KR100760344B1 - Method for manufacturing semiconductor devices - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법이 적용된 일반적인 모스(metal oxide semiconductor: MOS) 필드 이펙트 트랜지스터(field-effect transistor: FET)의 요부를 나타낸 단면 구조도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a cross-sectional structural view showing the main parts of a general metal oxide semiconductor (MOS) field-effect transistor (FET) to which a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is applied.
도 2는 도 1의 게이트 산화막 내에서 발생한 결함을 나타낸 예시도.FIG. 2 is an exemplary view showing a defect occurring in the gate oxide film of FIG. 1. FIG.
도 3은 도 1의 실리콘 기판과 게이트 산화막의 계면에서 발생한 결함을 나타낸 예시도.3 is an exemplary view illustrating a defect generated at an interface between a silicon substrate and a gate oxide film of FIG. 1.
도 4는 종래의 수소 또는 중수소 열처리에 의해 주입된 이온의 농도 분포를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the concentration distribution of ions implanted by conventional hydrogen or deuterium heat treatment.
도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.5A to 5H are flowcharts showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
도 6a 내지 도 6i는 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.6A to 6I are process flowcharts illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a first embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명에 의해 실리콘 기판과 게이트 산화막의 계면에서의 수소 또는 중수소의 이온 분포를 나타낸 그래프.Fig. 7 is a graph showing the ion distribution of hydrogen or deuterium at the interface between the silicon substrate and the gate oxide film according to the present invention.
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 기판과 게이트 산화막 사이의 계면에서의 수소 또는 중수소의 이온 분포를 높이면서도 게이트 산화막 내의 수소 또는 중수소의 이온 분포를 낮춤으로써 게이트 산화막의 특성을 향상하도록 한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로, 모스(metal oxide semiconductor: MOS) 소자, 예를 들어 모스 커패시터, 모스 필드 이펙트 트랜지스터(field-effect transistor: FET) 등은 게이트 산화막이라고 하는 얇은 절연막을 포함하고 있다. 모스 소자의 전기적 특성 및 신뢰성을 결정하는 요인 중 하나인 게이트 산화막의 물질적 특성은 매우 중요하므로 이에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.In general, a metal oxide semiconductor (MOS) device, for example, a MOS capacitor, a field-effect transistor (FET), and the like includes a thin insulating film called a gate oxide film. Since the physical properties of the gate oxide, which is one of the factors that determine the electrical characteristics and reliability of the MOS device, are very important, many studies have been conducted.
도 1에 도시된 바와 같은 일반적인 모스 필드 이펙트 트랜지스터에서는 게이트 산화막(11) 아래 영역의 실리콘 기판(10)에, 게이트 전극(13)에 인가된 게이트 전압에 의해 반전 영역(inversion region), 즉 채널 영역이 유도됨으로써 상기 반전 영역을 통하여 소스/드레인 영역(S/D) 사이에 전류가 흐를 수가 있다. 상기 게이트 산화막(11)이 충분한 절연 특성을 갖지 못하면, 상기 반전 영역을 통하여 흐르는 전류의 일부가 상기 게이트 전극(13)으로도 흐름으로써 상기 소스/드레인 영역(S/D)을 흐르는 전류가 감소한다. 상기 게이트 산화막(11)이 충분한 절연 특성을 갖지 못하는 원인은 상기 게이트 산화막(11) 내에 결함들(defects)이 존재하기 때문이다. 현재, 상기 게이트 산화막(11)으로는 주로 비정질 실리콘 산화막이 사용되고 있다.In the typical MOS field effect transistor as shown in FIG. 1, an inversion region, that is, a channel region, is applied to the
상기 게이트 산화막(11) 내의 결함들은, 상기 게이트 산화막(11)이 장시간 동안 전기적 스트레스를 받을 경우 상기 게이트 산화막(11)의 화학적 결합의 파괴에 의해 일반적으로 발생한다. 이러한 결함들에 전자나 정공이 포획되면 상기 결함들은 음전하 또는 양전하의 특성을 띄게 되므로 상기 게이트 산화막(11)의 절연 특성이 악화된다. 상기 게이트 산화막(11)에서 발생할 수 있는 화학적 결합의 파괴는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 여러 종류가 있다.Defects in the
상기 게이트 산화막(11)이 예를 들어 SiO2 재질로 이루어진 경우, 상기 게이트 산화막(11)의 내부에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 미결합 산소(nonbridging oxygen), 베이컨시(vacancy), 수소 및 수소 결합 이온(H+ 또는 OH 래디컬) 등과 같은 주요 결함이 발생할 수 있다. 상기 비결합 산소는 중성 일렉트론 트랩 센터(neutral electron-trap center)로서 역할을 하고, 상기 베이컨시는 양성 전하 센터(positively charged center)로서 기능하고, 수소 및 수소 결합 이온(H+ 또는 OH 래디컬)은 상기 게이트 산화막 내에 확산하여 상기 게이트 산화막의 화학적 결합을 파괴하는 주요 원인으로 작용한다.When the
또한, 상기 실리콘 기판(10)과 게이트 산화막(11)의 계면에서는 도 3에 도시된 바와 같이 미결합 본드(bond)인 댕글링 본드(dangling bond)와 같은 결함이 발생할 수 있다. 결정체인 실리콘(Si)과 비결정체인 실리콘 산화막(SiO2) 사이의 격 자상수 차이로 인하여 화학적 결합을 하지 못한 실리콘 원자들이 존재하는데, 이는 계면 트랩으로서 작용한다.In addition, a defect such as a dangling bond, which is an unbonded bond, may occur at the interface between the
현재, 실리콘 기판과 실리콘 산화막 사이의 댕글링 본드(dangling bond) 밀도를 줄이기 위하여, 수소 등의 분위기에 의한 열처리를 통하여 수소 이온으로 패시베이션(passivation)하는 방법이 사용되고 있다. 상기 방법은 기본적인 반도체 제조공정으로서 사용되며, 소자의 제조 후 최종 단계에서 약 400~500℃의 온도 및 수소 및 질소 분위기 조건에서 열처리함으로써 계면 트랩을 수소 이온과 결합시켜 패시베이션한다.Currently, in order to reduce the dangling bond density between the silicon substrate and the silicon oxide film, a method of passivation with hydrogen ions through heat treatment with an atmosphere such as hydrogen is used. The method is used as a basic semiconductor manufacturing process, and the interface trap is combined with hydrogen ions by passivation at a temperature of about 400 to 500 ° C. and hydrogen and nitrogen atmosphere conditions in the final step after fabrication of the device.
그러나, 상기 방법에 의하면, 실리콘 산화막 전체에 걸쳐 수소 농도가 도 4에 도시된 바와 같이 분포한다. 앞서 언급하였듯이 Si/SiO2 계면에 존재하는 수소 이온이 댕글링 본드를 제거하기 위한 역할을 하지만, SiO2 막의 내부에 존재하는 수소 이온은 산소 트랩을 생성시키는 원인을 제공한다.However, according to this method, the hydrogen concentration is distributed as shown in FIG. 4 over the entire silicon oxide film. As mentioned above, the hydrogen ions present at the Si / SiO 2 interface serve to remove dangling bonds, but the hydrogen ions present inside the SiO 2 film provide a cause for generating oxygen traps.
이와 같은 수소 이온의 장, 단점을 보완하기 위해 수소 이온 대신에 중수소(deuterium) 이온을 SiO2 막 내에 주입하는 방법이 제안되었다. 상기 방법은 모스 소자를 대기압 또는 고압의 중수소 분위기에서 열처리함으로써 Si/SiO2 계면의 중수소 이온이 SiO2 막의 열화(degradation)를 효과적으로 억제할 수 있었으나, SiO2 막 내에도 다량으로 존재하는 중수소 이온은 여전히 SiO2 막을 열화시켰다.In order to make up for the disadvantages and disadvantages of the hydrogen ions, a method of injecting deuterium ions into the SiO 2 membrane instead of the hydrogen ions has been proposed. In this method, the deuterium ions at the Si / SiO 2 interface can effectively suppress the degradation of the SiO 2 film by heat-treating the MoS element in an atmospheric pressure or deuterium atmosphere, but the deuterium ions present in a large amount in the SiO 2 film Still degraded the SiO 2 film.
그러므로, 신뢰성이 우수한 모스 소자를 얻기 위하여, SiO2 막 내에 수소( 또는 중수소) 이온이 존재하지 않고 Si/SiO2 계면에 수소(및 중수소) 이온이 집중적으로 존재하는 화학적 구조가 이상적인 구조로 인식되고 있다. 따라서, 모스 소자의 게이트 산화막의 깊이에 따라 수소 또는 중수소 이온의 농도 차이를 구현할 수 있으면 모스 소자의 신뢰성을 향상시킬 수가 있다. 그러나, 이와 같은 시도는 현재의 반도체 제조 기본 공정에서 전혀 실시되지 않고 있는 실정이다.Therefore, in order to obtain a highly reliable Mohs device, a chemical structure in which no hydrogen (or deuterium) ions are present in the SiO 2 film but concentrated hydrogen (and deuterium) ions at the Si / SiO 2 interface is recognized as an ideal structure. have. Therefore, if the concentration difference of hydrogen or deuterium ions can be realized according to the depth of the gate oxide film of the MOS device, the reliability of the MOS device can be improved. However, this attempt is not carried out at all in the present semiconductor manufacturing basic process.
따라서, 본 발명의 목적은, 게이트 산화막의 내부에 수소 또는 중수소 이온의 농도 분포를 낮추면서도 실리콘 기판과 게이트 산화막의 계면에 수소 또는 중수소 이온의 농도 분포를 높임으로써 모스 소자의 전기적 특성 및 신뢰성을 향상하도록 하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to improve the electrical characteristics and reliability of the MOS device by increasing the concentration distribution of hydrogen or deuterium ions at the interface between the silicon substrate and the gate oxide film while reducing the concentration distribution of hydrogen or deuterium ions in the gate oxide film. To do that.
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이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법은, 실리콘 기판 상에 게이트 산화막을 형성하는 단계; 상기 게이트 산화막에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극을 가운데 두고 이격하도록 상기 실리콘 기판 내에 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극과 소오스/드레인 영역에 전기적으로 연결하는 배선 전극을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 산화막의 열화를 방지하기 위한 이온의 분포를 상기 게이트 산화막과 실리콘 기판의 계면에서 최대로 높이며 상기 게이트 산화막 내에서 상기 이온의 분포를 낮추도록 상기 게이트 산화막에 상기 이온을 이온주입하는 단계를 포함하고,
상기 이온으로서 수소 이온과 중수소 이온 중 어느 하나를 이온주입하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, forming a gate oxide film on a silicon substrate; Forming a gate electrode on the gate oxide film; Forming a source / drain region in the silicon substrate so as to be spaced apart from the gate electrode; Forming a wiring electrode electrically connected to the gate electrode and a source / drain region; And ion implanting the ions into the gate oxide film so as to maximize the distribution of ions to prevent deterioration of the gate oxide film at an interface between the gate oxide film and the silicon substrate and to lower the distribution of the ions in the gate oxide film. Including,
Ion implantation of any one of hydrogen ions and deuterium ions as the ions.
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바람직하게는, 상기 이온을 30~100KeV의 에너지와, 1E12~1E14/cm2의 이온조사량으로 이온주입할 수 있다.Preferably, the ion may be ion implanted at an energy of 30 to 100 KeV and an ion irradiation amount of 1E12 to 1E14 / cm 2 .
이하, 본 발명의 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 반도체 소자의 제조 방법이 일반적인 모스 필드 이펙트 트랜지스터의 요부를 나타낸 단면 구조도이고, 도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.1 is a cross-sectional structural view showing the main part of a general MOS field effect transistor of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, Figures 5a to 5h is a process flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. .
도 1을 참조하면, 모스 필드 이펙트 트랜지스터는 실리콘 기판(10)의 일부분 상에 게이트 산화막(11)이 배치되고, 게이트 산화막(11) 상에 게이트 전극(13)이 배치되고, 게이트 전극(13)의 측면에 산화막(15)을 개재하며 질화막 스페이서(17)가 배치되고, 실리콘 기판(10), 게이트 전극(13) 및 질화막 스페이서(17) 상에 층간 절연막(19)이 적층되고, 소스/드레인 영역(S/D) 및 게이트 전극(13)에 각각 전기적으로 연결하도록 층간 절연막(19)의 각 콘택홀(또는 비아홀)에 배선 전극(21)이 배치되고, 상기 게이트 전극(13)을 가운데 두고 이격하며 상기 실리콘 기판(10) 내에 소스/드레인 영역(S/D)이 배치된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 1, in the MOS field effect transistor, a
여기서, 상기 게이트 산화막(11)은 산화막, 예를 들어 SiO2 막 또는 HfO2 막으로 구성될 수 있으며, 제조하고자 하는 모스 필드 이펙트 트랜지스터의 동작 특성 등을 고려하여 적절한 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 게이트 전극(13)은 다결정실리콘막, 바람직하게는 고농도의 다결정실리콘막으로 구성될 수 있고, 또한 상기 게이트 전극(13)의 저항을 낮추기 위해 상기 다결정실리콘막 상에 저저항 금속층(미도시)이 추가로 구성될 수도 있다. 상기 층간 절연막(19)은 편의상 1층으로 구성된 것처럼 도시되어 있으나, 실제로는 여러 재질의 복수층으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 배선 전극(21)은 편의상 1층으로 구성된 것처럼 도시되어 있으나, 실제로는 상기 게이트 전극(13) 또는 소오스/드레인 영역(S/D)과 상기 배선 전극(21) 사이에 장벽 금속막이 개재될 수 있다.Here, the
한편, 도면에 도시하지 않았으나 모스 커패시터와 같은 모스 소자의 경우, 상기 게이트 전극과 같은 전극은 알루미늄(Al) 막 등과 같은 금속막이나 고농도의 다결정실리콘막으로 구성될 수 있다.Although not shown in the drawings, in the case of a MOS device such as a MOS capacitor, the electrode such as the gate electrode may be formed of a metal film such as an aluminum (Al) film or a polysilicon film of high concentration.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 도 5a 내지 도 5h를 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1의 부분과 동일 구성 및 동일 작용을 갖는 부분에는 동일 부호를 부여한다.Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 5A to 5H. The same code | symbol is attached | subjected to the part which has the same structure and the same effect | action as the part of FIG.
도 5a를 참조하면, 먼저, 기판, 예를 들어 실리콘 기판(10)의 전면 상에 게이트 산화막(11)을 성장시킨다. 이때, 상기 게이트 산화막(11)은 통상적인 열적 산화공정에 의해 SiO2 막 또는 HfO2 막으로 형성하여도 좋다. 상기 게이트 산화막(11)의 두께는 모스 필드 이펙트 트랜지스터의 동작 특성 등을 고려하여 적절하게 결정하는 것이 좋으며, 모스 필드 이펙트 트랜지스터의 경우 게이트 산화막을 약3~20㎚의 두께로 성장시키고, 모스 커패시터의 경우 게이트 산화막을 약 15~25㎚의 두께로 성장시키는 것이 좋다.Referring to FIG. 5A, first, a
도 5b를 참조하면, 이어서, 사진공정을 이용하여 상기 게이트 산화막(11) 상에 이온주입 마스크의 패턴, 예를 들어 상기 게이트 산화막(11)의 게이트 형성 영역 상에 창이 위치한 감광막 패턴(PR1)을 형성한다.Referring to FIG. 5B, a pattern of an ion implantation mask is formed on the
그런 다음, 상기 이온주입공정을 이용하여 상기 감광막 패턴(PR1)의 창 내의 노출된 게이트 산화막(11)에 수소 이온(H+) 또는 중수소 이온(D+)을 이온주입한다.Thereafter, hydrogen ions (H +) or deuterium ions (D +) are implanted into the exposed
이때, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(10)과 게이트 산화막(11)의 계면에서 이온주입 농도의 최대값이 나타날 수 있도록 이온주입 에너지는 저 에 너지, 예를 들어 30~100 KeV의 범위이고, 이온주입량은 1E12~4E14/㎠의 범위가 바람직하다.In this case, as shown in FIG. 7, the ion implantation energy is low energy, for example, 30 to 100 KeV so that the maximum value of the ion implantation concentration may appear at the interface between the
따라서, SiO2 막인 게이트 산화막(11) 내의 이온주입 깊이(x), 예를 들어 상기 실리콘 기판(10)과 게이트 산화막(11)의 계면에 해당하는 제3 깊이(x3)에서 이온주입 농도의 최대값이 나타나면, Si/SiO2 계면에 다량으로 존재하는 수소 이온(H+) 또는 중수소 이온(D+)이 댕글링 본드를 제거하기 위한 역할을 하므로 SiO2 막인 게이트 산화막(11)의 열화가 효과적으로 억제될 수 있다. 더욱이, 상기 게이트 산화막(11) 내의 제1, 2 깊이(x1, x2)에서 수소 이온(H+) 또는 중수소 이온(D+)이 적게 분포하므로 상기 게이트 산화막(11) 내에서의 겹함이 종래에 비하여 적게 생성되고 나아가 상기 게이트 산화막(11)의 열화도 효과적으로 억제될 수 있다.Therefore, the maximum ion implantation concentration (x) at the ion implantation depth x in the
한편, 상기 이온주입된 수소 이온(H+) 또는 중수소 이온(D+)의 활성화를 위해 후속의 열처리 공정을 불활성 분위기에서 진행하는 것이 바람직하다.Meanwhile, in order to activate the ion implanted hydrogen ions (H +) or deuterium ions (D +), it is preferable to perform a subsequent heat treatment process in an inert atmosphere.
도 5c를 참조하면, 이어서, 도 5b의 감광막 패턴(PR1)을 제거한 후 화학기상증착법 등을 이용하여 상기 게이트 산화막(11) 상에 게이트 전극(13)을 위한 도전막, 예를 들어 다결정실리콘막을 적층한다.Referring to FIG. 5C, after removing the photoresist pattern PR1 of FIG. 5B, a conductive film, for example, a polysilicon film, for the
이때, 상기 다결정 실리콘막을 고농도로 도핑하기 위해, 상기 다결정 실리콘막을 적층하는 동안에 상기 다결정 실리콘막을 원하는 도전형의 불순물로 도핑하거나, 상기 다결정 실리콘막을 적층 완료한 후 상기 다결정 실리콘막에 원하는 도전형의 불순물을 고농도로 이온주입할 수 있다.At this time, in order to dope the polycrystalline silicon film at a high concentration, during the lamination of the polycrystalline silicon film, the polycrystalline silicon film is doped with an impurity of a desired conductivity type, or after the lamination of the polycrystalline silicon film is completed, the impurity of a desired conductivity type is formed in the polycrystalline silicon film. Can be implanted at high concentrations.
더욱이, 상기 다결정실리콘막의 저항을 낮추기 위해 상기 다결정실리콘막 상에 저저항 금속막 즉 실리사이드막(미도시)을 추가로 형성하는 것도 가능하다.Further, in order to lower the resistance of the polysilicon film, it is also possible to further form a low resistance metal film, that is, a silicide film (not shown), on the polycrystalline silicon film.
이후, 상기 다결정실리콘막의 일부 영역, 예를 들어 게이트 전극 형성 영역 상에 게이트 전극 형성을 위한 식각 마스크 패턴, 예를 들어 감광막 패턴(PR2)을 형성한다.Thereafter, an etch mask pattern, for example, a photoresist pattern PR2, is formed on a portion of the polysilicon film, for example, a gate electrode formation region, to form a gate electrode.
그 다음에 상기 감광막 패턴(PR2) 외측의 게이트 전극(13)과 게이트 산화막(11)을 제거함으로써 상기 실리콘 기판(10)의 게이트 전극 형성 영역 상에 게이트 전극(13)과 게이트 산화막(11)의 패턴을 형성한다.Next, the
한편, 도면에 도시하지 않았으나 모스 커패시터와 같은 모스 소자의 경우, 상기 게이트 전극과 같은 전극은 알루미늄(Al) 막 등과 같은 금속막이나 고농도의 다결정실리콘막으로 구성될 수 있다.Although not shown in the drawings, in the case of a MOS device such as a MOS capacitor, the electrode such as the gate electrode may be formed of a metal film such as an aluminum (Al) film or a polysilicon film of high concentration.
도 5d를 참조하면, 이후, 이온주입공정을 이용하여 도 5c의 감광막 패턴(PR2)을 이온주입 마스크로서 사용하면서 상기 실리콘 기판(10)의 표면에 엘디디(LDD: lightly doped drain) 소오스/드레인 영역을 위한 불순물을 저농도로 이온주입한다. Referring to FIG. 5D, a lightly doped drain (LDD) source / drain is formed on the surface of the
여기서, 상기 실리콘 기판(10)이 제1 도전형, 예를 들어 p형이면, 상기 엘디디 소오스/드레인 영역은 예를 들어 제2 도전형인 n형의 불순물로 저농도로 이온주입하고, 반대로, 상기 실리콘 기판(10)이 제1 도전형, 예를 들어 n형이면, 상기 엘디디 소오스/드레인 영역은 예를 들어 제2 도전형인 p형의 불순물로 저농도로 이온주입한다.Here, when the
도 5e를 참조하면, 그런 다음, 도 5d의 감광막 패턴(PR2)을 제거하여 상기 게이트 전극(13)을 노출시킨다. 그런 다음, 화학 기상 증착법 등을 이용하여 상기 게이트 전극(13)의 상부면 및 측면뿐만 아니라 상기 실리콘 기판(10)의 표면 상에도 절연막, 예를 들어 실리콘 산화막(15)을 적층하고, 상기 실리콘 산화막(15) 상에 절연막, 예를 들어 실리콘 질화막(16)을 증착한다.Referring to FIG. 5E, the photoresist pattern PR2 of FIG. 5D is removed to expose the
도 5f를 참조하면, 그런 다음, 이방성 식각 특성을 갖는 에치백 공정 등을 이용하여 상기 실리콘 질화막(16)과 실리콘 산화막(15)을 식각함으로써 상기 게이트 전극(13)의 측면에만 실리콘 산화막(15)을 개재하며 상기 실리콘 질화막(16)을 남김으로써 질화막 스페이서(17)를 형성한다. 이때, 상기 게이트 전극(13)이나 실리콘 기판(10)의 상부면 상에 상기 실리콘 산화막(15) 및 실리콘 질화막(16)의 일부가 잔존하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 게이트 전극(13)이나 실리콘 기판(10)의 상부면 상에 상기 실리콘 산화막(15) 및 실리콘 질화막(16)의 일부가 잔존할 경우, 도 1의 게이트 전극(13)이나 소오스/드레인 영역(S/D)과 각각의 해당하는 배선 전극(21) 사이의 전기적 접촉저항이 높아지기 때문이다.Referring to FIG. 5F, the
도 5g를 참조하면, 그리고 나서, 이온주입공정을 이용하여 상기 게이트 전극(13), 실리콘 산화막(15) 및 질화막 스페이서(17)를 이온주입 마스크로 사용하면서 상기 실리콘 기판(10)에 고농도의 소오스/드레인 영역을 위한 불순물을 고농도로 이온주입한다.Referring to FIG. 5G, a source of high concentration on the
여기서, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 엘디디 소오스/드레인 영역이 n형 불순물로 이온주입되었으면, 상기 고농도의 소오스/드레인 영역을 n형 불순물로 고 농도로 이온주입하고, 반대로, 상기 엘디디 소오스/드레인 영역이 p형 불순물로 이온주입되었으면, 상기 고농도의 소오스/드레인 영역을 p형 불순물로 고농도로 이온주입한다.Here, as shown in FIG. 5D, if the LED source / drain region is ion-implanted with n-type impurity, the high concentration source / drain region is ion-implanted with n-type impurity at high concentration, and conversely, the LED If the source / drain regions are ion-implanted with p-type impurities, the high concentration source / drain regions are ion-implanted with p-type impurities.
이어서, 열처리공정을 이용하여 상기 이온주입 불순물을 활성화시킴으로써 최종적인 소오스/드레인 영역(S/D)을 형성한다.Subsequently, the source / drain regions S / D are formed by activating the ion implantation impurity using a heat treatment process.
도 5h를 참조하면, 이후, 화학기상증착법 등을 이용하여 상기 실리콘 기판(10), 게이트 전극(13) 및 질화막 스페이서(17) 상에 층간 절연막(19)을 적층한다. 여기서, 상기 층간 절연막(19)은 편의상 1층으로 구성된 것처럼 도시되어 있으나, 실제로는 상이한 재질의 여러 층이 적층된 복수층으로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 5H, an
이어서, 평탄화공정, 예를 들어 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing: CMP) 공정 등을 이용하여 상기 층간 절연막(19)을 평탄화시킨다.Next, the
그런 다음, 금속배선공정을 이용하여 상기 소스/드레인 영역(S/D) 및 게이트 전극(13)의 콘택 영역에 전기적으로 연결하기 위한 배선 전극(21)을 형성한다. 즉, 상기 층간 절연막(19)의 일부 영역에 예를 들어 상기 소스/드레인 영역(S/D) 및 게이트 전극(13)의 콘택 영역을 노출하기 위한 콘택홀(또는 비아홀)을 각각 형성하고, 상기 콘택홀(또는 비아홀)을 충전하도록 상기 콘택홀(또는 비아홀) 내에 및 상기 층간 절연막(19) 상에 금속막을 적층하고, 상기 층간 절연막(19) 상의 금속막을 각각의 배선 전극(21)의 패턴으로 형성한다. 또한, 상기 배선 전극(21)을 위한 금속막의 적층 전에 상기 게이트 전극(13) 또는 소오스/드레인 영역(S/D)과 상기 배선 전극(21) 사이에 장벽 금속막(미도시)을 추가로 적층하는 것도 가능하다. 또한, 상기 콘택홀(또는 비아홀) 내에만 존재하는 금속층의 플러그를 형성한 후 상기 플러그 상에 배선 전극을 형성하는 것도 가능하다. 따라서, 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조방법을 완료한다.Then, a
이하, 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 도 6a 내지 도 6i를 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6I.
도 6a 내지 도 6i는 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다. 도 5a 내지 도 5h의 부분과 동일 구성 및 동일 작용을 갖는 부분에는 동일 부호를 부여한다.6A to 6I are process flowcharts illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a second embodiment of the present invention. The same code | symbol is attached | subjected to the part which has the same structure and the same operation | movement as the part of FIGS. 5A-5H.
도 6a를 참조하면, 먼저, 기판, 예를 들어 실리콘 기판(10)의 전면 상에 게이트 산화막(11)을 성장시킨다. 이때, 상기 게이트 산화막(11)은 통상적인 열적 산화공정에 의해 SiO2 막 또는 HfO2 막으로 형성하여도 좋다. 상기 게이트 산화막(11)의 두께는 모스 필드 이펙트 트랜지스터의 동작 특성 등을 고려하여 적절하게 결정하는 것이 좋으며, 모스 필드 이펙트 트랜지스터의 경우 게이트 산화막을 약3~20㎚의 두께로 성장시키고, 모스 커패시터의 경우 게이트 산화막을 약 15~25㎚의 두께로 성장시키는 것이 좋다.Referring to FIG. 6A, first, a
도 6b를 참조하면, 이어서, 화학기상증착법 등을 이용하여 상기 게이트 산화막(11) 상에 게이트 전극(13)을 위한 도전막, 예를 들어 다결정실리콘막을 적층한다. 상기 다결정 실리콘막의 고농도 도핑을 위해, 상기 다결정 실리콘막을 적층하는 동안에 상기 다결정 실리콘막을 원하는 도전형의 불순물로 도핑하거나, 상기 다 결정 실리콘막을 적층 완료한 후 상기 다결정 실리콘막에 원하는 도전형의 불순물을 고농도로 이온주입할 수 있다.Referring to FIG. 6B, a conductive film for the
더욱이, 상기 다결정실리콘막의 저항을 낮추기 위해 상기 다결정실리콘막 상에 저저항 금속막 즉 실리사이드막(미도시)을 추가로 형성하는 것도 가능하다.Further, in order to lower the resistance of the polysilicon film, it is also possible to further form a low resistance metal film, that is, a silicide film (not shown), on the polycrystalline silicon film.
이후, 상기 다결정실리콘막의 일부 영역, 예를 들어 게이트 전극 형성 영역 상에 게이트 전극 형성을 위한 식각 마스크 패턴, 예를 들어 감광막 패턴(PR2)을 형성한다.Thereafter, an etch mask pattern, for example, a photoresist pattern PR2, is formed on a portion of the polysilicon film, for example, a gate electrode formation region, to form a gate electrode.
그 다음에 상기 감광막 패턴(PR2) 외측의 게이트 전극(13)과 게이트 산화막(11)을 제거함으로써 상기 실리콘 기판(10)의 게이트 전극 형성 영역 상에 게이트 전극(13)과 게이트 산화막(11)의 패턴을 형성한다.Next, the
한편, 도면에 도시하지 않았으나 모스 커패시터와 같은 모스 소자의 경우, 상기 게이트 전극과 같은 전극은 알루미늄(Al) 막 등과 같은 금속막이나 고농도의 다결정실리콘막으로 구성될 수 있다.Although not shown in the drawings, in the case of a MOS device such as a MOS capacitor, the electrode such as the gate electrode may be formed of a metal film such as an aluminum (Al) film or a polysilicon film of high concentration.
도 6c를 참조하면, 이후, 이온주입공정을 이용하여 도 6b의 감광막 패턴(PR2)을 이온주입 마스크로서 사용하면서 상기 실리콘 기판(10)에 엘디디 소오스/드레인 영역을 위한 불순물을 저농도로 이온주입한다. Referring to FIG. 6C, after the photoresist pattern PR2 of FIG. 6B is used as an ion implantation mask using an ion implantation process, impurities for an LED element / drain region are implanted at low concentration in the
여기서, 상기 실리콘 기판(10)이 제1 도전형, 예를 들어 p형이면, 상기 엘디디 소오스/드레인 영역은 예를 들어 제2 도전형인 n형의 불순물로 저농도로 이온주입하고, 반대로, 상기 실리콘 기판(10)이 제1 도전형, 예를 들어 n형이면, 상기 엘디디 소오스/드레인 영역은 예를 들어 제2 도전형인 p형의 불순물로 저농도로 이온 주입한다.Here, when the
도 6d를 참조하면, 그런 다음, 도 6c의 감광막 패턴(PR2)을 제거하여 상기 게이트 전극(13)을 노출시킨다. 그런 다음, 화학 기상 증착법 등을 이용하여 상기 게이트 전극(13)의 상부면 및 측면뿐만 아니라 상기 실리콘 기판(10)의 표면 상에도 절연막, 예를 들어 실리콘 산화막(15)을 적층하고, 상기 실리콘 산화막(15) 상에 절연막, 예를 들어 실리콘 질화막(16)을 증착한다.Referring to FIG. 6D, the
도 6e를 참조하면, 그런 다음, 이방성 식각 특성을 갖는 에치백 공정 등을 이용하여 상기 실리콘 질화막(16)과 실리콘 산화막(15)을 식각함으로써 상기 게이트 전극(13)의 측면에만 실리콘 산화막(15)을 개재하며 상기 실리콘 질화막(16)을 남김으로써 질화막 스페이서(17)를 형성한다. 이때, 상기 게이트 전극(13)이나 실리콘 기판(10)의 상부면 상에 상기 실리콘 산화막(15) 및 실리콘 질화막(16)의 일부가 잔존하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 게이트 전극(13)이나 실리콘 기판(10)의 상부면 상에 상기 실리콘 산화막(15) 및 실리콘 질화막(16)의 일부가 잔존할 경우, 도 1의 게이트 전극(13)이나 소오스/드레인 영역(S/D)과 각각의 해당하는 배선 전극(21) 사이의 전기적 접촉저항이 높아지기 때문이다.Referring to FIG. 6E, the
도 6f를 참조하면, 그리고 나서, 이온주입공정을 이용하여 상기 게이트 전극(13), 실리콘 산화막(15) 및 질화막 스페이서(17)를 이온주입 마스크로 사용하면서 상기 실리콘 기판(10)에 고농도의 소오스/드레인 영역을 위한 불순물을 고농도로 이온주입한다.Referring to FIG. 6F, a source of high concentration on the
여기서, 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 엘디디 소오스/드레인 영역이 n형 불순물로 이온주입되었으면, 상기 고농도의 소오스/드레인 영역을 n형 불순물로 고농도로 이온주입하고, 반대로, 상기 엘디디 소오스/드레인 영역이 p형 불순물로 이온주입되었으면, 상기 고농도의 소오스/드레인 영역을 p형 불순물로 고농도로 이온주입한다.6C, if the LED source / drain region is ion-implanted with n-type impurity, the source / drain region of high concentration is ion-implanted with n-type impurity, and conversely, the LED source is drained. If the / drain region is ion-implanted with p-type impurity, the high concentration source / drain region is ion-implanted with p-type impurity at high concentration.
이어서, 열처리공정을 이용하여 상기 이온주입 불순물을 활성화시킴으로써 최종적인 소오스/드레인 영역(S/D)을 형성한다.Subsequently, the source / drain regions S / D are formed by activating the ion implantation impurity using a heat treatment process.
도 6g를 참조하면, 이후, 화학기상증착법 등을 이용하여 상기 실리콘 기판(10), 게이트 전극(13) 및 질화막 스페이서(17) 상에 층간 절연막(19)을 적층한다. 여기서, 상기 층간 절연막(19)은 편의상 1층으로 구성된 것처럼 도시되어 있으나, 실제로는 상이한 재질의 여러 층이 적층된 복수층으로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 6G, an
이어서, 평탄화공정, 예를 들어 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing: CMP) 공정 등을 이용하여 상기 층간 절연막(19)을 평탄화시킨다.Next, the
그런 다음, 통상적인 금속배선공정을 이용하여 상기 소스/드레인 영역(S/D) 및 게이트 전극(13)의 콘택 영역에 전기적으로 연결하기 위한 배선 전극(21)을 형성한다. 즉, 상기 층간 절연막(19)의 일부 영역에 예를 들어 상기 소스/드레인 영역(S/D) 및 게이트 전극(13)의 콘택 영역을 노출하기 위한 콘택홀(또는 비아홀)을 각각 형성하고, 상기 콘택홀(또는 비아홀)을 충전하도록 상기 콘택홀(또는 비아홀) 내에 및 상기 층간 절연막(19) 상에 금속막을 적층하고, 상기 층간 절연막(19) 상의 금속막을 각각의 배선 전극(21)의 패턴으로 형성한다. 또한, 상기 배선 전극(21)을 위한 금속막의 적층 전에 상기 게이트 전극(13) 또는 소오스/드레인 영역 (S/D)과 상기 배선 전극(21) 사이에 장벽 금속막(미도시)을 추가로 적층하는 것도 가능하다. 또한, 상기 콘택홀(또는 비아홀) 내에만 존재하는 금속층의 플러그를 형성한 후 상기 플러그 상에 배선 전극을 형성하는 것도 가능하다.Then, a
도 6h를 참조하면, 이후, 사진공정을 이용하여 상기 층간 절연막(19)의 일부 영역 상에 이온주입 마스크의 패턴, 예를 들어 상기 게이트 산화막(11)의 게이트 형성 영역 상에 창이 위치한 감광막 패턴(PR3)을 형성한다.Referring to FIG. 6H, a pattern of an ion implantation mask is formed on a portion of the interlayer insulating
그런 다음, 상기 이온주입공정을 이용하여 상기 감광막 패턴(PR3)의 창 내에 위치한 게이트 산화막(11)에 수소 이온(H+) 또는 중수소 이온(D+)을 이온주입한다.Thereafter, hydrogen ions (H +) or deuterium ions (D +) are implanted into the
이때, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(10)과 게이트 산화막(11)의 계면에서 이온주입 농도의 최대값이 나타날 수 있도록 이온주입 에너지는 저 에너지, 예를 들어 30~100 KeV의 범위이고, 이온주입량은 1E12~4E14/㎠의 범위가 바람직하다.In this case, as shown in FIG. 7, the ion implantation energy is low energy, for example, 30 to 100 KeV so that the maximum value of the ion implantation concentration can be seen at the interface between the
따라서, SiO2 막인 게이트 산화막(11) 내의 이온주입 깊이, 예를 들어 상기 실리콘 기판(10)과 게이트 산화막(11)의 계면에 해당하는 제3 깊이(x3)에서 이온주입 농도의 최대값이 나타나면, Si/SiO2 계면에 다량으로 존재하는 수소 이온(H+) 또는 중수소 이온(D+)이 댕글링 본드를 제거하기 위한 역할을 하므로 SiO2 막인 게이트 산화막(11)의 열화가 효과적으로 억제될 수 있다. 더욱이, 상기 게이트 산화막(11) 내의 제1, 2 깊이(x1, x2)에서 수소 이온(H+) 또는 중수소 이온(D+)이 적게 분포하므로 상기 게이트 산화막(11) 내에서의 산소 트랩이 종래에 비하여 적게 생 성되고 나아가 상기 게이트 산화막(11)의 열화도 효과적으로 억제될 수 있다.Therefore, when the ion implantation depth in the
도 6i를 참조하면, 이후, 도 6h의 감광막 패턴(PR3)을 제거하고, 상기 이온주입된 수소 이온(H+) 또는 중수소 이온(D+)의 활성화를 위해 열처리 공정을 불활성 분위기에서 진행한다. 따라서, 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조방법을 완료한다.Referring to FIG. 6I, the photoresist pattern PR3 of FIG. 6H is removed, and a heat treatment process is performed in an inert atmosphere to activate the ion implanted hydrogen ions (H +) or deuterium ions (D +). Therefore, the manufacturing method of the semiconductor element by this invention is completed.
한편, 본 발명의 설명의 편의상 모스 필드 이펙트 트랜지스터를 기준으로 설명하였지만 모스 커패시터의 유전막에도 동일하게 적용될 수 있으며 설명의 편의상 설명의 중복을 피하기 위해 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.On the other hand, for convenience of description of the present invention has been described with respect to the MOS field effect transistor, but may be applied to the dielectric film of the MOS capacitor, the same, and for convenience of explanation, description thereof will be omitted.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조방법은 이온주입공정을 이용하여 게이트 산화막 내에 수소 또는 중수소 이온을 최소 분포하면서도 상기 게이트 산화막과 실리콘 기판의 계면에서 수소 또는 중수소 이온을 최대 분포시키므로 게이트 산화막의 열화를 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명은 모스 필드 이펙트 트랜지스터와 모스 커패시터와 같은 모스 소자의 게이트 산화막의 특성을 향상시키고, 나아가 모스 필드 이펙트 트랜지스터의 동작 특성을 향상시킬 수가 있다. 또한, 본 발명은 모스 필드 이펙트 트랜지스터의 신뢰성을 향상시킬 수가 있다. 즉, NBTI(negative-bias-temperature instability) 스트레스에서 피모스(P MOS) 필드 이펙트 트랜지스터의 수명이 증가한다. 핫 캐리어(hot carrier) 스트레스에서 피모스 필드 이펙트 트랜지스터와 엔모스(NMOS) 필드 이펙트 트랜지스터의 수명이 모두 증가한다. 게이트 산화막의 브레이크다운(breakdown) 수명도 증가한다.As described above, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention uses the ion implantation process to minimize the distribution of hydrogen or deuterium ions in the gate oxide film, while maximally distributing hydrogen or deuterium ions at the interface between the gate oxide film and the silicon substrate. Deterioration of the gate oxide film can be prevented. Therefore, the present invention can improve the characteristics of the gate oxide film of the MOS element such as the MOS field effect transistor and the MOS capacitor, and further improve the operation characteristics of the MOS field effect transistor. In addition, the present invention can improve the reliability of the MOS field effect transistor. In other words, the lifetime of PMOS field effect transistors increases under negative-bias-temperature instability (NBTI) stress. Hot carrier stress increases the lifetime of both PMOS field effect transistors and NMOS field effect transistors. The breakdown life of the gate oxide film also increases.
한편, 본 발명은 상기 언급된 바람직한 실시예들과 관련하여 설명하였지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.On the other hand, the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.
Claims (4)
Priority Applications (1)
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KR1020060027036A KR100760344B1 (en) | 2006-03-24 | 2006-03-24 | Method for manufacturing semiconductor devices |
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KR1020060027036A KR100760344B1 (en) | 2006-03-24 | 2006-03-24 | Method for manufacturing semiconductor devices |
Publications (1)
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Citations (2)
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JPH05102471A (en) * | 1991-10-03 | 1993-04-23 | Sharp Corp | Manufacture of semiconductor device |
JPH11274489A (en) | 1998-03-26 | 1999-10-08 | Toshiba Corp | Field-effect transistor and its manufacture |
-
2006
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Patent Citations (2)
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JPH05102471A (en) * | 1991-10-03 | 1993-04-23 | Sharp Corp | Manufacture of semiconductor device |
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