KR100735533B1 - 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법 및 상관된 구조 - Google Patents

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Abstract

N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자에 듀얼 스트레스 기억 기술을 제공하는 방법과 그에 의한 구조가 개시되어 있다. 방법의 일 실시예는 N형 트랜지스터 전면에 인장 스트레스막을 형성하고 P형 트랜지스터 전면에 압축 스트레스막을 형성하고, 반도체 소자에 스트레스를 기억시키기 위한 열공정을 진행하고, 스트레스막을 제거하는 것을 포함한다. 압축 스트레스막은 고밀도 플라즈마(High Density Plasma; HDP) 증착 공정에 의해 형성된 높은 스트레스의 실리콘 질화막을 포함한다. 열공정은 약 400-1,200℃의 온도에서 진행될 수 있다. 높은 스트레스의 압축 실리콘 질화막 및/또는 열공정 온도는 P형 트랜지스터에 압축 스트레스가 기억되어 유지될 수 있도록 한다.
듀얼 스트레스 기억 기술, 압축 스트레스막

Description

듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법 및 상관된 구조{Method of providing a dual stress memory technique and related structure}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법을 위한 예비적 구조를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법에 대한 도면이다.
본 발명은 스트레스 기억 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 듀얼 스트레스 기억 기술을 제공하는 방법 및 상관된 구조에 관한 것이다.
전계 효과 트랜지스터에 스트레스를 적용하면 트랜지스터의 특성을 향상시킬 수 있다. 세로 방향, 즉 전류가 흐르는 방향으로 적용하면, 인장 스트레스는 전자 이동도(N형 트랜지스터의 드라이브 전류)를 향상시키며, 압축 스트레스는 정공 이동도(P형 트랜지스터의 드라이브 전류)를 향상시킨다고 알려져 있다.
이러한 스트레스를 제공하는 방법을 스트레스 기억 기술(Stress Memory Technique; SMT)이라 한다. 스트레스 기억 기술은 본질적으로 스트레스를 가진 물 질, 예를 들어 실리콘 질화막 등을 채널 영역에 형성하고, 열공정을 수행하여 게이트 폴리실리콘 또는 확산 영역 등에 스트레스를 기억시킨다. 이어서, 스트레스를 가진 물질은 제거한다. 그러나, 스트레스를 가진 물질을 제거하더라도, 스트레스는 트랜지스터에 남아 있게 된다. 따라서, 전자 또는 정공의 이동도를 향상시켜, 전체적인 트랜지스터의 특성을 향상시킨다. 열공정은 일반적으로 도펀트 활성 어닐링(dopant activation anneal)으로 제공된다.
스트레스 기억 기술의 하나의 문제점은 N형 트랜지스터에만 적용될 수 있다는 것이다. 구체적으로, 압축 스트레스를 주기 위하여 P형 트랜지스터 전면에 압축 스트레스를 가진 실리콘 질화막을 형성하면, 후속 공정인 열공정에서 스트레스가 대부분 제거된다. 즉, 압축 스트레스가 P형 트랜지스터에 거의 기억되지 않는다.
따라서, N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터 모두에 스트레스를 기억시키는 듀얼 스트레스 기억 기술을 제공하는 것이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 듀얼 스트레스 기억 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 듀얼 스트레스 기억 기술과 상관된 구조를 제공하는 데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자에 듀얼 스트레스 기억 기술을 제공하는 방법과 그에 의한 구조가 개시되어 있다.
방법의 일 실시예에는 N형 트랜지스터 전면에 인장 스트레스막을 형성하고 P형 트랜지스터 전면에 압축 스트레스막을 형성하고, 반도체 소자에 스트레스를 기억시키기 위한 열공정을 진행하고, 스트레스막을 제거하는 것을 포함한다. 압축 스트레스막은 고밀도 플라즈마(High Density Plasma; HDP) 증착 공정에 의해 형성된 높은 스트레스의 실리콘 질화막을 포함한다. 열공정은 약 400-1,200℃의 온도에서 진행될 수 있다. 높은 스트레스의 압축 실리콘 질화막 및/또는 열공정 온도는 P형 트랜지스터에 압축 스트레스가 기억되어 유지될 수 있도록 한다.
본 발명의 일 태양인 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법은 N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자를 제공하고, 상기 반도체 소자 전면에 제1 스트레스막을 형성하고, 상기 제1 스트레스막 상에 제1 식각정지막을 형성하고, N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터 중 하나의 트랜지스터 상의 제1 스트레스막과 식각정지막을 제거하고, 상기 반도체 소자 상에 제2 스트레스막을 형성하되, P형 트랜지스터 상에 형성된 스트레스막은 압축 스트레스 실리콘 질화막을 포함하도록 하고, 열공정을 수행하여 반도체 소자가 스트레스를 기억하도록 하고, 제1 및 제2 스트레스막과 식각정지막을 제거하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 태양인 듀얼 스트레스 기억 기술을 제공하는 방법은 N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자를 제공하고, N형 트랜지스터 상에 인장 스트레스막을 형성하고, P형 트랜지스터 상에는 압축 스트레스막을 형성하되, 상기 압축 스트레스막은 이후의 열공정을 진행하는 동안 적어도 일부분은 압축 스트레스를 유지하는 고스트레스((high stress) 필름을 포함하고, 열공정을 진행하여 상기 반도체 소자에 스트레스를 기억시키고, 상기 압축 스트레스막 및 인장 스트레스막을 제거하는 것을 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양인 반도체 소자는 일부분에 인장 스트레스가 기억된 N형 트랜지스터 및 일부분에 압축 스트레스가 기억된 P형 트랜지스터를 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 스트레스 기억 기술(SMT)을 제공하는 방법을 위한 반도체 소자(100)의 예비적 구조를 도시하고 있다. 예비적 구조는 N형 트랜지스터(104)와 P형 트랜지스터(106)가 형성된 기판(102)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 반도체 소자(100)에는 STI(110) 형성, 웰 이온 주입, 게이트 절연막(112) 형성, 게이트 도전체(114) 형성, 확산 영역(116)을 형성하기 위한 확산/할 로이온 주입/소스/드레인 이온주입 등의 완전한 초기 공정이 진행되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법의 첫번째 단계는 N형 트랜지스터(104) 전면에 인장 스트레스막(120)을 형성하고, P형 트랜지스터(106) 전면에 압축 스트레스막(122)을 형성하는 것을 포함한다. 인장 스트레스막(120)과 압축 스트레스막(122)은 본질적으로 스트레스를 가진 실리콘 질화막(Si3N4)을 포함할 수 있다. 그러나, 바람직한 일 실시예에서, 압축 스트레스막(122)은 고밀도 플라즈마 증착 공정으로 형성된 HDP(High Density Plasma) 실리콘 질화막(Si3N4)을 포함한다. 바람직한 일 실시예에서 압축 스트레스막(122)을 형성하는 단계는 약 50mTorr의 압력, 약 0-1,500W의 RF 바이어스 전원, 약 2,000-4,500W의 RF 소스 전원에서 약 200 sccm의 Ar, 약 100 sccm의 SiH4, 약 300 sccm의 N2를 공급하고, 실리콘 질화막 HDP 증착을 수행하는 것을 포함한다. 따라서, 압축 스트레스막(122)은 높은 스트레스의 실리콘 질화막을 포함하게 되고, 후술하는 후속 공정인 열공정을 진행하는 동안 전체적으로 또는 부분적으로 압축 스트레스를 유지시킴으로써, 스트레스가 P형 트랜지스터(106)의 일부분에 스트레스가 기억되기 때문에 듀얼 스트레스 기억 기술를 제공할 수 있다.
첫번째 단계인 인장 스트레스막(120) 및 압축 스트레스막(122)을 형성하는 단계는 다양한 공정으로 진행될 수 있으나, 여기에서는 예시적으로 2가지 실시예만 설명한다. 도 3 내지 도 6은 이에 대하여 도시하고 있다. 우선, 도 3에 도시된 바와 같이, 식각정지막(118)을 형성하는 것을 포함한다. 예를 들어, 식각정지막(118) 은 실리콘 이산화막(SiO2, 도 3에서 점선으로 도시)일 수 있다. 이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 서브 스텝(a first sub step)은 반도체 소자(100) 전면에 제1 스트레스막(130)을 형성하는 것을 포함한다. 후술하는 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 스트레스막(130)은 인장 스트레스막(도 2의 120 참조) 또는 압축 스트레스막(도 2의 122 참조)일 수 있다. 그러나, 도 3에 도시된 제1 스트레스막(130)은 본질적으로 인장 스트레스를 가지는 실리콘 질화막을 포함한다. 이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 서브 스텝은 제1 스트레스막(130) 전면에 식각정지막(132)을 형성하는 것을 포함한다. 식각정지막(132)은 현재 알려졌거나, 앞으로 발견될 수 있는 물질로써, 실리콘 이산화막(SiO2)과 같은 식각 정지 물질을 포함할 수 있다. 이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, N형 트랜지스터(104)와 P형 트랜지스터(106) 중에서 하나의 도전형 트랜지스터(도시된 것은 P형 트랜지스터)의 전면에 덮여 있는 제1 스트레스막(130) 및 식각정지막(132)을 제거하여 하나의 도전형 트랜지스터를 노출시킨다. 식각 공정(138)은 패터닝된 마스크(136; 점선으로 표시)와 일반적인 건식 식각에 사용되는 화학 물질을 사용하여 진행된다. 도 4에는 P형 트랜지스터(106)를 노출시킨 구조가 도시되어 있다.
이어서, 도 5를 참조하면, 반도체 소자(100) 전면에 제2 스트레스막(140)을 형성한다. 도시된 바와 같이, P형 트랜지스터(106) 전면에 제2 스트레스막(140)이 형성되며, 제2 스트레스막(140)은 고밀도 압축 스트레스 실리콘 질화막을 포함한다. 여기서, 다음 단계인 열공정을 진행하기 전에, N형 트랜지스터(104) 전면의 제 2 스트레스막(140)을 제거하는 것을 더 포함할 수 있다. 제2 스트레스막(140)을 제거하는 것은 패터닝된 마스크(146; 점선으로 도시)와 일반적으로 사용되는 물질을 사용한 건식 식각(144)으로 진행된다. 도 6은 결과 구조를 도시하고 있다. 제2 스트레스막(140)이 제거되지 않은 영역에서는 제1 스트레스막(130)에 의한 스트레스가 다소 감소될 수 있다. 그러나, 그 감소되는 정도는 미미하다.
다른 실시예에서, 전술한 첫번째 단계는 다음과 같은 공정으로 진행될 수 있다. 그것은, 반도체 소자(100) 전면에 압축 스트레스막(122)을 형성하고, 압축 스트레스막(122) 전면에 식각정지막(132)을 형성하고, N형 트랜지스터(104) 전면의 압축 스트레스막(122) 및 식각정지막(132)을 제거하고, 반도체 소자(100) 전면에 인장 스트레스막(120)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 여기서, 다음 단계인 열공정 전을 진행하기 전에 P형 트랜지스터(106) 상의 인장 스트레스막(120)만 선택적으로 제거할 수 있다. 인장 스트레스막(120)이 제거되지 않은 영역에서는 압축 스트레스막(122)에 의한 스트레스가 다소 감소할 수 있다. 그러나 감소되는 정도는 미미하다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법의 두번째 단계가 도시되어 있다. 두번째 단계는 반도체 소자(100)에 스트레스를 기억시키기 위해서 열공정(150)을 진행하는 것을 포함한다. 열공정(150)은 약 400-1,200℃의 온도에서 진행될 수 있다. 열공정 온도는 최적화되어, 반도체 소자(100)가 스트레스막(120, 122)으로부터 스트레스를 기억할 수 있고, P형 트랜지스터(106)의 일부분이 압축 스트레스를 잃지 않도록 한다. 예를 들어, 일반적인 PECVD방법으로 형성한 압축 실리콘 질화막의 스트레스가 약 -1.8 Gpa/cm2라면 열공정 후에는 인장 스트레스인 약 0.04Gpa/cm2가 된다. 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 HDP 압축 스트레스 실리콘 질화막은 약 -3.0 Gpa/cm2의 스트레스를 갖도록 형성되는데, 열공정 후에는 약 -100 Mpa/cm2의 스트레스를 가지게 되고, 따라서, 압축 스트레스를 유지한다. 본 발명의 일 실시예에서는, 압축 스트레스는 약 -1 Gpa/cm2의 범위일 수 있다.
도 7을 참조하면, 세번째 단계는 스트레스막(120, 122) 및 식각정지막(132)을 제거하는 것을 포함한다. 제거 단계(148)는 습식 식각 또는 건식 식각으로 진행하거나, 습식 식각과 건식 식각 모두를 사용하여 진행할 수 있다. 예를 들어, 습식 또는 건식 식각을 진행하여 식각정지막(132)을 제거하고, 고온의 인산을 사용한 습식 스트립 공정을 진행하여 실리콘 질화막인 스트레스막을 제거할 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 소자(200)는 예를 들어 게이트 도전체(214) 및/또는 확산 영역(216)에 일부로 기억된 인장 스트레스(260)를 가지는 N형 트랜지스터(204)와, 예를 들어 게이트 도전체(220) 및/또는 확산 영역(222)에 일부로 기억된 압축 스트레스(262)를 가지는 P형 트랜지스터(106)를 포함한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같은 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법과 상관된 구조에 따르면 N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자에 듀얼 스트레스 기억 기술을 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자를 제공하고,
    상기 반도체 소자 전면에 제1 스트레스막을 형성하고,
    상기 제1 스트레스막 상에 제1 식각정지막을 형성하고,
    N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터 중 하나의 트랜지스터 상의 제1 스트레스막과 식각정지막을 제거하고,
    상기 반도체 소자 상에 제2 스트레스막을 형성하되, P형 트랜지스터 상에 형성된 스트레스막은 압축 스트레스 실리콘 질화막을 포함하도록 하고,
    열공정을 수행하여 반도체 소자가 스트레스를 기억하도록 하고,
    제1 및 제2 스트레스막과 식각정지막을 제거하는 것을 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압축 스트레스 실리콘 질화막은 HDP(High Density Plasma) 실리콘 질화막을 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    제1 스트레스막을 형성하기 전에 추가 식각정지막을 형성하는 것을 더 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열공정을 수행한 후에 압축 스트레스 실리콘 질화막은 -100Mpa/cm2의 스트레스를 가지는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열공정은 약 400~1,200℃의 온도에서 수행되는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 열공정을 수행하기 전에 N형 트랜지스터 또는 P형 트랜지스터 중 하나의 전면에 형성된 상기 제2 스트레스막을 제거하는 것을 더 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터 중 하나의 트랜지스터는 N형 트랜지스터이고,
    상기 제1 스트레스막은 본질적으로 인장 스트레스를 가지는 물질을 포함하고, 상기 제2 스트레스막은 압축 스트레스 실리콘 질화막을 포함하는 듀얼 스트레 스 기억 기술 제공 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    각각의 스트레스막은 실리콘 질화막을 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    식각정지막은 실리콘 이산화물을 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  10. N형 트랜지스터와 P형 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자를 제공하고,
    N형 트랜지스터 상에 인장 스트레스막을 형성하고, P형 트랜지스터 상에는 압축 스트레스막을 형성하되, 상기 압축 스트레스막은 이후의 열공정을 진행하는 동안 적어도 일부분은 압축 스트레스를 유지하는 고스트레스((high stress) 필름을 포함하고,
    열공정을 진행하여 상기 반도체 소자에 스트레스를 기억시키고,
    상기 압축 스트레스막 및 인장 스트레스막을 제거하는 것을 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 압축 스트레스막을 형성하는 것은 Ar은 약 200 sccm, SiH4는 약 100 sccm, N2는 약 300 sccm 공급하고, 압력은 50mTorr, RF 바이어스 파워는 0~1,500W, RF 소스 파워는 2,000~4,500W인 공정 조건에서 실리콘 산화막을 HDP로 증착하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 열공정은 약 400-1,200℃의 온도에서 수행되는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 압축 스트레스막 및 상기 인장 스트레스막은 실리콘 질화막을 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    압축 스트레스막 및 인장 스트레스막을 형성하는 것은,
    반도체 소자 상에 인장 스트레스막을 형성하고,
    상기 인장 스트레스막 상에 식각정지막을 형성하고,
    P형 트랜지스터 상의 상기 인장 스트레스막 및 상기 식각정지막을 제거하고,
    상기 반도체 소자 상에 압축 스트레스막을 형성하는 것을 포함하는 듀얼 스 트레스 기억 기술 제공 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    열공정을 진행하기 전에 N형 트랜지스터 상의 압축 스트레스막을 제거하는 것을 더 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    식각정지막은 실리콘 이산화막을 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  17. 제 10항에 있어서,
    압축 스트레스막 및 인장 스트레스막을 형성하는 것은,
    반도체 소자 상에 압축 스트레스막을 형성하고,
    상기 압축 스트레스막 상에 식각정지막을 형성하고,
    상기 N형 트랜지스터 상의 압축 스트레스막 및 식각정지막을 제거하고,
    상기 반도체 소자 상의 인장 스트레스막을 형성하는 것을 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 열공정을 진행하기 전에 상기 P형 트랜지스터 상의 인장 스트레스막을 제거하는 것을 더 포함하는 듀얼 스트레스 기억 기술 제공 방법.
  19. 일부분에 인장 스트레스가 기억된 N형 트랜지스터 및
    일부분에 압축 스트레스가 기억된 P형 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 P형 트랜지스터는 압축 HDP 실리콘 질화막을 통해서 기억된 압축 스트레스를 갖는 반도체 소자.
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