KR100640943B1 - method for forming gate electrode of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리 실리콘층의 두께 문제를 해결함과 동시에 게이트의 프로파일 및 CD 구현을 용이하게 함으로써 소자의 특성을 향상시키도록 한 반도체 소자의 게이트전극 및 그 형성방법에 관한 것으로서, 반도체 기판상에 형성되는 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막상에 일정한 폭의 개구부를 갖고 형성되는 절연막 패턴과, 상기 절연막 패턴의 개구부에 형성되는 폴리 실리콘 패턴과, 상기 절연막 패턴 및 폴리 실리콘 패턴 상에 형성되는 금속 실리사이드막을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gate electrode of a semiconductor device and a method of forming the same, which solves the thickness problem of the polysilicon layer and at the same time facilitates the profile of the gate and the CD. A gate insulating film, an insulating film pattern having an opening having a predetermined width on the gate insulating film, a polysilicon pattern formed in the opening of the insulating film pattern, and a metal silicide film formed on the insulating film pattern and the polysilicon pattern. Characterized in that configured.
게이트 전극, 금속 실리사이드, 폴리 실리콘, CMPGate Electrode, Metal Silicide, Poly Silicon, CMP
Description
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 의한 반도체 소자의 게이트전극 형성방법을 나타낸 공정단면도1A through 1D are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate electrode of a semiconductor device according to the related art.
도 2는 본 발명에 의한 반도체 소자의 게이트 전극을 나타낸 단면도2 is a cross-sectional view showing a gate electrode of a semiconductor device according to the present invention.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 의한 반도체 소자의 게이트 전극 형성방법을 나타낸 공정단면도3A to 3G are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate electrode of a semiconductor device according to the present invention.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
100 : 반도체 기판 101 : 게이트 산화막100
102 : 질화막 103 : 제 1 포토레지스트102
104 : 폴리 실리콘층 105 : 금속 실리사이드막104: polysilicon layer 105: metal silicide film
106 : 제 2 포토레지스트106: second photoresist
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 소자의 특성을 향상하도록 한 반도체 소자의 게이트 전극 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for forming a gate electrode of a semiconductor device to improve the characteristics of the device.
일반적으로 실리사이드 공정이란 열처리에 의해 금속과 실리콘은 반응하여 실리사이드층을 형성되지만, 금속과 절연막 예를 들면, 통상의 산화막 또는 질화막 계열은 반응하지 않는 성질을 이용하여 게이트 전극 및 소스/드레인 표면에만 선택적으로 실리사이드층을 형성하고, 반응하지 않은 금속층을 제거하는 일련의 공정을 말한다.Generally, the silicide process means that the metal and silicon react to form a silicide layer by heat treatment. However, the metal and the insulating layer, for example, do not react with an oxide or nitride based series, and thus select only the gate electrode and the source / drain surface. This is a series of steps for forming a silicide layer and removing an unreacted metal layer.
한편, 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 감소함에 따라 여기에 따르는 각 소자간의 저항이 증가하게 되며, 이러한 저항 증가에 의해 소자의 동작 속도 저하가 발생하게 되는데, 이러한 소자간 저항 증가 감소를 위해 예를 들면, 게이트 전극 등의 저항을 감소시키기 위해 내열금속 실리사이드(refractory metal silicide)가 폴리 실리콘 등에 적층된 구조를 이용하고 있다.On the other hand, as the design rule of the semiconductor device decreases, the resistance between the devices increases according to the excitation, and the increase in the resistance causes the operation speed of the device to decrease. For example, in order to reduce the resistance of the gate electrode or the like, a structure in which a refractory metal silicide is laminated on polysilicon or the like is used.
즉, 실리사이드층은 저항값을 감소시켜 반도체 소자의 특성 향상에 기여하며, 이것을 폴리실리사이드(silicide on doped polycrystalline-Si : Polycide)라 한다.That is, the silicide layer reduces the resistance value and contributes to the improvement of the characteristics of the semiconductor device, which is called polysilicide (silicide on doped polycrystalline-Si: Polycide).
최근 게이트 전극 물질로서 폴리실리콘 상부에 비저항이 낮으면서 고온에서 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등의 고융점 금속을 추가한 금속 게이트 전극을 형성하고 있으며, 그 중에서도 텅스텐을 사용한 금속 게이트는 소자의 고집적화에 따른 신호처리 속도 개선의 측면에서 기존 폴리실리사이드 게이트 전극을 대체하고 있는 실정에 있다.Recently, as a gate electrode material, a metal gate electrode having high specific melting point metals such as tungsten (W), titanium (Ti), and tantalum (Ta) is formed at a high temperature with low specific resistance on polysilicon. Among them, tungsten is used. Metal gates are replacing existing polysilicide gate electrodes in terms of improving signal processing speed due to high integration of devices.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 반도체 소자의 게이트전극 형성방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of forming a gate electrode of a semiconductor device according to the prior art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 의한 반도체 소자의 게이트전극 형성방법을 나타낸 단면도이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a gate electrode forming method of a semiconductor device according to the present invention.
도 1a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)상에 게이트 산화막(11)을 형성하고, 상기 게이트 산화막(11)상에 폴리 실리콘막(12) 및 텅스텐 실리사이드막(13)을 차례로 형성한다.As shown in FIG. 1A, a
이어, 상기 텅스텐 실리사이드막(13)상에 하드 마스크용 질화막(14)을 형성한다.Next, a hard mask nitride film 14 is formed on the
도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 질화막(14)상에 포토레지스트(15)를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 포토레지스트(15)를 패터닝하여 게이트 영역을 정의한다.As shown in FIG. 1B, after the
도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 패터닝된 포토레지스트(15)를 마스크로 이용하여 상기 질화막(14)을 선택적으로 식각하여 질화막 패턴(14a)을 형성한다.As illustrated in FIG. 1C, the nitride layer 14 is selectively etched using the patterned
도 1d에 도시한 바와 같이, 상기 포토레지스트(15)를 제거하고, 상기 질화막 패턴(14a)을 형성한 후에 반도체 기판(10)에 세정(cleaning) 공정을 실시하여 공정 중에 발생한 이물질을 제거한다.As shown in FIG. 1D, after removing the
이어, 상기 질화막 패턴(14a)을 마스크로 이용하여 상기 텅스텐 실리사이드막(13) 및 폴리 실리콘층(12)을 선택적으로 식각하여 게이트 전극(20)을 형성한다.Subsequently, the
여기서, 상기 질화막 패턴(14a)을 마스크로 이용하여 상기 텅스텐 실리사이드막(13)을 식각한 후 오버 에치(over etch)에 의해 폴리 실리콘층(12)을 식각하여 게이트 전극(20)을 형성하고 있다.The
따라서 상기와 같이 폴리 실리콘층(12)을 오버 에치에 의해 식각할 때 상기 게이트 산화막(11)에 데미지(damage)를 줄 수 있고, 상기 게이트 산화막(11)의 데미지를 방지하기 위해 식각 시간을 줄이면 폴리 실리콘층(12)과 텅스텐 실리사이드막(13)의 경계면에 텅스텐 실리사이드막(13)이 잔류하여 게이트 전극(20)의 프로파일(profile)을 제어하기가 어렵게 된다.Therefore, when the
또한, 상기 게이트 산화막(11)의 데미지를 고려하여 폴리 실리콘층(12)의 두께를 얇게 하는데 어려움이 있기 때문에 게이트 프로파일의 앵글(angle) 및 CD 관리에 어려운 문제에 봉착하게 된다.In addition, since it is difficult to reduce the thickness of the
한편, 소자가 고집적화 및 소형화에 의해 게이트 사이즈는 점점 작아지는 것이 일반화되고 있고, 상기 게이트 사이즈의 소형화와 게이트의 전기적 특성을 높이기 위해 텅스텐 게이트의 사용빈도는 높아지고 있으나, 게이트 프로파일 및 게이트 산화막의 데미지에 의해 쉽게 폴리 실리콘층의 두께를 얇게 하지 못하고 있다.On the other hand, the gate size is becoming smaller due to the higher integration and miniaturization of the device. In order to reduce the size of the gate and increase the electrical characteristics of the gate, the use frequency of the tungsten gate is increasing, but the damage to the gate profile and the gate oxide film is increased. As a result, the thickness of the polysilicon layer is not easily reduced.
그러나 상기와 같은 종래의 반도체 소자의 게이트전극 형성방법에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.However, the above-described conventional method for forming a gate electrode of a semiconductor device has the following problems.
즉, 폴리 실리콘/텅스텐 실리사이드/하드 마스크의 적층 구조에서 하드 마스크의 식각, 세정 공정, 텅스텐 실리사이드를 식각한 후 폴리실리콘을 식각함으로써 잔여 폴리 실리콘의 식각할 때 오버 에치에 게이트 산화막에 데미지가 가해지고, 식각된 게이트 전극의 프로파일 및 CD를 제어하는데 어려움이 있다. In other words, in the laminated structure of polysilicon / tungsten silicide / hard mask, the gate oxide film is damaged by over-etching when the residual polysilicon is etched by etching the hard mask, the cleaning process, and etching the polysilicon after etching the tungsten silicide. There is a difficulty in controlling the profile of the etched gate electrode and the CD.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 폴리 실리콘층의 두께 문제를 해결함과 동시에 게이트의 프로파일 및 CD 구현을 용이하게 함으로써 소자의 특성을 향상시키도록 한 반도체 소자의 게이트전극 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and solves the thickness problem of the polysilicon layer and at the same time facilitates the implementation of the gate profile and CD to improve the characteristics of the device, the gate electrode forming method of a semiconductor device The purpose is to provide.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자의 게이트 전극은 반도체 기판상에 형성되는 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막상에 일정한 폭의 개구부를 갖고 형성되는 절연막 패턴과, 상기 절연막 패턴의 개구부에 형성되는 폴리 실리콘 패턴과, 상기 절연막 패턴 및 폴리 실리콘 패턴 상에 형성되는 금속 실리사이드막을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.The gate electrode of the semiconductor device according to the present invention for achieving the above object is a gate insulating film formed on a semiconductor substrate, an insulating film pattern formed with an opening having a predetermined width on the gate insulating film, and the opening of the insulating film pattern And a metal silicide film formed on the insulating film pattern and the polysilicon pattern.
또한, 본 발명에 의한 반도체 소자의 게이트 전극 형성방법은 반도체 기판상에 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막상에 절연막을 형성하고 선택적으로 패터닝하여 일정한 폭의 개구부를 형성하는 단계와, 상기 절연막 패턴의 개구부에 폴리 실리콘 패턴을 형성하는 단계와, 상기 폴리 실리콘 패턴을 포함한 반도체 기판의 전면에 금속 실리사이드막을 형성하는 단계와, 상기 금속 실리사이드막상에 상기 개구부와 대응되면서 더 넓은 폭을 갖는 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 마스크층을 마스크로 이용하여 상기 금속 실리사이드막 및 절연막 패턴을 선택적으로 제거하여 금속 실리사이드막과 폴리 실리콘 패턴이 적층된 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.In addition, the method of forming a gate electrode of a semiconductor device according to the present invention comprises the steps of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate, forming an insulating film on the gate insulating film and selectively patterning to form an opening having a constant width, and Forming a polysilicon pattern in the opening of the insulating film pattern, forming a metal silicide film on the entire surface of the semiconductor substrate including the polysilicon pattern, and forming a mask layer having a wider width on the metal silicide film corresponding to the opening. And forming a gate electrode on which the metal silicide layer and the polysilicon pattern are laminated by selectively removing the metal silicide layer and the insulating layer pattern by using the mask layer as a mask. do.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 반도체 소자의 게이트전극 및 그 형성방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a gate electrode and a method of forming the semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 의한 반도체 소자의 게이트전극을 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a gate electrode of the semiconductor device according to the present invention.
도 2에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(100)상에 형성되는 게이트 산화막(101)과, 상기 게이트 산화막(101)상에 일정한 폭으로 개구부를 갖고 형성되는 질화막 패턴(102a)과, 상기 질화막 패턴(102a)의 개구부에 형성되는 폴리 실리콘 패턴(104a)과, 상기 폴리 실리콘 패턴(104a) 및 질화막 패턴(102a)상에 형성되는 금속 실리사이드막(105)을 포함하여 구성되어 있다.As shown in FIG. 2, a
여기서, 상기 금속 실리사이드막(105)은 상기 폴리 실리콘 패턴(104a)과 대응되면서 더 넓은 폭을 갖고 형성되어 있고, 상기 질화막 패턴(102a)의 외곽은 상기 금속 실리사이드막(105)의 외곽과 대응되게 형성되어 있다.Here, the
또한, 상기 금속 실리사이드막(105)과 폴리 실리콘 패턴(104a)은 적층되어 게이트 전극(120)을 구성한다.In addition, the
또한, 상기 금속 실리사이드막(105)은 텅스텐 실리사이드, 코발트 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드 중 어느 하나로 이루어져 있다.In addition, the
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 의한 반도체 소자의 게이트전극 형성방법을 나타낸 공정단면도이다.3A to 3G are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate electrode of a semiconductor device according to the present invention.
도 3a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(100)상에 게이트 산화막(101)을 형성하고, 상기 게이트 산화막(101)상에 질화막(102)을 형성한다.As shown in FIG. 3A, a
여기서, 상기 게이트 산화막(101)은 약 30 ~ 100Å의 두께로 형성하고, 상기 반도체 기판(100)을 열산화하여 형성하거나 산화막 등을 CVD 등으로 증착하여 형성할 수 있다.Here, the
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 질화막(102)상에 제 1 포토레지스트(103)를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 제 1 포토레지스트(103)를 패터닝하여 게이트 영역을 정의한다.As shown in FIG. 3B, after the
도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 패터닝된 제 1 포토레지스트(103)를 마스크로 이용하여 상기 질화막(102)을 선택적으로 제거하여 개구부를 갖는 질화막 패턴(102a)을 형성한다.As shown in FIG. 3C, the
이어, 상기 질화막 패턴(102a)을 형성하기 마스크로 사용된 제 1 포토레지스트(103)를 제거한다.Next, the
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 질화막 패턴(102a)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법으로 폴리 실리콘층(104)을 형성한다.As shown in FIG. 3D, the
도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 폴리 실리콘층(104)의 전면에 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 상기 질화막 패턴(102a)의 표면을 연마 앤드 포인트(end point)로 하여 연마를 실시하여 폴리 실리콘 패턴(104a)을 형성한다.As shown in FIG. 3E, the front surface of the
도 3f에 도시한 바와 같이, 상기 폴리 실리콘 패턴(104a)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 금속 실리사이드막(105)을 형성하고, 상기 금속 실리사이드막(105)상에 제 2 포토레지스트(106)를 도포한다.As shown in FIG. 3F, a
또한, 상기 금속 실리사이드막(105)은 텅스텐 실리사이드, 코발트 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드 중 어느 하나로 형성한다.In addition, the
이어, 노광 및 현상 공정으로 상기 폴리 실리콘 패턴(104a)과 대응되면서 더 넓은 폭을 갖도록 상기 제 2 포토레지스트(106)를 패터닝한다.Subsequently, the
도 3g에 도시한 바와 같이, 상기 패터닝된 제 2 포토레지스트(106)를 마스크로 이용하여 상기 금속 실리사이드막(105) 및 질화막 패턴(102a)을 선택적으로 제거하여 폴리 실리콘 패턴(104a)과 금속 실리사이드막(105)이 적층된 게이트 전극(120)을 형성한다.As shown in FIG. 3G, the
이후, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 금속 실리사드막(105)과 폴리 실리콘 패턴(104a)으로 적층된 게이트 전극(120) 양측의 반도체 기판(100) 표면내에 소오스/드레인 불순물 영역을 형성함으로써 반도체 소자를 제조한다.Subsequently, although not shown in the figure, a semiconductor device is formed by forming a source / drain impurity region in the surface of the
한편, 상기 소오스/드레인 불순물 영역을 형성할 때 상기 게이트 전극(120) 하부의 채널 영역과 소오스/드레인 불순물 영역 사이에는 옵셋(off set) 영역이 형성된다. 즉, 상기 질화막 패턴(102a) 하부의 반도체 기판(100)에는 소오스/드레인용 불순물 이온이 주입되지 않은 상태로 남아있게 되어 이후 옵셋영역으로 사용될 수도 있다.Meanwhile, when forming the source / drain impurity region, an offset region is formed between the channel region under the
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 반도체 소자의 게이트전극 형성방법은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the gate electrode forming method of the semiconductor device according to the present invention has the following effects.
첫째, 일정한 간격을 갖는 질화막 패턴을 포함한 전면에 폴리 실리콘층을 형성한 후, CMP공정을 거쳐 평탄화시켜 폴리 실리콘 패턴을 형성함으로써 텅스텐 게이트 형성시 폴리 실리콘층의 두께에 영향을 받지 않는 게이트 전극의 프로파일을 구현할 수 있다.First, a polysilicon layer is formed on the entire surface including a nitride film pattern having a predetermined interval, and then planarized through a CMP process to form a polysilicon pattern so that the thickness of the gate electrode is not affected by the thickness of the polysilicon layer when forming a tungsten gate. Can be implemented.
둘째, 게이트 전극의 CD를 제어할 수 있어 소자의 집적화 및 소형화의 실현이 가능하여 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.Second, since the CD of the gate electrode can be controlled, integration and miniaturization of the device can be realized, thereby improving the electrical characteristics of the device.
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