KR100831673B1 - 희생 산화물층을 도입한 게이트 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
희생 산화물층을 도입한 게이트 형성 방법을 제시한다. 본 발명에 따르면, 반도체 기판 상에 폴리 실리콘층을 형성하고, 표면을 습식 오존 산화하여 희생 산화물층을 형성한다. 습식 오존 산화는 반도체 기판을 회전하고, 폴리 실리콘층 표면에 순수를 분사하며 오존 가스를 분사하여 희생 산화물층을 형성한다. 희생 산화물층 상에 이온 주입 마스크를 형성하고 선택적 이온 주입을 수행한 후, 이온 주입 마스크 및 희생 산화물층을 제거한다. 폴리 실리콘층 표면 상에 금속층을 형성한다.
산소 플라즈마 산화, 오존 산화, 희생 산화물층, 이중 게이트, 폴리 실리콘 도핑
Description
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 희생 산화물층을 도입한 게이트 형성 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 오존 산화 과정을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 오존 산화 과정에 의한 희생 산화물층 성장을 설명하기 위해서 도시한 측정 그래프들이다.
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히, 폴리 실리콘층(poly-silicon layer) 상에 희생 산화물층을 도입하여 게이트를 형성하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 게이트를 폴리 실리콘층을 포함하여 형성할 때, 폴리 실리콘층 내에 도펀트(dopant)를 주입하는 이온 주입 과정이 도입되고 있다. 이러한 이온 주입 과정 중에 폴리 실리콘층의 일부 특정 영역에만 선택적으로 이온 주입을 수행하기 위해 폴리 실리콘층 상에 포토레지스트(PR: photoresist) 마스크(mask)를 도 입할 수 있다.
예컨대, CMOS 트랜지스터 구조에서 요구되는 이중 게이트(dual gate) 구조에서 폴리 실리콘층을 채용할 경우, 폴리 실리콘층에는 N형 도펀트 및 P형 도펀트가 서로 다른 영역에 이온 주입 도핑(doping)되고 있다. 이러한 경우, 선택적 이온 주입을 위한 포토레지스트 마스크의 도입이 이온 주입 과정 중에 요구되고 있다.
그런데, 이러한 포토레지스트 마스크는 폴리 실리콘층에의 이온 주입이 다수 차례 수행됨에 따라, 과중하게 이온 주입된 상태의 포토레지스트(heavy implanted PR)로 변화되게 된다. 이에 따라, 이온 주입 후 PR 제거가 상당히 어려워지고 있으며, 이에 따라, 건식 스트립(dry strip) 후에 상당한 후속 습식 세정(post wet cleaning) 과정이 요구되고 있다.
이러한 PR 제거 과정에서 하부의 폴리 실리콘층을 보호하고 또한, PR 스트립을 보다 용이하게 하기 위해서, 폴리 실리콘층의 표면에 희생 산화물층을 수십 Å 두께로 도입하는 시도가 이루어지고 있다. 이러한 희생 산화물층은 산소 플라즈마(O2 plasma) 처리를 이용한 건식 산화 방식을 이용하여 형성될 수 있다.
그런데, 이러한 건식 산화 방식은 산소 플라즈마에 의한 이온 피격(ion bombardment)을 하부의 폴리 실리콘층 표면에 유발하여, 이에 따른 폴리 실리콘층 표면에의 표면 손상(surface damage)을 유발할 수 있다. 이러한 폴리 실리콘층 표면 손상은, 폴리 실리콘층의 특성 열화 또는 도핑된 폴리 실리콘층 상에 후속 형성되는 텅스텐(W)층의 막질 특성을 열화시키는 요인으로 작용할 수 있다.
또한, 산소 플라즈마 발생 과정에 수반되는 금속 이온 발생에 의해, 폴리 실리콘층 표면에 금속 이온의 원하지 않는 주입에 따른 금속 오염(metal contamination) 등이 유발될 수 있다. 이러한 표면 손상 및 금속 오염 등은 게이트 동작 또는 트랜지스터의 동작에 오류를 유발하는 요인으로 작용하는 것으로 평가될 수 있다.
이에 따라, 희생 산화물층을 보다 개선된 방식으로 도입하고자 하는 시도들이 수행되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 폴리 실리콘층의 표면 손상을 방지할 수 있으며 개선된 막질 특성을 구현할 수 있는 희생 산화물층 형성 방법을 제시하여, 개선된 특성의 게이트를 형성하는 방법을 제시하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 반도체 기판 상에 폴리 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 폴리 실리콘층 표면을 습식 오존 산화하여 희생 산화물층을 형성하는 단계, 상기 희생 산화물층 상에 이온 주입 마스크를 형성하고 선택적 이온 주입을 수행하는 단계, 상기 이온 주입 마스크 및 상기 희생 산화물층을 제거하는 단계, 및 상기 폴리 실리콘층 표면 상에 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 게이트 형성 방법을 제시한다.
상기 습식 오존 산화는 상기 반도체 기판을 회전하는 단계, 상기 폴리 실리콘층 표면에 순수를 분사하는 단계, 및 상기 순수의 제공과 함께 오존 가스를 분사 하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 순수는 상온 내지 90℃의 온도로 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 폴리 실리콘층의 표면 손상을 방지할 수 있으며 개선된 막질 특성, 예컨대, 산화된 두께 균일도를 개선을 구현할 수 있는 희생 산화물층 형성 방법을 제시하여, 이러한 희생 산화물층을 형성하고 제거하는 과정을 포함하는 게이트 형성 방법을 제시할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는, 매엽식 장비(single tool)에서 습식 오존(wet ozone)을 이용하여, 폴리 실리콘층 표면을 산화시켜 희생 산화물층을 형성하는 방법을 제시한다. 예컨대, 회전하는 반도체 기판 상에 형성된 폴리 실리콘층 표면에 순수 및 오존 가스를 분사하여, 실리콘(Si) 표면에 순간적으로 오존 함유 순수(ozonated water)의 계면(boundary)을 형성하고, 오존의 산화 작용에 의해 실리콘 표면에 얇고 균일한 산화물층을 형성할 수 있다.
이때, 산화물층의 성장 속도는 반도체 기판의 회전수(RPM), 온도, 및 오존 농도에 의존할 수 있다. 예컨대, 산화물층의 성장 속도는 회전수의 증가, 또는, 순수의 온도 또는 오존 농도가 높을수록 증가될 수 있다. 특히, 산화물층의 성장 속 도는 순수의 온도 및 오존의 농도에 상대적으로 크게 의존하고 있다.
이와 같이 습식 오존을 이용한 산화 방식은, 플라즈마를 이용하는 경우에 비해, 플라즈마에 의해 유발되는 폴리 실리콘층 표면에의 손상을 방지할 수 있다. 이에 따라, 도핑된 폴리 실리콘층의 표면 특성을 개선할 수 있으며, 폴리 실리콘층 표면 상에 형성되는 텅스텐층의 막질 특성 개선을 유도할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 희생 산화물층을 도입한 게이트 형성 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 오존 산화 과정을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(100)에 도시되지는 않았으나 소자 분리를 얕은 트렌치 소자 분리(STI)로 형성한다. 이후에, 소자 분리에 의해 설정된 액티브 영역(active region) 상에 바람직하게 열산화물층 등의 산화물층의 게이트 유전층(200)을 형성한다. 게이트 유전층(200) 상에 게이트를 위한 층으로 폴리 실리콘층(300)을 형성한다.
도 2를 참조하면, 폴리 실리콘층(300) 표면을 오존을 이용하여 산화시켜 희생 산화물층(400)을 성장시킨다. 이때, 오존을 이용하는 산화 과정은 오존을 함유하는 순수의 계면을 폴리 실리콘층(300) 표면에 순간적으로 형성하고, 오존의 산화 작용에 의해 실리콘 표면에 얇고 균일한 산화물층을 형성할 수 있는 습식 오존 산화 과정으로 수행될 수 있다.
예컨대, 도 5에 제시된 바와 같은 매엽식 장비(single tool)의 챔버(710) 내의 홀더(holder)와 같은 기판 장착부(730)에, 폴리 실리콘층(300)이 증착된 반도체 기판(100)을 장착한다. 이후에, 반도체 기판(100)을 회전시키며, 반도체 기판(100) 표면, 즉, 폴리 실리콘층(300)의 표면에 순수(DIW) 및 오존 가스(O3)를 분사한다.
이때, 노즐(nozzle)을 포함하는 순수 분사부(751)는 순수 공급부(771)로부터 공급되는 순수를 반도체 기판(100) 표면 또는/ 및 후면에 분사하게 배치 설치될 수 있다. 또한, 노즐(nozzle)을 포함하는 오존 가스 분사부(755)는 오존 가스 공급부(775)로부터 공급되는 오존 가스를 반도체 기판(100) 표면 또는/ 및 후면에 분사하게 배치 설치될 수 있다.
이와 같이 순수 및 오존 가스가 동시에 반도체 기판(100) 표면에 제공됨에 따라, 오존이 함유된 순수의 계면이 폴리 실리콘층(300) 표면에 형성되고, 오존의 산화 작용에 의해서 폴리 실리콘층(300) 표면에 실리콘 산화물층이 성장하게 된다.
이때, 도 2 및 도 5에 제시된 바와 같이 형성되는 실리콘 산화물층을 희생 산화물층(400)으로 이용한다. 이러한 희생 산화물층(400)은 오존의 산화 작용에 의해 얇고 균일한 막질로 형성되는 데, 희생 산화물층(400)의 성장 속도는 기판(100)의 회전 속도, 오존의 농도 및 순수의 온도 등에 의존하게 된다.
기판(100)은 희생 산화물층(400)이 보다 균일한 두께로 형성되도록 유도하기 위해서 고속, 예컨대, 대략 1000 내지 2000 RPM 정도로 회전될 수 있다. 순수는 상온, 예컨대, 대략 23℃ 정도 온도 내지 대략 90℃ 정도 온도로 공급될 수 있다. 이러한 순수의 온도는 희생 산화물층(400)의 두께에 크게 영향을 미치는 데, 대략 60 내지 90℃의 온도 정도로 공급되는 것이 희생 산화물층(400)의 성장 두께를 고려할 때 바람직하다.
오존의 농도 또한 다양하게 제어될 수 있으며, 오존의 농도가 증가할수록 희생 산화물층(400)의 두께 성장 속도가 증가될 수 있다. 오존의 농도는 대략 170GPM(g/㎥) 정도로 제어될 수 있다.
이러한 습식 오존 산화 과정은 대략 30초 내지 120초 정도 수행될 수 있으며, 이러한 오존 산화 과정에 의해 성장되는 희생 산화물층(400)은 대략 수 Å 내지 수십 Å, 심지어 100Å 두께까지 성장될 수 있다. 따라서, 희생 산화물층(400)으로 요구되는 대략 수십 Å 내지 100Å 정도 두께까지 이러한 습식 오존 산화로 희생 산화물층(400)이 성장될 수 있다.
이러한 희생 산화물층(400)은 산소 플라즈마를 이용하는 경우와 달리 오존에 의한 산화 과정을 이용하여 형성되므로, 하부의 폴리 실리콘층(300)에 플라즈마 손상을 유발하지 않으며, 또한, 플라즈마 발생에 따른 금속 이온 오염을 유발하지 않게 된다. 또한, 고속 회전에 따라 희생 산화물층(400)은 기판(100) 전체에 걸쳐 균일한 두께로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 희생 산화물층(400) 상에 폴리 실리콘층(300)에의 선택적 이온 주입을 위한 마스크(500)로서 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이후에, PR 마스크(500)에 의해 노출된 영역에 이온 주입을 수행한다. 이에 따라, 폴리 실리콘층(300)의 마스크(500)에 의해 가려진 제1영역(301)과 다른 도펀트로 폴리 실리콘층(300)의 열린 제2영역(303)에 이온 주입이 수행된다.
초기의 폴리 실리콘층(300)은 도핑(doping)되지 않은 상태로 증착되거나 또 는 증착 과정에 도핑(doping) 과정이 함께 수반되며 형성될 수 있다. 도핑되지 않은 상태로 증착된 경우, 증착 후 이온 주입 과정 또는 확산 등과 같은 다양한 형태의 도핑 과정을 수행하여 폴리 실리콘층(300)의 전체에 제1도전형의 도펀트를 도핑할 수 있다. 예컨대, 폴리 실리콘층(300)에 N형 도펀트를 도핑한다.
이러한 도핑은 이온 주입 과정으로 수행될 수 있으며, 이온 주입 과정으로 수행될 경우 희생 산화물층(400) 상에 마스크(500)를 형성하기 이전에 제1이온 주입으로 수행될 수 있다.
이후에, 마스크(500)를 이용하는 제2이온 주입은 제1도전형의 도펀트와 다른 제2도전형의 도펀트, 예컨대, P형 도펀트를 이온 주입하는 과정으로 수행될 수 있다. 이에 따라, 서로 다른 도펀트들로 도핑된 폴리 실리콘층 제1영역(301) 및 폴리 실리콘층 제2영역(303)이 형성될 수 있다.
이때, 희생 산화물층(400)은 이온 주입 과정들에서의 표면 손상 발생을 방지하는 버퍼층(buffer layer)으로 작용할 수 있다. 또한, 이러한 폴리 실리콘층(300) 형성 과정은 PMOS 및 NMOS를 함께 형성하는 이중 게이트 형성 과정으로 이해될 수 있다.
도 3을 다시 참조하면, 폴리 실리콘층(300)에 선택적으로 이온 주입을 수행한 후, 도 4에 제시된 바와 같이 마스크(500)로 사용된 PR을 선택적으로 제거한다. 이때, PR 마스크(500)는 다수 차례의 이온 주입들에서 마스크로 사용되어 이온 주입된 상태이므로, 상대적으로 용이하게 스트립되기 어려운 상태일 수 있다. 이러한 PR 마스크(500)를 제거할 때, 희생 산화물층(400)을 제거함으로써 이러한 PR 마스 크(500)의 제거를 보다 용이하게 유도할 수 있다.
즉, PR 마스크(500)를 애슁(ashing) 등과 같은 건식 스트립 과정으로 일차 제거하고, 후속 습식 세정 과정으로 PR 잔류물을 세정하되, 희생 산화물층(400)이 함께 제거되도록 할 수 있다. 이러한 희생 산화물층(400)의 제거에 의해 PR 잔류물 등은 보다 신뢰성있게 폴리 실리콘층(300) 표면으로부터 제거될 수 있다.
폴리 실리콘층(300) 표면 상에 텅스텐(W)층(600)과 같은 금속층을 형성한 후, 게이트 패터닝 과정을 수행하여 게이트를 형성한다. 이때, 텅스텐 실리사이드층의 생성을 위한 실리사이드화 열처리 과정을 도입할 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 오존 산화 과정에 의한 희생 산화물층 성장은 도 6에 제시된 바와 같은 측정 그래프들의 결과로 평가될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 오존 산화 과정에 의한 희생 산화물층 성장을 설명하기 위해서 도시한 측정 그래프들이다.
도 6을 참조하면, 170GPM의 오존 농도에서, 상온(23.5℃)으로 순수를 공급한 경우에 측정된 산화물층 성장 그래프(810)는, 대략 30초 내지 120초 정도 시간 동안의 산화에서 산화물층의 성장 두께가 대략 5 내지 7Å 근처 이하로 측정되고 있다. 따라서, 그래프(810)의 경향을 고려할 때, 이러한 차가운 순수를 이용한 오존 산화의 경우 산화물층의 두께는 대략 10Å 포화(saturation)될 것으로 예측된다.
이에 비해, 대략 80℃의 온도로 순수를 공급한 경우의 산화물층 성장 그래프(850)는 보다 두꺼운 두께가 성장되는 것으로 측정되고 있다. 즉, 대략 2분 정도의 산화 시간 동안 대략 22Å 두께 정도까지 성장하는 것으로 측정되고 있다. 따라서, 승온된 뜨거운 순수(hot DIW)를 이용하는 것이 요구되는 희생 산화물층(400)의 두께를 구현하는 데 보다 유리하다. 특히, 대략 60 내지 90℃의 온도 범위에서 오존 산화가 수행되는 것이 이러한 희생 산화물층(400)의 두께를 구현하는 데 보다 유리한 것으로 측정된다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
상술한 본 발명에 따르면, 게이트를 이루는 폴리 실리콘층에의 플라즈마 손상 및 금속 오염 등의 발생을 방지하며, 폴리 실리콘층 표면에 희생 산화물층을 오존 산화를 이용하여 형성할 수 있다.
기판을 고속 회전시키며 순수 및 오존 가스를 표면 상에 분사함으로써, 폴리 실리콘층 표면에 오존 함유 순수의 계면 형성을 유도할 수 있다. 이에 따라, 폴리 실리콘층의 오존에 의한 산화를 유도하여, 균일한 두께의 희생 산화물층을 폴리 실리콘층 표면에 형성할 수 있다.
Claims (3)
- 삭제
- 반도체 기판 상에 폴리 실리콘층을 형성하는 단계;상기 반도체 기판을 회전하는 단계;상기 폴리 실리콘층 표면에 순수를 분사하는 단계;상기 순수의 제공과 함께 오존 가스를 분사하여 상기 폴리 실리콘층 표면을 습식 오존 산화하여 희생 산화물층을 형성하는 단계;상기 희생 산화물층 상에 이온 주입 마스크를 형성하고 선택적 이온 주입을 수행하는 단계;상기 이온 주입 마스크 및 상기 희생 산화물층을 제거하는 단계; 및상기 폴리 실리콘층 표면 상에 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 형성 방법.
- 제2항에 있어서,상기 순수는 상온 내지 90℃의 온도로 제공되는 것을 특징으로 하는 게이트 형성 방법.
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