KR100585011B1 - 반도체 소자의 게이트전극 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모서리 부분에서 발생되는 크랙을 방지하고 안정적인 확산배리어층을 형성하는데 적합한 폴리실리콘/텅스텐나이트라이드/텅스텐의 적층구조로 이루어진 게이트전극의 형성 방법에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은 반도체 기판 상에 폴리실리콘막을 증착하는 단계; 상기 폴리실리콘막 상에 플라즈마화학증착법을 이용하여 텅스텐나이트라이드막을 증착하는 단계; 상기 텅스텐나이트라이드막내의 불소를 제거하기 위한 수소열처리를 실시하는 단계 및 상기 텅스텐나이트라이드막 상에 텅스텐막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
텅스텐나이트라이드막, 텅스텐, 플라즈마화학증착법, 스퍼터링증착법, 면저항
Description
도 1은 종래기술에 따른 게이트전극 형성 방법을 나타낸 도면,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 게이트전극 형성 방법을 나타낸 도면,
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : 실리콘기판 22 : 소자분리막
23 : 게이트산화막 24 : 도우프드 폴리실리콘
25 : 텅스텐나이트라이드막 26 : 텅스텐막
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 텅스텐과 텅스텐나이트라이드의 적층 구조로 이루어진 게이트전극의 형성 방법에 관한 것이다.
최근에 소자의 집적도가 증가함에 따라 게이트 선폭이 감소하여 종래의 높은 저항을 가지는 텅스텐실리사이드(WSi), 티타늄실리사이드(TiSi2)에 의해서는 소자에서 요구하는 저항을 만족시키지 못하기 때문에 RC 지연시간(Delay time)이 증가하게 된다. 따라서 이와 같은 면저항(Sheet resistance) 문제점을 개선시키기 위하여 텅스텐/폴리실리콘 메탈게이트(W/Polysilicon metal gate)를 적용하고 있는 추세이다.
일반적으로 텅스텐막(W)은 벌크저항(Bulk resistance)이 6μΩㆍcm으로 텅스텐실리사이드(WSi)의 80μΩㆍcm과 티타늄실리사이드(TSi2)의 18μΩㆍcm에 비해 아주 낮은 저항을 가지므로 고집적 소자의 게이트물질로 적합하다.
그러나 텅스텐/폴리실리콘(W/Polysilicon) 게이트 구조에서는 후속 500℃이상의 열공정에 의해서 텅스텐과 하부의 폴리실리콘의 반응에 의한 텅스텐실리사이드(WSi)가 형성되므로써, 낮은 텅스텐게이트의 저항을 유지할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 일반적으로 텅스텐과 폴리실리콘막 사이에 확산배리어층으로 텅스텐나이트라이드막을 증착하여 텅스텐과 폴리실리콘이 반응하여 저항을 증가시키는 것을 방지한다. 이러한 확산배리어층은 텅스텐 타겟을 질소(N2) 분위기에서 스퍼터링에 의해 증착하는 방법을 사용한다.
이와 같은 스퍼터링법은 하부의 소자격리막(Shallow Trench Isolation; STI)에 의한 단차에서 충분한 단차피복성(Step coverage)를 확보하지 못하여 배리어 역할을 수행하지 못하거나, 소자격리막 및 액티브 영역간의 모서리에서 평평한 영역 보다 얇게 증착된 텅스텐나이트라이드막이 후속 열공정에 의해 모서리에 집중된 스트레스에 의해 크랙(Crack)이 발생될 가능성이 높다.
도 1은 종래기술에 따른 W/WNx/Polysilicon 게이트전극 형성 방법을 나타낸 도면으로서, 실리콘기판(1)에 형성된 소자분리막(2)과 도우프드 폴리시리콘(4)/게이트산화막(3)의 하부 구조상에 스퍼터링으로 WNx/W(5,6)을 증착하는 방법을 사용하는데, 도우프드 폴리실리콘(4)는 일반적으로 저압화학증착법(Low Pressure CVD)에 의해 증착되어 100%의 단차피복성을 보임으로써 소자분리막(2)에 의한 단차가 그대로 유지되어 스퍼터드 WNx막(5)은 단차의 모서리(7)에서 막의 두께가 얇아져 배리어 특성이 나쁘게 된다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 플라즈마화학증착법을 이용하여 확산배리어층을 형성하고 수소 열처리를 실시하므로써 확산배리어층의 열화를 방지하는데 적합한 게이트전극의 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 게이트전극의 형성 방법은 반도체 기판 상에 폴리실리콘막을 증착하는 단계; 상기 폴리실리콘막 상에 플라즈마화학증 착법을 이용하여 텅스텐나이트라이드막을 증착하는 단계; 상기 텅스텐나이트라이드막내의 불소를 제거하기 위한 수소열처리를 실시하는 단계; 및 상기 텅스텐나이트라이드막 상에 텅스텐막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 게이트전극의 형성 방법은 반도체 소자의 제조 방법에 있어서, 반도체 기판 상에 폴리실리콘막을 증착하는 단계; 상기 폴리실리콘막 상에 플라즈마화학증착법을 이용하여 텅스텐나이트라이드막을 증착함과 동시에 수소가스를 첨가하는 단계; 상기 텅스텐나이트라이드막내의 불소를 제거하기 위하여 수소 열처리를 실시하는 단계; 및 상기 텅스텐나이트라이드막 상에 텅스텐막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 게이트전극의 형성 방법을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘기판(21)에 소자분리막(22) 예를 들면, STI(Shallow Trench Isolation)를 형성한 다음, 상기 소자분리막(22)을 포함한 실리콘기판 전면에 게이트산화막(23)을 형성한다. 여기서, 통상 상기 STI형태의 소자분리막(22)은 실리콘기판(21)의 표면으로부터 일정폭 상측으로 돌출되는 형태로 형성된다.
이어 상기 게이트산화막 상에 도우프드 폴리실리콘(24)를 형성하고, 상기 도 우프드 폴리실리콘(24) 상에 WF6와 N2 가스를 사용한 플라즈마 상태 즉, 플라즈마화학증착법(PECVD)을 이용하여 텅스텐나이트라이드막(25)을 증착한다. 이 때, 상기 도우프드 폴리실리콘(24)은 SiH4와 PH3 가스를 이용하여 400∼600℃의 온도와 500mTorr∼10Torr의 압력에서 증착되며, 상기 텅스텐나이트라이드막(25)은 아르곤플라즈마상태에서 WF6와 N2 가스 소오스를 이용하여 400∼500℃의 온도와 2Torr∼10Torr의 압력에서 증착된다.
이 때, 상기 플라즈마화학증착법을 이용하여 텅스텐나이트라이드막(25)을 증착하므로써 균일한 두께로 증착할 수 있으며, 소자분리막(22)의 상측에서의 단차발생을 감소시키고, 또한, 상기 텅스텐나이트라이드(25)의 증착 중에 수소(H2) 가스를 첨가하므로써 증착 중에 막에 함유되는 불소(F)를 불화수소(HF) 형태로 제거한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 증착된 텅스텐나이트라이드막(25)에서 불소를 완전히 제거하기 위하여 아르곤 플라즈마 상태에서 400∼700℃의 온도를 유지하고, 500 ∼1000sccm의 수소(H2)를 텅스텐나이트라이드막(25) 표면에 처리하므로써 상기 텅스텐나이트라이드막(25) 내의 불소를 불화수소(HF) 가스 형태로 제거시킨다.
도 4에 도시된 바와 같이, 2mTorr∼10mTorr의 압력과 0℃∼400℃의 공정조건에서 텅스텐 타겟을 아르곤 스퍼터링에 의해 상기 텅스텐나이트라이드(25) 상에 텅스텐막(26)을 증착한다.
이어 상기 텅스텐/텅스텐나이트라이드/도우프드폴리실리콘(26,25,24)의 적층 구조를 게이트 패터닝하고 선택산화등의 후속 열공정을 가하면 소자분리막(22)의 단차에서 균일하게 증착된 텅스텐나이트라이드막(25)에 의해 텅스텐-실리콘-나이트라이드(W-Si-N)의 배리어 층을 형성한다.
이와 같이 텅스텐/텅스텐나이트라이드/도우프드폴리실리콘(W/WN/D-poly)의 적층구조의 게이트전극을 형성함에 있어서, 플라즈마화학증착법(PECVD)을 이용하여 단차피복성이 우수한 텅스텐나이트라이드막을 형성하고 후속 열처리로 수소(H2) 열처리를 실시하므로써, 텅스텐나이트라이드막(25) 내의 불소를 제거하여 소자분리막의 단차 지역에서 균일한 텅스텐-실리콘-나이트라이드(W-Si-N)의 배리어층을 형성하므로 텅스텐실리사이드막의 형성을 방지한다.
또한, 도면에 도시되지 않았지만, 본 발명의 다른 실시예로서, 디누데이션 (Denudation) 공정에 의한 폴리실리콘/W-Si-N/W 게이트 구조에 있어서, 반도체 기판 상에 게이트산화막을 형성한 다음, 상기 게이트산화막 상에 SiH4와 PH3 가스를 이용하여 400∼600℃, 500mTorr∼10Torr에서 도우프드 폴리실리콘막을 증착한다.
이어 상기 도우프드 폴리실리콘막 상에 플라즈마화학증착법을 이용하여 텅스텐나이트라이드막을 증착하는데, 이 때, 상기 텅스텐나이트라이드막은 아르곤 플라즈마 상태에서 WF6과 N2가스 소스를 이용하여 400∼500℃의 온도와 2Torr∼10Torr의 압력에서 증착된다.
이어 상기 텅스텐나이트라이드막의 디누데이션 공정을 진행하는데, 질소(N2) 및 아르곤 분위기에서 800∼1000℃에서 10초∼60초동안 급속열처리(RTP)를 실시하 여 상기 도우프드 폴리실리콘막과 텅스텐나이트라이드막의 계면에 텅스텐-실리콘-나이트라이드의 확산배리어층을 형성한다.
이어 상기 텅스텐나이트라이드막 형성시 막내에 함유된 불소를 제거하기 위해 수소(H2)를 이용한 열처리를 실시한다. 이 때, 400∼700℃의 온도에서 500sccm∼1000sccm의 수소(H2)를 상기 텅스텐나이트라이드막 표면에 처리하므로써 막내의 불소는 HF형태로 제거된다.
상기와 같이, 상기 텅스텐나이트라이드막을 플라즈마화학증착법(PECVD)을 이용하여 증착하므로써, 안정적인 게이트전극의 면저항(Sheet resistance; Rs)을 확보할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은 단차피복성이 우수한 플라즈마(PECVD) 텅스텐나이트라이드막의 사용에 의해 STI단차에서의 균일한 W-Si-N구조의 배리어층을 형성하므로써 텅스텐실리사이드막의 형성을 방지하여 게이트전극의 면저항을 균일하게 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 플라즈마 텅스텐나이트라이드막 형성 중 WF가스 소스에 의해 발생되는 불소를 수소 열처리에 의해 제거하므로써 게이트산화막의 열화를 방지할 수 있고,피복성이 우수한 텅스텐나이트라이드막을 이용하므로써 게이트식각시 반도체 기판의 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.
그리고, STI와 활성영역간의 단차지역에 균일한 플라즈마 텅스텐나이트라이드막이 형성되므로 후속 열공정에 의한 스트레스 충격을 방지할 수 있다.
Claims (16)
- 반도체 소자의 제조 방법에 있어서,반도체 기판 상에 폴리실리콘막을 증착하는 단계;상기 폴리실리콘막 상에 플라즈마화학증착법을 이용하여 텅스텐나이트라이드막을 증착하는 단계;상기 텅스텐나이트라이드막내의 불소를 제거하기 위하여 수소 열처리를 실시하는 단계; 및상기 텅스텐나이트라이드막 상에 텅스텐막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 텅스텐나이트라이드막을 증착할 시, 수소가스를 첨가하여 상기 텅스텐나이트라이드막 증착중에 함유되는 불소를 제거하는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 텅스텐나이트라이드막은 아르곤 플라즈마 상태에서 WF6와 N2 가스 소스 를 이용하여 400∼500℃의 온도와 2Torr∼10Torr의 압력에서 증착되는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 수소열처리는,400∼700℃에서 500sccm∼1000sccm의 수소(H2)를 상기 텅스텐나이트라이드막의 표면에 처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 텅스텐막은 2mTorr∼10mTorr의 압력과 0∼400℃의 온도에서 텅스텐 타겟을 아르곤 스퍼터링에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 폴리실리콘막은 도우프드 폴리실리콘을 이용하되, SiH4 와 PH3 가스를 이용하여 400∼600℃의 온도와 500mTorr∼10Torr의 압력에서 증착되는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 반도체 소자의 제조 방법에 있어서,반도체 기판 상에 폴리실리콘막을 증착하는 단계;상기 폴리실리콘막 상에 플라즈마화학증착법을 이용하여 텅스텐나이트라이드막을 증착함과 동시에 수소가스를 첨가하는 단계;상기 텅스텐나이트라이드막내의 불소를 제거하기 위하여 수소 열처리를 실시하는 단계; 및상기 텅스텐나이트라이드막 상에 텅스텐막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 텅스텐나이트라이드막은 아르곤 플라즈마 상태에서 WF6와 N2 가스 소스를 이용하여 400∼500℃의 온도와 2Torr∼10Torr의 압력에서 증착되는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 수소열처리는,400∼700℃에서 500sccm∼1000sccm의 수소(H2)를 상기 텅스텐나이트라이드막의 표면에 처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 텅스텐막은 2mTorr∼10mTorr의 압력과 0∼400℃의 온도에서 텅스텐 타겟을 아르곤 스퍼터링에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 반도체 소자의 제조 방법에 있어서,폴리실리콘, 텅스텐나이트라이드막, 텅스텐막의 적층구조로 이루어진 게이트전극의 형성 방법에 있어서,상기 폴리실리콘막 상에 플라즈마화학증착법을 이용하여 상기 텅스텐나이트라이드막을 형성하는 단계;상기 텅스텐나이트라이드막 표면에 질소 열처리를 실시하는 단계; 및상기 질소 열처리 후, 상기 텅스텐나이트라이드막내의 불소를 제거하기 위하여 수소 열처리를 실시하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 텅스텐나이트라이드막은 아르곤 플라즈마 상태에서 WF6와 N2 가스 소스를 이용하여 400∼500℃의 온도와 2Torr∼10Torr의 압력에서 증착되는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 열처리는,400∼700℃에서 500sccm∼1000sccm의 수소(H2)를 상기 텅스텐나이트라이드막의 표면에 처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 텅스텐막은 2mTorr∼10mTorr의 압력과 0∼400℃의 온도에서 텅스텐 타겟을 아르곤 스퍼터링에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 폴리실리콘막은 도우프드 폴리실리콘을 이용하되, SiH4 와 PH3 가스를 이용하여 400∼600℃의 온도와 500mTorr∼10Torr의 압력에서 증착되는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 질소를 이용한 열처리는 급속열처리공정을 이용하며,질소 및 아르곤 분위기에서 800℃∼1000℃의 온도에서 10초∼60초 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 게이트전극 형성 방법.
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