KR100505449B1 - 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 모스 트랜지스터(MOSFET)의 게이트 전극 형성 공정에 관한 것이며, 더 자세히는 반도체 소자의 폴리사이드(polycide) 게이트 전극 형성방법에 관한 것이다. 본 발명은 고융점 금속의 확산에 따른 실리사이드/폴리실리콘 계면의 거칠기(roughness)를 개선할 수 있는 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 고융점 금속의 확산이 주로 폴리실리콘막의 주상 구조(columnar structure)에 기인한다는데 착안하여 실리사이드막 형성 전 폴리실리콘막의 표면 부분을 질화시킴으로써 후속 열공정에서 폴리실리콘막의 결정립계를 통한 고융점 금속 원소의 확산을 최소화하는 기술이다. 본 발명은 폴리실리콘막 표면의 질화를 위해 질소 이온주입, 질화 분위기에서의 열처리 등을 사용할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 모스 트랜지스터(MOSFET)의 게이트 전극 형성 공정에 관한 것이며, 더 자세히는 반도체 소자의 폴리사이드(polycide) 게이트 전극 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 모스 트랜지스터의 게이트 전극은 폴리실리콘막을 사용하여 형성하여 왔다. 그러나, 반도체 소자의 고집적화에 따라 게이트 전극을 비롯한 각종 패턴이 미세화 되고 있으며, 최근에는 0.15㎛ 선폭 이하까지 미세화가 진행되고 있다. 이에 따라, 통상적인 게이트 전극 형성시 사용되어 온 도핑된 폴리실리콘(doped polysilicon)은 그 자체의 높은 비저항 특성으로 인하여 지연 시간이 길어 빠른 동작을 요구하는 소자에 적용하기가 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제점은 반도체 장치의 고집적화에 따라 더욱 심각한 문제로 대두되고 있으며, 이를 개선하기 위하여 텅스텐, 티타늄 등의 고융점 금속 원소를 이용한 폴리사이드(polycide, polysilicon + silicide) 구조의 게이트 전극에 대한 관심이 증대되고 있다.
첨부된 도면 도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 따른 티타늄 폴리사이드 구조의 게이트 전극 형성 공정을 도시한 것으로, 종래의 공정은 우선, 도 1a에 도시된 바와 같이 반도체 기판(10) 상에 게이트 산화막(gate oxide)(11)을 성장시킨 후, 그 상부에 도핑된 폴리실리콘막(12)을 증착한다.
다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이 TiSix 타겟(target)을 이용하여 PVD(physical vapor deposition) 방법으로 폴리실리콘막(12) 상에 TiSix막을 증착한다. 이어서, 소정 온도에서 수 초 동안 급속 열처리(RTP, Rapid Thermal Process)를 진행하여 비정질의 TiSix막을 결정질(crystalline)의 TiSi2막(13)으로 상변화(phase transformation) 시킨다.
마지막으로, 도 1c는 SAC(Self-Aligned Contact) 공정 등의 후속 공정을 위해 산화막(6)(또는 질화막)을 TiSi2막(13) 상에 증착한 후, 사진 및 식각 공정을 실시하여 게이트 전극을 패터닝한 후의 상태를 도시하고 있다.
통상적인 반도체 소자 제조 공정에서는 게이트 전극 패터닝 후에 후속 열공정으로 게이트 재산화(gate re-oxidation) 공정, 소오스/드레인(source/drain) 형성 및 열처리 공정, 층간절연막(inter-layer dielectric) 형성 및 평탄화를 위한 열처리 공정, 캐패시터(capacitor) 형성을 위한 열처리 공정이 수반된다.
첨부된 도면 도 2는 종래기술에 따라 형성된 티타늄 폴리사이드 구조의 게이트 전극의 단면을 도시한 것으로, 상기의 후속 열공정에서 TiSi2/폴리실리콘 계면(interface)의 거칠기(roughness)가 악화된 상태를 나타낸 것이다. 이처럼 계면의 거칠기가 악화되는 이유는 후속 열공정에서 TiSi2막(23)의 응집(agglomeration) 현상으로 인해 발생한 스트레스에 의해 TiSi2/폴리실리콘 계면을 통한 물질 이동이 생김과 동시에 TiSi2막(23)과 폴리실리콘막(22)의 반응도 진행되기 때문이다. 심할 경우, TiSi2막(23)이 게이트 산화막(21)과 맞닿게 되는 현상까지 발생한다. 이처럼 TiSi2/폴리실리콘 계면의 거칠기가 심해질수록 게이트 산화막(22)의 특성이 열화되어 소자의 신뢰성이 크게 저하된다. 미설명 도면 부호 '20' 은 실리콘 기판, '24' 는 마스크 산화막, '25' 는 스페이서 산화막, '26' 은 소오스/드레인 접합을 각각 나타낸 것이다.
이상에서는 TiSi2/폴리실리콘 구조의 폴리사이드 게이트 전극을 일례로 들어 그 문제점을 살펴보았으나, 이러한 문제점들은 비단 티타늄 폴리사이드 게이트 전극 형성시에만 나타나는 것이 아니라, 거의 모든 폴리사이드 게이트 전극 형성시에 나타날 수 있는 것이다.
본 발명은 고융점 금속의 확산에 따른 실리사이드/폴리실리콘 계면의 거칠기(roughness)를 개선할 수 있는 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고융점 금속의 확산이 주로 폴리실리콘막의 주상 구조(columnar structure)에 기인한다는데 착안하여 실리사이드막 형성 전 폴리실리콘막의 표면 부분을 질화시킴으로써 후속 열공정에서 폴리실리콘막의 결정립계를 통한 고융점 금속 원소의 확산을 최소화하는 기술이다. 본 발명은 폴리실리콘막 표면의 질화를 위해 질소 이온주입, 질화 분위기에서의 열처리 등을 사용할 수 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명으로부터 제공되는 특징적인 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법은, 반도체 기판 상에 게이트절연막을 형성하는 단계, 상기 게이트절연막 상에 도핑된 폴리실리콘막을 형성하는 단계, 상기 폴리실리콘막의 표면 부분을 질화시키는 단계, 그 표면이 질화된 상기 폴리실리콘막 상에 실리사이드막을 형성하는 단계, 및 상기 실리사이드막과 상기 폴리실리콘막을 선택적으로 식각하여 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
첨부된 도면 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리사이드 게이트 전극 형성 공정을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.
본 실시예에 따른 공정은, 우선 도 3a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(30) 상에 게이트 산화막(31)을 성장시킨 후, 그 상부에 도핑된 폴리실리콘막(32)을 증착한다.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이 폴리실리콘막(32) 표면 부분에 질소 이온(N2 +)을 주입하여 질소가 포함된 폴리실리콘막(32a)을 형성한다. 이때, 10~30 keV의 에너지, 1×1014~1×1016ions/㎠의 도우즈(does) 조건으로 이온주입을 실시하는 것이 바람직하다.
계속하여, 도 3c에 도시된 바와 같이 질소가 포함된 폴리실리콘막(32a) 상에 비정질의 TiSix막을 TiSix 스퍼터링 타겟을 사용한 PVD법으로 증착하고, 소정 온도에서 수초 동안 급속열처리(Rapid Thermal Process, RTP) 공정을 진행하여 비정질 TiSix막을 결정질(Crystalline)의 TiSi2막(33)으로 상변화(Phase Transformation) 시킨다.
이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이 통상적인 자기정렬 콘택(Self-Aligned Contact, SAC) 공정 등의 후속 공정을 위해 마스크 산화막(34)(또는 질화막)을 증착한다.
마지막으로, 도 3e에 도시된 바와 같이 마스크 산화막(34), TiSi2막(33), 질소가 포함된 폴리실리콘막(32a), 폴리실리콘막(32) 및 게이트 산화막(31)을 차례로 선택 식각하여 게이트 전극을 패터닝한다.
본 발명의 다른 실시예는 상기 일 실시예에서 질소 이온주입 공정을 대신하여 N2 가스, NH3 가스, N2O 가스 등의 질화 분위기에서 열처리를 실시하여 폴리실리콘막(32) 표면에 질소가 포함된 폴리실리콘막(32a)을 형성하는 것이다. 이때, 열처리는 700~900℃에서 10~60분 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 일 실시예 및 다른 실시예에서 설명한 바와 같은 공정을 통해 질소가 포함된 폴리실리콘층이 TiSi2막과 접촉하게 되고, 그 결과 후속 열공정에서 TiSi2막의 응집 현상으로 인해 발생한 스트레스에 의해 계면에서 발생되는 물질 이동을 저하시킬 수 있고, 동시에 후속 열공정에서 TiSi2막과 폴리실리콘막의 반응도 저하시킬 수 있다.
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.
예를 들어, 전술한 실시예에서는 폴리실리콘/티타늄 실리사이드 구조의 폴리사이드 게이트 전극을 형성하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, WSi2, CoSi2, VSi2, CrSi2, ZrSi2, NbSi2, MoSi2, HfSi2 등의 다른 실리사이드막을 사용하여 폴리사이드 구조의 게이트 전극을 형성하는 경우에도 적용할 수 있다.
전술한 본 발명은 게이트 전극 패터닝 후의 후속 열공정에 의한 고융점 금속 원소의 확산을 방지하여 폴리실리콘/실리사이드 계면의 거칠기를 개선할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인하여 게이트 산화막 특성을 비롯한 반도체 소자의 특성을 개선하여 반도체 소자의 신뢰도 및 수율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 따른 티타늄 폴리사이드 게이트 전극 형성 공정도.
도 2는 종래기술에 따라 형성된 티타늄 폴리사이드 게이트 전극의 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리사이드 게이트 전극 형성 공정도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 실리콘 기판 31 : 게이트 산화막
32 : 폴리실리콘막 32a : 질소가 포함된 폴리실리콘막
33 : TiSi2막 34 : 마스크 산화막
Claims (8)
- 반도체 기판 상에 게이트절연막을 형성하는 단계;상기 게이트절연막 상에 도핑된 폴리실리콘막을 형성하는 단계;상기 폴리실리콘막의 표면 부분을 질화시키는 단계;그 표면이 질화된 상기 폴리실리콘막 상에 실리사이드막을 형성하는 단계; 및상기 실리사이드막과 상기 폴리실리콘막을 선택적으로 식각하여 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 실리사이드막은,티타늄 실리사이드막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 폴리실리콘막의 표면 부분을 질화시키는 단계는,상기 폴리실리콘막의 표면 부분에 질소를 이온주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 폴리실리콘막의 표면 부분을 질화시키는 단계는,상기 폴리실리콘막 형성후 질화 분위기에서 열처리하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법.
- 제3항에 있어서,상기 질소의 이온주입은,10~30 keV의 이온주입 에너지와 1×1014~1×1016ions/㎠의 도우즈 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 열처리가,700~900℃ 온도에서 10~60분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 열처리가,N2 가스, NH3 가스, N2O 가스 중 어느 하나를 분위기 가스로 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법.
- 제2항에 있어서,상기 티타늄실리사이드막을 형성하는 단계는,비정질의 티타늄 실리사이드막를 형성하는 단계; 및상기 비정질의 티타늄 실리사이드막을 급속열처리하여 결정질의 티타늄 실리사이드막으로 상변화시키는 단계를 포함하여 이루어진 반도체 소자의 폴리사이드 게이트 전극 형성방법.
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