KR20040011912A - method for fabricating thin film transistor in semiconductor device - Google Patents
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- H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다마신(damascene) 구조의 게이트를 적용하여 쇼트채널을 방지하는 반도체 소자의 트랜지스터 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of manufacturing a transistor of a semiconductor device in which a short channel is prevented by applying a gate having a damascene structure.
최근 서브-0.10 마이크론(sub-0.10 micron) 소자의 개발이 본격화 되면서 종래의 게이트 전극으로서 사용되던 다결정 실리콘 게이트 또는 폴리사이드 게이트 등은 다음과 같은 한계에 부딪치게 되었다. 즉, 다결정 실리콘 게이트는 게이트 공핍화 현상으로 인한 게이트 절연막의 유효두께증가, p+ 또는 n+다결정 실리콘 게이트로부터 기판으로의 도펀트 침투현상 및 도펀트분포 변동에 의한 문턱전압의 변화등의 문제점이 발생하게 된다.With the recent development of sub-0.10 micron devices, polycrystalline silicon gates or polyside gates, which are used as conventional gate electrodes, have encountered the following limitations. That is, in the polycrystalline silicon gate, problems such as an increase in the effective thickness of the gate insulating layer due to the gate depletion phenomenon, a dopant penetration phenomenon from the p + or n + polycrystalline silicon gate to the substrate, and a change in the threshold voltage due to the dopant distribution variation occur.
또한, 종래의 다결정 실리콘을 이용한 게이트로서는 더 이상 미세선폭 상에서 요구되는 저저항값을 구현할 수 없다는 문제점이 존재한다.In addition, there is a problem that the gate using the conventional polycrystalline silicon can no longer implement the low resistance value required on the fine line width.
따라서, 종래의 다결정 실리콘을 이용한 게이트를 대체할 수 있는 신물질 및 신구조의 게이트 전극에 대한 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for development of a new material and a gate electrode having a new structure that can replace a gate using a conventional polycrystalline silicon.
이러한 요구에 따라 금속게이트 전극에 대한 개발이 적극적으로 추진되고 있는데, 금속 게이트의 경우는 근본적으로 도펀트를 사용하지 않으므로 종래의 다결정 실리콘 게이트에서 발생되었던 문제점이 존재하지 않는다. 이때, 금속게이트 재료로는 W, WN, Ti, TiN, Mo, MoN, Ta, TaN, Ti3Al, 및 Ti3AlN 등이 사용되고 있다.According to this demand, the development of metal gate electrodes is being actively promoted. In the case of the metal gate, since the dopant is not fundamentally used, there is no problem that occurs in the conventional polycrystalline silicon gate. At this time, W, WN, Ti, TiN, Mo, MoN, Ta, TaN, Ti3Al, Ti3AlN, or the like is used as the metal gate material.
그러나, 상기 금속 게이트로 형성된 씨모스펫(CMOSFET) 소자를 제조하는 경우, NMOS 및 PMOS 영역에서 플랫밴드전압(Flat Band Voltage)이 감소하게 되어, 결과적으로 문턱전압이 증가하게 된다.However, when manufacturing a CMOSFET formed of the metal gate, the flat band voltage is reduced in the NMOS and PMOS regions, and as a result, the threshold voltage is increased.
따라서, 상기 문턱전압을 낮추기 위하여 카운터 도핑을 통한매몰채널(Buried Channel)을 형성하게 되는데, 이는 트랜지스터의 쇼트채널 효과 증가 및 누설전류의 증가 등의 문제점을 초래하게 되었다.Therefore, in order to lower the threshold voltage, a buried channel is formed through counter doping, which causes problems such as an increase in short channel effect and an increase in leakage current of the transistor.
이에 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 쇼트 채널 효과를 개선시킬 수 있는 반도체 소자의 트랜지스터 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for fabricating a transistor of a semiconductor device capable of improving the short channel effect.
도 1a 내지 도 1f는 반도체 소자의 트랜지스터 형성 방법을 설명하기 위한 공정단면도.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of forming a transistor of a semiconductor device.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 ** Explanation of Signs of Major Parts of Drawings *
1. 반도체기판 2. 산화막1. Semiconductor substrate 2. Oxide film
3. 희생막 3a. 희생막 패턴3. Sacrifice 3a. Sacrifice Pattern
5. 스페이서 6. 엘디디영역5. Spacer 6. LED Area
7. 소오스/드레인영역 8. 제 2질화막7. Source / drain region 8. Second nitride film
9. 제 2산화막 10. 제 2스페이서9. Second oxide film 10. Second spacer
11. 게이트 절연막 12. 게이트용 금속막11. Gate insulating film 12. Metal film for gate
12a. 게이트 20. 감광막 패턴12a. Gate 20. Photoresist pattern
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 트랜지스터 제조 방법은, 반도체기판 상에 게이트영역을 덮는 희생막 패턴을 형성하는 단계와, 희생막 패턴을 마스크로 하고 기판 전면에 엘디디 이온주입을 실시하는 단계와, 희생막 패턴 측면에 스페이서를 형성하는 단계와, 스페이서를 포함한 희생막 패턴을 마스크로 하고 기판 전면에 소오스/드레인 이온주입을 실시하는 단계와, 스페이서 및 희생막 패턴을 포함한 기판 전면에 제 1산화막을 형성하는 단계와, 희생막 패턴이 노출되는 시점까지 제 1산화막을 화학적-기계적 연마하는 단계와, 희생막 패턴을 제거하는 단계와, 결과물 전면에 화학기상증착 공정에 의해 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 게이트 절연막 상에 게이트용 금속막을 형성하는 단계와, 제 1산화막이 노출되는 시점까지 게이트용 금속막 및 게이트 절연막을 식각하여 다마신 구조의 게이트를 형성하는 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a transistor of a semiconductor device, the method comprising: forming a sacrificial layer pattern covering a gate region on a semiconductor substrate; And forming a spacer on the side of the sacrificial film pattern, and performing source / drain ion implantation on the entire surface of the substrate using the sacrificial film pattern including the spacer as a mask, and the entire surface of the substrate including the spacer and the sacrificial film pattern. Forming a first oxide film on the substrate, chemically-mechanically polishing the first oxide film until the sacrificial film pattern is exposed, removing the sacrificial film pattern, and chemical vapor deposition on the entire surface of the resulting product Forming a metal layer; forming a gate metal film on the gate insulating film; and a time point at which the first oxide film is exposed. Characterized by including the step of etching to form the gate of the damascene structure and how the metal gate film and the gate insulating film for.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1f는 반도체 소자의 트랜지스터 형성 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of forming a transistor of a semiconductor device.
본 발명에 따른 반도체 소자의 트랜지스터 형성 방법은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 먼저, 반도체 기판(1)의 표면에 소자 형성 영역을 한정하는 필드산화막들(도시되지 않음)을 형성하고 나서, 상기 기판(1) 상에 제 1산화막(2) 및 희생막(3)을 차례로 형성한다. 이때, 상기 제 1산화막(2)은 다층의 산화막을 적층시킨 구조를 가진다.In the method for forming a transistor of a semiconductor device according to the present invention, as shown in FIG. 1A, first, field oxide films (not shown) defining an element formation region are formed on a surface of a semiconductor substrate 1, and then The first oxide film 2 and the sacrificial film 3 are sequentially formed on the substrate 1. At this time, the first oxide film 2 has a structure in which a multilayer oxide film is laminated.
이어, 상기 희생막(3) 상에 게이트영역을 덮는 감광막 패턴(20)을 형성한다.Subsequently, a photoresist pattern 20 covering the gate region is formed on the sacrificial layer 3.
그런 다음, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 감광막 패턴을 마스크로 하고 상기 희생막을 건식 식각하여 상기 제 1산화막(2) 표면을 노출시킨다. 이때, 상기 건식 식각 공정에서 제 1산화막(2)은 식각 베리어로 사용된다. 이하에서, 상기 건식 식각 공정에 의해 잔류된 희생막을 희생막 패턴(3a)이라 칭한다.Next, as shown in FIG. 1B, the photoresist pattern is used as a mask, and the sacrificial layer is dry etched to expose the surface of the first oxide layer 2. At this time, in the dry etching process, the first oxide layer 2 is used as an etching barrier. Hereinafter, the sacrificial layer remaining by the dry etching process is referred to as a sacrificial layer pattern 3a.
이 후, 상기 감광막 패턴을 제거하고 나서, 상기 희생막 패턴(4)을 마스크로 하고 기판 전면에 엘디디용 이온 주입을 실시한다. 이어, 상기 희생막 패턴(4)을 포함한 기판 전면에 제 1질화막(미도시)을 형성한 후, 상기 제 1질화막을 에치백(etch back) 또는 화학적-기계적 연마(Chemical Mechnical Polishing) 공정을 진행하여 스페이서(spacer)(5)를 형성한다.Thereafter, after removing the photosensitive film pattern, the sacrificial film pattern 4 is used as a mask and ion implantation for LEDs is applied to the entire surface of the substrate. Subsequently, a first nitride film (not shown) is formed on the entire surface of the substrate including the sacrificial film pattern 4, and then the first nitride film is etched back or a chemical mechanical polishing process is performed. To form a spacer 5.
그런 다음, 상기 스페이서(5)를 포함한 희생막 패턴(4)을 마스크로 하고 소오스/드레인용 이온주입을 실시하여 엘디디영역(6) 및 소오스/드레인영역(7)을 형성한다.Then, the LED region 6 and the source / drain region 7 are formed by performing source / drain ion implantation using the sacrificial layer pattern 4 including the spacer 5 as a mask.
이어, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 스페이서(5) 및 희생막 패턴(4)을 포함한 기판 전면에 제 2질화막(8) 및 제 2산화막(9)을 차례로 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1C, the second nitride film 8 and the second oxide film 9 are sequentially formed on the entire surface of the substrate including the spacer 5 and the sacrificial film pattern 4.
그런 다음, 도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 제 2산화막 및 제 2질화막을 화학적-기계적 연마(Chemical Mechnical Polishing)하여 상기 희생막 패턴 표면을 노출시킨다. 이때, 상기 화학적-기계적 연마 공정에서, 상기 제 2질화막은 연마 정지층으로 사용된다.Then, as shown in FIG. 1D, the second oxide film and the second nitride film are chemically mechanically polished to expose the sacrificial film pattern surface. At this time, in the chemical-mechanical polishing process, the second nitride film is used as the polishing stop layer.
이 후, 상기 화학적-기계적 연마 공정의 결과로 노출된 희생막 패턴을 제거한다. 이때, 상기 희생막 패턴 제거는 습식 식각 공정에 의해 진행한다.Thereafter, the sacrificial film pattern exposed as a result of the chemical-mechanical polishing process is removed. In this case, the sacrificial layer pattern is removed by a wet etching process.
이어, 상기 희생막 패턴이 제거된 기판 전면에 제 3질화막(미도시)을 형성한 후, 상기 제 3질화막을 전면 식각하여 제 1스페이서(5) 측면에 제 2스페이서(10)를 형성한다.Subsequently, after the third nitride layer (not shown) is formed on the entire surface of the substrate from which the sacrificial layer pattern is removed, the third nitride layer is etched entirely to form the second spacer 10 on the side of the first spacer 5.
그런 다음, 도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 전면에 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 공정에 의해 게이트 절연막(11)을 형성하고 나서, 상기 게이트 절연막(11) 위에 게이트용 금속막(11)을 형성한다. 이때, 상기 게이트 절연막(10) 재질로는 탄탈륨 옥사이드막 및 알루미늄 옥사이드막 중 어느 하나를 사용한다.Next, as shown in FIG. 1E, a gate insulating film 11 is formed on the entire surface of the resultant by a chemical vapor deposition process, and then a gate metal film 11 is formed on the gate insulating film 11. To form. In this case, any one of a tantalum oxide film and an aluminum oxide film may be used as the gate insulating film 10.
이 후, 도 1f에 도시된 바와 같이, 상기 제 2산화막(9) 표면이 노출되는 시점까지 게이트용 금속막 및 게이트 절연막을 화학적-기계적 연마하여 다마신 구조의 게이트(12a)를 형성한다.Thereafter, as shown in FIG. 1F, the gate metal film and the gate insulating film are chemically-mechanically polished until the surface of the second oxide film 9 is exposed to form a gate 12a having a damascene structure.
본 발명에 따르면, 소오스/드레인영역을 형성한 후에, 다마신 구조의 게이트전극 형성 시, 게이트 전극 측면에 제 2스페이서를 형성함으로써, 상기 제 2스페이서에 의해 쇼트 채널 효과가 개선된 트랜지스터 제작이 가능하다.According to the present invention, after forming a source / drain region, when forming a gate electrode having a damascene structure, a second spacer is formed on the side of the gate electrode, whereby the second spacer can produce a transistor having an improved short channel effect. Do.
또한, 본 발명은 게이트 절연막을 화학기상증착 공정에 의해 형성하고, 상기 게이트 절연막으로서 탄탈륨 옥사이드막 및 알루미늄 옥사이드막 중 어느 하나를 이용한다.In the present invention, a gate insulating film is formed by a chemical vapor deposition process, and any one of a tantalum oxide film and an aluminum oxide film is used as the gate insulating film.
이상에서와 같이, 본 발명은 소오스/드레인영역 형성 공정과 다마신 구조의 게이트 전극을 형성하는 공정 사이에, 게이트 전극 측면에 제 2스페이서를 형성하는 공정이 추가됨으로써, 상기 제 2스페이서에 의해 쇼트 채널 효과가 개선된 트랜지스터 제작이 가능하다.As described above, in the present invention, a step of forming a second spacer on the side of the gate electrode is added between the step of forming a source / drain region and a step of forming a gate electrode having a damascene structure, and thus the second spacer is shortened by the second spacer. It is possible to manufacture transistors with improved channel effects.
또한, 본 발명에서는 탄탈륨 옥사이드막 및 알루미늄 옥사이드막 중 어느 하나를 화학기상증착하여 게이트 절연막을 형성함으로서, 미세 고집적 소자에 적용가능하다.Further, in the present invention, any one of a tantalum oxide film and an aluminum oxide film is formed by chemical vapor deposition to form a gate insulating film, which is applicable to a fine highly integrated device.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.In addition, this invention can be implemented in various changes within the range which does not deviate from the summary.
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