KR100961201B1 - Method for manufacturing transistor in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명의 반도체 소자의 트랜지스터 제조방법은, 반도체 기판 위에 게이트 절연막, 게이트 도전막, 확산배리어막, 금속막 및 게이트 하드마스크막을 형성하는 단계; 하드마스크막을 패터닝하여 하드마스크막 패턴을 형성하는 단계; 하드마스크막 패턴을 식각마스크로 한 식각 공정으로 금속막패턴, 확산배리어막패턴 및 게이트 도전막 패턴을 형성하는 단계; 및 게이트 도전막 패턴의 측벽에 선택적 산화 공정을 진행하여 식각 공정에서 유발된 손상을 보상하는 보상막을 형성하는 단계를 포함한다.A transistor manufacturing method of a semiconductor device of the present invention comprises the steps of forming a gate insulating film, a gate conductive film, a diffusion barrier film, a metal film and a gate hard mask film on a semiconductor substrate; Patterning the hard mask film to form a hard mask film pattern; Forming a metal layer pattern, a diffusion barrier layer pattern, and a gate conductive layer pattern by an etching process using the hard mask layer pattern as an etching mask; And performing a selective oxidation process on the sidewalls of the gate conductive layer pattern to form a compensation layer to compensate for the damage caused by the etching process.
선택적 산화 공정, 산소 가스, 증기 Selective oxidation process, oxygen gas, steam
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 소자의 트랜지스터 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a transistor manufacturing method of a semiconductor device.
반도체 소자의 집적도가 높아지면서 소자의 디자인 룰(design rule)은 급격하게 감소하고 있다. 이러한 디자인 룰의 감소에 따라 게이트 라인의 높이 및 선폭(CD; Critical Dimension) 또한 감소되고 있다. 이에 반하여 반도체 소자의 동작은 점점 빠른 속도를 요구하고 있기 때문에 신호를 전달하는 금속 라인의 저항은 작아져야 한다. 따라서 게이트 라인을 형성하는데 사용되던 금속막을 저항이 낮은 물질을 이용하여 배선의 저항을 감소시키고 있다. As the degree of integration of semiconductor devices increases, the design rules of the devices are rapidly decreasing. As the design rule decreases, the gate line height and line width (CD) are also reduced. On the contrary, since the operation of the semiconductor device requires an ever-increasing speed, the resistance of the metal line that transmits the signal must be small. Therefore, the resistance of the wiring is reduced by using a material having low resistance for the metal film used to form the gate line.
일반적으로 게이트 스택은 반도체 기판 상에 게이트 절연막, 게이트 도전막, 확산 배리어막, 금속막 및 하드마스크막이 적층된 구조로 이루어진다. 이 경우, 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 저항이 낮은 게이트 스택을 형성하기 위해 금속막으로 텅스텐(W)을 적용하고 있다. 게이트 스택은 상술한 게이트용 대상막들을 형성한 다음 식각 공정을 진행하여 형성하고 있다. 그런데 식각 공정으로 게이트 스택 을 형성하는 과정에서 게이트 스택, 예를 들어 게이트 절연막 또는 게이트 도전막 상에 손상이 발생할 수 있다. 이에 따라 식각 공정에서 발생된 손상을 보상하기 위한 후처리를 진행하고 있다. 그러나 손상을 보상하기위해 진행하는 후처리에서 금속막이 산화되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 금속막이 산화되는 것을 방지하기 위해 금속막을 보호하는 캡핑질화막(capping nitride)을 형성하거나 또는 플라즈마를 이용한 산화 공정을 진행하고 있다. 그러나 캡핑질화막을 형성하는 경우에는 단계가 추가되어 공정이 복잡해지고, 캡핑질화막에 기인한 스트레스 발생으로 게이트 스택이 일 방향으로 기울어지는 리닝(leaning) 현상을 유발할 수 있다. 또한, 플라즈마를 이용한 산화 공정의 경우에는 반응 장치가 복잡하고, 플라즈마 소스를 사용하므로 게이트 스택이 플라즈마에 의해 손상되는 문제가 추가로 발생할 수 있다. 아울러 플라즈마를 이용한 산화 공정은 싱글 챔버(single chamber)에서 진행하여 저온 진행이 어려워 안정적으로 게이트 스택을 형성하기 어려운 문제가 있다. In general, the gate stack has a structure in which a gate insulating film, a gate conductive film, a diffusion barrier film, a metal film, and a hard mask film are stacked on a semiconductor substrate. In this case, as the semiconductor devices are highly integrated, tungsten (W) is applied to the metal film to form a gate stack having low resistance. The gate stack is formed by forming the above-described gate target layers and then performing an etching process. However, in the process of forming the gate stack by the etching process, damage may occur on the gate stack, for example, the gate insulating layer or the gate conductive layer. As a result, post-treatment is being performed to compensate for the damage generated in the etching process. However, there may be a problem that the metal film is oxidized in the post-treatment proceeding to compensate for the damage. Accordingly, in order to prevent the metal film from being oxidized, a capping nitride that protects the metal film is formed or an oxidation process using plasma is performed. However, when the capping nitride layer is formed, a step is added, thereby complicating the process, and a stress caused by the capping nitride layer may cause a leaching phenomenon in which the gate stack is inclined in one direction. In addition, in the case of the oxidation process using plasma, the reaction apparatus is complicated, and the problem of the gate stack being damaged by the plasma may further occur because the plasma source is used. In addition, the oxidation process using plasma has a problem that it is difficult to form a gate stack stably because it is difficult to proceed at a low temperature because it proceeds in a single chamber.
본 발명에 따른 반도체 소자의 트랜지스터 제조방법은, 반도체 기판 위에 게이트 절연막, 게이트 도전막, 확산배리어막, 금속막 및 게이트 하드마스크막을 형성하는 단계; 상기 하드마스크막을 패터닝하여 하드마스크막 패턴을 형성하는 단계; 상기 하드마스크막 패턴을 식각마스크로 한 식각 공정으로 금속막패턴, 확산배리어막패턴 및 게이트 도전막 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 도전막 패턴의 측벽에 선택적 산화 공정을 진행하여 상기 식각 공정에서 유발된 손상을 보상하는 보상막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. A transistor manufacturing method of a semiconductor device according to the present invention comprises the steps of forming a gate insulating film, a gate conductive film, a diffusion barrier film, a metal film and a gate hard mask film on a semiconductor substrate; Patterning the hard mask layer to form a hard mask layer pattern; Forming a metal layer pattern, a diffusion barrier layer pattern, and a gate conductive layer pattern by an etching process using the hard mask layer pattern as an etching mask; And performing a selective oxidation process on the sidewalls of the gate conductive layer pattern to form a compensation layer to compensate for the damage caused by the etching process.
상기 확산배리어막은 티타늄(Ti)막, 티타늄나이트라이드(TiN)막 및 티탄실리콘나이트라이드(TiSiN)막으로 이루어진 그룹에서 선택하여 형성할 수 있다.The diffusion barrier film may be selected from a group consisting of a titanium (Ti) film, a titanium nitride (TiN) film, and a titanium silicon nitride (TiSiN) film.
상기 선택적 산화 공정을 진행하는 단계는, 상기 반도체 기판을 퍼니스에 로딩시키는 단계; 상기 퍼니스 내부를 수소(H2) 가스로 배기시키는 단계; 및 상기 배기된 퍼니스 내에 산소(O2) 가스를 공급하면서 100℃ 내지 1200℃의 온도에서 103 mmHg 내지 106 mmHg의 증기압력을 유지한다. 여기서 상기 퍼니스 내부를 수소(H2) 가스로 배기하면서 상기 퍼니스 내부의 산소(O2) 농도는 최대 10ppm로 조절하고, 상기 퍼니스는 배치 타입을 이용하는 것이 바람직하다.The selective oxidation process may include: loading the semiconductor substrate into a furnace; Exhausting the interior of the furnace with hydrogen (H 2 ) gas; And maintaining a vapor pressure of 10 3 mmHg to 10 6 mmHg at a temperature of 100 ° C. to 1200 ° C. while supplying oxygen (O 2 ) gas into the evacuated furnace. Here, the concentration of oxygen (O 2 ) in the furnace is controlled to a maximum of 10 ppm while exhausting the inside of the furnace with hydrogen (H 2 ) gas, and the furnace preferably uses a batch type.
상기 선택적 산화 공정을 진행하는 단계는, 상기 반도체 기판을 퍼니스에 로딩시키는 단계; 상기 퍼니스 내부를 수소(H2) 가스로 배기시키는 단계; 및 상기 배 기된 퍼니스 내에 가열 방식으로 형성된 증기(H2O)를 공급하면서 100℃ 내지 1200℃의 온도에서 103 mmHg 내지 106 mmHg의 증기압력을 유지한다. 여기서 상기 퍼니스 내부를 수소(H2) 가스로 배기하면서 상기 퍼니스 내부의 산소(O2) 농도는 최대 10ppm로 조절하며, 상기 퍼니스는 배치 타입을 이용하는 것이 바람직하다. The selective oxidation process may include: loading the semiconductor substrate into a furnace; Exhausting the interior of the furnace with hydrogen (H 2 ) gas; And maintaining a vapor pressure of 10 3 mmHg to 10 6 mmHg at a temperature of 100 ° C. to 1200 ° C. while supplying steam (H 2 O) formed by heating in the exhaust furnace. The concentration of oxygen (O 2 ) in the furnace is controlled to a maximum of 10 ppm while exhausting the inside of the furnace with hydrogen (H 2 ) gas, and the furnace is preferably using a batch type.
상기 증기는 탈이온수(DIW)를 탱크에 넣고 소정 온도로 가열하여 형성하는 것이 바람직하다. The steam is preferably formed by placing DI water in a tank and heating to a predetermined temperature.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 트랜지스터 제조방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다. 도 5는 온도 및 압력에 따른 상평형도를 개략적으로 나타내보인 도면이다. 그리도 도 6 및 도 7은 선택적 산화 공정 전, 후의물질 특성을 나타내보인 그래프들이다. 1 to 4 are views illustrating a method of manufacturing a transistor of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 5 is a view schematically showing a phase diagram according to temperature and pressure. 6 and 7 are graphs showing material characteristics before and after the selective oxidation process.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(100) 위에 게이트 절연막(105)을 형성한다. 반도체 기판(100)은 비록 도면에 도시하지는 않았지만, 소자분리막에 의해 활성영역 및 소자분리영역이 정의되어 있다. 그리고 게이트 절연막(105)은 산화 공정, 예를 들어 열 산화(Thermal oxidation) 방법을 이용하여 실리콘옥사이드(SiO2)막으로 형성한다. 다음에 게이트 절연막(105) 위에 게이트 도전막(110)을 형성한다. 게이트 도전막(110)은 도전성 물질, 예를 들어 폴리실리콘(poly silicon)막으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 1, a
도 2를 참조하면, 게이트 도전막(110) 위에 확산배리어막(115)을 형성한다. 확산배리어막(115)은 게이트 도전막(110)과 이후 형성될 금속막이 직접 접촉하는 경우 실리사이드반응이 발생하는 것을 방지한다. 게이트 도전막(110)과 금속막이 직접 접촉하게 되면, 두 막질 사이에 실리사이드 반응이 발생하면서 게이트 도전막(110)과 금속막 계면에 금속실리사이드막이 형성되고, 이로 인해 게이트 도전막(110)의 도펀트(dopant)가 손실되는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 확산배리어막(115)은 티타늄(Ti)막, 티타늄나이트라이드(TiN)막 및 티탄실리콘나이트라이드(TiSiN)막으로 이루어진 그룹에서 선택하여 형성할 수 있다. 다음에 확산배리어막(115) 위에 금속막(120)을 형성한다. 금속막(120)은 저항이 낮은 금속 물질, 예를 들어 텅스텐(W)막으로 형성할 수 있다. 소자의 집적도가 높아지는 반면, 반도체 소자의 동작은 점점 빠른 속도가 요구되고 있으므로 신호를 전달하는 금속 라인의 저항은 작아져야 한다. 따라서 금속막(120)은 저항이 낮은 물질을 이용하여 배선의 저항을 감소시키는 것이 바람직하다. 다음에 금속막(120) 위에 하드마스크막(125)을 형성한다. 하드마스크막(125)은 이후 게이트 스택을 형성하는 식각 공정에서 하부막이 식각되는 것을 방지하는 역할을 하며, 나이트라이드막으로 형성할 수 있다. 다음에 하드마스크막(125) 위에 게이트 스택 형성영역을 정의하는 레지스트막 패턴(130)을 형성한다.Referring to FIG. 2, a
도 3을 참조하면, 레지스트막 패턴(130, 도 2 참조)을 식각마스크로 하드마스크막(125, 도 2 참조)의 노출 부분을 식각하여 하드마스크막 패턴(135)을 형성한다. 계속해서 금속막(120), 확산배리어막(115) 및 게이트 도전막(110)의 노출 부분을 식각하여 금속막 패턴(140), 확산배리어막 패턴(145) 및 게이트 도전막 패턴(150)을 형성한다. 여기서 식각 공정은 게이트 절연막(105)이 노출될 때까지 진행한다. 다음에 레지스트막 패턴(130)을 제거한다. 이에 따라 반도체 기판(100)의 게이트 절연막(105) 위에 게이트 스택(160)이 형성된다. 게이트 스택(160)은 게이트 절연막(105) 위에 금속막 패턴(140), 확산배리어막 패턴(145), 게이트 도전막 패턴(150) 및 하드마스크막 패턴(135)의 구조로 이루어진다. Referring to FIG. 3, the exposed portion of the hard mask layer 125 (see FIG. 2) is etched using the resist layer pattern 130 (see FIG. 2) as an etch mask to form the hard
도 4를 참조하면, 게이트 도전막 패턴(150)의 측벽에 보상막(155)을 형성한다. 도 3의 식각 공정을 진행하여 하드마스크막 패턴(135), 금속막 패턴(140), 확산배리어막 패턴(145) 및 게이트 도전막 패턴(150)을 형성하는 과정에서 식각 소스에 의해 게이트 도전막 패턴(150) 측벽에 손상이 발생한다. 게이트 도전막 패턴(150) 측벽에 손상이 발생된 상태에서 후속 공정을 진행하면, 손상 부분을 통해 누설 전류가 발생하는 등의 반도체 소자의 특성이 저하될 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(100) 상에 선택적 산화(selective oxidation) 공정을 진행하여 게이트 도전막 패턴(150)의 손상된 측벽을 선택적으로 보상하는 보상막(155)을 형성한다. 여기서 보상막(155)은 산화막으로 형성한다. Referring to FIG. 4, a
선택적 산화 공정은 수소(H2) 가스 및 산소(O2) 가스를 이용하여 진행한다. 구체적으로, 반도체 기판(100)을 퍼니스(furnace)에 로딩시킨다. 퍼니스는 웨이퍼가 한 장씩 배치되는 싱글 타입(single type) 대신에 배치 타입(batch type)을 이용한다. 다음에 퍼니스 내에 수소(H2) 가스를 공급하여 퍼니스 내부를 배기(purge)시킨다. 이 경우 퍼니스 내부의 산소(O2) 농도는 10ppm이하로 조절하는 것이 바람직하다. 여기서 산소(O2) 농도는 FOUP(Front Opening Unified Pod), 로딩 영역(Loading area) 및 퍼니스 내부에서 모두 소정 농도 이하로 조절한다. 다음에 배기가 진행된 퍼니스 내에 산소(O2) 가스를 공급한다. 선택적 산화 공정은 배기된 퍼니스 내에 산소(O2) 가스를 공급하면서 100℃ 내지 1200℃의 온도에서 103 mmHg P내지 106 mmHg의 증기압력(vapor pressure ratio)을 유지하는 범위에서 진행한다. 이때, 바람직하게는 500℃ 내지 900℃의 온도에서 진행한다. 그러면 게이트 도전막 패턴(150)의 측벽에 보상막(155)이 선택적으로 형성된다. The selective oxidation process proceeds using hydrogen (H 2 ) gas and oxygen (O 2 ) gas. Specifically, the
게이트 도전막 패턴(150) 측벽에 보상막(155)을 형성하는 선택적 산화 공정의 다른 실시예로 산소(O2) 가스 대신에 증기(H2O)를 이용하여 진행할 수도 있다. 먼저 상술한 바와 같이, 반도체 기판(100)을 퍼니스에 로딩시키고, 퍼니스 내에 수소(H2) 가스를 공급하여 퍼니스 내부를 배기시킨다. 여기서 퍼니스 내부의 산소(O2) 농도는 10ppm 이하로 조절한다. 여기서 산소(O2) 농도는 FOUP(Front Opening Unified Pod), 로딩 영역(Loading area) 및 퍼니스 내부에서 모두 소정 농도 이하 로 조절한다. 다음에 배기가 진행된 퍼니스 내에 증기(H2O)를 공급하여 게이트 도전막 패턴(150)의 측벽에 보상막(155)을 형성한다. In another embodiment of the selective oxidation process in which the
증기는 외부 연소 장치(external torch)를 이용한 수소 및 산소의 연소 반응에 의해 증기를 발생시키는 방법 대신에, 탈이온수(DIW; De-Ionized Water)를 탱크에 넣어 일정 온도로 가열하는 방법으로 증기를 형성한다. 이 경우 퍼니스로 공급되는 증기의 온도를 감소시킬 수 있어 낮은 온도에서 산화 공정을 진행하여도 증기의 응결(condensation) 현상을 방지할 수 있다. 여기서 증기(H2O)를 이용한 선택적 산화 공정은 상기 배기된 퍼니스 내에 가열 방식으로 형성된 증기(H2O)를 공급하면서 100℃ 내지 1200℃의 온도에서 103 mmHg 내지 106 mmHg의 증기압력을 유지하면서 진행한다. 이때, 바람직하게는 500℃ 내지 900℃의 온도에서 진행한다. 텅스텐 및 티타늄나이트라이드와 실리콘의 온도 및 압력에 따른 산화 또는 축소(reduction)의 상평형도(phase diagram)를 나타내보인 도 6을 참조하면, 500℃ 내지 900℃의 온도와 103 mmHg 내지 106 mmHg의 증기압력 범위에서 텅스텐(W)이 산화되지 않으면서 실리콘(Si)만 선택적으로 산화하는 반응이 발생한다. 따라서 500℃ 내지 900℃의 온도와 103 mmHg 내지 106 mmHg의 증기압력 범위를 유지하면서 산소 가스 또는 증기를 공급하여 게이트 도전막 패턴(150)의 측벽에 선택적으로 보상막(155)을 형성한다. 이 경우 배치 타입의 퍼니스에서 선택적 산화 공정을 진행하면서 저온에서 진행함으로써 소자의 열부담(thermal budget)을 줄일 수 있다. Instead of generating steam by the combustion reaction of hydrogen and oxygen using an external torch, steam is added to a tank by heating de-ionized water (DIW) to a constant temperature. Form. In this case, the temperature of the steam supplied to the furnace can be reduced, so that condensation of the steam can be prevented even when the oxidation process is performed at a low temperature. Where the vapor (H 2 O) for using the selective oxidation step is steam (H 2 O) to 10 3 mmHg to 10 6 mmHg in the vapor pressure at a temperature of 100 ℃ to 1200 ℃ while feeding formed by heating method in the exhaust of the furnace Keep going. At this time, it is preferably performed at a temperature of 500 ℃ to 900 ℃. Referring to FIG. 6, which shows a phase diagram of oxidation or reduction depending on the temperature and pressure of tungsten and titanium nitride and silicon, a temperature of 500 ° C. to 900 ° C. and 10 3 mmHg to 10 6. In the vapor pressure range of mmHg, a reaction occurs that selectively oxidizes only silicon (Si) without oxidizing tungsten (W). Accordingly, the
도 6 및 도 7은 선택적 산화 공정 전, 후의물질 특성을 나타내보인 그래프들이다. 특히 도 6은 선택적 산화 공정을 진행하기 전, 후의 티타늄나이트라이드막을 표면분석기(XPS; X-ray Photoelectron Spectroscopy)를 이용하여 분석한 그래프이다. 선택적 산화 공정이 진행되기 전의 표면분석그래프를 나타내보인 도 6(a)와 선택적 산화 공정을 진행한 후의 표면분석그래프인 도 6(b)를 비교하면, 선택적 산화 공정을 진행하기 전에는 티타늄나이트라이드막 표면에서부터 산소(O2)가 측정되는 반면, 선택적 산화 공정을 진행한 후에는 산소(O2)가 스퍼터링을 한지 10분 전후에 측정된다. 이에 따라 선택적 산화 공정을 진행한 후에는 티타늄나이트라이드막 내 산화 침투가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 티타늄나이트라이드막의 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry) 분석을 나타내보인 도 7을 참조하면, 선택적 산화 공정을 진행하기 전보다 선택적 산화 공정을 진행한 후 티타늄나이트라이드막 내 산소 농도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 6 and 7 are graphs showing material properties before and after the selective oxidation process. In particular, FIG. 6 is a graph of a titanium nitride film which is analyzed before and after the selective oxidation process by using a surface analyzer (XPS; X-ray Photoelectron Spectroscopy). Comparing Fig. 6 (a) showing the surface analysis graph before the selective oxidation process with Fig. 6 (b) the surface analysis graph after the selective oxidation process, the titanium nitride film before the selective oxidation process is performed. While oxygen (O 2 ) is measured from the surface, after the selective oxidation process, oxygen (O 2 ) is measured 10 minutes before and after sputtering. Accordingly, it can be seen that after the selective oxidation process, oxidation penetration in the titanium nitride film is reduced. In addition, referring to FIG. 7, which shows a secondary ion mass spectrometry (SIMS) analysis of the titanium nitride film, it can be seen that the oxygen concentration in the titanium nitride film is lower after the selective oxidation process than before the selective oxidation process. .
게이트 도전막 패턴(150) 측벽에 보상막(155)을 형성하는 공정을 플라즈마 소스를 이용한 산화 공정으로 형성하는 대신에, 수소 가스와 산소 가스(H2/O2) 또는 수소 가스와 증기(H2/H2O)를 이용하여 진행하면, 플라즈마에 의해 게이트 전극이 손상되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 캡핑질화막으로 텅스텐금속막을 덮는 공정을 생략할 수 있어 공정 단계를 단순화시킬 수 있고, 캡핑막질화막과 텅스텐금속막간의 반응에 의해 계면막, 예를 들어 질화텅스텐(WNx)막이 형성되어 저항이 증가하는 것을 방지할 수 있다. 아울러 질화텅스텐(WNx)막이 형성되는 것을 근본적으로 차단함으로써 스트레스에 의한 게이트 스택의 리닝 현상을 방지할 수 있다. Instead of forming the
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 트랜지스터 제조방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다. 1 to 4 are views illustrating a method of manufacturing a transistor of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 5는 온도 및 압력에 따른 상평형도를 개략적으로 나타내보인 도면이다.5 is a view schematically showing a phase diagram according to temperature and pressure.
도 6 및 도 7은 선택적 산화 공정 전, 후의 물질 특성을 나타내보인 그래프들이다. 6 and 7 are graphs showing material properties before and after the selective oxidation process.
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