KR20060023489A - Method of forming gate pattern of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
반도체 소자의 게이트 패턴 형성방법을 제공한다. 이 방법은 터널 산화막이 형성된 반도체 기판 상에 제1 도전막 패턴, 게이트간 유전막 패턴 및 제2 도전막 패턴을 포함하는 게이트 구조물을 형성하는 것을 구비한다. 상기 게이트 구조물을 갖는 결과물에 대한 저온 선택적 산화공정을 수행하여 상기 제1 도전막 패턴 및 상기 제2 도전막 패턴의 측벽들을 덮는 누설방지 절연막을 형성한다. 상기 누설방지 절연막을 갖는 상기 게이트 구조물의 측벽을 덮는 스페이서를 형성한다. 일 실시예에서 상기 저온 선택적 산화공정은 600℃ 이하의 온도에서 수행되는 플라즈마 라디칼 산화공정일 수 있다.A method of forming a gate pattern of a semiconductor device is provided. The method includes forming a gate structure including a first conductive film pattern, an inter-gate dielectric film pattern, and a second conductive film pattern on a semiconductor substrate on which a tunnel oxide film is formed. A low temperature selective oxidation process is performed on the resultant having the gate structure to form a leakage preventing insulating layer covering sidewalls of the first conductive layer pattern and the second conductive layer pattern. A spacer is formed to cover sidewalls of the gate structure having the leakage preventing insulating layer. In one embodiment, the low temperature selective oxidation process may be a plasma radical oxidation process performed at a temperature of 600 ° C or less.
플래쉬, 재산화, 누설전류, 버즈빅Flash, reoxidation, leakage current, buzz big
Description
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 플래쉬 메모리 소자의 게이트 패턴 형성방법을 나타낸 단면도들이다.1 to 4 are cross-sectional views illustrating a gate pattern forming method of a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래쉬 메모리 소자의 게이트 패턴 형성방법을 나타낸 단면도들이다. 5 to 10 are cross-sectional views illustrating a gate pattern forming method of a flash memory device according to another exemplary embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 설명 *Description of the main parts of the drawing
100 : 반도체 기판 102 : 터널 산화막100
104 : 제1 도전막 패턴 106 : 게이트간 절연막 패턴104: first conductive film pattern 106: inter-gate insulating film pattern
108 : 제2 도전막 패턴 110 : 금속막 패턴108: second conductive film pattern 110: metal film pattern
112 : 캐핑막 패턴 114 : 게이트 구조물112: capping film pattern 114: gate structure
118 : 누설방지 절연막 120 : 스페이서118: leakage prevention insulating film 120: spacer
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 플래쉬 메모리 소자의 게이트 패턴 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a gate pattern of a flash memory device.
플래쉬 메모리 소자는 전기적으로 정보를 소멸시키거나 프로그램할 수 있는 비휘발성 메모리 소자로써 최근 컴퓨터 및 디지탈 카메라등의 전자제품의 메모리 소자로써 널리 활용되고 있다. 상기 플래쉬 메모리 소자의 단위 셀 게이트 패턴은 전하저장층으로 사용되는 부유 게이트(floating gate)와 입,출력 신호를 제어하는 제어 게이트(control gate)의 두개의 게이트를 포함한다. 상기 부유 게이트는 터널 산화막에 의하여 반도체 기판으로 부터 이격되며, 상기 부유 게이트와 상기 제어 게이트는 그들 사이에 개재된 게이트간 절연막(inter-gate dielectric layer)에 의하여 서로 전기적으로 절연 된다. 이 때, 상기 게이트간 절연막은 상기 부유 게이트를 상기 제어 게이트로 부터 절연시킴으로써 상기 부유게이트가 전하저장층의 역할을 할 수 있도록 한다. Flash memory devices are nonvolatile memory devices that can electrically dissipate or program information. Recently, flash memory devices are widely used as memory devices of electronic products such as computers and digital cameras. The unit cell gate pattern of the flash memory device includes two gates, a floating gate used as a charge storage layer and a control gate for controlling input and output signals. The floating gate is spaced apart from the semiconductor substrate by a tunnel oxide film, and the floating gate and the control gate are electrically insulated from each other by an inter-gate dielectric layer interposed therebetween. In this case, the inter-gate insulating film insulates the floating gate from the control gate so that the floating gate can serve as a charge storage layer.
일반적으로 상기 부유 게이트 및 상기 제어 게이트는 폴리실리콘막으로 이루어진다. 또한, 상기 게이트간 절연막은 실리콘 산화막/실리콘 질화막/실리콘 산화막(silicon oxide layer/silicon nitride layer/silicon oxide layer;ONO layer) 으로 이루어진다. 그러나, 상기 플래쉬 메모리 소자의 집적도가 증가함에 따라 저저항 게이트 패턴에 대한 요구 및 상기 ONO막을 대체할 수 있는 게이트간 절연막에 대한 요구가 증대하고 있다. 이에 따라, 저저항 게이트 패턴을 구현하기 위하여 폴리실리콘막 상에 금속막을 적층하여 제어게이트를 형성하고 있다. 상기 금속막으로는 낮은 비저항과 높은 융점을 갖는 텅스텐막, 티타늄막 또는 탄탈륨막이 사용 되고 있다. 또한, 상기 게이트간 절연막으로 사용되는 ONO막을 고유전막(high-k dielectric layer)으로 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다.Generally, the floating gate and the control gate are made of a polysilicon film. In addition, the inter-gate insulating film may be formed of a silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film (silicon oxide layer / silicon nitride layer / silicon oxide layer). However, as the integration degree of the flash memory device increases, the demand for a low resistance gate pattern and an inter-gate insulating film that can replace the ONO film are increasing. Accordingly, in order to implement a low resistance gate pattern, a metal gate is stacked on the polysilicon layer to form a control gate. As the metal film, a tungsten film, a titanium film or a tantalum film having a low specific resistance and a high melting point is used. In addition, research is being conducted to replace the ONO film used as the inter-gate insulating film with a high-k dielectric layer.
한편, 반도체 소자의 게이트 패턴을 형성하는 공정은 통상, 플라즈마 식각이나 반응성 이온 식각(reactive ion etching; RIE)등의 건식식각이 이용된다. 그러나, 상기 건식식각을 이용하여 게이트 패턴을 형성하는 경우 상기 게이트 패턴 하부의 게이트 산화막의 가장자리가 식각 손상을 받게 되는 문제점이 있다. 이러한 식각 손상은 상기 게이트 산화막의 절연 파괴 전압에 영향을 주어서 소자의 신뢰성을 저해하는 요소로 작용한다. 따라서, 이러한 게이트 산화막의 식각손상을 치유하기 위하여 상기 게이트 패턴을 형성한 후 이른바 재산화공정(reoxidation process)이라고 불리우는 추가적인 산화공정이 수행된다. 상기 재산화 공정의 일예가 미국특허 제6,372,618호에 개시되어 있다.Meanwhile, in the process of forming the gate pattern of the semiconductor device, dry etching such as plasma etching or reactive ion etching (RIE) is generally used. However, when the gate pattern is formed using the dry etching, the edge of the gate oxide layer under the gate pattern may be etched. The etching damage affects the dielectric breakdown voltage of the gate oxide layer and thus acts as a factor that hinders the reliability of the device. Therefore, after the gate pattern is formed to heal the etching damage of the gate oxide film, an additional oxidation process called a reoxidation process is performed. An example of such a reoxidation process is disclosed in US Pat. No. 6,372,618.
상기 플래쉬 메모리 소자의 게이트 패턴을 형성하는 공정 중에 상기 재산화 공정은 상기 터널 산화막의 식각손상을 치유하기 위하여 수행된다. 상기 재산화 공정은 약 850℃ 이상의 고온에서 수행되는데, 이 경우에 상기 게이트간 절연막과 상기 부유 게이트 사이의 계면, 및 상기 게이트간 절연막과 상기 제어 게이트 사이의 계면을 통해 산화제(oxidant)가 침투하여 상기 게이트간 절연막의 양측에 버즈빅(bird's beak)이 형성된다. 상기 버즈빅에 의하여 상기 게이트간 절연막의 두께가 증가하는 경우 상기 플래쉬 메모리 소자의 셀 특성 산포가 커지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 상기 게이트간 절연막으로써 고유전막이 사용되는 경우에 상기 재산화 공정중에 상기 고유전막으로 부터 확산된 금속원자에 의하여 상기 부유 게이트 및 상기 제어 게이트가 오염될 수도 있다. During the process of forming the gate pattern of the flash memory device, the reoxidation process is performed to heal etch damage of the tunnel oxide film. The reoxidation process is performed at a high temperature of about 850 ° C. or higher, in which case an oxidant penetrates through an interface between the inter-gate insulating film and the floating gate and an interface between the inter-gate insulating film and the control gate. Bird's beaks are formed on both sides of the inter-gate insulating film. When the thickness of the inter-gate insulating layer increases due to the buzz big, the cell characteristic distribution of the flash memory device may increase. In addition, when the high dielectric film is used as the inter-gate insulating film as described above, the floating gate and the control gate may be contaminated by metal atoms diffused from the high dielectric film during the reoxidation process.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 상기 게이트 패턴의 측벽을 덮는 실리콘 질화막 스페이서를 형성한 후 재산화 공정을 수행하는 방안이 시도될 수 있다. 그러나, 이 경우에는 상기 실리콘 질화막 스페이서와 상기 게이트 패턴의 계면을 따라 상기 부유 게이트 및 상기 절연 게이트 사이에 누설전류가 발생할 수 있다.In order to solve these problems, a method of performing a reoxidation process after forming a silicon nitride film spacer covering the sidewall of the gate pattern may be attempted. However, in this case, a leakage current may occur between the floating gate and the insulating gate along an interface between the silicon nitride film spacer and the gate pattern.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 게이트 재산화 공정시 버즈빅에 의하여 게이트간 절연막의 두께가 증가하는 현상을 억제하고, 폴리실리콘 게이트간의 누설전류를 방지하여 신뢰성있는 게이트 패턴을 형성하는 데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to form a reliable gate pattern by suppressing the phenomenon that the thickness of the inter-gate insulating film is increased by the Buzz Big during the gate reoxidation process, and prevent the leakage current between the polysilicon gates.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 누설방지 절연막(leakage barrier insulating layer)을 구비하는 반도체 소자의 게이트 패턴 형성방법을 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a method of forming a gate pattern of a semiconductor device having a leakage barrier insulating layer.
본 발명의 일 태양에 의하면 상기 반도체 소자의 게이트 패턴 형성방법은 터널 산화막이 형성된 반도체 기판 상에 제1 도전막 패턴, 게이트간 유전막 패턴 및 제2 도전막 패턴을 포함하는 게이트 구조물을 형성하는 것을 구비한다. 상기 게이트 구조물을 갖는 결과물에 대한 저온 선택적 산화공정을 수행하여 상기 제1 도전막 패턴 및 상기 제2 도전막 패턴의 측벽들을 덮는 누설방지 절연막을 형성한다. 상기 누설방지 절연막을 갖는 상기 게이트 구조물의 측벽을 덮는 스페이서를 형성한다.According to an aspect of the present invention, a method of forming a gate pattern of the semiconductor device includes forming a gate structure including a first conductive layer pattern, an inter-gate dielectric layer pattern, and a second conductive layer pattern on a semiconductor substrate on which a tunnel oxide layer is formed. do. A low temperature selective oxidation process is performed on the resultant having the gate structure to form a leakage preventing insulating layer covering sidewalls of the first conductive layer pattern and the second conductive layer pattern. A spacer is formed to cover sidewalls of the gate structure having the leakage preventing insulating layer.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 제1 도전막 패턴 및 상기 제2 도전막 패턴은 폴리 실리콘막으로 이루어질 수 있다.In some embodiments, the first conductive layer pattern and the second conductive layer pattern may be formed of a polysilicon layer.
다른 실시예들에 있어서, 상기 게이트 구조물은 상기 제2 도전막 패턴 상에 적층된 금속막 패턴을 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 금속막 패턴은 텅스텐막 패턴을 포함할 수 있다.In example embodiments, the gate structure may further include a metal layer pattern stacked on the second conductive layer pattern. In this case, the metal film pattern may include a tungsten film pattern.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 게이트간 유전막 패턴은 ONO막 또는 고유전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우에, 상기 고유전막은 알루미늄 산화막(AlO), 하프늄 산화막(HfO), 하프늄 실리콘 산화막(HfSiO), 하프늄 알루미늄 산화막(HfAlO) 및 탄탄륨 산화막(TaO)으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 막 또는 적어도 둘의 조합에 의한 적층막일 수 있다.In still other embodiments, the inter-gate dielectric layer pattern may be formed of an ONO layer or a high dielectric layer. In this case, the high-k dielectric film is at least one film selected from the group consisting of aluminum oxide film (AlO), hafnium oxide film (HfO), hafnium silicon oxide film (HfSiO), hafnium aluminum oxide film (HfAlO), and tantalum oxide film (TaO). It may be a laminated film by a combination of the two.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 저온 선택적 산화공정은 600℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 저온 선택적 산화공정은 플라즈마 내에 포함된 수소 라디칼 및 산소 라디칼을 이용한 라디칼 산화공정인 것이 바람직하다.In yet other embodiments, the low temperature selective oxidation process may be carried out at a temperature of less than 600 ℃. The low temperature selective oxidation process is preferably a radical oxidation process using hydrogen radicals and oxygen radicals contained in the plasma.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 누설방지 절연막은 약 5Å 내지 약 100Å의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.In still other embodiments, the leakage preventing insulating layer may be formed to have a thickness of about 5 kPa to about 100 kPa.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 저온 선택적 산화공정을 수행하기 전에, 상기 제1 도전막 패턴, 상기 게이트간 유전막 패턴 및 상기 제2 도전막 패턴의 측벽들을 선택적으로 식각하여 그들의 폭을 감소시킬 수 있다.In some embodiments, sidewalls of the first conductive layer pattern, the inter-gate dielectric layer pattern, and the second conductive layer pattern may be selectively etched to reduce their widths before performing the low temperature selective oxidation process. have.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 스페이서를 형성한 후에, 상기 스페이서를 갖는 결과물에 대하여 추가 산화공정을 수행할 수 있다. 이 경우에, 상기 추가 산 화공정은 플라즈마를 이용한 라디칼 산화공정일 수 있다.In still other embodiments, after the spacer is formed, an additional oxidation process may be performed on the resultant product having the spacer. In this case, the additional oxidation process may be a radical oxidation process using plasma.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 상기 방법은 터널 산화막이 형성된 반도체 기판 상에 제1 도전막 라인을 형성하는 것을 구비한다. 상기 제1 도전막 라인을 갖는 반도체 기판 상에 게이트간 절연막 및 제2 도전막을 형성한다. 상기 제1 도전막 라인이 노출되도록 상기 제2 도전막 및 상기 게이트간 절연막을 패터닝하여, 게이트간 절연막 패턴 및 제2 도전막 패턴을 포함하고 상기 제1 도전막 라인을 가로지르는 예비 게이트 구조물을 형성한다. 상기 예비 게이트 구조물을 갖는 결과물에 대한 저온 선택적 산화공정을 수행하여 상기 제1 도전막 라인의 노출된 영역 및 상기 제2 도전막 패턴의 측벽들을 덮는 누설방지 절연막을 형성한다. 상기 예비 게이트 구조물의 측벽을 덮는 스페이서를 형성한다. 상기 제1 도전막 라인을 패터닝하여 상기 예비 게이트 구조물 및 상기 스페이서의 하부에 중첩되는 제1 도전막 패턴을 형성한다. 상기 제1 도전막 패턴을 갖는 결과물에 대한 추가 산화공정을 수행한다.According to another aspect of the present invention, the method includes forming a first conductive film line on a semiconductor substrate on which a tunnel oxide film is formed. An inter-gate insulating film and a second conductive film are formed on the semiconductor substrate having the first conductive film line. The second conductive film and the inter-gate insulating film are patterned to expose the first conductive film line, thereby forming a preliminary gate structure including an inter-gate insulating film pattern and a second conductive film pattern and crossing the first conductive film line. do. A low temperature selective oxidation process is performed on the resultant having the preliminary gate structure to form a leakage preventing insulating layer covering the exposed regions of the first conductive layer line and the sidewalls of the second conductive layer pattern. A spacer is formed to cover sidewalls of the preliminary gate structure. The first conductive film line is patterned to form a first conductive film pattern overlapping the lower portion of the preliminary gate structure and the spacer. Further oxidation of the resultant having the first conductive layer pattern is performed.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 제1 도전막 패턴 및 상기 제2 도전막 패턴은 폴리 실리콘막으로 이루어질 수 있다.In some embodiments, the first conductive layer pattern and the second conductive layer pattern may be formed of a polysilicon layer.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제2 도전막 상에 금속막을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 금속막은 텅스텐막을 포함할 수 있으며, 상기 제2 도전막 및 상기 게이트간 절연막과 함께 패터닝된다.In other embodiments, the method may further include forming a metal film on the second conductive film. In this case, the metal film may include a tungsten film and is patterned together with the second conductive film and the inter-gate insulating film.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 게이트간 유전막은 ONO막 또는 고유전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우에, 상기 고유전막은 알루미늄 산화막(AlO), 하프늄 산화막(HfO), 하프늄 실리콘 산화막(HfSiO), 하프늄 알루미늄 산화막(HfAlO) 및 탄탄륨 산화막(TaO)으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 막 또는 적어도 둘의 조합에 의한 적층막일 수 있다.In still other embodiments, the inter-gate dielectric layer may be formed of an ONO layer or a high dielectric layer. In this case, the high-k dielectric film is at least one film selected from the group consisting of aluminum oxide film (AlO), hafnium oxide film (HfO), hafnium silicon oxide film (HfSiO), hafnium aluminum oxide film (HfAlO), and tantalum oxide film (TaO). It may be a laminated film by a combination of the two.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 저온 선택적 산화공정은 600℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 저온 선택적 산화공정은 플라즈마 내에 포함된 수소 라디칼 및 산소 라디칼을 이용한 라디칼 산화공정인 것이 바람직하다. In yet other embodiments, the low temperature selective oxidation process may be carried out at a temperature of less than 600 ℃. The low temperature selective oxidation process is preferably a radical oxidation process using hydrogen radicals and oxygen radicals contained in the plasma.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 누설방지 절연막은 약 5Å 내지 약 100Å의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.In still other embodiments, the leakage preventing insulating layer may be formed to have a thickness of about 5 kPa to about 100 kPa.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 저온 선택적 산화공정을 수행하기 전에, 상기 제2 도전막 패턴 및 상기 게이트간 유전막 패턴의 측벽들, 및 상기 제1 도전막 라인의 노출된 영역을 선택적으로 식각하여 상기 예비 게이트 구조물의 폭을 감소시킬 수 있다.In still other embodiments, before performing the low temperature selective oxidation process, sidewalls of the second conductive layer pattern and the inter-gate dielectric layer pattern, and the exposed regions of the first conductive layer line may be selectively etched. The width of the preliminary gate structure may be reduced.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 추가 산화공정은 플라즈마를 이용한 라디칼 산화공정일 수 있다.In yet other embodiments, the additional oxidation process may be a radical oxidation process using plasma.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 추가 산화공정을 수행한 후에, 상기 스페이서 및 상기 제1 도전막 패턴의 측벽을 덮는 스페이서를 형성할 수 있다.In another embodiment, after the additional oxidation process, a spacer covering sidewalls of the spacer and the first conductive layer pattern may be formed.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명 하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the spirit of the invention will be fully conveyed to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 플래쉬 메모리 소자의 게이트 패턴 형성방법을 나타낸 단면도들이다.1 to 4 are cross-sectional views illustrating a gate pattern forming method of a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 반도체기판(100) 상에 터널 산화막(102)이 형성된다. 상기 터널 산화막(102)은 열산화막일 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 반도체기판(100)에는 활성영역을 한정하는 소자분리막이 형성되며, 상기 터널 산화막(102)은 상기 활성영역을 덮도록 형성된다. 상기 터널산화막(102)이 형성된 반도체 기판(100) 상에 게이트 구조물(114)이 형성된다. 상기 게이트 구조물(114)은 상기 터널 산화막(102) 상에 차례로 적층된 제1 도전막 패턴(104), 게이트간 유전막 패턴(106) 및 제2 도전막 패턴(108)을 포함한다. 더 나아가, 상기 게이트 구조물(114)은 상기 제2 도전막 패턴(108) 상에 차례로 적층된 금속막 패턴(110) 및 캐핑막 패턴(112)을 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a
상기 제1 도전막 패턴(104) 및 상기 제2 도전막 패턴(108)은 폴리실리콘막으로 이루어질 수 있다. 상기 게이트간 유전막 패턴(106)은 ONO막 또는 고유전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우에, 상기 고유전막은 알루미늄 산화막(AlO), 하프늄 산화막(HfO), 하프늄 실리콘 산화막(HfSiO), 하프늄 알루미늄 산화막(HfAlO) 및 탄탄륨 산화막(TaO)으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 막 또는 적어도 둘의 조합에 의한 적층막으로 이루어 질 수 있다. 상기 금속막 패턴(110)은 텅스텐막을 포함 할 수 있으며, 바람직하게는 텅스텐 질화막 및 텅스텐의 적층막으로 이루어질 수 있다. 상기 캐핑막 패턴(112)은 실리콘 질화막으로 이루어 질 수 있다. 상기 제1 도전막 패턴(104)은 상기 플래쉬 메모리 소자의 부유 게이트로써 제공되며, 상기 제2 도전막 패턴(108) 및 상기 금속막 패턴(110)은 상기 플래쉬 메모리 소자의 제어 게이트로써 제공된다. The first
도 2를 참조하면, 상기 게이트 구조물(114)을 형성한 후에, 상기 제1 도전막 패턴(104), 상기 게이트간 유전막 패턴(106) 및 상기 제2 도전막 패턴(108)의 측벽들을 선택적으로(selectively) 식각하여 그들의 폭을 감소시키는 이른바 언더컷 공정(undercut process)이 수행될 수 있다. 상기 언더컷 공정은 상기 제1 도전막 패턴(104), 상기 게이트간 유전막 패턴(106) 및 상기 제2 도전막 패턴(108)을 선택적으로 제거할 수 있는 식각액을 사용한 습식식각일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전막 패턴(104) 및 상기 제2 도전막 패턴(108)이 폴리실리콘막으로 이루어지고, 상기 게이트간 유전막 패턴(106)이 ONO막으로 이루어진 경우에, 불산(HF)를 포함하는 용액이 식각액으로 사용될 수 있다. 상기 언더컷 공정을 수행한 결과, 상기 제1 도전막 패턴(104), 상기 게이트간 유전막 패턴(106) 및 상기 제2 도전막 패턴(108)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 금속막 패턴(110) 및 상기 캐핑막 패턴(112)에 비하여 감소된 폭을 갖는다. 한편, 상기 언더컷 공정은 선택적으로(optionally) 수행될 수 있으며, 경우에 따라서는 생략될 수도 있다. Referring to FIG. 2, after forming the
도 3을 참조하면, 상기 언더컷 공정을 수행한 후에, 상기 게이트 구조물 (114)을 갖는 결과물에 대한 저온 선택적 산화공정(116)을 수행한다. 본 발명에 있어서, 상기 저온 선택적 산화공정(116)은 600℃ 이하의 온도에서 수행되는 산화공정을 의미한다. 또한, 상기 저온 선택적 산화공정(116)은 상기 금속막 패턴(110)의 노출된 측벽에 산화막이 형성되지 않는 조건에서 수행되는 선택적 산화공정이다. 특히, 상기 금속막 패턴(110)이 상술한 바와 같이 텅스텐막을 포함하는 경우에 상기 텅스텐막의 노출된 측벽이 산화되지 않도록 하기 위한 저온 선택적 산화공정이 필요하다. 이를 위하여, 상기 저온 선택적 산화공정(116)은 플라즈마내에 포함된 수소 라디칼 및 활성 산소 라디칼을 이용한 라디칼 산화공정인 것이 바람직하다. 상기 저온 선택적 산화공정(116)을 수행한 결과, 상기 제1 도전막 패턴(104) 및 상기 제2 도전막 패턴(108)의 측벽들을 덮는 누설방지 절연막(118)이 형성된다. 상기 누설방지 절연막(118)은 실리콘 산화막일 수 있다. 이 경우에, 상기 누설방지 절연막(118)은 상기 게이트 구조물(114)의 폭이 과도하게 증가하는 것을 방지하기 위한 적절한 두께로써, 약 5Å 내지 약 100Å의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 바와 같이 언더컷 공정이 수행된 경우에는 상기 누설방지 절연막(118)에 의하여 상기 게이트 구조물(114)의 폭이 증가하는 것을 미리 방지할 수 있게 됨으로써 후속의 층간절연막이 용이하게 형성될 수 있다. 상기 저온 선택적 산화공정(116)은 600℃ 이하의 온도에서 수행되므로 상기 누설방지막(118)이 형성되는 동안 버즈빅에 의하여 상기 게이트간 절연막(106)의 두께가 증가하는 것이 억제될 수 있다. Referring to FIG. 3, after performing the undercut process, a low temperature
도 4를 참조하면, 상기 반도체기판(100) 상에 상기 누설 방지절연막(118)을 갖는 상기 게이트 구조물(114)을 콘포말하게 덮는 스페이서용 절연막을 형성한다. 상기 스페이서용 절연막은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있으며, 약 10Å 내지 약 100Å의 두께로 형성될 수 있다. 이후, 상기 스페이서용 절연막을 에치백하여 상기 누설 방지절연막(118)을 갖는 상기 게이트 구조물(114)의 측벽을 덮는 스페이서 (120)를 형성한다. 상기 스페이서(120)는 상기 게이트 구조물 (114)과 함께 플래쉬 메모리 소자의 게이트 패턴을 구성한다. 상기 누설방지 절연막(118)은 상기 스페이서(120)가 상기 게이트 구조물(114)과 직접 접하는 경우에 그들의 계면을 따라 부유게이트로써 제공되는 상기 제1 도전막 패턴(104)와 제어 게이트로써 제공되는 상기 제2 도전막 패턴(106) 사이에 누설전류가 발생하는 것을 방지하는 역할을 한다. 이후, 상기 스페이서(120)를 갖는 결과물에 대한 추가 산화공정(122)이 수행될 수 있다. 상기 추가 산화공정(122)은 게이트 재산화 공정으로 불리울 수 있다. 상기 추가 산화공정(122)은 상기 스페이서(120)을 형성하는 과정에서 상기 터널 산화막(102)에 가해진 식각 손상을 치유하기 위하여 수행된다. 이 경우에, 상기 추가 산화공정(122)은 상기 저온 선택적 산화공정(116)에 비하여 보다 넓은 공정마진을 가지고 수행될 수 있다. 즉, 상기 스페이서(120)에 의하여 상기 금속막 패턴(110)의 산화 및 상기 게이트간 절연막(106)의 버즈빅이 방지될 수 있으므로 산소가스를 이용한 건식 산화공정, 산소 및 수증기 분위기의 열처리로에서 수행되는 습식산화 공정, 및 플라즈마를 이용한 라디칼 산화공정이 제한 없이 적용될 수 있다. 그러나, 상기 추가 산화공정(122)은 상기 터널 산화막(102)의 측부에 과도한 버즈빅이 발생하는 것을 방지하기 위하여 상기 저온 선택적 산화공정(116)과 같이 600℃ 이하에서 수행되는 라디칼 산화공정인 것이 바람직하다. Referring to FIG. 4, an insulating film for spacers conformally covering the
도 5 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래쉬 메모리 소자의 게이트 패턴 형성방법을 나타낸 단면도들이다. 5 to 10 are cross-sectional views illustrating a gate pattern forming method of a flash memory device according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 반도체기판(300) 상에 터널 산화막(302)이 형성된다. 상기 터널 산화막(302)은 열산화막일 수 있다. 도 1에서 설명된 바와 같이 상기 터널 산화막(302)은 소자분리막에 의하여 한정된 활성영역을 덮도록 형성된다. 상기 터널 산화막(302)이 형성된 반도체기판 상에 제1 도전막 라인(304)을 형성한다. 상기 제1 도전막 라인(304)은 상기 터널 산화막(302) 상에 폴리실리콘막을 형성하고, 사진 및 식각공정을 수행하여 상기 폴리실리콘막을 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 도전막 라인(304)은 상기 활성영역을 덮는 라인형태를 갖도록 형성될 수 있다. 이후, 상기 제1 도전막 라인(304)을 갖는 반도체 기판 상에 게이트간 유전막(306), 제2 도전막(308), 금속막(310) 및 캐핑막(312)을 차례로 형성한다. 상기 게이트간 유전막(306)은 ONO막 또는 고유전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우에, 상기 고유전막은 알루미늄 산화막(AlO), 하프늄 산화막(HfO), 하프늄 실리콘 산화막(HfSiO), 하프늄 알루미늄 산화막(HfAlO) 및 탄탄륨 산화막(TaO)으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 막 또는 적어도 둘의 조합에 의한 적층막으로 형성될 수 있다. 상기 제2 도전막(308)은 폴리실리콘막으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속막(310)은 텅스텐 질화막 및 텅스텐막의 적층막으로 형성될 수 있다. 상기 캐핑막(312)은 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5, a
도 6을 참조하면, 통상의 사진 및 식각공정을 수행하여 상기 제1 도전막 라인(304)이 노출되도록 상기 캐핑막(312), 상기 금속막(310), 상기 제2 도전막 (308) 및 상기 게이트간 절연막(306)을 패터닝한다. 그 결과, 게이트간 절연막 패턴(306′), 제2 도전막 패턴(308′), 금속막 패턴(310′) 및 캐핑막 패턴(312′)을 포함하는 예비 게이트 구조물(314)이 형성된다. 상기 예비 게이트 구조물(314)은 그 하부의 상기 제1 도전막 라인(304)을 가로지르도록 형성된다. 이때, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 제1 도전막 라인(304)의 상부가 소정두께 식각될 수 있다. Referring to FIG. 6, the
도 7을 참조하면, 상기 제2 도전막 패턴(308) 및 상기 게이트간 유전막 패턴(306)의 측벽들, 및 상기 제1 도전막 라인(304)의 노출된 영역을 선택적으로 식각하여 그들의 폭을 감소시키는 언더컷 공정이 수행될 수 있다. 이 과정에서, 상기 제1 도전막 라인(304)의 상부영역이 식각되어 상기 제1 도전막 라인(304)은 더욱 감소된 두께를 갖을 수 있다. 한편, 상기 언더컷 공정은 선택적으로 (optionally) 수행될 수 있으며, 경우에 따라서는 생략될 수도 있다.Referring to FIG. 7, sidewalls of the second
도 8을 참조하면, 상기 언더컷 공정을 수행한 후에, 상기 게이트 구조물 (314)을 갖는 결과물에 대한 저온 선택적 산화공정(316)을 수행한다. 상기 저온 선택적 산화공정(316)은 600℃이하의 온도에서 수행되는 라디칼 산화공정인 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 제1 도전막 라인(304)의 노출된 영역 및 상기 제2 도전막 패턴(308′)의 측벽들을 덮는 누설방지 절연막(318)이 형성된다. 상기 누설방지 절연막(318)은 약 5Å 내지 약 100Å의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 그 밖에 상기 저온 선택적 산화공정(316)에 대한 자세한 설명은 도 3을 참조하여 설명되었으므로 이하에서는 생략한다.Referring to FIG. 8, after performing the undercut process, a low temperature
도 9를 참조하면, 상기 누설방지 절연막(318)이 형성된 결과물을 콘포말하게 덮는 실리콘 질화막을 형성한다. 상기 실리콘 질화막은 약 10Å 내지 약 100Å의 두께로 형성될 수 있다. 이후, 상기 실리콘 질화막을 에치백하여 상기 누설 방지절연막(318)을 갖는 상기 예비 게이트 구조물(314)의 측벽을 덮는 스페이서 (320)를 형성한다. 다음으로, 상기 캐핑막 패턴(312′) 및 상기 스페이서 (320)를 식각마스크로 사용하여 상기 누설 방지 절연막(318) 및 상기 제1 도전막 라인(도 8의 304)을 이방성식각한다. 그 결과, 상기 예비 게이트 구조물(314) 및 상기 스페이서(320)의 하부에 중첩되는 제1 도전막 패턴(304′)이 형성된다. 상기 제1 도전막 패턴(304′)은 상기 예비 게이트 구조물(314)와 함께 게이트 구조물(314′)을 구성한다. Referring to FIG. 9, a silicon nitride film conformally covering the resultant formed with the leakage preventing insulating
도 10을 참조하면, 상기 스페이서(320)를 갖는 결과물에 대한 추가 산화공정(322)을 수행한다. 상기 추가 산화공정(322)은 게이트 재산화 공정으로 불리울 수 있다. 상기 추가 산화공정(322)은 상기 제1 도전막 패턴(304′)을 형성하기 위한 이방성식각 중에 상기 터널 산화막(302)에 가해진 식각 손상을 치유하기 위하여 수행된다. 그 결과, 상기 제1 도전막 패턴(304′)의 노출된 측벽들을 덮는 측벽 산화막(324)이 형성된다. 상기 측벽 산화막(324)은 실리콘 산화막일 수 있다. 상기 추가 산화공정(322)은 상기 터널 산화막(302)의 측부에 과도한 버즈빅이 발생하는 것을 방지하기 위하여 상기 저온 선택적 산화공정(316)과 같이 600℃ 이하에서 수행되는 라디칼 산화공정인 것이 바람직하다. 이후, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 스페이서(320) 및 상기 측벽 산화막(324)을 덮는 추가 스페이서를 형성하는 공정이 더 수행될 수 있다. 이 경우에, 상기 추가 스페이서는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 10, an
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 저온 선택적 산화 공정을 통하여 폴리실리콘 게이트들의 측벽을 덮는 누설방지 절연막을 형성한다. 이후, 스페이서를 형성하고 게이트 재산화 공정을 수행함으로써 버즈빅에 의하여 게이트간 절연막의 두께가 증가하는 현상을 억제할 수 있다. 또한, 상기 스페이서 및 상기 폴리실리콘 게이트들 사이에 누설방지 절연막을 형성함으로써 상기 스페이서와 상기 폴리실리콘 게이트들 사이의 계면을 통하여 누설전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 더 나아가, 게이트 구조물의 측벽을 차례로 덮는 누설방지 절연막 및 스페이서를 형성한 후 게이트 재산화 공정을 수행함으로써 상기 게이트 재산화 공정의 공정마진을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, a leakage preventing insulating layer covering sidewalls of the polysilicon gates is formed through a low temperature selective oxidation process. Subsequently, by forming a spacer and performing a gate reoxidation process, it is possible to suppress a phenomenon in which the thickness of the inter-gate insulating layer is increased by Buzzvik. In addition, a leakage preventing insulating layer may be formed between the spacer and the polysilicon gates to prevent leakage current from occurring through an interface between the spacer and the polysilicon gates. Furthermore, the process margin of the gate reoxidation process may be improved by forming a leakage preventing insulating layer and a spacer which sequentially cover the sidewalls of the gate structure and performing a gate reoxidation process.
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