KR20070001419A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 비트라인과 게이트 간의 콘택 저항 특성을 나타낸 그래프,1 is a graph showing contact resistance characteristics between a bit line and a gate;
도 2는 게이트 선폭에 따른 비트라인콘택/게이트 간의 저항 특성을 나타낸 그래프,2 is a graph showing resistance characteristics between bit line contacts / gates according to gate line widths;
도 3은 게이트 상에 형성된 물질에 따른 비트라인콘택/게이트 간의 저항 특성을 나타낸 그래프,3 is a graph illustrating resistance characteristics between bit line contacts / gates according to a material formed on a gate;
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 도시한 단면도. 4A to 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
41 : 반도체 기판 42 : 소자분리막41
43 : 폴리실리콘막 44 : 실리사이드43
45 : 하드마스크질화막 46 : 게이트 스페이서45 hard
47 : 제 1 층간절연막 48 : 랜딩 플러그47: first interlayer insulating film 48: landing plug
49 : 제 2 층간절연막 50 : 제 1 베리어메탈(Ti)49: second interlayer insulating film 50: first barrier metal (Ti)
51 : 티타늄실리사이드 52 : 제 2 베리어메탈(TiN)51: titanium silicide 52: second barrier metal (TiN)
53 : 비트라인 텅스텐53: bitline tungsten
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 비트라인 콘택 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
반도체 메모리 소자 중 DRAM(DynmicRandom Access Memory) 등은 예컨대, 1T1C(하나의 트랜지스터와 하나의 캐패시터)로 구성된 단위 셀을 복수개 포함하는 셀 영역과 그 이외의 단위 소자들을 포함하는 주변 영역으로 크게 구분된다.Among the semiconductor memory devices, a DRAM (Dynmic Random Access Memory) and the like are largely divided into, for example, a cell region including a plurality of unit cells composed of 1T1C (one transistor and one capacitor) and a peripheral region including other unit elements.
예컨대, 비트라인(Bit line)은 셀 트랜지스터의 소스 쪽에 연결되어 실제로 데이타가 전송되는 라인으로, 셀 영역 측면에서는 이러한 비트라인의 전기적 연결을 위해 게이트 전극(예컨대, 워드라인) 측면의 소스/드레인 접합 영역에 콘택된 셀 콘택 플러그와 비트라인 콘택을 통해 연결되며, 이러한 비트라인을 통해 전달된 셀 데이타를 감지 및 증폭하기 위한 비트라인 감지 증폭기를 포함하는 주변 영역 측면에서는 비트라인 감지증폭기와 비트라인 간의 전기적 연결을 위해 콘택이 필요하다.For example, a bit line is a line connected to the source side of a cell transistor to actually transmit data. On the cell region side, a source / drain junction on the side of a gate electrode (eg, a word line) for electrical connection of the bit line is provided. It is connected between the bit line sense amplifier and the bit line in terms of the peripheral area, which is connected to the cell contact plugs contacted to the area through bit line contacts, and includes a bit line sense amplifier for sensing and amplifying the cell data transferred through these bit lines. A contact is required for the electrical connection.
한편, 셀영역에서 워드라인 측면의 소스/드레인 접합 영역에 콘택된 콘택플러그와 비트라인을 콘택을 BLC1이라 하고, 주변영역에서 비트라인 감지증폭기의 게이트 전극과 소스/드레인을 연결시키는 비트라인콘택을 BLC2라 한다. On the other hand, the contact plug and bit line contacted to the source / drain junction region on the side of the word line in the cell region are referred to as BLC1, and the bit line contact connecting the gate electrode and the source / drain of the bit line sense amplifier in the peripheral region is Called BLC2.
일반적으로 비트라인 공정시, 실리콘 기판과 폴리 플러그 상에 형성되는 비트라인 콘택의 경우 콘택 저항을 낮추기 위해 베리어 메탈인 티타늄실리사이드(TiSi2)를 형성한다. 이와 같은 티타늄실리사이드를 형성하기 위해 비트라인 베리어 메탈로 Ti/TiN을 형성하고, 급속 열처리(RTP)로 티타늄실리사이드를 형성한다. 이렇게 형성된 티타늄실리사이드의 경우 후속의 공정의 열(Thermal)에 의해 비트라인 콘택저항에 영향을 줄 가능성이 있다.In general, in the bit line process, in the case of the bit line contact formed on the silicon substrate and the poly plug, a barrier metal titanium silicide (TiSi 2 ) is formed to lower contact resistance. In order to form such a titanium silicide, Ti / TiN is formed of a bit line barrier metal, and titanium silicide is formed by rapid heat treatment (RTP). In the case of the thus formed titanium silicide, there is a possibility of affecting the bit line contact resistance by thermal in the subsequent process.
최근 MIM(Metal-Inslator-Metal) 캐패시터에서 누설(leakage) 특성 향상을 위해 하부 전극 형성후 어닐링 온도를 증가하였다. 이러한 어닐링 온도의 증가는 캐패시터의 누설 특성을 줄이는 효과를 가져왔으나 비트라인과 게이트 저항을 증가시키는 결과를 초래하였다. 기존 논문을 참고하면 써멀이 높은 경우 티타늄실리사이드가 워드 라인인 텅스텐실리사이드의 그레인 바운더리(Grain Boundary)를 통해 하부 폴리 지역에 형성하는 것을 알 수 있고, 이러한 것이 콘택 저항을 높이는 것으로 보인다. (참고 문헌 : Reaction of Ti with WSi2 - J.Appl.Phys. 82(12), 15 December 1997) Recently, the annealing temperature was increased after the formation of the lower electrode in order to improve the leakage characteristic of the metal-inslator-metal (MIM) capacitor. This increase in annealing temperature has the effect of reducing the capacitor's leakage characteristics, but also results in increased bit line and gate resistance. Existing papers show that when the thermal is high, titanium silicide is formed in the lower poly region through the grain boundary of the tungsten silicide, the word line, which appears to increase contact resistance. (Reference: Reaction of Ti with WSi 2 -J. Appl. Phys. 82 (12), 15 December 1997)
한편, 비트라인과 게이트간의 콘택 저항의 경우 최근 디바이스가 초소형화 되면서 특정 콘택 크기 이하가 되면 게이트 콘택 저항이 급속히 증가하는 것을 확인하였다. On the other hand, in the case of the contact resistance between the bit line and the gate, it has been confirmed that the gate contact resistance rapidly increases when the device becomes extremely small and falls below a specific contact size.
도 1은 비트라인과 게이트 간의 콘택 저항 특성을 나타낸 그래프로서, 게이트와 비트라인콘택에 티타늄실리리사이드가 아닌 티타늄이 바로 접합되어 있으면 비트라인와 게이트 간의 콘택 저항값이 균일하면서 낮은 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.FIG. 1 is a graph showing contact resistance characteristics between a bit line and a gate. When titanium, not titanium silicide, is directly bonded to a gate and a bit line contact, the contact resistance between the bit line and the gate has a uniform and low value. Can be.
도 2는 게이트 선폭에 따른 비트라인콘택/게이트 간의 저항 특성을 나타낸 그래프로서, 콘택 크기가 작아짐에 따라 비트라인콘택과 게이트 간의 콘택 저항이 점진적으로 높아지다가 콘택 크기가 특정 크기 이하가 되면 급속히 증가하는 것을 알 수 있다.2 is a graph illustrating resistance characteristics between bit line contacts and gates according to gate line widths. As the contact size decreases, the contact resistance between the bit line contact and the gate gradually increases, and rapidly increases when the contact size becomes smaller than a certain size. It can be seen that.
도 3은 게이트 상에 형성된 물질에 따른 비트라인콘택/게이트 간의 저항 특성을 나타낸 그래프로서, 게이트 상에 티타늄실리사이드가 아닌 티타늄이 바로 형성되어 있을 때 비트라인콘택과 게이트 간의 콘택 저항이 균일하면서 낮은 것을 알 수 있다.FIG. 3 is a graph illustrating resistance characteristics between bit line contacts / gates according to materials formed on gates. When the non-titanium silicide titanium is directly formed on the gates, the contact resistances between the bit line contacts and the gates are uniform and low. Able to know.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 셀영역과 주변회로영역에서 게이트 전극과 비트라인 간의 콘택 저항을 감소시켜 소자의 특성을 개선하는데 적합한 반도체 소자 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and provides a semiconductor device manufacturing method suitable for improving the characteristics of the device by reducing the contact resistance between the gate electrode and the bit line in the cell region and the peripheral circuit region. There is a purpose.
상기 목적을 달성하기 위한 특징적인 본 발명의 반도체 소자 제조 방법은 셀영역과 주변회로영역으로 구분된 반도체 기판 상에 다수의 게이트 패턴을 형성하는 단계, 상기 주변회로영역에서 각 게이트 패턴의 측면에 얼라인되는 불순물 확산 영 역을 형성하는 단계, 상기 게이트 패턴을 포함하는 전면에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계, 상기 셀영역에서 상기 제 1 층간절연막을 관통하여 상기 반도체 기판에 콘택되며, 상기 제 1 층간절연막과 그 상부가 평탄화된 플러그를 형성하는 단계, 상기 제 1 층간절연막 및 상기 플러그를 포함하는 전면에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계, 상기 셀영역의 상기 제 2 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 플러그 상부를 노출시키는 제 1 오픈부를 형성하는 단계, 상기 주변회로영역의 상기 제 2 층간절연막과 상기 제 1 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 불순물 확산 영역을 노출시키는 제 2 오픈부를 형성하는 단계, 상기 오픈부가 형성된 결과물의 프로파일을 따라 제 1 베리어 메탈을 형성하는 단계, 상기 제 1 오픈부 및 상기 제 2 오픈부에 실리사이드를 형성하는 단계, 상기 실리사이드를 제외한 상기 제 1 베리어 메탈을 제거하는 단계, 상기 주변회로영역에서 상기 제 2 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 게이트 패턴의 하드마스크를 제거하는 단계, 결과물의 프로파일을 따라 제 2 베리어 메탈을 형성하는 단계, 및 상기 제 2 베리어 메탈 및 결과물의 전면에 전도막을 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a semiconductor device, the method including: forming a plurality of gate patterns on a semiconductor substrate divided into a cell region and a peripheral circuit region; Forming a doped impurity diffusion region, forming a first interlayer insulating film on the entire surface including the gate pattern, penetrating the first interlayer insulating film in the cell region, and contacting the semiconductor substrate; Forming an interlayer insulating film and a plug having a planarization thereon; forming a second interlayer insulating film on the entire surface including the first interlayer insulating film and the plug; and selectively etching the second interlayer insulating film in the cell region. Forming a first open portion exposing the upper portion of the plug, the second interlayer insulating layer in the peripheral circuit region Selectively etching the first insulating layer to form a second open portion exposing the impurity diffusion region, forming a first barrier metal according to a profile of the resultant portion in which the open portion is formed, the first open portion and the first Forming a silicide in an open portion, removing the first barrier metal except for the silicide, selectively etching the second interlayer insulating layer in the peripheral circuit region, and removing the hard mask of the gate pattern; Forming a second barrier metal along a profile of the resultant, and forming a conductive film on the entire surface of the second barrier metal and the resultant.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention. .
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 도시한 단면도이다.4A through 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 4a에 도시된 바와 같이, 셀영역과 주변회로영역이 구분된 반도체 기판(41) 상에 STI(Shallow Trench Isolation) 방법으로 소자분리막(42)과 웰(도시하지 않음)을 형성한다. 한편, 반도체 기판(41)은 통상의 실리콘 기판이다.As shown in FIG. 4A, an
이어서, 반도체 기판(41) 상에 게이트 산화막(도시하지 않음)을 형성하고, 게이트 산화막 상에 게이트 전극용 전도막(43, 44)을 적층 형성하고, 게이트 전극용 전도막(43, 44) 상에 게이트하드마스크(45)를 증착한 다음, 포토리소그라피 공정을 통해 게이트 패턴 형성을 위한 마스크 패턴을 형성한다. Subsequently, a gate oxide film (not shown) is formed on the
이어서, 마스크 패턴을 식각마스크로 게이트 전극용 전도막(43, 44)과 게이트하드마스크(45)를 식각함으로써, 하드마스크(45)와 게이트 전극(43, 44)의 적층 구조를 갖는 게이트 패턴을 형성한다.Subsequently, the gate pattern
한편, 게이트 전극용 전도막으로는 예컨대, 폴리실리콘막(43)과 실리사이드(44)막을 사용하며, 그 외에도 텅스텐막, 텅스텐실리사이드, 티타늄막, 티타늄나이트라이드막 등의 단독 또는 조합된 구조를 포함하며, 게이트하드마스크(45)는 질화막 계열 또는 산화막 계열의 절연성 막을 포함한다.On the other hand, as the conductive film for the gate electrode, for example, a
이어서, 게이트 패턴이 형성된 프로파일을 따라 질화막과 산화막의 단독 또는 조합된 형태로 절연막을 증착한 다음, 건식 식각을 실시하여 게이트 패턴 측면에 게이트 스페이서(46)을 형성한다. 게이트 스페이서(46)은 후속 식각 공정에서 게이트 패턴이 어택받는 것을 방지하기 위한 것이다.Subsequently, an insulating film is deposited in the form of a nitride film or an oxide film alone or in combination along the profile in which the gate pattern is formed, and then dry etching is performed to form the
이어서, 주변회로영역에서 이온 주입 공정을 실시하여 게이트 패턴 측면에 얼라인되도록 반도체 기판(41)에 N형 불순물을 도핑시킨 후, 열처리를 통해 도핑된 불순물을 확산시켜 NMOS 트랜지스터의 소스/드레인 영역(도시하지 않음)을 형성한다. Subsequently, an ion implantation process is performed in the peripheral circuit region to dope an N-type impurity into the
같은 방식으로 이온 주입 공정을 실시하여 게이트 패턴 측면에 얼라인되도록 반도체 기판(41)에 P형 불순물을 도핑시킨 후, 열처리를 통해 도핑된 불순물을 확산시켜 PMOS 트랜지스터의 소스/드레인 영역(도시하지 않음)을 형성한다.In the same manner, an ion implantation process is performed to dope P-type impurities into the
한편, 주변회로영역의 경우 스페이서 형성 전 두번의 이온 주입을 실시하여 소스/드레인이 LDD(Lightly Doped Drain) 구조를 갖도록 하는 바, 여기서는 그 구체적인 공정은 생략한다.Meanwhile, in the case of the peripheral circuit region, the ion / drain is implanted twice before forming the spacer so that the source / drain has a lightly doped drain (LDD) structure, and thus the detailed process is omitted.
이어서, 결과물의 전면에 제 1 층간절연막(47)을 형성한다. Subsequently, a first
이 때, 제 1 층간절연막(47)은 BSG(Boro-Silicate-Glass)막, BPSG(Boro-Phospho-Silicate-Glass)막, PSG(Phospho-Silicate-Glass)막, TEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate)막, HDP(High Density Plasma) 산화막, SOG(Spin On Glass)막 또는 APL(Advanced Planarization Layer)막 등을 이용하며, 산화막 계열 이외에 무기 또는 유기 계열의 저유전율막을 이용할 수 있다.In this case, the first interlayer
이어서, 후속 포토리소그라피 공정에서의 마진을 확보하기 위해 제 1 층간절연막(47) 상부를 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 'CMP') 또는 에치백 공정을 실시하여 평탄화시킨다.Subsequently, in order to secure a margin in a subsequent photolithography process, the upper portion of the first
다음으로, 평탄화된 제 1 층간절연막(47) 상에 셀콘택 형성을 위한 마스크 패턴(도시하지 않음)을 형성하고 마스크 패턴을 식각마스크로 제 1 층간절연막(47)을 식각하여 셀영역에서 게이트 패턴 사이의 기판을 노출시킨 다음, 마스크 패턴을 제거하고 전면에 플러그 형성용 전도막 예컨대, 폴리실리콘막을 증착한 후, 게이트하드마스크(45)가 노출되는 타겟으로 평탄화 공정을 실시하여 랜딩 플러그(48)를 형성한다.Next, a mask pattern (not shown) for forming a cell contact is formed on the planarized first
이어서, 랜딩 플러그(48)와 제 1 층간절연막(47) 상에 제 2 층간절연막(49)를 증착하고, 제 2 층간절연막(49)의 평탄화한다.Subsequently, a second
다음으로, 셀영역에서 비트라인콘택(BLC1)이 이루어질 영역을 노출시키는 콘택 식각 공정을 실시하고, 이어서 주변회로영역에서 비트라인콘택(BLC2)이 이루어질 N형 불순물 확산 영역을 노출시키기 위한 콘택 식각 공정을 실시하는 바, 이를 위한 마스크 패턴(도시하지 않음)을 제 2 층간절연막(49) 상에 형성한 다음, 마스크 패턴을 식각마스크로 제 2 층간절연막(49)과 제 1 층간절연막(47)을 식각하여 N형 불순물 확산영역을 노출시키는 오픈부를 형성한다. 이와 같은 비트라인콘택 공정은 PMOS 영역에도 같은 방법으로 진행된다. Next, a contact etching process for exposing a region where the bit line contact BLC1 is to be made in the cell region is performed, and then a contact etching process for exposing an N-type impurity diffusion region in which the bit line contact BLC2 is to be made in the peripheral circuit region. A mask pattern (not shown) for this purpose is formed on the second
이어서, 포토레지스트 스트립 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴인 마스크 패턴을 제거한다.Next, a photoresist strip process is performed to remove the mask pattern, which is a photoresist pattern.
도 4b에 도시된 바와 같이, 비트라인콘택 식각 공정이 진행된 결과물의 프로파일을 따라 비트라인 제 1 베리어 메탈(50)을 증착한다. 이 때, 제 1 베리어 메탈(50)은 티타늄막(Ti), 티타늄나이트라이드막(TiN), 또는 티타늄실리사이드막(TiSi2) 등의 단독 또는 조합된 구조를 사용하며, 예컨대 본 발명의 실시예에서는 티타늄막의 단일막을 사용한다. As shown in FIG. 4B, the bit line
도 4c에 도시된 바와 같이, 결과물의 전면에 700℃∼900℃의 온도로 급속 열처리를 실시하여 셀영역의 랜딩 플러그(48) 상부와 주변회로영역의 오픈된 비트라인콘택 영역에 티타늄실리사이드(51)를 형성한다. 더 자세히는, 제 1 베리어 메탈(50)과 실리콘의 반응을 통한 금속실리사이드이며, 비트라인 전도막과 콘택되는 부분 사이에서 오믹 콘택이 이루어지도록 하여 콘택 저항을 감소시키는 역할을 한다.As shown in FIG. 4C, the
도 4d에 도시된 바와 같이, 건식 세정을 실시하여 티타늄실리사이드(51)를 제외한 티타늄막(50)을 제거한다.As shown in FIG. 4D, dry cleaning is performed to remove the
도 4e에 도시된 바와 같이, 건식 세정으로 티타늄막을 제거한 후 주변회로영역의 제 2 층간절연막(49a) 상에 게이트 마스크(도시하지 않음)를 형성하여, 게이트 마스크를 식각마스크로 제 2 층간절연막(49a) 및 게이트 패턴의 게이트하드마스크(45)를 제거하는 식각 공정을 실시한다. As shown in FIG. 4E, after the titanium film is removed by dry cleaning, a gate mask (not shown) is formed on the second
도 4f에 도시된 바와 같이, 결과물의 프로파일을 따라 제 2 베리어 메탈(52)을 증착한다. 이 때, 제 2 베리어 메탈(52)은 티타늄막(Ti), 티타늄나이트라이드막(TiN), 또는 티타늄실리사이드막(TiSi2) 등의 단독 또는 조합된 구조를 사용하며, 예컨대 본 발명의 실시예에서는 티타늄나이트라이드막의 단일막을 사용한다. As shown in FIG. 4F, a
이어서, 제 2 베리어 메탈(52)을 포함하는 결과물의 전면에 비트라인 전도막(53)으로 텅스텐막을 증착한다.Next, a tungsten film is deposited on the bit line
상술한 바와 같이, 오믹 콘택이 필요한 비트라인콘택(BLC 1, BLC2) 지역에서 주변회로영역의 NMOS, PMOS 지역만 먼저 콘택 식각을 진행하여 티타늄실리사이드를 형성하고, 이후 게이트 상에 비트라인 콘택을 추가로 식각한 후 베리어 메탈인 티타늄나이트라이드막을 증착하고, 이후 비트라인 전도막인 텅스텐막을 증착하여 게이트 패턴 상에 티타늄막 또는 티타늄실리사이드 형성을 하지 않음으로써, 비트라인 형성 후 후속 열처리 공정에 의한 비트라인과 게이트 간의 콘택 저항의 증가가 없어 누설 감소 효과를 얻을 수 있다.As described above, only the NMOS and PMOS regions of the peripheral circuit region in the bit
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described 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.
상술한 본 발명은 급속열처리 공정 진행시, 비트라인과 게이트 전극 사이의 콘택 저항의 증가가 없어 MIM 캐패시터 어닐링 공정의 써멀 온도 증가가 가능한 효과가 있으며, 이로 인하여 캐패시터의 누설 감소 효과를 얻을 수 있다.In the above-described present invention, there is no increase in contact resistance between the bit line and the gate electrode during the rapid heat treatment process, so that the thermal temperature of the MIM capacitor annealing process can be increased, thereby reducing the leakage of the capacitor.
또한, 게이트 전극 상에 바로 티타늄나이트라이드막이 접합되어 있어 비트라인 콘택 저항이 균일하면서 감소하는 효과가 있다.In addition, since the titanium nitride film is directly bonded on the gate electrode, the bit line contact resistance is uniformly reduced.
또한, 게이트 상의 비트라인 콘택 측면에 베리어 메탈인 티타늄막이 없으므로 콘택 증가 효과가 있으므로, 비트라인과 게이트 전극 사이의 콘택 저항 감소 효과가 있다. In addition, since there is no barrier metal titanium film on the side of the bit line contact on the gate, there is a contact increase effect, thereby reducing the contact resistance between the bit line and the gate electrode.
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