(57)【要約】【課題】半導体素子の製造工程で行なわれるストリップ工程及び洗浄工程の際に使用される化学溶液の下部層への浸透を防止することができる半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】下部層の形成された半導体基板を提供する段階と、後続工程時に使用される溶液の前記下部層への浸透を防止するために、少なくとも２層膜が形成され、前記膜の間の境界面でのグレインバウンダリー構造を互いに異ならせるために、前記２層膜のうち下層膜の上面に対してＮ２パージ工程を行ない、前記下層膜の上面のグレインバウンダリー構造を変化させる段階とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）下部層の形成された半導体基板を提供する段階と、
（ｂ）後続工程の際に使用される溶液の前記下部層への浸透を防止するために少なくとも２層膜が形成され、前記膜の間の境界面でのグレインバウンダリー構造を互いに異ならせるために、前記２層膜のうち下層膜の上面に対してＮ２パージ工程を行ない、前記下層膜の上面のグレインバウンダリー構造を変化させる段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記２層膜がポリシリコン層であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記Ｎ２パージ工程が前記下層膜の蒸着工程とインサイチューで行なわれることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記Ｎ２パージ工程がＮ２ガスで圧力０.１Torr以上、且つ０.５Torr以下、温度５８０℃以上、且つ６５０℃以下の範囲で行なわれることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記２層膜が、ＳｉＨ４ガスで圧力０.１Torr以上、且つ０.５Torr以下、温度５８０℃以上、且つ６５０℃以下の範囲で行なわれる蒸着工程によって形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造方法に係り、特に、半導体素子の製造工程で行なわれるストリップ(strip)工程及び洗浄(cleaning)工程の際に用いられる化学溶液の下部層への浸透を防止することができる半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体素子の製造工程時にはストリップ(strip)工程及び洗浄(cleaning)工程が行なわれる。ストリップ工程及び洗浄工程には化学溶液としてＨＦ及びＢＯＥ(Buffered Oxide Etchant；ＨＦとＮＨ４Ｆが１００:１または３００:１で混合された溶液)などが使用される。この溶液はエッチング特性をもっているため、下部層に浸透されると下部層が損傷を受けるおそれがある。
【０００３】
一例として、フラッシュ素子の製造工程での素子分離工程としてはＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)工程が用いられる。ＳＴＩ工程について簡略に説明すると、まず、半導体基板上にトンネル酸化膜、第１ポリシリコン膜(またはパッド酸化膜)及びパット窒化膜を順次蒸着した後、アイソレーションマスクを用いたエッチング工程を行ない、半導体基板内にトレンチ(trench)を形成する。次に、ウォール（ｗaｌｌ）酸化工程を行ない、前記トレンチの内部面にウォール酸化膜を形成する。前記トレンチ埋め込みのためにＨＤＰ(High Density Plasma)酸化膜を蒸着した後、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)工程と、パッド窒化膜を除去するためのストリップ工程とを順次行ない、素子分離膜を形成する。その後、フローティングゲート用の第２ポリシリコン膜蒸着工程を行う。
【０００４】
通常、工程の単純化を図るため、第１ポリシリコン膜として単層(mono layer)を蒸着する。これにより、第１ポリシリコン膜のグレインバウンダリー(grain boundary)の構造は一律的にコラム(column)方向に向くことになる。この構造は、パッド窒化膜を除去するためのストリップ工程と後続前処理洗浄工程(第２ポリシリコン膜の蒸着前)の際に使用される化学溶液が、第１ポリシリコン膜のグレインバウンダリーを通過してトンネル酸化膜と半導体基板に浸透し易い構造である。このような化学溶液の浸透によりトンネル酸化膜と半導体基板は損傷を被ることになる。これにより、Ｆ−Ｎトンネリング(Fouler Nordheim Tunneling)方式によるフラッシュ素子のプログラム(program)及び消去(erase)動作の際、トンネル酸化膜の損傷が原因でチャンネルまたは接合層からフローティングゲートへの漏れ電流(leakage current)が発生してしまう。このため、フラッシュ素子の特性が低下するという問題点が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明は、かかる従来の問題点を解決するためのもので、その目的は、半導体素子の製造工程で行なわれるストリップ工程及び洗浄工程の際に使用される化学溶液の下部層への浸透を防止することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、化学溶液の浸透による下部層の損傷を防止することにある。
【０００７】
また、本発明のさらに他の目的は、フラッシュ素子の製造工程に使用される化学溶液の浸透によるトンネル酸化膜の損傷を防止することにある。
【０００８】
究極的に、本発明のさらに他の目的は、半導体素子の製造工程時に使用される化学溶液の浸透により発生する下部層の損傷に起因した半導体素子の特性低下を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面によれば、下部層の形成された半導体基板を提供する段階と、後続工程時に使用される溶液の前記下部層への浸透を防止するために少なくとも２層膜が形成され、前記膜間の境界面でのグレインバウンダリー構造を互いに異ならせるために、前記２層膜のうち下層膜の上面に対してＮ２パージ工程を行ない、前記下層膜の上面のグレインバウンダリー構造を変化させる段階とを含む半導体素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、境界面でのグレインバウンダリー構造が互いに異なる膜で積層されたポリシリコン層を形成することにより、後続工程で行なわれるストリップ工程及び洗浄工程の際に用いられる溶液(例えば、ＨＦ、ＢＯＥ)のポリシリコン層の下部層への浸透を防止することができる。
【００１１】
したがって、本発明は、半導体素子の製造工程時に使用される化学溶液の浸透によって発生する下部層の損傷に起因した半導体素子の特性低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面及び表１を参照して本発明の好適な実施例を説明する。後述する本発明の好適な実施例は、本発明の開示を完全にすると共に、通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものである。
【００１３】
図１及び図２は本発明の好適な実施例に係る半導体素子の製造方法を段階的に説明するために示した断面図である。表１は図１及び図２の工程に使用される工程条件(recipe)である。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
図１（ａ）に示すように、半導体基板10上に下部層12を形成する。前記下部層12は酸化膜、窒化膜、絶縁膜及び導電膜のいずれか一つ、或いは少なくとも２つ以上が積層された膜から構成される。
【００１６】
図１（ｂ）に示すように、表１に記載された第１工程を段階別に行ない、下部層12上に第１ポリシリコン膜14ａを蒸着する。この際、第１ポリシリコン膜14ａの厚さは最終目標値のポリシリコン層14（図２（ｃ）参照）の厚さの１／３にすることが好ましい。
【００１７】
前記第１工程のプリー蒸着段階は、蒸着工程を行うに先立ち、蒸着チャンバ(図示せず)の雰囲気を造成するために行なわれる。プリー蒸着段階は、圧力０.１Torr以上、且つ０.５Torr以下、好ましくは０.２Torr、温度５８０℃以上、且つ６５０℃以下、好ましくは６２０℃で行なわれる。この条件で蒸着チャンバ内に１２５ｃｃのＳｉＨ４ガスが供給される。ここで、ＳｉＨ４ガスの流入量は１２５ｃｃに限定されのではなく、工程により変動することができる。プリー蒸着段階はＳｉＨ４ガス供給後１分以内に行うことが望ましい。
【００１８】
前記第１工程の蒸着段階は、プリー蒸着段階の工程条件と同一の圧力及び温度を維持した状態でＳｉＨ４ガスの流入量を２５０ｃｃに増加させて行うことが好ましい。ここで、ＳｉＨ４ガスの流入量は２５０ｃｃに限定されるのではなく、目標の厚さによって変動することができる。また、蒸着段階の工程時間も目標の厚さによって変動することができる。
【００１９】
前記第１工程のポンプ段階は、下部層12上に第１ポリシリコン膜14ａが蒸着されたた後、反応されずに蒸着チャンバ内に存在する未反応ガスを外部に排出するために行う。前記ポンプ段階は、蒸着チャンバ内に存在する未反応ガスが全て排出されるまで行なわれる。ここでは、工程の進行を考慮して１分程度行うことが望ましい。
【００２０】
前述したプリー蒸着段階、蒸着段階及びポンプ段階を行うことで、第１工程が完了する。これにより、下部層12上には第１ポリシリコン膜14ａが蒸着される。このように蒸着された第１ポリシリコン膜14ａの上部には、図３（ａ）に示すように多数のシリコン原子（Ｓｉ）が存在することになる。
【００２１】
図１（ｃ）に示すように、２層膜のうち下層膜となる第１ポリシリコン膜14ａの上面に対してＮ２パージ(purge)工程として、Ｎ２ガスを用いたパージ(purge)工程が行なわれる。前記Ｎ２パージ工程は図１（ｂ）の第１工程（下層膜となる第１ポリシリコン膜14ａの蒸着工程）との遅延時間なしにインサイチュー(in-situ)で行う。また、前記パージ工程は、前記第１工程の圧力及び温度条件と同一の条件でＮ２ガスを供給して１分間行うことが望ましい。即ち、Ｎ２パージ工程がＮ２ガスで圧力０.１Torr以上、且つ０.５Torr以下、温度５８０℃以上、且つ６５０℃以下の範囲で行なわれる。
【００２２】
前記パージ工程により、図３（ｂ）に示すように、第１ポリシリコン膜14ａの上面でシリコン原子（Ｓｉ）と窒素原子（Ｎ）がお互いに置換反応を起こす。これにより、図３（ｃ）に示すように、第１ポリシリコン膜14ａの上面にはシリコン原子（Ｓｉ）よりも窒素原子（Ｎ）が多く存在することになる。よって、下層膜となる第１ポリシリコン膜14ａの上面でグレインバウンダリーの構造が変わる。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、前記第１工程と同一の条件で第２工程を行ない、第１ポリシリコン膜14ａ上には第２ポリシリコン膜14ｂを蒸着する。前記第２工程は、前記第１工程と同様にプリー蒸着段階、蒸着段階及びポンプ段階から構成される。
【００２４】
この時、第１ポリシリコン膜14ａの上部表面では、第２ポリシリコン膜14ｂが前記第１ポリシリコン膜14ａ上面のグレインバウンダリー構造と同一の構造で蒸着されない。一般に、シリコン膜は同一のグレインバウンダリーに成長しながら蒸着される。しかし、第１ポリシリコン膜14ａの上面には窒素原子（Ｎ）がより多く含まれるので、第２ポリシリコン膜14ｂは第１ポリシリコン膜14ａ上面に結合されて成長しなくなる。なぜなら、第２ポリシリコン膜14ｂのシリコン原子（Ｓｉ）が第１ポリシリコン膜14ａの上面を構成する窒素原子（Ｎ）と結合されないからである。これにより、第２ポリシリコン膜14ｂの下面と第１ポリシリコン膜14ａ上面は完全結合されるのではなく、部分結合される。
【００２５】
図２（ｂ）を参照すると、図１（ｃ）で行われたＮ２パージ工程と同一の条件で第２ポリシリコン膜14ｂに対してパージ工程が行なわれる。これにより、図３（ｂ）に示すように、第１ポリシリコン膜14ａの上面でシリコン原子（Ｓｉ）と窒素原子（Ｎ）がお互いに置換反応を起こす。これにより、図３（ｃ）に示すように、第２ポリシリコン膜14ｂの上面にはシリコン原子（Ｓｉ）よりも窒素原子（Ｎ）がさらに多く存在することになる。よって、第１ポリシリコン膜14ａの上面と同様に第２ポリシリコン膜14ｂの上面でもグレインバウンダリーの構造が変わる。
【００２６】
図２（ｃ）を参照すると、前記第１工程及び第２工程と同一の条件で第３工程を行ない、第２ポリシリコン膜14ｂ上には第３ポリシリコン膜14ｃが蒸着する。これにより、それぞれ異なるグレインバウンダリー構造を有する膜14ａ〜14ｃからなるポリシリコン層14が形成される。
【００２７】
ポリシリコン層14は、前記複数の工程を経て、グレインバウンダリーの構造が互いに異なる膜から構成される。これにより、後続工程で行なわれるストリップ工程及び洗浄工程の際に使用される溶液(例えば、ＨＦ、ＢＯＥ)の下部層12への浸透を防止することができる。すなわち、各膜14ａ〜14ｃが接触部位で互いに異なるグレインバウンダリー構造を有しているため、同一のグレインバウンダリー構造を有する膜よりも、溶液が浸透し難い。
【００２８】
以上説明したポリシリコン層14は３層膜で構成されているが、これは本発明の技術的思想を好適な実施例で具体的に説明するためのもので、本発明はここに限定されるものではない。すなわち、本発明の好適な実施例に係るポリシリコン層14は２層膜で構成することもでき、高集積化及び工程上の難しさを考慮しないならば、４層膜以上で構成することもできる。また、各膜の蒸着工程後、Ｎ２パージ工程を行ない、各膜の境界面でのグレインバウンダリーの構造を互いに異ならせる。また、本発明の好適な実施例はポリシリコン層にのみ限定されるのではなく、Ｎ２パージ工程によってグレインバウンダリーの構造を変化し得る膜であれば構わない。
【００２９】
次に、このような本発明の好適な実施例に係るポリシリコン層の製造方法を一例としてフラッシュ素子の製造工程に適用した場合について説明する。トンネル酸化膜(図示せず)が蒸着された半導体基板が提供され、前記トンネル酸化膜の上部に、図１及び図２で説明した本発明の好適な実施例に係るポリシリコン層を形成する。その後、その上部にパッド窒化膜(図示せず)を蒸着した後、ＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)工程を行ない、素子分離膜(図示せず)を形成し、パッド窒化膜ストリップ工程と洗浄工程(フローティングゲート用ポリシリコン膜の蒸着前)を行う。この場合、ストリップ工程と洗浄工程の際に使用されるＨＦ及びＢＯＥなどの溶液のトンネル酸化膜への浸透を、積層膜を有するポリシリコン層によって防止することができる。
【００３０】
以上説明した本発明の技術的思想は好適な実施例で具体的に記述されたが、上記実施例は本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。また、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想の範囲内で様々な実施例が可能であることを理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の好適な実施例に係る半導体素子の製造方法を説明するために示した断面図である。
【図２】本発明の好適な実施例に係る半導体素子の製造方法を説明するために示した断面図である。
【図３】（ａ）は図１（ｂ）及び図２（ａ）に示す第１及び第２ポリシリコン膜の上面のグレインバウンダリー構造を説明するために示した概念図である。 （ｂ）及び（ｃ）は図１（ｃ）及び図２（ｂ）で行われたＮ２パージ工程によってシリコン原子（Ｓｉ）が窒素原子（Ｎ）に置換されることを説明するために示した概念図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０    半導体基板
１２    下部層
１４    ポリシリコン層
１４ａ    第１ポリシリコン膜
１４ｂ    第２ポリシリコン膜
１４ｃ    第３ポリシリコン膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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