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KR20050009466A - Stress-reduced polymetal gate electrode and method for manufacturing the same - Google Patents

Stress-reduced polymetal gate electrode and method for manufacturing the same Download PDF

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KR20050009466A
KR20050009466A KR1020030048788A KR20030048788A KR20050009466A KR 20050009466 A KR20050009466 A KR 20050009466A KR 1020030048788 A KR1020030048788 A KR 1020030048788A KR 20030048788 A KR20030048788 A KR 20030048788A KR 20050009466 A KR20050009466 A KR 20050009466A
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Abstract

PURPOSE: A stress-reduced polymetal gate electrode and a fabricating method thereof are provided to improve a refresh characteristic and reliability by implanting ions into a low resistant metal to adjust a thermal expansion coefficient thereof. CONSTITUTION: A gate insulating layer(302) is formed on a semiconductor substrate(301). A gate stack(300) is formed on the gate insulating layer. The gate stack includes a polysilicon layer(303) as a bottom layer, a hardmask insulating layer(307) as a top layer, and a metal layer(305) formed therebetween. The metal layer has a minimum thermal expansion coefficient difference in comparison with the hardmask insulating layer and the polysilicon layer. An ion implantation buffer layer(306) is formed on the metal layer to perform a buffering function in an impurity implantation process.

Description

스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극 및 그 제조 방법{Stress-reduced polymetal gate electrode and method for manufacturing the same}Stress-reduced polymetal gate electrode and method for manufacturing the same

본 발명은 폴리메탈(Polymetal) 게이트 전극 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 게이트 전극용 메탈의 열팽창계수를 조절하여 하드마스크 질화막에 의한 스트레스를 감소시킨 게이트 전극 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymetal gate electrode and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a gate electrode structure and a method of manufacturing the same. will be.

잘 알려진 바와 같이, DRAM과 같은 반도체소자 제조 공정중에서 MOSFET의 게이트 전극은 폴리실리콘(Poly-Si)을 사용하여 형성하여 왔으나, 고집적화로 인한 게이트 선폭의 미세화됨에 따라서 도핑된 폴리실리콘만으로는 그 자체의 높은 비저항 특성으로 인하여 빠른 동작을 요구하는 소자에 적용하기가 어렵다.As is well known, the gate electrode of the MOSFET has been formed using poly-silicon (Poly-Si) in the manufacturing process of semiconductor devices such as DRAM, but the doped polysilicon alone is high due to the miniaturization of the gate line width due to high integration. The resistivity characteristic makes it difficult to apply to devices requiring fast operation.

이러한 점은 반도체 소자의 고집적화에 따라 더욱 심각한 문제로 대두되고 있으며, 이를 개선하기 위하여 텅스텐실리사이드(WSix), 티타늄실리사이드 등의 고융점 메탈(refractory metal) 실리사이드막을 이용한 예컨대 WSix/Poly-Si와 같은 폴리사이드(polycide) 구조의 게이트 전극 기술이 대두되었다. 하지만, 폴리사이드 구조의 게이트 전극 또한 90nm이하의 게이트 선폭에서는 급격히 면저항이 증가하기때문에 초고집적화된 반도체 소자의 동작 속도 향상에 한계가 있다.This is a serious problem due to the high integration of semiconductor devices, and to improve this problem, for example, WSi x / Poly-Si and a high melting point metal silicide film such as tungsten silicide (WSi x ) and titanium silicide, Gate electrode technology of the same polycide structure has emerged. However, the gate electrode of the polyside structure also has a limitation in improving the operation speed of the ultra-high density semiconductor device because the sheet resistance rapidly increases at the gate line width of 90nm or less.

최근에는 텅스텐(W)과 같은 고융점 메탈을 게이트 전극으로 사용하는 기술로서 W/WNx/Poly-Si 구조와 같은 폴리메탈 게이트 전극 구조를 사용하게 된다. W/WNx/Poly-Si 게이트 전극 구조는 WSix/Poly-Si 게이트 전극 구조에 비하여 1/5 정도의 낮은 저항을 갖는 장점을 갖는다. W/WNx/Poly-Si 게이트 전극 구조에서 텅스텐질화막(WNx)은 상부층 텅스텐(W)과 하부층 폴리실리콘(Poly-Si) 사이에 형성되는 확산베리어(Diffusion Barrier)이다.Recently, as a technology using a high melting point metal such as tungsten (W) as a gate electrode, a polymetal gate electrode structure such as a W / WN x / Poly-Si structure is used. The W / WN x / Poly-Si gate electrode structure has the advantage of having a resistance as low as 1/5 compared to the WSi x / Poly-Si gate electrode structure. In the W / WN x / Poly-Si gate electrode structure, the tungsten nitride film WN x is a diffusion barrier formed between the upper layer tungsten (W) and the lower layer polysilicon (Poly-Si).

한편, W/WNx/Poly-Si 게이트 전극 구조는 비저항이 낮다는 장점이 있기는 하나, 텅스텐(W) 상부에 증착되는 하드마스크(Hard mask) 질화막에 의한 기계적인 스트레스가 심각하여 소자에 악영향을 미치는 문제점이 있다.On the other hand, the W / WN x / Poly-Si gate electrode structure has the advantage of low resistivity, but the mechanical stress caused by the hard mask nitride film deposited on the tungsten (W) is severely adversely affected the device. There is a problem affecting.

상술한 종래기술 및 그 문제점을 첨부된 도면을 참조하여 자세히 살펴본다.The above-described prior art and its problems will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 폴리메탈 게이트 전극 제조 방법으로서, W/WNx/Poly-Si 게이트 전극을 제조하기 위한 공정 단면도이다.1A to 1D are cross-sectional views for manufacturing a W / WN x / Poly-Si gate electrode as a method of manufacturing a polymetal gate electrode according to the prior art.

도 1a를 참조하면, 실리콘기판(101) 상에 게이트산화막(102)과 게이트용 폴리실리콘층(103), 확산베리어용 텅스텐질화층(WNx)(104) 및 게이트용 텅스텐층(105)을 차례로 적층한다.Referring to FIG. 1A, a gate oxide layer 102, a gate polysilicon layer 103, a diffusion barrier tungsten nitride layer (WN x ) 104, and a gate tungsten layer 105 are formed on a silicon substrate 101. Laminate in order.

이어서, 도 1b를 참조하면, 텅스텐층(105) 상에 하드마스크 질화층(106)을 형성한다.Subsequently, referring to FIG. 1B, a hard mask nitride layer 106 is formed on the tungsten layer 105.

여기서, 하드마스크 질화층(106)을 사용하는 이유는 DRAM 소자의 필수 제조 공정인 자기정렬콘택(SAC; Self-aligned contact) 공정이 가능하다는 장점이 있기 때문이며, 최근에는 게이트 선폭이 100nm이하로 작아지면서 서로 이웃하는 게이트 라인간 간격 역시 좁아져서 자기정렬콘택 식각시에 로딩 효과(Loading effect)가 발생하므로 이에 따른 공정마진을 높이기 위하여 매우 두꺼운 하드마스크 질화층이 요구되는 실정이다.Here, the reason why the hard mask nitride layer 106 is used is that the self-aligned contact (SAC) process, which is an essential manufacturing process of the DRAM device, is possible, and recently, the gate line width is smaller than 100 nm. As the gap between gate lines adjacent to each other is also narrowed, a loading effect occurs during the self-aligned contact etching, and thus a very thick hard mask nitride layer is required to increase the process margin.

이어서, 도 1c와 같이 게이트 패터닝을 위한 포토레지스트 패턴(107)을 형성하고, 도 1d와 같이 포토레지스트 패턴(107)을 식각 베리어로 하여 마스크 절연층(106), 텅스텐층(105), 텅스텐질화층(WNx)(104) 및 폴리실리콘층(103)을 식각하여 게이트 스택(100)을 형성한다.Subsequently, the photoresist pattern 107 for gate patterning is formed as shown in FIG. 1C, and the mask insulating layer 106, the tungsten layer 105, and tungsten nitride are formed using the photoresist pattern 107 as an etching barrier as shown in FIG. 1D. The layer (WN x ) 104 and the polysilicon layer 103 are etched to form the gate stack 100.

이후에, 게이트 재산화 공정을 실시하고, LDD 이온주입, 게이트 측벽 스페이서 형성, 소스/드레인 이온주입 공정 등 통상적인 일련의 트랜지스터 제조를 위한 공정을 수행하여 MOSFET 제조를 완료한다.Thereafter, a gate reoxidation process is performed, and a typical series of transistor manufacturing processes such as LDD ion implantation, gate sidewall spacer formation, and source / drain ion implantation processes are performed to complete MOSFET fabrication.

도 2a 내지 도 2c는 종래기술의 문제점을 나타내는 것으로, 폴리사이드 구조인 HM NIT/WSix/Poly-Si의 게이트 스택 - HM NIT는 하드마스크 질화막 임- 에서는 실리사이드막(WSix)가 버퍼 역할을 하여 하드마스크 질화막에서 유발되는 기계적인 스트레스가 소자에 크게 영향을 주지 않는 반면에(도 2a 참조), HM NIT/W/WNx/Poly-Si의 게이트 스택에서는 텅스텐(W)이 상하부층인 하드마스크 질화층(HM NIT)과 폴리실리콘층(Poly-Si)에 비해서 열팽창계수가 2배 이상 크기 때문에 박막 각각의 스트레스와 후속 열공정시 열팽창 차이에 의한 스트레스가 크게 유발된다(도 2b 참조). 또한, HM NIT/W/WNx/Poly-Si의 게이트 스택에서 후속 열공정의 최고 온도에 따라 SILC(stress induced leakage current)가 급격히 나빠지게 되는 바(도 2c참조), 이는 후속 열공정에 의해 게이트 스택에서 유발되는 스트레스가 하부의 게이트산화막에 직접적으로 악영향을 주어 소자의 리프레쉬 특성 저하 및 신뢰성 저하의 요인이 됨을 의미한다.2A to 2C illustrate problems of the prior art, in which the silicide layer WSix acts as a buffer in the gate stack of HM NIT / WSi x / Poly-Si, which is a polyside structure, and HM NIT is a hard mask nitride layer. While mechanical stress caused by hard mask nitride does not significantly affect the device (see Fig. 2a), in the gate stack of HM NIT / W / WN x / Poly-Si, the hard mask with tungsten (W) is the upper and lower layers. Since the coefficient of thermal expansion is more than twice as large as that of the nitride layer (HM NIT) and the polysilicon layer (Poly-Si), the stress of each of the thin films and the stress due to the difference in thermal expansion during the subsequent thermal process are greatly induced (see FIG. 2B). In addition, stress induced leakage current (SILC) rapidly deteriorates with the maximum temperature of the subsequent thermal process in the gate stack of HM NIT / W / WN x / Poly-Si (see FIG. 2C), which is a gate by the subsequent thermal process. The stress induced in the stack directly adversely affects the lower gate oxide layer, which means that the refresh characteristics and the reliability of the device are degraded.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 게이트 전극용 메탈의 열팽창계수를 조절하여 후속 열공정에서 발생되는 기계적인 스트레스를 감소시킨 폴리메탈 게이트 전극 및 그 제조 방법을 제공하는 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a polymetal gate electrode and a method of manufacturing the same, by controlling a thermal expansion coefficient of the metal for gate electrode to reduce mechanical stress generated in a subsequent thermal process. have.

도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 폴리메탈 게이트 전극 제조 방법으로서, W/WNx/Poly-Si 게이트 전극을 제조하기 위한 공정 단면도,1A through 1D are cross-sectional views of a method of manufacturing a polymetal gate electrode according to the related art, and a process for manufacturing a W / WN x / Poly-Si gate electrode;

도 2a 내지 도 2c는 종래기술의 문제점을 나타내는 실험 데이터,2a to 2c are experimental data showing the problems of the prior art,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리메탈 게이트전극 구조를 나타낸 단면도,3 is a cross-sectional view showing a structure of a polymetal gate electrode according to a preferred embodiment of the present invention;

도 4a 내지 도 4g는 도 3의 구조를 제조하기 위한 방법을 나타낸 공정 단면도.4A-4G are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the structure of FIG. 3.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing

401 : 실리콘기판 402 : 게이트산화막401 silicon substrate 402 gate oxide film

403 : 폴리실리콘층 404 : 확산베리어 텅스텐질화막403: polysilicon layer 404: diffusion barrier tungsten nitride film

405 : 불순물이 이온주입되어 열팽창계수가 조절된 텅스텐층405: Tungsten layer having a thermal expansion coefficient controlled by implanting impurities

406 : 이온주입완충층 407 : 불순물 이온주입406: ion implantation buffer layer 407: impurity ion implantation

408 : 하드마스크 질화막 409 : 재성장된 산화막408 hard mask nitride film 409 Regrown oxide film

400 : 게이트 스택400: gate stack

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폴리메탈 게이트 전극은 반도체기판상에 형성된 게이트절연층; 및 상기 게이트절연층 상에 패턴된 게이트 스택을 포함하고, 상기 게이트 스택은 하부층 폴리실리콘층과 상부층 하드마스크 절연층 및 그 사이에 개재된 메탈층을 구비하며, 상기 메탈층은 상기 하드마스크 절연층과 상기 폴리실리콘층 각각에 대해 최소의 열팽창계수 차이를 갖도록 불순물이 주입된 것을 특징으로 한다.Polymetal gate electrode of the present invention for achieving the above object is a gate insulating layer formed on a semiconductor substrate; And a gate stack patterned on the gate insulating layer, wherein the gate stack includes a lower polysilicon layer, an upper layer hard mask insulating layer, and a metal layer interposed therebetween, wherein the metal layer is the hard mask insulating layer. And each of the polysilicon layers is impurity implanted to have a minimum difference in coefficient of thermal expansion.

상기 본 발명에서 상기 게이트 스택은 메탈층 상에 형성되어 상기 불순물의 주입시 완충 기능을 하는 이온주입 완충층을 더 포함할 수 있고, 상기 이온주입완충층은 SiO2, SixN4, Al2O3, 또는 금속실리사이드 중에서 선택된 어느하나의 층으로 적용 가능하고, 상기 메탈층으로 이온주입되는 깊이를 조절하기 위하여 10∼1000Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다.In the present invention, the gate stack may further include an ion implantation buffer layer formed on the metal layer to function as a buffer when the impurity is implanted, and the ion implantation buffer layer is SiO 2 , Si x N 4 , Al 2 O 3 It can be applied to any one layer selected from, or metal silicide, it is preferable to have a thickness of 10 ~ 1000Å in order to control the depth implanted into the metal layer.

또한 본 발명에서 상기 불순물은 Ne, Ar, kr , Xe, P, B, F, Ti, Hf, Zr, Al, Cr, V, Ni, Co, Ta, C, Si 및 Ge의 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그리고, 메탈층은 W, Mo, Ta, Ti, Ru, Ir 및 Pt의 그룹으로부터 선택된 어느하나를 사용하는 것이 가능하고, 상기 폴리실리콘층과 상기 메탈층 사이에 개재된 확산베리어층을 더 포함할 수 있으며, 상기 확산베리어층은 WNx, SiNx, TiAlxNy, HfNx, ZrNx, TaNx, TiNx, AlNx, TaSixNy, TiAlxNy의 그룹으로부터 선택된 어느하나를 포함할 수 있다.In the present invention, the impurities are at least any one selected from the group of Ne, Ar, kr, Xe, P, B, F, Ti, Hf, Zr, Al, Cr, V, Ni, Co, Ta, C, Si and Ge. It may include one. In addition, the metal layer may use any one selected from the group of W, Mo, Ta, Ti, Ru, Ir, and Pt, and further include a diffusion barrier layer interposed between the polysilicon layer and the metal layer. The diffusion barrier layer may be any one selected from the group consisting of WN x , SiN x , TiAl x N y , HfN x , ZrN x , TaN x , TiN x , AlN x , TaSi x N y , TiAl x N y It may include.

또한 본 발명의 폴리메탈 게이트 전극 제조 방법은, 반도체기판상에 게이트절연층을 형성하는 단계; 상기 게이트절연층 상에 폴리실리콘층, 메탈층을 적층하는 단계; 상기 메탈층 메탈층에 열팽창계수 조절을 위한 불순물 이온주입을 실시하는 단계: 상기 메탈층 상부에 하드마스크 절연층을 형성하는 단계; 및 게이트전극 마스크 및 식각 공정으로 상기 하드마스크 절연층, 상기 메탈층 및 상기 폴리실리콘층을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the polymetal gate electrode manufacturing method of the present invention, forming a gate insulating layer on a semiconductor substrate; Stacking a polysilicon layer and a metal layer on the gate insulating layer; Performing impurity ion implantation on the metal layer to control a thermal expansion coefficient of the metal layer: forming a hard mask insulating layer on the metal layer; And patterning the hard mask insulating layer, the metal layer, and the polysilicon layer by a gate electrode mask and an etching process.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예 및 그 작용효과를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to explain in detail enough that a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily carry out the technical idea of the present invention, the most preferred embodiments of the present invention and the effects thereof are referred to the accompanying drawings. This will be described.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리메탈 게이트전극 구조를 나타낸 단면도이고, 도 4a 내지 도 4g는 도 3의 구조를 제조하기 위한 방법을 나타낸 공정 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a polymetal gate electrode structure according to a preferred embodiment of the present invention, and FIGS. 4A to 4G are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the structure of FIG. 3.

도 3을 참조하면, 실리콘기판(301)상에 게이트산화막(302)이 형성되어 있고, 게이트산화층(102) 상에 게이트 스택(300)이 패턴되어 있다.Referring to FIG. 3, a gate oxide film 302 is formed on a silicon substrate 301, and a gate stack 300 is patterned on the gate oxide layer 102.

게이트 스택(300)은 폴리실리콘층(302)과 하드마스크 질화층(307) 및 그 사이에 개재된 텅스텐층(305)을 구비하며, 이때 텅스텐층(305)은 하드마스크 질화층층(307)과 폴리실리콘층(303) 각각에 대해 최소의 열팽창계수 차이를 갖도록 불순물(impurity)이 주입되어 있다.The gate stack 300 includes a polysilicon layer 302, a hard mask nitride layer 307, and a tungsten layer 305 interposed therebetween, wherein the tungsten layer 305 is formed of the hard mask nitride layer layer 307. Impurities are implanted into each of the polysilicon layers 303 to have a minimum difference in coefficient of thermal expansion.

텅스텐층(305)에 주입된 불순물는 텅스텐의 결정구조의 변경, 텅스텐의 결정립에 편석(segregatin) 및 고용체를 형성하여 열팽창계수를 변경 또는 안정한 조직으로 형성하는 역할을 한다.Impurities implanted in the tungsten layer 305 serve to change the crystal structure of tungsten, form segregatin and solid solution in the grains of tungsten to change the coefficient of thermal expansion or form a stable structure.

텅스텐층(305) 주입된 불순물은 Ne, Ar, kr , Xe, P, B, F, Ti, Hf, Zr, Al, Cr, V, Ni, Co, Ta, C, Si 및 Ge의 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.Tungsten layer 305 implanted impurities are selected from the group of Ne, Ar, kr, Xe, P, B, F, Ti, Hf, Zr, Al, Cr, V, Ni, Co, Ta, C, Si and Ge At least one can be used.

게이트 스택(300)은 텅스텐층(305) 상에 형성되어 상기 불순물의 이온 주입시 완충 기능을 하는 이온주입완충층(306)을 더 포함하고 있는 바, 상기 이온주입완충층(306)은 SiO2, SixN4, Al2O3, 또는 금속실리사이드 중에서 선택된 어느하나의 층을 사용할 수 있고, 그 두께는 텅스텐층(305)으로 이온주입되는 깊이를 조절하기 위하여 10∼1000Å의 두께를 갖을 수 있다.The gate stack 300 further includes an ion implantation buffer layer 306 formed on the tungsten layer 305 to provide a buffer function when the impurities are implanted. The ion implantation buffer layer 306 may be formed of SiO 2 , Si, or the like. Any one layer selected from x N 4 , Al 2 O 3 , or metal silicide may be used, and the thickness thereof may have a thickness of 10 to 1000 kPa to control the depth of ion implantation into the tungsten layer 305.

폴리실리콘층(303)과 텅스텐층(305) 사이에는 확산베리어층으로서 텅스텐질화막(WNx)(304)가 형성되어 있는 바, 확산베리어 텅스텐질화막(304)는 SiNx, TiAlxNy, HfNx, ZrNx, TaNx, TiNx, AlNx, TaSixNy, TiAlxNy의 그룹으로부터 선택된 어느하나로 대체가 가능하다.A tungsten nitride film (WN x ) 304 is formed between the polysilicon layer 303 and the tungsten layer 305 as a diffusion barrier layer. The diffusion barrier tungsten nitride film 304 is formed of SiN x , TiAl x N y , HfN It can be replaced with any one selected from the group of x , ZrN x , TaN x , TiN x , AlN x , TaSi x N y , TiAl x N y .

이온주입완충층(306) 및 확산베리어 텅스텐질화층(304)는 본 발명에서 생략이 가능하다.The ion implantation buffer layer 306 and the diffusion barrier tungsten nitride layer 304 may be omitted in the present invention.

그리고, 텅스텐층(305)는 Mo, Ta, Ti, Ru, Ir 및 Pt의 그룹으로부터 선택된 어느하나로 대체가 가능하다.The tungsten layer 305 may be replaced with any one selected from the group of Mo, Ta, Ti, Ru, Ir, and Pt.

도 4a 내지 도 4g를 참조하여 도 3의 구조를 제조하기 위한 방법을 살펴본다.A method for manufacturing the structure of FIG. 3 will be described with reference to FIGS. 4A-4G.

도 4a를 참조하면, 실리콘기판(401) 상에 게이트산화막(402)과 폴리실리콘층(403)을 적층한다.Referring to FIG. 4A, a gate oxide film 402 and a polysilicon layer 403 are stacked on a silicon substrate 401.

여기서 게이트산화막(402)은 SiO2대신에 질화산화막(oxynitride)와 같이 질소(nitrogen)가 포함된 절연막을 사용할 수 있으며, Hf, Zr, Al, Ta, Ti, Ce, Pr, La 등이 포함된 금속산화물과 같은 저유전율(high-k) 절연 물질을 사용할 수도 있다. 또한 폴리실리콘층(403) 대신에 poly-Si1-xGex(x=0.01∼0.99)를 사용할 수도 있다.Here, the gate oxide layer 402 may use an insulating film containing nitrogen, such as an oxynitride instead of SiO 2 , and may include Hf, Zr, Al, Ta, Ti, Ce, Pr, and La. It is also possible to use high-k insulating materials such as metal oxides. In addition, poly-Si 1-x Ge x (x = 0.01 to 0.99) may be used instead of the polysilicon layer 403.

이어서, 도 4b를 참조하면, 확산베리어인 텅스텐질화층(WNx)(404)과 텅스텐층(405)을 적층한다. 확산베리어층는 그 생략이 가능하다. 그리고 본 실시예에서는 메탈로서 텅스텐층(405)을 사용하였으나, 그 이외에 Mo, Ta, Ti, Ru, Ir 및 Pt 등 메탈을 사용할 수 있고, 확산베리어는 텅스텐 질화막(WNx) 이외에 SiNx, TiAlxNy, HfNx, ZrNx, TaNx, TiNx, AlNx, TaSixNy, TiAlxNy등을 사용하는 것이 가능하다. 텅스텐층(405)는 PVD 방법 또는 CVD 방법으로 증착할 수 있고, 그 증착 두께는 약 50∼1000Å로 할 수 있다.4B, a tungsten nitride layer (WN x ) 404 and a tungsten layer 405, which are diffusion barriers, are stacked. The diffusion barrier layer can be omitted. In the present embodiment, the tungsten layer 405 is used as the metal, but other metals such as Mo, Ta, Ti, Ru, Ir, and Pt may be used, and the diffusion barrier may be SiN x , TiAl in addition to the tungsten nitride film (WN x ). It is possible to use x N y , HfN x , ZrN x , TaN x , TiN x , AlN x , TaSi x N y , TiAl x N y , and the like. The tungsten layer 405 can be deposited by the PVD method or the CVD method, and the deposition thickness thereof can be about 50 to 1000 mW.

이어서, 도 4c를 참조하면, 이온주입완층층(406)을 텅스텐층(405) 상에 형성하고, 도 4d와 같이 텅스텐층(405)에 불순물 이온주입(407)을 실시한다. 앞서 설명한 바와 같이 텅스텐층(405)에 주입되는 불순물은 Ne, Ar, kr , Xe, P, B, F, Ti, Hf, Zr, Al, Cr, V, Ni, Co, Ta, C, Si 및 Ge의 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있고, 이온주입완충층(406)은 SiO2, SixN4, Al2O3, 또는 금속실리사이드 중에서 선택된 어느하나의 층을 사용할 수 있으며, 그 두께는 텅스텐층(405)으로 이온주입되는 깊이를 조절하기 위하여 10∼1000Å의 두께를 갖을 수 있다.Next, referring to FIG. 4C, an ion implantation layer 406 is formed on the tungsten layer 405, and impurity ion implantation 407 is applied to the tungsten layer 405 as shown in FIG. 4D. As described above, the impurities injected into the tungsten layer 405 are Ne, Ar, kr, Xe, P, B, F, Ti, Hf, Zr, Al, Cr, V, Ni, Co, Ta, C, Si, and At least one selected from the group of Ge may be used, and the ion implantation buffer layer 406 may use any one selected from SiO 2 , Si x N 4 , Al 2 O 3 , or metal silicide, and the thickness may be In order to control the depth of ion implantation into the tungsten layer 405 may have a thickness of 10 ~ 1000Å.

이어서, 도 4e를 참조하면, 이온주입완충층(406) 상에 하드마스크질화층(408)을 형성하고, 도 4f와 같이 게이트 마스크 및 식각 공정으로 게이트 스택(400)을 패터닝한다.Next, referring to FIG. 4E, the hard mask nitride layer 408 is formed on the ion implantation buffer layer 406, and the gate stack 400 is patterned by a gate mask and an etching process as shown in FIG. 4F.

이어서, 도 4g는 게이트 재산화를 실시하여 게이트산화막(402) 및 폴리실리콘층(403)에 산화막(409)를 재성장시킨 상태이다. 재산화시에 텅스텐층(405)의 이상 산화를 억제하면서 실리콘기판(401) 및 폴리실리콘층(403)을 산화시켜주기 위해 RF 또는 마이크로웨이브(macro wave)를 이용한 플라즈마 산화(plasma oxidation)을 진행하는 것이 바람직하고, 플라즈마 형성시 Ar, Kr 등의 가스를 이용할 수 있고, 15GHz이하의 RF 및 마이크로웨이브를 형성하며, 450℃ 이하의 온도에서 H2, D2, O2등의 가스를 적용할 수 있다. 또한 H2-리치(rich)/O2분위기에서 산화하는 선택적 재산화(selective oxidation) 공정도 적용할 수 있다.4G shows a state in which the oxide film 409 is regrown in the gate oxide film 402 and the polysilicon layer 403 by performing gate reoxidation. In order to oxidize the silicon substrate 401 and the polysilicon layer 403 while suppressing abnormal oxidation of the tungsten layer 405 during reoxidation, plasma oxidation using RF or a microwave wave is performed. It is preferable to use a gas such as Ar, Kr, etc. in forming plasma, form RF and microwave below 15 GHz, and apply gas such as H 2 , D 2 , O 2 at a temperature of 450 ° C. or lower. Can be. Also applicable is a selective oxidation process which oxidizes in an H 2 -rich / O 2 atmosphere.

이후, LDD 이온주입, 게이트 측벽 스페이서 형성, 소스/드레인 이온주입 공정 등 트랜지스터 제조를 위한 통상의 일련의 공정을 수행하여 MOSFET 제조를 완료한다.After that, a series of conventional processes for transistor manufacturing, such as LDD ion implantation, gate sidewall spacer formation, and source / drain ion implantation processes, are performed to complete MOSFET fabrication.

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 범위내에서 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.

본 발명과 같이 불순물을 게이트 전극으로 이용되는 저저항 메탈에 이온주입 해줌으로써, 메탈의 조직 변경 또는 열팽창계수를 조절할 수 있게 된다. 즉, 안정된 조직을 갖게 되고 상,하부의 물질등과 열팽창계수가 실질적으로 동일하게 되기 때문에 후속 열공정에서도 게이트 스택에서 유발되는 기계적인 스트레스를 최소화 할 수 있게 되어 소자의 리프레쉬 특성 및 신뢰성이 향상된 폴리메탈 게이트 전극이 제공된다.By implanting impurities into the low-resistance metal used as the gate electrode as in the present invention, it is possible to change the metal structure or the coefficient of thermal expansion. That is, since the thermal expansion coefficient is substantially the same as that of the upper and lower materials, the mechanical stress caused by the gate stack can be minimized in subsequent thermal processes, thereby improving the refresh characteristics and reliability of the device. A metal gate electrode is provided.

Claims (13)

반도체기판상에 형성된 게이트절연층과, 상기 게이트절연층 상에 패턴된 게이트 스택을 포함하고,A gate insulating layer formed on the semiconductor substrate, and a gate stack patterned on the gate insulating layer; 상기 게이트 스택은 하부층 폴리실리콘층과 상부층 하드마스크 절연층 및 그 사이에 개재된 메탈층을 구비하며,The gate stack includes a lower polysilicon layer and an upper layer hard mask insulating layer and a metal layer interposed therebetween, 상기 메탈층은 상기 하드마스크 절연층과 상기 폴리실리콘층 각각에 대해 최소의 열팽창계수 차이를 갖도록 불순물이 주입된 것을 특징으로 하는The metal layer is characterized in that the impurity is implanted to have a minimum thermal expansion coefficient difference for each of the hard mask insulating layer and the polysilicon layer 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극.Stress relief polymetal gate electrodes. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 게이트 스택은 메탈층 상에 형성되어 상기 불순물의 주입시 완충 기능을 하는 이온주입 완충층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극.And the gate stack further comprises an ion implantation buffer layer formed on the metal layer to provide a buffer function when implanting the impurities. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 불순물은 Ne, Ar, kr , Xe, P, B, F, Ti, Hf, Zr, Al, Cr, V, Ni, Co, Ta, C, Si 및 Ge의 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극.The impurity comprises at least one selected from the group of Ne, Ar, kr, Xe, P, B, F, Ti, Hf, Zr, Al, Cr, V, Ni, Co, Ta, C, Si and Ge A stress relief polymetal gate electrode, characterized in that. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 메탈층은 W, Mo, Ta, Ti, Ru, Ir 및 Pt의 그룹으로부터 선택된 어느하나인 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극.The metal layer is a stress relief polymetal gate electrode, characterized in that any one selected from the group of W, Mo, Ta, Ti, Ru, Ir and Pt. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 폴리실리콘층과 상기 메탈층 사이에 개재된 확산베리어층을 더 포함하며, 상기 확산베리어층은 WNx, SiNx, TiAlxNy, HfNx, ZrNx, TaNx, TiNx, AlNx, TaSixNy, TiAlxNy의 그룹으로부터 선택된 어느하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극.Further comprising a diffusion barrier layer interposed between the polysilicon layer and the metal layer, the diffusion barrier layer is WN x , SiN x , TiAl x N y , HfN x , ZrN x , TaN x , TiN x , AlN x And TaSi x N y , TiAl x N y selected from the group of stress-relieved polymetal gate electrode. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 이온주입완충층은 SiO2, SixN4, Al2O3, 또는 금속실리사이드 중에서 선택된 어느하나의 층이고, 상기 메탈층으로 이온주입되는 깊이를 조절하기 위하여 10∼1000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트전극.The ion implantation buffer layer is any one selected from SiO 2 , Si x N 4 , Al 2 O 3 , or metal silicide, and has a thickness of 10 to 1000 kPa to control the depth of ion implantation into the metal layer. A polymetal gate electrode with reduced stress. 반도체기판상에 게이트절연층을 형성하는 단계;Forming a gate insulating layer on the semiconductor substrate; 상기 게이트절연층 상에 폴리실리콘층, 메탈층을 적층하는 단계;Stacking a polysilicon layer and a metal layer on the gate insulating layer; 상기 메탈층 메탈층에 열팽창계수 조절을 위한 불순물 이온주입을 실시하는 단계:Performing impurity ion implantation on the metal layer to control the thermal expansion coefficient; 상기 메탈층 상부에 하드마스크 절연층을 형성하는 단계; 및Forming a hard mask insulating layer on the metal layer; And 게이트전극 마스크 및 식각 공정으로 상기 하드마스크 절연층, 상기 메탈층 및 상기 폴리실리콘층을 패터닝하는 단계Patterning the hard mask insulating layer, the metal layer, and the polysilicon layer by a gate electrode mask and an etching process 를 포함하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극 제조 방법.Stress relief polymetal gate electrode manufacturing method comprising a. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 이온주입시 상기 메탈층 상에 이온주입완충층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극 제조 방법.The method of claim 1, further comprising forming an ion implantation buffer layer on the metal layer during the ion implantation. 제7항 또는 제8항에 있어서,The method according to claim 7 or 8, 상기 불순물은 Ne, Ar, kr , Xe, P, B, F, Ti, Hf, Zr, Al, Cr, V, Ni, Co,Ta, C, Si 및 Ge의 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극 제조 방법.The impurity includes at least one selected from the group of Ne, Ar, kr, Xe, P, B, F, Ti, Hf, Zr, Al, Cr, V, Ni, Co, Ta, C, Si, and Ge. A method for producing a stress relief polymetal gate electrode, characterized in that. 제7항 또는 제8항에 있어서,The method according to claim 7 or 8, 상기 메탈층은 W, Mo, Ta, Ti, Ru, Ir 및 Pt의 그룹으로부터 선택된 어느하나인 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극 제조 방법.The metal layer is a stress relief polymetal gate electrode manufacturing method, characterized in that any one selected from the group of W, Mo, Ta, Ti, Ru, Ir and Pt. 제7항 또는 제8항에 있어서,The method according to claim 7 or 8, 상기 폴리실리콘층과 상기 메탈층 사이에 개재된 확산베리어층을 더 포함하며, 상기 확산베리어층은 WNx, SiNx, TiAlxNy, HfNx, ZrNx, TaNx, TiNx, AlNx, TaSixNy, TiAlxNy의 그룹으로부터 선택된 어느하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극 제조 방법.Further comprising a diffusion barrier layer interposed between the polysilicon layer and the metal layer, the diffusion barrier layer is WN x , SiN x , TiAl x N y , HfN x , ZrN x , TaN x , TiN x , AlN x And TaSi x N y , TiAl x N y , any one selected from the group consisting of stress relief polymetal gate electrode. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 이온주입완충층은 SiO2, SixN4, Al2O3, 또는 금속실리사이드 중에서 선택된 어느하나의 층이고, 상기 메탈층으로 이온주입되는 깊이를 조절하기 위하여 10∼1000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극 제조 방법.The ion implantation buffer layer is any one selected from SiO 2 , Si x N 4 , Al 2 O 3 , or metal silicide, and formed to have a thickness of 10 to 1000 kPa to control the depth of ion implantation into the metal layer. A stress-relieved polymetal gate electrode manufacturing method characterized by the above-mentioned. 제7항 또는 제8항에 있어서,The method according to claim 7 or 8, 상기 이온주입은 1KeV 내지 1MeV의 이온주입에너지와, 5E13/㎠ 내지 1E16/㎠의 도즈(Dose)로 실시하는 것을 특징으로 하는 스트레스가 완화된 폴리메탈 게이트 전극 제조 방법.The ion implantation is a stress relief polymetal gate electrode manufacturing method characterized in that the ion implantation energy of 1KeV to 1MeV and a dose of 5E 13 / cm 2 to 1E 16 / cm 2.
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