KR960002065B1 - Fabricating method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
제1도의 1a도-1d도는 종래 기술에 의한 반도체장치의 제조공정도.1A-1D of FIG. 1 are process steps for manufacturing a semiconductor device according to the prior art.
제2도의 2a도-2e도는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체장치의 제조공정도.2A-2E of FIG. 2 are manufacturing process diagrams of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
제3도의 3a도-3e도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 반도체장치의 제조공정도.3A-3E of FIG. 3 are manufacturing process diagrams of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체장치의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 도전층의 저항을 낮추기 위한 실리사이드(silicide)층을 포함하는 반도체장치의 제조방법에 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 method for manufacturing a semiconductor device including a silicide layer for lowering the resistance of a conductive layer.
반도체장치의 집적화 기술이 더욱 발전되어 1마이크론이나 그 이하의 초 고집적회로(VLSI)가 달성됨에 따라 배선과 관련하여 저항과 캐퍼시턴스의 감소에 대한 요구가 더욱 팽배하게 되었고, 특히 MOS(metal oxide semiconductor)구조에서는 더욱 절실하여 배선구조에따른 RC지연이 게이트의 스위칭에 따르는 지연을 초과하게 되었다. 배선의 RC(저항 X 캐패시턴스)값이 높아지면 높아질수록 회로의 동작속도는 이 RC 지연에 의해 제한을 받게 된다.특히 저 저항률의 배선구조가 반도체 소자의 집적화와 신뢰성을 높이는 데 결정적인 요인으로 작용하기 때문에 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 디자인 롤의 함수로 나타낸 RC 시정수(time constant) 값이 높은 폴리 실리콘 대신에 이 보다 훨씬 낮은 알루미늄이 배선재료로써 유용할 것으로 예상되나, 알루미늄의 융점, 공융점(eutectic temperature)이 낮고 어닐링이나 산화공정등 고온공정이 통상 이어지기 때문에 적절한 배선재료는 되지 못한다. 따라서 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo)등과 같은 고융점 금속이 사용되기에 이르렀다. 이들은 순수한 금속상태로 사용되거나, 고융점 금속 실리사이드 상태(WSi2, TiSi2, MoSi2, TaSi2)로 사용되기도 하고, 도핑된 폴리 실리콘상에 고융점 금속 실리사이드와 같은 저 저항 재료가 형성된 다층구조인 폴리사이드(polycide)형태로 사용되기도 한다.As the integration technology of semiconductor devices has been further developed and the achievement of ultra-high integrated circuits (VLSI) of 1 micron or less, the demand for reduction of resistance and capacitance in connection with wiring becomes more prevalent, especially metal oxide (MOS). In the semiconductor structure, the RC delay due to the wiring structure exceeds the delay due to the switching of the gate. The higher the RC (resistance X capacitance) value of the wiring, the more the circuit's operating speed is limited by this RC delay.In particular, the low resistivity wiring structure is a decisive factor in the integration and reliability of semiconductor devices. Therefore, research on this is being actively conducted. In general, much lower aluminum is expected to be useful as a wiring material instead of polysilicon, which has a high RC time constant as a function of design roll, but has a low melting point, eutectic temperature and annealing. However, due to the high temperature process such as oxidation process, it is not possible to make proper wiring material. Therefore, high melting point metals such as tungsten (W), tantalum (Ta), titanium (Ti) and molybdenum (Mo) have been used. They are used in the pure metal state, or in the high melting point metal silicide state (WSi2, TiSi2, MoSi2, TaSi2), and polylayers, which are multi-layered structures in which low-resistance materials such as high melting point metal silicides are formed on doped polysilicon. Sometimes used in the form of polycide).
그러나 고융점 금속들은 그 용융온도가 매우 높지만 그 산화물의 막질이 좋지 않고 어떤 경우는 휘발성이 있으며, 게다가 고융점금속 원료에 포함된 불순물로 인하여 MOS 트랜지스터에서 일정한 쒼膀시홀드(threshold) 전압을 얻을 수 없다는 단점이 있다. 이는 게이트가 배선층으로서 고융점 금속 실리사이드를 단독으로 사용하는 경우에도 같은 문제점이 발생하기 때문에 주로 폴리사이드 구조가 지배적으로 사용되게 되었다. 이와같이 함으로써 폴리 실리콘이 가지는 실리콘 산화막과의 양호한 계면특성등을 그대로 보유한 채 저 저항의 도전층을 실현할 수 있게 되었다.However, the high melting point metals have a very high melting temperature, but the oxide film is poor and in some cases volatile. Furthermore, impurities contained in the high melting point metal raw material may obtain a constant threshold voltage in the MOS transistor. The disadvantage is that it can't be. This is because the same problem occurs even when the gate uses a high melting point metal silicide alone as the wiring layer, so that the polyside structure is mainly used. By doing in this way, the conductive layer of low resistance can be implement | achieved, maintaining the favorable interface characteristic etc. with the silicon oxide film which polysilicon has.
한편 실리사이드를 형성시키는 방법으로서 후속되는 열처리 단계를 수반하면서 크게, 1) 단결정 또는 다결정 실리콘상에 순수 금속을 증착시키는 방법 2) 두 개의 공급원으로부터 나오는 실리콘과 고융점금속을 동시에 증발 농축(co-evaporation)시키는 방법 3) 혼합된 실리사이드 타게트로부터 스퍼터 증착시키거나, 독립된 타게트로부터 함께 스퍼터시키는 방법등이 주로 사용되고 있다.On the other hand, as a method of forming silicide, largely accompanied by a subsequent heat treatment step, 1) deposition of pure metal on single crystal or polycrystalline silicon 2) co-evaporation of silicon and high melting point metal from two sources simultaneously Method 3) Sputter deposition from mixed silicide targets or sputtering together from separate targets is mainly used.
한편 VLSI의 접촉면적이 줄어들면서 접촉저항(contact resistance)이 증가하고, 소오스/드레인영역의 얕은 접합층(shallow-junction)의 면저항이 증가함에 따라 이들 저항값을 줄이고 동시에 폴리 실리콘의 배선저항도 줄이기 위하여 샐리사이드(salicide) 기술이 사용되어 왔다.On the other hand, as the contact area of the VLSI decreases, the contact resistance increases, and as the surface resistance of the shallow junction of the source / drain regions increases, these resistance values are reduced and at the same time, the wiring resistance of the polysilicon is also reduced. Salicide technology has been used for this purpose.
이하 첨부한 제1도 (a)-(d)를 참조하여 상기 종래 기술을 설명하면 아래와 같다.Hereinafter, the prior art will be described with reference to the accompanying drawings 1 (a)-(d).
(a)에서 보여지듯이 반도체 기판(11)상에 게이트 절연막(12), 폴리 실리콘(13)을 차례로 적층시킨다. 이후 (b)에서 보여지듯이 통상의 사진 식각기술에 의하여 게이트 전극의 패턴을 형성시키고 이온주입을 실시하여 소오스, 드레인영역(14)을 형성시키고 전면에 절연막을 증착시킨 후 반응성 이온 식각법에 의하여 절연막 스페이서(15)를 게이트 전극(13) 측벽에 형성시켜준다.As shown in (a), the gate insulating film 12 and the polysilicon 13 are sequentially stacked on the semiconductor substrate 11. As shown in (b), a pattern of a gate electrode is formed by a conventional photolithography technique, ion implantation is performed to form a source and a drain region 14, an insulating film is deposited on the entire surface, and an insulating film is formed by reactive ion etching. The spacer 15 is formed on the sidewall of the gate electrode 13.
이어서 (c)에서 보여지듯이 MOS 구조의 전면에 고융점금속(16)을 증착시켜준 후 열처리를 해준다. 이때 (d)에서 보여지듯이 고융점금속(16)은 케이트 전극의 노출된 폴리 실리콘(13)과 소오스, 드레인 영역(14)의 노출된 실리콘과 반응하여 실리사이드(17)가 되며 절연막 스페이서(15)와는 반응하지 않고 남아있게 된다. 실리사이드(17) 형성 후 선택적으로 스페이서 위에 남아있는 고융점금속을 식각시킨다.Subsequently, as shown in (c), a high melting point metal 16 is deposited on the entire surface of the MOS structure, followed by heat treatment. At this time, as shown in (d), the high melting point metal 16 reacts with the exposed polysilicon 13 of the gate electrode and the exposed silicon of the source and drain regions 14 to form a silicide 17, and the insulating film spacer 15 Will remain unreacted. After the silicide 17 is formed, the high melting point metal remaining on the spacer is selectively etched.
그러나 상기의 종래 기술에 의하면 소자활성영역의 실리콘과 게이트전극의 실리콘이 그 상부에 증착된 고융점금속과 반응하여 실리사이드가 형성되기 때문에, 게이트 전극인 폴리 실리콘내에 존재하는 불순물이 이동하거나 표면에 불균일하게 성장된 자연산화막 때문에 불균일한 실리사이드막이 성장되고 후속되는 열처리 공정들에 의해 덩어리 모양(agglomeration)으로 되며, 소오스, 드레인영역에서는 소자활성영역의 실리콘이 소비되므로 제1d도에서 보여지듯이 남아있는 접합 깊이(18)가 줄어들어 리키지 전류가 증가되며 후속되는 열처리 공정에 의해 실리사이드의 그레인 성장이 일어나며 그로빙(grooving)현상에 의해 실리사이드 표면이 거칠어지고 덩어리지게 되어 반도체 소자의 특성을 악화 시키게 된다.However, according to the related art, since the silicon in the device active region and the silicon in the gate electrode react with the high melting point metal deposited thereon, silicide is formed, so that impurities present in the polysilicon as the gate electrode move or are uneven on the surface. Due to the naturally grown natural oxide film, an uneven silicide film is grown and agglomerated by subsequent heat treatment processes.Since the silicon of the device active region is consumed in the source and drain regions, the remaining junction depth is shown in FIG. 1d. (18) decreases to increase the leakage current, and the subsequent heat treatment causes grain growth of the silicide, and the surface of the silicide becomes rough and agglomerated by the grooving phenomenon, thereby deteriorating the characteristics of the semiconductor device.
따라서 본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점들을 해결하여 소자활성영역이나 게이트 전극상에서 덩어리가 발생하지 않는 균일한 두께를 지닌 실리사이드막을 포함하는 반도체장치의 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device including a silicide film having a uniform thickness in which no agglomeration occurs on the device active region or the gate electrode by solving the problems of the prior art.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 반도체장치의 제조방법은 실리콘층상에 실리사이드막이 형성되어 있는 반도체장치의 제조방법에 있어서, 상기 실리콘상에 버퍼막을 형성시켜 주는 제1공정과, 상기 버퍼막상에 실리콘과 고융점금속을 포함하는 도전층을 형성시켜 주는 제2공정과, 상기 제1, 2공정을 거친 물체를 열처리시켜 주는 제3공정을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로한다.A semiconductor device manufacturing method according to the present invention for achieving the above object is a method of manufacturing a semiconductor device in which a silicide film is formed on a silicon layer, the method comprising: forming a buffer film on the silicon; And a third step of forming a conductive layer containing silicon and a high melting point metal in the second step, and a third step of heat-treating the objects subjected to the first and second steps.
이하 본 발명의 원리가 MOS 트랜지스터에 구현된 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하겠다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[실시예1]Example 1
실시예 1에 관하여 제2도 (a)-(e)를 참조하여 설명하겠다.Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 2 (a)-(e).
(a)에서 보여지듯이 실리콘 기판(21)의 전면에 게이트 절연막(22), 제1도전막(23), 제1절연막(24)을 차례로 적층시킨다. 상기 제1절연막(24)은 산화막 또는 질화막이다.As shown in (a), the gate insulating film 22, the first conductive film 23, and the first insulating film 24 are sequentially stacked on the entire surface of the silicon substrate 21. The first insulating film 24 is an oxide film or a nitride film.
이어서 (b)에서 보여지듯이 통상의 사진 식각공정에 의하여 게이트 패턴을 형성하고 이온주입을 실시하여 소오스, 드레인영역(26)을 형성시킨다. 이어서 기판 전면에 질화막 또는 산화막으로된 제2절연막(25)을 형성시킨 후 반응성 이온 식각방법드으로 식각하여 절연막 스페이서(25)를 형성시킨다.Subsequently, as shown in (b), the gate pattern is formed by ion photolithography and ion implantation is performed to form the source and drain regions 26. Subsequently, a second insulating film 25 made of a nitride film or an oxide film is formed on the entire surface of the substrate, and then the insulating film spacer 25 is formed by etching the reactive ion etching method.
이어서 (c)에서 보여지듯이 상기 (b)의 제1절연막(24)만을 선택적으로 제거하고 기판 전면에 버퍼(buffer)막(27)을 형성시켜 준다. 이때 버퍼막(27)은 산화막 또는 티타늄나이트라이드(TiN)막으로 형성시켜 주거나 질소 분자 또는 이온을 이온주입방법에 의해 형성시켜 준다. 이어서 기판 전면에 제2도전막(28)을 불순물이 주입되지 않은 풀리 실리콘이나 비정질 실리콘으로 형성시켜 준다.Subsequently, as shown in (c), only the first insulating film 24 of (b) is selectively removed, and a buffer film 27 is formed on the entire surface of the substrate. In this case, the buffer film 27 is formed of an oxide film or a titanium nitride (TiN) film, or nitrogen molecules or ions are formed by an ion implantation method. Subsequently, the second conductive film 28 is formed on the entire surface of the substrate from pulley silicon or amorphous silicon into which impurities are not injected.
이어서 (d)에서 보여지듯이 통상의 식각방법에 의하거나 기판 전면에 플로우(flow)가 가능한 절연막을 도포하고 플로우/에치 백에 의하거나 통상의 평탄화 방법에 의해 상기 절연막 스페이서(25)상의 제2도전막(28)만을 선택적으로 제거하고, 기판 전면에 고융점 금속(29)을 형성시켜 준다.Subsequently, as shown in (d), a second insulating film on the insulating film spacer 25 is coated by a conventional etching method or a flowable insulating film on the entire surface of the substrate and by a flow / etch back method or a conventional planarization method. Only the film 28 is selectively removed, and a high melting point metal 29 is formed on the entire surface of the substrate.
이어서 (e)에서 보여지듯이 열처리를 수행하여 실리시데이션(silicidation)시키면 상부의 고융점금속(29)과 하부의 제2도전막(28) 및/또는 버퍼막(27)이 반응하여 실리사이드층(30)을 얻는다. 이때 상기 버퍼막(27)으로 산화막을 70~80Å으로 형성할 경우에 상기 산화막은 용해(solve)되어 없어진다. 또한, 버퍼막(27)으로 TiN막 또는 실리콘층에 질소이온(분자)에 의해 형성하는 경우에 실리사이드층 (30) 밑에 TiN막(도시 안함)으로 형성된다. 실리사이드층(30) 밑에 TiN막이 존재하더라도 TiN막과 실리사이드층은 하나의 도전막으로 이용된다.Subsequently, as shown in (e), when heat treatment is performed to perform silicidation, the high melting point metal 29 and the lower second conductive layer 28 and / or the buffer layer 27 react to form a silicide layer ( 30). At this time, when the oxide film is formed in the buffer layer 27 to 70 ~ 80Å, the oxide film is dissolved (dissolved) disappears. In the case of forming the TiN film or the silicon layer with nitrogen ions (molecules) as the buffer film 27, the TiN film (not shown) is formed under the silicide layer 30. Even if a TiN film exists under the silicide layer 30, the TiN film and the silicide layer are used as one conductive film.
[실시예2]Example 2
실시예 2는 실시예 1에서 제2c도의 버퍼막(27) 형성과정까지는 동일하다. 따라서 상기 버퍼막(27)을 형성시켜준 후 고융점 금속을 포함하는 폴리 실리콘이나 비정질 실리콘을 기판 전면에 형성시켜준 후 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 스페이서 위의 도전층만을 선택적으로 제거하고 열처리를 시켜 실리사이드층을 형성시켜 준다.Example 2 is the same from Example 1 to the formation process of the buffer film 27 of FIG. Therefore, after the buffer layer 27 is formed, polysilicon or amorphous silicon including a high melting point metal is formed on the entire surface of the substrate, and then only the conductive layer on the spacer is selectively removed in the same manner as in Example 1. Heat treatment is performed to form a silicide layer.
[실시예3]Example 3
실시예 3은 제3a도-제3e도를 참조하여 설명하겠다.Example 3 will be described with reference to FIGS. 3A-3E.
(a)에서 보여지듯이 실리콘 기판(31)의 전면에 게이트 절연막(32), 제1도전막(33), 제1버퍼막(34), 제2도전막(35)을 차례로 적층시킨다. 상기 제1버퍼막(34)은 실시예1과 동일한 것이며 동일한 방법으로 형성된다. 상기 제2도전막(35)은 불순물이 주입되지 않은 폴리 실리콘이나 비정질 실리콘으로 형성시켜 준다.As shown in (a), the gate insulating film 32, the first conductive film 33, the first buffer film 34, and the second conductive film 35 are sequentially stacked on the entire surface of the silicon substrate 31. The first buffer film 34 is the same as the first embodiment and is formed in the same manner. The second conductive layer 35 is formed of polysilicon or amorphous silicon to which impurities are not injected.
이어서 (b)에서 보여지듯이 통상의 사진 식각공정에 의하여 게이트 패턴을 형성하고 이온주입을 실시하여 소오스, 드레인영역(37)을 형성시킨다. 이어서 기판 전면에 질화막 또는 산화막으로 된 제1절연막(36)을 형성시킨 후 반응성 이온 식각방법등으로 식각하여 절연막 스페이서(36)를 형성시킨다.Subsequently, as shown in (b), the gate pattern is formed by ion photolithography and ion implantation is performed to form the source and drain regions 37. Subsequently, after forming the first insulating film 36 made of a nitride film or an oxide film on the entire surface of the substrate, the insulating film spacer 36 is formed by etching the reactive ion etching method.
이어서 (c)에서 보여지듯이 기판 전면에 제2버퍼(buffer)막(38)을 형성시켜 준다. 이때 제2버퍼막(38)은 상기 제1버퍼막(34)와 같이 산화막 또는 티타늄나이트라이드(TiN)막으로 형성시켜 주거나 질소분자 또는 이온을 이온 주입방법에 의해 형성시켜 준다. 이어서 기판 전면에 제3도전막(39)을 불순물이 주입되지 않은 풀리 실리콘이나 비정질 실리콘으로 형성시켜 준다.Subsequently, as shown in (c), a second buffer film 38 is formed on the entire surface of the substrate. In this case, the second buffer film 38 is formed of an oxide film or a titanium nitride (TiN) film like the first buffer film 34 or a nitrogen molecule or ion is formed by an ion implantation method. Subsequently, the third conductive film 39 is formed on the entire surface of the substrate from pulley silicon or amorphous silicon into which impurities are not injected.
이어서 (d)에서 보여지듯이 통상의 식각방법에 의하거나 기판전면에 플로우(flow)가 가능한 절연막을 도포하고, 플로우/에치 백에 의하거나 통상의 평탄화 방법에 의해 상기 절연막 스페이서(36)와 게이트 전극상의 제3도전막(39)만을 선택적으로 제거하고, 기판 전면에 고융점 금속(40)을 형성시켜 준다.Subsequently, as shown in (d), an insulating film capable of flowing through a conventional etching method or a front surface of the substrate is coated, and the insulating film spacer 36 and the gate electrode are formed by flow / etch back or by a conventional planarization method. Only the third conductive film 39 on the image is selectively removed, and the high melting point metal 40 is formed on the entire surface of the substrate.
이어서 (e)에서 보여지듯이 열처리를 수행하여 상기 고융점금속(40)과 제2도전막(35) 및/또는 제1, 제2버퍼막(34,38)과 반응하여 실리시데이션시키면 실리사이드층(41)을 얻는다. 이때 상기 제1버퍼막(34) 및 제2버퍼막(38)으로 산화막을 70~80Å으로 형성할 경우에 상기 산화막은 용해(solve)되어 없어진다. 또한, 제1버퍼막(34) 및 제2 버퍼막(38)으로 TiN막 또는 실리콘층에 질소이온(분자)에 의해 형성하는 경우에 실리사이드층(41) 밑에 TiN막(도시 안함)으로 형성된다. 실리사이드층(41) 밑에 TiN막이 존재하더라도 TiN막과 실리사이드층은 하나의 도전막으로 이용된다.Subsequently, as shown in (e), a heat treatment is performed to react with the high melting point metal 40 and the second conductive film 35 and / or the first and second buffer films 34 and 38 to silicide the silicide layer. Get 41. In this case, when the oxide film is formed to be 70 to 80 kV using the first buffer film 34 and the second buffer film 38, the oxide film is dissolved and disappeared. The first buffer film 34 and the second buffer film 38 are formed of a TiN film (not shown) under the silicide layer 41 when the TiN film or the silicon layer is formed of nitrogen ions (molecules). . Even if a TiN film exists under the silicide layer 41, the TiN film and the silicide layer are used as one conductive film.
[실시예4]Example 4
실시예 4는 실시예 3의 제3a도에서 제1버퍼막 (34)를 형성시켜준 후 제2도전막으로서 고융점 금속을 포함하는 폴리 실리콘이나 비정질 실리콘을 형성시켜준다. 이후 실시예 3과 동일한 공정을 실시하여 제3c도에서 보여지듯이 제2버퍼막(38)을 형성시켜준 후 기판 전면에 제3도전막으로서 고융점 금속을 포함하는 폴리 실리콘이나 비정질 실리콘을 형성시켜 주고 통상의 사진 식각방법이나 평탄화 방법에 의해 절연막 스페이서의 게이트 전극상의 제3도전막판을 선택적으로 제거하고 열처리 시켜 실시예 3의 제3e도와 같이 실리사이드층을 형성시켜 준다.Example 4 forms the first buffer layer 34 in FIG. 3A of Example 3, and then forms polysilicon or amorphous silicon including a high melting point metal as the second conductive layer. Thereafter, the same process as in Example 3 was performed to form the second buffer layer 38 as shown in FIG. 3C, and then polysilicon or amorphous silicon including high melting point metal was formed on the entire surface of the substrate as the third conductive layer. The third conductive film plate on the gate electrode of the insulating film spacer is selectively removed and subjected to heat treatment by a conventional photolithography method or a planarization method to form a silicide layer as shown in FIG. 3E of the third embodiment.
이상의 실시예들로부터 살펴본 바와 같이 버퍼막을 개재하여 형성되는 실리사이드층은 부분적으로 덩어리짐이 없이 매우 균일하게 되어, 종래 기술에 의한 게이트 폴리(poly)의 면저항이 평균 5.952/square이고 그 표준편차가 1.672/square이던 것이 본 발명에 의하면 면저항의 평균이 3.536/square이고 표준편차는 0.160/square로 감소되어 소자의 동작특성이 매우 향상된다.As seen from the above embodiments, the silicide layer formed through the buffer film is very uniform without being partially agglomerated, so that the sheet resistance of the gate poly according to the prior art averages 5.952 / square and its standard deviation is 1.672. According to the present invention, the average of sheet resistance is 3.536 / square and the standard deviation is reduced to 0.160 / square, thereby improving the operation characteristics of the device.
Claims (9)
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- 1992-09-25 KR KR1019920017556A patent/KR960002065B1/en not_active IP Right Cessation
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