KR20040037416A - Method for forming a self align contact and method for forming a MOS transistor having pad electrode using the same - Google Patents
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Abstract
셀프 얼라인 콘택 형성 방법 및 이를 이용하여 패드 전극을 포함하는 모오스 트랜지스터를 형성하는 방법이 개시되어 있다. 실리콘 기판 상에, 도전막 패턴을 포함하고 최상층에는 제1 질화막 패턴이 형성되는 도전성 구조물들을 형성한다. 상기 도전성 구조물들 사이의 공간을 채우도록 제1 층간 절연막을 형성한다. 상기 도전막 패턴 상에 상기 도전막 패턴의 폭보다 넓은 폭을 갖는 제2 질화막 패턴을 형성한다. 상기 제2 질화막 패턴 및 제1 층간 절연막 상에 제2 층간 절연막을 형성한다. 상기 도전성 구조물들 사이의 기판을 부분적으로 노출하는 콘택홀을 형성한다. 상기 노출된 기판으로부터 수직 방향으로, 선택적 에피 성장법에 의해 도핑된 실리콘을 성장시킨다. 이어서, 상기 콘택홀 내를 도전성 물질로 채워 넣어 셀프 얼라인 콘택을 형성한다. 따라서, 콘택 면적이 증가하여 콘택 저항이 감소되는 효과가 있다.A self-aligned contact forming method and a method of forming a morph transistor including a pad electrode using the same are disclosed. On the silicon substrate, conductive structures including a conductive film pattern and a first nitride film pattern are formed on the uppermost layer. A first interlayer insulating film is formed to fill the space between the conductive structures. A second nitride film pattern having a width wider than that of the conductive film pattern is formed on the conductive film pattern. A second interlayer insulating film is formed on the second nitride film pattern and the first interlayer insulating film. A contact hole is formed to partially expose the substrate between the conductive structures. The doped silicon is grown by the selective epitaxial growth method in the vertical direction from the exposed substrate. Subsequently, the contact hole is filled with a conductive material to form a self-aligned contact. Therefore, the contact area is increased to reduce the contact resistance.
Description
본 발명은 셀프 얼라인 콘택 형성 방법 및 이를 이용하여 패드 전극을 포함하는 모오스 트랜지스터를 형성하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 접촉 저항이 감소되는 셀프 얼라인 콘택 형성 방법 및 이를 이용한 패드 전극을 포함하는 모오스 트랜지스터의 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a self-aligned contact and a method of forming a MOS transistor including a pad electrode using the same. More particularly, the present invention relates to a method of forming a self-aligned contact having a reduced contact resistance, and a method of forming a MOS transistor including a pad electrode using the same.
반도체 장치가 고집적화 및 고속화됨에 따라, 미세 패턴의 형성이 요구되고 있으며 배선의 넓이(width) 뿐만 아니라 배선과 배선 사이의 간격(space)도 현저하게 감소하고 있다. 특히, 반도체 기판 내에 형성되어 있는 고립된 소자 영역들을 고전도성 박막을 사용하여 연결시키는 콘택(contact)의 형성은 얼라인 마진, 소자분리 마진 등을 확보하면서 이루어져야 하므로, 소자의 구성에 있어서 상당한 면적을 차지하게 된다. 따라서, 다이내믹 랜덤 억세스 메모리(dynamic random access memory; DRAM)와 같은 메모리 장치에 있어서, 상기 콘택은 메모리 셀의 크기를 결정하는 주요 요인으로 작용한다.As semiconductor devices become more integrated and faster, the formation of fine patterns is required, and not only the width of the wiring but also the space between the wiring and the wiring is significantly reduced. In particular, the formation of a contact connecting the isolated device regions formed in the semiconductor substrate with the use of a highly conductive thin film should be performed while securing the alignment margin, device isolation margin, and the like. To occupy. Thus, in a memory device such as a dynamic random access memory (DRAM), the contact serves as a major factor in determining the size of a memory cell.
최근에는 0.25㎛ 이하의 반도체 공정 기술이 급속히 발전하고 있는데, 기존의 콘택 형성 방법으로는 미세한 크기의 콘택을 형성하기가 어렵다. 이에 따라, 메모리 셀과 같이 디자인 룰(design rule)에 여유가 없고 같은 형태의 패턴이 반복되는 경우, 셀 면적을 축소시키기 위하여 셀프-얼라인 방법으로 콘택을 형성하는 방법이 개발되었다.Recently, semiconductor process technology of 0.25 μm or less has been rapidly developed, and it is difficult to form a contact having a fine size using a conventional contact forming method. Accordingly, a method of forming a contact by a self-aligned method in order to reduce the cell area when a design rule such as a memory cell has no margin and a pattern of the same shape is repeated has been developed.
셀프-얼라인 콘택 기술은 주변 구조물의 단차를 이용하여 콘택을 형성하는 방법으로서, 얼라인 마진을 필요로 하지 않은 장점이 있다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 셀프-얼라인 콘택 공정은 이방성 식각 공정에 대한 산화막과 질화막 간의 선택비를 이용하여 콘택홀을 형성하는 것이다. 구체적으로, 콘택홀이 형성되어야 할 위치에 인접하여 형성되어 있는 구조물의 측벽에 질화막 스페이서를 형성하고, 상기 질화막 스페이서를 포함하는 구조물들을 매몰하는 산화막을 형성한다. 이어서, 상기 질화막 스페이서와 선택비를 갖는 조건으로 상기 산화막을 식각함으로서, 상기 질화막 스페이서 사이에 콘택홀을 형성한다.Self-aligned contact technology is a method of forming a contact using a step of the surrounding structure, there is an advantage that does not require an alignment margin. A self-aligned contact process, which is currently used most, is to form a contact hole using a selectivity between an oxide film and a nitride film for an anisotropic etching process. Specifically, a nitride film spacer is formed on the sidewall of the structure formed adjacent to the position where the contact hole is to be formed, and an oxide film is formed to bury structures including the nitride film spacer. Subsequently, by etching the oxide film under a condition having a selectivity with respect to the nitride film spacer, a contact hole is formed between the nitride film spacers.
상기 방법에 의해 콘택홀을 형성하는 경우에는, 상기 구조물의 측벽에 형성되어 있는 질화막 스페이서의 수평 방향으로의 두께가 두꺼울수록 콘택 부위의 면적이 감소된다. 이러한 콘택 부위의 면적 감소에 의해, 콘택 저항이 증가되고, 심할 경우 반도체 장치의 동작 불량이 발생된다. 그러나, 상기 콘택 부위의 면적을 증가시키기 위해 질화막 스페이서의 두께를 감소시키면, 콘택홀 형성 공정시에 상기 질화막 스페이서가 모두 식각되어, 상기 콘택홀 내에 채워지는 도전물질과 상기 구조물간에 브릿지가 발생된다. 때문에, 상기 질화막 스페이서의 두께를 감소하는데는 한계가 있다. 더구나, 반도체의 디자인 룰이 계속하여 축소됨에 따라, 상기 콘택홀 저면의 면적은 더욱 감소되고 있으며, 이에 따른 콘택 저항 증가는 더욱 심각하게 발생되고 있다.In the case of forming the contact hole by the above method, the thicker the thickness of the nitride spacer formed on the sidewall of the structure in the horizontal direction, the smaller the area of the contact portion is. By reducing the area of the contact portion, the contact resistance is increased and, in severe cases, an operation failure of the semiconductor device occurs. However, when the thickness of the nitride film spacer is reduced to increase the area of the contact portion, all of the nitride film spacers are etched during the contact hole forming process, thereby generating a bridge between the conductive material and the structure filled in the contact hole. Therefore, there is a limit in reducing the thickness of the nitride film spacer. In addition, as the design rules of the semiconductor are continuously reduced, the area of the bottom of the contact hole is further reduced, and the increase in contact resistance is more seriously generated.
상기 콘택 저항이 증가되는 것을 최소화하기 위한 일 예로는, 게이트 전극의 양측부에 에피텍셜층을 형성하고, 상기 에피텍셜층에 불순물 이온을 주입한 후, 상기 에피텍셜층을 다결정 실리콘으로 성장시키는 방법이 대한민국 공개특허 2002-992848호에 개시되어 있다. 상기 방법에 의하면, 상기 게이트 전극을 매몰하도록다결정 실리콘을 성장시켜야 하므로, 공정 시간이 매우 길어진다. 또한, 상기 각각의 에피텍셜층에서 성장되는 막의 계면 부위에서는 결합 구조가 불안정해지므로, 상기 다결정 실리콘막 내에 결함이 발생하는 문제점이 있다.As an example for minimizing the increase in the contact resistance, an epitaxial layer is formed on both sides of a gate electrode, impurity ions are implanted into the epitaxial layer, and the epitaxial layer is grown into polycrystalline silicon. This is disclosed in Korean Patent Laid-Open No. 2002-992848. According to this method, since the polycrystalline silicon must be grown to bury the gate electrode, the process time becomes very long. In addition, since the bonding structure becomes unstable at the interface region of the film grown in each epitaxial layer, there is a problem that a defect occurs in the polycrystalline silicon film.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 콘택 저항이 감소되는 셀프 얼라인 콘택홀 형성 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, a first object of the present invention is to provide a method for forming a self-aligned contact hole in which contact resistance is reduced.
본 발명의 제2 목적은 콘택 저항이 감소되는 패드 전극을 포함하는 트랜지스터의 형성 방법을 제공하는데 있다.It is a second object of the present invention to provide a method of forming a transistor including a pad electrode having a reduced contact resistance.
도 1a 내지 1h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 셀프 얼라인 콘택 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.1A to 1H are cross-sectional views illustrating a method of forming a self-aligned contact according to a first embodiment of the present invention.
도 2a 내지 2m은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패드 전극을 포함하는 반도체 장치를 설명하기 위한 단면도들이다.2A to 2M are cross-sectional views illustrating a semiconductor device including a pad electrode according to a second embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100, 200 : 실리콘 기판 104, 206 : 제1 질화막 패턴100, 200: silicon substrate 104, 206: first nitride film pattern
106 : 도전성 구조물 208 : 게이트 구조물106: conductive structure 208: gate structure
108, 210 : 식각 저지막 216 : 산화막 스페이서108, 210: etch stop film 216: oxide spacer
110, 224 : 제1 층간 절연막 114, 228 : 확장된 개구부110, 224: first interlayer insulating film 114, 228: expanded opening
116, 230 : 제2 질화막 패턴 118, 232 : 제2 층간 절연막116 and 230: second nitride film pattern 118 and 232: second interlayer insulating film
122, 236 : 확장된 셀프 얼라인 콘택홀124, 240 : 도핑된 실리콘막122, 236: extended self-aligned contact hole 124, 240: doped silicon film
126 : 셀프 얼라인 콘택 242 : 패드 전극126: self-aligned contact 242: pad electrode
상기한 제1 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 실리콘 기판 상에, 도전막 패턴을 포함하고 최상층에는 제1 질화막 패턴이 형성되는 도전성 구조물들을 형성한다. 상기 도전성 구조물들의 표면 및 기판의 상부면에 질화막으로 이루어지는 식각 정지막을 형성한다. 상기 식각 정지막이 상부면에 노출되면서, 상기 도전성 구조물들 사이의 공간을 채우도록 제1 층간 절연막을 형성한다. 상기 노출된 식각 정지막 및 제1 질화막 패턴을 일부 식각하고, 순차적으로, 상기 제1 질화막 패턴 측면과 인접한 제1 층간 절연막의 일부를 식각하여, 상기 도전막 패턴의 폭보다 넓은 폭을 갖는 개구부를 형성한다. 상기 개구부 내를 질화막으로 채워넣어, 상기 도전막 패턴의 폭보다 넓은 폭을 갖는 제2 질화막 패턴을 형성한다. 상기 제2 질화막 패턴 및 제1 층간 절연막 상에 제2 층간 절연막을 형성한다. 상기 제2 질화막 패턴들 사이에 형성되어 있는 제2 층간 절연막 및 제1 층간 절연막을 선택적으로 식각하고, 순차적으로 상기 식각 정지막을 식각하여, 상기 도전성 구조물들 사이의 기판을 부분적으로 노출하는 콘택홀을 형성한다. 상기 노출된 기판으로부터 수직 방향으로, 선택적 에피 성장법에 의해 도핑된 실리콘을 성장시킨다. 이어서, 상기 도핑된 실리콘이 형성되어 있는 콘택홀 내를 도전성 물질로 채워 넣어 셀프 얼라인 콘택을 형성한다.In order to achieve the first object described above, the present invention forms conductive structures including a conductive film pattern on a silicon substrate and a first nitride film pattern formed on an uppermost layer. An etch stop layer is formed on the surface of the conductive structures and the upper surface of the substrate. The etch stop layer is exposed on the upper surface, thereby forming a first interlayer insulating layer to fill the space between the conductive structures. A portion of the exposed etch stop layer and the first nitride layer pattern are partially etched, and a portion of the first interlayer insulating layer adjacent to the side surface of the first nitride layer pattern is etched to sequentially open an opening having a width wider than that of the conductive layer pattern. Form. The inside of the opening is filled with a nitride film to form a second nitride film pattern having a width wider than that of the conductive film pattern. A second interlayer insulating film is formed on the second nitride film pattern and the first interlayer insulating film. Selectively contacting the second interlayer insulating layer and the first interlayer insulating layer formed between the second nitride layer patterns, sequentially etching the etch stop layer, and partially contacting the substrate between the conductive structures Form. The doped silicon is grown by the selective epitaxial growth method in the vertical direction from the exposed substrate. Subsequently, a self-aligned contact is formed by filling a contact hole in which the doped silicon is formed with a conductive material.
상기한 제2 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 실리콘 기판 상에 게이트 산화막 패턴, 도전막 패턴 및 제1 질화막 패턴이 적층된 게이트 구조물들을 형성한다. 상기 도전성 구조물들의 표면 및 기판의 상부면에 질화막으로 이루어지는 식각 정지막을 형성한다. 상기 식각 정지막이 형성되어 있는 기판 전면에 저농도의 불순물 이온을 주입하여, 상기 도전성 구조물 사이의 기판 아래로 저농도의 소오스 및 드레인 영역을 형성한다. 상기 식각 정지막이 형성되어 있는 게이트 구조물의 측면에 산화막 스페이서를 형성한다. 상기 산화막 스페이서가 형성되어 있는 기판에 저농도의 불순물 이온을 더 주입하여, 상기 산화막 스페이서 사이의 기판 아래로 고농도의 소오스 및 드레인 영역을 형성한다. 상기 산화막 스페이서를 제거한다. 상기 식각 정지막이 상부면에 노출되면서 상기 도전성 구조물들 사이의 공간을 채우도록 제1 층간 절연막을 형성한다. 상기 노출된 식각 정지막 및 제1 질화막 패턴의 일부를 식각하고 순차적으로 상기 제1 질화막 패턴 측면과 인접한 제1 층간 절연막의 일부를 식각하여, 상기 도전막 패턴의 폭보다 넓은 폭을 갖는 개구부를 형성한다. 상기 개구부 내를 질화막으로 채워넣어, 상기 도전막 패턴의 폭보다 넓은 폭을 갖는 제2 질화막 패턴을 형성한다. 상기 제2 질화막 패턴 및 제1 층간 절연막 상에제2 층간 절연막을 형성한다. 상기 제2 질화막 패턴들 사이에 형성되어 있는 제2 층간 절연막 및 제1 층간 절연막을 선택적으로 식각하고, 순차적으로 상기 식각 정지막을 식각하여, 상기 도전성 구조물들 사이의 기판을 부분적으로 노출하는 콘택홀을 형성한다. 상기 노출된 기판으로부터 수직 방향으로, 선택적 에피 성장법에 의해 도핑된 실리콘을 성장시킨다. 이어서, 상기 도핑된 실리콘이 형성되어 있는 콘택홀 내를 도전성 물질로 채워 넣어, 패드 전극을 포함하는 모오스 트랜지스터의 형성한다.In order to achieve the above-described second object, the present invention forms gate structures in which a gate oxide layer pattern, a conductive layer pattern, and a first nitride layer pattern are stacked on a silicon substrate. An etch stop layer is formed on the surface of the conductive structures and the upper surface of the substrate. A low concentration of impurity ions are implanted into the entire surface of the substrate on which the etch stop layer is formed to form a low concentration source and drain region under the substrate between the conductive structures. An oxide spacer is formed on side surfaces of the gate structure in which the etch stop layer is formed. A low concentration of impurity ions are further implanted into the substrate on which the oxide film spacer is formed to form a high concentration source and drain region under the substrate between the oxide film spacers. The oxide spacer is removed. The etch stop layer is exposed on the upper surface to form a first interlayer insulating layer to fill the space between the conductive structures. Etching a portion of the exposed etch stop layer and the first nitride layer pattern and sequentially etching a portion of the first interlayer insulating layer adjacent to the side surface of the first nitride layer pattern to form an opening having a width wider than that of the conductive layer pattern. do. The inside of the opening is filled with a nitride film to form a second nitride film pattern having a width wider than that of the conductive film pattern. A second interlayer insulating film is formed on the second nitride film pattern and the first interlayer insulating film. Selectively contacting the second interlayer insulating layer and the first interlayer insulating layer formed between the second nitride layer patterns, sequentially etching the etch stop layer, and partially contacting the substrate between the conductive structures Form. The doped silicon is grown by the selective epitaxial growth method in the vertical direction from the exposed substrate. Subsequently, the contact hole in which the doped silicon is formed is filled with a conductive material to form a MOS transistor including a pad electrode.
상기 셀프 얼라인 콘택 및 패드 전극은 수직 방향으로 성장된 폴리실리콘과 접촉하여 형성되므로, 콘택 부위의 면적이 증가한다. 때문에, 콘택 저항이 감소하여 상기 셀프 얼라인 콘택 및 패드 전극을 포함하는 반도체 장치의 불량을 최소화할 수 있다.Since the self-aligned contact and the pad electrode are formed in contact with the polysilicon grown in the vertical direction, the area of the contact portion is increased. As a result, contact resistance may be reduced to minimize defects of the semiconductor device including the self-aligned contact and the pad electrode.
이하에서, 본 발명의 셀프 얼라인 콘택 형성 방법을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the self-aligned contact forming method of the present invention will be described in more detail.
도 1a 내지 1h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 셀프 얼라인 콘택 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.1A to 1H are cross-sectional views illustrating a method of forming a self-aligned contact according to a first embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 실리콘 기판(100) 상에 도전막 패턴(102)을 포함하고 최상층에는 제1 질화막 패턴(104)이 형성되는 도전성 구조물(106)들을 형성한다. 상기 도전성 구조물(106)은 게이트 전극 또는 신호 전달용 라인을 포함한다. 이어서, 상기 도전성 구조물(106)의 표면 및 기판의 상부면에 100 내지 300Å의 얇은 두께의 실리콘 질화막으로 이루어지는 식각 정지막(108)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, conductive structures 106 including conductive layer patterns 102 and a first nitride layer pattern 104 are formed on an uppermost layer are formed on the silicon substrate 100. The conductive structure 106 includes a gate electrode or a line for signal transmission. Subsequently, an etch stop layer 108 is formed on the surface of the conductive structure 106 and the upper surface of the substrate.
도 1b를 참조하면, 상기 식각 정지막(108)이 형성된 도전성 구조물(106)들 사이의 공간을 매몰하도록 절연 물질을 형성하고, 이어서 상기 식각 정지막(108)이 상부면에 노출되도록 상기 절연 물질을 연마하여, 상기 도전성 구조물(106)들 사이의 공간을 채우는 제1 층간 절연막(110)을 형성한다. 상기 제1 층간 절연막(110)은 실리콘 질화막과 소정의 식각 조건하에서 식각 선택비를 갖는 실리콘 산화막으로 형성한다.Referring to FIG. 1B, an insulating material is formed to bury a space between the conductive structures 106 on which the etch stop film 108 is formed, and then the insulating material is exposed so that the etch stop film 108 is exposed to an upper surface thereof. The first interlayer insulating layer 110 may be formed to fill the space between the conductive structures 106. The first interlayer insulating layer 110 is formed of a silicon nitride layer and a silicon oxide layer having an etching selectivity under a predetermined etching condition.
도 1c를 참조하면, 상기 노출되어 있는 식각 정지막(108)을 식각하고, 순차적으로 상기 도전막 패턴(102)의 상부에 상기 제1 질화막 패턴(104a)을 일정 두께만큼 남기면서 제1 질화막 패턴(104a)을 식각한다. 상기 식각 정지막(108) 및 제1 질화막 패턴(104a)은 H2PO4용액을 사용하여 습식 식각한다. 상기 과정을 수행하면, 상기 제1 질화막 패턴(104a)이 형성되었는 부위는 주변에 비해 단차가 감소하여 개구부(112)가 형성된다.Referring to FIG. 1C, the exposed etch stop layer 108 is etched, and the first nitride layer pattern is sequentially left on the conductive layer pattern 102 while leaving the first nitride layer pattern 104a by a predetermined thickness. Etch 104a. The etch stop layer 108 and the first nitride layer pattern 104a are wet etched using H 2 PO 4 solution. When the above process is performed, an opening 112 is formed in the portion where the first nitride film pattern 104a is formed, since the step is reduced compared to the periphery.
도 1d를 참조하면, 상기 개구부(112)를 포함하는 기판의 표면에 노출되어 있는 상기 제1 층간 절연막(110)을 소정 두께 만큼 등방성 식각하여, 상기 도전막 패턴(102)의 폭보다 넓은 폭을 갖는 확장된 개구부(114)를 형성한다. 이 때, 상기 도전막 패턴 상에 남아있는 제1 질화막 패턴(104a)은 거의 식각되지 않도록 하여, 상기 식각 공정에 의해 상기 도전막 패턴(102)이 손상되는 것을 방지한다.Referring to FIG. 1D, the first interlayer insulating layer 110 exposed on the surface of the substrate including the opening 112 is isotropically etched by a predetermined thickness to have a width wider than the width of the conductive layer pattern 102. An expanded opening 114 having a diameter. At this time, the first nitride film pattern 104a remaining on the conductive film pattern is hardly etched to prevent the conductive film pattern 102 from being damaged by the etching process.
도 1e를 참조하면, 상기 확장된 개구부(114) 내에 실리콘 질화물을 매몰하고 이를 에치백하여, 상기 도전막 패턴(102) 상에 상기 도전막 패턴(102)의 폭보다 넓은 폭을 갖는 제2 질화막 패턴(116)들을 형성한다. 이 때, 상기 제2 질화막 패턴(116)들은 서로 일정 간격이 유지되고, 상기 제2 질화막 패턴(116)들 사이에는 제1 층간 절연막(110)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 1E, a silicon nitride is buried in the expanded opening 114 and etched back to form a second nitride film having a width wider than that of the conductive film pattern 102 on the conductive film pattern 102. Patterns 116 are formed. In this case, the second nitride film patterns 116 are kept at a predetermined interval from each other, and the first interlayer insulating film 110 is formed between the second nitride film patterns 116.
도 1f를 참조하면, 상기 제2 질화막 패턴(116) 및 제1 층간 절연막(110) 상에 제2 층간 절연막(118)을 형성한다. 이어서, 상기 제2 질화막 패턴(116)들 사이에 위치하는 제2 층간 절연막(118) 및 제1 층간 절연막(110)을 선택적으로 식각하고, 순차적으로 상기 식각 정지막(108)을 식각하여, 상기 도전막 패턴(102)들 사이의 기판을 부분적으로 노출하는 셀프 얼라인 콘택홀(120)을 형성한다.Referring to FIG. 1F, a second interlayer insulating layer 118 is formed on the second nitride layer pattern 116 and the first interlayer insulating layer 110. Subsequently, the second interlayer insulating layer 118 and the first interlayer insulating layer 110 positioned between the second nitride layer patterns 116 are selectively etched, and the etch stop layer 108 is sequentially etched, thereby The self-aligned contact hole 120 partially exposing the substrate between the conductive film patterns 102 is formed.
도 1g를 참조하면, 상기 결과물의 표면에 노출되어 있는 제1 및 제2 층간 절연막(118, 110)을 소정 두께만큼 등방성 식각하여, 상기 셀프 얼라인 콘택홀(122)의 사이즈을 수평 방향으로 확장한다. 이어서, 상기 확장된 셀프 얼라인 콘택홀(122)의 저면에 노출되어 있는 실리콘 기판으로부터 수직 방향으로, 선택적 에피 성장법에 의해 도핑된 실리콘막(124)을 성장시킨다.Referring to FIG. 1G, the first and second interlayer insulating films 118 and 110 exposed on the surface of the resultant are isotropically etched by a predetermined thickness to extend the size of the self-aligned contact hole 122 in the horizontal direction. . Next, the doped silicon film 124 is grown in a vertical direction from the silicon substrate exposed to the bottom surface of the extended self-aligned contact hole 122 by a selective epitaxial growth method.
도 1h를 참조하면, 상기 도핑된 실리콘막(124)이 형성되어 있는 상기 셀프 얼라인 콘택홀(122)내에 폴리 실리콘을 매몰하고 이를 에치백하여, 셀프 얼라인 콘택(126)을 형성한다.Referring to FIG. 1H, polysilicon is buried in the self-aligned contact hole 122 where the doped silicon layer 124 is formed and etched back to form a self-aligned contact 126.
상기 콘택은 상기 기판 표면과 접촉하는 것이 아니라, 상기 기판 표면으로부터 수직 방향으로 형성되어 있는 실리콘막의 측면 및 상부면과 접촉한다. 때문에, 종래에 상기 기판 표면에 접촉하는 것에 비해 접촉 면적이 매우 증가하여 콘택 저항이 매우 감소한다.The contact is not in contact with the surface of the substrate but in contact with the side and top surfaces of the silicon film formed in a vertical direction from the surface of the substrate. As a result, the contact area is greatly increased compared to the conventional contact with the substrate surface, and the contact resistance is greatly reduced.
도 2a 내지 2m은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패드 전극을 포함하는 반도체 장치를 설명하기 위한 단면도들이다.2A to 2M are cross-sectional views illustrating a semiconductor device including a pad electrode according to a second embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 반도체 장치를 형성하기 위하여 제공되는 실리콘 기판(200)은 하나의 기억 소자인 셀들이 형성되는 셀(cell) 영역과 상기 셀들을 동작시키기 위한 주변 회로들이 형성되는 코아 및 페리(core/peri)영역으로 나누어지고, 각 기판의 영역별로 동작 특성이 다른 트랜지스터들을 형성한다.Referring to FIG. 2A, a silicon substrate 200 provided to form a semiconductor device may include a cell region in which cells as one memory element is formed, and a core and a ferry in which peripheral circuits for operating the cells are formed. and transistors having different operating characteristics for each substrate region.
상기 실리콘 기판(200) 상에 통상의 소자 분리 공정을 수행하여 엑티브와 필드(200a)를 형성한다. 이어서, 트랜지스터의 문턱 전압을 조절하기 위한 이온 도핑 공정을 수행한다. 상기 공정이 수행된 기판(200) 상에, 게이트 절연막 패턴(202), 도전막 패턴(204) 및 제1 질화막 패턴(206)이 적층된 구조를 갖는 게이트 구조물(208)을 형성한다. 상기 게이트 구조물(208)의 길이(length)는 각 영역별로 다르게 형성될 수 있다. 일반적으로, 상기 셀 영역에 형성되는 게이트 구조물(208)의 길이(l1)가 상기 페리 영역에 형성되는 게이트 구조물(208)의 길이(l2)에 비해 작다. 그 이유는, 상기 페리 영역은 반복적으로 소자들이 형성되는 셀 영역에 비해 집적도가 낮으며, 형성되는 소자들에 가해지는 전압은 더 높기 때문이다.An active device isolation process is performed on the silicon substrate 200 to form the active and field 200a. Subsequently, an ion doping process for adjusting the threshold voltage of the transistor is performed. A gate structure 208 having a structure in which the gate insulating layer pattern 202, the conductive layer pattern 204, and the first nitride layer pattern 206 are stacked is formed on the substrate 200 on which the process is performed. The length of the gate structure 208 may be formed differently in each region. In general, the length l1 of the gate structure 208 formed in the cell region is smaller than the length l2 of the gate structure 208 formed in the ferry region. This is because the ferry region has a lower integration degree than the cell region in which the elements are repeatedly formed, and the voltage applied to the formed elements is higher.
도 2b를 참조하면, 상기 게이트 구조물(208) 및 기판(200) 전면에 식각 정지막(210)을 형성한다. 상기 식각 정지막(210)은 실리콘 질화막 예컨대, Si3N4막으로 형성한다. 이 때, 상기 식각 정지막(210)은 약 100 내지 300Å의 얇은 두께로 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 2B, an etch stop layer 210 is formed on the entire surface of the gate structure 208 and the substrate 200. The etch stop layer 210 is formed of a silicon nitride layer, for example, a Si 3 N 4 layer. At this time, the etch stop layer 210 is preferably formed to a thin thickness of about 100 to 300Å.
이어서, 상기 게이트 구조물(208)들 사이의 기판의 표면 아래로 저농도의 불순물을 주입(211)하여, 저농도의 소오스 및 드레인 영역(212a, 214a)을 형성한다.Subsequently, a low concentration of impurities are implanted 211 under the surface of the substrate between the gate structures 208 to form low concentration source and drain regions 212a and 214a.
도 2c를 참조하면, 상기 식각 정지막(210)의 표면으로 실리콘 산화막을 형성하고, 상기 형성된 실리콘 산화막을 이방성 식각하여, 상기 식각 정지막(210)을 포함하는 게이트 구조물의 측면에 산화막 스페이서(216)를 형성한다. 이 때, 상기 이방성 식각 공정은 이 전에 형성된 식각 정지막(210)이 소모되지 않도록 상기 식각 정지막(210)과 식각 선택비를 갖는 조건 하에서 수행한다. 상기 남아있는 식각 정지막(210)에 의해, 후속의 불순물 주입 공정 수행 시에 기판 표면 손상을 방지할 수 있다. 상기 산화막 스페이서(216)는 후속의 불순물 주입 공정에서 불순물이 주입되는 영역을 정의하기 위해 형성된다.Referring to FIG. 2C, a silicon oxide film is formed on a surface of the etch stop layer 210, and the silicon oxide film is anisotropically etched to form an oxide spacer 216 on a side surface of the gate structure including the etch stop layer 210. ). In this case, the anisotropic etching process is performed under a condition having an etching selectivity with the etching stop film 210 so that the previously formed etching stop film 210 is not consumed. The remaining etch stop layer 210 may prevent damage to the substrate surface during the subsequent impurity implantation process. The oxide spacer 216 is formed to define a region in which impurities are implanted in a subsequent impurity implantation process.
즉, 상기 산화막 스페이서(216)가 두꺼우면 상기 산화막 스페이서(216) 사이의 기판의 면적이 감소하여 상기 불순물 주입 영역이 감소되고, 반대로 상기 산화막 스페이서(216)가 얇으면 상기 산화막 스페이서(216) 사이의 기판의 면적이 상대적으로 커져, 상기 불순물 주입 영역도 증가한다. 때문에, 상기 산화막 스페이서(216)의 두께는 형성하고자하는 셀 트랜지스터의 동작 특성 예컨대, 문턱 전압 및 드레인 포화전류 등을 고려하여 결정한다.That is, when the oxide spacer 216 is thick, the area of the substrate between the oxide spacers 216 is reduced to reduce the impurity implantation region, and conversely, when the oxide spacer 216 is thin, between the oxide spacers 216 is thin. The area of the substrate becomes relatively large, and the impurity implantation region also increases. Therefore, the thickness of the oxide spacer 216 is determined in consideration of operating characteristics of the cell transistor to be formed, for example, a threshold voltage and a drain saturation current.
이어서, 상기 기판의 코아/페리 영역 상에 제1 포토레지스트 패턴(218)을 형성하여 상기 코아/페리 영역을 마스킹하고, 상기 셀 영역에만 선택적으로 저농도의 불순물 이온을 더 주입(219)하여, LDD구조의 소오스 및 드레인 영역(212)을 형성한다.Subsequently, a first photoresist pattern 218 is formed on the core / ferry region of the substrate to mask the core / ferry region, and a low concentration of impurity ions are selectively implanted into the cell region 219 to provide LDD. Source and drain regions 212 of the structure are formed.
도 2d를 참조하면, 상기 산화막 스페이서(216a)의 두께가 얇아지도록, 상기 산화막 스페이서(216a)를 소정 두께만큼 등방성 식각한다. 상기 산화막 스페이서(216a)의 두께가 얇을수록 후속 공정 시에 불순물이 주입되는 영역이 더 증가되므로, 상기 등방성 식각에 의해 고농도의 소오스 및 드레인 영역이 증가된다.Referring to FIG. 2D, the oxide spacer 216a is isotropically etched by a predetermined thickness so that the thickness of the oxide spacer 216a becomes thinner. As the thickness of the oxide spacer 216a is thinner, more regions in which impurities are implanted in a subsequent process are increased, so that source and drain regions of high concentration are increased by the isotropic etching.
상기와 같이, 고농도의 소오스 및 드레인 영역이 증가되면, 드레인 포화 전류(Ids)가 증가하여 트랜지스터의 동작 특성이 향상된다. 그러나, 셀 영역에서는 상기 코아/페리 영역에 비해 게이트 전극의 길이가 짧기 때문에 쇼트 채널 현상이 발생하며, 이로 인해 상기 고농도의 소오스 및 드레인 영역을 코아/페리 영역과 동일하게 증가시킬 수는 없다.As described above, when the source and drain regions of high concentration are increased, the drain saturation current Ids is increased to improve the operating characteristics of the transistor. However, in the cell region, a short channel phenomenon occurs because the gate electrode has a shorter length than the core / ferry region. Thus, the source and drain regions of the high concentration cannot be increased in the same manner as the core / ferry region.
이어서, 상기 기판의 셀 영역상에 제2 포토레지스트 패턴(220)을 형성하여, 상기 셀 영역을 선택적으로 마스킹하고, 상기 코아/페리 영역에만 선택적으로 저농도의 불순물 이온을 더 주입하여, LDD구조의 소오스 및 드레인 영역(214)을 형성한다.Subsequently, a second photoresist pattern 220 is formed on the cell region of the substrate to selectively mask the cell region, and selectively implant a low concentration of impurity ions only into the core / ferry region to form an LDD structure. Source and drain regions 214 are formed.
상기 공정은 먼저 상기 셀 영역을 선택적으로 마스킹한 후, 등방성 식각 공정 및 불순물 주입 공정의 순서로 수행할 수도 있음을 알려준다.The process may be performed by selectively masking the cell region first, followed by an isotropic etching process and an impurity implantation process.
도 2e를 참조하면, 상기 게이트 구조물(208)의 양 측벽에 남아있는 산화막 스페이서(216a)를 등방성 식각 공정에 의해 완전히 제거한다. 이때, 상기 산화막 스페이서(216a)는 상기 식각 정지막(210)과 식각 선택비를 가지면서 식각한다. 상기 산화막 스페이서(216a)를 제거하면, 상기 게이트 구조물(208)사이에서 상기 식각 정지막(210)이 노출되는 간격이 상기 산화막 스페이서(216a) 두께의 약 2배만큼 더 넓어지게 된다. 때문에, 후속 공정에서 제1 층간 절연막을 보이드 없이 매몰할 수 있다.Referring to FIG. 2E, the oxide spacers 216a remaining on both sidewalls of the gate structure 208 are completely removed by an isotropic etching process. In this case, the oxide spacer 216a is etched with the etch stop layer 210 with an etching selectivity. When the oxide spacer 216a is removed, the gap between the gate structures 208 and the etch stop layer 210 is widened by about twice the thickness of the oxide spacer 216a. Therefore, in the subsequent step, the first interlayer insulating film can be buried without voids.
도 2f를 참조하면, 상기 게이트 구조물(208)들 사이에 실리콘 산화물을 증착한다. 이어서, 상기 실리콘 산화물을 상기 게이트 구조물(208)의 상부에 형성되어 있는 식각 정지막(210)이 표면이 노출되도록 화학 기계적으로 연마하여, 제1 층간 절연막(224)을 형성한다. 상기 화학 기계적 연마 공정은 상기 산화막에 비해 질화막의 연마 속도가 매우 느리도록, 질화막에 대해 선택비를 갖는 슬러리를 사용하여 수행한다.Referring to FIG. 2F, silicon oxide is deposited between the gate structures 208. Subsequently, the silicon oxide is chemically polished to expose the surface of the etch stop layer 210 formed on the gate structure 208 to form a first interlayer insulating layer 224. The chemical mechanical polishing process is performed using a slurry having a selectivity to the nitride film so that the polishing rate of the nitride film is very slow compared to the oxide film.
도 2g를 참조하면, 상기 노출되어 있는 식각 정지막(210)을 식각하고, 순차적으로 상기 도전막 패턴(204)의 상부에 상기 제1 질화막 패턴(206a)을 일정 두께만큼 남기면서 제1 질화막 패턴(206a)을 식각하여, 개구부(226)를 형성한다. 이 때, 상기 실리콘 산화물로 형성되는 제1 층간 절연막(224)은 거의 식각되지 않도록 상기 실리콘 산화막에 대해 선택비를 갖는 습식 식각액을 사용하여 공정을 수행한다. 상기 식각액은 예컨대, H2PO4용액을 포함한다.Referring to FIG. 2G, the exposed etch stop layer 210 is etched and the first nitride layer pattern is sequentially left on the conductive layer pattern 204 by a predetermined thickness. 206a is etched to form openings 226. In this case, the first interlayer insulating layer 224 formed of the silicon oxide is performed using a wet etchant having a selectivity with respect to the silicon oxide layer so that the first interlayer insulating layer 224 is hardly etched. The etchant includes, for example, a H 2 PO 4 solution.
도 2h를 참조하면, 상기 노출된 제1 층간 절연막(224)을 선택적으로 일정 두께만큼 등방성 식각하여, 수평 방향으로 확장된 개구부(228)를 형성한다. 이 때, 상기 확장된 개구부(228)의 저면에는 상기 제1 질화막 패턴(206a)이 남아있고, 상기 제1 질화막 패턴(206a)은 상기 등방성 식각에 의해 거의 소모되지 않는다. 그리고, 상기 등방성 식각에 의해 개구부(228)의 폭이 확장되면, 상기 개구부(228)들 간의 간격은 감소된다. 상기 개구부(228)들 간의 간격이 감소될수록, 후속 공정에서 형성되는 셀프 얼라인 콘택홀의 사이즈도 감소된다. 때문에, 상기 공정에서 제1 층간 절연막(224)이 식각되는 양은 상기 소오스/드레인과의 콘택 저항 및 콘택과 게이트 구조물(208)간의 간격 등을 고려하여 결정된다.Referring to FIG. 2H, the exposed first interlayer insulating layer 224 is selectively isotropically etched by a predetermined thickness to form an opening 228 extending in the horizontal direction. At this time, the first nitride film pattern 206a remains on the bottom surface of the extended opening 228, and the first nitride film pattern 206a is hardly consumed by the isotropic etching. When the width of the openings 228 is extended by the isotropic etching, the gap between the openings 228 is reduced. As the spacing between the openings 228 is reduced, the size of the self-aligned contact holes formed in subsequent processes is also reduced. Therefore, the amount of the first interlayer insulating layer 224 to be etched in the process is determined in consideration of the contact resistance with the source / drain and the gap between the contact and the gate structure 208.
도 2i를 참조하면, 상기 확장된 개구부(228) 내에 실리콘 질화물을 매몰하고, 상기 확장된 개구부(228) 내에만 상기 실리콘 질화물이 남아있도록 에치백하여, 상기 도전막 패턴(204) 상에 상기 도전막 패턴(204)보다 넓은 폭을 갖는 제2 질화막 패턴(230)을 형성한다. 상기 에치백 공정은 이방성 건식 식각 또는 화학 기계적 연마 공정을 포함한다. 상기 제2 질화막 패턴(230)은 이 후의 셀프 얼라인 콘택홀을 형성할 시에 식각 마스크의 역할을 한다.Referring to FIG. 2I, silicon nitride is buried in the extended opening 228 and etched back so that the silicon nitride remains only in the extended opening 228, so that the conductive layer pattern 204 is electrically conductive. A second nitride film pattern 230 having a wider width than that of the film pattern 204 is formed. The etch back process includes an anisotropic dry etching or chemical mechanical polishing process. The second nitride film pattern 230 serves as an etch mask when forming a subsequent self-aligned contact hole.
도 2j를 참조하면, 상기 제2 질화막 패턴(230) 및 제1 층간 절연막(224)의 상부면에 제2 층간 절연막(232)을 형성한다.Referring to FIG. 2J, a second interlayer insulating layer 232 is formed on upper surfaces of the second nitride layer pattern 230 and the first interlayer insulating layer 224.
상기 제2 층간 절연막(232)상에, 상기 제2 질화막 패턴(230)사이의 상부를 오픈 영역 내에 포함하는 포토레지스트 패턴(도시안함)을 형성한다. 이어서, 상기 질화막과 선택비를 갖는 조건으로, 상기 제2 질화막 패턴(230)사이에 형성되어 있는 제2 층간 절연막(232)과 제1 층간 절연막(224)을 선택적으로 식각하고, 순차적으로 식각 정지막(210)을 식각하여, 소오스 및 드레인 영역(212)의 상부면이 노출되는 셀프 얼라인 콘택홀(234)을 형성한다.A photoresist pattern (not shown) is formed on the second interlayer insulating layer 232 to include an upper portion between the second nitride layer patterns 230 in an open area. Subsequently, the second interlayer insulating film 232 and the first interlayer insulating film 224 formed between the second nitride film pattern 230 are selectively etched under conditions having a selectivity with respect to the nitride film, and the etch stop is sequentially performed. The film 210 is etched to form a self-aligned contact hole 234 exposing top surfaces of the source and drain regions 212.
도 2k를 참조하면, 상기 결과물의 표면에 노출되어 있는 제1 및 제2 층간 절연막(224, 232)을 소정 두께만큼 등방성 식각하여, 수평 방향으로 확장된 셀프 얼라인 콘택홀(236)을 형성한다. 이 때, 상기 확장된 셀프 얼라인 콘택홀(236)과 상기 도전막 패턴(204)이 직접 접촉되지 않도록 일정한 마진을 가지면서 등방성 식각 공정을 수행한다. 상기 셀프 얼라인 콘택홀(236)을 확장함으로서, 상기 소오스 및 드레인 영역(212)과 접촉하는 패드 전극의 저항을 감소시킬 수 있다.Referring to FIG. 2K, the first and second interlayer insulating layers 224 and 232 exposed to the surface of the resultant are isotropically etched by a predetermined thickness to form a self-aligned contact hole 236 extending in the horizontal direction. . In this case, an isotropic etching process is performed while having a predetermined margin so that the extended self-aligned contact hole 236 and the conductive layer pattern 204 do not directly contact each other. By extending the self-aligned contact hole 236, the resistance of the pad electrode in contact with the source and drain regions 212 may be reduced.
도 2l를 참조하면, 상기 확장된 셀프 얼라인 콘택홀(236)의 저면에 노출되어 있는 소오스 및 드레인 영역(212)에 수직 방향으로 불순물이 도핑된 실리콘을 선택적으로 에피 성장시킨다.Referring to FIG. 2L, silicon doped with impurities in a direction perpendicular to the source and drain regions 212 exposed at the bottom of the extended self-aligned contact hole 236 is selectively epitaxially grown.
구체적으로, 상기 확장된 셀프 얼라인 콘택홀(236)의 저면의 가장자리 부위에는 식각 정지막(210)이 일부 남아있고, 중심 부위에는 실리콘 기판이 노출되어 있다. 따라서, 상기 노출되어 있는 실리콘 기판을 시드로 하여 불순물이 도핑된 실리콘을 선택적으로 에피 성장시킨다. 상기 에피 성장법에 의해 실리콘을 성장하면 상기 노출된 실리콘 기판으로부터 수직 방향으로만 도핑된 실리콘막(240)이 형성된다.Specifically, a portion of the etch stop layer 210 remains at the edge portion of the bottom of the extended self-aligned contact hole 236, and the silicon substrate is exposed at the center portion. Accordingly, the doped silicon is selectively epitaxially grown using the exposed silicon substrate as a seed. When silicon is grown by the epitaxial growth method, the silicon film 240 doped only in the vertical direction is formed from the exposed silicon substrate.
도 2m를 참조하면, 저면에 도핑된 실리콘막(240)이 형성되어 있는 상기 셀프 얼라인 콘택홀(236)내를 매몰하도록 폴리 실리콘을 증착한다. 이어서, 상기 셀프 얼라인 콘택홀(236) 내에만 폴리 실리콘이 채워지도록 상기 폴리 실리콘을 에치백하여, 상기 소오스/드레인 영역(212)과 전기적으로 연결되는 패드 전극(242)들을 형성한다.Referring to FIG. 2M, polysilicon is deposited to bury the self-aligned contact hole 236 having the doped silicon layer 240 formed on the bottom thereof. Subsequently, the polysilicon is etched back so that the polysilicon is filled only in the self-aligned contact hole 236 to form pad electrodes 242 electrically connected to the source / drain regions 212.
이 때, 상기 패드 전극(242)은 상기 기판 표면과 접촉하는 것이 아니라, 상기 기판 표면으로부터 수직 방향으로 형성되어 있는 도핑된 실리콘막(240)의 측면 및 상부면과 접촉한다. 때문에, 종래에 상기 기판 표면에 접촉하여 상기 소오스/드레인 영역(212)과 전기적으로 연결되는 것에 비해 상기 패드 전극(242)의 접촉 면적이 매우 증가하게 된다. 이로 인해, 상기 패드 전극(242)과 상기 소오스 및 드레인 영역(212)과의 콘택 저항이 매우 감소하여, 트랜지스터의 동작 불량을 최소화할 수 있다.In this case, the pad electrode 242 is not in contact with the surface of the substrate but in contact with the side and top surfaces of the doped silicon layer 240 formed in a vertical direction from the surface of the substrate. Therefore, the contact area of the pad electrode 242 is greatly increased as compared with the conventional contact with the surface of the substrate and electrically connected to the source / drain region 212. As a result, a contact resistance between the pad electrode 242 and the source and drain regions 212 may be greatly reduced, thereby minimizing a malfunction of the transistor.
상기 제2 실시예의 도면 및 설명에서, 상기 패드 전극은 셀 영역에만 형성하였으나, 코아/페리 영역에도 동일하게 형성할 수 있다. 그러나, 코아/페리 영역은 셀 영역에 비해 패턴의 크기가 크고 집적도가 낮으므로, 상기 셀프 얼라인 방식에 의한 패드 전극 형성 공정은 패턴들의 사이즈가 작고 집적도가 높은 셀 영역에 형성되는 트랜지스터에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.In the drawing and description of the second embodiment, the pad electrode is formed only in the cell region, but may be formed in the core / ferry region in the same manner. However, since the core / ferry region has a larger pattern size and a lower integration density than the cell region, the pad electrode forming process by the self-aligning method is more useful for a transistor formed in a cell region having a small size and high integration patterns. Can be applied.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 상기 패드 전극과 상기 소오스 및 드레인 영역과의 콘택 저항이 매우 감소하여, 트랜지스터의 동작 불량을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 게이트 구조물 사이에 제1 층간 절연막을 보이드 없이 형성할 수 있어, 상기 보이드에 의한 공정 불량을 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, the contact resistance between the pad electrode and the source and drain regions is greatly reduced, thereby minimizing the malfunction of the transistor. In addition, since the first interlayer insulating layer may be formed without the voids between the gate structures, process defects caused by the voids may be prevented.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. And can be changed.
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