KR100694971B1 - 반도체 소자의 접합영역 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 접합영역 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 접합영역 형성 방법에 관한 것으로, 초저접합을 형성하기 위해 고전류의 극저에너지 이온 주입기를 사용하여 이온을 주입한 후 도폰트의 활성화를 위해 2 단계의 급속 열처리를 실시한다. 1 단계로 급속 열처리를 실시하되, 승온과 유지시에는 질소(N2) 분위기를 유지하여 도펀트의 활성화가 이루어지도록 하고, 냉각시에는 과산화질소(NH3) 분위기를 유지하여 실리콘 기판의 표면부에 Si-N계의 확산 방지층이 형성되도록 하여 후속 열처리 시 도폰트의 외부확산이 억제되도록 한다. 또한, 2 단계로 고온의 스파이크 열처리를 실시하여 도펀트를 활성화시킴으로써 접합의 면저항이 감소되어 고품질의 초저접합이 형성된다.
얕은 접합, 급속 열처리, 스파이크 열처리, 확산 방지층

Description

반도체 소자의 접합영역 형성 방법 {Method for forming a Junction region of a semiconductor device}
도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따른 반도체 소자의 접합영역 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 급속 열처리 과정을 설명하기 위한 공정도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 실리콘 기판 11: 필드산화막
12: 게이트 산화막 13: 게이트 전극
14: 산화막 스페이서 15: 이온
15a: 접합영역 16: 확산 방지층
17: 제 1 층간절연막 18: BPSG
본 발명은 반도체 소자의 소오스/드레인으로 사용되는 접합영역 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도펀트의 외부확산으로 인한 접합 저항의 증가를 방지할 수 있도록 한 반도체 소자의 접합영역 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 소자의 크기도 급격하게 감소된다. 트랜지스터 또는 메모리 셀의 크기도 감소는 채널길이, 소오스/드레인으로 이용되는 접합영역의 깊이 등을 축소시켜 제조를 어렵게 할 뿐만 아니라 크기 감소에 따라 발생되는 여러 가지의 전기적 특성 저하로 인해 많은 문제점을 야기시킨다.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 근래에는 접합영역을 깊이가 극도로 얕은 초저접합(Ultra Shallow Junction)으로 형성하는데, 초저접합의 형성을 위해 극저에너지를 이용하여 이온 주입을 하므로써 도폰트의 농도층이 표면 가까이 존재하게 된다. 따라서 후속 열공정 과정을 거치면 표면 가까이 존재하는 도폰트들이 층간절연막으로 외부확산되어 도펀트의 농도가 감소되고, 열처리를 하였음에도 불구하고 도폰트의 저활성화(Deactivation)로 인해 접합의 면저항이 크게 증가한다.
종래에는 실리콘 기판 상에 게이트 전극을 형성한 후 게이트 전극 양측벽에 스페이서 산화막을 형성한다. 고전류 이온 주입기를 사용하여 11B 이나 49BF2 이온 등을 게이트 양측부의 실리콘 기판에 주입하고 질소(N2) 분위기에서 급속 열처리(Rapid Thermal Process)를 실시하여 주입된 도폰트를 활성화시킨다. 이후, 전체 상부면에 산화막(MTO)으로 층간절연막을 형성하고 BPSG를 증착한 후 반응로에서 열처리하여 표면을 평판화시킨다.
그러나 상기와 같이 이루어지는 종래의 방법은 소자의 고집적화에 따른 설계룰에 따라 초저접합을 형성하기 위해 5keV 이내의 극저에너지로 이온을 주입하기 때문에 도폰트의 최대 농도층이 실리콘 기판의 표면으로부터 수백 Å 내에 존재하게 된다. 따라서 이온주입 이후 실시되는 후속 열처리 과정에서 표면 가까이 존재하는 도폰트들이 층간절연막(MTO)으로 외부확산되어 접합영역에서의 도펀트 농도가 감소되고, 열처리를 하였음에도 불구하고 도폰트의 저활성화(Deactivation)로 인해 접합의 면저항이 크게 증가한다.
따라서 본 발명은 고전류의 극저에너지 이온 주입기를 사용하여 이온을 주입한 후 도폰트의 활성화를 위해 2 단계의 급속 열처리를 실시하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 반도체 소자의 접합영역 형성 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소정의 공정을 통해 실리콘 기판 상에 게이트 전극을 형성한 후 게이트 전극의 양측벽에 스페이서 산화막을 형성하는 단계와, 접합영역을 형성하기 위해 상기 게이트 전극 양측부의 실리콘 기판에 이온을 주입하는 단계와, 주입된 이온을 활성화시키며 표면부에 확산 방지층이 형성되도록 2 단계의 급속 열처리를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 2 단계의 급속 열처리는 질소(N2) 분위기에서 승온한 후 소정 시간동안 유지하고 과산화질소(NH3) 분위기에서 냉각하는 제 1 단계와, 고온에서 스파이크 열처리를 실시하는 제 2 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 초저접합을 형성하기 위해 이온을 주입한 후 도폰트의 활성화를 위해 1 단계로 급속 열처리를 실시한다. 급속 열처리를 실시함에 있어, 승온과 유지시에는 질소(N2) 분위기를 유지하여 도펀트의 활성화가 이루어지도록 하고, 냉각시에는 과산화질소(NH3) 분위기를 유지하여 실리콘 기판의 표면부에 Si-N계의 확산 방지층이 형성되도록 하여 후속 열처리 시 도폰트의 외부확산이 억제되도록 한다. 또한, 2 단계로 고온의 스파이크(Spike) 열처리를 실시하여 도펀트를 활성화시킴으로써 접합의 면저항이 감소되어 고품질의 초저접합이 형성된다.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 필드산화막(11)이 형성된 실리콘 기판(10) 상에 게이트 산화막(12)과 게이트 전극(13)을 형성한 후 게이트 전극(13)의 양측벽에 스페이서 산화막(14)을 형성한 상태의 단면도이다.
도 1b는 소오스/드레인으로 이용될 접합영역(15)을 형성하기 위해 고전류의 극저에너지 이온 주입기를 사용하여 상기 게이트 전극(13) 양측부의 실리콘 기판(10)에 11B 이나 49BF2 등의 이온(15)을 1×1015 내지 3×10 15ions/㎠의 도즈량으로 주입한 상태의 단면도로서, 11B 은 5Kev 이내의 에너지, 49BF2는 20KeV 이내의 에너지로 주입한다.
도 1c는 이온 주입된 도펀트를 활성화시키기 위해 2 단계로 급속 열처리를 실시하므로써 접합영역(15a)이 형성된 상태의 단면도인데, 1 단계로 급속 열처리를 실시하되, 승온과 유지 시에는 도 2와 같이 질소(N2) 분위기를 유지하여 도펀트의 활성화가 이루어지도록 하고, 냉각시에는 과산화질소(NH3) 분위기를 유지하여 실리콘 기판(10)의 표면부에 Si-N계의 확산 방지층(16)이 형성되도록 한다.
승온 시의 승온속도는 50 내지 150℃/sec, 질소(N2)의 유량은 1 내지 40slpm으로 조절하며, 유지 시의 질소(N2)의 유량은 1 내지 40slpm으로 조절한다.
또한, 냉각 시의 냉각속도는 20 내지 100℃/sec, 과산화질소(NH3)의 유량은 1 내지 10slpm으로 조절한다.
2 단계로 1000℃ 이상의 고온에서 스파이크 열처리를 실시하여 도펀트를 활성화시킴으로써 접합의 면저항이 감소되도록 한다. 스파이크 열처리 시 승온속도는 150 내지 250℃/sec가 되도록 하며, 최고온도에서 머무는 시간은 0초가 되도록 한다.
도 1d는 전체 상부면에 산화막을 증착하여 제 1 층간절연막(17)을 형성한 상태의 단면도이고, 도 1e는 BPSG(18)를 증착하고 반응로에서 플로우(Flow)시켜 표면의 평탄화한 상태의 단면도이다.
이후, 일반적인 반도체 소자 제조 공정에 따라 후속 공정을 진행하게 되는데, 후속으로 실시되는 수차례의 열처리 과정을 거치더라도 상기 확산 방지층(16)에 의해 접합영역(15a)에 주입된 도펀트들의 외부확산이 효과적으로 방지된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 초저접합을 형성하기 위해 고전류의 극저에너지 이온 주입기를 사용하여 이온을 주입한 후 도폰트의 활성화를 위해 2 단계의 급속 열처리를 실시한다. 1 단계로 급속 열처리를 실시하되, 승온과 유지시에는 질소(N2) 분위기를 유지하여 도펀트의 활성화가 이루어지도록 하고, 냉각시에는 과산화질소(NH3) 분위기를 유지하여 실리콘 기판의 표면부에 Si-N계의 확산 방지층이 형성되도록 하여 후속 열처리 시 도폰트의 외부확산이 억제되도록 한다. 또한, 2 단계로 고온의 스파이크 열처리를 실시하여 도펀트를 활성화시킴으로써 접합의 면저항이 감소되어 고품질의 초저접합이 형성된다.
이와같이 본 발명은 공정의 추가없이 급속 열처리만으로 주입된 도폰트를 활성화시킴과 동시에 접합영역의 표면부에 얇게 형성되는 Si-N계의 확산 방지층에 의해 후속 열처리 과정에서 도폰트의 외부확산이 억제되도록 하므로써 생산성을 향상시키며 접합 저항이 낮은 고품질의 초저접합을 이룰 수 있다.

Claims (8)

  1. 소정의 공정을 통해 실리콘 기판 상에 게이트 전극을 형성한 후 상기 게이트 전극의 양측벽에 스페이서 산화막을 형성하는 단계와,
    접합영역을 형성하기 위해 상기 게이트 전극 양측부의 실리콘 기판에 이온을 주입하는 단계와,
    주입된 이온을 활성화시키며 표면부에 확산 방지층이 형성되도록 1 단계의 급속 열처리를 실시하는 단계와,
    고온에서 스파이크 열처리를 실시하되, 최고 온도에서 머무는 시간 없이 냉각시키는 2 단계의 급속 열처리를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 접합영역 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이온은 11B 및 49BF2 중 어느 하나이며, 1×10 15 내지 3×1015ions/㎠의 도즈량으로 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 접합영역 형성 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 1 단계의 급속 열처리는 질소(N2) 분위기에서 승온한 후 소정 시간동안 유지하고 과산화질소(NH3) 분위기에서 냉각하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 접합영역 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 1 단계의 승온은 50 내지 150℃/sec의 속도로 이루어지며, 냉각은 20 내지 100℃/sec의 속도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 접합영역 형성 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 질소(N2)는 1 내지 40slpm의 유량으로 공급되며, 상기 과산화질소(NH3)는 1 내지 10slpm의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 접합영역 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 스파이크 열처리는 1000℃에서 실시하며, 150 내지 250℃/sec의 속도로 승온하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 접합영역 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 확산 방지층은 Si-N계인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 접합영역 형성 방법.
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