KR101085910B1 - Method for manufacturing a semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SC-1 세정공정을 적용하면서 소자의 누설전류를 감소시키고 균일한 실리사이드를 형성할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명에서는 반도체 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극의 양측으로 노출되는 상기 기판에 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극이 형성된 상기 기판 전면에 SC-1 세정공정을 실시하는 단계와, 상기 게이트 전극을 포함한 전체 구조 상부의 단차를 따라 금속층을 증착하는 단계와, 상기 금속층 상에 Ti막을 증착하는 단계와, 상기 Ti막 상에 캡핑층을 증착하는 단계와, 살리사이드공정을 실시하여 상기 세정공정시 상기 기판의 표면 상에 형성된 화학적 산화막을 다공성 물질로 변환시키면서 실리콘이 노출된 상기 게이트 전극 및 상기 소오스/드레인 영역의 표면 상에 균일한 형태의 실리사이드층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.The present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can reduce the leakage current of the device and form a uniform silicide while applying the SC-1 cleaning process, in the present invention, forming a gate electrode on the semiconductor substrate And forming a source / drain region on the substrate exposed to both sides of the gate electrode, performing an SC-1 cleaning process on the entire surface of the substrate on which the gate electrode is formed, and the overall structure including the gate electrode. Depositing a metal layer along an upper step, depositing a Ti film on the metal layer, depositing a capping layer on the Ti film, and applying a salicide process to the surface of the substrate during the cleaning process. The gate electrode and the source / drain of which silicon is exposed while converting a chemical oxide film formed on the substrate into a porous material A semiconductor device including forming a silicide layer of a uniform shape on the surface of the station provides a method of manufacturing the same.
실리사이드, DHF, SC1, 세정, 산화막, Co/Ti/TiN. Silicide, DHF, SC1, cleaning, oxide film, Co / Ti / TiN.
Description
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 도시된 공정단면도.1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the prior art.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 도시된 공정단면도.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉Description of the Related Art
110 : 반도체 기판 111 : 소자 분리막110
112 : 게이트 절연막 113 : 폴리 실리콘막112 gate
114 : 게이트 전극 115 : 스페이서114: gate electrode 115: spacer
116 : 소오스/드레인 영역 117 : 산화막116 source / drain
118 : 코발트막 119 : 티타늄막118: cobalt film 119: titanium film
120 : 티타늄 질화막 121 : 실리사이드층120: titanium nitride film 121: silicide layer
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 0.25㎛ 이하의 선폭을 갖는 살리사이드(SALICIDE; Self Align siLICIDE) 공정을 적용하는 비메모리 소자의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a non-memory device in which a Salicide (SALICIDE) process having a line width of 0.25 μm or less is applied.
최근에는, 반도체 소자의 크기가 감소됨에 따라 선폭(line width)이 좁아지고 RC 지연에 대한 면저항의 영향이 증가하게 되어 낮은 비저항의 게이트, 인터커넥션(interconnections) 및 낮은 오믹(ohmic) 접촉저항에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 이유로, 낮은 비저항 값을 갖는 실리사이드를 형성하는 살리사이드(SALICIDE; Self Align siLICIDE) 공정이 제안되었다. 이와 같이, 낮은 비저항 값을 갖는 실리사이드는 열적 안정성 외에도 우수한 전자이주(electromigration) 특성 등의 장점이 있다. 또한, 실리사이드는 다결정 실리콘 위에 추가 공정 없이 곧바로 형성시킬 수 있고 금속-산화물 반도체(Metal Oxide Semiconductor : MOS)의 기본 다결정 실리콘 구조를 유지할 수 있어 지금도 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다.Recently, as the size of semiconductor devices decreases, line widths narrow and the effect of sheet resistance on RC delay increases, resulting in low resistivity gates, interconnections and low ohmic contact resistances. Interest is growing. For this reason, a Salicide (SALICIDE; Self Align siLICIDE) process has been proposed to form a silicide having a low resistivity value. As such, silicide having a low specific resistance has advantages such as excellent electromigration characteristics in addition to thermal stability. In addition, the silicide can be formed directly on the polycrystalline silicon without further processing and can maintain the basic polycrystalline silicon structure of the metal oxide semiconductor (MOS), which is still being actively researched.
이하, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 살리사이드 공정을 적용하는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기로 한다. 도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 도시된 공정단면도이다.Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to the related art to which the salicide process is applied will be described with reference to FIGS. 1A to 1C. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the prior art.
우선, 도 1a에 도시된 바와 같이, 소자분리막(11)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 게이트 전극(14)을 형성한다. 이때, 게이트 전극(14)은 게이트 산화막(12) 및 폴리 실리콘막(13)으로 이루어진다.First, as shown in FIG. 1A, the
이어서, 게이트 전극(14)의 양측벽에 절연막으로 이루어진 스페이서(15)를 형성한다. 이때, 절연막은 보통 산화막으로 이루어진다.Subsequently,
이어서, 스페이서(15)의 양측으로 노출된 반도체 기판(10)에 소오스/드레인 영역(16)을 형성한다.Next, the source /
이어서, DHF(Diluted HF)용액을 이용한 세정공정을 실시하여 상술한 공정과정에서 반도체 기판(10) 표면에 잔류하는 산화막을 제거한다.Subsequently, a cleaning process using a diluted HF (DHF) solution is performed to remove the oxide film remaining on the surface of the
이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(14)을 포함한 전체 구조 상부의 단차를 따라 코발트막(17; 이하, Co막이라 함) 및 티타늄 질화막(18; 이하, TiN막이라 함)을 순차적으로 증착한다.Subsequently, as shown in FIG. 1B, the cobalt film 17 (hereinafter referred to as Co film) and the titanium nitride film 18 (hereinafter referred to as TiN film) are formed along the steps of the entire structure including the
이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 살리사이드 공정을 실시하여 소오스/드레인 영역(16) 및 폴리 실리콘막(13)의 표면 상에 코발트 실리사이드층(19)을 형성한다. 여기서, 살리사이드 공정은 다음과 같이 이루어진다. Subsequently, as shown in FIG. 1C, a salicide process is performed to form a
먼저, 500℃ 내외의 온도로 제1 열공정을 실시하여 소오스/드레인 영역(16) 및 폴리 실리콘막(13)의 표면 상에 CoSi 성분의 실리사이드층(미도시)을 형성한다.First, a first thermal process is performed at a temperature of about 500 ° C. to form a silicide layer (not shown) of a CoSi component on the surfaces of the source /
이어서, 제1 열공정시에 반응하지 않은 Co막(17) 및 TiN막(18)을 모두 제거한다.Subsequently, both the
이어서, 750℃ 내외의 온도로 제2 열공정을 실시하여 소오스/드레인 영역(16) 및 폴리 실리콘막(13)의 표면 상에 최종적으로 코발트 실리사이드층(19; CoSi2층)을 형성한다.Subsequently, a second thermal process is performed at a temperature of about 750 ° C. to finally form a cobalt silicide layer 19 (CoSi 2 layer) on the surfaces of the source /
그러나, 상기에서 설명한 바와 같이 DHF용액을 이용한 세정공정을 실시하는 경우, 반도체 기판의 표면 상에 형성된 산화막은 쉽게 제거되는 반면, 기판이 소수성으로 변하여 정전기를 갖게 되므로 기판에 파티클(particle)이 많이 부착되는 문제점이 발생한다. 따라서, 이러한 파티클 부착을 해결하기 위하여 최근에는 DHF 세정공정에 이어 SC-1(Standard Cleaning-1) 세정공정을 진행하는 DHF+SC-1 세정공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.However, when the cleaning process using the DHF solution is performed as described above, the oxide film formed on the surface of the semiconductor substrate is easily removed, but the particles become hydrophobic and have static electricity, so that many particles adhere to the substrate. Problem occurs. Therefore, in order to solve such particle adhesion, the research on the DHF + SC-1 cleaning process which performs the SC-1 (Standard Cleaning-1) cleaning process following the DHF cleaning process has been actively performed recently.
SC-1 세정공정은 NH4OH, H2O2 및 순수(DI Water)를 사용하여 오염물을 제거하는 방법으로, 진행 후에는 수 Å의 화학적(chemical) 산화막이 기판 표면 상에 형성되게 된다. 따라서, DHF 세정공정에 이어 저온의 SC-1 세정공정을 진행하는 경우에는 기판 표면에 형성되는 화학적 산화막에 의해 기판이 친수성으로 변하여 기판에 파티클이 부착되는 현상이 줄어들게 된다. 반면에, 기판 표면에 형성되는 화학적 산화막에 의해 Co 원자의 이동, 즉 확산이 방해받게 되므로 실리사이드 반응이 일어나지 않게된다. 따라서, 반도체 소자의 컨택저항이 증가하고 누설전류가 증가하는 문제점이 발생한다.The SC-1 cleaning process is a method of removing contaminants using NH 4 OH, H 2 O 2, and pure water (DI Water). After the process, several chemical oxide films are formed on the substrate surface. Therefore, when the low temperature SC-1 cleaning process is performed after the DHF cleaning process, the substrate becomes hydrophilic by a chemical oxide film formed on the surface of the substrate, thereby reducing the phenomenon that particles adhere to the substrate. On the other hand, the movement of Co atoms, i.e., diffusion, is disturbed by the chemical oxide film formed on the surface of the substrate, so that no silicide reaction occurs. Therefore, a problem arises in that the contact resistance of the semiconductor device increases and the leakage current increases.
결국, SC-1 세정공정을 적용하기 위해서는 Co막을 증착하기 전에 아르곤(argon) 분위기에서 스퍼터링(sputtering) 식각공정을 실시하여 기판 표면 상에 존재하는 산화막을 모두 제거하여야만 한다. 그러나, 이러한 방법은 스퍼터링 식각공정시 산화막 뿐만 아니라 기판까지 함께 식각되어 식각된 부위에서 누설전류가 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.As a result, in order to apply the SC-1 cleaning process, a sputtering etching process must be performed in an argon atmosphere before the Co film is deposited to remove all oxide films present on the substrate surface. However, this method may cause a problem in that the leakage current increases in the portion etched by etching not only the oxide layer but also the substrate during the sputter etching process.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, SC-1 세정공정을 적용하면서 소자의 누설전류를 감소시키고 균일한 실리사이드를 형성할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and provides a method of manufacturing a semiconductor device capable of reducing the leakage current of the device and forming a uniform silicide while applying the SC-1 cleaning process. The purpose is.
상기에서 설명한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 반도체 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극의 양측으로 노출되는 상기 기판에 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극이 형성된 상기 기판 전면에 SC-1 세정공정을 실시하는 단계와, 상기 게이트 전극을 포함한 전체 구조 상부의 단차를 따라 금속층을 증착하는 단계와, 상기 금속층 상에 Ti막을 증착하는 단계와, 상기 Ti막 상에 캡핑층을 증착하는 단계와, 살리사이드공정을 실시하여 상기 세정공정시 상기 기판의 표면 상에 형성된 화학적 산화막을 다공성 물질로 변환시키면서 실리콘이 노출된 상기 게이트 전극 및 상기 소오스/드레인 영역의 표면 상에 균일한 형태의 실리사이드층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method including: forming a gate electrode on a semiconductor substrate, forming a source / drain region on the substrate exposed to both sides of the gate electrode, and Performing a SC-1 cleaning process on the entire surface of the substrate on which a gate electrode is formed, depositing a metal layer along a step of an upper portion of the entire structure including the gate electrode, depositing a Ti film on the metal layer, and Depositing a capping layer on the Ti film, and performing a salicide process to convert the chemical oxide film formed on the surface of the substrate into a porous material during the cleaning process to expose the gate electrode and the source / drain region of silicon. A method of manufacturing a semiconductor device comprising forming a silicide layer of uniform form on a surface of The.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명 의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
실시예Example
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 도시된 공정단면도이다. 여기서, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 참조 부호들 중 서로 동일한 참조 부호는 동일한 기능을 수행하는 동일 요소이다. 2A through 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention. Here, the same reference numerals among the reference numerals shown in FIGS. 2A to 2D are the same elements performing the same function.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 소자분리막(111)이 형성된 반도체 기판(110) 상에 게이트 절연막(112) 및 폴리 실리콘막(113)을 순차적으로 증착한 후, 식각공정을 실시하여 게이트 전극(114)을 형성한다. 이때, 소자분리막(111)은 STI(Shallow Trench Isolation) 또는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 공정을 실시하여 형성할 수 있는데, 여기서는 반도체 소자의 고집적화에 적합한 STI 공정을 실시하여 형성한다. 그리고, 폴리 실리콘막(113)은 도프트(doped) 또는 언도프트(undoped) 폴리 실리콘막(113)으로 형성한다. 예컨대, 폴리 실리콘막(113)은 SiH4 또는 SiH4와 PH3를 이용하여 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방식으로 증착하여 형성한다. First, as shown in FIG. 2A, the
또한, 도면에 도시되지는 않았으나, 웰 이온주입 공정을 실시하여 소자분리막(111)이 형성된 반도체 기판(110)에 웰(미도시)을 형성할 수 있다. 예컨대, 인(Phosphorus) 또는 아세닉(Arsenic) 이온을 주입하여 N 웰을 형성하거나, 붕소(Boron)를 주입하여 P 웰을 형성한다.Although not shown in the drawings, a well (not shown) may be formed on the
이어서, 게이트 전극(114)이 형성된 전체 구조 상부의 단차를 따라 절연막( 미도시)을 증착한 후, 건식식각공정을 실시하여 게이트 전극(114)의 양측벽에 스페이서(115)를 형성한다.Subsequently, an insulating film (not shown) is deposited along the level of the upper part of the entire structure on which the
이어서, 스페이서(115)를 마스크로 이용한 소오스/드레인 이온주입 공정을 실시하여 스페이서(115)의 양측으로 노출되는 반도체 기판(110)에 소오스/드레인 영역(116)을 형성한다.Next, a source / drain ion implantation process using the
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, DHF+SC-1 세정공정을 실시하여 게이트 전극(114) 및 스페이서(115)가 형성된 반도체 기판(110)을 세정한다. 이때, DHF+SC-1 세정공정을 실시하면 반도체 기판(110) 표면에 얇은 화학적 산화막(117)이 형성된다. 이에 따라, 반도체 기판(110)이 친수성으로 변하여 정전기가 사라지므로, 기판(110)에 부착되는 파티클이 급격히 감소하게 된다. 여기서, SC-1 세정공정은 10 내지 100℃의 온도로 실시한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 2B, a DHF + SC-1 cleaning process is performed to clean the
이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, DHF+SC-1 세정공정이 완료된 전체 구조 상부의 단차를 따라 실리사이드 형성을 위한 금속층으로 코발트막(118; 이하, Co막이라 함)을 증착한다. 이때, Co막(118)을 대신하여 니켈(Nickel)을 증착할 수도 있다.Subsequently, as shown in FIG. 2C, a cobalt film 118 (hereinafter referred to as a Co film) is deposited on the metal layer for silicide formation along the step of the entire structure where the DHF + SC-1 cleaning process is completed. In this case, nickel may be deposited instead of the
이어서, Co막(118) 상에 티타늄막(119; 이하, Ti막이라 함)을 증착한다. 이때, Ti막(119)은 1 내지 200Å의 두께로 증착한다. 여기서, Ti막(119)은 산화막과 잘 결합하는 특성이 있어 산화막과 Co막(118)의 결합 특성을 향상시킨다.Subsequently, a titanium film 119 (hereinafter referred to as a Ti film) is deposited on the
이어서, Ti막(119) 상에 캡핑층으로 티타늄 질화막(120; 이하, TiN막이라 함)을 증착한다. 여기서, Ti막(119) 및 TiN막(120)은 하나의 챔버(chamber) 내에서 연속으로 증착하거나 별도로 증착할 수 있다.Subsequently, a titanium nitride film 120 (hereinafter referred to as a TiN film) is deposited on the
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 살리사이드 공정을 실시하여 실리콘이 노출된 영역, 즉 소오스/드레인 영역(116) 및 폴리 실리콘막(113)의 표면 상에 실리사이드층(121)을 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 2D, a salicide process is performed to form the
여기서, 살리사이드 공정은 Co막(118), Ti막(119) 및 TiN막(120)을 증착한 후 두차례에 걸친 열공정으로 이루어진다. 예컨대, 제1 열공정을 실시하여 화학적 산화막(117)을 다공성(porouse) 막질로 변환시켜 소오스/드레인 영역(116) 및 폴리 실리콘막(113)의 표면 상에 균일한 형태로 모노(mono) 실리사이드층(CoSi; 미도시)을 형성한다. 그리고, 제2차 열공정을 실시하여 모노 실리사이드층을 CoSi2층으로 변환시킨다. 이로써, CoSi2로 이루어진 실리사이드층(121)이 형성된다.Here, the salicide process consists of two thermal processes after depositing the
여기서, 제1 열공정은 450 내지 550℃의 RTA(Rapid Thermal Annealing) 공정으로, 제1 열공정을 실시하면, Ti막(119)의 Ti 원자가 Co막(118)을 뚫고 이동하여 반도체 기판(110)과 Co막(118) 사이에 존재하는 화학적 산화막(117)과 반응한다. 이로써, 화학적 산화막(117)은 CoxTiyOz(x, y 및 z는 자연수) 형태의 다공성 막질로 변환된다. 따라서, 실리콘이 노출된 영역에 균일한 형태로 CoSi 성분의 실리사이드층(121)을 형성할 수 있게 되는 것이다. 여기서, Co막(118)이 아닌 니켈(Ni)이 증착된 경우에는 제1 열공정을 400℃ 이하의 온도에서 실시하여 Ni2Si 성분의 실리사이드층(121)이 형성되도록 한다.Here, the first thermal process is a rapid thermal annealing (RTA) process at 450 to 550 ° C. When the first thermal process is performed, the Ti atoms of the
또한, 제2 열공정은 700 내지 800℃의 RTA 공정으로, 최종적으로 CoSi2형태 의 실리사이드층(121)을 형성한다. 여기서, Co막(118)이 아닌 니켈이 증착된 경우에는 제2 열공정을 400 내지 700℃의 온도에서 실시하여 NiSi 성분의 실리사이드층(121)을 형성한다. 이때, 제1 열공정과 제2 열공정 사이에는 제1 열공정시 반응하지 않는 영역의 Co막(118) 및 TiN막(120)을 제거하는 공정을 실시한다.In addition, the second thermal process is a RTA process of 700 to 800 ° C, and finally forms a
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 게이트 전극이 형성된 기판 전체에 DHF+SC-1 세정공정을 실시한 후, Co(또는, Ni)/Ti/TiN막을 순차적으로 증착한 다음 살리사이드 공정을 실시함으로써, 실리콘이 노출된 영역, 즉 소오스/드레인 영역 및 게이트 전극의 표면 상에 균일한 실리사이드층이 형성될 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 컨택저항 및 누설전류를 감소시켜 수율을 증가시킬 수 있다.That is, according to the preferred embodiment of the present invention, after performing the DHF + SC-1 cleaning process on the entire substrate on which the gate electrode is formed, the Co (or Ni) / Ti / TiN film is sequentially deposited and then the salicide process is performed. As a result, a uniform silicide layer may be formed on the surface of the silicon, that is, the source / drain region and the surface of the gate electrode. Therefore, the yield can be increased by reducing the contact resistance and leakage current of the semiconductor device.
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.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 게이트 전극이 형성된 기판 전체에 DHF+SC-1 세정공정을 실시한 후, Co(또는, Ni)/Ti/TiN막을 순차적으로 증착한 다음 살리사이드 공정을 실시함으로써, 실리콘이 노출된 영역, 즉 소오스/드레인 영역 및 게이트 전극의 표면 상에 균일한 실리사이드층이 형성될 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 컨택저항 및 누설전류를 감소시켜 수율을 증가시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, after performing the DHF + SC-1 cleaning process on the entire substrate on which the gate electrode is formed, the Co (or Ni) / Ti / TiN film is sequentially deposited and then the salicide process is performed. As a result, a uniform silicide layer may be formed on the surface of the silicon, that is, the source / drain region and the surface of the gate electrode. Therefore, the yield can be increased by reducing the contact resistance and leakage current of the semiconductor device.
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