KR20010063463A - 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, Al 타겟을 이용하여 N2반응성 스퍼터링 방법으로 반도체 기판에 AlN 박막을 증착하고, AlN 박막내의 질소 공극(nitrogen vacancy)을 제거하기 위해 어닐링하되, 산화 분위기에서 실시하여 AlN-A1203박막으로 변화시켜 고유전율의 게이트 유전체막을 형성하고, AlN-A1203게이트 유전체막상에 게이트 전극을 형성하여 MIS 게이트 유전체 구조를 갖는 반도체 소자를 형성하므로, 누설 전류 특성이 우수한 고속 고밀도 소자를 구현할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법에 관하여 기술된다.

Description

반도체 소자의 제조 방법 {Method of manufacturing a semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자에서 고속 고밀도 소자에 적용되는 게이트 유전체막으로 고유전율을 갖는 유전체물질(high-k dielectric material)을 사용하여 누설 전류 특성이 우수한 고속 고밀도 소자를 구현할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자에서 현재 양산중인 디램(DRAM) 소자 및 논리(Logic) 소자의 게이트 유전체막은 열 공정이나 급속 열 공정(rapid thermal process)으로 Si02를 성장시켜 사용하고 있다. 최근 디자인 룰(Design rule)이 축소(scale down)됨에 따라 Si02게이트 유전체막은 터널링(tunneling) 한계가 되는 25-30Å이하로 줄어드는 추세에 있으며, 0.10㎛ 기술(technology)의 게이트 전극(gate electrode)으로 15-20Å의 두께가 예상된다. 그러나, 게이트 유전체막의 터널링에 의한 옵-전류(off-current)의 증가로 말미암아 소자의 오동작이 우려되고 있으며, 메모리 소자의 경우 누설 전류(leakage current)의 감소방안이 중요한 사안(issue)이 되고 있다. 이를 극복하기 위한 노력의 일환으로 고유전율을 갖는 유전체 물질을 게이트 유전체막으로 채용하는 연구가 진행되고 있다. 그 중의 대표적인 것이 캐패시터에 사용되던 Ta205를 게이트 유전체막으로 사용하는 연구가 활발하다. 그러나, Ta205를 게이트 유전체막으로 사용하고, 기존의 게이트 전극으로 사용하던 폴리실리콘을 적용할 때, Ta205게이트 유전체막/폴리실리콘층 계면에 Si02가 형성되어 전체 유효 산화막 두께(total tox)가 증가되는 어려움이 있다. 또한, 이러한 반응을 방지하고자 TiN/W 구조를 사용하고 있으나, 문턱 전압에 큰 변화가 생기게 되어 채널(channel)내에 카운터-도핑(counter-doping)과 같은 여러 형태의 조건 설정이 필요하는 등 기존의 기술을 적용함에 있어 한계를 보이고 있다.
따라서, 본 발명은 반도체 소자에서 고속 고밀도 소자에 적용되는 게이트 유전체막으로 고유전율을 갖는 유전체 물질을 사용하되, 기존의 게이트 전극의 재료를 그대로 사용하여도 상기한 문제가 유발되지 않도록하는 반도체 소자의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판에 소자 분리막을 형성하여 액티브 영역을 정의하는 단계; 상기 소자 분리막이 형성된 반도체 기판 상에 AlN 박막을 형성하는 단계; 상기 AlN 박막을 어닐링하여 게이트 유전체막을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 유전체막상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 반도체 기판 12: 소자 분리막
13: AlN 박막 130: AlN-A1203게이트 유전체막
14: 게이트 전극
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(11)에 소자 분리막(12)을 형성하여 액티브 영역(active region)을 정의(define)한다. 소자 분리막(12)이 형성된 반도체기판(11) 상에 AlN 박막(13)을 형성한다.
상기에서, 소자 분리막(12)은 LOCOS구조 또는 STI 구조로 형성할 수 있으며, AlN 박막(13)은 다음과 같이 여러 가지 방법으로 형성할 수 있다.
첫째, AlN 박막(13)은 순수 Al 타겟(pure A1 target)과 N2/Ar을 이용한 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)으로 15 내지 100Å의 두께 형성하는데, N2유량비(flow rate)를 10 내지 100 sccm으로 하고, Ar 유량비를 10 내지 45 sccm으로 하며, 증착온도를 25℃ 내지 750℃로 한다. 이때, 직류 마그네트론 플라즈마(DC magnetron plasma)를 사용할 경우, 전력 밀도(power density)로 0.14 내지 7 W/cm2(100W to 5kW for 8 inch wafer)를 사용하며, 고주파 글로우 플라즈마(RF glow plasma)를 사용할 경우, 전력 밀도로 0.14 내지 7 W/cm2(100W to 5kW for 8 inch wafer)를 사용하고, 고주파 코일(RF coil)로 A1 또는 Si을 사용할 수 있으며 이때 코일과 기판과의 바이어스 컨트롤(bias control)을 위한 전력은 0 - ±300W 범위로 한다.
둘째, AlN 박막(13)은 반응성 스퍼터링이 아닌 AlN 타겟과 Ar을 사용한 직류 마그네트론(DC magnetron) 또는 고주파 전력(RF power)을 이용하여 형성할 수 있다.
셋째, AlN 박막(13)은 AlN을 이용한 전자 빔 증발(e-beam evaporation)을 이용하여 형성할 수 있다.
넷째, AlN 박막(13)은 무기 소오스(inorganic source)를 이용한 화학기상증착(CVD)법으로 형성할 수 있다. 이때의 전구체(Precursor)로는 A1C13(또는 DEMA)와 NH3, H2또는 N2를 사용한다. 이때의 증착온도는 450 내지 750℃이며 플라즈마 화학기상증착(plasma CVD)법을 사용할 수 있다.
다섯째, AlN 박막(13)은 금속 유기 소오스(metal organic source)를 이용한 화학기상증착법으로 형성할 수 있다. 이때의 전구체로는 A1(CH3)3와 NH3, H2또는 N2를 사용한다. 이때의 증착온도는 450 내지 750℃이며 플라즈마 화학기상증착(Plasma CVD)법을 사용할 수 있다.
여섯째, AlN 박막(13)은 펄스 또는 사이클릭 화학기상증착(pulsed or cyclic CVD)법을 이용할 수 있으며, 소오스 물질(source material)로 무기 소오스나 금속 유기 소오스를 사용한다.
한편, AlN 박막(13)은 순수 A1이외에 도프트(doped) A1을 사용할 수 있으며, 이때의 도판트(dopant)로 Si을 사용하며 Si 농도는 0.1 내지 2 wt%로 한다.
상기한 AlN 박막(13) 형성전에 다음과 같은 공정을 추가할 수 있다.
첫째, AlN 박막(13) 형성전에 트렌치 캐패시터(trench capacitor)구조를 형성할 수 있으며, 이때 캐패시터의 유전체막으로 산화막/질화막(oxide/nitride) 또는 Ta205, A1203를 사용할 수 있다.
둘째, AlN 박막(13) 형성전에 반도체 기판(11) 표면의 Si02막을 제거하기 위한 화학적 세정(chemical cleaning)을 위하여 피라나(pirahna), RCA 세정을 할 수 있다.
셋째, AlN 박막(13) 형성 직전에 표면의 Si02막을 제거하기 위하여 AlN 증착 챔버 내에서 수소 분위기 또는 UHV(<1E-8 Torr)에서 850 내지 950℃의 온도로 열 세정(thermal cleaning)을 행한다.
넷째, AlN 박막(13) 형성전에 Si02막을 2 내지 10Å의 두께로 반도체 기판(11) 표면에 형성하여 반도체 기판(11)과 AlN 박막(13)의 계면 특성(interfacial properties)을 향상시킬 수 있다.
도 1b를 참조하면, AlN 박막(13) 내의 질소 공극(Nitrogen vacancy)을 제거를 을 제거하기 위해 어닐링(annealing)하되, 산화 분위기에서 실시하여 AlN-A1203박막으로 변화시켜 고유전율의 AlN-A1203게이트 유전체막(130)을 형성한다.
상기에서, 질소 공극을 제거를 위한 어닐링은 산소 분위기의 반응로(furnace)에서 450 내지 800℃의 온도로 30분 처리하거나, 급속 열 공정(RTP)을 이용하여 02또는 N20분위기에서 램프비(ramp rate) 20-80℃/sec조건으로 450 내지 900℃의 온도에서 10 내지 60초 처리한다.
도 1c를 참조하면, AlN-A1203게이트 유전체막(130)상에 게이트 전극(14)을 형성하여 MIS 게이트 유전체 구조를 갖는 반도체 소자를 형성한다.
상기에서, 게이트 전극(14)은 폴리실리콘 구조, 텅스텐 폴리사이드(W-polycide), 티타늄 폴리사이드(Ti-polycide), 몰리브덴 폴리사이드(Mo-polycide) 등과 같은 폴리사이드 구조, 텅스텐과 같은 금속 구조 등과 같이 기존에 사용하던 재료를 사용하여 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 반도체 소자의 게이트 유전체막으로 유전 상수 3.85인 Si02보다 유전율이 2배 이상인 유전 상수 8.5인 AlN 박막을 형성함에 있어서 A1 타겟을 이용하고, N2/Ar 분위기하에서 반응성 스퍼터링을 통하여 AlN 박막을 형성한다. AlN 박막은 에너지 밴드 갭(energy band gap)이 6.2 정도이며, 열적 안정성(thermal stability)이 뛰어나며, 특히 열 전도성(thermal conductivity)이 2 W/cm℃로 Si의 1.5와 유사하다. AlN 박막은 증착 방법에 따라 전도성 메카니즘(conduction mechanism)에 차이가 있지만 박막내 질소 공극으로 말미암아 높은 저항성의 N-타입(highly resistive N-type)의 특성을 나타낸다. 본 발명은 AlN 박막을 증착함에 있어서 저밀도 글로우 플라즈마(low density glow plasma)하에서 증착하여 표면 채널(surface channel)의 손상(damage)를 최소화하고 충분히 조밀한(dense) 박막으로 형성하고, AlN 박막 형성후에 산화 분위기 하에서 어닐링하여 미결합(unbonded) 또는 델글링(dangling)된 A1을 A1203으로 형성시켜준다. 이는 누설 전류 특성과 유전 상수(dielectric constant) 값이 10 정도로 우수한 A1203(AlN-A1203게이트 유전체막에서 A1203는 약 2% 미만)를 형성함으로서 AlN 매트릭스(matrix)에 A1203를 형성, 전체 게이트 유전체막의 특성을 향상시켜준다. 또한 AlN 박막은 열적 화학적으로 안정(thermally & chemically stable)하기 때문에 후속 고온 열처리시에도 안전하다. 따라서, 기존의 폴리실리콘 전극(poly-Si electrode), 텅스텐 폴리사이드(W-polycide), 티타늄 폴리사이드(Ti-polycide)등을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다. AlN 박막의 증착 방법은 스퍼터링 이외에도 여러가지 방법으로 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 반도체 소자의 고유전율을 갖는 AlN-A1203게이트 유전체막을 소자에 적용하므로 차세대 게이트 형성시 누설 전류 특성이 우수한 고속 고밀도 소자를 구현할 수 있다.

Claims (14)

  1. 반도체 기판에 소자 분리막을 형성하여 액티브 영역을 정의하는 단계;
    상기 소자 분리막이 형성된 반도체 기판 상에 AlN 박막을 형성하는 단계;
    상기 AlN 박막을 어닐링하여 게이트 유전체막을 형성하는 단계; 및
    상기 게이트 유전체막상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막은 순수 Al 타겟과 N2/Ar을 이용한 반응성 스퍼터링으로 15 내지 100Å의 두께로 형성하며, N2유량비를 10 내지 100 sccm으로 하고, Ar 유량비를 10 내지 45 sccm으로 하며, 증착온도를 25℃ 내지 750℃로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응성 스퍼터링은 직류 마그네트론 플라즈마, 고주파 글로우 플라즈마, 고주파 코일중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막은 AlN 타겟과 Ar을 사용한 직류 마그네트론 또는 고주파 전력을 이용하여 15 내지 100Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막은 AlN을 이용한 전자 빔 증발을 이용하여 15 내지 100Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막은 450 내지 750℃의 증착 온도에서 전구체로 A1C13와 NH3, H2또는 N2를 사용하는 무기 소오스를 이용한 화학기상증착법이나 플라즈마 화학기상증착법으로 15 내지 100Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막은 450 내지 750℃의 증착 온도에서 전구체로 A1(CH3)3와 NH3, H2또는 N2를 사용하는 금속 유기 소오스를 이용한 화학기상증착법이나 플라즈마 화학기상증착법으로 15 내지 100Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막은 무기 소오스나 금속 유기 소오스를 사용하여 펄스 또는 사이클릭 화학기상증착법으로 15 내지 100Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막은 Si 가 0.1 내지 2 wt% 함유된 도프트 A1을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막의 어닐링은 박막 내의 질소 공극을 제거를 을 제거하기 위해 산화 분위기에서 실시하고, 이로 인하여 AlN 박막은 AlN-A1203박막으로 변화되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막의 어닐링은 산소 분위기의 반응로에서 450 내지 800℃의 온도로 30분 처리하거나, 급속 열 공정을 이용하여 02또는 N20분위기에서 램프비 20 내지 80℃/sec조건으로 450 내지 900℃의 온도에서 10 내지 60초 처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 폴리실리콘 구조, 폴리사이드 구조, 금속 구조중 어느 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막 형성전에 Si02막을 2 내지 10Å의 두께로 상기 반도체 기판 표면에 형성하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 AlN 박막 형성전에 세정 공정을 추가하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
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