KR20010038752A - 반도체 장치의 유전막 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 장치의 유전막 제조방법에 관한 것으로, 종래 반도체 장치의 유전막 제조방법은 산소분위기에서 Ta2O5막을 열처리하여 그 Ta2O5막과 Ta2O5막의 하지층 사이에 산화막이 형성되어 Ta2O5막의 유전률을 저하시키는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 실리콘 기판 또는 다결정실리콘의 상부에 Ta2O5막을 증착하는 유전막증착단계와; 상기 증착된 Ta2O5막을 NH3가스의 분위기에서 열처리하여 그 Ta2O5막과 실리콘 기판 또는 다결정실리콘의 사이영역에 산화막이 형성되는 것을 방지하며, Ta2O5막에 포함된 불순물을 제거함과 아울러 1차적으로 결정화하는 1차열처리단계와; 상기 1차열처리단계를 거친 Ta2O5막을 다시 O2또는 N2O가스를 이용하여 열처리하여 그 Ta2O5막을 완전히 결정화하는 2차열처리단계로 구성되어 암모니아를 사용하는 환원반응에 의해 Ta2O5막과 그 하지층 사이의 계면에서 산화막이 형성되는 것을 억제하여, Ta2O5막의 유전율이 저하되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Description

반도체 장치의 유전막 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR DIELECTRIC FILM IN SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 장치의 유전막 제조방법에 관한 것으로, 특히 Ta2O5유전막을 형성한 후 암모니아 가스를 사용하는 환원분위기에서 급속열처리하여 상기 유전막과 기판의 사이에 산화막이 형성되는 것을 방지하는데 적당하도록 한 반도체 장치의 유전막 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치의 집적도가 심화되면서, 좁은 면적을 차지하면서도 고유전율을 갖는 Ta2O5막이 사용되고 있으며, 이는 반도체 장치에서 유전막을 필요로 하는 영역 예를 들어 게이트산화막이나 커패시터의 유전막 등으로 사용되고 있으며, 종래 산화막에 비해 좁은 면적을 차지하면서도 우수한 특성을 얻을 수 있다. 그러나, 기판 또는 다결정실리콘의 상부에 Ta2O5막을 증착하고, 어닐링하는 과정에서, 상기 기판 또는 다결정실리콘과 Ta2O5막의 계면에 산화막이 형성되어 특성을 저하시키게 되며, 이와 같은 종래 반도체 장치의 유전막 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1a 및 도1b는 종래 반도체 장치의 유전막 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1)의 상부에 Ta2O5막(2)을 증착하는 단계(도1a)와; 상기 증착된 Ta2O5막(2)을 O2또는 N2O 가스 분위기에서 급속열처리하여 활성화하는 단계(도1b)로 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성된 종래 반도체 장치의 유전막 제조방법을 좀 더 상세히 설명한다.
먼저, 도1a에 도시한 바와 같이 기판(1)의 상부에 유기금속증착법(이하, MOCVD)을 사용하여 약 100nm의 두께를 갖는 Ta2O5막(2)을 증착한다.
이와 같이 증착한 Ta2O5막(2)에는 일반적으로 Ta2O5막(2) 내에 탄소 등의 불순물이 존재하며 열처리하지 않은 Ta2O5막은 무결정형으로서 유전상수가 25이며, 누설전류가 매우높다.
그 다음, 도1b에 도시한 바와 같이 Ta2O5막(2)의 문제점인 누설전류발생문제와 함유된 불순물을 제거하기 위해 약 800℃의 온도조건에서 O2또는 N2O가스를 사용하는 급속열처리공정으로 5분간 열처리하여 상기 Ta2O5막(2)을 산화시켜 결정화함으로써, 그 Ta2O5막(2) 내의 불순물을 제거함과 아울러 누설전류를 방지하게 된다.
그러나, 상기의 공정조건으로 열처리하는 중에 그 열처리에 사용되는 가스가 모두 산소를 포함하고 있으며, 이에 따라 Ta2O5막(2) 보다 유전상수가 낮은 SiO2가 약 3nm정도 상기 기판(1)과 Ta2O5막(2)의 사이에 형성된다.
이와 같이 산화막이 형성되는 경우 유전률이 저하되어 그 유전막을 사용하는 반도체 장치의 특성이 열화된다.
상기한 바와 같이 종래 반도체 장치의 유전막 제조방법은 Ta2O5막을 증착하고, 산소가 포함된 가스를 이용하여 급속열처리공정을 수행하여 Ta2O5막과 하지층의 사이에 산화막이 형성되어 실질적으로 유전률을 저하시켜 반도체 장치의 특성을 열화시키는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 Ta2O5막과 하지층의 사이에 산화막을 형성하지 않고 Ta2O5막의 불순물을 제거함과 아울러 누설전류의 발생을 방지할 수 있는 반도체 장치의 유전막 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도1a 및 도1b는 종래 반도체 장치의 유전막 제조공정 수순단면도.
도2a 내지 도2c는 본 발명 반도체 장치의 유전막 제조공정 수순단면도.
도3은 산소분위기에서 열처리한 Ta2O5막과 암모니아 분위기에서 열처리한 Ta2O5막의 경도 비교 그래프도.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
1:기판 2:Ta2O5막
상기와 같은 목적은 실리콘 기판 또는 다결정실리콘의 상부에 Ta2O5막을 증착하는 유전막증착단계와; 상기 증착된 Ta2O5막을 NH3가스의 분위기에서 열처리하여 그 Ta2O5막과 실리콘 기판 또는 다결정실리콘의 사이영역에 산화막이 형성되는 것을 방지하며, Ta2O5막에 포함된 불순물을 제거함과 아울러 1차적으로 결정화하는 1차열처리단계와; 상기 1차열처리단계를 거친 Ta2O5막을 다시 O2또는 N2O가스를 이용하여 열처리하여 그 Ta2O5막을 완전히 결정화하는 2차열처리단계로 구성함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도2a 내지 도2c는 본 발명 반도체 장치의 유전막 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1)의 상부에 Ta2O5막(2)을 증착하는 단계(도2a)와; 상기 증착된 Ta2O5막(2)을 NH3가스로 환원분위기에서 급속열처리하는 단계(도2b)와; 상기 1차 급속열처리가 끝난 Ta2O5막(2)을 다시 O2또는 N2O가스를 사용하는 급속열처리를 통해 상기 Ta2O5막(2)을 결정화하는 단계(도2c)로 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 반도체 장치의 유전막 제조방법을 좀 더 상세히 설명한다.
먼저, 도2a에 도시한 바와 같이 기판(1)의 상부에 Ta2O5막(2)을 증착한다.
그 다음, 도2b에 도시한 바와 같이 상기 증착된 Ta2O5막(2)을 NH3가스를 이용하여, 약 800℃의 온도분위기에서 3 내지 5분동안 열처리를 실시한다.
이때, 사용하는 NH3가스에 의해 상기 Ta2O5막(2)과 기판(1)의 사이에 산화막이 형성되지 않으며, 상기 Ta2O5막(2)의 산소에 의해 상기 기판(1)과 Ta2O5막(2)의 사이에는 1.5nm이하의 산화막이 형성되며, 이는 다시 상기 NH3가스와 Ta2O5막(2)의 반응에 의해 환원되어 그 형성된 산화막은 그 두께가 무시될 만큼 얇아지게 된다.
이와 같이 NH3의 분위기에서 열처리한 것과 산소분위기에서 열처리한 Ta2O5막(2)의 강도의 비교그래프도를 도3에 나타내었다.
그 다음, 도2c에 도시한 바와 같이 상기 NH3의 분위기에서 1차적으로 열처리된 Ta2O5막(2)을 결정화하기 위해 종래와 동일한 조건인 O2또는 N2O가스분위기, 800℃의 온도분위기에서 약 1 내지 3분간 열처리한다.
이와 같이 산소가 포함된 가스를 사용하여 상기 Ta2O5막(2)을 산화시킴으로써, 결정화하여 누설전류의 발생을 억제한다. 이때 역시 상기 Ta2O5막(2)과 기판(1)의 사이에 산화막이 성장하게 되나, 열처리 시간이 상대적으로 짧아 1.5nm이하의 두께를 갖는 산화막이 형성되어 Ta2O5막(2)의 유전율 저하를 최소화 할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 Ta2O5막을 증착하고, 암모니아가스를 사용하여 1차적인 열처리를 수행하여, 상기 Ta2O5막의 불순물을 제거함과 아울러 1차적으로 결정화하고, 다시 산소분위기에서 2차 열처리를 실시하여 상기 Ta2O5막을 완전히 결정화함으로써, Ta2O5막과 그 하지층 사이에 산화막이 형성되는 것을 최대한 억제하고, 이에 따른 Ta2O5막의 유전률 저하를 방지하여 반도체 장치의 특성이 열화되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 실리콘 기판 또는 다결정실리콘의 상부에 Ta2O5막을 증착하는 유전막증착단계와; 상기 증착된 Ta2O5막을 NH3가스의 분위기에서 열처리하여 그 Ta2O5막과 실리콘 기판 또는 다결정실리콘의 사이영역에 산화막이 형성되는 것을 방지하며, Ta2O5막에 포함된 불순물을 제거함과 아울러 1차적으로 결정화하는 1차열처리단계와; 상기 1차열처리단계를 거친 Ta2O5막을 다시 O2또는 N2O가스를 이용하여 열처리하여 그 Ta2O5막을 완전히 결정화하는 2차열처리단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 유전막 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 1차열처리단계는 800℃의 온도분위기에서 3 내지 5분동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 유전막 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 2차열처리단계는 800℃의 온도분위기에서 1 내지 3분동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 유전막 제조방법.
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