KR19980026845A

KR19980026845A - Heat treatment method of semiconductor process

Info

Publication number: KR19980026845A
Application number: KR1019960045411A
Authority: KR
Inventors: 한정석
Original assignee: 김광호; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1996-10-11
Publication date: 1998-07-15

Abstract

게이트 전극의 형성 공정에서 텅스텐 실리사이드(Silicide)막의 측벽에, 텅스텐의 이상 성장을 방지할 수 있는 반도체 공정의 열처리 방법에 대하여 개시되어 있다. 이를 위하여 본 발명은, 반도체 기판상에 게이트 산화막을 기재하고, 폴리실리콘막, 텅스텐 실리사이드막 및 산화막이 형성된 게이트 패턴을 포함하는 기판의 전면에 열산화막 형성을 위한 열처리 공정에 있어서, a) 650℃의 질소 분위기에서 진행하는 초기 열처리 단계와, b)질소 분위기에서 온도를 850℃로 상승시키는 단계와, c)850℃의 질소 분위기에서 3∼20분간 열처리를 하는 단계와, d)850℃의 산소 분위기에서 열산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열산화막 형성을 위한 열처리 방법을 제공한다. 따라서, 게이트 전극의 형성 공정에서 텅스텐 실리사이드(Silicide)막의 측벽에, 텅스텐의 이상 성장을 방지하고 파티클의 발생을 방지할 수 있는 반도체 공정의 열처리 방법을 구현할 수 있다.A heat treatment method of a semiconductor process that can prevent abnormal growth of tungsten on the sidewall of a tungsten silicide film in the process of forming a gate electrode is disclosed. To this end, the present invention, in the heat treatment process for forming a thermal oxide film on the entire surface of the substrate comprising a gate oxide film on the semiconductor substrate, the polysilicon film, tungsten silicide film and the gate pattern is formed, a) 650 ℃ An initial heat treatment step of proceeding in a nitrogen atmosphere of b, b) raising the temperature to 850 ° C. in a nitrogen atmosphere, c) performing a heat treatment for 3 to 20 minutes in a nitrogen atmosphere of 850 ° C., and d) oxygen of 850 ° C. It provides a heat treatment method for forming a thermal oxide film comprising the step of forming a thermal oxide film in the atmosphere. Accordingly, a heat treatment method of a semiconductor process capable of preventing abnormal growth of tungsten and preventing generation of particles may be implemented on the sidewall of the tungsten silicide film in the process of forming the gate electrode.

Description

Heat treatment method of semiconductor process

본 발명은 반도체 공정의 열처리(Furnace Anneal) 방법에 관한 것으로서, 특히 게이트 전극의 형성 공정에서 텅스텐 실리사이드(Silicide)막의 측벽에, 텅스텐의 이상 성장을 방지할 수 있는 반도체 공정의 열처리 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat treatment method of a semiconductor process, and more particularly, to a heat treatment method of a semiconductor process capable of preventing abnormal growth of tungsten on sidewalls of a tungsten silicide film in a process of forming a gate electrode.

최근 반도체 소자가 서브 미크론 시대로 접어듦에 따라, 저저항의 실리사이드를 이용한 배선 형성 방법이 폭넓게 응용되고 있다. 일반적으로 실리사이드를 형성하기 위한 재료로는 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄등과 같은 금속이 주로 사용되고 있으며, 그 형성 방법은 금속과 실리콘을 고온에서 열처리하는 고상 반응에 의하여 형성되거나, 스퍼터링 또는 화학 기상 증착에 의해 금속을 적층후, 열처리를 실시하여 형성한다. 그러나 열처리 시간이 긴 경우에는 폴리실리콘막에 이온 주입한 인, 붕소, 비소와 같은 불순물이 텅스텐 실리사이드의 내부 또는 외부로 확산되어서 접촉 저항이 높아지는 문제점이 유발된다.Recently, as semiconductor devices enter the sub-micron era, wiring forming methods using low-resistance silicides have been widely applied. In general, metals such as tungsten, molybdenum, titanium, and the like are mainly used as a material for forming silicide, and the formation method is formed by a solid phase reaction of heat-treating metal and silicon at high temperature, or by sputtering or chemical vapor deposition. After the metal is laminated, it is formed by heat treatment. However, when the heat treatment time is long, impurities such as phosphorus, boron, and arsenic ion-implanted into the polysilicon film are diffused into or out of the tungsten silicide, thereby causing a problem of high contact resistance.

첨부된 도면을 참조하여, 종래의 게이트 전극의 형성 공정에서 텅스텐 실리사이드막(Silicide)의 측벽에 텅스텐의 이상 성장이 발생하는 메커니즘을 설명하기로 한다.Referring to the accompanying drawings, a mechanism in which abnormal growth of tungsten occurs on the sidewall of the tungsten silicide film (Silicide) in the conventional process of forming a gate electrode will be described.

도 1 내지 도 3은 종래 기술에 의한 열산화막 형성을 위한 열처리 공정을 설명하기 위한 도면이다.1 to 3 are views for explaining a heat treatment process for forming a thermal oxide film according to the prior art.

도 1을 참조하면, 반도체 기판(1)상에 필드산화막(3)에 의한 소자분리를 완료하고, 반도체 기판(1)의 상부에 게이트 산화막(5), 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(7), 텅스텐 실리사이드막(9)을 순차적으로 형성하여, 게이트 패턴을 형성하기 위한 사진/식각 공정을 진행하였을 때의 단면도이다. 게이트 패턴이 형성될 영역에는 사진/식각을 위한 산화막(11)과 그 상부에 포토레지스트(13)가 적층되어 있다.Referring to FIG. 1, the isolation of the device by the field oxide film 3 is completed on the semiconductor substrate 1, and the gate oxide film 5 and the polysilicon film 7 doped with impurities are formed on the semiconductor substrate 1. And a tungsten silicide film 9 are sequentially formed and a sectional view when a photo / etching process for forming a gate pattern is performed. In the region where the gate pattern is to be formed, an oxide film 11 for photo / etching and a photoresist 13 are stacked thereon.

도 2를 참조하면, 상기 결과물상에 노광 및 현상 공정을 진행하여 포토레지스트(13)를 제거하고, 하부의 텅스텐 실리사이드막(9)과 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(7)의 일부를 최상부에 있는 산화막(11)을 식각마스크로 식각한다. 이어서, 열처리 공정을 진행하여 기판(1)에 형성된 결과물의 전면에 열산화막(15)을 형성하였을 때의 단면도이다.Referring to FIG. 2, the photoresist 13 is removed by performing an exposure and development process on the resultant, and the lower tungsten silicide layer 9 and a part of the polysilicon layer 7 doped with impurities are disposed on the uppermost portion. The oxide film 11 is etched with an etching mask. Next, it is sectional drawing when the thermal oxidation film 15 is formed in the whole surface of the resultant formed in the board | substrate 1 by heat processing process.

여기서 상기 열처리 공정은 산소 분위기에서 650℃의 온도로 진행하는 초기 열처리(Pre furnace anneal)와, 온도를 850℃로 높이고 산소 분위기에서 30분간 진행하는 열산화막(15) 형성을 위한 열처리 단계로 분류된다. 초기 열처리 단계에서 산소의 분위기에서 열처리를 진행할 경우, 텅스텐 실리사이드막(9)의 측벽에서 텅스텐이 산소와 반응하여 이상 성장을 하고, 파티클을 유발시키는 문제점이 있다. 이러한 현상은 텅스텐 실리사이드막(9)의 측벽에 덩어리(lump)와 같은 작은 크기의 결함(17)의 형태로 공정 중에서 발견된다. 이러한 이상 성장에 의한 덩어리와 같은 작은 크기의 결함은(17)은 텅스텐 실리사이드막(9)내의 금속이 장시간의 열처리 중에서 유발되는 결정의 전위라고 볼 수 있으며, 게이트 패턴의 접촉저항을 증가시켜서 트랜지스터의 신뢰도를 저하하는 원인이 되고 있다.Here, the heat treatment process is classified into an initial heat treatment (Pre furnace anneal) proceeding to a temperature of 650 ℃ in the oxygen atmosphere, and a heat treatment step for forming a thermal oxide film 15 to increase the temperature to 850 ℃ and proceed for 30 minutes in the oxygen atmosphere. . When the heat treatment is performed in the atmosphere of oxygen in the initial heat treatment step, there is a problem in that tungsten reacts with oxygen on the sidewall of the tungsten silicide film 9 to abnormally grow and cause particles. This phenomenon is found in the process in the form of small sized defects 17 such as lumps on the sidewalls of the tungsten silicide film 9. Small defects such as agglomerates due to abnormal growth (17) may be regarded as potentials of crystals in which the metal in the tungsten silicide film 9 is induced during a long heat treatment. It is a cause of deterioration of reliability.

도 3은 상기의 열산화막 형성을 위한 열처리 공정을 설명하기 위한 그래프이다. 여기서 X축은 퍼니스(furnace)내에서 열처리가 진행되는 시간이고 Y축은 그때에 온도를 각각 가리킨다. 상세히 설명하면, 초기 열처리에서는 650℃, 20 리터의 산소 분위기에서 소정의 시간 동안의 열처리가 진행된 후, 온도를 850℃로 높이는 소정 시간 동안의 상승단계를 걸쳐서, 온도가 850℃에 도달하면 20 리터의 산소를 주입하여 산소 분위기를 형성하여 열산화막을 형성하는 주기로 되어 있다. 상기 한 주기가 완료되면 다시 초기 열처리를 위하여 온도가 650℃로 다시 하강하는 하강단계로 진행하게 된다.3 is a graph for explaining a heat treatment process for forming the thermal oxide film. The X axis here is the time during which the heat treatment proceeds in the furnace and the Y axis indicates the temperature at that time. In detail, in the initial heat treatment, the heat treatment is performed for a predetermined time in an oxygen atmosphere of 650 ° C. and 20 liters, and then, during the rising step for a predetermined time for raising the temperature to 850 ° C., 20 liters when the temperature reaches 850 ° C. Oxygen is injected to form an oxygen atmosphere to form a thermal oxide film. When the one cycle is completed, the temperature proceeds to the descending step of lowering the temperature again to 650 ° C. for the initial heat treatment.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 게이트 전극의 형성 공정에서 텅스텐 실리사이드(Silicide)의 측벽에 이상 성장을 방지하고, 파티클의 발생을 방지할 수 있는 반도체 공정의 열처리 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a heat treatment method of a semiconductor process that can prevent abnormal growth on the sidewall of tungsten silicide (Silicide) in the process of forming a gate electrode, and can prevent the generation of particles.

도 1 내지 도 3은 종래의 기술에 의한 열산화막 형성을 위한 열처리 공정을 설명하기 위한 도면이다.1 to 3 are views for explaining a heat treatment process for forming a thermal oxide film according to the prior art.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 의한 열산화막 형성을 위한 열처리 공정을 설명하기 위한 도면이다.4 to 6 are views for explaining a heat treatment process for forming a thermal oxide film according to the present invention.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 기판상에 게이트 산화막을 기재하고, 폴리실리콘막, 텅스텐 실리사이드막 및 산화막이 형성된 게이트 패턴을 포함하는 기판의 전면에 열산화막 형성을 위한 열처리 공정에 있어서, a) 650℃의 질소 분위기에서 행하는 초기 열처리 단계와, b)질소 분위기에서 온도를 850℃로 상승시키는 단계와, c)850℃의 질소 분위기에서 3∼20분간 열처리를 하는 단계와, d)850℃의 산소 분위기에서 열산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열산화막 형성을 위한 열처리 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a gate oxide film on a semiconductor substrate, and includes a polysilicon film, a tungsten silicide film, and a heat treatment process for forming a thermal oxide film on the entire surface of a substrate including a gate pattern on which an oxide film is formed. A) an initial heat treatment step performed in a nitrogen atmosphere at 650 ° C., b) raising the temperature to 850 ° C. in a nitrogen atmosphere, c) heat treatment for 3 to 20 minutes in a nitrogen atmosphere at 850 ° C., d It provides a heat treatment method for forming a thermal oxide film comprising the step of forming a thermal oxide film in an oxygen atmosphere of 850 ℃.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4를 참조하면, 반도체 기판(100)상에 필드산화막(102)에 의한 소자분리를 완료하고, 반도체 기판(100)의 상부에 게이트 산화막(104), 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(106), 텅스텐 실리사이드막(108)을 순차적으로 형성하여, 게이트 패턴을 형성하기 위한 사진/식각 공정을 진행하였을 때의 단면도이다. 게이트 패턴이 형성될 영역에는 사진/식각을 위한 마스크로써의 산화막(110)과 포토레지스트(112)가 적층되어 있다.Referring to FIG. 4, the device isolation by the field oxide film 102 is completed on the semiconductor substrate 100, and the gate oxide film 104 and the polysilicon layer 106 doped with impurities are disposed on the semiconductor substrate 100. And a tungsten silicide film 108 are sequentially formed, and a sectional view when a photo / etching process for forming a gate pattern is performed. In the region where the gate pattern is to be formed, an oxide film 110 and a photoresist 112 as a mask for photo / etching are stacked.

도 5를 참조하면, 상기 결과물상에 노광 및 현상 공정을 진행하여 포토레지스트(13)를 제거하고, 하부의 텅스텐 실리사이드막(108)과 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(106)의 일부를 최상부에 있는 산화막(110)을 식각마스크로 식각한다. 이어서, 열처리 공정을 진행하여 기판(100)에 형성된 결과물의 전면에 열산화막(114)을 형성하였을 때의 단면도이다.Referring to FIG. 5, the photoresist 13 is removed by performing an exposure and development process on the resultant, and the lower tungsten silicide layer 108 and a part of the polysilicon layer 106 doped with impurities are disposed on the uppermost portion. The oxide film 110 is etched with an etching mask. Next, it is sectional drawing when the thermal oxidation film 114 is formed in the whole surface of the resultant formed in the board | substrate 100 by performing a heat processing process.

여기서, 본 발명에 의한 열산화막(114)을 형성하기 위한 열처리 방법은, 650℃의 질소 분위기에서 진행하는 초기 열처리 단계와, 질소 분위기에서 온도를 850℃로 상승시키는 단계와, 850℃의 질소 분위기에서 10분간 열처리를 하는 단계와, 850℃의 산소 분위기에서 30분간 열산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the heat treatment method for forming the thermal oxide film 114 according to the present invention, the initial heat treatment step proceeds in a nitrogen atmosphere of 650 ℃, the step of raising the temperature to 850 ℃ in nitrogen atmosphere, 850 ℃ nitrogen atmosphere Heat-treating for 10 minutes, and forming a thermal oxide film for 30 minutes in an oxygen atmosphere of 850 ℃.

왜냐하면 산소 분위기 대신에 질소 분위기에서 초기 열처리를 진행하면, 파티클의 유발 및 텅스텐 실리사이드막의 측벽에 이상 성장을 방지할 수 있다. 이러한 질소 분위기에서의 초기 열처리 공정은, 공정의 시작전에 정체시간이 12시간까지 지연되어도 텅스텐 실리사이드막의 측벽에 덩어리(lump)와 같은 작은 크기의 결함이 발견되지 않는 것이 관찰되었다. 그러나, 후속되는 열산화막 형성을 위한 열처리 공정에서 산소를 다시 퍼니스내에 주입하고, 온도를 650℃에서 850℃로 상승시켜 열산화막을 형성할 때, 일단 온도가 850℃에 도달하면 퍼니스내에 질소의 배기여부(hunting)에 관계없이 산소를 공급하여 열산화막(15)을 형성할 경우에는, 종래의 기술에서 설명되었던 텅스텐 실리사이드막(108)의 측벽에 이상 성장에 의한 작은 크기를 갖는 결함이 유발되기 때문이다.Because the initial heat treatment is carried out in a nitrogen atmosphere instead of an oxygen atmosphere, it is possible to prevent the generation of particles and abnormal growth on the sidewall of the tungsten silicide film. In the initial heat treatment step in the nitrogen atmosphere, it was observed that a small size defect such as a lump was not found on the side wall of the tungsten silicide film even if the retention time was delayed by 12 hours before the start of the process. However, in the subsequent heat treatment process for forming the thermal oxide film, when oxygen is again injected into the furnace and the temperature is raised from 650 ° C to 850 ° C to form a thermal oxide film, once the temperature reaches 850 ° C, the nitrogen is exhausted into the furnace. When the thermal oxide film 15 is formed by supplying oxygen regardless of hunting, a defect having a small size due to abnormal growth is caused on the sidewall of the tungsten silicide film 108 described in the prior art. to be.

결국, 질소가 배기되고 산소가 주입되는 전이시간이 공정의 가장 불완전한 요소이고, 이상 성장에 의한 작은 크기를 갖는 결함을 유발하는 원인이 되는데, 본 발명에 의한 열처리 공정에서는 3∼20분 동안, 860℃의 질소 분위기에서 추가로 열처리를 시행함으로써 열산화막이 형성되기 전까지 산소의 존재를 최소화하였다.As a result, the transition time in which nitrogen is exhausted and oxygen is injected is the most incomplete element of the process, and causes a defect having a small size due to abnormal growth. In the heat treatment process according to the present invention, for 3 to 20 minutes, 860 The heat treatment was further performed in a nitrogen atmosphere at ℃ to minimize the presence of oxygen until the thermal oxide film was formed.

따라서, 열처리 공정에서 문제가 되는 이상 성장에 의한 작은 크기의 결함이 발생하는 것을 방지하였다.Therefore, small sized defects due to abnormal growth, which are problematic in the heat treatment step, are prevented from occurring.

도 6은 본 발명에 의한 열처리 공정의 단계를 설명하기 위한 그래프이다. 여기서 X축은 퍼니스내에서 열처리가 진행되는 시간이고 Y축은 그때에 온도를 각각 가리킨다. 상세히 설명하면, 초기 열처리에서는 650℃, 20 리터의 질소 분위기에서 소정의 시간 동안의 열처리가 진행된 후, 온도를 850℃로 높이는 일정 기간 동안의 상승단계를 걸쳐서, 온도가 850℃에 도달하면 3∼20분동안의 추가로 열처리를 실시하여 텅스텐 실리사이드막의 측벽에 이상 성장에 의한 작은 크기를 갖는 결함이 발생하는 것을 방지한후, 20리터의 산소를 주입하여 산소 분위기를 형성하여 열산화막을 형성하는 것이, 한 주기로 되어 있다.6 is a graph for explaining the steps of the heat treatment process according to the present invention. The X axis here is the time during which the heat treatment proceeds in the furnace and the Y axis indicates the temperature at that time. In detail, in the initial heat treatment, after the heat treatment is performed for a predetermined time in a nitrogen atmosphere of 650 ° C. and 20 liters, the temperature is increased to 850 ° C. over a predetermined period of time to increase the temperature to 850 ° C., when the temperature reaches 850 ° C. After further heat treatment for 20 minutes to prevent a small sized defect from occurring due to abnormal growth on the sidewall of the tungsten silicide film, 20 liters of oxygen is injected to form an oxygen atmosphere to form a thermal oxide film. , One cycle.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속한 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit to which the present invention belongs.

따라서, 상술한 본 발명에 따르면, 게이트 전극의 형성 공정에서 텅스텐 실리사이드(Silicide)의 측벽에 이상 성장을 방지하고 파티클의 발생을 방지할 수 있는 반도체 공정의 열처리 방법을 구현할 수 있다.Therefore, according to the present invention described above, it is possible to implement a heat treatment method of the semiconductor process that can prevent abnormal growth on the side wall of the tungsten silicide (Siilicide) in the process of forming the gate electrode and prevent the generation of particles.

Claims

The heat treatment step for forming a thermal oxide film on the entire surface of the substrate including the gate oxide film on the semiconductor substrate and the gate pattern on which the polysilicon film, the tungsten silicide film, and the oxide film are formed includes: a) an initial heat treatment performed in a nitrogen atmosphere at 650 ° C. B) raising the temperature to 850 ° C. in a nitrogen atmosphere, c) performing a heat treatment for 3 to 20 minutes in a nitrogen atmosphere at 850 ° C., and d) forming a thermal oxide film in an oxygen atmosphere at 850 ° C. Heat treatment method for forming a thermal oxide film, characterized in that it comprises a.