KR100730990B1 - 실리콘 절연막 제조장치 및 그 제조 방법과 이를 이용한실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법 - Google Patents

실리콘 절연막 제조장치 및 그 제조 방법과 이를 이용한실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스형 레이저 증착기법 및 열처리 공정을 이용하여 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 절연막을 제조하고, 이에 실리콘 산화물을 증착하여 게이트 절연막을 제조하는 실리콘 절연막 제조장치 및 그 제조 방법과 이를 이용한 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법은, 실리콘 기판을 반응 챔버 내의 기판 홀더에 장착한 후, 반응 챔버 내에 산소가스를 주입하여 상기 실리콘 기판 상에 산화막을 형성하는 제1단계; 반응 챔버 내에 산소가스와 헬륨가스를 주입하고, 타겟 홀더에 탑재된 실리콘 타겟에 고에너지의 펄스형 레이저 빔을 조사하여 상기 산화막 위에 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막을 형성하는 제2단계; 열처리를 통해 상기 실리콘 나노점 어레이를 안정화하는 제3단계; 반응 챔버 내에 실리콘 원자를 포함하는 반응가스를 주입하여 상기 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막 위에 실리콘 산화물 박막을 형성하는 제4단계; 실리콘 산화물 박막 상에 게이트 전극을 형성하는 제5단계;를 수행하여 이루어진다.
실리콘 나노점 비휘발성 메모리, 펄스형 레이저 증착, 게이트 절연막

Description

실리콘 절연막 제조장치 및 그 제조 방법과 이를 이용한 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법{A MANUFACTURING APPARATUS AND METHOD FOR SILICON INSULATING FILM AND A SILICON NANO-DOT NONVOLATILE MEMORY MANUFACTURING METHOD USING IT}
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 절연막 제조장치를 나타낸 도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 실리콘 절연막 형성 과정 및 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제작을 위한 공정을 나타낸 도.
도 3은 도 2에 대한 흐름도.
도 4는 펄스형 레이저 빔에 대한 설명도.
도 5는 도 2에 따라 제작한 실리콘 나노점 비휘발성 메모리의 동작 특성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반응 가스 흡입부 102 : 산소가스 흡입 밸브
104 : 반응가스 흡입 밸브 106 : 헬륨가스 흡입밸브
110 : 메인 흡입 밸브 200 : 공정 반응부
210 : 반응 챔버 220 : 기판 홀더
230 : 실리콘 타겟 240 : 타겟 홀더
250 : 타겟 높이 조절기 260 : 타겟/기판 거리 조절기
270 : 레이저 빔 발생기 280 : 레이저 입사창
300 : 반응가스 배기부 310 : 배기 밸브
320 : 진공 펌프
본 발명은 실리콘 절연막 제조장치 및 방법과 실리콘 나노점 어레이에 전자를 충전 및 방전시킴으로써 메모리 동작을 하는 실리콘 비휘발성 메모리 제조방법에 관한 것으로, 특히 펄스형 레이저 증착기법 및 열처리 공정을 이용하여 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 절연막을 제조하고, 이에 실리콘 산화물을 증착하여 게이트 절연막을 제조하는 실리콘 절연막 제조장치 및 그 제조 방법과 이를 이용한 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 플래쉬 메모리의 전자 충전 스토리지 노드에 사용하는 폴리 실리콘 박막층은 저압 화학 기상 증착법을 이용하여 형성하고 이를 일정 면적으로 에칭하여 사용하는데, 이 폴리 실리콘 박막층의 크기가 플래쉬 메모리의 기록과 소거 시간을 결정하게 된다.
통상의 기록과 소거 시간은 채널과 폴리 실리콘 스토리지 노드 사이의 터널 링 저항과 폴리 실리콘 스토리지 노드의 전하 축전 용량의 곱으로 표시되는데, 빠른 플래쉬 메모리의 기록과 소거 시간을 구현하기 위하여 기존의 실리콘 에칭 기법으로 폴리 실리콘 스토리지 노드의 크기를 줄여야 한다.
그러나, 현재의 기술로 일정 크기 이하로 폴리 실리콘 스토리지 노드의 크기를 줄이는 것은 매우 어렵다. 따라서, 폴리 실리콘 스토리지 노드를 대신할 수 있는 나노미터 크기의 실리콘 나노점 어레이를 기판에 직접 성장할 수 있는 공정 기술의 개발이 요구된다.
실리콘 나노점 어레이를 제조하는 종래 기술의 제 1예로서, 플라즈마 기상 화학 증착법과 열처리 과정을 거쳐 실리콘 나노점 어레이를 함유하는 실리콘 산화물 박막을 제조하는 기법이 제안되었는데(F. Iacona, C. Bongiorno, C. Spinella, S. Boninelli, and F. Priolo, J. Appl. Phys. 95, 3723 (2004)), 이 방법은 실리콘 원자가 다량으로 과포화 되어있는 실리콘 산화물 박막을 플라즈마 기상 화학 증착법으로 제조한 후, 1000 oC 이상의 고온에서 장기간 열처리를 수행하여 실리콘 나노점들을 산화물 내부에 석출시키는 기법으로, 실리콘 발광소자 및 실리콘 재질의 1.54 μm 파장의 광통신 소자를 구현하는데 이용하고 있다.
종래기술의 제2예로서, 실리콘 기판의 산화과정과 실리콘 이온 주입 기법을 이용하는 방법이 제안되었는데(K. S. Min, K. V. Shcheglov, C. M. Yang, H. A. Atwater, M. L. Brongersma, and A. Polman, Appl. Phys. Lett. 69, 2033 (1996)), 실리콘 산화막에 주입된 실리콘 원자들이 나노점으로 뭉쳐져서 석출되도록 고온의 열처리 과정을 필수적으로 수행하여야 한다.
종래기술의 제3예로서, 실리콘과 실리콘 산화물 타겟을 동시에 스퍼터링하는 방법이 제안되었는데 (S. Takeoka, M. Fujii, and S. Hayashi, Phys. Rev. B 62, 16820 (2000)), 후 열처리 온도와 시간에 따라 실리콘 나노점의 크기를 조절할 수 있었다. 이 공정은 후에 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조 기술에 이용할 만큼의 실리콘 산화물 박막의 전기적 절연 특성을 구현하는데 어려움이 있다.
종래기술의 제4예로서, 펄스형 레이져 기화법에 의한 실리콘 나노점의 제조기술이 제안되었는데(T. Orii, M. Hirasawa, and T. Seto, Appl. Phys. Lett. 83, 3395 (2003)), 고순도의 실리콘 타겟에 고에너지의 레이저 빔을 조사하여 실리콘 나노점을 생성시키고, 질량을 선별하는 과정을 거쳐 매우 균일한 실리콘 나노점을 증착하였다. 이 공정은 실리콘 재질의 광소자 구현에 응용하는데, 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조 기술에 응용하기 위하여는 이러한 나노점 성장을 포함하는 실리콘 산화물 박막 성장 공정이 필요하며, 박막에서 높은 전기적 절연 특성이 필요하다.
종래기술의 제5예로서, 펄스형 레이저 증착 기법을 이용하여 에르븀을 포함 하는 실리콘 막을 제조하고, 이후 초고진공하의 고온에서 질소 반응과 산소 식각 반응을 이용하여 실리콘 나노점을 형성하고자 하는 시도가 있다(하정숙 외 대한민국 특허 등록번호 10-0384892). 그러나, 질소 반응과 산소 식각 반응 기법으로 제작한 실리콘 나노점 어레이는 그 크기의 균일성에 심각한 문제가 있으며, 이러한 특성은 고집적의 메모리 소자를 다량으로 제작할 경우 메모리 소자의 균일한 특성을 확보하기 어렵다.
본 발명은 이러한 점을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 펄스형 레이저 증착 기법과 후 열처리 공정의 시행으로 실리콘 기판 위에 고농도의 균일한 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 절연막을 형성하는 실리콘 절연막 제조 장치 및 그의 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 실리콘 기판의 산화 공정으로 터널링 산화막을 제조하고, 고농도의 균일한 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화물 절연막을 성장하며, 실리콘 산화물을 증착하여 용이하게 게이트 절연막을 제조하는 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 절연막 제조장치는, 각종 가스 주입을 위한 밸브가 구비된 반응가스 흡입부; 실리콘 기판 상에 실리콘 산화 물 박막을 형성하기 위한 실리콘 타겟; 상기 실리콘 타겟이 탑재되는 타겟 홀더; 상기 타겟 홀더의 높이 조절을 통해 실리콘 타겟의 높이를 조절하는 타겟 높이 조절기; 상기 실리콘 타겟과 실리콘 기판의 거리 조절을 위한 타겟/기판 거리 조절기; 및 상기 실리콘 타겟에 펄스형 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 발생기;를 포함하여 상기 반응가스 흡입부를 통해 주입되는 가스가 반응 챔버 내의 기판 홀더에 장착된 상기 실리콘 기판에 반응하도록 된 공정 반응부; 및 배기 밸브를 통해 상기 공정 반응부 내의 가스를 배기함과 더불어 공정 반응부 내의 압력제어를 위한 반응가스 배기부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 공정 반응부의 반응 챔버에는 상기 레이저 빔 발생기에서 발생된 레이저 빔이 상기 반응 챔버 내에 입사될 수 있도록 하는 레이저 입사창이 구비되고, 상기 기판 홀더에는 상기 실리콘 기판의 온도 조절을 위한 발열선이 구비된다.
또한, 상기 각 밸브, 타겟 높이 조절기, 타겟/기판 거리 조절기, 레이저 빔 발생기 및 발열선을 제어하는 콘트롤러가 더 구비된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 절연막 제조방법은, 실리콘 기판을 반응 챔버 내의 기판 홀더에 장착한 후, 상기 반응 챔버 내에 산소가스를 주입하여 상기 실리콘 기판 상에 산화막을 형성하는 제1단계; 상기 반응 챔버 내에 산소가스와 헬륨가스를 주입하고, 타겟 홀더에 탑재된 실리콘 타겟에 고에너지의 펄스형 레이저 빔을 조사하여 상기 산화막 위에 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막을 형성하는 제2단계; 및 열처리를 통해 상기 실리콘 나노점 어 레이를 안정화하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막은 수 nm 크기로 형성되며, 상기 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막은 상기 실리콘 기판의 온도는 450 ~ 550℃, 반응 챔버의 압력은 수 mTorr로 산소와 헬륨 가스 조건하에서 형성한다. 또한, 상기 열처리는 실리콘 기판의 온도를 450 ~ 550℃로 유지하면서 상압의 산소 가스 분위기에서 10분 내지 30분 동안 열처리하며, 상기 레이저 빔의 파워, 실리콘 기판 온도, 실리콘 타겟과 실리콘 기판과의 거리, 산소가스와 헬륨가스의 압력비에 의해 상기 실리콘 나노점 어레이의 크기와 밀도 변화를 제어한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법은, 실리콘 기판을 반응 챔버 내의 기판 홀더에 장착한 후, 상기 반응 챔버 내에 산소가스를 주입하여 상기 실리콘 기판 상에 산화막을 형성하는 제1단계; 상기 반응 챔버 내에 산소가스와 헬륨가스를 주입하고, 타겟 홀더에 탑재된 실리콘 타겟에 고에너지의 펄스형 레이저 빔을 조사하여 상기 산화막 위에 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막을 형성하는 제2단계; 열처리를 통해 상기 실리콘 나노점 어레이를 안정화하는 제3단계; 상기 반응 챔버 내에 실리콘 원자를 포함하는 반응가스를 주입하여 상기 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막 위에 실리콘 산화물 박막을 형성하는 제4단계; 및 상기 실리콘 산화물 박막 상에 게이트 전극을 형성하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응가스는 SiH4 또는 SiF4 또는 SiCl4 또는 Si2H6 또는 Si3H8 또는 SiH2Cl2이며, 상기 실리콘 산화물 박막은 화학 기상 증착법으로 형성한다. 또한, 상기 실리콘 산화물 박막은 실리콘 기판의 온도는 반응 가스의 종류에 따라 500 ~ 900℃, 반응 챔버의 압력은 10 ~ 100 Torr 조건 하에서 형성함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 절연막 제조장치를 도시한 것으로, 펄스형 레이저 증착 기법에 의한 고농도의 균일한 실리콘 나노점 어레이의 제조를 가능케 한다.
도시한 바와 같이, 본 발명은 크게 반응 가스 흡입부(100), 공정 반응부(200), 반응 가스 배기부(300)로 구성되어 있다.
상기 반응 가스 흡입부(100)는 산소가스 흡입관(101)으로부터 유입되는 산소가스를 상기 공정 반응부(200)로 주입 또는 차단하기 위한 산소가스 흡입 밸브(102), 반응가스 흡입관(103)으로부터 유입되는 실리콘 원자를 포함하는 반응가스를 상기 공정 반응부(200)로 주입 또는 차단하기 위한 반응가스 흡입 밸브(104), 헬륨가스 흡입관(105)으로부터 유입되는 헬륨가스를 상기 공정 반응부(200)로 주입 또는 차단하기 위한 헬륨가스 흡입 밸브(106), 상기 각 밸브(102),(104),(106)를 통해 유입되는 산소가스, 실리콘 원자를 포함하는 반응가스, 헬륨가스 등의 공정 반응부(200)로의 유입 또는 차단을 위한 메인 흡입 밸브(110)로 구성된다.
상기 공정 반응부(200)는 상기 각 밸브(102),(104),(106),(110)를 통해 유입되는 가스가 반응하는 반응 챔버(210), 상기 반응 챔버(210) 내에 위치하며, 실리콘 기판(1)이 탑재되는 기판 홀더(220), 상기 실리콘 기판(1)에 실리콘 산화물 박막 형성을 위한 실리콘 타겟(230), 상기 실리콘 타겟(230)이 탑재되는 타겟 홀더(240), 상기 타겟 홀더(240)의 높이 조절을 통해 실리콘 타겟(230)의 높이를 조절하는 타겟 높이 조절기(250), 상기 실리콘 타겟(230)과 실리콘 기판(1)의 거리 조절을 위한 타겟/기판 거리 조절기(260), 상기 실리콘 타겟(230)에 고에너지의 펄스형 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 발생기(270)로 구성된다.
또한, 상기 레이저 빔 발생기(270)에서 조사되는 레이저 빔이 상기 반응 챔버(210) 내의 실리콘 타겟(230)에 조사될 수 있도록 상기 반응 챔버(210)에는 레이저 입사창(280)이 형성되며, 상기 기판 홀더(220)에는 실리콘 기판(1)의 온도 조절을 위한 발열선(221)이 형성되어 있다.
상기 반응 가스 배기부(300)는 상기 공정 반응부(200) 내의 가스를 배기하기 위한 배기 밸브(310) 및 반응 챔버(210)내의 압력 제어를 위한 진공 펌프(320)로 구성된다.
그리고 상기 타겟 높이 조절기(250) 및 타겟/기판 거리 조절기(260) 등은 통상의 나사선이 있는 축을 구동하여 조절되는 방식으로 구동된다.
또한, 본 발명은 상기 각 밸브(102,104,106),(110),(310), 타겟 높이 조절기(250), 타겟/기판 거리 조절기(260) 및 레이저 빔 발생기(270)의 동작 제어를 비롯한 본 발명의 전반적인 동작을 제어하는 콘트롤러(미도시)를 구비한다.
도 2a 내지 도 2e는 상기와 같이 구성된 본 발명의 제조장치를 이용하여 터널링 실리콘 산화막 및 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막 그리고 조절 실리콘 산화물(Control Silicon Oxide)을 형성하는 과정을 도시하고 있으며, 도 3은 이에 대한 흐름도를 나타내고 있다.
먼저, 화학 세정방법을 이용하여 실리콘 기판(1)을 세정한 후, 반응 챔버(210) 내의 기판 홀더(220)에 장착시키고(S110), 배기 밸브(310)를 열고 진공 펌프(320)를 작동하여 반응 챔버(210) 내의 진공을 0.1 mTorr 이하로 유지한다.
이어 콘트롤러의 제어를 통해 발열선(221)에 전류를 흘려주므로써 실리콘 기판(1)의 온도를 900 ~ 1,000℃를 유지하게 한다. 그리고 산소가스 흡입 밸브(102) 및 메인 흡입 밸브(110)를 열고 배기 밸브(310)를 조절하여 줌으로써, 반응 챔버(210)의 내부 압력을 100 Torr ~ 상압 정도를 유지하게 하여 도 2a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(1) 위에 2 ~ 5 nm 두께의 얇은 산화막(2)을 형성시킨다(S120).
일정 두께의 산화막(2)을 형성시킨 후, 산소가스 흡입 밸브(102)와 메인 흡입 밸브(110)를 잠구고 배기 밸브(310)를 열어 줌으로써, 반응 챔버(210) 내의 산소 가스의 압력을 제거하고, 반응 챔버(210) 내의 진공을 0.1 mTorr 이하로 유지하므로써 산화막(2) 형성 반응을 중단시킨다.
이어 발열선(221)의 전류를 제어하여 실리콘 기판(1)의 온도를 450 ~ 550℃를 유지하게 하며, 산소가스 흡입 밸브(102)와 헬륨가스 흡입 밸브(106) 및 메인 흡입 밸브(110)를 열고, 배기 밸브(310)를 조절하여 줌으로써, 반응 챔버(210)의 내부 압력을 1 mTorr 정도를 유지하게 한다.
그리고 실리콘 타겟(230)의 높이를 조절하여 도 1과 같이 실리콘 타겟(230)을 위치시키고, 레이저 빔 발생기(270)에서 높은 에너지의 펄스형 레이저 빔을 실리콘 타겟(230)에 조사시키므로써, 도 2a에 도시된 산화막(2) 위에 도 2b와 같이 수 nm 크기의 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막(3)을 형성 시킨다(S130).
일정 두께의 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막(3)을 형성시킨 후, 레이저 빔을 차단하므로써, 상기 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막(3) 증착을 중단시킨다.
그리고 계속하여 실리콘 기판(1)의 온도를 450 ~ 550℃를 유지하면서 헬륨가스 흡입 밸브(106)를 잠구고 산소가스 흡입 밸브(104)를 더 열어 상압의 산소 분위기에서 10분 내지 30분 동안 열처리한 후, 산소가스 흡입 밸브(102), 메인 흡입 밸브(110)를 잠그고, 배기 밸브(310)를 열어 반응 챔버(210)의 압력을 0.1 mTorr 이하로 유지한다.
이러한 열처리 과정을 거치면 도 2c와 같이 실리콘 나노점 어레이가 실리콘 산화물 속에서 안정화 되며(S140),(S150), (3a)는 안정화된 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막이다.
여기서, 상기 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막(3)은 산소가스 분위기에서 레이저 빔 발생기(270)로부터의 고에너지의 레이저 빔에 의해 실리콘 타겟(230)의 실리콘 원자가 상기 실리콘 기판(1)의 산화막(2) 위에 증착되며, 증착되는 동안에 산소원자와 반응하여 실리콘 산화물을 형성하는 현상을 이용하는 것이다.
이때, 증착된 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막(3)은 완전히 산화되지 못한 실리콘 원자 덩어리가 많이 존재하는데, 이 박막층을 후 열처리 공정을 거쳐 안정화하면 고농도의 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 산화물 절연 박막 즉, 안정화된 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막(3a)이 되는 것이다.
이 공정에서 높은 에너지의 펄스형 레이저 빔의 파워가 실리콘 나노점의 크기와 밀도 변화에 결정적인 영향을 주며, 산소가스와 헬륨가스의 압력비는 단위시간 당 흘려주는 가스양에 비례하게 되는데, 이 압력비, 실리콘 기판(1) 온도 및 실리콘 타겟(230)과 실리콘 기판(1)과의 거리 등이 실리콘 나노점의 크기와 밀도 변화에 영향을 주게 되며, 이는 콘트롤러의 제어에 따라 가능하게 된다.
상기 펄스형 레이저 빔이란 레이저가 계속해서 나오는 것이 아닌, 시간에 따라 수십 마이크로 ~ 밀리 초 길이의 레이저가 약 1초 간격으로 반복적으로 출력하는 것을 의미한다. 즉, 시간에 따른 레이저의 출력이 도 4와 같은 특성을 갖는 것을 의미한다.
이어 본 발명의 안정화된 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막(3a)을 실리콘 비휘발성 메모리 소자의 게이트 절연막에 응용하기 위하여 도 2d에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화물 박막(4 : 조절 실리콘 산화막)을 형성한다(S160).
이때 실리콘 기판(1)의 온도는 흡입되는 반응 가스의 종류에 따라 500 ~ 900 ℃로 유지하며, 산소가스 흡입 밸브(102), 반응가스 흡입 밸브(104), 메인 흡입 밸브(110)를 열어 실리콘 원자를 포함하는 반응가스(SiH4, SiF4, SiCl4, Si2H6, Si3H8, SiH2Cl2 등)와 산소 가스를 동시에 일정 비율로 반응 챔버(210)에 흘려주고 배기 밸브(310)를 조절하여 반응 챔버(310)의 압력을 10 ~ 100 Torr로 유지한다.
나노미터 두께의 실리콘 산화물 박막(4)을 형성시킨 후, 산소가스 흡입 밸브(102), 반응가스 흡입 밸브(104), 메인 흡입 밸브(110)를 잠그고 배기 밸브(310)를 열어 줌으로써, 반응 챔버(310) 내의 압력을 제거하여 반응 챔버(210) 내의 진공을 0.1 mTorr 이하로 유지하므로써 실리콘 산화물 박막(4) 형성을 중단 시킨다.
이와 같은 공정으로 도 2d와 같이 실리콘 기판(1) 위에 실리콘 나노점 어레이가 산화막(2 : 터널링 산화막)과 실리콘 산화물 박막(4) 사이에 존재하는 실리콘 절연층을 제작한다.
이어서 게이트 전극을 제작하기 위하여 일반적인 폴리실리콘 공정을 이용하여 게이트 전극(5)을 형성하여(S170), 도 2e에 도시된 바와 같이 실리콘 MOS 구조 를 제작하고, 본 구조를 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 소자 제작에 이용한다.
도 2e에 도시된 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 소자의 동작에 있어서 게이트 전압에 따라 실리콘 나노점 어레이가 전자 충전의 스토리지 노드(storage node)로 작동한다. 이 스토리지 노드에 전자가 충전되는 정도에 따라 메모리 동작 영역이 결정되는데, 이 동작영역을 크게 하기 위해서 고밀도의 나노점 어레이가 필요하며, 스토리지 노드가 나노점 어레이로 이루어져 있기 때문에 고속의 기록/소거 동작이 가능하다.
도 5는 도 2e의 비휘발성 메모리의 동작 특성을 축전 용량의 변화로 나타낸 것으로, 게이트 전압에 따라 절연체 내의 각 실리콘 나노점 어레이로 전자가 관통하여 충전되었을 경우, 메모리 소자의 활성 동작 전압(threshold voltage)이 바뀌게 된다.
예를 들어, p-형 실리콘 기판을 사용하고 본 발명의 공정을 거쳐 실리콘 나노점 비휘발성 메모리를 제작한 경우, 실리콘 나노점 어레이에 전자가 비어있을 경우, 높은 주파수 영역에서 게이트 전압에 따른 축전용량의 변화는 도 5의 (a)와 같이 나타나는데, 실리콘 나노점 어레이에 전자가 차있을 경우에는 높은 주파수 영역에서 게이트 전압에 따른 축전용량의 변화가 도 5의 (b)와 같이 나타나게 되어, 활성 동작 전압이 변화하게 된다. 이러한 변화를 비휘발성 메모리 동작에 이용하는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 소자를 제작함에 있어, 고에너지의 펄스형 레이저 증착 기법과 후 열처리 공정을 거쳐 스토리지 노드로 이용하는 고농도의 균일한 실리콘 나노점 어레이를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 터널링 산화물 박막 형성과 고농도의 균일한 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화물 박막 증착 및 조절 실리콘 산화물 증착 공정을 순차적으로 수행하여 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 게이트 절연층을 용이하게 제작할 수 있으며, 실리콘 비휘발성 메모리의 고속 기록/소거 동작을 증대시키는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 각종 가스 주입을 위한 밸브가 구비된 반응가스 흡입부;
    실리콘 기판 상에 실리콘 산화물 박막을 형성하기 위한 실리콘 타겟; 상기 실리콘 타겟이 탑재되는 타겟 홀더; 상기 타겟 홀더의 높이 조절을 통해 실리콘 타겟의 높이를 조절하는 타겟 높이 조절기; 상기 실리콘 타겟과 실리콘 기판의 거리 조절을 위한 타겟/기판 거리 조절기; 및 상기 실리콘 타겟에 펄스형 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 발생기;를 포함하여 상기 반응가스 흡입부를 통해 주입되는 가스가 반응 챔버 내의 기판 홀더에 장착된 상기 실리콘 기판에 반응하도록 된 공정 반응부; 및
    배기 밸브를 통해 상기 공정 반응부 내의 가스를 배기함과 더불어 공정 반응부 내의 압력제어를 위한 반응가스 배기부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 절연막 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공정 반응부의 반응 챔버에는 상기 레이저 빔 발생기에서 발생된 레이저 빔이 상기 반응 챔버 내에 입사될 수 있도록 하는 레이저 입사창이 구비된 것을 특징으로 하는 실리콘 절연막 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 홀더에는 상기 실리콘 기판의 온도 조절을 위한 발열선이 구비된 것을 특징으로 하는 실리콘 절연막 제조장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 각 밸브, 타겟 높이 조절기, 타겟/기판 거리 조절기, 레이저 빔 발생기 및 발열선을 제어하는 콘트롤러가 더 구비됨을 특징으로 하는 실리콘 절연막 제조장치.
  5. 실리콘 기판을 반응 챔버 내의 기판 홀더에 장착한 후, 상기 반응 챔버 내에 산소가스를 주입하여 상기 실리콘 기판 상에 산화막을 형성하는 제1단계;
    상기 반응 챔버 내에 산소가스와 헬륨가스를 주입하고, 타겟 홀더에 탑재된 실리콘 타겟에 고에너지의 펄스형 레이저 빔을 조사하여 상기 산화막 위에 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막을 형성하는 제2단계; 및
    열처리를 통해 상기 실리콘 나노점 어레이를 안정화하는 제3단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 절연막 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막은 2 ~ 5 nm 크기로 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 절연막 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막은
    상기 실리콘 기판의 온도는 450 ~ 550℃, 반응 챔버의 압력은 수 mTorr로 산소와 헬륨 가스 조건 하에서 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 절연막 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 열처리는
    상기 실리콘 기판의 온도를 450 ~ 550℃로 유지하면서 상압의 산소 가스 분위기에서 10분 내지 30분 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 실리콘 절연막 제조방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 레이저 빔의 파워, 실리콘 기판 온도, 실리콘 타겟과 실리콘 기판과의 거리, 산소가스와 헬륨가스의 압력비에 의해 상기 실리콘 나노점 어레이의 크기와 밀도 변화를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 절연막 제조방법.
  10. 실리콘 기판을 반응 챔버 내의 기판 홀더에 장착한 후, 상기 반응 챔버 내에 산소가스를 주입하여 상기 실리콘 기판 상에 산화막을 형성하는 제1단계;
    상기 반응 챔버 내에 산소가스와 헬륨가스를 주입하고, 타겟 홀더에 탑재된 실리콘 타겟에 고에너지의 펄스형 레이저 빔을 조사하여 상기 산화막 위에 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막을 형성하는 제2단계;
    열처리를 통해 상기 실리콘 나노점 어레이를 안정화하는 제3단계;
    상기 반응 챔버 내에 실리콘 원자를 포함하는 반응가스를 주입하여 상기 실리콘 나노점 어레이를 포함하는 실리콘 산화막 위에 실리콘 산화물 박막을 형성하는 제4단계; 및
    상기 실리콘 산화물 박막 상에 게이트 전극을 형성하는 제5단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 반응가스는
    SiH4 또는 SiF4 또는 SiCl4 또는 Si2H6 또는 Si3H8 또는 SiH2Cl2인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 실리콘 산화물 박막은
    화학 기상 증착법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 실리콘 산화물 박막은
    실리콘 기판의 온도는 반응 가스의 종류에 따라 500 ~ 900℃, 반응 챔버의 압력은 10 ~ 100 Torr 조건 하에서 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노점 비휘발성 메모리 제조방법.
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