KR101068136B1 - method for forming a gate electrode of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
반도체 장치의 게이트 전극 형성 방법이 개시된다. 기판 상에 순수 산화막으로 이루어지는 게이트 절연막과 폴리 실리콘막으로 이루어지는 제1게이트 도전막을 형성한 후, 패터닝을 실시하여 제1게이트 도전막 패턴과 게이트 절연막 패턴으로 예비 게이트 패턴을 형성한다. 그리고, 상기 기판의 표면과, 예비 게이트 패턴의 측벽 및 상부 표면 상에 질화물을 포함하는 박막을 연속적으로 형성하고, 상기 질화물을 포함하는 박막의 표면 상에 폴리 실리콘막으로 이루어지는 제2게이트 도전막을 형성한 후, 전면 식각을 실시하여 상기 예비 게이트 패턴과 상기 예비 게이트 패턴의 측벽에 질화물을 포함하는 박막 패턴과 제2게이트 도전막 패턴을 갖는 게이트 패턴을 형성한다. 따라서, 기판과 게이트 패턴이 접하는 단부에 집중되는 핫 케리어에 의한 특성 저하를 보상할 수 있다.A method of forming a gate electrode of a semiconductor device is disclosed. After forming a gate insulating film made of pure oxide film and a first gate conductive film made of polysilicon film on the substrate, patterning is performed to form a preliminary gate pattern using the first gate conductive film pattern and the gate insulating film pattern. A thin film containing nitride is continuously formed on the surface of the substrate, the sidewalls and the top surface of the preliminary gate pattern, and a second gate conductive film formed of a polysilicon film is formed on the surface of the thin film including the nitride. Then, the entire surface is etched to form a gate pattern having a thin film pattern including nitride and a second gate conductive layer pattern on sidewalls of the preliminary gate pattern and the preliminary gate pattern. Therefore, it is possible to compensate for the deterioration in characteristics due to the hot carriers concentrated at the end portions where the substrate and the gate pattern come into contact with each other.
Description
도 1은 종래의 방법으로 제조한 게이트 전극에서의 핫 케리어에 의한 특성 저하를 설명하기 위한 단면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing for demonstrating the characteristic fall by the hot carrier in the gate electrode manufactured by the conventional method.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예 1에 따른 반도체 장치의 게이트 전극 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.2A to 2F are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate electrode of a semiconductor device according to example 1 of the present invention.
본 발명은 반도체 장치의 게이트 전극 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모오스(MOS) 트렌지스터의 게이트 전극을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a gate electrode of a semiconductor device, and more particularly, to a method for forming a gate electrode of a MOS transistor.
최근, 모오스 트렌지스터에서 채널 길이가 짧아짐에 핫 케리어에 의한 반도체 장치의 열화가 제기되고 있다. 특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(14)의 게이트 절연막 패턴의 단부와 기판(10)이 접하는 영역(A)에서 상기 핫 케리어에 의한 반도체 장치의 특성 저하가 집중된다. 미설명 부호 12는 트렌치 소자 분리막이다.
Recently, deterioration of semiconductor devices due to hot carriers has been caused by shortening of channel lengths in MOS transistors. In particular, as shown in FIG. 1, in the region A where the end portion of the gate insulating film pattern of the
따라서, 상기 핫 케리어에 의한 반도체 장치의 특성 저하를 보상하기 위하여 모오스 트렌지스터의 구조를 엘디디(LDD) 구조로 변경하거나, 게이트 절연막으로서 산질화막을 적용하고 있다.Therefore, in order to compensate for the deterioration of the characteristics of the semiconductor device caused by the hot carrier, the structure of the MOS transistor is changed to an LDD structure, or an oxynitride film is applied as the gate insulating film.
그러나, 채널의 길이가 매우 짧을 경우에는 엘디디 구조에서도 핫 케리어로 인한 열화가 빈번하게 발생하고 있다. 아울러, 산질화막의 적용은 핫 케리어에 의한 열화를 크게 감소시킬 수는 있지만, 전류 특성(예를 들면, GM 특성)의 열화 등을 유발하기 때문에 그 적용이 용이하지 않다.However, when the channel length is very short, deterioration due to hot carriers frequently occurs in the LED structure. In addition, the application of the oxynitride film can greatly reduce the deterioration due to the hot carrier, but the application of the oxynitride film is not easy because it causes deterioration of the current characteristic (for example, the GM characteristic).
이와 같이, 채널의 길이가 매우 짧아지고 있는 최근의 반도체 장치의 제조에서는 핫 케리어로 인한 특성 저하를 용이하게 해결하지 못하는 문제점이 있다.As described above, in the recent manufacture of semiconductor devices in which the channel length becomes very short, there is a problem in that the degradation of the characteristics due to the hot carrier cannot be easily solved.
본 발명의 목적은 핫 케리어로 인한 특성 저하를 충분하게 감소하기 위한 반도체 장치의 게이트 전극 형성 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for forming a gate electrode of a semiconductor device for sufficiently reducing the deterioration of characteristics due to hot carriers.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 게이트 전극 형성 방법은,The gate electrode forming method of the present invention for achieving the above object,
기판 상에 순수 산화막으로 이루어지는 게이트 절연막을 형성하는 단계;Forming a gate insulating film made of a pure oxide film on the substrate;
상기 게이트 절연막 상에 폴리 실리콘막으로 이루어지는 제1게이트 도전막을 형성하는 단계;Forming a first gate conductive film made of a polysilicon film on the gate insulating film;
상기 제1게이트 도전막과 게이트 절연막을 패터닝하여 제1게이트 도전막 패턴과 게이트 절연막 패턴으로 예비 게이트 패턴을 형성하는 단계;Patterning the first gate conductive layer and the gate insulating layer to form a preliminary gate pattern using the first gate conductive layer pattern and the gate insulating layer pattern;
상기 기판의 표면과, 예비 게이트 패턴의 측벽 및 상부 표면 상에 질화물을 포함하는 박막을 연속적으로 형성하는 단계;Continuously forming a thin film including nitride on a surface of the substrate and on sidewalls and top surfaces of a preliminary gate pattern;
상기 질화물을 포함하는 박막의 표면 상에 폴리 실리콘막으로 이루어지는 제2게이트 도전막을 형성하는 단계; 및Forming a second gate conductive film made of a polysilicon film on a surface of the thin film including the nitride; And
전면 식각을 실시하여 상기 기판의 표면과 예비 게이트 패턴의 상부 표면에 형성된 질화물을 포함하는 박막과 제2게이트 도전막을 제거함으로서 상기 예비 게이트 패턴과 상기 예비 게이트 패턴의 측벽에 질화물을 포함하는 박막 패턴과 제2게이트 도전막 패턴을 갖는 게이트 패턴을 형성하는 단계를 포함하다.A thin film pattern including nitride on the sidewalls of the preliminary gate pattern and the preliminary gate pattern by removing the thin film including a nitride formed on the surface of the substrate and the upper surface of the preliminary gate pattern by performing an entire surface etching process; Forming a gate pattern having a second gate conductive layer pattern.
여기서, 상기 질화물을 포함하는 박막은 산질화막 또는 실리콘 질화막인 것이 바람직하다.Here, the thin film including the nitride is preferably an oxynitride film or a silicon nitride film.
아울러, 상기 질화물을 포함하는 박막은 산질화막인 경우, 상기 게이트 패턴의 측벽에 형성된 산질화막 패턴의 일부를 식각하는 단계 및 상기 기판의 표면과 상기 게이트 패턴의 상부 표면 상에 금속 실리사이드막을 형성함으로서 상기 식각에 의해 일부 노출된 제1게이트 도전막 패턴과 제2게이트 도전막 패턴을 전기적으로 연결시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 산질화막 패턴의 일부 식각은 20 내지 100 : 1로 희석시킨 HF 용액을 사용한다.In addition, when the thin film including the nitride is an oxynitride layer, etching the part of the oxynitride layer pattern formed on the sidewall of the gate pattern and forming a metal silicide layer on the surface of the substrate and the upper surface of the gate pattern. The method may include electrically connecting the first gate conductive layer pattern and the second gate conductive layer pattern partially exposed by etching. In this case, some etching of the oxynitride layer pattern uses a HF solution diluted to 20 to 100: 1.
또한, 상기 질화물을 포함하는 박막은 실리콘 질화막인 경우, 상기 게이트 패턴의 측벽에 형성된 실리콘 질화막 패턴의 일부를 식각하는 단계 및 상기 기판의 표면과 상기 게이트 패턴의 상부 표면 상에 금속 실리사이드막을 형성함으로서 상기 식각에 의해 일부 노출된 제1게이트 도전막 패턴과 제2게이트 도전막 패턴을 전기적으로 연결시키는 단계를 포함한다. 이때, 상기 실리콘 질화막 패턴의 일부 식 각은 100 내지 175℃의 인산 용액을 사용하는 것이 바람직하다.In the case where the thin film including the nitride is a silicon nitride film, etching the part of the silicon nitride film pattern formed on the sidewall of the gate pattern and forming a metal silicide film on the surface of the substrate and the upper surface of the gate pattern And electrically connecting the first gate conductive layer pattern and the second gate conductive layer pattern partially exposed by etching. At this time, it is preferable to use a phosphoric acid solution of 100 to 175 ℃ for some etching of the silicon nitride film pattern.
이와 같이, 본 발명에 의하면 게이트 절연막 패턴의 단부와 기판이 접하는 영역에 질화물을 포함하는 박막을 적용한다. 즉, 핫 케리어로 인한 특성 저하가 집중되는 영역에 질화물을 포함하는 박막을 적용하는 것이다. 따라서, 핫 케리어로 인한 반도체 장치의 특성 저하를 충분하게 줄일 수 있다.As described above, according to the present invention, a thin film containing nitride is applied to an area where the end portion of the gate insulating film pattern is in contact with the substrate. That is, the thin film containing nitride is applied to the region where the characteristic degradation due to the hot carrier is concentrated. Therefore, the deterioration of the characteristics of the semiconductor device due to the hot carrier can be sufficiently reduced.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
실시예 1Example 1
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예 1에 따른 반도체 장치의 게이트 전극 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.2A to 2F are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate electrode of a semiconductor device according to example 1 of the present invention.
도 2a를 참조하면, 기판(20) 상에 소자 분리막(22)을 형성한다. 이때, 상기 소자 분리막(22)은 트렌치 소자 분리막을 선택하는데, 이는 미세 패턴의 구조를 갖는 반도체 장치에 적합하기 때문이다. 이에 따라, 상기 기판(20)은 활성 영역과 비활성 영역으로 구분된다. 그리고, 이온 주입을 실시하여 기판(20)에 원하는 전기적 특성을 부여하기 위한 웰(well)(도시되지 않음)을 형성한다. 이어서, 상기 기판(20) 상에 게이트 절연막으로서 순수 산화막을 형성한다. 계속해서, 상기 순수 산화막 상에 게이트 도전막으로서 폴리 실리콘막을 형성한다.Referring to FIG. 2A, the
그리고, 상기 폴리 실리콘막과 순수 산화막을 패터닝한다. 상기 패터닝은 포토레지스트 패턴을 사용한 식각에 의해 달성된다. 이와 같이, 상기 패터닝을 실시함으로서 상기 기판(20)의 활성 영역 상에 순수 산화막 패턴(24a)과 폴리 실리콘막 패턴(24b)으로 이루어지는 예비 게이트 패턴(24)을 얻는다. 이때, 상기 예비 게이트 패턴(24)은 그것의 폭이 게이트 패턴의 설정된 폭보다 약 0.04㎛ 협소하게 형성한다.Then, the polysilicon film and the pure oxide film are patterned. The patterning is accomplished by etching using a photoresist pattern. In this manner, by performing the patterning, the
도 2b를 참조하면, 상기 기판(20)의 표면과 상기 예비 게이트 패턴(24)의 측벽과 상부 표면 상에 산질화막(26)을 연속적으로 형성한다. 이때, 상기 산질화막(26)은 NO 가스를 사용하여 형성하고, 상기 예비 게이트 패턴(24)의 순수 산화막 패턴과 유사한 두께를 갖도록 형성한다. 그리고, 상기 산질화막(26)의 표면 상에 폴리 실리콘막(28)을 형성한다.Referring to FIG. 2B, an
도 2c를 참조하면, 전면 식각을 실시하여 상기 기판(20)의 표면과 예비 게이트 패턴(24)의 상부 표면에 형성한 폴리 실리콘막(28)과 산질화막(26)을 순차적으로 제거한다. 이에 따라, 상기 기판(20)의 표면과 상기 예비 게이트 패턴(24)의 상부 표면은 노출되고, 상기 예비 게이트 패턴(24)의 측벽에만 산질화막과 폴리 실리콘막이 남는 산질화막 패턴(26a)과 폴리 실리콘막 패턴(28a)이 형성된다. 따라서, 상기 예비 게이트 패턴(24)과 상기 예비 게이트 패턴(24)의 측벽에 형성된 산질화막 패턴(24a) 및 폴리 실리콘막 패턴(28a)으로 이루어지는 게이트 패턴(30)을 얻는다.Referring to FIG. 2C, the
이와 같이, 상기 게이트 패턴(30)에서 게이트 패턴(30)과 기판(20)이 접하는 단부에는 산질화막 패턴(26a)이 형성된다. 따라서, 상기 산질화막 패턴(26a)이 핫 케리어에 의한 특성 저하를 충분하게 저지한다. 아울러, 상기 단부에만 산질화막 패턴(26a)이 형성되어 있기 때문에 전기적 특성에는 거의 지장을 끼치지 않는다.
As described above, an
도 2d를 참조하면, 상기 게이트 패턴(30)을 이온 마스크로 사용한 이온 주입을 실시한다. 이에 따라, 상기 게이트 패턴(30)과 인접한 기판(20)에 얕은 접합 영역(32)이 형성된다. 이어서, 상기 게이트 패턴(30)의 측벽에 스페이서(34)를 형성한다. 상기 스페이서(34)는 질화막을 선택하고, 적층 및 전면 식각에 의해 얻을 수 있다. 아울러, 상기 스페이서(34)를 형성하기 전에 상기 게이트 패턴(30)의 측벽에 버퍼 산화막(도시되지 않음) 등을 형성할 수도 있다.Referring to FIG. 2D, ion implantation using the
도 2e를 참조하면, 상기 게이트 패턴(30)과 스페이서(34)를 이온 마스크로 사용한 이온 주입을 실시한다. 이에 따라, 상기 스페이서(34)와 인접한 기판(20)에 소스/드레인 패턴(36)을 얻는다. 계속해서, 상기 게이트 패턴(30)의 측벽에 형성된 산질화막 패턴(26a)의 일부를 식각한다. 이때, 상기 식각은 약 50 : 1로 희석시킨 HF 용액을 사용한다. 이와 같이, 상기 식각을 실시함으로서 영역 B에서와 같이 홈이 형성된다. 특히, 상기 식각 목표를 약 100Å으로 설정하기 때문에 상기 홈의 깊이도 약 100Å을 갖는다.Referring to FIG. 2E, ion implantation using the
도 2f를 참조하면, 상기 기판과 스페이서 및 게이트 패턴의 상부에 금속 실리사이드 물질을 형성하고, 열처리를 실시한다. 이에 따라, 상기 기판과 게이트 패턴의 상부에서 물질 이동이 발생한다. 따라서, 상기 기판의 표면과 상기 게이트 패턴의 상부 표면 상에 금속 실리사이드막(38)이 형성된다. 이때, 상기 식각에 의해 일부 노출된 게이트 도전막 패턴들이 서로 접하게 된다. 즉, 상기 게이트 도전막 패턴들이 서로 접함으로서 전기적으로 연결이 이루어지는 것이다.Referring to FIG. 2F, a metal silicide material is formed on the substrate, the spacer, and the gate pattern, and heat treatment is performed. Accordingly, material movement occurs on the substrate and the gate pattern. Therefore, the
따라서, 상기 기판 상에는 완성된 게이트 전극이 형성되고, 아울러 게이트 전극과 소스/드레인 패턴을 포함하는 트렌지스터가 형성된다.Thus, a completed gate electrode is formed on the substrate, and a transistor including the gate electrode and a source / drain pattern is formed.
실시예 2Example 2
실시예 1의 게이트 절연막인 산질화막을 실리콘 질화막으로 대체하는 것을 제외하고는 실시예 2는 실시예 1과 동일하다. 여기서, 상기 실리콘 질화막은 예비 게이트 패턴의 순수 산화막 패턴의 두께보다 약 2배 두껍게 형성한다. 아울러, 상기 실리콘 질화막은 약 700℃의 온도 분위기 및 약 200mTorr의 압력 분위기로 조절한 저압 화학기상증착법에 의해 형성한다. 그리고, 상기 게이트 패턴의 측벽에 홈을 형성하기 위한 식각에서는 약 150℃의 인산 용액을 사용한다.Example 2 is the same as Example 1 except that the oxynitride film which is the gate insulating film of Example 1 is replaced with the silicon nitride film. Here, the silicon nitride film is formed about twice as thick as the thickness of the pure oxide film pattern of the preliminary gate pattern. In addition, the silicon nitride film is formed by a low pressure chemical vapor deposition method adjusted to a temperature atmosphere of about 700 ℃ and a pressure atmosphere of about 200mTorr. In addition, a phosphoric acid solution of about 150 ° C. is used in etching to form a groove in the sidewall of the gate pattern.
이와 같이, 실시예 2의 경우 게이트 패턴과 기판이 접하는 단부에는 실리콘 질화막 패턴이 형성된다. 따라서, 상기 실리콘 질화막 패턴이 핫 케리어에 의한 특성 저하를 충분하게 저지한다.As described above, in Example 2, a silicon nitride film pattern is formed at an end portion where the gate pattern and the substrate contact each other. Therefore, the silicon nitride film pattern sufficiently prevents the characteristic degradation caused by the hot carrier.
따라서, 본 발명에 의하면 핫 케리어로 인한 반도체 장치의 특성 저하를 충분하게 저지할 수 있다. 때문에, 반도체 장치의 전기적 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.Therefore, according to this invention, the fall of the characteristic of the semiconductor device by a hot carrier can fully be prevented. Therefore, there is an effect that the electrical reliability of the semiconductor device is improved.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. I can understand that you can.
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