일반기술

탄탈륨 옥시나이트라이드 게이트 절연막을 포함하는 반도체 소자 및 이의 제조방법

Ta2O5는 고유 전율 특성에 기인하여 모스(MOS, Metal Oxide Semiconductor) 반도체 소자 제작시 게이트 절연막의 유망한 물질로 연구되어 왔으나 Ta2O5의 유전상수(dielectric constant, ε)가 벌크(bulk)내에서는 25정도인 반면, 박막인 경우 그보다 낮아지는 문제점이 발생하여 유효 두께 15Å이하 절연박막에의 적용에 무리가 있고, 게이트 절연막의 구성성분으로서 Ta2O5이외에 TiO2a 및 Al2O3등도 연구되고 있으나 Ta2O5에 비해 유전 상수값이 크다지 크지 않은 문제점을 갖고 있다. 이에 Ta2O5 절연막을 질소 및 중수소 함유 기체 분위기에서 열처리(질화처리)함으로써 유전상수 및 신뢰성이 현저히 개선된 증가된 수명을 갖는 모스 반도체 소자를 제조하게 되었다.실리콘 기판과 게이트 절연막 사이에 계면 비활성화(passivation)층(계면 특성이 우수한 SiO2)을 가지며 게이트 절연막으로서 탄탈륨 옥시나이트라이드(TaOxNy, 1<x<2.5, 0.01<y<1.5) 박막을 포함하는 모스 반도체 소자를 다음과 같은 절차를 통해 제조한다. 실리콘 기판 위에 계면 비활성화층 및 Ta2O5 박막을 순차적으로 형성시키고, 이를 질소 및 중수소 함유 기체 분위기에서 450℃ 내지 900℃의 온도로 열처리하여 상기의 조건을 만족시키는 탄탈륨 옥시나이트라이드 절연막을 형성한 다음, 절연막 위에 게이트 전극층을 포함시키는 단계를 취한다. 각 구성층을 열산화(thermal oxidation) 또는 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)등의 방법으로 형성할 수 있다. 계면 특성이 우수한 SiO2 계면 비활성화층은 실리콘 기판과 절연막 사이에서 완충 역할을 수행하며 3-10Å 두께를 갖으며 탄탈륨 옥시나이트라이드 게이트 절연막은 50-120 범위의 높은 유전상수를 가지며 10-300Å범위의 두께를 갖는다.