KR100288687B1 - Gate electrode manufacturing method of semiconductor devices - Google Patents

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Abstract

반도체 소자의 미세화에 대응하여 게이트 특성이 우수할 뿐만 아니라 신뢰성 있는 극박 게이트를 제조하기 위한 것으로, 활성 영역이 정의된 실리콘웨이퍼 상부에 게이트 산화막과 폴리 실리콘을 형성한 후, 임계 전압, 펀치 스루 방지, 채널 스톱, 웰 형성 및 폴리 실리콘 도핑을 위한 이온 주입 공정을 연속으로 체인 방식으로 실시하며, 추가로 N을 이온 주입한다. 그리고, 실리콘웨이퍼를 빠른 열처리하여 이온 주입에 의한 손상 회복과 도펀트를 활성화시키며, 게이트 산화막을 질화시켜 게이트 산질화막을 형성한다. 이후, 폴리 실리콘과 게이트 산질화막을 패터닝하여 게이트 전극을 완성한다. 이와 같이 폴리 실리콘 증착 이후, 임계 전압, 펀치 스루 방지, 채널 스톱, 웰 형성 및 폴리 도핑을 위한 이온 주입 공정을 하고, 빠른 열처리에 의해 이온 주입에 따른 손상 회복과 폴리 도핑된 도펀트를 활성화시킴으로써 공정수를 간단히 하여 공정 시간을 단축할 수 있으며, N 이온 주입을 동시에 실시하여 빠른 열처리시 게이트 산화막을 질화시킴으로써 누설 전류 및 임계 전압 안정 등의 특성을 향상시킬 수 있으며, 동시에 P모스에서의 보론 도펀트의 게이트 페너트레이션에 의한 게이트 열화를 억제시킬 수 있다.In order to manufacture the ultra-thin gate which is not only excellent in gate characteristics and also reliable in response to the miniaturization of semiconductor devices, the gate oxide film and polysilicon are formed on the silicon wafer where the active region is defined, and then the threshold voltage, punch through prevention, Ion implantation processes for channel stop, well formation and polysilicon doping are carried out continuously in a chain manner, with further N implantation. The silicon wafer is rapidly heat treated to recover damage by ion implantation and dopants, and the gate oxide film is nitrided to form a gate oxynitride film. Subsequently, the gate electrode is completed by patterning the polysilicon and the gate oxynitride film. After the polysilicon deposition, the ion implantation process for threshold voltage, punch through prevention, channel stop, well formation and poly doping is performed, and the process water is recovered by activating the poly doped dopant and recovering damage caused by ion implantation by rapid heat treatment. The process time can be shortened by simplifying the process, and by simultaneously performing N ion implantation and nitriding the gate oxide film during rapid heat treatment, characteristics such as leakage current and threshold voltage stabilization can be improved, and at the same time, the gate of the boron dopant in PMOS Gate deterioration due to penetration can be suppressed.

Description

반도체 소자의 게이트 전극 제조 방법{GATE ELECTRODE MANUFACTURING METHOD OF SEMICONDUCTOR DEVICES}GATE ELECTRODE MANUFACTURING METHOD OF SEMICONDUCTOR DEVICES

본 발명은 반도체 소자를 제조하는 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 소자의 제조 공정 중 반도체 소자의 게이트 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a gate electrode of a semiconductor device during a semiconductor device manufacturing process.

현재 및 장래의 반도체 산업은 서브 미크론(sub-micron)에로의 반도체 소자 사이즈의 축소화가 진행되고 있다. 그리고 이에 대응하여 반도체 소자의 구동을 위한 게이트 전극의 게이트 산화막 두께도 수십 Å이하로 얇아지고 있으며, 채널 길이도 서브 미크론 이하로 축소되고 있다.In the current and future semiconductor industry, the reduction of the size of semiconductor devices to sub-microns is in progress. Correspondingly, the thickness of the gate oxide film of the gate electrode for driving the semiconductor device is also reduced to several tens of microwatts or less, and the channel length is also reduced to less than sub microns.

그러나, 게이트 산화막의 두께가 얇아짐에 따라 P모스 폴리 전극으로부터 보론 도펀트(dopant)(B+)의 확산에 의해 게이트 페너트레이션(penetration)이 발생하여 전계 효과 트랜지스터(FET)의 게이트 전류 누설(leakage)을 초래한다. 또한, 게이트 산화막의 두께가 30Å정도에서는 F-N 터널(Fowler-Nordheim tunnel)에 의한 전류 누설이 발생하며, 그 이하의 두께에서는 게이트 산화막의 절연 내압 특성 저하로 직접적인 터널 현상 등이 발생한다.However, as the thickness of the gate oxide film becomes thinner, gate penetration occurs due to diffusion of boron dopant (B + ) from the PMOS polyelectrode, and the gate current leakage of the field effect transistor (FET) ( leakage. In addition, when the thickness of the gate oxide film is about 30 GPa, current leakage by the FN tunnel (Fowler-Nordheim tunnel) occurs, and when the thickness is less than that, a direct tunnel phenomenon occurs due to a decrease in dielectric breakdown voltage characteristics of the gate oxide film.

이중 보론 도펀트의 확산에 의한 게이트 페너트레이션은 근본적으로 산화막 게이트에서는 피할 수 없으며, 또한 현재 수준의 반도체 소자에서는 소자 동작의 신뢰성을 저하시키는 등 치명적인 문제를 유발케 할 수도 있다.Gate penetration due to the diffusion of the double boron dopant is fundamentally inevitable in the oxide gate, and may cause fatal problems such as deteriorating the reliability of device operation in current-class semiconductor devices.

이와 같은 극박 산화막 게이트의 단점을 보완하기 위해 최근에는 N 이온 또는 F 이온을 이온 주입한 후, 열산화함으로써 게이트 산화막을 산질화막 또는 산불화막으로 제조하는 방법이 이용되고 있다.In order to make up for the drawbacks of such ultrathin oxide gates, recently, a method of manufacturing a gate oxide layer as an oxynitride layer or an oxyfluoride layer by ion implantation of N ions or F ions and thermal oxidation is used.

그러면, 도 1a와 도 1h를 참조하여 종래 게이트 산화막을 산질화막으로 형성하는 게이트 전극 제조 방법을 설명한다.1A and 1H, a gate electrode manufacturing method for forming a conventional gate oxide film as an oxynitride film will be described.

먼저 도 1a에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(1) 상에 선택적 산화법(local oxidation of silicon, LOCOS)이나 트렌치(shallow trench isolation, STI) 공정에 의해 필드 산화막(2)을 형성하여 반도체 소자가 형성될 활성 영역을 정의한 후, 실리콘웨이퍼(1) 상부의 희생 산화막(3)을 통해 활성 영역에 임계 전압 조절, 펀치 스루(punch through) 방지, 채널 스톱(channel stop) 형성, 웰(well) 형성 등을 위한 이온 주입(I1)을 실시한다.First, as shown in FIG. 1A, a semiconductor device is formed by forming a field oxide film 2 on a silicon wafer 1 by a selective oxidation method (LOCOS) or a trench (shallow trench isolation (STI)) process. After defining the active region to be formed, through the sacrificial oxide film 3 on the silicon wafer 1, the threshold voltage control, punch through prevention, channel stop formation, well formation, etc. Ion implantation (I1) is performed.

그 다음 도 1b에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(1) 전면에 N이온을 이온 주입한다. 이때, 게이트 산화막을 산불화막으로 형성하기 위해서는 F이온을 이온 주입한다.Next, as illustrated in FIG. 1B, N ions are implanted into the entire surface of the silicon wafer 1. At this time, in order to form the gate oxide film as an acid fluoride film, ion is implanted with F ion.

그 다음 도 1c에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(1)를 어닐링(annealing)(A1)하여 이온 주입 공정에 의해 손상된 활성 영역의 실리콘웨이퍼(1) 표면 손상을 회복시킨 후, 도 1d에 도시한 바와 같이 실리콘웨이퍼(1)를 세정하여 실리콘웨이퍼(1) 표면의 희생 산화막을 제거하고, 실리콘웨이퍼(1)를 퍼니스(furnace)에 장입하여 열산화한다. 그러면, 실리콘웨이퍼에 이온 주입된 N에 의해 산화 속도가 억제될 뿐만 아니라 이온 주입된 N에 의해 극박의 게이트 산질화막(4)이 형성된다.Then, as shown in FIG. 1C, the silicon wafer 1 is annealed (A1) to recover surface damage of the silicon wafer 1 in the active region damaged by the ion implantation process, and then shown in FIG. 1D. As described above, the silicon wafer 1 is cleaned to remove the sacrificial oxide film on the surface of the silicon wafer 1, and the silicon wafer 1 is charged into a furnace and thermally oxidized. Then, the oxidation rate is suppressed by the N implanted into the silicon wafer, and the ultra-thin gate oxynitride film 4 is formed by the implanted N.

그 다음 도 1e에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(1) 전면에 전극 형성을 위한 폴리 실리콘(5)을 증착하고, 도 1f에 도시한 바와 같이 P형 또는 N형 도펀트를 도핑(doping)한다. 이때, 도핑은 인 시투(in-situ) 공정에 의해 폴리 실리콘을 증착과 동시에 할 수도 있으며, 폴리 증착이후 이온 주입(I2) 등 다양한 방법에 의해 실시한다.Then, as shown in FIG. 1E, polysilicon 5 for electrode formation is deposited on the silicon wafer 1 front surface, and doped P-type or N-type dopant as shown in FIG. 1F. In this case, doping may be performed simultaneously with deposition of polysilicon by an in-situ process, and may be performed by various methods such as ion implantation (I 2) after poly deposition.

그 다음 도 1g에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(1)를 퍼니스에 재차 장입하여 폴리 실리콘(5)을 어닐링하여 도핑된 도펀트를 확산시킴과 동시에 활성화시킴으로써 폴리 실리콘(5)을 저저항화시킨다.Then, as shown in Fig. 1G, the silicon wafer 1 is reloaded into the furnace to anneal the polysilicon 5 to diffuse the doped dopant and simultaneously activate the polysilicon 5 to lower the resistance.

그 다음 도 1h에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(1) 상부의 폴리 실리콘(5)과 게이트 산질화막(4)을 패터닝(patterning)함으로써 반도체 소자의 게이트 전극을 완성한다.1H, the gate electrode of the semiconductor element is completed by patterning the polysilicon 5 and the gate oxynitride film 4 on the silicon wafer 1 above.

이와 같은 종래 반도체 소자의 게이트 전극 제조 방법에서는 임계 전압, 펀치 스루 방지, 채널 스톱, 웰 형성 등을 위한 이온 주입 공정과 질산화막 게이트 형성을 위한 이온 주입 공정, 폴리 도핑을 위한 이온 주입 공정 등 여러 번의 이온 주입 공정을 실시하여야 할 뿐만 아니라, 이온 주입 공정에 따른 손상 회복을 위한 어닐과 폴리 도핑 도펀트의 활성화를 위한 어닐링 등을 실시하여야 하므로 공정수가 많으며, 공정 시간도 증가되게 되는 문제점이 있다.In the conventional method of manufacturing a gate electrode of a semiconductor device, the ion implantation process for threshold voltage, punch through prevention, channel stop, well formation, ion implantation process for nitridation gate formation, ion implantation process for poly doping, etc. In addition to performing the ion implantation process, annealing for the restoration of damage caused by the ion implantation process and annealing for the activation of the poly-doped dopant have to be performed, thus increasing the number of processes and increasing the processing time.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 반도체 소자의 미세화에 대응하여 게이트 특성이 우수할 뿐만 아니라 신뢰성 있는 극박 게이트를 간단한 공정에 의해 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a method for manufacturing an ultra-thin gate which is not only excellent in gate characteristics but also reliable in a simple process in response to miniaturization of semiconductor devices.

도 1a 내지 도 1h는 종래 반도체 소자의 게이트 전극을 형성하는 방법을 개략적으로 도시한 공정도이고,1A to 1H are process diagrams schematically illustrating a method of forming a gate electrode of a conventional semiconductor device.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따라 반도체 소자의 게이트 전극을 형성하는 방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.2A to 2E are process diagrams schematically illustrating a method of forming a gate electrode of a semiconductor device according to the present invention.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 실리콘웨이퍼에 게이트 산화막과 폴리 실리콘을 형성한 후, 폴리 실리콘 상부로 임계 전압, 펀치 스루 방지, 채널 스톱, 웰 형성 및 폴리 실리콘 도핑을 위한 이온 주입 공정을 연속으로 체인 방식으로 실시하며, 추가로 N을 이온 주입하며, 실리콘웨이퍼를 빠른 열처리하여 이온 주입에 의한 손상 회복과 도펀트를 활성화시키며, 게이트 산화막을 질화시켜 게이트 산질화막을 형성하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention after forming the gate oxide film and polysilicon on the silicon wafer, the ion implantation process for the threshold voltage, punch through prevention, channel stop, well formation and polysilicon doping on the polysilicon Is continuously carried out in a chain manner, and additionally ion implanted, the silicon wafer is rapidly heat treated to recover damage from ion implantation and dopants are activated, and the gate oxide film is nitrided to form a gate oxynitride film. .

상기에서 이온 주입되는 N의 주입 깊이는 상기 폴리 실리콘 내부 영역 이내가 되도록 하며, 이온 주입량은 1E12 내지 1E14가 되도록 이온 주입 공정을 실시하는 것이 바람직하다.It is preferable to perform an ion implantation process so that the implantation depth of N to be ion implanted is within the polysilicon internal region, and the ion implantation amount is 1E12 to 1E14.

상기에서 빠른 열처리는 950℃ 내지 1100℃의 온도, 700Torr 내지 780Torr의 압력에서 5초 내지 50초 동안 실시하는 것이 바람직하다.The rapid heat treatment in the above is preferably carried out for 5 seconds to 50 seconds at a temperature of 950 ℃ to 1100 ℃, pressure of 700 Torr to 780 Torr.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따라 반도체 소자의 게이트 전극을 형성하는 방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.2A to 2E are process diagrams schematically illustrating a method of forming a gate electrode of a semiconductor device according to the present invention.

먼저 도 2a에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(11) 상에 선택적 산화법이나 트렌치 공정에 의해 필드 산화막(12)을 형성하여 반도체 소자가 형성될 활성 영역을 정의한 후, 실리콘웨이퍼(11)를 세정하여 활성 영역 실리콘웨이퍼 상부의 희생 산화막을 제거하여 실리콘웨이퍼 표면이 드러나도록 한다. 그리고, 실리콘웨이퍼(11)를 퍼니스에 장입하여 열산화함으로써 활성 영역 실리콘웨이퍼 상부에 게이트 산화막(13)을 성장시킨다.First, as shown in FIG. 2A, the field oxide film 12 is formed on the silicon wafer 11 by a selective oxidation method or a trench process to define an active region in which a semiconductor device is to be formed, and then the silicon wafer 11 is cleaned. The sacrificial oxide layer on top of the active region silicon wafer is removed to expose the silicon wafer surface. The gate oxide film 13 is grown on the active region silicon wafer by charging the silicon wafer 11 into the furnace and thermally oxidizing the silicon wafer 11.

그 다음 도 2b에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(11) 전면, 즉 게이트 산화막(13) 상부에 폴리 전극 형성을 위한 폴리 실리콘(14)을 증착한다.Next, as shown in FIG. 2B, polysilicon 14 for forming a polyelectrode is deposited on the entire surface of the silicon wafer 11, that is, on the gate oxide layer 13.

그 다음 도 2c에 도시한 바와 같이, 폴리 실리콘(14) 상부로 임계 전압, 펀치 스루 방지, 채널 스톱, 웰 형성 등을 위한 이온 주입 공정(I11)과 폴리 실리콘 도핑을 위한 이온 주입 공정(I11)을 연속으로 체인(chain) 방식으로 실시하며, 추가로 N 이온 주입 공정(I11)을 실시한다. 그러면, 이온 주입(I11)되는 도펀트는 게이트 산화막(13)을 관통하게 되므로 스루 게이트(thru-gate) 이온 주입이 된다. 이때, N의 이온 주입 깊이는 폴리 실리콘 내부 영역 이내로 하며, 이온 주입량(dose)은 1E12 내지 1E14 정도의 영역이 되도록 이온 주입 공정을 실시한다.Next, as shown in FIG. 2C, an ion implantation process I11 for threshold voltage, punch through prevention, channel stop, well formation, etc. and an ion implantation process I11 for polysilicon doping are performed on the polysilicon 14. Is carried out continuously in a chain manner, and the N ion implantation step (I11) is further performed. As a result, the dopant to be implanted (I11) penetrates through the gate oxide layer 13, resulting in through-gate ion implantation. At this time, the ion implantation depth of N is within the polysilicon internal region, and the ion implantation process is performed such that the ion implantation dose is about 1E12 to 1E14.

그 다음 도 2d에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(11)를 빠른 열처리(A11)하여 이온 주입에 따른 손상을 회복시킴과 동시에 폴리 실리콘에 도핑된 도펀트를 활성화시킨다. 그리고, 빠른 열처리(A11)에 의해 폴리 실리콘 내부에 이온 주입된 N은 열확산되어 게이트 산화막을 질화시키게 되어 자동적으로 게이트 산질화막(16)을 형성하게 된다. 이때, 빠른 열처리(A11) 공정은 950℃ 내지 1100℃ 정도의 온도, 700Torr 내지 780Torr 정도의 압력에서 5초 내지 50초 동안 실시하는 것이 바람직하다.Then, as shown in FIG. 2D, the silicon wafer 11 is rapidly heat treated (A11) to recover damage caused by ion implantation, and simultaneously activate dopants doped with polysilicon. The N implanted into the polysilicon by the rapid heat treatment (A11) is thermally diffused to nitride the gate oxide film, thereby automatically forming the gate oxynitride film 16. At this time, the rapid heat treatment (A11) process is preferably carried out for 5 seconds to 50 seconds at a temperature of about 950 ℃ to 1100 ℃, a pressure of about 700 Torr to 780 Torr.

그 다음 도 2e에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(11) 상부의 폴리 실리콘(14)과 게이트 산질화막(16)을 패터닝함으로써 반도체 소자의 게이트 전극을 완성한다.Next, as shown in FIG. 2E, the gate electrode of the semiconductor device is completed by patterning the polysilicon 14 and the gate oxynitride film 16 on the silicon wafer 11.

이와 같이 본 발명은 폴리 실리콘 증착 이후, 임계 전압, 펀치 스루 방지, 채널 스톱, 웰 형성 및 폴리 도핑을 위한 이온 주입 공정을 하고, 빠른 열처리에 의해 이온 주입에 따른 손상 회복과 폴리 도핑된 도펀트를 활성화시킴으로써 공정수를 간단히 하여 공정 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 추가로 N 이온 주입을 동시에 실시하여 빠른 열처리시 게이트 산화막을 질화시켜 게이트 산질화막을 형성함으로써 누설 전류 및 임계 전압 안정 등의 특성을 향상시킬 수 있으며, 동시에 P모스에서의 보론 도펀트의 게이트 페너트레이션에 의한 게이트 열화를 억제시킬 수 있다.As described above, the present invention performs ion implantation process for threshold voltage, punch through prevention, channel stop, well formation and poly doping after polysilicon deposition, and recovers damage caused by ion implantation and activates poly doped dopant by rapid heat treatment. In addition, the process time can be simplified to shorten the process time, and additionally, N ion implantation can be performed at the same time to nitrate the gate oxide film during the rapid heat treatment to form the gate oxynitride film, thereby improving characteristics such as leakage current and threshold voltage stabilization. In addition, gate degradation due to gate penetration of the boron dopant in the PMOS can be suppressed.

Claims (3)

활성 영역이 정의된 실리콘웨이퍼를 세정하여 희생 산화막을 제거한 후, 실리콘웨이퍼를 열산화하여 게이트 산화막을 형성하고, 그 상부에 폴리 실리콘을 증착하는 단계와;Cleaning the silicon wafer in which the active region is defined to remove the sacrificial oxide film, and thermally oxidizing the silicon wafer to form a gate oxide film, and depositing polysilicon on the silicon wafer; 상기 폴리 실리콘 상부로 임계 전압, 펀치 스루 방지, 채널 스톱, 웰 형성 및 폴리 실리콘 도핑을 위한 이온 주입 공정을 연속으로 체인 방식으로 실시하며, 추가로 N을 이온 주입하는 단계와;Continuously implanting an ion implantation process over the polysilicon for threshold voltage, punch through prevention, channel stop, well formation and polysilicon doping, further implanting N; 상기 실리콘웨이퍼를 빠른 열처리하여 상기 이온 주입에 의한 손상 회복과 도펀트를 활성화시키며, 게이트 산화막을 질화시켜 게이트 산질화막을 형성하는 단계와;Rapidly heat-treating the silicon wafer to activate the dopants for damage recovery by the ion implantation, and to nitride the gate oxide film to form a gate oxynitride film; 상기 폴리 실리콘과 게이트 산질화막을 패터닝하여 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법.And forming a gate electrode by patterning the polysilicon and the gate oxynitride film. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 주입되는 N의 주입 깊이는 상기 폴리 실리콘 내부 영역 이내가 되도록 하며, 이온 주입량은 1E12 내지 1E14가 되도록 이온 주입 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법.The method of claim 1, wherein an ion implantation process is performed such that an implantation depth of N to be implanted is within the polysilicon internal region, and an ion implantation amount is 1E12 to 1E14. . 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 빠른 열처리는 950℃ 내지 1100℃의 온도, 700Torr 내지 780Torr의 압력에서 5초 내지 50초 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법.The method of claim 1, wherein the rapid heat treatment is performed at a temperature of 950 ° C. to 1100 ° C. and a pressure of 700 Torr to 780 Torr for 5 seconds to 50 seconds.
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