KR100780642B1 - Method for fabricating the same of semiconductor device with dual poly gate - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보론 아웃 디퓨전 현상을 방지하면서, 낮은 비저항을 갖는 게이트전극을 형성하기 위한듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 반도체 기판 상부에 게이트절연막을 형성하는 단계, 상기 게이트절연막 상에 제1 P형 폴리실리콘전극을 형성하는 단계, 상기 제1 P형 폴리실리콘전극 상에 제1배리어층을 형성하는 단계, 상기 제1배리어층 상에 제2 P형 폴리실리콘전극을 형성하는 단계, 상기 제2 P형 폴리실리콘전극 상에 제2배리어층을 형성하는 단계, 상기 제2배리어층 상에 금속전극을 형성하는 단계, 소정 열공정을 통해 상기 제1배리어층과 상기 제2 P형 폴리실리콘전극의 반응을 유도하여 확산배리어 및 저항증가 억제 역할을 하는 제3배리어층을 형성하는 단계를 포함하고, 또한 NMOS와 PMOS가 정의된 반도체 기판 상에 각각 NMOS에는 N형 폴리실리콘전극, PMOS에는 제1 P형 폴리실리콘전극을 형성하는 단계, 상기 각각의 폴리실리콘전극 상에 제1배리어층 형성하는 단계, 상기 PMOS의 제1배리어층 상에 제2 P형 폴리실리콘전극을 형성하는 단계, 상기 제2 P형 폴리실리콘전극을 포함한 전면에 제2배리어층을 형성하는 단계, 상기 제2배리어층 상에 금속전극을 형성하는 단계, 소정 열공정을 통해 상기 제1배리어층과 상기 제2 P형 폴리실리콘전극의 반응을 유도하여 확산배리어 및 저항증가 억제 역할을 하는 제3배리어층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기한 본 발명은 듀얼 폴리 게이트에서 보론 아웃 디퓨전 현상을 해소하고, 낮은 전극을 갖는 게이트전극의 형성으로 고속 소자 특성을 향상시켜 소자 특성 및 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a semiconductor device having a dual poly gate for forming a gate electrode having a low specific resistance while preventing boron out diffusion, and a method of manufacturing the same. The present invention provides a method for forming a gate insulating film on a semiconductor substrate. Forming a first P-type polysilicon electrode on the gate insulating film, forming a first barrier layer on the first P-type polysilicon electrode, and forming a second P-type poly on the first barrier layer Forming a silicon electrode, forming a second barrier layer on the second P-type polysilicon electrode, forming a metal electrode on the second barrier layer, and forming the first electrode layer through a predetermined thermal process And inducing a reaction of the second P-type polysilicon electrode to form a third barrier layer which serves to suppress diffusion barrier and increase resistance, and further, NMOS and PMOS are positively defined. Forming an N-type polysilicon electrode on an NMOS, a first P-type polysilicon electrode on a PMOS, a first barrier layer on each of the polysilicon electrodes, and a first layer of the PMOS Forming a second P-type polysilicon electrode on the barrier layer, forming a second barrier layer on the entire surface including the second P-type polysilicon electrode, and forming a metal electrode on the second barrier layer And inducing a reaction between the first barrier layer and the second P-type polysilicon electrode through a predetermined thermal process to form a third barrier layer which serves to suppress diffusion barrier and increase resistance. In the dual poly gate, the boron out diffusion phenomenon is eliminated, and the high-speed device characteristics are improved by forming a gate electrode having a low electrode, thereby improving device characteristics and reliability.
듀얼 폴리 게이트, 보론아웃디퓨전, 폴리공핍, 열공정 Dual Poly Gate, Boron Out Diffusion, Poly Depletion, Thermal Process
Description
도 1은 일반적인 듀얼 폴리 게이트를 설명하기 위한 단면도,1 is a cross-sectional view illustrating a general dual poly gate;
도 2는 듀얼 폴리 게이트의 인버젼 캐패시턴스를 비교한 그래프,2 is a graph comparing inversion capacitances of dual poly gates;
도 3과 4는 종래 기술에 따른 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자를 비교하기 위한 단면도와 그래프,3 and 4 are a cross-sectional view and a graph for comparing a semiconductor device having a dual poly gate according to the prior art,
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도,5A to 5F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a dual poly gate according to a first embodiment of the present invention;
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.6A to 6F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a dual poly gate according to a second preferred embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
51 : 반도체 기판 52 : 게이트절연막51
53 : 폴리실리콘전극 54 : 텅스텐실리사이드53
55 : 티타늄 55a : 티타늄실리사이드55: titanium 55a: titanium silicide
56 : 제2 P형 폴리실리콘전극 57 : 마스크패턴56: second P-type polysilicon electrode 57: mask pattern
58 : 텅스텐질화막 59 : 텅스텐58: tungsten nitride film 59: tungsten
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 것이다.BACKGROUND OF THE
반도체 소자의 고집적화에 따라 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)를 이용한 CMOS소자 공정시 게이트간의 간격(Pitch;피치)이 감소하게 되었다. 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 게이트 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. . Such a double gate structure has an effect of reducing 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 메탈전극 으로 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 형성된다. 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) film is formed.
도 3과 4는 종래 기술에 따른 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자를 비교하기 위한 단면도와 그래프이다. 설명의 편의를 돕기 위해 도 3에서는 반도체 소자의 PMOS영역만 도시하였다.3 and 4 are cross-sectional views and graphs for comparing semiconductor devices having dual poly gates 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, PMOS영역의 반도체 기판(31) 상에 P형 폴리실리콘전극(32)을 형성하고, P형 폴리실리콘전극(32) 상에 게이트전극(33)을 형성한다. 이때, 게이트전극(33)은 메탈전극인 텅스텐과 배리어메탈이 적층된 텅스텐/텅스텐질화막(a), 텅스텐/텅스텐질화막/텅스텐실리사이드(b)와 텅스텐/텅스텐질화막/TiN/Ti(c)로 형성한다.As shown in FIG. 3, the P-
상기 게이트전극(33)들을 비교하기 위해 도4를 참조하기로 한다.Reference will be made to FIG. 4 to compare the
도 4를 참조하면, 각 게이트전극(33)들의 게이트저항(a), 게이트산화막신뢰성(b)과 폴리공핍율(c)을 비교한다.Referring to FIG. 4, gate resistances (a), gate oxide film reliability (b), and poly depletion rate (c) of each
먼저, 게이트저항(a)의 측면에서 살펴보면 배리어메탈로 텅스텐질화막/텅스텐실리사이드와 텅스텐질화막/TiN/Ti을 사용했을 때가 텅스텐질화막을 사용했을때에 비하여 우수한 특성을 보인다. 이는, 텅스텐질화막/텅스텐실리사이드와 텅스텐질화막/TiN/Ti는 폴리실리콘전극 상부에 추가로 삽입한 배리어메탈이 상부 텅스텐질화막내부의 질소가 열공정시 분해하여 형성할 수 있는 Si-N절연막의 형성을 억제하기 때문이다.First, in terms of the gate resistance (a), the use of tungsten nitride film / tungsten silicide and tungsten nitride film / TiN / Ti as the barrier metal shows better characteristics than that of the tungsten nitride film. This suppresses the formation of a Si-N insulating film in which the tungsten nitride film / tungsten silicide and tungsten nitride film / TiN / Ti are additionally inserted into the upper part of the polysilicon electrode and the barrier metal inserted in the upper tungsten nitride film can be formed by decomposition of nitrogen during the thermal process. Because.
게이트산화막신뢰성(Gate Oxide Integrity;GOI)(b)의 측면에서 살펴보면 텅스텐질화막/TiN/Ti가 가장 안좋은 특성을 텅스텐질화막/텅스텐실리사이드가 가장 좋은 특성을 보인다. 이는, 폴리실리콘전극 상부의 텅스텐실리사이드가 게이트전극 상부의 하드마스크질화막이 인가하는 스트레스를 완화시키기 때문이다.In terms of Gate Oxide Integrity (GOI) (b), tungsten nitride film / TiN / Ti is the worst and tungsten nitride film / tungsten silicide is the best. This is because the tungsten silicide on the polysilicon electrode relieves the stress applied by the hard mask nitride film on the gate electrode.
폴리공핍율(c)의 측면에서 살펴보면 텅스텐질화막/텅스텐실리사이드에서 가장 많이 보론 아웃 디퓨전(Boron Out Diffusion)되어 폴리공핍율이 가장 높다.In terms of poly depletion rate (c), the highest polydepletion rate is due to the highest boron out diffusion in the tungsten nitride film / tungsten silicide.
위와 같이, 폴리공핍율을 제외한 측면에서는 게이트전극으로 텅스텐/텅스텐질화막/텅스텐실리사이드/폴리실리콘전극을 사용하는 것이 게이트저항 및 게이트산화막신뢰성 측면에서 가장 유리하다. 그러나, 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자의 경우 P형 폴리실리콘전극에서 열화된 폴리공핍(Poly Silicon Depletion)현상이 발생하여 소자 특성 열화가 나타나는 문제점이 있다.As described above, the use of tungsten / tungsten nitride film / tungsten silicide / polysilicon electrode as the gate electrode is most advantageous in terms of gate resistance and gate oxide film reliability. However, in the case of a semiconductor device having dual poly gates, deteriorated poly silicon depletion occurs in the P-type polysilicon electrode, resulting in deterioration of device characteristics.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 보론 아웃 디퓨전 현상을 방지하면서, 낮은 비저항을 갖는 게이트전극을 형성하기 위한듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and provides a semiconductor device having a dual poly gate for forming a gate electrode having a low specific resistance while preventing boron out diffusion, and a method of manufacturing the same. There is a purpose.
본 발명은 반도체 기판 상부에 게이트절연막을 형성하는 단계, 상기 게이트절연막 상에 제1 P형 폴리실리콘전극을 형성하는 단계, 상기 제1 P형 폴리실리콘전극 상에 제1배리어층을 형성하는 단계, 상기 제1배리어층 상에 제2 P형 폴리실리콘전극을 형성하는 단계, 상기 제2 P형 폴리실리콘전극 상에 제2배리어층을 형성하는 단계, 상기 제2배리어층 상에 금속전극을 형성하는 단계, 소정 열공정을 통해 상기 제1배리어층과 상기 제2 P형 폴리실리콘전극의 반응을 유도하여 확산배리어 및 저항증가 억제 역할을 하는 제3배리어층을 형성하는 단계를 포함하고, 또한 NMOS와 PMOS가 정의된 반도체 기판 상에 각각 NMOS에는 N형 폴리실리콘전극, PMOS에는 제1 P형 폴리실리콘전극을 형성하는 단계, 상기 각각의 폴리실리콘전극 상에 제1배리어층 형성하는 단계, 상기 PMOS의 제1배리어층 상에 제2 P형 폴리실리콘전극을 형성하는 단계, 상기 제2 P형 폴리실리콘전극을 포함한 전면에 제2배리어층을 형성하는 단계, 상기 제2배리어층 상에 금속전극을 형성하는 단계, 소정 열공정을 통해 상기 제1배리어층과 상기 제2 P형 폴리실리콘전극의 반응을 유도하여 확산배리어 및 저항증가 억제 역할을 하는 제3배리어층을 형성하는 단계를 포함한다.The present invention provides a method of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, forming a first P-type polysilicon electrode on the gate insulating film, and forming a first barrier layer on the first P-type polysilicon electrode. Forming a second P-type polysilicon electrode on the first barrier layer, forming a second barrier layer on the second P-type polysilicon electrode, and forming a metal electrode on the second barrier layer And inducing a reaction between the first barrier layer and the second P-type polysilicon electrode through a predetermined thermal process to form a third barrier layer that serves to suppress diffusion barrier and increase resistance. Forming an N-type polysilicon electrode in an NMOS and a first P-type polysilicon electrode in a PMOS on a semiconductor substrate on which a PMOS is defined, and forming a first barrier layer on each polysilicon electrode, wherein the PMOS Forming a second P-type polysilicon electrode on the first barrier layer of the second semiconductor layer; forming a second barrier layer on the entire surface including the second P-type polysilicon electrode; and forming a metal electrode on the second barrier layer. And forming a third barrier layer that serves to suppress diffusion and resistance increase by inducing a reaction between the first barrier layer and the second P-type polysilicon electrode through a predetermined thermal process.
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 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
실시예Example 1 One
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.5A to 5F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a dual poly gate according to a first embodiment of the present invention.
도 5a에 도시된 바와 같이, NMOS와 PMOS가 정의된 반도체 기판(51) 상에 게이트절연막(52)을 형성한다. 여기서, 반도체 기판(51)은 도시되지는 않았지만 소자분리막과 웰(well)을 포함한다. As shown in FIG. 5A, a
이어서, 게이트절연막(52) 상에 폴리실리콘전극(53)을 형성한다. 여기서, 폴리실리콘전극(53)은 도핑되지 않은(Un-doped) 폴리실리콘전극(53) 또는 N형 도핑된 폴리실리콘전극(53)일 수 있다.Subsequently, a polysilicon electrode 53 is formed on the
이어서, 폴리실리콘전극(53) 상에 제1감광막패턴(54)을 형성하여 PMOS의 폴리실리콘전극(53a)을 오픈시킨다.Subsequently, the first
이어서, 제1감광막패턴(54)을 이온주입 마스크로 PMOS의 폴리실리콘전극(53a)에 P형 불순물을 도핑하여 제1 P형 폴리실리콘전극(53a)을 형성한다. 여기서, P형 불순물은 보론(boron)을 사용할 수 있다.Subsequently, the first P-
이어서, 제1감광막패턴(54)을 제거한다. 제1감광막패턴(54)은 건식식각으로 제거하되 바람직하게는 산소플라즈마로 제거할 수 있다.Next, the first
도 5b에 도시된 바와 같이, PMOS의 폴리실리콘전극(53a) 상에 제2감광막패턴(55)을 형성하여 NMOS의 폴리실리콘전극(53b)을 오픈시킨다. As shown in FIG. 5B, the second
이어서, 제2감광막패턴(54)을 이온주입 마스크로 NMOS의 폴리실리콘전극(53b)에 N형 불순물을 도핑하여 N형 폴리실리콘전극(53b)을 형성한다. 여기서, N형 불순물은 인(Phosphorus)을 사용할 수 있다.Next, the N-
이어서, 제2감광막패턴(55)을 제거한다. 제2감광막패턴(55)은 건식식각으로 제거하되 바람직하게는 산소플라즈마로 제거할 수 있다.Next, the second
도 5c에 도시된 바와 같이, 폴리실리콘전극(53a, 53b) 상에 텅스텐실리사이드(WSix, 54)와 티타늄(Ti, 55)을 순차로 형성한다. 여기서, 텅스텐실리사이드(54)와 티타늄(55)은 후속 상부에 형성되는 텅스텐의 디퓨전 배리어(Diffusion Barrier)역할을 하기 위한 것으로, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition;CVD), 물리적기상증착법(Physical Vapor Deposition;PVD) 및 원자층증착법(Atomic Layer Deposition;ALD) 중에서 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다. 또한, 텅스텐실리사이드(54)는 50Å∼100Å, 티타늄(55)은 30Å∼60Å의 두께로 형성한다.As shown in FIG. 5C, tungsten silicide (Six, 54) and titanium (Ti, 55) are sequentially formed on the
이어서, 티타늄(55) 상에 제2 P형 폴리실리콘전극(56)을 형성한다. 여기서, 제2 P형 폴리실리콘전극(56)은 화학기상증착법(SiHCl3 + H2 → Si +3HCl)으로 형성하되, P형 불순물, 바람직하게는 보론(Boron)원소를 포함한 가스를 주입하여 인시튜(In-Situ)로 도핑하여 형성할 수 있다. 제2 P형 폴리실리콘전극(56)은 적어도 50Å이하(10Å∼50Å)로 형성한다.Subsequently, a second P-
위와 같이, 제2 P형 폴리실리콘전극(56)은 후속 열공정시 내부에 있는 보론이 하부로 디퓨전되어 하부 PMOS의 제1 P형 폴리실리콘전극(53a)에 모자란 보론을 공급해 줄 수가 있게 되어 폴리공핍현상을 억제할 수 있고, 티타늄(55)과 결합하여 티타늄실리사이드(TiSix)를 형성함으로써 저항증가를 억제할 수 있다.As described above, the second P-
도 5d에 도시된 바와 같이, NMOS의 제2 P형 폴리실리콘전극(56)을 오픈시키는 마스크패턴(57)을 형성하고, 마스크패턴(57)으로 NMOS의 제2 P형 폴리실리콘전극(56)을 식각하여 PMOS의 제2 P형 폴리실리콘전극(56)만 잔류시킨다. As shown in FIG. 5D, a
NMOS영역에 제2 P형 폴리실리콘전극(56)을 제거하는 이유는, NMOS영역에 제2 P형 폴리실리콘전극(56)을 형성할 경우 후속 열공정시 하부 NMOS영역의 N형 불순물이 도핑된 폴리실리콘전극(53b)으로 보론이 디퓨전하여 카운터 도핑(Counter Doping)현상이 일어나 플랫 밴드 전압(Flat Band Voltage)이 변할 수 있기 때문이다.The reason for removing the second P-
도 5e에 도시된 바와 같이, 마스크패턴(57)을 제거한다. 마스크패턴(57)은 건식식각으로 제거하되, 바람직하게는 산소플라즈마로 제거할 수 있다.As shown in FIG. 5E, the
이어서, NMOS와 PMOS 각각의 최상층 상부에 텅스텐질화막(58)과 텅스텐(59)을 순차로 형성한다. 여기서, 텅스텐질화막(58)은 후속 열공정시 상부 텅스텐(59)과 하부 제2 P형 폴리실리콘전극(56)과의 실리콘화합물화(Silicidation)를 억제하기 위한 디퓨전배리어로 적어도 50Å이상으로 형성한다. Subsequently,
도 5f에 도시된 바와 같이, 열공정을 실시하되, PMOS영역의 제2 P형 폴리실리콘전극(56)과 티타늄(55)이 완전히 반응하여 티타늄실리사이드(55a)만 존재할때까지 실시한다. 티타늄실리사이드(55a)가 형성되는 동시에 제2 P형 폴리실리콘전극(56)의 보론들은 하부 또는 상부로 보론 아웃 디퓨전된다.As shown in FIG. 5F, a thermal process is performed, and the second P-
열공정은 600℃를 넘지 않는 온도(100℃∼600℃)로 실시하는데, 이는 텅스텐질화막(58) 내부의 질소가 분해되는 온도, 즉 800℃보다 충분히 낮은 온도로써 티타늄실리사이드(55a)가 형성되는 열공정동안 실리콘화합물화는 일어나지 않는다. The thermal process is performed at a temperature not exceeding 600 ° C. (100 ° C. to 600 ° C.), which is a temperature at which nitrogen in the
또한, 열공정시 PMOS영역의 제2 P형 폴리실리콘전극(56)과 티타늄(55)이 잔류하지 않고 모두 티타늄실리사이드(55a)로 변하였기 때문에 후속 공정에서 텅스텐질화막(58) 내부의 질소가 분해되더라도 폴리실리콘이 존재하지 않아서 Si-N절연막 형성이 되지 않는다.In addition, since the second P-
따라서, 열공정시 제2 P형 폴리실리콘전극(56) 내부에 보론이 상부 및 하부로 디퓨전되어 하부 PMOS의 제1 P형 폴리실리콘전극(53a)의 보론 아웃 디퓨전으로 인한 폴리공핍현상을 억제하면서도 티타늄실리사이드(55a)가 형성되어 저항증가를 억제하기 때문에 소자의 고속동작특성을 가능하게 한다.Therefore, during the thermal process, boron is diffused into the upper and lower portions of the second P-
실시예Example 2 2
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.6A to 6E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a dual poly gate according to a second exemplary embodiment of the present invention.
도 6a에 도시된 바와 같이, NMOS와 PMOS가 정의된 반도체 기판(61) 상에 게이트절연막(62)을 형성한다. 여기서, 반도체 기판(61)은 도시되지는 않았지만 소자분리막과 웰(well)을 포함한다. As shown in FIG. 6A, a
이어서, 게이트절연막(62) 상에 폴리실리콘전극(63)을 형성한다. 여기서, 폴리실리콘전극(63)은 도핑되지 않은(Un-doped) 폴리실리콘전극(63) 또는 N형 도핑된 폴리실리콘전극(63)일 수 있다.Next, a polysilicon electrode 63 is formed on the
이어서, 폴리실리콘전극(63) 상에 제1감광막패턴(64)을 형성하여 PMOS의 폴리실리콘전극(63a)을 오픈시킨다.Subsequently, the first
이어서, 제1감광막패턴(64)을 이온주입 마스크로 PMOS의 폴리실리콘전극(63a)에 P형 불순물을 도핑하여 제1 P형 폴리실리콘전극(63a)을 형성한다. 여기서, P형 불순물은 보론(boron)을 사용할 수 있다.Subsequently, the first P-
이어서, 제1감광막패턴(64)을 제거한다. 제1감광막패턴(64)은 건식식각으로 제거하되 바람직하게는 산소플라즈마로 제거할 수 있다.Next, the first
도 6b에 도시된 바와 같이, PMOS의 제1 P형 폴리실리콘전극(63a) 상에 제2감광막패턴(65)을 형성하여 NMOS의 폴리실리콘전극(63b)을 오픈시킨다. As shown in FIG. 6B, the second
이어서, 제2감광막패턴(64)을 이온주입 마스크로 NMOS의 폴리실리콘전극(63b)에 N형 불순물을 도핑하여 N형 폴리실리콘전극(63b)을 형성한다. 여기서, N형 불순물은 인(Phosphorus)을 사용할 수 있다.Subsequently, the N-
이어서, 제2감광막패턴(65)을 제거한다. 제2감광막패턴(65)은 건식식각으로 제거하되 바람직하게는 산소플라즈마로 제거할 수 있다.Subsequently, the second
도 6c에 도시된 바와 같이, 폴리실리콘전극(63a, 63b) 상에 텅스텐실리사이드(WSix, 64)와 티타늄(Ti, 65)을 순차로 형성한다. 여기서, 텅스텐실리사이드(64)와 티타늄(65)은 후속 상부에 형성되는 텅스텐의 디퓨전 배리어(Diffusion Barrier)역할을 하기 위한 것으로, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition;CVD), 물리적기상증착법(Physical Vapor Deposition;PVD) 및 원자층증착법(Atomic Layer Deposition;ALD) 중에서 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다. 또한, 텅스텐실리사이드(64)는 50Å∼100Å, 티타늄(65)은 30Å∼60Å의 두께로 형성한다.As shown in FIG. 6C, tungsten silicide (Six, 64) and titanium (Ti, 65) are sequentially formed on the
이어서, 티타늄(65) 상에 언도프드 폴리실리콘(Undoped Polisilicon, 66)을 형성한다. 언도프드 폴리실리콘(66)은 화학기상증착법(SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl)으로 형성하되, 도 5c와 같이 인시튜로 보론원소가 포함된 가스를 주입하지 않고, 언도프드 폴리실리콘(66)을 형성한다. 언도프드 폴리실리콘(66)은 적어도 50Å이하(10Å∼50Å)로 형성한다.Subsequently, an
도 6d에 도시된 바와 같이, PMOS의 언도프트 폴리실리콘(66)을 오픈시키는 마스크패턴(67)을 형성하고, 마스크패턴(67)을 이온주입 마스크로 PMOS의 언도프드 폴리실리콘(66)에 P형 불순물, 바람직하게는 보론(Boron)을 이온주입하여 PMOS영역에만 제2 P형 폴리실리콘전극(66a)을 형성한다. As shown in FIG. 6D, a
PMOS영역에만 제2 P형 폴리실리콘전극(66a)을 형성하는 이유는, NMOS영역에 P형 폴리실리콘을 형성할 경우 후속 열공정시 하부 NMOS영역의 N형 불순물이 도핑된 폴리실리콘전극(63b)으로 보론이 디퓨전하여 카운터 도핑(Counter Doping)현상이 일어나 플랫 밴드 전압(Flat Band Voltage)이 변할 수 있기 때문이다.The reason why the second P-
도 6e에 도시된 바와 같이, 마스크패턴(67)을 제거한다. 마스크패턴(67)은 건식식각으로 제거하되, 바람직하게는 산소플라즈마로 제거할 수 있다.As shown in FIG. 6E, the
이어서, 폴리실리콘전극(66, 66a) 상부에 텅스텐질화막(68)과 텅스텐(69)을 순차로 형성한다. 여기서, 텅스텐질화막(68)은 후속 열공정시 상부 텅스텐(69)과 하부 폴리실리콘(66, 66a)과의 실리콘화합물화(Silicidation)를 억제하기 위한 디퓨전배리어역할을 하기 위한 것으로, 적어도 50Å이상으로 형성한다. Next, the
도 6f에 도시된 바와 같이, 열공정을 실시하되, 폴리실리콘(66, 66a)과 티타늄(65)이 완전히 반응하여 티타늄실리사이드(65a)만 존재할때까지 실시한다. 티타늄실리사이드(65a)가 형성되는 동시에 제2 P형 폴리실리콘전극(66a)의 보론들은 하부 또는 상부로 보론 아웃 디퓨전된다.As shown in FIG. 6F, the thermal process is performed, until the
열공정은 600℃를 넘지 않는 온도(100℃∼600℃)로 실시하는데, 이는 텅스텐질화막(68) 내부의 질소가 분해되는 온도, 즉 800℃보다 충분히 낮은 온도로써 티타늄실리사이드(65a)가 형성되는 열공정동안 실리콘화합물화는 일어나지 않는다. The thermal process is performed at a temperature not exceeding 600 ° C. (100 ° C. to 600 ° C.), which is a temperature at which nitrogen in the
또한, 열공정시 폴리실리콘(66, 66a)과 티타늄(65)이 잔류하지 않고 모두 티타늄실리사이드(65a)로 변하였기 때문에 후속 공정에서 텅스텐질화막(68) 내부의 질소가 분해되더라도 폴리실리콘이 존재하지 않아서 Si-N절연막 형성이 되지 않는다.In addition, since the
따라서, 열공정시 제2 P형 폴리실리콘전극(66) 내부에 보론이 상부 및 하부로 디퓨전되어 하부 PMOS의 제1 P형 폴리실리콘전극(63a)의 보론 아웃 디퓨전으로 인한 폴리공핍현상을 억제하면서도 티타늄실리사이드(65a)가 형성되어 저항증가를 억제하기 때문에 소자의 고속동작특성을 가능하게 한다.Therefore, during the thermal process, boron is diffused into the upper and lower portions of the second P-
상기한 본 발명은, 폴리실리콘전극과 메탈전극인 텅스텐 사이에 형성되는 디퓨전배리어층 중간에 P형 폴리실리콘을 형성하여 열공정시 중간에 형성된 P형 폴리실리콘에서 보론이 아웃디퓨전되어 폴리실리콘전극의 폴리공핍현상을 억제하고, 디퓨전배리어층의 티타늄과 중간에 형성된 폴리실리콘이 실리콘화합물화로 티타늄실리사이드를 형성하여 저항증가를 억제할 수 있는 장점이 있다.In the present invention described above, P-type polysilicon is formed in the middle of the diffusion barrier layer formed between the polysilicon electrode and tungsten, which is a metal electrode, and boron is out-diffused from the P-type polysilicon formed in the middle during the thermal process so that the polysilicon of the polysilicon electrode The depletion phenomenon is suppressed, and polysilicon formed between titanium and the diffusion barrier layer forms titanium silicide by silicon compounding, thereby increasing resistance.
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 발명에 의한 듀얼 폴리 게이트를 갖는 반도체 소자 및 그의 제조방법은 듀얼 폴리 게이트에서 보론 아웃 디퓨전 현상을 해소하고, 낮은 전극을 갖는 게이트전극의 형성으로 고속 소자 특성을 향상시켜 소자 특성 및 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.The semiconductor device having a dual poly gate and a method of manufacturing the same according to the present invention eliminate the boron out diffusion phenomenon in the dual poly gate and improve the device characteristics and reliability by improving the high speed device characteristics by forming a gate electrode having a low electrode. It is effective to improve.
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KR20010027393A (en) * | 1999-09-13 | 2001-04-06 | 윤종용 | Reliable bit line structure and method of forming the same |
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