KR20070068878A - Methods of fabricating a semiconductor devices employing a low-k dielectric layer as a pre-metal dielectric layer and semiconductor devices fabricated thereby - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1 is a cross-sectional view illustrating a conventional method of manufacturing a semiconductor device.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법 및 그에 의해 제조된 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도들이다.2 to 4 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device manufactured thereby according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속공정 전 절연막(pre-metal dielctric layer)으로 채택되는 저유전체막의 특성 변화를 도시한 그래프이다.FIG. 5 is a graph illustrating a change in characteristics of a low dielectric film employed as a pre-metal dielctric layer of a semiconductor device according to the present invention.
본 발명은 반도체 소자의 제조방법들 및 그에 의해 제조된 반도체 소자들에 관한 것으로, 특히 저유전체막을 금속 공정 전의 절연막으로 채택하는 반도체 소자의 제조방법들 및 그에 의해 제조된 반도체 소자들에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 배선들 사이의 간격들은 점점 좁아지고 있다. 상기 배선들 사이의 영역들은 절연막, 즉 층간절연막으로 채워진다. 이에 따라, 상기 배선들에 인가되는 전기적인 신호들은 상기 층간절연막의 유전상수에 기인하여 지연된다. 상기 반도체 소자의 동작 속도를 향상시키기 위해서는 상기 층간절연막이 낮은 유전상수를 가져야 한다.As the degree of integration of semiconductor devices increases, the spacing between wirings becomes narrower. The regions between the wirings are filled with an insulating film, that is, an interlayer insulating film. Accordingly, electrical signals applied to the wirings are delayed due to the dielectric constant of the interlayer insulating film. In order to improve the operating speed of the semiconductor device, the interlayer insulating film must have a low dielectric constant.
상기 층간절연막으로 실리콘 산화막이 널리 사용되고 있다. 상기 실리콘 산화막은 약 3.9의 유전상수를 갖는다. 그러나, 상기 실리콘 산화막으로 상기 층간절연막을 형성하는 경우에, 고집적 반도체 소자의 동작속도를 향상시키는 데 한계가 있을 수 있다. 따라서, 고성능 반도체 소자(high performance semiconductor device)를 제조하기 위해서는 상기 금속층간 절연막을 3.9 보다 낮은 유전상수를 갖는 저유전체막으로 형성하여야 한다.A silicon oxide film is widely used as the interlayer insulating film. The silicon oxide film has a dielectric constant of about 3.9. However, when the interlayer insulating film is formed of the silicon oxide film, there may be a limit in improving the operating speed of the highly integrated semiconductor device. Therefore, in order to manufacture a high performance semiconductor device, the interlayer insulating film must be formed of a low dielectric film having a dielectric constant lower than 3.9.
구리 배선들과 같은 금속 배선들 사이의 금속층간 절연막을 저유전체막으로 형성하는 방법이 미국특허 제6,465,361호에 "패터닝 동안 저유전체막의 손상을 방지하는 방법(Method for Preventing Damage of Low-k Dielectrics During Patterning)"이라는 제목으로 유 등(You et al.)에 의해 개시된 바 있다. 유 등에 따르면, 반도체 기판 상에 저유전체막 및 캐핑막을 차례로 형성하는 것과, 상기 캐핑막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 것을 포함한다. 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 캐핑막 및 상기 저유전체막을 식각하여 개구부를 형성한다. 이어서, 산소 가스를 사용하여 상기 포토레지스트 패턴을 제거한다. 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 동안 상기 개구부에 의해 노출된 상기 저유전체막에 손상이 가해져 상기 저유전체막의 성질을 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 유 등은 상기 포토레지스트 패턴의 제거 후에 상기 손상된 저유전체막을 큐어링하여 상기 저유전체막의 손상을 회복시키는 것을 개시하고 있다. 상기 저유전체막을 큐어링한 후에, 상기 개구부를 채우는 구리배선을 형성한다.A method of forming a low-k dielectric film between metal wires such as copper wires is described in US Pat. No. 6,465,361, entitled "Method for Preventing Damage of Low-k Dielectrics During Patterning. Patterning ”, as described by You et al. According to Yu et al., A low dielectric film and a capping film are sequentially formed on a semiconductor substrate, and a photoresist pattern is formed on the capping film. The capping layer and the low dielectric layer are etched using the photoresist pattern as an etching mask to form openings. Subsequently, the photoresist pattern is removed using oxygen gas. During the removal of the photoresist pattern, damage may be applied to the low dielectric film exposed by the opening to change properties of the low dielectric film. Accordingly, Dielectric et al. Discloses curing the damaged low dielectric film after the photoresist pattern is removed to recover the damage of the low dielectric film. After curing the low dielectric film, a copper wiring filling the opening is formed.
상술한 바와 같이, 유 등은 금속 배선들 사이의 절연막을 저유전체막으로 형성하는 방법을 제공한다. 따라서, 금속배선들 사이의 기생 커패시턴스가 감소되고, 상기 금속배선들에 인가되는 전기적인 신호의 지연시간 역시 감소될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 고성능 및 고집적 반도체 소자의 전기적 특성을 향상시키는 데 한계가 있을 수 있다. 이는, 상기 저유전체막을 금속 공정(metallization process) 전에 형성되는 도전성 배선들 사이의 절연막(즉, 금속 공정 전의 절연막; pre-metal dielctric layer)으로 채택하는 것이 어렵기 때문이다. 상기 금속 공정 전의 절연막(pre-metal dielectric layer)을 상기 저유전체막으로 형성하면, 상기 저유전체막은 후속의 높은 열처리 온도에 기인하여 고유전체막으로 변화할 수 있다. 따라서, 종래의 반도체 소자에 채택되는 상기 금속 공정 전의 절연막은 여전히 열적 안정성(thermal stability)을 갖는 실리콘 산화막으로 형성한다.As described above, dielectric and the like provide a method of forming an insulating film between metal wirings into a low dielectric film. Therefore, parasitic capacitance between the metal wires is reduced, and the delay time of the electrical signal applied to the metal wires can also be reduced. Nevertheless, there may be a limit in improving electrical characteristics of high performance and highly integrated semiconductor devices. This is because it is difficult to adopt the low-dielectric film as an insulating film (ie, a pre-metal dielctric layer) between the conductive lines formed before the metallization process. If the pre-metal dielectric layer is formed of the low dielectric film, the low dielectric film may change into a high dielectric film due to a subsequent high heat treatment temperature. Therefore, the insulating film before the metal process adopted in the conventional semiconductor device is still formed of a silicon oxide film having thermal stability.
도 1은 종래의 플래쉬 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a conventional flash memory device.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(1)의 소정영역에 소자분리막(도시하지 않음)을 형성하여 활성영역(3a)을 한정한다. 상기 활성영역(3a)의 상부를 가로지르도록 복수개의 평행한 게이트 패턴들, 예컨대 제1 내지 제4 게이트 패턴들(G1, ... , G4)을 형성한다. 상기 게이트 패턴들(G1, ... , G4)의 각각은 차례로 적층된 터널 산화막(5), 부유게이트(7), 게이트 층간절연막(9), 제어게이트 전극(11) 및 게이트 캐핑막 패턴(13)을 구비하도록 형성될 수 있다. 상기 게이트 패턴들(G1, ... , G4) 을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 활성영역(3a) 내로 불순물 이온들을 주입하여 저농도 소오스/드레인 영역들(15)을 형성한다. 상기 저농도 소오스/드레인 영역들(15)의 형성 후에, 상기 게이트 패턴들(G1, ... , G4)의 측벽들 상에 게이트 스페이서들(17)을 형성한다. 상기 게이트 스페이서들(17)은 자기정렬 콘택 기술(self-aligned contact technology)을 위하여 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다. 상기 게이트 스페이서들(17)을 갖는 기판 상에 층간절연막(19)을 형성한다. 상기 층간절연막(19)은 상술한 바와 같이 실리콘 산화막으로 형성한다. 상기 게이트 패턴들(G1, ... , G4) 및 상기 활성영역(3a)의 교차점들에 각각 제1 내지 제4 플래쉬 메모리 셀들(C1, ... , C4)이 형성된다.Referring to FIG. 1, an isolation layer (not shown) is formed in a predetermined region of the
상술한 종래의 플래쉬 메모리 소자에 있어서, 상기 부유게이트들(7) 사이의 갭 영역들은 상기 게이트 스페이서들(17) 및 상기 층간절연막(19)으로 채워지고, 상기 부유게이트들(7) 사이의 기생 커패시턴스(CFG)는 상기 게이트 스페이서들(17) 및 상기 층간절연막(19)의 유전상수 및 상기 부유게이트들(7) 사이의 간격에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 게이트 스페이서들(17)이 약 7.9의 유전상수를 갖는 실리콘 질화막으로 형성되고 상기 부유게이트들(7) 사이의 간격이 감소하면, 상기 기생 커패시턴스(CFG)는 현저히 증가할 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 플래쉬 메모리 셀(C2)이 선택적으로 프로그램되면, 상기 제2 플래쉬 메모리 셀(C2)의 부유게이트(7) 내로 전자들이 주입되어 상기 제2 플래쉬 메모리 셀(C2)의 부유게이트(7)의 전위(electric potential)를 변화시키고 상기 제2 플래쉬 메모리 셀(C2)에 인접한 상기 제3 플래쉬 메모리 셀(C3)의 부유게이트(7)의 전위 역시 상기 기생 커패시턴스(CFG)에 기인하여 변화할 수 있다. 그 결과, 상기 제3 플래쉬 메모리 셀(C3)의 문턱전압이 변화한다. 따라서, 제3 플래쉬 메모리 셀(C3) 내에 저장된 데이터를 선택적으로 읽기 위한 동작 모드에서 읽기 에러(read error)가 발생할 수 있다. 따라서, 고성능 반도체 소자의 전기적 특성을 개선하기 위하여 금속 공정 전의 절연막을 열적으로 안정한 저유전체막으로 형성하는 방법이 지속적으로 요구되고 있다.In the above-described conventional flash memory device, the gap regions between the floating gates 7 are filled with the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속 공정 전의 절연막으로 채택되는 저유전체막의 열적 안정성을 개선시킬 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of improving thermal stability of a low dielectric film that is employed as an insulating film before a metal process.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 금속 공정 전의 절연막으로 채택되는 저유전체막의 열적 안정성을 개선시키기에 적합한 반도체 소자를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a semiconductor device suitable for improving the thermal stability of a low dielectric film employed as an insulating film before a metal process.
본 발명의 일 양태에 따르면, 반도체 기판 상에 형성된 금속층간 절연막 및 상기 금속층간 절연막 내에 형성된 금속 배선들을 갖는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 상기 반도체 기판 및 상기 금속층간 절연막 사이에 배선 패턴들을 형성하는 것을 포함한다. 상기 배선 패턴들의 각각은 적어도 도전성 배선을 구비하도록 형성된다. 상기 배선 패턴들 및 상기 반도체 기판 상에 저유전체막을 형성한다. 상기 저유전체막은 실리콘 산화막보다 낮은 유전상수를 갖는 절연막으로 형성한다. 상기 저유전체막 상에 산소 및/또는 수분(H2O)을 차단시키는(blocking) 캐핑막을 형성한다. 상기 저유전체막 및 상기 캐핑막은 상기 금속층간 절연막 하부에 형성된다.According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device having an intermetallic insulating film formed on a semiconductor substrate and metal wires formed in the intermetallic insulating film. The method includes forming wiring patterns between the semiconductor substrate and the interlayer insulating film. Each of the wiring patterns is formed to have at least conductive wiring. A low dielectric film is formed on the wiring patterns and the semiconductor substrate. The low dielectric film is formed of an insulating film having a lower dielectric constant than the silicon oxide film. A capping film is formed on the low dielectric film to block oxygen and / or water (H 2 O). The low dielectric layer and the capping layer are formed under the interlayer insulating layer.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 배선 패턴들의 각각은 차례로 적층된 터널 산화막, 부유게이트, 게이트 층간절연막 및 제어게이트 전극을 구비하도록 형성될 수 있다.In some embodiments of the present invention, each of the wiring patterns may be formed to include a tunnel oxide film, a floating gate, a gate interlayer insulating film, and a control gate electrode which are sequentially stacked.
다른 실시예들에서, 상기 배선 패턴들은 디램 셀들의 워드라인 패턴들일 수 있다.In other embodiments, the wiring patterns may be word line patterns of DRAM cells.
또 다른 실시예들에서, 상기 저유전체막은 불소 함유된 실리콘 산화막(fluorine-doped silicate glass layer; FSG), 수소 함유된 실리콘 산화막(hydrogen silsesquioxane layer; HSQ) 또는 탄소 함유된 실리콘 산화막(methyl silsesquioxane layer; MSQ 또는 SiOC)으로 형성할 수 있다.In still other embodiments, the low dielectric layer may include a fluorine-doped silicate glass layer (FSG), a hydrogen-containing silicon oxide film (HSQ), or a carbon-containing silicon silsesquioxane layer; MSQ or SiOC).
또 다른 실시예들에서, 상기 캐핑막은 실리콘 질화막(SiN), 실리콘 탄화막(SiC) 또는 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다.In other embodiments, the capping layer may be formed of a silicon nitride layer (SiN), a silicon carbide layer (SiC), or a silicon oxide layer.
또 다른 실시예들에서, 상기 캐핑막 및 상기 저유전체막 사이의 계면에 접착막(adhesion layer)을 추가로 형성할 수 있다. 상기 접착막은 상기 캐핑막의 형성 전에 상기 저유전체막에 플라즈마 처리를 적용하여 형성할 수 있다. 상기 플라즈마 처리는 질소 가스, 산소 가스, 헬리윰 가스, 산화질소(N2O) 가스 또는 사일레인(SiH4) 가스를 플라즈마 소스 가스로 사용하여 실시할 수 있다.In another embodiment, an adhesion layer may be further formed at an interface between the capping layer and the low dielectric layer. The adhesive layer may be formed by applying a plasma treatment to the low dielectric layer before forming the capping layer. The plasma treatment may be performed using nitrogen gas, oxygen gas, helicase gas, nitrogen oxide (N 2 O) gas, or silane (SiH 4 ) gas as the plasma source gas.
또 다른 실시예들에서, 상기 저유전체막의 형성 전에 상기 배선 패턴들을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 활성영역 내로 불순물 이온들을 주입하여 저농도 소오스/드레인 영역들을 형성할 수 있고, 상기 배선 패턴들의 측벽들 상에 게이트 스페이서들을 형성할 수 있다. 이어서, 상기 게이트 스페이서들 및 상기 배선 패턴들을 이온주입 마스크들로 사용하여 상기 활성영역 내로 불순물 이온들을 주입하여 상기 저농도 소오스/드레인 영역들보다 높은 불순물 농도를 갖는 고농도 소오스/드레인 영역들을 형성할 수 있다. 이에 더하여, 상기 고농도 불순물 영역들의 형성 후에, 상기 게이트 스페이서들을 선택적으로 제거할 수 있다.In still other embodiments, low concentration source / drain regions may be formed by implanting impurity ions into the active region using the wiring patterns as an ion implantation mask before forming the low dielectric layer, and may be formed on sidewalls of the wiring patterns. Gate spacers may be formed in the substrate. Subsequently, impurity ions may be implanted into the active region using the gate spacers and the wiring patterns as ion implantation masks to form high concentration source / drain regions having a higher impurity concentration than the low concentration source / drain regions. . In addition, after the formation of the high concentration impurity regions, the gate spacers may be selectively removed.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상의 금속층간 절연막 및 상기 금속층간 절연막 내의 금속 배선들을 갖는 반도체 소자를 제공한다. 상기 반도체 소자는 상기 반도체 기판 및 상기 금속층간 절연막 사이에 개재된 배선 패턴들을 포함한다. 상기 배선 패턴들의 각각은 적어도 도전성 배선을 구비한다. 상기 배선 패턴들 및 상기 반도체 기판은 저유전체막으로 덮여진다. 상기 저유전체막은 실리콘 산화막보다 낮은 유전상수를 갖는다. 상기 저유전체막 상에 산소 및/또는 수분(H2O)을 차단시키는(blocking) 캐핑막이 제공된다. 상기 저유전체막 및 상기 캐핑막은 상기 금속층간 절연막 하부에 배치된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a semiconductor substrate, an intermetallic insulating film on the semiconductor substrate, and metal wires in the intermetallic insulating film. The semiconductor device may include wiring patterns interposed between the semiconductor substrate and the metal interlayer insulating layer. Each of the wiring patterns has at least conductive wiring. The wiring patterns and the semiconductor substrate are covered with a low dielectric film. The low dielectric film has a lower dielectric constant than the silicon oxide film. A capping film is provided on the low dielectric film to block oxygen and / or water (H 2 O). The low dielectric layer and the capping layer are disposed under the interlayer insulating layer.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 배선 패턴들의 각각은 차례로 적층된 터 널산화막, 부유게이트, 게이트 층간절연막 및 제어게이트 전극을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, each of the wiring patterns may include a tunnel oxide film, a floating gate, a gate interlayer insulating film, and a control gate electrode that are sequentially stacked.
다른 실시예들에서, 상기 배선 패턴들은 디램 셀들의 워드라인 패턴들일 수 있다.In other embodiments, the wiring patterns may be word line patterns of DRAM cells.
또 다른 실시예들에서, 상기 저유전체막은 불소 함유된 실리콘 산화막(fluorine-doped silicate glass layer; FSG), 수소 함유된 실리콘 산화막(hydrogen silsesquioxane layer; HSQ) 또는 탄소 함유된 실리콘 산화막(methyl silsesquioxane layer; MSQ 또는 SiOC)일 수 있다.In still other embodiments, the low dielectric layer may include a fluorine-doped silicate glass layer (FSG), a hydrogen-containing silicon oxide film (HSQ), or a carbon-containing silicon silsesquioxane layer; MSQ or SiOC).
또 다른 실시예들에서, 상기 캐핑막은 실리콘 질화막(SiN), 실리콘 탄화막(SiC) 또는 실리콘 산화막일 수 있다.In other embodiments, the capping layer may be a silicon nitride layer (SiN), a silicon carbide layer (SiC), or a silicon oxide layer.
또 다른 실시예들에서, 상기 캐핑막 및 상기 저유전체막 사이에 접착막(adhesion layer)이 추가로 제공될 수 있다.In another embodiment, an adhesion layer may be further provided between the capping layer and the low dielectric layer.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the scope of the invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 낸드형 플래쉬 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.2 to 4 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a NAND flash memory device according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(51)의 소정영역에 소자분리막(도시하지 않음)을 형성하여 활성영역(52a)을 한정한다. 상기 활성영역(52a)을 가로지르도록 복수개의 배선 패턴들, 예컨대 복수개의 게이트 패턴들(gate patterns; G1', ... , G4)을 형성한다. 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4')의 각각은 차례로 적층된 터널 산화막(53), 부유게이트(55), 게이트 층간절연막(57), 제어게이트 전극(59) 및 게이트 캐핑 절연막(61)을 구비하도록 형성될 수 있다. 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4')은 통상의 방법으로 형성될 수 있고, 상기 부유게이트(55) 및 상기 제어게이트 전극(59)은 도전성 물질막으로 형성한다.Referring to FIG. 2, an isolation layer (not shown) is formed in a predetermined region of the
상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4')을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 활성영역(52a) 내로 불순물 이온들을 주입하여 저농도 소오스/드레인 영역들(63)을 형성한다. 결과적으로, 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4') 및 상기 활성영역(52a)의 교차점들에 각각 복수개의 플래쉬 메모리 셀들, 즉 제1 내지 제4 플래쉬 메모리 셀들(C1', ... , C4')이 형성될 수 있다.Low concentration source /
도 3을 참조하면, 상기 저농도 소오스/드레인 영역들(63)의 형성 후에, 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4')의 측벽들 상에 게이트 스페이서들(65)을 형성할 수 있다. 상기 게이트 스페이서들(65)은 상기 게이트 캐핑 절연막(61)과 동일한 물질막 또는 상기 게이트 캐핑 절연막(61)에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 게이트 캐핑 절연막(61)이 실리콘 질화막으로 형성된 경우에, 상기 게이트 스페이서들(65)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 게이트 캐핑 절연막(61)은 실리콘 산화막으로 형성될 수도 있다. 이 경우에도, 상기 게이트 스페이서들(65)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 3, after formation of the low concentration source /
상기 플래쉬 메모리 소자의 집적도가 증가하면, 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4') 사이의 간격이 감소할 수 있다. 이 경우에, 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4') 사이의 갭 영역들은 상기 게이트 스페이서들(65)로 채워질 수 있다. 상기 게이트 스페이서들(65) 및 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4')을 이온주입 마스크들로 사용하여 상기 활성영역(52a) 내로 불순물 이온들을 주입하여 상기 저농도 소오스/드레인 영역들(63)보다 높은 불순물 농도를 갖는 고농도 소오스/드레인 영역들(도시하지 않음)을 형성한다. 상술한 바와 같이 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4') 사이의 갭 영역들이 상기 게이트 스페이서들(65)로 채워지는 경우에, 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4') 사이의 상기 활성영역(52a) 내에 상기 고농도 소오스/드레인 영역들이 형성되지 않을 수 있다. 상기 고농도 소오스/드레인 영역들을 형성하기 위한 이온주입 공정은 상기 복수개의 플래쉬 메모리 셀들(C1', ... , C4')로 구성되는 셀 스트링의 공통 소오스 라인(도시하지 않음) 및 비트라인(도시하지 않음)에 각각 전기적으로 접속되는 스트링 드레인 영역 및 스트링 소오스 영역을 형성하기 위하여 진행될 수 있다.As the degree of integration of the flash memory device increases, the distance between the gate patterns G1 ′,..., G4 ′ may decrease. In this case, gap regions between the gate patterns G1 ′,..., G4 ′ may be filled with the
상기 고농도 소오스/드레인 영역들의 형성 후에, 상기 게이트 스페이서들(65)은 선택적으로 제거될 수 있다. 상기 게이트 스페이서들(65)이 제거된 기판 상에 저유전체막(67), 즉 금속 공정 전의 절연막(pre-metal dielectric layer)을 형성한다. 상기 저유전체막(67)은 실리콘 산화막보다 낮은 유전상수를 갖는 절연막으 로 형성한다. 예를 들면, 상기 저유전체막(67)은 불소 함유된 실리콘 산화막(fluorine-doped silicate glass layer; FSG layer), 수소 함유된 실리콘 산화막(hydrogen silsesquioxane layer; HSQ layer) 또는 탄소 함유된 실리콘 산화막(methyl silsesquioxane layer; MSQ layer 또는 SiOC layer)으로 형성할 수 있다. 그 결과, 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4') 사이의 갭 영역들은 상기 저유전체막(67)으로 채워질 수 있다.After formation of the high concentration source / drain regions, the
상기 저유전체막(67) 상에 접착막(adhesion layer; 69)을 형성할 수 있다. 상기 접착막(69)은 후속 공정에서 형성되는 캐핑막 및 상기 저유전체막(67) 사이의 접착력을 향상시키기 위하여 형성한다. 상기 접착막(69)은 상기 저유전체막(67)에 플라즈마 처리 공정(P)를 적용하여 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 플라즈마 처리 공정(P)은 질소 가스, 산소 가스, 헬리윰 가스, 산화질소(N2O) 가스 또는 사일레인(SiH4) 가스를 프라즈마 소스 가스로 사용하여 진행할 수 있다.An
도 4를 참조하면, 상기 접착막(69) 상에 캐핑막(71)을 형성한다. 상기 캐핑막(71)은 산소 및 수분(H2O)을 차단시키는 물질막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 캐핑막(71)은 실리콘 질화막, 실리콘 탄화막(SiC) 또는 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 캐핑막(71)은 약 500℃ 보다 높은 고온에서 실시되는 후속의 열처리 공정 동안 외부의 산소 및/또는 수분(external oxygen and/or moisture)이 상기 저유전체막(67) 내로 침투하는 것을 방지하기 위하여 형성된다. 상기 캐핑막(71)의 형성을 생략하는 경우에, 상기 저유전체막(67)은 후속의 고온 열처리 공정 동안 외부의 산소 및/또는 수분과 반응하여 실라놀기들(silanol groups; Si-OH bondings)을 함유할 수 있다. 상기 실라놀기들은 상기 저유전체막(67)의 특성을 변화시킨다. 예를 들면, 상기 실라놀기들은 상기 저유전체막(67)의 유전상수를 현저히 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 캐핑막(71)은 상기 저유전체막이 후속의 고온 열처리 공정에 기인하여 열화되는 것을 방지한다.Referring to FIG. 4, a
상기 캐핑막(71)은 열적 CVD 기술 또는 플라즈마 CVD 기술을 사용하여 형성할 수 있다. 특히, 상기 캐핑막(71)을 실리콘 산화막으로 형성하는 경우에, 상기 실리콘 산화막은 치밀한 막질(dense film quality)을 보이는 고밀도 플라즈마 산화막(high density plasma oxide layer)으로 형성할 수 있다.The
계속해서, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 캐핑막(71) 상에 비트라인들과 같은 배선들을 형성하고, 상기 비트라인들을 갖는 기판 상에 층간절연막을 형성할 수 있다. 이어서, 상기 층간절연막 상에 금속배선 공정을 사용하여 금속층간 절연막 및 금속 배선들을 형성할 수 있다.Subsequently, although not shown in the drawing, wires such as bit lines may be formed on the
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 배선 패턴들, 즉 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4')은 디램 셀들의 워드라인 패턴들에 해당할 수도 있다.In another embodiment of the present invention, the wiring patterns, that is, the gate patterns G1 ′,..., G4 ′, may correspond to word line patterns of DRAM cells.
상술한 실시예에 따르면, 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4') 사이의 기생 커패시턴스, 예를 들면, 상기 부유 게이트들(55) 사이의 기생 커패시턴스(도 4의 CFG')는 상기 저유전체막(67)의 유전상수 및 상기 부유게이트들(55) 사이의 간격에 의해 정해질 수 있다. 이에 더하여, 상기 저유전체막(67)이 상기 실시예에서 기재 된 바와 같이 금속 공정 전의 절연막(pre-metal dielectric layer)으로 사용될지라도, 상기 저유전체막(67)은 상기 캐핑막의 존재에 기인하여 열적으로 안정한 특성을 유지할 수 있다. 따라서, 상기 기생 커패시턴스(CFG')는 종래의 기생 커패시턴스(도 1의 CFG)보다 작을 수 있다.According to the above-described embodiment, parasitic capacitance between the gate patterns G1 ′,..., G4 ′, for example, parasitic capacitance between the floating gates 55 (C FG ′ in FIG. 4). May be determined by the dielectric constant of the
이제, 본 발명에 따른 반도체 소자의 구조를 도 4를 다시 참조하여 설명하기로 한다.Now, the structure of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG. 4 again.
도 4를 다시 참조하면, 반도체 기판(51)의 소정영역에 소자분리막(도시하지 않음)이 제공되어 활성영역(52a)을 한정한다. 상기 활성영역(52a) 내에 복수개의 불순물 영역들, 예컨대 복수개의 저농도 소오스/드레인 영역들(63)이 제공된다. 상기 저농도 소오스/드레인 영역들(63) 사이의 채널 영역들 상부에 각각 복수개의 배선 패턴들, 예컨대 제1 내지 제4 게이트 패턴들(G1', ... , G4')이 배치된다. 상기 복수개의 게이트 패턴들(G1', ... , G4')은 상기 활성영역(52a)을 가로지르도록 연장할 수 있다. 상기 게이트 패턴들(G1, ... , G4')의 각각은 적어도 도전성 배선을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4')의 각각은 차례로 적층된 터널 산화막(53), 부유게이트(55), 게이트층간 절연막(57), 제어게이트 전극(59) 및 게이트 캐핑 절연막(61)을 포함할 수 있다.Referring back to FIG. 4, an isolation layer (not shown) is provided in a predetermined region of the
상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4')의 측벽들 상에 게이트 스페이서들(65)이 제공될 수 있다. 그러나, 상기 게이트 스페이서들(65)은 제공되지 않을 수도 있다. 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4') 및 상기 반도체 기판(51)은 저유전체막 (67)으로 덮여진다. 상기 저유전체막(67)은 실리콘 산화막보다 낮은 유전상수를 갖는 절연막이다. 예를 들면, 상기 저유전체막(67)은 불소 함유된 실리콘 산화막(fluorine-doped silicate glass layer; FSG layer), 수소 함유된 실리콘 산화막(hydrogen silsesquioxane layer; HSQ layer) 또는 탄소 함유된 실리콘 산화막(methyl silsesquioxane layer; MSQ layer 또는 SiOC layer)일 수 있다. 결과과적으로, 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4') 사이의 갭 영역들은 상기 저유전체막(67)으로 채워진다.
상기 저유전체막(67) 상에 캐핑막(71)이 제공된다. 상기 캐핑막(71)은 산소 및/또는 수분(H2O)을 차단시키는 물질막이다. 예를 들면, 상기 캐핑막(71)은 실리콘 질화막, 실리콘 탄화막 또는 실리콘 산화막일 수 있다. 따라서, 상기 캐핑막(71)을 갖는 기판에 약 500℃ 보다 높은 온도에서 진행되는 열처리 공정이 적용될지라도, 상기 캐핑막(71)은 외부의 산소 및/또는 수분이 상기 저유전체막(67) 내로 침투하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 상기 저유전체막(67)은 열적으로 안정한 특성을 보일 수 있다. 다시 말해서, 상기 캐핑막(71)은 상기 저유전체막(67)이 고온 열처리 공정 동안 열화되는 것을 방지할 수 있다.A capping
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 저유전체막(67) 및 상기 캐핑막(71) 사이에 접착막(69)이 제공될 수 있다. 상기 접착막(69)은 상기 저유전체막(67) 및 캐핑막(71) 사이의 접착력을 향상시키기 위하여 제공될 수 있다. 상기 접착막(69)은 상기 저유전체막(67)의 표면에 플라즈마 처리 공정을 적용하여 얻어지는 물질막일 수 있다.In another embodiment of the present invention, an
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 게이트 패턴들(G1', ... , G4')은 디램 셀들의 워드라인 패턴들일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the gate patterns G1 ′,..., G4 ′ may be word line patterns of DRAM cells.
도시하지는 않았지만, 상기 캐핑막(71) 상에 비트라인들과 같은 배선들 및 상기 배선들을 덮는 층간절연막이 제공될 수 있고, 상기 층간절연막 상에 금속배선들 및 상기 금속 배선들을 덮는 금속층간 절연막이 제공될 수 있다.Although not shown, an interlayer insulating film may be provided on the
<실험예들; examples>Experimental Examples; examples>
도 5는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속공정 전 절연막(pre-metal dielctric layer)으로 채택되는 저유전체막의 특성 변화를 도시한 그래프이다. 도 5에 있어서, 가로축은 저유전체막의 열처리 온도(T)를 나타내고, 세로축은 저유전체막의 유전상수(C)를 나타낸다. 또한, 참조부호 "A"로 표시된 데이터들은 캐핑막 없는 시료들의 저유전체막의 특성에 해당하고, 참조부호 "B"로 표시된 데이터들은 캐핑막을 갖는 시료들의 저유전체막의 특성에 해당한다.FIG. 5 is a graph illustrating a change in characteristics of a low dielectric film employed as a pre-metal dielctric layer of a semiconductor device according to the present invention. In Fig. 5, the horizontal axis shows the heat treatment temperature (T) of the low dielectric film, and the vertical axis shows the dielectric constant (C) of the low dielectric film. In addition, the data denoted by "A" correspond to the characteristics of the low dielectric film of the samples without the capping film, and the data denoted by "B" correspond to the characteristics of the low dielectric films of the samples having the capping film.
도 5의 실험 결과들을 보이는 시료들의 저유전체막은 SiOC막으로 형성하였고, 캐핑막은 플라즈마 CVD 기술을 사용하여 실리콘 산화막으로 형성하였다. 또한, 상기 저유전체막에 적용되는 열처리 공정은 질소 분위기에서 30분 동안 진행되었다.The low dielectric films of the samples showing the experimental results of FIG. 5 were formed of SiOC films, and the capping films were formed of silicon oxide films using plasma CVD techniques. In addition, the heat treatment process applied to the low dielectric film was performed for 30 minutes in a nitrogen atmosphere.
도 5를 참조하면, 캐핑막을 갖지 않는 시료들(A) 및 캐핑막을 갖는 시료들(B)의 저유전체막들은 모두 열처리 공정 전에 약 2.5의 유전상수를 보였다. 그러나, 캐핑막을 갖지 않는 시료들(A)의 저유전체막은 700℃의 열처리 공정 및 800℃ 의 열처리 공정 후에 각각 약 3.0의 유전상수 및 약 4.2의 유전상수를 보였다. 이에 반하여, 캐핑막을 갖는 시료들(B)의 저유전체막은 700℃의 열처리 공정 후에도 여전히 2.5의 유전상수를 보였고, 800℃의 열처리 공정 후에 약 2.9의 유전상수를 보였다. 결과적으로, 금속 공정 전의 절연막을 저유전체막으로 형성하고 상기 저유전체막 상에 캐핑막을 형성하면, 상기 저유전체막은 약 800℃의 열처리 공정 후에도 저유전체막의 특성을 유지하였다.Referring to FIG. 5, both the low dielectric films of the samples A without the capping film and the samples B with the capping film showed a dielectric constant of about 2.5 before the heat treatment process. However, the low dielectric film of Samples A without the capping film showed a dielectric constant of about 3.0 and a dielectric constant of about 4.2 after the heat treatment at 700 ° C. and the heat treatment at 800 ° C., respectively. On the contrary, the low dielectric film of the samples B having the capping film still showed a dielectric constant of 2.5 even after the heat treatment at 700 ° C., and a dielectric constant of about 2.9 after the heat treatment at 800 ° C. As a result, when the insulating film before the metal process was formed of the low dielectric film and the capping film was formed on the low dielectric film, the low dielectric film retained the properties of the low dielectric film even after the heat treatment process at about 800 ° C.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 금속 공정 전의 절연막을 캐핑막으로 덮여진 저유전체막으로 형성하는 경우에, 상기 저유전체막의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 게이트 패턴들 사이의 기생 커패시턴스를 감소시킬 수 있으므로 반도체 소자의 동작 속도를 더욱 개선시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, when the insulating film before the metal process is formed of the low dielectric film covered with the capping film, the thermal stability of the low dielectric film can be improved. Therefore, the parasitic capacitance between the gate patterns can be reduced, thereby further improving the operation speed of the semiconductor device.
Claims (16)
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KR1020050130958A KR20070068878A (en) | 2005-12-27 | 2005-12-27 | Methods of fabricating a semiconductor devices employing a low-k dielectric layer as a pre-metal dielectric layer and semiconductor devices fabricated thereby |
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KR100913026B1 (en) * | 2007-11-23 | 2009-08-20 | 주식회사 동부하이텍 | Flash memory device and Manufacturing method the same |
US10332878B2 (en) | 2012-06-22 | 2019-06-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor device with impurity-doped region and method of fabricating the same |
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