KR0147870B1 - 반도체 소자의 콘택 전도층 형성방법 - Google Patents
반도체 소자의 콘택 전도층 형성방법Info
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Abstract
본 발명은 금속 실리사이드 콘택 구조를 갖는 정션에서 신뢰성이 높은 전기적 특성을 얻기 위하여, 가) 반도체 기판위를 절연층으로 덮은 후, 콘택을 형성할 부위에 콘택홀을 형성하는 단계, 나) 전체 표면에 금속층을 데포지션 한 후, 양(+)이온을 금속층에 이온주입하는 단계, 다) 기판전체를 열처리하여 실리사이드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 반도체 소자의 콘택 전도층 형성방법이다.
금속층은 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속을 사용하는데 고융점금속으로 Co, Ti, Ta, W, Ni, Mo, 또는 Hf 중에서 선택하여 사용하면 된다. 금속층에 주입하는 이온은 H+을 포함하는 이온이나 할로겐 원소의 이온을 사용하고 금속층에 이온주입된 양이온이 금속층의 그레인 경계면에 산포되게하거나 금속원자의 댕그링본드와 결합되도록 열처리하고, 금속과 실리콘기판이 접촉한 부위에서 실리사이드가 형성되도록 실리사이데이션 열처리를 한다. 이들 열처리는 한꺼번에 실시하여도 된다. 양이온의 산포를 위한 열처리는 300-500℃에서 실시하는 저온공정이고, 실리사이드 형성을 위한 실리사이데이션 반응 열처리는 각각의 금속에 따라 적합한 온도를 설정하여 실시한다.
Description
제1도는 종래의 반도체 소자의 콘택 전도층 형성방법으로 형성된 콘택부위의 단면도.
제2도는 본 발명의 반도체 소자의 콘택 전도층 형성방법을 설명하기 위한 단면도.
제3도는 본 발명의 반도체 소자의 콘택 전도층 형성 과정을 설명하기 위한 콘택부위의 단면도.
본 발명은 반도체 소자의 콘택홀의 전도층 형성방법에 관한 것으로, 특히 고집적 소자의 제조에 적합하도록 한 콘택홀의 전도층 형성방법에 관한 것이다.
그리고 고집적 반도체 MOS 소자 제조에 적합하도록 한 실리사이드(SILICIDE) 도전층 형성에 관한 것이다.
반도체 집적회로의 집적도가 증가하면서 단위소자의 크기가 줄어들게 되었으며, 그에 따른 트랜지스터(TRANSISTOR)의 게이트전극의 폭이 축소되어 저항증가 및 콘택저항의 증가가 문제되고 있다.
이를 해결하기 위하여 콘택이 형성되는 부위의 실리콘 기판에 메탈 실리사이드를 형성하여 이들 문제를 해결하려는 기술이 개발되었으며, 이로 인하여 트랜지스터의 소스 또는 드레인의 콘택 저항을 감소시킬수 있으며, 트랜지스터의 콘택 저항에 따른 속도저하 문제를 해결할수 있게 되었다.
이러한 종래 기술로는 Ti, Mo, Si 화합물등과 같은 내화금속으로 반도체 기판에 데포지션하고 N2나 H2또는 Ar 분위기에서 열처리를 진행하므로 실리사이드 막을 성장시키는 각종 기술이 있다.
Ti 실리사이드 형성방법에 의한 콘택 구조는 제1도에 도시한 바와 같은데, 그 방법은 실리콘 기판(10)위의 불순물 확산 영역(15)상에 실리콘 산화막(11)을 뚫어서 콘택홀을 형성한 다음, Ti 막(12)을 실리콘 기판 표면위에 형성하고, 열처리를 하여 실리사이드(14)를 형성한다. 실리콘 위에 Ti 막을 형성한 후 열처리를 하면 실리콘과 티타늄이 결합하여 실리사이드가 형성된다.
이러한 종래기술에서는 실리사이데이션(SILICIDATION) 열처리시 메탈의 그레인 경계면(GRAIN BOUNDARY)(17)에서 우세한 Si 원자의 확산특성으로 인하여 그레인 경계면과 맞붙는 Si 기판부분에서 실리사이드 층이 부분적으로 강하게 형성되어 기판에 실리사이드 침입(SILICIDE eNCROACHMENT)이 심하게 된다.
그로 인하여 소자의 전기적 특성 즉 콘택 부위의 정션 누설전류(JUNCTION LEAKAGE CURRENT)가 크게 된다. 또한 얇은 정션(SHALLOW JUNCTION)에 적용할 경우에는 정션 스파이크(JUNCTION SPIKE)에 의한 정션쇼트(JUNCTION SHORT)의 문제도 발생한다.
불균일한 실리사이드의 침입이 발생하면 소자가 동작을 할 때 공핍(DELEPLETION)영역과 실리사이드 영역이 만나게 되며 이때 공핍층 영역에 실리사이드와 Si의 계면 같은 결함이 존재하게 되므로 정션 누설전류가 크게된다.
또한 불균일하게 형성된 첨예한 실리사이드와 Si 계면에 전계집중으로 인한 제너항복(ZENER BEAKDOWN)현상이 발생할수 있다.
본 발명은 금속 실리사이드 콘택 구조를 갖는 정션에서 신뢰성이 높은 전기적 특성을 얻기 위하여 종래 기술의 단점인 불균일한 실리사이드 층의 정션에로의 침입 문제를 해결하고, 실리콘 산화막으로 안정화(PASSIVATION)된 정션의 표면에서의 Si 원자의 댕글링본드를 효과적으로 안정화하므로써 실리사이드 콘택을 갖는 트랜지스터의 신뢰성과 전기적 특성을 향상시키기 위함이다.
본 발명의 방법은 반도체 소자제조공정에서 반도체기판의 소정부위와 도전층사이에 콘택을 형성하는 방법으로서, 가) 반도체 기판위를 절연층으로 덮은 후, 콘택을 형성할 부위에 콘택홀을 형성하는 단계, 나) 전체 표면에 금속층을 데포지션 한 후, 양(+)이온을 금속층에 이온주입하는 단계, 다) 기판전체를 열처리하여 실리사이드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
금속층은 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속을 사용하는데 고융점금속으로 Co, Ti, Ta, W, Ni, Mo 또는 Hf 중에서 선택하여 사용하면 된다.
금속층에 주입하는 이온은 H+을 포함하는 이온이나 할로겐 원소의 이온을 사용하고 금속층에 이온주입된 양이온이 금속층의 그레인 경계면에 산포되게하거나 금속원자의 댕그링본드와 결합되도록 열처리하고, 금속과 실리콘기판이 접촉한 부위에서 실리사이드가 형성되도록 실리사이데이션 열처리를 한다. 이들 열처리는 한꺼번에 실시하여도 된다.
양이온의 산포를 위한 열처리는 300-500℃에서 실시하는 저온공정이고, 실리사이드 형성을 위한 실리사이데이션 반응 열처리는 각각의 금속에 따라 적합한 온도를 설정하여 실시한다.
양이온은 콘택하부의 반도체도전형에 따라 P형이며 BF2+, BF+, BCL+ 이온 등에서 하나를 선정하여 이온주입을 실시하고, N 형이면 PH2+ 또는 PH+ 이온을 이온주입하면 된다.
제2도를 참조하면서 본 발명의 일 실시예를 자세히 설명한다.
먼저, 제2(a)도에서 보인 바와 같이, 반도체기판(20)에 필요한 회로 요소를 형성하기위하여 N 형 또는 P 형을 도핑한 불순물영역(21)을 형성하고, 기판 전면을 절연막(22)으로 덮은 후, 콘택을 형성하여야 할 필요가 있는 불순물영역(21)상에 콘택홀(23)을 형성한다. 이 콘택홀은 잘알려진 사진식각공정을 실시하여 형성한다.
다음으로 제2(b)도에서 보인 바와 같이, 금속(Ti, Co, Mo, Ta, W, Ni, Hf, 등)을 실리콘 기판위에 코팅하여 얇은 금속층(24)을 형성한다. 코팅방식은 CVD방식이나 스퍼터링(SPUTTERING) 방식으로 하면 된다.
이어서, 제2(c)도에서 보인 바와 같이, 이온(ION) 가속 장치에서 PH3개스 소오스를 사용하여, PH2 +, PH+, H+등의 수소가 포함된 이온 또는 분자이온(MDECULAR ION)을 형성하고, 선택하여 80 Kev, 2.0 x 1016ion/㎠ 정도의 세기로 실리콘 기판위의 금속 표면에 이온 주입하여 도핑한다.
다음으로 제2(d)도에서 보인 바와 같이, 섭씨 400-450 도, N2/H2분위기에서 열처리하여서 금속층(24)에 주입된 수소이온이 재배치되고 금속의 그레인경계면(GRAIN BOUNDARY)에 산포(SEGREGATION)된후, 그레인경계면에 있는 금속 원자의 댕글링본드(DANGLING BOND)와 결합되게 한다. 그리고, 실리사이데이션(SILICIDATION) 열처리공정을 각 금속의 경우에 맞게 온도와 시간을 설정하여 진행하여 실리사이드층(25)이 기판의 표면과 금속층상에 형성되게 한다. 이들 열처리는 한꺼번에 실시하여도 된다.
이때 금속의 경계면에 산포되거나 결합된 수소 이온 때문에 금속의 경계면을 통한 Si 이온의 확산도와 금속층의그레인을 통한 Si 이온의 확산도가 유사하게 되며, 그로 인하여 실리사이데이션 반응을 일으킬 때 Si 표면과 금속층이 만나는 계면에서 금속과 Si원자와의 실리사이데이션 결함반응이 균일하게 일어난다. 따라서 Si 표면에서 Si기판(불순물영역)내로 성장한 실리사이드층이 균일하게 성장하여 침입되므로 균일한 실리사이드와 Si기판의 인터페이스가 이루어진다.
제3도는 본 발명을 보다 자세히 설명하기위한 콘택부위의 단면도이다.
금속층(24)에 주입된 수소이온이 SiO2막을 통하여 확산되므로써 산화막과 실리콘기판의 계면에 있는 댕글링본드와 결합한다. 또한 금속의 그레인(26)경계면(27)에 있는 댕글링본드와도 결합하는데, 이로 인하여 그레인 경계면에서의 Si 이온의 확산도가 저하하게 된다. 그래서 그레인 내부와 경계면에서의 확산도를 균일하게 하므로써 실리사이드의 균일한 성장이 이루어지게 된다.
본 발명은 트랜지스터의 소오스와 드레인 형성방법에 적용하는 경우의 일예는, 반도체 기판에 트랜지스터의 게이트전극을 형성한후에 절연층으로 전면을 덮고, 절연층에 콘택홀을 형성한다. 이어 금속층을 기판에 코팅한후 도판트가 포함된 이온(N형인 경우는 PH2 +, PH+이온, P형이면 BF2 +, BF+)을 이온주입하고, 열처리를 실시하여 인 P 이온이나 보론 B 이온은 기판으로 확산되어 정션을 형성하고, H+ 이온이나 F+이온은메탈의 그레인 경계면의 금속원자의 댕글링본드와 결합하여 그레인 경계면을 통한 Si원자의 불균일한 확산을 억제하여 실리콘 기판에 형성하는 실리사이드 층이 균일하게 형성되게한다. 이렇게 하면 샐로우정션 형성을 위한 콘트롤이 가능하고 기판에 형성된 실리사이드 층의 불균일한 침입을 줄일수 있어 종래 기술의 문제점인 실리사이드와 접촉하는 정션(SILICIDE CONTACTED JUNCYION)의 전기적 특성의 불량을 크게 개선할수 있다.
실리사이드 층을 갖는 정션의 콘택 구조하에서 균일한 실리사이드층을 형성할수 있으므로 종래기술의 문제점인 정션 쇼트 문제, 높은 정션 누설 전류, 및 낮은 신뢰성 등의 문제를 해결할수 있다.
또한, 특정 포인트의 실리사이드 콘택으로 이용하여 양호한 전기적 특성을 얻을 수 있다.
또한 금속층에 주입된 수소 이온이 실리사이드 열처리시 절연막산화막층을 따라서 확산되어 Si 과 절연층 사이의 계면에서 Si 댕글링 본드를 안정화(PASSIVATION) 할 수 있기 때문에 정션 누설전류를 낮추는데 도움이 된다.
다른 실시예로 메탈층 형성후 실시하는 수소이온 주입 대신에 소자의 전기적 특성에 영향을 미치지 않는 F+이온이나 Cl-이온 등을 금속 표면에 이온주입하면 콘택에서 동일한 효과를 얻을수 있다.
Claims (14)
- 반도체 소자제조공정에서 반도체기판의 소정부위와 도전층사이에 콘택을 형성하는 방법에 있어서, 가) 반도체 기판위에 절연층을 형성한 후 콘택을 형성할 부위의 절연층을 제거하여 콘택홀을 형성하는 단계, 나) 전체 표면에 금속층을 형성 한 후, 양(+)이온을 금속층에 이온주입하는 단계, 다) 기판전체를 열처리하여 실리사이드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 나) 단계에서 금속층은 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속을 사용하여 형성하는 것이 특징인 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 제2항에 있어서, 상기 실리사이드를 형성하는 금속은 고융점금속으로 CO, Ti, TA, W, NI, Mo, 또는 Hf 중에서 선택하여 사용하는 것이 특징인 반도체 소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 나)단계에서 금속에 주입하는 이온은 H+을 포함하는 이온이나 할로겐 원소의 이온인 것이 특징인 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 다)단계는 금속층에 이온주입된 양이온이 금속층의 그레인 경계면에 산포되게하거나 금속원자의 댕그링본드와 결합되도록 열처리 한 후, 금속과 실리콘기판이 접촉한 부위에서 실리사이드가 형성되도록 실리사이데이션 열처리를 하는 것이 특징인 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 다)단계는 금속층에 이온주입된 양이온이 금속층의 그레인 경계면에 산포되게하거나 금속원자의 댕그링본드와 결합되게하는 열처리와, 금속과 실리콘기판이 접촉한 부위에서 실리사이드가 형성되게하는 열처리를 한꺼번에 실시하는 것이 특징인 반도체소자의 콘택전도층 형성방법.
- 제5항에 있어서, 양이온의 산포를 위한 열처리는 300-500℃로 저온공정이고, 실리사이드 형성을 위한 실리사이데이션 반응 열처리는 각각의 금속에 따라 적합한 온도를 설정하는 것이 특징인 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 제1항에 있어서, 양이온은 콘택하부의 반도체도전형에 따라 P형이면 BF2 +, BF+, BCl+이온 등에서 하나를 선정하여 이온주입을 실시하고, N 형이면 PH2 +또는 PH+이온을 이온주입하는 것이 특징인 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 반도체 소자의 정션 및 콘택의 전도층 형성방법에 있어서, 반도체 기판위에 절연층을 형성하고 이 절연층에 콘택홀을 형성하는 단계, 전면에 금속 전도층을 형성하는 단계, 수소 H+ 이온이 포함된 불순물을 이온주입 방법으로 전도층에 도핑하는 단계, 열처리를 실시하여 수소이온이 도전층의 그레인 경계면에 산포되거나 금속원자의 댕글링본드와 결합되게 하는 단계, 금속과 실리콘기판이 접촉한 부위에서 실리사이드가 형성되도록 실리사이데이션 열처리를 하는 것이 특징인 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 제9항에 있어서, 열처리공정을 단일 단계로하여 수소이온의 산포와 실리사이데이션 반응을 동시에 이루어지게 하는 것이 특징인 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 제9항에 있어서, 수소이온의 산포를 위한 열처리는 섭씨 300-500 도로 저온공정이고, 실리사이데이션 반응 열처리는 각각의 금속에 따라 적합한 온도를 설정하는 것이 특징인 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 반도체 소자의 정션 및 콘택의 전도층 형성방법에 있어서, - 반도체 기판위에 절연층을 형성하고 이 절연층에 콘택홀을 형성하는 단계, - 전면에 금속 전도층을 데 포지션하는 단계, - PH2 +또는 PH+등의 이온을 전도층내에 도핑하는 간계, 열처리를 실시하여 인 이온이 기판에 확산되어 N 형 불순물 정션을 형성하고, 수소이온은 전도층의 그레인 경계면에 산포되도록 하는 단계를 포함하여 이루어지는 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 제12항에 있어서, 열처리 단계를 PH2 +또는 PH+이온이 인이온과 수소이온으로 분해되어 수소이온이 금속의 그레인 경계면에 산포되고, 금속이온의 댕글링본드와 결합하는 단계와 인 P 이온이 기판에 확산되어 불순물 정션을 형성하고 실리사이드를 형성하는 단계로 두 단계로 나누어 열처리하는 것이 특징인 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
- 제12항에 있어서, P 형 불순물 정션을 형성할 경우에는 금속도전층에 BF2 +, BF+, BCl+이온등을 이온주입하여 열처리 하는 것이 특징인 반도체소자의 콘택 전도층 형성방법.
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