KR20020013197A - 반도체소자의 선택적 에피택시얼 성장 방법 - Google Patents

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Abstract

선택적 에피택시얼 성장 방법이 제공된다. 이 방법은 반도체기판이 로딩된 챔버 내에 소스가스, 식각가스 및 환원가스를 순차적으로 주입시키는 과정을 반복적으로 실시한다. 이에 따라, 반도체기판의 소정영역 상에 선택적으로 매끄럽고(smooth) 균일한 에피택시얼층을 성장시킬 수 있다.

Description

반도체소자의 선택적 에피택시얼 성장 방법{Selective epitaxial growth method in semiconductor device}
본 발명은 반도체소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 선택적 에피택시얼 성장 방법에 관한 것이다.
반도체소자의 집적도가 증가함에 따라 선폭 및 간격이 점점 좁아지고 있다. 이에 따라, 자기정렬 공정에 대한 요구가 점점 증가하고 있다.
자기정렬 공정의 하나로 선택적 에피택시얼 성장 공정이 제안된 바 있다. 선택적 에피택시얼 성장 공정은 주로 반도체기판의 소정영역 상에 선택적으로 실리콘층 또는 게르마늄층과 같은 반도체층을 성장시키는 데 사용된다.
일본공개 특허공보(Japanese laid-open patent number) 제4139819호는 실리콘기판이 로딩된 챔버 내에 다이 사일레인(Si2H6) 가스 및 염소가스를 번갈아가면서 반복적으로 주입하여 실리콘층을 선택적으로 성장시키는 기술을 개시한다. 여기서, 다이 사일레인 가스는 실리콘 소스 가스로서 사용되고, 염소 가스는 절연층 상의 실리콘 핵을 제거하기 위한 식각 가스로서 사용된다.
상기 일본공개 특허공보 제4139819호에 따르면, 염소가스가 주입되는 동안 실리콘기판 상에 형성된 실리콘층 표면에 염소 원자가 흡착되어 실리콘층 표면이 염소 원자에 의해 패시베이션된다. 이에 따라, 후속의 실리콘 소스 가스가 주입될지라도 실리콘층의 성장속도가 느려지는 문제점을 보인다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 성장 선택성(growth selectivity)을 개선함과 아울러 성장속도를 개선시킬 수 있는 선택적 에피택시얼 성장 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 식각 가스에 기인하는 디펙트를 제거할 수 있는 선택적 에피택시얼 성장 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 인시투 방식에 의해 불순물의 도우핑 농도를 조절하기가 용이한 선택적 에피택시얼 성장 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선택적 에피택시얼 성장 방법을 설명하기 위한 타이밍 다이아그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 선택적 에피택시얼 성장 방법을 설명하기 위한 공정 순서도(process flowchart) 이다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 소자의 제조에 있어서 선택적 에피택시얼 성장 방법을 제공한다. 이 방법은 적어도 일 부분이 절연층 패턴에 의해 노출된 반도체기판을 밀폐된 챔버 내에 로딩시키는 것과, 상기 챔버 내에 소스 가스, 식각 가스 및 환원 가스를 차례로 주입시키는 공정들로 이루어진 하나의 주기를 적어도 2회 반복적으로 실시하는 것을 포함한다. 여기서, 상기 절연층 패턴은 반도체기판의 소정영역에 형성된 소자분리막 및 게이트 전극의 상부면 및 측벽을 각각 덮는 캐핑막 및 스페이서 등에 해당한다.
상기 반도체기판이 로딩된 챔버 내부를 진공펌프 등을 사용하여 대기압보다 낮은 압력으로 조절하고, 상기 반도체기판을 소정의 온도로 가열한다. 상기 반도체기판을 가열시킨 후에 챔버 내부로 소스 가스를 주입시킨다. 여기서, 상기 소스 가스는 반도체층을 형성하기 위한 가스, 예컨대 실리콘 소스 가스, 게르마늄 소스 가스 또는 이들의 조합된 가스를 포함한다. 이때, 상기 소스 가스는 열 에너지에 의해 분해되어 실리콘 핵, 게르마늄 핵 또는 실리콘 게르마늄(Si-Ge) 핵을 발생시킨다. 이에 따라, 상기 실리콘 핵, 게르마늄 핵 또는 실리콘 게르마늄 핵은 상기 반도체기판 표면의 댕글링 본드와 결합하여 상기 반도체기판의 전면에 흡착된다. 결과적으로, 반도체기판 전면에 반도체층이 형성된다.
상기 반도체층을 형성한 후에 소스 가스의 주입을 차단시키고, 챔버 내에 식각 가스, 예컨대 염소 가스를 주입시킨다. 상기 식각 가스는 상기 절연층 패턴 표면 상에 형성된 반도체층의 원자들과 결합하여 챔버 외부로 배기된다. 이에 따라, 절연층 패턴 표면 상에 형성된 반도체층은 선택적으로 제거된다. 이에 반하여, 상기 노출된 반도체기판 표면 상에 형성된 반도체층은 여전히 잔존한다. 이는, 상기절연층 패턴의 표면에서의 흡착 계수(adsorption coefficient)가 상기 노출된 반도체기판의 표면에서의 흡착 계수와 다르기 때문이다. 한편, 상기 식각 가스가 주입되는 동안 상기 노출된 반도체기판 상에 잔존하는 반도체층의 표면은 식각 가스에 의해 패시베이션될 수 있다. 즉, 상기 식각 가스의 원자들이 상기 반도체층의 원자들과 서로 결합할 수 있다.
상기 식각 가스의 주입을 차단시킨 후에 상기 챔버 내부로 환원 가스, 예컨대 수소 가스를 주입시킨다. 이에 따라, 상기 반도체층의 표면에 흡착된 식각 가스의 원자들은 상기 환원가스와 반응하여 제거된다. 결과적으로, 후속의 소스 가스를 주입시키는 동안 상기 반도체층 상에 새로운 반도체층이 용이하게 성장된다.
이에 더하여, 본 발명은 상기 소스가스를 주입시키는 공정, 상기 식각가스를 주입시키는 공정 및 상기 환원 가스를 주입시키는 공정중 적어도 어느 하나의 공정을 실시하는 동안 도우핑 가스를 추가로 주입시킬 수도 있다. 이에 따라, 각 주기별로 원하는 불순물 농도를 용이하게 조절하는 것이 가능하다. 결과적으로, 반도체층의 깊이에 따라 원하는 도우핑 프로파일을 용이하게 얻을 수 있다. 상기 도우핑 가스로는 포스핀 가스(phosphine; PH3), 다이보레인 가스(diborane; B2H6) 또는 아사인 가스(arsine; AsH3) 등을 사용할 수 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 사용되는 각 가스들의 타이밍 다이아그램이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공정 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체기판 상에 절연층 패턴을 형성하여 상기 반도체기판의 소정영역을 노출시킨다. 상기 절연층 패턴을 갖는 반도체기판을 에피택시얼 장비의 밀폐된 반응 챔버 내부로 로딩시킨다(1). 이어서, 상기 에피택시얼 장비의 제어부(controller)의 제1 레지스터에 할당된(allocated) N값을 "0"으로 초기화시킴과 동시에 제2 레지스터에 할당된 K값을 원하는 사이클 수로 설정한다(3). 여기서, 상기 N은 반복적으로 진행되는 공정의 회수를 나타내는 사이클 수에 해당하고, 상기 K는 작업자가 원하는 전체의 사이클 수를 나타내는 값이다. 상기 반응 챔버 내부의 공기를 진공펌프로 배출시키어 챔버 내부를 대기압보다 낮은 저압, 바람직하게는 10-8Torr 이하의 압력으로 조절한다(5). 다음에, 상기 반도체기판을 소정의 온도, 예컨대 450℃ 내지 800℃로 가열시킨다(7).
상기 가열된 반도체기판을 포함하는 챔버 내부로 소스 가스를 제1 시간(first time; T1), 예컨대 8초 내지 12초동안 주입시킨다(9). 이에 따라, 상기 소스 가스는 챔버 내부의 열 에너지에 의해 분해된다(decomposed). 상기 소스 가스로부터 분해된 소스 원자들은 상기 노출된 반도체기판 표면 및 절연층 패턴 표면의 댕글링 본드와 결합하여 흡착된다. 따라서, 상기 반도체기판의 전면에 반도체층이 형성된다. 이때, 상기 노출된 반도체기판 상에 형성되는 반도체층은 상기 반도체기판의 결정방향(crystal orientation)과 동일한 결정방향을 갖는다.
상기 소스 가스는 형성하고자 하는 반도체층의 종류에 따라 결정된다. 예를들면, 실리콘층을 형성하기 위해서는 상기 소스 가스로서 실리콘 소스 가스를 사용하고, 게르마늄층을 형성하기 위해서는 상기 소스 가스로서 게르마늄 소스 가스를 사용한다. 또한, 실리콘과 게르마늄이 혼합된 반도체층, 즉 실리콘 게르마늄(Si-Ge)층을 형성하기 위해서는 실리콘 소스 가스 및 게르마늄 소스 가스를 모두 챔버 내부로 주입시킨다. 상기 실리콘 소스 가스로는 사일레인(SiH4) 가스, 다이 사일레인 가스(Si2H6) 가스 또는 다이 클로로 사일레인(SiH2Cl2) 가스를 사용하고, 상기 게르마늄 소스 가스로는 GeH4가스를 사용한다. 상기한 소스 가스들 이외에 다른 적절한 소스 가스를 사용하여 화합물 반도체층을 형성할 수도 있다.
상기 소스 가스의 주입을 차단시킨 후에 상기 챔버 내부로 식각 가스를 제2 시간(second time; T2), 예컨대 약 6초 내지 15초 동안 주입시킨다(11). 상기 식각 가스는 상기 절연층 패턴 표면에 흡착된 반도체층의 원자들과 반응을 잘하는 가스, 예컨대 염소 가스를 포함한다. 예를 들면, 상기 반도체층이 실리콘층인 경우에, 상기 절연층 패턴의 표면에 형성된 실리콘층은 상기 염소가스와 반응하여 SiCl4와 같은 부산물(by-product), 즉 기체 화합물(gas compound)이 발생된다. 또한, 상기 반도체층이 게르마늄층인 경우에, 상기 절연층 패턴의 표면에 형성된 실리콘층은 상기 염소가스와 반응하여 GeCl4와 같은 기체 화합물이 발생된다. 상기 기체 화합물은 챔버 외부로 배출된다. 결과적으로, 절연층 패턴의 표면에 형성된 반도체층은 상기 식각 가스에 의해 선택적으로 제거된다.
이에 반하여, 상기 노출된 반도체기판 상에 형성된 반도체층은 상기 식각 가스와 반응하여 휘발성(volatile)의 기체 화합물을 발생시키지 않는다. 오히려, 상기 식각 가스의 원자들은 상기 노출된 반도체기판 상의 반도체층 표면에 흡착되어 반도체층을 패시베이션시킬 수도 있다. 이는, 상기 노출된 반도체기판 상에 형성된 반도체층의 원자들 사이의 본딩 에너지가 상기 식각 가스의 원자 및 상기 반도체층의 원자 사이의 반응 에너지보다 크기 때문이다. 상기 패시베이션층이 일단 형성되면, 상기 반도체층 상에 새로운 반도체층이 성장되는 속도가 현저히 감소되거나 더 이상 새로운 반도체층이 성장되지 않을 수도 있다. 다시 말해서, 반도체기판의 전면에 걸쳐서 반도체층의 균일한 성장률을 얻기가 어렵다. 결과적으로, 상기 패시베이션층이 존재하는 경우에는, 반도체층의 표면 거칠기(surface roughness)는 물론 사각형 형태의 그루브(groove)가 현저히 증가된다. 상기 그루브는 국부적으로 반도체층이 더 이상 성장되지 않는 현상에 기인하여 생성된다.
상기 식각 가스의 주입을 차단시킨 후에 상기 챔버 내부로 환원 가스(reducing gas)를 제3 시간(third time; T3), 예컨대 6초 내지 15초 동안 주입시킨다(13). 상기 환원가스는 수소 가스인 것이 바람직하다. 상기 수소 가스는 상기 패시베이션층, 즉 염소원자들과 반응하여 HCl 기체를 발생시킨다. 따라서, 상기 반도체층 표면의 패시베이션층이 제거된다.
상기 환원가스의 주입을 차단시킨 후에 상기 N값을 1만큼 증가시킨다(15). 이어서, 상기 증가된 N값과 상기 K값을 비교한다(17). 상기 N값이 상기 K값과 같을 때까지 상기 소스 가스를 주입하는 공정(9), 상기 식각 가스를 주입하는 공정(11)및 상기 환원 가스를 주입하는 공정(13)을 반복적으로 실시하여 원하는 두께를 갖는 반도체층을 형성한다.
한편, 본 발명은 상기 소스가스 주입 공정(9), 식각가스 주입 공정(11) 및 환원가스 주입 공정(13)들중 적어도 어느 하나의 공정을 실시하는 동안 도우핑 가스를 추가로 주입시킬 수도 있다. 일 예로, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 소스 가스를 주입시키는 동안 도우핑 가스를 추가로 주입시키어 상기 반도체층을 불순물로 도우핑시킬 수도 있다. 상기 도우핑 가스로는 포스핀 가스(phosphine; PH3), 다이보레인 가스(diborane; B2H6) 또는 아사인 가스(arsine; AsH3) 등을 사용할 수 있다. 이에 따라, 인시투 도우프트 반도체층을 형성하는 것이 가능하다. 여기서, 각 사이클 별로 상기 도우핑 가스의 양을 적절히 변화시키면, 원하는 도우핑 프로파일을 갖는 반도체층을 형성하기가 용이하다.
(실험예)
상술한 본 발명의 실시예에 따라 반도체기판의 소정영역 상에 선택적으로 실리콘층을 성장시키었다. 또한, 본 발명과 비교하기 위하여 상기 환원가스를 주입하는 공정을 생략한 종래의 기술에 따라 반도체기판의 소정영역 상에 선택적으로 실리콘층을 성장시키었다. 여기서, 상기 반도체기판은 단결정 실리콘기판의 소정영역에 활성영역을 한정하는 소자분리막을 형성한 다음, 상기 활성영역들을 가로지르는 게이트 패턴들을 형성함으로써 준비하였다. 상기 소자분리막은 트렌치 소자분리 방법을 사용하여 실리콘 산화막으로 형성하였고, 상기 게이트 패턴들은도우프트(doped) 폴리실리콘막, 텅스텐 실리사이드막 및 고온산화막(HTO)을 차례로 적층시키어 형성하였다. 또한, 상기 게이트 패턴들의 측벽 상에는 실리콘 질화막으로 이루어진 스페이서를 형성하였다. 결과적으로, 상기 반도체기판은 상기 소자분리막, 게이트 패턴 및 스페이서에 의해 노출된 소오스/드레인 영역을 갖도록 형성되었다.
상기 반도체기판을 챔버 내에 로딩시킨 후에 상기 챔버 내부의 압력을 2×10-8Torr의 저압으로 조절하였고, 상기 반도체기판을 700℃로 가열하였다. 그 후에, 실리콘 소스 가스로서 다이 사일레인(Si2H6) 가스를 10sccm(standard cubic centimeter per minute)의 유량으로 10초동안 주입하였고, 식각 가스로서 염소 가스를 1sccm의 유량으로 12초동안 주입시키었다. 계속해서, 본 발명의 경우에는 환원가스로서 수소가스를 25sccm의 유량으로 12초동안 주입시키었고, 종래의 기술의 경우에는 수소가스를 주입시키는 공정을 생략하였다. 본 발명의 경우에는 상기한 소스가스 주입공정, 식각가스 주입공정 및 환원가스 주입공정을 30회 반복하여 실시하였다. 또한, 종래기술의 경우에는 소스가스 주입공정 및 식가가스 주입공정을 30회 반복하여 실시하였다.
그 결과, 본 발명에 따라 성장된 실리콘층은 종래기술에 비하여 빠른 성장률을 보였다. 구체적으로, 본 발명의 경우에, 높은 패턴밀도를 갖는 셀 어레이 영역의 소오스/드레인 영역 및 상대적으로 낮은 패턴밀도를 갖는 주변회로 영역의 소오스/드레인 영역 상에 형성된 실리콘층의 두께는 각각 2060Å 및 2600Å 이었다. 이에 반하여, 종래기술의 경우에 있어서, 셀 어레이 영역의 소오스/드레인 영역 및 주변회로 영역의 소오스/드레인 영역 상에 형성된 실리콘층의 두께는 각각 1650Å 및 2000Å 이었다.
또한, 본 발명에 따른 반도체층의 표면 거칠기에 대한 평균값(root mean square value; RMS value)은 10Å 이었고, 종래기술에 따른 반도체층의 표면 거칠기에 대한 평균값(RMS value)은 21.7Å이었다. 이에 더하여, 본 발명에 따른 반도체층의 그루브 밀도는 10㎛의 길이에 대하여 14 내지 18개 이었고, 종래기술에 따른 반도체층의 그루브 밀도는 10㎛의 길이에 대하여 24 내지 30개 이었다.
결과적으로, 본 발명에 따른 반도체층의 성장속도(growth rate), 표면 거칠기 및 그루브 밀도는 종래기술에 비하여 현저히 개선되었음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 소스 가스 및 식각 가스를 차례로 주입한 후에 환원가스를 추가로 주입함으로써, 에피택시얼 공정의 선택성을 유지함은 물론 에피택시얼층의 성장률, 표면거칠기 및 그루브 밀도를 현저히 개선시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 반도체기판 상에 상기 반도체기판의 소정영역을 노출시키는 절연층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 절연층 패턴을 갖는 반도체기판을 반응 챔버 내부로 로딩시키는 단계;
    상기 반응 챔버 내에 제1 시간동안 소스 가스를 주입시키어 상기 반도체기판의 전면에 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 챔버 내에 제2 시간동안 식각 가스를 주입시키어 상기 절연층 패턴 표면 상의 반도체층을 선택적으로 제거하는 단계; 및
    상기 챔버 내에 제3 시간동안 환원 가스를 주입시키어 상기 노출된 반도체기판 상에 잔존하는 반도체층의 표면에 흡착된 식각 가스의 원자들을 제거하는 단계를 포함하되, 상기 소스 가스, 상기 식각 가스 및 상기 환원 가스를 순차적으로 주입시키는 단계들을 적어도 2회 반복적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 가스를 주입하기 전에 상기 반응 챔버 내부를 10-8torr 이하의 저압으로 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 가스를 주입하기 전에 상기 반도체기판을 450℃ 내지 800℃의 온도로 가열시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 실리콘층인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 소스 가스는 실리콘 소스 가스인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 실리콘 소스 가스는 SiH4가스, Si2H6가스 또는 SiH2Cl2가스인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 게르마늄층인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 소스 가스는 게르마늄 소스 가스인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 게르마늄 소스 가스는 GeH4가스인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 Si-Ge층인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 소스 가스는 실리콘 소스 가스 및 게르마늄 소스 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 시간은 8초 내지 12초인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 식각 가스는 Cl2가스인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 시간은 6 내지 15초인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원 가스는 수소 가스인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 시간은 6 내지 15초인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 시간중 적어도 어느 한 기간 동안 도우핑 가스를 추가로 주입하는 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 도우핑 가스는 phosphine(PH3) 가스, diborane(B2H6) 가스 또는 arsine(AsH3) 가스인 것을 특징으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 방법.
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