KR20020045188A - Method for fabricating of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 재산화 공정시에 NO 가스를 도입하여 핫 캐리어에 대한 내성을 높인 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device in which NO gas is introduced during the reoxidation process to increase resistance to hot carriers.
0.25㎛급 이상의 고집적 소자의 제조 기술에서는 핫 캐리어 효과가 상대적으로 큰 thick NMOS 트랜지스터의 HCI(Hot Carrier Immunity)를 개선하기 위하여 추가적인 마스크 공정을 추가하여 thick NMOS 트랜지스터의 LDD(Lightly doped drain) 영역에만 별도의 이온 주입 공정을 진행한다.In the fabrication technology of 0.25μm or more high-density devices, an additional mask process is added to improve hot carrier immunity (HCI) of thick NMOS transistors with a relatively high hot carrier effect. The ion implantation process is performed.
이는 드레인 영역의 도핑 프로파일을 완화시켜 드레인 에지 영역의 전계(Electric Field)를 감소시키기 위한 것이다.This is to alleviate the doping profile of the drain region to reduce the electric field of the drain edge region.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 반도체 소자의 제조 공정에 관하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a manufacturing process of a semiconductor device of the prior art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a내지 도 1f는 종래 기술의 반도체 소자의 제조를 위한 공정 단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views of a process for fabricating a semiconductor device of the prior art.
도 1a에서와 같이, 반도체 기판(1)상에 게이트 산화막(2),게이트 형성용 물질층 예를들면, 폴리 실리콘층(3)을 차례로 형성한다.As shown in FIG. 1A, a gate oxide film 2 and a material layer for forming a gate, for example, a polysilicon layer 3 are sequentially formed on the semiconductor substrate 1.
이어, 도 1b에서와 같이, 상기 게이트 산화막(2) 및 폴리 실리콘층(3)을 선택적으로 패터닝하여 게이트 산화막(2a), 게이트 전극(3a)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1B, the gate oxide film 2 and the polysilicon layer 3 are selectively patterned to form the gate oxide film 2a and the gate electrode 3a.
그리고 도 1c에서와 같이, 상기 패터닝 공정에서 액티브 영역에 가해진 데미지를 복원하고 게이트 전극의 에지 부분의 게이트 산화막 특성을 향상시키기 위하여 재산화 공정으로 전면에 재산화막(4)을 형성한다.As shown in FIG. 1C, a reoxidation film 4 is formed on the entire surface by a reoxidation process in order to restore damage to the active region in the patterning process and to improve gate oxide film characteristics of the edge portion of the gate electrode.
이어, 도 1d에서와 같이, 상기 게이트 전극(3a)을 마스크로 하여 저농도 불순물을 주입하여 LDD 영역을 형성하기 위한 저농도 불순물 영역(5)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1D, a low concentration impurity region 5 for forming an LDD region is formed by implanting low concentration impurities using the gate electrode 3a as a mask.
이와 같이 LDD 영역을 형성하기 위한 저농도 불순물 영역(5)을 형성한후에 도면에 도시하지 않았지만, 추가적인 마스크 공정으로 thick NMOS 트랜지스터의 LDD 영역에만 별도의 이온 주입 공정을 하여 드레인 영역의 도핑 프로파일을 완화시켜 핫 캐리어 효과를 억제한다.Although the low concentration impurity region 5 for forming the LDD region is formed as described above, although not shown in the drawing, a separate ion implantation process is applied only to the LDD region of the thick NMOS transistor as an additional mask process to relax the doping profile of the drain region, thereby making it hot. Suppresses the carrier effect.
그리고 도 1e에서와 같이, 전면에 게이트 스페이서를 형성하기 위한 나이트라이드층(6)을 형성한다.As shown in FIG. 1E, a nitride layer 6 for forming a gate spacer is formed on the entire surface.
이어, 도 1f에서와 같이, 상기 나이트라이드층(6)을 이방성 식각하여 게이트 전극(3a)의 측면에 게이트 측벽(6a)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1F, the nitride layer 6 is anisotropically etched to form a gate sidewall 6a on the side of the gate electrode 3a.
그리고 소오스/드레인을 형성하기 위한 고농도 불순물 이온을 정의하여 소오스/드레인 영역(7)을 형성한다.The source / drain region 7 is formed by defining a high concentration of impurity ions for forming the source / drain.
이와 같은 종래 기술의 반도체 소자의 제조 방법은 게이트 전극의 패터닝 공정에서 액티브 영역에 가해진 데미지를 복원하고 게이트 전극의 에지 부분의 게이트 산화막 특성을 향상시키기 위하여 재산화 공정을 채택하고, 추가적인 마스크 공정으로 thick NMOS 트랜지스터의 LDD 영역에만 별도의 이온 주입 공정을 하여 드레인 영역의 도핑 프로파일을 완화시켜 핫 캐리어 효과를 억제한다.Such a conventional method of manufacturing a semiconductor device adopts a reoxidation process to restore the damage to the active region in the patterning process of the gate electrode and to improve the gate oxide film characteristics of the edge portion of the gate electrode, and as a further mask process, A separate ion implantation process is applied only to the LDD region of the NMOS transistor to alleviate the doping profile of the drain region to suppress the hot carrier effect.
그러나 이와 같은 종래 기술의 반도체 소자의 제조 방법은 다음과 같은 문제가 있다.However, such a conventional method of manufacturing a semiconductor device has the following problems.
CMOS 소자의 제조 기술이 서브-미크론화되면서 소자의 신뢰성의 주요 기준이 되는 핫 캐리어 효과의 억제 방법이 공정을 복잡하게 하고 제조 비용의 증가를 가져온다.As the manufacturing technology of CMOS devices is sub-micron, the method of suppressing the hot carrier effect, which is a major criterion of device reliability, complicates the process and increases the manufacturing cost.
또한, 추가적인 마스크/이온 주입 공정에 의한 결함은 수율을 감소시키는 원인으로 작용한다.In addition, defects caused by additional mask / ion implantation processes contribute to reduced yields.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 반도체 소자의 제조 방법의 문제를 해결하기 위한 것으로, 재산화 공정시에 NO 가스를 도입하여 핫 캐리어에 대한 내성을 높인 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem of the conventional method of manufacturing a semiconductor device, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having improved resistance to hot carriers by introducing NO gas during the reoxidation process. .
도 1a내지 도 1f는 종래 기술의 반도체 소자의 제조를 위한 공정 단면도1A to 1F are cross-sectional views of a process for fabricating a semiconductor device of the prior art.
도 2a내지 도 2g는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조를 위한 공정 단면도2A to 2G are cross-sectional views of a process for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
도 3은 NO 어닐링에 따른 HCI의 증가를 나타낸 특성 그래프3 is a characteristic graph showing an increase in HCI according to NO annealing
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21. 반도체 기판 22a. 게이트 산화막21. Semiconductor substrate 22a. Gate oxide
23a. 게이트 전극 24. 재산화막23a. Gate electrode 24. Reoxidation film
24a. 질소 축적 재산화막 25. 저농도 불순물 영역24a. Nitrogen accumulation reoxidation film 25. Low concentration impurity region
26. 나이트라이드층 26a. 게이트 스페이서26. Nitride layer 26a. Gate spacer
27. 소오스/드레인 영역27. Source / Drain Areas
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판상에 게이트 산화막, 폴리실리콘층을 형성하고 선택적으로 패터닝하여 게이트 전극을 형성하는 단계;재산화 공정으로 전면에 재산화막을 형성하는 단계;NO 어닐 공정으로 상기 재산화막내에 질소를 축적시켜 질소 축적 재산화막을 형성하는 단계;게이트 전극을 마스크로 하여 저농도 불순물을 주입하는 단계;게이트 스페이서를 형성하고 고농도 불순물을 주입하여 소오스/드레인을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of forming a gate oxide film, a polysilicon layer on the semiconductor substrate and selectively patterning to form a gate electrode; Forming a nitrogen accumulation reoxidation film by accumulating nitrogen in the reoxidation film by a NO annealing process; implanting low concentration impurities using a gate electrode as a mask; forming a gate spacer and injecting a high concentration impurity / Forming a drain.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 공정에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2a내지 도 2g는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조를 위한 공정 단면도이고, 도 3은 NO 어닐링에 따른 HCI의 증가를 나타낸 특성 그래프이다.2A to 2G are cross-sectional views of a process for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, and FIG. 3 is a characteristic graph showing an increase in HCI according to NO annealing.
먼저 도 2a에서와 같이, 반도체 기판(21)상에 게이트 산화막(2),게이트 형성용 물질층 예를들면, 폴리 실리콘층(3)을 차례로 형성한다.First, as shown in FIG. 2A, a gate oxide film 2 and a material layer for forming a gate, for example, a polysilicon layer 3 are sequentially formed on the semiconductor substrate 21.
이어, 도 2b에서와 같이, 상기 게이트 산화막(22) 및 폴리 실리콘층(23)을 선택적으로 패터닝하여 게이트 산화막(22a), 게이트 전극(23a)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, the gate oxide film 22 and the polysilicon layer 23 are selectively patterned to form the gate oxide film 22a and the gate electrode 23a.
그리고 도 2c에서와 같이, 상기 패터닝 공정에서 액티브 영역에 가해진 데미지를 복원하고 게이트 전극의 에지 부분의 게이트 산화막 특성을 향상시키기 위하여 재산화 공정으로 전면에 20 ~ 35Å 두께의 재산화막(24)을 형성한다.As shown in FIG. 2C, a reoxidation film 24 having a thickness of 20 to 35 Å is formed on the entire surface by a reoxidation process in order to restore damage to the active region in the patterning process and to improve gate oxide film characteristics of the edge portion of the gate electrode. do.
여기서, 재산화 공정을 800 ~ 850℃의 온도로 습식 O2처리를 하여 진행한다.Here, the reoxidation process is carried out by a wet O 2 treatment at a temperature of 800 ~ 850 ℃.
이어, 도 2d에서와 같이, NO 가스를 사용한 어닐 공정을 800 ~ 850℃의 온도로 10 ~ 30분간 진행하여 상기 재산화막내에 질소가 축적되도록 하여 질소 축적 재산화막(24a)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 2D, an annealing process using NO gas is performed at a temperature of 800 to 850 ° C for 10 to 30 minutes to allow nitrogen to accumulate in the reoxidation film to form a nitrogen accumulation reoxidation film 24a.
여기서, NO 가스 대신에 N2O 또는 NH3가스를 사용하여 어닐 공정을 진행하는 것도 가능하다.Here, by using the N 2 O or NH 3 gas in place of NO gas it is also possible to proceed with the annealing process.
이와 같은 질소 가스를 사용한 어닐 공정으로 게이트 전극(23a)의 측면 기판상의 SiO2/Si 계면에는 질소(Nitrogen)가 파일 업(pile-up)된다.In this annealing process using nitrogen gas, nitrogen is piled up at the SiO 2 / Si interface on the side substrate of the gate electrode 23a.
이러한 질소의 축적은 Si-O보다 상대적으로 본딩 에너지가 높은 Si-N 결합이 생성되며 이는 핫 캐리어의 임팩트에 대한 내성을 증가시킨다.This accumulation of nitrogen produces Si-N bonds with a relatively higher bonding energy than Si-O, which increases the resistance to impact of hot carriers.
통상적으로 NMOS 트랜지스터에서의 핫 캐리어 효과는 폴리 게이트 전극의 에지 부분과 소오스/드레인 영역의 Si의 계면 사이에 인터페이스 트랩을 생성하여 문턱 전압의 증가 및 드레인 포화 전류(Idsat)의 감소를 가져오는데 질소 축적 재산화막(24a)은 이를 억제한다.Typically, the hot carrier effect in NMOS transistors creates an interface trap between the edge of the poly gate electrode and the interface of Si in the source / drain regions, resulting in an increase in threshold voltage and a reduction in drain saturation current (Idsat). The reoxidation film 24a suppresses this.
즉, 도 3에서와 같이, NO 어닐링 공정에 의해 핫 캐리어의 라이프 타임이 0.16에서 0.28로 크게 증가하였다.(ⓐ →ⓑ)That is, as shown in FIG. 3, the NO carrier annealing process greatly increased the lifetime of the hot carrier from 0.16 to 0.28. (Ⓐ → ⓑ)
이어, 도 2e에서와 같이, 상기 게이트 전극(23a)을 마스크로 하여 저농도 불순물을 주입하여 LDD 영역을 형성하기 위한 저농도 불순물 영역(25)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2E, a low concentration impurity region 25 for forming an LDD region is formed by implanting low concentration impurities using the gate electrode 23a as a mask.
그리고 도 2f에서와 같이, 전면에 게이트 스페이서를 형성하기 위한 나이트라이드층(26)을 형성한다.As shown in FIG. 2F, a nitride layer 26 is formed on the entire surface to form the gate spacer.
이어, 도 2g에서와 같이, 상기 나이트라이드층(26)을 이방성 식각하여 게이트 전극(23a)의 측면에 게이트 측벽(26a)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 2G, the nitride layer 26 is anisotropically etched to form the gate sidewall 26a on the side of the gate electrode 23a.
그리고 소오스/드레인을 형성하기 위한 고농도 불순물 이온을 정의하여 소오스/드레인 영역(27)을 형성한다.The source / drain region 27 is formed by defining a high concentration of impurity ions for forming the source / drain.
이와 같은 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 게이트 전극의 패터닝 공정에서 액티브 영역에 가해진 데미지를 복원하고 게이트 전극의 에지 부분의 게이트 산화막 특성을 향상시키기 위하여 재산화 공정을 채택하고, 마스크/이온 주입 공정을 채택하지 않고 NO 어닐 공정을 이용하여 HCI를 증가시킨 것이다.Such a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention adopts a reoxidation process to restore damage to the active region in the patterning process of the gate electrode and to improve the gate oxide film characteristics of the edge portion of the gate electrode, and mask / ion implantation The HCI was increased using the NO annealing process without adopting the process.
이와 같은 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.Such a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention has the following effects.
소자의 신뢰성의 주요 기준이 되는 핫 캐리어 효과의 억제 방법을 단순한 어닐 공정에 의해 진행하여 전체 공정을 단순화하고 제조 비용을 감소하는 효과가 있다.The method of suppressing the hot carrier effect, which is a major criterion of the reliability of the device, is performed by a simple annealing process, thereby simplifying the overall process and reducing the manufacturing cost.
이는 추가적인 마스크/이온 주입 공정을 사용하지 않아 결함의 발생을 억제하는 효과가 있다.This has the effect of suppressing the occurrence of defects by not using an additional mask / ion implantation process.
또한, 핫 캐리어 효과를 억제하는 효과를 증가시켜 소자의 신뢰성을 높이는 효과가 있다.In addition, there is an effect of increasing the reliability of the device by increasing the effect of suppressing the hot carrier effect.
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