KR20040002125A - method for manufacturing of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 소자의 특성을 향상시키는데 적당한 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device suitable for improving the characteristics of the device.
소자의 기하학적 크기가 감소함에 따라 게이트, 소오스 및 드레인영역 등의 면적이 감소하기 때문만 아니라, 소자의 크기를 줄임에 따라 소오스와 드레인 접합을 보다 얇게 할 필요가 있기 때문에 고저항영역이 초래된다는 사실이 중요하다. 소오스와 드레인영역과 다결정 실리콘영역의 저항을 본질적으로 줄이는 방법은 이러한 영역의 접촉에 고융점 금속 실리사이드를 사용하는 것이다.Not only does the area of the gate, source and drain regions decrease as the geometric size of the device decreases, but the high resistance region results because the source and drain junctions need to be made thinner as the size of the device decreases. This is important. A method of essentially reducing the resistance of the source and drain regions and the polycrystalline silicon regions is to use high melting point metal silicides to contact these regions.
이 공정에서 노출된 실리콘과의 접촉이 일어날 때마다 고융점 금 속의 박막을 증착하고 가열하여 실리사이드를 형성한다.Whenever contact with exposed silicon occurs in this process, a thin film of high melting point metal is deposited and heated to form silicide.
이 공정에서 백금, 망간, 코발트, 티탄 등을 포함한 여러 가지 실리사이드가 이용되고 있다.In this process, various silicides including platinum, manganese, cobalt and titanium are used.
이 점은 측벽 공간이 게이트단을 정렬시키면서 소오스 및 드레인 영역과 게이트 실리사이드 영역이 동시에 형성되는 것이다. 이 자기정렬된 실리사이드 공정을 때때로 살리사이드라 한다.This point is that the source and drain regions and the gate silicide region are simultaneously formed while the sidewall spaces align the gate ends. This self-aligned silicide process is sometimes called salicide.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래의 반도체 소자의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a manufacturing method of a conventional semiconductor device will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1e는 종래의 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a conventional semiconductor device.
도 1a에 도시한 바와 같이, 액티브 영역(active)과 필드(field) 영역으로 정의된 반도체 기판(11)의 필드 영역에 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 실시하여 소자 격리막(도시되지 않음)을 형성한다.As shown in FIG. 1A, a device isolation film (not shown) is formed by performing a shallow trench isolation (STI) process on a field region of a semiconductor substrate 11 defined as an active region and a field region. do.
이어, 상기 반도체 기판(11)상에 게이트 절연막(12)을 형성하고, 상기 게이트 절연막(12)상에 게이트 전극용 폴리 실리콘막(13)을 약 2500Å 두께로 형성한다.Subsequently, a gate insulating film 12 is formed on the semiconductor substrate 11, and a polysilicon film 13 for gate electrode is formed on the gate insulating film 12 to a thickness of about 2500 kV.
그리고 상기 폴리 실리콘막(13)상에 포토레지스트(45)를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 포토레지스트(14)를 패터닝하여 게이트 영역을 정의한다.After the photoresist 45 is coated on the polysilicon layer 13, the photoresist 14 is patterned by an exposure and development process to define a gate region.
도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 패터닝된 포토레지스트(14)를 마스크로 이용하여 상기 폴리 실리콘막(13) 및 게이트 절연막(12)을 선택적으로 제거하여 게이트 전극(13a)을 형성한다.As shown in FIG. 1B, the polysilicon layer 13 and the gate insulating layer 12 are selectively removed using the patterned photoresist 14 as a mask to form a gate electrode 13a.
도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 포토레지스트(14)를 제거하고, 상기 게이트 전극(13a)을 마스크로 이용하여 반도체 기판(11)의 전면에 저농도 n형 불순물 이온을 주입하여 상기 게이트 전극(13a) 양측의 반도체 기판(11) 표면내에 LDD(Lightly Doped Drain) 영역(15)을 형성한다.As shown in FIG. 1C, the photoresist 14 is removed, and the low concentration n-type impurity ions are implanted into the entire surface of the semiconductor substrate 11 using the gate electrode 13a as a mask to form the gate electrode 13a. Lightly Doped Drain (LDD) regions 15 are formed in the surfaces of the semiconductor substrate 11 on both sides.
도 1d에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 전극(13a)을 포함한 반도체 기판(11)의 전면에 절연막을 형성한 후, 전면에 에치백(etch back) 공정을 실시하여 상기 게이트 전극(13a)의 양측면에 절연막 측벽(16)을 형성한다.As shown in FIG. 1D, an insulating film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 11 including the gate electrode 13a, and then an etch back process is performed on the entire surface to form both side surfaces of the gate electrode 13a. An insulating film sidewall 16 is formed in the film.
이어, 상기 게이트 전극(13a) 및 절연막 측벽(16)을 마스크로 이용하여 상기 반도체 기판(11)의 전면에 고농도 n형 불순물 이온을 주입하여 상기 반도체 기판(11)의 표면내에 소오스/드레인 불순물 영역(17)을 형성한다.Subsequently, a high concentration of n-type impurity ions are implanted into the entire surface of the semiconductor substrate 11 using the gate electrode 13a and the insulating film sidewall 16 as a mask, so that source / drain impurity regions are formed in the surface of the semiconductor substrate 11. (17) is formed.
도 1e에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 전극(13a)을 포함한 반도체기판(11)의 전면에 고융점 금속막(예를 들면, Ti, Co 등)을 형성한다.As shown in FIG. 1E, a high melting point metal film (for example, Ti, Co, etc.) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 11 including the gate electrode 13a.
이어, 상기 반도체 기판(11)에 열처리 공정을 실시하여 상기 게이트 전극(13a) 및 소오스/드레인 불순물 영역(17)이 형성된 반도체 기판(11)과 고융점 금속막을 반응시키어 금속 실리사이드막(18)을 형성한다.Subsequently, a heat treatment process is performed on the semiconductor substrate 11 to react the semiconductor silicide layer 18 on which the gate electrode 13a and the source / drain impurity region 17 and the high melting point metal layer are reacted to form the metal silicide layer 18. Form.
여기서 상기 열처리 공정은 약 500℃, 30초로 1차 RTP(Rapid Thermal Process)를 실시하는 단계와, 약 750℃, 60초로 2차 RTP를 실시하는 단계로 이루어진다.In this case, the heat treatment process includes performing a first rapid thermal process (RTP) at about 500 ° C. and 30 seconds, and performing a second RTP at about 750 ° C. and 60 seconds.
이어, 상기 반도체 기판(11) 및 게이트 전극(13a)과 반응하지 않은 고융점 금속막을 H2O2와 H2SO4가 혼합된 습식 에천트를 이용하여 제거한다.Subsequently, the high melting point metal film which does not react with the semiconductor substrate 11 and the gate electrode 13a is removed using a wet etchant in which H 2 O 2 and H 2 SO 4 are mixed.
그러나 상기와 같은 종래의 반도체 소자의 제조방법에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.However, in the conventional method of manufacturing a semiconductor device as described above has the following problems.
즉, 폴리 저항을 줄이기 위하여 게이트의 두께를 두껍게 증착하여 탑(top)부분에만 금속 실리사이드를 형성하여 저항 특성과 트랜지스터의 소자 특성을 만들어 주었으나, 이는 게이트의 두께를 줄이는데 한계가 있고, 게이트 길이 또한 소자 특성에 따라 줄이기 어려운 부분이 있어 공정상의 한계가 있다.That is, in order to reduce the poly resistance, the thickness of the gate was deposited to form a metal silicide only at the top portion, thereby making the resistance characteristics and the device characteristics of the transistor, but this has a limitation in reducing the thickness of the gate and also the gate length. There are some limitations in the process because it is difficult to reduce according to the device characteristics.
한편, 게이트의 두께를 낮출 경우 저항이 증가함에 따라 동작 전류(operation current)가 많은 양이 저하되어 전체적인 칩(chip)의 속도를 저하시킨다.On the other hand, when the thickness of the gate is lowered, as the resistance increases, a large amount of operation current decreases, thereby reducing the speed of the entire chip.
또한, 오프 전류(off current)가 높아져 칩 전체의 스탠드-바이(stand-by) 전류가 많아 오프 전류를 줄이기 위하여 여러 가지 공정 개선을 하였으나 이 또한 한계가 있어 더 이상의 낮은 오프 전류 특성을 확보하기가 어렵다.In addition, since the off current is high, there are many stand-by currents of the entire chip, and various process improvements have been made to reduce the off current. it's difficult.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 게이트의 두께를 줄이면서도 저항 및 오프 전류 특성을 개선하도록 한 반도체 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Disclosure of Invention The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device to improve the resistance and off current characteristics while reducing the thickness of the gate.
도 1a 내지 도 1e는 종래의 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도1A through 1E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a conventional semiconductor device.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도2A to 2G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
도 3은 1.8V NMOS 트랜지스터를 형성했을 때 종래와 본 발명에서 게이트 두께에 따른 오프전류를 나타낸 그래프3 is a graph showing off current according to gate thickness in the prior art and the present invention when a 1.8V NMOS transistor is formed.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : 반도체 기판 22 : 게이트 절연막21 semiconductor substrate 22 gate insulating film
23a : 게이트 전극 24 : 제 1 포토레지스트23a: gate electrode 24: first photoresist
25 : 절연막 26 : 제 2 포토레지스트25 insulating film 26 second photoresist
27 : 제 1 금속 실리사이드막 28 : LDD 영역27: first metal silicide film 28: LDD region
29 : 절연막 측벽 30 : 소오스/드레인 불순물 영역29 insulating film sidewall 30 source / drain impurity region
31 : 제 2 금속 실리사이드막31: second metal silicide film
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조방법은 반도체 기판상의 일정영역에 게이트 절연막을 개재하여 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극의 표면에 제 1 금속 실리사이드막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 금속 실리사이드막 양측의 반도체 기판 표면내에 LDD 영역을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극 양측의 제 1 금속 실리사이드막상에 절연막 측벽을 형성하는 단계와, 상기 절연막 측벽 양측의 반도체 기판 표면내에 소오스/드레인 불순물 영역을 형성하는 단계와, 상기 소오스/드레인 불순물 영역의 표면에 제 2 금속 실리사이드막을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object is to form a gate electrode through a gate insulating film in a predetermined region on the semiconductor substrate, and to form a first metal silicide film on the surface of the gate electrode Forming an LDD region in the surface of the semiconductor substrate on both sides of the first metal silicide film, forming an insulating film sidewall on the first metal silicide film on both sides of the gate electrode, and a surface of the semiconductor substrate on both sides of the insulating film sidewall. And forming a source / drain impurity region therein and forming a second metal silicide film on a surface of the source / drain impurity region.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조방법을 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.
본 발명은 오프 전류를 해결하기 위하여 게이트 전극의 두께를 낮추게 되면 저항이 높아지고 오퍼레이션 전류가 낮아지는 문제 등이 발생하여 이를 해결하기 위하여 게이트 전극의 표면에 형성되는 금속 실리사이드막의 면적을 넓히는 방법으로 게이트 전극을 형성한 후 1차 금속 실리사이드막을 형성하고, 소오스/드레인 불순물 영역을 형성한 후 2차 금속 실리사이드막을 형성함으로써 저항을 낮출 수 있다.According to the present invention, when the thickness of the gate electrode is reduced to solve the off current, the resistance is increased and the operation current is lowered. Thus, the gate electrode is formed by increasing the area of the metal silicide layer formed on the surface of the gate electrode. The resistance can be lowered by forming a primary metal silicide film after the formation of the oxide, and forming a secondary metal silicide film after forming the source / drain impurity region.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.2A to 2G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
도 2a에 도시한 바와 같이, 액티브 영역(active)과 필드(field) 영역으로 정의된 반도체 기판(21)의 필드 영역에 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 실시하여 소자 격리막(도시되지 않음)을 형성한다.As shown in FIG. 2A, a device isolation film (not shown) is formed by performing a shallow trench isolation (STI) process in a field region of the semiconductor substrate 21 defined as an active region and a field region. do.
이어, 반도체 기판(21)상에 게이트 절연막(22)을 형성하고, 상기 게이트 절연막(22)상에 게이트 전극용 폴리 실리콘막(23)을 약 2000Å 두께로 형성한다.Subsequently, a gate insulating film 22 is formed on the semiconductor substrate 21, and a polysilicon film 23 for a gate electrode is formed on the gate insulating film 22 to a thickness of about 2000 mW.
그리고 폴리 도핑(poly doping)을 맞추기 위하여 상기 폴리 실리콘막(23)의 전면에 n형 불순물 이온을 주입한다.In order to match poly doping, n-type impurity ions are implanted into the entire surface of the polysilicon layer 23.
여기서 상기 n형 불순물 이온은 인(P) 이온을 약 30keV의 에너지와 2.0E15의 도즈량을 주입한다.Herein, the n-type impurity ion injects phosphorus (P) ions with an energy of about 30 keV and a dose of 2.0E15.
이어, 상기 폴리 실리콘막(23)상에 제 1 포토레지스트(24)를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 제 1 포토레지스트(24)를 패터닝하여 게이트 영역을 정의한다.Subsequently, after the first photoresist 24 is coated on the polysilicon layer 23, the first photoresist 24 is patterned by an exposure and development process to define a gate region.
도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 패터닝된 제 1 포토레지스트(24)를 마스크로 이용하여 상기 폴리 실리콘막(23) 및 게이트 절연막(22)을 선택적으로 제거하여 게이트 전극(23a)을 형성한다.As shown in FIG. 2B, the polysilicon film 23 and the gate insulating film 22 are selectively removed using the patterned first photoresist 24 as a mask to form a gate electrode 23a.
도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 포토레지스트(24)를 제거하고, 상기 게이트 전극(23a)을 포함한 반도체 기판(21)의 전면에 산화막과 같은 절연막(25)을 형성한다.As shown in FIG. 2C, the first photoresist 24 is removed, and an insulating film 25 such as an oxide film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 21 including the gate electrode 23a.
이어, 상기 절연막(25)을 포함한 반도체 기판(21)의 전면에 제 2 포토레지스트(26)를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 제 2 포토레지스트(26)를 패터닝하여 실리사이드 영역을 정의한다.Subsequently, after the second photoresist 26 is applied to the entire surface of the semiconductor substrate 21 including the insulating layer 25, the second photoresist 26 is patterned by an exposure and development process to define a silicide region. .
그리고 상기 패터닝된 제 2 포토레지스트(26)를 마스크로 이용하여 상기 절연막(25)을 선택적으로 제거하여 상기 게이트 전극(23a)의 표면이 노출시킨다.The insulating layer 25 is selectively removed by using the patterned second photoresist 26 as a mask to expose the surface of the gate electrode 23a.
도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 포토레지스트(26)를 제거하고, 상기 게이트 전극(23a)을 포함한 반도체 기판(21)의 전면에 제 1 고융점 금속막(예를 들면, Ti, Co 등)을 형성한다.As shown in FIG. 2D, the second photoresist 26 is removed and a first high melting point metal film (eg, Ti, Co) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 21 including the gate electrode 23a. And the like).
이어, 상기 반도체 기판(21)에 실리사이드 공정을 실시하여 상기 게이트 전극(23a)의 표면에 제 1 금속 실리사이드막(27)을 형성한다.Subsequently, a silicide process is performed on the semiconductor substrate 21 to form a first metal silicide layer 27 on the surface of the gate electrode 23a.
이어, 상기 게이트 전극(23a)과 반응하지 않은 제 1 고융점 금속막을 H2O2와 H2SO4가 혼합된 습식 에천트를 이용하여 제거한다.Subsequently, the first high melting point metal film not reacted with the gate electrode 23a is removed using a wet etchant in which H 2 O 2 and H 2 SO 4 are mixed.
도 2e에 도시한 바와 같이, 상기 잔류하는 절연막(25)을 제거하고, 상기 게이트 전극(23a) 및 제 1 금속 실리사이드막(27)을 마스크로 이용하여 반도체 기판(21)의 전면에 저농도 n형 불순물 이온을 주입하여 상기 게이트 전극(23a) 양측의 반도체 기판(21) 표면내에 LDD(Lightly Doped Drain) 영역(28)을 형성한다.As shown in FIG. 2E, the remaining insulating film 25 is removed, and a low concentration n-type is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 21 using the gate electrode 23a and the first metal silicide film 27 as a mask. Impurity ions are implanted to form a lightly doped drain (LDD) region 28 in the surface of the semiconductor substrate 21 on both sides of the gate electrode 23a.
도 2f에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 전극(23a)을 포함한 반도체 기판(21)의 전면에 절연막을 형성한 후, 전면에 에치백(etch back) 공정을 실시하여 상기 게이트 전극(23a) 양측의 제 1 금속 실리사이드막(27)상에 절연막 측벽(29)을 형성한다.As shown in FIG. 2F, after an insulating film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 21 including the gate electrode 23a, an etch back process is performed on the entire surface of the semiconductor substrate 21. An insulating film sidewall 29 is formed on the first metal silicide film 27.
이어, 상기 게이트 전극(23a) 및 절연막 측벽(29)을 마스크로 이용하여 상기 반도체 기판(21)의 전면에 고농도 n형 불순물 이온을 주입하여 상기 반도체 기판(21)의 표면내에 소오스/드레인 불순물 영역(30)을 형성한다.Subsequently, a high concentration of n-type impurity ions are implanted into the entire surface of the semiconductor substrate 21 using the gate electrode 23a and the insulating film sidewall 29 as a mask, so that source / drain impurity regions are formed in the surface of the semiconductor substrate 21. 30 is formed.
도 2g에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(21)의 전면에 제 2 고융점 금속(예를 들면, Ti, Co 등)막을 형성하고, 전면에 실리사이드 공정을 실시하여 상기 소오스/드레인 불순물 영역(30)이 형성된 반도체 기판(21)의 표면에 제 2 금속 실리사이드막(31)을 형성한다.As shown in FIG. 2G, a second high melting point metal (eg, Ti, Co, etc.) film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 21, and a silicide process is performed on the entire surface of the semiconductor substrate 21 to provide the source / drain impurity region ( A second metal silicide film 31 is formed on the surface of the semiconductor substrate 21 on which 30 is formed.
이어, 상기 소오스/드레인 불순물 영역(30)이 형성된 반도체 기판(21)과 반응하지 않은 제 2 고융점 금속막을 H2O2와 H2SO4가 혼합된 습식 에천트를 이용하여 제거한다.Subsequently, the second high melting point metal film that does not react with the semiconductor substrate 21 on which the source / drain impurity region 30 is formed is removed using a wet etchant in which H 2 O 2 and H 2 SO 4 are mixed.
한편, 본 발명에서 게이트 전극(23a)과 소오스/드레인 불순물 영역(30)의 표면에 별도의 실리사이드 공정으로 금속 실리사이드막을 형성하는 이유는 제 1 금속 실리사이드막(27)과 제 2 금속 실리사이드막(31)이 연결되어 누설 전류(leakage current) 등이 발생하지 않도록 방지하기 위해서이다.Meanwhile, in the present invention, the reason for forming the metal silicide layer on the surfaces of the gate electrode 23a and the source / drain impurity region 30 by a separate silicide process is that the first metal silicide layer 27 and the second metal silicide layer 31 are formed. ) Is connected to prevent leakage current.
도 3은 1.8V NMOS 트랜지스터를 형성했을 때 종래와 본 발명에서 게이트 두께에 따른 오프전류를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing off current according to gate thickness in the prior art and the present invention when a 1.8V NMOS transistor is formed.
도 3에서와 같이, 2500Å(종래)에 비하여 2000Å(본 발명)에서 동일한 포화 전류(saturation current)일 경우 오프 전류 특성이 낮게 나타남을 알 수 있다.As shown in FIG. 3, it can be seen that the off current characteristic is lower when the same saturation current at 2000 mA (invention) compared to 2500 mA (conventional).
여기서 #10은 게이트 전극용 폴리 실리콘막의 두께가 2500Å, #11은 폴리 실리콘막의 두께가 2000Å, #13은 폴리 실리콘막의 두께가 2000Å이면서 불순물 이온을 도핑한 것이다.Here, # 10 is a polysilicon film having a thickness of 2500 GPa, # 11 is a polysilicon film having a thickness of 2000 GPa, and # 13 is a polysilicon film having a thickness of 2000 GPa and doped with impurity ions.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention has the following effects.
첫째, 게이트와 접촉되는 금속 실리사이드의 면적을 넓힘으로써 저항을 줄일 수 있다.First, the resistance can be reduced by increasing the area of the metal silicide in contact with the gate.
둘째, 게이트의 두께를 줄여 오프 전류를 줄임과 동시에 낮은 두께로 인하여 높아지는 저항을 넓은 면적을 갖는 금속 실리사이드막을 형성함으로 제어할 수 있다.Second, the thickness of the gate can be reduced to reduce the off current and the resistance increased due to the low thickness can be controlled by forming a metal silicide film having a large area.
셋째, 게이트의 두께를 줄임과 게이트 길이를 줄여 셀의 크기를 줄일 수 있다.Third, the cell size can be reduced by reducing the gate thickness and reducing the gate length.
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