KR100239707B1 - 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

반도체 소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 그 구성은 반도체 기판(21)상에 게이트절연막(23)을 형성하는 공정과; 상기 게이트절연막(23)상에 게이트전극(24)을 형성하는 공정과; 상기 게이트전극(24)상에 게이트캡(Gate cap)(25)을 형성하는 공정과; 상기 게이트전극(24) 양측의 기판(21)내에 고농도 불순물영역(26)을 형성하는 공정과; 상기 게이트캡(25)을 포함한 게이트전극(24)의 양측에 제1사이트월(27)을 형성하는 공정과; 상기 고농도 불순물영역(26)의 최고농도용역까지 상기 게이트전극(24) 양측의 기판(21)을 식각하는 공정과; 상기 기판(21)내의 고농도 불순물영역(26)을 감싸도록 저농도 불순물영역(28)을 형성하는 공정과; 상기 제1사이드월(27)의 표면에서 상기 식각된 게이트절연막(23)의 측면과 기판(21)의 측면까지 덮는 제2사이드월(29)을 형성하는 공정과; 상기 게이트캡(25)을 제거하는 공정과; 그리고, 상기 게이트전극(24)위와 상기 고농도 불순물영역(26)이 형성된 기판(21)상에 실리사이드층(30)을 형성하는 공정을 포함하여 구성되어, 상기 고농도 불순물영역이 기판의 표면에서 먼 위치에 형성되므로, 핫 캐리어가 게이트 옥사이드나 사이드월내로 주입되는 것을 방지하고, 접합 누설전류와 쇼트채널특성의 발생을 감소시키는 효과가 있다.

Description

반도체 소자의 제조방법
제1도는 종래의 일반적인 반도체 소자의 구조를 나타내는 종단면도.
제2도(a)~(d)는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 종단면도.
제3도(a)~(d)는 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 종단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
21,41 : 반도체 기판 22,42 : 필드산화영역
23,43 : 게이트산화막 24,44 : 게이트전극
25, 45 : 게이트캡 26,46 : 고농도 불순물영역(heavily doped region)
27 : 제 1 사이드월 28,48 : 저농도 불순물영역(lightly doped region)
29 : 제 2 사이드월 30,49 : 실리사이드층
47 : 사이드월
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 핫 캐리어(Hot carrier)에 의한 소자 특성의 저하 현상과, 접합 누설전류(juction leakage)를 감소시키는데 적합한 MOSFET 소자의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 MOSFET 소자의 제조방법에 대하여 제1도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반도체 기판(11)상에 게이트산화막(12)과 게이트전극(13) 및 나이트라드캡(Nitride cap)(14)을 순차적으로 형성한 후, 이온주입공정을 실시하여 저농도 불순물영역(lightly doped region :LDD)(17)을 형성하고, 나이트라이드로 사이드월(15)을 형성한 다음, 다시 이온주입공정을 실시하여 고농도 불순물영역(heavily doped region)(16)을 형성하여 완성한다. 상기 캡(14)과 사이드월(15)은 나이트라이드 대신 옥사이드(Oxide)를 사용하기도 한다.
그런데, 상기 저농도 불순물영역(LDD)(17)은 전계(electric field)를 감소시켜 핫 캐리어(Hot carrier)의 발생율을 감소시키지만, 그 핫 캐리어가 기판 표면에서 발생되기 때문에 게이트산화막(12)이나 사이드월(15)내로 쉽게 주입(injection)되어 반도체 소자의 특성을 저하시키는 단점이 있다. 또한, 사이드월(15)을 형성한후, 이온 주입에 의하여 고도핑 영역(heavily doped region(16)이 형성되는데, 상기 사이드월(15)의 형성을 위한 식각 공정시 필드산화영역(field oxide region)(18)의 에지(edge)에서 접합(junction) 결함이 발생하여 고농도 불순물영역(18)의 누설전류(leakage)가 증가하게 되고, 그 고농도 불순물영역(18)의 활성화(activation) 시에 저도핑 영역(17)의 확산이 증가되어 쇼트채널효과(short channel effect)를 증가시키는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 그 목적은 고농도 불순물영역을 기판의 표면에서 먼 위치에 형성하여, 핫 캐리어가 게이트산화막이나 사이드월내로 주입되는 것을 방지하도록 하고, 접합 누설전류와 쇼트채널특성의 발생을 감소시키도록 하는, 반도체 소자의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 반도체 기판상에 게이트절연막을 형성하는 공정과; 상기 게이트절연막상에 게이트전극을 형성하는 공정과; 상기 게이트전극상에 게이트캡(Gate cap)(25)을 형성하는 공정과; 상기 게이트전극 양측의 기판내에 고농도 불순물영역을 형성하는 공정과; 상기 게이트캡을 포함한 게이트전극의 양측에 제1사이드월을 형성하는 공정과; 상기 고농도 불순물영역의 최고농도용역까지 상기 게이트전극 양측의 기판을 식각하는 공정과; 상기 기판내의 고농도 불순물영역을 감싸도록 저농도 불순물영역을 형성하는 공정을 포함하여 구성된다. 특히, 상기 고농도 불순물영역은 기판의 표면에서 떨어져 안쪽으로 깊숙히 형성되도록 하여야 한다.
또한, 상기 공정들을 수행한 후, 상기 제1사이드월의 표면에서 상기 식각된 게이트절연막의 측면과 기판의 측면까지 덮는 제2사이드월을 형성하는 공정과; 상기 게이트캡을 제거하는 공정과; 상기 게이트전극위와 상기 고농도 불순물영역이 형성된 기판상에 실리사이드층을 형성하는 공정을 추가로 수행할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 반도체 기판상에 게이트절연막을 형성하는 공정과; 상기 게이트절연막상에 게이트전극을 형성하는 공정과; 상기 게이트전극상에 게이트캡(Gate cap)을 형성하는 공정과; 상기 게이트전극 양측의 기판내에 고농도 불순물영역을 형성하는 공정과; 상기 고농도 불순물영역의 불순물의 최고농도영역까지 상기 게이트 양측의 기판을 식각하는 공정과; 상기 게이트캡과 게이트절연막을 포함한 게이트전극의 측면 및 상기 식각된 기판의 측면에 사이드월을 형성하는 공정과; 상기 기판내의 고농도 불순물영역을 감싸도록 저농도 불순물영역을 형성하는 공정을 포함하여 구성된다. 특히, 상기 고농도 불순물영역은 기판의 표면에서 떨어져 안쪽으로 깊숙히 형성되도록 하여야 한다.
또한, 상기 공정들을 모두 수행한 후, 상기 게이트캡을 제거하는 공정과; 상기 게이트전극위와 상기 고농도 불순물영역이 형성된 기판상에 실리사이드층을 형성하는 공정을 추가로 수행할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
제2도(a)~(d)는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 종단면도이다.
먼저, 제2도(a)에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(21)에 국부산화법(local oxidation method)에 의한 분리(isolation)구조 즉, 필드산화영역(22)을 형성한 후, 상기 반도체 기판(21)상에 게이트절연막이 되는 산화막(23)을 약 40~100Å 두께로 성장시키고, 상기 게이트산화막(23)상에 게이트전극이 되는 도핑된 폴리(doped poly) 즉, 폴리실리콘(24)을 약 1000~3000Å 두께로 증착하고, 상기 폴리실리콘층(24)상에 게이트캡(gate cap)이 되는 산화막(Oxide)(25)을 화학기상증착(DVD)법을 사용하여 약 500~2000Å의 두께로 증착시킨다.
이어, 제2도(b)에 도시된 바와 같이, 상기 산화막(25)과 폴리실리콘층(24)을 패터닝(patterning)하여 상기 게이트산화막(23)이 드러날때까지 식각 함으로써 폴리시리콘으로된 게이트전극(24)과 산화막(Oxide)으로된 게이트캡(25)을 형성한 후, 상기 게이트캡(25)을 포함한 게이트전극(24)을 마스크로 하여 상기 기판(21)내에 이온 주입을 실시하여, 상기 게이트전극(24) 양측의 상기 기판(21)내에 고농도 불순물영역(26)을 형성한다. 상기 이온 주입 공정은 As 이온을 에너지 50~200KeV, dose 2E15~5E15cm-2, 경사(tilt)각 0~10deg.의 조건으로 하여 반도체 기판(21)내로 주입함이 바람직하다. 즉, 상기와 같은 조건으로 As이온을 주입하게 되면, 도시된 바와 같이, n+형 고농도 불순물영역(26)이 반도체 기판(21)의 표면으로 부터 떨어져 안쪽 깊숙히 형성된다.
이어, 제2도(d)에 도시된 바와 같이, 나이트라이드(Nitride)를 약 500~2000Å의 두께로 증착한 후 식각하여, 상기 게이트캡(25)을 포함한 게이트전극(24)의 측면에 나이트라이드로된 제1사이드월(Sidewall)(17)을 형성한 후, 상기 게이트 전극(24)의 양측에 있는 상기 기판(21)을 상기 고농도 불순물영역(26)에서 불순물의 농도가 최고인 영역까지 식각하도록 한다. 이어, 비소(As)이온 또는 인(P)이온을 반도체 기판(21)내로 주입하여 상기 고농도 불순물영역(26)을 감싸도록 하는 n-형 저농도 불순물영역(28)을 형성하는 바, 상기 이온 주입 공정에서, 비소(As) 이온을 주입할 경우는 에너지 50~200KeV, dose 1E14~5E14cm-2, 경사(tilt)각 0~10deg.을 조건으로 하고, 인(P) 주입할 경우에는 에너지 30∼100keV, dose 1E14∼5E14cm-2, 경사(tilt)각 0∼10deg.을 조건으로 하여, 상기 이온주입공정을 수행함이 가장 바람직하다.
또한, 상기 공정들을 순차적으로 수행하여 제2도(c)와 같은 반도체 소자를 구성한 후에, 제2도(d)에 도시된 바와 같이, 상기 제1사이드월(27)의 표면에서 상기 식각된 게이트절연막(23)과 기판(21)의 측면까지 덮는 제2사이드월(29)을 형성하는 공정과, 상기 게이트캡(25)을 제거하는 공정, 및 상기 게이트전극(24)위와 상기 고농도 불순물영역(26)이 형성된 기판(21)상에 실리사이드층(30)을 형성하는 공정을 추가로 수행할 수 있다. 상기 제2사이드월(29)은 나이트라이드를 500~2000Å정도 증착하고 식각하여 형성하고, 상기 실리사이드층(30)은 Ti, Co 등의 금속을 증착한 후 급속열처리(Rapid Thermal Annealing : RTA)를 실시하여 그 실리사이드층(30)을 형성한다. 상기 게이트캡(25)을 제거하는 이유는 상기 실리사이드층(30)의 형성시 선택성을 확보하기 위한 것이다. 즉, 상기 게이트전극(24)위와 고농도 불순물영역(26)이 형성된 기판(21)상에만 그 실리사이드층(30)이 선택적으로 형성되도록 하기 위한 것이다.
참고로, 상기 고농도 불순물영역(26)의 형성시 사용된 As 이온을 대신하여 BF2이온을 사용하고, 상기 저농도 불순물영역(28)의 형성시 사용된 As 이온 또는 Phos 이온을 대신하여 BF2이온 또는 B 이온을 사용할 수 있다. 또한, 상기 게이트캡(25)은 산화막(Oxide) 대신에 질화막(Nitride)을 사용하여 형성하고, 상기 제1 및 제2사이드월(27)(29)은 질화막(Nitride) 대신에 산화막(Oxide)을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법에 의하면 , 상기 고농도 불순물영역(26)이 기판(21)의 표면에서 떨어져 있기 때문에, 캐리어(carrier)가 상기 게이트전극(24)의 에지(edge)에서 기판(21) 방향으로 이동하게 된다. 따라서, 핫캐리어(hot carrier)의 발생이 기판(21)의 표면에서 먼 위치에서 발생하기 때문에, 그 핫캐리어가 상기 게이트산화막(23)이나 사이드월(27)(29)내로 주입(injection)되는 것을 최소화 한다.
제3도(a)~(d)는 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 종단면도이다.
먼저, 제3도(a)에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(41)에 국부산화법(local oxidation method)에 의한 분리(isolation)구조 즉, 필드산화영역(42)을 형성한 후, 상기 반도체 기판(41)상에 게이트절연막이 되는 산화막(43)을 약 40~100Å 두께로 성장시키고, 상기 게이트산화막(43)상에 게이트전극이 되는 도핑된 폴리(doped poly)즉, 폴리실리콘(44)을 약 1000~3000Å 두께로 증착하고, 상기 폴리실리콘층(44)상에 게이트캡(gate cap)이 되는 산화막(Oxide)(45)을 화학기상증착(CVD)법을 사용하여 약 500~2000Å의 두께로 증착시킨다.
이어, 제3도(나)에 도시된 바와 같이, 상기 산화막(45)과 폴리실리콘층(44)을 패터닝(patterning)하여 상기 게이트산화막(43)이 드러날때까지 식각 함으로써 폴리실리콘으로된 게이트전극(44)과 산화막(Oxide)으로된 게이트캡(45)을 형성한 후, 상기 게이트캡(45)을 포함한 게이트전극(44)을 마스크로 하여 상기 기판(41)내에 이온 주입을 실시하여, 상기 게이트전극(44) 양측의 상기 기판(41)내에 고농도 불순물영역(46)을 형성한다. 상기 이온 주입 공정은 As 이온을 에너지 50~200KeV, dose 2E15~5E15cm-2, 경사(tilt)각 0~10deg.의 조건으로 하여 반도체 기판(41)내로 주입함이 바람직하다. 즉, 상기와 같은 조건으로 As이온을 주입하게 되면, 도시된 바와 같이, n+형 고농도 불순물영역(46)이 반도체 기판(41)의 표면으로 부터 떨어져 안쪽 깊숙히 형성된다.
이어, 제3도(d)에 도시된 바와 같이, 상기 게이트전극(44)의 양측에 있는 상기 기판(41)을 상기 고농도 불순물영역(46)에서 불순물의 농도가 최고인 영역까지 식각한 후, 나이트라이드(Nitride)를 약 500~2000Å의 두께로 증착하고 식각하여, 상기 게이트캡(45)을 포함한 게이트전극(44)의 측면에서 식각된 게이트산화막(43)과 기판(41)의 측면까지 나이트라이드로된 사이드월(Sidewall)(47)을 형성한다. 다음, 비소(As)이온 또는 인(P)이온을 반도체 기판(41)내로 주입하여 상기 고농도 불순물영역(46)을 감싸도록 하는 n-형 저농도 불순물영역(48)을 형성하는 바, 상기 이온 주입 공정에서, 비소(As) 이온을 주입할 경우는 에너지 50~200KeV, dose 1E14~5E14cm-2, 경사(tilt)각 0~10deg.의 조건으로 하고, 인(P) 이온을 주입할 경우에는 에너지 30~100KeV, dose 1E14~5E14cm-2, 경사(tilt)각 0~10deg.을 조건으로 하여, 상기 이온주입공정을 수행함이 가장 바람직하다.
또한, 상기 공정들을 순차적으로 수행하여 제3도(c)와 같은 반도체 소자를 구성한 후에, 제3도(d)에 도시된 바와 같이, 상기 게이트캡(45)을 제거하는 공정, 및 상기 게이트전극(44)위와 상기 고농도 불순물영역(46)이 형성된 기판(41)상에 실리사이드층(49)을 형성하는 공정을 추가로 수행할 수 있다. 상기 실리사이드층(49)은 Ti, Co 등의 금속을 증착한 후 급속열처리(Rapid Thermal Annealing : RTA)를 실시하여 그 실리사이드층(49)을 형성한다. 상기 게이트캡(45)을 제거하는 이유는 상기 실리사이드층(49)의 형성시 선택성을 확보하기 위한 것이다. 즉, 상기 게이트전극(44)위와 고농도 불순물영역(46)이 형성된 기판(41)상에만 그 실리사이드층(49)이 선택적으로 형성되도록 하기 위한 것이다.
참고로, 상기 고농도 불순물영역(46)의 형성시 사용된 As 이온을 대신하여 BF2이온을 사용하고, 상기 저농도 불순물영역(48)의 형성시 사용된 As 이온 또는 Phos 이온을 대신하여 BF2이온 또는 B 이온을 사용할 수 있다. 또한, 상기 게이트캡(45)은 산화막(Oxide) 대신에 질화막(Nitride)을 사용하여 형성하고, 상기 사이드월(47)은 질화막(Nitride) 대신에 산화막(Oxide)을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법에 의하면 , 상기 제1실시예의 장점을 가짐을 물론이고, 제2도(d)에 도시된 제1 및 제2사이드월(27)(29)의 형성 공정을, 제3도(c)에 도시된 바와 같이 1회의 사이드월(47) 형성공정으로 단축시키는 잇점이 있다.
이상, 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 핫 캐리어에 의한 소자 특성 저하를 감소시키고, 저농도 불순물영역이 고농도 불순물 영역을 충분히 감싸고 있기 때문에, 필드산화영역의 에지에서 발생되는 고농도 불순물영역의 누설전류를 최소화하며, 고농도 불순물영역이 저농도 불순물영역보다 먼저 형성되기 때문에, 고농도 불순물영역의 활성화(activation) 시에 저농도 불순물영역이 확산되는 것을 방지하여 쇼트채널효과(short channel effect)를 감소시키는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 반도체 기판(21)상에 게이트절연막(23)을 형성하는 공정과; 상기 게이트절연막(23)상에 게이트전극(24)을 형성하는 공정과; 상기 게이트전극(24)상에 게이트캡(Gate cap)(25)을 형성하는 공정과; 상기 게이트전극(24) 및 게이트캡(25)을 패터닝하는 공정과; 상기 게이트전극(24) 양측의 기판(21)내에 고농도 불순물영역(26)을 기판(21)의 상부표면에서 하방향으로 이격되도록 형성하는 공정과; 상기 게이트캡(25)을 포함한 게이트전극(24)의 양측에 제1사이드월(27)을 형성하는 공정과; 상기 고농도 불순물영역(26)의 최고농도용역까지 상기 게이트전극(24) 양측의 기판(21)을 식각하는 공정과; 그리고 상기 기판(21)내의 고농도 불순물영역(26)을 감싸도록 저도핑영역(28)을 형성하는 공정을 포함하여 구성된 반도체 소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1사이드월(27)의 표면에서 상기 식각된 게이트절연막(23)의 측면과 기판(21)의 측면까지 덮는 제2사이드월(29)을 형성하는 공정과; 상기 게이트캡(25)을 제거하는 공정과; 상기 게이트전극(24)위와 상기 고농도 불순물영역(26)이 형성된 기판(21)상에 실리사이드층(30)을 형성하는 공정을 부가 구성하는 반도체 소자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 게이트절연막(23)은 약 40~100Å 두께의 산화막으로 형성된 반도체 소자의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 게이트전극(24)은 약 1000~3000Å 두께의 폴리실리콘(polysilicon) 으로 증착 형성된 반도체 소자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 게이트캡(gate cap)(25)은 약 500~2000Å 두께의 산화막(Oxide)또는 질화막(Nitride)중의 어느 하나로 증착 형성된 반도체 소자의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1사이드월(27)과 제2사이드월(29)은 약 500~2000Å 두께의 산화막(Oxide)또는 질화막(Nitride)중의 어느 하나로 형성된 반도체 소자의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고농도 불순물영역(26)은, As 이온을 에너지 50~200KeV, dose 2E15~5E15cm-2, 경사(tilt)각 0~10deg.의 조건으로, 이온주입공정을 수행하여 형성하는 반도체 소자의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 저농도 불순물영역(28)은, 비소(As) 이온을 에너지 50~200KeV, dose 1E14~5E14cm-2, 경사(tilt)각 0~10deg.의 조건으로, 이온주입공정을 수행하여 형성하는 반도체 소자의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 저농도 불순물영역(28)은, 인(P) 이온을 에너지 30~100KeV, dose 1E14~5E14cm-2, 경사(tilt)각 0~10deg.의 조건으로, 이온주입공정을 수행하여 형성하는 반도체 소자의 제조방법.
  10. 반도체 기판(41)상에 게이트절연막(43)을 형성하는 공정과; 상기 게이트절연막(43)상에 게이트전극(44)을 형성하는 공정과; 상기 게이트전극(44)상에 게이트캡(Gate cap)(45)을 형성하는 공정과; 상기 게이트전극(24) 및 게이트캡(25)을 패터닝하는 공정과; 상기 게이트전극(44) 양측의 기판(41)내에 고농도 불순물영역(46)을 기판(21)의 상부표면에서 하방향으로 이격되도록 형성하는 공정과; 상기 고농도 불순물영역(46)의 최고농도영역까지 상기 게이트전극(44) 양측의 기판(41)을 식각하는 공정과; 상기 게이트캡(45)과 게이트절연막(43)을 포함한 게이트전극(44)의 측면 및 상기 식각된 기판(41)의 측면에 사이드월(47)을 형성하는 공정과; 그리고 상기 기판(41)내의 고농도 불순물영역(46)을 감싸도록 저도핑 영역(48)을 형성하는 공정을 포함하여 구성된 반도체 소자의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 게이트캡(45)을 제거하는 공정과; 상기 게이트전극(44)위와 상기 고농도 불순물영역(46)이 형성된 기판(41)상에 실리사이드층(49)을 형성하는 공정이 부가 구성된 반도체 소자의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 사이드월(47)은 약 500~2000Å 두께의 산화막(Oxide)또는 질화막(Nitride)중의 어느 하나로 형성된 반도체 소자의 제조방법.
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