KR20080000780A - Fabrication method of a silicon substrate and method of forming a memory device using the same - Google Patents

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Abstract

A method of manufacturing a silicon substrate and a method of forming a memory device using the same are provided to decrease a disturbance and a leakage current by minimizing a stress applied on a silicon substrate. An ion injection process is performed to inject fluorine ions into a P-type silicon substrate(100). The fluorine ions are injected, such that a thermal process is performed on the silicon substrate, on which defective crystals are formed. The ion injection process is performed by using a single-type ion injection device. The ion injection process is performed at a high energy between 1.2 and 2 MeV, such that a fluorine ion injection region(120) is formed on a lower layer of the silicon substrate.

Description

실리콘 기판의 제조 방법 및 그를 이용한 메모리 소자의 형성 방법{fabrication method of a silicon substrate and method of forming a memory device using the same} Fabrication method of a silicon substrate and method of forming a memory device using the same

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 실리콘 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.1A and 1B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a silicon substrate according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 플루오르 이온주입 공정에 의해 격자 손상에 의한 결정결함들이 발생된 실리콘 기판의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a silicon substrate in which crystal defects are generated by lattice damage by a fluorine ion implantation process according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 결정결함이 형성된 실리콘 기판의 열처리 온도에 따른 붕소의 TED 포화 시간을 나타낸 도면이다. 3 is a view showing the TED saturation time of boron according to the heat treatment temperature of the silicon substrate on which the crystal defect is formed according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 실리콘 기판을 이용한 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a memory device using a silicon substrate according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100, 200 : 실리콘 기판 110, 210 : 붕소 100, 200: silicon substrate 110, 210: boron

120, 220 : 플루오르 이온 주입 영역 130 : 결정결함들120, 220: fluorine ion implantation area 130: Defects

230 : TN웰 또는 N웰 영역 240 : P웰 영역230: TN well or N well area 240: P well area

250 : 게이트 산화막 패턴 260 : 폴리실리콘막 패턴       250: gate oxide film pattern 260: polysilicon film pattern

본 발명은 실리콘 기판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 실리콘 기판의 스트레스를 최소화할 수 있는 메모리 소자 형성을 위한 실리콘 기판의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a silicon substrate, and more particularly, to a method for manufacturing a silicon substrate for forming a memory device that can minimize the stress of the silicon substrate.

일반적으로 메모리 소자를 제조하기 위해서 사용되는 실리콘 기판은 가격면에서 유리한 P-타입 실리콘 기판이 사용되어진다. P-타입 실리콘 기판은 제조부터 붕소(Boron) 도펀트(dopant)가 함유되어 있으며, 실리콘보다 최외곽원자가 부족한 붕소에 의해 실리콘 기판 내부의 스트레스(stress)가 상대적으로 인(Phosphorus) 도펀트의 N-타입 실리콘 기판보다 크다.In general, a silicon substrate used to manufacture a memory device is a P-type silicon substrate which is advantageous in terms of cost. P-type silicon substrate contains boron dopant from manufacture, and N-type of Phosphorus dopant is relatively low in stress due to boron, which lacks outermost atoms than silicon. Larger than a silicon substrate.

따라서, 소자가 고집적화될수록 P-타입 실리콘 기판 자체가 가지고 있는 스트레스에 의해서 디스터번스(disturbance), 문턱전압 이동 및 누설 전류 등이 발생함으로써 트랜지스터의 성능이 저하되는 문제점을 안고 있다. Therefore, as the device becomes more integrated, there is a problem in that the performance of the transistor is degraded due to the occurrence of disturbance, threshold voltage shift and leakage current due to the stress of the P-type silicon substrate itself.

본 발명은 실리콘 기판의 스트레스를 최소함으로써 메모리 소자의 디스터번스, 문턱전압 이동 및 누설 전류 등을 개선할 수 있는 메모리 소자 형성을 위한 실리콘 기판의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a silicon substrate for forming a memory device capable of improving the disturbance, threshold voltage shift and leakage current of a memory device by minimizing stress of the silicon substrate.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 실리콘 기판의 제조 방법은, P-타입 실리콘 기판에 플루오르 주입을 위한 이온주입 공정을 실시하는 단계; 및 상기 플루오르 이온이 주입되어 결정결함들이 발생된 실리콘 기판에 열처리 공정을 실시하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a silicon substrate according to the present invention includes: performing an ion implantation process for fluorine implantation in a P-type silicon substrate; And performing a heat treatment process on the silicon substrate in which the fluorine ions are implanted to generate crystal defects.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 메모리 소자의 형성 방법은, P-타입 실리콘 기판에 플루오르 주입을 위한 이온주입 공정을 실시하는 단계; 상기 플루오르 이온이 주입되어 결정결함들이 발생된 실리콘 기판에 열처리 공정을 실시하는 단계; 상기 실리콘 기판 상에 이온주입 공정을 실시하여 TN웰 또는 N웰 영역을 형성하는 단계; 상기 실리콘 기판 상에 이온주입 공정을 실시하여 TN웰 또는 N웰 영역 내부에 P웰 영역을 형성하는 단계; 상기 실리콘 기판 상부에 패터닝된 게이트 산화막을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 산화막 상부에 패터닝된 폴리실리콘막을 형성하는 단계를 포함한다. In order to achieve the above object, a method of forming a memory device according to the present invention comprises: performing an ion implantation process for fluorine implantation in a P-type silicon substrate; Performing a heat treatment process on the silicon substrate in which the fluorine ions are implanted to generate crystal defects; Performing an ion implantation process on the silicon substrate to form a TN well or an N well region; Performing an ion implantation process on the silicon substrate to form a P well region inside a TN well or N well region; Forming a patterned gate oxide layer on the silicon substrate; And forming a patterned polysilicon layer on the gate oxide layer.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in more detail.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 실리콘 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 플루오르 이온주입 공정에 의해 격자 손상에 의한 결정결함들이 발생된 실리콘 기판의 주사 전자 현미경(SEM;scanning electron microscope) 사진이다. 1A and 1B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a silicon substrate according to the present invention, and FIG. 2 is a scanning electron microscope of a silicon substrate in which crystal defects are generated by lattice damage by a fluorine ion implantation process according to the present invention. SEM (scanning electron microscope) photograph.

도 1a를 참조하면, 붕소 도펀트(110)가 형성되어 있는 P-타입 실리콘 기판(100) 상에 플루오르(Fluorine) 주입을 위한 이온주입 공정을 실시하여 실리콘 기판(100) 내부의 소정 영역에 플루오르 이온 주입 영역(120)을 형성한다. Referring to FIG. 1A, a fluorine ion is injected into a predetermined region of the silicon substrate 100 by performing an ion implantation process for fluorine injection on the P-type silicon substrate 100 having the boron dopant 110 formed thereon. The injection region 120 is formed.

상기 플루오르 이온 주입 영역(120)은 무거운 질량의 플루오르에 의해 실리콘 기판(100)의 하부층에 형성된다.The fluorine ion implantation region 120 is formed in the lower layer of the silicon substrate 100 by heavy mass of fluorine.

상기 이온주입 공정은 원뿔각 결함(cone-angle effect)에 의한 채널링(channelling) 방지를 위하여 배치 타입(Batch-type) 이온주입 장비 대신 싱글 타입(single-type) 이온주입 장비를 이용하여 실시한다.The ion implantation process is performed using a single-type ion implantation device instead of a batch-type ion implantation device in order to prevent channeling due to a cone-angle effect.

상기 이온주입 공정은 1.2 내지 2MeV의 고 에너지로, 1E12 내지 1E15ions/㎠ 도즈량을 주입한다.The ion implantation process injects a dose of 1E12 to 1E15ions / cm 2 at a high energy of 1.2 to 2MeV.

따라서, 상기 이온주입 공정에 의해 주입된 플루오르 이온의 높은 질량으로 인하여 낮은 주입량으로도 실리콘 기판(100)이 비정질화되고, 실리콘 격자 손상으로 결정결함들이 발생하며, 그 예로서 도 2에 도시된 바와 같은 {331}결함(130) 양상이 나타난다.Therefore, due to the high mass of fluorine ions implanted by the ion implantation process, the silicon substrate 100 is amorphized even at a low implantation amount, and crystal defects occur due to silicon lattice damage, for example, as shown in FIG. 2. The same {331} defect 130 behavior is seen.

이와 같이 결정결함들이 발생한 실리콘 기판(100)은 결정결함들에 의해 소정의 도펀트 분포를 획득하기 위한 일시적 강화 확산(Transient Enhanced Duffision;이하 'TED'라 칭함)에 취약한 구조가 됨에 따라 플루오르 이온에 막혀 붕소 도펀트가 TED에 의한 불순물 확산을 할 수 없게 된다.  As described above, the silicon substrate 100 in which crystal defects are generated is blocked by fluorine ions as it becomes a structure that is vulnerable to transient enhanced diffusion (hereinafter referred to as 'TED') for obtaining a predetermined dopant distribution by crystal defects. The boron dopant is unable to diffuse impurities by TED.

도 1b를 참조하면, 상기 플루오르가 주입된 실리콘 기판(100)에 열처리 공정을 실시하여 실리콘 기판(100) 내 붕소 도펀트를 게터링(Gettering) 한다.Referring to FIG. 1B, the boron dopant in the silicon substrate 100 is gettered by performing a heat treatment process on the fluorine-infused silicon substrate 100.

상기 열처리 공정은 레이저 열처리(Laser anneal), 급속열처리(RTP;Rapid Thermal Process) 또는 로(Furnace)를 이용하여 실시하며, 750 내지 1000℃로 진행한다.The heat treatment process is carried out using a laser heat treatment (Raser anneal), Rapid Thermal Process (RTP) or Furnace (Furnace), and proceeds to 750 to 1000 ℃.

상기 열처리 공정은 레이저 소스(laser source)를 전면(front side) 또는 후면(back side)에 선택적으로 진행할 수 있다.The heat treatment process may selectively run a laser source on the front side or the back side.

도 3은 본 발명에 따른 결정결함이 형성된 실리콘 기판의 열처리 온도에 따른 붕소의 TED 포화 시간을 나타낸 도면이다. 3 is a view showing the TED saturation time of boron according to the heat treatment temperature of the silicon substrate on which the crystal defect is formed according to the present invention.

도시한 바와 같이, 예를 들어 a, b와 같은 {311}결함이 형성된 실리콘 기판의 열처리 온도가 증가함에 따라 붕소 도펀트의 TED 포화 시간(Saturate Time)이 증가됨을 알 수 있다. As shown, it can be seen that the TED saturation time of the boron dopant increases as the heat treatment temperature of the silicon substrate on which the {311} defect such as a and b is formed increases.

즉, 본 발명에서 플루오르 이온에 의해 형성된 결정결함들은 열처리 공정을 진행할 경우 실리콘 기판(100) 내 붕소의 TED를 증가시키게 된다. That is, in the present invention, the crystal defects formed by the fluorine ions increase the TED of boron in the silicon substrate 100 when the heat treatment process is performed.

본 발명은 열처리 공정에 의해 결정결함에 TED 발생 시간이 길어지므로 붕소 도펀트의 게터링이 장시간 발생되어 실리콘 기판(100)의 스트레스를 완화시키게 된다.In the present invention, since the TED generation time increases due to the crystallization due to the heat treatment process, gettering of the boron dopant is generated for a long time to relieve stress of the silicon substrate 100.

이하, 본 발명에 의해 제조된 실리콘 기판을 사용하여 메모리 소자의 형성 방법을 간략히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of forming a memory device using the silicon substrate manufactured by the present invention will be briefly described.

도 4는 본 발명에 따른 실리콘 기판을 이용한 메모리 소자의 형성 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.4 is a schematic cross-sectional view for describing a method of forming a memory device using a silicon substrate according to the present invention.

우선, 붕소(210) 도펀트가 형성된 P-타입 실리콘 기판(200)에 싱글형 이온주 입 장비를 이용한 플루오르 이온주입 공정을 통해 플루오르 이온 주입 영역(220)을 형성한 후 열처리 공정을 실시하여 붕소(210) 도펀트를 플루오르 이온 주입 영역(220)으로 게터링한다. First, the fluorine ion implantation region 220 is formed on the P-type silicon substrate 200 on which the boron 210 dopant is formed through a fluorine ion implantation process using a single ion implantation device, and then subjected to a heat treatment process. 210) The dopant is gettered to the fluorine ion implantation region 220.

상기 플루오르 이온주입 공정 및 열처리 공정은 본 발명에 따른 실리콘 기판의 제조 방법과 동일하다.The fluorine ion implantation process and the heat treatment process are the same as the method for producing a silicon substrate according to the present invention.

이후, P-타입 실리콘 기판(200) 상에 2회 불순물 이온주입 공정을 실시하여 플루오르 주입 영역(220) 상부에 TN웰 또는 N웰 영역(230)을 형성하고, TN웰 또는 N웰 영역(230) 내부에 P웰 영역(240)을 형성한다. Thereafter, two impurity ion implantation processes are performed on the P-type silicon substrate 200 to form the TN well or N well region 230 on the fluorine implanted region 220, and the TN well or N well region 230. ) To form a P well region 240.

상기 P웰 영역(240)이 형성된 P-타입 실리콘 기판(200) 상부 전면에 걸쳐 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어지는 게이트 산화막(미도시) 및 폴리실리콘으로 이루어지는 폴리실리콘막(미도시)을 형성한다.A gate oxide film (not shown) made of silicon oxide film (SiO 2 ) and a polysilicon film (not shown) made of polysilicon are formed over the entire surface of the P-type silicon substrate 200 on which the P well region 240 is formed. .

상기 게이트 산화막 및 폴리실리콘막은 화학기상증착(CVD;Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 형성한다.The gate oxide film and the polysilicon film are formed by a chemical vapor deposition (CVD) method.

마스크(미도시)를 이용하여 상기 게이트 산화막 및 폴리실리콘막을 패터닝하여 게이트 산화막 패턴(250) 및 폴리실리콘막 패턴(260)으로 이루어지는 게이트가 완성된다.The gate oxide layer pattern and the polysilicon layer pattern are patterned using a mask (not shown) to complete a gate including the gate oxide layer pattern 250 and the polysilicon layer pattern 260.

본 발명에서는 P-타입 실리콘 기판 자체의 붕소 도펀트의 농도가 감소되므로 이를 이용한 메모리 소자 형성시 후속한 공정의 TN웰 혹은 N웰 형성시 기존에 비해 낮은 Rs 확보가 가능하므로 디스터번스를 개선하고, 안정적인 문턱전압(Threshold Voltage) 확보, 누설 전류(leakage current) 방지 및 래치업(Latch-up) 특성 향상을 통해 메모리 소자의 수율을 향상시킬 수 있다. In the present invention, since the concentration of the boron dopant of the P-type silicon substrate itself is reduced, it is possible to secure lower Rs when forming a TN well or N well of a subsequent process when forming a memory device using the same, thereby improving the disturbance and a stable threshold. The yield of memory devices can be improved by securing voltage, preventing leakage current, and improving latch-up.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다. Although the present invention has been described with respect to the preferred embodiment as described above, the present invention is not limited to this, and those skilled in the art to which the present invention pertains the claims and the detailed description of the invention and attached It is possible to carry out various modifications within the scope of the drawings and this also belongs to the scope of the present invention.

본 발명은 P-타입 실리콘 기판에 고 이온주입에너지로 플루오르를 주입하기 위한 이온주입 공정을 실시한 후 열처리 공정을 통해 주입된 플루오르 이온에 의해 붕소 도펀트의 TED 발생 시간을 늘려 붕소 도펀트를 게터링하여 P-타입 실리콘 기판의 붕소 도펀트에 의한 스트레스를 최소화할 수 있는 효과가 있다.The present invention performs an ion implantation process for injecting fluorine with high ion implantation energy into a P-type silicon substrate, and then increases the TED generation time of the boron dopant by fluorine ions implanted through the heat treatment process to getter the boron dopant by The stress caused by the boron dopant of the -type silicon substrate can be minimized.

본 발명에 의해 제조된 실리콘 기판을 이용한 메모리 소자 형성시 후속의 TNW 또는 NW 형성시 낮은 Rs 확보가 가능하므로 디스터번스를 개선하고, 안정적인 문턱전압을 확보하고, 누설 전류 방지 및 래치업(Latch-up) 특성 향상을 통해 메모리 소자의 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.When forming a memory device using a silicon substrate manufactured by the present invention, it is possible to secure a low Rs when forming a subsequent TNW or NW, thereby improving the disturbance, securing a stable threshold voltage, preventing leakage current, and latching up. Through improved characteristics, the yield of the memory device may be improved.

Claims (9)

P-타입 실리콘 기판에 플루오르 주입을 위한 이온주입 공정을 실시하는 단계; 및 Performing an ion implantation process for fluorine implantation into the P-type silicon substrate; And 상기 플루오르 이온이 주입되어 결정결함들이 발생된 실리콘 기판에 열처리 공정을 실시하는 단계를 포함하는 실리콘 기판의 제조 방법.And performing a heat treatment process on the silicon substrate in which the fluorine ions are implanted to generate crystal defects. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이온주입 공정은 싱글 타입(single-type) 이온주입 장비를 이용하여 실시하는 실리콘 기판의 제조 방법.The ion implantation process is a silicon substrate manufacturing method performed using a single-type ion implantation equipment. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이온주입 공정은 1.2 내지 2MeV의 고 에너지로 실시하여 실리콘 기판의 하부층에 플루오르 이온 주입 영역을 형성하는 실리콘 기판의 제조 방법.The ion implantation process is carried out at a high energy of 1.2 to 2MeV to form a fluorine ion implantation region in the lower layer of the silicon substrate. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이온주입 공정은 이온주입량이 1E12 내지 1E15ions/㎠인 실리콘 기판의 제조 방법.The ion implantation process is a method for producing a silicon substrate in which the ion implantation amount of 1E12 to 1E15ions / ㎠. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열처리 공정은 레이저 열처리, RTP 열처리 또는 로(Furnace)를 이용하는 실리콘 기판의 제조 방법.The heat treatment process is a method of manufacturing a silicon substrate using a laser heat treatment, RTP heat treatment or furnace (Furnace). 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 열처리 공정은 750 내지 1000℃로 진행하는 실리콘 기판의 제조 방법.The heat treatment step is a method of manufacturing a silicon substrate to proceed at 750 to 1000 ℃. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열처리 공정은 레이저 소스를 전면 또는 후면에 진행하는 실리콘 기판의 제조 방법.The heat treatment process is a method of manufacturing a silicon substrate to advance the laser source to the front or back. 청구항 1항에 의해 제조된 실리콘 기판을 제공하는 단계; 및Providing a silicon substrate prepared by claim 1; And 상기 실리콘 기판 상에 게이트 산화막 패턴 및 폴리실리콘막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 메모리 소자의 형성 방법.Forming a gate oxide pattern and a polysilicon layer pattern on the silicon substrate. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 실리콘 기판은 웰(Well)이 형성 되는 깊이보다 더 깊이 플루오르 이온 주입 영역을 갖는 메모리 소자의 형성 방법.And the silicon substrate has a fluorine ion implantation region deeper than a depth at which a well is formed.
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