KR20010008591A - 반도체장치의 게이트전극 제조방법 - Google Patents

반도체장치의 게이트전극 제조방법 Download PDF

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Abstract

반도체장치의 게이트전극 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명은 기판 전면에 게이트산화막, 도프트 폴리실리콘막 및 텅스텐막을 순차적으로 적층한 후에 게이트 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 텅스텐막을 패터닝하며, 패터닝된 구조물에 폴리실리콘을 증착하며, 폴리실리콘막 및 하부 도프트 폴리실리콘막을 식각해서 텅스텐 패턴의 측벽에 사이드월 스페이서를 형성하면서 동시에 그 패턴 하부에 도프트 폴리실리콘막 패턴을 형성하여 게이트전극을 정의하며, 게이트전극이 형성된 결과물에 산화박막을 형성하고 게이트전극을 마스크로 삼아 기판 근방에 도전형 불순물을 저농도로 주입하여 LDD 영역을 형성하는 제조 공정으로 이루어진다. 이에 따라, 본 발명은 게이트전극 패터닝 후에 LDD를 위한 산화막 공정시 게이트전극의 텅스텐 막질의 블로우-업(blow up) 현상을 방지할 수 있어 안정된 계면을 갖는 게이트전극을 확보할 수 있다.

Description

반도체장치의 게이트전극 제조방법{Method of forming gate electrode in semiconductor device}
본 발명은 반도체소자의 트랜지스터 제조방법에 관한 것으로서, 특히 텅스텐 내지 텅스텐 실리사이드를 포함하는 게이트전극 제조시 게이트전극의 측벽의 토포로지를 균일하게 하는 기술이다.
대개 반도체소자의 게이트전극은 도프트 폴리실리콘을 사용하여 도전성을 갖고 있는데, 반도체 장치의 고집적도에 따라 디자인룰이 작아질 경우 폴리실리콘의 높은 비저항으로 인해 면저항이 증가하게 된다. 그러면, 게이트전극의 면저항이 증가하면 집적회로 내에서 신호 전송 시간이 지연되어 소자의 동작속도를 향상시키는데 문제가 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 게이트전극 물질로서 폴리실리콘 상부에 비저항이 낮으면서도 고온에서 안정한 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등의 고융점 금속을 추가한 금속 게이트전극을 형성하고 있다.
그중에서도 텅스텐을 사용한 금속 게이트는 소자의 고집적화에 따른 신호처리 속도 개선의 측면에서 기존 폴리사이드 게이트전극을 대체하고 있는 실정에 있다.
일반적으로 게이트전극내 텅스텐층 내지 텅스텐실리사이드층은 이후 열공정시 텅스텐층(또는 텅스텐실리사이드층) 고온의 산화 공정에 의해 결정립(grain)을 형성하게 되고 이 결정립계(grain boundray)를 따라 산소(O2)가 텅스텐층에 침투하여 산화텅스텐(WO3)막을 형성한다.
또한, 텅스텐 증착후의 게이트전극의 패터닝 공정시 발생되는 게이트전극 측벽의 식각 손상과 LDD(lightly doped drain)(핫 캐리어 효과의 감소와 소스/드레인의 전기적 특성의 개선용)의 이온 주입시 스크린(screen) 역할을 하는 산화막을 형성하는 제조 공정에서도 게이트전극 측면에서 텅스텐(W)과 O2가 화학반응을 일으켜 산화 텅스텐(WO3)막을 형성한다. 이러한 텅스텐 원자와 O2원자간의 급격한 화학반응에 의하여 게이트전극의 측벽이 바깥쪽으로 변형되는 블로우업(blow-up) 현상이 발생하게 된다. 블로우업 현상은 게이트전극의 측벽이 변형되어 토포로지가 불균일해짐에 따라 게이트전극간 단락을 발생하거나 LDD의 불순물 이온 주입 농도 분포가 변화되고 정확한 콘택홀 면적을 확보하는데 어려움이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 텅스텐 게이트전극 형성후 식각 공정에 의한 게이트산화막의 손상을 보상하면서 이온주입의 스크린 역할을 하는 산화막 증착 공정전에 게이트전극 측벽에 폴리실리콘으로 이루어진 사이드월 스페이서를 형성함으로써 산소와 텅스텐간의 화학반응을 방지하여 게이트전극의 측면 블로우업 현상을 최소화하여 양호한 게이트전극의 토포로지를 확보할 수 있는 반도체장치의 게이트전극 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 반도체장치의 게이트전극 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 실리콘 기판 12: 게이트산화막
14: 도프트 폴리실리콘막 16: 텅스텐막/텅스텐실리사이드막
18: 하드마스크 20: 비반사막
22: 포토레지스트 패턴 24: 폴리실리콘막
24: 사이드월 스페이서 26: 산화막
28: LDD영역
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 활성 영역 및 소자 분리 영역으로 정의된 반도체기판의 활성 영역에 게이트산화막, 도프트 폴리실리콘막 및 텅스텐막 내지 텅스텐실리사이드막이 적층된 게이트전극을 갖는 반도체장치의 제조 방법에 있어서, 기판 전면에 게이트산화막, 도프트 폴리실리콘막 및 텅스텐막 내지 텅스텐실리사이드를 순차적으로 적층하는 단계와, 기판의 활성 영역에 적층된 텅스텐막 내지 텅스텐실리사이드막을 패터닝하는 단계와, 패터닝된 구조물에 폴리실리콘을 증착하는 단계와, 폴리실리콘막 및 하부 도프트 폴리실리콘막을 식각해서 텅스텐 패턴의 측벽에 사이드월 스페이서를 형성하면서 동시에 그 패턴 하부에 도프트 폴리실리콘막 패턴을 형성하여 게이트전극을 정의하는 단계와, 게이트전극이 형성된 결과물에 산화박막을 형성하고, 게이트전극을 마스크로 삼아 기판 근방에 도전형 불순물을 저농도로 주입하여 LDD 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 반도체장치의 게이트전극 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도로서, 이를 참조하여 본 발명의 게이트전극 제조 방법은 다음과 같다. 본 실시예에서는 게이트전극이 도프트 폴리실리콘막/텅스텐막/하드마스크/비반사막이 적층된 구조로 한다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체기판으로서 실리콘기판(10)에 소자의 활성 영역 및 분리 영역을 정의하기 위한 필드산화막(도시하지 않음)을 형성하고, 그 전면에 게이트산화막(12), 도프트 폴리실리콘막(14) 및 텅스텐막(16)을 순차적으로 적층한다. 이때, 게이트산화막(12)은 50∼100Å, 도프트 폴리실리콘막(14)은 400∼1000Å, 텅스텐막(16)은 500∼1600Å의 두께로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 폴리실리콘막(14)과 텅스텐막(16) 사이에 도전성 이온의 확산을 방지하는 질화텅스텐막(WN)을 추가할 수도 있다.
텅스텐(16)의 증착은 500∼650℃의 온도에서 화학기상증착법을 이용해서 실시하며, 반응기체로서 WF6와 H2를 이용하며 WF6와 H2의 혼합비는 2∼3.5:1∼1.9로 한다. 한편, 텅스텐(16)의 결정구조는 증착온도와 후속 열공정의 온도를 600∼900℃로 조절할 경우 주상정 구조에서 등방정 구조로 변화되기 때문에 그 결정립이 안정된 상태를 가지게 된다.
그리고, 텅스텐막(16) 상부에 포토레지스트 패턴을 이용한 하부 구조물의 식각시 정확한 패터닝을 도와주는 하드마스크(18)와 비반사막(20)을 적층한다.
이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 게이트 마스크를 이용한 사진 공정을 진행하여 상기 비반사막(20) 상부에 포토레지스트 패턴(22)을 형성하고, 플라즈마 건식식각을 이용하여 상기 비반사막(20)과 하드마스크(18)를 선택식각한다. 그리고, 패터닝된 비반사막(20') 및 하드마스크(18')에 따라 하부의 텅스텐막(16)을 식각한 후에 포토레지스트 패턴(22)을 제거한다. 이때, 식각 공정은 텅스텐막(16')이 남지않도록 과도한 식각 공정을 실시하며 그 과도 식각으로 인해서 도프트 폴리실리콘막(14)의 소정 부분이 식각된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 구조물에 폴리실리콘(24)을 증착한다. 이때, 폴리실리콘은 불순물이 도핑되어 있거나 도핑되어 있지 막질이며 특히 저항 측면에서는 도프트 폴리실리콘을 사용하는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 폴리실리콘의 증착 공정은 저압 화학기상증착법을 이용하며 500∼700℃의 챔버 온도에서 실시되며 그 증착두께는 50∼400Å로 한다.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 폴리실리콘막(24) 및 하부 도프트 폴리실리콘막(14')을 전면 식각(blanket etch)공정으로 식각해서 텅스텐 패턴(16')의 측벽에 사이드월 스페이서(24')를 형성하면서 동시에 그 패턴(16') 하부에 도프트 폴리실리콘막 패턴(14')을 형성하여 게이트전극(G)을 정의한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 게이트전극(G)이 형성된 결과물에 산화박막(26)을 형성하고, 게이트전극(G)을 마스크로 삼아 기판 근방에 도전형 불순물로서 P(phosporus)을 저농도로 주입하여 LDD 영역(28)을 형성한다. 이로 인해, 상기 산화박막(26)과 게이트전극의 텅스텐막(16') 사이에는 폴리실리콘으로 이루어진 스페이서(24')가 형성되어 있으므로 텅스텐(W)과 산소(O2)의 반응이 최소화되어 균일한 게이트전극 측벽 토포로지를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은, 텅스텐 게이트전극의 측벽쪽에 WOx 화합물 생성 억제하기 위하여 텅스텐막과 맞닿는 게이트전극 측벽에 폴리실리콘으로 이루어진 스페이서를 형성함으로써 LDD 구조를 위한 산화막 공정시 정상적인 게이트전극의 선폭을 확보하여 균일 단면적을 갖는 게이트전극을 제조한다.
이에 따라, 반도체장치의 이온주입농도 분포의 정확도가 높아져 트랜지스터의 전기적 특성이 향상되고 이후, 콘택홀 식각 공정시 콘택홀 면적의 정확도가 높아진다.

Claims (4)

  1. 활성 영역 및 소자 분리 영역으로 정의된 반도체기판의 활성 영역에 게이트산화막, 도프트 폴리실리콘막 및 텅스텐막 내지 텅스텐실리사이드막이 적층된 게이트전극을 갖는 반도체장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 기판 전면에 게이트산화막, 도프트 폴리실리콘막 및 텅스텐막 내지 텅스텐실리사이드를 순차적으로 적층하는 단계;
    상기 기판의 활성 영역에 적층된 텅스텐막 내지 텅스텐실리사이드막을 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 구조물에 폴리실리콘을 증착하는 단계;
    상기 폴리실리콘막 및 하부 도프트 폴리실리콘막을 식각해서 텅스텐 패턴의 측벽에 사이드월 스페이서를 형성하면서 동시에 그 패턴 하부에 도프트 폴리실리콘막 패턴을 형성하여 게이트전극을 정의하는 단계; 및
    상기 게이트전극이 형성된 결과물에 산화박막을 형성하고, 게이트전극을 마스크로 삼아 기판 근방에 도전형 불순물을 저농도로 주입하여 LDD 영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체장치의 게이트전극 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 사이드월 스페이서를 위한 폴리실리콘은 불순물이 도핑되어 있거나 도핑되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 반도체장치의 게이트전극 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 사이드월 스페이서를 위한 폴리실리콘의 증착 공정은 저압 화학기상증착법을 이용하며 500∼700℃의 챔버 온도에서 실시되며 그 증착두께는 50∼400Å인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 게이트전극 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 텅스텐막 내지 텅스텐실리사이드 패터닝 공정시 과도 식각 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 게이트전극 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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