KR20030055940A - Method for fabricating of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조에 관한 것으로, 특히 살리사이드 공정을 진행하기 전에 SEG(selective epitaxial growth) 공정으로 게이트 면적을 증대시켜 저저항 및 우수한 열적 안정성을 갖도록한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the manufacture of semiconductor devices, and more particularly, to a method of manufacturing a semiconductor device having a low resistance and excellent thermal stability by increasing the gate area by a selective epitaxial growth (SEG) process before proceeding with the salicide process.
일반적으로 고속의 반도체 소자를 구성하기 위하여 게이트 전극과 소오스/드레인 영역의 면저항과 콘택 저항을 감소시켜야 한다. 이를 위하여, 게이트 전극과 소오스/드레인 영역에만 선택적으로 비저항이 낮은 실리사이드(silicide)를 형성시키는 살리사이드 공정이 널리 사용되고 있다.In general, in order to form a high-speed semiconductor device, the sheet resistance and the contact resistance of the gate electrode and the source / drain regions should be reduced. For this purpose, a salicide process for forming silicide with low resistivity selectively in the gate electrode and the source / drain regions is widely used.
특히 1G 이상의 DRAM 또는 로직(logic) 및 통합 메모리 로직(Merged Memory Logic; MML) 소자 등의 게이트 특성을 향상시키기 위해 살리사이드 게이트 공정이 많이 적용되고 있다.In particular, salicide gate processes have been widely applied to improve gate characteristics of 1G DRAM or more logic and integrated memory logic (MML) devices.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 게이트 전극 형성에 관하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the gate electrode formation according to the related art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a내지 도 1d는 종래 기술의 게이트 전극 형성을 위한 공정 단면도이다.1A to 1D are cross-sectional views of a process for forming a gate electrode of the prior art.
도 1a에서와 같이, 반도체 기판(11)의 소자 격리 영역에 필드 산화막(12)을 성장시킨 후 반도체 기판(11)의 액티브 영역에 게이트 산화막(13)을 형성한다.As shown in FIG. 1A, the field oxide film 12 is grown in the device isolation region of the semiconductor substrate 11, and then the gate oxide film 13 is formed in the active region of the semiconductor substrate 11.
이어, 게이트 산화막(13) 상부에 폴리실리콘층을 형성한후 선택적으로 패터닝하여 게이트 전극(14)을 형성한다.Subsequently, a polysilicon layer is formed on the gate oxide layer 13 and then selectively patterned to form the gate electrode 14.
그리고 상기 게이트 전극(14)을 마스크로 하여 반도체 기판(11)의 표면내에 불순물 이온을 주입하여 LDD(Lightly Doped Drain)영역을 형성하기 위한 저농도 불순물 영역(15)을 형성한다.In addition, the impurity ions are implanted into the surface of the semiconductor substrate 11 using the gate electrode 14 as a mask to form a low concentration impurity region 15 for forming a lightly doped drain (LDD) region.
이어, 도 1b에서와 같이, 상기의 게이트 전극(14) 및 저농도 불순물영역(15)을 포함하는 전면에 측벽 형성용 물질층을 증착하고 이방성 식각 공정으로 게이트 전극(14)의 측면에 게이트 측벽(16)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1B, a material layer for forming sidewalls is deposited on the entire surface including the gate electrode 14 and the low concentration impurity region 15, and the gate sidewalls are formed on the side of the gate electrode 14 by an anisotropic etching process. 16).
그리고 상기 게이트 측벽(16)을 포함하는 전면에 불순물 이온을 주입하여 게이트 전극(14) 양측의 액티브 표면내에 소오스/드레인 영역(17)을 형성한다.Impurity ions are implanted into the entire surface including the gate sidewall 16 to form source / drain regions 17 in active surfaces on both sides of the gate electrode 14.
이어, 도 1c에서와 같이, 전면에 고융점 금속 예를들면, Co, Ti등의 물질을 증착하여 실리사이드 형성용 물질층(18)을 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 1C, a material of high melting point metal such as Co and Ti is deposited on the entire surface to form a silicide forming material layer 18.
그리고 도 1d에서와 같이, 상기 실리사이드 형성용 물질층(18)을 열처리 공정으로 실리사이드화하여 액티브 표면 및 게이트 전극(14)의 상면에 살리사이드층(19)을 형성하고, 미반응의 실리사이드 형성용 물질층(18)을 제거한다.As shown in FIG. 1D, the silicide forming material layer 18 is silicided to form a salicide layer 19 on the active surface and the top surface of the gate electrode 14, thereby forming unreacted silicide. The material layer 18 is removed.
이와 같은 실리사이드 공정시에 열처리등의 공정 조건에 의해 살리사이드층이 불균일하게 형성되거나 뭉침 현상(agglomerate)이 발생될 수 있다.In the silicide process, the salicide layer may be unevenly formed or agglomerated due to process conditions such as heat treatment.
이와 같이 불균일하게 형성된 실리사이드는 소자 결함 또는 필드 산화막에서의 누설 전류 등의 문제를 야기한다.The non-uniformly formed silicide causes problems such as device defects or leakage currents in the field oxide film.
그러나 이와 같은 종래 기술의 반도체 소자의 게이트 전극 형성 공정에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있다.However, in the gate electrode forming process of the semiconductor device of the prior art, there are the following problems.
살리사이드층의 뭉침 현상(agglomerate)을 제어하지 못하여 누설 전류 등의 문제를 야기하고, 접합 두께가 0.1㎛ 이하로 얇아지면 불균일한 실리사이드로 인해 접합층 자체에서의 누설 문제도 심각해진다.The control of agglomeration of the salicide layer (agglomerate) causes problems such as leakage current, and when the junction thickness becomes thinner than 0.1 µm, the problem of leakage in the junction layer itself is also serious due to uneven silicide.
또한, 게이트 살리사이드층의 저항에 대한 고려가 이루어지지 않아 소자의 동작 속도에 영향을 주고, 열적 안정성이 충분히 확보되지 않아 소자의 신뢰성을 저하시킨다.In addition, the resistance of the gate salicide layer is not taken into consideration, which affects the operation speed of the device, and thermal stability is not sufficiently secured, thereby lowering the reliability of the device.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 게이트 전극 제조 공정의 문제를 해결하기 위한 것으로, 살리사이드 공정을 진행하기 전에 SEG(selective epitaxial growth) 공정으로 게이트 면적을 증대시켜 저저항 및 우수한 열적 안정성을 갖도록한 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problem of the prior art gate electrode manufacturing process, the semiconductor to increase the gate area by a selective epitaxial growth (SEG) process before the salicide process to have a low resistance and excellent thermal stability It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a device.
도 1a내지 도 1d는 종래 기술의 게이트 전극 형성을 위한 공정 단면도1A to 1D are cross-sectional views of a process for forming a gate electrode of the prior art.
도 2a내지 도 2m은 본 발명에 따른 게이트 전극 형성을 위한 공정 단면도2A to 2M are cross-sectional views of a process for forming a gate electrode according to the present invention.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21. 반도체 기판 22. 소자 격리층21. Semiconductor substrate 22. Device isolation layer
23a.23b. 게이트 전극 24. 저농도 불순물 영역23a.23b. Gate electrode 24. Low concentration impurity region
25. 제 1 절연층 26. 제 2 절연층25. First Insulation Layer 26. Second Insulation Layer
26a. 완전 평탄화된 제 2 절연층 26b. 언더 폴리싱된 제 2 절연층26a. Fully planarized second insulating layer 26b. Underpolished Second Insulation Layer
26c. 오버 에치된 제 2 절연층 27. 포토레지스트26c. Over-etched Second Insulation Layer 27. Photoresist
28. 제 3 절연층 28a. 측벽 마스크층28. Third insulating layer 28a. Sidewall mask layer
29. 제 2 게이트 측벽 30. 소오스/드레인 영역29. Second gate sidewalls 30. Source / drain regions
31. 제 1 게이트 측벽 32. 선택적 에피성장 게이트층31. First gate sidewall 32. Selective epitaxial gate layer
33. 살리사이드층33. Salicide Layer
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판상에 게이트 전극들을 형성하는 단계;상기 게이트 전극들의 양측 기판 표면내에 저농도 불순물 영역을 형성하고, 게이트 전극을 포함하는 전면에 제 1,2 절연층을 형성하고 게이트 전극들의 상부 표면 및 상단 측면 일부를 노출시키는 단계;선택적으로 게이트 전극들을 마스킹하고 노출된 게이트 전극들내에 게이트 이온 주입 공정을 진행하는 단계;상기 게이트 전극의 상단 측면에 측벽 마스크층을 형성하고 이를 마스크로 제 1,2 절연층을 제거하여 제 1,2 게이트 측벽을 형성한후 측벽 마스크층을 제거하는 단계;상기 게이트의 양측 기판 표면내에 소오스/드레인 영역을 형성하고 노출된 기판 표면 및 게이트 전극 표면에 선택적 에피 성장 게이트층을 형성하는 단계;상기 선택적 에피 성장 게이트층의 표면에 살리사이드층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a semiconductor device, the method comprising: forming gate electrodes on a semiconductor substrate; forming a low concentration impurity region in a surface of both substrates of the gate electrodes, and forming a gate electrode on a front surface including the gate electrode; Forming a first and second insulating layers and exposing a portion of the top surface and the top side of the gate electrodes; optionally masking the gate electrodes and performing a gate ion implantation process in the exposed gate electrodes; top of the gate electrode Forming a sidewall mask layer on the side surface and removing the first and second gate sidewalls using a mask to form the first and second gate sidewalls, and then removing the sidewall mask layer; Forming and forming a selective epitaxial growth gate layer on the exposed substrate surface and gate electrode surface. ; Characterized by comprising the step of forming a raised layer side to the surface of the selective epitaxial growth layer gate.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법에관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2a내지 도 2m은 본 발명에 따른 게이트 전극 형성을 위한 공정 단면도이다.2A to 2M are cross-sectional views of a process for forming a gate electrode according to the present invention.
본 발명은 게이트 살리사이드 공정을 진행하기 전에 게이트의 면적을 증대시키기 위하여 SEG 공정을 진행하는 것이다.In the present invention, the SEG process is performed to increase the area of the gate before the gate salicide process.
SEG 공정은 단결정 실리콘기판을 시드층(seed layer)으로 하여 그위에 실리콘을 동일한 결정 방향으로 하여 성장시키는 기술이다. 따라서 이 방법을 사용할 경우, 실리콘이 표면에 드러나 있는 영역에만 선택적으로 실리콘을 성장시켜 면적을 증대시킬 수 있다.The SEG process is a technology in which a single crystal silicon substrate is used as a seed layer and silicon is grown thereon in the same crystal direction. Therefore, using this method, the area can be increased by selectively growing silicon only in areas where the silicon is exposed on the surface.
본 발명은 고집적 CMOS 반도체 소자의 제조 공정시에 N+ 게이트의 프리 도핑에 의해 발생하는 NP 바이어스 및 액티브 데미지 문제를 해결하고, 게이트 실리사이드의 저항을 낮추고 열적 안정성을 높이기 위한 것이다.The present invention is to solve the NP bias and active damage caused by the pre-doping of the N + gate during the manufacturing process of the highly integrated CMOS semiconductor device, to lower the resistance of the gate silicide and to improve the thermal stability.
고집적 CMOS 반도체 소자의 제조에 있어서, 폴리 게이트 살리사이드(salicide)의 저항은 소자의 성능에 큰 영향을 준다.In the fabrication of highly integrated CMOS semiconductor devices, the resistance of poly gate salicides has a great effect on the performance of the devices.
따라서, 폴리 게이트 살리사이드 저항을 낮추기 위하여 많은 연구가 진행되고 있고, 특히 후속되는 열처리에 의한 열화를 막기 위한 연구가 많이 진행되고 있다.Accordingly, many studies have been conducted to lower the poly gate salicide resistance, and many studies have been conducted to prevent deterioration due to subsequent heat treatment.
먼저, 도 2a에서와 같이, 반도체 기판(21)에 소자 격리층(12)을 형성하여 서로 다른 도전형의 채널을 갖는 트랜지스터들의 형성 영역을 정의한다.First, as shown in FIG. 2A, the device isolation layer 12 is formed on the semiconductor substrate 21 to define regions in which transistors having channels of different conductivity types are formed.
이어, 전면에 게이트 형성용 물질층을 증착하고 포토리소그래피 공정으로 선택적으로 패터닝하여 게이트 전극(23a)(23b)들을 형성한다.Subsequently, a gate forming material layer is deposited on the entire surface and selectively patterned by a photolithography process to form gate electrodes 23a and 23b.
그리고 상기 게이트 전극(23a)(23b)을 마스크로 사용하여 LDD(Lightly Doped Drain) 이온 주입 공정을 진행하여 저농도 불순물 영역(24)을 형성한다.Lightly doped drain (LDD) ion implantation is performed using the gate electrodes 23a and 23b as a mask to form the low concentration impurity region 24.
이어, 도 2b에서와 같이, 상기 게이트 전극(23a)(23b)을 포함하는 전면에 HLD(High temperature Low pressure Deposition)산화막 또는 TEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate)를 100 ~ 400Å의 두께로 증착하여 버퍼층 역할을 하는 제 1 절연층(25)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, a high temperature low pressure deposition (HLD) oxide film or TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) is deposited on the entire surface including the gate electrodes 23a and 23b to a thickness of 100 to 400 kPa. As a result, a first insulating layer 25 serving as a buffer layer is formed.
그리고 상기 제 1 절연층(25)상에 나이트라이드(nitride)를 2800 ~ 3200Å의 두께로 증착하여 제 2 절연층(26)을 형성한다.In addition, nitride is deposited on the first insulating layer 25 to a thickness of 2800 to 3200 Å to form a second insulating layer 26.
이어, 상기 제 2 절연층(26)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 평탄화하는데, 평탄화의 정도에 따라 두 가지의 경우가 있다.Subsequently, the second insulating layer 26 is planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) process. There are two cases depending on the degree of planarization.
먼저, 도 2c에서와 같이, 게이트 전극(23a)(23b)의 상부 표면이 노출되도록 완전 평탄화된 제 2 절연층(26a)을 형성하는 방법과, 도 2d에서와 같이, 게이트 전극(23a)(23b)의 상부에 (가)부분에서와 같이 200 ~ 800Å의 두께의 제 2 절연층을 남겨 언더 폴리싱된 제 2 절연층(26b)을 형성하는 방법이 있다.First, as shown in FIG. 2C, a method of forming a second planarized insulating layer 26a so that the top surfaces of the gate electrodes 23a and 23b are exposed, and as shown in FIG. 2D, the gate electrode 23a ( There is a method of forming the underpolished second insulating layer 26b by leaving a second insulating layer having a thickness of 200 to 800 kPa as in (a) in the upper part of 23b).
이는 도 2c에서와 같이 완전 폴리싱을 하는 경우에는 게이트 전극(23a)(23b)의 상부 표면이 CMP 공정의 마진에 따라 손상될 우려가 있는 경우에는 도 2d에서와 같이 공정을 진행하고, CMP 공정이 안정화된 경우에는 도 2c에서와 같이 공정을 진행한다.In the case of complete polishing as shown in FIG. 2C, when the upper surfaces of the gate electrodes 23a and 23b may be damaged according to the margin of the CMP process, the process proceeds as shown in FIG. 2D. In the case of stabilization, the process proceeds as shown in FIG. 2C.
본 발명의 실시예에서는 도 2d에서와 같이 공정을 진행하는 것을 예로 설명한다.In the exemplary embodiment of the present invention, the process is performed as shown in FIG. 2D by way of example.
그리고 도 2e에서와 같이, 건식 식각 또는 습식 식각 공정으로 게이트 전극(23a)(23b)상부의 언더 폴리싱된 제 2 절연층(26b)을 제거하여 오버 에치된(게이트 상부 높이보다 더 낮은 상태의) 제 2 절연층(26c)을 형성하여 게이트 전극(13a)(13b)의 상부 표면을 노출시킨다.2E, the under-polished second insulating layer 26b over the gate electrodes 23a and 23b is removed by a dry etching or a wet etching process (below the gate upper height). A second insulating layer 26c is formed to expose the top surface of the gate electrodes 13a and 13b.
여기서, 오버 에치되는 두께는 50 ~ 500Å이다.Here, the thickness to be over etched is 50 to 500 mm 3.
이어, 도 2f에서와 같이, 전면에 포토레지스트(27)를 도포하고 선택적으로 패터닝하여 n형 불순물 이온이 주입될 부분만 오픈시킨후 n형의 불순물을 사용하여 게이트 이온 주입을 진행한다.Subsequently, as shown in FIG. 2F, the photoresist 27 is applied to the entire surface and selectively patterned to open only the portion where the n-type impurity ions are to be implanted, and then gate ion implantation is performed using the n-type impurity.
그리고 도 2g에서와 같이, 상기 포토레지스트(27)를 제거하고 전면에 600 ~ 800Å의 HLD(High temperature Low pressure Deposition) 산화막을 증착하여 제 3 절연층(28)을 형성한다.As shown in FIG. 2G, the photoresist 27 is removed and a third insulating layer 28 is formed by depositing a high temperature low pressure deposition (HLD) oxide film of 600 to 800 kPa on the entire surface.
이어, 도 2h에서와 같이, 이방성 식각 공정으로 상기 제 3 절연층(28)을 식각하여 오버 에치된 제 2 절연층(26c)의 리세스 부분의 게이트 전극(23a)(23b)의 측면에 측벽 마스크층(28a)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2H, sidewalls of sidewalls of the gate electrodes 23a and 23b of the recessed portions of the second insulating layer 26c which are etched by the third insulating layer 28 by an anisotropic etching process are etched. The mask layer 28a is formed.
그리고 도 2i에서와 같이, 상기 측벽 마스크층(28a)을 마스크로 하여 노출된 오버 에치된 제 2 절연층(26c)을 제거하여 측벽 마스크층(28a)의 하측으로 게이트 전극(23a)(23b)의 양측에 위치하는 제 2 게이트 측벽(29)을 형성한다.As shown in FIG. 2I, the over-etched second insulating layer 26c exposed using the sidewall mask layer 28a as a mask is removed to remove the gate electrodes 23a and 23b below the sidewall mask layer 28a. The second gate sidewall 29 is formed at both sides of the second gate sidewall 29.
이어, 도 2j에서와 같이, 전면에 불순물 이온 주입 공정을 진행하여 게이트 전극(23a)(23b)의 양측 기판 표면내에 소오스/드레인 영역(30)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 2J, an impurity ion implantation process is performed on the entire surface to form the source / drain regions 30 in both substrate surfaces of the gate electrodes 23a and 23b.
그리고 도 2k에서와 같이, 습식 또는 건식 식각 공정으로 측벽 마스크층(28a)을 제거한다.As shown in FIG. 2K, the sidewall mask layer 28a is removed by a wet or dry etching process.
이어, 도 2l에서와 같이, SEG 공정을 진행하여 소오스/드레인 영역(30)이 형성된 액티브 영역 및 게이트 전극(23a)(23b)의 상부 전체 및 상부에 인접한 측면에서 실리콘의 성장이 100 ~ 800Å의 두께로 이루어지도록 하여 선택적 에피 성장 게이트층(32)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 2L, the growth of silicon in the active region where the source / drain regions 30 are formed and the upper and upper sides of the gate electrodes 23a and 23b and the adjacent side thereof is 100-800 kPa. The epitaxial growth gate layer 32 is formed to have a thickness.
SEG 공정 조건은 500 ~ 1000℃의 온도, 1 ~ 600Torr의 압력에서 실리콘 소오스로 DCS,SiH4,Si2H2,Si2H6를 사용하여 진행한다.SEG process conditions are carried out using DCS, SiH 4 , Si 2 H 2 , Si 2 H 6 as silicon sources at a temperature of 500-1000 ° C. and a pressure of 1-600 Torr.
그리고 도 2m에서와 같이, 전면에 실리사이드 형성용 금속층을 형성하고 열처리 공정으로 실리사이드 공정을 진행하여 선택적 에피 성장 게이트층(32)의 표면에 살리사이드층(33)을 형성한다.As shown in FIG. 2M, the silicide forming metal layer is formed on the entire surface, and the salicide layer 33 is formed on the surface of the selective epitaxial growth gate layer 32 by performing a silicide process by a heat treatment process.
이와 같은 본 발명은 살리사이드 공정을 진행하기 전에 SEG 공정을 이용하여 게이트 전극의 상부를 T자형으로 확장하여 면적이 확대되는 것에 의해 살리사이드층의 저항을 낮출 수 있다.The present invention can reduce the resistance of the salicide layer by expanding the upper portion of the gate electrode to a T-shape by using the SEG process before proceeding to the salicide process.
또한, 본 발명은 게이트 패터닝후에 추가적인 이온 주입 공정을 진행하여 소오스/드레인 이온 주입 공정이 독립적으로 이루어지는데, 이와 같은 공정은 N 게이트 뿐만 아니라 P 게이트 제조 공정에도 적용될 수 있음은 당연하다.In addition, in the present invention, an additional ion implantation process is performed after the gate patterning, so that the source / drain ion implantation process is performed independently, and it is natural that such a process may be applied to not only the N gate but also the P gate manufacturing process.
이와 같은 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 다음과 같은 효과가있다.Such a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention has the following effects.
본 발명은 살리사이드 공정을 진행하기 전에 SEG 공정을 이용하여 게이트 전극의 상부 면적을 확대시켜 살리사이드층의 저항을 낮출 수 있고, 이는 후속되는 열공정시에 살리사이드 응집(Salicide agglomeration)을 억제하여 열적 안정성을 확보하는 효과가 있다.The present invention can reduce the resistance of the salicide layer by enlarging the upper area of the gate electrode by using the SEG process before proceeding to the salicide process, which suppresses salicide agglomeration during the subsequent thermal process and thermally It is effective to secure stability.
또한, 본 발명은 게이트 패터닝후에 추가적인 이온 주입 공정을 진행하여 소오스/드레인 이온 주입 공정이 독립적으로 이루어질 수 있어 도핑 프로파일의 조절이 용이하다.In addition, according to the present invention, an additional ion implantation process may be performed after the gate patterning so that source / drain ion implantation processes may be independently performed, thereby easily adjusting the doping profile.
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