KR20100106789A - 무기계 실리콘 전구체를 이용한 실리콘 산화막의 형성 방법및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

무기계 실리콘 전구체를 이용한 실리콘 산화막의 형성 방법및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

무기계 실리콘 전구체를 이용한 실리콘 산화막의 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다. 상기 반도체 장치의 제조 방법은 기판 상에 터널 절연막 및 전하 저장막을 순차적으로 형성하고, 전하 저장막 상에 실리콘 산화물로 형성된 제1 유전막, 제1 유전막 상에 제1 유전막을 형성하는 물질과 상이한 물질로 형성된 제2 유전막 및 제2 유전막 상에 실리콘 산화물로 형성된 제3 유전막을 포함하는 유전막 구조체를 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법을 이용하여 형성하고, 상기 유전막 구조체 상에 컨트롤 게이트를 형성하는 것을 포함하되, 실리콘 산화물로 형성된 제1 및 제3 유전막은 무기계 실리콘 전구체를 포함하는 제1 가스, 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스 및 산화 가스를 포함하는 제3 가스를 이용하여 형성한다.
반도체 장치, 실리콘 산화막, 무기계 실리콘 전구체

Description

무기계 실리콘 전구체를 이용한 실리콘 산화막의 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법{Fabficating method of silicon oxide using inorgarnic silicon precursor and fabficating method of semiconductor device using the same}
본 발명은 실리콘 산화막의 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 무기계 실리콘 전구체를 이용한 실리콘 산화막의 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 장치가 고집적화됨에 따라 반도체 소자를 제조하는 것이 매우 어려워지고 있다. 특히, 반도체 장치의 제조에 이용되는 박막, 예컨대 실리콘 산화막 등을 기판 상에 스텝 커버리지(step coverage)를 갖도록 형성하는 것이 매우 어려워지고 있다.
예를 들어, 다수의 메모리 셀(또는 게이트 스택)을 포함하는 플래시 메모리 장치에서 전하 저장막과 컨트롤 게이트 사이에 개재된 게이트간 유전막(또는 터널링 절연막)을 형성하는 경우, 인접한 메모리 셀 사이의 스페이스(space)에 보이드가 형성되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
한편, BTBAS(Bis(Tertiary-Butylamine)Silane) 등과 같은 유기계 실리콘 전구체를 이용한 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법을 통하여 실리콘 산화막을 형성하는 경우 비록 스텝 커버리지가 향상될 수는 있으나, 유기계 실리콘 전구체에 포함된 C, N 성분 등에 의해 형성된 실리콘 산화막의 막질이 열화될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스텝 커버리지 뿐만 아니라 향상된 막질을 가지는 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 태양에 따른 반도체 장치의 제조 방법은 기판 상에 터널 절연막 및 전하 저장막을 순차적으로 형성하고, 전하 저장막 상에 실리콘 산화물로 형성된 제1 유전막, 제1 유전막 상에 제1 유전막을 형성하는 물질과 상이한 물질로 형성된 제2 유전막 및 제2 유전막 상에 실리콘 산화물로 형성된 제3 유전막을 포함하는 유전막 구조체를 ALD 방법을 이용하여 형성하고, 상기 유전막 구조체 상에 컨트롤 게이트를 형성하는 것을 포함하되, 실리콘 산화물로 형성된 제1 및 제3 유전막은 무기계 실리콘 전구체를 포함하는 제1 가스, 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스 및 산화 가스를 포함하는 제3 가스를 이용하여 형성한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 태양에 따른 반도체 장치의 제조 방법은 기판 상에 구조체를 형성하고, 구조체 상에 무기계 실리콘 전구체를 포함하는 제1 가스, 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스 및 산화 가스를 포함 하는 제3 가스를 이용하여 ALD 방법으로 실리콘 산화막을 형성하는 것을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법을 나타내는 타이밍도이다.
우선, 반응 챔버 내에 실리콘 산화막이 형성될 대상체(구체적으로, 기판 상에 형성된 구조체)를 위치시킨다. 이어서, 적정 온도 및 압력을 조절한 후, 무기계 실리콘 전구체를 포함하는 제1 가스를 챔버 내에 공급한다. 그러면, 대상체 상에 무기계 실리콘 전구체가 흡착된다.
여기서, 무기계 실리콘 전구체는 C, N 성분을 포함하는 유기계 실리콘 전구체와는 달리, C, N 성분을 포함하지 않는 화합물일 수 있다. 이러한, 무기계 실리콘 전구체로는 예를 들어, DCS(DiChloroSilane; SiH2Cl2), TCS(TriChloroSilane; SiHCl3), HCD(HexaChloroDisilane; Si2Cl6) 등을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 DCS를 이용할 수 있다. 특히, DCS의 경우 다른 무기계 실리콘 전구체보다 Si 원소와 Cl 원소의 수가 많으므로, 상대적으로 반응성이 좋을 수 있다.
이어서, 챔버 내부로 퍼지 가스, 예를 들어, N2, He 또는 Ar 가스를 공급하여, 챔버 내에 잔류하는(또는 미반응) 무기계 실리콘 소스 전구체를 제거한다. 그러면 대상체 상에 흡착된 무기계 실리콘 전구체가 원자층 수준으로 얇게 형성된다.
이어서, 챔버 내에 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스 및 산화 가스를 포함하는 제3 가스를 동시에 공급한다. 산화 가스를 포함하는 제3 가스는 대상체 상에 흡착된 무기계 실리콘 소스 전구체를 산화시키는 역할을 하며, 예를 들어, O2, O3, H2O, N2O 등이 사용될 수 있다.
반면, 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스는 산화 가스와 함께 제공되어 무기계 실리콘 전구체와 산화 가스의 화학적 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 제2 가스로 수소 가스(H2)를 이용하여 설명하나, 이에 한정하는 것은 아니다.
구체적으로, HCD와 같은 무기계 실리콘 전구체와 N2O와 같은 산화 가스를 사 용하여 실리콘 산화막을 형성하는 경우, HCD의 Cl과 반응하여 HCD를 활성화시킬 수 있는 물질이 존재하지 않아 HCD와 N2O 사이의 반응이 원활히 일어나지 않을 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에서는 N2O와 함께 제공된 H2가 HCD의 Cl과 반응하여 HCD를 활성화시킬 수 있으므로, HCD와 N2O 사이의 반응이 원활히 진행되어 효과적으로 실리콘 산화물이 형성될 수 있다. 또한, HCD의 Cl과 반응하여 HCD를 활성화시킬 수 있는 H2O와 같은 산화 가스를 사용하여 실리콘 산화막을 형성하는 경우에도, H2O와 함께 제공된 H2가 HCD의 Cl과 반응하여 HCD를 보다 활성화시킬 수 있으므로 실리콘 산화물을 보다 효과적으로 형성할 수 있다.
한편, 여기서 산화 가스와 함께 제공되는 수소 가스의 양은 산화 가스의 양보다 적을 수 있다. 예를 들어, 수소 가스는 산화 가스와 무기계 실리콘 전구체의 반응을 보조할 수 있을 정도로만 충분히 적은 양이 제공될 수 있다. 하지만, 이에 한정하는 것은 아니며 산화 가스와 함께 제공되는 수소 가스의 양은 산화 가스의 양과 실질적으로 동일할 수도 있다.
이어서, 챔버 내부로 퍼지 가스, 예를 들어 N2, He 또는 Ar 가스를 공급하여 챔버 내에 잔류하는 산화 가스 및 수소 가스를 제거한다. 그러면 1 사이클의 실리콘 산화막 형성 공정이 완성되어, 대상체 상에 원자층 수준의 실리콘 산화막이 형성된다.
이후 상기 공정을 반복 수행함으로써, 대상체 상에 적절한 두께의 실리콘 산 화막을 형성할 수 있다.
이어서, 실리콘 산화막의 막질을 향상시키기 위하여 대상체 상에 적절한 두께로 형성된 실리콘 산화막을 열처리를 한다. 여기서, 열처리는 예를 들어, 다른 CVD 산화막과 같은 증착온도로 850℃ ~ 1050℃ 에서 수행하여 막질을 향상시킬 수 있다.
이에 의해 형성된 실리콘 산화막은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법 등에 의해 형성된 실리콘 산화막에 비해 막질이 향상될 수 있다. 이에 대해서는 이하 실험예에서 도 3 내지 도 4b를 참고하여 구체적으로 후술하기로 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 실리콘 산화막은 스텝 커버리지가 좋기 때문에, 종횡비(aspect ratio)가 큰 구조체 상에 보이드 없이 컨포말하게 형성될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 산화막은 무기계 실리콘 전구체를 사용하여 형성되므로, 유기계 실리콘 전구체를 사용하는 경우와 달리 C, N 등의 불순물이 실리콘 산화막 내에 포함하지 않을 수 있다. 즉, C, N 등에 의한 전하 트랩 사이트(charge trap site) 등이 발생하지 않으므로, 실리콘 산화막의 막질이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 무기계 실리콘 전구체는 유기계 실리콘 전구체에 비해 높은 온도에서 분해되므로, 유기계 실리콘 전구체를 사용하는 경우에 비해 비교적 높은 온도에서 ALD 공정을 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라 형성된 실리콘 산화막은 유기계 실리콘 전구체를 이용하는 경우보다 막질이 향상될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법을 나타내 는 타이밍도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법과 달리, 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스와 산화 가스를 포함하는 제3 가스가 동시에 제공되지 않을 수 있다.
구체적으로, 실리콘 산화막이 형성될 대상체가 배치된 챔버 내에 무기계 실리콘 전구체를 포함하는 제1 가스를 공급한 후, 퍼지 가스를 공급하여 챔버 내에 잔류하는 무기계 실리콘 소스 전구체를 제거한다. 여기서, 무기계 실리콘 전구체는 앞에서 설명한 바와 같이, DCS, TCS, HCD 등일 수 있으며, 바람직하게 DCS를 이용할 수 있다.
이어서, 챔버 내에 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스를 공급한다. 이에 의해, 무기계 실리콘 전구체 예컨대, HCD의 Cl이 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스와 반응하여 HCD가 활성화될 수 있다.
이어서, 챔버 내부로 퍼지 가스, 예를 들어 N2, He 또는 Ar 가스를 공급하여 챔버 내에 잔류하는 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스를 제거한다.
이어서, 챔버 내에 산화 가스를 포함하는 제3 가스를 공급하여, 대상체 흡착되며 활성화된 무기계 실리콘 소스 전구체를 산화시킨다. 여기서, 산화 가스를 포함하는 제3 가스는 예를 들어, , O2, O3, H2O, N2O 등이 사용될 수 있다.
이어서, 챔버 내부로 퍼지 가스, 예를 들어 N2, He 또는 Ar 가스를 공급하여 챔버 내에 잔류하는 산화 가스를 포함하는 제3 가스를 제거한다.
이후 상기 공정을 반복 수행함으로써, 대상체 상에 적절한 두께의 실리콘 산화막을 형성할 수 있다.
이어서, 실리콘 산화막의 막질을 향상시키기 위하여 대상체 상에 적절한 두께로 형성된 실리콘 산화막을 열처리를 한다. 여기서, 열처리는 예를 들어, 다른 CVD 산화막과 같은 증착온도로 850℃ ~ 1050℃ 에서 수행하여 막질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 보다 상세한 내용은 다음의 구체적인 실험예들을 통하여 설명하며, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다.
실험예 1 - 실리콘 산화막의 식각 내성 및 표면 조도(surface roughness) 측정
하기와 같은 실험예 및 비교예에 대해서 실험을 실시하였다.
실험예에서는 무기계 실리콘 전구체 및 산화 가스로 HCD 및 N2O를 각각 사용하는 ALD 방법을 이용하여 실리콘 산화막을 형성하였다. 반면, 비교예에서는 MTO(Medium Temperature deposition of Oxide) 산화막을 CVD 방법을 이용하여 형성하였다.
실험예와 비교예에 따라 실리콘 산화막을 형성한 뒤 HF를 이용하여 30초 동안 실리콘 산화막을 식각하였으며, 이에 대한 결과를 도 2에 나타내었다. 도 3에서 그래프 a 및 c는 각각 실시예 및 비교예에 따라 형성된 실리콘 산화막의 식각 정도를 나타내며, 그래프 b 및 d는 실시예 및 비교예에 따라 형성된 실리콘 산화막을 830 ℃에서 30분간 열처리한 후의 식각 정도를 나타낸 것이다.
그래프 a 및 c를 참고하면, 실험예에 따라 형성된 실리콘 산화막이 비교예에 따라 형성된 실리콘 산화막에 비해 식각 내성이 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 그래프 a 내지 d를 참고하면, 열처리된 실리콘 산화막이 그렇지 않은 경우보다 식각 내성이 보다 우수한 것을 알 수 있다.
실험예 및 비교예에 따라 형성된 실리콘 산화막의 표면 조도(surface toughness)를 측정하기 위하여, 실리콘 산화막의 표면을 촬영하였으며 그 결과를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 도 4a는 실험예에 따라 형성된 실리콘 산화막의 표면 사진이며, 도 4b는 비교예에 따라 형성된 실리콘 산화막의 표면 사진이다. 도 4a 및 도 4b를 참고하면, 실험예의 실리콘 산화막이 비교예의 실리콘 산화막에 비하여 표면 조도가 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 무기계 실리콘 전구체를 이용한 ALD 방법에 의하여 형성된 실리콘 산화막은 CVD로 형성된 실리콘 산화막에 비해 식각 내성 뿐만 아니라 표면 조도가 우수한 것을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법을 이용한 구체적인 반도체 장치의 제조 방법에 대하여 설명한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 플래시 메모리 장치를 제조하는 것을 예로 들어 설명하나, 이에 한정하는 것은 아니다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다. 도 8은 도 6의 유전막 구조체의 형성 방법을 구체적으로 설명하기 위한 타이밍도이다.
우선 도 5를 참고하면, 기판(10) 상에 터널 절연막(110) 및 전하 저장막(120)을 순차적으로 형성한다. 터널 절연막(110)은 전하의 터널링에 대한 에너지 장벽을 제공하며, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 고유전율 물질(high-k material)을 포함할 수 있다. 여기서, 고유전 물질은 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 하프늄알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물과 같은 금속 산화물 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 터널 유전막(110)은 유전 상수(dielectric constatnt) 뿐만 아니라 에너지 장벽(energy bandgap) 성질을 고려하여 다양한 물질들로 형성될 수 있다.
전하 저장막(120)은 전하를 저장하는 역할을 한다. 이러한 전하 저장막은, 예컨대 플래시 메모리 장치가 플로팅 게이트형인 경우에는 폴리 실리콘막과 같은 도전성 물질로 형성될 수 있으며, 플래시 메모리 장치가 전하 트랩형인 경우에는 실리콘 질화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 하프늄 질화 산화물, 하프늄 실리콘 산화물, 텅스텐 도프드 알루미늄 산화물, 나노닷 등으로 형성될 수 있다.
여기서, 터널 절연막(110) 및 전하 저장막(120)을 형성하는 것은 예를 들어, 기판(10) 상에 프리(pre) 터널 절연막, 프리 전하 저장막 및 마스크막을 순차적으로 형성하고, 프리 터널 절연막, 프리 전하 저장막 및 마스크막을 패터닝하여 소자 분리막(20)을 형성한 뒤, 마스크막을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정하는 것은 아니며, 터널 절연막(110) 및 전하 저장막(120)을 형성하는 것은 다양한 다른 방법에 의하여 형성할 수 있음을 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 이해할 수 있을 것이다.
도 6 및 도 8을 참고하면, 전하 저장막(120) 상에 실리콘 산화물로 형성된 제1 유전막(131), 실리콘 산화물과 상이한 물질로 형성된 제2 유전막(133), 실리콘 산화물로 형성된 제3 유전막(135)을 포함하는 유전막 구조체(130)를 ALD 방법을 이용하여 형성한다. 여기서, 유전막 구조체(130)는 플래시 메모리 장치가 플로팅 게이트형인 경우에는 게이트간 유전막일 수 있으며, 플래시 메모리 장치가 전하 트랩형인 경우에는 블록킹 유전막일 수 있다.
이하에서, 제2 유전막(133)을 실리콘 질화막으로서 유전막 구조체(130)를 인시츄(in-situ)로 형성하는 경우를 예시적으로 설명한다.
우선, 챔버 내에 전하 저장막(120)이 형성된 반도체 기판(10)을 위치시킨다. 이어서, 적정 온도 및 압력을 조절한 후, 무기계 실리콘 소스 전구체를 포함하는 제1 가스를 챔버 내에 공급한다. 그러면, 대상체 상에 무기계 실리콘 전구체가 흡착된다. 여기서, 무기계 실리콘 소스 전구체는 앞에서 설명한 바와 같이 예를 들어, DCS, TCS, HCD 등을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 DCS를 이용할 수 있다.
이어서, 챔버 내부로 퍼지 가스, 예를 들어, N2, He 또는 Ar 가스를 공급하여, 챔버 내에 잔류하는 무기계 실리콘 소스 전구체를 제거한다. 그러면 전하 저장막(120) 상에 흡착된 무기계 실리콘 전구체가 원자층 수준으로 얇게 형성된다.
이어서, 챔버 내에 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스 및 산화 가스를 포함하는 제3 가스를 동시에 공급한다. 여기서, 산화 가스는 상기에서 설명한 바와 같이 전하 저장막(120) 상에 흡착된 무기계 실리콘 소스 전구체를 산화시키는 역할을 하며, O2, O3, H2O, N2O 등을 포함할 수 있다. 반면, 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스는 산화 가스와 함께 제공되어 무기계 실리콘 전구체와 산화 가스의 화학적 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 여기서 산화 가스와 함께 제공되는 수소 가스의 양은 산화 가스의 양보다 적을 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 산화 가스와 함께 제공되는 수소 가스의 양은 산화 가스의 양과 실질적으로 동일할 수도 있다.
이어서, 챔버 내부로 퍼지 가스, 예를 들어 N2, He 또는 Ar 가스를 공급하여 챔버 내에 잔류하는 산화 가스 및 수소 가스를 제거한다. 그러면 1 사이클의 실리콘 산화막의 형성 공정이 완성되어, 대상체 상에 원자층 수준의 실리콘 산화물이 형성된다.
상기 과정을 반복 수행함으로써 전하 저장막(120) 상에 적정 두께의 실리콘 산화막으로 이루어진 제1 유전막(131)을 형성한다.
이어서, 챔버 내에 무기계 실리콘 전구체를 공급한다. 그러면, 제1 유전막(131) 상에 무기계 실리콘 전구체가 흡착된다.
이어서, 챔버 내부로 퍼지 가스, 예를 들어, N2, He 또는 Ar 가스를 공급하여 챔버 내에 잔류하는 전구체를 제거한 후, 챔버 내에 질화 가스를 공급하여 실리 콘 질화막을 형성한다. 여기서, 질화 가스는 N2, NH3 또는 NO 등을 사용할 수 있다. 이어서, 챔버 내부로 퍼지 가스를 공급하여, 챔버 내에 잔류하는 질화 가스를 제거한다. 그러면, 1 사이클의 실리콘 질화막의 형성 공정이 완성되어, 제1 유전막(131) 상에 원자층 수준의 실리콘 질화막이 형성된다.
상기 과정을 반복 수행함으로써 제1 유전막(131) 상에 적정 두께의 실리콘 질화막으로 이루어진 제2 유전막(133)을 형성한다.
이어서, 제2 유전막(133) 상에 실리콘 산화물로 이루어진 제3 유전막(135)을 형성하여 유전막 구조체(130)를 완성한다. 여기서, 제3 유전막(135)은 상기 제1 유전막(131)을 형성하는 방법과 실질적으로 동일한 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
이어서, 유전막 구조체(130)를 850℃ - 1050℃에서 열처리한다.
이에 의해 형성된 유전막 구조체(130)는 스텝 스텝 커버리지가 좋기 때문에, 종횡비가 큰 전하 저장막(120) 사이의 스페이스에 보이드 없이 컨포말하게 형성할 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 유전막(131, 133, 135)를 인시츄로 형성하므로, 공정 시간이 줄어드는 등 공정이 간단해질 수 있다.
나아가, 무기계 실리콘 전구체를 이용하여 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 형성하므로, 유기계 실리콘 전구체를 사용하는 경우와 달리 C, N 등의 불순물이 실리콘 산화막 내에 포함되지 않을 뿐만 아니라, C 등의 불순물이 실리콘 질화막 내에 포함되지 않을 수 있다. 즉, C, N 등의 불순문에 의한 전하 트랩 등이 발생하지 않으므로, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막의 막질이 향상되어 반도체 장치의 신뢰성이 향상될 수 있다.
뿐만 아니라, 무기계 실리콘 전구체는 유기계 실리콘 전구체에 비해 높은 온도에서 분해되므로, 유기계 실리콘 전구체를 사용하는 경우에 비해 비교적 높은 온도에서 ALD 공정이 진행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 포함하는 유전막 구조체(130)는 유기계 실리콘 전구체를 이용하는 경우보다 막질이 향상될 수 있다.
한편, 이상에서는 유전막 구조체(130)의 제2 유전막(133)이 실리콘 질화막으로 형성된 경우로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예에서 제2 유전막(133)은 알루미늄 산화막과 같은 다른 유전물질로 형성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 제1 및 제3 유전막(131, 135)의 실리콘 산화막을 도 1의 타이밍도에 따라 형성하는 경우로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시에에서 제1 및 제3 유전막(131, 135)의 실리콘 산화막은 도 2의 타이밍도에 따라 형성될 수도 있다.
도 7을 참고하면, 유전막 구조체(130) 상에 컨트롤 게이트(140)를 형성한다. 컨트롤 게이트(140)는 예를 들어, 폴리실리콘으로 형성되거나, 금속 전극 물질, 예를 들어 TaN, TiN, WN 및 W을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 또는 그 조합으로 형성될 수 있다.
본 발명에 관한 보다 상세한 내용은 다음의 구체적인 실험예들을 통하여 설명한다.
실험예 2 - 반도체 장치에서의 누설 전류 측정
하기와 같은 제1 및 제2 실험예와 제1 내지 제3 비교예에 대해서 실험을 실시하였다. 각 실험예와 비교예에서는 도 7의 플래시 메모리 구조체에서 터널 유전막과 전하 저장막 및 컨트롤 게이트는 각각 실리콘 산화막과 폴리 실리콘으로 동일하게 형성하였으며, 단지 실리콘 산화막/실리콘 질화막/실리콘 산화막으로 형성된 유전막 구조체만을 다르게 형성하였다.
제1 및 제2 실험예는 유전막 구조체를 ALD 방법을 이용하여 인시츄로 형성하였다. 구체적으로, 실리콘 산화막은 이상에서 설명한 바와 같이 무기계 실리콘 전구체(HCD) 공급 ? 퍼지(Ar) ? 산화 가스(N2O) 및 수소 가스 공급 ? 퍼지(Ar) 공정으로 이루어진 사이클을 반복하여 형성하였다. 반면에, 실리콘 질화막은 실리콘 전구체(HCD) 공급 ? 퍼지(Ar) ? 질화 가스(NH3) 공급 ? 퍼지(Ar) 공정으로 이루어진 사이클을 반복하여 형성하였다. 이에 의해 형성된 제1 및 제2 실험예의 유전막 구조체의 EOT(Equivalent Oxide Thickness)는 각각 122 Å, 111 Å였다.
제1 내지 제3 비교예는 유전체 구조체를 CVD 방법을 이용하여 익시츄(ex-situ)로 형성하였다. 구체적으로, 실리콘 산화막은 사일렌(silane)과 N2O를 이용하여 형성하였으며, 실리콘 질화막은 실리콘 소스와 NH3를 이용하여 형성하였다. 이에 의해 형성된 제1 내지 제3 비교예의 유전막 구조체의 EOT는 각각 138 Å, 125 Å 및 113 Å 였다.
그 후, 컨트롤 게이트에 인가되는 전압을 달리하면서 제1 및 제2 실험예와 제1 내지 제3 비교예에서 누설 전류를 측정하고 그 결과를 도 9에 도시하였다.
도 9를 참고하면, 비교예들에 비해 실험예들의 경우 누설 전류가 상대적으로 작은 것을 알 수 있다. 구체적으로, 실험예 1과 비교예 2는 EOT가 122 Å 및 125 Å 로서 서로 비슷하지만 실험예 1의 경우 비교예 2에 비해 누설 전류가 감소된 것을 알 수 있다, 유사하게, 실험예 2와 비교예 3도 EOT가 111 Å 및 113 Å로서 서로 비슷하지만, 실험예 2의 경우 비교예 3에 비해 누설 전류가 감소된 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따라 형성된 유전막 구조체는 누설 전류 특성이 향상되므로, 이를 이용하여 형성된 반도체 장치의 신뢰성이 향상될 수 있다.
한편, 이상에서는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법을 이용하여 플래시 메모리 장치에서 게이트간 유전막(또는 터널링 유전막)을 형성하는 것을 설명하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법은 고접직화된 반도체 장치에서 게이트 구조체(또는 게이트 스택) 상에 형성되는 게이트 스페이서를 형성하거나, 종횡비가 큰 트렌치 내에 실리콘 산화막을 컨포말하게 형성하여 소자 분리막을 형성하는 것 등에 이용될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법은 다수의 돌출 구조체 또는 리세스 구조체 등에 보이드 없이 실리콘 산화막을 컨포말하게 형성하는 데 이용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법을 나타내는 타이밍도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 산화막의 형성 방법을 나타내는 타이밍도이다.
도 3 내지 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 산화막을 이용한 실험예을 설명하는 도면들이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 8은 도 6의 유전막 구조체의 형성 방법을 구체적으로 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 이용한 실험예를 설명하는 도면이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
10: 기판 20: 소자 분리막
130: 유전막 구조체 131: 제1 유전막
133: 제2 유전막 135: 제3 유전막
140: 컨트롤 게이트

Claims (10)

  1. 기판 상에 터널 절연막 및 전하 저장막을 순차적으로 형성하고,
    상기 전하 저장막 상에 실리콘 산화물로 형성된 제1 유전막, 상기 제1 유전막 상에 상기 제1 유전막을 형성하는 물질과 상이한 물질로 형성된 제2 유전막 및 상기 제2 유전막 상에 상기 실리콘 산화물로 형성된 제3 유전막을 포함하는 유전막 구조체를 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법을 이용하여 형성하고,
    상기 유전막 구조체 상에 컨트롤 게이트를 형성하는 것을 포함하되,
    상기 실리콘 산화물로 형성된 상기 제1 및 제3 유전막은 무기계 실리콘 전구체를 포함하는 제1 가스, 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스 및 산화 가스를 포함하는 제3 가스를 이용하여 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제3 유전막을 형성하는 것은
    상기 제1 가스를 제공하고,
    제1 퍼지 가스를 제공하여 상기 미반응 제1 가스를 제거하고,
    상기 제2 및 제3 가스를 동시에 제공하고,
    제2 퍼지 가스를 제공하여 상기 미반응 제2 및 제3 가스를 제거하는 것을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 가스의 양은 상기 제3 가스의 양보다 적게 제공하는 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제3 유전막을 형성하는 것은
    상기 제1 가스를 제공하고,
    제1 퍼지 가스를 제공하여 상기 미반응 제1 가스를 제거하고,
    상기 제2 가스를 제공하고,
    제2 퍼지 가스를 제공하여 상기 미반응 제2 가스를 제거하고,
    상기 제3 가스를 제공하고,
    제3 퍼지 가스를 제공하여 상기 미반응 제3 가스를 제거하는 것을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 무기계 실리콘 전구체로 HCD(hexadichloroslane)를 이용하는 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 유전막은 실리콘 질화물로 형성되며,
    상기 유전막 구조체는 인시츄(in-situ)로 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤 게이트를 형성하기 전에 상기 유전막 구조체를 열처리하는 것을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 기판 상에 구조체를 형성하고,
    상기 구조체 상에 무기계 실리콘 전구체를 포함하는 제1 가스, 수소 가스 또는 수소 성분을 포함하는 제2 가스 및 산화 가스를 포함하는 제3 가스를 이용하여 ALD 방법으로 실리콘 산화막을 형성하는 것을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 무기계 실리콘 전구체로 HCD(hexadichloroslane)를 이용하는 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 구조체는 기판 상에 형성된 게이트 스택이며,
    상기 실리콘 산화막을 이용하여 게이트 스페이서를 형성하는 것을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
KR1020090024976A 2009-03-24 2009-03-24 무기계 실리콘 전구체를 이용한 실리콘 산화막의 형성 방법및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법 KR101583608B1 (ko)

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