KR20060104026A - Method for manufacturing a semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 게이트 산화막과 채널이 형성된 기판 간의 계면에 형성되는 계면 포획전하에 따라 소자의 문턱전압이 변하는 현상을 방지하여 소자 특성을 개선시킬 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명에서는 웰 영역이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계와, 상기 웰 영역 중 채널 영역이 형성될 영역에 게르마늄과 불소 이온을 주입시키는 단계와, 상기 게르마늄과 상기 불소 이온이 주입된 상기 기판 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막 상에 도전막을 증착하는 단계와, 상기 도전막 및 상기 게이트 절연막을 식각하여 상기 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극의 양측으로 노출된 상기 웰 영역 내에 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.The present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can improve the device characteristics by preventing the phenomenon that the threshold voltage of the device is changed according to the interface capture charge formed on the interface between the gate oxide film and the channel formed substrate, the present invention The method may further include providing a semiconductor substrate having a well region, implanting germanium and fluorine ions into a region in which the channel region is to be formed, and forming a gate insulating layer on the substrate on which the germanium and the fluorine ions are implanted. Forming a gate electrode on the substrate by forming a conductive layer, depositing a conductive layer on the gate insulating layer, etching the conductive layer and the gate insulating layer, and forming a gate electrode on both sides of the gate electrode. A method of manufacturing a semiconductor device comprising forming a source / drain region within to provide.
MOSFET, 채널, 게이트 산화막, 이온주입. MOSFET, channel, gate oxide, ion implantation.
Description
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 도시된 공정단면도.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the prior art.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 도시된 공정단면도.2A to 2F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
110 : 반도체 기판 111 : 소자 분리막110
112 : 웰 이온주입 공정 113 : 웰 영역112: well ion implantation process 113: well region
114 : GeF2 이온주입 공정 115 : 게이트 절연막114 GeF 2
116 : 게이트 도전막 117 : 게이트 전극116: gate conductive film 117: gate electrode
118 : 불순물 이온주입 공정 119 : LDD 접합영역118 impurity
120 : Halo 접합영역 121 : 저농도 접합영역120: Halo junction region 121: low concentration junction region
122 : 제1 스페이서 123 : 제2 스페이서122: first spacer 123: second spacer
124 : 소오스/드레인 이온주입 공정 125 : 고농도 접합영역124 source / drain
126 : 소오스/드레인 영역 127 : 금속 실리사이드층126 source / drain
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 서피스 채널(surface channel) 동작을 적용하는 모스 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 제조방법에 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 metal oxide semiconductor field effect transistor applying surface channel operation.
현재, 논리소자는 고집적, 소비 전력 감소, 고성능(high performance) 구현 등을 위해 구동전압을 낮추어 가고 있는 추세이다. 이로 인해, 게이트 산화막 두께를 낮추고, 단채널 효과(short channel effect) 등을 개선하기 위해 베리드 채널(burried channel) 동작에서 서피스 채널(surface channel) 동작으로 변경 적용하고 있다. 참고로, 베리드 채널이란 별도의 이온주입 공정을 통해 이온이 주입되어 형성된 채널을 말한다. 그리고, 서피스 채널이란 이온주입 공정을 통해 이온을 주입하는 것이 아니라, 게이트 전극에 인가되는 전압을 통해 형성된 채널을 말한다. Currently, logic devices have been driving down driving voltages for high integration, reduced power consumption, and high performance. Accordingly, in order to lower the gate oxide film thickness and improve short channel effects, the present invention is changed from a buried channel operation to a surface channel operation. For reference, the buried channel refers to a channel formed by implanting ions through a separate ion implantation process. In addition, the surface channel refers to a channel formed through a voltage applied to the gate electrode rather than implanting ions through an ion implantation process.
이하에서는, 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 종래기술에 따라 서피스 채널 동작을 구현하기 위한 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 제조방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) for implementing a surface channel operation according to the prior art will be described with reference to FIGS. 1A to 1D.
우선, 도 1a에 도시된 바와 같이, 소자분리막(11)이 형성된 반도체 기판(10) 에 마스크 공정 및 웰 이온주입 공정(12)을 실시하여 웰 영역(13)을 형성한다. First, as shown in FIG. 1A, the
이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 웰 영역(13) 상의 소정 영역에 게이트 전극(16)을 형성한다. 이때, 게이트 전극(16)은 게이트 산화막(14) 및 폴리 실리콘막(15)으로 이루어진다. Subsequently, as shown in FIG. 1B, the
이어서, 게이트 전극(16)을 마스크로 이용한 저농도의 불순물 이온주입 공정(17)으로 LDD(Lightly Doped Darin) 이온주입 공정 및 할로(Halo) 이온주입 공정을 실시하여 게이트 전극(16)의 양측으로 노출된 웰 영역(13)에 저농도 접합영역(20)을 형성한다. 이때, 저농도 접합영역(20)은 할로 접합영역(19)이 LDD 접합영역(18)을 감싸도록 형성한다.Subsequently, the LDD (Lightly Doped Darin) ion implantation process and the Halo ion implantation process are performed in the low concentration impurity
이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(16)의 양측벽에 절연막으로 이루어진 제1 스페이서(21)를 형성한 후, 제1 스페이서(21)의 양측벽에도 절연막으로 이루어진 제2 스페이서(22)를 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1C, after forming the
이어서, 제2 스페이서(22)를 마스크로 이용한 고농도의 소오스/드레인 이온주입 공정(23)을 실시하여 제2 스페이서(22)의 양측으로 노출된 웰 영역(13)에 고농도 접합영역(24)을 형성한다. 이로써, 반도체 소자의 소오스/드레인 영역(25)이 형성된다.Subsequently, a high concentration source / drain
이어서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 살리사이드(SALICIDE : Self Align siLICIDE) 공정을 실시하여 실리콘(Si)이 노출된 영역, 즉 소오스/드레인 영역(25)의 상부와 게이트 전극(16)의 상부에 금속 실리사이드층(26)을 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 1D, a salicide (SALICIDE) process is performed to expose silicon (Si), that is, the source /
일반적으로 종래와 같이 소자 구동시 게이트 산화막 하부의 기판에 채널이 형성되는 서피스 채널 동작을 적용하는 반도체 소자의 경우에는, 게이트 산화막과 채널이 접해 있으므로 게이트 산화막의 상태에 따라 소자 특성이 크게 변화된다. 특히, 종래 기술에 따른 MOSFET은, 채널이 형성된 기판과 게이트 산화막 간의 계면에 계면 포획전하(interface trap charge)가 존재하는 경우, 소자 구동시 문턱전압이 변하여 소자 특성을 열화시키는 문제점이 있다. 또한, 소자가 점점 작아짐에 따라 계면 포획전하에 따른 문턱전압의 변화현상이 크게 관찰되므로 이에 대한 해결책이 시급한 상황이다. In general, in the case of a semiconductor device which applies a surface channel operation in which a channel is formed in a substrate under the gate oxide film when driving the device as in the related art, since the gate oxide film and the channel are in contact with each other, the device characteristics are greatly changed according to the state of the gate oxide film. In particular, the MOSFET according to the prior art has a problem in that when the interface trap charge is present at the interface between the substrate on which the channel is formed and the gate oxide film, the threshold voltage is changed when driving the device, thereby degrading device characteristics. In addition, as the device becomes smaller and smaller, the change in the threshold voltage according to the interface capture charge is observed. Therefore, a solution to this problem is urgent.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 게이트 산화막과 채널이 형성된 기판 간의 계면에 형성되는 계면 포획전하에 따라 소자의 문턱전압이 변하는 현상을 방지하여 소자 특성을 개선시킬 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems of the prior art, and improves device characteristics by preventing a phenomenon in which the threshold voltage of the device is changed according to the interface capture charge formed at the interface between the gate oxide film and the channel formed substrate. It is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can be made.
상기에서 설명한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 웰 영역이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계와, 상기 웰 영역 중 채널 영역이 형성될 영역에 게르마늄과 불소 이온을 주입시키는 단계와, 상기 게르마늄과 상기 불소 이온이 주입된 상기 기판 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막 상에 도전막을 증착하는 단계와, 상기 도전막 및 상기 게이트 절연막을 식각하여 상기 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극의 양측으로 노출 된 상기 웰 영역 내에 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate including a well region, implanting germanium and fluorine ions into a region in which a channel region is to be formed; Forming a gate insulating film on the substrate implanted with germanium and the fluorine ions, depositing a conductive film on the gate insulating film, and etching the conductive film and the gate insulating film to form a gate electrode on the substrate And forming a source / drain region in the well region exposed to both sides of the gate electrode.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
실시예Example
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 도시된 공정단면도이다. 여기서, 도 2a 내지 도 2f에 도시된 부호들 중 서로 동일한 부호는 동일한 기능을 수행하는 동일 요소이다. 2A through 2F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention. Here, among the codes shown in FIGS. 2A to 2F, the same signs are the same elements that perform the same function.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 소자분리막(111)이 형성된 반도체 기판(110)에 웰 이온주입 공정(112)을 실시하여 웰 영역(113)을 형성한다. 이때, 소자분리막(111)은 STI(Shallow Trench Isolation) 또는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 공정을 실시하여 형성할 수 있는데, 여기서는 반도체 소자의 고집적화에 적합한 STI 공정을 실시하여 형성한다. First, as shown in FIG. 2A, the
여기서, 웰 이온주입 공정(112)은 CMOSFET(Complementary MOSFET)을 형성하기 위해서 소정의 포토레지스트 패턴(미도시)을 이용하여 실시한다. 예컨대, CMOSFET의 PMOSFET을 형성하기 위해서는 NMOSFET이 형성될 영역 상에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 이를 통해 인(Phosphorus) 또는 아세닉(Arsenic) 이온을 주입하여 N 웰을 형성한다. 반면, CMOSFET의 NMOSFET을 형성하기 위해서는 PMOSFET이 형 성될 영역 상에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 이를 통해 보론(Boron)을 주입하여 P 웰을 형성한다.Here, the well
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110) 전면에 GeF2 이온주입 공정(114)을 실시한다. 이때, GeF2 이온주입 공정(114)은 게르마늄(Germanium) 대비 불소(Fluorine) 이온의 비율을 1:2로 한 분자이온주입 공정으로 한번만 실시한다. 또한, GeF2 이온주입 공정(114)은 30 내지 200KeV의 에너지로 1.0E12 내지 5.0E14 atoms/㎠ 도즈의 GeF2 분자이온을 0 내지 60°의 경사각을 갖도록 주입하여 실시한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 2B, a GeF 2 ion implantation process 114 is performed on the entire surface of the
여기서, 게르마늄은 소자구동시 형성될 채널 부위에 반도체 기판(110)의 실리콘과의 결정격자 결합(Si-Ge bond)을 이루게 되므로, 채널 내 흐르는 캐리어의 유동성을 증가시켜 소자의 전류를 증가시킬 수 있도록 한다. 참고로, 채널 내 흐르는 캐리어의 유동성은 채널 부위의 결정격자의 변화에 좌우된다. 따라서, 개선된 소자 특성을 얻을 수 있다.Here, germanium forms a Si-Ge bond with silicon of the
또한, 여기서 불소는 게이트 절연막(115; 도 2c 참조) 형성시 반도체 기판(110)과 게이트 절연막(115) 간의 계면에 불완전한 형태로 형성된 "Si-H" 본드(bond)의 "H"를 밀어내고 산소와 결합하거나, 불완전한 형태의 실리콘 댕글링 본드(Silicon Dangling Bond)와 결합하여 "Si-F" 본드를 형성함으로써, 소자 구동시 문턱 전압이 일정하게 유지되도록 한다. 참고로, "Si-F" 본드는 결합력이 매우 강하여 소자 구동시 문턱 전압에 영향을 미치지 않기 때문에 소자 특성을 개선시킬 수 있다.In addition, the fluorine here pushes out the "H" of the "Si-H" bond formed in an incomplete form at the interface between the
이어서, 도면에 도시되지는 않았으나, 열공정(annealing)을 실시하여 GeF2가 주입된 반도체 기판(110)을 열처리한다. 이때, 열공정은 RTP(Rapid Thermal Processing) 또는 퍼니스(Furnace) 장비를 이용하여 100% 질소 분위기의 챔버 내에서 실시한다. Subsequently, although not shown in the drawing, thermal processing is performed to heat-treat the
여기서, RTP 장비를 이용하는 경우에는 800 내지 1000℃의 온도에서 10 내지 30초동안 실시하는데, 이때 승온속도는 30 내지 50℃/sec이다. 한편, 퍼니스 장비를 이용하는 경우에는, 400 내지 600℃의 온도에서 2 내지 24시간동안 실시하거나, 700 내지 950℃의 온도에서 10 내지 30분동안 실시한다.Here, when using the RTP equipment is carried out for 10 to 30 seconds at a temperature of 800 to 1000 ℃, the temperature increase rate is 30 to 50 ℃ / sec. On the other hand, when using the furnace equipment, it is carried out for 2 to 24 hours at a temperature of 400 to 600 ℃, or 10 to 30 minutes at a temperature of 700 to 950 ℃.
이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 웰 영역(113) 상에 게이트 절연막(115) 및 게이트 도전막(116)을 형성한 후 식각공정을 실시하여 게이트 전극(117)을 형성한다. 이때, 게이트 절연막(115)은 게이트 산화막으로 산화공정을 실시하여 형성하고 도전막(116)은 도프트(doped) 폴리 실리콘막 또는 언도프트(undoped) 폴리 실리콘막으로 형성한다. 예컨대, 폴리 실리콘막은 SiH4 또는 SiH4와 PH3를 이용하여 LPCVD(Low Presure Chemical Vapor Depostion) 방식으로 증착하여 형성한다. Subsequently, as illustrated in FIG. 2C, the
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(117)을 마스크로 이용한 저농도의 불순물 이온주입 공정(118), 즉 LDD 이온주입 공정 및 할로 이온주입 공정을 실시하여 게이트 전극(117)의 양측으로 노출된 웰 영역(113)에 저농도 접합영역(121)을 형성한다. 이때, 저농도 접합영역(121)은 할로 접합영역(120)이 LDD 접합 영역(119)을 감싸는 구조로 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2D, a low concentration of impurity
여기서, LDD 이온주입 공정을 실시하는 이유는 핫 캐리어 발생을 방지하기 위함이다. 그리고, 할로 이온주입 공정을 실시하는 이유는 LDD 접합영역(119)의 형성으로 인해 채널 길이가 감소하여 문턱전압이 낮아지는 단채널 효과를 억제하기 위함이다.Here, the reason for performing the LDD ion implantation step is to prevent the occurrence of hot carriers. The reason for performing the halo ion implantation process is to suppress a short channel effect in which the channel length is reduced due to the formation of the
여기서, 불순물 이온주입 공정(118)은 CMOSFET을 형성하기 위해서는 웰 이온주입 공정(112)과 마찬가지로 소정의 포토레지스트 패턴(미도시)을 이용하여 실시한다. Here, the impurity
이어서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(117)이 형성된 전체 구조 상부의 단차를 따라 제1 절연막(미도시)을 증착한 후 건식식각공정을 실시하여 게이트 전극(117)의 양측벽에 제1 스페이서(122)를 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 2E, a first insulating layer (not shown) is deposited along a step of the entire structure where the
이어서, 제1 스페이서(122)가 형성된 전체 구조 상부의 단차를 따라 제2 절연막(미도시)을 증착한 후 건식식각공정을 실시하여 제1 스페이서(122)의 양측벽에 제2 스페이서(123)를 형성한다.Subsequently, a second insulating layer (not shown) is deposited along the step of the upper portion of the entire structure where the
이어서, 제2 스페이서(123)를 마스크로 이용한 고농도의 소오스/드레인 이온주입 공정(124) 및 열공정을 실시하여 제2 스페이서(123)의 양측으로 노출된 웰 영역(113) 내에 고농도 접합영역(125)을 형성한다. 이로써, 반도체 소자의 소오스/드레인 영역(126)이 형성된다. 참고로, 게이트 전극(117)을 이루는 도전막(116)이 언도프트 폴리 실리콘막인 경우에는 소오스/드레인 이온주입 공정(124)시 불순물을 도전막(116)에 동시 주입한다.Subsequently, a high concentration junction / drain region is formed in the
이어서, 도 2f에 도시된 바와 같이, 살리사이드 공정을 실시하여 실리콘이 노출된 영역, 즉 소오스/드레인 영역(126)의 상부와 게이트 전극(117)의 상부에 금속 실리콘층(127)을 형성한다. 이에 따라, 소오스/드레인 영역(126) 및 게이트 전극(117)과 후속공정을 통해 형성될 금속 배선 간의 접촉저항을 감소시킬 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 2F, a salicide process is performed to form a
여기서, 살리사이드 공정은 코발트 또는 티타늄을 증착한 후 두차례에 걸친 열공정으로 이루어진다. 예컨대, 1차 열공정을 실시하여 소오스/드레인 영역(126) 및 게이트 전극(117)의 상부에서 모노(mono) 실리사이드층(CoSi)을 형성하고, 2차 열공정을 실시하여 최종적으로 CoSi2층을 형성한다.Here, the salicide process consists of two thermal processes after the deposition of cobalt or titanium. For example, a first thermal process is performed to form a mono silicide layer (CoSi) on the source /
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 게이트 산화막을 형성시키기 전에 채널이 형성될 반도체 기판에 GeF2 이온주입 공정을 실시하여 게르마늄과 불소 이온을 동시에 주입한다.That is, according to the preferred embodiment of the present invention, germanium and fluorine ions are implanted simultaneously by performing a GeF 2 ion implantation process on a semiconductor substrate on which a channel is to be formed before forming a gate oxide film.
여기서, 주입된 게르마늄은 소자구동시 형성될 채널 부위에 반도체 기판의 실리콘과의 결정격자 결합(Si-Ge bond)을 이루게 되므로, 채널 내 흐르는 캐리어의 유동성을 증가시켜 소자의 전류를 증가시킬 수 있다. 또한, 주입된 불소는 채널 부위에 "Si-F" 본드를 형성함으로써, 게이트 산화막과 채널이 형성된 기판 간의 계면에 형성되는 계면 포획전하에 따라 소자의 문턱전압이 변하는 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 소자 특성을 개선시킬 수 있다.Here, the implanted germanium forms a Si-Ge bond with the silicon of the semiconductor substrate in the channel region to be formed during device driving, thereby increasing the fluidity of carriers flowing in the channel, thereby increasing the current of the device. . In addition, the implanted fluorine forms a "Si-F" bond in the channel region, thereby preventing the phenomenon in which the threshold voltage of the device is changed in accordance with the interface capture charge formed at the interface between the gate oxide film and the substrate on which the channel is formed. Therefore, the device characteristics of the semiconductor device can be improved.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여 야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 게이트 산화막을 형성시키기 전에 채널이 형성될 반도체 기판에 GeF2 이온주입 공정을 실시하여 게르마늄과 불소 이온을 동시에 주입한다. 이때 주입된 게르마늄에 채널 내 흐르는 캐리어의 유동성을 증가시켜 소자의 전류를 증가시킬 수 있다. 또한, 주입된 불소에 의해 게이트 산화막과 채널이 형성된 기판 간의 계면에 형성되는 계면 포획전하에 따라 소자의 문턱전압이 변하는 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 소자 특성을 개선시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, before forming a gate oxide film, a GeF 2 ion implantation process is performed on a semiconductor substrate on which a channel is to be formed to simultaneously inject germanium and fluorine ions. In this case, the current of the device may be increased by increasing the fluidity of carriers flowing in the channel to the injected germanium. In addition, it is possible to prevent the phenomenon that the threshold voltage of the device is changed due to the interface capture charges formed at the interface between the gate oxide film and the substrate on which the channel is formed by the injected fluorine. Therefore, the device characteristics of the semiconductor device can be improved.
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