KR20040004896A - 플래시 메모리 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플래시 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 산화막 니플 상부에 다층의 폴리 실리콘을 증착함으로써, 증착된 폴리 실리콘의 단차(움푹 패이는 형상)를 줄이고, 작은 그레인 구조를 갖는 폴리 실리콘층을 형성하여, CMP공정의 마진을 확보할 수 있고, 플로팅 게이트 전극의 패턴을 동일하게 형성할 수 있는 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 플래시 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 플래시 소자의 셀프 얼라인 플로팅게이트 형성공정 중 플로팅 게이트용 도전막을 다층으로 형성하여 균일한 게이트 전극 패턴을 형성할 수 있는 플래시 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 플래시 소자의 고집적화를 구현함에 있어서 셀프 얼라인 플로팅 게이트 형성 공정을 수행하여 플로팅 게이트 전극을 형성하고 있다. 즉, 자기 정렬 플로팅 게이트 형성 공정은 반도체 기판에 고밀도 플라즈마(High Density Plasma; 이하 'HDP'라함) 산화막 니플(Oxide Nipple)을 형성하고, 상기 HDP 산화막 니플이 형성된 반도체 기판 상부에 플로팅 게이트 전극용 폴리실리콘을 증착한다. 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 'CMP'라함)공정을 실시하여 폴리실리콘을 평탄화(산화막 니플을 노출)하여 플로팅 게이트 전극을 형성한 다음 HF 딥 아웃으로 노출된 산화막 니플을 제거한다.
상술한 자기 정렬 플로팅 게이트 형성 공정은 HDP 산화막 니플 상부에 폴리 실리콘을 증착하기 때문에 평탄화된 폴리 실리콘의 증착이 어렵게 된다.
도 1은 종래의 플래시 메모리 소자의 제조 공정중 산화막 니플 상부에 폴리 실리콘이 증착된 모양의 SEM 사진이다.
도 1을 참조하면, 산화막 니플 상부에 폴리 실리콘을 증착하게 되면 단차가 발생하게 된다. 이로써 SEM 사진에서 보는바와 같이 산화막 니플 사이의 영역(활성 영역) 상부에 폴리 실리콘층이 움푹 패는 현상이 발생하게 된다. 이러한 상태에서 CMP 공정을 실시하게 되면, 상술한 폴리 실리콘의 단차에 의해 균일하게 CMP가 되지 않는다. 이로써 동일한 형태의 플로팅 게이트 전극을 형성하기가 어렵게 되고, 또한 게이트 전극간의 커플링 비의 차가 발생할 수 있으며, 이로 인해 반도체 소자의 특성이 나빠지는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 플로팅 게이트 전극용 폴리 실리콘을 다층으로 증착하여 HDP 산화막 니플에 의한 단차를 줄일 수 있는 플래시 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 플래시 메모리 소자의 제조 공정중 산화막 니플 상부에 폴리 실리콘이 증착된 모양의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 2a 내지 도 2l은 본 발명에 따른 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 반도체 소자112 : 패드 산화막
114 : 패드 질화막116 : 트랜치
118 : 희생 산화막120 : 측벽 산화막
122 : 라이너 산화막124 : HDP 산화막
130 : 산화막 니플132 : 스크린 산화막
140 : 터널 산화막150 : 플로팅 게이트 전극
142, 144, 146, 148 : 폴리 실리콘
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판에 패드 산화막 및 패드 질화막을 형성하는 단계와, 상기 패드 질화막, 패드 산화막 및 반도체 기판의 일부를 제거하여 상기 반도체 기판 내에 트랜치를 형성하는 단계와, 상기 트랜치를 포함한 전체구조 상부에 산화막을 형성한 후 상기 패드 질화막이 노출되도록 상기 산화막을 제거하는 단계와, 상기 패드 질화막 및 상기 패드 산화막을 제거하여 산화막 니플을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부에 이온주입을 실시하는 단계와, 상기 산화막 니플 사이의 상기 반도체 기판 상에 터널 산화막을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부에 다층의 폴리 실리콘을 증착하는 단계 및 CMP 공정을 실시하여 상기 산화막 니플을 노출하여 플로팅 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2a 내지 도 2l은 본 발명에 따른 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(Si substrate; 110) 표면의 결정결함 억제 또는 표면처리를 위한 패드 산화막(pad oxidation; 112)과 두꺼운 패드 질화막(pad nitride; 114)을 순차적으로 형성한다.
구체적으로, 상기의 패드 산화막(112)은 750 내지 900℃의 온도에서 50 내지 100Å의 두께로 건식 또는 습식 산화 방식으로 형성되고, 상기 패드 산화막(112) 상에 LP-CVD 방법으로 약 1500 내지 3500Å정도의 높은 두께로 패드 질화막(114)을 형성한다. 이에 앞서 상기의 패드 산화막(112)을 증착하기 위한 전처리 공정으로H2O 와 HF의 혼합비율이 50:1인 DHF 와 NH4OH 와 H2O2와 H2O로 구성된 SC-1을 이용하여 세정 공정을 순차적으로 수행한다. 또는 NH4F와 HF의 혼합비율이 100:1 내지 300:1인 BOE 와 NH4OH 와 H2O2와 H2O로 구성된 SC-1을 이용하여 세정 공정을 순차적으로 수행할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 패드 질화막(114), 상기 패드 산화막(112)및 상기 반도체 기판(110)을 ISO 마스크 패터닝(ISO mask patterning)을 통해 순차적으로 식각하여 STI(Shallow Trench Isolation)구조의 트랜치(trench; 116)를 형성하여 활성(active) 영역을 확보한다. 상기 트랜치(116)를 형성함에 있어서 상기 반도체 기판(110)은 75 내지 85°의 특정한 기울기를 갖도록 식각을 수행한다.
도 2c를 참조하면, 상기 STI구조의 트랜치(116) 측벽의 식각 손상을 보상하고 트랜치(116) 상부 모서리의 라운딩(rounding) 처리와 활성 CD를 줄이기 위해서 약 1000 내지 1150℃의 온도 범위 내에서 건식 산화방식에 의해 100 내지 250Å의 두께를 타겟으로 하는 측벽 희생 산화(wall SAC oxidation)막(118)을 형성한다. 이에 앞서 상기 측벽 희생 산화막(118)을 형성하기 전 트랜치(116) 측벽의 자연 산화막을 제거하기 위해 DHF와 SC-1 이용한 세정공정을 순차적으로 수행하거나 또는 BOE와 SC-1 이용한 세정 공정을 순차적으로 수행한다.
도 2d를 참조하면, 상기 측벽 희생 산화막(118)을 전처리 세정 공정으로 제거한 후 상기 STI구조의 트랜치(116)에 대하여 750 내지 850℃의 온도 범위에서 습식 산화 방식으로 약 200 내지 450Å의 두께를 타겟으로 하는 과도한 측벽산화를실시하여 측벽산화(wall oxidation)막(120)을 형성한다.
구체적으로 상기 측벽 희생 산화막(118)은 DHF와 SC-1을 이용하여 순차적으로 세정 공정을 수행하거나 또는 BOE와 SC-1을 이용한 세정공정을 순차적으로 수행하여 제거한다. 상기 과도한 측벽산화를 통해 상기 트랜치(120) 벽이 항아리형으로 변형되고 상기 트랜치(120) 상부 코너(top corner)에 슬로프(slope)가 형성되어 상기 활성 CD가 최소화된다. 또한 패드 산화막(112) 두께가 증가되어 모우트 프리(moat free)한 STI 형상(STI profile)이 확보된다.
도 2e를 참조하면, 패드 산화막(112) 및 측벽산화막(120)을 포함한 전체 구조 상부에 HTO(High Temperature Oxide)를 얇게 증착하고 고온에서 치밀화 공정을 수행하여 라이너 산화(liner oxide)막(122)을 형성한다.
구체적으로, DCS-based(SiH2Cl2) HTO를 100 내지 120Å정도 얇은 두께로 형성한 후, 1000 내지 1100℃의 온도에서 N2을 이용하여 20 내지 30분간 고온 치밀화 공정을 수행하여 상기 라이너 산화막(122)을 형성한다. 고온 치밀화 공정으로 인해 상기 라이너 산화막(122)의 조직이 치밀해져 식각 저항성을 증가시키고 STI 구현시 모우트 형성을 억제하며 또한 누설 전류 방지에 도움을 준다.
도 2f를 참조하면, 라이너 산화막(122) 상에 상기 트랜치(116) 공백을 채우기 위해 5000 내지 10000Å정도의 두께로 HDP(High Density Plasma) 산화막(124)을 형성한다. 이때 상기 트랜치(116) 내부에 빈 공간이 형성되지 않도록 상기 HDP 산화막(124)을 증착한다.
도 2g를 참조하면, 패드 질화막(114)을 식각정지층으로 하여 패드 질화막(114) 상의 상기 HDP 산화막(124) 및 라이너 산화막(122)을 제거하기 위한 STI CMP 공정을 수행한다.
상기 STI CMP 공정을 수행한 후 상기 패드 질화막(114)상에 잔존할 가능성이 있는 상기 라이너 산화막(122)을 제거하기 위해 BOE또는 HF를 이용한 포스트 세정 공정을 실시한다. 이때 과도한 식각이 되어 상기 HDP 산화막(124)의 높이가 감소하는 것을 최대한 억제해야 한다.
도 2h를 참조하면, 패드 질화막(114)을 인산 딥 아웃(H3PO4dip out)을 이용한 패드 질화막(114) 스트립(nitride strip) 공정을 수행함으로써, HDP 산화막 니플(HDP oxide nipple; 130)을 형성한다. 패드 질화막(114) 스트립시 상기 HDP 산화막 니플(134)은 1500 내지 2000Å정도의 높이가 되도록 한다.
도 2i를 참조하면, HDP 산화막 니플(130)의 일부와 두꺼워진 상기 패드 산화막(112)을 균일하게 식각한 후 상기 HDP 산화막 니플(130) 사이에 VT 스크린 산화(VT screen oxidation)막(132)을 형성한다.
구체적으로 상기 HDP 산화막 니플(130)의 일부와 두꺼워진 상기 패드 산화막(112)을 균일하게 제거하기 위해 패드 산화막(112)의 두께를 타겟으로 하여 DHF 와 SC-1을 이용한 전처리 세정 공정을 순차적으로 수행한다. 이때 상기 전처리 세정공정에서 HF 딥 아웃 시간(HF dip out time)을 제어하면 모우트 생성을 최대한 억제 할 수 있다. VT 스크린 산화막(132)은 750 내지 900℃의 온도에서 약 50내지 150Å의 두께로 습식 또는 건식 산화방식으로 형성한다. 다음으로 웰 주입(well implant)을 통한 웰 형성공정과 VT이온주입(VT implant)공정을 수행한다.
도 2j를 참조하면, VT 스크린 산화막(132)을 제거한 후 터널 산화막(140)을 형성한다. 구체적으로, 상기 VT 스크린 산화막(132)을 제거하기 위해 DHF 및 SC-1을 이용한 세정공정을 순차적으로 수행한다. 터널 산화막(140)은 750 내지 800℃의 온도에서 습식 산화방식으로 85 내지 110Å의 두께로 형성된다. 터널 산화막(140) 증착 후 900 내지 910℃의 온도에서 N2를 이용하여 20 내지 30분간 열처리 공정을 실시함으로써, 터널 산화막(140)과 반도체 기판(110)의 계면의 결합 밀도를 최소화 할 수 있다.
도 2k를 참조하면, 전체 구조 상부에 플로팅 게이트 전극 형성용 다층의 폴리 실리콘층(148)을 증착한다. 이때, 다층의 폴리 실리콘층(148)은 목표로 하는 폴리 실리콘층을 한번에 형성하는 것이 아니라 일정두께의 폴리 실리콘을 여러번 증착하여 형성된 폴리 실리콘 층을 지칭한다. 즉, 서로 다른 두께의 폴리 실리콘을 3 내지 5회 증착하여 목표로 하는 폴리 실리콘층의 두께만큼 증착하거나, 동일한 두께의 폴리 실리콘을 3 내지 5회 증착하여 목표로 하는 폴리 실리콘층의 두께만큼 증착한다.
상술한 다층의 폴리 실리콘(148)의 증착을 구체적으로 설명하기 위해 동일한 두께 의 폴리 실리콘을 3회에 걸쳐 목표로 하는 두께만큼 증착하는 방법을 예를 들어 설명하겠다.
예컨대, 1200 내지 2400Å두께의 폴리 실리콘을 형성하기 위해 제 1 폴리 실리콘(142) 층착 단계에서는, 목표로 하는 폴리 실리콘의 두께의 1/3에 해당하는 400 내지 800Å두께만큼 P의 농도가 2.0E20 내지 4.5E20 atoms/cc정도로 도핑된 제 1 폴리 실리콘(142)을 580 내지 620℃의 온도와 0.1 내지 3.0torr의 압력 하에서 LP-CVD방식으로 SiH4또는 Si2H6와 PH3가스를 이용하여 증착한다. 제 2 폴리 실리콘(144) 증착 단계에서는, P의 농도가 2.0E20 내지 4.5E20 atoms/cc정도로 도핑된 제 2 폴리 실리콘(144)을 580 내지 620℃의 온도와 0.1 내지 3.0torr의 압력 하에서 LP-CVD방식으로 SiH4또는 Si2H6와 PH3가스를 이용하여 400 내지 800Å 두께만큼 증착한다. 제 3 폴리 실리콘(146) 증착 단계로, P의 농도가 2.0E20 내지 4.5E20 atoms/cc정도로 도핑된 제 3 폴리 실리콘(146)을 580 내지 620℃의 온도와 0.1 내지 3.0torr의 압력 하에서 LP-CVD방식으로 SiH4또는 Si2H6와 PH3가스를 이용하여 400 내지 800Å 두께만큼 증착한다. 각 단계마다 폴리 실리콘을 증착한 다음 열처리 공정을 실시하여 폴리 실리콘 내의 스트레스를 해소해준다. 상술한 공정을 수행하여 목표로 하는 플로팅 게이트 전극용 폴리 실리콘을 증착한다. 이로써, 산화막 니플 상부에 플로팅 게이트 전극용 폴리 실리콘(148)을 증착할 경우 발생하였던 단차(골짜기 형상)를 줄일 수 있고, 또한, 도프드 실리콘 박막 증착시 증착 두께에 비례하여 그레인(grain) 크기가 결정되는데 작은 두께로 여러번 나누어서 폴리 실리콘을 증착함으로 인해 작은 크기의 그레인 구조의 폴리 실리콘을 증착함으로 인해 소자 특성을 향상 할 수 있다.
도 2l을 참조하면, 다층의 플로팅 게이트 전극용 폴리 실리콘(148) 하부의 산화막 니플(130)을 정지층으로 하는 CMP 공정을 실시하여 다층의 플로팅 게이트 전극용 폴리 실리콘(148)을 평탄화 하여 플로팅 게이트 전극(150)을 고립한다. 구체적으로, 산화막 니플(130)을 식각정지층으로 하여 인접한 플로팅 게이트 전극(150)끼리 완전히 고립될 수 있도록 하며, 이로써, 800 내지 1800Å 두께의 다층의 플로팅 게이트 전극용 폴리 실리콘(148)이 산화막 니플(130) 사이에 잔류되도록 한다. 이때, 다층의 폴리 실리콘(148) 상부가 평탄화 되어서 CMP 공정의 마진을 충분히 확보할 수 있다.
상술한 평탄화 공정에 의해 노출된 산화막 니플을 소정의 식각공정을 실시하여 제거함으로서 플로팅 게이트 전극(150)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 산화막 니플 상부에 다층의 폴리 실리콘을 증착함으로써, 증착된 폴리 실리콘의 단차(움푹 패이는 형상)를 줄일 수 있고, 작은 그레인 구조를 갖는 폴리 실리콘층을 형성할 수 있다.
또한, 폴리 실리콘 증착시 단차가 형성되지 않음으로써, CMP공정의 마진을 확보할 수 있고, 플로팅 게이트 전극의 패턴을 동일하게 형성할 수 있으며, 이로 인해 플로팅 게이트 전극간의 커플링 비의 차를 줄일 수 있다.
Claims (5)
- 반도체 기판에 패드 산화막 및 패드 질화막을 형성하는 단계;상기 패드 질화막, 패드 산화막 및 반도체 기판의 일부를 제거하여 상기 반도체 기판 내에 트랜치를 형성하는 단계;상기 트랜치를 포함한 전체구조 상부에 산화막을 형성한 후 상기 패드 질화막이 노출되도록 상기 산화막을 제거하는 단계;상기 패드 질화막 및 상기 패드 산화막을 제거하여 산화막 니플을 형성하는 단계;전체 구조 상부에 이온주입을 실시하는 단계;상기 산화막 니플 사이의 상기 반도체 기판 상에 터널 산화막을 형성하는 단계;전체 구조 상부에 다층의 폴리 실리콘을 증착하는 단계; 및CMP 공정을 실시하여 상기 산화막 니플을 노출하여 플로팅 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 다층의 폴리 실리콘은 동일한 두께 또는 서로 다른 두께의 3 내지 5층의 폴리 실리콘층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 3 내지 5층의 폴리 실리콘층은 동일한 증착조건에서 형성되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 다층의 폴리 실리콘은 P의 농도가 2.0E20 내지 4.5E20 atoms/cc정도로 도핑된 폴리 실리콘을 580 내지 620℃의 온도와 0.1 내지 3.0torr의 압력 하에서 LP-CVD방식으로 SiH4또는 Si2H6와 PH3가스를 이용하여 400 내지 800Å 두께만큼 증착하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이온주입은하부기판을 보호하기 위한 스크린 산화막을 형성하는 단계;전체 구조 상부에 이온주입을 실시하는 단계; 및상기 스크린 산화막을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법.
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