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KR20090012461A - Gate structure of semiconductor memory device and method for forming same - Google Patents

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KR20090012461A
KR20090012461A KR1020070076290A KR20070076290A KR20090012461A KR 20090012461 A KR20090012461 A KR 20090012461A KR 1020070076290 A KR1020070076290 A KR 1020070076290A KR 20070076290 A KR20070076290 A KR 20070076290A KR 20090012461 A KR20090012461 A KR 20090012461A
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KR
South Korea
Prior art keywords
cobalt
film
pattern
barrier
gate structure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020070076290A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
차태호
최길현
김병희
박희숙
이장희
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to KR1020070076290A priority Critical patent/KR20090012461A/en
Publication of KR20090012461A publication Critical patent/KR20090012461A/en
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/60Electrodes characterised by their materials
    • H10D64/66Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes
    • H10D64/661Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes the conductor comprising a layer of silicon contacting the insulator, e.g. polysilicon having vertical doping variation
    • H10D64/662Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes the conductor comprising a layer of silicon contacting the insulator, e.g. polysilicon having vertical doping variation the conductor further comprising additional layers, e.g. multiple silicon layers having different crystal structures
    • H10D64/664Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes the conductor comprising a layer of silicon contacting the insulator, e.g. polysilicon having vertical doping variation the conductor further comprising additional layers, e.g. multiple silicon layers having different crystal structures the additional layers comprising a barrier layer between the layer of silicon and an upper metal or metal silicide layer

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Abstract

계면 저항이 낮고, 열적으로 안정한 듀얼 금속 게이트 구조의 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 및 이의 형성 방법에 있어서, 상기 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물은 반도체 기판 상에 형성되는 게이트 절연막 패턴과, 게이트 절연막 패턴 상에 형성되는 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴과, 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴 상에 화학 기상 증착 공정 및 원자층 적층 공정에 의해 형성되고 코발트로 이루어지는 제1 베리어막 패턴과, 제1 베리어막 패턴 상에 형성되고 금속 및 금속 질화물로 이루어지는 제2 베리어막 패턴 및 제2 베리어막 패턴 상에 형성되는 텅스텐막 패턴을 포함한다. 상기와 같이, 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 상에 티타늄보다 상기 불순물과 반응하기 어려운 코발트를 포함하는 베리어막을 우선 형성시킴으로써 계면 반응에 의한 유착물의 발생을 차단시켜 계면 저항을 낮출 수 있다.A gate structure and a method for forming the semiconductor memory device having a low interfacial resistance and thermally stable dual metal gate structure, the gate structure of the semiconductor memory device is formed on a gate insulating film pattern formed on a semiconductor substrate and a gate insulating film pattern A polysilicon film pattern doped with an impurity to be formed, a first barrier film pattern formed of cobalt formed by a chemical vapor deposition process and an atomic layer deposition process on a polysilicon film pattern doped with an impurity, and a first barrier film pattern And a tungsten film pattern formed on the second barrier film pattern and the second barrier film pattern formed of the metal and the metal nitride. As described above, by forming a barrier film containing cobalt that is less likely to react with the impurity than titanium on the polysilicon layer doped with impurities, the interfacial reaction may be blocked to lower the interface resistance.

Description

반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 및 이의 형성 방법{Gate structure in a semiconductor memory device and method of forming the same}Gate structure in a semiconductor memory device and method of forming the same

본 발명은 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 및 이의 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 듀얼 금속 게이트에서 확산 방지 및 저항 감소를 위한 베리어막을 포함하는 저저항의 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 및 이의 형성 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a gate structure of a semiconductor memory device and a method of forming the same. More particularly, the present invention relates to a gate structure of a low resistance semiconductor memory device including a barrier film for diffusion prevention and resistance reduction in a dual metal gate, and a method of forming the same.

반도체 장치의 제조 기술이 발달되고, 반도체 메모리 장치에 대한 응용이 확대됨에 따라 고용량을 갖는 메모리 장치들이 개발되어 왔다. 특히, 메모리 셀(memory cell)이 하나의 캐패시터(capacitor) 및 하나의 트랜지스터(transistor)로 구성되는 DRAM 장치는 그 집적도가 현저하게 향상되고 있다. 반도체 제조 공정이 복잡해지고 반도체 칩의 집적도가 1G 비트 DRAM급 이상으로 증가함에 따라 0.25㎛ 이하의 디자인 룰에 상대적으로 작은 사이즈를 갖는 게이트 구조물이 요구되고 있는 실정이다.As the manufacturing technology of semiconductor devices is developed and applications to semiconductor memory devices have been expanded, memory devices having high capacities have been developed. In particular, the degree of integration of DRAM devices in which a memory cell consists of one capacitor and one transistor has been significantly improved. As the semiconductor manufacturing process becomes complicated and the degree of integration of semiconductor chips increases to 1G bit DRAM or more, a gate structure having a relatively small size is required for a design rule of 0.25 μm or less.

게이트 절연막이 형성된 반도체 기판 상에 상기 게이트 구조물을 형성하기 위해서 우선, 보론(B)과 같은 불순물을 포함하는 폴리실리콘막 상에 콘택 저항을 줄이기 위한 베리어막을 형성한다. 상기 베리어막은 티타늄 클로라이드(TiCl4)를 티타늄 소스로 제공하는 화학 기상 증착 공정이나 스퍼터링 방식으로 티타늄막을 형성한 다음 상기 티타늄막 상에 암모니아(NH3)를 주입하여 상기 티타늄막의 상부를 질화시켜 확산 방지막으로 사용되는 티타늄 질화막으로 변경하여 형성된다. 이어서, 상기 티타늄 질화막 상에 도전성 물질로서 텅스텐(W)을 포함하는 텅스텐막을 형성한다. 따라서, 도핑된 폴리실리콘과 텅스텐을 포함하는 듀얼 금속 게이트(dual metal gate) 구조의 게이트 구조물이 완성된다.In order to form the gate structure on the semiconductor substrate on which the gate insulating film is formed, a barrier film for reducing contact resistance is first formed on a polysilicon film containing impurities such as boron (B). The barrier layer forms a titanium layer by a chemical vapor deposition process or a sputtering method that provides titanium chloride (TiCl 4 ) as a titanium source, and then ammonia (NH 3 ) is injected onto the titanium layer to nitride the upper portion of the titanium layer to prevent diffusion. It is formed by changing to a titanium nitride film used as. Next, a tungsten film containing tungsten (W) as a conductive material is formed on the titanium nitride film. Thus, a gate structure of a dual metal gate structure including doped polysilicon and tungsten is completed.

이때, 상기 티타늄막의 상부를 질화시켜 티타늄 질화막을 형성한 후 후속 열처리 공정을 수행한다. 상기 열처리 공정에 의해 상기 폴리실리콘막에 p형 불순물이 고농도로 도핑된 경우 상기 베리어막 하부의 티타늄막의 티타늄과 상기 불순물이 계면에서 활발히 반응하여 열화된 유착물(adhesion)을 형성한다. 예를 들어, 상기 p형 불순물이 보론(B)이며, 약 5E16의 도즈량을 갖는 경우 상기 열화된 유착물은 티타늄 디보라이드(TiB2)로 형성된다. 상기와 같이 열화된 유착물은 상기 폴리실리콘막과 티타늄막의 계면에 발생되는 열적 스트레스와 함께 불균일한 표면을 형성시키게 된다. 또한, 티타늄 디보라이드와 같은 고 저항물질이 형성됨으로써 게이트 구조물의 전기 저항이 높아져 신뢰도가 감소되는 문제점이 있었다. In this case, the upper portion of the titanium film is nitrided to form a titanium nitride film, and then a subsequent heat treatment process is performed. When the p-type impurity is heavily doped in the polysilicon layer by the heat treatment process, titanium and the impurity of the titanium film under the barrier film actively react at the interface to form a deteriorated adhesion. For example, when the p-type impurity is boron (B) and has a dose of about 5E16, the deteriorated coalesced material is formed of titanium diboride (TiB 2 ). The deteriorated coalesced material as described above forms a non-uniform surface with thermal stress generated at the interface between the polysilicon film and the titanium film. In addition, since a high resistance material such as titanium diboride is formed, there is a problem in that the electrical resistance of the gate structure is increased to decrease the reliability.

반면에, 상기 폴리실리콘막에 도핑된 불순물이 n형 불순물이며, 저농도로 도핑된 경우에는 상기 열처리 공정 이후에 티타늄막 및 티타늄 질화막과의 계면에서는 열적 스트레스와 유착물의 발생이 거의 없어 비교적 균일한 표면이 형성되었다. On the other hand, the impurity doped into the polysilicon film is an n-type impurity, and when doped at a low concentration, there is almost no thermal stress and adhesion at the interface with the titanium film and the titanium nitride film after the heat treatment process, and thus a relatively uniform surface is obtained. Was formed.

도 1은 종래의 p형 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 및 티타늄을 포함하는 베리어막을 설명하기 위한 전자 현미경 사진이다.FIG. 1 is an electron micrograph for explaining a barrier film including a polysilicon film doped with a p-type impurity and titanium.

도 1을 참조하면, p형 불순물로서 보론(B)을 고농도로 플라즈마 도핑시키고 pulse laser ablation deposition(PLAD)에 의해 형성한 폴리실리콘막 및 상기 폴리실리콘막 상에 형성한 하부가 티타늄막으로 이루어지는 베리어막의 계면에서 심한 리프팅(lifting) 현상(L)이 나타난다. 이러한 리프팅 현상은 에지 부위로 갈수록 크게 발생하고 있다. 이는 상기 폴리실리콘막에 보론(B)과 같은 p형 불순물을 도핑한 경우 Ti/TiN으로 이루어지는 베리어막이 후속의 열처리 공정에 의해 티타늄(Ti)과 보론(B)이 활발하게 반응하여 티타늄 디보라이드(TiB2)를 형성시키기 때문이다. Referring to FIG. 1, a barrier made of a polysilicon film formed by plasma doping boron (B) at high concentration as a p-type impurity and formed by pulse laser ablation deposition (PLAD) and a lower portion formed on the polysilicon film is a titanium film. Severe lifting phenomenon L appears at the membrane interface. This lifting phenomenon occurs more and more toward the edge portion. When the polysilicon film is doped with a p-type impurity such as boron (B), the barrier film made of Ti / TiN is actively reacted with titanium (Ti) and boron (B) by a subsequent heat treatment process. This is because TiB 2 ) is formed.

따라서, 상기 폴리실리콘막에 도핑되는 불순물과 하부가 티타늄(Ti)을 포함하고 상부가 티타늄 질화물(TiN)을 포함하는 베리어막에서의 티타늄의 반응성을 감소시켜 고 저항 물질을 거의 생성하지 않고, 열적 안정성을 증가시킬 수 있으며, Ti/TiN으로 이루어지는 베리어막을 형성하기 위한 화학 기상 증착 공정이나 스퍼터링 공정의 스텝 커버리지 특성이 상대적으로 낮은 단점을 보안할 수 있는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물에 대한 연구가 널리 진행되고 있다.Therefore, the dopants doped in the polysilicon film and the lower portion of titanium (Ti) and the upper portion of the barrier film containing titanium nitride (TiN) to reduce the reactivity of titanium hardly generates a high resistance material, thermally Research on the gate structure of the semiconductor memory device that can increase the stability and to secure the disadvantage that the step coverage characteristics of the chemical vapor deposition process or sputtering process to form a barrier film made of Ti / TiN is relatively low It is becoming.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 티타늄 및 티타늄 질화물을 포함하는 베리어막을 형성한 후 불순물이 도핑된 폴리실리콘막과의 계면에서 열처리에 의한 유착물을 감소시켜 낮은 계면 저항 및 우수한 열적 안정성 갖는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물을 제공하는 것이다. One object of the present invention for solving the above problems is to form a barrier film containing titanium and titanium nitride, and then to reduce the adhesion by heat treatment at the interface with the polysilicon film doped with impurities, low interface resistance and excellent To provide a gate structure of a semiconductor memory device having a thermal stability.

본 발명의 다른 목적은 티타늄 및 티타늄 질화물로 이루어지는 베리어막의 형성 후 열처리 공정시에 불순물이 도핑된 폴리실리콘막과의 계면 반응을 차단시키고, 저저항성 및 열적 안전성을 향상시킬 수 있는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물을 형성하는 방법을 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to block the interfacial reaction with a polysilicon film doped with impurities during the heat treatment process after formation of the barrier film made of titanium and titanium nitride, and to improve low resistance and thermal safety. It is to provide a method for forming a structure.

상기 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물은, 반도체 기판 상에 형성되는 게이트 절연막 패턴과, 상기 게이트 절연막 패턴 상에 형성되는 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴과, 상기 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴 상에 화학 기상 증착 공정 및 원자층 적층 공정에 의해 형성되고, 코발트로 이루어지는 제1 베리어막 패턴과, 상기 제1 베리어막 패턴 상에 화학 기상 증착 공정 및 원자층 적층 공정에 의해 형성되고, 금속 및 금속 질화물로 이루어지는 제2 베리어막 패턴 및 상기 제2 베리어막 패턴 상에 형성되는 텅스텐막 패턴을 포함한다.A gate structure of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a gate insulating film pattern formed on a semiconductor substrate, and a polysilicon film pattern doped with an impurity formed on the gate insulating film pattern And a first barrier film pattern formed on the polysilicon film pattern doped with the impurity by a chemical vapor deposition process and an atomic layer deposition process, and made of cobalt, a chemical vapor deposition process on the first barrier film pattern, and And a tungsten film pattern formed by the atomic layer deposition process and formed on the second barrier film pattern formed of the metal and the metal nitride.

또한, 상기 제1 베리어막 패턴의 하부는 코발트로 이루어지고, 상기 제1 베 리어막 패턴의 상부는 코발트 질화물로 이루어질 수 있다.In addition, a lower portion of the first barrier layer pattern may be made of cobalt, and an upper portion of the first barrier layer pattern may be made of cobalt nitride.

이때, 상기 제1 베리어막 패턴의 하부는 코발트 소스를 이용하여 화학 기상 증착 공정으로 증착시키고, 상부는 코발트를 포함하는 전구체 소스 가스를 공급하여 형성된 코발트 전구체 박막을 질화시켜 획득한 것이다. In this case, a lower portion of the first barrier layer pattern is deposited by a chemical vapor deposition process using a cobalt source, and an upper portion is obtained by nitriding a cobalt precursor thin film formed by supplying a precursor source gas including cobalt.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물을 형성하는 방법은, 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 불순물로 도핑된 폴리실리콘막을 순차적으로 형성한다. 상기 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 상에 화학 기상 증착 공정 및 원자층 증착 공정을 사용하여 코발트로 이루어지는 제1 베리어막을 형성한다. 상기 제1 베리어막 상에 화학 기상 증착 공정 및 원자층 증착 공정을 사용하여 금속 및 금속 질화물을 포함하는 제2 베리어막을 형성한다. 상기 제2 베리어막 상에 텅스텐막을 형성한다. 패터닝 공정을 수행하여 상기 반도체 기판 상에 게이트 절연막 패턴, 폴리실리콘막 패턴, 제1 베리어막 패턴, 제2 베리어막 패턴 및 텅스텐막 패턴으로 이루어지는 게이트 구조물을 형성한다.A method of forming a gate structure of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention for achieving the above another object, sequentially forming a gate insulating film and a polysilicon film doped with impurities on a semiconductor substrate. A first barrier layer made of cobalt is formed on the polysilicon layer doped with the impurity using a chemical vapor deposition process and an atomic layer deposition process. A second barrier film including metal and metal nitride is formed on the first barrier film by using a chemical vapor deposition process and an atomic layer deposition process. A tungsten film is formed on the second barrier film. A patterning process is performed to form a gate structure including a gate insulating layer pattern, a polysilicon layer pattern, a first barrier layer pattern, a second barrier layer pattern, and a tungsten layer pattern on the semiconductor substrate.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 베리어막은 상기 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 상에 코발트 소스를 이용하여 화학 기상 증착 공정에 의해 코발트막을 형성한다. 상기 코발트막 상에 코발트를 포함하는 전구체 소스 가스를 공급하여 상기 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 상에 코발트 전구체 박막을 형성한다. 상기 코발트 전구체 박막 상에 물리적으로 흡착된 전구체 소스 가스를 제거하기 위하여 퍼지 가스를 공급하여 형성할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first barrier film forms a cobalt film by a chemical vapor deposition process using a cobalt source on the polysilicon film doped with the impurity. A cobalt precursor thin film is formed on the polysilicon layer doped with the impurity by supplying a precursor source gas including cobalt on the cobalt layer. It may be formed by supplying a purge gas to remove the precursor source gas physically adsorbed on the cobalt precursor thin film.

또한, 상기 코발트 전구체 박막을 질화하여 코발트 질화막으로 형성시켜, 상 기 제1 베리어막의 상부를 코발트 질화물로 이루어지도록 형성할 수 있다.In addition, the cobalt precursor thin film may be nitrided to form a cobalt nitride layer, and the upper portion of the first barrier layer may be formed of cobalt nitride.

상기와 같이, 상기 제1 베리어막은 상기 폴리실리콘막에 도핑된 불순물과의 반응이 티타늄보다 상대적으로 낮은 코발트를 포함하여 형성되기 때문에, 상기 제2 베리어막의 티타늄 등의 금속에 상기 불순물이 반응하여 고 저항 물질을 형성하는 유착물을 거의 포함하지 않을 수 있다. 또한, 상기 제1 베리어막 및 제2 베리어막은 화학 기상 증착 공정 및 원자층 적층 공정에 의해 형성되기 때문에 베리어막들의 단차 도포성이 우수하여 막두께의 균일도를 향상될 수 있으며, 하부 구조물이 3차원 구조를 갖게 될 경우에도 유용하게 적용시킬 수 있다.As described above, since the first barrier layer is formed by including cobalt having a reaction lower than that of titanium doped with the polysilicon layer, the impurities may react with metals such as titanium of the second barrier layer. It may contain little coalesce to form a resistive material. In addition, since the first barrier film and the second barrier film are formed by a chemical vapor deposition process and an atomic layer stacking process, the barrier film may have excellent step coverage, and thus the uniformity of the film thickness may be improved, and the lower structure may be three-dimensional. This can also be useful if you have a structure.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 반도체 기판 상에 게이트 절연막 패턴과, 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴과, 화학 기상 증착 공정 및 원자층 증착 공정을 사용하여 코발트 또는 코발트 및 코발트 질화물로 이루어지는 제1 베리어막 패턴과, 금속 및 금속 질화물을 포함하는 제2 베리어막과, 텅스텐 패턴이 순차적으로 구비된다. 그 결과, 상기 반도체 기판 상에 게이트 구조물이 형성된다.According to the present invention as described above, a first barrier made of cobalt or cobalt and cobalt nitride using a gate insulating film pattern, a polysilicon film pattern doped with impurities, a chemical vapor deposition process and an atomic layer deposition process on a semiconductor substrate The film pattern, the second barrier film containing the metal and the metal nitride, and the tungsten pattern are sequentially provided. As a result, a gate structure is formed on the semiconductor substrate.

상기 제1 베리어막 패턴은 상기 폴리실리콘막 패턴에 도핑된 불순물과의 반응이 티타늄보다 상대적으로 낮은 코발트를 포함하여 형성되기 때문에, 상기 제2 베리어막 패턴의 티타늄 등의 금속에 상기 불순물이 반응하여 고 저항 물질을 형성하는 유착물을 거의 포함하지 않을 수 있다. 또한, 상기 제1 베리어막 패턴 및 제2 베리어막 패턴은 화학 기상 증착 공정 및 원자층 적층 공정에 의해 형성되기 때문에 베리어막 패턴들의 단차 도포성이 우수하여 막두께의 균일도를 향상될 수 있으 며, 하부 구조물이 3차원 구조를 갖게 될 경우에도 유용하게 적용시킬 수 있다.Since the first barrier layer pattern includes cobalt having a reaction lower than that of titanium doped with the polysilicon layer pattern, the impurities react with metals such as titanium of the second barrier layer pattern. It may contain little coalesce to form a high resistance material. In addition, since the first barrier layer pattern and the second barrier layer pattern are formed by a chemical vapor deposition process and an atomic layer deposition process, the uniformity of the barrier layer patterns can be improved, thereby improving the uniformity of the film thickness. It can be usefully applied even when the substructure has a three-dimensional structure.

이하, 본 발명의 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 및 이의 형성 방법에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 기판, 막, 영역, 패턴 또는 구조물의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the gate structure of the semiconductor memory device of the present invention and a method of forming the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. Those skilled in the art will be able to implement the invention in various other forms without departing from the spirit of the invention. In the accompanying drawings, the dimensions of the substrate, film, region, pattern or structure are shown to be larger than actual for clarity of the invention.

본 발명에 있어서, 막, 영역, 패턴 또는 구조물이 기판, 막, 영역, 패드 또는 패턴들의 "위에", "위쪽에", "상에", "상부에" 또는 "아래에", "아래쪽에","하부에" 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 막, 영역, 패턴 또는 구조물이 직접 기판, 막, 영역 또는 패턴 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 막, 다른 영역, 다른 패턴 또는 다른 구조물이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 두께, 영역, 패턴 또는 구조물이 "제1" 및/또는 "제2"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 두께, 막, 영역, 패턴 또는 구조물을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1" 및/또는 "제2"는 두께, 폭, 막, 영역, 패턴 또는 구조물에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다. In the present invention, a film, region, pattern, or structure may be used "on", "up", "on", "top" or "bottom", "bottom" of a substrate, film, region, pad or pattern. When referred to as being "formed" or "under", it means that each film, region, pattern or structure is formed directly over or below a substrate, film, region or pattern, or is a different film, another region, another pattern or Other structures may additionally be formed on the substrate. In addition, where the thickness, region, pattern or structure is referred to as "first" and / or "second", it is not intended to limit these members but merely to distinguish the thickness, film, region, pattern or structure. Thus, "first" and / or "second" may be used selectively or interchangeably with respect to thickness, width, film, region, pattern or structure, respectively.

제1 실시예First embodiment

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물을 설명하기 위한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view illustrating a gate structure of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물(160)은 게이트 절연막 패턴(112), 게이트 절연막 패턴(112) 상에 형성된 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122), 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122) 상에 형성된 제1 베리어막 패턴(132), 제1 베리어막 패턴(132) 상에 형성된 제2 베리어막 패턴(142), 제2 베리어막 패턴(142) 상에 형성된 텅스텐막 패턴(152)을 포함한다. Referring to FIG. 2, the gate structure 160 of the semiconductor memory device may include a gate insulating layer pattern 112, a polysilicon layer pattern 122 doped with an impurity formed on the gate insulating layer pattern 112, and a polysilicon doped with an impurity. Tungsten film formed on the first barrier film pattern 132 formed on the film pattern 122, the second barrier film pattern 142 formed on the first barrier film pattern 132, and the second barrier film pattern 142. Pattern 152.

게이트 절연막 패턴(112)은 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판(100)의 액티브 영역 상에 구비된다. 그러므로, 반도체 기판(100)에는 언급한 액티브 영역을 한정하기 위한 소자 분리막(미도시)이 형성된다. 여기서, 상기 소자 분리막은 필드 영역에 해당한다. 게이트 절연막 패턴(112)은 실리콘 산화물을 포함하여 형성되며, 얇은 등가 산화막 두께를 유지하면서도 상부의 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122)과 채널 영역(미도시) 사이의 누설 전류까지도 충분하게 줄일 수 있도록 형성된다. The gate insulating layer pattern 112 is provided on the active region of the semiconductor substrate 100 made of silicon. Therefore, an isolation layer (not shown) is formed in the semiconductor substrate 100 to limit the aforementioned active region. Here, the device isolation layer corresponds to a field region. The gate insulating layer pattern 112 includes silicon oxide, and sufficiently reduces the leakage current between the polysilicon layer pattern 122 and the channel region (not shown) doped with an impurity thereon while maintaining a thin equivalent oxide layer thickness. It is formed to be.

불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122)은 게이트 절연막 패턴(112) 상에 형성되며, 상기 불순물은 N형 불순물 또는 P형 불순물일 수 있다. 상기 n형 불순물은 인(P), 비소(As) 또는 안티몬(Sb)을 사용할 수 있다. 상기 P형 불순물은 인듐(In), 갈륨(Ga) 또는 보론(B)을 사용할 수 있다. 이들 불순물들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. The polysilicon layer pattern 122 doped with an impurity is formed on the gate insulating layer pattern 112, and the impurity may be an N-type impurity or a P-type impurity. Phosphor (P), arsenic (As) or antimony (Sb) may be used as the n-type impurity. Indium (In), gallium (Ga), or boron (B) may be used as the P-type impurity. These impurities may be used alone or in combination.

일반적으로 폴리실리콘은 다수의 계면을 갖는다. 상기 계면을 통해서 전자들이 주로 이동하기 때문에 폴리실리콘은 상대적으로 낮은 전기전도도를 갖는다. 따 라서, 상기 불순물을 도핑시킴으로써 상기 전기전도도를 높일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 불순물로 보론(B)을 도핑시켜 폴리실리콘막 패턴(122)의 전기전도도를 증가시킬 수 있다. In general, polysilicon has a number of interfaces. Polysilicon has a relatively low electrical conductivity because electrons mainly move through the interface. Therefore, the electrical conductivity may be increased by doping the impurities. According to an embodiment of the present invention, the conductivity of the polysilicon layer pattern 122 may be increased by doping boron (B) with the impurities.

제1 베리어막 패턴(132)은 상기 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122) 상에 구비된다. 제1 베리어막 패턴(132)은 코발트 단일막으로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 베리어막 패턴(132)은 하부가 코발트로 이루어지고, 상부가 코발트 질화물로 이루어지는 이중막 구조를 갖을 수 있다. 이때, 제1 베리어막 패턴(132)의 상기 코발트는 콘택 저항을 감소시키는 오믹막으로서 작용하고, 상기 코발트 질화물은 불순물 이온이 폴리실리콘막 패턴(122) 밖으로 확산되어 반응하는 것을 방지하기 위한 확산방지막으로서 작용한다. 즉, 제1 베리어막 패턴(132)은 제2 베리어막 패턴(142)의 금속과 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122)의 상기 불순물이 반응하여 고 저항 물질을 형성시키는 것을 차단하는 역할을 한다. 따라서, 제1 베리어막 패턴(132)의 물질은 제2 베리어막 패턴(142)의 물질보다 상기 불순물과의 반응성이 낮은 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 보론(B)과의 반응성이 낮은 물질을 이용한다.The first barrier film pattern 132 is provided on the polysilicon film pattern 122 doped with the impurity. The first barrier layer pattern 132 may be formed of a cobalt single layer. In addition, the first barrier layer pattern 132 may have a double layer structure having a lower portion of cobalt and an upper portion of cobalt nitride. In this case, the cobalt of the first barrier film pattern 132 serves as an ohmic film to reduce contact resistance, and the cobalt nitride is a diffusion barrier for preventing impurity ions from diffusing out of the polysilicon film pattern 122 and reacting. Act as. That is, the first barrier film pattern 132 serves to block the formation of a high resistance material by reacting the metal of the second barrier film pattern 142 with the impurities of the polysilicon film pattern 122 doped with impurities. do. Therefore, the material of the first barrier film pattern 132 may be a material having a lower reactivity with the impurities than the material of the second barrier film pattern 142. In the present invention, a substance having a low reactivity with boron (B) is used.

일 실시예로서, 상기 불순물로 보론(B)을 사용하고, 제2 베리어막 패턴(142)의 금속으로 티타늄을 사용한 경우 상기 제1 베리어막 패턴(132)의 코발트와 보론의 반응물인 코발트 보라이드(CoB)는 상기 티타늄과 보론의 반응물인 티타늄 디보라이드(TiB2)보다 덜 형성될 수 있다. As an example, when boron (B) is used as the impurity and titanium is used as the metal of the second barrier film pattern 142, cobalt boride, which is a reactant of cobalt and boron of the first barrier film pattern 132, is used. (CoB) may be less formed than titanium diboride (TiB 2 ), which is a reactant of the titanium and boron.

이론적으로, 상기 티타늄이 티타늄 디보라이드(TiB2)로 형성될 때 발생하는 깁스 자유 에너지(Gibs free energy; △G)가 320 내지 1100℃의 온도 범위에서 약 800 내지 1000J/mol인데 반해, 상기 코발트가 코발트 보라이드(CoB)를 형성할 때 발생되는 깁스 자유 에너지(△G)는 약 -800 내지 200J/mol으로 측정된다. 따라서, 코발트 보라이드(CoB)의 자유 에너지 값이 매우 크므로 결합 반응이 상대적으로 수행되기 어려움을 알 수 있다. 따라서, 상대적으로 반응성이 낮은 코발트를 포함하는 제1 베리어막 패턴(132)은 티타늄 디보라이드(TiB2) 형성에 대한 반응방지막으로서 이용될 수 있다. Theoretically, the Gibbs free energy (ΔG) generated when the titanium is formed of titanium diboride (TiB 2 ) is about 800 to 1000 J / mol in the temperature range of 320 to 1100 ° C., whereas the cobalt Is the Gibbs free energy (ΔG) generated when cobalt boride (CoB) is formed at about -800 to 200 J / mol. Therefore, the free energy value of cobalt boride (CoB) is very large, it can be seen that the coupling reaction is relatively difficult to perform. Therefore, the first barrier layer pattern 132 including relatively low cobalt may be used as a reaction prevention layer for forming titanium diboride (TiB 2 ).

반면, 다른 실시예로서 상기 불순물로 비소(As)를 사용하고, 제2 베리어막 패턴(142)으로 티타늄을 사용한 경우에도 상기 제1 베리어막 패턴(132)의 코발트와 비소의 반응물인 코발트 아세나이드(CoAs)는 티타늄과 비소의 반응물인 티타늄 아세나이드(TiAs)보다 덜 형성될 수 있다. On the other hand, even if arsenic (As) is used as the impurity and titanium is used as the second barrier layer pattern 142, cobalt arsenide, which is a reactant of cobalt and arsenic of the first barrier layer pattern 132, is used as another embodiment. (CoAs) may be less formed than titanium arsenide (TiAs), which is a reactant of titanium and arsenic.

이론적으로, 상기 티타늄이 티타늄 아세나이드(TiAs)로 형성될 때 발생하는 깁스 자유 에너지(△G)가 320 내지 1100℃의 온도 범위에서 약 -1100 내지 -1000J/mol인데 반해, 상기 코발트가 코발트 아세나이드(CoAs)를 형성할 때 발생되는 깁스 자유 에너지(△G)는 약 -500 내지 -50J/mol으로 측정된다. 따라서, 코발트 아세나이드(CoAs)의 자유 에너지 값이 비교적 커서 결합 반응이 상대적으로 덜 활발함을 알 수 있다. 따라서, 상대적으로 비소와의 반응성이 일부 낮은 코발트를 포함하는 제1 베리어막 패턴(132)이 티타늄 아세나이드(TiAs) 형성에 대한 반응방지 막으로서 이용될 수 있다. Theoretically, the Gibbs free energy (ΔG) generated when the titanium is formed of titanium arsenide (TiAs) is about -1100 to -1000J / mol in the temperature range of 320 to 1100 ° C, whereas the cobalt is cobalt ace The Gibbs free energy (ΔG) generated when forming nit (CoAs) is measured to be about −500 to −50 J / mol. Therefore, it can be seen that the free energy value of cobalt arsenide (CoAs) is relatively large and the binding reaction is relatively less active. Accordingly, the first barrier layer pattern 132 including cobalt having a relatively low reactivity with arsenic may be used as an anti-reaction layer for forming titanium arsenide (TiAs).

제1 베리어막 패턴(132)의 하부는 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122) 상에 코발트 원소를 포함하는 코발트 소스를 이용하여 약 630℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 화학 기상 증착 공정에 의해 형성된 코발트막(미도시)을 포함하고, 상부는 코발트 전구체 소스 가스의 공급 단계, 퍼지 단계, 질화 가스 공급 단계 및 펌핑 단계로 이루어진 1회의 증착 사이클을 반복적으로 수행하여 형성된 코발트 질화막(미도시)을 포함한다.The lower portion of the first barrier layer pattern 132 is formed by a chemical vapor deposition process in a temperature range of about 630 ° C to 650 ° C using a cobalt source containing a cobalt element on the polysilicon layer pattern 122 doped with impurities. A cobalt nitride film (not shown) formed by repeatedly performing one deposition cycle including a cobalt precursor source gas supply step, a purge step, a nitriding gas supply step, and a pumping step. Include.

이때, 상기 코발트 소스 및 코발트를 포함하는 전구체 소스 가스로는 CoCp(CO)2, Co(acac)2, CoCp2 또는 CCTBA 등이 사용될 수 있다. 상기 퍼지 단계에서는 퍼지 가스로 수소 가스가 사용될 수 있으며, 코발트 전구체가 물리적으로 흡착된 부분이 제거된다. 상기 질화 가스로는 암모니아(NH3) 가스가 사용될 수 있으며, 리모트 플라즈마 발생기를 통해 여기된 질소(N2) 플라즈마 또는 암모니아(NH3) 플라즈마가 상기 질화 가스로 사용될 수도 있다. 상기 질화 가스에 의해 코발트와 리간드 결합된 부분이 질소로 치환됨으로써 상기 코발트 질화막이 형성된다. In this case, CoCp (CO) 2 , Co (acac) 2 , CoCp 2, or CCTBA may be used as the precursor source gas including the cobalt source and cobalt. In the purge step, hydrogen gas may be used as the purge gas, and a portion where the cobalt precursor is physically adsorbed is removed. Ammonia (NH 3 ) gas may be used as the nitride gas, and nitrogen (N 2 ) plasma or ammonia (NH 3 ) plasma excited through a remote plasma generator may be used as the nitride gas. The cobalt nitride film is formed by substituting nitrogen for a portion where the ligand is bonded to cobalt by the nitriding gas.

제2 베리어막 패턴(142)은 제1 베리어막 패턴(132) 상에 구비된다. 제2 베리어막 패턴(142)의 하부는 금속으로 이루어지고, 상부는 금속 질화물로 이루어진다. 이때, 제2 베리어막 패턴(142)의 상기 금속은 제1 베리어막 패턴(132)과 함께 콘택 저항(contact resistance)을 낮추고, 상기 금속 질화물은 상기 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122)의 불순물 이온이 확산되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 따라서, 상기 제2 베리어막 패턴(142)의 물질은 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122)과 텅스텐막 패턴(152) 각각에 비해 저항이 낮은 물질을 이용하는 것이 바람직하다. The second barrier film pattern 142 is provided on the first barrier film pattern 132. The lower portion of the second barrier layer pattern 142 is made of metal, and the upper portion is made of metal nitride. In this case, the metal of the second barrier layer pattern 142 lowers the contact resistance together with the first barrier layer pattern 132, and the metal nitride of the polysilicon layer pattern 122 doped with the impurity. It serves to prevent the diffusion of impurity ions. Therefore, the material of the second barrier layer pattern 142 may be formed of a material having a lower resistance than that of the polysilicon layer pattern 122 and the tungsten layer pattern 152 doped with impurities.

제2 베리어막(142)의 하부는 티타늄, 텅스텐, 탄탈륨 또는 몰리브덴과 같은 금속을 포함할 수 있으며, 상부는 상기 금속 중 적어도 하나를 포함하는 티타늄 질화물, 텅스텐 질화물, 탄탈륨 질화물 또는 몰리브덴 질화물 등의 금속 질화막을 포함할 수 있다. 제2 베리어막 패턴(142)으로 적절한 구조의 예로서는 하부가 티타늄으로 이루어지고, 상부가 티타늄 질화물로 이루어질 수 있다. A lower portion of the second barrier layer 142 may include a metal such as titanium, tungsten, tantalum, or molybdenum, and an upper portion thereof may include a metal such as titanium nitride, tungsten nitride, tantalum nitride, or molybdenum nitride, including at least one of the metals. It may include a nitride film. As an example of a suitable structure as the second barrier film pattern 142, the lower portion may be made of titanium and the upper portion may be made of titanium nitride.

구체적으로, 제2 베리어막 패턴(142)의 하부는 제1 베리어막 패턴(132) 상에 티타늄 원소를 포함하는 티타늄 소스를 공급하여 약 630℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 화학 기상 증착 공정에 의해 형성된 티타늄막(미도시)을 포함하고, 상부는 티타늄 전구체 소스 가스의 공급 단계, 퍼지 단계, 질화 가스 공급 단계 및 펌핑 단계로 이루어진 1회의 증착 사이클을 반복적으로 수행하여 형성된 티타늄 질화막(미도시)을 포함한다.Specifically, the lower portion of the second barrier layer pattern 142 is supplied by a titanium gas source containing a titanium element on the first barrier layer pattern 132 by a chemical vapor deposition process in a temperature range of about 630 ° C to 650 ° C. A titanium nitride film (not shown) is formed, and an upper portion of the titanium nitride film (not shown) is formed by repeatedly performing one deposition cycle including a supply step, a purge step, a nitride gas supply step, and a pumping step of a titanium precursor source gas. Include.

상기 티타늄 소스 및 티타늄을 포함하는 전구체 소스 가스로는 염화 티타늄(TiCl4)이 사용될 수 있다. 상기 퍼지 단계에서는 퍼지 가스로 수소 가스가 사용되며, 상기 퍼지에 의해 티타늄 전구체가 물리적으로 흡착된 부분이 제거된다. 상기 질화 가스로는 암모니아(NH3) 가스가 사용될 수 있으며, 리모트 플라즈마 발생기를 통해 여기된 질소(N2) 플라즈마 또는 암모니아(NH3) 플라즈마가 상기 질화 가스 로 사용될 수도 있다. 상기 질화 가스에 의해 티타늄과 리간드 결합된 부분이 질소로 치환됨으로써 상기 티타늄 질화막이 형성된다. Titanium chloride (TiCl 4 ) may be used as the titanium source and the precursor source gas including titanium. In the purge step, hydrogen gas is used as the purge gas, and the portion where the titanium precursor is physically adsorbed by the purge is removed. Ammonia (NH 3 ) gas may be used as the nitride gas, and nitrogen (N 2 ) plasma or ammonia (NH 3 ) plasma excited through a remote plasma generator may be used as the nitride gas. The titanium nitride film is formed by substituting nitrogen for the ligand-bonded portion with the nitride gas.

텅스텐막 패턴(152)은 제2 베리어막 패턴(142) 상에 위치한다. 텅스텐막 패턴(152)의 하부에는 제2 베리어막 패턴(142)이 위치하기 때문에 텅스텐막 패턴(152)에 포함된 텅스텐(W)은 도전성 물질인 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(122) 쪽으로 거의 확산되지 않는다. The tungsten film pattern 152 is positioned on the second barrier film pattern 142. Since the second barrier film pattern 142 is positioned under the tungsten film pattern 152, the tungsten (W) included in the tungsten film pattern 152 is almost toward the polysilicon film 122 doped with impurities, which is a conductive material. It does not spread.

여기서, 제1 베리어막 패턴(132)과 제2 베리어막 패턴(142) 각각은 워드 라인의 배선 용도로 사용되는 것으로써, 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122)과 텅스텐막 패턴(152) 각각에 비해 저항이 낮은 물질로 이루어진다. Here, each of the first barrier layer pattern 132 and the second barrier layer pattern 142 is used for wiring of word lines, and thus, the polysilicon layer pattern 122 and the tungsten layer pattern 152 doped with impurities are formed. It is made of a material with low resistance compared to each.

이와 같이, 본 발명에 의하면 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 패턴(122)과 텅스텐막 패턴(152) 사이에 저항이 낮고, 상기 불순물과의 반응성이 떨어지는 코발트 및 코발트 질화물로 이루어지는 베리어 금속물질로 이용하여 이중 박막 구조의 베리어막 패턴을 형성함으로써 후속 열처리 공정에 의해 열화된 유착물이 형성하는 것을 충분하게 방지할 수 있다. 그러므로, 낮은 계면 저항을 갖고 열적으로 안정한 게이트 구조물을 갖는 워드 라인을 용이하게 구현하고, 활용할 수 있다. As described above, according to an exemplary embodiment of the present invention, a barrier metal material made of cobalt and cobalt nitride having a low resistance between the doped polysilicon film pattern 122 and the tungsten film pattern 152 and having low reactivity with the impurities is used. By forming the barrier film pattern of the double thin film structure, it is possible to sufficiently prevent the formation of coalesced deteriorated by the subsequent heat treatment process. Therefore, a word line having a low interfacial resistance and a thermally stable gate structure can be easily implemented and utilized.

도 3 내지 도 6은 도 2에 도시된 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3 to 6 are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate structure of the semiconductor memory device shown in FIG. 2.

도 3을 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 게이트 절연막(110)을 형성하고, 상기 게이트 절연막(110) 상에 불순물로 도핑된 폴리실리콘막(120)을 형성한다. 게이트 절연막(110)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, a gate insulating layer 110 is formed on a semiconductor substrate 100, and a polysilicon layer 120 doped with impurities is formed on the gate insulating layer 110. The gate insulating layer 110 may include silicon oxide.

상기 불순물은 N형 불순물 또는 P형 불순물일 수 있다. 상기 n형 불순물은 인(P), 비소(As) 또는 안티몬(Sb)을 사용할 수 있다. 상기 P형 불순물은 인듐(In), 갈륨(Ga) 또는 보론(B)을 사용할 수 있다. 이들 불순물들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. The impurities may be N-type impurities or P-type impurities. Phosphor (P), arsenic (As) or antimony (Sb) may be used as the n-type impurity. Indium (In), gallium (Ga), or boron (B) may be used as the P-type impurity. These impurities may be used alone or in combination.

본 발명에서는 상기 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120)에 보론(B)을 도핑하여 적절한 전기전도도를 가지는 전도성 박막을 형성할 수 있다.In the present invention, the conductive thin film having an appropriate electrical conductivity may be formed by doping boron (B) to the polysilicon film 120 doped with the impurity.

도 4를 참조하면, 불순물로 도핑된 폴리실리콘막(120) 상에 제1 베리어막(130)을 형성한다. 제1 베리어막(130)은 코발트를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 제1 베리어막(130)은 하부는 코발트를 포함하며, 상부는 코발트 질화물을 포함하여 형성될 수도 있다. 이때, 상기 코발트는 콘택 저항을 감소시키는 오믹막으로서 작용하고, 상기 코발트 질화물은 불순물 이온이 폴리실리콘막(120) 밖으로 확산되어 반응하는 것을 방지하기 위한 확산방지막으로서 작용한다. 즉, 제1 베리어막(130)은 제2 베리어막(140)의 금속과 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120)의 상기 불순물과의 반응으로 인하여 고 저항 물질이 형성되는 것을 차단시키는 역할을 한다. 따라서, 제1 베리어막(130)의 물질은 제2 베리어막(140)의 물질보다 상기 불순물, 예를들면 보론(B) 또는 비소(As)와의 반응성이 낮은 물질을 이용하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 4, the first barrier layer 130 is formed on the polysilicon layer 120 doped with impurities. The first barrier layer 130 may include cobalt. In addition, the first barrier layer 130 may include a lower portion of cobalt and an upper portion of cobalt nitride. At this time, the cobalt acts as an ohmic film to reduce contact resistance, and the cobalt nitride acts as a diffusion barrier to prevent impurity ions from diffusing out of the polysilicon film 120 and reacting. That is, the first barrier film 130 serves to block the formation of the high resistance material due to the reaction between the metal of the second barrier film 140 and the impurities of the polysilicon film 120 doped with impurities. . Therefore, the material of the first barrier layer 130 may be formed of a material having a lower reactivity with the impurities such as boron (B) or arsenic (As) than the material of the second barrier layer 140.

구체적으로, 제1 베리어막(130)은 불순물로 도핑된 폴리실리콘막(120) 상에 코발트 소스를 이용하여 화학 기상 증착 공정에 의해 코발트막(미도시)을 형성한 다. 상기 코발트 소스로는 CoCp(CO)2, Co(acac)2, CoCp2 또는 CCTBA 등이 사용될 수 있다.In detail, the first barrier layer 130 forms a cobalt layer (not shown) on the polysilicon layer 120 doped with impurities by a chemical vapor deposition process using a cobalt source. CoCp (CO) 2 , Co (acac) 2 , CoCp 2 or CCTBA may be used as the cobalt source.

상기 화학 기상 증착 공정을 수행할 때의 온도가 약 630℃ 미만인 경우, 코발트 소스로부터 코발트가 효과적으로 분리되지 않는다는 문제점이 있다. 반면에 상기 화학 기상 증착 공정을 수행할 때의 온도가 약 650℃를 초과하는 경우, 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120)에 열적 스트레스를 줄 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 상기 화학 기상 증착 공정을 수행할 때의 온도는 약 630℃ 내지 약 650℃일 수 있다. If the temperature when performing the chemical vapor deposition process is less than about 630 ℃, there is a problem that the cobalt is not effectively separated from the cobalt source. On the other hand, when the temperature of performing the chemical vapor deposition process exceeds about 650 ℃, there is a problem that the thermal stress on the polysilicon film 120 doped with impurities. Therefore, the temperature when performing the chemical vapor deposition process may be about 630 ℃ to about 650 ℃.

이어서, 상기 코발트막 상에 코발트를 포함하는 전구체 소스 가스를 가스상으로 공급하여 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120)의 표면 상에 코발트 전구체 박막(미도시)을 형성한다. Subsequently, a cobalt precursor thin film (not shown) is formed on the surface of the polysilicon film 120 doped with impurities by supplying a precursor source gas including cobalt on the cobalt film in a gas phase.

상기 코발트를 포함하는 전구체 소스 가스로는 CoCp(CO)2, Co(acac)2, CoCp2 또는 CCTBA 등이 사용될 수 있다. 이때, 상기 전구체 소스 가스는 액상으로 유지되나, 아르곤 또는 질소 등의 캐리어 가스에 의해 버블링되어 기화될 수 있다. CoCp (CO) 2 , Co (acac) 2 , CoCp 2, or CCTBA may be used as the precursor source gas including the cobalt. In this case, the precursor source gas is maintained in a liquid phase, but may be bubbled by a carrier gas such as argon or nitrogen to be vaporized.

상기 코발트 전구체 박막은 코발트 전구체들의 화학적 흡착 및 물리적 흡착에 의해 형성된다. 구체적으로, 상기 코발트 전구체 박막은 코발트막 표면 상에 화학적으로 흡착된 부분과 상기 화학적으로 흡착된 코발트 전구체 박막 상에 물리적으로 흡착된 부분을 포함한다.The cobalt precursor thin film is formed by chemical adsorption and physical adsorption of cobalt precursors. Specifically, the cobalt precursor thin film includes a portion chemically adsorbed on the surface of the cobalt film and a portion physically adsorbed on the chemically adsorbed cobalt precursor thin film.

이어서, 상기 코발트막 상에 물리적으로 흡착된 코발트 전구체들을 제거하기 위하여 상기 코발트 전구체 박막으로 퍼지 가스를 공급한다. 상기 퍼지 가스로는 수소 가스가 사용될 수 있다. 상기와 같이, 물리적으로 흡착된 부분이 상기 퍼지 가스에 의해 제거된 후, 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120) 상에는 코발트막 및 상기 코발트막 상에 원자층 단위의 코발트 전구체 박막이 잔류한다. Subsequently, a purge gas is supplied to the cobalt precursor thin film in order to remove cobalt precursors physically adsorbed on the cobalt film. Hydrogen gas may be used as the purge gas. As described above, after the physically adsorbed portion is removed by the purge gas, the cobalt precursor thin film in atomic layer units remains on the cobalt film and the cobalt film on the doped polysilicon film 120.

이어서, 상기 코발트막 상에 잔류하는 코발트 전구체 박막 상으로 질화 가스를 공급하여 상기 코발트 전구체 박막을 질화시킴으로써 상기 코발트막 상에 원자층 단위의 코발트 질화막(미도시)을 형성시킬 수 있다. Subsequently, a cobalt nitride film (not shown) in atomic layer units may be formed on the cobalt film by nitriding the cobalt precursor thin film by supplying a nitride gas onto the cobalt precursor thin film remaining on the cobalt film.

상기 질화 가스로는 암모니아(NH3) 가스가 사용될 수 있으며, 리모트 플라즈마 발생기를 통해 여기된 질소(N2) 플라즈마 또는 암모니아(NH3) 플라즈마가 상기 질화 가스로 사용될 수도 있다. 이때, 코발트와 리간드 결합된 부분이 질소로 치환됨으로써 상기 코발트 질화막은 하부의 코발트막과 함께 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120) 상에 형성된다. Ammonia (NH 3 ) gas may be used as the nitride gas, and nitrogen (N 2 ) plasma or ammonia (NH 3 ) plasma excited through a remote plasma generator may be used as the nitride gas. In this case, the cobalt nitride film is formed on the polysilicon layer 120 doped with impurities by cobalt and ligand-substituted portions with nitrogen.

이어서, 질화 가스를 이용하여 제1 베리어막(130)의 상부를 코발트 질화막으로 형성하는 과정에서 발생된 반응 부산물을 펌핑시켜 제거함으로써 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120) 상에 코발트막 및 원자층 단위의 코발트 질화막으로 이루어지는 제1 베리어막(130)을 완성한다.Subsequently, the cobalt film and the atomic layer are formed on the polysilicon film 120 doped with impurities by pumping and removing reaction by-products generated in the process of forming an upper portion of the first barrier film 130 as a cobalt nitride film using a nitride gas. The first barrier film 130 formed of the cobalt nitride film in units is completed.

상기와 같은 방법으로, 즉 상기 코발트 전구체 소스 가스의 공급 단계, 퍼지 단계, 질화 가스 공급 단계 및 펌핑 단계로 이루어진 1회의 증착 사이클을 반복적으로 수행함으로써 도 4에 도시된 바와 같이 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120) 상에 목적하는 두께를 갖는 제1 베리어막(130)을 형성할 수 있다. 상기 원자층 적층 공정을 사용하여 제1 베리어막(130)을 형성하는 경우 스텝커버리지가 우수하여 3차원 구조의 구조물 상에 형성시키기 용이하며, 오믹막 및 베리어막으로 작용되는 금속막들을 동시에 증착시키는 것이 가능하다. Impurity-doped polysilicon as shown in FIG. 4 by repeatedly performing one deposition cycle comprising the supplying step, purging step, nitriding gas supplying step and pumping step of the cobalt precursor source gas as described above. A first barrier film 130 having a desired thickness may be formed on the film 120. In the case of forming the first barrier layer 130 using the atomic layer stacking process, the step barrier is excellent, so that it is easy to form on the structure having a three-dimensional structure, and simultaneously deposits the metal layers serving as the ohmic layer and the barrier layer. It is possible.

만약, 상기 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120) 상에 코발트 및 코발트 질화물로 이루어지는 제1 베리어막(130)을 형성하지 않고 티타늄 및 티타늄 질화물로 베리어막을 형성하였을 경우, 상기 불순물과 티타늄은 활발하게 반응하여 고 저항 물질을 형성하게 된다. 만약, 상기 불순물이 보론(B)인 경우, 상기 고 저항 물질은 티타늄 디보라이드(TiB2)가 된다. 따라서, 상기 고 저항 물질이 생성될 때 상기 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120) 상의 표면에 주어진 열적 스트레스에 의해 불균일한 표면을 형성하는 문제점이 발생된다. If the barrier layer is formed of titanium and titanium nitride without forming the first barrier layer 130 made of cobalt and cobalt nitride on the doped polysilicon layer 120, the impurities and titanium are actively React to form a high resistance material. If the impurity is boron (B), the high resistance material is titanium diboride (TiB 2 ). Therefore, when the high resistance material is generated, a problem arises in that a non-uniform surface is formed by thermal stress given to the surface on the polysilicon layer 120 doped with the impurity.

따라서, 본 발명에서는 티타늄 디보라이드(TiB2)를 형성할 경우보다 깁스 자유 에너지 값이 커 상기 불순물(B)과의 결합 반응이 어려운 코발트를 사용하여 코발트 또는 코발트 및 코발트 질화물을 포함하는 제1 베리어막(130)을 형성함으로서 후속의 티타늄을 포함하는 제2 베리어막(140, 도 5)의 티타늄과 상기 불순물과의 반응으로 고 저항 물질이 형성되는 문제를 효과적으로 감소시킬 수 있다. Therefore, in the present invention, the first barrier containing cobalt or cobalt and cobalt nitride using cobalt having a larger Gibbs free energy value than that of titanium diboride (TiB 2 ), which is difficult to bind with the impurity (B). By forming the film 130, it is possible to effectively reduce the problem that a high resistance material is formed by reaction of titanium and the impurities of the second barrier film 140 (FIG. 5) including titanium.

도 5를 참조하면, 제1 베리어막(130) 상에 제2 베리어막(140)을 형성한다. 제2 베리어막(140)의 하부는 금속을 포함하고 상부는 금속 질화물을 포함한다. 이때, 상기 금속은 제1 베리어막(130)과 함께 콘택 저항을 낮추고, 상기 금속 질화물 은 상기 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120)의 불순물 이온이 확산되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 제2 베리어막(140)의 하부는 티타늄, 텅스텐, 탄탈륨 또는 몰리브덴과 같은 금속을 포함할 수 있으며, 상부는 상기 금속 중 적어도 하나를 포함하는 티타늄 질화물, 텅스텐 질화물, 탄탈륨 질화물 또는 몰리브덴 질화물 등의 금속 질화막을 포함할 수 있다. 이때, 제2 베리어막(140)에 적절한 구조로는 하부가 티타늄을 포함하고, 상부가 티타늄 질화물을 포함하는 구조가 사용될 수 있다.Referring to FIG. 5, a second barrier layer 140 is formed on the first barrier layer 130. A lower portion of the second barrier layer 140 includes a metal and an upper portion includes a metal nitride. In this case, the metal lowers the contact resistance together with the first barrier layer 130, and the metal nitride serves to prevent diffusion of impurity ions of the polysilicon layer 120 doped with the impurity. The lower portion of the second barrier layer 140 may include a metal such as titanium, tungsten, tantalum, or molybdenum, and the upper portion may include a metal such as titanium nitride, tungsten nitride, tantalum nitride, or molybdenum nitride including at least one of the metals. It may include a nitride film. In this case, as a suitable structure for the second barrier film 140, a structure including a lower portion of titanium and a titanium nitride portion of an upper portion may be used.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 베리어막(140)의 하부는 티타늄 클로라이드(TiCl4)를 티타늄 소스로 사용하는 화학 기상 증착 공정에 의해서 형성될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the lower portion of the second barrier layer 140 may be formed by a chemical vapor deposition process using titanium chloride (TiCl 4 ) as a titanium source.

상기 화학 기상 증착 공정을 수행할 때의 온도가 약 630℃ 미만인 경우, 티타늄 소스로부터 티타늄이 효과적으로 분리되지 않는다는 문제점이 있다. 반면에 상기 화학 기상 증착 공정을 수행할 때의 온도가 약 650℃를 초과하는 경우, 제1 베리어막(130) 또는 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120)에 열적 스트레스를 줄 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 상기 화학 기상 증착 공정을 수행할 때의 온도는 약 630℃ 내지 약 650℃일 수 있다. If the temperature when performing the chemical vapor deposition process is less than about 630 ℃, there is a problem that titanium is not effectively separated from the titanium source. On the other hand, when the temperature of performing the chemical vapor deposition process exceeds about 650 ℃, there is a problem that can give a thermal stress to the first barrier film 130 or the polysilicon film 120 doped with impurities. . Therefore, the temperature when performing the chemical vapor deposition process may be about 630 ℃ to about 650 ℃.

제2 베리어막(240)의 상부는 상기 티타늄막 상에 티타늄을 포함하는 전구체 소스 가스를 공급하여 상기 티타늄막 상에 티타늄 전구체 박막(미도시)을 형성한다. 상기 티타늄을 포함하는 전구체 소스 가스로는 티타늄 클로라이드(TiCl4)를 사용할 수 있다. 이어서, 상기 티타늄 전구체 박막 상에 물리적으로 흡착된 전구체 소스 가스를 제거하기 위하여 퍼지 가스를 공급한다. 상기 퍼지 가스로는 수소 가스를 이용할 수 있다. 상기와 같이, 물리적으로 흡착된 부분이 상기 퍼지 가스에 의해 제거된 후, 제1 베리어막(130) 상에는 코발트막 및 원자층 단위의 코발트 전구체 박막이 잔류한다. An upper portion of the second barrier layer 240 supplies a precursor source gas including titanium to the titanium layer to form a titanium precursor thin film (not shown) on the titanium layer. Titanium chloride (TiCl 4 ) may be used as the precursor source gas including titanium. Subsequently, a purge gas is supplied to remove the precursor source gas physically adsorbed on the titanium precursor thin film. Hydrogen gas may be used as the purge gas. As described above, after the physically adsorbed portion is removed by the purge gas, the cobalt precursor thin film and the cobalt precursor thin film in atomic layer units remain on the first barrier film 130.

이어서, 상기 코발트막 상에 잔류하는 티타늄 전구체 박막 상으로 질화 가스를 공급하여 티타늄 질화막을 질화시킴으로써 티타늄막 상에 원자층 단위의 티타늄 질화막을 형성한다. Subsequently, the nitride gas is supplied onto the titanium precursor thin film remaining on the cobalt film to nitride the titanium nitride film, thereby forming a titanium nitride film in atomic layer units on the titanium film.

이어서, 질화 가스를 이용하여 티타늄 질화막을 형성하는 과정에서 발생된 반응 부산물을 펌핑시켜 제거함으로써 제1 베리어막(130) 상에 티타늄막 및 티타늄 질화물막을 포함하는 제2 베리어막(140)을 완성한다. 이와 같이, 제2 베리어막(140)의 상부는 티타늄 질화막을 원자층 단위로 형성시킬 수 있다. Subsequently, the second barrier layer 140 including the titanium layer and the titanium nitride layer is completed on the first barrier layer 130 by pumping and removing reaction byproducts generated in the process of forming the titanium nitride layer using the nitride gas. . As such, the upper portion of the second barrier layer 140 may form a titanium nitride layer in atomic layer units.

상기와 같은 방법으로, 즉 상기 티타늄 전구체 소스 가스의 공급 단계, 퍼지 단계, 질화 가스 공급 단계 및 펌핑 단계로 이루어진 1회의 증착 사이클을 반복적으로 수행함으로써 도 5에 도시된 바와 같이 제2 베리어막(140)의 하부의 티타늄막 상에 목적하는 두께를 갖는 티타늄 질화막을 형성할 수 있다. In the same manner as described above, that is, by repeatedly performing one deposition cycle including the supplying step, the purging step, the nitriding gas supplying step, and the pumping step of the titanium precursor source gas, the second barrier film 140 as shown in FIG. It is possible to form a titanium nitride film having a desired thickness on the titanium film under the bottom.

도 6을 참조하면, 상기 제2 베리어막(140) 상에 텅스텐막(150)을 형성한다. 텅스텐막(150)은 화학 기상 증착 공정을 수행하여 형성하며, 게이트 도전막으로서 형성된다. Referring to FIG. 6, a tungsten film 150 is formed on the second barrier film 140. The tungsten film 150 is formed by performing a chemical vapor deposition process and is formed as a gate conductive film.

이어서, 패터닝 공정을 수행하여 상기 도 1에 도시된 바와 같이 상기 반도체 기판(100) 상에 게이트 절연막 패턴(112), 폴리실리콘막 패턴(122), 제1 베리어막 패턴(132), 제2 베리어막 패턴(142) 및 텅스텐막 패턴(152)으로 이루어지는 게이트 구조물(160)을 완성한다. Subsequently, as shown in FIG. 1, a patterning process is performed to form a gate insulating film pattern 112, a polysilicon film pattern 122, a first barrier film pattern 132, and a second barrier on the semiconductor substrate 100. The gate structure 160 including the film pattern 142 and the tungsten film pattern 152 is completed.

제2 실시예Second embodiment

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 게이트 구조물을 나타내는 단면도이다. 본 실시예에 따른 게이트 구조물은 제2 베리어막 패턴(142)과 텅스텐막 패턴(152) 사이에 코발트막 패턴(212)을 더 포함하는 것을 제외하고 도 2를 참조하여 이미 설명된 제1 실시예에 따른 게이트 구조물과 실질적으로 동일하다. 따라서, 반복되는 설명은 생략하며 도 2에서 설명된 구성 요소들과 실질적으로 동일한 구성 요소들에 대해서는 도 7에서 사용된 참조 부호들과 실질적으로 동일한 참조 부호들을 사용한다.7 is a cross-sectional view illustrating a gate structure according to a second embodiment of the present invention. The gate structure according to the present embodiment further includes a cobalt film pattern 212 between the second barrier film pattern 142 and the tungsten film pattern 152. It is substantially the same as the gate structure according to. Therefore, repeated descriptions are omitted and reference numerals substantially the same as those used in FIG. 7 are used for components that are substantially the same as those described in FIG. 2.

도 7을 참조하면, 제2 베리어막 패턴(142)과 텅스텐막 패턴(152)의 사이에 콘택 저항을 낮추기 위한 코발트막 패턴(212)이 위치한다. 코발트막 패턴(212)은 제1 베리어막 패턴(132)과 제2 베리어막 패턴(142)과 함께 콘택 저항을 줄이는 역할을 수행한다.Referring to FIG. 7, a cobalt film pattern 212 is disposed between the second barrier film pattern 142 and the tungsten film pattern 152 to lower the contact resistance. The cobalt film pattern 212 reduces contact resistance together with the first barrier film pattern 132 and the second barrier film pattern 142.

도 8 내지 도 9는 도 7에 도시된 게이트 구조물을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.8 to 9 are cross-sectional views for describing a method of forming the gate structure illustrated in FIG. 7.

본 실시예에 따른 게이트 구조물을 형성하는 방법은 제2 코발트막 패턴을 형성하는 단계를 제외하고, 도 3 내지 6에서 이미 설명된 게이트 구조물의 형성 방법과 실질적으로 유사하다. 따라서 반복되는 설명은 생략하며 도 3 내지 6에서 설명 된 구성 요소들과 실질적으로 동일한 구성 요소들에 대해서는 도 8 내지 도 9에서 실질적으로 동일한 참조 부호들을 사용한다. The method of forming the gate structure according to the present embodiment is substantially similar to the method of forming the gate structure already described with reference to FIGS. 3 to 6 except for forming the second cobalt film pattern. Therefore, repeated descriptions are omitted and the same reference numerals are used in FIGS. 8 to 9 for components that are substantially the same as those described in FIGS. 3 to 6.

도 8을 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 게이트 절연막(110), 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(120), 제1 베리어막(130) 및 제2 베리어막(140)을 순차적으로 형성한다. 이어서, 상기 제2 베리어막(140) 상에 제2 코발트막(210)을 형성한다. 제2 코발트막(210)은 코발트 소스를 이용하여 화학 기상 증착 공정으로 형성하며, 콘택 저항을 줄이는 역할을 수행한다. 이때, 상기 코발트 소스로는 CoCp(CO)2, Co(acac)2, CoCp2 또는 CCTBA이 사용될 수 있다. Referring to FIG. 8, a gate insulating layer 110, a polysilicon layer 120 doped with impurities, a first barrier layer 130, and a second barrier layer 140 are sequentially formed on the semiconductor substrate 100. . Subsequently, a second cobalt film 210 is formed on the second barrier film 140. The second cobalt film 210 is formed by a chemical vapor deposition process using a cobalt source, and serves to reduce contact resistance. In this case, CoCp (CO) 2 , Co (acac) 2 , CoCp 2 or CCTBA may be used as the cobalt source.

도 9를 참조하면, 제2 코발트막(210) 상에 텅스텐막(150)을 형성한다.Referring to FIG. 9, a tungsten film 150 is formed on the second cobalt film 210.

이어서, 패터닝 공정을 수행하여 상기 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(100) 상에 게이트 절연막 패턴(112), 폴리실리콘막 패턴(122), 제1 베리어막 패턴(132), 제2 베리어막 패턴(142), 코발트막 패턴(212) 및 텅스텐막 패턴(152)으로 이루어지는 게이트 구조물(260)을 완성한다. Subsequently, as shown in FIG. 7, a patterning process is performed to form a gate insulating film pattern 112, a polysilicon film pattern 122, a first barrier film pattern 132, and a second film on the semiconductor substrate 100. The gate structure 260 including the barrier film pattern 142, the cobalt film pattern 212, and the tungsten film pattern 152 is completed.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. I can understand that you can.

본 발명은 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물에 관한 것으로, 듀얼 금속 게이트를 형성할 때 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 상에 오믹막 및 베리어막으로서 티타늄보다 상기 불순물과 반응하기 어려운 코발트를 포함하는 베리어막을 우선 형성시킴으로써 계면 반응에 의한 유착물의 발생을 차단시켜 열적 안정성과 계면 저항을 낮출 수 있다는데 산업상 이용가능성이 있습니다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gate structure of a semiconductor memory device, wherein a barrier film containing cobalt that is less likely to react with titanium as an ohmic film and a barrier film is formed on a polysilicon film doped with impurities when a dual metal gate is formed. It is possible to reduce the thermal stability and interfacial resistance by blocking the formation of coalescence due to the interfacial reaction.

도 1은 종래의 p형 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 및 티타늄을 포함하는 베리어막을 설명하기 위한 전자 현미경 사진이다.FIG. 1 is an electron micrograph for explaining a barrier film including a polysilicon film doped with a p-type impurity and titanium.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물을 설명하기 위한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view illustrating a gate structure of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.

도 3 내지 도 6은 도 2에 도시된 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3 to 6 are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate structure of the semiconductor memory device shown in FIG. 2.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 게이트 구조물을 나타내는 단면도이다.7 is a cross-sectional view illustrating a gate structure according to a second embodiment of the present invention.

도 8 내지 도 9는 도 7에 도시된 게이트 구조물을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.8 to 9 are cross-sectional views for describing a method of forming the gate structure illustrated in FIG. 7.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100 : 반도체 기판 110 : 게이트 절연막100 semiconductor substrate 110 gate insulating film

112 : 게이트 절연막 패턴 120 : 불순물 도핑된 폴리실리콘막112 gate insulating film pattern 120 impurity doped polysilicon film

121 : 불순물 도핑된 폴리실리콘막 패턴121: impurity doped polysilicon film pattern

130 : 제1 베리어막 132 : 제1 베리어막 패턴 130: first barrier film 132: first barrier film pattern

140 : 제2 베리어막 142 : 제2 베리어막 패턴 140: second barrier film 142: second barrier film pattern

150 : 텅스텐막 152 : 텅스텐막 패턴150: tungsten film 152: tungsten film pattern

160, 260 : 게이트 구조물 210 : 코발트막160, 260: gate structure 210: cobalt film

212 : 코발트막 패턴212 cobalt film pattern

Claims (13)

반도체 기판 상에 형성되는 게이트 절연막 패턴;A gate insulating film pattern formed on the semiconductor substrate; 상기 게이트 절연막 패턴 상에 형성되는 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴;A polysilicon film pattern doped with an impurity formed on the gate insulating film pattern; 상기 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 패턴 상에 화학 기상 증착 공정 및 원자층 적층 공정에 의해 형성되고, 코발트로 이루어지는 제1 베리어막 패턴;A first barrier film pattern formed of cobalt on the polysilicon film pattern doped with the impurity by a chemical vapor deposition process and an atomic layer deposition process; 상기 제1 베리어막 패턴 상에 화학 기상 증착 공정 및 원자층 적층 공정에 의해 형성되고, 금속 및 금속 질화물로 이루어지는 제2 베리어막 패턴; 및A second barrier film pattern formed on the first barrier film pattern by a chemical vapor deposition process and an atomic layer deposition process and formed of metal and metal nitride; And 상기 제2 베리어막 패턴 상에 형성되는 텅스텐막 패턴을 포함하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물.A gate structure of a semiconductor memory device including a tungsten film pattern formed on the second barrier film pattern. 제1항에 있어서, 상기 제1 베리어막 패턴의 하부는 코발트로 이루어지고, 상기 제1 베리어막 패턴의 상부는 코발트 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물.The gate structure of claim 1, wherein a lower portion of the first barrier layer pattern is made of cobalt, and an upper portion of the first barrier layer pattern is made of cobalt nitride. 제2항에 있어서, 상기 제1 베리어막 패턴의 하부는 코발트 소스를 이용하여 화학 기상 증착 공정으로 증착시키고, 상부는 코발트를 포함하는 전구체 소스 가스를 공급하여 형성된 코발트 전구체 박막을 질화시켜 획득한 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물.The method of claim 2, wherein the lower portion of the first barrier layer pattern is deposited by a chemical vapor deposition process using a cobalt source, and the upper portion is obtained by nitriding a cobalt precursor thin film formed by supplying a precursor source gas including cobalt. A gate structure of a semiconductor memory device, characterized in that. 제3항에 있어서, 상기 불순물은 보론(B)이고, 상기 코발트를 포함하는 전구체 소스 가스는 CoCp(CO)2, Co(acac)2, CoCp2 및 CCTBA로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물.The method of claim 3, wherein the impurity is boron (B), the precursor source gas containing the cobalt is any one selected from the group consisting of CoCp (CO) 2 , Co (acac) 2 , CoCp 2 and CCTBA. A gate structure of a semiconductor memory device. 제1항에 있어서, 상기 제2 베리어막 패턴의 하부는 티타늄, 텅스텐, 탄탈륨 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어지며, 상기 제2 베리어막 패턴의 상부는 상기 금속 중 적어도 하나를 포함하는 금속 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물.The method of claim 1, wherein the lower portion of the second barrier layer pattern is made of one metal selected from the group consisting of titanium, tungsten, tantalum, and molybdenum, and the upper portion of the second barrier layer pattern is formed of at least one of the metals. A gate structure of a semiconductor memory device, characterized in that consisting of a metal nitride containing. 제1항에 있어서, 상기 제2 베리어막 패턴 및 상기 텅스텐막 패턴 사이에 콘택 저항을 낮추기 위한 코발트 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물.The gate structure of claim 1, further comprising a cobalt pattern for lowering a contact resistance between the second barrier film pattern and the tungsten film pattern. 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 불순물로 도핑된 폴리실리콘막을 순차적으로 형성하는 단계;Sequentially forming a gate insulating film and a polysilicon film doped with an impurity on the semiconductor substrate; 상기 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 상에 화학 기상 증착 공정 및 원자층 증착 공정을 사용하여 코발트로 이루어지는 제1 베리어막을 형성하는 단계; Forming a first barrier film made of cobalt on the polysilicon film doped with the impurity using a chemical vapor deposition process and an atomic layer deposition process; 상기 제1 베리어막 상에 화학 기상 증착 공정 및 원자층 증착 공정을 사용하여 금속 및 금속 질화물을 포함하는 제2 베리어막을 형성하는 단계;Forming a second barrier film including a metal and a metal nitride on the first barrier film by using a chemical vapor deposition process and an atomic layer deposition process; 상기 제2 베리어막 상에 텅스텐막을 형성하는 단계; 및 Forming a tungsten film on the second barrier film; And 패터닝 공정을 수행하여 상기 반도체 기판 상에 게이트 절연막 패턴, 폴리실리콘막 패턴, 제1 베리어막 패턴, 제2 베리어막 패턴 및 텅스텐막 패턴으로 이루어지는 게이트 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 형성 방법.Performing a patterning process to form a gate structure including a gate insulating layer pattern, a polysilicon layer pattern, a first barrier layer pattern, a second barrier layer pattern, and a tungsten layer pattern on the semiconductor substrate; Method of forming the structure. 제7항에 있어서, 상기 제1 베리어막을 형성하는 단계는,The method of claim 7, wherein the forming of the first barrier film, 상기 불순물로 도핑된 폴리실리콘막 상에 코발트 소스를 이용하여 화학 기상 증착 공정에 의해 코발트막을 형성하는 단계;Forming a cobalt film on the polysilicon film doped with the impurity by a chemical vapor deposition process using a cobalt source; 상기 코발트막 상에 코발트를 포함하는 전구체 소스 가스를 공급하여 상기 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 상에 코발트 전구체 박막을 형성하는 단계; 및Supplying a precursor source gas including cobalt on the cobalt film to form a cobalt precursor thin film on the doped polysilicon film; And 상기 코발트 전구체 박막 상에 물리적으로 흡착된 전구체 소스 가스를 제거하기 위하여 퍼지 가스를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 형성 방법.And supplying a purge gas to remove the precursor source gas that is physically adsorbed onto the cobalt precursor thin film. 제8항에 있어서, 상기 불순물은 보론(B)이고, 상기 코발트 소스 및 코발트를 포함하는 전구체 소스 가스는 CoCp(CO)2, Co(acac)2, CoCp2 및 CCTBA로 이루어진 군 으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 형성 방법.The method of claim 8, wherein the impurity is boron (B), and the cobalt source and the precursor source gas including cobalt are any one selected from the group consisting of CoCp (CO) 2 , Co (acac) 2 , CoCp 2, and CCTBA. A method of forming a gate structure of a semiconductor memory device, characterized in that. 제8항에 있어서, 상기 코발트 전구체 박막을 질화하여 코발트 질화막으로 형성시켜, 상기 제1 베리어막의 상부가 코발트 질화물로 이루어지도록 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 형성 방법.The method of claim 8, further comprising nitriding the cobalt precursor thin film to form a cobalt nitride layer so that an upper portion of the first barrier layer is formed of cobalt nitride. . 제10항에 있어서, 상기 질화는 상기 코발트 전구체 박막 상에 암모니아(NH3) 가스, 질소(N2) 플라즈마 또는 암모니아(NH3) 플라즈마를 공급하여 상기 코발트 전구체 박막의 코발트와 결합된 리간드 부분을 질소로 치환시키는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 형성 방법.The method of claim 10, wherein the nitriding is performed by supplying ammonia (NH 3 ) gas, nitrogen (N 2 ) plasma, or ammonia (NH 3 ) plasma on the cobalt precursor thin film to form a ligand moiety coupled to cobalt of the cobalt precursor thin film. A method of forming a gate structure of a semiconductor memory device, characterized in that the substitution with nitrogen. 제7항에 있어서, 상기 제2 베리어막의 하부는 티타늄, 텅스텐, 탄탈륨 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어지며, 상기 제2 베리어막의 상부는 상기 금속 중 적어도 하나를 포함하는 금속 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 형성 방법.The metal nitride of claim 7, wherein a lower portion of the second barrier layer is made of one metal selected from the group consisting of titanium, tungsten, tantalum, and molybdenum, and an upper portion of the second barrier layer includes at least one of the metals. A method of forming a gate structure of a semiconductor memory device, characterized in that consisting of. 제7항에 있어서, 상기 제2 베리어막을 형성하는 단계 이후에,The method of claim 7, after the forming of the second barrier film, 상기 제2 베리어막 상에 텅스텐막과의 콘택 저항을 낮추기 위하여 코발트 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 게이트 구조물 형성 방법.And forming a cobalt pattern on the second barrier layer to lower the contact resistance with the tungsten layer.
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