KR20090123090A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 소자의 실리사이드층 형성공정을 안정화할 수 있고 저항을 감소시켜 반도체 소자의 특성을 개선할 수 있는 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device capable of stabilizing the silicide layer forming process of the semiconductor device and improving the characteristics of the semiconductor device by reducing the resistance.
최근 반도체 소자의 크기가 감소되면서 단채널(Short Channel) 현상에 의한 특성열화를 방지하기 위하여 얕은 접합(Shallow Junction)이 필요하다. 보다 상세히 하면, 반도체 소자의 크기가 감소되면서 채널의 길이가 짧아짐에 따라 펀치쓰루(Punch Through) 현상과 같은 반도체 소자의 특성 열화가 발생하였다. 이를 해결하기 위하여 트랜지스터 동작시 접합 영역 즉, 반도체 소자의 소스와 드레인 사이의 전기장의 세기를 감소시키기 위해 얕은 접합이 필요하다.Recently, as the size of a semiconductor device is reduced, a shallow junction is required to prevent deterioration of characteristics due to a short channel phenomenon. In more detail, as the size of the semiconductor device decreases and the length of the channel shortens, characteristics of the semiconductor device such as a punch through phenomenon occur. In order to solve this problem, a shallow junction is required to reduce the strength of the electric field between the junction region, that is, the source and the drain of the semiconductor device, during transistor operation.
얕은 접합의 형성은 접합 영역을 형성하기 위해 가해지는 이온 주입에너지를 낮춰서 이온 주입 깊이를 낮춤으로써 형성할 수 있다. 이러한 얕은 접합 형성에 따라 접합 영역의 면저항이 증가하여 기생 저항의 크기가 증가하게 된다. 기생 저 항은 반도체 소자의 동작을 방해하는 요인이 되므로 접합 영역의 면저항을 감소시키는 방안이 필요하다.The formation of a shallow junction can be formed by lowering the ion implantation depth by lowering the ion implantation energy applied to form the junction region. As the shallow junction is formed, the sheet resistance of the junction region increases to increase the size of the parasitic resistance. Since the parasitic resistance is a factor that hinders the operation of the semiconductor device, a method of reducing the sheet resistance of the junction region is required.
접합 영역의 면저항을 감소시키기 위해 접합 영역의 표면에 비저항이 금속과 유사한 실리사이드(silicide)층을 형성하는 방안이 도입되었다. 얕은 접합에 실리사이드층을 도입하면, 얕은 접합에 기인한 높은 저항을 10Ω 이하로 감소시킬 수 있어 반도체 소자의 동작이 원활해진다.In order to reduce the sheet resistance of the junction region, a method of forming a silicide layer having a similar resistivity to a metal on the surface of the junction region has been introduced. Incorporation of the silicide layer into the shallow junction can reduce the high resistance due to the shallow junction to 10? Or less, thereby facilitating the operation of the semiconductor device.
상술한 실리사이드층은 접합영역이 노출된 반도체 기판에 금속막을 증착하고 금속막과 접합 영역의 실리콘이 반응하여 실리사이드층이 생성될 수 있도록 열처리 공정을 실시함으로써 형성된다. 열처리 과정은 금속과 실리콘이 반응하여 다양한 상변화를 거쳐 최종적으로 가장 안정된 상의 실리사이드층이 형성될 수 있도록 단계적으로 진행된다. 이러한 실리사이드층은 접합 영역의 접합 특성을 보존하고 열안정성을 향상시키기 위해 두께가 얇고 균일하여야 한다. 그러나 실리사이드층은 안정된 상을 얻을 수 있을 때까지 다양한 상변화를 거쳐서 형성되므로 전체적인 실리사이드층 내부에 다양한 상태의 실리사이드층이 포함될 수 있고, 각각의 상 경계마다 결함부가 형성될 수 있다. 이와 같이 내부적으로 다양한 상태의 실리사이드층을 포함하는 경우 전체적인 실리사이드층의 저항을 제어하기 어려운 문제가 있다. 또한 실리사이드 내부의 결함부는 최종적인 금속 실리사이드층에 누설 전류 및 저항(Rs) 증가라는 문제를 유발할 수 있다.The silicide layer described above is formed by depositing a metal film on a semiconductor substrate where the junction region is exposed and performing a heat treatment process so that the silicide layer is formed by reacting the metal film and silicon in the junction region. The heat treatment process proceeds step by step so that the metal and silicon react to undergo various phase changes to finally form the silicide layer of the most stable phase. This silicide layer should be thin and uniform in order to preserve the bonding properties of the junction region and to improve thermal stability. However, since the silicide layer is formed through various phase changes until a stable phase is obtained, silicide layers having various states may be included in the entire silicide layer, and defects may be formed at each phase boundary. As described above, when the silicide layer includes various states, it is difficult to control the resistance of the silicide layer as a whole. In addition, defects in the silicide may cause a problem of increased leakage current and resistance (Rs) in the final metal silicide layer.
이러한 실리사이드층의 형성시 문제는 접합 영역에 제한되어 발생하는 것이 아니라 실리사이드층이 적용되는 게이트 패턴등에서도 동일하게 발생한다.The problem in forming the silicide layer is not limited to the junction region but also occurs in the gate pattern to which the silicide layer is applied.
본 발명은 반도체 소자의 실리사이드층 형성공정을 안정화할 수 있고 저항을 감소시켜 반도체 소자의 특성을 개선할 수 있는 반도체 소자의 실리사이드층 형성방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method of forming a silicide layer of a semiconductor device and a method of manufacturing a semiconductor device using the same, which can stabilize a silicide layer forming process of a semiconductor device and reduce resistance to improve characteristics of the semiconductor device.
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법은 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 폴리 실리콘막을 형성하는 단계, 폴리 실리콘막 및 게이트 절연막을 식각하여 적층 패턴을 형성하는 단계, 적층 패턴 양측의 반도체 기판에 불순물 이온을 주입하여 접합 영역을 형성하는 단계, 실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온을 접합영역 및 폴리 실리콘막에 주입하는 단계, 접합영역 및 폴리 실리콘막의 상부에 금속막을 형성하는 단계, 및 열처리 공정으로 접합영역 및 폴리 실리콘막의 실리콘과 금속막을 반응시켜 접합영역의 표면 및 폴리 실리콘막의 표면에 금속 실리사이드막을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the steps of forming a gate insulating film and a polysilicon film on a semiconductor substrate, etching the polysilicon film and the gate insulating film to form a stacked pattern, and impurity ions are applied to the semiconductor substrates on both sides of the stacked pattern. Implanting to form a junction region, implanting ions forming a solid solution by reacting with silicon to a junction region and a polysilicon film, forming a metal film on the junction region and the polysilicon film, and a heat treatment process And reacting the silicon of the polysilicon film with the metal film to form a metal silicide film on the surface of the junction region and the surface of the polysilicon film.
실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온을 상기 접합영역에 주입하는 단계에서 접합영역 및 폴리 실리콘막에 이온이 주입됨과 동시에 접합영역의 표면 및 폴리 실리콘막의 표면이 비정질화된다.In the step of injecting ions forming a solid solution by reacting with silicon into the junction region, ions are implanted into the junction region and the polysilicon film, and the surface of the junction region and the surface of the polysilicon film are amorphous.
실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온은 질소를 포함한다.Ions that react with silicon to form a solid solution include nitrogen.
도전막은 폴리 실리콘막을 포함하고, 폴리 실리콘막은 적층 패턴의 최상층에 형성된다.The conductive film includes a polysilicon film, and the polysilicon film is formed on the uppermost layer of the laminated pattern.
실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온을 접합영역에 주입하는 단계에서 도전막에 상기 이온이 동시에 주입되고, 금속막을 형성하는 단계에서 도전막의 상부에 금속막이 동시에 형성되고, 열처리 공정으로 폴리 실리콘막과 금속막을 반응시켜 상기 금속 실리사이드막이 형성된다.In the step of implanting ions forming a solid solution by reacting with silicon into the junction region, the ions are simultaneously implanted into the conductive film, and in the step of forming the metal film, a metal film is simultaneously formed on the conductive film. The metal silicide film is formed by reacting a metal film.
실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온을 주입하는 단계에서 도전막에 이온이 주입됨과 동시에 폴리 실리콘막이 비정질화된다.In the step of implanting ions that react with silicon to form a solid solution, ions are implanted into the conductive film and the polysilicon film is amorphous.
금속막은 코발트를 포함한다. 이 경우, 열처리 공정으로 형성되는 금속 실리사이드막의 전 영역에 CoSi2상이 형성된다.The metal film contains cobalt. In this case, CoSi 2 phase is formed in the whole area | region of the metal silicide film formed by a heat processing process.
금속막은 티타늄을 포함한다. 이 경우, 열처리 공정으로 형성되는 상기 금속 실리사이드막의 전 영역에 TiSi2상이 형성된다.The metal film contains titanium. In this case, TiSi 2 phase is formed in the whole area | region of the said metal silicide film formed by the heat processing process.
실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온이 질소를 포함하고 금속막이 티타늄을 포함하는 경우, 열처리 공정으로 금속 실리사이드막의 전 영역에 TiSi2상이 형성됨과 동시에 금속 실리사이드막 표면에 TiN막이 형성된다.When ions reacting with silicon to form a solid solution include nitrogen and the metal film contains titanium, a TiN 2 phase is formed on the entire surface of the metal silicide film and a TiN film is formed on the surface of the metal silicide film.
적층 패턴을 마스크로 적층 패턴 양측의 반도체 기판에 접합 영역을 형성하는 단계 이 후, 적층 패턴의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계, 및 적층 패턴 및 스페이서를 마스크로 접합 영역에 접합 영역보다 높은 농도의 상기 불순물 이온을 주입하여 LDD구조의 접합영역을 형성하는 단계를 더 포함한다.Forming a junction region on the semiconductor substrate on both sides of the laminate pattern using the laminate pattern as a mask, and then forming spacers on sidewalls of the laminate pattern, and forming a spacer at a higher concentration than the junction region in the junction region using the laminate pattern and the spacer as a mask. Implanting impurity ions to form a junction region of the LDD structure.
실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온을 주입하는 단계에서 이온 주입 에너지는 5KeV 내지 15KeV인 것이 바람직하다.In the step of implanting ions that react with silicon to form a solid solution, the ion implantation energy is preferably 5KeV to 15KeV.
실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온을 주입하는 단계에서 이온 주입 각도는 2°내지 4°인 것이 바람직하다.In the step of implanting ions that react with silicon to form a solid solution, the ion implantation angle is preferably 2 ° to 4 °.
실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온을 주입하는 단계에서 이온 주입 타겟 깊이(Rp)은 20Å 내지 40Å인 것이 바람직하다.In the step of implanting ions that react with silicon to form a solid solution, the ion implantation target depth Rp is preferably 20 kPa to 40 kPa.
실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온을 주입하는 단계에서 이온 도즈량은 5×1013 Ions/㎠ 내지 8×1013 Ions/㎠인 것이 바람직하다.In the step of implanting ions that react with silicon to form a solid solution, the ion dose is preferably 5 × 10 13 Ions / cm 2 to 8 × 10 13 Ions / cm 2.
열처리 공정은 20℃/min 내지 40℃/min의 승온 속도, 450℃ 내지 750℃의 온도 및 10초 내지 60초의 시간 동안 실시되는 것이 바람직하다.The heat treatment process is preferably carried out for a temperature increase rate of 20 ℃ / min to 40 ℃ / min, a temperature of 450 ℃ to 750 ℃ and a time of 10 seconds to 60 seconds.
본 발명은 실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온을 주입하는 공정을 포함함으로써 금속과 실리콘의 반응이 균일하게 일어날 수 있도록 실리콘 표면을 비정질화 할 수 있을 뿐 아니라 비정상적인 화합물 생성을 배제하고 안정적인 상의 금속 실리사이드층을 형성할 수 있게 한다.The present invention includes a step of injecting ions to react with silicon to form a solid solution, which can not only amorphous the surface of the silicon so that the reaction between the metal and silicon can occur uniformly, but also prevent abnormal compound formation and prevent the formation of metal silicide in a stable phase. To form a layer.
본 발명은 금속 실리사이드층을 안정된 상으로 균일하게 형성할 수 있으므로 전체적인 저항을 제어하기 용이하며, 반도체 소자의 전기적 특성 향상시킬 수 있다.Since the metal silicide layer can be uniformly formed in a stable phase, the present invention can easily control the overall resistance and improve the electrical characteristics of the semiconductor device.
본 발명은 금속 실리사이드층을 안정된 상으로 균일하게 형성할 수 있으므로 상변화에 따른 결함부가 발생하지 않으므로 전체적인 금속 실리사이드층의 저항을 감소시킬 수 있다.According to the present invention, since the metal silicide layer may be uniformly formed into a stable phase, defects may not occur due to phase change, and thus the resistance of the metal silicide layer may be reduced.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 단계적으로 나타내는 단면도들이다.1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(101) 상에 게이트 절연막(103) 및 도전막(105)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, a gate
일반적으로 반도체 기판(101)은 실리콘 기판을 이용한다. 또한 게이트 절연막(103)은 열 산화공정으로 반도체 기판(101) 상에 산화막을 형성한 후 질화처리하여 형성될 수 있다. 여기서, 도전막(105)은 폴리 실리콘막을 포함한다. 폴리 실리콘막은 n형 또는 p형 이온이 도핑되지 않은 언도프트 상태이거나 n형 또는 p형 이온이 도핑된 도프트 상태일 수 있다.In general, the
도 1b를 참조하면, 도전막 상에 하드 마스크 패턴(미도시)을 형성한 후, 하드 마스크 패턴을 식각 마스크로 도전막(105) 및 게이트 절연막(103)을 식각하여 게이트 절연막(103) 및 도전막(105)을 포함하는 적층패턴을 형성한다. 적층패턴 형성 후, 적층 패턴을 마스크로 적층 패턴 양측의 반도체 기판(101)에 제1 농도의 불순물 이온을 주입하여 제1 접합 영역(101a)을 형성한다. 하드 마스크 패턴은 적층 패턴 형성 후 또는 제1 접합 영역(101a) 형성 후 제거될 수 있다. 이에 따라 적층 패턴의 최상층에서 형성된 도전막(105) 즉, 폴리 실리콘막이 노출된다.Referring to FIG. 1B, after the hard mask pattern (not shown) is formed on the conductive film, the
도 1c를 참조하면, 적층 패턴의 측벽에 스페이서막(107) 및 식각 방지막(109)을 형성한다. 스페이서막(107) 및 식각 방지막(109)은 적층 패턴 사이에 형성되는 접합 영역을 노출시키기 위한 콘택홀을 형성하는 후속 공정에서 적층 패턴이 노출되지 않도록 하기 위해 형성되는 것이다. 이때, 스페이서막(107)은 산화막을 포함하고, 식각 방지막(109)은 질화막을 포함한다.Referring to FIG. 1C, a
스페이서막(107) 및 식각 방지막(109)은 적층 패턴의 표면을 포함한 반도체 기판(101) 상에 형성된 후 에치백(etch-back) 공정 등으로 식각되어 게이트 패턴(105a)의 측벽에만 남을 수 있다.The
도 1d를 참조하면, 스페이서막(107), 식각 방지막(109) 및 적층 패턴을 마스크로 제1 농도보다 높은 제2 농도의 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 적층 패턴 양측의 반도체 기판(101)에 제2 접합 영역(101b)을 형성한다. 이로써 LDD(Lightly Doped Drain)구조의 접합영역(102)이 형성된다. Referring to FIG. 1D, an impurity ion implantation process having a second concentration higher than the first concentration may be performed using the
한편, 도전막(105)이 언도프트 상태인 경우, 도전막(105)에 전기적인 특성을 부여하기 위해 도전막(105)을 타겟으로 불순물 이온 주입 공정이 실시될 수 있다. 도전막(105)에 불순물 이온을 주입하는 공정은 접합 영역(102) 형성 전, 후 또는 제1 또는 제2 접합 영역(101a 또는 101b)의 형성과 동시에 실시될 수 있다. 반도 체 소자가 CMOS구조인 경우 NMOS 트랜지스터에 대응하는 도전막(105)에는 n형 불순물 이온이 주입되고, PMOS 트랜지스터에 대응하는 도전막(105)에는 p형 불순물 이온이 주입될 수 있다. 이온 주입 공정을 실시할 때 이온 주입이 타겟이 되는 영역에 제한될 수 있도록 타겟이 되는 영역을 제외한 나머지 영역은 포토레지스트 패턴등에 의해 가려질 수 있다. 예를 들어, n형 불순물 이온 주입 공정을 실시하기 위하여, NMOS 트랜지스터 영역은 노출시키며 PMOS 트랜지스터 영역은 가리는 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용할 수 있다. 또한 p형 불순물 이온 주입 공정을 실시하기 위하여, PMOS 트랜지스터 영역은 노출시키며 NMOS트랜지스터 영역은 가리는 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용할 수 있다. 이러한 포토레지스트 패턴들은 각각의 이온 주입 공정을 완료한 후 각각 제거된다. On the other hand, when the
n형 불순물 이온 주입시에는 아세닉(As75) 또는 인(P31)을 이용하고, p형 불순물 이온 주입시에는 붕소(B11) 또는 플루오르화 붕소(BF49)를 이용한다.When implanting n-type impurity ions, acenic (As75) or phosphorus (P31) is used, and when implanting p-type impurity ions, boron (B11) or boron fluoride (BF49) is used.
도 1e를 참조하면, 후속 공정에서 실리사이드층이 균일하게 형성될 수 있도록 도전막(105) 및 접합 영역(102)의 표면에 실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온을 주입한다. 이러한 이온 주입 공정을 통해 도전막(105) 및 접합 영역(102)의 표면의 실리콘이 비정질화(amorphization)될 수 있다. Referring to FIG. 1E, ions for reacting with silicon to form a solid solution are implanted into the surface of the
실리콘과 반응하여 고용체를 형성하는 이온은 질소 이온(N+)을 포함하고, 질소 이온 주입 공정은 블랭킷(Blanket) 공정으로 실시된다. 다시 말해서 질소 이온 주입 공정은 접합 영역(102) 및 도전막(105)이 노출된 부분에 제한되어 실시됨으로써 도전막(105) 및 접합 영역(102)의 표면에 질소 이온이 주입될 수 있음과 아울러 도전막(105) 및 접합 영역(102)의 표면이 비정질화될 수 있다.Ions that react with silicon to form a solid solution include nitrogen ions (N +), and the nitrogen ion implantation process is performed by a blanket process. In other words, the nitrogen ion implantation process is limited to the exposed portions of the
질소 이온을 이용하는 이유는 다음과 같다.The reason for using nitrogen ion is as follows.
첫째, 질소 이온은 질량이 작아 가벼우므로 이온 주입 공정시 실리콘의 결정 격자에 결함을 줄일 수 있다.First, since nitrogen ions are light in weight, they can reduce defects in the crystal lattice of silicon during the ion implantation process.
둘째, 실리콘과 질소는 고용체(Solid solution)를 형성하므로 비정상적인 화합물이 생성되는 현상을 방지할 수 있다.Second, silicon and nitrogen form a solid solution to prevent the occurrence of abnormal compounds.
질소 이온 주입 공정 진행시 실리콘 결정 격자의 결함을 최소화하기 위해 그 에너지 및 이온 주입 각도가 제한될 필요가 있다. 보다 상세히 하면, 질소 이온 주입 공정 시 극저에너지(Ultra Low Energy) 장비를 사용하여 가해지는 이온 에너지가 5KeV 내지 15KeV로 제한되는 것이 바람직하다. 또한 질소 이온 주입 공정시 이온 주입 각도는 반도체 기판(101)에 대해 수직한 축을 기준으로 2°내지 4°인 것이 바람직하다. In order to minimize defects in the silicon crystal lattice during the nitrogen ion implantation process, its energy and ion implantation angle need to be limited. In more detail, it is preferable that the ion energy applied by using ultra low energy equipment in the nitrogen ion implantation process is limited to 5 KeV to 15 KeV. In addition, the ion implantation angle in the nitrogen ion implantation process is preferably 2 ° to 4 ° based on the axis perpendicular to the
질소 이온 주입 공정 진행시 이온 주입 타겟 깊이(Rp)는 접합 영역(102) 또는 적층패턴의 표면으로부터 20Å 내지 60Å인 것이 바람직하고, 도즈량은 5×1013 Ions/㎠ 내지 8×1013 Ions/㎠인 것이 바람직하다.The ion implantation target depth Rp during the nitrogen ion implantation process is preferably 20 kPa to 60 kPa from the surface of the
질소 이온 주입 공정은 노출된 접합 영역(102) 및 적층패턴의 비정질화가 보다 용이하게 이루어질 수 있도록 LTP(Laser Thermal Process)로 실시될 수 있다.The nitrogen ion implantation process may be performed by a laser thermal process (LTP) so that the exposed
도 1f를 참조하면, 도 1d에서 상술한 이온주입 공정에 의해 도전막(105)의 상부에 발생할 수 있는(특히, n형 불순물이 도핑된 도전막(105)의 상부에 발생할 수 있는) 산화막을 제거하기 위한 세정 공정을 실시한 후, 도전막(105)의 상부 및 접합 영역(102)의 상부를 포함한 반도체 기판(101)상에 금속막(111)을 형성한다.Referring to FIG. 1F, an oxide film that may occur on the conductive film 105 (particularly, an upper portion of the
금속막(111)은 50Å 내지 500Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 금속막(111)으로는 티타늄(Ti), 코발트(Co) 등 다양한 금속이 이용될 수 있다.The
도 1g를 참조하면, RTA(Rapid Thermal anneal) 또는 RTP(Rapid Thermal Process) 방법으로 금속막과 비정질 실리콘층이 반응하도록 열처리 공정을 실시한 후, 세정 공정을 실시한다. 이에 따라 게이트 절연막(103), 도전막(105) 및 금속 실리사이드막(113)을 포함하는 게이트 패턴(105a)과, 제1 접합영역(101a), 제2 접합영역(101b) 및 금속 실리사이드막(113)을 포함하는 접합 영역(102)이 형성된다.Referring to FIG. 1G, a heat treatment process is performed such that a metal film and an amorphous silicon layer react by a rapid thermal anneal (RTA) or rapid thermal process (RTP) method, and then a cleaning process is performed. Accordingly, the
구체적으로 설명하며, 상술한 열처리 공정을 실시함에 따라 금속막과 비정질 실리콘층이 반응하여 접합 영역(102) 및 도전막(105)의 표면에는 금속 실리사이드막(113)이 형성된다.In detail, the
이하에서는 금속막으로 코발트를 이용한 경우를 예로 들어 금속 실리사이드막(113)이 형성되는 과정을 상세히 한다. 일반적으로 코발트 실리사이드는 초기상(Co2Si), 중간상(CoSi), 최종상(CoSi2)의 세가지 폴리모피(Polymorphy)를 포함한다. Co2Si의 형성온도는 350℃ 내지 500℃, CoSi의 형성온도는 375℃ 내지 500℃, 그리고 CoSi2의 형성온도는 550℃이다. 즉, 열처리 공정을 실시하면 먼저, 코발트막과 실리콘의 계면에서 Co2Si가 생성된다. 코발트막 전체가 Co2Si로 상변태된후 Co2Si와 실리콘 계면에서 CoSi가 생성된다. Co2Si 전체가 CoSi로 상변태된후 다시 CoSi와 실리콘 계면에서 CoSi2가 생성된다. 종래에는 안정된 상인 금속 실리사이드막을 형성하기 위해 열처리 공정을 단계적으로 실시하였으나, 상변태 과정에서 결함이 발생하여 문제가 되었다. 본 발명에서는 도 1e에서 상술한 바와 같이 접합 영역(102)의 표면 및 도전막(105)의 표면에 질소 이온 주입을 주입하므로 코발트 실리사이드막을 상변화 없이 가장 안정적인 상인 CoSi2로 형성할 수 있다. 이에 따라 코발트 실리사이드막 내부에 결함이 발생될 확률이 줄어들어 코발트 실리사이드막(113)이 안정적으로 형성될 수 있다. 이와 같이 본 발명에서 금속 실리사이드막(113)을 상변화 없이 가장 안정적인 상으로 형성할 수 있는 이유는 실리콘과 질소가 고용체(Solid Solution)를 형성하므로 비정상적인 화합물 생성 현상을 배제하기 때문이다. Hereinafter, the process of forming the
또한 금속 실리사이드막(113)은 질소 이온 주입 공정에 의해 비정질화된 상태의 실리콘과 금속막이 반응하여 생성되는 것이므로 균일하게 형성될 수 있다. 이는 결정화된 실리콘에 비해 비정질화된 상태의 실리콘 내에서 금속이 균일하고 안정적으로 확산되어 금속 실리사이드막(113)을 형성하기 때문이다. 그리고 금속막과 비정질화된 상태의 실리콘을 반응시키면 도 1g에서 상술한 세정 공정을 실시한 후에 산화막이 완전히 제거되지 못하고 국부적으로 도전막(105) 상부에 남아 있더라도 금속의 확산이 용이하게 일어날 수 있으므로 금속 실리사이드막(113)을 균일하게 형성할 수 있다.In addition, the
상술한 열처리 공정 진행은 금속 실리사이드막(113)의 부피변화를 최소화함 과 아울러 금속 실리사이드막(113)이 측면으로 성장하지 않도록 실시되는 것이 바람직하다. 또한 열처리 공정은 20℃/min 내지 40℃/min의 승온 속도, 450℃ 내지 750℃의 온도, 10초 내지 60초의 시간동안 진행되는 것이 바람직하다.The above-described heat treatment process is preferably performed to minimize the volume change of the
금속막으로 코발트 적용시, 열처리 공정을 통해 안정된 상인 CoSi2의 코발트 실리사이드막이 형성되고, CoSi2막은 저항이 15μΩ·cm 이하인 장점이 있다.When cobalt is applied to the metal film, a cobalt silicide film of CoSi 2 , which is a stable phase, is formed through a heat treatment process, and the CoSi 2 film has an advantage of having a resistance of 15 μΩ · cm or less.
금속막으로 티타늄 적용시, 열처리 공정을 통해 안정된 상인 TiSi2의 티타늄 실리사이드막이 형성된다. 이때, 질소 이온은 티타늄 원자와 실리콘 원자간의 고상 확산을 촉진시켜 응집현상 없이 TiSi2막의 생성 두께를 접합 영역(102)의 두께 이내로 제어할 수 있다. 특히, 티타늄 적용시 접합 영역(102)과 금속막이 접촉된 부분에서 티타늄과 질소간의 고상 확산반응에 의해 TiSi2막이 생성됨과 아울러 TiSi2막 표면에 준안정 TiN상을 형성될 수 있다. 치밀한 구조의 TiN은 그 하부의 TiSi2막이 노출되어 산화되는 것을 방지할 수 있으므로 금속 실리사이드막(113)의 저항을 더욱 개선할 수 있다.When titanium is applied to the metal film, a titanium silicide film of TiSi 2 , which is a stable phase, is formed through a heat treatment process. At this time, the nitrogen ions may promote the solid phase diffusion between the titanium atoms and the silicon atoms to control the formation thickness of the TiSi 2 film within the thickness of the
금속 실리사이드막(113) 형성 후 세정 용액을 이용하여 세정 공정을 실시함에 따라 비정질 실리콘층과 반응하지 않은 금속막이 제거된다. 세정 용액으로는 NH4OH(SC-1) 및 HCl이 혼합된 것을 이용할 수 있다.After the
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님 을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention described above has been described in detail in a preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, the present invention will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 따른 반도체 소자의 실리사이드막 형성방법을 설명하기 위한 도면.1A to 1G are diagrams for explaining a silicide film forming method of a semiconductor device according to the present invention;
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101 : 반도체 기판 101a : 제1 접합 영역101:
101b : 제2 접합 영역 102 : LDD구조의 접합영역101b: second junction region 102: junction region of LDD structure
103 : 게이트 절연막 105 : 도전막103: gate insulating film 105: conductive film
105a : 게이트 패턴 107 : 스페이서105a: gate pattern 107: spacer
109 : 식각 정지막 111 : 금속막109: etch stop film 111: metal film
113 : 금속 실리사이드막 115 : 게이트 패턴113 metal silicide film 115 gate pattern
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