KR20080087276A - Semiconductor device and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 듀얼폴리게이트를 나타내는 단면도,1 is a cross-sectional view showing a dual poly gate,
도 2는 듀얼폴리게이트의 인버젼 캐패시턴스를 나타내는 그래프,2 is a graph showing inversion capacitance of a dual polygate;
도 3은 종래 기술에 따른 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자를 나타내는 단면도,3 is a cross-sectional view showing a semiconductor device having a dual poly gate according to the prior art;
도 4는 배리어메탈의 종류에 따른 면저항을 비교하기 위한 그래프,4 is a graph for comparing the sheet resistance according to the type of barrier metal,
도 5는 종래 기술에 따른 텅스텐 증착 후 균일도를 나타내는 TEM사진,5 is a TEM photograph showing uniformity after tungsten deposition according to the prior art;
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도,6 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention;
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도,7A to 7D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention;
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼폴리게이트를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.8A to 8F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a dual poly gate according to a preferred embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
201 : 기판 202 : 게이트절연막201: substrate 202: gate insulating film
203A : 폴리실리콘전극 204A : 배리어메탈203A: Polysilicon Electrode 204A: Barrier Metal
205A : 식각정지층 206A : 텅스텐전극205A:
207 : 마스크패턴207: Mask Pattern
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 텅스텐을 게이트전극으로 갖는 반도체 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
반도체 소자의 고집적화에 따라 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)를 이용한 CMOS소자 공정시 게이트간의 간격(Pitch;피치)이 감소하게 되었다. 한편, 종래 CMOS소자는 NMOS와 PMOS소자의 각 게이트전극으로 n형 불순물이 도핑된 폴리실리콘막을 사용하였다. 이때, NMOS소자는 서피스 채널(Surface Channel)특성을 갖는데 반해 PMOS소자는 베리드 채널(Buried Channel)특성을 갖는다. 그러나, PMOS소자의 베리드 채널특성으로 인해 게이트 전극의 폭(반치폭)이 100nm이하로 좁아질 경우 단채널효과(Short Channel Effect)가 나타나는 문제점이 있다.As the semiconductor devices are highly integrated, the pitch between gates is reduced in the process of processing a CMOS device using a silicon wafer. In the conventional CMOS device, a polysilicon film doped with n-type impurities is used as each gate electrode of the NMOS and PMOS devices. In this case, the NMOS device has a surface channel characteristic, whereas the PMOS device has a buried channel characteristic. However, when the width (half width) of the gate electrode is narrowed to 100 nm or less due to the buried channel characteristic of the PMOS device, there is a problem in that a short channel effect appears.
이로 인해, 좁은 게이트 채널 길이를 갖는 CMOS소자 공정시 PMOS소자의 게이트전극을 P형 불순물이 도핑된 폴리실리콘막으로 형성하여 PMOS소자를 서피스채널 특성을 갖도록 하는 이중 게이트(Dual Gate) 구조가 제안되었다. 이러한, 이중 게 이트 구조는 단채널효과를 줄이는 효과가 있다.Accordingly, a dual gate structure has been proposed in which a gate electrode of a PMOS device is formed of a polysilicon layer doped with P-type impurities in a CMOS device process having a narrow gate channel length, so that the PMOS device has surface channel characteristics. . This double gate structure reduces the short channel effect.
도 1은 일반적인 듀얼 폴리 게이트를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a general dual poly gate.
도 1을 참조하면, NMOS와 PMOS가 정의된 반도체 기판(11) 상에 게이트절연막(12)을 형성하고, 게이트절연막(12) 상에 각각 NMOS에는 인(P)이 도핑된 N형 폴리실리콘막(13b), PMOS에는 보론이 도핑된 P형 폴리실리콘막(13a)을 형성하였다. 이어서, 각 폴리실리콘막(13a, 13b) 상에는 메탈전극(WSix, 14)을 형성하였다.Referring to FIG. 1, a
상기와 같은 듀얼 폴리 게이트는 단채널효과를 줄이는 효과가 있지만 채널 영역으로의 보론 침투에 의한 문턱전압 이동 및 변동(Fluctuation)현상이 나타나고, 게이트절연막(12)과 폴리실리콘막(13a, 13b) 계면에서 폴리실리콘 공핍(Poly Depletion)현상에 의한 소자 특성 열화가 나타나는 문제점이 있다.Although the dual poly gate has the effect of reducing the short channel effect, the threshold voltage shift and fluctuation due to boron penetration into the channel region appear, and the interface between the
채널영역으로의 보론 침투에 의한 현상은 게이트절연막(12)의 표면을 질화(Nitridation)시킴으로써 줄일 수 있으나, 메탈전극 쪽으로 보론이 아웃 디퓨전(Out Diffusion)됨으로써 나타나는 폴리실리콘 공핍현상을 방지할 수 없다.The phenomenon due to boron penetration into the channel region can be reduced by nitriding the surface of the
도 2는 듀얼 폴리 게이트의 인버젼 캐패시턴스를 비교한 그래프이다.2 is a graph comparing inversion capacitances of dual poly gates.
도 2를 참조하면, NMOS의 N형 폴리실리콘전극과 PMOS의 P형 폴리실리콘전극의 인버젼 캐패시턴스(Inversion Capacitance)를 비교할 수 있다. 그래프를 살펴보면, PMOS의 경우 보론이 메탈전극으로 아웃 디퓨전 됨으로써 폴리실리콘 공핍현상으로 인해 PMOS의 캐패시턴스값이 NMOS의 캐패시턴스값보다 작다. 이는 게이트절연막의 캐패시턴스동등두께(Capacitive Equivalent Thickness;CET)가 증가함을 의미하는데, 게이트간의 간격이 100nm이하의 반도체 소자의 경우 문턱 전압 변화값이 커지게 되어 소자 특성을 저하시키는 문제점이 발생하게 된다.Referring to FIG. 2, an inversion capacitance of an N-type polysilicon electrode of an NMOS and a P-type polysilicon electrode of a PMOS may be compared. Looking at the graph, in the case of PMOS, since the boron is out-diffused to the metal electrode, the capacitance value of the PMOS is smaller than the capacitance value of the NMOS due to the polysilicon depletion phenomenon. This means that the capacitive equivalent thickness (CET) of the gate insulating film is increased. In the case of semiconductor devices having a gate-to-gate spacing of 100 nm or less, the threshold voltage change value becomes large, resulting in deterioration of device characteristics. .
더불어, 반도체 소자의 고속 소자 특성을 확보하기 위해 메탈전극으로 텅스텐실리사이드대신 텅스텐을 사용하고 있다. 그러나, 폴리실리콘전극 상에 메탈전극으로 텅스텐이 바로 형성될 경우 후속 열공정시 실리콘화합물화(Silicidation)로 인해 부피 팽창이 되어, 스트레스(Stress)반응이 일어나기 때문에 텅스텐과 폴리실리콘전극 사이에 디퓨전 배리어(Diffusion Barrier)막이 필요하다. In addition, tungsten is used instead of tungsten silicide to secure high-speed device characteristics of semiconductor devices. However, when tungsten is directly formed as a metal electrode on the polysilicon electrode, a volume expansion occurs due to siliconization during a subsequent thermal process, and a stress reaction occurs, thereby causing a diffusion barrier between the tungsten and the polysilicon electrode. Diffusion Barrier membrane is required.
도 3은 종래 기술에 따른 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자를 비교하기 위한 단면도와 그래프이다. 설명의 편의를 돕기 위해 도 3에서는 반도체 소자의 PMOS영역만 도시하였다.3 is a cross-sectional view and a graph for comparing a semiconductor device having a dual poly gate according to the prior art. For convenience of description, only the PMOS region of the semiconductor device is illustrated in FIG. 3.
도 3에 도시된 바와 같이, PMOS의 반도체 기판(21) 상에 게이트산화막(22), P형 폴리실리콘(23), Ti(24)와 WN(25)의 적층인 배리어메탈 및 텅스텐(26)이 적층된 듀얼 폴리 게이트가 형성된다.As shown in Fig. 3, a barrier metal and
위와 같이, 배리어메탈을 적용하면 게이트 저항 감소 및 PMOS의 폴리공핍율이 개선되는 효과가 있다. As described above, applying the barrier metal reduces the gate resistance and improves the polydepletion rate of the PMOS.
그러나, 텅스텐을 형성하는 통상적인 방법으로 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법을 이용하여 증착할 경우 하부에 배리어메탈로 사용된 WN이 Ti 상부에 증착되어 결정성을 갖기 때문에 텅스텐의 그레인(Grain)크기가 작게 형성되어 시트(sheet) 저항값이 증가되는 문제점이 있다. 이러한, 텅스텐의 시트저항 값의 증가 폭은 게이트 선폭이 증가함에 따라 급격하게 커지기 때문에 100㎚미만의 미세 선폭을 요구하는 향후 디바이스 적용이 불가능한 문제점이 있다.However, in the conventional method of forming tungsten, the grain size of tungsten is deposited because PVN (Physical Vapor Deposition) method is deposited on top of Ti as WN is used as the barrier metal. There is a problem that is formed small to increase the sheet resistance value. Since the increased width of the tungsten sheet resistance increases rapidly as the gate line width increases, there is a problem in that future devices that require a fine line width of less than 100 nm cannot be applied.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 배리어메탈을 WSix와 WN의 적층구조로 형성한 것과 비교하여 Ti와 WN의 적층구조를 배리어메탈로 형성하는 경우에 시트저항이 적어도 3배이상 증가한 것을 알 수 있다. 이때, WSix와 WN가 적층된 배리어메탈은 시트 저항은 낮지만 게이트 계면 저항이 증가하고 게이트산화막의 신뢰성이 열화가 되는 문제점이 있기 때문에 사용하지 않는다.That is, as shown in FIG. 4, it can be seen that the sheet resistance increased by at least three times when the barrier structure of Ti and WN was formed of barrier metal, compared with the barrier metal of WSix and WN. have. At this time, the barrier metal in which Xix and XN are stacked is not used because of low sheet resistance but a problem in that the gate interface resistance is increased and the reliability of the gate oxide film is deteriorated.
위와 같은 문제점을 해결하기 위해 텅스텐을 CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition)로 형성하면 텅스텐의 비저항 값은 낮아지지만, PVD를 사용하여 형성하는 것과 비교하여 증착두께의 균일도가 저하되는 문제점이 있다(도 5 참조).In order to solve the above problems, when tungsten is formed by chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD), the specific resistance of tungsten is lowered, but the uniformity of the deposition thickness is lowered compared to that formed using PVD. There is (see FIG. 5).
텅스텐 증착두께의 균일도가 저하되면 후속 게이트패턴을 형성하기 위한 식각시 텅스텐의 비균일한 표면이 하부 폴리실리콘에 그대로 전사되어 게이트산화막까지 과도식각(Over Etch) 됨으로써 소자의 특성 저하 및 수율이 저하되는 문제점이 있다.When the uniformity of the thickness of the deposited tungsten is reduced, the non-uniform surface of tungsten is transferred to the lower polysilicon as it is etched to form the subsequent gate pattern, and overetched to the gate oxide layer, thereby deteriorating device characteristics and yield. There is a problem.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 텅스텐의 비균일성에 의해 후속 게이트패턴 형성을 위한 식각공정에서 소자의 특성 저하 및 수율이 저하되는 것을 방지하기 위한 반도체 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, a method of manufacturing a semiconductor device for preventing the deterioration of the characteristics and yield of the device in the etching process for the subsequent gate pattern formation by the non-uniformity of tungsten The purpose is to provide.
본 발명에 의한 반도체 소자는, 기판 상부에 형성된 폴리실리콘전극, 상기 폴리실리콘전극 상에 형성되고 텅스텐과 식각선택비를 갖는 식각정지층, 상기 식각정지층 상에 형성된 텅스텐전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.The semiconductor device according to the present invention includes a polysilicon electrode formed on the substrate, an etch stop layer formed on the polysilicon electrode, having an etch selectivity with tungsten, and a tungsten electrode formed on the etch stop layer. do.
또한, 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조방법은 기판 상부에 폴리실리콘층을 형성하는 단계, 상기 폴리실리콘층 상에 텅스텐과 식각선택비를 갖는 식각정지층을 형성하는 단계, 상기 식각정지층 상에 텅스텐층을 형성하는 단계, 상기 텅스텐층 상에 마스크패턴을 형성하는 단계, 상기 텅스텐층을 식각하는 단계, 상기 식각정지층을 식각하는 단계, 상기 폴리실리콘층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises the steps of forming a polysilicon layer on the substrate, forming an etch stop layer having an etch selectivity with tungsten on the polysilicon layer, on the etch stop layer Forming a tungsten layer, forming a mask pattern on the tungsten layer, etching the tungsten layer, etching the etch stop layer, and etching the polysilicon layer. do.
또한, 본 발명에 의한 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자의 제조방법은 NMOS영역과 PMOS영역을 갖는 기판 상부에 게이트절연막을 형성하는 단계, 상기 게이트절연막 상에 상기 NMOS영역에는 N형 폴리실리콘층을 상기 PMOS영역에는 P형 폴리실리콘층을 각각 형성하는 단계, 상기 N형 및 P형 폴리실리콘층 상에 배리어메탈층을 형성하는 단계, 상기 배리어메탈층 상에 텅스텐과 식각선택비를 갖는 식각정지층을 형성하는 단계 상기 식각정지층 상에 텅스텐층을 형성하는 단계, 상기 텅스텐층 상에 마스크패턴을 형성하는 단계, 상기 텅스텐층을 식각하는 단계, 상기 식각정지층을 식각하는 단계, 상기 N형 및 P형 폴리실리콘층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of manufacturing a semiconductor device having a dual poly gate according to the present invention includes forming a gate insulating film on a substrate having an NMOS region and a PMOS region, and forming an N-type polysilicon layer on the NMOS region on the gate insulating film. Forming a P-type polysilicon layer in the PMOS region, forming a barrier metal layer on the N-type and P-type polysilicon layers, and an etch stop layer having an etch selectivity with tungsten and an etching selectivity on the barrier metal layer Forming a tungsten layer on the etch stop layer, forming a mask pattern on the tungsten layer, etching the tungsten layer, etching the etch stop layer, the N-type and P It characterized in that it comprises the step of etching the type polysilicon layer.
특히, 식각정지층은 TiN이고, 텅스텐층은 불소계 가스로, 식각정지층은 염소 계가스로 식각하는 것을 특징으로 한다.In particular, the etch stop layer is TiN, the tungsten layer is characterized by etching with a fluorine-based gas, the etch stop layer with a chlorine-based gas.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention. .
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 기판(101) 상에 게이트절연막(102), 폴리실리콘전극(103), 배리어메탈(104), 식각정지층(105) 및 텅스텐전극(106)이 적층된 게이트패턴을 형성한다. 여기서, 게이트절연막(102)은 산화막일 수 있고, 폴리실리콘전극(103)은 P형 폴리실리콘일 수 있다. 또한, 배리어메탈(104)은 Ti와 WN의 적층구조일 수 있고, 식각정지층(105)은 텅스텐전극(106)과 식각선택비를 갖는 물질이되 TiN일 수 있다.As shown in FIG. 6, a gate pattern in which a gate
위와 같이, 식각정지층(105)으로 텅스텐전극(106)과 식각선택비를 갖는 물질 즉, TiN을 형성함으로써 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition) 또는 원자층증착법(Atomic Layer Deposition)으로 형성되어 증착두께가 불균일한 텅스텐전극(106)이 형성되어도, 게이트패턴 형성을 위한 식각시 텅스텐전극(106) 식각 후 식각정지층(105)에서 식각이 정지되어 균일한 두께를 갖고 후속 식각공정을 진행할 수 있다.As described above, a material having an etching selectivity with the
따라서, 비저항이 낮은 저저항 텅스텐(Low Resistance W;LRW)을 형성하면서 도 텅스텐전극(106)의 불균일성에 관계없이 폴리실리콘전극(103)이 균일하게 식각되어 게이트절연막(102)의 과도식각으로 인한 소자 특성 저하 및 수율이 저하되는 문제점을 방지할 수 있다.Accordingly, the
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.7A to 7D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 7a에 도시된 바와 같이, 기판(201) 상에 게이트절연막(202)을 형성한다. 여기서, 기판(201)은 DRAM공정이 진행되는 반도체 기판일 수 있고, 게이트절연막(202)은 산화막일 수 있다.As shown in FIG. 7A, a
이어서, 게이트절연막(202) 상에 폴리실리콘층(203)을 형성한다. 여기서, 폴리실리콘층(203)은 P형 폴리실리콘일 수 있다. Next, a
이어서, 폴리실리콘층(203) 상에 배리어메탈(BM:Barrier Metal)(204)을 형성한다. 여기서, 배리어메탈층(204)은 확산방지(Diffusion Barrier) 역할 즉, 텅스텐과 폴리실리콘이 직접 접촉하여 후속 열공정 시 실리사이드 반응이 일어나 부피 팽창에 의한 스트레스 반응이 일어나는 것을 방지하기 위한 것으로, Ti(티타늄)와 WN(텅스텐질화막)의 적층구조일 수 있다. 따라서, 게이트의 Rc(콘택저항) 및 Rs(면저항)값을 동시에 낮출 수 있다.Next, a barrier metal (BM) 204 is formed on the
이어서, 배리어메탈층(204) 상에 식각정지층(205)을 형성한다. 여기서, 식각정지층(205)은 텅스텐과 식각선택비를 갖는 물질로 형성하되, TiN(티타늄질화막)으로 형성할 수 있다. 이때, TiN은 물리적기상증착법(Physical Vapor Depositon, 이하 PVD라고 한다), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, 이하 CVD라고 한 다) 및 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, 이하 ALD라고 한다)의 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 증착방법으로 TiCl3를 소스가스로 하여 형성할 수 있다. Subsequently, an
또한, TiN은 적어도 30Å이상(30Å∼100Å)의 두께로 형성하고, 결정상으로 형성한다. 따라서, 후속 열공정시 내부의 질소(N)가 분해되지 않게 하여 게이트의 계면저항 및 폴리공핍현상(Poly Depletion effect)에 영향을 주지 않는다.TiN is formed to a thickness of at least 30 GPa or more (30 GPa to 100 GPa) and formed into a crystal phase. Therefore, the internal nitrogen (N) is not decomposed during the subsequent thermal process, and thus does not affect the interfacial resistance and the poly depletion effect of the gate.
이어서, 식각정지층(205) 상에 텅스텐층(206)을 형성한다. 여기서, 텅스텐층(206)은 텅스텐 자체의 비저항값을 낮추기 위해 CVD 또는 ALD으로 형성할 수 있다. 즉, CVD 또는 ALD으로 B2H6, WF6 및 NH3 처리(Treatment)에 의한 시드층(Seed-Layer, 비정질상태)을 형성하여 큰 그레인(Large Grain)의 벌크 텅스텐(Bulk W)을 성장시킴으로써 하부의 배리어물질의 종류와 상관없이 텅스텐의 시트저항 값을 낮출 수가 있다. 이러한 텅스텐을 낮은 저항 텅스텐(LRW:Low Resistivity Tungsten)이라고 한다. Next, a
도 7b에 도시된 바와 같이, 텅스텐층(206) 상에 마스크패턴(207)을 형성한다. 여기서, 마스크패턴(207)은 텅스텐층(206) 상에 감광막을 코팅하고 노광 및 현상으로 게이트패턴 영역이 정의되도록 패터닝하여 형성할 수 있다.As shown in FIG. 7B, a
이어서, 마스크패턴(207)으로 텅스텐층(206)을 식각한다. 여기서, 텅스텐층(206)은 WF6를 소스가스로 형성하였기 때문에 불소(F)계가스를 이용하여 식각할 수 있다. 이때, 텅스텐층(206)을 식각하는 불소계가스는 TiN과 식각선택비를 갖기 때문에 텅스텐층(206) 식각 후 선택비가 다른 식각정지층(205) 상단에서 식각이 정 지한다.Next, the
따라서, 텅스텐층(206)의 표면 불균일도에 상관없이 식각이 완료된 후 오픈된 식각정지층(205)은 균일한 표면을 갖는다.Therefore, the
이하, 식각이 완료된 텅스텐층(206)을 '텅스텐전극(206A)'이라고 한다.Hereinafter, the
도 7c에 도시된 바와 같이, 식각정지층(205) 및 배리어메탈층(204)을 식각한다. 여기서, 식각정지층(205) 및 배리어메탈층(204)은 염소(Cl)계가스를 사용하여 식각할 수 있다.As shown in FIG. 7C, the
식각정지층(205) 및 배리어메탈층(204)은 도 7b에서 균일한 표면을 갖고 잔류한 식각정지층(205)에 의해 역시 폴리실리콘층(203)을 균일한 두께로 잔류시키면서 식각을 완료할 수 있다.The
이하, 식각이 완료된 식각정지층(205)을 '식각정지층(205A), 배리어메탈층(204)을 '배리어메탈(204A)'이라고 한다.Hereinafter, the
도 7d에 도시된 바와 같이, 폴리실리콘층(203) 및 게이트절연막(202)을 식각하여 게이트패턴을 형성한다. 식각이 완료되는 시점에서 마스크패턴(207)은 모두 제거되거나, 산소스트립으로 제거할 수 있다.As shown in FIG. 7D, the
이때, 폴리실리콘층(203) 및 게이트절연막(202)은 균일한 표면을 갖고 식각이 진행되기 때문에 게이트절연막(202)에 불필요한 과도식각이 되지 않도록 하여 소자 특성 저하 및 수율이 저하되는 문제점을 방지할 수 있다.In this case, since the
따라서, 게이트패턴은 게이트절연막(202A), 폴리실리콘전극(203A), 배리어메탈(204A), 식각정지층(205A) 및 텅스텐전극(206A)이 적층된 구조 형성된다. Accordingly, the gate pattern has a structure in which a
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼폴리게이트를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.8A to 8F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a dual poly gate according to a preferred embodiment of the present invention.
도 8a에 도시된 바와 같이, NMOS영역과 PMOS영역을 갖는 반도체 기판(301) 상에 게이트절연막(302)을 형성한다. 여기서, 게이트절연막(302)은 산화막일 수 있다.As shown in FIG. 8A, a
이어서, 게이트절연막(302) 상에 폴리실리콘층(303)을 형성한다. 여기서, 폴리실리콘층(303)은 언도프트 폴리실리콘(Undoped Poly Silicon) 또는 N형 폴리실리콘일 수 있다.Next, a
이어서, PMOS영역의 폴리실리콘층(303) 상에 제1감광막패턴(304)을 형성한다. 여기서, 제1감광막패턴(304)은 폴리실리콘층(303) 상에 감광막을 코팅하고 노광 및 현상으로 NMOS영역의 폴리실리콘층(303)이 오픈되도록 패터닝하여 형성할 수 있다.Subsequently, a first
이어서, NMOS영역의 폴리실리콘층(303) 상에 N형 불순물을 이온주입하여 N형 폴리실리콘층(303A)을 형성한다. 여기서, N형 불순물은 인(Ph) 또는 비소(As)일 수 있다.Subsequently, an N-type impurity is ion-implanted on the
도 8b에 도시된 바와 같이, 제1감광막패턴(304)을 제거한다. 여기서, 제1감광막패턴(304)은 산소 스트립으로 제거할 수 있다.As shown in FIG. 8B, the
이어서, N형 폴리실리콘층(303A) 상에 제2감광막패턴(305)을 형성한다. 여기서, 제2감광막패턴(305)은 N형 폴리실리콘층(303A) 및 폴리실리콘층(303) 상에 감광막을 코팅한 후 노광 및 현상으로 PMOS영역의 폴리실리콘층(303)이 오픈되도록 패터닝하여 형성할 수 있다.Subsequently, a second
이어서, PMOS영역의 폴리실리콘층(303) 상에 P형 불순물을 이온주입하여 P형 폴리실리콘층(303B)을 형성한다. 여기서, P형 불순물은 보론(B)일 수 있다.Subsequently, P-type impurities are ion-implanted on the
도 8c에 도시된 바와 같이, 제2감광막패턴(305)을 제거한다. 여기서, 제2감광막패턴(305)은 제1감광막패턴(304)과 동일하게 산소 스트립으로 제거할 수 있다.As shown in FIG. 8C, the second
이어서, N형 및 P형 폴리실리콘층(303A, 303B) 상에 배리어메탈층(306)을 형성한다. 여기서, 배리어메탈층(306)은 확산방지(Diffusion Barrier) 역할 즉, 텅스텐과 폴리실리콘이 직접 접촉하여 후속 열공정 시 실리사이드 반응이 일어나 부피 팽창에 의한 스트레스 반응이 일어나는 것을 방지하기 위한 것으로, Ti(티타늄)와 WN(텅스텐질화막)의 적층구조일 수 있다. 따라서, 게이트의 Rc(콘택저항) 및 Rs(면저항)값을 동시에 낮출 수 있다.Next, the
이어서, 배리어메탈층(306) 상에 식각정지층(307)을 형성한다. 여기서, 식각정지층(307)은 텅스텐과 식각선택비를 갖는 물질로 형성하되, TiN(티타늄질화막)으로 형성할 수 있다. 이때, TiN은 물리적기상증착법(Physical Vapor Depositon, 이하 PVD라고 한다), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, 이하 CVD라고 한다) 및 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, 이하 ALD라고 한다)의 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 증착방법으로 TiCl3를 소스가스로 하여 형성할 수 있다. Subsequently, an
또한, TiN은 적어도 30Å이상의 두께로 형성하고, 결정상으로 형성한다. 따라서, 후속 열공정시 내부의 질소(N)가 분해되지 않게 하여 게이트의 계면저항 및 폴리공핍현상(Poly Depletion effect)에 영향을 주지 않는다.Further, TiN is formed to a thickness of at least 30 GPa or more and formed into a crystal phase. Therefore, the internal nitrogen (N) is not decomposed during the subsequent thermal process, and thus does not affect the interfacial resistance and the poly depletion effect of the gate.
이어서, 식각정지층(307) 상에 텅스텐층(308)을 형성한다. 여기서, 텅스텐층(308)은 텅스텐 자체의 비저항값을 낮추기 위해 CVD 또는 ALD으로 형성한다. 즉, CVD 또는 ALD으로 B2H6, WF6 및 NH3 처리(Treatment)에 의한 시드층(Seed-Layer, 비정질상태)을 형성하여 큰 그레인(Large Grain)의 벌크 텅스텐(Bulk W)을 성장시킴으로써 하부의 배리어물질의 종류와 상관없이 텅스텐의 시트저항 값을 낮출 수가 있다. 이러한 텅스텐을 낮은 저항 텅스텐(LRW:Low Resistivity Tungsten)이라고 한다. Next, a
도 8d에 도시된 바와 같이, 텅스텐층(308) 상에 마스크패턴(309)을 형성한다. 여기서, 마스크패턴(309)은 텅스텐층(308) 상에 감광막을 코팅하고 노광 및 현상으로 게이트패턴 영역이 정의되도록 패터닝하여 형성할 수 있다.As shown in FIG. 8D, a
이어서, 마스크패턴(309)으로 텅스텐층(308)을 식각한다. 여기서, 텅스텐층(308)은 WF6를 소스가스로 형성하였기 때문에 불소(F)계가스를 이용하여 식각할 수 있다. 이때, 텅스텐층(308)을 식각하는 불소계가스는 TiN과 식각선택비를 갖기 때문에 텅스텐층(308) 식각 후 선택비가 다른 식각정지층(307) 상단에서 식각이 정지한다.Next, the
따라서, 텅스텐층(308)의 표면 불균일도에 상관없이 식각이 완료된 후 오픈된 식각정지층(307)은 균일한 표면을 갖는다.Therefore, regardless of the surface unevenness of the
이하, 식각이 완료된 텅스텐층(308)을 '텅스텐전극(308A)'이라고 한다.Hereinafter, the
도 8e에 도시된 바와 같이, 식각정지층(307) 및 배리어메탈층(306)을 식각한다. 여기서, 식각정지층(307) 및 배리어메탈층(306)은 염소(Cl)계가스를 사용하여 식각할 수 있다.As shown in FIG. 8E, the
식각정지층(307) 및 배리어메탈층(308)은 도 8d에서 균일한 표면을 갖고 잔류한 식각정지층(307)에 의해 역시 N형 및 P형 폴리실리콘층(303A, 303B)을 균일한 두께로 잔류시키면서 식각을 완료할 수 있다.The
이하, 식각이 완료된 식각정지층(307)을 '식각정지층(307A), 배리어메탈층(305)을 '배리어메탈(305A)'이라고 한다.Hereinafter, the
도 8f에 도시된 바와 같이, N형 및 P형 폴리실리콘층(303A, 303B)과 게이트절연막(302)을 식각하여 게이트패턴을 형성한다. 식각이 완료되는 시점에서 마스크패턴(309)은 모두 제거되거나, 산소스트립으로 제거할 수 있다.As shown in FIG. 8F, the N-type and P-
이때, N형 및 P형 폴리실리콘층(303A, 303B)과 게이트절연막(302)은 균일한 표면을 갖고 식각이 진행되기 때문에 게이트절연막(302)에 불필요한 과도식각이 되지 않도록 하여 소자 특성 저하 및 수율이 저하되는 문제점을 방지할 수 있다.At this time, since the N-type and P-
따라서, NMOS영역의 게이트패턴은 게이트절연막(302A), N형 폴리실리콘전극(303C), 배리어메탈(306A), 식각정지층(307A) 및 텅스텐전극(308A)이 적층된 구조, PMOS영역의 게이트패턴은 P형 폴리실리콘전극(303D), 배리어메탈(306A), 식각정지층(307A) 및 텅스텐전극(308A)이 적층된 구조 형성된다. Therefore, the gate pattern of the NMOS region has a structure in which a
본 발명은 배리어메탈과 텅스텐 사이에 식각정지층으로 TiN을 형성한다. 따 라서, 비저항 값이 낮은 텅스텐을 형성하기 위해 CVD 또는 ALD공정으로 표면이 불균일한 텅스텐이 형성되어도 게이트 식각 공정시 텅스텐의 식각이 식각정지층에서 완료된 후, 후속 식각공정을 진행하기 때문에 텅스텐의 표면 불균일에 상관없이 균일한 두께를 갖는 하부층을 식각함으로써 텅스텐의 표면 불균일도가 그대로 전사되어 폴리실리콘이 비정상적인 과도식각을 하고 이로 인해 게이트절연막이 어택을 받는 것을 근본적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.The present invention forms TiN as an etch stop layer between the barrier metal and tungsten. Therefore, even if tungsten with irregular surface is formed by CVD or ALD process to form tungsten with low resistivity value, the tungsten surface is processed after the etching process of tungsten is completed in the etch stop layer during the gate etching process. By etching the lower layer having a uniform thickness irrespective of the non-uniformity, the surface unevenness of tungsten is transferred as it is, thereby causing polysilicon to abnormally etch and thereby fundamentally prevent the gate insulating film from being attacked.
또한, 식각정지층은 TiN으로 금속이고 결정상이기 때문에 후속 열공정시 질소(N)가 분해되지 않아서 계면 저항 및 폴리공핍현상에 영향을 주지 않는 장점이 있다.In addition, since the etch stop layer is made of TiN and is a metal and a crystalline phase, nitrogen (N) is not decomposed during the subsequent thermal process, so that the etch stop layer does not affect interfacial resistance and polydepletion.
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 시트저항을 낮추기 위해 증착된 텅스텐의 표면이 불균일하게 형성되어 게이트 식각 공정시 하부 폴리실리콘의 비정상적인 과도식각에 의한 게이트절연막의 어택을 근본적으로 방지할 수 있어서, 디바이스 특성 개선 및 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 삽입되는 식각정지층은 TiN으로 금속이고 결정상이기 때문에 후속 열공정시 질소(N)가 분해되지 않기 때문에 계면 저항 및 폴리공핍현상에 영향을 주지 않는 효과가 있다.According to the present invention, the surface of the tungsten deposited to reduce the sheet resistance is irregularly formed to fundamentally prevent attack of the gate insulating layer due to abnormal excessive etching of the lower polysilicon during the gate etching process, thereby improving device characteristics and yields. There is an effect to improve. In addition, since the etch stop layer to be inserted is TiN metal and crystal phase, nitrogen (N) is not decomposed during the subsequent thermal process, and thus there is no effect of interfacial resistance and polydepletion.
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