KR100296133B1 - Metal gate electrode formation method of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법에 관한 것이며, 비저항이 낮은 텅스텐막을 게이트 전극 재료로 사용할 수 있도록 텅스텐과 주변 원소의 반응을 최소화할 수 있는 반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 게이트 전극 재료로서 폴리실리콘과 더불어 녹는점이 높고 비저항이 낮은 텅스텐을 사용하고, 실리콘과 텅스텐의 반응을 막기 위한 베리어로서 Ti/TiN 막을 사용한다. 대개의 경우 게이트 형성 후에 700℃ 이상의 고온 공정이 수반되므로 Ti/TiN막만으로는 텅스텐과 실리콘의 반응을 막기 힘들며, 400℃ 이상의 온도에서 Ti와 실리콘의 반응이 일어나므로 단순한 증착만으로는 적용이 힘들기 때문에 Ti막 증착후와 TiN막 증착 도중에 산소 플라즈마(oxygen plasma) 처리를 실시한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor technology, and more particularly, to a method of forming a metal gate electrode of a semiconductor device. The metal gate of a semiconductor device capable of minimizing the reaction between tungsten and surrounding elements so that a low resistivity tungsten film can be used as a gate electrode material. The object is to provide a method for forming an electrode. The present invention uses tungsten with high melting point and low specific resistance as the gate electrode material, and uses a Ti / TiN film as a barrier to prevent the reaction between silicon and tungsten. In most cases, it is difficult to prevent the reaction between tungsten and silicon with Ti / TiN film alone, because the high temperature process is over 700 ℃ after the gate formation.Since Ti and silicon reaction occurs at temperatures above 400 ℃, Ti is difficult to apply. Oxygen plasma treatment is performed after the film deposition and during the TiN film deposition.

Description

반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법Metal gate electrode formation method of semiconductor device

본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to semiconductor technology, and more particularly, to a method of forming a metal gate electrode of a semiconductor device.

반도체 장치의 고집적화에 따라 전도 라인의 선폭이 줄어들게 되고, 이에 따라 전도 라인의 저항값이 증가하게 되어, 낮은 저항값을 유지하여 신호 전달 속도를 빠르게 유지하는 것이 고집적 반도체 장치 개발의 큰 과제가 되고 있다.As the integration of semiconductor devices increases, the line width of conduction lines decreases. Accordingly, the resistance value of conduction lines increases. Therefore, maintaining a low resistance value and maintaining a high signal transfer rate has become a big problem in the development of highly integrated semiconductor devices. .

첨부된 도면 도 1은 종래의 일반적인 트랜지스터 구조를 도시한 것으로, 도시된 종래의 트랜지스터는 그 게이트 전극 재료로서 도핑된 폴리실리콘막(13)을 사용하였다. 미설명 도면 부호 '10'은 실리콘 기판, '11'은 필드 산화막, '12'는 게이트 산화막, '14'는 측벽 스페이서, '15'는 접합층을 각각 나타낸 것이다.1 shows a conventional general transistor structure, in which the conventional transistor shown uses a doped polysilicon film 13 as its gate electrode material. Reference numeral '10' represents a silicon substrate, '11' represents a field oxide film, '12' represents a gate oxide film, '14' represents a sidewall spacer, and '15' represents a bonding layer.

이러한 종래의 트랜지스터에서 게이트 전극 재료인 도핑된 폴리실리콘막(13)은 그 자체의 저항이 너무 커서 집적화가 가속될수록 낮은 저항을 가지는 물질로의 대체할 필요성이 대두되었다. 그러나, 낮은 저항의 물질들이 게이트로 사용되기에는 많은 문제를 안고 있다. 우선 대부분의 금속이 식각이 어려운 문제를 가지고 있으며, 열적으로 주변 물질과 쉽게 반응하는 특성을 가지고 있고, 자체의 스트레스에 의해 주변층에 손상을 입히는 문제점을 가지고 있다.In such a conventional transistor, the doped polysilicon film 13, which is a gate electrode material, has its own resistance so large that there is a need to replace it with a material having a lower resistance as the integration is accelerated. However, low resistance materials have many problems to be used as gates. First of all, most metals have a problem of being difficult to etch, have a property of easily reacting thermally with surrounding materials, and have a problem of damaging the surrounding layer by their own stress.

이에 따라, 64M DRAM급의 고집적 회로를 구성하는 경우에 간혹 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide)와 함께 폴리사이드(polycide) 구조의 게이트 전극을 적용하기도 하나, 텅스텐 실리사이드 역시 비저항이 대단히 높은 물질이므로 그 적용에 한계가 있다.Accordingly, in the case of constructing a 64M DRAM-class integrated circuit, a gate electrode having a polycide structure together with tungsten silicide is sometimes used. However, since tungsten silicide is also a material having a very high resistivity, its application is limited. There is.

본 발명은 비저항이 낮은 텅스텐막을 게이트 전극 재료로 사용할 수 있도록 텅스텐과 주변 원소의 반응을 최소화할 수 있는 반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for forming a metal gate electrode of a semiconductor device capable of minimizing a reaction between tungsten and surrounding elements so that a tungsten film having a low resistivity can be used as a gate electrode material.

도 1은 종래의 일반적인 게이트 전극의 단면 구조도.1 is a cross-sectional structural view of a conventional general gate electrode.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 게이트 전극 형성 공정 단면도.2A to 2E are cross-sectional views of a metal gate electrode forming process according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

20 : 실리콘 기판 21 : 필드 산화막20 silicon substrate 21 field oxide film

22 : 게이트 산화막 23 : 폴리실리콘막22 gate oxide film 23 polysilicon film

24 : Ti막 25: TiN막24: Ti film 25: TiN film

26 : 텅스텐막 27 : ARC TiN막26: tungsten film 27: ARC TiN film

28 : 측벽 스페이서 29 : 접합층28 sidewall spacer 29 bonding layer

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명으로부터 제공되는 특징적인 반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법은 반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법에 있어서, 반도체 기판 상에 게이트 절연막을 형성하는 제1 단계; 상기 게이트 절연막 상에 폴리실리콘막을 형성하는 제2 단계; 상기 폴리실리콘막 상에 Ti막을 증착하는 제3 단계; 상기 Ti막을 산소 플라즈마 처리하는 제4 단계; 상기 Ti막 상에 제1 TiN막을 증착하되, 증착 도중 상기 제1 TiN막의 산소 플라즈마 처리를 실시하는 제5 단계; 상기 제1 TiN막 상에 텅스텐막을 형성하는 제6 단계; 및 사진 및 식각 공정을 실시하여 게이트 전극을 패터닝하는 제7 단계를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, there is provided a method of forming a metal gate electrode of a semiconductor device, the method comprising: a first step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; Forming a polysilicon film on the gate insulating film; Depositing a Ti film on the polysilicon film; A fourth step of oxygen plasma treating the Ti film; Depositing a first TiN film on the Ti film, and performing an oxygen plasma treatment of the first TiN film during deposition; A sixth step of forming a tungsten film on the first TiN film; And a seventh step of patterning the gate electrode by performing a photo and etching process.

즉, 본 발명은 게이트 전극 재료로서 폴리실리콘과 더불어 녹는점이 높고 비저항이 낮은 텅스텐을 사용하고, 실리콘과 텅스텐의 반응을 막기 위한 베리어로서 Ti/TiN 막을 사용한다. 대개의 경우 게이트 형성 후에 700℃ 이상의 고온 공정이 수반되므로 Ti/TiN막만으로는 텅스텐과 실리콘의 반응을 막기 힘들며, 400℃ 이상의 온도에서 Ti와 실리콘의 반응이 일어나므로 단순한 증착만으로는 적용이 힘들기 때문에 Ti막 증착후와 TiN막 증착 도중에 산소 플라즈마(oxygen plasma) 처리를 실시한다.That is, the present invention uses tungsten with high melting point and low specific resistance as the gate electrode material, and uses a Ti / TiN film as a barrier for preventing the reaction between silicon and tungsten. In most cases, it is difficult to prevent the reaction between tungsten and silicon with Ti / TiN film alone, because the high temperature process is over 700 ℃ after the gate formation.Since Ti and silicon reaction occurs at temperatures above 400 ℃, Ti is difficult to apply. Oxygen plasma treatment is performed after the film deposition and during the TiN film deposition.

이하, 본 발명의 용이한 실시를 도모하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be introduced to facilitate easy implementation of the present invention.

첨부된 도면 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 전극 형성 공정을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 그 공정을 살펴본다.2A to 2E illustrate a process of forming a gate electrode according to an exemplary embodiment of the present invention. Hereinafter, the process will be described with reference to the drawings.

먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(20) 상에 필드 산화막(21)을 형성하고, 게이트 산화막(22)을 성장시킨 다음, 전체구조 상부에 폴리실리콘막(23)을 증착한다. 이때, 폴리실리콘막(23)은 가급적 얇은 두께로 증착하여 500Å 이하의 두께를 유지하도록 한다. 또한 가급적 낮은 저항값을 가지도록 고농도로 도핑시킨다.First, as shown in FIG. 2A, a field oxide film 21 is formed on a silicon substrate 20, a gate oxide film 22 is grown, and a polysilicon film 23 is deposited on the entire structure. At this time, the polysilicon film 23 is deposited as thin as possible to maintain a thickness of less than 500Å. It is also doped at high concentrations to have as low resistance as possible.

다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이 물리기상증착(PVD) 장비 내에서 폴리실리콘막(23) 상부에 Ti막(24)을 100Å 이하의 두께로 증착하여 후속 공정시 실리콘과의 반응이 최소화되도록 하고, 200W 이하의 낮은 RF 및 바이어스 전원을 사용하며, 산소(O2) 플라즈마 처리를 실시한다. 이때, 바이어스는 실리콘 기판(20)을 향하도록 하여 Ti막(24)의 일부 또는 전부를 미세한 불완전 산화막으로 바뀌도록 한다.Next, as illustrated in FIG. 2B, the Ti film 24 is deposited on the polysilicon film 23 to a thickness of 100 μs or less in the physical vapor deposition (PVD) equipment to minimize the reaction with silicon during the subsequent process. Oxygen (O 2 ) plasma treatment is performed using a low RF and bias power supply of 200 W or less. At this time, the bias is directed toward the silicon substrate 20 so that part or all of the Ti film 24 is changed into a fine incomplete oxide film.

계속하여, 도 2c에 도시된 바와 같이 동일 장비 내에서 300Å 이하의 낮은 두께로 TiN막(25)을 증착한다. TiN막(25)이 원자들의 상호 확산을 막는데 불완전하여도 Ti막(24) 상부의 미세 산화막(도시되지 않음)이 이를 막아줄 수 있다. 또한 TiN막(25)의 베리어 특성을 강화하기 위하여 TiN막(25) 증착 도중에 역시 산소 플라즈마 처리를 실시한다. 이러한 Ti/TiN막(24, 25)의 산소 플라즈마 처리는 구조가 불완전한 미세한 산화막에 의하여 원자들의 확산 경로를 막거나 이미 형성된 결정립(grain)의 구조를 변화시켜 원자들의 확산 경로인 결정립계(grain boundary)를 길게 연장하는 효과를 얻는다.Subsequently, as shown in FIG. 2C, the TiN film 25 is deposited to a low thickness of 300 kPa or less in the same equipment. Even if the TiN film 25 is incomplete in preventing the interdiffusion of atoms, a fine oxide film (not shown) on the Ti film 24 may prevent it. In addition, oxygen plasma treatment is also performed during the deposition of the TiN film 25 in order to enhance the barrier property of the TiN film 25. Oxygen plasma treatment of the Ti / TiN films 24 and 25 prevents the diffusion path of atoms by a fine oxide film having an incomplete structure or changes the structure of grains that have already been formed. Get the effect of extending the long.

이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이 역시 동일 장비 내에서 전체구조 상부에 텅스텐막(26)을 800Å 이하의 두께로 증착하고, 그 상부에 반사 방지막(ARC)인 TiN막(27)을 300Å 이하의 두께로 설정하여 증착한다. 이상의 Ti막(24)부터 ARC TiN막(27)까지의 증착은 모두 물리기상증착 장비 내에서 챔버만 이동하면서 수행되며, 특히 Ti막(24) 및 TiN막(25)의 증착 및 산소 플라즈마 처리는 동일 챔버에서 진행할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 2D, a tungsten film 26 is deposited to a thickness of 800 kPa or less on the entire structure in the same equipment, and a TiN film 27, which is an anti-reflective film (ARC), is 300 kPa or less. Set to thickness and deposit. The deposition from the Ti film 24 to the ARC TiN film 27 is performed while only moving the chamber in the physical vapor deposition apparatus. In particular, the deposition and oxygen plasma treatment of the Ti film 24 and the TiN film 25 are performed. Can proceed in the same chamber.

끝으로, 도 2e에 도시된 바와 같이 사진 및 식각 공정을 실시하여 게이트 전극을 형성한다. 도면 부호 '28'은 측벽 스페이서, '29'는 접합층을 나타낸 것이다.Finally, as shown in FIG. 2E, a photo electrode and an etching process are performed to form a gate electrode. Reference numeral '28' denotes a sidewall spacer and '29' denotes a bonding layer.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.

이상에서와 같이 본 발명은 게이트 전극 재료로서 텅스텐막을 사용하는 것을 가능하게 하여 게이트 전극의 선저항을 크게 감소시키는 효과가 있으며, 이로 인하여 반도체 장치의 특성 열화를 방지하는 효과가 있다. 또한 반도체 장치의 고집적화를 용이하게 하여 웨이퍼당 소자(net die)수를 증가시켜 생산 단가를 감소시키는 경제적인 효과가 있다.As described above, the present invention makes it possible to use a tungsten film as the gate electrode material, thereby greatly reducing the line resistance of the gate electrode, thereby preventing the deterioration of characteristics of the semiconductor device. In addition, there is an economic effect of facilitating high integration of semiconductor devices to increase the number of net dies per wafer, thereby reducing the production cost.

Claims (7)

반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법에 있어서,In the method of forming a metal gate electrode of a semiconductor device, 반도체 기판 상에 게이트 절연막을 형성하는 제1 단계;Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate; 상기 게이트 절연막 상에 폴리실리콘막을 형성하는 제2 단계;Forming a polysilicon film on the gate insulating film; 상기 폴리실리콘막 상에 Ti막을 증착하는 제3 단계;Depositing a Ti film on the polysilicon film; 상기 Ti막을 산소 플라즈마 처리하는 제4 단계;A fourth step of oxygen plasma treating the Ti film; 상기 Ti막 상에 제1 TiN막을 증착하되, 증착 도중 상기 제1 TiN막의 산소 플라즈마 처리를 실시하는 제5 단계;Depositing a first TiN film on the Ti film, and performing an oxygen plasma treatment of the first TiN film during deposition; 상기 제1 TiN막 상에 텅스텐막을 형성하는 제6 단계; 및A sixth step of forming a tungsten film on the first TiN film; And 사진 및 식각 공정을 실시하여 게이트 전극을 패터닝하는 제7 단계Seventh step of patterning the gate electrode by performing a photo and etching process 를 포함하여 이루어진 반도체 장치의 금속 게이트 형성방법.Metal gate forming method of a semiconductor device comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제6 단계 수행후, 상기 텅스텐막 상에 반사 방지용 제2 TiN막을 형성하는 제8 단계를 더 포함하여 이루어진 반도체 장치의 금속 게이트 형성방법.And performing an eighth step of forming an anti-reflection second TiN film on the tungsten film after performing the sixth step. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제3 단계 내지 상기 제6 단계가 동일 물리기상증착 장비 내에서 이루어진 반도체 장치의 금속 게이트 형성방법.And the third to sixth steps are performed in the same physical vapor deposition apparatus. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 제3 단계 내지 제5 단계가 동일 챔버에서 이루어진 반도체 장치의 금속 게이트 형성방법.And the third to fifth steps are performed in the same chamber. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Ti막 및 상기 제1 TiN막이 각각 100Å 및 300Å을 넘지 않는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법.And the Ti film and the first TiN film are formed to a thickness not exceeding 100 kPa and 300 kPa, respectively. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,The method according to claim 1 or 5, 상기 제4 단계 및 상기 제6 단계의 상기 플라즈마 처리가 각각 200W를 넘지 않는 전원을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법.And the plasma processing of the fourth step and the sixth step is performed using a power supply that does not exceed 200 W, respectively. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제4 단계에서, 상기 Ti막의 일부 또는 전부가 산화되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 금속 게이트 전극 형성방법.In the fourth step, a part or all of the Ti film is oxidized.
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