KR100632619B1 - 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법에 관한 것으로, 게이트 절연막이 형성된 반도체 기판상에 폴리실리콘층 및 비결정성 베리어층을 순차적으로 형성한 후 비결정성 베리어층상에 텅스텐층을 형성하는 단계와, 텅스텐층, 비결정성 베리어층, 폴리실리콘층 및 게이트 절연막을 순차적으로 패터닝한 후 반도체 기판 및 폴리실리콘층의 노출된 표면에 산화막이 성장되도록 하는 동시에 텅스텐과의 반응에 의해 비결정성 베리어층이 텅스텐 반응층으로 변화되도록 산화 공정을 실시하는 단계로 이루어진다.
금속전극, 베리어층, 실리콘 리치 SiN, 비저항

Description

반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법 {Method for forming a gate electrode of a semiconductor device}
도 1a 및 도 1b는 종래 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
도 3a 및 도 3b는 텅스텐층의 결정 구조를 도시한 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 및 11: 반도체 기판 2 및 12: 게이트 절연막
3 및 13: 폴리실리콘층 4: 결정성 베리어층
4a 및 14a: 텅스텐 반응층 5 및 15: 텅스텐층
14: 비결정성 베리어층
본 발명은 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법에 관한 것으로, 특히, 폴리실리콘층과 금속층의 사이에 베리어층(Barrier Layer)이 형성된 구조를 갖는 금속 게이트 전극 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 패턴의 크기 및 패턴간의 간격이 미세화되고, 이에 따라 전극 또는 배선의 자체저항이 증가된다. 예를들어, 게이트 전극의 폭이 0.13㎛ 이하로 감소되면 4μΩ/㎠ 이하의 저항값을 유지해야 한다.
그래서 전극 또는 배선의 자체저항을 감소시킬 수 있는 새로운 물질을 이용하는 공정기술이 개발중인데, 그러면 금속을 이용한 종래 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1a 및 도 1b는 종래 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 1a는 게이트 절연막(2)이 형성된 반도체 기판(1)상에 폴리실리콘층(3) 및 결정성 베리어층(4)을 순차적으로 형성한 후 상기 결정성 베리어층(4)상에 텅스텐층(5)을 형성한 상태의 단면도로서, 상기 결정성 베리어층(4)은 게이트 전극의 비저항을 감소시키기 위한 목적으로 형성되며, WN, TiN, Si3N4와 같은 금속-질화막(Metal-Nitride)계의 결정성 막으로 형성된다.
도 1b는 상기 폴리실리콘층(3)과 텅스텐층(5)이 계면 결합을 이루도록 열처리한 상태의 단면도인데, 상기 텅스텐층(5)과 결정성 베리어층(4)의 계면 부위에만 텅스텐 반응층(4a)이 형성된다.
상기 결정성 베리어층(4)을 이루는 WN, TiN, Si3N4는 원자간의 결합(Bonding)이 매우 안정된 상태로 유지된다. 그러므로 계면에서의 반응이 어려워 상기 결정성 베리어층(4)의 상부만 텅스텐(W)과 결합을 이루게 된다. 즉, 상기 결정성 베리어층(4)이 Si3N4로 형성된 경우 상기 텅스텐층(5)과 결정성 베리어층(4)의 계면 부위에만 WSiN의 3원계가 형성되고, 하부는 Si3N4 상태가 그대로 유지된다. 이러한 현상은 하기 반응식 1을 통해 열역학적으로 설명되듯이, Si3N4가 매우 안정된 결합을 이루고 있어 N과 Si의 분해가 쉽게 일어나지 않기 때문에 발생된다. 그러므로 3원계 반응에 의한 베리어층이 형성되도록 하기 위해서는 고온의 열처리가 필요하다.
Si3N4→3Si + 2N2ΔG = 177,000cal
따라서 상기 텅스텐층(5)과 결정성 베리어층(4)의 계면 부위에만 WSiN이 형성되는 경우 잔류된 Si3N4가 절연막으로 작용하여 캐패시턴스(Capacitance)가 증가되고, 이에 따라 게이트 전극의 전기적 특성이 열화된다.
한편, 상기 결정성 베리어층(4)을 WN으로 형성하면 내열성이 불충분한 WN가 후속 열처리 과정에서 부분적으로 실리사이드화(Silicidation)되기 때문에 패턴 형성을 위한 후속 식각 과정에서 과도 식각되어 게이트 산화막에 영향을 미치게 된다.
또한, 상기와 같이 결정성 베리어층(4)상에 텅스텐(W)이 증착되는 경우 텅스텐(W)의 성장에 영향을 미쳐 텅스텐(W)의 그레인(Grain) 크기가 도 3a에 도시된 바와 같이 감소되기 때문에 전극의 자체저항이 증가된다.
따라서 본 발명은 질소(N)의 함유량이 낮고 실리콘(Si)의 함유량이 높은 비결정성의 실리콘 리치 SiN막을 폴리실리콘층과 텅스텐층의 사이에 형성하고 후속 산화 과정에서 텅스텐(W)과의 반응에 의해 실리콘 리치 SiN막이 WSiN막으로 변화되도록 하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법은 게이트 절연막이 형성된 반도체 기판상에 폴리실리콘층 및 비결정성 베리어층을 순차적으로 형성한 후 비결정성 베리어층상에 텅스텐층을 형성하는 단계와, 텅스텐층, 비결정성 베리어층, 폴리실리콘층 및 게이트 절연막을 순차적으로 패터닝한 후 반도체 기판 및 폴리실리콘층의 노출된 표면에 산화막이 성장되도록 하는 동시에 텅스텐과의 반응에 의해 비결정성 베리어층이 텅스텐 반응층으로 변화되도록 산화 공정을 실시하는 단계로 이루어진다.
상기 비결정성 베리어층은 실리콘 리치 SiN막이며, 상기 텅스텐 반응층은 WSiN막이다.
종래에는 3 원계의 베리어층(WSiN)을 형성하기 위하여 하부의 폴리실리콘층으로부터 실리콘(Si)을 공급받고, WN 또는 Si3N4막으로부터 N을 공급받아 상부의 텅스텐(W)과의 반응에 의해 베리어층이 형성되도록 하였는데, 이때의 반응 에너지는 하기의 식 2 및 식 3과 같이 계산된다. 참고로, WN의 반응은 열역학적인 데이터가 없기 때문에 텅스텐(W)과 유사한 Mo를 반응에 이용하였다.
2Mo + 1/2N2→ Mo2N ΔG = -17,200cal
W + 2Si → WSi2ΔG = -22,200cal
상기의 식 2 및 식 3을 통해 W-N, W-Si는 매우 높은 반응성을 갖고 있음을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 원리를 이용하여 실리콘 리치(Silicon Rich) SiN(이하, SRSiN이라 함.)를 베리어층으로 이용한다.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 2a는 게이트 절연막(12)이 형성된 반도체 기판(11)상에 폴리실리콘층(13) 및 비결정성 베리어층(14)을 순차적으로 형성한 후 상기 비결정성 베리어층(14)상에 텅스텐층(15)을 형성한 상태의 단면도로서, 상기 비결정성 베리어층(14)은 게이트 전극의 비저항을 감소시키기 위한 목적으로 형성하며, PECVD 또는 LPCVD 방식으로 실리콘(Si)의 함유량이 10% 이하인 실리콘 리치 SiN막을 수십 Å의 두께로 증착하여 형성한다.
상기 SRSiN를 PECVD 방식으로 증착하는 경우 0.01 내지 10Torr의 압력 조건에서 플라즈마 생성을 위해 13.56MHz 또는 100 내지 1MHz의 고주파 또는 2.54GHz의 초고주파 전력을 0 내지 5000와트(W) 공급하되, 양 전극간의 거리가 100 내지 900mils 정도 되도록 한다. 그리고 반응 기체(~ 50sccm의 NH3 및 ~ 100sccm의 SiH4)와 분위기 기체(~ 4000sccm의 N2 및 ~ 4000sccm의 Ar) 의 혼합비를 조절하며, 반도체 기판의 온도를 100 내지 500℃로 유지시킨다. 이때, 상기 분위기 기체대신 Ne, He 등과 같은 불활성 기체를 단일 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 이때 공급량은 0 내지 10000sccm이 되도록 한다.
또한, 상기 SRSiN를 LPCVD 방식으로 증착하는 경우 800℃ 이하의 온도 및 수 Torr의 압력 조건에서 ~ 100slm의 N2, ~ 1000slm의 NH3, ~100slm의 SiH2Cl 2가 혼합된 기체를 이용한다.
도 2b는 상기 텅스텐층(15), 비결정성 베리어층(14), 폴리실리콘층(13) 및 게이트 절연막(12)을 순차적으로 패터닝한 후 500 내지 1000℃의 온도에서 선택적 산화 공정을 실시하여 상기 반도체 기판(11), 게이트 절연막(12) 및 폴리실리콘층(13)의 노출된 표면에 산화막(16)이 성장되도록 한 상태의 단면도로서, 상기 산화 과정에서 상기 텅스텐(15)층과 비결정성 베리어층(14)의 계면 반응에 의해 상기 비결정성 베리어층(14)이 텅스텐 반응층(14a) 즉, WSiN막으로 변화된다. 이때, 비결정성의 실리콘 리치 SiN막은 텅스텐과 쉽게 반응된다.
상기한 바와 같이 본 발명은 질소(N)의 함유량이 낮고 실리콘(Si)의 함유량이 높은 비결정성의 실리콘 리치 SiN막을 폴리실리콘층과 텅스텐층의 사이에 형성한다. 그리고 후속 산화 과정에서 텅스텐(W)과의 반응에 의해 실리콘 리치 SiN막이 WSiN막으로 변화되도록 한다.
그러므로 WSiN막의 생성에 의해 폴리실리콘층과의 계면 접착력이 향상되며, 텅스텐층의 실리사이드화가 방지되고, 게이트 전극의 비저항이 감소된다. 그리고 상기와 같은 비결절성의 박막(실리콘 리치 SiN막)상에 텅스텐(W)이 증착되기 때문에 도 3b에 도시된 바와 같이 그레인의 크기가 증가되며, 이에 따라 텅스텐층의 자체저항이 감소된다.
따라서 본 발명을 이용하면 신뢰성이 우수한 고집적 및 고속의 반도체 소자 제조가 가능해진다.

Claims (7)

  1. 게이트 절연막이 형성된 반도체 기판상에 폴리실리콘층 및 비결정성 베리어층을 순차적으로 형성한 후 상기 비결정성 베리어층상에 텅스텐층을 형성하는 단계와,
    상기 텅스텐층, 비결정성 베리어층, 폴리실리콘층 및 게이트 절연막을 순차적으로 패터닝한 후 상기 반도체 기판 및 폴리실리콘층의 노출된 표면에 산화막이 성장되도록 하는 동시에 텅스텐과의 반응에 의해 상기 비결정성 베리어층이 텅스텐 반응층으로 변화되도록 산화 공정을 실시하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비결정성 베리어층은 실리콘 리치 SiN막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 실리콘 리치 SiN막은 PECVD 및 LPCVD 공정중 어느 하나의 공정으로 증착되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 PECVD 공정은 0.01 내지 10Torr의 압력 조건에서 반도체 기판이 100 내지 500℃로 유지되는 상태에서 실시되며, NH3 및 SiH4가 반응 기체로 이용되고 N2 및 Ar이 분위기 기체로 이용되며, 플라즈마를 생성하기 위해 0 내지 5000와트의 고주파 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 LPCVD 공정은 N2, NH3 및 SiH2Cl2가 혼합된 기체가 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화 공정은 500 내지 1000℃의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 텅스텐 반응층은 WSiN막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법.
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