막(15)을 형성한 후의 소자의 단면도이다. 언도프트 비정질 실리콘막(15)의 증착시에는 사일렌(SiH4) 또는 디클로로사일렌(Si2H6) 가스를 이용하며 실리콘 소오스 가스의 유량은 700sccm 이하로 한다. 또한 언도프트 비정질 실리콘막(15)의 두께는 하부 산화막(ONO1) 목표 두께의 0.75배 정도로 하고 0.2∼1.0Torr의 압력 조건에서 증착한다. 이때, 증착 온도는 인으로 도핑된 도프트 비정질 실리콘막(13)의 증착 온도보다 낮은 470∼550℃ 정도로 하여 언도프트 비정질 실리콘막(15)을 증착하는 동안 결정화가 일어나는 것을 방지한다.1C is a cross-sectional view of the device after the undoped amorphous silicon film 15 is formed over the entire structure on which the passivation film 14 is formed. In the deposition of the undoped amorphous silicon film 15, a silicide (SiH 4 ) or dichloroxylene (Si 2 H 6 ) gas is used, and the flow rate of the silicon source gas is 700 sccm or less. In addition, the thickness of the undoped amorphous silicon film 15 is about 0.75 times the target thickness of the lower oxide film ONO1 and is deposited under a pressure of 0.2 to 1.0 Torr. At this time, the deposition temperature is about 470 to 550 ° C. lower than the deposition temperature of the doped amorphous silicon film 13 doped with phosphorus to prevent crystallization from occurring during the deposition of the undoped amorphous silicon film 15.
도 1(d)는 전체 구조 상부에 하부 산화막(ONO1)(150)을 형성한 후의 소자의 단면도이다. ONO1(150)을 형성하기 위해 먼저, 도프트 비정질 실리콘막(13)/패시베이션막(14)/언도프트 비정질 실리콘막(15)이 형성된 웨이퍼의 자연 산화막(도시되지 않음)을 제거한다. 이후 ONO1(150) 형성을 위한 퍼니스의 산화 온도까지 온도가 상승하는 동안 비활성 기체 또는 순수한 질소(N2) 가스를 20ppm 이하가 되도록 퍼지시켜 자연산화막(도시되지 않음)의 생성을 최소화한다. ONO1(150)은 800℃ 이상의 온도에서 O2 가스를 이용하여 언도프트 비정질 실리콘막(15)을 ONO1(150)의 목표 두께만큼 산화시키므로써 형성된다. 이러한 산화 공정은 O2가스의 확산을 통하여 이루어지는데, O2의 농도가 증가할수록 확산 계수가 감소하므로 패시베이션막(14)에 이르러서는 산화 속도가 현저하게 감소되어 도프트 비정질 실리콘막(13)에 영향을 주지 않으므로 공정 마진 측면에서 유리하게 된다.FIG. 1D is a cross-sectional view of the device after the lower oxide film ONO1 150 is formed over the entire structure. In order to form the ONO1 150, first, the native oxide film (not shown) of the wafer on which the doped amorphous silicon film 13 / passivation film 14 / undoped amorphous silicon film 15 is formed is removed. After purging the inert gas or pure nitrogen (N 2 ) gas to 20 ppm or less while the temperature rises to the oxidation temperature of the furnace for forming the ONO 1 150, the generation of a natural oxide film (not shown) is minimized. The ONO1 150 is formed by oxidizing the undoped amorphous silicon film 15 by the target thickness of the ONO1 150 using O2 gas at a temperature of 800 ° C. or higher. This oxidation process is carried out through the diffusion of O 2 gas. As the concentration of O 2 increases, the diffusion coefficient decreases, and thus the oxidation rate is significantly reduced until the passivation film 14 reaches the doped amorphous silicon film 13. There is no impact, which is advantageous in terms of process margin.
이후 질화막(ONO2) 및 상부 산화막(ONO3)을 형성하여 유전체막을 완성하고 콘트롤 게이트 전극, 금속 증착 및 패터닝 공정을 거쳐 스텍 게이트형의 반도체 소자를 형성한다.After that, the nitride film ONO2 and the upper oxide film ONO3 are formed to complete the dielectric film, and form a stack gate semiconductor device through a control gate electrode, metal deposition, and patterning process.
이와 같은 반도체 소자의 유전체막 형성 방법은 플로팅 게이트의 제조뿐만 아니라, 하부 전극과 상부 전극 사이에 형성되는 하부 산화막-질화막-상부 산화막(ONO)구조를 갖는 유전체막 형성에 모두 적용할 수 있다. 즉, 하부 구조가 형성된 기판 상에 도프트 비정질 실리콘막, 패시베이션막 및 언도프트 비정질 실리콘막을 순차적으로 형성한 후 언도프트 비정질 실리콘막을 산화시켜 하부 산화막을 형성하므로써 하부 전극과 유전체막 사이의 계면 특성을 향상시킬 수 있다.Such a method of forming a dielectric film of a semiconductor device can be applied not only to manufacturing a floating gate but also to forming a dielectric film having a lower oxide film-nitride-top oxide film (ONO) structure formed between a lower electrode and an upper electrode. That is, by forming a doped amorphous silicon film, a passivation film, and an undoped amorphous silicon film sequentially on the substrate on which the lower structure is formed, the undoped amorphous silicon film is oxidized to form a lower oxide film, thereby improving the interface characteristics between the lower electrode and the dielectric film. Can be improved.
상술한 바와 같이, 도핑된 실리콘층/패시베이션막/도핑되지 않은 실리콘층의 삼중 구조로 플로팅 게이트를 형성하고 상기 도핑되지 않은 실리콘층을 산화시켜 하부 산화막을 형성하는 경우 다음과 같은 효과가 있다. 즉, 도핑된 실리콘 계면과 하부 산화막의 계면이 패시베이션막이 되도록 하여 플로팅 게이트와 유전체막의 계면 특성이 향상되고 하부 산화막과 하부 전극 사이에 존재하는 경계 트랩 밀도가 감소하여 소자의 특성이 향상된다. 또한 데이터 프로그램시 사용되는 전압의 선택 범위가 넓어지게 되고 누설전류가 감소하여 데이터 리텐션 특성이 향상되는 효과가 있다.As described above, when the floating gate is formed by the triple structure of the doped silicon layer / passivation layer / undoped silicon layer and the oxidized undoped silicon layer is formed, the following effects are obtained. That is, the interface between the doped silicon interface and the lower oxide film becomes a passivation film, thereby improving the interface characteristics of the floating gate and the dielectric film and reducing the boundary trap density existing between the lower oxide film and the lower electrode, thereby improving the device characteristics. In addition, the selection range of the voltage used in data programming is widened and the leakage current is reduced, thereby improving data retention characteristics.
Claims (9)
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| KR1019970061232A KR100274352B1 (en) | 1997-11-19 | 1997-11-19 | Method of manufacturing a flash memory cell |
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Family Applications (1)
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1997
- 1997-11-19 KR KR1019970061232A patent/KR100274352B1/en not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Publication date |
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| KR100274352B1 (en) | 2000-12-15 |
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