(57)【要約】【課題】  本発明は、トンネル酸化膜の形成時に酸化膜に窒素を蓄積させた後、後続で酸素を注入するための工程を行ってＳｉ−Ｎ結合をＳｉ−Ｏ−Ｎ結合に変更することにより、窒素プロファイル(Ｎ profile)の変化による特性劣化の防止、電気的ストレスの緩和及び酸素密度の増加などを通じてサイクリング(cycling)及び電荷保存(retention)特性などの素子特性を向上させることができる半導体素子の製造方法を提供するものである。【解決手段】  半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する段階と、前記半導体基板と前記第１の絶縁膜の界面に窒素を蓄積させて第２の絶縁膜を形成する段階と、前記第２の絶縁膜に酸素を注入して第３の絶縁膜に変更させる段階とを含む構成としたことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する段階と、
前記半導体基板と前記第１の絶縁膜の界面に窒素を蓄積させて第２の絶縁膜を形成する段階と、
前記第２の絶縁膜に酸素を注入して第３の絶縁膜に変更させる段階と、
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】
前記第１の絶縁膜は、酸化膜で形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１の絶縁膜は、ラジカル酸化工程を用いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記ラジカル酸化工程は、Ｏ２及びＨ２の雰囲気で行われることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記ラジカル酸化工程は、８００℃〜９５０℃の温度及び０．２Torr〜０．６Torrの圧力の下で行われることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記第２の絶縁膜は、Ｓｉ−Ｎ結合を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記第２の絶縁膜は、Ｓｉ３Ｎ４で形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２の絶縁膜は、ＮＯガスまたはＮ２Ｏガスを用いたアニーリング工程で窒素を蓄積させて形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記ＮＯガスを用いたアニーリング工程は、ＮＯ及びＮ２の雰囲気で８００℃〜９５０℃の温度及び常圧で行われることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｎ２Ｏガスを用いたアニーリング工程は、Ｎ２Ｏの雰囲気で８００℃〜９５０℃の温度及び常圧で行われることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１の絶縁膜を形成した後、イン-シチュー(in-situ)で前記第２の絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
前記酸素注入は、オゾン処理(Ｏ３ tretment)工程で行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
前記オゾン処理工程は、３００℃〜６００℃の温度で１００g/m3〜３００g/m3の流量を用いて行われることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
前記オゾン処理工程は、前記第２の絶縁膜を形成した後、イン-シチュー(in-situ)で行われることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１の酸化膜の形成の前に、洗浄工程を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１６】
前記洗浄工程は、ＨＦ溶液及びＳＣ−１溶液を用いることを特徴とする請求項１５に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関するものであり、トンネル酸化膜の窒素プロファイル(Ｎ profile)の変化及び劣化特性を改善することができる半導体素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子のうち、フラッシュメモリ素子は、電源供給が遮断されてもメモリセルに格納されている情報を保持するだけでなく、回路基板に装着されている状態で高速の電気的消去(erase)が可能な非揮発性メモリ素子であり、高集積化に有利な構造であるため、最近多く研究され、開発されるメモリ素子である。このようなフラッシュメモリ素子の単位セルは、半導体基板の活性領域上にトンネル酸化膜、フローティングゲート、誘電体膜及びコントロールゲートが順に積層されて形成される。このうち、トンネル酸化膜は、一般的なトランジスタのゲート絶縁膜とは異なり、薄膜自体がデータを移動させる通路の役割をするため、非常に優れた薄膜特性が要求される。
【０００３】
ナンドフラッシュ(NAND Flash)素子の場合、プログラム(program)と消去(erase)の動作がいずれもＦ−Ｎトンネリング方式を用いるため、数多くのプログラムと消去動作が繰り返されれば、トンネル酸化膜の劣化現象が発生し、機能を正確に発揮することができなくなる。従って、フラッシュメモリ素子のトンネル酸化膜は、最近、ラジカル酸化(radical oxidation)工程を行って純粋酸化膜を形成した後、Ｎ２Ｏガスを用いたアニーリング工程で膜の内部に窒素を注入させて形成し、これを通じて半導体基板とトンネル酸化膜の界面(interface)での電荷のトラップ密度(trap density)を減少させ、ＳＩＬＣ(Stress Induced Leakage Current)、Ｃ−Ｖ特性などを改善し、サイクリング(cycling)及び電荷保存(retention)特性を向上させている。
【０００４】
しかし、Ｎ２Ｏガスを用いたアニーリング工程は、蓄積される窒素の濃度の向上に限界がある。このような問題を解決するために、Ｎ２Ｏガスの代わりに、遥かに反応性が良いＮＯガスを用いたアニーリング工程を行って酸化膜内に窒素を入れる技術を用いているが、ＮＯガスの場合、トンネル酸化膜内に窒素プロファイル(Ｎ profile)の変化及びガスの変更によるトンネル酸化膜の特性劣化が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、トンネル酸化膜の形成時に酸化膜に窒素を蓄積させた後、後続で酸素を注入するための工程を行ってＳｉ−Ｎ結合をＳｉ−Ｏ−Ｎ結合に変更することにより、窒素プロファイル(Ｎ profile)の変化による特性劣化の防止、電気的ストレスの緩和及び酸素密度の増加などを通じてサイクリング(cycling)及び電荷保存(retention)特性などの素子特性を向上させることができる半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施例による半導体素子の製造方法は、半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する段階、半導体基板と第１の絶縁膜の界面に窒素を蓄積させて第２の絶縁膜を形成する段階、及び第２の絶縁膜に酸素を注入して第３の絶縁膜に変更させる段階を含んでなる。
【０００７】
上記において、第１の絶縁膜は酸化膜で形成される。第１の絶縁膜は、ラジカル酸化(radical oxidation)工程を用いて形成される。ラジカル酸化工程は、Ｏ２及びＨ２の雰囲気で８００℃〜９５０℃の温度及び０．２Torr〜０．６Torrの圧力で行われる。
【０００８】
第２の絶縁膜は、Ｓｉ−Ｎ結合を有し、望ましくは、Ｓｉ３Ｎ４で形成される。第２の絶縁膜は、ＮＯガスまたはＮ２Ｏガスを用いたアニーリング工程で窒素を蓄積させて形成される。ＮＯガスを用いたアニーリング工程は、ＮＯ及びＮ２の雰囲気で８００℃〜９５０℃の温度及び常圧で行われる。Ｎ２Ｏガスを用いたアニーリング工程は、Ｎ２Ｏの雰囲気で８００℃〜９５０℃の温度及び常圧で行われる。第１の絶縁膜を形成した後、イン-シチュー(in-situ)で第２の絶縁膜を形成する。
【０００９】
酸素注入は、オゾン処理(Ｏ３ tretment)工程で行われる。オゾン処理工程は、３００℃〜６００℃の温度で１００g/m3〜３００g/m3の流量を用いて行われる。オゾン処理工程は、第２の絶縁膜を形成した後、イン-シチュー(in-situ)で行われる。
【００１０】
第１の酸化膜の形成の前に、洗浄工程を行う段階をさらに含む。洗浄工程は、ＨＦ溶液及びＳＣ−１溶液を用いる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、トンネル酸化膜の形成時に半導体基板と酸化膜の界面にＮ２ＯガスまたはＮＯガスを用いたアニーリング工程で窒素を蓄積させた後、後続でオゾン処理を行ってＳｉ−Ｎ結合をＳｉ−Ｏ−Ｎ結合に変更することにより、電気的ストレスを緩和し、酸素密度の増加及び表面粗さの改善などを通じてトンネル酸化膜のサイクリング(cycling)及び電荷保存(retention)特性などの素子特性を向上させることができ、ＮＯガスを用いたアニーリング時には、追加で窒素プロファイル(Ｎ profile)の変化によるトンネル酸化膜の特性劣化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、添付した図面を参照し、本発明の一実施例をさらに詳しく説明する。しかし、本発明の実施例は、様々な異なる形態で変形されることができ、本発明の範囲が以下に詳述する実施例により限定されるものと解釈されてはならず、当業界で普遍的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものと解釈されることが好ましい。
【００１３】
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本発明の一実施例によるフラッシュメモリ素子のトンネル酸化膜形成方法を説明するための断面図である。
【００１４】
図１（ａ）を参照すれば、ウェル領域(図示せず)が形成された半導体基板10が提供される。ウェル領域は、トリプル(triple)構造で形成されることができ、この場合、ウェル領域は、半導体基板10上にスクリーン酸化膜(screen oxide;図示せず)を形成した後、ウェルイオン注入工程及びしきい値電圧イオン注入工程を行って形成する。
【００１５】
スクリーン酸化膜を除去した後には、ウェル領域が形成された半導体基板10上にトンネル酸化膜の形成のための第１の絶縁膜の形成の前に洗浄工程をさらに行うことができる。洗浄工程は、自然酸化膜(natural oxide)及び不純物を除去するためにＨＦ溶液及びＳＣ−１(standard cleaning-1)溶液を用いて行うことができる。
【００１６】
次いで、半導体基板10上に第１の絶縁膜20を形成する。第１の絶縁膜20は酸化膜で形成することができ、望ましくは、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２)で形成することができる。第１の絶縁膜20は、ラジカル酸化(radical oxidation)工程を用いて形成することができ、この場合、第１の絶縁膜20は純粋(pure)シリコン酸化膜で形成される。このような、ラジカル酸化工程は、Ｏ２及びＨ２の雰囲気で８００℃〜９５０℃の温度及び０．２Torr〜０．６Torrの圧力で行うことができる。
【００１７】
しかし、半導体基板10と第１の絶縁膜20の界面(interface)には、ラジカル酸化工程時に用いられる水素の影響により、Ｓｉ−Ｈのような水素ベースの欠陥ボンド(即ち、ダングリングボンド(dangling bond))が生成される。このようなダングリングボンドは、第１の絶縁膜20に深いレベルにトラップされる欠陥電荷(defect charge)を増加させ、サイクリング(cycling)及び電荷保存(retention)特性などを低下させるため、除去されなければならない。
【００１８】
図１（ｂ）を参照すれば、半導体基板10と第１の絶縁膜20の界面にイン-シチュー(in-situ)で窒素を蓄積させるための工程を行う。この時、窒素蓄積工程は、Ｎ２ＯガスまたはＮＯガスを用いたアニーリング(annealing)工程で行うことができる。この場合、ＮＯガスを用いたアニーリング工程は、ＮＯ及びＮ２の雰囲気で８００℃〜９５０℃の温度及び常圧で行われる。一方、Ｎ２Ｏガスを用いたアニーリング工程は、Ｎ２Ｏの雰囲気で８００℃〜９５０℃の温度及び常圧で行われる。
【００１９】
これにより、半導体基板10と第１の絶縁膜20の界面に形成されたダングリングボンドの水素位置に窒素が置き換えされてＳｉ−Ｎ結合を有する第２の絶縁膜30が形成される。望ましくは、第２の絶縁膜30は、Ｓｉ３Ｎ４で形成されることができる。このように、Ｓｉ−Ｎ結合を有する第２の絶縁膜30により半導体基板10と第１の絶縁膜20の界面に必然的に発生する界面トラップ電荷(interface trap charge)の密度を減少させ、ＳＩＬＣ(Stress Induced Leakage Current)、Ｃ−Ｖ特性などを改善し、その後に形成されるトンネル酸化膜のサイクリング及び電荷保存特性を向上させることができる。
【００２０】
図１（ｃ）を参照すれば、窒素が蓄積された第２の絶縁膜30にイン-シチュー(in-situ)で酸素を注入させるための工程を行う。酸素注入は、オゾン処理（Ｏ３tretment)工程を行って達成することができる。この場合、オゾン処理工程は、３００℃〜６００℃の温度で１００g/m3〜３００g/m3の流量を用いて行う。
【００２１】
これにより、Ｓｉ−Ｎ結合を有する第２の絶縁膜30にＯ２分子が結合され、第２の絶縁膜30がＳｉ−Ｏ−Ｎ結合を有する第３の絶縁膜30ａに変更される。これにより、第１の絶縁膜20及び第３の絶縁膜30ａを含むトンネル酸化膜40が完成される。
【００２２】
この時、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ結合を有する第３の絶縁膜30ａは、電気的ストレスを緩和し、酸素密度を増加させるだけでなく、表面粗さ(roughness)の改善などを通じてトンネル酸化膜40のサイクリング及び電荷保存特性などの素子特性を向上させることができる。
【００２３】
特に、ＮＯガスを用いたアニーリング時には、追加で窒素プロファイル(Ｎ profile)の変化によるトンネル酸化膜40の特性劣化を防止することができる効果を得ることができる。
【００２４】
図面には示されていないが、トンネル酸化膜40上にフローティングゲート用ポリシリコン膜を形成した後、後続工程を行ってフラッシュメモリ素子を完成する。
【００２５】
本発明は、説明の便宜のためにフラッシュメモリ素子のトンネル酸化膜を形成する方法に限定して説明したが、ＤＲＡＭなどのような半導体素子のゲート絶縁膜の形成時にも適用可能である。
【００２６】
本発明は、上述した実施例により限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現されることができ、上記の実施例は、本発明の開示が完全であるようにし、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。従って、本発明の範囲は、本願の特許請求の範囲により理解されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の活用例として、半導体素子の製造方法に適用出来、トンネル酸化膜の窒素プロファイル(Ｎ profile)の変化及び劣化特性を改善することができる半導体素子の製造方法に適用出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施例によるフラッシュメモリ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
10…半導体基板
20…第１の絶縁膜
30…第２の絶縁膜
30a…第３の絶縁膜
40…トンネル酸化膜
【図１】
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