KR20080061224A - Semiconductor device with multi layer diffusion barrier and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 따른 텅스텐폴리게이트의 게이트스택 구조를 도시한 도면.1A to 1C illustrate a gate stack structure of a tungsten polygate according to the prior art.
도 2a는 확산방지막의 종류별 텅스텐과 폴리실리콘간 콘택저항을 비교한 도면.2A is a view comparing contact resistance between tungsten and polysilicon according to the type of diffusion barrier.
도 2b는 게이트스택의 보론농도 깊이 프로파일을 나타낸 도면.Figure 2b shows the boron concentration depth profile of the gate stack.
도 2c는 확산방지막 종류별 텅스텐의 시트저항을 비교한 도면.Figure 2c is a view comparing the sheet resistance of tungsten for each type of diffusion barrier.
도 3a는 본 발명의 제1실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.3A illustrates the structure of a gate stack according to a first embodiment of the present invention.
도 3b는 질소함유 텅스텐막 상부에 물리기상증착법(PVD)으로 질소함유 텅스텐실리사이드막을 증착한 후의 사진.Figure 3b is a photograph after depositing a nitrogen-containing tungsten silicide film by physical vapor deposition (PVD) on the nitrogen-containing tungsten film.
도 3c는 본 발명의 제2실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.3C is a diagram illustrating a structure of a gate stack according to a second embodiment of the present invention.
도 3d는 본 발명의 제3실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면. 3D is a diagram showing the structure of a gate stack according to a third embodiment of the present invention.
도 3e는 어닐링 후의 결과를 나타낸 사진.3E is a photograph showing the results after annealing.
도 4a는 본 발명의 제4실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.4A illustrates the structure of a gate stack according to a fourth embodiment of the present invention.
도 4b는 본 발명의 제5실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.4B illustrates a structure of a gate stack according to a fifth embodiment of the present invention.
도 4c는 본 발명의 제6실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.4C is a diagram illustrating a structure of a gate stack according to a sixth embodiment of the present invention.
도 5a는 본 발명의 제7실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.5A illustrates the structure of a gate stack according to a seventh embodiment of the present invention.
도 5b는 본 발명의 제8실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.5B is a view showing the structure of a gate stack according to an eighth embodiment of the present invention;
도 5c는 본 발명의 제9실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.5C is a diagram showing the structure of a gate stack according to a ninth embodiment of the present invention;
도 6a는 본 발명의 제10실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.6A illustrates the structure of a gate stack according to a tenth embodiment of the present invention.
도 6b는 본 발명의 제11실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.6B illustrates a structure of a gate stack according to an eleventh embodiment of the present invention.
도 6c는 본 발명의 제12실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.6C is a diagram showing the structure of a gate stack according to a twelfth embodiment of the present invention;
도 7a는 본 발명의 제13실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.7A is a diagram showing the structure of a gate stack according to a thirteenth embodiment of the present invention;
도 7b는 질소함유 텅스텐막 상부에 화학기상증착법(CVD) 및 물리기상증착법(PVD)으로 텅스텐실리사이드를 각각 증착한 후의 사진. Figure 7b is a photograph after the deposition of tungsten silicide, respectively, by chemical vapor deposition (CVD) and physical vapor deposition (PVD) on top of a nitrogen-containing tungsten film.
도 7c는 본 발명의 제14실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면.7C is a diagram showing the structure of a gate stack according to a fourteenth embodiment of the present invention;
도 7d는 본 발명의 제15실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면. 7D is a diagram showing the structure of a gate stack according to a fifteenth embodiment of the present invention;
도 8은 본 발명의 제16실시예에 따른 게이트스택 구조를 도시한 도면.8 illustrates a gate stack structure according to a sixteenth embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 확산방지막의 종류별 텅스텐전극의 시트저항(Rs) 특성을 비교한 도면.9 is a view comparing sheet resistance (Rs) characteristics of the tungsten electrode according to the type of diffusion barrier according to embodiments of the present invention.
도 10a 내지 도 10c는 도 3a에 도시된 제1실시예에 따른 게이트스택을 이용한 게이트패터닝 방법을 도시한 공정단면도.10A to 10C are cross-sectional views illustrating a gate patterning method using a gate stack according to the first embodiment shown in FIG. 3A.
도 11은 도 3a에 도시된 제1실시예에 따른 게이트스택을 이용한 게이트패터닝 방법의 다른 예를 도시한 공정단면도.FIG. 11 is a process cross-sectional view showing another example of a gate patterning method using a gate stack according to the first embodiment shown in FIG. 3A.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : 제1도전층 22 : 확산방지막21: first conductive layer 22: diffusion barrier
22A : 티타늄막(Ti) 22B : 질소함유 텅스텐막22A: Titanium film (Ti) 22B: Nitrogen-containing tungsten film
22C : 질소함유 텅스텐실리사이드막 23 : 제2도전층22C: nitrogen-containing tungsten silicide film 23: second conductive layer
본 발명은 반도체소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 다중 확산방지막을 구비하는 반도체소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device having a multiple diffusion barrier and a method for manufacturing the same.
폴리실리콘과 텅스텐이 적층된 텅스텐폴리게이트전극(Tungsten poly gate electrode)의 경우, 폴리실리콘과 텅스텐실리사이드가 적층된 폴리실리콘/텅스텐실리사이드(Poly silicon/WSix) 게이트전극에 비해 1/5∼1/10 정도의 매우 낮은 저항을 갖고 있기 때문에, 서브 60nm 메모리소자 제작을 위해서는 반드시 필요하다. In the case of the tungsten poly gate electrode in which polysilicon and tungsten are stacked, 1/5 to 1 / of the polysilicon / tungsten silicide (Poly silicon / WSi x ) gate electrode in which polysilicon and tungsten silicide are stacked. Since it has a very low resistance of about 10, it is necessary to manufacture a sub 60nm memory device.
도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 따른 텅스텐폴리게이트의 게이트스택 구조를 도시한 도면이다.1A to 1C illustrate a gate stack structure of a tungsten polygate according to the related art.
도 1a를 참조하면, 텅스텐폴리게이트의 게이트스택은 폴리실리콘막(Poly-si, 11), 텅스텐질화막(WN, 12) 및 텅스텐막(13)의 순서로 적층된 Poly-Si/WN/W 구조이다. 여기서, 텅스텐질화막(12)은 확산방지막(Diffusion barrier) 역할을 한다.Referring to FIG. 1A, a gate stack of a tungsten polygate has a poly-Si / WN / W structure stacked in the order of a polysilicon film (Poly-si, 11), a tungsten nitride film (WN, 12), and a tungsten film (13). to be. Here, the
도 1a와 같은 Poly-Si/WN/W 구조는 후속 어닐(anneal) 또는 게이트재산화(gate re-oxidation) 공정시 텅스텐질화막(12)의 질소(Nitrogen)가 분해되면서 2∼3nm의 불균일한 SiNx 및 SiOxNy 와 같은 절연층이 텅스텐막(13)과 폴리실리콘막(11) 사이의 계면에 형성되기 때문에 수백 MHz 동작주파수 및 1.5V 이하의 동작전압에는 신호지연(signal delay) 등 소자의 오동작을 유발시키는 문제점이 있다. Poly-Si / WN / W structure as shown in Figure 1a is a non-uniform SiN of 2 to 3nm as the nitrogen of the
따라서, 최근에는 텅스텐막과 폴리실리콘막의 계면에 Si-N이 형성되는 것을 억제하기 위해서 확산방지막으로서 폴리실리콘과 텅스텐질화막 사이에 얇은 텅스텐실리사이드막(WSi) 또는 티타늄막(Ti)을 삽입하고 있는 추세이다. Therefore, in recent years, a thin tungsten silicide film (WSi) or a titanium film (Ti) is inserted between the polysilicon and the tungsten nitride film as a diffusion barrier to suppress the formation of Si-N at the interface between the tungsten film and the polysilicon film. to be.
도 1b와 같이, 텅스텐실리사이드막(WSi, 14)을 삽입한 경우, 텅스텐질화막(WN, 12) 증착 시의 질소플라즈마(nitrogen plasma)에 의해 텅스텐실리사이드막(14) 상부에 W-Si-N가 형성되며 이 W-Si-N는 금속성(metallic) 성질을 갖는 매우 우수한 확산방지막(diffusion barrier)으로 알려져 있다. As shown in FIG. 1B, when the tungsten silicide films WSi and 14 are inserted, W-Si-N is formed on the
도 1c와 같이, 티타늄막(Ti, 15)을 삽입한 경우에도 텅스텐질화막(WN, 12) 증착 시 반응성스퍼터링(reactive sputtering)에 의해 질소플라즈마가 티타늄막(Ti, 15)을 'TiN'화시켜, TiN 확산방지막이 형성되기 때문에 후속 열처리시 질소함유 텅스텐막(WN, 12)이 분해되더라도, TiN이 질소의 폴리실리콘으로의 확산을 억제시켜 Si-N 형성을 효과적으로 방지할 수 있다. As shown in FIG. 1C, even when the titanium film (Ti, 15) is inserted, nitrogen plasma converts the titanium film (Ti, 15) into 'TiN' by reactive sputtering when the tungsten nitride film (WN, 12) is deposited. Since the TiN diffusion barrier film is formed, even if the nitrogen-containing tungsten film (WN, 12) is decomposed during the subsequent heat treatment, TiN suppresses diffusion of nitrogen into polysilicon, thereby effectively preventing Si-N formation.
그러나, 텅스텐폴리게이트를 듀얼폴리게이트(dual poly-Si gate)(즉, n+ poly-Si for NMOSFET, p+ poly-Si for PMOSFET) 구조에 적용할 경우에는 텅스텐막과 P형 폴리실리콘막(p+ poly-si) 사이의 콘택저항값이 WSi/WN 확산방지막 적용시에도 상당히 증가하는 문제가 있다. 이에 반해 Ti/WN 확산방지막 적용시에는 폴리실리콘 도핑스펙(poly-si doping species)에 무관하게 매우 낮은 콘택저항 특성을 보인다. However, when the tungsten polygate is applied to a dual poly-gate (ie, n + poly-Si for NMOSFET, p + poly-Si for PMOSFET) structure, the tungsten film and the P-type polysilicon film ( There is a problem that the contact resistance value between p + poly-si) increases considerably even when the WSi / WN diffusion barrier is applied. On the other hand, when Ti / WN diffusion barrier is applied, it shows very low contact resistance regardless of poly-si doping species.
또한, p+ poly-si PMOSFET의 경우, 실제 동작 모드인 인버젼(inversion) 상태에서는 폴리실리콘공핍(poly-si depletion) 문제가 발생할 수 있으며, 이는 P형 폴리실리콘 내부에 남아 있는 보론(boron)의 양에 의존한다. Also, in the case of p + poly-si PMOSFET, poly-si depletion problem may occur in the inversion state, which is the actual operation mode, which is a boron remaining inside the P-type polysilicon. Depends on the amount of.
또한, WSi/WN 확산방지막에서는 Ti/WN 확산방지막 대비 상대적으로 폴리실리콘공핍이 많이 발생하여 트랜지스터 특성을 저하시킬 수 있다는 것을 의미한다.In addition, in the WSi / WN diffusion barrier layer, polysilicon depletion occurs relatively compared to the Ti / WN diffusion barrier layer, which means that transistor characteristics may be degraded.
위와 같은 여러 가지 특성을 종합해 볼 때, 텅스텐과 폴리실리콘간 충분히 낮은 콘택저항 및 P형 폴리실리콘공핍 억제 능력이 우수한 Ti/WN 확산방지막을 사용하는 것이 바람직하다. In view of the above various properties, it is preferable to use a Ti / WN diffusion barrier layer having a sufficiently low contact resistance between tungsten and polysilicon and excellent P-type polysilicon depletion capability.
그러나, Ti/WN 확산방지막은 바로 상부에 증착되는 텅스텐의 시트저항(Rs)이 1.5∼2배 수준으로 증가하는 문제점이 있다. Ti/WN 확산방지막 적용에 따른 텅스텐의 시트저항 증가는 향후 텅스텐폴리게이트 개발에 있어서 매우 큰 제약을 유발할 수 있다.However, Ti / WN diffusion barrier film has a problem that the sheet resistance (Rs) of the tungsten deposited directly on the increase to 1.5 to 2 times. Increasing the sheet resistance of tungsten by applying Ti / WN diffusion barrier may cause a very big limitation in the development of tungsten polygate in the future.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 게이트스택의 시트저항 및 콘택저항이 작으면서도 불순물의 외확산을 효과적으로 억 제할 수 있는 확산방지막을 구비한 반도체소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and has a semiconductor device having a diffusion preventing film capable of effectively suppressing external diffusion of impurities while having a small sheet resistance and a contact resistance of a gate stack, and a method of manufacturing the same. The purpose is to provide.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자는 제1도전층; 상기 제1도전층 상의 금속실리사이드막과 질소 함유 금속막의 순서로 적층된 제1확산방지막; 상기 제1확산방지막 상의 적어도 질소 함유 금속실리사이드막을 포함하는 제2확산방지막; 및 상기 제2확산방지막 상의 제2도전층을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제2확산방지막은 질소함유 금속막과 상기 질소함유 금속실리사이드막의 순서로 적층된 것이며, 상기 제2확산방지막은 상기 질소함유 금속실리사이드막과 질소함유 금속막의 순서로 적층된 것이며, 상기 제2확산방지막은 질소함유 금속막, 상기 질소함유 금속실리사이드막 및 질소함유 금속막의 순서로 적층된 3층 구조인 것을 특징으로 한다. 상기 질소함유 금속막은 질소함유 텅스텐막 또는 질소함유 티타늄텅스텐막인 것을 특징으로 한다. 상기 질소함유 금속실리사이드막은 금속실리사이드 타겟과 질소가스(N2)를 이용한 반응성스퍼터링(Reactive Sputtering)으로 증착된 것임을 특징으로 한다. 상기 제1확산방지막의 금속실리사이드막은 티타늄실리사이드막 또는 탄탈륨실리사이드막인 것을 특징으로 한다. 상기 제1확산방지막의 질소함유 금속막은 질소함유 티타늄막 또는 질소함유 탄탈륨막인 것을 특징으로 한다.The semiconductor device of the present invention for achieving the above object is a first conductive layer; A first diffusion barrier layer stacked in the order of the metal silicide layer and the nitrogen-containing metal layer on the first conductive layer; A second diffusion barrier layer including at least a nitrogen-containing metal silicide layer on the first diffusion barrier layer; And a second conductive layer on the second diffusion barrier layer, wherein the second diffusion barrier layer is laminated in the order of the nitrogen-containing metal layer and the nitrogen-containing metal silicide layer, and the second diffusion barrier layer is the nitrogen. It is laminated in the order of the containing metal silicide film and the nitrogen-containing metal film, the second diffusion barrier is characterized in that the three-layer structure laminated in the order of the nitrogen-containing metal film, the nitrogen-containing metal silicide film and the nitrogen-containing metal film. The nitrogen-containing metal film is characterized in that the nitrogen-containing tungsten film or nitrogen-containing titanium tungsten film. The nitrogen-containing metal silicide layer is characterized by being deposited by reactive sputtering using a metal silicide target and nitrogen gas (N 2 ). The metal silicide layer of the first diffusion barrier layer is characterized in that the titanium silicide layer or tantalum silicide layer. The nitrogen-containing metal film of the first diffusion barrier layer is characterized in that the nitrogen-containing titanium film or nitrogen-containing tantalum film.
또한, 본 발명의 반도체소자는 제1도전층; 상기 제1도전층 상에 형성되며 적어도 제1금속막과 질소함유 금속실리사이드막을 포함하는 적층구조인 확산방지막; 및 상기 확산방지막 상의 제2도전층을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 확산방지막은 상기 제1금속막, 제2금속막 및 상기 질소함유 금속실리사이드막의 순서로 적층된 적층구조이며, 상기 확산방지막은 상기 제1금속막, 상기 질소함유 금속실리사이드막 및 제2금속막의 순서로 적층된 적층구조이고, 상기 확산방지막은 상기 제1금속막, 제2금속막, 상기 질소함유 금속실리사이드막 및 제3금속막의 순서로 적층된 적층구조인 것을 특징으로 한다. 상기 제1금속막은 순수 금속막 또는 질소가 함유된 금속막인 것을 특징으로 한다. 상기 순수 금속막은 티타늄막 또는 탄탈륨막인 것을 특징으로 한다. 상기 질소가 함유된 금속막은 질소함유 티타늄막 또는 질소함유 탄탈륨막인 것을 특징으로 한다. 상기 제2금속막은 질소함유 텅스텐막 또는 질소함유 티타늄텅스텐막인 것을 특징으로 한다. 상기 제2금속막과 제3금속막은 질소함유 텅스텐막 또는 질소함유 티타늄텅스텐막인 것을 특징으로 한다. 상기 질소함유 금속실리사이드막은 금속실리사이드 스퍼터타겟과 질소가스(N2)를 이용한 반응성스퍼터링(Reactive Sputtering)에 의해 증착된 것임을 특징으로 한다.In addition, the semiconductor device of the present invention comprises a first conductive layer; A diffusion barrier layer formed on the first conductive layer and having a stacked structure including at least a first metal layer and a nitrogen-containing metal silicide layer; And a second conductive layer on the diffusion barrier layer, wherein the diffusion barrier layer is a laminated structure laminated in the order of the first metal layer, the second metal layer, and the nitrogen-containing metal silicide layer. The first metal film, the nitrogen-containing metal silicide film and the second metal film is laminated in the order of the stack structure, the diffusion barrier is the first metal film, the second metal film, the nitrogen-containing metal silicide film and the third metal It is characterized in that the laminated structure laminated in the order of the film. The first metal film may be a pure metal film or a metal film containing nitrogen. The pure metal film is characterized in that the titanium film or tantalum film. The nitrogen-containing metal film is characterized in that the nitrogen-containing titanium film or nitrogen-containing tantalum film. The second metal film is a nitrogen-containing tungsten film or a nitrogen-containing titanium tungsten film. The second metal film and the third metal film may be a nitrogen-containing tungsten film or a nitrogen-containing titanium tungsten film. The nitrogen-containing metal silicide layer is characterized by being deposited by reactive sputtering using a metal silicide sputter target and nitrogen gas (N 2 ).
또한, 본 발명의 반도체소자는 제1도전층; 상기 제1도전층 상에서 제1금속막, 제2금속막, 금속실리사이드막 및 제3금속막으로 이루어진 확산방지막; 및 상기 확산방지막 상의 제2도전층을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 금속실리사이드막은 물리기상증착법(PVD)에 의해 증착된 것임을 특징으로 하며, 상기 금속실리사 이드막은 반응성스퍼터링에 의해 증착된 텅스텐실리사이드막, 티타늄실리사이드막 또는 탄탈륨실리사이드막인 것을 특징으로 한다. 상기 제1, 제2 및 제3금속막은, 질소가 함유된 금속막인 것을 특징으로 하고, 상기 제2 및 제3금속막은, 질소가 함유된 텅스텐막 또는 질소가 함유된 티타늄텅스텐막인 것을 특징으로 하며, 상기 제1금속막은 질소가 함유된 티타늄막 또는 질소가 함유된 탄탈륨막이거나 또는 티타늄막 또는 탄탈륨막인 것을 특징으로 한다.In addition, the semiconductor device of the present invention comprises: a first conductive layer; A diffusion barrier layer formed of a first metal layer, a second metal layer, a metal silicide layer, and a third metal layer on the first conductive layer; And a second conductive layer on the diffusion barrier layer, wherein the metal silicide layer is deposited by physical vapor deposition (PVD), and the metal silicide layer is tungsten silicide deposited by reactive sputtering. Film, titanium silicide film or tantalum silicide film. The first, second and third metal film is characterized in that the metal film containing nitrogen, the second and third metal film is a tungsten film containing nitrogen or a titanium tungsten film containing nitrogen. The first metal film may be a titanium film containing nitrogen or a tantalum film containing nitrogen, or a titanium film or tantalum film.
그리고, 본 발명의 반도체소자 제조 방법은 제1도전층 상에 적어도 제1금속막과 질소함유 금속실리사이드막을 포함하는 적층구조로 확산방지막을 형성하는 단계; 및 상기 확산방지막 상에 제2도전층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the semiconductor device manufacturing method of the present invention comprises the steps of: forming a diffusion barrier layer on the first conductive layer in a laminated structure including at least a first metal film and a nitrogen-containing metal silicide film; And forming a second conductive layer on the diffusion barrier.
또한, 본 발명의 반도체소자 제조 방법은 제1도전층 상에 제1금속막, 제2금속막, 금속실리사이드막 및 제3금속막의 순서로 적층된 확산방지막을 형성하는 단계; 및 상기 확산방지막 상에 제2도전층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the semiconductor device manufacturing method of the present invention comprises the steps of forming a diffusion barrier film laminated in the order of the first metal film, the second metal film, the metal silicide film and the third metal film on the first conductive layer; And forming a second conductive layer on the diffusion barrier.
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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도 2a는 확산방지막의 종류별 텅스텐과 폴리실리콘간 콘택저항을 비교한 도면이다.2A is a view comparing contact resistance between tungsten and polysilicon according to the type of diffusion barrier.
도 2a를 참조하면, N형 불순물이 도핑된 폴리실리콘(n+ poly-si)과 텅스텐 사이의 콘택저항 특성이 WN 대신 WSix/WN 또는 Ti/WN 확산방지막를 사용한 경우 현저히 개선됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 2A, it can be seen that the contact resistance between the polysilicon (n + poly-si) doped with N-type impurities and tungsten is significantly improved when WSi x / WN or Ti / WN diffusion barrier is used instead of WN.
그러나, 텅스텐폴리게이트를 듀얼폴리게이트(dual poly-Si gate)(즉, n+ poly-Si for NMOSFET, p+ poly-Si for PMOSFET) 구조에 적용할 경우에는 텅스텐과 P형 폴리실리콘(p+ poly-si) 사이의 콘택저항값이 WSix/WN 확산방지막 적용시에도 상당히 증가하는 문제가 있다. 이에 반해 Ti/WN 확산방지막 적용시에는 폴리실리콘 도핑스펙(poly-si doping species)에 무관하게 매우 낮은 콘택저항 특성을 보인다. However, when the tungsten polygate is applied to a dual poly-gate (ie, n + poly-Si for NMOSFET, p + poly-Si for PMOSFET) structure, tungsten and P-type polysilicon (p + There is a problem that the contact resistance value between poly-si) increases considerably even when the WSi x / WN diffusion barrier is applied. On the other hand, when Ti / WN diffusion barrier is applied, it shows very low contact resistance regardless of poly-si doping species.
또한, p+ poly-si PMOSFET의 경우, 실제 동작 모드인 인버젼(inversion) 상태에서는 폴리실리콘공핍(poly-si depletion) 문제가 발생할 수 있으며, 이는 P형 폴리실리콘 내부에 남아 있는 보론(boron)의 양에 의존한다. Also, in the case of p + poly-si PMOSFET, poly-si depletion problem may occur in the inversion state, which is the actual operation mode, which is a boron remaining inside the P-type polysilicon. Depends on the amount of.
도 2b는 게이트스택의 보론농도 깊이 프로파일을 나타낸 도면이다.Figure 2b is a view showing the boron concentration depth profile of the gate stack.
도 2b의 게이트스택의 보론농도 깊이 프로파일(depth profile)에서 볼 수 있듯이, WSix/WN 확산방지막이 게이트산화막과 폴리실리콘 계면(gate Oxide/Poly Interface)에서 보론농도가 5×1019atoms/cm3 이하로 매우 낮은 값을 보였으며, Ti/WN 확산방지막의 경우에는 보론농도가 8×1019atoms/cm3 이상으로 측정되었다. 이는 WSix/WN 확산방지막에서는 Ti/WN 확산방지막 대비 상대적으로 폴리실리콘공핍이 많이 발생하여 트랜지스터 특성을 저하시킬 수 있다는 것을 의미한다.As can be seen from the boron concentration depth profile of the gate stack of FIG. 2B, the boron concentration is 5 × 10 19 atoms / cm at the gate oxide and polysilicon interfaces of the WSi x / WN diffusion barrier. The value was very low as 3 or less, and the boron concentration was measured to be 8 × 10 19 atoms / cm 3 or more in the Ti / WN diffusion barrier layer. This means that in the WSix / WN diffusion barrier film, polysilicon depletion occurs relatively more than the Ti / WN diffusion barrier film, thereby degrading transistor characteristics.
위와 같은 여러 가지 특성을 종합해 볼 때, 텅스텐과 폴리실리콘간 충분히 낮은 콘택저항 및 P형 폴리실리콘공핍 억제 능력이 우수한 Ti/WN 확산방지막을 사용하는 것이 바람직하다. In view of the above various properties, it is preferable to use a Ti / WN diffusion barrier layer having a sufficiently low contact resistance between tungsten and polysilicon and excellent P-type polysilicon depletion capability.
그러나, 도 2c에 도시된 바와 같이, Ti/WN 확산방지막의 바로 상부에 증착되는 텅스텐의 시트저항(Rs)이 1.5∼2배 수준으로 증가하는 문제점이 있다.However, as illustrated in FIG. 2C, there is a problem in that the sheet resistance Rs of tungsten deposited directly on the Ti / WN diffusion barrier is increased to 1.5 to 2 times.
도 2c는 확산방지막 종류별 텅스텐의 시트저항을 비교한 도면이다.FIG. 2C is a diagram comparing sheet resistance of tungsten for each type of diffusion barrier.
일반적으로 폴리실리콘, 실리콘산화막(SiO2), 실리콘질화막(Si3N4), 및 텅스텐실리사이드(WSix) 상부에서는 비정질의 질소함유 텅스텐막(WNx)이 형성될 수 있어서, 그 위에 매우 낮은 비저항(15∼20μΩ-cm)의 텅스텐 형성이 가능하지만, 다결정의 순수금속(pure metal)인 Ti, W, Ta 그리고, 금속질화막(Metal nitride)인 TiN, TaN 상부에는 상대적으로 작은 그레인(grain)의 텅스텐이 증착되기 때문에, 30μΩ-cm 의 매우 높은 비저항의 텅스텐이 형성된다.In general, an amorphous nitrogen-containing tungsten film (WN x ) may be formed on top of polysilicon, silicon oxide film (SiO 2 ), silicon nitride film (Si 3 N 4 ), and tungsten silicide (WSi x ), whereby It is possible to form tungsten with a specific resistance (15 to 20 μΩ-cm), but relatively small grains are formed on top of Ti, W, Ta, which are polycrystalline pure metals, and TiN, TaN, which are metal nitrides. Since tungsten is deposited, a very high resistivity tungsten of 30 mu OMEGA -cm is formed.
Ti/WN 확산방지막 적용에 따른 텅스텐의 시트저항 증가는 향후 텅스텐폴리게이트 개발에 있어서 매우 큰 제약을 유발할 수 있다.Increasing the sheet resistance of tungsten by applying Ti / WN diffusion barrier may cause a very big limitation in the development of tungsten polygate in the future.
따라서, 후술하는 실시예들에서, 게이트스택에 포함되는 확산방지막은 Ti, W, Si, N이 포함된 다중 박막 또는 각 박막이 질소(N)를 포함하는 다중 박막으로 이루어진 확산방지막으로서, 콘택저항 감소, 시트저항 감소, 불순물 침투 및 외확 산 방지를 모두 만족시킬 수 있는 확산방지막이다.Therefore, in the following embodiments, the diffusion barrier layer included in the gate stack is a diffusion barrier layer consisting of multiple thin films including Ti, W, Si, N or multiple thin films including nitrogen (N), and a contact resistance. It is a diffusion barrier that can satisfy the reduction, sheet resistance, impurity penetration and external diffusion prevention.
이하, 모든 실시예에서 질소 함유(Nitrogen contained)의 의미는 질화(Nitridation)된 금속막의 의미도 포함하면서 질소가 일정 비율로 함유된 금속막도 포함한다. 그리고, 이하, WSixNy에서 x는 텅스텐 대비 실리콘의 비율로서 그 값은0.5∼3.0이고, y는 텅스텐실리사이드 대비 질소의 비율로서 그 값은 0.01∼10.00범위이다.Hereinafter, the meaning of nitrogen contained in all embodiments includes the meaning of a nitrided metal film and also includes a metal film containing nitrogen in a predetermined ratio. Hereinafter, in WSi x N y , x is a ratio of silicon to tungsten, and its value is 0.5 to 3.0, and y is a ratio of nitrogen to tungsten silicide, and its value is in the range of 0.01 to 10.00.
도 3a는 본 발명의 제1실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다.3A illustrates a structure of a gate stack according to a first embodiment of the present invention.
도 3a에 도시된 바와 같이, 게이트스택은 제1도전층(21), 확산방지막(22) 및 제2도전층(23)의 순서로 적층된다.As shown in FIG. 3A, the gate stacks are stacked in the order of the first
제1도전층(21)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(21)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(23)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(22)은 티타늄막(Ti, 22A), 질소가 함유된 텅스텐막(이하, '질소함유텅스텐막'이라 약칭함)(WNx, 22B) 및 질소가 함유된 텅스텐실리사이드막(이하, '질소함유텅스텐실리사이드막'이라 약칭함)(WSixNy, 22C)이 적층된 Ti/WNx/WSixNy 구조이다.The
확산방지막(22)에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the
먼저, 티타늄막(22A)의 두께는 10∼80Å이다. First, the thickness of the
질소 함유 텅스텐막(WNx, 22B)은 텅스텐막에 질소(Nitrogen, N)가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐(W) 대비 질소(N)의 비율(N/W)은 0.3∼1.5이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐막(22B)을 'WNx'로 표기하는데, 이는 질화된 텅스텐막을 나타내는 '텅스텐질화막(Tungsten nitride)' 또는 질소가 일정 비율로 함유된 '텅스텐막'을 의미한다. 질소가 함유됨에 따라 제3실시예에서 후술하겠지만, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(22C)에 질소를 공급하는 역할을 한다. 질소 함유 텅스텐막(22B)의 두께는 20∼200Å이다. 이처럼, 질소함유 텅스텐막(22B)은 질소가 함유됨에 따라 제3실시예에서 후술하겠지만, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(22C)에 질소를 공급하는 역할을 하여 어닐링후에 질소가 함유되지 않는 순수한 텅스텐막이 되거나 함유되더라도 극히 소량의 질소만 함유한 텅스텐막이 된다. Nitrogen-containing tungsten films (WN x , 22B) contain nitrogen (Nitrogen, N) at a constant ratio in the tungsten film, and the ratio (N / W) of nitrogen (N) to tungsten (W) is 0.3 to 1.5. . Here, the nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐실리사이드막(22C)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고, 질소의 함유량은 10∼60%이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐실리사이드 막(22C)을 'WSixNy'로 표기하는데, 이는 질화된 텅스텐실리사이드막을 나타내는 '텅스텐실리콘질화막(Tungsten silicon nitride)' 또는 질소가 일정 비율로 함유된 '텅스텐실리사이드막'을 의미한다. 질소함유 텅스텐실리사이드막(22C)의 두께는 20∼ 200Å이다. In the nitrogen-containing
티타늄막(22A)과 질소 함유 텅스텐막(22B)은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한 것이고, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(22C)은 PVD로 증착한 것이다.The
바람직하게, PVD라 함은 스퍼터링법(Sputtering) 또는 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering)에 의한 증착법이다. 예컨대, 티타늄막(22A)은 티타늄타겟(Ti target)을 이용한 스퍼터링법으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐막(22B)은 텅스텐타겟(W target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering with W target in N2 ambient)으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐실리사이드막(22C)은 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성 스퍼터링법(Reactive Sputtering with WSix target in N2 ambient)으로 증착한다. Preferably, PVD is a deposition method by sputtering or reactive sputtering. For example, the
확산방지막(22)에서, 질소 함유 텅스텐막(22B) 상부에 증착하는 질소 함유 텅스텐실리사이드막(22C)은 전술한 바와 같이 반응성스퍼터링법과 같은 PVD을 이용하여 형성한다. 그 이유는, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)에 의 해서는 질소 함유 텅스텐막 상부에서 질소 함유 텅스텐실리사이드막이 잘 성장되지 않기 때문이다. 부연하면, 화학기상증착법(CVD)에 의한 질소 함유 텅스텐실리사이드막(CVD-WSiNx)이 질소 함유 텅스텐막(22B) 상부에서 균일하게 성장하지 않고 응집(agglomeration)이 발생하며, 그 이유는 질소 함유 텅스텐막 상부에 텅스텐산화막(WOx)이 존재하여 화학기상증착법(CVD)에 의한 질소 함유 텅스텐실리사이드막의 접착성(adhesion)이 나쁘기 때문이다. 이에 반해 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법을 이용하면 하부 막의 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하다. In the
도 3b는 질소 함유 텅스텐막 상부에 물리기상증착법(PVD)으로 질소 함유 텅스텐실리사이드막을 증착한 후의 사진으로서, 텅스텐실리사이드 타겟과 질소가스(N2)를 이용한 반응성 스퍼터링법에 의해 증착되는 질소 함유 텅스텐실리사이드막의 경우 균일하게 증착되고 있음을 알 수 있다.3B is a photograph after the nitrogen-containing tungsten silicide film is deposited on the nitrogen-containing tungsten film by physical vapor deposition (PVD), and the nitrogen-containing tungsten silicide deposited by the reactive sputtering method using a tungsten silicide target and nitrogen gas (N 2 ). It can be seen that the film is deposited uniformly.
상술한 바에 따르면, 제1실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(21), Ti/WNx/WSixNy 구조의 확산방지막(22) 및 제2도전층(23)으로 이루어진 구조이며, 제1도전층(21)이 폴리실리콘막이고, 제2도전층(23)이 텅스텐막이므로 텅스텐폴리게이트 구조가 된다.As described above, the gate stack according to the first embodiment has a structure including a first
특히, Ti/WNx/WSixNy 구조는 제1금속막, 제2금속막 및 질소가 함유된 금속실리사이드막의 순서로 적층된 구조가 되는데, 제1금속막은 티타늄막(Ti, 22A)이고, 제2금속막은 질소 함유 텅스텐막(WNx, 22B)이며, 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSiNx, 22C)이다. 제1금속막은 순수 금속막(Pure metal)이며, 제2금속막은 질소가 함유된 금속막이고, 금속실리사이드막은 질소가 함유된 금속실리사이드막이다.In particular, the Ti / WN x / WSi x N y structure has a structure in which a first metal film, a second metal film, and a metal silicide film containing nitrogen are stacked in order. The first metal film is a titanium film (Ti, 22A). The second metal film is a nitrogen-containing tungsten film (WN x , 22B), and the metal silicide film is a nitrogen-containing tungsten silicide film (WSiN x , 22C). The first metal film is a pure metal film, the second metal film is a metal film containing nitrogen, and the metal silicide film is a metal silicide film containing nitrogen.
제1실시예와 같이 제1금속막, 제2금속막 및 질소가 함유된 금속실리사이드막의 순서로 적층된 다중 확산방지막은 다음과 같은 구조도 가능하다.As in the first embodiment, the multiple diffusion barrier layer laminated in the order of the first metal layer, the second metal layer, and the metal silicide layer containing nitrogen may have the following structure.
제1금속막은 티타늄막(Ti)외에 탄탈륨막(Ta)이 가능하고, 제2금속막은 질소가 함유된 텅스텐막(WNx)외에 질소 함유 티타늄텅스텐막(TiWNx)이 가능하며, 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막 외에 질소 함유 티타늄실리사이드막 또는 질소 함유 탄탈륨실리사이드막이 가능하다. 탄탈륨막(Ta)은 PVD(스퍼터링법 포함), CVD 또는 ALD로 형성하고, 질소 함유 티타늄텅스텐막은 티타늄텅스텐(TiW) 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하며, 질소 함유 티타늄실리사이드막은 티타늄실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하고, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 탄탈륨실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착한다. 그리고, 탄탈륨막(Ta)은 10∼80Å 두께로 증착한다. 질소 함유 티타늄텅스텐막, 질소 함유 티타늄실리사이드막 및 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 20∼200Å 두께로 증착하며, 각 막내 질소의 함유량은 10∼60%이다. 그리고, 질소 함유 티타늄텅스텐막에서 텅스텐 대비 티타늄의 비율은 0.5∼3.0이고, 질소 함유 티타늄실리사이드막에서 티타늄 대비 실리콘의 비율은 0.5∼ 3.0이며, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막에서 탄탈륨 대비 실리콘의 비율(Si/Ta)은 0.5∼3.0이다.The first metal film may be a tantalum film (Ta) in addition to the titanium film (Ti), the second metal film may be a nitrogen-containing titanium tungsten film (TiWN x ) in addition to the tungsten film (WN x ) containing nitrogen, and the metal silicide film may be In addition to the nitrogen-containing tungsten silicide film, a nitrogen-containing titanium silicide film or a nitrogen-containing tantalum silicide film is possible. The tantalum film Ta is formed of PVD (including sputtering method), CVD or ALD, and the nitrogen-containing titanium tungsten film is deposited by a reactive sputtering method using a titanium tungsten (TiW) target and nitrogen gas, and the nitrogen-containing titanium silicide film is titanium silicide The vapor deposition is performed by reactive sputtering using a target and nitrogen gas, and the nitrogen-containing tantalum silicide film is deposited by reactive sputtering using a tantalum silicide target and nitrogen gas. The tantalum film Ta is deposited to have a thickness of 10 to 80 mW. The nitrogen-containing titanium tungsten film, the nitrogen-containing titanium silicide film and the nitrogen-containing tantalum silicide film were deposited to a thickness of 20 to 200 GPa, and the content of nitrogen in each film was 10 to 60%. In the nitrogen-containing titanium tungsten film, the ratio of titanium to tungsten was 0.5 to 3.0, the ratio of silicon to titanium in the nitrogen-containing titanium silicide film was 0.5 to 3.0, and the ratio of silicon to tantalum in the nitrogen-containing tantalum silicide film (Si / Ta) is 0.5-3.0.
도 3c는 본 발명의 제2실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면으로서, 제1실시예의 변형예이다. 즉, 도 3a의 티타늄막(22A) 대신 질소가 함유된 티타늄막(TiNx, x<1)을 사용한 경우이다.3C is a view showing the structure of the gate stack according to the second embodiment of the present invention, which is a modification of the first embodiment. In other words, instead of the
도 3c에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(201), 확산방지막(202) 및 제2도전층(203)의 순서로 적층된다.As shown in FIG. 3C, the gate stack according to the second embodiment is stacked in the order of the first
제1도전층(201)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(201)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(203)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(202)은 질소 함유 티타늄막(TiNx, 202A), 질소 함유 텅스텐막(WNx, 202B) 및 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 202C)이 적층된 TiNx/WNx/WSiNx 구조이다. The
확산방지막(202)에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the
질소 함유 티타늄막(TiNx, 202A)은 티타늄막에 질소가 일정비율을 갖고 함유된 것으로서, 티타늄(Ti) 대비 질소(N)의 비율(N/Ti)이 0.2∼0.8이고, 두께는 제1실시예의 티타늄막과는 다르게 10∼150Å이다. 여기서, 질소 함유 티타늄막(202A)은 '티타늄질화막(Titanium nitride)' 또는 '질소가 일정 비율로 함유된 티타늄막'을 의미한다. The nitrogen-containing titanium film (TiN x , 202A) contains nitrogen in a titanium film with a certain ratio, and the ratio (N / Ti) of nitrogen (N) to titanium (Ti) is 0.2 to 0.8, and the thickness is the first. Unlike the titanium film of the embodiment, it is 10 to 150 microseconds. Here, the nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐막(WNx, 202B)은 텅스텐막에 질소가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐 대비 질소의 비율이 0.3∼1.5이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐막(202B)은 '텅스텐질화막(Tungsten nitride)' 또는 '질소가 일정 비율로 함유된 텅스텐막'을 의미한다. 질소가 함유됨에 따라 제3실시예에서 후술하겠지만, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(202C)에 질소를 공급하는 역할을 한다. 그리고, 질소 함유 텅스텐막(202B)의 두께는 20∼200Å이다. 이처럼, 질소함유 텅스텐막(202B)은 질소가 함유됨에 따라 제3실시예에서 후술하겠지만, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(202C)에 질소를 공급하는 역할을 하여 어닐링후에 질소가 함유되지 않는 순수한 텅스텐막이 되거나 함유되더라도 극히 소량의 질소만 함유한 텅스텐막이 된다. The nitrogen-containing tungsten films WN x and 202B contain nitrogen in the tungsten film at a predetermined ratio, and the ratio of nitrogen to tungsten is 0.3 to 1.5. Here, the nitrogen-containing
질소함유 텅스텐실리사이드막(202C)은 텅스텐실리사이드막에 질소가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이고, 질소의 함유량은 10∼60%이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(202C)은 '텅스텐실 리콘질화막(Tungsten silicon nitride)' 또는 질소가 일정 비율로 함유된 텅스텐실리사이드막을 의미한다.The nitrogen-containing tungsten silicide film 202C contains nitrogen in a tungsten silicide film with a certain ratio. The ratio of silicon to tungsten is 0.5 to 3.0, and the nitrogen content is 10 to 60%. Here, the nitrogen-containing tungsten silicide film 202C means a 'tungsten silicon nitride film' or a tungsten silicide film containing nitrogen in a predetermined ratio.
질소 함유 텅스텐막(202B)은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한 것이고, 질소함유 티타늄막(202A)과 질소 함유 텅스텐실리사이드막(202C)은 PVD로 증착한 것이다.The nitrogen-containing
바람직하게, PVD라 함은 스퍼터링법(Sputtering) 또는 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering)에 의한 증착법이다. 예컨대, 질소함유 티타늄막(202A)은 티타늄타겟(Ti target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법Reactive sputtering with Ti target in N2 ambient)으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐막(202B)은 텅스텐타겟(W target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering with W target in N2 ambient)으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐실리사이드막(202C)은 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성 스퍼터링법(Reactive Sputtering with WSix target in N2 ambient)으로 증착한다. Preferably, PVD is a deposition method by sputtering or reactive sputtering. For example, the nitrogen-containing
확산방지막(202)에서, 질소 함유 텅스텐막(202B) 상부에 증착하는 질소 함유 텅스텐실리사이드막(202C)은 전술한 바와 같이 반응성스퍼터링법과 같은 PVD을 이용하여 형성한다. 그 이유는, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)에 의해서는 질소 함유 텅스텐막 상부에서 질소 함유 텅스텐실리사이드막이 잘 성장되지 않기 때문이다. 부연하면, 화학기상증착법(CVD)에 의한 질소 함유 텅스텐실리사이드막(CVD-WSiNx)이 질소 함유 텅스텐막(22B) 상부에서 균일하게 성장하지 않고 응집(agglomeration)이 발생하며, 그 이유는 질소 함유 텅스텐막 상부에 텅스텐산화막(WOx)이 존재하여 화학기상증착법(CVD)에 의한 질소 함유 텅스텐실리사이드막의 접착성(adhesion)이 나쁘기 때문이다. 이에 반해 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법을 이용하면 하부 막의 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하다. In the
질소 함유 티타늄막(202A)을 사용하는 제2실시예의 경우에도 제1실시예와 동일하게 충분히 낮은 콘택저항을 얻을 수 있다. 상부의 질소 함유 텅스텐막(WNx, 202B)이 질소 함유 티타늄막(TiNx, 202A)에 질소를 공급하여 질소 함유 티타늄막(TiNx, 202A)의 상부를 '강인성 TiN(robust TiN)'으로 만들어줌과 동시에 제1도전층(201)과 접촉하는 질소 함유 티타늄막(TiNx, 202A)의 하부가 Ti-Si 응집(agglomeration)을 방지해주는 역할을 하기 때문이다. Also in the case of the second embodiment using the nitrogen-containing
상술한 바에 따르면, 제2실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(201), TiNx/WNx/WSixNy 구조의 확산방지막(202) 및 제2도전층(203)으로 이루어진 구조이며, 제1도전층(201)이 폴리실리콘막이고, 제2도전층(203)이 텅스텐막이므로 텅스텐폴리 게이트 구조가 된다.As described above, the gate stack according to the second embodiment includes a first
특히, TiNx/WNx/WSixNy 구조는 제1금속막, 제2금속막 및 질소가 함유된 금속실리사이드막의 순서로 적층된 구조가 되는데, 제1금속막은 질소 함유 티타늄막(TiNx, 22A)이고, 제2금속막은 질소 함유 텅스텐막(WNx, 22B)이며, 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 22C)이다. 제1금속막과 제2금속막은 질소가 함유된 금속막이고, 금속실리사이드막은 질소가 함유된 금속실리사이드막이다.In particular, the TiN x / WN x / WSi x N y structure has a structure in which a first metal film, a second metal film, and a metal silicide film containing nitrogen are stacked in order, and the first metal film is a nitrogen-containing titanium film (
제2실시예와 같이 질소가 함유된 제1,2금속막과 질소가 함유된 금속실리사이드막으로 이루어진 다중 확산방지막은 다음과 같은 구조도 가능하다.As in the second embodiment, the multiple diffusion barrier film including the first and second metal films containing nitrogen and the metal silicide film containing nitrogen may have the following structure.
질소가 함유된 제1금속막은 질소함유 티타늄막(TiNx)외에 질소함유 탄탈륨막(TaNx)이 가능하고, 질소가 함유된 제2금속막은 질소가 함유된 텅스텐막(WNx)외에 질소 함유 티타늄텅스텐막(TiWNx)이 가능하며, 질소가 함유된 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막 외에 질소 함유 티타늄실리사이드막 또는 질소 함유 탄탈륨실리사이드막이 가능하다. 질소함유 탄탈륨막은 PVD(스퍼터링법 포함), CVD 또는 ALD로 형성하고, 질소 함유 티타늄텅스텐막은 티타늄텅스텐(TiW) 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하며, 질소 함유 티타늄실리사이드막은 티타늄실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하고, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 탄탈륨실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스 퍼터링법으로 증착한다. 그리고, 질소함유 탄탈륨막은 10∼80Å 두께로 증착한다. 질소 함유 티타늄텅스텐막, 질소 함유 티타늄실리사이드막 및 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 20∼200Å 두께로 증착하며, 각 막내 질소의 함유량은 10∼60%이다. 그리고, 질소 함유 티타늄텅스텐막에서 텅스텐 대비 티타늄의 비율은 0.5∼3.0이고, 질소 함유 티타늄실리사이드막에서 티타늄 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이며, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막에서 탄탈륨 대비 실리콘의 비율(Si/Ta)은 0.5∼3.0이다.The first metal film is a nitrogen-containing titanium layer (TiN x) in addition to the nitrogen-containing tantalum film (TaN x) is possible, and a nitrogen-containing in addition to the second metal tungsten film (WN x) nitrogen containing film containing a nitrogen-containing nitrogen A titanium tungsten film (TiWN x ) is possible, and the nitrogen-containing metal silicide film may be a nitrogen-containing titanium silicide film or a nitrogen-containing tantalum silicide film in addition to the nitrogen-containing tungsten silicide film. The nitrogen-containing tantalum film is formed by PVD (including sputtering method), CVD or ALD, and the nitrogen-containing titanium tungsten film is deposited by a titanium tungsten (TiW) target and reactive sputtering method using nitrogen gas. The vapor deposition is carried out by reactive sputtering using nitrogen gas, and the nitrogen-containing tantalum silicide film is deposited by reactive sputtering using a tantalum silicide target and nitrogen gas. The nitrogen-containing tantalum film is deposited to a thickness of 10 to 80 kPa. The nitrogen-containing titanium tungsten film, the nitrogen-containing titanium silicide film and the nitrogen-containing tantalum silicide film were deposited to a thickness of 20 to 200 GPa, and the content of nitrogen in each film was 10 to 60%. In the nitrogen-containing titanium tungsten film, the ratio of titanium to tungsten is 0.5 to 3.0, the ratio of silicon to titanium in the nitrogen-containing titanium silicide film is 0.5 to 3.0, and the ratio of silicon to tantalum in the nitrogen-containing tantalum silicide film (Si / Ta) is 0.5-3.0.
위와 같이 질소 함유 티타늄막 대신에 질소 함유 탄탈륨막을 사용하는 구조의 확산방지막들은 TiNx/WNx/WSixNy 구조와 동일하게 매우 낮은 시트저항 및 콘택저항특성을 갖고 폴리실리콘공핍율을 저하시키는 효과가 있다. As described above, diffusion barrier films having a structure containing a nitrogen-containing tantalum film instead of a nitrogen-containing titanium film have a very low sheet resistance and contact resistance, similar to the TiN x / WN x / WSi x N y structure, and reduce the polysilicon depletion rate. It works.
한편, 제2실시예에 따른 확산방지막은 3층 구조이나, 질소가 함유된 텅스텐실리사이드막 상부에 추가로 질소 함유 텅스텐막(WNx)을 형성시킬 수 있다. 여기서, 추가되는 질소 함유 텅스텐막(WNx)은 두번째층인 WNx와 동일한 질소 함량 및 두께를 갖는다.Meanwhile, the diffusion barrier layer according to the second embodiment may have a three-layer structure, but may further form a nitrogen-containing tungsten film (WN x ) on the tungsten silicide film containing nitrogen. Here, the added nitrogen-containing tungsten film (WN x ) has the same nitrogen content and thickness as the second layer, WN x .
제2실시예에 따르면, TiNx/WNx/WSixNy 구조는 다중 구조를 이루는 각 물질들이 모두 질소(N)를 포함하고 있다. 이로써, 매우 낮은 시트저항 및 콘택저항을 얻고, 게이트스택의 높이를 낮출 수 있다. 또한, 하부에 형성된 제1도전층(201) 내에 도핑되어 있는 보론과 같은 불순물의 외확산에 의한 폴리실리콘공핍현상을 감소시킨다.According to the second embodiment, the TiN x / WN x / WSi x N y structure includes nitrogen (N) in each of the materials forming the multiple structure. As a result, very low sheet resistance and contact resistance can be obtained, and the height of the gate stack can be reduced. In addition, the polysilicon depletion phenomenon due to the external diffusion of impurities such as boron doped in the first
도 3d는 본 발명의 제3실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다.3D is a diagram illustrating a structure of a gate stack according to a third embodiment of the present invention.
도 3d에 도시된 바와 같이, 제3실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(211), 확산방지막(212) 및 제2도전층(213)의 순서로 적층된 구조가 된다.As shown in FIG. 3D, the gate stack according to the third embodiment has a structure in which the first conductive layer 211, the
제1도전층(211)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(211)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first conductive layer 211 is a polysilicon layer doped with a high concentration of P-type impurities (eg, boron) or N-type impurities (eg, phosphorous). In addition to the polysilicon film, the first conductive layer 211 may be a polysilicon germanium film (PolySi 1-x Ge x , x = 0.01 to 1.0) or a silicide film. For example, the silicide film is a silicide film containing any one selected from Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr or Pt.
제2도전층(213)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(212)은 티타늄실리사이드막(TiSix, 212A), 질소 함유 티타늄막(TiNx, 212B), 질소 함유 텅스텐막(WNx, 212C) 및 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSiNx, 212D)이 적층된 TiSix/TiNx/WNx/WSixNy 구조이다. 여기서, 제1 및 제2실시예의 구조에 따라 티타늄실리사이드막외에 탄탈륨실리사이드막도 가능하고, 질소함유티타늄막외에 질소함유 탄탈륨막이 가능하며, 질소 함유 텅스텐막외에 질소함유 티타늄텅스텐막이 가능하며, 질소 함유 텅스텐실리사이드막외에 질소함유 티타늄실 리사이드막 또는 질소함유 탄탈륨실리사이드막이 가능하다. The
제3실시예는 제1실시예 및 제2실시예에 따른 게이트구조가 어닐링된 후의 결과이다. 여기서, 어닐링은 게이트 형성후에 진행하는 여러 공정들, 예를 들어, 스페이서 증착, 층간절연막 증착 등의 열이 수반되는 공정이라 할 수 있다.The third embodiment is the result after the gate structures according to the first and second embodiments are annealed. Here, annealing may be referred to as a process involving heat such as various processes performed after the gate is formed, for example, spacer deposition and interlayer dielectric film deposition.
도 3d와 도 3a를 비교하면 다음과 같다.Comparing FIG. 3D and FIG. 3A is as follows.
티타늄실리사이드막(212A)은 티타늄막(22A)이 하부의 제1도전층(21)인 폴리실리콘막과 반응하여 형성된 것으로서, 그 두께는 1∼30Å이고, 막내 티타늄 대비 실리콘의 비율이 0.5∼3.0이다. The
질소 함유 티타늄막(212B)은 티타늄막(22A)이 질소 함유 텅스텐막(22B)으로부터 질소를 공급받아 변화된 것으로, 그 두께는 10∼100Å이고, 티타늄 대비 질소의 비율이 0.7∼1.3이다. 도 3a의 티타늄막(22A)과 비교할 때, 질소의 비율이 '0'에서 '0.7∼1.3'로 증가됨을 알 수 있다.In the nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐막(212C)은 어닐링후 디누데이션(Denudation)에 의해 질소 함유량이 10% 이하 수준으로 감소한 것이며, 두께는 20∼200Å이고, 텅스텐 대비 질소의 비율은 0.01∼0.15이다. 도 3a의 질소 함유 텅스텐막(22C)과 비교할 때, 질소의 비율이 '0.3∼1.5'에서 '0.01∼0.15'로 감소됨을 알 수 있다.The nitrogen-containing tungsten film 212C has a nitrogen content of 10% or less reduced by annealing after annealing, the thickness is 20 to 200 kPa, and the ratio of nitrogen to tungsten is 0.01 to 0.15. Compared with the nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐실리사이드막(212D)은 최초 질소 함유 텅스텐실리사이드막(22C)과 동일한 두께 및 조성을 갖는다. 즉, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(212D)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고 질소의 함유량은 10∼60%이며, 두께는 20∼200Å이다. The nitrogen-containing tungsten silicide film 212D has the same thickness and composition as the original nitrogen-containing
도 3d와 도 3c를 비교하면 다음과 같다.Comparing FIG. 3D and FIG. 3C is as follows.
어닐링에 의해 질소 함유 티타늄막(202A)은 질소 함유 텅스텐막(202B)으로부터 질소를 공급받아 티타늄실리사이드막(212A) 반응을 최소화하면서 질소 함유 티타늄막(212B)으로 변화된다. 여기서, 티타늄실리사이드막(212A)의 두께는 1∼30Å이고, 질소 함유 티타늄막(212B)의 두께는 10∼100Å이다.By the annealing, the nitrogen-containing
질소 함유 티타늄막(212B)에서 티타늄 대비 질소의 비율이 0.7∼1.3이 되는데, 이는 도 3c의 질소 함유 티타늄막(202B)과 비교할 때 질소의 비율이 '0.2∼0.8'에서 '0.7∼1.3'로 더 증가됨을 알 수 있다. In the nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐막(212C)은 어닐링후 디누데이션(Denudation)에 의해 질소 함유량이 10% 이하 수준으로 감소한 것이며, 두께는 20∼200Å이고, 텅스텐 대비 질소의 비율은 0.01∼0.15이다. 도 3c의 질소 함유 텅스텐막(202C)과 비교할 때, 질소의 비율이 '0.3∼1.5'에서 '0.01∼0.15'로 감소됨을 알 수 있다.The nitrogen-containing tungsten film 212C has a nitrogen content of 10% or less reduced by annealing after annealing, the thickness is 20 to 200 kPa, and the ratio of nitrogen to tungsten is 0.01 to 0.15. Compared with the nitrogen-containing tungsten film 202C of FIG. 3C, it can be seen that the ratio of nitrogen decreases from 0.3 to 1.5 to 0.01 to 0.15.
질소 함유 텅스텐실리사이드막(212D)은 최초 질소 함유 텅스텐실리사이드막(202C)과 동일한 두께 및 조성을 갖는다. 즉, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(212D)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고 질소의 함유량은 10∼60%이며, 두께는 20∼200Å이다. The nitrogen-containing tungsten silicide film 212D has the same thickness and composition as the original nitrogen-containing tungsten silicide film 202C. That is, in the nitrogen-containing tungsten silicide film 212D, the ratio of silicon to tungsten (Si / W) is 0.5 to 3.0, the nitrogen content is 10 to 60%, and the thickness is 20 to 200 kPa.
위와 같이, 제3실시예에 따른 게이트스택은 제1금속실리사이드막과 질소가 함유된 제1금속막의 순서로 적층된 제1확산방지막과 질소가 함유된 제2금속막과 질소 함유된 제2금속실리사이드막의 순서로 적층된 제2확산방지막을 포함한다. 여기서, 제1확산방지막은 티타늄실리사이드막(212A)과 질소 함유 티타늄막(212B)의 적 층이고, 제2확산방지막은 질소 함유 텅스텐막(212C)과 질소 함유 텅스텐실리사이드막(212D)의 적층이다. As described above, the gate stack according to the third embodiment includes a first diffusion barrier layer, a second metal layer containing nitrogen, and a second metal containing nitrogen, which are stacked in the order of the first metal silicide layer and the first metal layer containing nitrogen. And a second diffusion barrier film stacked in the order of the silicide films. Here, the first diffusion barrier film is a laminate of the
도 3e는 어닐링 후의 결과를 나타낸 사진이다.3E is a photograph showing the results after annealing.
도 4a는 본 발명의 제4실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다.4A is a diagram illustrating a structure of a gate stack according to a fourth embodiment of the present invention.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제4실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(31), 확산방지막(32) 및 제2도전층(33)의 순서로 적층된다.As shown in FIG. 4A, the gate stack according to the fourth embodiment is stacked in the order of the first
제1도전층(31)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(31)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(33)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(32)은 티타늄막(Ti, 32A)과 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 32B)이 적층된 Ti/WSixNy 구조이다.
확산방지막(32)에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the
먼저, 티타늄막(32A)의 두께는 10∼80Å이다. First, the thickness of the
그리고, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(32B)은 텅스텐실리사이드막에 질소가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고, 질소의 함유량은 10∼60%이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(32B)은 질화된 텅스텐실리사이드막을 나타내는 '텅스텐실리콘질화막(Tungsten silicon nitride)' 또는 질소가 일정비율로 함유된 텅스텐실리사이드막이다. 질소함유 텅스텐실리사이드막(32B)의 두께는 20∼200Å이다.The nitrogen-containing
티타늄막(32A)은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한 것이고, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(32B)은 PVD로 증착한 것이다.The
바람직하게, PVD라 함은 스퍼터링법(Sputtering) 또는 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering)에 의한 증착법이다. 예컨대, 티타늄막(32A)은 티타늄타겟(Ti target)을 이용한 스퍼터링법으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐실리사이드막(32B)은 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성 스퍼터링법(Reactive Sputtering with WSix target in N2 ambient)으로 증착한다. Preferably, PVD is a deposition method by sputtering or reactive sputtering. For example, the
확산방지막(32)에서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(22C)은 전술한 바와 같이 반응성스퍼터링법과 같은 PVD을 이용하여 형성한다. 그 이유는, 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법을 이용하면 하부 막의 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하기 때문이다. In the
상술한 바에 따르면, 제4실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(31), Ti/WSixNy 구조의 확산방지막(32) 및 제2도전층(33)으로 이루어진 구조이며, 제1도전층(31)이 폴리실리콘막이고, 제2도전층(33)이 텅스텐막이므로 텅스텐폴리게이트 구조가 된다.As described above, the gate stack according to the fourth embodiment has a structure including a first
특히, Ti/WSixNy 구조는 금속막과 질소가 함유된 금속실리사이드막의 순서로 적층된 구조가 되는데, 금속막은 티타늄막(Ti, 32A)이고, 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막(32B)이다. 금속막은 순수 금속막(Pure metal)이며, 금속실리사이드막은 질소가 함유된 금속실리사이드막이다.In particular, Ti / WSi x N y structure is a metal film and there is a nitrogen-containing laminated to the metal silicide film order structure, the metal film is a titanium film (Ti, 32A), and the nitrogen-containing tungsten silicide film (32B) film suicide metal to be. The metal film is a pure metal film, and the metal silicide film is a metal silicide film containing nitrogen.
제4실시예와 같이 금속막 및 질소가 함유된 금속실리사이드막의 순서로 적층된 다중 확산방지막은 다음과 같은 구조도 가능하다.As in the fourth embodiment, the multiple diffusion barrier layer laminated in the order of the metal layer and the metal silicide layer containing nitrogen may have the following structure.
금속막은 티타늄막(Ti)외에 탄탈륨막(Ta)이 가능하고, 질소가 함유된 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy) 외에 질소 함유 티타늄실리사이드막(TiSixNy) 또는 질소 함유 탄탈륨실리사이드막(TaSixNy)이 가능하다. 탄탈륨막(Ta)은 PVD(스퍼터링법 포함), CVD 또는 ALD로 형성하고, 질소 함유 티타늄실리사이드막은 티타늄실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하고, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 탄탈륨실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착한다. 그리고, 탄탈륨막(Ta)은 10∼80Å 두께로 증착한다. 질소 함유 티타늄실리사이드막 및 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 20∼ 200Å 두께로 증착하며, 각 막내 질소의 함유량은 10∼60%이다. 그리고, 질소 함유 티타늄실리사이드막에서 티타늄 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이며, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막에서 탄탈륨 대비 실리콘의 비율(Si/Ta)은 0.5∼3.0이다.The metal film may be a tantalum film (Ta) in addition to the titanium film (Ti), and the nitrogen-containing metal silicide film may include a nitrogen-containing titanium silicide film (TiSi x N y ) or nitrogen in addition to the nitrogen-containing tungsten silicide film (WSi x N y ). A tantalum silicide film (TaSi x N y ) is possible. The tantalum film Ta is formed of PVD (including sputtering method), CVD or ALD, and the nitrogen-containing titanium silicide film is deposited by a titanium silicide target and reactive sputtering method using nitrogen gas, and the nitrogen-containing tantalum silicide film is a tantalum silicide target and nitrogen It deposits by reactive sputtering method using gas. The tantalum film Ta is deposited to have a thickness of 10 to 80 mW. The nitrogen-containing titanium silicide film and the nitrogen-containing tantalum silicide film were deposited to a thickness of 20 to 200 GPa, and the nitrogen content in each film was 10 to 60%. The ratio of silicon to titanium in the nitrogen-containing titanium silicide film is 0.5 to 3.0, and the ratio of silicon to tantalum (Si / Ta) in the nitrogen-containing tantalum silicide film is 0.5 to 3.0.
도 4b는 본 발명의 제5실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면으로서, 제2실시예의 변형예이다. 즉, 티타늄막 대신 질소가 함유된 티타늄막(TiNx, x<1)을 사용한 경우이다. 4B is a view showing the structure of the gate stack according to the fifth embodiment of the present invention, which is a modification of the second embodiment. That is, the case where a titanium film (TiN x , x <1) containing nitrogen is used instead of the titanium film.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제5실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(301), 확산방지막(302) 및 제2도전층(303)의 순서로 적층된다.As shown in FIG. 4B, the gate stack according to the fifth embodiment is stacked in the order of the first
제1도전층(301)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(301)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(303)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(302)은 질소함유 티타늄막(TiNx, 302A)과 질소 함유 텅스텐실리 사이드막(WSixNy, 302B)이 적층된 TiNx/WSixNy 구조이다. The
확산방지막(302)에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the
질소 함유 티타늄막(TiNx, 302A)은 티타늄막에 질소가 일정비율을 갖고 함유된 것으로서, 티타늄(Ti) 대비 질소(N)의 비율(N/Ti)이 0.2∼0.8이고, 두께는 10∼150Å이다. 여기서, 질소 함유 티타늄막(302A)은 질화된 티타늄막을 나타내는 '티타늄질화막(Titanium nitride)'도 포함하며, 바람직하게 질소 함유 티타늄막(302B)은 금속막 성질을 갖는다. Nitrogen-containing titanium films (TiN x , 302A) contain nitrogen in a titanium film with a certain ratio, and the ratio (N / Ti) of nitrogen (N) to titanium (Ti) is 0.2 to 0.8, and the thickness is 10 to 150 Å. Here, the nitrogen-containing
질소함유 텅스텐실리사이드막(302B)은 텅스텐실리사이드막에 질소가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이고, 질소의 함유량은 10∼60%이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(302B)은 질화된 텅스텐실리사이드막을 나타내는 '텅스텐실리콘질화막(Tungsten silicon nitride)' 또는 질소가 일정 비율로 함유된 텅스텐실리사이드막을 포함한다. The nitrogen-containing
질소함유 티타늄막(302A)과 질소 함유 텅스텐실리사이드막(302B)은 PVD(Physical Vapor Deposition)로 증착한 것이다.The nitrogen-containing
바람직하게, PVD라 함은 스퍼터링법(Sputtering) 또는 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering)에 의한 증착법이다. 예컨대, 질소함유 티타늄막(302A)은 티타늄타겟(Ti target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법Reactive sputtering with Ti target in N2 ambient)으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐실리사 이드막(302B)은 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성 스퍼터링법(Reactive Sputtering with WSix target in N2 ambient)으로 증착한다. Preferably, PVD is a deposition method by sputtering or reactive sputtering. For example, the nitrogen-containing
확산방지막(302)에서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(302B)은 전술한 바와 같이 반응성스퍼터링법과 같은 PVD을 이용하여 형성한다. 그 이유는, 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법을 이용하면 하부 막의 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하기 때문이다. In the
상술한 바에 따르면, 제5실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(301), TiNx/WSixNy 구조의 확산방지막(302) 및 제2도전층(303)으로 이루어진 구조이며, 제1도전층(301)이 폴리실리콘막이고, 제2도전층(303)이 텅스텐막이므로 텅스텐폴리게이트 구조가 된다.As described above, the gate stack according to the fifth embodiment has a structure including a first
특히, TiNx/WSixNy 구조는 금속막 및 질소가 함유된 금속실리사이드막의 순서로 적층된 구조가 되는데, 금속막은 질소 함유 티타늄막(TiNx, 302A)이고, 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막(302B)이다. 금속막은 질소가 함유된 금속막이고, 금속실리사이드막은 질소가 함유된 금속실리사이드막이다.In particular, the TiN x / WSi x N y structure has a stacked structure of a metal film and a metal silicide film containing nitrogen, wherein the metal film is a nitrogen-containing titanium film (TiN x , 302A), and the metal silicide film is a nitrogen-containing tungsten silicide.
제5실시예와 같이 질소가 함유된 금속막과 질소가 함유된 금속실리사이드막으로 이루어진 다중 확산방지막은 다음과 같은 구조도 가능하다.As in the fifth embodiment, the multi-diffusion barrier film including the metal film containing nitrogen and the metal silicide film containing nitrogen may have the following structure.
질소가 함유된 금속막은 질소함유 티타늄막(TiNx)외에 질소함유 탄탈륨 막(TaNx)이 가능하고, 질소가 함유된 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy) 외에 질소 함유 티타늄실리사이드막(TiSixNy) 또는 질소 함유 탄탈륨실리사이드막(TaSixNy)이 가능하다. 질소함유 탄탈륨막은 PVD(스퍼터링법 포함), CVD 또는 ALD로 형성하고, 질소 함유 티타늄실리사이드막은 티타늄실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하고, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 탄탈륨실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착한다. 그리고, 질소함유 탄탈륨막은 10∼80Å 두께로 증착한다. 질소 함유 티타늄실리사이드막 및 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 20∼200Å 두께로 증착하며, 각 막내 질소의 함유량은 10∼60%이다. 그리고, 질소 함유 티타늄실리사이드막에서 티타늄 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이며, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막에서 탄탈륨 대비 실리콘의 비율(Si/Ta)은 0.5∼3.0이다.The metal film is a nitrogen-containing titanium layer (TiN x) in addition to the nitrogen-containing tantalum film (TaN x) is possible and, in addition to the nitrogen-containing titanium silicide nitrogen containing tungsten suicide layer film of metal silicide containing a nitrogen (WSi x N y) containing a nitrogen A film (TiSi x N y ) or a nitrogen-containing tantalum silicide film (TaSi x N y ) is possible. The nitrogen-containing tantalum film is formed by PVD (including sputtering method), CVD or ALD, and the nitrogen-containing titanium silicide film is deposited by the reactive sputtering method using a titanium silicide target and nitrogen gas, and the nitrogen-containing tantalum silicide film contains a tantalum silicide target and nitrogen gas. It deposits by the reactive sputtering method used. The nitrogen-containing tantalum film is deposited to a thickness of 10 to 80 kPa. The nitrogen-containing titanium silicide film and the nitrogen-containing tantalum silicide film are deposited to a thickness of 20 to 200 GPa, and the nitrogen content in each film is 10 to 60%. The ratio of silicon to titanium in the nitrogen-containing titanium silicide film is 0.5 to 3.0, and the ratio of silicon to tantalum (Si / Ta) in the nitrogen-containing tantalum silicide film is 0.5 to 3.0.
도 4c는 본 발명의 제6실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다. 4C is a diagram illustrating a structure of a gate stack according to a sixth embodiment of the present invention.
도 4c에 도시된 바와 같이, 제6실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(311), 확산방지막(312) 및 제2도전층(313)의 순서로 적층된 구조가 된다.As shown in FIG. 4C, the gate stack according to the sixth exemplary embodiment has a structure in which the first
제1도전층(311)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(311)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(313)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(312)은 티타늄실리사이드막(TiSix, 312A), 질소 함유 티타늄막(TiNx, 312B), 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 312C)이 적층된 TiSix/TiNx/WSixNy 구조이다. 여기서, 확산방지막은 제4 및 제5실시예의 각 선택된 물질에 따라 여러 구조가 가능하다.The diffusion barrier 312 includes a TiSi x / TiN x / WSi in which a titanium silicide film (TiSi x , 312A), a nitrogen-containing titanium film (TiN x , 312B), and a nitrogen-containing tungsten silicide film (WSi x N y , 312C) are stacked. x N y structure. Here, the diffusion barrier can have a variety of structures depending on the selected materials of the fourth and fifth embodiments.
제6실시예는 제4실시예 및 제5실시예에 따른 게이트구조가 어닐링된 후의 결과이다. 여기서, 어닐링은 게이트 형성후에 진행하는 여러 공정들, 예를 들어, 스페이서 증착, 층간절연막 증착 등의 열이 수반되는 공정이라 할 수 있다.The sixth embodiment is the result after the gate structures according to the fourth and fifth embodiments are annealed. Here, annealing may be referred to as a process involving heat such as various processes performed after the gate is formed, for example, spacer deposition and interlayer dielectric film deposition.
도 4a와 같이 티타늄막(32A) 상부에 질소함유 텅스텐실리사이드막(32B)이 있는 경우에는, 어닐링후 도 4c와 같이, 티타늄막(32A)과 질소함유 텅스텐실리사이드막(32B)간 경계지역의 질소함유 텅스텐실리사이드막(32B)에서 소량의 질소 분해가 발생하여 티타늄막(32A) 상부를 질소가 함유된 질소함유 티타늄막(312B)으로 변화시키고, 티타늄막(32A)의 하부는 제1도전층(31)으로 사용된 폴리실리콘막과 반응하여 티타늄실리사이드막(312A)이 된다.In the case where there is a nitrogen-containing
티타늄실리사이드막(312A)의 두께는 1∼30Å이고, 막내 티타늄 대비 실리콘 의 비율이 0.5∼3.0이다. 질소 함유 티타늄막(312B)의 두께는 10∼100Å이고, 티타늄 대비 질소의 비율이 0.7∼1.3이다. The thickness of the
질소함유 텅스텐실리사이드막(312C)은 최초 질소함유 텅스텐실리사이드막(32B)과 동일한 두께 및 조성을 갖는다. 즉, 질소함유 텅스텐실리사이드막(212D)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고 질소의 함유량은 10∼60%이며, 두께는 20∼200Å이다. The nitrogen-containing
도 4b와 도 4c를 비교해 보면, 어닐링에 의해 질소 함유 티타늄막(302A)은 질소함유 텅스텐실리사이드막(302B)으로부터 질소를 공급받아 티타늄실리사이드막(312A) 반응을 최소화하면서 질소 함유 티타늄막(312B)으로 변화된다. 여기서, 티타늄실리사이드막(312A)의 두께는 1∼30Å이고, 질소 함유 티타늄막(312B)의 두께는 10∼100Å이며 질소 함유 티타늄막(312B)에서 티타늄 대비 질소의 비율은 0.7∼1.3이다. 도 4c의 질소 함유 티타늄막(302B)과 비교할 때, 질소의 비율이 '0.2∼0.8'에서 '0.7∼1.3'로 증가됨을 알 수 있다.4B and 4C, the nitrogen-containing
질소함유 텅스텐실리사이드막(312C)은 최초 질소함유 텅스텐실리사이드막(302C)과 동일한 두께 및 조성을 갖는다. 즉, 질소함유 텅스텐실리사이드막(312C)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고 질소의 함유량은 10∼60%이며, 두께는 20∼200Å이다. The nitrogen-containing
위와 같이, 제6실시예에 따른 게이트스택은 금속실리사이드막과 질소가 함유된 금속막의 순서로 적층된 제1확산방지막과 질소가 함유된 금속실리사이드막으로 된 제2확산방지막을 포함한다. 여기서, 제1확산방지막은 티타늄실리사이드막(312A) 과 질소 함유 티타늄막(312B)의 적층이고, 제2확산방지막은 질소함유 텅스텐실리사이드막(312C)이다. As described above, the gate stack according to the sixth embodiment includes a first diffusion barrier layer stacked in the order of the metal silicide layer and the metal layer containing nitrogen, and a second diffusion barrier layer made of the metal silicide layer containing nitrogen. Here, the first diffusion barrier layer is a laminate of the
도 5a는 본 발명의 제7실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다.5A is a diagram illustrating a structure of a gate stack according to a seventh embodiment of the present invention.
도 5a에 도시된 바와 같이, 제7실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(41), 확산방지막(42) 및 제2도전층(43)의 순서로 적층된다.As shown in FIG. 5A, the gate stack according to the seventh exemplary embodiment is stacked in the order of the first
제1도전층(41)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(41)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(43)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(42)은 티타늄막(Ti, 42A), 질소함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 42B) 및 질소 함유 텅스텐막(WNx, 42C)이 적층된 Ti/WSixNy/WNx 구조가 된다.The
확산방지막(42)에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the
먼저, 티타늄막(42A)의 두께는 10∼80Å이다.First, the thickness of the
질소 함유 텅스텐실리사이드막(42B)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고, 질소의 함유량은 10∼60%이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(42B)은 질화된 텅스텐실리사이드막을 나타내는 '텅스텐실리콘질화막(Tungsten silicon nitride)' 또는 질소가 일정비율로 함유된 텅스텐실리사이드막을 포함한다. 질소함유 텅스텐실리사이드막(42B)의 두께는 20∼ 200Å이다.In the nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐막(WNx, 43C)은 텅스텐막에 질소(Nitrogen, N)가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐(W) 대비 질소(N)의 비율(N/W)은 0.3∼1.5이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐막(42C)은 질화된 텅스텐막을 나타내는 '텅스텐질화막(Tungsten nitride)' 또는 질소가 일정비율로 함유된 텅스텐막을 포함한다. 질소가 함유됨에 따라 제9실시예에서 후술하겠지만, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(42B)에 질소를 공급하는 역할을 한다. 질소 함유 텅스텐막(42C)의 두께는 20∼200Å이다. 이처럼, 질소함유 텅스텐막(42C)은 질소가 함유됨에 따라 질소 함유 텅스텐실리사이드막(42B)에 질소를 공급하는 역할을 하여 어닐링후에 질소가 함유되지 않는 순수한 텅스텐막이 되거나 함유되더라도 극히 소량의 질소만 함유한 텅스텐막이 된다. Nitrogen-containing tungsten films (WN x , 43C) contain nitrogen (Nitrogen, N) at a constant ratio in the tungsten film, and the ratio (N / W) of nitrogen (N) to tungsten (W) is 0.3 to 1.5. . Here, the nitrogen-containing
티타늄막(42A)과 질소 함유 텅스텐막(42C)은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한 것이고, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(42B)은 PVD로 증착한 것이다.The
바람직하게, PVD라 함은 스퍼터링법(Sputtering) 또는 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering)에 의한 증착법이다. 예컨대, 티타늄막(42A)은 티타늄타겟(Ti target)을 이용한 스퍼터링법으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐막(42C)은 텅스텐타겟(W target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering with W target in N2 ambient)으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐실리사이드막(42B)은 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성 스퍼터링법(Reactive Sputtering with WSix target in N2 ambient)으로 증착한다. Preferably, PVD is a deposition method by sputtering or reactive sputtering. For example, the
확산방지막(42)에서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(42B)은 전술한 바와 같이 반응성스퍼터링법과 같은 PVD을 이용하여 형성한다. 그 이유는, 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법을 이용하면 하부 막의 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하다. In the
상술한 바에 따르면, 제7실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(41), Ti/WSixNy/WNx 구조의 확산방지막(42) 및 제2도전층(43)으로 이루어진 구조이며, 제1도전층(41)이 폴리실리콘막이고, 제2도전층(43)이 텅스텐막이므로 텅스텐폴리게이트 구조가 된다.As described above, the gate stack according to the seventh exemplary embodiment has a structure including a first
특히, Ti/WSiNx/WNx 구조는 제1금속막, 질소가 함유된 금속실리사이드막 및 제2금속막의 순서로 적층된 구조가 되는데, 제1금속막은 티타늄막(Ti, 42A)이고, 제2금속막은 질소 함유 텅스텐막(WNx, 42C)이며, 금속실리사이드막은 질소 함유 텅 스텐실리사이드막(42B)이다. 제1금속막은 순수 금속막(Pure metal)이며, 제2금속막은 질소가 함유된 금속막이고, 금속실리사이드막은 질소가 함유된 금속실리사이드막이다.In particular, the Ti / WSiN x / WN x structure has a structure in which a first metal film, a metal silicide film containing nitrogen, and a second metal film are stacked in this order. The first metal film is a titanium film (Ti, 42A). The bimetallic film is a nitrogen-containing tungsten film (WN x , 42C), and the metal silicide film is a nitrogen-containing
제7실시예와 같이 제1금속막, 금속실리사이드막 및 제2금속막의 순서로 적층된 다중 확산방지막은 다음과 같은 구조도 가능하다.As in the seventh embodiment, the multiple diffusion barrier layer laminated in the order of the first metal layer, the metal silicide layer, and the second metal layer may have the following structure.
제1금속막은 티타늄막(Ti)외에 탄탈륨막(Ta)이 가능하고, 제2금속막은 질소가 함유된 텅스텐막(WNx)외에 질소 함유 티타늄텅스텐막(TiWNx)이 가능하며, 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막 외에 질소 함유 티타늄실리사이드막(TiSixNy) 또는 질소 함유 탄탈륨실리사이드막(TaSixNy)이 가능하다. 탄탈륨막(Ta)은 PVD(스퍼터링법 포함), CVD 또는 ALD로 형성하고, 질소 함유 티타늄텅스텐막은 티타늄텅스텐(TiW) 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하며, 질소 함유 티타늄실리사이드막은 티타늄실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하고, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 탄탈륨실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착한다. 그리고, 탄탈륨막(Ta)은 10∼80Å 두께로 증착한다. 질소 함유 티타늄텅스텐막, 질소 함유 티타늄실리사이드막 및 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 20∼200Å 두께로 증착하며, 각 막내 질소의 함유량은 10∼60%이다. 그리고, 질소 함유 티타늄텅스텐막에서 텅스텐 대비 티타늄의 비율은 0.5∼3.0이고, 질소 함유 티타늄실리사이드막에서 티타늄 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이며, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막에서 탄탈륨 대비 실리콘 의 비율(Si/Ta)은 0.5∼3.0이다.The first metal film may be a tantalum film (Ta) in addition to the titanium film (Ti), the second metal film may be a nitrogen-containing titanium tungsten film (TiWN x ) in addition to the tungsten film (WN x ) containing nitrogen, and the metal silicide film may be In addition to the nitrogen-containing tungsten silicide film, a nitrogen-containing titanium silicide film (TiSi x N y ) or a nitrogen-containing tantalum silicide film (TaSi x N y ) may be used. The tantalum film Ta is formed of PVD (including sputtering method), CVD or ALD, and the nitrogen-containing titanium tungsten film is deposited by a reactive sputtering method using a titanium tungsten (TiW) target and nitrogen gas, and the nitrogen-containing titanium silicide film is titanium silicide The vapor deposition is performed by reactive sputtering using a target and nitrogen gas, and the nitrogen-containing tantalum silicide film is deposited by reactive sputtering using a tantalum silicide target and nitrogen gas. The tantalum film Ta is deposited to have a thickness of 10 to 80 mW. The nitrogen-containing titanium tungsten film, the nitrogen-containing titanium silicide film and the nitrogen-containing tantalum silicide film were deposited to a thickness of 20 to 200 GPa, and the content of nitrogen in each film was 10 to 60%. In the nitrogen-containing titanium tungsten film, the ratio of titanium to tungsten was 0.5 to 3.0, the ratio of silicon to titanium in the nitrogen-containing titanium silicide film was 0.5 to 3.0, and the ratio of silicon to tantalum in the nitrogen-containing tantalum silicide film (Si / Ta) is 0.5-3.0.
도 5b는 본 발명의 제8실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다.5B illustrates a structure of a gate stack according to an eighth embodiment of the present invention.
도 5b에 도시된 바와 같이, 제8실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(401), 확산방지막(402) 및 제2도전층(403)의 순서로 적층된다.As shown in FIG. 5B, the gate stack according to the eighth embodiment is stacked in the order of the first conductive layer 401, the
제1도전층(401)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(401)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first conductive layer 401 is a polysilicon layer doped with a high concentration of P-type impurities (eg, boron) or N-type impurities (eg, phosphorous). In addition to the polysilicon film, the first conductive layer 401 may be a polysilicon germanium film (PolySi 1-x Ge x , x = 0.01 to 1.0) or a silicide film. For example, the silicide film is a silicide film containing any one selected from Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr or Pt.
제2도전층(403)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(402)은 질소 함유 티타늄막(TiNx, 402A), 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 402C) 및 질소 함유 텅스텐막(WNx, 402B)이 적층된 TiNx/WSixNy/WNx 구조이다. The
확산방지막(402)에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the
질소 함유 티타늄막(TiNx, 402A)은 티타늄막에 질소가 일정비율을 갖고 함유 된 것으로서, 티타늄(Ti) 대비 질소(N)의 비율(N/Ti)이 0.2∼0.8이고, 두께는 10∼150Å이다. 여기서, 질소 함유 티타늄막(402A)은 질화된 티타늄막을 나타내는 '티타늄질화막(Titanium nitride)'도 포함한다.Nitrogen-containing titanium film (TiN x , 402A) is a titanium film containing a certain ratio, the ratio of nitrogen (N) to titanium (Ti) (N / Ti) is 0.2 ~ 0.8, the thickness is 10 ~ 150 Å. Here, the nitrogen-containing
질소함유 텅스텐실리사이드막(402B)은 텅스텐실리사이드막에 질소가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이고, 질소의 함유량은 10∼60%이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(402B)은 질화된 텅스텐실리사이드막을 나타내는 '텅스텐실리콘질화막(Tungsten silicon nitride)'도 포함한다.The nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐막(WNx, 402C)은 텅스텐막에 질소가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐 대비 질소의 비율이 0.3∼1.5이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐막(402C)은 질화된 텅스텐막을 나타내는 '텅스텐질화막(Tungsten nitride)'도 포함한다. 질소가 함유됨에 따라 후술하겠지만, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(402B)에 질소를 공급하는 역할을 한다. 그리고, 질소 함유 텅스텐막(402C)의 두께는 20∼200Å이다. 이처럼, 질소함유 텅스텐막(402C)은 질소가 함유됨에 따라 질소 함유 텅스텐실리사이드막(402B)에 질소를 공급하는 역할을 하여 어닐링후에 질소가 함유되지 않는 순수한 텅스텐막이 되거나 함유되더라도 극히 소량의 질소만 함유한 텅스텐막이 된다. The nitrogen-containing tungsten films (WN x , 402C) contain nitrogen in the tungsten film at a predetermined ratio, and the ratio of nitrogen to tungsten is 0.3 to 1.5. Here, the nitrogen-containing tungsten film 402C also includes a 'tungsten nitride film' representing the nitrided tungsten film. As will be described later as nitrogen is contained, it serves to supply nitrogen to the nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐막(402C)은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한 것이고, 질소함유 티타늄막(402A)과 질소 함유 텅스텐실리사이드막(402B)은 PVD로 증착한 것이다.The nitrogen-containing tungsten film 402C is deposited by any one of deposition methods selected from physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), or atomic layer deposition (ALD), and the nitrogen-containing
바람직하게, PVD라 함은 스퍼터링법(Sputtering) 또는 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering)에 의한 증착법이다. 예컨대, 질소함유 티타늄막(402A)은 티타늄타겟(Ti target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법Reactive sputtering with Ti target in N2 ambient)으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐막(402C)은 텅스텐타겟(W target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering with W target in N2 ambient)으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐실리사이드막(402B)은 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성 스퍼터링법(Reactive Sputtering with WSix target in N2 ambient)으로 증착한다. Preferably, PVD is a deposition method by sputtering or reactive sputtering. For example, the nitrogen-containing
확산방지막(402)에서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(402B)은 전술한 바와 같이 반응성스퍼터링법과 같은 PVD을 이용하여 형성한다. 그 이유는, 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법을 이용하면 하부 막의 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하다. In the
상술한 바에 따르면, 제8실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(401), TiNx/WSixNy/WNx 구조의 확산방지막(402) 및 제2도전층(403)으로 이루어진 구조이며, 제1도전층(401)이 폴리실리콘막이고, 제2도전층(403)이 텅스텐막이므로 텅스텐폴리 게이트 구조가 된다.As described above, the gate stack according to the eighth embodiment includes a first conductive layer 401, a
특히, TiNx/WSixNy/WNx 구조는 제1금속막, 질소가 함유된 금속실리사이드막 및 제2금속막의 순서로 적층된 구조가 되는데, 제1금속막은 질소 함유 티타늄막(TiNx, 402A)이고, 제2금속막은 질소 함유 텅스텐막(WNx, 402C)이며, 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSiNx, 402B)이다. 제1금속막과 제2금속막은 질소가 함유된 금속막이고, 금속실리사이드막은 질소가 함유된 금속실리사이드막이다.In particular, the TiN x / WSi x N y / WN x structure has a structure in which the first metal film, the metal silicide film containing nitrogen, and the second metal film are stacked in this order, and the first metal film has a nitrogen-containing titanium film (
제8실시예와 같이 질소가 함유된 제1금속막, 질소가 함유된 금속실리사이드막 및 질소가 함유된 제2금속막으로 이루어진 다중 확산방지막은 다음과 같은 구조도 가능하다.As in the eighth embodiment, the multi-diffusion barrier film including the first metal film containing nitrogen, the metal silicide film containing nitrogen, and the second metal film containing nitrogen may have the following structure.
질소가 함유된 제1금속막은 질소함유 티타늄막(TiNx)외에 질소함유 탄탈륨막(TaNx)이 가능하고, 질소가 함유된 제2금속막은 질소가 함유된 텅스텐막(WNx)외에 질소 함유 티타늄텅스텐막(TiWNx)이 가능하며, 질소가 함유된 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy) 외에 질소 함유 티타늄실리사이드막(TiSixNy) 또는 질소 함유 탄탈륨실리사이드막(TaSixNy)이 가능하다. 질소함유 탄탈륨막은 PVD(스퍼터링법 포함), CVD 또는 ALD로 형성하고, 질소 함유 티타늄텅스텐막은 티타늄텅스텐(TiW) 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하며, 질소 함유 티타늄실리사이드막은 티타늄실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스 퍼터링법으로 증착하고, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 탄탈륨실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착한다. 그리고, 질소함유 탄탈륨막은 10∼80Å 두께로 증착한다. 질소 함유 티타늄텅스텐막, 질소 함유 티타늄실리사이드막 및 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 20∼200Å 두께로 증착하며, 각 막내 질소의 함유량은 10∼60%이다. 그리고, 질소 함유 티타늄텅스텐막에서 텅스텐 대비 티타늄의 비율은 0.5∼3.0이고, 질소 함유 티타늄실리사이드막에서 티타늄 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이며, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막에서 탄탈륨 대비 실리콘의 비율(Si/Ta)은 0.5∼3.0이다.The first metal film is a nitrogen-containing titanium layer (TiN x) in addition to the nitrogen-containing tantalum film (TaN x) is possible, and a nitrogen-containing in addition to the second metal tungsten film (WN x) nitrogen containing film containing a nitrogen-containing nitrogen Titanium tungsten film (TiWN x ) is possible, and the nitrogen-containing metal silicide film is a nitrogen-containing titanium silicide film (TiSi x N y ) or a nitrogen-containing tantalum silicide film (TaSi x ) in addition to the nitrogen-containing tungsten silicide film (WSi x N y ). N y ) is possible. The nitrogen-containing tantalum film is formed by PVD (including sputtering method), CVD or ALD, and the nitrogen-containing titanium tungsten film is deposited by a titanium tungsten (TiW) target and reactive sputtering method using nitrogen gas. The vapor deposition is carried out by reactive sputtering using nitrogen gas, and the nitrogen-containing tantalum silicide film is deposited by reactive sputtering using a tantalum silicide target and nitrogen gas. The nitrogen-containing tantalum film is deposited to a thickness of 10 to 80 kPa. The nitrogen-containing titanium tungsten film, the nitrogen-containing titanium silicide film and the nitrogen-containing tantalum silicide film were deposited to a thickness of 20 to 200 GPa, and the content of nitrogen in each film was 10 to 60%. In the nitrogen-containing titanium tungsten film, the ratio of titanium to tungsten is 0.5 to 3.0, the ratio of silicon to titanium in the nitrogen-containing titanium silicide film is 0.5 to 3.0, and the ratio of silicon to tantalum in the nitrogen-containing tantalum silicide film (Si / Ta) is 0.5-3.0.
도 5c는 본 발명의 제9실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다.5C is a diagram illustrating the structure of a gate stack according to a ninth embodiment of the present invention.
도 5c에 도시된 바와 같이, 제9실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(411), 확산방지막(412) 및 제2도전층(413)의 순서로 적층된 구조가 된다.As shown in FIG. 5C, the gate stack according to the ninth embodiment has a structure in which the first
제1도전층(411)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(411)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(413)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(412)은 티타늄실리사이드막(TiSix, 412A), 질소 함유 티타늄막(TiNx, 412B), 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 412C) 및 질소 함유 텅스텐막(WNx, 412D)이 적층된 TiSix/TiNx/WSixNy/WNx 구조이다. 여기서, 확산방지막은 제7 및 제8실시예의 각 선택된 물질에 따라 여러 구조가 가능하다.The
제9실시예는 제7실시예 및 제8실시예에 따른 게이트구조가 어닐링된 후의 결과이다. 여기서, 어닐링은 게이트 형성후에 진행하는 여러 공정들, 예를 들어, 스페이서 증착, 층간절연막 증착 등의 열이 수반되는 공정이라 할 수 있다.The ninth embodiment is the result after the gate structures according to the seventh and eighth embodiments are annealed. Here, annealing may be referred to as a process involving heat such as various processes performed after the gate is formed, for example, spacer deposition and interlayer dielectric film deposition.
도 5c와 도 5a를 비교하면 다음과 같다.Comparing FIG. 5C and FIG. 5A is as follows.
티타늄실리사이드막(412A)은 티타늄막(42A)이 하부의 제1도전층(41)인 폴리실리콘막과 반응하여 형성된 것으로서, 그 두께는 1∼30Å이고, 막내 티타늄 대비 실리콘의 비율이 0.5∼3.0이다. The
질소 함유 티타늄막(412B)은 티타늄막(42A)이 질소 함유 텅스텐실리사이드막(42B)으로부터 질소를 공급받아 변화된 것으로, 그 두께는 10∼100Å이고, 티타늄 대비 질소의 비율이 0.6∼1.2이다. 도 5a의 티타늄막(42A)과 비교할 때, 질소의 비율이 '0'에서 '0.7∼1.3'로 증가됨을 알 수 있다.The nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐실리사이드막(412C)은 최초 질소 함유 텅스텐실리사이드막(42C)과 동일한 두께 및 조성을 갖는다. 즉, 질소 함유 텅스텐실리사이드 막(412C)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고 질소의 함유량은 10∼60%이며, 두께는 20∼200Å이다. The nitrogen-containing tungsten silicide film 412C has the same thickness and composition as the original nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐막(412D)은 어닐링후 디누데이션(Denudation)에 의해 질소 함유량이 10% 이하 수준으로 감소한 것이며(따라서 'WNx(D)'로 도시함), 두께는 20∼200Å이고, 텅스텐 대비 질소의 비율은 0.01∼0.15이다. 도 3a의 질소 함유 텅스텐막(42C)과 비교할 때, 질소의 비율이 '0.3∼1.5'에서 '0.01∼0.15'로 감소됨을 알 수 있다.Nitrogen-containing
도 5a와 같이 티타늄막(42A) 상부에 질소함유 텅스텐실리사이드막(42B)이 있는 경우에는, 어닐링후 도 5c와 같이, 티타늄막(42A)과 질소함유 텅스텐실리사이드막(42B)간 경계지역의 질소함유 텅스텐실리사이드막(42B)에서 소량의 질소 분해가 발생하여 티타늄막(42A) 상부를 질소함유 티타늄막(412B)으로 변화시키고, 티타늄막(42A)의 하부는 폴리실리콘막(41)과 반응하여 티타늄실리사이드막(412A)이 된다.If there is a nitrogen-containing
도 5b와 도 5c를 비교해 보면, 질소함유 티타늄막(402A)은 티타늄실리사이드막(412A) 반응을 최소화하면서 질소함유 티타늄막(412B)으로 변화된다. 여기서, 티타늄실리사이드막(412A)의 두께는 1∼30Å이고, 질소함유 티타늄막(412B)의 두께는 10∼100Å이며 질소함유 티타늄막(412B)에서 티타늄 대비 질소의 비율이 0.7∼1.3이다. 질소함유 텅스텐실리사이드막(412C)은 최초 질소함유 텅스텐실리사이드막(402B)과 동일한 두께 및 조성을 갖는다. 즉, 질소함유 텅스텐실리사이드막(412C)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고 질소의 함유량은 10∼60%이며, 두께는 20∼200Å이다. 5B and 5C, the nitrogen-containing
질소함유 텅스텐막(412D)은 질소함유 텅스텐막(402C)이 어닐링후 디누데이션(Denudation)에 의해 질소 함유량이 10% 이하 수준으로 감소한 것이며, 두께는 20∼200Å이고, 텅스텐 대비 질소의 비율은 0.01∼0.15이다. In the nitrogen-containing
위와 같이, 제9실시예에 따른 게이트스택은 금속실리사이드막과 질소함유 금속막의 순서로 적층된 제1확산방지막과 질소함유 금속실리사이드막과 질소함유 금속막의 순서로 적층된 제2확산방지막을 포함한다. 여기서, 제1확산방지막은 티타늄실리사이드막(412A)과 질소함유 티타늄막(412B)의 적층이고, 제2확산방지막은 질소함유 텅스텐실리사이드막(412C)과 질소함유 텅스텐막(412D)의 적층이다. As described above, the gate stack according to the ninth embodiment includes a first diffusion barrier layer stacked in the order of the metal silicide layer and the nitrogen-containing metal layer, and a second diffusion barrier layer stacked in the order of the nitrogen-containing metal silicide layer and the nitrogen-containing metal layer. . Here, the first diffusion barrier film is a stack of the
도 6a은 본 발명의 제10실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다.6A is a diagram illustrating a structure of a gate stack according to a tenth embodiment of the present invention.
도 6a를 참조하면, 제10실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(51), 확산방지막(52) 및 제2도전층(53)의 순서로 적층된다.Referring to FIG. 6A, the gate stack according to the tenth embodiment is stacked in the order of the first
제1도전층(51)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(51)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(53)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(52)은 티타늄막(Ti, 52A), 질소 함유 텅스텐막(WNx, 52B), 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 52C) 및 질소 함유 텅스텐막(WNx, 52D)이 적층된 Ti/WNx/WSixNy/WNx 구조이다. The
확산방지막(52)에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the
먼저, 티타늄막(52A)의 두께는 10∼80Å이다. First, the thickness of the
질소 함유 텅스텐막(52B, 52D)은 텅스텐막에 질소(Nitrogen, N)가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐(W) 대비 질소(N)의 비율(N/W)은 0.3∼1.5이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐막(52B, 52D)은 질화된 텅스텐막을 나타내는 '텅스텐질화막(Tungsten nitride)'도 포함한다. 질소가 함유됨에 따라 후술하겠지만, 티타늄막(52A)과 질소 함유 텅스텐실리사이드막(52C)에 질소를 공급하는 역할을 한다. 질소 함유 텅스텐막(52B, 52D)의 두께는 20∼200Å이다. 이처럼, 질소함유 텅스텐막(52B, 52D)은 질소가 함유됨에 따라 티타늄막(52A)과 질소 함유 텅스텐실리사이드막(52C)에 질소를 공급하는 역할을 하여 어닐링후에 질소가 함유되지 않는 순수한 텅스텐막이 되거나 함유되더라도 극히 소량의 질소만 함유한 텅스텐막이 된다. The nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐실리사이드막(52C)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고, 질소의 함유량은 10∼60%이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(52C)은 질화된 텅스텐실리사이드막을 나타내는 '텅스텐실리콘질화막(Tungsten silicon nitride)'도 포함한다. 질소함유 텅스텐실리사이드막(52C)의 두께는 20∼ 200Å이다.In the nitrogen-containing
티타늄막(52A)과 질소 함유 텅스텐막(52B, 52D)은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한 것이고, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(52C)은 PVD로 증착한 것이다.The
바람직하게, PVD라 함은 스퍼터링법(Sputtering) 또는 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering)에 의한 증착법이다. 예컨대, 티타늄막(52A)은 티타늄타겟(Ti target)을 이용한 스퍼터링법으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐막(52B, 52D)은 텅스텐타겟(W target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering with W target in N2 ambient)으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐실리사이드막(52C)은 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성 스퍼터링법(Reactive Sputtering with WSix target in N2 ambient)으로 증착한다. Preferably, PVD is a deposition method by sputtering or reactive sputtering. For example, the
확산방지막(52)에서, 질소 함유 텅스텐막(52B) 상부에 증착하는 질소 함유 텅스텐실리사이드막(52C)은 전술한 바와 같이 반응성스퍼터링법과 같은 PVD을 이용하여 형성한다. 그 이유는, 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법을 이용하면 하부 막의 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하다. In the
상술한 바에 따르면, 제10실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(51), Ti/WNx/WSixNy/WNx 구조의 확산방지막(52) 및 제2도전층(53)으로 이루어진 구조이며, 제1도전층(51)이 폴리실리콘막이고, 제2도전층(53)이 텅스텐막이므로 텅스텐폴리게이트 구조가 된다.As described above, the gate stack according to the tenth embodiment includes a first
특히, Ti/WNx/WSixNy/WNx 구조는 제1금속막, 제2금속막, 질소가 함유된 금속실리사이드막 및 제3금속막의 순서로 적층된 구조가 되는데, 제1금속막은 티타늄막(Ti, 52A)이고, 제2금속막과 제3금속막은 질소 함유 텅스텐막(52B, 52D)이며, 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 52C)이다. 제1금속막은 순수 금속막(Pure metal)이며, 제2 및 제3금속막은 질소가 함유된 금속막이고, 금속실리사이드막은 질소가 함유된 금속실리사이드막이다.In particular, the Ti / WN x / WSi x N y / WN x structure has a structure in which the first metal film, the second metal film, the metal silicide film containing nitrogen, and the third metal film are stacked in this order. Titanium film (Ti, 52A), the second metal film and the third metal film are nitrogen-containing
제10실시예와 같이 제1금속막, 제2금속막, 질소가 함유된 금속실리사이드막 및 제3금속막의 순서로 적층된 다중 확산방지막은 다음과 같은 구조도 가능하다.As in the tenth embodiment, the multiple diffusion barrier layer laminated in the order of the first metal film, the second metal film, the metal silicide film containing nitrogen, and the third metal film may have the following structure.
제1금속막은 티타늄막(Ti)외에 탄탈륨막(Ta)이 가능하고, 제2 및 제3금속막은 동일 막으로서 질소가 함유된 텅스텐막(WNx)외에 질소 함유 티타늄텅스텐막(TiWNx)이 가능하며, 질소가 함유된 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막 외에 질소 함유 티타늄실리사이드막 또는 질소 함유 탄탈륨실리사이드막이 가능하다. 탄탈륨막(Ta)은 PVD(스퍼터링법 포함), CVD 또는 ALD로 형성하고, 질소 함유 티타늄텅스텐막은 티타늄텅스텐(TiW) 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하며, 질소 함유 티타늄실리사이드막은 티타늄실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하고, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 탄탈륨실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착한다. 그리고, 탄탈륨막(Ta)은 10∼80Å 두께로 증착한다. 질소 함유 티타늄텅스텐막, 질소 함유 티타늄실리사이드막 및 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 20∼200Å 두께로 증착하며, 각 막내 질소의 함유량은 10∼60%이다. 그리고, 질소 함유 티타늄텅스텐막에서 텅스텐 대비 티타늄의 비율은 0.5∼3.0이고, 질소 함유 티타늄실리사이드막에서 티타늄 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이며, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막에서 탄탈륨 대비 실리콘의 비율(Si/Ta)은 0.5∼3.0이다.The first metal film may be a tantalum film (Ta) in addition to the titanium film (Ti), and the second and third metal films may be the same film and the nitrogen-containing titanium tungsten film (TiWN x ) besides the tungsten film (WN x ) containing nitrogen. The nitrogen-containing metal silicide film may be a nitrogen-containing titanium silicide film or a nitrogen-containing tantalum silicide film in addition to the nitrogen-containing tungsten silicide film. The tantalum film Ta is formed of PVD (including sputtering method), CVD or ALD, and the nitrogen-containing titanium tungsten film is deposited by a reactive sputtering method using a titanium tungsten (TiW) target and nitrogen gas, and the nitrogen-containing titanium silicide film is titanium silicide The vapor deposition is performed by reactive sputtering using a target and nitrogen gas, and the nitrogen-containing tantalum silicide film is deposited by reactive sputtering using a tantalum silicide target and nitrogen gas. The tantalum film Ta is deposited to have a thickness of 10 to 80 mW. The nitrogen-containing titanium tungsten film, the nitrogen-containing titanium silicide film and the nitrogen-containing tantalum silicide film were deposited to a thickness of 20 to 200 GPa, and the content of nitrogen in each film was 10 to 60%. In the nitrogen-containing titanium tungsten film, the ratio of titanium to tungsten is 0.5 to 3.0, the ratio of silicon to titanium in the nitrogen-containing titanium silicide film is 0.5 to 3.0, and the ratio of silicon to tantalum in the nitrogen-containing tantalum silicide film (Si / Ta) is 0.5-3.0.
도 6b는 본 발명의 제11실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다.6B is a diagram illustrating a structure of a gate stack according to an eleventh embodiment of the present invention.
도 6b를 참조하면, 제10실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(501), 확산방지막(502) 및 제2도전층(503)의 순서로 적층된다.Referring to FIG. 6B, the gate stacks according to the tenth embodiment are stacked in the order of the first
제1도전층(501)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(501)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(503)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(502)은 질소함유 티타늄막(TiNx, 502A), 질소 함유 텅스텐막(WNx, 502B), 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSiNx, 502C) 및 질소 함유 텅스텐막(WNx, 502D)이 적층된 TiNx/WNx/WSixNy/WNx 구조이다. The
확산방지막(502)에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the
먼저, 질소 함유 티타늄막(TiNx, 502A)은 티타늄막에 질소가 일정비율을 갖고 함유된 것으로서, 티타늄(Ti) 대비 질소(N)의 비율(N/Ti)이 0.2∼0.8이고, 두께는 10∼150Å이다. 여기서, 질소 함유 티타늄막(502A)은 질화된 티타늄막을 나타내는 '티타늄질화막(Titanium nitride)'도 포함한다. First, the nitrogen-containing titanium film (TiN x , 502A) is nitrogen contained in the titanium film with a certain ratio, the ratio of nitrogen (N) to titanium (Ti) (N / Ti) is 0.2 to 0.8, the thickness is 10 to 150 Hz. Here, the nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐막(502B, 502D)은 텅스텐막에 질소(Nitrogen, N)가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐(W) 대비 질소(N)의 비율(N/W)은 0.3∼1.5이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐막(502B, 502D)은 질화된 텅스텐막을 나타내는 '텅스텐질화막(Tungsten nitride)'도 포함한다. 질소가 함유됨에 따라 후술하겠지만, 질소함유 티타늄막(502A)과 질소 함유 텅스텐실리사이드막(502C)에 질소를 공급하는 역할 을 한다. 질소 함유 텅스텐막(502B, 502D)의 두께는 20∼200Å이다. 이처럼, 질소함유 텅스텐막(502B, 502D)은 질소가 함유됨에 따라 질소함유 티타늄막(502A)과 질소 함유 텅스텐실리사이드막(502C)에 질소를 공급하는 역할을 하여 어닐링후에 질소가 함유되지 않는 순수한 텅스텐막이 되거나 함유되더라도 극히 소량의 질소만 함유한 텅스텐막이 된다. Nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐실리사이드막(502C)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고, 질소의 함유량은 10∼60%이다. 여기서, 질소 함유 텅스텐실리사이드막(502C)은 질화된 텅스텐실리사이드막을 나타내는 '텅스텐실리콘질화막(Tungsten silicon nitride)'도 포함한다. 질소함유 텅스텐실리사이드막(502C)의 두께는 20∼ 200Å이다.In the nitrogen-containing
질소 함유 텅스텐막(502B, 502D)은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한 것이고, 질소함유 티타늄막(502A)과 질소 함유 텅스텐실리사이드막(502C)은 PVD로 증착한 것이다.The nitrogen-containing
바람직하게, PVD라 함은 스퍼터링법(Sputtering) 또는 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering)에 의한 증착법이다. 예컨대, 질소함유 티타늄막(502A)은 티타늄타겟(Ti target)과 질소 가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착한다. 질소 함유 텅스텐막(502B, 502D)은 텅스텐타겟(W target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering with W target in N2 ambient)으로 증착한 다. 질소 함유 텅스텐실리사이드막(502C)은 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성 스퍼터링법(Reactive Sputtering with WSix target in N2 ambient)으로 증착한다. Preferably, PVD is a deposition method by sputtering or reactive sputtering. For example, the nitrogen-containing
확산방지막(502)에서, 질소 함유 텅스텐막(502B) 상부에 증착하는 질소 함유 텅스텐실리사이드막(502C)은 전술한 바와 같이 반응성스퍼터링법과 같은 PVD을 이용하여 형성한다. 그 이유는, 텅스텐실리사이드 타겟(WSix target)과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성스퍼터링법을 이용하면 하부 막의 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하다. In the
상술한 바에 따르면, 제11실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(501), TiNx/WNx/WSixNy/WNx 구조의 확산방지막(502) 및 제2도전층(503)으로 이루어진 구조이며, 제1도전층(501)이 폴리실리콘막이고, 제2도전층(503)이 텅스텐막이므로 텅스텐폴리게이트 구조가 된다.As described above, the gate stack according to the eleventh embodiment includes a first
특히, TiNx/WNx/WSixNy/WNx 구조는 제1금속막, 제2금속막, 질소가 함유된 금속실리사이드막 및 제3금속막의 순서로 적층된 구조가 되는데, 제1금속막은 질소함유 티타늄막( 502A)이고, 제2금속막과 제3금속막은 질소 함유 텅스텐막(502B, 502D)이며, 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 502C)이다. 제1 내지 제3금속막은 질소가 함유된 금속막이고, 금속실리사이드막은 질소가 함유된 금속실리사이드막이다.In particular, the TiN x / WN x / WSi x N y / WN x structure has a structure in which the first metal film, the second metal film, the metal silicide film containing nitrogen, and the third metal film are stacked in this order. The film is a nitrogen-containing
제11실시예와 같이 제1금속막, 제2금속막, 질소가 함유된 금속실리사이드막 및 제3금속막의 순서로 적층된 다중 확산방지막은 다음과 같은 구조도 가능하다.As in the eleventh embodiment, the multi-diffusion barrier layer laminated in the order of the first metal film, the second metal film, the metal silicide film containing nitrogen, and the third metal film may have the following structure.
제1금속막은 질소함유 티타늄막외에 질소함유 탄탈륨막(TaNx)이 가능하고, 제2 및 제3금속막은 동일 막으로서 질소가 함유된 텅스텐막(WNx)외에 질소 함유 티타늄텅스텐막(TiWNx)이 가능하며, 질소가 함유된 금속실리사이드막은 질소 함유 텅스텐실리사이드막 외에 질소 함유 티타늄실리사이드막 또는 질소 함유 탄탈륨실리사이드막이 가능하다. 질소함유 탄탈륨막은 PVD(스퍼터링법 포함), CVD 또는 ALD로 형성하고, 질소 함유 티타늄텅스텐막은 티타늄텅스텐(TiW) 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하며, 질소 함유 티타늄실리사이드막은 티타늄실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하고, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 탄탈륨실리사이드 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착한다. 그리고, 질소함유 탄탈륨막은 10∼80Å 두께로 증착한다. 질소 함유 티타늄텅스텐막, 질소 함유 티타늄실리사이드막 및 질소 함유 탄탈륨실리사이드막은 20∼200Å 두께로 증착하며, 각 막내 질소의 함유량은 10∼60%이다. 그리고, 질소 함유 티타늄텅스텐막에서 텅스텐 대비 티타늄의 비율은 0.5∼3.0이고, 질소 함유 티타늄실리사이드막에서 티타늄 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이며, 질소 함유 탄탈륨실리사이드막에서 탄탈륨 대비 실리콘의 비율(Si/Ta)은 0.5∼3.0이다.The first metal film may be a nitrogen-containing tantalum film (TaN x ) in addition to the nitrogen-containing titanium film, and the second and third metal films may be nitrogen-containing titanium tungsten films (TiWN x ) in addition to the tungsten film (WN x ) containing nitrogen. The nitrogen-containing metal silicide film may be a nitrogen-containing titanium silicide film or a nitrogen-containing tantalum silicide film in addition to the nitrogen-containing tungsten silicide film. The nitrogen-containing tantalum film is formed by PVD (including sputtering method), CVD or ALD, and the nitrogen-containing titanium tungsten film is deposited by a titanium tungsten (TiW) target and reactive sputtering method using nitrogen gas. The vapor deposition is carried out by reactive sputtering using nitrogen gas, and the nitrogen-containing tantalum silicide film is deposited by the reactive sputtering method using a tantalum silicide target and nitrogen gas. The nitrogen-containing tantalum film is deposited to a thickness of 10 to 80 kPa. The nitrogen-containing titanium tungsten film, the nitrogen-containing titanium silicide film and the nitrogen-containing tantalum silicide film were deposited to a thickness of 20 to 200 GPa, and the content of nitrogen in each film was 10 to 60%. In the nitrogen-containing titanium tungsten film, the ratio of titanium to tungsten is 0.5 to 3.0, the ratio of silicon to titanium in the nitrogen-containing titanium silicide film is 0.5 to 3.0, and the ratio of silicon to tantalum in the nitrogen-containing tantalum silicide film (Si / Ta) is 0.5-3.0.
도 6c는 본 발명의 제12실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다. 6C is a diagram illustrating a structure of a gate stack according to a twelfth embodiment of the present invention.
도 6c를 참조하면, 제12실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(511), 확산방지막(512) 및 제2도전층(513)의 순서로 적층된 구조가 된다.Referring to FIG. 6C, the gate stack according to the twelfth embodiment has a structure in which the first
제1도전층(511)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(511)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(513)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(512)은 티타늄실리사이드막(TiSix, 512A), 질소 함유 티타늄막(TiNx, 512B), 질소 함유 텅스텐막(WNx, 512C), 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 512D) 및 질소 함유 텅스텐막(WNx, 512E)이 적층된 TiSix/TiNx/WNx/WSixNy/WNx 구조이다. 여기서, 확산방지막은 제10 및 제11 실시예의 각 선택된 물질에 따라 여러 구조가 가능하다.The
제12실시예는 제10실시예 및 제11실시예에 따른 게이트구조가 어닐링된 후의 결과이다. 여기서, 어닐링은 게이트 형성후에 진행하는 여러 공정들, 예를 들어, 스페이서 증착, 층간절연막 증착 등의 열이 수반되는 공정이라 할 수 있다.The twelfth embodiment is the result after the gate structures according to the tenth and eleventh embodiments are annealed. Here, annealing may be referred to as a process involving heat such as various processes performed after the gate is formed, for example, spacer deposition and interlayer dielectric film deposition.
도 6c와 도 6a를 비교하면 다음과 같다.6C and 6A are as follows.
티타늄실리사이드막(512A)은 티타늄막(52A)이 하부의 폴리실리콘막(51)과 반응하여 형성된 것으로서, 그 두께는 1∼30Å이고, 막내 티타늄 대비 실리콘의 비율이 0.5∼3.0이다. The
질소함유 티타늄막(512B)은 티타늄막(52A)이 질소함유 텅스텐막(52B)에 의해 질소함유 티타늄막으로 변화된 것으로, 그 두께는 10∼100Å이고, 티타늄 대비 질소의 비율이 0.7∼1.3이다. In the nitrogen-containing
질소함유 텅스텐막(512C, 512E)은 어닐링후 디누데이션(Denudation)에 의해 질소 함유량이 10% 이하 수준으로 감소한 것이며, 두께는 20∼200Å이고, 텅스텐 대비 질소의 비율은 0.01∼0.15이다. Nitrogen-containing
질소함유 텅스텐실리사이드막(512D)은 최초 질소함유 텅스텐실리사이드막(52C)와 동일한 두께 및 조성을 갖는다. 즉, 질소함유 텅스텐실리사이드막(512D)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고 질소의 함유량은 10∼60%이며, 두께는 20∼200Å이다. The nitrogen-containing tungsten silicide film 512D has the same thickness and composition as the original nitrogen-containing
도 6c와 도 6b를 비교해 보면, 도 6b의 질소함유 티타늄막(502A)은 질소함유 텅스텐막(502B)으로부터 질소를 공급받아 티타늄실리사이드막(512A) 반응을 최소화하면서 질소함유 티타늄막(512B)으로 변화된다. 여기서, 티타늄실리사이드막(512A)의 두께는 1∼30Å이고, 질소함유 티타늄막(512B)의 두께는 10∼100Å이며 질소함 유 티타늄막(512B)에서 티타늄 대비 질소의 비율이 0.7∼1.3이다. 6C and 6B, the nitrogen-containing
질소함유 텅스텐막(512C, 512E)은 어닐링후 질소함유 텅스텐막(502B, 502D)이 디누데이션(Denudation)에 의해 질소 함유량이 10% 이하 수준으로 감소한 것이며, 두께는 20∼200Å이고, 텅스텐 대비 질소의 비율은 0.01∼0.15이다. The nitrogen-containing
질소함유 텅스텐실리사이드막(512D)은 최초 질소함유 텅스텐실리사이드막(502C)과 동일한 두께 및 조성을 갖는다. 즉, 질소함유 텅스텐실리사이드막(512D)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고 질소의 함유량은 10∼60%이며, 두께는 20∼200Å이다. The nitrogen-containing tungsten silicide film 512D has the same thickness and composition as the original nitrogen-containing
위와 같이, 제12실시예에 따른 게이트스택은 금속실리사이드막과 제1질소함유 금속막의 순서로 적층된 제1확산방지막과, 제2질소함유 금속막, 질소함유 금속실리사이드막 및 제3질소함유 금속막의 순서로 적층된 제2확산방지막을 포함한다. 여기서, 제1확산방지막은 티타늄실리사이드막(512A)과 질소함유 티타늄막(512B)의 적층이고, 제2확산방지막은 질소함유 텅스텐막(512C), 질소함유 텅스텐실리사이드막(512D) 및 질소함유 텅스텐막(512E)의 적층이다. As described above, the gate stack according to the twelfth embodiment includes a first diffusion barrier film, a second nitrogen-containing metal film, a nitrogen-containing metal silicide film, and a third nitrogen-containing metal stacked in the order of the metal silicide film and the first nitrogen-containing metal film. And a second diffusion barrier film laminated in the order of the films. Here, the first diffusion barrier layer is a laminate of the
상술한 제1실시예 내지 제12실시예에 따른 게이트스택에서 확산방지막은 모두 공통으로 질소함유 텅스텐실리사이드막(WSiNx)이라는 질소가 함유된 금속실리사이드막을 포함하고 있을뿐만 아니라, Ti, W, Si, N이 포함된 다중 박막이다.In the gate stacks according to the first to twelfth embodiments described above, all of the diffusion barrier films include not only a metal silicide film containing nitrogen such as nitrogen-containing tungsten silicide film (WSiN x ), but also Ti, W, and Si. , N is a multiple thin film.
그리고, 질소함유 텅스텐실리사이드막은 텅스텐실리사이드 스퍼터타겟과 질소(N2) 가스를 이용한 반응성 스퍼터증착법(Reactive Sputter Deposition)으로 증착 한다. In addition, the nitrogen-containing tungsten silicide film is deposited by reactive sputter deposition using a tungsten silicide sputter target and nitrogen (N 2 ) gas.
이와 같이 반응성 스퍼터증착법 적용시, 질소함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy)이 증착되는 동시에 하부의 티타늄막(Ti)을 질화시켜 'TiN'으로 바꾸는 효과가 있다. 티타늄막(Ti) 위에 질소함유 텅스텐막(WNx)을 반응성스퍼터증착법으로 증착하는 경우에도 'TiN'으로 바꾸는 효과가 있다.As such, when the reactive sputter deposition method is applied, a nitrogen-containing tungsten silicide film (WSi x N y ) is deposited and at the same time, the lower titanium film Ti is nitrided to change to 'TiN'. In the case of depositing a nitrogen-containing tungsten film (WN x ) on the titanium film (Ti) by reactive sputter deposition, there is an effect of changing to 'TiN'.
질소함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy)은 매우 우수한 비정질 확산방지막으로 작용하기 때문에 그 위에 텅스텐막(W)을 증착할 경우, 비저항이 15∼20μΩ-cm 정도로 작고 매우 큰 그레인크기(grain size)의 텅스텐막이 증착된다. 이로써 매우 낮은 비저항을 갖는 텅스텐막 증착이 가능하므로, 텅스텐막의 시트저항이 감소한다.Since the nitrogen-containing tungsten silicide film (WSi x N y ) acts as an excellent amorphous diffusion barrier, when the tungsten film (W) is deposited thereon, the specific resistance is small, such as 15 to 20 μΩ-cm, and a very large grain size. A tungsten film of is deposited. This makes it possible to deposit a tungsten film having a very low specific resistance, thereby reducing the sheet resistance of the tungsten film.
결국, 제1실시예 내지 제12실시예에 따른 게이트스택은, 확산방지막의 티타늄막 또는 질소함유 티타늄막이 질소함유 텅스텐막(WNx) 또는 질소함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy) 증착시 'TiN'화 되는 것에 의해 매우 낮은 콘택저항 특성 및 폴리실리콘공핍율 저하를 얻고, 더불어 확산방지막이 질소함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy)을 포함함에 따라 매우 낮은 시트저항 특성을 얻을 수 있다.As a result, the gate stack according to the first to twelfth embodiments is characterized in that when the titanium film or the nitrogen-containing titanium film of the diffusion barrier film is deposited with a nitrogen-containing tungsten film (WN x ) or a nitrogen-containing tungsten silicide film (WSi x N y ), By the TiN 'formation, very low contact resistance characteristics and polysilicon depletion rate reduction are obtained, and as the diffusion barrier layer includes a nitrogen-containing tungsten silicide layer (WSi x N y ), very low sheet resistance characteristics can be obtained.
또한, 제1실시예 내지 제12실시예에 따른 게이트스택은, 확산방지막의 티타늄막 또는 질소함유 티타늄막이 질소함유 텅스텐막(WNx) 또는 질소함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy) 증착시 'TiN'화 되는 것에 의해 즉, 다중 확산방지막을 이루는 각 물질들이 모두 질소(N)를 포함하고 있다. 이로써, 매우 낮은 시트저항 및 콘택저항을 얻고, 게이트스택의 높이를 낮출 수 있다. 또한, 하부에 형성된 제1도전층 내에 도핑되어 있는 보론과 같은 불순물의 외확산에 의한 폴리실리콘공핍현상을 감소시킨다.In addition, the gate stack according to the first to twelfth embodiments is characterized in that when the titanium film or the nitrogen-containing titanium film of the diffusion barrier film is deposited with a nitrogen-containing tungsten film (WN x ) or a nitrogen-containing tungsten silicide film (WSi x N y ), By TiN 'formation, that is, each of the materials forming the multiple diffusion barrier film contains nitrogen (N). As a result, very low sheet resistance and contact resistance can be obtained, and the height of the gate stack can be reduced. In addition, the polysilicon depletion phenomenon due to the external diffusion of impurities such as boron doped in the first conductive layer formed on the lower side is reduced.
도 7a는 본 발명의 제13실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다.7A is a diagram illustrating the structure of a gate stack according to a thirteenth embodiment of the present invention.
도 7a에 도시된 바와 같이, 제13실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(61), 확산방지막(62) 및 제2도전층(63)의 순서로 적층된다.As shown in FIG. 7A, the gate stack according to the thirteenth embodiment is stacked in the order of the first
제1도전층(61)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(61)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(63)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(62)은 티타늄막(Ti, 62A), 제1질소함유 텅스텐막(WNx, 62B), 텅 스텐실리사이드막(WSix, 62C)(x=1.5∼10), 제2질소함유 텅스텐막(WNx, 62D)의 순서로 적층된 Ti/WNx/WSix/WNx 구조의 확산방지막(62)이 형성된다. The
확산방지막(62)에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the
먼저, 티타늄막(62A)의 두께는 10∼80Å이다.First, the thickness of the
제1,2질소 함유 텅스텐막(62B, 62D)은 텅스텐막에 질소(Nitrogen, N)가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐(W) 대비 질소(N)의 비율(N/W)은 0.3∼1.5이다. 여기서, 제1,2질소 함유 텅스텐막(62B, 62D)은 질화된 텅스텐막을 나타내는 '텅스텐질화막(Tungsten nitride)'도 포함한다. 바람직하게는, 제1,2질소 함유 텅스텐막(62B, 62D)은 금속막 성질을 갖는다. 질소가 함유됨에 따라 텅스텐실리사이드막(62C)에 질소를 공급하는 역할을 한다. 제1,2질소 함유 텅스텐막(62B, 62D)의 두께는 20∼200Å이다. 이처럼, 제1,2질소함유 텅스텐막(62B, 62D)은 질소가 함유됨에 따라 텅스텐실리사이드막(62C)에 질소를 공급하는 역할을 하여 어닐링후에 질소가 함유되지 않는 순수한 텅스텐막이 되거나 함유되더라도 극히 소량의 질소만 함유한 텅스텐막이 된다. The first and second nitrogen-containing
텅스텐실리사이드막(62C)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이다. 두께는 20∼100Å이다.In the
티타늄막(62A), 제1 및 제2질소함유 텅스텐막(62B, 62D) 및 텅스텐막(63)은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한 것이 고, 텅스텐실리사이드막(62C)은 PVD로 증착한 것이다.The
바람직하게, PVD라 함은 스퍼터링법(Sputtering) 또는 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering)에 의한 증착법이다. 따라서, 티타늄막(62A)은 티타늄타겟을 이용한 스퍼터링법으로 증착하고, 제1 및 제2질소함유 텅스텐막(62B, 62D)은 텅스텐타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하며, 텅스텐실리사이드막(62C)은 텅스텐실리사이드 타겟을 이용한 반응성 스퍼터증착법(Reactive Sputter Deposition)으로 증착한다. 마지막으로, 텅스텐막(63)은 텅스텐타겟을 이용한 스퍼터링법으로 증착한다.Preferably, PVD is a deposition method by sputtering or reactive sputtering. Therefore, the
제13실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(61), Ti/WNx/WSix/WNx 구조의 확산방지막(62) 및 제2도전층(63)으로 이루어진 구조이며, 제1도전층(61)이 폴리실리콘막이고, 제2도전층(63)이 텅스텐막이므로 텅스텐폴리게이트 구조가 된다.The gate stack according to the thirteenth embodiment includes a first
특히, Ti/WNx/WSix/WNx 구조는 제1금속막, 제2금속막, 금속실리사이드막 및 제3금속막의 순서로 적층된 구조가 되는데, 제1금속막은 티타늄막(Ti, 62A)이고, 제2 및 제3금속막은 질소 함유 텅스텐막(62B, 62D)이며, 금속실리사이드막은 텅스텐실리사이드막(WSix, 62C)이다. 제1금속막은 순수 금속막(Pure metal)이며, 제2 및 제3금속막은 질소가 함유된 금속막이고, 금속실리사이드막은 순수 금속실리사이드막이다.In particular, the Ti / WN x / WSi x / WN x structure has a structure in which the first metal film, the second metal film, the metal silicide film, and the third metal film are stacked in this order. The first metal film is a titanium film (Ti, 62A). ), The second and third metal films are nitrogen-containing
제13실시예와 같이 제1금속막, 제2금속막, 금속실리사이드막 및 제3금속막의 순서로 적층된 다중 확산방지막은 다음과 같은 구조도 가능하다.As in the thirteenth embodiment, the multiple diffusion barrier layer laminated in the order of the first metal layer, the second metal layer, the metal silicide layer, and the third metal layer may have the following structure.
제1금속막은 티타늄막(Ti)외에 탄탈륨막(Ta)이 가능하고, 금속실리사이드막은 텅스텐실리사이드막(WSix)외에 티타늄실리사이드막(TiSix, x=1.5∼10) 또는 탄탈륨실리사이드막(TaSix, x=1.5∼10)이 가능하며, 제2 및 제3 금속막은 질소함유 텅스텐막(WNx)외에 질소함유 티타늄텅스텐막(TiWNx)이 가능하다. 탄탈륨막(Ta)은 PVD(스퍼터링법 포함), CVD 또는 ALD로 형성하고, 질소함유 티타늄텅스텐막(TiWN)은 티타늄텅스텐(TiW) 타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하며, 티타늄실리사이드막(TiSix)은 티타늄실리사이드 타겟을 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하고, 탄탈륨실리사이드막(TaSix)은 탄탈륨실리사이드 타겟을 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착한다. 그리고, 탄탈륨막은 10∼80Å 두께로 증착하며, 질소함유 티타늄텅스텐막은 20∼200Å 두께로 증착한다. 티타늄실리사이드막 및 탄탈륨실리사이드막은 20∼100Å 두께로 증착한다. 질소함유 티타늄텅스텐막 내 질소의 함유량은 10∼60%이다. 그리고, 질소함유 티타늄텅스텐막에서 텅스텐 대비 티타늄의 비율은 0.5 ∼3.0이고, 티타늄실리사이드막에서 티타늄 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이며, 탄탈륨실리사이드막에서 탄탈륨 대비 실리콘의 비율(Si/Ta)은 0.5∼3.0이다.The first metal film may be a tantalum film (Ta) in addition to the titanium film (Ti), and the metal silicide film may be a titanium silicide film (TiSi x , x = 1.5 to 10) or a tantalum silicide film (TaSi x ) in addition to the tungsten silicide film (WSi x ). x = 1.5 to 10), and the second and third metal films may be a nitrogen-containing titanium tungsten film (TiWN x ) in addition to the nitrogen-containing tungsten film (WN x ). The tantalum film Ta is formed by PVD (including sputtering method), CVD or ALD, and the titanium-containing titanium tungsten film (TiWN) is deposited by a reactive sputtering method using a titanium tungsten (TiW) target and nitrogen gas, and a titanium silicide film (TiSi x ) is deposited by a reactive sputtering method using a titanium silicide target, and a tantalum silicide film (TaSi x ) is deposited by a reactive sputtering method using a tantalum silicide target. The tantalum film is deposited to a thickness of 10 to 80 GPa, and the titanium-containing titanium tungsten film is deposited to a thickness of 20 to 200 GPa. The titanium silicide film and the tantalum silicide film are deposited to a thickness of 20 to 100 GPa. The nitrogen content in the nitrogen-containing titanium tungsten film is 10 to 60%. The ratio of titanium to tungsten in the nitrogen-containing titanium tungsten film is 0.5 to 3.0, the ratio of silicon to titanium in the titanium silicide film is 0.5 to 3.0, and the ratio of silicon to tantalum (Si / Ta) in the tantalum silicide film is 0.5. It is -3.0.
전술한 바와 같은 확산방지막(62)에서, 제1질소함유 텅스텐막(62B) 상부에 증착하는 텅스텐실리사이드막(62C)은 스퍼터증착법(Sputter deposition)과 같은 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)을 이용하여 형성한다. 그 이유는, 텅스텐실리사이드 타겟을 이용한 스퍼터증착법(sputter deposition)을 이용하면 하 부 막의 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하다. In the
도 7b는 질소함유 텅스텐막 상부에 화학기상증착법(CVD) 및 물리기상증착법(PVD)으로 텅스텐실리사이드를 각각 증착한 후의 사진이다. 7B is a photograph after deposition of tungsten silicide on the nitrogen-containing tungsten film by chemical vapor deposition (CVD) and physical vapor deposition (PVD), respectively.
도 7b를 참조하면, 질소함유 텅스텐막(WN) 상부에서 화학기상증착법에 의해 증착되는 텅스텐실리사이드(CVD-WSix)는 증착이 잘 않되지만, 물리기상증착법에 의해 증착되는 텅스텐실리사이드(PVD-WSix)는 균일하게 증착되고 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 7B, tungsten silicide (CVD-WSix) deposited by chemical vapor deposition on a tungsten-containing tungsten film (WN) is not well deposited, but tungsten silicide deposited by physical vapor deposition (PVD-WSix). It can be seen that is deposited uniformly.
따라서, 텅스텐실리사이드 위에서는 매우 낮은 비저항을 갖는 텅스텐막 증착이 가능하므로, 텅스텐막의 시트저항이 감소한다.Therefore, since tungsten film deposition with a very low specific resistance is possible on tungsten silicide, the sheet resistance of the tungsten film is reduced.
한편, 제13실시예의 게이트스택에서, 티타늄막(62A) 위에 질소함유 텅스텐막(62B)을 반응성스퍼터증착법으로 증착하는 경우 티타늄막을 'TiN'으로 바꾸는 효과가 있다.On the other hand, in the gate stack of the thirteenth embodiment, when the nitrogen-containing
결국, 제13실시예에 따른 게이트스택은, 확산방지막의 티타늄막(62A)이 질소함유 텅스텐막(62B) 증착시 'TiN'화 되는 것에 의해 매우 낮은 콘택저항 특성 및 폴리실리콘공핍율 저하를 얻고, 더불어 확산방지막이 텅스텐실리사이드막(WSix)을 포함함에 따라 매우 낮은 시트저항 특성을 얻을 수 있다.As a result, in the gate stack according to the thirteenth embodiment, the
도 7c는 본 발명의 제14실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다.7C is a diagram illustrating the structure of a gate stack according to a fourteenth embodiment of the present invention.
도 7c에 도시된 바와 같이, 제14실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(601), 확산방지막(602) 및 제2도전층(603)의 순서로 적층된다.As shown in FIG. 7C, the gate stack according to the fourteenth embodiment is stacked in the order of the first
제1도전층(601)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(601)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(603)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(602)은 질소함유 티타늄막(TiNx, 602A), 제1질소함유 텅스텐막(WNx, 602B), 텅스텐실리사이드막(WSix,x=1.5∼10)(602C), 제2질소함유 텅스텐막(WNx, 602D)의 순서로 적층된 TiNx/WNx/WSix/WNx 구조이다.The
확산방지막(602)에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the
먼저, 질소 함유 티타늄막(TiNx, 602A)은 티타늄막에 질소가 일정비율을 갖고 함유된 것으로서, 티타늄(Ti) 대비 질소(N)의 비율(N/Ti)이 0.2∼0.8이고, 두께는 10∼150Å이다. 여기서, 질소 함유 티타늄막(602A)은 질화된 티타늄막을 나타내는 '티타늄질화막(Titanium nitride)'도 포함한다. First, the nitrogen-containing titanium film (TiN x , 602A) contains nitrogen in a titanium film with a certain ratio, and the ratio (N / Ti) of nitrogen (N) to titanium (Ti) is 0.2 to 0.8, and the thickness is 10 to 150 Hz. Here, the nitrogen-containing
제1,2질소 함유 텅스텐막(602B, 602D)은 텅스텐막에 질소(Nitrogen, N)가 일정 비율을 갖고 함유된 것으로서, 텅스텐(W) 대비 질소(N)의 비율(N/W)은 0.3∼1.5이다. 여기서, 제1,2질소 함유 텅스텐막(602B, 602D)은 질화된 텅스텐막을 나타내는 '텅스텐질화막(Tungsten nitride)'도 포함한다. 질소가 함유됨에 따라 텅스텐실리사이드막(602C)에 질소를 공급하는 역할을 한다. 제1,2질소 함유 텅스텐막(602B, 602D)의 두께는 20∼200Å이다. 이처럼, 제1,2질소함유 텅스텐막(602B, 602D)은 질소가 함유됨에 따라 텅스텐실리사이드막(602C)에 질소를 공급하는 역할을 하여 어닐링후에 질소가 함유되지 않는 순수한 텅스텐막이 되거나 함유되더라도 극히 소량의 질소만 함유한 텅스텐막이 된다. The first and second nitrogen-containing
텅스텐실리사이드막(602C)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이다. 두께는 20∼100Å이다.In the tungsten silicide film 602C, the ratio of silicon to tungsten (Si / W) is 0.5 to 3.0. The thickness is 20-100 mm.
제1 및 제2질소함유 텅스텐막(602B, 602D) 및 텅스텐막(603)은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한 것이고, 질소함유티타늄막(602A)과 텅스텐실리사이드막(602C)은 PVD로 증착한 것이다.The first and second nitrogen-containing
바람직하게, PVD라 함은 스퍼터링법(Sputtering) 또는 반응성스퍼터링법(Reactive sputtering)에 의한 증착법이다. 따라서, 질소함유티타늄막(602A)은 티타늄타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하고, 제1 및 제2질소함유 텅스텐막(602B, 602D)은 텅스텐타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하며, 텅스텐실리사이드막(602C)은 텅스텐실리사이드 타겟을 이용한 반응성 스퍼터증착법(Reactive Sputter Deposition)으로 증착한다. 마지막으로, 텅스텐막(603)은 텅스텐타겟을 이용한 스퍼터링법으로 증착한다.Preferably, PVD is a deposition method by sputtering or reactive sputtering. Accordingly, the nitrogen-containing
제14실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(601), TiNx/WNx/WSix/WNx 구조의 확산방지막(602) 및 제2도전층(603)으로 이루어진 구조이며, 제1도전층(601)이 폴리실리콘막이고, 제2도전층(603)이 텅스텐막이므로 텅스텐폴리게이트 구조가 된다.The gate stack according to the fourteenth embodiment includes a first
특히, TiNx/WNx/WSix/WNx 구조는 제1금속막, 제2금속막, 금속실리사이드막 및 제3금속막의 순서로 적층된 구조가 되는데, 제1금속막은 질소함유티타늄막(602A)이고, 제2 및 제3금속막은 질소 함유 텅스텐막(602B, 602D)이며, 금속실리사이드막은 텅스텐실리사이드막(WSix, 602C)이다. 제1 내지 제3금속막은 질소가 함유된 금속막이고, 금속실리사이드막은 순수 금속실리사이드막이다.In particular, the TiN x / WN x / WSi x / WN x structure has a structure in which the first metal film, the second metal film, the metal silicide film, and the third metal film are stacked in this order, and the first metal film has a nitrogen-containing titanium film ( 602A), the second and third metal films are nitrogen-containing
제14실시예와 같이 제1금속막, 제2금속막, 금속실리사이드막 및 제3금속막의 순서로 적층된 다중 확산방지막은 다음과 같은 구조도 가능하다.As in the fourteenth embodiment, the multilayer diffusion barrier layer laminated in the order of the first metal film, the second metal film, the metal silicide film, and the third metal film may have the following structure.
제1금속막은 질소함유 티타늄막외에 질소함유탄탈륨막(TaNx)이 가능하고, 금속실리사이드막은 텅스텐실리사이드막(WSix)외에 티타늄실리사이드막(TiSix, x=1.5∼10) 또는 탄탈륨실리사이드막(TaSix, x=1.5∼10)이 가능하며, 제2 및 제3 금속막은 질소함유 텅스텐막(WNx)외에 질소함유 티타늄텅스텐막(TiWNx)이 가능하다. 질소함유 탄탈륨막은 탄탈륨타겟과 질소가스를 이용한 반응성스퍼터링법으로 형성하고, 질소함유 티타늄텅스텐막(TiWN)은 티타늄텅스텐(TiW) 타겟과 질소가스를 이용한 반 응성스퍼터링법으로 증착하며, 티타늄실리사이드막(TiSix)은 티타늄실리사이드 타겟을 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착하고, 탄탈륨실리사이드막(TaSix)은 탄탈륨실리사이드 타겟을 이용한 반응성스퍼터링법으로 증착한다. 그리고, 질소함유 탄탈륨막은 10∼150Å 두께로 증착하며, 질소함유 티타늄텅스텐막은 20∼200Å 두께로 증착한다. 티타늄실리사이드막 및 탄탈륨실리사이드막은 20∼100Å 두께로 증착한다. 질소함유 티타늄텅스텐막 내 질소의 함유량은 10∼60%이다. 그리고, 질소함유 티타늄텅스텐막에서 텅스텐 대비 티타늄의 비율은 0.5 ∼3.0이고, 티타늄실리사이드막에서 티타늄 대비 실리콘의 비율은 0.5∼3.0이며, 탄탈륨실리사이드막에서 탄탈륨 대비 실리콘의 비율(Si/Ta)은 0.5∼3.0이다.The first metal film may be a nitrogen-containing tantalum film (TaN x ) in addition to the nitrogen-containing titanium film, and the metal silicide film may be a titanium silicide film (TiSi x , x = 1.5 to 10) or a tantalum silicide film (in addition to the tungsten silicide film (WSi x )). TaSi x , x = 1.5 to 10), and the second and third metal films may be a nitrogen-containing titanium tungsten film (TiWN x ) in addition to the nitrogen-containing tungsten film (WN x ). The nitrogen-containing tantalum film is formed by a reactive sputtering method using a tantalum target and nitrogen gas, and the titanium-containing titanium tungsten film (TiWN) is deposited by a reactive sputtering method using a titanium tungsten (TiW) target and nitrogen gas, and a titanium silicide film ( TiSi x ) is deposited by a reactive sputtering method using a titanium silicide target, and a tantalum silicide film (TaSi x ) is deposited by a reactive sputtering method using a tantalum silicide target. A nitrogen-containing tantalum film is deposited to a thickness of 10 to 150 GPa, and a nitrogen-containing titanium tungsten film is deposited to a thickness of 20 to 200 GPa. The titanium silicide film and the tantalum silicide film are deposited to a thickness of 20 to 100 GPa. The nitrogen content in the nitrogen-containing titanium tungsten film is 10 to 60%. The ratio of titanium to tungsten in the nitrogen-containing titanium tungsten film is 0.5 to 3.0, the ratio of silicon to titanium in the titanium silicide film is 0.5 to 3.0, and the ratio of silicon to tantalum (Si / Ta) in the tantalum silicide film is 0.5. It is -3.0.
전술한 바와 같은 확산방지막(602)에서, 제1질소함유 텅스텐막(602B) 상부에 증착하는 텅스텐실리사이드막(602C)은 스퍼터증착법(Sputter deposition)과 같은 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)을 이용하여 형성한다. 그 이유는, 텅스텐실리사이드 타겟을 이용한 스퍼터증착법(sputter deposition)을 이용하면 하부 막의 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하다. In the
도 7d는 본 발명의 제15실시예에 따른 게이트스택의 구조를 도시한 도면이다. FIG. 7D illustrates a structure of a gate stack according to a fifteenth embodiment of the present invention.
도 7d에 도시된 바와 같이, 제15실시예에 따른 게이트스택은 제1도전층(611), 확산방지막(612) 및 제2도전층(613)의 순서로 적층된 구조가 된다.As shown in FIG. 7D, the gate stack according to the fifteenth exemplary embodiment has a structure in which the first
제1도전층(611)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(611)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
제2도전층(613)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
확산방지막(612)은 티타늄실리사이드막(TiSix, 612A), 질소 함유 티타늄막(TiNx, 612B), 질소 함유 텅스텐막(WNx, 612C), 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 612D) 및 질소 함유 텅스텐막(WNx, 612E)이 적층된 TiSix/TiNx/WNx/WSixNy/WNx 구조이다. 여기서, 확산방지막은 제13 및 제14 실시예의 각 선택된 물질에 따라 여러 구조가 가능하다.The
제15실시예는 제13실시예 및 제14실시예에 따른 게이트구조가 어닐링된 후의 결과이다. 여기서, 어닐링은 게이트 형성후에 진행하는 여러 공정들, 예를 들어, 스페이서 증착, 층간절연막 증착 등의 열이 수반되는 공정이라 할 수 있다.The fifteenth embodiment is the result after the gate structures according to the thirteenth and fourteenth embodiments are annealed. Here, annealing may be referred to as a process involving heat such as various processes performed after the gate is formed, for example, spacer deposition and interlayer dielectric film deposition.
도 7d와 도 7a를 비교하면 다음과 같다.Comparing FIG. 7D and FIG. 7A is as follows.
티타늄실리사이드막(612A)은 티타늄막(62A)이 하부의 제1도전층(61)인 폴리실리콘막과 반응하여 형성된 것으로서, 그 두께는 1∼30Å이고, 막내 티타늄 대비 실리콘의 비율이 0.5∼3.0이다. The
질소함유 티타늄막(612B)은 티타늄막(62A)이 제1질소함유 텅스텐막(62B)에 의해 질소함유 티타늄막으로 변화된 것으로, 그 두께는 10∼100Å이고, 티타늄 대비 질소의 비율이 0.6∼1.2이다. In the nitrogen-containing
질소함유 텅스텐막(612C, 612E)은 어닐링후 디누데이션(Denudation)에 의해 질소 함유량이 10% 이하 수준으로 감소한 것이며, 두께는 20∼200Å이고, 텅스텐 대비 질소의 비율은 0.01∼0.15이다. Nitrogen-containing
질소함유 텅스텐실리사이드막(612D)은 제1,2질소함유 텅스텐막(602B, 602D)에서 질소가 분해되면서 텅스텐실리사이드막(602C)이 질소함유 텅스텐실리사이드막으로 바뀐 것이다. 질소함유 텅스텐실리사이드막(612D)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고 질소의 함유량은 10∼60%이며, 두께는 20∼200Å이다. In the nitrogen-containing tungsten silicide film 612D, nitrogen is decomposed in the first and second nitrogen-containing
도 7d와 도 7c를 비교해 보면, 도 7c의 질소함유 티타늄막(602A)은 제1질소함유 텅스텐막(602B)으로부터 질소를 공급받아 티타늄실리사이드막(612A) 반응을 최소화하면서 질소함유 티타늄막(612B)으로 변화된다. 여기서, 티타늄실리사이드막(612A)의 두께는 1∼30Å이고, 질소함유 티타늄막(612B)의 두께는 10∼100Å이며 질소함유 티타늄막(612B)에서 티타늄 대비 질소의 비율이 0.7∼1.3이다. 7D and 7C, the nitrogen-containing
질소함유 텅스텐막(612C, 612E)은 어닐링후 제1,2질소함유 텅스텐막(602B, 602D)이 각각 디누데이션(Denudation)에 의해 질소 함유량이 10% 이하 수준으로 감 소한 것이며, 두께는 20∼200Å이고, 텅스텐 대비 질소의 비율은 0.01∼0.15이다. Nitrogen-containing
질소함유 텅스텐실리사이드막(612D)은 제1,2질소함유 텅스텐막(602B, 602D)에서 질소가 분해되면서 텅스텐실리사이드막(602C)이 질소함유 텅스텐실리사이드막으로 바뀐 것이다. 질소함유 텅스텐실리사이드막(612D)에서 텅스텐 대비 실리콘의 비율(Si/W)은 0.5∼3.0이고 질소의 함유량은 10∼60%이며, 두께는 20∼200Å이다. In the nitrogen-containing tungsten silicide film 612D, nitrogen is decomposed in the first and second nitrogen-containing
위와 같이, 제15실시예에 따른 게이트스택은 금속실리사이드막과 제1질소함유 금속막의 순서로 적층된 제1확산방지막과, 제2질소함유 금속막, 질소함유 금속실리사이드막 및 제3질소함유 금속막의 순서로 적층된 제2확산방지막을 포함한다. 여기서, 제1확산방지막은 티타늄실리사이드막(612A)과 질소함유 티타늄막(612B)의 적층이고, 제2확산방지막은 질소함유 텅스텐막(612C), 질소함유 텅스텐실리사이드막(612D) 및 질소함유 텅스텐막(612E)의 적층이다. As described above, the gate stack according to the fifteenth embodiment includes a first diffusion barrier film, a second nitrogen-containing metal film, a nitrogen-containing metal silicide film, and a third nitrogen-containing metal stacked in the order of the metal silicide film and the first nitrogen-containing metal film. And a second diffusion barrier film laminated in the order of the films. Here, the first diffusion barrier layer is a laminate of the
제1 내지 제15실시예에 따른 확산방지막은 DRAM 소자 이외에 플래시메모리(Flash memory)소자의 제어게이트(control gate electrode) 및 각종 로직(Logic) 소자의 게이트전극(gate electrode)에도 적용이 가능하다. The diffusion barriers according to the first to the fifteenth embodiments may be applied to control gate electrodes of flash memory devices and gate electrodes of various logic devices in addition to DRAM devices.
도 8은 본 발명의 제16실시예에 따른 게이트스택 구조를 도시한 도면으로서, 플래시메모리소자의 게이트스택 구조이다.8 is a diagram illustrating a gate stack structure according to the sixteenth embodiment of the present invention, which is a gate stack structure of a flash memory device.
도 8을 참조하면, 반도체기판(701) 상에 게이트절연막에 해당하는 터널산화막(Tunnel oxide, 702)이 형성되고, 터널산화막(702) 상에 플로팅게이트(Floating gate)용 폴리실리콘전극(FG, 703)이 형성된다.Referring to FIG. 8, a
플로팅게이트용 폴리실리콘전극(703) 상에 유전막(704)이 형성되고, 유전 막(704) 상에 제어게이트(Control gate)용 폴리실리콘전극(CG, 705)이 형성된다.The
제어게이트용 폴리실리콘전극(705) 상에 제1실시예 내지 제15실시예 중에서 선택된 어느 하나의 확산방지막(706)이 형성된다. 여기서, 확산방지막(706)은 제1실시예에 따른 Ti/WNx/WSixNy 확산방지막으로서, 티타늄막(Ti, 706A), 질소함유 텅스텐막(WNx, 706B) 및 질소함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 706C) 의 순서로 적층된 구조가 된다. A
확산방지막(706) 상에 텅스텐전극(W, 707)과 하드마스크막(H/M, 708)이 적층된다.Tungsten electrodes W and 707 and hard mask films H / M and 708 are stacked on the
도 8에 따른 확산방지막(706)을 갖는 플래시메모리소자의 게이트스택도 낮은 시트저항, 낮은 콘택저항 특성을 갖는다. The gate stack of the flash memory device having the
그리고, 본 발명은 게이트전극 이외에 확산방지막을 구비하는 각종 금속배선(bit-line, metal-line, capacitor electrode)에도 적용이 가능하다.In addition, the present invention can be applied to various metal wirings (bit-line, metal-line, capacitor electrodes) having a diffusion barrier in addition to the gate electrode.
그리고, 본 발명은 확산방지막 아래에 N형 불순물이 도핑된 폴리실리콘막이 위치하고 확산방지막 위에 텅스텐막이 위치하는 제1게이트스택과, 확산방지막 아래에 P형 불순물이 도핑된 폴리실리콘막이 위치하고 확산방지막 위에 텅스텐막이 위치하는 제2게이트스택으로 이루어져 듀얼폴리게이트를 형성하는 반도체소자의 게이트스택에도 적용이 가능하다.In addition, the present invention provides a first gate stack in which a polysilicon film doped with N-type impurities is located under the diffusion barrier and a tungsten film is positioned over the diffusion barrier, and a polysilicon film doped with P-type impurities under the diffusion barrier is tungsten on the diffusion barrier. The present invention can also be applied to a gate stack of a semiconductor device having a second gate stack in which a film is formed to form a dual poly gate.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 확산방지막의 종류별 텅스텐막의 시트저항(Rs) 특성을 비교한 도면이다. 여기서, 텅스텐막은 40nm의 두께인 경우라 가정한 다.FIG. 9 is a view comparing sheet resistance (Rs) characteristics of tungsten films according to types of diffusion barrier films according to embodiments of the present invention. Here, it is assumed that the tungsten film has a thickness of 40 nm.
도 9에서 볼 수 있듯이, Ti/WNx 상부에 추가로 WSix/WNx를 적용할 경우(Ti/WNx/CVD-WSix/WNx, Ti/WNx/PVD-WSix/WNx) 및 WSixNy를 적용할 경우 (Ti/WNx/WSixNy), 텅스텐막의 시트저항이 다시 감소하는 특징이 있는 것을 실험적으로 확인했다. 단, WNx 상부에 증착하는 WSix는 CVD(Chemical-Vapor-Deposition) 방식이 아닌, 스퍼터증착(sputter deposition)과 같은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방식을 사용해야 하며, 이는 WNx 상부에는 CVD-WSix이 성장(growth)이 잘 안되기 때문이다. WSixNy는 텅스텐실리사이드 타겟과 질소가스(N2)를 이용한 반응성 스퍼터링을 사용해야 한다.As can be seen in Figure 9, if applicable a WSi x / WN x to Ti / WN x added to the upper (Ti / WN x / CVD- WSi x / WN x, Ti / WN x / PVD-WSi x / WN x ) And WSi x N y (Ti / WN x / WSi x N y ), it is experimentally confirmed that the sheet resistance of the tungsten film is reduced again. However, WN x of depositing the upper WSi x is not a CVD (Chemical-Vapor-Deposition) method, to use a PVD (Physical Vapor Deposition) method such as sputter deposition (sputter deposition), which WN x upper portion CVD-WSi This is because x is not well grown. WSi x N y should use reactive sputtering using a tungsten silicide target and nitrogen gas (N 2 ).
도 9에서, Ti/WNx/CVD-WSix/WNx, Ti/WNx/PVD-WSix/WNx 및 Ti/WNx/WSiNx에서의 텅스텐막의 시트저항(Rs) 값을 비교했을 때, Ti/WN/PVD-WSix/WN 및 Ti/WNx/WSixNy를 적용할 경우에만 상부 텅스텐막의 시트저항(Rs)이 WSix/WNx만 사용했을 경우와 동일하게 낮았다. CVD-WSix를 사용한 경우에는 CVD-WSix가 WNx 상부에서 균일하게 성장하지 않고 응집(agglomeration)이 발생하여 시트저항을 높이는 것이다. 이에 반해 WSix 스퍼터타겟을 이용한 스퍼터증착 또는 반응성스퍼터증착을 이용하면 하부 막 종류에 관계없이 균일한 증착이 가능하여 텅스텐막의 시트저항을 낮춘다. In Fig. 9, the sheet resistance (Rs) values of the tungsten films at Ti / WN x / CVD-WSi x / WN x , Ti / WN x / PVD-WSi x / WN x and Ti / WN x / WSiN x were compared. At this time, only when Ti / WN / PVD-WSix / WN and Ti / WN x / WSi x N y were applied, the sheet resistance (Rs) of the upper tungsten film was the same as when only WSi x / WN x was used. When CVD-WSi x is used, CVD-WSi x does not grow uniformly on the top of the WN x , but agglomeration occurs to increase sheet resistance. In contrast, sputter deposition or reactive sputter deposition using a WSi x sputter target enables uniform deposition regardless of the type of the lower layer, thereby lowering the sheet resistance of the tungsten film.
도 10a 내지 도 10c는 도 3a에 도시된 제1실시예에 따른 게이트스택을 이용 한 게이트패터닝 방법을 도시한 공정단면도이다.10A through 10C are cross-sectional views illustrating a gate patterning method using a gate stack according to the first embodiment illustrated in FIG. 3A.
도 10a에 도시된 바와 같이, 소자 분리막, 웰 및 채널 형성을 위한 이온주입(well & channel implantation)이 진행된 반도체 기판(800) 상에 게이트절연막(802)을 형성한다.As shown in FIG. 10A, a
이어서, 게이트절연막(802) 상에 제1도전층(21), 확산방지막(22) 및 제2도전층을 형성한다. Subsequently, the first
제1도전층(21)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(21)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
확산방지막(22)은 티타늄막(Ti, 22A), 질소 함유 텅스텐막(WNx, 22B) 및 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 22C)이 적층된 Ti/WNx/WSixNy 구조이다.The
제2도전층(23)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
이어서, 제2도전층(23) 상부에 하드마스크막(802)을 형성하는데, 하드마스크 막(802)은 생략할 수도 있다. 하드마스크막(802)은 실리콘질화막(Si3N4)일 수 있다. Subsequently, the
이어서, 게이트패터닝 공정을 진행한다. Subsequently, a gate patterning process is performed.
먼저, 감광막(Photoresist)을 이용한 게이트마스크(도시 생략)를 식각장벽으로 하여 하드마스크막(802), 제2도전층(23) 및 확산방지막(22)을 식각하고, 제1도전층(21)의 일부만 식각하는 1차 게이트패터닝을 진행한다.First, the
도 10b에 도시된 바와 같이, 게이트마스크를 제거한 후, 텅스텐막(23)과 확산방지막(22)의 불균일 식각 및 산화를 방지하기 위한 프리스페이서(pre-spacer) 공정을 진행한다. 예컨대, 프리스페이서로는 실리콘질화막(Si3N4, 803)을 증착한다. As shown in FIG. 10B, after the gate mask is removed, a pre-spacer process is performed to prevent non-uniform etching and oxidation of the
도 10c에 도시된 바와 같이, 실리콘질화막(803)과 남아있는 폴리실리콘막(21)을 식각하는 2차 게이트패터닝을 진행한다. 이때, 2차 게이트패터닝시 실리콘질화막(803)은 에치백(Etch back)의 건식식각을 이용하고, 폴리실리콘막(21)의 식각은 실리콘질화막(803)을 식각배리어로 사용하여 진행한다.As shown in FIG. 10C, secondary gate patterning for etching the
위와 같은 1,2차 게이트패터닝에 의해 게이트스택의 측벽에는 실리콘질화막스페이서(803A)가 형성된다.The silicon
전술한 바와 같은 프리스페이서 적용을 이용한 1,2차 게이트패터닝공정은 제2실시예 내지 제15실시예에 따른 게이트스택을 적용하는 경우에도 적용이 가능하다The first and second gate patterning process using the pre-spacer application as described above is applicable to the case of applying the gate stack according to the second embodiment to the fifteenth embodiment.
도 11은 도 3a에 도시된 제1실시예에 따른 게이트스택을 이용한 게이트패터닝 방법의 다른 예를 도시한 공정단면도이다.FIG. 11 is a process cross-sectional view illustrating another example of a gate patterning method using a gate stack according to the first embodiment illustrated in FIG. 3A.
도 11에 도시된 바와 같이, 소자 분리막, 웰 및 채널 형성을 위한 이온주 입(well & channel implantation)이 진행된 반도체 기판(800) 상에 게이트절연막(802)을 형성한다.As shown in FIG. 11, a
이어서, 게이트절연막(802) 상에 제1도전층(21), 확산방지막(22) 및 제2도전층을 형성한다. Subsequently, the first
제1도전층(21)은 P형 불순물(예, 보론(Boron)) 또는 N형 불순물(예, 인(Phosphorous))이 고농도로 도핑된 폴리실리콘막(Poly-si)이다. 제1도전층(21)은 폴리실리콘막외에 폴리실리콘저마늄막(PolySi1-xGex, x=0.01∼1.0) 또는 실리사이드막이 가능하다. 예컨대, 실리사이드막은 Ni, Cr, Co, Ti, W, Ta, Hf, Zr 또는 Pt 중에서 선택된 어느 하나가 포함된 실리사이드막이다.The first
확산방지막(22)은 티타늄막(Ti, 22A), 질소 함유 텅스텐막(WNx, 22B) 및 질소 함유 텅스텐실리사이드막(WSixNy, 22C)이 적층된 Ti/WNx/WSixNy 구조이다.The
제2도전층(23)은 텅스텐막(W)이다. 텅스텐막의 두께는 100∼2000Å이며, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 어느 하나의 증착법으로 증착한다. 여기서, PVD법은 텅스텐타겟(W Target)을 이용한 스퍼터링(Sputtering)을 포함한다.The second
이어서, 제2도전층(23) 상부에 하드마스크막(802)을 형성하는데, 하드마스크막(802)은 생략할 수도 있다. 하드마스크막(802)은 실리콘질화막(Si3N4)일 수 있다. Subsequently, the
이어서, 게이트패터닝 공정을 진행한다. 예컨대, 게이트패터닝 공정은 감광 막(Photoresist)을 이용한 게이트마스크(도시 생략)를 식각장벽으로 하여 하드마스크막(802), 제2도전층(23) 및 확산방지막(22) 및 제1도전층(21)을 동시에 한꺼번에 식각한다. 즉, 프리스페이서를 이용한 2 단계 식각 방식의 게이트패터닝 대신, 프리스페이서없이 한 번에 식각하는 게이트패터닝방식을 사용한다.Subsequently, a gate patterning process is performed. For example, the gate patterning process may include a
전술한 바와 같은 프리스페이서 적용이 없는 게이트패터닝공정은 제2실시예 내지 제15실시예에 따른 게이트스택을 적용하는 경우에도 적용이 가능하다.The gate patterning process without applying the pre-spacer as described above may be applied to the case where the gate stack according to the second to fifteenth embodiments is applied.
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 Ti, W, Si, N이 포함된 다중 박막 또는 각 박막이 질소를 포함하는 다중 박막으로 이루어진 확산방지막을 텅스텐막과 폴리실리콘막 사이의 확산방지막으로 적용하므로써, poly-Si/WNx/W 및 poly-Si/WNx/WSix/W 등과 거의 비슷한 수준의 매우 낮은 시트저항(Rs) 특성을 얻을 수 있기 때문에 게이트스택의 높이를 낮출 수 있어서, 공정집적화(process integration)가 용이하다.The present invention described above is applied to the diffusion barrier between the tungsten film and the polysilicon film as a diffusion barrier between the tungsten film and the polysilicon film. A very low sheet resistance (Rs) characteristic similar to WN x / W and poly-Si / WN x / WSi x / W can be achieved, resulting in a lower gate stack height, resulting in process integration. It is easy.
또한, 보론침투(boron penetration) 또는 보론 외확산(Boron out-diffusion) 억제에 의한 폴리실리콘공핍현상(p+ poly depletion effect)이 감소하면서, PMOSFET 동작전류 증가 효과를 얻을 수도 있다.In addition, while the polysilicon depletion effect (p + poly depletion effect) by the boron penetration (boron out-diffusion) inhibition is reduced, it is possible to obtain the effect of increasing the PMOSFET operating current.
또한, 충분히 작은 텅스텐막과 폴리실리콘막간 콘택저항(Contact resistance, Rc) 특성을 가지기 때문에 고속동작 소자 제작이 가능한 장점이 있다.In addition, since the contact resistance between the tungsten film and the polysilicon film is sufficiently small (Rc) characteristics, there is an advantage that the high-speed operation device can be manufactured.
결과적으로, 본 발명은 고속(high-speed), 고밀도(high-density), 저전력(low power)의 메모리소자 구현을 위한 텅스텐폴리게이트의 형성방법에 있어서, Ti, W, Si, N 이 포함된 다중 박막 또는 각 박막이 질소를 포함하는 다중 박막으로 이루어진 확산방지막을 사용하므로써, 낮은 시트저항(Low Rs), 낮은 콘택저항(Low Rc) 및 폴리실리콘공핍현상감소(Low PDE)를 동시에 모두 만족시킬 수 있는 가장 우수한 확산방지막이라 할 수 있다.As a result, the present invention provides a method for forming a tungsten polygate for implementing a high-speed, high-density, low power memory device, wherein Ti, W, Si, and N are included. By using multiple thin films or diffusion films made of multiple thin films each containing nitrogen, low sheet resistance (Low Rs), low contact resistance (Low Rc) and polysilicon depletion reduction (Low PDE) can be simultaneously satisfied. It is said to be the best diffusion barrier.
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