KR100571381B1 - Semiconductor element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 활성 영역이 정의된 반도체 기판 위에 산화막, 다결정 규소층을 순차적으로 형성한 후 패터닝하여 게이트를 형성하는 단계, 게이트의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계, 활성 영역에 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계, 반도체 기판 상부 전면에 스퍼터 방식으로 실리 사이드용 금속층을 형성하는 단계, 실리 사이드용 금속층 상부에 보호 금속층을 형성하고 1차 열처리하여 게이트, 소스 및 드레인 영역 상부에 실리 사이드를 형성하는 단계, 보호 금속층 및 실리 사이드화 되지 않은 실리 사이드용 금속층을 형성하는 단계, 기판을 2차 열처리하여 실리사이드를 안정화시키는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes sequentially forming an oxide film and a polysilicon layer on a semiconductor substrate on which an active region is defined, and then patterning the gate to form a gate, forming a spacer on the sidewall of the gate, Forming a source and drain region, forming a silicide metal layer by sputtering on the entire upper surface of the semiconductor substrate, forming a protective metal layer on the silicide metal layer and performing a first heat treatment to deposit the silicide on the gate, source and drain regions. Forming a side, forming a protective metal layer and a non-silicided silicide metal layer, and stabilizing the silicide by performing a second heat treatment on the substrate.
저항, 코발트, 실리사이드Resistance, cobalt, silicide
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 공정 순서대로 도시한 단면도이다.2A to 2F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention in the order of process.
본 발명은 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
반도체 소자를 구성하는 트랜지스터의 성능은 트랜지스터의 속도, 구동 전류(drive current) 및 누설 전류(leakage current)와 밀접한 관계가 있다. 따라서 트랜지스터의 속도는 빠르고 누설 전류는 작게 하기 위해서 트랜지스터의 소스 및 드레인의 저항, 트랜지스터의 게이트의 저항 및 접촉구 부분의 저항값이 작아야 한다.The performance of a transistor constituting a semiconductor device is closely related to the speed, drive current, and leakage current of the transistor. Therefore, in order to increase the speed of the transistor and reduce the leakage current, the resistance of the source and drain of the transistor, the resistance of the gate of the transistor, and the resistance of the contact portion must be small.
이 부분의 저항을 작게 하기 위해서 드레인과 소스의 계면 및 게이트의 계면에 실리사이드(silicide)를 형성한다. 실리 사이드는 티타늄(titanium : Ti) 또는 코발트(cobalt : Co) 등의 금속을 증착한 후 급속 열처리(rapid temperature process : RTP) 등을 실시하여 하부층과 금속을 반응시켜 형성한다.In order to reduce the resistance of this portion, silicide is formed at the interface between the drain and the source and the interface between the gate and the gate. The silicide is formed by depositing a metal such as titanium (Ti) or cobalt (Cobalt: Co) and then performing a rapid temperature process (RTP) to react the lower layer with the metal.
이때 금속이 증착되는 부분에는 불순물이 없는 깨끗한 상태를 유지하는 것이 바람직한데, 대기 중에 노출되었을 때 반도체 기판의 계면에는 자연 산화막이 형성된다. 따라서, 금속을 증착하기 전에 다수회의 세정을 실시하지만 자연 산화막이 제거되지 않고 종종 잔존하는 경우가 발생한다. At this time, it is preferable to maintain a clean state free of impurities in the portion where the metal is deposited. When exposed to the air, a natural oxide film is formed at the interface of the semiconductor substrate. Thus, a number of cleanings are performed prior to depositing the metal, but the natural oxide film is not removed but often remains.
이런 자연 산화막이 잔존한 상태에서 금속을 증착하면 열처리로 실리 사이드를 형성할 때 실리사이드가 제대로 형성되지 않게 되며 이로 인하여 드레인, 소스 및 게이트 부분에 저항이 증가하게 되어 반도체 소자가 제대로 구동하지 못하는 문제점이 있다.If the metal is deposited while the natural oxide film remains, silicide is not properly formed when the silicide is formed by heat treatment, and thus, the resistance of the drain, the source, and the gate portion increases, thereby preventing the semiconductor device from operating properly. have.
따라서 상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실리 사이드가 안정적으로 형성된 반도체 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention for solving the above problems is to provide a semiconductor device stably formed silicide and a method of manufacturing the same.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 활성 영역이 정의된 반도체 기판 위에 산화막, 다결정 규소층을 순차적으로 형성한 후 패터닝하여 게이트를 형성하는 단계, 게이트의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계, 활성 영역에 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계, 반도체 기판 상부 전면에 스퍼터 방식으로 실리 사이드용 금속층을 형성하는 단계, 실리 사이드용 금속층 상부에 보호 금속층을 형성하고 1차 열처리하여 게이트, 소스 및 드레인 영역 상부에 실리 사이드를 형성하는 단계, 보호 금속층 및 실리 사이드화 되지 않은 실리 사이 드용 금속층을 형성하는 단계, 기판을 2차 열처리하여 실리사이드를 안정화시키는 단계를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a semiconductor device, by sequentially forming an oxide film and a polysilicon layer on a semiconductor substrate on which an active region is defined, and then patterning the gate to form a gate, and forming a spacer on a sidewall of the gate. Forming a source and drain region in an active region, forming a silicide metal layer on a front surface of a semiconductor substrate by a sputtering method, forming a protective metal layer on the silicide metal layer and performing a first heat treatment to form a gate, Forming a silicide on the source and drain regions, forming a protective metal layer and an unsilicided silicide metal layer, and stabilizing the silicide by performing a second heat treatment on the substrate.
그리고 게이트의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계 이전에 활성 영역에 저농도 도핑 영역을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 실리사이드용 금속층은 코발트인 것이 바람직하다. The method may further include forming a lightly doped region in the active region before forming the spacer on the sidewall of the gate. At this time, the silicide metal layer is preferably cobalt.
또한, 보호 금속층은 Ti, TiN 또는 Ti/TiN 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 스퍼터 방식에 의한 실리 사이드용 금속층의 증착은 스퍼터에서 DC 파워 2~10KW 범위의 높은 에너지로 실시하는 것이 바람직하다. In addition, the protective metal layer is preferably any one of Ti, TiN, or Ti / TiN, and the deposition of the silicide metal layer by the sputtering method is preferably performed at a high energy in the range of 2 to 10 KW of DC power in the sputter.
또한, 스퍼터에서 실리 사이드용 금속층을 형성할 때 스퍼터에 주입되는 아르곤 가스는 40~70sccm이고, 히터 아르곤 가스는 8~15sccm인 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the argon gas injected into the sputter when forming the silicide metal layer in the sputter is 40 to 70 sccm, and the heater argon gas is 8 to 15 sccm.
또한, 1차 열처리는 RTP 방식으로 400~600도에서 10~60초간 진행되고, 2차 열처리는 RTP 방식으로 800~950℃에서 10~60초간 진행하는 것이 바람직하다.In addition, the first heat treatment is carried out for 10 to 60 seconds at 400 ~ 600 degrees by RTP method, the second heat treatment is preferably carried out for 10 to 60 seconds at 800 ~ 950 ℃ by RTP method.
또한, 1차 열처리는 전기로에서 300~600℃에서 20~60분간 진행되고, 2차 열처리는 전기로에서 500~900℃에서 20~60분간 진행하는 것이 바람직하다.In addition, the first heat treatment is performed for 20 to 60 minutes at 300 ~ 600 ℃ in the electric furnace, the second heat treatment is preferably performed for 20 to 60 minutes at 500 ~ 900 ℃ in the electric furnace.
상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자는 활성 영역이 정의된 반도체 기판, 활성 영역의 소정 영역과 대응하는 반도체 기판 위에 형성되어 있는 게이트, 게이트의 측벽에 형성되어 있는 스페이서, 활성 영역의 반도체 기판에 형성되어 있는 소스 및 드레인 영역, 게이트, 소스 및 드레인 영역 위에 형성되며 스퍼터 방식에 의해 증착한 후 열처리하여 형성된 실리사이드를 포함한다. In accordance with another aspect of the present invention, a semiconductor device includes a semiconductor substrate having an active region defined therein, a gate formed on a semiconductor substrate corresponding to a predetermined region of the active region, a spacer formed on sidewalls of the gate, and an active region. It includes a silicide formed on the source and drain regions formed on the semiconductor substrate of the gate, the gate, the source and drain regions, and deposited by a sputtering method and then heat treated.
여기서 스페이서 하부의 활성 영역에 형성된 저농도 도핑 영역을 더 포함하 는 것이 바람직하다. 또한, 실리사이드는 코발트 실리사이드인 것이 바람직하다. It is preferable to further include a lightly doped region formed in the active region under the spacer. In addition, the silicide is preferably cobalt silicide.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 위에 있다고 할 때, 이는 다른 부분 바로 위에 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 바로 위에 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. When a part of a layer, film, area, plate, etc. is over another part, this includes not only the part directly above the other part but also another part in the middle. On the contrary, when a part is just above another part, it means that there is no other part in the middle.
이제 본 발명의 실시예를 참조한 도면과 함께 상세히 설명한다. It will now be described in detail with reference to the drawings with reference to embodiments of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)에는 활성 영역을 정의하는 소자 격리 영역(12)이 형성되어 있다. 그리고 활성 영역의 일부 위에는 게이트 산화막(14)이 형성되어 있고, 게이트 산화막(14) 위에 게이트(16)가 형성되어 있다. As shown in FIG. 1, a
게이트(16)의 측벽에는 절연 물질로 이루어진 스페이서(18)가 형성되어 있다. 게이트(16) 및 스페이서(18) 양쪽의 반도체 기판(10)에는 n 형 또는 p형 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 소스 영역(20)과 드레인 영역(20)이 형성되어 있다.
게이트(16)의 상부에는 실리 사이드(소스 및 드레인 영역 위의 실리 사이드와 구분하기 위해 이하 폴리 사이드라 함)층(20)이 형성되어 있고, 게이트(16) 및 스페이서(18)가 위치하지 않는 소스 영역 및 드레인 영역(19)의 상부에는 실리 사이드(22)가 각각 형성되어 있다. 폴리 사이드층(20) 및 실리 사이드층(22)은 이후에 금속 또는 다결정 규소로 형성되는 배선과의 접촉시 계면의 접촉 저항을 감소시킨다. 이상 설명한 반도체 소자의 제조 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. On top of gate 16 a silicide layer (hereinafter referred to as polyside to distinguish it from the silicide above source and drain regions)
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 그 공정 순서대로 도시한 도면이다.2A to 2F are diagrams illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention in the order of their processes.
우선, 도 2a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10) 위에 LOCOS(local oxidation of silicon, 도시하지 않음) 또는 STI(shallow trench insulation) 방식으로 형성한 절연 물질로 이루어진 소자 분리 영역(12)을 형성한다. LOCOS 방식은 기판의 소정 영역에 부분적으로 산화막을 성장시켜 소자 분리 영역을 형성하는 방식이고, STI 방식은 기판의 소정 영역에 트랜치를 형성한 후 절연 물질을 트랜치에 채워 소자 분리 영역을 형성하는 방식이다. First, as shown in FIG. 2A, a
도 2b에 도시한 바와 같이, 기판(10) 위에 산화막 및 다결정 규소층을 순차적으로 형성한 다음 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 다결정 규소층 및 산화막을 차례로 패터닝하여 게이트 폴리층(16) 및 게이트 산화막(14)으로 이루어진 게이트(14, 16)를 형성한다.As shown in FIG. 2B, an oxide film and a polycrystalline silicon layer are sequentially formed on the
도 2c에 도시한 바와 같이, 게이트(14, 16)을 덮도록 기판 전면에 질화 규소(SiNx)를 증착하여 질화막을 형성한 후 질화막을 에치백하여 게이트(16)의 측벽에 스페이서(18)를 형성한다. As shown in FIG. 2C, silicon nitride (SiNx) is deposited on the entire surface of the substrate to cover the
도 2d에 도시한 바와 같이, 기판 전면에 산화막을 형성한 후 패터닝하여 게이트(14, 16)를 보호하기 위한 캡 산화막(17)을 형성한다. 이후 캡 산화막(17)을 마스크로 활성 영역에 도전형 불순물 이온을 도핑하여 소스 영역(19) 및 드레인 영역(19)을 형성한다. 이때 주입되는 이온은 n형 또는 p형 불순물로 예를 들면 인(P), 붕소(B) 등을 주입한다. 상기에서는 소스 영역(19) 및 드레인 영역(19)만을 형성하였지만 스페이서(18)의 형성 이전에 저농도 도핑 영역(light doped division : LDD)(도시하지 않음)을 형성할 수도 있다.As shown in Fig. 2D, an oxide film is formed on the entire surface of the substrate and then patterned to form a
도 2e에 도시한 바와 같이, 캡 산화막(17)을 제거하고 SC1, HF, Dilute HF 등의 식각액을 이용한 습식 식각으로 세정하여 기판(10) 상부에 잔존하는 불순물 및 자연 산화막 등을 제거한다. SC1은 과산화수소, 암모니아, 초순수물을 혼합한 용액이다. As shown in FIG. 2E, the
이어 습식 세정 후 CF4 등과 같은 세정용 기체를 이용한 건식 플라즈마 식각을 실시하여 습식 세정으로도 제거되지 않고 잔존하는 자연 산화막을 제거한다. 이때 자연 산화막 제거는 플라즈마 장치의 기판 쪽RF 파워를 60~90W, 챔버쪽 RF 파워를 250~350W인 상태에서 제거한다. Subsequently, after wet cleaning, dry plasma etching using a cleaning gas such as CF 4 is performed to remove the remaining natural oxide film without being removed by wet cleaning. At this time, the removal of the natural oxide film removes the RF power of the substrate side of the plasma apparatus at 60 to 90 W and the chamber side RF power at 250 to 350 W.
도 2f에 도시한 바와 같이, 기판(10) 전면에 실리사이드용 금속층(20A), 보호 금속층(24)을 순차적으로 형성한다. 실리 사이드용 금속층(20A)은 코발트를 증착하여 형성하고 보호 금속층(24)은 Ti, TiN, Ti/TiN 등을 증착하여 형성할 수 있 다. As shown in FIG. 2F, the silicide metal layer 20A and the
그리고 실리 사이드용 금속층(20A)은 스퍼터 방식으로 증착하는데, 스퍼터를 실시할 때 DC Power는 2~10kW 범위의 높은 에너지를 인가하는 것이 바람직하며, 주입 가스인 아르곤의 주입량은 40~70sccm, 히터에 사용되는 가스인 아르곤의 주입량은 8~15sccm이 되도록 한다. 이처럼 가스 주입량을 스퍼터링이 일어날 수 있는 최소 량을 주입하여 코발트 원자와의 충돌을 최소화 한다. The silicide metal layer 20A is deposited by a sputtering method. When sputtering, DC power is preferably applied with a high energy in the range of 2 to 10 kW, and an injection amount of argon, which is an injection gas, is 40 to 70 sccm, to a heater. Argon, the gas used, should be injected at 8 to 15 sccm. As such, the gas injection amount is injected to the minimum amount that sputtering can occur to minimize collisions with cobalt atoms.
주입 가스는 챔버에서 플라즈마로 변하여 챔버내의 반응 공정에 직접 참여하는 가스이다. 그리고 히터에 사용되는 가스는 히터의 열을 기판에 대류 방식으로 전달하기 위한 가스이다. 히터에 사용되는 가스도 주입 가스와 함께 챔버내에서 플라즈마화 되어 반응 공정에 참여한다. The injection gas is a gas that changes from the chamber into a plasma and directly participates in the reaction process in the chamber. And the gas used for the heater is a gas for transferring the heat of the heater to the substrate in a convection manner. The gas used for the heater is also plasmated in the chamber together with the injection gas to participate in the reaction process.
이처럼 높은 파워를 사용하면 스퍼터링 되는 코발트 원자의 운동 에너지가 상승하게 되어 자연 산화막이 잔존하더라도 코발트 원자가 자연 산화막을 충분히 뚫고 들어가 기판 상부 즉, 소스 영역(19) 및 드레인 영역(19)과 게이트(14, 16)의 계면에 충분히 적층된다. 이때 코발트 원자가 충분한 운동 에너지를 가지고 있고, 챔버내에 존재하는 아르곤 플라즈마의 양이 적기 때문에 스퍼터 내에서 전자가 충돌하는 이그니션(Ignition) 문제도 해결할 수 있다. The use of such a high power increases the kinetic energy of the sputtered cobalt atoms, and even though the natural oxide film remains, the cobalt atoms penetrate the natural oxide film sufficiently to enter the upper portion of the substrate, that is, the
이후 1차 열처리를 진행하여 소스 및 드레인 영역(19), 게이트(14, 16)의 상부에 각각 실리 사이드층(22) 및 폴리 사이드층(20)을 형성한다. 이때, 자연 산화막이 잔존하더라도 코발트 원자는 소스 영역(19) 및 드레인 영역(19)과 게이트(16)의 계면에 충분히 적층되어 있기 때문에 실리 사이드(20, 22)가 형성되는데 자연 산화막은 더 이상 장벽으로 작용하지 않는다. After that, the first heat treatment is performed to form the
여기서 1차 열처리는 급속 열처리인 RTP 방식 또는 일반적인 전기로 열처리로 진행할 수 있다. 이 중 RTP 방식으로 열처리를 할 경우에는 300~600℃ 범위의 온도를 유지하면서 10~60초간 진행하는 것이 바람직하다. 그리고 전기로에서 열처리를 할 경우에는 300~600℃의 온도에서 20~60분간 진행하는 것이 바람직하다. In this case, the primary heat treatment may be a rapid heat treatment of RTP or general electric furnace heat treatment. Of these, when the heat treatment by the RTP method it is preferable to proceed for 10 to 60 seconds while maintaining the temperature in the range of 300 ~ 600 ℃. And when the heat treatment in the electric furnace, it is preferable to proceed for 20 to 60 minutes at a temperature of 300 ~ 600 ℃.
다음, 도 1에서 보는 바와 같이 실리 사이드화 되지 않은 실리사이드용 금속층(20A) 및 보호 금속층(24)을 제거한다. 이때 금속층은 50~150℃의 SPM 용액으로 5~15분간 기판을 식각하여 제거하고 SC1 용액에서 3~10분간 세척하여 식각시 발생된 불순물을 제거한다. SPM 용액은 과산화 수소와 황산이 1: 6의 비율로 혼합된 용액이다.Next, as shown in FIG. 1, the silicide metal layer 20A and the
이후 2차 열처리를 진행하여 폴리 사이드(20) 및 실리 사이드(22)를 안정화한다. 이때 RTP방식으로 열처리를 할 경우에는 800~950℃ 범위의 온도를 유지하면서 10~60초간 진행하는 것이 바람직하다. 그리고 전기로에서 열처리를 할 경우에는 500~900℃의 온도에서 20~60분간 진행하는 것이 바람직하다. After that, the secondary heat treatment is performed to stabilize the
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
이상 기술된 바와 같이 실리 사이드를 형성하기 위한 코발트를 높은 파워를 이용하여 증착하면 실리 사이드가 형성될 부분에 자연 산화막이 잔존하더라도 충분히 자연 산화막을 뚫고 들어가 실리 사이드를 안정적이고 균일하게 형성할 수 있다. 따라서 고품질의 반도체 소자를 제공할 수 있다. As described above, when the cobalt for forming the silicide is deposited using a high power, even if the natural oxide film remains in the silicide formation portion, it is possible to penetrate the natural oxide film sufficiently to form the silicide stably and uniformly. Therefore, a high quality semiconductor device can be provided.
Claims (11)
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- 2003-04-08 KR KR1020030021957A patent/KR100571381B1/en not_active IP Right Cessation
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