KR100642386B1 - Method of forming a silicide layer and manufacturing a semiconductor device using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리사이드층 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 반도체 기판에 발생될 이온 주입 손상을 금속층에 발생되도록 금속층을 먼저 형성한 상태에서 접합부에 이온 주입을 실시하여 반도체 기판에 이온 주입 손상이 발생되는 것을 방지하고, 어닐링 공정을 실시하기 전에 실리사이드층의 열안정성을 향상시킬 수 있는 이온주입 공정을 실시함으로써, 반도체 기판에서의 누설 전류 발생을 억제하고 후속 열처리 공정 시 실리사이드층의 응집(Agglomeration) 현상을 방지하여 공정의 신뢰성 및 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a method of forming a silicide layer and a method of manufacturing a semiconductor device using the same, wherein ion is implanted into a junction in a state in which a metal layer is first formed so that ion implantation damage to be generated in the semiconductor substrate is generated in the metal layer. By preventing the occurrence of injection damage and by performing an ion implantation process that can improve the thermal stability of the silicide layer before the annealing process, suppressing the occurrence of leakage current in the semiconductor substrate and agglomeration of the silicide layer during the subsequent heat treatment process By preventing agglomeration, process reliability and device electrical characteristics can be improved.
실리사이드층, 응집현상, 누설전류, 이온주입 손상, 금속 버퍼층Silicide layer, aggregation phenomenon, leakage current, ion implantation damage, metal buffer layer
Description
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 실리사이드층 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.1A and 1B are cross-sectional views of a device for explaining a silicide layer forming method of a semiconductor device according to the prior art.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 실리사이드층 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a silicide layer forming method according to the present invention.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 실리사이드층 형성 방법을 이용한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3A to 3H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device using the silicide layer forming method according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
101, 201, 301 : 반도체 기판 102, 303 : 게이트 산화막101, 201, 301:
103, 304 : 게이트 104, 312 : 소오스/드레인103, 304:
105, 307 : 절연막 스페이서 106 : 금속층105, 307: insulating film spacer 106: metal layer
107 : 샐리사이드층 202 : 활성 영역, 접합부107: salicide layer 202: active region, junction
203 : 소자 분리 영역 204, 308 : 금속층203:
205, 309 : 캡핑층 206, 310 : 열안정화 이온주입층205 and 309
207, 311 : 고농도 불순물 주입층 208, 313 : 준안전상 실리사이드층207, 311: high concentration
209, 314 : 실리사이드층 302 : 소자 분리막209 and 314: silicide layer 302: device isolation film
305 : 제1 저농도 이온주입층 306 : 제2 저농도 이온주입층305: first low concentration ion implantation layer 306: second low concentration ion implantation layer
본 발명은 실리사이드층 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 실리사이드층의 열안정성을 향상시킬 수 있는 실리사이드층 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of forming a silicide layer and a method of manufacturing a semiconductor device using the same, and more particularly, to a method of forming a silicide layer capable of improving thermal stability of the silicide layer and a method of manufacturing a semiconductor device using the same.
일반적으로, 트랜지스터의 게이트 및 소오스/드레인과 같은 접합부의 상부에는 접속 저항을 줄이기 위하여 실리사이드층이 형성된다. 실리사이드층은 접합부가 형성된 반도체 기판의 전체 상부에 금속층을 형성한 후, 열처리 공정을 실시하면 접합부가 형성된 영역에서만 접합부와 금속층이 반응하면서 형성된다. 이렇게 자기 정렬식으로 형성된 실리사이드층(Self-Aligned Silicide layer)을 샐리사이드층(Salicide layer)이라고 한다. Generally, silicide layers are formed on top of junctions such as gates and sources / drains of transistors to reduce connection resistance. The silicide layer is formed by forming a metal layer on the entire upper portion of the semiconductor substrate on which the junction portion is formed, and then performing a heat treatment process while the junction portion and the metal layer react only in the region where the junction portion is formed. The self-aligned silicide layer thus formed is called a salicide layer.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 실리사이드층 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.1A and 1B are cross-sectional views of a device for explaining a silicide layer forming method of a semiconductor device according to the prior art.
도 1a를 참조하면, 소정의 공정을 통해 게이트 산화막(102), 게이트용 폴리실리콘층(103), 소오스/드레인(104) 및 절연막 스페이서(105)로 이루어진 트랜지스터를 반도체 기판(101)에 형성한다. 이후, 폴리실리콘층(103) 및 소오스/드레인(104)을 포함한 반도체 기판(101)의 전체 표면을 세정한다. Referring to FIG. 1A, a transistor including a
이어서, 전체 상부에 금속층(106)을 형성한다. 이때, 금속층(106)은 TiN이나 코발트를 증착하여 형성한다. Subsequently, the
도 1b를 참조하면, 급속 열처리 어닐링 공정으로 폴리실리콘층(103) 및 소오스/드레인(104)을 금속층(도 1a의 106)과 반응시켜 실리사이드의 1차 상전이를 유도한 후, 폴리실리콘층(103) 및 소오스/드레인(104)과 반응하지 않은 금속층을 제거한다. 이어서, 2차 급속 열처리 어닐링 공정을 실시하여 안정된 실리사이드 상을 얻는다. 이로써, 샐리사이드층(107)이 형성된다. Referring to FIG. 1B, the
한편, 상기의 방법에서 NMOS 트랜지스터의 소오스/드레인(104)은 주로 As를 주입하여 형성하는데, 질량이 큰 As가 고농도로 주입되면 반도체 기판(101)에 큰 손상을 주어 많은 결함들이 발생된다. 이는 누설 전류의 원인이 되기도 한다. 또한, 얕은 접합(Shallow junction)을 구현하는데 있어서, 저에너지와 고전류 이온주입이 동시에 가능한 이온주입 장치가 필요하다. 이는 장비 활용에 있어 비효율적인 면이 있다. In the above method, the source /
그리고, 종래의 방법으로 코발트 실리사이드층을 형성하는 경우, 온도가 높은 후속 열공정에 의하여 실리사이드의 응집(Agglomeration) 현상이 발생된다. 이는 콘택 저항을 증가시키고, 게이트 전극, 폴리실리콘층 및 액티브(Active) 저항을 변화시킨다. 이렇게, 실리사이드의 응집 현상은 후속 열처리 공정에 의해 발생되는데, 현재의 반도체 제조 공정에서 실리사이드층을 형성한 후, 후속 열공정을 저온에서 진행하기 위해서는 매우 많은 시설 투자 및 시간이 소요될 것으로 예상된다. In the case of forming the cobalt silicide layer by a conventional method, agglomeration of silicide occurs by a subsequent thermal process having a high temperature. This increases the contact resistance and changes the gate electrode, polysilicon layer and active resistance. In this way, the agglomeration of the silicide is generated by a subsequent heat treatment process, and after forming the silicide layer in the current semiconductor manufacturing process, it is expected that a lot of facility investment and time will be required to proceed the subsequent heat process at low temperature.
이에 대하여, 본 발명이 제시하는 실리사이드층 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판에 발생될 이온 주입 손상을 금속층에 발생되도록 금속층을 먼저 형성한 상태에서 접합부에 이온 주입을 실시하여 반도체 기판에 이온 주입 손상이 발생되는 것을 방지하고, 어닐링 공정을 실시하기 전에 실리사이드층의 열안정성을 향상시킬 수 있는 이온주입 공정을 실시함으로써, 반도체 기판에서의 누설 전류 발생을 억제하고 후속 열처리 공정 시 실리사이드층의 응집(Agglomeration) 현상을 방지하여 공정의 신뢰성 및 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
In contrast, the silicide layer forming method and the method of manufacturing a semiconductor device using the same according to the present invention are performed by implanting ions into a junction in a state in which a metal layer is first formed so as to cause ion implantation damage to be generated in the semiconductor substrate. The ion implantation process is performed to prevent the ion implantation damage from occurring and to improve the thermal stability of the silicide layer before the annealing process, thereby suppressing the leakage current generation in the semiconductor substrate and the silicide layer during the subsequent heat treatment process. By preventing agglomeration, the process reliability and device electrical characteristics can be improved.
본 발명의 실시예에 따른 실리사이드층 형성 방법은 접합부와 절연부로 나누어진 반도체 기판 상에 금속층을 형성하는 단계와, 금속층 및 접합부의 계면에 이온주입 공정으로 열안정화 이온주입층을 형성하는 단계, 및 열처리 공정으로 접합부 상에 실리사이드층을 형성하는 단계를 포함한다. The silicide layer forming method according to the embodiment of the present invention comprises the steps of forming a metal layer on a semiconductor substrate divided into a junction portion and an insulating portion, forming a thermally stabilized ion implantation layer at the interface of the metal layer and the junction portion, and Forming a silicide layer on the junction by a heat treatment process.
상기에서, 금속층은 Ti, Ta, W 또는 Co로 형성할 수 있다. In the above, the metal layer may be formed of Ti, Ta, W or Co.
금속층을 형성한 후, 열안정화 이온주입층을 형성하기 전에, 전체 상부에 캡핑층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 캡핑층은 TiN막으로 형성할 수 있다.After forming the metal layer, and before forming the thermal stabilization ion implantation layer, it may further comprise the step of forming a capping layer over the entire. In this case, the capping layer may be formed of a TiN film.
이온주입 공정은 N2 이온을 주입하며, 열안정화를 위한 이온이 금속층 및 금속층 계면에 주입되도록 5E14atoms/cm 2 내지 2E15atoms/cm 2 의 이온을 5KeV 내지 30KeV의 이온주입 에너지로 주입하는 것이 바람직하다. 또한, 이온주입 공정은 0도 내지 30도의 경사각으로, 여러 방향에서 골고루 이온을 주입하는 것이 바람직하다.In the ion implantation process, N 2 ions are implanted, and ions of 5E14 atoms / cm 2 to 2E15 atoms / cm 2 are implanted with ion implantation energy of 5 KeV to 30 KeV so that ions for thermal stabilization are implanted at the metal layer and the metal layer interface. In addition, in the ion implantation process, it is preferable to inject ions evenly in various directions at an inclination angle of 0 to 30 degrees.
열안정화 이온주입층을 형성한 후, 실리사이드층을 형성하기 전에, 접합부에 불순물 이온주입 공정을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the thermal stabilization ion implantation layer is formed, the method may further include performing an impurity ion implantation process on the junction before forming the silicide layer.
실리사이드층 형성 단계는, 1차 급속 열처리 어닐링 공정을 실시하여 준안정 실리사이드층을 형성하는 단계와, 접합부와 반응하지 않은 금속층을 제거하는 단계, 및 2차 급속 열처리 어닐링 공정을 실시하여 준안정 실리사이드층을 안정한 실리사이드층으로 형성하는 단계를 포함한다. The silicide layer forming step includes performing a first rapid thermal annealing process to form a metastable silicide layer, removing a metal layer that has not reacted with the junction, and performing a second rapid thermal annealing process to perform a metastable silicide layer. Forming a stable silicide layer.
이때, 1차 급속 열처리 어닐링 공정은 질소 가스 분위기에서 500℃ 내지 580℃에서 50초 내지 90초 동안 실시할 수 있으며, 2차 급속 열처리 어닐링 공정은 800℃ 내지 850℃에서 20초 내지 50초 동안 실시할 수 있다. At this time, the first rapid heat treatment annealing process may be performed for 50 seconds to 90 seconds at 500 ℃ to 580 ℃ in a nitrogen gas atmosphere, the second rapid heat treatment annealing process is carried out for 20 seconds to 50 seconds at 800 ℃ to 850 ℃ can do.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상에 게이트 산화막 및 게이트를 형성하는 단계와, 게이트 가장 자리의 반도체 기판에 저농 도 이온주입층을 형성하는 단계와, 게이트 및 게이트 산화막의 측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 단계와, 전체 상부에 금속층을 형성하는 단계와, 금속층 및 게이트의 계면과 금속층 및 저농도 이온주입층의 게면에 이온주입 공정으로 열안정화 이온주입층을 형성하는 단계, 및 절연막 스페이서 가장 자리의 반도체 기판에 고농도 이온주입층을 형성하는 단계와, 열처리 공정으로 접합부 상에 실리사이드층을 형성하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention comprises the steps of forming a gate oxide film and a gate on a semiconductor substrate, forming a low concentration ion implantation layer on the semiconductor substrate of the gate edge, Forming an insulating layer spacer on the sidewalls, forming a metal layer over the entire surface, forming a thermally stabilized ion implantation layer on an interface between the metal layer and the gate, and on the crab surfaces of the metal layer and the low concentration ion implantation layer; Forming a high concentration ion implantation layer on the semiconductor substrate at the edge of the insulating film spacer; and forming a silicide layer on the junction part by a heat treatment process.
상기에서, 금속층은 Ti, Ta, W 또는 Co로 형성할 수 있다. In the above, the metal layer may be formed of Ti, Ta, W or Co.
금속층을 형성한 후, 고농도 이온주입층을 형성하기 전에, 전체 상부에 캡핑층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 캡핑층은 TiN막으로 형성할 수 있다.After forming the metal layer and before forming the high concentration ion implantation layer, the method may further include forming a capping layer over the whole, and the capping layer may be formed of a TiN film.
이온주입 공정은 N2 이온을 주입하며, 이온주입 공정은 열안정화를 위한 이온이 금속층 및 금속층 계면에 주입되도록 5E14atoms/cm 2 내지 2E15atoms/cm 2 의 이온을 5KeV 내지 30KeV의 이온주입 에너지로 주입할 수 있다. 이때, 이온주입 공정은 0도 내지 30도의 경사각으로, 여러 방향에서 골고루 이온을 주입하는 것이 바람직하다. The ion implantation process injects N 2 ions, and the ion implantation process injects ions of 5E14 atoms / cm 2 to 2E15 atoms / cm 2 at 5KeV to 30 KeV so as to inject ions for thermal stabilization into the metal layer and the metal layer interface. Can be. At this time, in the ion implantation process, it is preferable to inject ions evenly in various directions at an inclination angle of 0 to 30 degrees.
실리사이드층 형성 단계는, 1차 급속 열처리 어닐링 공정을 실시하여 준안정 실리사이드층을 형성하는 단계와, 게이트 또는 저농도 이온주입층과 반응하지 않은 금속층을 제거하는 단계, 및 2차 급속 열처리 어닐링 공정을 실시하여 준안정 실리사이드층을 안정한 실리사이드층으로 형성하는 단계를 포함한다. The silicide layer forming step includes performing a first rapid thermal annealing process to form a metastable silicide layer, removing a metal layer not reacted with a gate or a low concentration ion implantation layer, and performing a second rapid thermal annealing process. Thereby forming a metastable silicide layer into a stable silicide layer.
이때, 1차 급속 열처리 어닐링 공정은 질소 가스 분위기에서 500℃ 내지 580 ℃에서 50초 내지 90초 동안 실시할 수 있으며, 2차 급속 열처리 어닐링 공정은 800℃ 내지 850℃에서 20초 내지 50초 동안 실시할 수 있다.At this time, the first rapid heat treatment annealing process may be performed for 50 seconds to 90 seconds at 500 ℃ to 580 ℃ in a nitrogen gas atmosphere, the second rapid heat treatment annealing process is carried out for 20 seconds to 50 seconds at 800 ℃ to 850 ℃. can do.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Only this embodiment is provided to complete the disclosure of the present invention and to fully inform those skilled in the art, the scope of the present invention should be understood by the claims of the present application.
한편, 어떤 막이 다른 막 또는 반도체 기판의 '상'에 있다라고 기재되는 경우에 상기 어떤 막은 상기 다른 막 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는 그 사이에 제3의 막이 개재되어질 수도 있다. 또한 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.On the other hand, when a film is described as being "on" another film or semiconductor substrate, the film may exist in direct contact with the other film or semiconductor substrate, or a third film may be interposed therebetween. In the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated for clarity and convenience of explanation. Like numbers refer to like elements on the drawings.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 실리사이드층 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a silicide layer forming method according to the present invention.
도 2a를 참조하면, 트랜지스터 또는 단위 메모리 셀과 같은 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소(도시되지 않음)가 형성되며, 접합부인 활성 영역(202)과 소자 분리 영역(203)으로 정의된 반도체 기판(201) 상에 실리사이드층을 형성하기 위하여 금속층(204) 및 캡핑층(205)을 형성한다. 이때, 금속층(204)과 캡핑층(205) 을 형성하기 전에, 활성 영역(202) 상부에 잔류하는 자연 산화막을 제거하기 위하여 세정 공정을 실시할 수 있다. 세정 공정은 희석된 HF 용액을 사용하여 100초 내지 200초 동안 실시할 수 있다. Referring to FIG. 2A, various elements (not shown) for forming a semiconductor device such as a transistor or a unit memory cell are formed, and a semiconductor substrate defined by an
상기에서, 금속층(204)은 Ti, Ta, W, Co 등으로 형성할 수 있으며, Co로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 금속층(204)은 70Å 내지 150Å으로 형성하며, 증착 챔버에서 산소 성분을 제거하여 금속층(204)의 이상산화를 방지한다. 한편, 캡핑층(205)은 실리사이드층을 형성하기 위한 어닐링 공정에서 이상산화가 발생되는 것을 방지하기 위하여 형성하며, TiN을 증착하여 200Å 내지 250Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 캡핑층(205)은 금속층(204)을 형성한 후, 시간 지연없이 5분 이내에 형성하는 것이 바람직하다. In the above, the
도 2b를 참조하면, 실리사이드층 형성을 위한 어닐링 공정 시 실리사이드층을 얇고 균일하게 하면서, 후속 열공정에 대한 실리사이드층의 열안정성을 확보하기 위하여 이온주입 공정을 실시한다. Referring to FIG. 2B, an ion implantation process is performed to make the silicide layer thin and uniform during the annealing process for forming the silicide layer, and to secure the thermal stability of the silicide layer for subsequent thermal processes.
이온주입 공정 시, N2 이온을 주입하는 것이 바람직하며, 저에너지 이온주입 장치에서 이온이 금속층(204)과 활성 영역(202)의 계면에 고농도로 주입되도록 5KeV 내지 30KeV의 이온주입 에너지로 5E14atoms/cm 2 내지 2E15atoms/cm 2
의 이온을 주입하는 것이 바람직하다. 또한, 이온은 0도 내지 30도의 경사각으로 주입하며, 한 방향에 국한되지 않고 여러 방향에서 골고루 주입하는 것이 바람직하다. In the ion implantation process, it is preferable to inject N 2 ions, and in the low energy ion implantation apparatus, 5E14 atoms / cm at an ion implantation energy of 5KeV to 30KeV so that ions are implanted at a high concentration at the interface between the
이로써, 이온주입 공정에 의해 금속층(204)과 활성 영역(202)의 계면에는 열 안정화 이온주입층(206)이 형성된다.As a result, a thermal stabilization
도 2c를 참조하면, 반도체 기판(201)에 제조되는 반도체 소자의 종류에 따라 활성 영역(202)에 불순물을 고농도로 주입할 수 있다. 예를 들면, LDD 구조의 소오스/드레인을 형성하는 경우, 고농도 이온주입층을 형성하기 위하여 이온주입 공정으로 고농도의 불순물을 활성 영역(202)에 주입할 수 있다. 이때, 질량이 큰 불순물 이온이 고농도로 주입되더라도 활성 영역(202) 상에 형성된 금속층(204)이 버퍼층의 역할을 하기 때문에, 이온주입에 의한 이온주입 손상이 반도체 기판(201)에 거의 발생되지 않고 금속층(204)에 발생된다. 따라서, 반도체 기판(201)에 이온주입 손상이 발생되는 것을 최대한 억제할 수 있다. Referring to FIG. 2C, impurities may be injected at a high concentration into the
여기서, 이온주입 공정은 1E15atoms/cm2 내지 1E15atoms/cm2의 고농도로 이온을 주입하며, 금속층(204)이 형성되어 있으므로 이온주입 에너지를 일반적인 경우보다 약 10% 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 실리콘 표면으로부터 약 400Å의 Rp(Projection Range)를 갖도록 이온주입 공정을 실시하여 후속 어닐링에 의해 약 50Å 정도의 추가 확산이 이루어지도록 한다. Here, the ion implantation process implants ions at a high concentration of 1E15 atoms / cm 2 to 1E15 atoms / cm 2 , and since the
한편, 이온주입 공정으로 NMOS 트랜지스터의 소오스/드레인을 형성하는 경우 As 또는 P를 주입하여 N타입 고농도 이온주입층을 형성하고, PMOS 트랜지스터의 소오스/드레인을 형성하는 경우 B를 주입하여 P타입 고농도 이온주입층을 형성할 수 있다. On the other hand, when forming a source / drain of an NMOS transistor by an ion implantation process, an N-type high-concentration ion implantation layer is formed by implanting As or P, and a P-type high-concentration ion is implanted when a source / drain of a PMOS transistor is formed An injection layer can be formed.
도 2d를 참조하면, 실리사이드층을 형성하기 위하여 1차 급속 열처리 어닐링 을 실시한다. 이때, 금속층(204)과 활성 영역(202) 사이에 주입된 열안정화 이온주입층(도 2c의 206)에 의해, 일반적인 경우보다 30℃ 내지 70℃ 높은 온도에서 준안정 실리사이드층(208)이 금속층(204) 및 활성 영역(202)의 계면에 형성된다. 이를 고려하여, 1차 급속 열처리 어닐링은 질소 가스 분위기에서 500℃ 내지 580℃에서 50초 내지 90초 동안 실시하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 2D, first rapid thermal annealing is performed to form a silicide layer. At this time, the
도 2e를 참조하면, 1차 급속 열처리 어닐링을 실시한 후, 캡핑층(도 2d의 309) 및 미반응 금속층(도 2d의 204)을 제거한다. 이어서, 2차 급속 열처리 어닐링 공정을 실시하여 준안정 실리사이드층(도 2d의 208)을 안정한 실리사이드층(209)으로 형성한다. 이때, 2차 급속 열처리 어닐링 공정은 800℃ 내지 850℃에서 20초 내지 50초 동안 실시되는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 2E, after the first rapid thermal annealing, the capping layer (309 in FIG. 2D) and the unreacted metal layer (204 in FIG. 2D) are removed. Subsequently, a secondary rapid thermal annealing process is performed to form a metastable silicide layer (208 in FIG. 2D) as a
이로써, 응집 현상이 발생되는 것을 방지하면서, 얇고 균일한 실리사이드층(209)이 형성된다. As a result, a thin and
이후, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 전체 상부에 층간 절연막을 형성하고 고농도로 주입된 불순물들을 활성화시키기 위하여 920℃ 내지 990℃에서 5초 내지 10초 동안 급속 열처리 어닐링을 실시한다. Thereafter, although not shown in the drawing, rapid thermal annealing is performed at 920 ° C. to 990 ° C. for 5 to 10 seconds to form an interlayer insulating film over the whole and to activate impurities implanted at a high concentration.
이하에서는, 상기에서 서술한 실리사이드층 형성 방법을 트랜지스터 제조 공정에 적용하여 반도체 소자를 제조하는 실시예를 설명하기로 한다. Hereinafter, an embodiment in which a semiconductor device is manufactured by applying the silicide layer forming method described above to a transistor manufacturing process will be described.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 실리사이드층 형성 방법을 이용한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3A to 3H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device using the silicide layer forming method according to the present invention.
도 3a를 참조하면, 실리콘 기판(301)의 소자 분리 영역에 소자 분리막(302)을 형성한다. 이어서, 반도체 기판(301)의 활성 영역 상부에 게이트 산화막(303) 및 폴리실리콘층을 순차적으로 형성한 후, 게이트 마스크를 이용한 식각 공정으로 폴리실리콘층 및 게이트 산화막(303)을 패터닝한다. 이로써, 폴리실리콘층으로 이루어진 게이트(304)가 소정의 패턴으로 형성된다. Referring to FIG. 3A, an
이후, 저농도 이온 주입 공정을 실시하여 소오스/드레인을 형성하기 위한 제1 저농도 이온주입층(305)을 형성한다. 이때, 저농도 이온주입 공정은 500eK 내지 5KeV의 에너지로 8E14atoms/cm2 내지 2E15atoms/cm2의 불순물을 주입하여 제1 저농도 이온주입층(305)을 형성할 수 있다. 한편, NMOS 트랜지스터의 경우에는 As를 주입할 수 있으며, PMOS 트랜지스터의 경우에는 BF를 주입할 수 있다. 상기의 조건은 후속 열공정에 의한 확산(Diffusion)을 고려하고 반도체 기판(301)에 발생되는 이온주입 손상을 최소화하기 위함이다. Thereafter, a low concentration ion implantation process is performed to form a first low concentration
도 3b를 참조하면, 소정의 입사각을 갖는 저농도 이온 주입 공정으로 제1 저농도 이온주입층(305)과 게이느(304) 가장자리의 하부 영역까지 불순물을 주입하여 제2 저농도 이온주입층(306)을 형성한다. Referring to FIG. 3B, the second low concentration
이때, 제1 및 제2 저농도 이온주입층(305 및 306)을 낮은 농도와 얕은 깊이로 형성하므로써, 소자의 크기가 감소함에 따라 발생되는 핫 캐리어 이펙트(Hot carrier effect)가 발생되는 문제를 해결하고, 국부적으로 전기장이 집중되는 현상을 감소시킬 수 있다. 또한, 게이트의 길이(채널 길이)가 감소됨에 따라 소오스 및 드레인간의 간격이 좁아져 소자의 문턱 전압이 낮아지는 단채널 효과(Short channel effect)가 발생되는 문제점을 해결할 수 있다. In this case, the first and second low concentration ion implantation layers 305 and 306 are formed at a low concentration and a shallow depth, thereby solving a problem in which a hot carrier effect occurs as the size of the device decreases. This reduces the concentration of local electric fields. In addition, as the length of the gate (channel length) is reduced, the gap between the source and the drain is narrowed, thereby reducing the short channel effect of reducing the threshold voltage of the device.
도 3c를 참조하면, 전체 상부에 절연막을 형성한 후 전면 식각 공정을 통해 게이트 산화막(303) 및 게이트(304)의 측벽에 절연막 스페이서(307)를 형성한다. Referring to FIG. 3C, an insulating
도 3d를 참조하면, 전체 상부에 금속층(308) 및 캡핑층(309)을 형성한다. 이때, 금속층(308)과 캡핑층(309)을 형성하기 전에, 반도체 기판(301) 상부에 잔류하는 자연 산화막을 제거하기 위하여 세정 공정을 실시할 수 있다. 세정 공정은 희석된 HF 용액을 사용하여 100초 내지 200초 동안 실시할 수 있다. Referring to FIG. 3D, the
상기에서, 금속층(308)은 Ti, Ta, W, Co 등으로 형성할 수 있으며, Co로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 금속층(308)은 70Å 내지 150Å으로 형성하며, 증착 챔버에서 산소 성분을 제거하여 금속층(308)의 이상산화를 방지한다. 한편, 캡핑층(309)은 실리사이드층을 형성하기 위한 어닐링 공정에서 이상산화가 발생되는 것을 방지하기 위하여 형성하며, TiN을 증착하여 200Å 내지 250Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 캡핑층(309)은 금속층(308)을 형성한 후, 시간 지연없이 5분 이내에 형성하는 것이 바람직하다. In the above, the
도 3e를 참조하면, 실리사이드층 형성을 위한 어닐링 공정 시 실리사이드층을 얇고 균일하게 하면서, 후속 열공정에 대한 실리사이드층의 열안정성을 확보하기 위하여 이온주입 공정을 실시한다. Referring to FIG. 3E, while the annealing process for forming the silicide layer is made thin and uniform, the ion implantation process is performed to secure the thermal stability of the silicide layer for the subsequent thermal process.
이온주입 공정 시, N2 이온을 주입하는 것이 바람직하며, 저에너지 이온주입 장치에서 이온이 금속층(308)과 반도체 기판(301)의 계면에 고농도로 주입되도록 5KeV 내지 30KeV의 이온주입 에너지로 5E14atoms/cm 2 내지 2E15atoms/cm 2
의 이온을 주입하는 것이 바람직하다. 또한, 이온은 0도 내지 30도의 경사각으로 주입하며, 한 방향에 국한되지 않고 여러 방향에서 골고루 주입하는 것이 바람직하다. In the ion implantation process, it is preferable to inject N 2 ions. In a low energy ion implantation apparatus, 5E14 atoms / cm at an ion implantation energy of 5 KeV to 30 KeV so that ions are implanted at a high concentration at the interface between the
이로써, 이온주입 공정에 의해 금속층(308)/게이트(304) 및 금속층(308)/제1 저농도 이온주입층(305)의 계면에는 열안정화 이온주입층(310)이 형성된다.As a result, a thermally stabilized
도 3f를 참조하면, 게이트(304) 및 절연막 스페이서(307)를 이온 주입 마스크로 이용한 고농도 이온 주입 공정을 통해 제1 저농도 이온주입층(305)보다 더 깊은 깊이로 고농도 이온주입층(311)을 형성한다. 이로써, 고농도 이온주입층(311)과 제1 및 제2 저농도 이온주입층(305 및 306)으로 이루어진 소오스/드레인(312)을 형성한다. Referring to FIG. 3F, the high concentration
이때, 질량이 큰 불순물 이온이 고농도로 주입되더라도 반도체 기판(301) 상에 형성된 금속층(308)이 버퍼층의 역할을 하기 때문에, 이온주입에 의한 이온주입 손상이 반도체 기판(301)에 거의 발생되지 않고 금속층(308)에 발생된다. 따라서, 반도체 기판(301)에 이온주입 손상이 발생되는 것을 최대한 억제할 수 있다. At this time, even if a large amount of impurity ions are implanted at a high concentration, since the
여기서, 이온주입 공정은 1E15atoms/cm2 내지 1E15atoms/cm2의 고농도로 이온을 주입하며, 금속층(308)이 형성되어 있으므로 이온주입 에너지를 일반적인 경우보다 약 10% 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 실리콘 표면으로부터 약 400Å의 Rp(Projection Range)를 갖도록 이온주입 공정을 실시하여 후속 어닐링에 의해 약 50Å 정도의 추가 확산이 이루어지도록 한다. Here, in the ion implantation process, ions are implanted at a high concentration of 1E15 atoms / cm 2 to 1E15 atoms / cm 2 , and since the
한편, 이온주입 공정으로 NMOS 트랜지스터의 소오스/드레인을 형성하는 경우 As 또는 P를 주입하여 N타입 고농도 이온주입층을 형성하고, PMOS 트랜지스터의 소오스/드레인을 형성하는 경우 B를 주입하여 P타입 고농도 이온주입층을 형성할 수 있다. On the other hand, when forming a source / drain of an NMOS transistor by an ion implantation process, an N-type high-concentration ion implantation layer is formed by implanting As or P, and a P-type high-concentration ion is implanted when a source / drain of a PMOS transistor is formed An injection layer can be formed.
도 3g를 참조하면, 실리사이드층을 형성하기 위하여 1차 급속 열처리 어닐링을 실시한다. 이때, 도 3e에서 형성한 금속층(308)과 반도체 기판(301) 사이에 주입된 열안정화 이온주입층(도 3e의 310)에 의해, 일반적인 경우보다 30℃ 내지 70℃ 높은 온도에서 준안정 실리사이드층(313)이 금속층(308) 및 게이트(304)의 계면과 금속층(308) 및 소오스/드레인(312)의 계면에 자기 정렬 식으로 형성된다. 이를 고려하여, 1차 급속 열처리 어닐링은 질소 가스 분위기에서 500℃ 내지 580℃에서 50초 내지 90초 동안 실시하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 3G, first rapid thermal annealing is performed to form a silicide layer. At this time, the thermostable ion implantation layer (310 in FIG. 3E) injected between the
도 3h를 참조하면, 1차 급속 열처리 어닐링을 실시한 후, 캡핑층(도 3g의 309) 및 미반응 금속층(도 3g의 308)을 제거한다. 이어서, 2차 급속 열처리 어닐링 공정을 실시하여 준안정 실리사이드층(도 3g의 313)을 안정한 실리사이드층(314)으로 형성한다. 이때, 2차 급속 열처리 어닐링 공정은 800℃ 내지 850℃에서 20초 내지 50초 동안 실시되는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 3H, after performing the first rapid thermal annealing, the capping layer (309 in FIG. 3G) and the unreacted metal layer (308 in FIG. 3G) are removed. Subsequently, a secondary rapid thermal annealing process is performed to form a metastable silicide layer (313 in FIG. 3G) as a
이로써, 응집 현상이 발생되는 것을 방지하면서, 얇고 균일한 실리사이드층(314)이 형성된다. As a result, a thin and
상기에서는 본 발명의 실리사이드층 형성 방법을 트랜지스터의 제조 공정에 적용한 예를 설명하였으나, 실리사이드층 형성 방법은 트랜지스터의 제조 공정에 한정되지 않고 캐패시터의 하부 전극이나 상부 전극을 형성하는 공정에도 적용될 수 있으며, 실리콘 성분이 포함된 도전층 상부에 실리사이드층을 형성하는 어떠한 공정에도 적용될 수 있다. In the above, an example in which the silicide layer forming method of the present invention is applied to a transistor manufacturing process has been described. However, the silicide layer forming method is not limited to a transistor manufacturing process, but may be applied to a process of forming a lower electrode or an upper electrode of a capacitor. It can be applied to any process of forming a silicide layer on top of a conductive layer containing a silicon component.
상술한 바와 같이, 본 발명은 반도체 기판에 발생될 이온 주입 손상을 금속층에 발생되도록 금속층을 먼저 형성한 상태에서 접합부에 이온 주입을 실시하여 반도체 기판에 이온 주입 손상이 발생되는 것을 방지하고, 어닐링 공정을 실시하기 전에 실리사이드층의 열안정성을 향상시킬 수 있는 이온주입 공정을 실시함으로써, 반도체 기판에서의 누설 전류 발생을 억제하고 후속 열처리 공정 시 실리사이드층의 응집(Agglomeration) 현상을 방지하여 공정의 신뢰성 및 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. As described above, the present invention prevents ion implantation damage from occurring in the semiconductor substrate by performing ion implantation at the junction in a state where the metal layer is formed first so that ion implantation damage to the semiconductor substrate is generated in the metal layer, and an annealing process By performing the ion implantation process to improve the thermal stability of the silicide layer, the generation of leakage current in the semiconductor substrate can be suppressed and the agglomeration of the silicide layer can be prevented during the subsequent heat treatment process. The electrical characteristics of the device can be improved.
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