KR20050096181A - 초저압에서 암모니아를 이용한 급속 열 어닐링을 통한실리콘 옥시나이트라이드의 나이트로겐 프로파일 테일링 - Google Patents

초저압에서 암모니아를 이용한 급속 열 어닐링을 통한실리콘 옥시나이트라이드의 나이트로겐 프로파일 테일링 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나이트로겐을 포함한 유전체 막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 질화 가스 및 급속 열 어닐링 처리를 이용하여 유전체 막에 나이트로겐을 포함시키는 단계를 포함하며, 약 10 Torr 또는 그보다 작은 초저압이 급속 열처리 어닐링 처리를 위해 사용된다.

Description

초저압에서 암모니아를 이용한 급속 열 어닐링을 통한 실리콘 옥시나이트라이드의 나이트로겐 프로파일 테일링{TAILORING NITROGEN PROFILE IN SILICON OXYNITRIDE USING RAPID THERMAL ANNEALING WITH AMMONIA UNDER ULTRA-LOW PRESSURE}
본 출원은 본 명세서에서 참조 되는 2003년 2월 4일자로 출원된 미국 가출원 번호 60/445,281호에 관한 것으로 상기 문헌의 장점을 청구한다.
본 발명은 반도체 제조 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실리콘 옥시질화물(SiON 또는 SiOxNy) 게이트 유전체를 형성하고 급속 열 프로세스(RTP)를 사용하여 게이트 스택에 이를 통합시키는 방법에 관한 것이다.
집적 회로는 트랜지스터, 캐패시터 및 저항기와 같은 액티브 및 패시브 소자가 백만개 정도로 이루어진다. 통상적으로 트랜지스터(100)는 소스(102), 드레인(104), 및 게이트 스택(106)을 포함한다. 게이트 스택(도 1)은 유전체(110)(통상적으로 실리콘 다이옥사이드(SiO2)로 구성됨)가 성장되고 전극(112)(통상적으로 다결정성 실리콘과 같은 도전 물질로 구성됨)이 캡핑되는 상부 상의 기판(108)(통상적으로 실리콘으로 구성됨)으로 구성된다.
보다 많은 계산 능력을 제공하기 위해, 소자의 기하학적 구조가 축소됨에 따라 트랜지스터 규모가 감소되고 있는 추세이다. 무어의 스케일링 법칙은 트랜지스터의 속도를 증가시키기 위해 게이트 구동 전류가 증가될 것을 요구한다. 식(1)에 의해 제공되는 게이트 구동 전류는, 유전체 두께(d)가 감소함에 따라 또는 제공되는 SiO2 유전체 보다 높은 유전상수(k=3.9)를 갖는 유전체를 사용함에 따라 증가할 수 있는(식(2)에 도시됨) 게이트 캐패시턴스(Cox)가 증가함에 따라 증가할 수 있다.
(1) ID ~μ/Lg * Cox(VDD-VTH)2 (2) Cox =kA/d
여기서, ID는 구동 전류이고; μ는 캐리어 이동도이고, Lg는 게이트 길이이고, Cox는 게이트 캐패시턴스이고, VDD는 개방 전압이고; VTH는 쓰레숄드 전압이고, k는 유전상수이고, d는 유전체 두께이고, A는 소자 면적이다.
복잡한 집적화 및 재료 처리 문제를 방지하기 위해, 소자 제조자는 유전체 두께를 감소시킬 수 있을 정도로 소자 파라미터를 축소시키고자 한다. 그러나 SiO2 두께를 20Å 이하로 낮추는 것은 전류 터널링을 증가시키기 때문에 게이트 신뢰성을 악화시키며, 매우 얇은 옥사이드에 대해 열악한 공정 제어 및 기판속으로의 보론 침투를 증가시킬 수 있다. 이론상 대안적으로 높은 k의 게이트 유전체 사용은 매우 바람직한 것으로 보일 수 있지만, 하부 Si 기판과 폴리실리콘 게이트 전극과의 재료 호환성은 SiO2가 제공되는 것과 매칭될 수 없다. 또한, SiO2 사용은 게이트 유전체로서 희토류(rare-earth) 옥사이드를 도입하는 경우 처리되어야 하는 다수의 재료 처리 오염물 문제를 소거한다.
0.1㎛ 기술 노드 및 그 이상으로 SiO2를 연장시키는데 있어 문제점으로는, (1) 게이트 옥사이드 속으로 P+ 보론(B)이 도핑된 게이트 전극을 갖는 PMOS 소자와 같은 트랜지스터의 보론 침투가 포함된다. 그리고 (2) 게이트 옥사이드 두께 감소로 인한 게이트 누설 전류의 증가가 포함된다.
실리콘 옥시나이트라이드(SiOxNy 또는 선택적으로 SiON)를 형성하기 위한 SiO2층의 질화는 0.1㎛ 소자 세대로 SiO2 유전체를 축소시키기 위한 유망한 방안으로 개발되었다. 유전체막 속에 나이트로겐 통합은 보론을 차단할 뿐만 아니라 게이트 유전체의 유전상수를 증가시킨다. 유전 상수의 증가는 두꺼운 유전체가 순수한 SiO2와 비교할 때 게이트 누설을 감소시키는데 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 극도로 얇은(예를 들어, 12Å) 게이트 유전체에서 상기 개시된 문제점을 효과적으로 해결하는 나이트로겐(N) 도핑에 대해, 게이트 유전체의 상부 표면에서 나이트로겐 농도 프로파일의 피크를 갖는 유전체막내의 나이트로겐의 전체 농도는 높은(≥5%) 것이 바람직하다.
통상적으로, 열 프로세스는 동시에 다수의(5-100) 웨이퍼를 처리하는 퍼니스에서 수행된다. 퍼니스는 큰 체적을 가지며 이러한 큰 체적을 펌프시키는 것은 어렵다. 이는 열 프로세스의 대부분의 성장 비율이 프로세스 압력 감소에 따라 감소된다는 사실과 관련되며 대기압(760 Torr) 또는 약간 낮은 대기압(>500 Torr)에서 통상적으로 수행되는 열 프로세스에서 야기된다.
열적으로 성장된 실리콘 옥시나이트라이드는 0.2㎛ 소자 세대로부터 0.13㎛의 소자 세대까지 수년 동안 게이트 유전체로서 사용되었다. 소자 기술이 0.2㎛에서 0.1㎛ 로 진보됨에 따라, 게이트 산화물은 >25Å로부터 <12Å로 얇아졌다. 따라서, 보론을 차단하고 게이트 누설을 감소시키기 위해, 막내의 나이트로겐의 양은 <3% 내지 5-10%로 증가된다. 나이트릭 옥사이드(NO) 및 나이트러 다이옥사이드(N2O)가 옥시나이트라이드 게이트 유전체를 성장시키는데 사용되는 경우, N은 옥시나이트라이드가 성장함과 동시에 유전체막에 통합된다. NO 또는 N2O가 실리콘 옥시나이트라이드를 형성하는데 사용되는 경우, 상승된 온도에서 제공되는 SiO2층을 어닐링함으로써, Si-기판/옥사이드 인터페이스에서 SiON을 성장시켜 질소가 통합된다. 따라서, 질소는 상기 인터페이스에 통합된다. 후자의 경우 질소의 양(<2%)은 전자의 경우보다 작다(4-5%).
N2O로 SiO2막을 어닐링함으로써 형성된 또는 N2O로 직접 성장된 실리콘 옥시나이트라이드는 보다 높은 기술 세대(0.2㎛ ) 소자에 대해 바람직한 방안이 되었다. 막내의 <2% 나이트로겐은 >25Å의 두꺼운 게이트 유전체를 갖는 소자 성능을 강화시키기에 충분하다. 소자 기술이 0.13㎛ 로 진보됨에 따라, 막내의 나이트로겐은 NO의 직접 성장 또는 NO 어닐링을 사용함으로써 <2% 내지 4-5%로 증가되어, 도핑되지 않은 SiO2에 비해 누설 전류가 감소되고 기판 속으로 보다 얇은 유전체를 관통하는 보론의 확산이 방지될 수 있다. 이들 기술중 하나에 의해 통합된 나이트로겐의 양은 불충분하며 나이트로겐 농도 프로파일은 앞서 개시된 0.1㎛ 소자 세대로 SiON을 연장시키기에는 부적절하다. 프로세스 압력을 낮추는 것은 막 속으로의 질소 통합의 비율만을 감소시켜, 질화는 상승된 압력에 지속적으로 수행된다.
보다 최근에, 플라즈마 질화는 게이트 옥사이드(속으로 나이트로겐을 통합시키기 위해) 질화에 사용된다. 이러한 기술은 폴리 게이트/옥사이드 인터페이스에서 높은 나이트로겐 농도를 야기시키며, 옥사이드 유전체 속으로 보론 침투를 방지한다. 동시에, 옥사이드 유전체의 벌크는 플라즈마 질화 공정 동안 비연관된 나이트로겐으로 저농도로 도핑되어, 개시 옥사이드 위에 전기 옥사이드 두께(EOT)를 감소시킨다. 플라즈마 질화 공정은 특히 금속 오염을 야기시킬 수 있는 플라즈마 하드웨어 및 소자에 손상을 주는 플라즈마를 요구하며 프론트 엔드 공정 동안 최적화된 통상적인 열적 프로세싱 하드웨어와 비교할 때 유지하기가 어렵다. 현재 직면한 플라즈마 질화의 문제점은 <11Å으로 전기 옥사이드 두께(EOT)의 소자 파라미터 감소, 이동도 쇠퇴 및 고성능 분야에 대한 극도로-얇은 유전체(개시 산화물 <10Å)를 이용한 구동 전류(Idsat)의 감소가 있다.
현재 채택되고 있는 또다른 방안은 5% 이상의 나이트로겐을 통합시키는 것을 증명된 열적 암모니아(NH3) 어닐링이 있으며 소정의 프로세스 조건하에서 인터페이스 보다 유전체의 표면에서 높은 나이트로겐 함량을 산출할 수 있다. 그러나 이러한 화학작용은 몇 가지 이유로 인해 NO 또는 N2O 화학제로서 대중화되지 못했다. NH3 화학제는 열적 질화를 위한 퍼니스를 사용하는 경우 바람직하지만, ppm 레벨의 O2 또는 습기(H2O) 오염은 막내의 나이트로겐 통합을 방해하거나 또는 불균일한 결과를 산출할 수 있다. 웨이퍼를 장착하는 동안 퍼니스 프로세싱의 경우, 큰 체적의 공기 및 습기가 퍼니스에 진입하여 이를 제거하는데는 상당량의 시간이 소요되어 퍼니스의 에지로부터 퍼니스의 중심으로 웨이퍼 막내의 나이트로겐의 불균일한 통합이 야기된다. NO 및 N2O 화학제와는 달리, NH3 어닐링은 핫 전자 및 소자 신뢰성 문제를 야기시키는 유전체내 하이드로겐 통합을 야기시킨다. 실리콘 옥시나이트라이드막내의 하이드로겐은 불활성(N2 또는 Ar) 또는 O2 분위기에서 단시간 동안 상승된 온도로 사후(post) 질화 어닐링에 의해 제거될 수 있는 것으로 나타났다.
급속 열처리(RTP) 프로세스와 클러스터형 도구의 다른 처리 챔버와 상기 급속 열처리(RP) 프로세스의 통합의 출현으로 인하여, NH3 처리는 막이 O2 또는 H2O 오염없이 제어 분위기에서 효율적으로 질화될 수 있을 뿐만 아니라 막의 수소가 RTP 열처리에 의하여 제거될 수 있기 때문에 매우 효율적이다. 그러나, 계면 피크의 문제들은 여전히 남아 있다. 종래에, 기본 산화 SiO2 막(단일 웨이퍼 RTP 챔버 또는 노에서 성장함)은 상승된 온도(>850℃) 및 대기(760 Torr) 또는 부대기(>500 Torr) 압력에서 순수 HN3 또는 불활성 가스(N2 또는 Ar)중 하나를 포함하는 분위기에 영향을 받는다. 그러나, 이로 인하여 시작 SiO2 막내의 나이트라이드의 바이모달 분포가 야기된다는 것을 발견하였으며, 하나의 나이트라이드 피크는 실리콘 옥시나이트라이드 표면(또는 때때로 폴리실리콘 캡/실리콘 옥시나이트라이드 표면)에서 발생하며 제 2 나이트라이드 피크는 실리콘 옥시나이트라이드에서 발생한다. 이러한 바이모달 분포는 100 Torr만큼 낮은 반응압력에서 균일하게 관찰된다. 제 1 피크는 보론 블로킹과 같이 장치에 양호한 전기특성을 부가하고 유전상수를 증가시켜서 유사한 전기 두께의 시작 산화물과 비교하여 장치에 누설전류를 감소시키는 역할을 한다. 다른 한편으로, 제 2 피크는 게이트 스택에 불량한 계면특성을 부가하여 결과적으로 트랜지스터의 전하 캐리어의 이동성을 저하시킬 뿐만 아니라 큰 임계전압 편이를 유발한다.
NH3를 가진 게이트 산화물의 열적 질화에 대한 운동역학은 80-100Å 게이트 산화물동안 연구되었다. 실리콘 옥시나이트라이드에 대하여, 0.1μm 장치 기술 노드에서 그리고 두께내에서 유용하게될 유전체막은 저누설 트랜지스터 장치에서 <25Å이되고 고성능 트랜지스터에서 <12Å이 된다. 실리콘 옥시나이트라이드를 형성하기 위하여 현재 사용되는 고압 NH3 처리는 실리콘 옥시나이트라이드/기판 인터페이스에서 고농도의 나이크로겐를 야기하며 이에 따라 장치 성능이 저하되어 0.1μm 기술 및 이 이하에서 상기 처리의 스케일링을 제한한다.
테이블 1은 실리콘 나이트라이드 막에 나이크로겐를 통합하는 다양한 방식들을 비교하는 테이블.
도 1은 전형적인 트랜지스터를 도시한 도면.
도 2는 암모니아(NH3)가 존재하고 압력이 고압(예컨대, 약 100 Torr 및 이 이상)인 경우에 실리콘 나이트라이드막이 급속 열처리(RTA) 프로세스에 의하여 형성될 때 나이크로겐농도 프로파일을 나타낸 도면.
도 3A-3E는 암모니아(NH3)의 존재하에서 실리콘 옥시나이트라이드 막이 급속 열처리(RTA) 프로세스에 의하여 형성될 때 나이크로겐 농도 프로파일에서 압력을 감소시키는 효과를 도시한 도면.
도 4A-4C는 암모니아(NH3)가 존재하고 압력이 초저압(예컨대 10 Torr 또는 이 이하)인 경우에 실리콘 옥시나이트라이드 막이 급속 열처리(RTA) 프로세스에 의하여 형성될때 나이크로겐 농도 프로파일에서 온도 처리효과를 도시한 도면.
도 5A-5C는 플라즈마 질화를 사용하고 NH3를 가진 RTA를 사용함으로서 사용된 실리콘 옥시나이트라이드막의 나이크로겐 농도 프로파일을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예들의 일부에서 사용될 수 있는 클러스터 도구를 도시한 도면.
SiO2와 같은 유전체막에 나이크로겐를 통합하기 위한 기존의 방법은 NH3를 가진 초박막 실리콘 옥시나이트라이드(SiON 또는 SiOxNy) 막을 형성하고 고성능 및 저누설 응용을 위하여 0.1μm 및 이 이하의 장치의 차세대 기술 노드에 사용하기에 유용한 스케일로 게이트 스택에 통합하는데 효과적이지 않다. 이하로부터 명백해지는 바와같이, 본 발명의 실시예들은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결한다.
본 발명의 양상에 따르면, 유전체막을 형성하기 위한 방법은 질화 가스 및 급속 열처리 프로세스를 사용하여 유전체막에 나이크로겐를 통합하는 단계를 더 포함한다. 약 10 Torr와 동일하거나 또는 낮은 초저 압력은 급속 열처리동안 사용된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 게이트 스택을 형성하기 위한 방법은 기판상에 실리콘나이트라이드 막을 형성하는 단계를 포함한다. 그 다음에, 나이크로겐는 급속 열처리 프로세스 및 질화 가스를 사용하여 실리콘 나이트라이드 막에 통합되며, 급속 열처리는 약 10 Torr 또는 이 이하에서 이루어진다. 나이크로겐가 통합된 후에, 실리콘 나이트라이드 막은 실리콘 옥시나이트라이드 막이 된다. 급속 열처리 프로세스는 약 5% 또는 이 이상의 나이크로겐 농도를 가진 실리콘 옥시나이트라이드를 형성하기 위하여 실리콘 나이트라이드 막에 통합될 나이크로겐에 충분한 시간동안 질화 가스와 함께 계속된다. 캡층은 실리콘 옥시나이트라이드상에 형성된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 게이트 스택을 형성하기 위한 방법은 질화 가스 및 급속 열처리 프로세스를 사용하여 실리콘 나이트라이드막에 나이크로겐를 통합하는 단계를 포함한다. 약 10 Torr 또는 이 이하의 초저압은 급속 열처리동안 사용된다. 유전체막에 나이크로겐를 통합하면 실리콘 옥시나이트라이드 막이 형성된다. 실리콘 옥시나이트라이드 막은 충분한 량의 나이크로겐가 실리콘 옥시나이트라이드를 형성하기 위하여 실리콘 나이트라이드 막에 통합된 후에 사전에 열처리된다.
본 발명의 실시예들은 동일부호가 동일부재를 나타내는 첨부도면을 참조로하여 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 실시예들은 암모니아가 존재하고 압력이 초저압(예컨대, 약 10 Torr 또는 이 이하)인 경우에 급속 열처리 프로세서를 사용하여 SiON 또는 SiOxNy와 같이 나이크로겐를 포함하는 유전체막을 형성하는 신규한 방법을 포함한다. 이하의 상세한 설명에 있어서, 본 발명의 전반적인 이해를 제공하기 위하여 다수의 특정 세부사항 기술된다. 그러나, 본 발명이 이들 특정 세부사항없이 실시될 수 있다는 것을 당업자는 이해해야 한다. 다른 예에서, 본 발명을 불명료하게 하지 않도록 하기 위하여 특정 장치 구조 및 방법을 기술하지 않았다. 이하의 상세한 설명 및 도면은 예시적인 것이며 본 발명의 제한하지 않는다.
일 실시예에서는 RTA-NH3로서 이하에서 언급되는 NH3의 존재하에서 급속 열처리 프로세스를 사용하여 실리콘 옥시나이트라이드 유전체막을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 실리콘 옥시나이트라이드막을 형성하기 위한 처리압력은 초저압력(약 10 Torr 및 이 이하)이다. 더욱이, 처리압력을 변화시키면, 실리콘 옥시나이트라이드막에서 나이크로겐 량 및 나이크로겐 분포가 변경된다.
다른 실시예에서, 트랜지스터를 제조하기 위해 RTA-NH3 처리를 이용하여 형성된 실리콘 옥시나이트라이드 막(SiON 막 또는 SiOxNy 막)을 게이트 스택 내에 집적시키는 방법이 존재한다.
다른 실시예에서, 실리콘 나이트라이드(SiO2) 막을 가진 기판은 급속 열처리(RTA) 프로세스를 수행하도록 구성된 단일 웨이버 급속 열처리(RTP) 챔버내의 암모니아 가스에 영향을 받는다. 기판은 반도체 장치를 만들기 위하여 종래에 사용된 실리콘 웨이퍼 또는 단결정 실리콘 웨이퍼일 수 있다. SiO2막은 일 실시예에서 약 30Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 암모니아 가스는 약 100sccm 내지 5slm의 범위내에서 RTP 챔버내로 흐른다. 가스흐름이 처리 챔버의 크기에 따라 변화할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 예컨대, 앞서 언급된 가스흐름은 200mm 단일 웨이퍼 반응기 챔버에 관한 것이다. 가스흐름은 반응기 체적의 증가로 인하여 300mm 단일 웨이퍼 반응기 챔버일 때 비례하여 증가될 수 있다. 일 실시예에서, 처리 온도는 900-1100℃ 범위에 이르고, 처리 압력은 약 10 Torr 이하이거나, 대안적으로 0.010 Torr 내지 약 10 Torr에 이른다. 처리는 순수한 암모니아 또는 아르곤이나 나이트로겐과 같은 불활성 가스에 희석된 암모니아를 사용한다. 그 결과, SiON 또는 SiOxNy가 형성된다.
일 실시예에서, 상업적으로 구입가능한 감소된 압력 RTP 챔버 하드웨어, 예를 들어, 어플라이드 머티리얼스에 의해 제조된 XE, XE Plus 또는 Radiance는 SiON 또는 SiOxNy 막을 형성하는 RTA-NH3 처리를 수행하기 위해 사용된다. 상기 감소된 압력 RTP 챔버는 RTA-NH3를 사용하여 SiON 또는 SiOxNy를 형성하기 위해 극히 낮은 처리 압력(예를 들어, 1 Torr 또는 10 Torr 이하)을 제공한다. 일 실시예에서, 터보 펌프는 RTP 챔버의 총 압력을 약 0.010 Torr(또는 10 m Torr)로 낮추는데 도움이 되도록 RTP 챔버에 연결 또는 부가될 수 있다.
SiON 또는 SiOxNy 막이 암모니아 존재 하에서 높은 압력(예를 들어,100 Torr)에서 RTA에 의해 형성될 때, 비행시간형 2차 이온 질량 분석(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry; TOF-SIMS)이라 불리는 방법에 의해 결정되는 것으로서 SiON 또는 SiOxNy 막의 나이트로겐 농도 프로파일은 도 2에 도시된 바와 같이 나이트로겐 농도 프로파일이 2개의 피크(202 및 204)를 갖는 것을 나타낸다. 제 1 피크(204)는 나이트로겐 농도가 옥사이드 표면에서 높다(약 4×1021 유닛)는 것을 나타내고, 제 2 피크(202)는 기판 인터페이스에서 또한 상당한 양의 나이트로겐 농도(약 4×1021 유닛)가 존재한다는 것을 나타낸다.
처리 압력, 온도 및 시간과 같은 처리 조건을 변화시키는 것이 상기 두 피크(204 및 202)의 강도 비율을 변화시킬 수 있음이 본 발명자에 의해 발견되었다. 도 3A-3E에 도시된 바와 같이, 처리 압력은 피크(202) 및 피크(204) 강도 비율 상에 강한 영향을 미친다. 도 3A-3E에 도시된 바와 같이, 압력이 고정된 온도 1000℃에서 100 Torr로부터 0.250 Torr로 감소될 때, 기판 인터페이스에서의 제 2 피크(202)는 완전히 사라진다. 도 3A로부터 알 수 있는 바와 같이, SiON 또는 SiOxNy 막이 약 100 Torr에서의 압력으로 RTA-NH3를 사용하여 형성될 때, 두 개의 피크(202 및 204)가 존재한다. 도 3B에서, SiON 또는 SiOxNy 막이 약 10 Torr에서의 압력으로 RTA-NH3를 사용하여 형성될 때, 피크(202)는 감소하고, 이것은 기판 인터페이스에서의 나이트로겐 농도가 감소하고 있음을 나타낸다. 유사하게, 도 3C-3E에서 도시된 바와 같이, 피크(202)는 약 0.25 Torr의 처리 압력에서 실질적으로 제거될 때까지 감소한다.
부가적으로, 극히 낮은 압력(예를 들어, 10 Torr 이하)에서 SiON 또는 SiOxNy 막을 형성하면서 온도를 증가시키는 것은 도 4A-4C에 도시된 바와 같이 표면에서의 나이트로겐 농도 피크(204)를 강화시킨다. 예를 들어, 도 3B에서, SiON 또는 SiOxNy 막을 형성하기 위해 사용되는 질화가 약 10 Torr 및 약 1000℃에서 RTA-NH3를 사용하여 수행될 때, 피크(204)는 약 3.2×1021 농도 단위이다. 도 4C에서, SiON 또는 SiOxNy 막을 형성하기 위해 사용되는 질화가 약 10 Torr 및 약 1100℃(100℃ 더 높음)에서 RTA-NH3를 사용하여 수행될 때, 피크(204)는 약 6×1021 농도 유닛이다.
그리하여, 극히 낮은 압력(약≤10 Torr) 및 높은 온도(≥1000-1100℃)에서 SiON 또는 SiOxNy 막을 형성하는 것이 최적이다. 제 1 피크(204)에서(SiON 또는 SiOxNy 막의 표면에서) 높은 나이트로겐 농도를 갖고 기판 인터페이스에서 낮은 또는 실질적으로 최소의 나이트로겐 농도를 갖는 것은 진보된 ≤ 0.1 um 기술 노드에 대해 극히 얇은 게이트 절연물에 대한 이상적 프로파일을 제공한다.
낮은 압력에서, SiON 또는 SiOxNy 막의 나이트로겐 농도량은 또한 온도를 변화시킴으로써 또는 대안적으로 처리 온도를 고정되게 유지하면서 처리 시간을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 예를 들어, 유사한 품질의 SiON 또는 SiOxNy 막은 10초 동안 약 1000℃, 10 Torr에서 또는 45초 동안 약 1000℃, 1 Torr에서 RTA-NH3처리를 사용하여 6Å 실리콘 다이옥사이드를 질화시킴으로써 형성된다. 그리하여, 일정한 온도에서 압력을 낮추는 것은 균등한 두께의 막에 동일한 나이트로겐 양을 달성하기 위해 시간을 증가시킬 것을 요구한다.
도 5는 플라즈마 질화 처리를 사용하여 제조된 SiON 또는 SiOxNy 막에 대한 나이트로겐 농도 프로파일을 RTA-NH3 처리와 비교한다. 일 실시예에서, 사용된 플라즈마 질화 처리는 당업계에서 공지된 디커플링된 플라즈마 질화(Decoupled Plasma Nitridation; DPN)이다. DPN은 나이트로겐 플라즈마를 생성하고 옥사이드 막 상에 높은 수준의 나이트로겐을 통합시키기 위해 유도성 커플링을 사용하는 기술이다. DPN은 옥사이드/기판 인터페이스에서 더 적은 나이트로겐 및 옥사이드 표면에서 더 높은 나이트로겐 농도를 갖는 실리콘 옥시나이트라이드 막의 형성을 허용한다. DPN에서, 표면, 예를 들어, SiO2 막은 나이트로겐 이온들로 피격(bombard)되고, 이것은 SiO2 막을 파괴하고 나이트로겐 이온을 SiO2 막에 결합시켜 SiON 또는 SiOxNy 막을 형성한다. 그리하여, SiO2 막은 디커플링된 나이트로겐 플라즈마에 노출된다. 일 실시예에서, DPN은 나이트로겐 가스의 존재 하에서, 약 100-200 sccm에 이르는 흐름속도 및 약 300 Watt의 플라즈마 전력으로, 약 5-20 m Torr 또는 10 Torr 이하의 범위에 있는 압력을 가진 챔버 내에서 수행된다. DPN 처리 파라미터들은 당업계에서 공지된 바와 같이 챔버 크기 및 절연 막의 용적 두께(volume thickness)에 따라 변형될 수 있다. PDN은 기판 인터페이스에서 제 2 피크(202)를 갖지 않는 SiON 또는 SiOxNy 막을 산출한다. 부가하여, 양 처리에서, 즉, DPN 및 RTA-NH3 처리에서, SiON 또는 SiOxNy 막은 절연막의 최상부 표면에서 나이트로겐(Ny)의 최대 농도를 가짐으로써 특징지어지고, 여기서, "y"는 깊이에 따라 감소한다. 그러나, DPN 처리에 대한 나이트로겐 농도 프로파일의 꼬리부(tail)는 도 5B-5C에서 도시된 바와 같이 극히 낮은 처리 압력으로 수행되는 RTA-NH3 처리보다 Si 기판에 더 가까이 연장되는 것으로 보인다. 이것은 플라즈마 질화 처리를 사용하여 형성되는 SiON 또는 SiOxNy 막보다 RTA-NH3 처리를 사용하여 형성된 SiON 또는 SiOxNy 막을 통합하는 장치의 증가된 구동 전류에 반영될 것이다. 부가하여, RTA-NH3 처리를 사용하여 형성된 SiON 또는 SiOxNy 막에는 또한 비연관된 나이트로겐이 존재하지 않을 것이다. DPN 처리에 비해 RTA-NH3 처리의 이점은 전단부 어닐링(the front end anneals) 및 SiO2 성장을 위해 개발 또는 최적화된 동일한 RTP 반응기를 사용한다는 것이다. RTP 챔버는 극히 낮은 금속 오염을 위해 최적화되었고 장치 무결성 및 신뢰성에의 임의의 영향을 제거 또는 최소화시킬 이슈들을 위해 최적화되었다.
일 실시예에서, RTA-NH3 처리된 SiON 또는 SiOxNy 막을 함유하는 게이트 스택은 클러스터 툴, 예를 들어, 어플라이드 머티리얼스사에 의해 제조된 집적된 Gate Stack Centura에서 제조되고, 개선된 장치 성능을 위해 이전에 기술된 바와 같이 형성된 SiON 또는 SiOxNy 막을 갖는 게이트를 형성하기 위해 사용된다. 클러스터 툴의 예는 도 6에 도시된다.
도 6은 몇 개의 처리 챔버들, 예를 들어, 로드락 챔버들(602 및 604), RTP 챔버들(606, 608, 610), 증착 챔버(612)(예를 들어, 폴리실리콘 막을 증착하기 위해), 및 냉각 챔버(614)를 포함하는 클러스터 툴(600)을 예시한다. 클러스터 툴(600)은 또한 특정 처리 챔버 내로 그리고 외부로 기판(618)(예를 들어, 웨이퍼)을 전달하기 위해 사용되는 기판-처리 툴(wafer-handling tool)(616)을 포함한다. 기판 처리 툴(616)은 전형적으로 모든 처리 챔버들과 통신할 수 있는 전달 챔버에 배치된다. 로드락 챔버들(602 및 604)은 처리될 기판(예를 들어, 웨이퍼)을 하우징한다. 증착 챔버(612)는 당업계에 공지된 바와 같이 막 또는 층을 형성하기 위해 사용될 수 있는 종래의 화학 또는 물리적 기상 증착을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 증착 챔버(612)는 폴리실리콘 막 또는 다른 전극 막을 형성하기 위해 구성될 수 있는 증착 챔버이다. 챔버들(606, 608, 및 610)은 감소된 또는 극히 낮은 압력(예를 들어, 약 10 Torr 이하)에서 급속 열적 어닐링(RTA) 처리를 수행하도록 구성될 수 있다. 챔버들(606, 608, 및 610) 중 어느 하나는 SiON 또는 SiOxNy 막을 형성하기 위해 이전에 기술된 RTA-NH3 처리를 수행하기 위해 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 약 4-15 Å의 물리적 두께를 가진 SiO2 절연막은 클러스터 툴(600)의 RTP 챔버(606)와 같은 감소된 압력 RTP 챔버를 사용하여 성장된다(도 6). SiO2 절연막은 급속 열적 산화에 의해 형성될 수 있고, 급속 열적 산화는 챔버가 산소의 존재 하에서 산화된 층을 형성하기 위하여 기판 표면을 급속히 가열하고 건조시키기 위해 램프(들)을 사용하는 산화 처리이다. 실리콘 기판(또는 웨이퍼)의 급속 열적 산화는 O2, O2+N2, O2+Ar, N2O, 또는 N2O+N2 가스 혼합물의 존재 하에서 건식 처리 급속 열적 산화를 사용하여 수행될 수 있다. 가스 또는 가스 혼합물은 약 1-5 slm의 총 흐름속도를 가질 수 있다. 선택적으로, 실리콘 기판의 급속 열 산화는 예를 들어 1-13%의 H2를 갖는 약 1-5 slm의 총 흐름 속도의 O2+H2, O2+H2+N2 또는 N2O+H2가 존재하는 인-시츄 스팀 생성(ISSG: In-Situ Steam Generation)과 같은 습식 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 일 실시예에서, SiO2 유전체 막을 형성하기 위한 급속 열 산화 공정은 약 5-90초동안 약 800 내지 1000℃의 프로세스 온도 및 약 0.5 내지 50 Torr의 프로세스 압력으로 형성되어, 4-15Å 범위의 두께를 갖는 SiO2 유전체 막이 형성된다.
일 실시예에서, SiO2 유전체 막이 RTP 챔버(606)에서 형성된 이후에, 상기 기판은 다른 RTP 챔버로 이송되는데, 예를 들어 SiON 또는 SiOxNy 막을 형성하기 위해 나이트로겐을 SiO2 유전체 막에 포함시키도록 약 10 Torr 이하의 이송 챔버 압력을 갖는 비활성(예를 들어, N2 또는 Ar) 환경 하에서 클러스터 툴(600)의 RTP 챔버(608)일 수 있다. 상기 RTP 챔버(608)는 Applied Material 리액터 XE, XE Plus, 또는 Radiance와 같은 감소된 압력 챔버 리액터일 수 있다. 상기 RTP 챔버(608)는 위에서 논의한 바와 같은 SiON 또는 SiOxNy 을 형성하기 위해 NH3, N2 또는 Ar 가스들이 배관되도록 구성된다. 일 실시예에서, SiO2 유전체 막을 갖는 기판은 순수 NH3 또는 NH3+비활성 가스(예를 들어, N2 또는 Ar)이 흐르는 약 900 내지 1100℃의 상승된 온도로 공정 챔버에서 가열되는데, 상기 챔버는 예를 들어 RTP 챔버(608)일 수 있다. 상기 챔버 내의 압력은 10 Torr 이하로 감소된다. 이러한 조건 하에서 형성된 SiON 또는 SiOxNy 은 도 3c 및 도 3d에 도시된 것과 유사한 프로파일을 가질 수 있다. SiON 또는 SiOxNy 는 5% 이상의 나이트로겐 농도를 갖는다. SiO2 막 내의 나이트로겐의 피크 농도는 SiO2 막의 상부 표면에서 발생한다.
일 실시예에서, SiON 또는 SiOxNy 막은 클러스터 툴(600)(도 6)의 RTP 챔버(610)과 같은 다른 RTP 챔버에서 사후 질화 어닐링(PNA: post nitridation annealing)과 관련된다. PNA 공정 화학물은 순수 N2 또는 O2+N2 가스의 혼합물일 수 있다. 순수 N2 화학물의 경우에, PNA는 SiON 또는 SiOxNy 막을 형성하는데 이용되는 RTA-NH3 공정으로써 동일한 RTP 챔버(예를 들어, RTP 챔버(600))에서 수행될 수 있다. 일 실시예에서, PNA는 약 5 Torr의 총 압력 이하에서 1000 내지 1100℃의 상승된 온도로 SiON 또는 SiOxNy 막을 갖는 기판을 가열시키는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 약 1 slm의 순수 N2가스는 약 60초 동안 RTP 챔버(예를 들어, RTP 챔버(608 또는 610))로 유입된다. 이후에 약 1 slm의 총 흐름 속도의 N2, O2 또는 O2+N2 가스 혼합물은 약 15초 동안 RTP 챔버로 유입된다. 언급한 흐름 속도들은 특정 리액터 또는 프로세스 챔버 크기(예를 들어, 200mm 리액터)에 대해서만 해당되는 예들임이 인식되어야 한다. 흐름 속도들은 부피 차이로 인해서, 다른 크기 리액터에 대해 비례하여 조정된다(증가 또는 감소).
일 실시예에서, PNA 공정 이후에, 질화물 함유 게이트 유전체(SiON 또는 SiOxNy)막이 폴리실리콘 막과 같은 전도 층에 의해 커버된다. 폴리실리콘 막은 클러스터 툴(600)(도 6)의 증착 챔버(612)와 같은 증착 챔버에서 형성될 수 있다. 이는 게이트 스택의 형성을 완료시킨다. 그 후 기판은 쿨 다운 챔버(614)와 같은 쿨 다운 챔버로 이송될 수 있고, 이후에는 다음 프로세스, 테스트, 또는 공지된 다른 프로세스를 위해 로드락(614)과 같은 저장 영역으로 이송될 수 있다.
게이트 유전체 막과 폴리실리콘 캡 막을 포함하는 게이트 스택이 하나의 프로세스 챔버, 또는 이전에 설명된 클러스터 툴(600) 주변의 여러개의 프로세스 챔버들에서 형성될 수 있다. 예를 들어, SiO2 유전체 막은 우선 하나의 챔버 내에서 형성될 수 있다. 그 후, 동일한 챔버는 SiON 또는 SiOxNy 막을 형성하기 위해 질화물 공정을 수행하도록 초저압에서 급속 열 어닐링을 위해 조정된다. 그 후, 동일한 챔버는 SiON 또는 SiOxNy 막에 대한 PNA를 수행하기 위해 조정될 수 있다. 그리고, 폴리실리콘 막은 동일한 챔버에서 SiON 또는 SiOxNy 막에 대해 형성된다.
본 명세서에서 설명된 바와 같은 게이트 스택으로 형성된 트랜지스터는 일 실시예에서, 클러스터 툴(600)의 사용으로 인해 연속적이고 균일한 프로세스 환경 또는 주변을 최적화해 왔다. 게이트 스택의 프로세스는 임의의 프로세스들 사이의 중단 없이 형성된다. 그러므로, 감소된 전기적 옥사이드 두께, 누설, 또는 구동 전류의 관점에서 더 양호한 스케일링은 다수의 프로세스들 사이에 중단들이 존재하는 프로세스들과 비교하여 획득될 수 있다.
테이블 1은 기존의 프로세스들 뿐만 아니라 본 발명의 예시적 실시예의 프로세스를 포함하여 질화물을 SiO2 막에 통합시키는 다양한 프로세스들을 요약한다. 테이블 1에서는 본 발명의 예시적 실시예들을 이용하는 질화물의 SiO2 막으로의 통합이 고급의 나이트로겐 농도 프로파일을 제공한다는 사실을 도시한다. 게다가, 위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예들은 특정 응용예들에 대해 최적의 SiON 또는 SiOxNy 막을 달성하기 위해 나이트로겐 농도 프로파일을 조절하는 것을 허용한다.
테이블 1에서 도시된 바와 같이, 질화 프로세스가 SiON 또는 SiOxNy 막을 열적으로 성장시키기 위해 혼합물 성장 프로세스를 이용하여 NO 또는 NO+O2를 이용함으로써 수행된다. 나이트로겐 농도([N]) 프로파일은 기판 인터페이스에서 높은 나이트로겐 농도를 갖는 SiO2 전체에 걸쳐 통합된다. 질화 프로세스가 기존의 프로세스를 이용하여 N2O 어닐링에 의해 수행될 때, 질화물은 Si 기판-SiO2 인터페이스에 가깝게 통합된다. 또한, 통합된 나이트로겐 농도는 보론의 유전체 막 유입을 차단시키거나 0.1㎛ 장치들에서의 누설을 감소시키기에는 충분하지 않다. 질화 프로세스가 기존의 프로세스를 사용하면서 어닐링은 이용하지 않고 수행될 때, 질화물은 N2O 어닐링 프로세스와 비교하여 약간 더 높은 나이트로겐 농도를 가지면서 Si 기판-SiO2 인터페이스에서 병합된다. 그러나, 보론은 SiO2 막 내부로 트랩핑되서 불량한 인터페이스 특성과 전류 누설에 있어 충분히 않은 감소를 가져온다는 것이 관찰된다.
질화 프로세스가 현재 해당 분야에서 실행되는 것과 같이 100 Torr 이상의 고압에서 NH3 어닐링 프로세스를 이용하여 수행될 때, 나이트로겐은 바이모달(bimodal) 나이트로겐 농도 분포를 갖는 SiO2 인터페이스에 통합된다. 이전에 논의된 바와 같이, 나이트로겐 농도 프로파일은 막의 표면에서 나이트로겐 피크를 포함하고 기판-SiO2 인터페이스에서 나이트로겐 피크를 포함한다. 나이트로겐 농도는 NO 어닐링 프로세스에서보다 더 높은 압력의 NH3 어닐링 프로세스에서 더 높다. 막 표면에서의 나이트로겐은 보론은 트랩핑하지만, 기판 SiO2 인터페이스에서의 나이트로겐은 불량한 인터페이스 특성을 가져오므로 큰 임계 전압 시프트 및 트랜지스터에서의 전하 캐리어들의 이동성 저하를 가져온다. 나이트로겐 프로세스가 플라즈마 질화를 이용하여 수행될 때, 조건에 맞는 나이트로겐 농도 프로파일이 생성된다. 높은 나이트로겐 농도가 SiO2 막의 표면에서 발생한다. 표면에서의 나이트로겐은 보론을 차단시킬 수 있다. 플라즈마 질화는 초-박 유전체 막 형성(<10Å)을 허용하지만, 구동 전류가 그러한 초-박 막에서 저하되는 것을 볼 수 있다.
질화 프로세스가 본 발명의 예시적 실시예들의 초-저압(≤10 Torr)에서 RTA NH3를 이용하여 수행될 때, 나이트로겐 농도 프로파일은 SiO2 막의 표면에서 높은 나이트로겐 농도를 가지며 바이모달 분포가 없다. 또한, 초-저압에서의 RTA-NH3 프로세스는 11Å 이하의 전기적 옥사이드 두께 스케일링을 허용한다.
암모니아(NH3)가 다수의 예시적 실시예들에서 이용되었을지라도, 임의의 질화물 및 질화 가스가 이용되거나 암모니아를 대체할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, NO 또는 N2O가 초-저압(예를 들어, 약 10 Torr 이하)에서 신속한 열절 어닐링 프로세스를 이용하여 SiON 또는 SiOxNy 을 형성하기 위해 이용될 수 있다. 그러므로 초-저압에서 RTA-NH3를 이용하는 실시예들의 특성들을 논의하는 것은 초-저압에서 RTA를 이용하는 적합한 질화물 또는 질화제(예를 들어, NO 및 N2O)를 이용하는 질화 프로세스에도 유사하게 적용 가능하다.
특정 예시적 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 설명되고 도시되어 왔을지라도, 그러한 실시예들은 단지 예시적인 것이지 본 발명을 제한하여는 것이 이해될 것이고, 본 발명은 도시되고 설명된 특정 구성 및 배열로만 제한되지 않고 다양한 변형이 당업자에게는 자명할 것이다.
일 실시예에서, 유전체층의 N 도핑에 대한 게이트 산화물 형성 및 게이트 전극 형성에 의한 전체 게이트 스택은 진공을 해제하지 않고 다중 챔버(예를 들어, 클러스터 툴)를 사용한 단일 툴 내에서 제조된다. 진보된 기술적 노드(≤0.1㎛)는 게이트 유전층으로서 몇몇 단일 층의 산화막을 가질 것이다. 진공 해제 없이 제어된 분위기로 단일 툴 내에서의 게이트 스택의 프로세싱 및 조작자의 취급/간섭은 프로세싱 분위기로의 노출 및 여러 번의 웨이퍼 취급으로부터 오염 또는 손상의 결과로 인한 장치 보전에 대한 위험성을 제거할 것이다.
몇몇 실시예가 설명되었고 청구항이 첨부되었지만, 기술 분야의 당업자는 본원 발명을 변경시킬 수 있기 때문에, 실시예는 단순히 설명을 위한 예일 뿐이고, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.

Claims (32)

  1. 질화 가스 및 급속 열 어닐링 처리를 이용하여 유전체 막에 나이트로겐을 포함시키는 단계를 포함하며, 약 10 Torr와 같거나 작은 초저압이 상기 급속 열 어닐링 처리를 위해 사용되는 유전체 막 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 막에 포함된 나이트로겐은 상기 유전체 막의 상부면에서 발생하는 나이트로겐 농도 피크를 형성하는 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 막에 포함된 나이트로겐은 나이트로겐 농도가 5%이거나 5%보다 큰 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 막은 약 12 옹스트롬이거나 12 옹스트롬보다 큰 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 질화제는 암모니아,(NH3), 나이트릭 옥사이드(NO), 및 나이트로스 옥사이드(N2O) 중에서 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 막은 실리콘 다이옥사이드(SiO2)인 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 나이트로겐이 포함된 후에, 실리콘 옥시나이트라이드가 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  8. 기판 상에 실리콘 다이옥사이드 막을 형성하는 단계;
    급속 열 어닐링 처리 및 나이트로겐 가스를 이용하여 상기 실리콘 다이옥사이드에 나이트로겐을 포함시키는 단계 - 상기 급속 열 어닐링 처리는 10 Torr에서 또는 10 Torr 이상에서 이루어지고, 상기 나이트로겐 포함 단계는 상기 기판 상에 실리콘 옥시나이트라이드 막을 형성함 - ;
    나이트로겐이 상기 실리콘 다이옥사이드 막에 포함되어 나이트로겐 농도가 약 5% 또는 5% 이상인 실리콘 옥시나이트라이드를 형성하도록 충분한 시간 동안 상기 질화 가스를 이용한 급속 열 어닐링 처리를 계속 유지시키는 단계; 및
    상기 실리콘 옥시나이트라이드 상에 캡층을 형성하는 단계
    를 포함하는 게이트 스택 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 급속 열 어닐링 처리는 약 900-1100℃ 사이의 온도에서 이루어진 것을 특징으로 하는 게이트 스택 형성 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 실리콘나이트라이드가 형성된 후에 상기 실리콘 옥시나이트라이드를 사후 어닐링 처리시키는 단계 - 상기 사후 어닐링 처리는 약 1000-1100℃ 사이의 온도에서 이루어짐 - 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 스택 형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 사후 어닐링 처리는 약 5 Torr 또는 5 Torr 이하의 압력에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 게이트 스택 형성 방법.
  12. 질화 가스 및 급속 열 어닐링 처리를 이용하여 실리콘 다이옥사이드 막에 나이트로겐을 포함시키는 단계 - 약 10 Torr 또는 10 Torr 이하의 초저압이 상기 급속 열 어닐링 처리에 사용되고, 상기 유전체 막으로의 나이트로겐 포함 단계는 실리콘 옥시나이트라이드 막을 형성함 - ; 및
    충분한 양의 나이트로겐이 상기 실리콘 다이옥사이드 막에 포함된 후에 상기 실리콘 옥시나이트라이드 막을 사후-어닐링하는 단계
    를 포함하는 유전체 막 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 실리콘 다이옥사이드 막에 포함된 나이트로겐은 상기 실리콘 다이옥사이드 막의 상부면에서 발생하는 나이트로겐 농도 피크를 형성하는 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 실리콘 다이옥사이드 막에 포함된 나이트로겐은 나이트로겐 농도가 5% 또는 5% 이상인 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 다이옥사이드 막은 약 12 옹스트롬이거나 12 옹스트롬 이하인 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 질화제는 암모니아,(NH3), 나이트릭 옥사이드(NO), 및 나이트로스 옥사이드(N2O) 중에서 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 실리콘 다이옥사이드 막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 막 형성 방법.
  18. 다수의 처리 챔버들을 갖는 클러스터 툴의 제 1 처리 챔버에 기판을 위치시키는 단계;
    상기 제 1 처리 챔버의 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘 다이옥사이드 막을 형성하는 단계;
    진공을 유진하면서, 상기 기판을 상기 제 1 처리 챔버로부터 제 2 처리 챔버 - 상기 제 2 처리 챔버는 감소된 압력에서 급속 열 어닐링 처리를 실행할 수 있음 - 로 이동시키는 단계;
    실리콘 옥시나이트라이드 막을 형성하기 위해 상기 제 2 챔버의 압력을 약 10 Torr 또는 10 Torr 이하로 유지시키면서 질화 가스를 상기 제 2 처리 챔버에 유입시키는 단계; 및
    나이트로겐이 상기 실리콘 다이옥사이드 막에 포함되어 나이트로겐 농도가 약 5% 또는 5% 이상이 되는 충분한 시간 동안 상기 질화 가스를 상기 제 2 처리 챔버에 계속 유입시키는 단계
    를 포함하는 게이트 스택 형성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 질화 가스가 유입되는 동안 약 900-1100℃ 사이의 온도를 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 스택 형성 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 실리콘 옥시나이트라이드가 형성된 후에 상기 기판을 약 1000-1100℃ 사이의 온도에서 이루어지는 사후 어닐링 처리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 스택 형성 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 사후 어닐링 처리는 제 3 처리 챔버에서 발생하는 것을 특징으로 하는 게이트 스택 형성 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 사후 어닐링 처리는 약 5 Torr의 압력에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 게이트 스택 형성 방법.
  23. 상기 실리콘 옥시나이트라이드 막의 나이트로겐 농도는 상기 막의 상부면에서 최대가 되고 깊어질수록 감소하며, 상기 실리콘 옥시나이트라이드 막은 비연관된 나이트로겐이 없는 실리콘 옥시나이트라이드 막.
  24. 약 10 Torr 또는 10 Torr 이하의 압력에서 유전체 막을 질화 가스에 노출시키는 단계;
    실리콘 옥시나이트라이드 막을 형성하기 위해 상기 유전체- 막에 나이트로겐을 포함시키도록 상기 질화 가스에 상기 유전체 막을 노출시키는 단계 동안 상기 유전체 막을 급속 열 어닐링 처리하는 단계
    를 포함하는 유전체 막 가공 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 질화 가스는 암모니아,(NH3), 나이트릭 옥사이드(NO), 및 나이트로스 옥사이드(N2O) 중에서 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 막 가공 방법.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 유전체 막은 실리콘 다이옥사이드(SiO2)인 것을 특징으로 하는 유전체 막 가공 방법.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 나이트로겐이 포함된 후에, 실리콘 옥시나이트라이드가 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 막 가공 방법.
  28. 제 24 항에 있어서, 상기 급속 열 어닐링 처리는 약 900-1100℃ 사이의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 막 가공 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 실리콘 옥시나이트라이드가 형성된 후에 상기 기판을 약 1000-1100℃ 사이의 온도에서 이루어지는 사후 어닐링 처리시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 막 가공 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 사후 어닐링 처리는 약 5 Torr 또는 5 Torr 이하의 압력에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 막 가공 방법.
  31. 제 24 항에 있어서, 상기 유전체 막을 급속 열 어닐링 처리하는 단계는 적어도 약 5%의 나이트로겐 농도가 상기 유전체 막에 포함될 때까지 계속되는 것을 특징으로 하는 유전체 막 가공 방법.
  32. 제 27 항에 있어서, 원하는 나이트로겐 농도가 상기 유전체 막에 포함된 후에 상기 실리콘 옥시나이트라이드가 무-질화 분위기에서 어닐링되는 사후-어닐링 처리로 상기 실리콘 옥시나이트라이드 막을 처리하는 단계 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 막 가공 방법.
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