KR101013544B1 - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 방법은, 실리콘 기판 표면에 희생산화막을 성장시키는 단계와, 기판 내에 웰 및 채널 이온주입을 수행함과 동시에 질소(N) 이온을 이온주입하는 단계와, 게이트 산화 공정을 행하여 기판 표면에 게이트산화막을 형성한 후, 게이트도전막을 증착하는 단계와, 상기 게이트도전막과 게이트산화막을 식각하여 게이트를 형성하는 단계와, 식각 데미지를 제거해주기 위해 게이트 재산화 공정을 수행하는 단계와, LDD 이온주입을 수행하는 단계와, 게이트의 양측벽에 스페이서를 형성하는 단계와, 기판 전면에 소오스/드레인 이온주입을 수행하는 단계와, 기판 결과물을 어닐링하여 게이트 양측의 기판 표면 내에 LDD 영역을 갖는 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 웰 및 채널 영역에 질소(N) 이온을 도핑시켜 줌으로써 이러한 질소(N) 이온에 의해 LDD 영역 및 소오스/드레인 영역에 이온주입된 도펀트가 후속 열공정에서 웰 및 채널 영역으로 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며, 이에 따라, 소자의 고집적화로 인해 유발되는 단채널효과 및 역단채널효과를 방지할 수 있다. The present invention discloses a method for manufacturing a semiconductor device. The disclosed method includes growing a sacrificial oxide film on a surface of a silicon substrate, performing ion and implantation of nitrogen (N) ions simultaneously with well and channel ion implantation into the substrate, and performing a gate oxidation process on the substrate surface. After the gate oxide film is formed, depositing a gate conductive film, etching the gate conductive film and the gate oxide film to form a gate, performing a gate reoxidation process to remove etching damage, and performing LDD ions. Performing implantation, forming spacers on both sidewalls of the gate, performing source / drain ion implantation on the front of the substrate, and annealing the substrate product to source / drain regions having LDD regions in the substrate surface on both sides of the gate. Forming a drain region. According to the present invention, the dopant implanted into the LDD region and the source / drain region by the nitrogen (N) ions diffuses into the well and channel region in a subsequent thermal process by doping nitrogen (N) ions into the well and channel regions. Can be effectively prevented, thereby preventing the short channel effect and the reverse short channel effect caused by the high integration of the device.
Description
도 1은 게이트 CD(Critical Dimension) 감소에 따라 나타나는 역단채널효과 및 단채널효과를 설명하기 위한 그래프.1 is a graph illustrating the inverse short channel effect and short channel effect as the gate CD (critical dimension) decreases.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도. 2A to 2D are cross-sectional views illustrating processes for manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 실리콘 기판 2 : 소자분리막1: silicon substrate 2: device isolation film
3 : 희생산화막 4 : 게이트산화막3: sacrificial oxide film 4: gate oxide film
5 : 폴리실리콘막 6 : 게이트5: polysilicon film 6: gate
7 : 스페이서 8 : 소오스/드레인 영역7
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 단채널효과(short channel effect)를 개선시킬 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 improving short channel effects.
반도체 소자의 고집적화가 진행됨에 따라 게이트 CD(Critical Dimension)가 점점 작아지고 있고, 이에 따라, 펀치스루(punchthrough) 등의 단채널효과(short channel effect)가 큰 문제가 되고 있는 바, 이를 해결할 수 있는 다양한 기술들이 제안되고 있다. As the high integration of semiconductor devices proceeds, the gate CD (Critical Dimension) becomes smaller and smaller, and accordingly, short channel effects such as punchthrough become a big problem. Various techniques have been proposed.
상기 단채널효과를 억제하기 위한 방법으로서 LDD(Lightly Doped Drain) 구조 및 포켓 이온주입이 채택하여 왔다. 아울러, LDD 및 소오스/드레인 이온주입 에너지를 낮추고, 또한, 써멀 버짓(thermal budget)을 줄이는 방법도 적용되고 있다. As a method for suppressing the short channel effect, a lightly doped drain (LDD) structure and pocket ion implantation have been adopted. In addition, a method of lowering LDD and source / drain ion implantation energy and reducing thermal budget has also been applied.
그러나, 상기한 방법들로도 단채널효과에 대한 제어가 완벽하게 이루어지고 있지는 않은 실정이다. However, even in the above-described methods, the control of the short channel effect is not completely achieved.
도 1은 게이트 CD 감소에 따라 나타나는 역단채널효과 및 단채널효과를 설명하기 위한 그래프로서, 도시된 바와 같이, 게이트 CD가 감소함에 따라 단채널효과에 따른 롤 오프(roll off) 현상이 일어남을 볼 수 있다. FIG. 1 is a graph illustrating the inverse short channel effect and the short channel effect as the gate CD decreases. As shown in FIG. 1, a roll off phenomenon occurs due to the short channel effect as the gate CD decreases. Can be.
특히, 이러한 단채널효과는 주로 LDD 영역이나 소오스/드레인 영역에 이온주입된 도펀트의 측면 확산(latteral diffusion)에 의해 발생되는 것으로, 이에 대한 제어를 위해 여러가지 방법들이 제안되어 왔으나, 현재로서 그 제어가 쉽지 않으며, pMOS 도펀트로 주로 사용되는 보론(B)의 확산도(diffusivity)가 상대적으로 nMOS에 사용되는 인(P)이나 비소(As)에 비해 크기 때문에 pMOS에서 더욱 크게 나타나고 있다. In particular, such a short channel effect is mainly caused by the lateral diffusion of dopants ion-implanted in the LDD region or the source / drain region, and various methods have been proposed for the control thereof. The diffusivity of boron (B), which is mainly used as a pMOS dopant, is not easy, and is larger in pMOS since it is relatively larger than phosphorus (P) or arsenic (As) used in nMOS.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, pMOS에서의 단채널효과를 개선시킬 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of improving the short channel effect in a pMOS, which is devised to solve the above problems.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 소자분리막이 구비된 실리콘 기판 표면에 희생산화막을 성장시키는 단계; 상기 희생산화막 상에 웰 영역 및 채널 영역을 노출시키는 이온주입 마스크를 형성하는 단계; 상기 노출된 기판 영역 내에 차례로 웰 및 채널 이온주입을 수행함과 동시에 질소(N) 이온을 이온주입하는 단계; 상기 이온주입 마스크 및 희생산화막을 제거하는 단계; 상기 기판 결과물에 대해 게이트 산화 공정을 행하여 기판 표면에 게이트산화막을 형성하는 단계; 상기 게이트산화막 상에 게이트도전막을 증착하는 단계; 상기 게이트도전막과 게이트산화막을 식각하여 게이트를 형성하는 단계; 상기 식각 데미지를 제거해주기 위해 게이트 재산화 공정을 수행하는 단계; 상기 기판 전면에 LDD 이온주입을 수행하는 단계; 상기 게이트의 양측벽에 스페이서를 형성하는 단계; 상기 기판 전면에 소오스/드레인 이온주입을 수행하는 단계; 및 상기 기판 결과물을 어닐링하여 게이트 양측의 기판 표면 내에 LDD 영역을 갖는 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of growing a sacrificial oxide film on the surface of the silicon substrate with a device isolation film; Forming an ion implantation mask exposing a well region and a channel region on the sacrificial oxide film; Ion-implanting nitrogen (N) ions while sequentially performing well and channel ion implantation into the exposed substrate region; Removing the ion implantation mask and the sacrificial oxide film; Performing a gate oxidation process on the substrate resultant to form a gate oxide film on the surface of the substrate; Depositing a gate conductive film on the gate oxide film; Etching the gate conductive layer and the gate oxide layer to form a gate; Performing a gate reoxidation process to remove the etch damage; Performing LDD ion implantation on the entire surface of the substrate; Forming spacers on both side walls of the gate; Performing source / drain ion implantation on the entire surface of the substrate; And annealing the resultant substrate to form source / drain regions having LDD regions in the substrate surfaces on both sides of the gate.
여기서, 상기 희생산화막은 500Å 이하의 두께로 성장시킨다. 상기 질소(N) 이온주입은 N2+ 이온 기준으로 이온주입 에너지를 100keV 이하로 하거나 N+ 이온 기준으로 이온주입 에너지를 50keV 이하로 하며, 도우즈량을 1E13∼3E15원자/㎤로 하고, 그리고, 펀치스루가 발생되는 깊이를 이온주입 깊이로 하여 수행한다. 상기 게이트 산화 공정은 600℃ 이하의 저온 플라즈마 산화 공정으로 진행한다. Here, the sacrificial oxide film is grown to a thickness of 500 kPa or less. The nitrogen (N) ion implantation has an ion implantation energy of 100 keV or less on the basis of N2 + ions or an ion implantation energy of 50 keV or less on the basis of N + ions, a dose of 1E13-3E15 atoms / cm 3, and punch-through The generated depth is carried out with the ion implantation depth. The gate oxidation process proceeds to a low temperature plasma oxidation process of 600 ° C or lower.
본 발명에 따르면, 웰 및 채널 영역에 질소(N) 이온을 도핑시켜 줌으로써 이 러한 질소(N) 이온에 의해 LDD 영역 및 소오스/드레인 영역에 이온주입된 도펀트가 후속 열공정에서 웰 및 채널 영역으로 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며, 이에 따라, 소자의 고집적화로 인해 유발되는 단채널효과 및 역단채널효과를 방지할 수 있다. According to the present invention, the dopant implanted into the LDD region and the source / drain region by the nitrogen (N) ions by doping nitrogen (N) ions into the well and channel regions is transferred to the well and channel regions in a subsequent thermal process. It is possible to effectively prevent the diffusion, thereby preventing the short channel effect and reverse channel effect caused by the high integration of the device.
(실시예)(Example)
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 질소(N)가 보론(B)의 확산을 억제한다는 사실로부터 사전에 웰 및 채널 영역에 질소를 도핑해 놓음으로써 LDD 영역 또는 소오스/드레인 영역에 이온주입된 보론(B)이 후속 열처리시에 확산되어 들어오는 것이 방지되도록 하고, 이를 통해, 단채널효과를 방지한다.According to the present invention, since the nitrogen (N) inhibits the diffusion of boron (B), the boron (B) ion-implanted in the LDD region or the source / drain region is subsequently heat treated by doping nitrogen in the well and channel regions in advance. It is possible to prevent spreading in the city, thereby preventing short channel effects.
한편, 웰 및 채널 영역에 도핑된 질소(N)는 후속에서 산화(oxidation) 공정과 같은 열공정이 수반될 경우, 표면 영역으로 확산되는 경향이 있으며, 이로 인해, 질소(N)를 함유한 실리콘의 산화 속도가 질소(N)를 함유하지 않은 실리콘의 산화 속도 보다 느린 것과 관련해서 원치않은 공정 결과가 초래될 수 있다. On the other hand, the nitrogen (N) doped in the well and channel region tends to diffuse to the surface region when it is subsequently accompanied by a thermal process such as an oxidation process, and thus, the nitrogen containing N Unwanted process results may be associated with the slower oxidation rate than that of silicon containing no nitrogen (N).
따라서, 본 발명은 후속하는 게이트 산화 공정을 통상의 열산화 공정 대신에 600℃ 이하의 저온 플라즈마 공정으로 진행함으로써 웰 및 채널 영역에 도핑된 질소(N)가 기판 표면으로 확산되는 것을 방지한다.Thus, the present invention prevents the diffusion of nitrogen (N) doped in the well and channel regions to the substrate surface by proceeding the subsequent gate oxidation process to a low temperature plasma process of 600 ° C. or less instead of the usual thermal oxidation process.
자세하게, 도 2a 내지 도 2d를 참조해서 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하도록 한다. In detail, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2D.
도 2a를 참조하면, 실리콘 기판(1)의 필드 영역에 얕은 트렌치 분리(Shallow Trench Isolation) 공정에 따라 소자분리막(2)을 형성한다. 그런다음, 기판 결과물에 대해 희생산화(scrificial oxidation) 공정을 실시하고, 이를 통해, 기판 액티브 영역 표면에 희생산화막(3)을 성장시킨다. 상기 희생산화막(3)의 성장 두께는 500Å 이하로 조절한다. 이것은 희생산화막(3)의 성장 두께가 500Å 이상으로 너무 두꺼우면, 채널 영역의 도펀트 조절이 어렵기 때문이다. Referring to FIG. 2A, an
도 2b를 참조하면, 희생산화막(3) 상에 공지의 리소그라피 공정을 통해 이온주입 마스크(도시안됨)를 형성한 후, 이를 이용해서 pMOS 및 nMOS의 웰 이온주입 및 채널 이온주입을 차례로 수행한다. 이때, 상기 pMOS 및 nMOS의 웰 및 채널 이온주입시에는 질소(N)를 동시에 이온주입하여 기판(1) 내에 적정 깊이로 질소(N) 도핑이 이루어지도록 한다. 상기 질소(N) 이온주입은 N2+ 이온 기준으로 이온주입 에너지를 100keV 이하, N+ 이온 기준일 경우에는 이온주입 에너지를 50keV 이하로 하면서 도우즈량을 1E13∼3E15원자/㎤ 정도로 하고, 이온주입 깊이는 소자 별로 상이하기는 하겠지만 펀치스루가 발생되는 깊이를 타겟으로 하여 수행한다.Referring to FIG. 2B, an ion implantation mask (not shown) is formed on the sacrificial oxide film 3 through a known lithography process, and then well ion implantation and channel ion implantation of pMOS and nMOS are sequentially performed. At this time, during the well and channel ion implantation of the pMOS and nMOS, nitrogen (N) is implanted at the same time so that nitrogen (N) doping is performed in the
한편, 상기 질소(N) 이온주입은 웰 및 채널 이온주입시 도펀트의 채널링 억제를 위한 예비비정질화(preamorphization)을 위해 먼저 수행할 수도 있다. Meanwhile, the nitrogen (N) ion implantation may be performed first for preamorphization for suppressing channeling of dopants in well and channel ion implantation.
도 2c를 참조하면, 공지의 감광막 스트립 공정에 따라 이온주입 마스크를 제거한 상태에서, HF 용액을 이용한 습식 세정으로 기판 표면 상의 희생산화막을 제거한다. 그런다음, 게이트 산화 공정을 행하여 기판 액티브 영역 표면에 게이트산화막(4)을 형성하고, 이어서, 상기 게이트산화막(4) 상에 게이트도전막으로서 폴리 실리콘막(5)을 증착한 후, 상기 폴리실리콘막(5)과 게이트산화막(4)을 식각하여 기판 액티브 영역 상에 게이트(6)를 형성한다. Referring to FIG. 2C, in a state in which an ion implantation mask is removed according to a known photoresist strip process, a sacrificial oxide film on a surface of a substrate is removed by wet cleaning using an HF solution. Thereafter, a gate oxidation process is performed to form a gate oxide film 4 on the surface of the substrate active region, and then a polysilicon film 5 is deposited on the gate oxide film 4 as a gate conductive film, and then the polysilicon is deposited. The film 5 and the gate oxide film 4 are etched to form a gate 6 on the substrate active region.
여기서, 상기 게이트 산화 공정은 종래의 열산화 공정 대신에 저온 플라즈마 산화 공정으로 진행한다. 이것은 700℃ 이상의 공정 온도를 필요로 하는 열산화 공정으로 게이트 산화 공정을 진행하면, 웰 및 채널 영역에 도핑된 질소(N) 이온이 기판 표면으로 확산됨에 따라 후속 게이트 재산화 공정에서 산화막이 영역 별 상이한 두께로 성장되어 또 다른 공정 결함을 유발할 수 있기 때문이다. Here, the gate oxidation process proceeds to a low temperature plasma oxidation process instead of the conventional thermal oxidation process. This is a thermal oxidation process requiring a process temperature of 700 ° C. or higher, and when the gate oxidation process is performed, the oxide layer is formed in each subsequent gate reoxidation process as nitrogen (N) ions doped in the well and channel regions diffuse to the substrate surface. This is because they can be grown to different thicknesses and cause another process defect.
따라서, 상기 게이트 산화 공정은 600℃ 이하의 저온 플라즈마 산화 공정으로 진행한다. Therefore, the gate oxidation process proceeds to a low temperature plasma oxidation process of 600 ° C or less.
도 2d를 참조하면, 게이트 형성시의 식각 데미지를 제거하기 위해 기판 결과물에 대해 게이트 재산화(gate reoxidation) 공정을 진행한다. 그런다음, 공지의 공정에 따라 LDD 이온주입 및 어닐링 공정을 수행한 후, 게이트(6)의 양측벽에 스페이서(7)를 형성한다. Referring to FIG. 2D, a gate reoxidation process is performed on the substrate resultant to remove etch damage during the gate formation. Then, after performing the LDD ion implantation and annealing process according to a known process, spacers 7 are formed on both side walls of the gate 6.
다음으로, 소오스/드레인 이온주입을 수행한 후, RTA(Rapid Thermal Annealing)를 수행하여 스페이서(7)를 포함한 게이트(6) 양측의 기판 표면에 LDD 영역을 갖는 소오스/드레인 영역(8)을 형성하고, 이 결과로서, 본 발명의 반도체 소자, 즉, pMOS 및 nMOS를 형성한다. Next, after source / drain ion implantation, RTA (Rapid Thermal Annealing) is performed to form source /
여기서, 웰 및 채널 영역에는 질소(N) 이온이 도핑되어 있고, 상기 질소(N) 이온이 후속 어닐링, 즉, 열공정시 LDD 영역 및 소오스/드레인 영역에 이온주입된 보론(B)이 상기 웰 및 채널 영역으로 측면 확산되는 것을 방지하므로, 비록, 게이 트 CD 감소에 따른 채널 영역의 폭이 작아지더라도, 단채널효과 및 역단채널효과는 방지된다. Here, the wells and channel regions are doped with nitrogen (N) ions, and the boron (B) in which the nitrogen (N) ions are implanted into the LDD region and the source / drain region during subsequent annealing, that is, the well and Since side diffusion is prevented into the channel region, even if the width of the channel region is reduced due to the decrease of the gate CD, the short channel effect and the reverse short channel effect are prevented.
이상에서와 같이, 본 발명은 웰 이온주입 및 채널 이온주입시 웰 및 채널 영역에 질소(N) 이온을 도핑시켜 줌으로써, 이러한 질소(N) 이온에 의해 LDD 영역 및 소오스/드레인 영역에 이온주입된 도펀트, 특히, pMOS에서의 보론(B)이 후속 열공정에서 웰 및 채널 영역으로 확산되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 소자의 고집적화로 인해 유발되는 단채널효과 및 역단채널효과를 효과적으로 방지할 수 있다. As described above, according to the present invention, by doping nitrogen (N) ions in the well and channel regions during well ion implantation and channel ion implantation, ion implantation into the LDD region and the source / drain region by such nitrogen (N) ions is performed. It is possible to prevent the diffusion of boron (B) in the dopant, in particular pMOS, into the well and channel regions in subsequent thermal processes, thereby effectively preventing the short channel effect and reverse short channel effect caused by the high integration of the device. Can be.
따라서, 본 발명은 게이트 CD가 감소됨에 따라 나타나는 단채널효과를 용이하게 제어할 수 있으므로, 고집적 소자의 제조에 유리하게 적용할 수 있다. Therefore, the present invention can easily control the short-channel effect appearing as the gate CD is reduced, it can be advantageously applied to the fabrication of highly integrated devices.
또한, 본 발명은 질소(N)의 이온주입을 웰 및 채널 이온주입 전에 선행할 경우 실리콘기판이 비정질화되는 것을 이용하여 도펀트의 채널링 또한 억제시킬 수 있으므로, 보다 정확한 도펀트 프로파일 제어가 가능하다. In addition, according to the present invention, when the ion implantation of nitrogen (N) is preceded before the well and channel ion implantation, channeling of the dopant may also be suppressed by using an amorphous silicon substrate, thereby enabling more accurate dopant profile control.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다. In addition, this invention can be implemented in various changes within the range which does not deviate from the summary.
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-
2003
- 2003-07-11 KR KR1020030047208A patent/KR101013544B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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