KR20070116458A - Method of forming semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 내지 1e는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device according to the prior art.
도 2a 내지 2e는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.2A through 2E are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
110: 실리콘 패턴 115: 층간 절연막110: silicon pattern 115: interlayer insulating film
120: 제 1 금속막 130: 제 1 금속 실리사이드120: first metal film 130: first metal silicide
140: 포토 레지스트 패턴 150: 무전해 도금 금속막140: photoresist pattern 150: electroless plating metal film
200: 제 2 금속 실리사이드200: second metal silicide
본 발명은 반도체 소자의 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔모스 및 피모스 트랜지스터를 갖는 반도체 소자의 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a semiconductor device having an NMOS and a PMOS transistor.
트랜지스터의 게이트 전극이 폴리 실리콘으로 형성되는 경우, 폴리 실리콘 공핍(polysilicon depletion) 및 붕소 침투 현상이 발생한다.When the gate electrode of the transistor is formed of polysilicon, polysilicon depletion and boron penetration occur.
폴리 실리콘 대신 금속물질로 게이트 전극이 형성되는 경우, 폴리 실리콘 공핍 및 붕소 침투 현상이 해결될 수 있지만, 금속 이온에 의한 게이트 절연막의 열화를 유발하며 일함수가 고정되어 있어 문턱전압을 조절하기 어려운 단점이 있다. 이에 대한 해결책으로 게이트 전극의 폴리 실리콘을 실리사이드화하는 공정이 제시되고 있다.When the gate electrode is formed of a metal material instead of polysilicon, the polysilicon depletion and boron penetration can be solved, but it is difficult to control the threshold voltage because it causes deterioration of the gate insulating layer due to metal ions and the work function is fixed. There is this. As a solution to this, a process of silicideing polysilicon of the gate electrode is proposed.
도 1a 내지 1e는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device according to the prior art.
도 1a를 참조하면, 제 1 영역(Ⅰ)과 제 2 영역(Ⅱ)을 포함하는 반도체 기판(10)이 준비된다. 상기 제 1 영역(Ⅰ)과 제 2 영역(Ⅱ)은 피모스 영역과 엔모스 영역일 수 있다. 상기 반도체 기판(10) 상에 게이트 절연막(15)과 폴리 실리콘막(20)이 형성된다. 상기 게이트 절연막(15) 상부에 폴리 실리콘이 형성된 후, 제 1 영역(Ⅰ) 상에 포토 레지스트 패턴(미도시)을 형성하고, 화학 건식 식각(chemical dry etching) 공정에 의하여 제 2 영역(Ⅱ)의 폴리 실리콘의 일부분을 제거한다. 제 1 영역(Ⅰ)과 제 2 영역(Ⅱ)에 두께의 차이가 나는 폴리 실리콘막(20)이 형성된다. Referring to FIG. 1A, a
상기 폴리 실리콘막(20)의 상부에 실리콘 게르마늄막(22)이 형성된다. 상기 실리콘 게르마늄막(22)은 상기 폴리 실리콘막(20)의 두께의 차이 때문에 단차가 형성된다. 상기 실리콘 게르마늄막(22)에 평탄화 공정이 진행된다. 상기 실리콘 게르마늄막(22)의 상부에 게이트 패터닝을 위한 마스크막(24)이 형성된다. 상기 마스크막(24)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.A
도 1b를 참조하면, 제 1 영역(Ⅰ)과 제 2 영역(Ⅱ)에 각각 게이트 패턴이 형성된다. 상기 게이트 패턴의 측벽에 스페이서(26a, 26b)가 형성되어 있고, 이온 주입 공정에 의하여 소오스/드레인 영역(12a,12b,13a,13b)이 형성된다.Referring to FIG. 1B, gate patterns are formed in the first region I and the second region II, respectively.
도 1c를 참조하면, 상기 게이트 패턴을 덮는 층간 절연막(30)이 형성된다. 상기 층간 절연막(30)에 평탄화 공정을 진행하여 실리콘 게르마늄막(22a, 22b)의 상부 표면이 노출된다.Referring to FIG. 1C, an
도 1d를 참조하면, 상기 실리콘 게르마늄막(22a, 22b)이 제거된다. 실리콘 게르마늄막(22a, 22b)의 제거 공정은 폴리 실리콘에 식각 선택성을 갖는 습식 식각 공정을 포함할 수 있다. 폴리 실리콘막(20a, 20b) 상에 금속막(40)이 형성된다.Referring to FIG. 1D, the
도 1e를 참조하면, 실리사이드 공정을 진행하면 상기 금속막(40)과 폴리 실리콘막(20a, 20b)이 반응하여 금속 실리사이드(50a, 50b)가 각각 형성된다. 상기 금속 실리사이드(50a, 50b)는 금속 물질과 폴리 실리콘의 비율 차이에 의하여 금속 물질과 폴리 실리콘의 조성비가 다르게 형성된다.Referring to FIG. 1E, when the silicide process is performed, the
종래기술은 폴리 실리콘의 건식 식각 공정과 실리콘 게르마늄막의 평탄화 공정 그리고 습식 식각 공정을 포함하기 때문에, 공정이 복잡하고 비용이 증가하는 문제점이 있었다.Since the prior art includes a dry etching process of polysilicon, a planarization process of a silicon germanium film, and a wet etching process, the process is complicated and the cost increases.
본 발명의 목적은 공정이 단순하고 비용이 절감된 반도체 소자의 형성방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method of forming a semiconductor device, the process is simple and the cost is reduced.
본 발명의 실시예는 반도체 소자의 형성방법을 제공한다. 상기 반도체 소자의 형성방법은 제 1 영역과 제 2 영역을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 것; 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역에 각각 실리콘 패턴을 형성하는 것; 상기 실리콘 패턴들 상에 제 1 금속막을 형성하는 것; 제 1 실리사이드 공정을 진행하여 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역에 제 1 금속 실리사이드를 형성하는 것; 상기 제 1 영역의 상기 제 1 금속 실리사이드의 상부 표면에 제 2 금속막을 형성하는 것; 그리고 제 2 실리사이드 공정을 진행하여 상기 제 1 영역에 제 2 금속 실리사이드를 형성하는 것을 포함한다.An embodiment of the present invention provides a method of forming a semiconductor device. The method of forming a semiconductor device includes preparing a semiconductor substrate including a first region and a second region; Forming silicon patterns in the first region and the second region, respectively; Forming a first metal film on the silicon patterns; Performing a first silicide process to form a first metal silicide in the first region and the second region; Forming a second metal film on an upper surface of the first metal silicide in the first region; And performing a second silicide process to form a second metal silicide in the first region.
상기 반도체 소자의 형성방법에 있어서, 상기 제 2 금속막을 형성하는 것은: 상기 제 1 금속 실리사이드의 상부에 상기 제 1 영역을 노출하는 포토 레지스트 패턴을 형성하는 것; 그리고 상기 제 1 영역의 상기 제 1 금속 실리사이드의 상부에 무전해 도금 공정을 진행하는 것을 포함한다.In the method of forming the semiconductor device, the forming of the second metal film comprises: forming a photoresist pattern exposing the first region on the first metal silicide; And performing an electroless plating process on top of the first metal silicide in the first region.
상기 반도체 소자의 형성방법은 상기 실리콘 패턴을 형성한 후,상기 실리콘 패턴을 덮는 층간 절연막을 형성하는 것; 그리고 상기 층간 절연막에 평탄화 공정을 진행하여 상기 실리콘 패턴의 상부 표면을 노출하는 것을 더 포함할 수 있다.The method of forming the semiconductor device may include forming an interlayer insulating film covering the silicon pattern after forming the silicon pattern; The method may further include exposing a top surface of the silicon pattern by performing a planarization process on the interlayer insulating layer.
상기 제 1 금속막과 상기 제 2 금속막은 니켈, 코발트, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨 또는 티타늄 중 어느 하나이거나 이들의 조합일 수 있다.The first metal film and the second metal film may be any one of nickel, cobalt, molybdenum, tungsten, tantalum, or titanium, or a combination thereof.
상기 반도체 소자의 형성방법은 상기 제 1 실리사이드 공정을 진행한 후, 상기 실리콘 패턴과 반응하지 않은 상기 제 1 금속막을 제거하는 것을 더 포함할 수 있다.The method of forming the semiconductor device may further include removing the first metal layer that does not react with the silicon pattern after the first silicide process.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 형성방법은 제 1 영역과 제 2 영역을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 것; 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역에 각각 실리콘 패턴을 형성하는 것; 상기 실리콘 패턴들의 측벽을 덮는 층간 절연막을 형성하는 것; 상기 실리콘 패턴을 덮는 제 1 금속막을 형성하는 것; 제 1 실리사이드 공정을 진행하여 상기 실리콘 패턴들을 제 1 금속 실리사이드로 전환하는 것; 상기 실리콘 패턴과 반응하지 않은 상기 제 1 금속막을 제거하는 것; 상기 제 2 영역에 상기 제 1 영역을 노출하는 포토 레지스트 패턴을 형성하는 것; 상기 제 1 영역의 상기 제 1 금속 실리사이드의 상부에 무전해 도금 공정을 진행하는 것; 그리고 제 2 실리사이드 공정을 진행하여 상기 제 1 영역의 제 1 금속 실리사이드를 제 2 금속 실리사이드로 전환하는 것을 포함한다.A method of forming a semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes preparing a semiconductor substrate including a first region and a second region; Forming silicon patterns in the first region and the second region, respectively; Forming an interlayer insulating film covering sidewalls of the silicon patterns; Forming a first metal film covering the silicon pattern; Performing a first silicide process to convert the silicon patterns to a first metal silicide; Removing the first metal film that has not reacted with the silicon pattern; Forming a photoresist pattern exposing the first region in the second region; Conducting an electroless plating process on top of the first metal silicide in the first region; And performing a second silicide process to convert the first metal silicide in the first region into a second metal silicide.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 형성방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, a method of forming a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. In addition, where a layer is said to be "on" another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween. Like numbers refer to like elements throughout.
도 2a 내지 2e는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.2A through 2E are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 제 1 영역(Ⅰ)과 제 2 영역(Ⅱ)을 포함하는 반도체 기판(100)이 준비된다. 상기 제 1 영역(Ⅰ)과 제 2 영역(Ⅱ)은 피모스 영역과 엔모스 영역이거나 그 역일 수 있다. 상기 제 1 영역(Ⅰ)과 제 2 영역(Ⅱ)은 소자분리영역(미도시)에 의해 한정된 활성영역에 웰(well)을 형성하여 정의될 수 있다.Referring to FIG. 2A, a
상기 반도체 기판(100) 상에 절연물질과 폴리 실리콘이 형성된다. 상기 절연물질과 폴리 실리콘이 패터닝되어 게이트 절연막(105a, 105b))과 실리콘 패턴(110)이 형성된다. 상기 실리콘 패턴(110)의 측벽에 스페이서(112)가 형성된다.An insulating material and polysilicon are formed on the
상기 게이트 절연막(105a, 105b)은 열산화 공정이나 화학 기상 증착 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 게이트 절연막(105a, 105b)은 실리콘 산화막, 하프늄 산화막, 지르코늄 산화막, 알루미늄 산화막으로 형성될 수 있다.The
상기 실리콘 패턴(110)은 약 600℃ 정도에서 실레인(SiH4) 가스의 열분해에 의하여 저압 화학 기상 증착 공정으로 형성된 폴리 실리콘을 패터닝하여 형성될 수 있다. 상기 폴리 실리콘의 균일성을 위하여 불활성 가스가 실레인(SiH4) 가스에 혼합될 수 있다. 상기 실리콘 패턴(110)의 두께는 후속 공정에서 형성되는 금속막의 두께를 고려하여 결정될 수 있다.The
상기 스페이서(112)는 기판 전면에 절연막을 형성한 후 전면 이방성 식각 공정을 통하여 형성될 수 있다. 상기 스페이서(112)는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화 질화막으로 형성될 수 있다.The
상기 반도체 기판(100)에 소오스/드레인 영역(102a,102b,103a,103b)이 형성된다. 상기 소오스/드레인 영역을 형성하는 공정은 상기 스페이서(112)를 형성하기 전에 이온 주입 공정을 통하여 저농도 불순물 영역을 형성하고, 상기 스페이서(112)를 형성한 후에 이온 주입 공정을 통하여 고농도 불순물 영역을 형성하는 것을 포함할 수 있다.Source /
도 2b를 참조하면, 상기 실리콘 패턴(110)을 덮는 층간 절연막(115)이 형성된다. 상기 층간 절연막(115)은 화학 기상 증착 또는 스핀-온-글래스 방법으로 형성될 수 있다. 상기 층간 절연막(115)에 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 진행하여 상기 실리콘 패턴(110)의 상부 표면이 노출된다.Referring to FIG. 2B, an
상기 실리콘 패턴(110)과 층간 절연막(115)을 덮는 제 1 금속막(120)이 형성된다. 상기 제 1 금속막(120)은 니켈(Ni), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 탄탈륨(Ta) 또는 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 금속막(140)은 물리 기상 증착, 화학 기상 증착 또는 전기도금 방법으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 금속막(120)의 두께는 후속 공정에서 형성되는 금속 실리사이드의 실리콘과 제 1 금속의 조성비를 고려하여 결정될 수 있다.The
도 2c를 참조하면, 상기 제 1 금속막(120)과 실리콘이 반응하여 각각 제 1 금속 실리사이드(130)가 형성되는 제 1 실리사이드 공정이 진행된다. 상기 제 1 실리사이드 공정은 상기 실리콘 패턴(110)의 실리콘 전체를 실리사이드화(silicidation)하는 것을 포함할 수 있다. 상기 제 1 실리사이드 공정은 급속 열 처리 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 1 실리사이드 공정이 진행된 후, 실리콘 패턴(110)과 반응하지 않은 제 1 금속막(120)이 습식 식각 공정을 통하여 제거될 수 있다. 예컨대, 실리콘과 반응하지 않은 티타늄은 수산화 암모늄(NH4OH)과 과산화수소(H2O2)에 의하여 제거된다.Referring to FIG. 2C, a first silicide process is performed in which the
상기 제 1 영역(Ⅰ)과 제 2 영역(Ⅱ)의 제 1 금속 실리사이드(130)는 실리콘과 제 1 금속의 비율이 동일하여 각 영역의 금속 실리사이드의 조성비도 동일하다. 예컨대, 니켈 실리사이드의 경우에 제 1 금속 실리사이드는 각각 동일하게 NiSi2 일 수 있다.The
도 2d를 참조하면, 상기 제 2 영역(Ⅱ)에 상기 제 1 영역(Ⅰ)을 노출하는 포토 레지스트 패턴(140)이 형성된다. 그리고 제 1 영역(Ⅰ)의 제 1 금속 실리사이드(130)에 무전해 도금 공정이 진행된다. 상기 무전해 도금 공정에 의하여 상기 제 1 영역(Ⅰ)의 제 1 실리사이드(130)의 상부 표면에 무전해 도금 금속막(150)이 형성된다. 상기 무전해 도금 금속막(150)은 제 1 금속막(120)과 동일한 금속일 수 있다.Referring to FIG. 2D, a
예컨대, 니켈 금속을 도금할 경우에 있어서 상기 무전해 도금 공정은 니켈 이온이 함유된 수용액에 웨이퍼가 담궈지고, 수용액 내의 포름 알데히드나 하이드리진 같은 환원제가 니켈 이온을 니켈 금속으로 환원되도록 전자를 공급하고, 상기 전자를 공급받은 니켈 금속은 상기 제 1 영역(Ⅰ)의 제 1 실리사이드(130)의 상부 표면에 증착되는 것을 포함할 수 있다.For example, in the case of plating nickel metal, the electroless plating process is to immerse the wafer in an aqueous solution containing nickel ions, and a reducing agent such as formaldehyde or hydride in the aqueous solution supplies electrons to reduce the nickel ions to the nickel metal. The nickel metal may be deposited on the upper surface of the
일반적으로 무전해 도금은 그 도금층이 치밀하고 균일한 두께를 가진다. 따라서, 금속 실리사이드의 실리콘과 금속의 비율은 무전해 도금 금속막(150)의 두께로 조절할 수 있다.In general, electroless plating has a dense and uniform thickness of the plating layer. Therefore, the ratio of silicon to metal of the metal silicide may be controlled by the thickness of the electroless
도 2e를 참조하면, 상기 포토 레지스트 패턴(140)이 제거되고, 제 2 실리사이드 공정이 진행된다. 상기 제 2 실리사이드 공정은 상기 제 1 실리사이드 공정과 동일하게 진행될 수 있다.Referring to FIG. 2E, the
상기 제 2 실리사이드 공정에 의하여 제 2 금속 실리사이드(200)가 형성된다. 상기 제 2 금속 실리사이드(200)의 실리콘 비율은 상기 제 1 금속 실리사이드(130)의 실리콘 비율보다 작다. 이에 따라, 피모스와 엔모스에 적합한 일함수를 갖는 각각의 금속 게이트 전극이 형성될 수 있다.The
예컨대, 상기 제 1 금속과 무전해 도금된 금속이 니켈 금속인 경우 제 2 금속 실리사이드(200)는 Ni3Si 이고, 제 1 금속 실리사이드(130)는 NiSi2 일 수 있다. 상기 Ni3Si는 피모스(PMOS)에 적합한 금속 게이트 전극이고, 상기 NiSi2는 엔모스(NMOS)에 적합한 금속 게이트 전극이다.For example, when the first metal and the electroless plated metal are nickel metal, the
본 발명의 실시예에 따르면, 피모스와 엔모스의 게이트 전극에서 실리콘 패턴의 두께가 동일하게 형성된 후 실리사이드가 형성된다. 따라서, 반도체 소자의 형성 공정이 단순화되고 비용이 절감된다.According to the exemplary embodiment of the present invention, silicide is formed after the thickness of the silicon pattern is formed in the gate electrodes of PMOS and NMOS. Therefore, the process of forming a semiconductor element is simplified and the cost is reduced.
Claims (6)
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