KR20090008650A - Method for forming a thin film structure and method for forming a gate structure using the same - Google Patents

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이창훈
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Abstract

A method for forming a thin film structure and a method for forming a gate electrode using the same are provided to reduce a process failure of a patterning process by preventing the particle from remaining on the surface of the thin film structure due to an organic material. A first thin film(102) is formed on a substrate(100). A part of the first thin film is doped with the impurity. A thermal process using the oxygen gas is performed in the first thin film doped with the impurity. The organic material remaining the first thin film is removed. An oxide film(106) is formed on the first thin film. A second thin film on the oxide film is made of the nitride.

Description

박막 구조물 형성 방법 및 이를 이용한 게이트 전극 형성 방법.{Method for forming a thin film structure and method for forming a gate structure using the same} Method for forming a thin film structure and method for forming a gate structure using the same}

본 발명은 박막 구조물 형성 방법 및 이를 이용한 게이트 전극 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 및 실리콘 질화막이 적층된 박막 구조물 형성 방법 및 상기 방법을 이용하여 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of forming a thin film structure and a method of forming a gate electrode using the same. More specifically, the present invention relates to a method of forming a thin film structure in which a polysilicon film doped with an impurity and a silicon nitride film are stacked, and a method of forming a gate electrode of a transistor using the method.

반도체 소자의 제조 공정은, 기판 상에 박막을 증착하고, 상기 기판 또는 박막에 선택적으로 이온 주입 공정을 수행하고, 상기 박막을 패터닝하는 공정을 포함한다. 상기 박막을 패터닝 하는 공정 또는 이온 주입하는 공정을 수행할 때에는 식각 마스크 또는 이온 주입 마스크가 요구되며, 이러한 마스크는 통상적으로 사진 공정을 통해 형성된다. The manufacturing process of a semiconductor device includes a process of depositing a thin film on a substrate, selectively performing an ion implantation process on the substrate or the thin film, and patterning the thin film. When performing the process of patterning the thin film or the process of ion implantation, an etching mask or an ion implantation mask is required, and such a mask is typically formed through a photo process.

상기 사진 공정은 반도체 기판이나 기타 대상체 상에 포토레지스트(photoresist)를 도포하고, 도포된 포토레지스트를 소정의 패턴 형태로 노광한 후, 노광된 포토레지스트 상으로 현상액을 공급하여 현상을 실시하는 과정을 통하 여 이루어진다. 상기 사진 공정을 통해 형성되는 포토레지스트 패턴은 상기 식각 공정 또는 이온 주입 공정이 수행된 후에 기판이나 대상체로부터 깨끗이 제거되어야 한다. 일반적으로 마스크로 사용된 포토레지스트 패턴은 에싱(ashing) 공정 및/또는 스트립(strip) 공정을 통하여 제거된다. 그러나, 상기 에싱 공정 및/또는 스트립 공정을 수행하더라도 상기 포토레지스트 패턴의 주 성분이 되는 유기물이 상기 기판에 잔류할 수 있다. The photolithography process is performed by applying a photoresist on a semiconductor substrate or other object, exposing the applied photoresist in a predetermined pattern, and then supplying a developer onto the exposed photoresist to perform development. It is done through. The photoresist pattern formed through the photo process should be cleanly removed from the substrate or the object after the etching process or the ion implantation process is performed. In general, the photoresist pattern used as a mask is removed through an ashing process and / or a strip process. However, even when the ashing process and / or the strip process are performed, the organic material, which is a main component of the photoresist pattern, may remain on the substrate.

한편, 고농도를 갖는 불순물을 도핑시키는 이온 주입 공정이 수행된 이 후에는 이온주입 마스크로 사용되는 포토레지스트 패턴이 경화될 수 있다. 때문에, 상기 에싱 및 스트립 공정을 수행하더라도 상기 이온 주입 마스크로 사용된 포토레지스트 패턴이 완전히 제거되지 않게되고 유기물이 다량으로 잔류하게 된다. On the other hand, after the ion implantation process of doping the impurities having a high concentration is performed, the photoresist pattern used as the ion implantation mask may be cured. Therefore, even when the ashing and stripping process is performed, the photoresist pattern used as the ion implantation mask is not completely removed and a large amount of organic material remains.

한편, 상기 이온 주입 공정만을 수행하고 난 이 후에도 막 또는 기판에 유기물이 잔류할 수 있다. 즉, 상기 포토레지스트 패턴을 형성하지 않으면서 막 또는 기판 전면에 고농도를 갖는 불순물을 도핑시키는 공정만을 수행하더라도 상기 막 또는 기판에 유기물이 잔류할 수 있다.On the other hand, even after performing only the ion implantation process, the organic material may remain in the film or substrate. That is, even if only the step of doping the impurity having a high concentration on the entire surface of the film or substrate without forming the photoresist pattern, the organic material may remain in the film or substrate.

상기 유기 잔류물은 후속 공정을 진행하는 동안 반도체 소자의 불량을 야기시키게 된다. The organic residue causes the semiconductor device to fail during the subsequent process.

예를들어, 상기 유기 잔류물이 잔류하는 상태의 박막 또는 기판 상에 상부 박막을 형성하면, 상기 증착된 상부 박막의 표면 상에는 상기 유기 잔류물과의 결합에 의해 생성되는 다수의 파티클이 생성된다. 상기 상부 박막의 표면 상에 형성된 파티클들은 상기 상부 박막과 다른 식각 특성을 가지게 된다. 때문에, 상기 상 부 박막을 사진 식각에 의해 패터닝하는 경우, 상기 상부 박막 표면의 파티클은 상부 박막에 비해 상대적으로 식각 속도가 느리거나 또는 식각이 전혀 되지 않을 수 있다. 때문에, 상기 파티클이 생성된 부위에는 패터닝이 되지 않아서 박막이 쇼트되거나 박막이 끊어지는 등의 문제가 발생하게 된다.For example, when the upper thin film is formed on a thin film or a substrate in which the organic residue remains, a number of particles are generated on the surface of the deposited upper thin film by bonding with the organic residue. Particles formed on the surface of the upper thin film will have a different etching characteristics than the upper thin film. Therefore, when the upper thin film is patterned by photolithography, particles of the upper thin film surface may have a relatively low etching rate or no etching at all compared to the upper thin film. Therefore, a problem occurs such that the thin film is shorted or the thin film is not patterned at the site where the particles are generated.

본 발명의 목적은 파티클 발생을 감소시킬 수 있는 박막 구조물 형성 방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a method for forming a thin film structure that can reduce particle generation.

본 발명의 다른 목적은 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 포함하는 게이트 전극 형성 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of forming a gate electrode including polysilicon doped with impurities.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 박막 구조물 형성 방법으로, 기판 상에 제1 박막을 형성한다. 상기 제1 박막의 일부 영역에 불순물을 도핑시킨다. 상기 불순물이 도핑된 제1 박막에 산소 가스를 이용하는 열처리를 수행하여, 상기 제1 박막에 잔류하는 유기물을 제거하면서 상기 제1 박막 표면에 산화막을 형성한다. 다음에, 상기 산화막 상에 질화물로 이루어지는 제2 박막을 형성한다. In the method for forming a thin film structure according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, to form a first thin film on a substrate. Dopants are doped in a portion of the first thin film. A heat treatment using oxygen gas is performed on the first thin film doped with impurities to form an oxide film on the surface of the first thin film while removing organic substances remaining in the first thin film. Next, a second thin film made of nitride is formed on the oxide film.

상기 불순물을 도핑시키는 단계는 플라즈마가 인가되는 이온 임플란트 공정을 통해 수행된다. Doping the impurity is performed through an ion implant process to which a plasma is applied.

상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 전극 형성 방법으로, 기판 상에 폴리실리콘막을 형성한다. 상기 폴리실리콘막의 제1 영역 상에 제1 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 제1 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하는 제1 이온 주입 공정을 통해 상기 폴리실리콘막의 제1 영역에 제1 도전형의 제1 불순물을 도핑시킨다. 상기 폴리실리콘막으로부터 상기 제1 포토레지스트 패턴을 제거한다. 상기 폴리실리콘막에 산소 가스를 이용하는 열처리를 수행하여, 상기 제1 박막에 잔류하는 유기물을 제거하면서 상기 폴리실리콘막 표면에 산화막을 형성한다. 상기 산화막 상에 실리콘 질화막을 형성한다. 상기 실리콘 질화막을 패터닝하여 하드 마스크 패턴을 형성한다. 상기 하드 마스크 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 산화막, 폴리실리콘막을 식각함으로써 게이트 전극을 형성한다. In the gate electrode forming method according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a polysilicon film is formed on a substrate. A first photoresist pattern is formed on the first region of the polysilicon film. A first impurity of a first conductivity type is doped into the first region of the polysilicon film through a first ion implantation process using the first photoresist pattern as a mask. The first photoresist pattern is removed from the polysilicon film. A heat treatment using oxygen gas is performed on the polysilicon film to form an oxide film on the surface of the polysilicon film while removing organic substances remaining in the first thin film. A silicon nitride film is formed on the oxide film. The silicon nitride film is patterned to form a hard mask pattern. A gate electrode is formed by etching the oxide film and the polysilicon film using the hard mask pattern as an etching mask.

상기 공정에 의해 형성되는 박막 구조물의 표면 상에는 잔류하는 유기물에 의한 파티클이 거의 생성되지 않는다. On the surface of the thin film structure formed by the above process, particles generated by the remaining organic matter are hardly generated.

또한, 상기 게이트 전극을 형성하는 공정에서 상기 실리콘 질화막 상에 파티클이 거의 생성되지 않는다. 때문에, 상기 실리콘 질화막으로부터 정상적인 형상의 하드 마스크 패턴이 형성되고, 이로 인해 쇼트나 브릿지 불량이 발생되지 않는 게이트 전극이 형성될 수 있다. In addition, particles are hardly generated on the silicon nitride film in the process of forming the gate electrode. Therefore, a hard mask pattern having a normal shape is formed from the silicon nitride film, and thus a gate electrode which does not generate short or bridge failure may be formed.

이와같이, 본 발명의 방법을 사용하는 경우에는 박막 형성 및 박막의 패터닝 공정에서의 공정 불량이 감소된다. 때문에, 반도체 소자의 수율이 높아지는 효과를 기대할 수 있다. As such, when using the method of the present invention, process defects in the thin film formation and patterning process of the thin film are reduced. Therefore, the effect which the yield of a semiconductor element becomes high can be anticipated.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지 식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막), 패턴 또는 전극들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 패턴 또는 전극들이 기판, 각 층(막), 패턴 또는 전극들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 패턴 또는 전극들이 직접 기판, 각 층(막), 패턴 또는 전극들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 패턴, 다른 패드 또는 다른 전극들이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 층(막)들이 "제1" 및/또는 "제2"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 층(막)들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1" 및/또는 "제2"는 각 층(막)들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.Although the embodiments of the present invention are described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the following embodiments, and those skilled in the art will understand the technical spirit of the present invention. The present invention may be embodied in various other forms without departing from the scope thereof. In the accompanying drawings, the dimensions of the substrate, layer (film), pattern or electrodes are shown to be larger than actual for clarity of the invention. In the present invention, each layer (film), pattern or electrodes is referred to as being formed "on", "top" or "bottom" of the substrate, each layer (film), pattern or electrodes. (Film), pattern or electrodes directly formed on or below the substrate, each layer (film), pattern or electrodes, or other layers (film), other patterns, other pads or other electrodes on the substrate It may additionally be formed. Also, when layers (films) are referred to as "first" and / or "second", they are not intended to limit these members but merely to distinguish each layer (films). Thus, "first" and / or "second" may be used selectively or interchangeably for each layer (film).

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 구조물 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1 to 4 are cross-sectional views illustrating a method of forming a thin film structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 불순물 주입의 대상이 되는 제1 박막(102)을 형성한다. 상기 제1 박막(102)은 불순물이 도핑되지 않은 폴리실리콘 또는 아몰퍼스 실리콘으로 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 1, a first thin film 102 to be implanted with impurities is formed on a substrate 100. The first thin film 102 may be made of polysilicon or amorphous silicon that is not doped with impurities.

이 후, 상기 제1 박막(102)에 포토레지스트 패턴을 형성한다. 구체적으로, 상기 제1 박막(102)에 포토레지스트막을 도포한 다음, 노광 공정, 현상 공정, 베이크 공정 등을 수행함으로써 포토레지스트 패턴(104)을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴(104)은 불순물이 주입되기 위한 부위를 선택적으로 노출한다.Thereafter, a photoresist pattern is formed on the first thin film 102. Specifically, the photoresist pattern 104 is formed by applying a photoresist film to the first thin film 102 and then performing an exposure process, a developing process, a baking process, and the like. The photoresist pattern 104 selectively exposes a portion for implanting impurities.

본 실시예에서는, 상기 제1 박막(102)에 이온 주입 마스크로써 포토레지스트 패턴을 형성하는 것으로 설명한다. 그러나, 상기 제1 박막(102) 전체를 도핑하는 경우에는 상기 포토레지스트 패턴(104)을 형성하는 공정이 생략될 수 있다. In the present exemplary embodiment, a photoresist pattern is formed on the first thin film 102 using an ion implantation mask. However, when the entire first thin film 102 is doped, the process of forming the photoresist pattern 104 may be omitted.

다음에, 상기 포토레지스트 패턴(104)을 마스크로 이용하여 상기 제1 박막(102)에 불순물을 주입한다. 상기 불순물을 주입하는 공정은 플라즈마가 인가되는 이온 임플란트 (PLAD) 공정을 포함한다. 상기 플라즈마 이온 임플란트 공정을 수행하면, 상기 제1 박막(102) 내에 고농도의 불순물을 도핑할 수 있다. Next, impurities are implanted into the first thin film 102 using the photoresist pattern 104 as a mask. The implanting of the impurity includes an ion implant (PLAD) process in which plasma is applied. When the plasma ion implantation process is performed, a high concentration of impurities may be doped into the first thin film 102.

이 때, 상기 불순물은 포토레지스트 패턴(104)에 의해 노출되어 있는 제1 박막(102) 뿐 아니라 상기 포토레지스트 패턴(104)에도 주입된다. 그런데, 높은 에너지를 갖는 불순물들 또는 라디칼들에 의해 상기 포토레지스트 패턴(104)이 손상을 입게 된다. 즉, 상기 이온 임플란트 공정을 수행하는 동안 주입되는 불순물 입자들 또는 라디칼들에 의해 포토레지스트 패턴(104)이 경화되는 한편 친수성 내지 수용성이 저하된다.In this case, the impurities are implanted into the photoresist pattern 104 as well as the first thin film 102 exposed by the photoresist pattern 104. However, the photoresist pattern 104 is damaged by impurities or radicals having high energy. That is, the photoresist pattern 104 is cured by impurity particles or radicals injected during the ion implant process, while hydrophilicity or water solubility is reduced.

도 2를 참조하면, 에싱 및 스트립 공정을 통해 상기 포토레지스트 패턴(104)을 제거한다. Referring to FIG. 2, the photoresist pattern 104 is removed through an ashing and stripping process.

상기 에싱 공정을 수행하기 위한 반응 가스로써 산소 또는 오존을 사용할 수 있다. 또는, 상기 에싱 공정을 수행하기 위한 반응 가스로, 산소 가스에 사불화탄소(CF4) 가스, 또는 육불화황(SF6) 가스가 첨가될 수 있다. Oxygen or ozone may be used as a reaction gas for performing the ashing process. Alternatively, carbon tetrafluoride (CF4) gas or sulfur hexafluoride (SF6) gas may be added to the oxygen gas as a reaction gas for performing the ashing process.

또한, 상기 스트립 공정은 황산 용액을 사용하여 수행될 수 있다. In addition, the stripping process may be performed using sulfuric acid solution.

그런데, 본 실시예에서와 같이, 이 전의 공정에서 고에너지가 인가되는 플라 즈마 이온 임플란트 공정을 수행한 경우에는 마스크로 사용된 포토레지스트 패턴(104)의 표면이 경화된다. 그러므로, 상기 에싱 및 스트립 공정을 통해, 상기 경화된 포토레지스트 패턴(104)을 완전히 제거하는 것이 용이하지 않다. 때문에, 상기 제1 박막(102)에는 탄소를 포함하는 유기 잔류물이 남아있게 된다. However, as in the present embodiment, when the plasma ion implant process in which the high energy is applied in the previous process is performed, the surface of the photoresist pattern 104 used as the mask is cured. Therefore, through the ashing and stripping process, it is not easy to completely remove the cured photoresist pattern 104. As a result, organic residues containing carbon remain in the first thin film 102.

이와는 달리, 포토레지스트 패턴(104)을 사용하지 않고 상기 불순물 이온 임플란트 공정이 수행된 경우에는 상기 포토레지스트 패턴(104)을 제거하는 공정이 필요하지 않다. 그러나, 상기 포토레지스트 패턴(104)을 사용하지 않는 경우라 하더라도, 상기 플라즈마 이온 임플란트 공정을 수행한 이 후에 제1 박막(102)에는 탄소를 포함하는 잔류물이 일부 남아있게 된다. In contrast, when the impurity ion implant process is performed without using the photoresist pattern 104, the process of removing the photoresist pattern 104 is not necessary. However, even when the photoresist pattern 104 is not used, some residues including carbon remain in the first thin film 102 after the plasma ion implantation process is performed.

도 3을 참조하면, 상기 불순물이 도핑된 제1 박막(102)에 산소 가스를 이용하는 열처리를 수행하여 상기 제1 박막 표면에 산화막(106)을 형성한다. 상기와 같이, 열처리를 수행하는 경우에는 상기 제1 박막(102)에 도핑된 불순물이 활성화된다. Referring to FIG. 3, an oxide film 106 is formed on a surface of the first thin film by performing a heat treatment using oxygen gas on the first thin film 102 doped with impurities. As described above, when the heat treatment is performed, impurities doped in the first thin film 102 are activated.

상기 열처리 중에 유입되는 산소는 상기 제1 박막(102) 상에 잔류하는 탄소와 결합하여 CO 또는 CO2가 되며, 이로 인해 상기 제1 박막(102) 상의 탄소들이 제거될 수 있다. 그러므로, 상기 제1 박막(102) 상에 잔류하는 탄소의 양이 종래에 비해 매우 감소하게 된다. Oxygen introduced during the heat treatment is combined with carbon remaining on the first thin film 102 to be CO or CO 2 , and thus carbons on the first thin film 102 may be removed. Therefore, the amount of carbon remaining on the first thin film 102 is greatly reduced compared to the conventional.

또한, 상기 제1 박막(102) 표면에 형성되는 산화막(106)이 후속 박막 형성 시에 박막 형성을 위한 가스와 탄소와의 결합을 막는 블록킹막 역할을 하게된다. 그러므로, 상기 제1 박막(102) 상에 잔류하는 탄소에 의해서 파티클이 발생되는 불량이 감소된다. In addition, the oxide film 106 formed on the surface of the first thin film 102 serves as a blocking film to prevent the gas and carbon from bonding to form a thin film at a subsequent thin film formation. Therefore, defects in which particles are generated by carbon remaining on the first thin film 102 are reduced.

상기 열처리는 900 내지 1000℃정도에서 60 내지 300초로 진행할 수 있으며, 이는 형성하고자하는 트랜지스터의 특성에 따라 달라질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 열처리는 950℃에서 약 120초 동안 진행할 수 있다. The heat treatment may be performed at about 900 to about 1000 seconds to about 60 to about 300 seconds, which may vary depending on the characteristics of the transistor to be formed. More specifically, the heat treatment may proceed for about 120 seconds at 950 ℃.

도 4를 참조하면, 상기 산화막(106) 상에 질화물을 포함하는 제2 박막(108)을 형성한다. 상기 제2 박막(108)은 실리콘 질화물로 이루어지며, 화학기상증착법에 의해 형성할 수 있다. Referring to FIG. 4, a second thin film 108 including nitride is formed on the oxide film 106. The second thin film 108 is made of silicon nitride, and may be formed by chemical vapor deposition.

상기 제2 박막(108)을 형성하는 공정에서 반응 가스로 제공되는 질소와 상기 제1 박막(102) 상에 잔류하는 탄소가 결합하면서 탄소 및 질소가 포함되는 파티클이 다량 생성될 수 있다. 상기 파티클은 상기 제2 박막(108)의 표면 상에 뭉쳐진 형태를 가지면서 생성된다. 상기 생성된 파티클은 상기 제2 박막(108)과 식각 특성이 달라서, 후속의 패터닝 공정 시에 불량을 유발시키는 원인이 된다. In the process of forming the second thin film 108, a large amount of particles containing carbon and nitrogen may be generated while the nitrogen provided as a reaction gas and the carbon remaining on the first thin film 102 are combined. The particles are produced while having the shape of being agglomerated on the surface of the second thin film 108. The generated particles have different etching characteristics from that of the second thin film 108, which may cause defects in subsequent patterning processes.

그런데, 상기 제2 박막(108)을 형성하기 이 전에 산소를 이용하는 열처리를 수행함으로써 상기 제1 박막(102) 표면의 탄소를 대부분 제거하였다. 그러므로, 상기 제2 박막(108)을 형성하는 동안에 생성되는 파티클의 수도 매우 감소하게 된다. However, most of the carbon on the surface of the first thin film 102 was removed by performing a heat treatment using oxygen before forming the second thin film 108. Therefore, the number of particles generated during the formation of the second thin film 108 is greatly reduced.

구체적으로, 상기 산소를 이용하는 열처리 공정을 수행하였을 때 상기 제2 박막(108) 표면에 발생되는 파티클의 수는, 열처리를 수행하지 않거나 질소를 이용하는 열처리 공정을 수행하였을 때 상기 제2 박막(108) 표면에 발생되는 파티클의 수의 약 1 내지 10% 정도 수준이 된다. Specifically, the number of particles generated on the surface of the second thin film 108 when the heat treatment process using oxygen is performed, when the heat treatment process using no heat treatment or nitrogen is performed, the second thin film 108 is performed. It is about 1 to 10% of the number of particles generated on the surface.

본 실시예에 의하면, 불순물이 도핑된 제1 박막, 산화막 및 질화물을 포함하는 제2 박막을 적층할 수 있다. 또한, 상기 제2 박막의 표면에 후속 공정에서 쇼트 불량을 유발하는 파티클이 생성되는 것을 억제할 수 있다. According to the present exemplary embodiment, a second thin film including a first thin film doped with an impurity, an oxide film, and a nitride may be stacked. In addition, it is possible to suppress the generation of particles causing short failure in the subsequent process on the surface of the second thin film.

도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 전극 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 이하에서는, 기판에 서로 다른 도전형의 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 포함하는 각각의 게이트 전극을 형성하는 방법에 대해 설명한다. 5 through 10 are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate electrode according to an exemplary embodiment of the present invention. Hereinafter, a method of forming each gate electrode including polysilicon doped with impurities of different conductivity types on a substrate will be described.

도 5를 참조하면, N형 트랜지스터가 형성되기 위한 제1 영역과 P형 트랜지스터가 형성되기 위한 제2 영역을 갖는 반도체 기판(200)이 마련된다.  Referring to FIG. 5, a semiconductor substrate 200 having a first region for forming an N-type transistor and a second region for forming a P-type transistor is provided.

반도체 기판(200)에 셸로우 트렌치 소자 분리 공정을 수행하여 소자 분리막 패턴(202)을 형성한다. 상기 소자 분리막 패턴(202)에 의해 액티브 영역 및 소자 분리 영역이 구분된다. A shallow trench device isolation process is performed on the semiconductor substrate 200 to form a device isolation layer pattern 202. The device isolation layer pattern 202 separates the active region and the device isolation region.

상기 제1 영역의 기판(200)에 채널 영역으로 제공되는 P-웰(도시안됨)을 형성하고, 상기 제2 영역의 기판(200)에 채널 영역으로 제공되는 N-웰(도시안됨)을 형성한다. A P-well (not shown) provided as a channel region is formed in the substrate 200 of the first region, and an N-well (not shown) provided as a channel region is formed in the substrate 200 of the second region. do.

상기 반도체 기판(200) 표면 상에 게이트 절연막(204)을 형성한다. 상기 게이트 절연막(204)은 열 산화 공정에 의해 형성되는 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 게이트 절연막(204)은 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 티타늄 산화물 또는 탄탈륨 산화물과 같은 금속 산화물로 형성될 수 있다. A gate insulating film 204 is formed on the surface of the semiconductor substrate 200. The gate insulating layer 204 may be formed of silicon oxide formed by a thermal oxidation process. Alternatively, the gate insulating layer 204 may be formed of a metal oxide such as hafnium oxide, zirconium oxide, titanium oxide, or tantalum oxide.

상기 게이트 절연막(204) 상에 불순물이 도핑되지 않은 폴리실리콘막(206)을 형성한다. 상기 폴리실리콘막(206)은 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정에 의해 형성될 수 있다. A polysilicon layer 206 having no impurities doped is formed on the gate insulating layer 204. The polysilicon film 206 may be formed by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process.

도 6을 참조하면, 상기 제2 영역 상에 위치하는 폴리실리콘막(206)을 덮는 제1 포토레지스트 패턴(208)을 형성한다. 즉, 상기 제1 포토레지스트 패턴(208)은 상기 제1 영역 상에 위치하는 폴리실리콘막(206) 부위를 노출하게 된다. Referring to FIG. 6, a first photoresist pattern 208 is formed to cover the polysilicon layer 206 positioned on the second region. That is, the first photoresist pattern 208 exposes a portion of the polysilicon layer 206 positioned on the first region.

상기 제1 포토레지스트 패턴(208)을 이온 주입 마스크로 사용하여 비소, 인과 같은 N형 불순물을 상기 폴리실리콘막(206)에 도핑시킨다. 상기 불순물을 도핑시키는 공정은 상기에서 설명한 것과 같이 플라즈마 이온 임플란트 공정에 의해 수행될 수 있다. 그러므로, 상기 플라즈마 이온 임플란트 공정을 수행한 이 후에는 상기 제1 포토레지스트 패턴(208)이 경화되고 용해성이 크게 저하된다.N-type impurities such as arsenic and phosphorus are doped into the polysilicon layer 206 by using the first photoresist pattern 208 as an ion implantation mask. The doping of the impurities may be performed by a plasma ion implant process as described above. Therefore, after the plasma ion implantation process is performed, the first photoresist pattern 208 is cured and the solubility is greatly reduced.

상기 N형 불순물을 도핑하는 공정을 수행하고 난 후, 도시하지는 않았지만, 에싱 및 스트립 공정을 수행하여 상기 제1 포토레지스트 패턴(208)을 제거한다. 그러나, 상기 제1 포토레지스트 패턴(208)을 제거한 이 후에도 상기 폴리실리콘막(206)에는 탄소를 포함하는 유기물이 남아있게 된다. After performing the process of doping the N-type impurities, although not shown, an ashing and stripping process is performed to remove the first photoresist pattern 208. However, even after the first photoresist pattern 208 is removed, the organic material including carbon remains in the polysilicon layer 206.

도 7을 참조하면, 상기 제1 영역 상에 위치하는 폴리실리콘막(206)을 덮는 제2 포토레지스트 패턴(210)을 형성한다. 즉, 상기 제2 포토레지스트 패턴(210)은 상기 제2 영역 상에 위치하는 폴리실리콘막(206) 부위를 노출하게 된다. Referring to FIG. 7, a second photoresist pattern 210 is formed to cover the polysilicon layer 206 positioned on the first region. That is, the second photoresist pattern 210 exposes a portion of the polysilicon layer 206 positioned on the second region.

상기 제2 포토레지스트 패턴(210)을 이온 주입 마스크로 사용하여 붕소와 같은 P형 불순물을 상기 폴리실리콘막(206)에 도핑시킨다. 상기 불순물을 도핑시키는 공정은 상기에서 설명한 것과 같이 플라즈마 이온 임플란트 공정에 의해 수행될 수 있다. 그러므로, 상기 플라즈마 이온 임플란트 공정을 수행한 이 후에는 상기 제2 포토레지스트 패턴(210)이 경화되고 용해성이 크게 저하된다.P-type impurities such as boron are doped into the polysilicon layer 206 using the second photoresist pattern 210 as an ion implantation mask. The doping of the impurities may be performed by a plasma ion implant process as described above. Therefore, after the plasma ion implantation process is performed, the second photoresist pattern 210 is cured and solubility is greatly reduced.

상기 P형 불순물을 도핑하는 공정을 수행하고 난 후, 도시하지는 않았지만, 에싱 및 스트립 공정을 수행하여 상기 제2 포토레지스트 패턴(210)을 제거한다. 그러나, 상기 제2 포토레지스트 패턴(210)을 제거한 이 후에도 상기 폴리실리콘막(206)에는 탄소를 포함하는 유기물이 남아있게 된다. After performing the process of doping the P-type impurities, although not shown, the second photoresist pattern 210 is removed by performing an ashing and stripping process. However, even after the second photoresist pattern 210 is removed, the organic material including carbon remains in the polysilicon layer 206.

도 8을 참조하면, 상기 제1 및 제2 영역에 각각 N형 불순물 및 P형 불순물이 도핑되어 있는 상기 폴리실리콘막(206)에 산소 가스를 이용하는 열처리를 수행하여 상기 폴리실리콘막(206) 표면에 산화막(212)을 형성한다. 상기와 같이, 열처리를 수행하는 경우에는 상기 폴리실리콘막(206)에 도핑된 불순물들이 활성화된다.Referring to FIG. 8, a surface of the polysilicon film 206 may be formed by performing a heat treatment using oxygen gas on the polysilicon film 206 doped with N-type impurities and P-type impurities in the first and second regions, respectively. An oxide film 212 is formed in the film. As described above, when the heat treatment is performed, impurities doped in the polysilicon film 206 are activated.

상기 열처리 중에 유입되는 산소는 상기 폴리실리콘막(206) 상에 잔류하는 탄소와 결합하여 CO 또는 CO2가 되며, 이로 인해 상기 폴리실리콘막 (206)상의 탄소들이 제거될 수 있다. 그러므로, 상기 폴리실리콘막(206) 상에 잔류하는 탄소의 양이 종래에 비해 매우 감소하게 된다. Oxygen introduced during the heat treatment is combined with carbon remaining on the polysilicon film 206 to form CO or CO 2 , and thus carbons on the polysilicon film 206 may be removed. Therefore, the amount of carbon remaining on the polysilicon film 206 is greatly reduced compared to the conventional.

도 9를 참조하면, 상기 산화막(212) 상에 실리콘 질화막(도시안됨)을 형성한다. 상기 실리콘 질화막은 LP-CVD 공정 또는 PE-CVD 공정을 통해 형성될 수 있다. 전술한 것과 같이, 상기 산소를 이용하는 열처리 공정에 의해 탄소가 대부분 제거되었으므로, 상기 공정에 의해 형성된 실리콘 질화막의 표면에는 파티클이 거의 생성되지 않게된다. Referring to FIG. 9, a silicon nitride film (not shown) is formed on the oxide film 212. The silicon nitride film may be formed through an LP-CVD process or a PE-CVD process. As described above, since most of the carbon has been removed by the heat treatment step using oxygen, particles are hardly generated on the surface of the silicon nitride film formed by the step.

이 후, 상기 실리콘 질화막 상에 제3 포토레지스트 패턴(도시안됨)을 형성한다. 상기 제3 포토레지스트 패턴은 게이트 전극이 형성될 부위를 마스킹하도록 형성된다. 상기 제3 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘 질화막을 식각함으로써 하드 마스크 패턴(214a)을 형성한다. Thereafter, a third photoresist pattern (not shown) is formed on the silicon nitride film. The third photoresist pattern is formed to mask a portion where the gate electrode is to be formed. The hard mask pattern 214a is formed by etching the silicon nitride layer using the third photoresist pattern as an etching mask.

한편, 상기 실리콘 질화막 표면에 파티클이 생성되어 있는 경우에는, 상기 식각 공정을 수행하더라도 상기 파티클 부위가 거의 식각되지 않게된다. 때문에, 상기 파티클 아래의 실리콘 질화막이 식각되지 않은 상태로 남아있게 되어 상기 하드 마스크 패턴(214a)이 정상적인 형태로 형성되지 않게 된다. 그러나, 본 실시예에 의하면 상기 실리콘 질화막 표면에 파티클이 거의 생성되지 않으므로, 상기 실리콘 질화막의 일부가 식각되지 않아서 상기 하드 마스크 패턴(214a)에 불량이 발생되는 것을 감소시킬 수 있다. On the other hand, when particles are formed on the surface of the silicon nitride film, the particle portion is hardly etched even when the etching process is performed. Therefore, the silicon nitride film under the particle remains unetched, so that the hard mask pattern 214a is not formed in a normal shape. However, according to the present exemplary embodiment, since hardly any particles are generated on the surface of the silicon nitride layer, a portion of the silicon nitride layer may not be etched to reduce the occurrence of defects in the hard mask pattern 214a.

도 10을 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(214a)을 식각 마스크로 상기 산화막(212), 폴리실리콘막(206)을 식각한다. 상기 공정을 수행하면, 상기 제1 영역에는 제1 폴리실리콘 패턴(206a), 산화막 패턴(212a) 및 하드 마스크 패턴(214a)이 적층된 NMOS 트랜지스터용 게이트 구조물(218a)이 형성되고, 상기 제2 영역에는 제1 폴리실리콘 패턴(206b), 산화막 패턴(212a) 및 하드 마스크 패턴(214a)이 적층된 PMOS 트랜지스터용 게이트 구조물(218b)이 형성된다. 이 때, 상기 하드 마스크 패턴(214a)에 불량이 발생되지 않으므로, 상기 게이트 구조물들(218a, 218b)에는 쇼트 또는 브릿지 불량이 발생되지 않는다. Referring to FIG. 10, the oxide layer 212 and the polysilicon layer 206 are etched using the hard mask pattern 214a as an etch mask. When the process is performed, an NMOS transistor gate structure 218a including a first polysilicon pattern 206a, an oxide layer pattern 212a, and a hard mask pattern 214a is formed in the first region, and the second region is formed. In the region, a gate structure 218b for a PMOS transistor in which a first polysilicon pattern 206b, an oxide film pattern 212a and a hard mask pattern 214a are stacked is formed. In this case, since no defect occurs in the hard mask pattern 214a, no short or bridge defect occurs in the gate structures 218a and 218b.

이하에서는, 본 발명의 일실시예의 조건 및 이와 비교하기 위한 조건들에 따 라 불순물 이온 임플란트 공정 및 후속 처리를 한 후 탄소의 오염 정도를 비교하고 그 결과를 기술하고자 한다. 박막의 탄소 오염이 후속의 질화막 형성 시에 파티클을 발생시키는 원인이 되므로, 상기 탄소 오염 정도를 비교함으로써 파티클이 감소됨을 알 수 있다. Hereinafter, the degree of contamination of carbon after the impurity ion implant process and subsequent treatment according to the conditions of one embodiment of the present invention and the conditions to be compared will be described and the results are described. Since carbon contamination of the thin film causes particles to be generated during subsequent nitride film formation, it can be seen that particles are reduced by comparing the degree of carbon contamination.

비교 실험Comparative experiment

비교예 1Comparative Example 1

기판 상에 1000Å의 두께로 도핑되지 않은 폴리실리콘막을 증착하였다. 이 후, 상기 폴리실리콘막에 붕소를 도핑하였다. 상기 붕소의 도핑은 플라즈마 이온 임플란트 공정으로 수행하였다. 상기 이온 임플란트 공정은 포토레지스트 패턴을 형성하지 않은 상태로 수행하였다. An undoped polysilicon film was deposited on the substrate to a thickness of 1000 kPa. Thereafter, boron was doped into the polysilicon film. The doping of the boron was performed by a plasma ion implant process. The ion implant process was performed without forming a photoresist pattern.

비교예 2Comparative Example 2

기판 상에 1000Å의 두께로 도핑되지 않은 폴리실리콘막을 증착하였다. 이 후, 상기 폴리실리콘막에 붕소를 도핑하였다. 상기 붕소의 도핑은 플라즈마 이온 임플란트 공정으로 수행하였다. 상기 이온 임플란트 공정은 포토레지스트 패턴을 형성하지 않은 상태로 수행하였다. 다음에, 상기 폴리실리콘막에 도핑된 붕소의 확산을 위해 질소 분위기에서 기판을 열처리하였다. An undoped polysilicon film was deposited on the substrate to a thickness of 1000 kPa. Thereafter, boron was doped into the polysilicon film. The doping of the boron was performed by a plasma ion implant process. The ion implant process was performed without forming a photoresist pattern. Next, the substrate was heat-treated in a nitrogen atmosphere for diffusion of boron doped into the polysilicon film.

실시예 Example

기판 상에 1000Å의 두께로 도핑되지 않은 폴리실리콘막을 증착하였다. 이 후, 상기 폴리실리콘막에 붕소를 도핑하였다. 상기 붕소의 도핑은 플라즈마 이온 임플란트 공정으로 수행하였다. 상기 이온 임플란트 공정은 포토레지스트 패턴을 형성하지 않은 상태로 수행하였다. 다음에, 상기 폴리실리콘막에 도핑된 붕소의 확산을 위해 산소 분위기에서 기판을 열처리하였다. An undoped polysilicon film was deposited on the substrate to a thickness of 1000 kPa. Thereafter, boron was doped into the polysilicon film. The doping of the boron was performed by a plasma ion implant process. The ion implant process was performed without forming a photoresist pattern. Next, the substrate was heat-treated in an oxygen atmosphere for diffusion of boron doped into the polysilicon film.

도 11은 상기 각 비교예들 및 실시예들에 대해 각각 탄소의 함량을 나타내는 SIMS 프로파일이다. FIG. 11 is a SIMS profile showing the content of carbon for each of the comparative examples and examples.

도 11에서, 도면부호 150으로 표시된 부분은 비교예 1의 폴리실리콘막에서 측정된 탄소의 SIMS 프로파일이고, 도면부호 152로 표시된 부분은 비교예 2의 폴리실리콘막에서 측정된 탄소의 SIMS 프로파일이고, 도면부호 154로 표시된 부분은 실시예의 폴리실리콘막에서 측정된 탄소의 SIMS 프로파일이다.In FIG. 11, the portion denoted by reference numeral 150 is a SIMS profile of carbon measured in the polysilicon film of Comparative Example 1, and the portion denoted by 152 is a SIMS profile of carbon measured in the polysilicon film of Comparative Example 2, The portion indicated at 154 is the SIMS profile of carbon measured in the polysilicon film of the example.

도 11을 참조하면, 비교예 1 및 2에 의해 형성된 폴리실리콘막의 탄소의 함량에 비해 실시예에 의해 형성된 폴리실리콘막의 탄소의 함량이 매우 적음을 알 수 있다. Referring to FIG. 11, it can be seen that the carbon content of the polysilicon film formed by the example is very small compared to the carbon content of the polysilicon films formed by the comparative examples 1 and 2.

이와같이, 상기 불순물이 도핑된 폴리실리콘막에 탄소 함량이 작은 경우에는 후속에 형성되는 질화막에 파티클이 생성되지 않는다. 그러므로, 본 발명의 일실시예의 방법에 의하면 박막 상에 생성되는 파티클을 억제할 수 있다. As such, when the carbon content is small in the polysilicon film doped with the impurity, particles are not formed in the nitride film formed subsequently. Therefore, according to the method of an embodiment of the present invention, it is possible to suppress particles generated on the thin film.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 박막 상에 발생되는 파티클을 억제할 수 있다. 그러므로, 상기 박막의 특성을 향상시킬 수 있으며, 상기 박막을 패터닝할 때 상기 파티클에 의해 발생되는 쇼트 또는 브릿지 불량을 감소시킬 수 있다. 이와같이, 상기 파티클에 의해 발생되는 불량이 감소됨으로써 반도체 소자의 제조 수율을 높힐 수 있다. 구체적으로, 게이트 전극을 형성하기 위한 공정에서의 불량 이 감소됨으로써 고 성능을 갖는 MOS 트랜지스터를 형성할 수 있다. As described above, according to the present invention, particles generated on the thin film can be suppressed. Therefore, the characteristics of the thin film can be improved, and short or bridge failure caused by the particles when patterning the thin film can be reduced. As such, the defects caused by the particles are reduced, thereby increasing the manufacturing yield of the semiconductor device. Specifically, the defect in the process for forming the gate electrode is reduced, so that a MOS transistor having high performance can be formed.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. And can be changed.

도1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 구조물 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1 to 4 are cross-sectional views illustrating a method of forming a thin film structure according to an embodiment of the present invention.

도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 전극 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 5 through 10 are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 11은 상기 각 비교예들 및 실시예들에 대해 각각 탄소의 함량을 나타내는 SIMS 프로파일이다. FIG. 11 is a SIMS profile showing the content of carbon for each of the comparative examples and examples.

Claims (8)

기판 상에 제1 박막을 형성하는 단계; Forming a first thin film on the substrate; 상기 제1 박막의 일부 영역에 불순물을 도핑시키는 단계;Doping impurities into a portion of the first thin film; 상기 불순물이 도핑된 제1 박막에 산소 가스를 이용하는 열처리를 수행하여, 상기 제1 박막에 잔류하는 유기물을 제거하면서 상기 제1 박막 표면에 산화막을 형성하는 단계; 및Performing a heat treatment using oxygen gas on the first thin film doped with impurities to form an oxide film on the surface of the first thin film while removing organic substances remaining in the first thin film; And 상기 산화막 상에 질화물로 이루어지는 제2 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 구조물 형성 방법. And forming a second thin film made of nitride on the oxide film. 제1항에 있어서, 상기 불순물을 도핑시키는 단계는, The method of claim 1, wherein the doping the impurities, 상기 제1 박막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;Forming a photoresist pattern on the first thin film; 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하는 이온 주입 공정을 통해 상기 제1 박막의 일부 영역에 불순물을 도핑하는 단계; 및Doping impurities into a portion of the first thin film through an ion implantation process using the photoresist pattern as a mask; And 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 구조물 형성 방법. And removing the photoresist pattern. 제1항에 있어서, 제1 박막은 폴리실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 구조물 형성 방법. The method of claim 1, wherein the first thin film comprises polysilicon. 제1항에 있어서, 상기 제2 박막은 실리콘 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 구조물 형성 방법.The method of claim 1, wherein the second thin film comprises silicon nitride. 제1항에 있어서, 상기 불순물을 도핑시키는 단계는 플라즈마가 인가되는 이온 임플란트 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 박막 구조물 형성 방법.The method of claim 1, wherein the doping of the impurities is performed through an ion implant process to which plasma is applied. 기판 상에 폴리실리콘막을 형성하는 단계;Forming a polysilicon film on the substrate; 상기 폴리실리콘막의 제1 영역 상에 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;Forming a first photoresist pattern on the first region of the polysilicon film; 상기 제1 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하는 제1 이온 주입 공정을 통해 상기 폴리실리콘막의 제1 영역에 제1 도전형의 제1 불순물을 도핑시키는 단계;Doping a first conductive type first impurity into a first region of the polysilicon layer through a first ion implantation process using the first photoresist pattern as a mask; 상기 폴리실리콘막으로부터 상기 제1 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계;Removing the first photoresist pattern from the polysilicon film; 상기 폴리실리콘막에 산소 가스를 이용하는 열처리를 수행하여, 상기 제1 박막에 잔류하는 유기물을 제거하면서 상기 폴리실리콘막 표면에 산화막을 형성하는 단계; Performing a heat treatment using oxygen gas on the polysilicon film to form an oxide film on the surface of the polysilicon film while removing organic substances remaining in the first thin film; 상기 산화막 상에 실리콘 질화막을 형성하는 단계; Forming a silicon nitride film on the oxide film; 상기 실리콘 질화막을 패터닝하여 하드 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및Patterning the silicon nitride film to form a hard mask pattern; And 상기 하드 마스크 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 산화막, 폴리실리콘막을 식각함으로써 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 전극 형성 방법.And forming a gate electrode by etching the oxide layer and the polysilicon layer using the hard mask pattern as an etching mask. 제6항에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 패턴을 제거한 후에,The method of claim 6, wherein after removing the first photoresist pattern, 상기 폴리실리콘막 상에 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;Forming a second photoresist pattern on the polysilicon film; 상기 제2 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하는 제2 이온 주입 공정을 통해 상기 폴리실리콘막의 제2 영역에 제2 도전형의 제2 불순물을 도핑시키는 단계; 및Doping a second conductivity type second impurity in a second region of the polysilicon layer through a second ion implantation process using the second photoresist pattern as a mask; And 상기 제2 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 게이트 전극 형성 방법. Removing the second photoresist pattern. 제6항에 있어서, 상기 불순물을 도핑시키는 단계는 플라즈마가 인가되는 이온 임플란트 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 박막 구조물 형성 방법.The method of claim 6, wherein the doping of the impurities is performed through an ion implant process to which plasma is applied.
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