KR100745906B1 - 반도체소자의 콘택플러그 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체소자의 콘택플러그 형성방법에 관한 것으로, 소정의 하부구조물이 구비되는 반도체기판 상부에 비정질 실리콘 게르마늄층을 형성하고, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층을 평탄화시켜 비정질 실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 형성한 후 열처리공정을 실시하여 상기 비정질 실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 단결정 실리콘 게르마늄층 콘택플러그로 상변환시킴으로써 전기전도도가 우수하고 콘택저항이 적은 콘택플러그를 형성할 수 있는 기술이다.
Description
도 1 은 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법에서 비정질실리콘층과 비정질실리콘 게르마늄층을 형성한 후 실시되는 열처리공정에 의해 단결정화되는 속도를 비교한 그래프.
도 2a 내지 도 2d 는 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법을 도시한 단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
11 : 반도체기판 12 : 게이트절연막
14 : 게이트전극 16 : 마스크절연막패턴
18 : 절연막 스페이서 20 : 비정질실리콘 게르마늄층
21 : 비정질실리콘 게르마늄층 콘택플러그
22 : 단결정실리콘 게르마늄 콘택플러그
본 발명은 반도체소자의 콘택플러그 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 콘택플러그 형성공정 시 비정질실리콘 게르마늄층을 증착한 후 고상결정화법을 이용하여 단결정실리콘 게르마늄층으로 상변환시킴으로써 콘택플러그의 콘택 저항을 감소시키는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법에 관한 것이다.
최근의 반도체장치의 고집적화 추세는 미세 패턴 형성 기술의 발전에 큰 영향을 받고 있으며, 반도체장치의 제조공정 중에서 식각 또는 이온주입 공정 등의 마스크로 매우 폭 넓게 사용되는 감광막패턴의 미세화가 필수 요건이다.
상기 감광막패턴의 분해능(R)은 축소노광장치의 광원 파장(λ) 및 공정 변수(k)에 비례하고, 노광 장치의 렌즈 구경(numerical aperture : NA, 개구수)에 반비례한다.
[ R = k*λ/NA, R=해상도, λ=광원의 파장, NA=개구수]
여기서, 상기 축소노광장치의 광분해능을 향상시키기 위하여 광원의 파장을 감소시키게 되며, 예를 들어 파장이 436 및 365nm인 G-라인 및 i-라인 축소노광장치는 공정 분해능이 각각 약 0.7, 0.5㎛ 정도가 한계이고, 0.5㎛이하의 미세 패턴을 형성하기 위해 파장이 작은 원자외선(deep ultra violet ; DUV), 예를 들어 파장이 248㎚인 KrF 레이저나 193㎚인 ArF 레이저를 광원으로 사용하는 노광장치를 이용하거나, 공정상의 방법으로는 노광마스크(photo mask)를 위상 반전 마스크(phase shift mask)를 사용하는 방법과, 이미지 콘트라스트를 향상시킬 수 있는 별도의 박막을 웨이퍼 상에 형성하는 씨.이.엘.(contrast enhancement layer, 이하 CEL이라 함)방법이나 두 층의 감광막 사이에 SOG 등의 중간층을 개재시킨 삼층레지스트(tri layer resist, TLR) 방법 또는 감광막의 상측에 선택적으로 실리콘 을 주입시키는 실리레이션 방법 등이 개발되어 분해능 한계치를 낮추고 있다.
또한, 소자가 고집적화되어 감에 따라 도전배선을 연결하는 콘택플러그는 주변배선 간의 간격이 감소되고, 콘택홀의 지름과 깊이의 비인 에스펙트비(aspect ratio)가 증가하여 형성하기 어려워졌다.
상기와 같이 에스펙트비가 증가하면 콘택플러그의 저항이 증가하기 때문에 소자의 전기적 특성을 저하시키는 원인이 된다.
또한, 현재 콘택플러그의 재료로 사용되고 있는 다결정실리콘층은 내부에 존재하는 입계(grain boundary) 때문에 전기전도도가 단결정실리콘층보다 낮은 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 콘택플러그의 형성 공정 시 단결정실리콘층을 선택적으로 증착하는 선택적 에피성장법(selective epitaxial growth) 또는 비정질실리콘층을 증착한 후 열처리공정을 실시하여 단결정실리콘층으로 상변환시키는 고상결정화법(solid phase epitaxy)이 사용되고 있다.
그러나, 상기 선택적 에피성장법은 최저 900℃ 이상의 고온공정이 필요하고, 상기 고상결정화법은 공정 온도는 상기 선택적 에피성장법보다 낮지만 30분 이상의 장시간 열처리공정이 필요한 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 콘택플러그가 형성될 부분에 비정질실리콘 게르마늄층(Si1-xGex)을 형성하고 저온에서 단시간 열처리하여 단결정실리콘 게르마늄층으로 상변환시켜 전기전도도가 향상되고 콘택 저항이 낮은 콘택플러그를 형성하는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이상의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법은,
반도체기판 상부에 게이트절연막을 형성하는 공정과,
상기 게이트절연막 상부에 게이트전극 및 소오스/드레인영역으로 구성되는 모스전계효과 트랜지스터를 형성하는 공정과,
전체표면 상부에 게르마늄의 함량(x)이 0<x≤1 인 비정질실리콘 게르마늄층(Si1-xGex)을 형성하는 공정과,
상기 비정질실리콘 게르마늄층을 평탄화식각하여 비정질실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 형성하는 공정과,
상기 구조를 열처리하여 상기 비정질실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 단결정실리콘 게르마늄층 콘택플러그로 상변환시키는 공정을 포함하는 것을 제1특징으로 한다.
또한, 반도체기판 상부에 게이트절연막을 형성하는 공정과,
상기 게이트절연막 상부에 게이트전극 및 소오스/드레인영역으로 구성되는 모스전계효과 트랜지스터를 형성하는 공정과,
전체표면 상부에 게르마늄의 함량(x)이 0<x≤1 인 비정질실리콘 게르마늄층(Si1-xGex)을 형성하는 공정과,
상기 비정질실리콘 게르마늄층을 열처리하여 단결정실리콘 게르마늄층으로 상변환시키는 공정과,
상기 단결정실리콘 게르마늄층을 평탄화시켜 상기 반도체기판에 접속되는 단결정실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 형성하는 공정을 포함하는 것을 제2특징으로 한다.
또한, 반도체기판 상부에 게이트절연막을 형성하는 공정과,
상기 게이트절연막 상부에 게이트전극 및 소오스/드레인영역으로 구성되는 모스전계효과 트랜지스터를 형성하는 공정과,
전체표면 상부에 게르마늄의 함량(x)이 0<x≤1 인 비정질실리콘 게르마늄층(Si1-xGex)을 형성하는 공정과,
상기 비정질실리콘 게르마늄층을 열처리하여 단결정실리콘 게르마늄층으로 상변환시키는 공정과,
상기 단결정실리콘 게르마늄층을 평탄화시켜 상기 반도체기판에 접속되는 단결정실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 형성하는 공정을 포함하는 것을 제2특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법에서 비정질실리콘층과 비정질실리콘 게르마늄층을 형성한 후 실시되는 열처리공정에 의해 단결정화되는 속도를 비교한 그래프로서, a)는 비정질실리콘층의 결정화속도를, b)는 비정질 실리콘 게르마늄층(Si1-xGex(x=0.12))의 결정화속도를, c)는 비정질 실리콘 게 르마늄층(Si1-xGex(x=0.25))의 결정화속도를 나타낸다. 전 온도범위에서 비정질 실리콘 게르마늄층의 결정화속도 b)와 c)가 비정질실리콘층의 결정화속도 a)에 비해 빠른 것을 알 수 있으며, 게르마늄의 함량이 큰 c)의 경우 단결정화 속도가 큰 폭으로 증가하는 것을 알 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법에서 비정질 실리콘 게르마늄층의 단결정화에 필요한 온도가 비정질 실리콘층에 비하여 더 낮고, 게르마늄의 함량이 증가하면 단결정실리콘 게르마늄층에서의 정공(hole)과 전자의 이동도(mobility)가 단결정 실리콘에 비하여 큰 폭으로 증가하는 특징이 있다.
도 2a 내지 도 2d 는 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법을 도시한 단면도이다.
먼저, 반도체기판(11)에서 소자분리영역으로 예정되는 부분에 소자분리막(도시안됨)을 형성하고, 전체표면 상부에 게이트절연막(12)을 형성한다.
다음, 상기 게이트절연막(12) 상부에 게이트전극용 도전층(도시안됨)과 마스크절연막(도시안됨)의 적층구조를 형성하고, 게이트전극 마스크를 식각마스크로 상기 적층구조를 식각하여 게이트전극(14)과 마스크절연막 패턴(16)을 형성한다.
그 다음, 상기 게이트전극(14)과 마스크절연막패턴(16)의 측벽에 절연막 스페이서(18)를 형성한다. (도 2a 참조)
다음, 도시되어 있지는 않지만 상기 절연막 스페이서(18)의 양쪽 반도체기판(11)에 소오스/드레인영역(도시안됨)을 형성한다.
그 다음, 전체표면 상부에 비정질 실리콘 게르마늄층(20)을 스퍼터링법, 분자선 증착(molecular beam deposition)법 또는 화학기상증착(chemical vapor deposition)법 등을 이용하여 형성한다. 이때, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층(비정질 Si1-xGex)(20)은 0<x≤1의 게르마늄함량을 갖고, 400 ∼ 550℃의 온도범위에서 증착한다. 상기 비정질 실리콘 게르마늄층(20)의 게르마늄 함량 x를 0.5 이상으로 하여 추후 열처리공정을 거쳐 단결정상으로 상변환될 때 반도체기판(11)과의 계면에서 격자이완(misfit strain relaxation)이 조기에 일어날 수 있도록 한다. 만약, 게르마늄 함량이 적은 경우 열처리공정 시 일정 두께까지 계면에서 정합상태(pseudomorphic state)를 유지하면서 고상결정화가 일어나는 경우 결정화속도가 비정질 실리콘에 비해 느려질 가능성이 있다.
또한, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층(20) 형성공정 시 B2H6, PH3 또는 AsH3 도핑가스로 인시튜 도핑(in-situ doping)하여 상기 비정질 실리콘 게르마늄층 내부에 B, P 또는 As의 도판트(dopant)를 주입시킬 수도 있다. (도 2b 참조)
다음, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층(20)을 평탄화식각하여 상기 절연막 스페이서(18) 간에 매립되는 동시에 상기 반도체기판(11)에 접속되는 비정질 실리콘 게르마늄층 콘택플러그(21)를 형성한다. 이때, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층(20)은 상기 마스크절연막패턴(16)을 식각장벽으로 이용하여 전면식각공정 또는 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, 이하 CMP 라 함)공정으로 평탄화시킨 다. 상기 비정질 실리콘 게르마늄층 콘택플러그(21) 형성 후 이온주입공정을 실시하여 상기 비정질 실리콘 게르마늄층 콘택플러그 내부에 B, P 또는 As의 도판트(dopant)를 주입시킬 수도 있다. (도 2c 참조)
그 다음, 상기 구조를 열처리하여 상기 비정질 실리콘 게르마늄층 콘택플러그(21)를 단결정 실리콘 게르마늄층 콘택플러그(22)로 상변환시킨다. 이때, 상기 열처리공정은 550 ∼ 650℃의 온도범위에서 실시하는 퍼니스 어닐링(furnace annealing)공정 또는 800 ~ 1000oC의 온도범위에서 실시하는 급속열처리(rapid thermal annealing)공정으로 실시된다. 상기 열처리공정 시 상기 비정질 실리콘 게르마늄층 콘택플러그(21)는 상기 반도체기판(11)에 접속되어 있는 부분으로부터 단결정으로 상변환된다. (도 2d 참조)
한편, 도시되어 있지는 않지만 상기 비정질 실리콘 게르마늄층을 열처리하여 단결정 실리콘 게르마늄층으로 변환시킨 후 상기 단결정실리콘 게르마늄층을 평탄화시켜 상기 반도체기판에 접속되는 단결정실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 형성할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법은, 소정의 하부구조물이 구비되는 반도체기판 상부에 비정질 실리콘 게르마늄층을 형성하고, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층을 평탄화시켜 비정질 실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 형성한 후 열처리공정을 실시하여 상기 비정질 실리콘 게르마 늄층 콘택플러그를 단결정 실리콘 게르마늄층 콘택플러그로 상변환시킴으로써 전기전도도가 우수하고 콘택저항이 적은 콘택플러그를 형성할 수 있는 이점이 있다.
Claims (9)
- 반도체기판 상부에 게이트절연막을 형성하는 공정과,상기 게이트절연막 상부에 게이트전극 및 소오스/드레인영역으로 구성되는 모스전계효과 트랜지스터를 형성하는 공정과,전체표면 상부에 게르마늄의 함량(x)이 0<x≤1 인 비정질실리콘 게르마늄층(Si1-xGex)을 형성하는 공정과,상기 비정질실리콘 게르마늄층을 평탄화식각하여 비정질실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 형성하는 공정과,상기 구조를 열처리하여 상기 비정질실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 단결정실리콘 게르마늄층 콘택플러그로 상변환시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 비정질 실리콘 게르마늄층은 스퍼터링법, 분자선 증착법 또는 화학기상증착법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 평탄화식각공정은 전면식각공정이나 화학적 기계적 연마공정으로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 비정질실리콘 게르마늄층은 B2H6, PH3 또는 AsH3 도핑가스로 인시튜 도핑(in-situ doping)하여 상기 비정질 실리콘 게르마늄층 내부에 B, P 또는 As의 도판트(dopant)를 주입시킨 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 비정질실리콘 게르마늄층의 콘택플러그 형성 후 이온주입공정을 실시하여 상기 비정질 실리콘 게르마늄층 콘택플러그 내부에 B, P 또는 As의 도판트(dopant)를 주입시키는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 열처리공정은 550 ∼ 650℃의 온도범위에서 퍼니스 어닐링(furnace annealing)공정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 열처리공정은 800 ~ 1000oC의 온도범위에서 급속열처리공정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법.
- 반도체기판 상부에 게이트절연막을 형성하는 공정과,상기 게이트절연막 상부에 게이트전극 및 소오스/드레인영역으로 구성되는 모스전계효과 트랜지스터를 형성하는 공정과,전체표면 상부에 게르마늄의 함량(x)이 0<x≤1 인 비정질실리콘 게르마늄층(Si1-xGex)을 형성하는 공정과,상기 비정질실리콘 게르마늄층을 열처리하여 단결정실리콘 게르마늄층으로 상변환시키는 공정과,상기 단결정실리콘 게르마늄층을 평탄화시켜 상기 반도체기판에 접속되는 단결정실리콘 게르마늄층 콘택플러그를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법.
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