KR101024255B1 - Method for fabricating dual polysilicon gate - Google Patents

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Abstract

본 발명은 듀얼 폴리실리콘 게이트 형성시 N형 폴리실리콘과 P형 폴리실리콘의 식각율을 개선하여 NMOS와 PMOS의 게이트 패턴의 프로파일을 균일하게 개선할 수 있는 반도체 장치 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 NMOS와 PMOS가 구비된 기판을 제공하는 단계; 상기 NMOS 및 PMOS의 기판 상에 각각 N형 폴리실리콘막과 P형 폴리실리콘막을 형성하는 단계; 상기 N형 및 P형 폴리실리콘막 상에 게이트전극용 금속막과 게이트 하드마스크막을 적층하는 단계; 상기 게이트 하드마스크막 및 게이트전극용 금속막을 패터닝하여 상기 N형 및 P형 폴리실리콘막을 노출시키는 단계; 상기 노출된 P형 폴리실리콘막에 N형 불순물을 카운터 도핑하여 N형 폴리실리콘막으로 바꾸는 단계; 상기 게이트 하드마스크막을 식각장벽으로 N형 폴리실리콘막을 식각하는 단계를 포함하여, NMOS와 PMOS에 균일한 프로파일을 갖는 게이트 패턴을 형성하고, PMOS의 식각속도가 빨라짐에 따라 식각마진이 확보되며, 금속전극의 보잉(Bowing), 폴리실리콘막의 경사 프로파일 및 로딩(Loading) 등의 식각 프로파일 문제를 개선하여 식각 공정 마진이 개선된다.The present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can uniformly improve the profile of the gate pattern of the NMOS and PMOS by improving the etching rate of the N-type polysilicon and P-type polysilicon when forming the dual polysilicon gate, The present invention provides a method comprising: providing a substrate having an NMOS and a PMOS; Forming an N-type polysilicon film and a P-type polysilicon film on the NMOS and PMOS substrates, respectively; Stacking a gate electrode metal film and a gate hard mask film on the N-type and P-type polysilicon films; Patterning the gate hard mask layer and the gate electrode metal layer to expose the N-type and P-type polysilicon layers; Counter doping the exposed P-type polysilicon film with N-type impurities to form an N-type polysilicon film; Etching the N-type polysilicon layer using the gate hard mask layer as an etch barrier to form a gate pattern having a uniform profile in the NMOS and the PMOS, and as the etching rate of the PMOS increases, an etching margin is secured, and the metal Etching process margins are improved by improving etching profile problems such as bowing of electrodes, slanting profiles and loading of polysilicon films.

듀얼 폴리실리콘, 이온주입, 식각율  Dual polysilicon, ion implantation, etching rate

Description

듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법{METHOD FOR FABRICATING DUAL POLYSILICON GATE}Dual polysilicon gate manufacturing method {METHOD FOR FABRICATING DUAL POLYSILICON GATE}

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 듀얼 폴리실리콘 게이트의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing techniques, and more particularly to a method of manufacturing dual polysilicon gates.

현재 디램(DRAM) 공정에서 높은 스피드와 저파워(High Speed/Low Power) 제품 개발을 위해 듀얼 폴리실리콘 게이트(Dual Poly Gate)를 형성하는 공정이 사용되고 있다. Currently, a process of forming a dual poly gate is used in the DRAM process to develop high speed and high speed / low power products.

종래 싱글 폴리실리콘 게이트(Single Poly Gate) 공정에 비해 보론 이온주입(Boron Implant)을 통한 P형 폴리실리콘 공정이 추가되면서 이에 따른 게이트 구조를 형성하는 식각공정에 많은 이슈(Issue)가 발생하고 있다. As the P-type polysilicon process through boron ion implantation is added, compared to the conventional single poly gate process, many issues arise in the etching process for forming the gate structure.

대표적으로, 주변영역의 폴리실리콘 식각시 N형 폴리실리콘과 P형 폴리실리콘 간의 식각율(Etch Rate) 차이에 의해 불균일한 프로파일이 형성되는 문제점이 있다. Typically, there is a problem in that a non-uniform profile is formed by an etching rate difference between N-type polysilicon and P-type polysilicon during polysilicon etching of the peripheral region.

더욱이, P형 폴리실리콘 형성시 보론 침투 및 공핍(Boron Penetration, Boron Depletion) 등의 문제를 개선하기 위해 폴리실리콘과 상부 게이트전극 간에 배리어 메탈(Barrier Metal)을 적용하고, 게이트 패턴 형성을 위한 식각공정시 동시에 식각을 진행하는 경우 프로파일 조절(Profile Control)이 더욱 어려운 문제점이 있다. Furthermore, barrier metal is applied between polysilicon and the upper gate electrode to improve problems such as boron penetration and depletion when forming P-type polysilicon, and an etching process for forming a gate pattern is performed. In case of etching at the same time, profile control is more difficult.

도 1a 및 도 1b는 N형 폴리실리콘과 P형 폴리실리콘의 식각율을 비교하기 위한 TEM사진이다. 도 1a 및 도 1b는 동일한 조건 하에서 게이트 패턴을 식각할 때의 프로파일이다.1A and 1B are TEM photographs for comparing the etching rates of N-type polysilicon and P-type polysilicon. 1A and 1B are profiles when etching a gate pattern under the same conditions.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 텅스텐 전극을 식각한 후, 하부 배리어메탈 및 폴리실리콘막을 식각할 때 염소(Cl)가스를 포함하는 식각가스를 사용하면, N형 폴리실리콘의 식각율이 언도프드 폴리실리콘에 비해 10배 정도 빨라지는데 반해, P형 폴리실리콘의 식각율은 언도프드 폴리실리콘에 비해 1/2로 감소한다. As shown in FIGS. 1A and 1B, after etching a tungsten electrode and using an etching gas containing chlorine (Cl) gas to etch the lower barrier metal and the polysilicon film, the etch rate of the N-type polysilicon becomes While it is about 10 times faster than undoped polysilicon, the etch rate of P-type polysilicon is reduced by 1/2 compared to undoped polysilicon.

이는, 폴리실리콘에 도핑되는 인(P) 또는 비소(AS) 도펀트에 의해 폴리시릴콘의 페르미 레벨(Fermi-Level)이 높아져서 화학적으로 결합된 염소로의 전자 전이에 대한 에너지 장벽에 낮추게 되기 때문이다. This is because the Fermi-Level of polysilylcon is increased by the phosphorus (P) or arsenic (AS) dopant doped with polysilicon, which lowers the energy barrier to electron transition to chemically bound chlorine. .

이에 따라, N형 폴리실리콘은 수직 프로파일을 가지며 식각율이 높은 반면, P형 폴리실리콘은 베리어메탈 식각 후, 폴리실리콘막에서 식각이 정지되면서 텅스텐전극의 보잉(Bowing), 폴리실리콘의 경사 프로파일 및 로딩(Loading) 증가 등의 문제가 발생한다. Accordingly, the N-type polysilicon has a vertical profile and a high etching rate, whereas the P-type polysilicon stops etching in the polysilicon film after the barrier metal etching, and the bowing of the tungsten electrode, the inclined profile of the polysilicon, Problems such as increased loading occur.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 듀얼 폴리실리콘 게이트 형성시 N형 폴리실리콘과 P형 폴리실리콘의 식각율을 개선하여 NMOS와 PMOS의 게이트 패턴의 프로파일을 균일하게 개선할 수 있는 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above-described problems of the prior art, and improves the etch rate of N-type polysilicon and P-type polysilicon when forming dual polysilicon gates to uniformly improve the profile of gate patterns of NMOS and PMOS. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a dual polysilicon gate.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법은 NMOS와 PMOS가 구비된 기판을 제공하는 단계; 상기 NMOS 및 PMOS의 기판 상에 각각 N형 폴리실리콘막과 P형 폴리실리콘막을 형성하는 단계; 상기 N형 및 P형 폴리실리콘막 상에 게이트전극용 금속막과 게이트 하드마스크막을 적층하는 단계; 상기 게이트 하드마스크막 및 게이트전극용 금속막을 패터닝하여 상기 N형 및 P형 폴리실리콘막을 노출시키는 단계; 상기 노출된 P형 폴리실리콘막에 N형 불순물을 카운터 도핑하여 N형 폴리실리콘막으로 바꾸는 단계; 상기 게이트 하드마스크막을 식각장벽으로 N형 폴리실리콘막을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A dual polysilicon gate manufacturing method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of providing a substrate having an NMOS and PMOS; Forming an N-type polysilicon film and a P-type polysilicon film on the NMOS and PMOS substrates, respectively; Stacking a gate electrode metal film and a gate hard mask film on the N-type and P-type polysilicon films; Patterning the gate hard mask layer and the gate electrode metal layer to expose the N-type and P-type polysilicon layers; Counter doping the exposed P-type polysilicon film with N-type impurities to form an N-type polysilicon film; And etching the N-type polysilicon layer using the gate hard mask layer as an etch barrier.

특히, 상기 게이트전극용 금속막은 텅스텐을 포함하고, 상기 게이트 하드마스크막은 질화막을 포함하는 것을 특징으로 한다.In particular, the gate electrode metal film may include tungsten, and the gate hard mask film may include a nitride film.

또한, 상기 게이트 하드마스크막 및 게이트전극용 금속막을 패터닝하는 단계 및 상기 N형 폴리실리콘막을 식각하는 단계는, ECR, ICP 및 CCP로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 플라즈마 장비에서 진행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the patterning of the gate hard mask film and the metal film for the gate electrode and the etching of the N-type polysilicon film may be performed in any one plasma apparatus selected from the group consisting of ECR, ICP, and CCP. .

또한, 상기 N형 폴리실리콘막을 식각하는 단계는, 상기 N형 폴리실리콘막을 1차 부분식각하는 단계; 상기 N형 폴리실리콘막을 포함하는 전체구조의 단차를 따라 캡핑막을 형성하는 단계; 상기 게이트 하드마스크막을 식각장벽으로 상기 N형 폴리실리콘막의 나머지를 2차 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the etching of the N-type polysilicon film may include: firstly etching the N-type polysilicon film; Forming a capping film along a step of the entire structure including the N-type polysilicon film; And etching the remainder of the N-type polysilicon layer using the gate hard mask layer as an etch barrier.

또한, 상기 캡핑막을 질화막을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the capping film is characterized in that it comprises a nitride film.

또한, 상기 N형 폴리실리콘막을 식각하는 단계는, 염소를 포함하는 식각가스를 이용하여 진행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the etching of the N-type polysilicon film may be performed using an etching gas containing chlorine.

상술한 본 발명의 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법은 게이트 패턴 형성시 식각되는 P형 폴리실리콘막에 N형 불순물을 카운터 도핑하여 N형 폴리실리콘막으로 바꿈으로써 NMOS와 PMOS에 균일한 프로파일을 갖는 게이트 패턴을 형성한다. The above-described method for manufacturing a dual polysilicon gate according to the present invention has a gate pattern having a uniform profile in NMOS and PMOS by counter-doping N-type impurities into a P-type polysilicon film to be etched when the gate pattern is formed, thereby converting it into an N-type polysilicon film. To form.

또한, PMOS의 식각속도가 빨라짐에 따라 식각마진이 확보된다. In addition, as the etching speed of the PMOS increases, an etching margin is secured.

또한, 금속전극의 보잉(Bowing), 폴리실리콘막의 경사 프로파일 및 로딩(Loading) 등의 식각 프로파일 문제를 개선하여 식각 공정 마진이 개선된다.In addition, the etching process margins are improved by improving the etching profile problems such as bowing of the metal electrode, tilt profile and loading of the polysilicon film.

또한, 식각될 부분만 부분적으로 이온주입을 진행함에 따라 소자 특성에는 불필요한 영향을 주지 않으면서 식각율만 선택적으로 증가시킬 수 있다.In addition, as the ion implantation is partially performed only on the portion to be etched, only the etching rate may be selectively increased without unnecessary effects on device characteristics.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. .

((실시예 1))(Example 1)

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제1실시예에 따른 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a dual polysilicon gate according to a first embodiment of the present invention.

도 2a에 도시된 바와 같이, NMOS와 PMOS가 구비된 기판(11) 상에 게이트 절연막(12)을 형성한다. 기판(11)은 DRAM공정이 진행되는 반도체(실리콘) 기판이며, 게이트 절연막(12)은 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 게이트 절연막(12)은 열산화막 또는 플라즈마 산화막으로 형성할 수 있다. As shown in FIG. 2A, the gate insulating layer 12 is formed on the substrate 11 provided with the NMOS and the PMOS. The substrate 11 is a semiconductor (silicon) substrate on which the DRAM process proceeds, and the gate insulating film 12 is preferably formed of an oxide film. The gate insulating film 12 may be formed of a thermal oxide film or a plasma oxide film.

이어서, 게이트 절연막(12) 상에 NMOS에는 N형 폴리실리콘막(13A)를 형성하고, PMOS에는 P형 폴리실리콘막(13B)를 형성한다. 이러한, 듀얼 폴리실리콘막은 먼저, 기판(11) 전면에 N형 폴리실리콘막을 형성한 후, PMOS를 오픈시키는 마스크패턴을 형성하고, PMOS의 N형 폴리실리콘막에 선택적으로 P형 불순물을 카운터도핑함으로써 형성할 수 있다. 또는, 기판(11) 상에 언도프드 폴리실리콘막을 형성한 후, NMOS 또는 PMOS를 오픈시키는 각각의 마스크패턴을 형성하고 N형 또는 P형 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다. 이외에도 듀얼 폴리실리콘막을 형성하는 모든 방법으로 형성 가능하다.Subsequently, an N-type polysilicon film 13A is formed in the NMOS on the gate insulating film 12, and a P-type polysilicon film 13B is formed in the PMOS. The dual polysilicon film is formed by first forming an N-type polysilicon film on the entire surface of the substrate 11, then forming a mask pattern for opening the PMOS, and selectively doping P-type impurities into the N-type polysilicon film of the PMOS. Can be formed. Alternatively, after the undoped polysilicon film is formed on the substrate 11, each mask pattern for opening the NMOS or the PMOS may be formed and doped with N-type or P-type impurities. In addition, it can be formed by any method of forming a dual polysilicon film.

이어서, N형 및 P형 폴리실리콘막(13A, 13B) 상에 배리어 메탈(14), 게이트전극용 금속막(15) 및 게이트 하드마스크막(16)을 적층한다. 게이트 전극의 저항을 위해 게이트 전극용 금속막(15)은 텅스텐으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 게이트 하드마스크막(16)은 질화막으로 형성할 수 있다. Subsequently, a barrier metal 14, a gate electrode metal film 15, and a gate hard mask film 16 are laminated on the N-type and P-type polysilicon films 13A and 13B. For the resistance of the gate electrode, the gate electrode metal film 15 is preferably formed of tungsten. In addition, the gate hard mask film 16 may be formed of a nitride film.

이어서, 게이트 하드마스크막(16) 상에 하드마스크막(17)을 형성하고, 하드마스크막(17) 상에 감광막 패턴(18)을 형성한다. 하드마스크막(17)은 게이트 패턴 형성시 식각마진을 확보하기 위한 것으로, 카본계 물질로 형성하되, 비정질 카본으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 감광막 패턴(18)을 형성하기 전에 반사방지막을 형성할 수 있다. Subsequently, a hard mask film 17 is formed on the gate hard mask film 16, and a photosensitive film pattern 18 is formed on the hard mask film 17. The hard mask layer 17 is used to secure an etching margin when the gate pattern is formed. The hard mask layer 17 is formed of a carbon-based material, but preferably formed of amorphous carbon. In addition, an anti-reflection film may be formed before the photoresist pattern 18 is formed.

도 2b에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(18, 도 2a 참조)을 식각장벽으로 하드마스크막(17, 도 2a 참조)을 식각하고, 하드마스크막(17)을 식각장벽으로 게이트 하드마스크막(16, 도 2a 참조)을 식각한다. 게이트 하드마스크막(16)의 식각은 ECR, ICP 및 CCP로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 플라즈마 장비에서 진행할 수 있다. As illustrated in FIG. 2B, the hard mask film 17 (see FIG. 2A) is etched using the photoresist pattern 18 (see FIG. 2A) as an etch barrier, and the hard mask film 17 is etched by the gate hard mask film (see FIG. 2A). 16, see FIG. 2A). The etching of the gate hard mask layer 16 may be performed in any one plasma apparatus selected from the group consisting of ECR, ICP, and CCP.

이어서, 게이트 전극용 금속막(15, 도 2a 참조) 및 배리어 메탈(14, 도 2a 참조)를 식각하여 N형 및 P형 폴리실리콘막(13A, 13B)를 노출시킨다. Subsequently, the gate electrode metal film 15 (see FIG. 2A) and the barrier metal 14 (see FIG. 2A) are etched to expose the N-type and P-type polysilicon films 13A and 13B.

게이트 전극용 금속막(15) 및 배리어 메탈(14)의 식각은 게이트 하드마스크패턴(16A)의 식각과 동일 챔버에서 진행하되, ECR, ICP 및 CCP로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 플라즈마 장비에서 진행할 수 있다. The etching of the gate electrode metal film 15 and the barrier metal 14 may be performed in the same chamber as the etching of the gate hard mask pattern 16A, but may be performed in any one plasma apparatus selected from the group consisting of ECR, ICP, and CCP. Can be.

감광막 패턴(18) 및 하드마스크막(17)은 게이트 하드마스크막(16)를 식각한 후 제거하거나, 배리어 메탈(14)의 식각이 완료된 후 제거할 수 있다. 감광막 패턴(18)및 하드마스크막(17)은 건식식각으로 제거하되, 산소 스트립공정으로 제거하 는 것이 바람직하다. The photoresist pattern 18 and the hard mask layer 17 may be removed after the gate hard mask layer 16 is etched or removed after the etching of the barrier metal 14 is completed. The photoresist pattern 18 and the hard mask layer 17 may be removed by dry etching, but may be removed by an oxygen strip process.

이하, 식각된 게이트 하드마스크막(16)을 '게이트 하드마스크패턴(16A)'이라고 하고, 식각된 게이트 전극용 금속막(15)을 '금속전극(15A)'라고 하고, 배리어 메탈(14)을 '배리어 메탈패턴(14A)'이라고 한다. Hereinafter, the etched gate hard mask layer 16 is referred to as a 'gate hard mask pattern 16A', and the etched gate electrode metal layer 15 is referred to as a 'metal electrode 15A' and the barrier metal 14 is formed. This is called a "barrier metal pattern 14A".

도 2c에 도시된 바와 같이, 노출된 P형 폴리실리콘막(13B)에 N형 불순물을 카운터 도핑하여 N형 폴리실리콘막(13A)으로 바꾼다. 이때, 게이트 하드마스크패턴(16A)이 이온주입 배리어 역할을 하여 게이트 전극으로 사용되는 부분은 도핑되지 않으므로 P형 폴리실리콘막(13B) 그대로 잔류한다. As shown in Fig. 2C, the exposed P-type polysilicon film 13B is counter-doped with N-type impurities to be replaced with the N-type polysilicon film 13A. At this time, since the gate hard mask pattern 16A serves as an ion implantation barrier and the portion used as the gate electrode is not doped, the P-type polysilicon film 13B remains as it is.

N형 불순물은 인(P) 또는 비소(As)를 이용하는 것이 바람직하며, 기판(11) 전면에 도핑처리를 진행하나, 게이트 하드마스크패턴(16A)에 의해 실제 게이트 패턴으로 동작할 지역은 도핑되지 않으므로 소자특성에 영향을 미치지 않는다. 또한, 노출된 지역 중 PMOS의 P형 폴리실리콘막(13B)이 카운터 도핑되어 N형 폴리실리콘막(13A)으로 바뀌기 때문에 후속 폴리실리콘막 식각시 P형 폴리실리콘막(13B)과 대비하여 상대적으로 식각율 특성이 빨라진다.It is preferable to use phosphorus (P) or arsenic (As) as the N-type impurity, and the doping treatment is performed on the entire surface of the substrate 11, but the region to operate as the actual gate pattern is not doped by the gate hard mask pattern 16A. Therefore, it does not affect device characteristics. In addition, since the P-type polysilicon film 13B of the PMOS is counter-doped to be changed to the N-type polysilicon film 13A in the exposed area, it is relatively compared with the P-type polysilicon film 13B during subsequent polysilicon film etching. Etch rate characteristics are faster.

도 2d에 도시된 바와 같이, 게이트 하드마스크패턴(16A)을 식각장벽으로 노출된 N형 폴리실리콘막(13A)을 식각하여 게이트 패턴을 형성한다. N형 폴리실리콘막(13A)의 식각은 금속전극(15A), 배리어 메탈패턴(14A)의 식각 및 게이트 하드마스크패턴(16A)의 식각과 동일 챔버에서 진행하되, ECR, ICP 및 CCP로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 플라즈마 장비에서 진행할 수 있다. As illustrated in FIG. 2D, a gate pattern is formed by etching the N-type polysilicon film 13A having the gate hard mask pattern 16A exposed as an etch barrier. The etching of the N-type polysilicon film 13A is performed in the same chamber as the etching of the metal electrode 15A, the barrier metal pattern 14A, and the etching of the gate hard mask pattern 16A, but is a group consisting of ECR, ICP, and CCP. It may proceed in any one of the plasma equipment selected from.

N형 폴리실리콘막(13A)의 식각은 염소(Cl)를 포함하는 식각가스를 이용하여 진행하는 것이 바람직하다. The etching of the N-type polysilicon film 13A is preferably performed using an etching gas containing chlorine (Cl).

염소를 포함하는 식각가스를 이용하는 경우, N형과 P형 폴리실리콘막(13A, 13B)은 각각 식각율이 다른데, 도 2c에서 이온주입을 진행하여 식각될 부분을 모두 N형 폴리실리콘막(13A)으로 바꿈으로써, NMOS와 PMOS의 식각율을 동일하게 하여 균일한 속도로 식각을 진행할 수 있다. 따라서, 균일한 프로파일을 갖는 듀얼 폴리실리콘 게이트의 형성이 가능하다.In the case of using an etching gas containing chlorine, the N-type and P-type polysilicon films 13A and 13B have different etching rates, respectively, and the portions to be etched by ion implantation in FIG. 2C are all N-type polysilicon films 13A. ), The etching rate of the NMOS and the PMOS can be the same, and the etching can proceed at a uniform speed. Thus, it is possible to form dual polysilicon gates having a uniform profile.

또한, PMOS의 식각속도가 빨라짐에 따라 식각마진 또한 확보할 수 있다. 즉, N형 폴리실리콘막(13A)은 언도프드 폴리실리콘에 비해 10배 정도 빨라지는데 반해, P형 폴리실리콘막(13B)의 식각율은 언도프드 폴리실리콘에 비해 1/2로 감소하므로, P형 폴리실리콘막(13B)을 N형 폴리실리콘막(13A)으로 카운터 도핑하면, PMOS에서 폴리실리콘막의 식각율이 20배 정도 빨라지는 효과를 얻는다.In addition, as the etching speed of the PMOS increases, an etching margin may also be secured. That is, the N-type polysilicon film 13A is about 10 times faster than the undoped polysilicon, whereas the etch rate of the P-type polysilicon film 13B is reduced to 1/2 compared to the undoped polysilicon, so P By counter-doping the type polysilicon film 13B with the N-type polysilicon film 13A, the etching rate of the polysilicon film in the PMOS is increased by about 20 times.

또한, P형 폴리실리콘막(13B)의 식각속도가 느려서 발생하는 금속전극(15A)의 보잉(Bowing), 폴리실리콘막의 경사 프로파일 및 로딩(Loading) 등의 식각 프로파일 문제를 개선하여 식각 공정 마진을 개선할 수 있다.In addition, the etching process margin is improved by improving the etching profile problems such as bowing of the metal electrode 15A and the tilting profile and loading of the polysilicon film generated by the slow etching speed of the P-type polysilicon film 13B. It can be improved.

또한, 식각될 부분만 부분적으로 이온주입을 진행함에 따라 소자 특성에는 불필요한 영향을 주지 않으면서 식각율만 선택적으로 증가시킬 수 있다.In addition, as the ion implantation is partially performed only on the portion to be etched, only the etching rate may be selectively increased without unnecessary effects on device characteristics.

PMOS에서, 게이트 전극으로 사용되는 부분은 게이트 하드마스크패턴(16A)에 의해 도핑되지 않고 P형 폴리실리콘막(13B)이 그대로 잔류함으로써, P형 폴리실리콘전극(13D), 배리어 메탈패턴(14A), 금속전극(15A) 및 게이트 하드마스크패턴(16A)의 적층구조를 갖는 게이트 패턴이 형성된다.In the PMOS, the portion used as the gate electrode is not doped by the gate hard mask pattern 16A and the P-type polysilicon film 13B remains as it is, whereby the P-type polysilicon electrode 13D and the barrier metal pattern 14A. A gate pattern having a stacked structure of the metal electrode 15A and the gate hard mask pattern 16A is formed.

또한, NMOS는 N형 폴리실리콘전극(13C), 배리어 메탈패턴(14A), 금속전극(15A) 및 게이트 하드마스크패턴(16A)의 적층구조를 갖는 게이트 패턴이 형성된다.In the NMOS, a gate pattern having a stacked structure of an N-type polysilicon electrode 13C, a barrier metal pattern 14A, a metal electrode 15A, and a gate hard mask pattern 16A is formed.

((실시예 2))(Example 2)

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제2실시예에 따른 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a dual polysilicon gate according to a second embodiment of the present invention.

도 3a에 도시된 바와 같이, NMOS와 PMOS가 구비된 기판(21) 상에 게이트 절연막(22)을 형성한다. 기판(21)은 DRAM공정이 진행되는 반도체(실리콘) 기판이며, 게이트 절연막(22)은 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 게이트 절연막(22)은 열산화막 또는 플라즈마 산화막으로 형성할 수 있다. As shown in FIG. 3A, the gate insulating layer 22 is formed on the substrate 21 provided with the NMOS and the PMOS. The substrate 21 is a semiconductor (silicon) substrate on which the DRAM process proceeds, and the gate insulating film 22 is preferably formed of an oxide film. The gate insulating film 22 may be formed of a thermal oxide film or a plasma oxide film.

이어서, 게이트 절연막(22) 상에 NMOS에는 N형 폴리실리콘막(23A)를 형성하고, PMOS에는 P형 폴리실리콘막(23B)를 형성한다. 이러한, 듀얼 폴리실리콘막은 먼저, 기판(21) 전면에 N형 폴리실리콘막을 형성한 후, PMOS를 오픈시키는 마스크패턴을 형성하고, PMOS의 N형 폴리실리콘막에 선택적으로 P형 불순물을 카운터도핑함으로써 형성할 수 있다. 또는, 기판(21) 상에 언도프드 폴리실리콘막을 형성한 후, NMOS 또는 PMOS를 오픈시키는 각각의 마스크패턴을 형성하고 N형 또는 P형 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다. 이외에도 듀얼 폴리실리콘막을 형성하는 모든 방법으로 형성 가능하다.Subsequently, an N-type polysilicon film 23A is formed on the gate insulating film 22 in the NMOS, and a P-type polysilicon film 23B is formed in the PMOS. The dual polysilicon film first forms an N-type polysilicon film on the entire surface of the substrate 21, then forms a mask pattern for opening the PMOS, and selectively counter-dopes P-type impurities to the N-type polysilicon film of the PMOS. Can be formed. Alternatively, after the undoped polysilicon film is formed on the substrate 21, each mask pattern for opening the NMOS or the PMOS may be formed and doped with N-type or P-type impurities. In addition, it can be formed by any method of forming a dual polysilicon film.

이어서, N형 및 P형 폴리실리콘막(23A, 23B) 상에 배리어 메탈(24), 게이트전극용 금속막(25) 및 게이트 하드마스크막(26)을 적층한다. 게이트 전극의 저항을 위해 게이트 전극용 금속막(25)은 텅스텐으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 게이트 하드마스크막(26)은 질화막으로 형성할 수 있다. Subsequently, a barrier metal 24, a gate electrode metal film 25, and a gate hard mask film 26 are laminated on the N-type and P-type polysilicon films 23A and 23B. The gate electrode metal film 25 is preferably formed of tungsten for resistance of the gate electrode. In addition, the gate hard mask film 26 may be formed of a nitride film.

이어서, 게이트 하드마스크막(26) 상에 하드마스크막(27)을 형성하고, 하드마스크막(27) 상에 감광막 패턴(28)을 형성한다. 하드마스크막(27)은 게이트 패턴 형성시 식각마진을 확보하기 위한 것으로, 카본계 물질로 형성하되, 비정질 카본으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 감광막 패턴(28)을 형성하기 전에 반사방지막을 형성할 수 있다. Subsequently, a hard mask film 27 is formed on the gate hard mask film 26, and a photosensitive film pattern 28 is formed on the hard mask film 27. The hard mask layer 27 is used to secure an etching margin when forming the gate pattern. The hard mask layer 27 is formed of a carbon-based material, but preferably formed of amorphous carbon. In addition, an anti-reflection film may be formed before the photoresist pattern 28 is formed.

도 3b에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(28, 도 3a 참조)을 식각장벽으로 하드마스크막(27, 도 3a 참조)을 식각하고, 하드마스크막(27)을 식각장벽으로 게이트 하드마스크막(26, 도 3a 참조)을 식각한다. 게이트 하드마스크막(26)의 식각은 ECR, ICP 및 CCP로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 플라즈마 장비에서 진행할 수 있다. As shown in FIG. 3B, the hard mask layer 27 (see FIG. 3A) is etched using the photoresist pattern 28 (see FIG. 3A) as an etch barrier, and the hard mask layer 27 is etched by the gate hard mask layer as the etch barrier (see FIG. 3A). 26, see FIG. 3A). The etching of the gate hard mask layer 26 may be performed in any one plasma apparatus selected from the group consisting of ECR, ICP, and CCP.

이어서, 게이트 전극용 금속막(25, 도 3a 참조) 및 배리어 메탈(24, 도 3a 참조)를 식각하여 N형 및 P형 폴리실리콘막(23A, 23B)를 노출시킨다. Subsequently, the gate electrode metal film 25 (see FIG. 3A) and the barrier metal 24 (see FIG. 3A) are etched to expose the N-type and P-type polysilicon films 23A and 23B.

게이트 전극용 금속막(25) 및 배리어 메탈(24)의 식각은 게이트 하드마스크패턴(26A)의 식각과 동일 챔버에서 진행하되, ECR, ICP 및 CCP로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 플라즈마 장비에서 진행할 수 있다. The etching of the gate electrode metal layer 25 and the barrier metal 24 may be performed in the same chamber as the etching of the gate hard mask pattern 26A, but may be performed in any one plasma apparatus selected from the group consisting of ECR, ICP, and CCP. Can be.

감광막 패턴(28) 및 하드마스크막(27)은 게이트 하드마스크막(26)를 식각한 후 제거하거나, 배리어 메탈(24)의 식각이 완료된 후 제거할 수 있다. 감광막 패턴(28)및 하드마스크막(27)은 건식식각으로 제거하되, 산소 스트립공정으로 제거하 는 것이 바람직하다. The photoresist pattern 28 and the hard mask layer 27 may be removed after the gate hard mask layer 26 is etched or removed after the etching of the barrier metal 24 is completed. The photoresist pattern 28 and the hard mask layer 27 may be removed by dry etching, but may be removed by an oxygen strip process.

이하, 식각된 게이트 하드마스크막(26)을 '게이트 하드마스크패턴(26A)'이라고 하고, 식각된 게이트 전극용 금속막(25)을 '금속전극(25A)'라고 하고, 배리어 메탈(24)을 '배리어 메탈패턴(24A)'이라고 한다. Hereinafter, the etched gate hard mask layer 26 is referred to as a 'gate hard mask pattern 26A', and the etched gate electrode metal layer 25 is referred to as a 'metal electrode 25A' and the barrier metal 24 is used. This is called a "barrier metal pattern 24A".

도 3c에 도시된 바와 같이, 노출된 P형 폴리실리콘막(23B)에 N형 불순물을 카운터 도핑하여 N형 폴리실리콘막(23A)으로 바꾼다. 이때, 게이트 하드마스크패턴(26A)이 이온주입 배리어 역할을 하여 게이트 전극으로 사용되는 부분은 도핑되지 않으므로 P형 폴리실리콘막(23B) 그대로 잔류한다. As shown in Fig. 3C, the exposed P-type polysilicon film 23B is counter-doped with N-type impurities to be replaced with the N-type polysilicon film 23A. At this time, since the gate hard mask pattern 26A serves as an ion implantation barrier and the portion used as the gate electrode is not doped, the P-type polysilicon film 23B remains as it is.

N형 불순물은 인(P) 또는 비소(As)를 이용하는 것이 바람직하며, 기판(21) 전면에 도핑처리를 진행하나, 게이트 하드마스크패턴(26A)에 의해 실제 게이트 패턴으로 동작할 지역은 도핑되지 않으므로 소자특성에 영향을 미치지 않는다. 또한, 노출된 지역 중 PMOS의 P형 폴리실리콘막(23B)이 카운터 도핑되어 N형 폴리실리콘막(23A)으로 바뀌기 때문에 후속 폴리실리콘막 식각시 P형 폴리실리콘막(23B)과 대비하여 상대적으로 식각율 특성이 빨라진다.It is preferable to use phosphorus (P) or arsenic (As) as the N-type impurity, and the doping treatment is performed on the entire surface of the substrate 21. However, the region to operate as the actual gate pattern is not doped by the gate hard mask pattern 26A. Therefore, it does not affect device characteristics. In addition, since the P-type polysilicon film 23B of the PMOS is counter-doped to be converted to the N-type polysilicon film 23A among the exposed areas, it is relatively compared with the P-type polysilicon film 23B during subsequent polysilicon film etching. Etch rate characteristics are faster.

도 3d에 도시된 바와 같이, 게이트 하드마스크패턴(26A)을 식각장벽으로 노출된 N형 폴리실리콘막(23A)을 1차 부분식각한다.As shown in FIG. 3D, the N-type polysilicon film 23A having the gate hard mask pattern 26A exposed as an etch barrier is partially etched.

이어서, N형 폴리실리콘막(23A)을 포함하는 전체구조의 단차를 따라 캡핑막(29)을 형성한다. 캡핑막(29)은 후속 게이트 재산화 등의 고온 열공정에 의한 금속전극(25A)의 이상산화를 방지하기 위한 것으로, 질화막으로 형성하는 것이 바람직하다.Subsequently, the capping film 29 is formed along the step of the entire structure including the N-type polysilicon film 23A. The capping film 29 is for preventing abnormal oxidation of the metal electrode 25A by a high temperature thermal process such as subsequent gate reoxidation, and is preferably formed of a nitride film.

NMOS와 PMOS 모두 N형 폴리실리콘막(23A)을 식각하므로 식각속도가 동일하여 균일한 프로파일로 1차 부분식각을 진행할 수 있다.Since both NMOS and PMOS etch the N-type polysilicon film 23A, the etching speed is the same, so that the first partial etching may be performed with a uniform profile.

도 3e에 도시된 바와 같이, 게이트 하드마스크패턴(26A)을 식각장벽으로 N형 폴리실리콘막(23A)의 나머지를 2차 식각하여 게이트 패턴을 형성한다. 이때, N형 폴리실리콘막(23A) 상에 형성된 캡핑막(29A)이 함께 식각되어 게이트 패턴을 감싸는 형태로 잔류한다. As shown in FIG. 3E, the gate hard mask pattern 26A is etched to form a gate pattern by second etching the remainder of the N-type polysilicon film 23A. At this time, the capping layer 29A formed on the N-type polysilicon layer 23A is etched together and remains in a form surrounding the gate pattern.

N형 폴리실리콘막(23A)의 1차 및 2차 식각은 금속전극(25A), 배리어 메탈패턴(24A)의 식각 및 게이트 하드마스크패턴(26A)의 식각과 동일 챔버에서 진행하되, ECR, ICP 및 CCP로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 플라즈마 장비에서 진행할 수 있다. The primary and secondary etching of the N-type polysilicon film 23A is performed in the same chamber as the etching of the metal electrode 25A, the barrier metal pattern 24A and the etching of the gate hard mask pattern 26A, but the ECR and ICP And it can proceed in any one of the plasma equipment selected from the group consisting of CCP.

또한, N형 폴리실리콘막(23A)의 1차 및 2차 식각은 염소(Cl)를 포함하는 식각가스를 이용하여 진행하는 것이 바람직하다. In addition, the primary and secondary etching of the N-type polysilicon film 23A is preferably performed using an etching gas containing chlorine (Cl).

염소를 포함하는 식각가스를 이용하는 경우, N형과 P형 폴리실리콘막(23A, 23B)은 각각 식각율이 다른데, 도 3c에서 이온주입을 진행하여 식각될 부분을 모두 N형 폴리실리콘막(23A)으로 바꿈으로써, NMOS와 PMOS의 식각율을 동일하게 하여 균일한 속도로 식각을 진행할 수 있다. 따라서, 균일한 프로파일을 갖는 듀얼 폴리실리콘 게이트의 형성이 가능하다.In the case of using an etching gas containing chlorine, the N-type and P-type polysilicon films 23A and 23B have different etching rates, respectively, and the portions to be etched by ion implantation in FIG. 3C are all N-type polysilicon films 23A. ), The etching rate of the NMOS and the PMOS can be the same, and the etching can proceed at a uniform speed. Thus, it is possible to form dual polysilicon gates having a uniform profile.

또한, PMOS의 식각속도가 빨라짐에 따라 식각마진 또한 확보할 수 있다. 즉, N형 폴리실리콘막(23A)은 언도프드 폴리실리콘에 비해 10배 정도 빨라지는데 반해, P형 폴리실리콘막(23B)의 식각율은 언도프드 폴리실리콘에 비해 1/2로 감소하므로, P형 폴리실리콘막(23B)을 N형 폴리실리콘막(23A)으로 카운터 도핑하면, PMOS에서 폴리실리콘막의 식각율이 20배 정도 빨라지는 효과를 얻는다.In addition, as the etching speed of the PMOS increases, an etching margin may also be secured. That is, the N-type polysilicon film 23A is about 10 times faster than the undoped polysilicon, whereas the etch rate of the P-type polysilicon film 23B is reduced to 1/2 compared to the undoped polysilicon, so P By counter-doping the type polysilicon film 23B with the N-type polysilicon film 23A, the etching rate of the polysilicon film is increased by about 20 times in the PMOS.

또한, P형 폴리실리콘막(23B)의 식각속도가 느려서 발생하는 금속전극(25A)의 보잉(Bowing), 폴리실리콘막의 경사 프로파일 및 로딩(Loading) 등의 식각 프로파일 문제를 개선하여 식각 공정 마진을 개선할 수 있다.In addition, the etching process margin is improved by improving the etching profile problems such as bowing of the metal electrode 25A and the tilting profile and loading of the polysilicon film caused by the slow etching speed of the P-type polysilicon film 23B. It can be improved.

또한, 식각될 부분만 부분적으로 이온주입을 진행함에 따라 소자 특성에는 불필요한 영향을 주지 않으면서 식각율만 선택적으로 증가시킬 수 있다.In addition, as the ion implantation is partially performed only on the portion to be etched, only the etching rate may be selectively increased without unnecessary effects on device characteristics.

PMOS에서, 게이트 전극으로 사용되는 부분은 게이트 하드마스크패턴(26A)에 의해 도핑되지 않고 P형 폴리실리콘막(23B)이 그대로 잔류함으로써, P형 폴리실리콘전극(23D), 배리어 메탈패턴(24A), 금속전극(25A) 및 게이트 하드마스크패턴(26A)의 적층구조를 갖는 게이트 패턴이 형성된다.In the PMOS, the portion used as the gate electrode is not doped by the gate hard mask pattern 26A and the P-type polysilicon film 23B remains as it is, whereby the P-type polysilicon electrode 23D and the barrier metal pattern 24A. A gate pattern having a stacked structure of the metal electrode 25A and the gate hard mask pattern 26A is formed.

또한, NMOS는 N형 폴리실리콘전극(23C), 배리어 메탈패턴(24A), 금속전극(25A) 및 게이트 하드마스크패턴(26A)의 적층구조를 갖는 게이트 패턴이 형성된다.In the NMOS, a gate pattern having a stacked structure of an N-type polysilicon electrode 23C, a barrier metal pattern 24A, a metal electrode 25A, and a gate hard mask pattern 26A is formed.

더욱이, 금속전극(25A)을 캡핑막이 감싸고 있기 때문에 후속 게이트 재산화 등의 고온 열공정시 금속전극(25A)의 이상산화를 방지할 수 있다.Furthermore, since the capping film surrounds the metal electrode 25A, abnormal oxidation of the metal electrode 25A can be prevented during a high temperature thermal process such as subsequent gate reoxidation.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

도 1a 및 도 1b는 N형 폴리실리콘과 P형 폴리실리콘의 식각율을 비교하기 위한 TEM사진,1A and 1B are TEM photographs for comparing the etch rate of N-type polysilicon and P-type polysilicon,

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제1실시예에 따른 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도,2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a dual polysilicon gate according to a first embodiment of the present invention;

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제2실시예에 따른 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a dual polysilicon gate according to a second embodiment of the present invention.

* 도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

11 : 기판 12 : 게이트 절연막11 substrate 12 gate insulating film

13A : N형 폴리실리콘막 13B : P형 폴리실리콘막13A: N-type polysilicon film 13B: P-type polysilicon film

14 : 배리어 메탈 15 : 게이트 전극용 금속막14 barrier metal 15 metal film for gate electrode

16 : 게이트 하드마스크막 17 : 하드마스크막16: gate hard mask film 17: hard mask film

18 : 감광막 패턴18: photosensitive film pattern

Claims (6)

NMOS와 PMOS가 구비된 기판을 제공하는 단계;Providing a substrate having an NMOS and a PMOS; 상기 NMOS 및 PMOS의 기판 상에 각각 N형 폴리실리콘막과 P형 폴리실리콘막을 형성하는 단계;Forming an N-type polysilicon film and a P-type polysilicon film on the NMOS and PMOS substrates, respectively; 상기 N형 및 P형 폴리실리콘막 상에 게이트 전극용 금속막과 게이트 하드마스크막을 적층하는 단계;Stacking a gate electrode metal film and a gate hard mask film on the N-type and P-type polysilicon films; 상기 게이트 하드마스크막 및 게이트 전극용 금속막을 패터닝하여 상기 N형 및 P형 폴리실리콘막을 노출시키는 단계;Patterning the gate hard mask layer and the gate electrode metal layer to expose the N-type and P-type polysilicon layers; 상기 노출된 P형 폴리실리콘막에 N형 불순물을 카운터 도핑하여 N형 폴리실리콘막으로 바꾸는 단계; 및Counter doping the exposed P-type polysilicon film with N-type impurities to form an N-type polysilicon film; And 상기 게이트 하드마스크막을 식각장벽으로 N형 폴리실리콘막을 식각하는 단계Etching the N-type polysilicon layer using the gate hard mask layer as an etch barrier 를 포함하는 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법.Dual polysilicon gate manufacturing method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 게이트 전극용 금속막은 텅스텐을 포함하고, 상기 게이트 하드마스크막은 질화막을 포함하는 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법.The gate electrode metal film may include tungsten, and the gate hard mask layer may include a nitride film. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 게이트 하드마스크막 및 게이트 전극용 금속막을 패터닝하는 단계와 상기 N형 폴리실리콘막을 식각하는 단계는,Patterning the gate hard mask layer and the metal layer for the gate electrode and etching the N-type polysilicon layer include: ECR, ICP 및 CCP로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 플라즈마 장비에서 진행하는 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법.A method of manufacturing dual polysilicon gates in any one of the plasma equipment selected from the group consisting of ECR, ICP and CCP. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 N형 폴리실리콘막을 식각하는 단계는, Etching the N-type polysilicon film, 상기 N형 폴리실리콘막을 1차 부분식각하는 단계; Primary etching the N-type polysilicon film; 상기 N형 폴리실리콘막을 포함하는 전체구조의 단차를 따라 캡핑막을 형성하는 단계;Forming a capping film along a step of the entire structure including the N-type polysilicon film; 상기 게이트 하드마스크막을 식각장벽으로 상기 N형 폴리실리콘막의 나머지를 2차 식각하는 단계Second etching the remaining portion of the N-type polysilicon layer using the gate hard mask layer as an etch barrier 를 포함하는 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법.Dual polysilicon gate manufacturing method comprising a. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 캡핑막을 질화막을 포함하는 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법.Dual polysilicon gate manufacturing method including the capping film nitride film. 제1항 또는 제4항에 있어서,The method according to claim 1 or 4, 상기 N형 폴리실리콘막을 식각하는 단계는,Etching the N-type polysilicon film, 염소를 포함하는 식각가스를 이용하여 진행하는 듀얼 폴리실리콘 게이트 제조 방법.A method of manufacturing dual polysilicon gates using an etching gas containing chlorine.
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