KR101204662B1 - Method for fabricating transistor in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
반도체 소자의 트랜지스터 형성방법은, 셀 영역 및 주변회로영역이 형성되어 있는 반도체 기판 상에 게이트 패턴을 형성하는 단계; 게이트 패턴 및 반도체 기판 전면에 버퍼산화막, 스페이서용 질화막 및 실리콘막을 순차적으로 형성하는 단계; 실리콘막을 스페이서용 산화막으로 산화시키는 단계; 셀 영역의 게이트 패턴을 차단하는 감광막 패턴을 형성한 후, 주변회로영역의 게이트 패턴에 에치백을 진행하여 제1 스페이서막을 형성하고, 감광막 패턴을 제거하는 단계; 주변회로영역의 게이트 패턴을 차단하는 감광막 패턴을 형성한 후, 셀 영역의 스페이서용 산화막을 제거하는 단계; 반도체 기판에 세정을 실시하여 게이트 패턴 사이에 남아 있는 실리콘막을 제거하는 단계; 및 셀 영역의 게이트 패턴에 에치백을 진행하여 제2 스페이서막을 형성하는 단계를 포함한다.A transistor forming method of a semiconductor device may include forming a gate pattern on a semiconductor substrate on which a cell region and a peripheral circuit region are formed; Sequentially forming a buffer oxide film, a nitride film for a spacer, and a silicon film over the gate pattern and the semiconductor substrate; Oxidizing a silicon film into an oxide film for a spacer; Forming a photoresist pattern that blocks the gate pattern of the cell region, and then etching back the gate pattern of the peripheral circuit region to form a first spacer layer, and removing the photoresist pattern; Forming a photoresist pattern that blocks the gate pattern of the peripheral circuit area, and then removing the spacer oxide film of the cell area; Cleaning the semiconductor substrate to remove the silicon film remaining between the gate patterns; And etching the gate pattern of the cell region to form a second spacer layer.
실리콘막, 스페이서용 산화막, 문턱전압 Silicon film, oxide film for spacer, threshold voltage
Description
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 소자의 트랜지스터를 나타내보인 도면이다.1 is a view showing a transistor of a semiconductor device according to the prior art.
도 2 내지 도 8은 본 발명에 따른 반도체 소자의 트랜지스터 형성방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면들이다.2 to 8 are views illustrating a method of forming a transistor of a semiconductor device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
200 : 반도체 기판 211 : 게이트 패턴200
212 : 버퍼산화막 214 : 스페이서용 질화막212: buffer oxide film 214: nitride film for spacer
216 : 실리콘막 218 : 스페이서용 산화막216
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 소자의 트랜지스터 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for forming a transistor of a semiconductor device.
일반적으로 트랜지스터는 드레인영역의 에지에서 전기장이 강하게 형성될 경우, 핫 캐리어(hot carrier)가 증가하여 트랜지스터의 특성을 열화시키기 때문에 게이트 스택 측벽에 절연 물질로 된 게이트 스페이서를 형성하여 이를 방지한다. 이때, 게이트 스페이서의 두께에 의해 셀 영역 및 주변 회로영역 트랜지스터의 문턱전압이 영향을 받는다. 이에 따라 적절한 두께를 가진 문턱전압 조절용 스페이서 절연막을 게이트 패턴의 측벽에 형성하여 문턱전압을 조절한다.In general, when a strong electric field is formed at the edge of the drain region, a hot carrier increases to deteriorate the characteristics of the transistor, thereby forming a gate spacer made of an insulating material on the sidewall of the gate stack, thereby preventing the transistor. At this time, the threshold voltage of the cell region and the peripheral circuit region transistor is affected by the thickness of the gate spacer. Accordingly, a threshold voltage spacer insulating layer having an appropriate thickness is formed on the sidewall of the gate pattern to adjust the threshold voltage.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 소자의 트랜지스터를 나타내보인 도면이다.1 is a view showing a transistor of a semiconductor device according to the prior art.
도 1을 참조하면, 셀 영역(A) 및 주변회로영역(B)이 정의되어 있는 반도체 기판(100) 상에 게이트 패턴(108)이 형성되어 있다. 게이트 패턴(110)은, 게이트절연막(102), 도전막패턴(104), 금속막패턴(106) 및 하드마스크막(108)이 적층된 구조로 이루어진다.Referring to FIG. 1, a
셀 영역(A)의 게이트 패턴(110) 양 측면에 제1 버퍼산화막(112)과 제1 스페이서 질화막(114)을 포함하는 제1 게이트 스페이서(116)이 형성되어 있으며, 주변회로영역(B)의 게이트 패턴(110) 양 측면에는 제2 버퍼산화막(118), 제2 스페이서 질화막(120) 및 스페이서 산화막(122)을 포함하는 제2 게이트 스페이서(124)가 형성되어 있다. 여기서 제1 및 제2 게이트 스페이서(116, 124)의 증착 두께는 셀 영역(A)의 문턱전압 및 주변회로영역(B)의 N-MOS/P-MOS의 문턱전압에 영향을 준다. 따라서 게이트 스페이서(116) 두께를 웨이퍼 전면에 균일하게 증착하여 문턱전압을 적절하게 유지해야 한다. 게이트 스페이서(116) 두께 균일도는 형성하는 물질을 조절하거나, 증착방법을 조절하는 방법이 대부분인데, 통상적으로 TEOS 물질을 소스로 공급하고 저압의 화학적기상증착(LPCVD; Low Pressure Chemical Vapor Deposition)방법을 이용하여 스페이서 산화막(114)을 형성하고 있다.
그러나 TEOS 물질을 소스로 한 스페이서 산화막(114)은, 스텝 커버리지가 좋 지 않고, 웨이퍼의 중심부와 가장자리 또는 밀집도가 높은 게이트 패턴과 밀집도가 낮은 게이트 패턴 사이에서 스페이서 산화막(114)의 증착두께가 균일하지 않은 로딩 이펙트가 취약한 문제가 있다. 이러한 스텝 커버리지의 불량 및 로딩 이펙트가 취약해짐에 따라 주변회로영역(B)의 문턱전압이 변화가 커지면서 반도체 소자의 전기적 특성이 저하되는 문제가 발생한다.However, the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 반도체 소자의 스페이서 산화막 형성방법을 개선하여 게이트 스페이서의 측벽두께의 균일도를 향상시킬 수 있고, 이에 따라 문턱전압을 균일하게 유지할 수 있는 반도체 소자의 트랜지스터 형성방법을 제공하는 데 있다. The technical problem to be achieved by the present invention is to improve the method of forming a spacer oxide film of a semiconductor device to improve the uniformity of the sidewall thickness of the gate spacer, thereby providing a method of forming a transistor of a semiconductor device capable of maintaining a uniform threshold voltage. There is.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 소자의 트랜지스터 형성방법은, 셀 영역 및 주변회로영역이 형성되어 있는 반도체 기판 상에 게이트 패턴을 형성하는 단계; 상기 게이트 패턴 및 반도체 기판 전면에 버퍼산화막, 스페이서용 질화막 및 실리콘막을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 실리콘막을 스페이서용 산화막으로 산화시키는 단계; 상기 셀 영역의 게이트 패턴을 차단하는 감광막 패턴을 형성한 후, 상기 주변회로영역의 게이트 패턴에 에치백을 진행하여 제1 스페이서막을 형성하고, 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계; 상기 주변회로영역의 게이트 패턴을 차단하는 감광막 패턴을 형성한 후, 상기 셀 영역의 스페이서용 산화막을 제거하는 단계; 상기 반도체 기판에 세정을 실시하여 게이트 패턴 사이에 남아 있는 실리콘막을 제거하는 단계; 및 상기 셀 영역의 게이트 패턴에 에치백을 진행하여 제2 스페이서막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, a method of forming a transistor of a semiconductor device according to the present invention comprises the steps of: forming a gate pattern on a semiconductor substrate on which a cell region and a peripheral circuit region are formed; Sequentially forming a buffer oxide film, a spacer nitride film, and a silicon film over the gate pattern and the semiconductor substrate; Oxidizing the silicon film to an oxide film for a spacer; Forming a first spacer layer by etching back the gate pattern of the peripheral circuit region after forming the photoresist pattern blocking the gate pattern of the cell region, and removing the photoresist pattern; Forming a photoresist pattern that blocks the gate pattern of the peripheral circuit region, and then removing the spacer oxide layer of the cell region; Cleaning the semiconductor substrate to remove the silicon film remaining between the gate patterns; And forming a second spacer layer by etching back to the gate pattern of the cell region.
본 발명에 있어서, 상기 실리콘막은 폴리실리콘막 및 비정질 실리콘막 가운데 어느 하나를 포함하여 15-150Å두께로 형성할 수 있다.In the present invention, the silicon film may be formed to have a thickness of 15-150 하여 including any one of a polysilicon film and an amorphous silicon film.
상기 실리콘막은 470-650℃의 증착온도로 형성할 수 있다.The silicon film may be formed at a deposition temperature of 470-650 ℃.
상기 실리콘막을 스페이서용 산화막으로 산화시키는 단계는, 600-900℃의 산화온도에서 진행할 수 있다.The step of oxidizing the silicon film into an oxide film for a spacer may be performed at an oxidation temperature of 600-900 ° C.
상기 실리콘막을 스페이서용 산화막으로 산화시키는 단계는, 급속열산화(RTO)방법을 이용하여 650-1000℃의 산화온도에서 진행할 수 있다.The step of oxidizing the silicon film into an oxide film for a spacer may be performed at an oxidation temperature of 650-1000 ° C. using a rapid thermal oxidation (RTO) method.
상기 게이트 패턴 사이에 남아 있는 실리콘막은, 50-95℃의 온도에서 암모니아를 포함하는 세정용액을 이용하여 제거하는 것이 바람직하다.The silicon film remaining between the gate patterns is preferably removed using a cleaning solution containing ammonia at a temperature of 50-95 ° C.
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. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification.
도 2 내지 도 8은 본 발명에 따른 반도체 소자의 트랜지스터 형성방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면들이다. 2 to 8 are views illustrating a method of forming a transistor of a semiconductor device according to the present invention.
먼저 도 2를 참조하면, 셀 영역(A) 및 주변회로영역(B)이 정의되어 있는 반 도체 기판(200) 상에 게이트 패턴(211)을 형성한다. 게이트 패턴(211)은 게이트절연막패턴(204), 도전막패턴(206), 금속막패턴(208) 및 하드마스크막패턴(210)이 적층된 구조로 이루어진다. 도면에 도시하지는 않았지만, 게이트 패턴(211) 형성과정을 간략히 살펴보면, 먼저 반도체 기판(200) 상에 게이트절연막, 도전막, 금속막 및 하드마스크막을 순차적으로 적층한 후, 하드마스크막 위에 게이트 패턴을 정의하는 감광막패턴을 형성한다. 다음에 감광막패턴을 마스크로 한 식각공정을 수행하여 게이트 패턴(211)을 형성한다. 여기서 게이트절연막패턴(204)은 산화막으로 형성할 수 있고, 도전막패턴(206)은 불순물이 도핑된 폴리실리콘막, 또는 불순물이 도핑되지 않은 폴리실리콘막으로 형성할 수 있고, 금속막패턴(208)은 텅스텐실리사이드(WSix) 또는 텅스텐막으로 형성할 수 있으며, 하드마스크막패턴(210)은 나이트라이드(Nitride)막으로 형성할 수 있다. 이때, 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 패턴 간의 밀도가 점점 높아지면서, 셀 영역(A)은 상대적으로 게이트 패턴(211)의 밀집도가 높고(dense), 주변회로영역(B)은 상대적으로 게이트 패턴(211)의 밀집도가 낮다(loose).First, referring to FIG. 2, a
다음에 도 3을 참조하면, 게이트 패턴(211) 및 반도체 기판(200) 전면에 버퍼산화막(212), 스페이서용 질화막(214)을 형성한다. 버퍼산화막(212)은 화학적기상증착(CVD; Chemical Mechanical Deposition) 방법을 이용하여 50-150Å두께로 형성할 수 있으며, 스페이서 질화막(214)과 반도체 기판(200)이 직접 접촉하여 발생하는 스트레스를 방지하는 역할을 한다. 스페이서용 질화막(214)은 버퍼산화막(212) 위에 50-350Å두께로 형성할 수 있으며, 후속 게이트 스페이서 형성을 위한 식각공정에서 식각이 더 이상 진행하는 것을 저지하는 배리어막 역할을 하여 게이트 패턴(211)이 손상되는 것을 방지한다. 또한, 게이트 패턴(211)과 이후 형성하는 랜딩플러그간의 단락(short)을 방지한다. Next, referring to FIG. 3, a
계속해서 스페이서용 질화막(214) 위에 실리콘막(216)을 형성한다. 여기서 실리콘막(216)은 폴리실리콘(poly-silicon) 또는 비정질 실리콘(amorphous-Si)을 포함하여 형성할 수 있으며, 15-150Å 두께로 형성한다. 실리콘막(216)은 종래 스페이서 산화막로 이용한 TEOS 산화막보다 스텝 커버리지 및 로딩 이펙트 특성이 좋아 게이트 스페이서 측벽의 균일도를 향상시킬 수 있다.Subsequently, a
다음에 도 4를 참조하면, 반도체 기판(200)에 산화공정을 실시하여 실리콘막(216)을 스페이서용 산화막(218)으로 산화시킨다. 여기서 산화공정은 열산화공정을 이용할 수 있으며, 실리콘막(216)이 스페이서용 산화막(218)으로 변화하는 동안 발생하는 스트레스를 최대한 억제할 수 있는 온도로 진행한다. 본 발명에서는 600-900℃의 온도에서 진행하는 것이 바람직하다. 또한, 산화공정을 진행하는 동안 스트레스가 발생하는 것을 억제하기 위해 급속열산화(RTO; Rapid Thermal Oxidation)로 진행할 수 있으며, 급속열산화는 650-1000℃에서 진행하는 것이 바람직하다.Next, referring to FIG. 4, the
한편, 실리콘막(216)이 산화하는 동안 게이트 패턴(211)간의 밀집도가 높아 게이트 패턴(211)간 공간이 좁은 셀 영역(A)의 경우, 게이트 패턴(211)의 입구가 부피 팽창에 의해 완전히 막히는 상황이 될 수도 있다. 또한, 게이트 패턴(211)의 사이의 골짜기 부분에 실리콘막(216)이 다른 부위에 비해 두껍게 증착되어 산화가 완전히 이루어지지 않고, 상기 골짜기 하단부에 실리콘막(220)이 남아 있을 수 있 다. 이런 경우 하부의 실리콘막(220)을 모두 산화시키려면 오랜 산화시간이 필요하게 된다. 그러나 산화공정은 고온의 열 버짓(thermal budget)을 반도체 기판(200)에 가하게 되므로 이전에 이온주입으로 형성된 웰 영역의 불순물을 다시 이동시킬 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(200)에 가해지는 열 버짓이 적으면서 실리콘막(216)이 남지 않도록 완전히 산화시키기 위해 실리콘막(216)의 증착 두께가 아닌 증착 두께의 배 이상의 두께를 산화시키는 것이 바람직하다. On the other hand, in the case of the cell region A having a high density between the
다음에 도 5를 참조하면, 셀 영역(A)의 게이트 패턴(211)을 차단하는 감광막 패턴(222)을 형성한 후, 상기 주변회로영역(B)의 게이트 패턴(211)에 에치백을 진행하여 버퍼산화막(224), 스페이서 질화막(226) 및 스페이서 산화막(228)이 적층된 구조로 이루어진 제1 스페이서막(230)을 형성한다. 다음에 감광막 패턴(222)은 제거한다.Next, referring to FIG. 5, after the
다음에 도 6을 참조하면, 주변회로영역(B)의 게이트 패턴(211)을 차단하는 감광막 패턴(232)을 형성한 후, 셀 영역(A)의 스페이서용 산화막(218)을 제거한다. 여기서 셀 영역(A)의 스페이서용 산화막(218)은 습식식각을 이용하여 제거할 수 있다. Next, referring to FIG. 6, after forming the
계속해서 게이트 패턴(211) 사이의 골짜기 부분에 남아 있는 잔여 실리콘막(220)을 50-95℃의 고온의 암모니아를 포함하는 세정용액, 예를 들어 SC-1 용액을 이용하여 제거한다. SC-1 용액은 암모니아, 과산화수소 및 물이 1:4:20의 비율로 혼합되어 있는 용액이며, 도 8에 도시한 바와 같이, 산화막, 질화막에 비해 실리콘에 높은 식각선택비를 가지고 있다. 이때, 셀 영역(A)의 스페이서용 질화막(214)이 SC-1 용액이 반도체 기판(200)으로 침투하는 것을 억제하고 있는 동안 게이트 패턴(211) 사이에 남아 있는 잔여 실리콘막(220)은 50-95℃의 고온의 SC-1 용액에 의해 모두 제거되고 스페이서 질화막(214)만 남는다.Subsequently, the remaining
다음에 도 7을 참조하면, 셀 영역(A)의 게이트 패턴(211)에 에치백을 진행하여 버퍼산화막(234) 및 스페이서 질화막(236)으로 이루어지는 제2 스페이서막(238)을 형성한다.Next, referring to FIG. 7, the
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 트랜지스터 형성방법에 의하면, 실리콘막을 스페이서 물질로 사용함으로써 웨이퍼 전면의 두께 균일도를 향상할 수 있어 문턱전압을 안정화시킬 수 있다. 또한, 산화공정에서 완전히 산화하지 않은 실리콘막은 암모니아를 포함하는 세정용액을 이용하여 제거함으로써 랜딩플러그 컨택의 브릿지 현상 또는 랜딩플러그가 개방되지 않는 현상을 방지할 수 있다.As described so far, according to the transistor forming method of the semiconductor device according to the present invention, by using the silicon film as the spacer material, the thickness uniformity of the entire surface of the wafer can be improved and the threshold voltage can be stabilized. In addition, by removing the silicon film that is not completely oxidized in the oxidation process using a cleaning solution containing ammonia, it is possible to prevent the bridge phenomenon of the landing plug contact or the phenomenon that the landing plug does not open.
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