KR100630769B1 - Semiconductor device and method of fabricating the same device - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 및 1b는 종래 Ni 실리사이드층만을 구비한 반도체 소자의 Rc 및 Rs 불량을 보여주는 그래프이다.1A and 1B are graphs showing Rc and Rs defects of a semiconductor device having only a conventional Ni silicide layer.
도 2는 본 발명에 따른 코발트 실리사이드층을 더 구비한 반도체 소자의 단면을 보여주는 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a semiconductor device further including a cobalt silicide layer according to the present invention.
도 3a ~ 3e는 본 발명에 따른 코발트 실리사이드층을 구비한 반도체 소자의 제조 방법을 보여주는 단면도들이다.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a cobalt silicide layer according to the present invention.
도 4는 종래의 반도체 소자와 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 비교하여 보여주는 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a comparison between a conventional semiconductor device and a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
<도면에 주요부분에 대한 설명><Description of main parts in the drawing>
100:기판.............120,120a:LDD 영역100: Substrate ............... 120,120a: LDD area
130:소오스 또는 드레인....200:소자 분리 영역130: source or drain ... 200: device isolation region
300:게이트 구조물.........310:게이트 절연층300: gate structure ......... 310: gate insulating layer
320:게이트.................340:스페이서320: gate ... 340: spacer
400:실리사이드층...........420:니켈 실리사이드층400: silicide layer .............. 420: nickel silicide layer
420a:니켈층................420b:실리사이드가 형성된 니켈층420a: nickel layer ...... 420b: nickel layer having silicide formed
430:코발트 실리사이드층.....430a:코발트층430: Cobalt silicide layer ... 430a: Cobalt layer
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 니켈 실리사이드층의 산화를 방지할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device capable of preventing oxidation of a nickel silicide layer and a method of manufacturing the same.
반도체 소자의 선폭이 미세화됨에 따라 생기는 저항 증가 문제를 해결하기 위해 실리사이드(silicide)를 게이트와 소오스 또는 드레인과 같은 콘택이 형성되는 영역에 형성하여 면저항과 접촉저항을 낮춰주는 방법이 널리 사용되어있고 있다. 최근에 TiSi2 와 CoSi2 등에서 발생하는 문제점을 극복할 수 있는 특성을 지닌 새로운 실리사이드 물질로 니켈 모노 실리사이드(nickel mono-silicide:NiSi)가 새롭게 제안되어 차세대 고성능 Si 소자의 제작에 응용 및 적용되고 있다. 저항이 작으며 낮은 온도로도 실리사이드 반응(silicidation)이 가능하고, 일정 두께의 NiSi을 형성시키는데 소비되는 실리콘(Si)의 양이 다른 실리사이드, 특히 코발트 디 실리사이드(CoSi2)보다 훨씬 적다는 매우 큰 장점을 가지고 있기 때문에 얇은 정션을 갖는 차세대 실리콘 소자에 적용하는데 매우 적합한 실리사이드라고 말할 수 있다.In order to solve the problem of increased resistance caused by the miniaturization of the semiconductor device, a method of lowering sheet resistance and contact resistance by forming silicide in a region where a contact such as a gate and a source or a drain are formed is widely used. . Recently, nickel mono-silicide (NiSi) has been newly proposed as a new silicide material capable of overcoming problems caused by TiSi 2 and CoSi 2, and is being applied and applied in the fabrication of next generation high performance Si devices. . Very high resistance, low resistance, possible silicide reaction at low temperature, much less silicon (Si) consumed to form NiSi of certain thickness than other silicides, especially cobalt disilicide (CoSi 2 ) Its advantages make it a suitable silicide for applications in next-generation silicon devices with thin junctions.
그런데 이러한 니켈 실리사이드는 열처리 과정 중에 생기는 산화로 인한 디펙(defect)과 낮은 열안정성이 문제가 되고 있다. 또한, 콘택 식각 과정에서 남은 PR 제거의 필수 과정인 애싱(ashing) 공정에서 니켈이 산화되어 콘택 Rc가 증가하 기 때문에 ashing을 생략하는 방법을 선택하여 사용하고 있는데, 그와 같은 방법은 남은 PR로 인한 후속 집적(integration) 과정에서 발생할 수 있는 신뢰성 문제를 보장할 수 없는 공정설계(scheme)이다.However, these nickel silicides are problematic due to defects due to oxidation occurring during heat treatment and low thermal stability. In addition, in the ashing process, which is an essential process of removing the remaining PR from the contact etching process, nickel is oxidized to increase the contact Rc. Thus, ashing is omitted. Such a method is used as the remaining PR. It is a process scheme that cannot guarantee the reliability problems that may arise during subsequent integration.
도 1a 및 1b는 종래 니켈 실리사이드층만을 구비한 반도체 소자의 Rc 불량 및 Rs 불량을 보여주는 그래프이다.1A and 1B are graphs showing Rc defects and Rs defects of a semiconductor device having a conventional nickel silicide layer only.
도 1a를 참조하면, NiTa/ashing의 경우 Rc 저항이 거의 104 을 초과하고 있음을 보여주고 있다. ashing 공정을 생략하거나 HF로 ashing 하는 경우에는 저항이 상당히 감소하나, 전술한 대로의 신뢰성 문제가 발생한다. 여기서 Y축은 저항 성분의 분포 퍼센트를 나타내고, NiTa/ashing은 NiSi/ashing로 봐도 무방하다.Referring to FIG. 1A, it is shown that the resistance of Rc exceeds about 10 4 in the case of NiTa / ashing. If the ashing process is omitted or ashed with HF, the resistance decreases considerably, but the reliability problem as described above occurs. Here, the Y axis represents the distribution percentage of the resistance component, and NiTa / ashing may be regarded as NiSi / ashing.
도 1b의 경우 시트 저항(또는 면저항, sheet resistance )의 불량을 나타내는데, RTS(rapid thermal silicidation)나 엔듀라(endura) 장비를 통한 열처리 공정 모두 100이상의 높은 면저항을 보여주고 있다.In the case of Figure 1b shows a sheet resistance (or sheet resistance, poor), the heat treatment process through rapid thermal silicidation (RTS) or endura (endura) equipment shows a high sheet resistance of more than 100.
이러한 Rc 및 Rs의 증가는 전술한 Ni 실리사이드 열처리 과정이나 PR 제거 과정인 ashing 공정 중에 발생하는 Ni의 산화에 의한 디펙에서 기인한다.The increase in Rc and Rs is due to the defect caused by oxidation of Ni generated during the ashing process, which is the above-described Ni silicide heat treatment process or PR removal process.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 Ni 실리사이드 열처리 과정이나 PR 제거 ashing 공정에 있어서도 Ni의 산화를 방지할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of preventing oxidation of Ni even in a Ni silicide heat treatment process or a PR removal ashing process, and a manufacturing method thereof.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 소오스, 드레인 및 채널 영역이 형성된 액티브층, 상기 채널 영역 상부에 형성된 스페이서를 포함한 게이트 구조물, 상기 액티브층 및 게이트 구조물 상부로 증착된 니켈(Ni)층에 의해 형성된 니켈 실리사이드층 및 상기 니켈 실리사이드층 상부로 증착된 금속 캡핑층에 의해 형성된 금속 실리사이드층을 포함하는 반도체 소자를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides an active layer having a source, a drain, and a channel region formed on a substrate, a gate structure including a spacer formed on the channel region, and nickel deposited on the active layer and the gate structure. Provided is a semiconductor device including a nickel silicide layer formed by a layer) and a metal silicide layer formed by a metal capping layer deposited on the nickel silicide layer.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 금속 캡핑층은 코발트를 상기 니켈층 보다 얇게 증착하여 형성되고, 어닐링을 통해 코발트 모노 실리사이드층이 형성된다. According to a preferred embodiment of the present invention, the metal capping layer is formed by depositing cobalt thinner than the nickel layer, the cobalt mono silicide layer is formed through annealing.
본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 기판 상부에 형성된 액티브층 상부로 스페이서를 포함한 게이트 구조물을 형성하는 단계, 상기 게이트 구조물을 도핑 방지막으로 하여 상기 액티브층에 이온 도핑을 통해 소오스 및 드레인 영역을 형성하는 단계, 상기 소오스 및 드레인 영역이 형성된 결과물 전면에 니켈을 증착하여 니켈층을 형성하는 단계 및 상기 니켈층 상부로 금속을 증착하여 금속 캡핑층을 형성하고 상기 금속층을 어닐링하여 금속 실리사이드층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a gate structure including a spacer on an active layer formed on an upper surface of a substrate, and source and drain regions through ion doping the active layer using the gate structure as an anti-doping layer. Forming a nickel layer by depositing nickel on the entire surface of the resultant formed source and drain regions and depositing a metal on the nickel layer to form a metal capping layer and annealing the metal layer to form a metal silicide layer. It provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising the step of forming.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 금속 캡핑층은 공정 온도 300℃ 내지 400℃에서 형성하고 인시츄로 진행함으로써, 니켈층의 실리사이드 반응을 위한 RTS 역할을 함과 동시에 니켈의 산화반응을 방지할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the metal capping layer is formed at a process temperature of 300 ℃ to 400 ℃ and proceed in situ, while acting as a RTS for the silicide reaction of the nickel layer and at the same time prevent the oxidation reaction of nickel Can be.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다 른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, when a layer is described as being on top of another layer, it may be present directly on top of another layer, with a third layer intervening in between. In the drawings, the thickness and size of each layer are exaggerated for clarity and convenience of explanation. Like numbers refer to like elements in the figures.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 니켈 실리사이드층 위로 코발트 실리사이드층이 더 형성된 반도체 소자를 개략적으로 보여주고 있다.2 schematically illustrates a semiconductor device in which a cobalt silicide layer is further formed on a nickel silicide layer according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 반도체 소자는 기판(100)의 소정 영역에 소자 분리영역(200)이 형성되어 액티브 영역이 정의되고, 액티브 영역 상부로 게이트 구조물(300)이 형성되어 있다. 액티브 영역은 소오스, 드레인 영역 및 채널 영역을 포함한다. 액티브 영역에 LDD 영역이 포함될 수 있음은 물론이고, 게이트 구조물에 게이트 절연층, 스페이서 등이 포함될 수 있음은 물론이다.2, in the semiconductor device, an
한편, 실리콘층이 존재하는 소오스 및 드레인 영역 및 게이트 상부로 차후에 형성될 콘택 구조물을 위해 실리사이드층(400)이 형성된다. 본 발명에 의한 실리사이드층(400)은 종래와 달리 니켈 실리사이드층(420) 및 코발트 실리사이드층(430)의 이중 실리사이드층으로 구성된다. 니켈 실리사이드층(420)은 코발트 증착 공정 중의 공정 온도 300℃ ~ 400℃를 통해 자연스럽게 형성된다. 또한, 코발트 증착 공정을 인시츄(in-situ)로 진행하기 때문에 니켈의 산화를 방지할 수 있다. 한편, 차후의 PR 제거 ashing 공정에 있어서도 니켈 실리사이드층(420) 상부로 코발트 실리사이드층(430)이 존재하여 니켈 산화 반응을 방지할 수 있다.Meanwhile, the
이와 같이 니켈 실리사이드층(420) 상부로 코발트 실리사이드층(430)을 형성함으로써, 종래의 열처리나 PR 제거 ashing 공정에서 니켈 산화에 의한 디펙을 방 지할 수 있다.As such, by forming the
도 3a ~ 3e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코발트 실리사이드층을 포함한 반도체 소자의 제조 방법을 보여주는 단면도들이다.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device including a cobalt silicide layer according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3a를 참조하면, 기판(100) 소정 영역에 액티브 영역을 정의하는 소자 분리영역(200)을 형성하고 상기 액티브 영역 상부로 게이트 절연층(310)을 형성한 후 도전성 게이트(320)를 형성한다. 게이트는 폴리 실리콘으로 형성할 수 있다. 게이트(320)를 도핑 방지막으로 하여 액티브 영역을 도핑하여 LDD 영역(120)을 형성하고 게이트 양 측벽으로 스페이서(340)를 형성하여 게이트 구조물(300)을 완성한다.Referring to FIG. 3A, a
도 3b를 참조하면, 게이트 구조물(300)을 도핑 방지막으로 하여 LDD 영역에 고농도 이온 도핑을 하여 소오스 및/또는 드레인 영역(130, 이하 소오스 영역)을 형성한다. 스페이서(340) 하부 영역은 그대로 LDD 영역(120a)으로 유지된다.Referring to FIG. 3B, a source and / or drain region 130 (hereinafter referred to as a source region) is formed by high-density ion doping in the LDD region using the
도 3c를 참조하면, 상기 소오스 영역(130)이 형성된 결과물 상부 전면에 니켈을 증착하여 니켈층(420a)을 형성한다. 니켈층(420a)은 공정 온도 50℃ 정도에서 100Å 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 니켈층(420a)의 형성 전에 실리사이드 형성될 부분에 산화막 및 불순물들을 제거하기 위하여 프리-클리닝(Pre-cleaning)을 진행하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 3C, the
도 3d를 참조하면, 니켈층(420a) 상부 전면에 코발트를 증착하여 코발트층(430a)을 형성한다. 이때 코발트층(430a) 형성 공정은 공정 온도 300℃ ~ 400℃에서 진행하며, 니켈층의 두께보다 얇게 형성한다. 바람직하게는 공정 온도 350℃ 정도에서 10 ~ 30 Å 두께로 형성하는 것이 좋다. 이러한 공정 온도는 니켈층(420a) 의 실리사이드 반응 온도이므로 하부의 니켈층(420b)은 니켈 실리사이드층을 포함하게 된다. 즉, 니켈층(420b)은 실리콘이 존재하는 부분에서 니켈 실리사이드층을 형성하게 된다.Referring to FIG. 3D, cobalt is deposited on the entire upper surface of the
한편, 종래의 Ni 산화를 방지하기 위하여 코발트층(430a)의 형성 공정은 인시츄로 진행하는 것이 바람직하다. 이는 또한 니켈층의 RTS을 인시츄로 진행하는 것에 해당하기도 된다.On the other hand, in order to prevent the oxidation of the conventional
도 4e를 참조하면, 코발트층을 어닐링하여 코발트 실리사이드층(430)을 형성한다. 이때의 어닐링 온도는 350℃ ~ 450℃ 정도로 하여 코발트 모노 실리사이드(CoSi)층이 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 한편, 코발트층 어닐링 전에 150℃ 공정 온도에서 TiN을 150Å 두께로 증착할 수 있다. TiN층은 실리사이드층 표면의 표면 거칠기 향상 및 공정 중 산화 방지를 위한 역할을 한다. 이후 선택적 습식 식각을 통해 TiN을 포함한 미반응 금속층을 제거한다. 금속층의 제거 후 전술한 어닐링 온도로 2차 열처리하여 최종적인 코발트 모노 실리사이드층을 형성한다. 이후의 금속 배선 공정 등은 종래와 같은 동일하므로 이하 생략한다.Referring to FIG. 4E, the cobalt layer is annealed to form a
상기와 같은 공정에 의해 반도체 소자를 형성함으로써, Ni 산화에 의한 디펙을 방지할 수 있는 반도체 소자를 제조할 수 있다. 즉, 코발트층 형성 공정을 인시츄로 진행하면서, 니켈층의 RTS 공정 온도로 진행함으로써, 니켈 산화 반응을 방지할 수 있고, 또한 코발트 실리사이드층(430)의 존재로 차후의 PR 제거 ashing 공정 중의 니켈 산화 반응도 역시 방지할 수 있다.By forming a semiconductor element by the above process, the semiconductor element which can prevent the defect by Ni oxidation can be manufactured. That is, the nickel oxidation reaction can be prevented by advancing to the RTS process temperature of the nickel layer while the cobalt layer forming process is performed in situ, and the nickel during the subsequent PR removal ashing process due to the presence of the
도 5는 종래의 실리사이드층 형성공정과 본 발명에 의한 실리사이드층 형성 공정을 비교하여 보여주고 있다. Figure 5 shows a comparison between the conventional silicide layer forming process and the silicide layer forming process according to the present invention.
도 5를 참조하면, 산화막 및 불순물 제거를 위한 프리 클리닝(S100) 이후 종래 니켈층과 TiN층을 형성하고 제1 RTS에 의해 니켈 실리사이드층을 형성하였지만 본 발명에서는 니켈층을 형성하고 인시츄로 코발트층 및 TiN층을 형성한다(S200). 이때, 코발트층 형성 공정 온도를 350 ℃ 정도로 유지하여 종래 제1 RTS의 역할을 하게 한다. 따라서, 별도의 제1 RTS 공정이 필요없고, 또한 인시츄로 진행하여 니켈의 산화반응을 방지할 수 있다. Referring to FIG. 5, after the pre-cleaning (S100) for removing the oxide film and impurities, the nickel layer and the TiN layer were formed in the related art, and the nickel silicide layer was formed by the first RTS. However, in the present invention, the nickel layer is formed and cobalt is in situ. A layer and a TiN layer are formed (S200). At this time, the cobalt layer forming process temperature is maintained at about 350 ° C to serve as a conventional first RTS. Therefore, no separate first RTS process is required, and further, it is possible to proceed in situ to prevent the oxidation of nickel.
이후, 선택적 습식 식각 공정(S300) 및 제2 RTS 공정(S400)은 종래와 동일하다. 한편, 흐름도에서 표현된 대로 니켈층이나 코발트층 등의 두께나 공정 온도는 전술한 바와 동일하다.Thereafter, the selective wet etching process S300 and the second RTS process S400 are the same as in the related art. In addition, the thickness and process temperature of a nickel layer, a cobalt layer, etc. are the same as the above-mentioned as represented by the flowchart.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.So far, the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, which are merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. will be. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 니켈층 상부로 코발트층을 형성하되, 공정 온도를 니켈 실리사이드 반응 온도 정도에서 인시츄로 진행함으로써, 종래 니켈 실리사이드 형성을 위한 열처리 공정 중의 니켈 산화에 의한 반도체 소자의 디펙 문제를 해결할 수 있다.As described in detail above, in the present invention, a cobalt layer is formed on the nickel layer, but the process temperature is advanced in situ at about the nickel silicide reaction temperature, thereby providing a semiconductor device by nickel oxidation during the conventional heat treatment process for forming nickel silicide. Solve the problem of defects.
또한, 차후의 PR 제거 ashing 공정에서의 니켈 산화 문제도 니켈 실리사이드층 상부로 형성된 코발트 실리사이드층을 이용하여 방지함으로써, 역시 반도체 소자의 디펙 문제를 해결할 수 있다.In addition, the problem of nickel oxidation in the subsequent PR removal ashing process is also prevented by using a cobalt silicide layer formed on the nickel silicide layer, thereby also solving the problem of defects in semiconductor devices.
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