KR20090026646A - Gate structure and method for manufacturing of the same - Google Patents

Gate structure and method for manufacturing of the same Download PDF

Info

Publication number
KR20090026646A
KR20090026646A KR1020070091750A KR20070091750A KR20090026646A KR 20090026646 A KR20090026646 A KR 20090026646A KR 1020070091750 A KR1020070091750 A KR 1020070091750A KR 20070091750 A KR20070091750 A KR 20070091750A KR 20090026646 A KR20090026646 A KR 20090026646A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
film
metal barrier
barrier film
layer
sub
Prior art date
Application number
KR1020070091750A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100905780B1 (en
Inventor
유창준
Original Assignee
주식회사 하이닉스반도체
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 하이닉스반도체 filed Critical 주식회사 하이닉스반도체
Priority to KR1020070091750A priority Critical patent/KR100905780B1/en
Publication of KR20090026646A publication Critical patent/KR20090026646A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100905780B1 publication Critical patent/KR100905780B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/28Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H01L21/28008Making conductor-insulator-semiconductor electrodes
    • H01L21/28017Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon
    • H01L21/28026Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon characterised by the conductor
    • H01L21/28035Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon characterised by the conductor the final conductor layer next to the insulator being silicon, e.g. polysilicon, with or without impurities
    • H01L21/28044Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon characterised by the conductor the final conductor layer next to the insulator being silicon, e.g. polysilicon, with or without impurities the conductor comprising at least another non-silicon conductive layer
    • H01L21/28061Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon characterised by the conductor the final conductor layer next to the insulator being silicon, e.g. polysilicon, with or without impurities the conductor comprising at least another non-silicon conductive layer the conductor comprising a metal or metal silicide formed by deposition, e.g. sputter deposition, i.e. without a silicidation reaction
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/49Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
    • H01L29/4916Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET the conductor material next to the insulator being a silicon layer, e.g. polysilicon doped with boron, phosphorus or nitrogen
    • H01L29/4925Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET the conductor material next to the insulator being a silicon layer, e.g. polysilicon doped with boron, phosphorus or nitrogen with a multiple layer structure, e.g. several silicon layers with different crystal structure or grain arrangement
    • H01L29/4941Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET the conductor material next to the insulator being a silicon layer, e.g. polysilicon doped with boron, phosphorus or nitrogen with a multiple layer structure, e.g. several silicon layers with different crystal structure or grain arrangement with a barrier layer between the silicon and the metal or metal silicide upper layer, e.g. Silicide/TiN/Polysilicon

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

A gate structure and method for manufacturing of the same is provided to reduce the resistance of the metal gate when forming a metal gate with a tungsten layer. A gate structure is compose of a gate conductive layer(104), a first metal barrier layer(106) arranged on the gate conductive layer, and a second metal barrier layer including a first sub metal layer(108) and a second sub metal layer(110). A core growing layer having a beta crystalline structure is arranged on the second metal barrier layer and the metal layer on the core growing layer. The first sub metal barrier layer has a first nitrogen and second metal barrier layer has a second nitrogen of which content is lower than that of the second nitrogen.

Description

게이트 구조물 및 그의 제조방법{Gate structure and method for manufacturing of the same}Gate structure and method for manufacturing the same

본 발명은 게이트 구조물 및 그의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a gate structure and a method of manufacturing the same.

일반적으로, 반도체 소자의 게이트는 산화막 재질의 게이트 절연막과 폴리실리콘막으로 이루어진 게이트 도전막 및 상기 게이트 도전막 상에 형성되는 하드마스크막의 적층막 구조로 이루어진다. 이는, 상기 폴리실리콘막이 고융점, 박막 형성의 용이성, 라인 패턴의 용이성, 산화 분위기에 대한 안정성 및 평탄한 표면 형성 등과 같은 게이트로서 요구되는 물성을 충분히 만족시키기 때문이다. In general, a gate of a semiconductor device has a laminated film structure of a gate insulating film made of an oxide film and a polysilicon film, and a hard mask film formed on the gate conductive film. This is because the polysilicon film satisfies physical properties required as a gate such as high melting point, ease of thin film formation, ease of line pattern, stability to an oxidizing atmosphere, and formation of a flat surface.

그런데, 최근 반도체 소자의 고집적화 추세에 부합하여 디자인 룰(Design Rule)이 감소함에 따라, 상기 폴리실리콘막을 적용하는 게이트로는 미세 선폭에서의 낮은 저항을 구현함에 한계를 갖게 되었다.However, as the design rule is reduced in accordance with the recent trend of high integration of semiconductor devices, the gate to which the polysilicon film is applied has a limit in implementing low resistance in a fine line width.

이에, 보다 낮은 저항을 갖는 게이트를 형성하기 위해 상기 폴리실리콘막 상에 오믹층인 금속실리사이드막이 형성된 구조로 이루어진 폴리사이드 게이트 구조 및 폴리실리콘막 상에 금속막이 형성된 구조로 이루어진 금속 게이트 구조가 개발된 바 있다. 금속 게이트 구조에서 금속 게이트로는 텅스텐(W)막이 주로 사용된다. Accordingly, in order to form a gate having a lower resistance, a polyside gate structure including a structure in which a metal silicide film, which is an ohmic layer, is formed on the polysilicon film, and a metal gate structure including a structure in which a metal film is formed on a polysilicon film are developed. There is a bar. In the metal gate structure, a tungsten (W) film is mainly used as the metal gate.

그러나, 상기 텅스텐막을 적용한 금속 게이트의 경우, 텅스텐막과 폴리실리콘막이 직접 접촉함에 따라 후속의 열처리 공정에서 텅스텐실리사이드(WSix)막이 형성되고, 상기 텅스텐실리사이드막이 형성되는 도중, 텅스텐실리사이드막의 부피 팽창으로 인한 스트레스가 발생된다. However, in the case of the metal gate to which the tungsten film is applied, a tungsten silicide (WSix) film is formed in a subsequent heat treatment process as the tungsten film and the polysilicon film are in direct contact, and during the formation of the tungsten silicide film, due to the volume expansion of the tungsten silicide film Stress occurs.

이를 해결하기 위해, 상기 텅스텐막과 폴리실리콘막 사이에 금속 베리어막으로서 질화텅스텐막이 개재된다. 그러나, 상기 텅스텐막과 폴리실리콘막 사이에 금속 베리어막이 형성될 경우, 상기 질화텅스텐막과 폴리실리콘막 사이에 계면 반응이 일어나 계면 저항이 증가된다. To solve this problem, a tungsten nitride film is interposed between the tungsten film and the polysilicon film as a metal barrier film. However, when a metal barrier film is formed between the tungsten film and the polysilicon film, an interfacial reaction occurs between the tungsten nitride film and the polysilicon film, thereby increasing the interface resistance.

상기의 문제점을 해결하기 위해, 상기 질화텅스텐막과 폴리실리콘막 사이에 텅스텐실리사이드막, 티타늄막(Ti) 및/또는 티타늄질화막(TiN) 등을 형성해주는 방법이 개발된 바 있다. In order to solve the above problem, a method of forming a tungsten silicide film, a titanium film (Ti) and / or a titanium nitride film (TiN) between the tungsten nitride film and the polysilicon film has been developed.

하지만, 후속의 금속 게이트 형성시 상기 텅스텐실리사이드막을 상기 폴리실리콘막 상에 형성할 경우에는 상기 금속 게이트의 저항은 감소시킬 수 있으나 콘택 저항 문제가 발생하게 되며, 더욱이, 상기 티타늄막 및/또는 티타늄질화막을 상기 폴리실리콘막 상에 형성할 경우에는 상기 콘택 저항 문제는 발생하지 않지만 상기 티타늄막 및/또는 티타늄질화막 상에 형성되는 질화텅스텐막의 결정화로 인하여 상기 질화텅스텐막 상에 형성되는 금속막의 결정립 크기가 감소된다. 그 결과, 후속의 금속 게이트 형성시, 상기 텅스텐막의 결정립 크기의 감소로 인해 상기 금속 게이트의 저항이 증가된다. However, when the tungsten silicide film is formed on the polysilicon film during subsequent metal gate formation, the resistance of the metal gate may be reduced, but a contact resistance problem may occur. Furthermore, the titanium film and / or the titanium nitride film Is not formed on the polysilicon film, the problem of contact resistance does not occur, but the grain size of the metal film formed on the tungsten nitride film is increased due to crystallization of the tungsten nitride film formed on the titanium film and / or the titanium nitride film. Is reduced. As a result, in subsequent formation of the metal gate, the resistance of the metal gate is increased due to the decrease in grain size of the tungsten film.

본 발명은 텅스텐층을 적용한 금속 게이트의 저항을 감소할 수 있는 게이트 구조물 및 그의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a gate structure capable of reducing the resistance of a metal gate to which a tungsten layer is applied, and a method of manufacturing the same.

본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구조물은, 반도체 기판 상에 배치된 게이트 도전막과, 상기 게이트 도전막 상에 배치된 제1 금속 베리어막과, 상기 제1 금속 베리어막 상에 배치되며, 제1 질소 함량을 갖는 제1 서브 금속 베리어막 및 상기 제1 질소 함량보다 낮은 제2 질소 함량을 갖는 제2 서브 금속 베리어막을 포함하는 제2 베리어막과, 상기 제2 베리어막 상에 배치되며, 베타상 결정 구조를 갖는 핵성장층과, 상기 핵성장층 상에 배치되는 금속층을 포함한다.A gate structure according to an embodiment of the present invention may include a gate conductive layer disposed on a semiconductor substrate, a first metal barrier layer disposed on the gate conductive layer, and a first conductive layer disposed on the first metal barrier layer. A second barrier film including a first sub metal barrier film having a nitrogen content and a second sub metal barrier film having a second nitrogen content lower than the first nitrogen content, and a second barrier film disposed on the second barrier film and having a beta A nuclear growth layer having a phase crystal structure and a metal layer disposed on the nuclear growth layer.

여기서, 상기 게이트 도전막은 폴리실리콘막을 포함한다.Here, the gate conductive film includes a polysilicon film.

상기 제1 금속 베리어막은 티타늄막을 포함한다. The first metal barrier film includes a titanium film.

상기 제1 서브 금속 베리어막은 질화텅스텐막을 포함한다. The first sub metal barrier film includes a tungsten nitride film.

상기 제1 서브 금속 베리어막에 포함된 상기 제1 질소 함량은, 상기 제1 서브 금속 베리어막의 중량에 대하여 35wt% 내지 50wt%이다. The first nitrogen content included in the first sub metal barrier film is 35 wt% to 50 wt% with respect to the weight of the first sub metal barrier film.

상기 제2 서브 금속 베리어막은 아몰퍼스 질화텅스텐막을 포함한다. The second sub metal barrier film includes an amorphous tungsten nitride film.

상기 제2 서브 금속 베리어막에 포함된 상기 제2 질소 함량은, 상기 제2 서브 금속 베리어막의 중량에 대하여 1wt% 내지 10wt%이다. The second nitrogen content included in the second sub metal barrier film is 1 wt% to 10 wt% with respect to the weight of the second sub metal barrier film.

상기 핵성장층은 텅스텐막을 포함한다. The nuclear growth layer includes a tungsten film.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 게이트 구조물의 제조방법은, 반도체 기판 상에 게이트 도전막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 도전막 상에 제1 금속 베리어막을 형성하는 단계와, 상기 제1 금속 베리어막 상에 제1 질소 가스 유량에 의하여 제1 질소 함량을 갖는 제1 서브 금속 베리어막을 형성하는 단계와, 상기 제1 서브 금속 베리어막 상에 상기 제1 질소 가스 유량보다 낮은 제2 질소 가스 유량에 의하여 상기 제1 질소 함량보다 낮은 제2 질소 함량을 갖는 제2 서브 금속 베리어막을 형성하는 단계와, 상기 제2 서브 금속 베리어막 상에 베타상 결정 구조를 갖는 핵성장층을 형성하는 단계와, 상기 핵성장층 상에 금속층을 형성하는 단계를 포함한다.In addition, a method of manufacturing a gate structure according to another embodiment of the present invention, forming a gate conductive film on a semiconductor substrate, forming a first metal barrier film on the gate conductive film, the first metal barrier Forming a first sub metal barrier film having a first nitrogen content on the film by a first nitrogen gas flow rate; and at a second nitrogen gas flow rate lower than the first nitrogen gas flow rate on the first sub metal barrier film. Forming a second sub metal barrier film having a second nitrogen content lower than the first nitrogen content, forming a nuclear growth layer having a beta phase crystal structure on the second sub metal barrier film; Forming a metal layer on the nuclear growth layer.

여기서, 상기 게이트 도전막은 폴리실리콘막을 포함한다. Here, the gate conductive film includes a polysilicon film.

상기 제1 금속 베리어막은 티타늄막을 포함한다. The first metal barrier film includes a titanium film.

제1 서브 금속 베리어막을 형성하는 단계는, 아르곤 가스 및 질소 가스를 이용하는 스퍼터링 공정에 의하여 형성되며, 상기 아르곤 가스 및 상기 질소 가스의 유량비는 45:40∼45:50이다. The forming of the first sub metal barrier film is formed by a sputtering process using argon gas and nitrogen gas, and a flow rate ratio of the argon gas and the nitrogen gas is 45:40 to 45:50.

상기 제1 서브 금속 베리어막은 질화텅스텐막을 포함한다. The first sub metal barrier film includes a tungsten nitride film.

제2 서브 금속 베리어막을 형성하는 단계는, 아르곤 가스 및 질소 가스를 이용하는 스퍼터링 공정에 의하여 형성되며, 상기 아르곤 가스 및 상기 질소 가스의 유량비는 45:10∼45:15이다. The forming of the second sub metal barrier film is formed by a sputtering process using argon gas and nitrogen gas, and a flow rate ratio of the argon gas and the nitrogen gas is 45:10 to 45:15.

상기 제2 서브 금속 베리어막은 아몰퍼스 질화텅스텐막을 포함한다. The second sub metal barrier film includes an amorphous tungsten nitride film.

상기 핵성장층은 상기 아르곤 가스 및 질소 가스의 유량비를 조절한 스퍼터링 공정에 의하여 형성된 베타상 결정구조를 갖는 텅스텐막을 포함한다. The nuclear growth layer includes a tungsten film having a beta phase crystal structure formed by a sputtering process in which a flow rate ratio between the argon gas and the nitrogen gas is adjusted.

제1 금속 베리어막, 제1 서브 금속 베리어막, 제2 서브 금속 베리어막 및 핵성장층은, PVD(Physical Vapor Deposition) 방식에 의하여 형성된다. The first metal barrier film, the first sub metal barrier film, the second sub metal barrier film, and the nuclear growth layer are formed by a PVD (Physical Vapor Deposition) method.

본 발명은, 상기 제1 및 제2 질소 함량에 의하여 상기 제1 금속 베리어막 상에 아몰퍼스를 갖는 제2 금속 베리어막을 형성하기 때문에, 상기 텅스텐층을 형성할 때, 큰 결정립을 갖는 텅스텐층을 형성할 수 있고, 이로써, 상기 텅스텐층을 적용한 금속 게이트를 형성할 때, 상기 금속 게이트의 저항을 감소시킬 수 있다.Since the present invention forms a second metal barrier film having amorphous on the first metal barrier film by the first and second nitrogen contents, when forming the tungsten layer, a tungsten layer having large grains is formed. In this way, when forming the metal gate to which the tungsten layer is applied, the resistance of the metal gate can be reduced.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은, 텅스텐층을 적용한 금속 게이트를 형성할 때, 질소를 함량하여 게이트 도전막 상에 금속 베리어막을 형성한다. When forming the metal gate to which the tungsten layer is applied, this invention forms a metal barrier film on a gate conductive film by containing nitrogen.

이러한, 상기 금속 베리어막은 상기 질소 함량에 의하여 상기 게이트 도전막 상에 아몰퍼스를 갖도록 형성하게 되며, 이로 인해, 상기 게이트 도전막과 금속막 사이에서 유발될 수 있는 계면 반응을 억제시킬 수 있고, 이로써, 상기 금속 게이트의 계면 저항을 감소시킬 수 있다. The metal barrier film is formed to have an amorphous layer on the gate conductive film by the nitrogen content, thereby suppressing an interfacial reaction that may be caused between the gate conductive film and the metal film. It is possible to reduce the interface resistance of the metal gate.

도 1a 내지 도 1f들은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도들이다. 1A to 1F are cross-sectional views of processes for describing a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 1a 내지 도 1g들은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다. 1A to 1G are cross-sectional views of processes for describing a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.

도 1a를 참조하면, 소자분리막(도시안됨)을 갖는 반도체 기판(100) 상에는 게이트 절연막(102)이 형성된다. 상기 게이트 절연막(102)은 산화막 및/또는 질화막으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘산질화(SiON)막으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 1A, a gate insulating layer 102 is formed on a semiconductor substrate 100 having an isolation layer (not shown). The gate insulating layer 102 may be formed of an oxide film and / or a nitride film, for example, a silicon oxynitride (SiON) film.

그런 다음, 상기 게이트 절연막(102) 상에는 게이트 도전막(104)이 형성된다. 상기 게이트 도전막(104)은 폴리실리콘막으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 폴리실리콘막은 P형 불순물이 도핑될 수 있다.Then, the gate conductive film 104 is formed on the gate insulating film 102. The gate conductive layer 104 may be formed of a polysilicon layer. For example, the polysilicon layer may be doped with a P-type impurity.

도 1b를 참조하면, 상기 게이트 도전막(104) 상에는 물리적 기상 증착(Physical vapor deposition; 이하 PVD) 공정에 의하여 제1 금속 베리어막(106)이 형성된다. Referring to FIG. 1B, a first metal barrier layer 106 is formed on the gate conductive layer 104 by physical vapor deposition (PVD).

예를 들어, 상기 제1 금속 베리어막(106)은 티타늄으로 형성될 수 있으며, 이때, 상기 티타늄은, 상기 P형 불순물이 도핑된 폴리실리콘막에서 후속으로 형성될 금속 게이트의 콘택 저항(Rc)을 감소시킬 수 있다. For example, the first metal barrier film 106 may be formed of titanium, in which the titanium is the contact resistance Rc of the metal gate to be subsequently formed in the polysilicon film doped with the P-type impurity. Can be reduced.

도 1c를 참조하면, 상기 제1 금속 베리어막(106) 상에는 제1 질소 함량을 갖는 비정질 금속 베리어막의 일부인 제1 서브 금속 베리어막(108)이 형성된다. 상기 제1 금속 베리어막(106)은 아몰퍼스(Amorphous)를 포함하거나, 아몰퍼스에 작은 결정 사이즈를 갖는 막으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 서브 금속 베리어막(108)은 질화텅스텐으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1C, a first sub metal barrier film 108 that is part of an amorphous metal barrier film having a first nitrogen content is formed on the first metal barrier film 106. The first metal barrier film 106 may include an amorphous material, or may be formed of a film having a small crystal size on the amorphous material, and the first sub metal barrier film 108 may be formed of tungsten nitride. .

여기서, 상기 제1 서브 금속 베리어막(108)은, 예를 들어, 아르곤 가스 및 질소 가스를 이용하는 스퍼터링 공정에 의하여 형성되며, 상기 제1 서브 금속 베리어막(108)을 형성하기 위한 상기 스퍼터링 공정에 함유된 상기 아르곤 가스 및 상 기 질소 가스를 적절히 조절하면서, 동일 챔버(Chamber) 내에서 인-시튜(In-Situ) 방식에 의하여 형성된다. 상기 아르곤 가스 및 상기 질소 가스의 유량비는 45:40∼50로, 바람직하게는, 상기 아르곤 가스 및 상기 질소 가스의 유량비가 1:1인 것 포함할 수 있다. Here, the first sub metal barrier film 108 is formed by, for example, a sputtering process using argon gas and nitrogen gas, and the sputtering process for forming the first sub metal barrier film 108. The argon gas and the nitrogen gas contained therein are appropriately controlled and formed by an in-situ method in the same chamber. The flow rate ratio of the argon gas and the nitrogen gas is 45:40 to 50, and preferably, the flow rate ratio of the argon gas and the nitrogen gas is 1: 1.

상기 스퍼터링 공정은, 현재 상용화되어 있는 양이온화 스퍼터 장치를 사용하여 플라즈마에 의해 형성된 제1 금속 입자가 금속 타겟이 부딪히는 과정에서, 상기 타겟으로부터 튕겨 나온 상기 제1 금속 입자가 상기 반도체 기판(100)으로 이동하여 상기 반도체 기판(100)에 증착되는 방식에 의해서 증착된다. In the sputtering process, a first metal particle formed by plasma hits a metal target by using a commercially available cationization sputtering device, and the first metal particle bounced from the target is transferred to the semiconductor substrate 100. It is deposited by moving and deposited on the semiconductor substrate 100.

이때, 상기 타겟에서 튕겨 나온 제1 금속 입자들의 일부는 플라즈마를 지나는 과정에서 이온화되며, 상기 제1 질소의 함량이 상기 아르곤 대비 50%이상이 되도록 상기 반도체 기판(100)에 상기 제1 서브 금속 베리어막(108)이 형성된다. In this case, a portion of the first metal particles bounced off the target is ionized in the course of the plasma, and the first sub metal barrier on the semiconductor substrate 100 so that the content of the first nitrogen is 50% or more of the argon. Film 108 is formed.

자세하게, 상기 티타늄으로 형성된 제1 서브 금속 베리어막(108)은 상기 반도체 기판(100)과 후속으로 형성될 텅스텐층의 계면 반응으로 인하여 텅스텐실리사이드가 형성되는 것을 억제할 수 있다. In detail, the first sub metal barrier film 108 formed of titanium may suppress the formation of tungsten silicide due to the interfacial reaction between the semiconductor substrate 100 and the tungsten layer to be subsequently formed.

도 1d를 참조하면, 상기 제1 서브 금속 베리어막(108)을 형성한 후, 상기 제1 서브 금속 베리어막(108) 상에 상기 제1 질소 함량보다 낮은 제2 질소 함량을 갖는 비정질 금속 베리어막의 일부인 제2 서브 금속 베리어막(110)을 형성한다. Referring to FIG. 1D, after forming the first sub metal barrier film 108, an amorphous metal barrier film having a second nitrogen content lower than the first nitrogen content on the first sub metal barrier film 108 may be formed. A part of the second sub metal barrier film 110 is formed.

상기 제2 서브 금속 베리어막(110)은 아몰퍼스를 포함하거나, 아몰퍼스에 작은 결정 사이즈를 갖는 막으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 제2 서브 금속 베리어막(110)은 아몰퍼스 질화텅스텐으로 형성될 수 있다. The second sub metal barrier film 110 may include an amorphous material or may be formed of a film having a small crystal size on the amorphous material. For example, the second sub metal barrier film 110 may be formed of amorphous tungsten nitride. Can be.

여기서, 상기 제2 서브 금속 베리어막(110)은, 예를 들어, 아르곤 가스 및 질소 가스를 이용하는 스퍼터링 공정에 의하여 형성되며, 상기 제2 서브 금속 베리어막(110)을 형성하기 위한 상기 스퍼터링 공정에 함유된 상기 아르곤 가스 및 상기 질소 가스를 적절히 조절하면서, 동일 챔버(Chamber) 내에서 인-시튜(In-Situ) 방식에 의하여 형성된다. 상기 아르곤 가스 및 상기 질소 가스의 유량비는 45:10∼15인 것 포함한다. Here, the second sub metal barrier film 110 is formed by, for example, a sputtering process using argon gas and nitrogen gas, and the sputtering process for forming the second sub metal barrier film 110. The argon gas and the nitrogen gas contained therein are appropriately formed by an in-situ method in the same chamber. The flow rate ratio of the argon gas and the nitrogen gas includes 45:10 to 15.

여기서, 본 발명은 상기 제1 및 제2 질소 함량에 의하여 비정질 금속 베리어막의 일부인 제1 및 제2 서브 금속 베리어막(108, 110)을 형성함으로써, 후속으로 형성될 금속막과의 계면 반응을 억제할 수 있으며, 이를 통해, 금속 게이트의 콘택 저항 및 계면 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있다. Herein, the present invention suppresses an interfacial reaction with a metal film to be subsequently formed by forming the first and second sub metal barrier films 108 and 110 which are part of an amorphous metal barrier film by the first and second nitrogen contents. In this case, it is possible to prevent the contact resistance and the interface resistance of the metal gate from increasing.

도 1e를 참조하면, 상기 제2 서브 금속 베리어막(110) 상에 베타상 결정 구조를 갖는 핵성장층(112)을 형성한다. 상기 핵성장층(112)은 아르곤 가스 및 질소 가스의 유량비를 적절히 조절하면서, 동일 챔버(Chamber) 내에서 인-시튜(In-Situ) 방식에 의하여 형성된다. Referring to FIG. 1E, a nuclear growth layer 112 having a beta phase crystal structure is formed on the second sub metal barrier layer 110. The nuclear growth layer 112 is formed by an in-situ method in the same chamber while appropriately adjusting the flow rate ratio of argon gas and nitrogen gas.

도 1f를 참조하면, 상기 핵성장층(112) 상에 텅스텐층(114)을 형성한다. 그런 다음, 상기 텅스텐층(114) 상에 하드마스크막(116)을 형성한다. 상기 하드마스크막(116)은 질화막으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 1F, a tungsten layer 114 is formed on the nuclear growth layer 112. Thereafter, a hard mask layer 116 is formed on the tungsten layer 114. The hard mask layer 116 may be formed of a nitride layer.

도 1g를 참조하면, 상기 하드마스크막(116), 텅스텐층(114), 핵성장층(112), 제2 서브 금속 베리어막(110), 제1 서브 금속 베리어막(108), 제1 금속 베리어막(106), 게이트 도전막(104) 및 게이트 절연막(102)을 패터닝하여 금속 게이 트(118)를 형성한다. Referring to FIG. 1G, the hard mask film 116, the tungsten layer 114, the nuclear growth layer 112, the second sub metal barrier film 110, the first sub metal barrier film 108, and the first metal. The barrier film 106, the gate conductive film 104, and the gate insulating film 102 are patterned to form a metal gate 118.

이후, 도시하지는 않았지만 공지된 일련의 후속 공정들을 차례로 수행하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자를 완성한다.Subsequently, although not shown, a series of subsequent known processes are sequentially performed to complete a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.

여기서, 본 발명은, 게이트 도전막 상에 제1 금속 베리어막을 형성한 후, 질소 함량을 갖는 제2 금속 베리어막을 형성한다. Here, in the present invention, after forming the first metal barrier film on the gate conductive film, a second metal barrier film having a nitrogen content is formed.

이렇게 하면, 후속으로 형성될 금속막과 상기 게이트 도전막 사이에서 유발될 수 있는 계면 반응을 억제시킬 뿐만 아니라, 상기 질소에 의해 상기 제2 금속 베리어막이 비정질화되어 후속의 금속 게이트를 형성할 때, 결정립이 큰 금속막을 형성할 수 있다. 이를 통해, 상기 금속 게이트의 저항을 감소시킬 수 있다. This not only suppresses an interfacial reaction that may be caused between the metal film to be subsequently formed and the gate conductive film, but also when the second metal barrier film is amorphous by the nitrogen to form a subsequent metal gate, A metal film with large crystal grains can be formed. Through this, the resistance of the metal gate can be reduced.

한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 질소 함량에 따른 질화텅스텐의 결정변화를 보여주는 그래프이다. On the other hand, Figure 2 is a graph showing the crystal change of tungsten nitride according to the nitrogen content according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 상기 그래프에서 강도(Intensity)의 분석을 위해 실험한 데이타로, 2KW의 파워를 사용하여 2θ의 각도로 아르곤 가스와 질소 가스의 유량비를 적절히 조절하였을 때, 상기 질소 함량에 따른 질화텅스텐의 결정 변화를 보여준다. 예를 들어, 아르곤 가스의 유량이 45sccm일 때, 20∼35sccm의 질소 가스를 사용하면 상기 질화텅스텐이 비정질 질화텅스텐으로 변환되며, 아르곤 가스의 유량이 45sccm일 때, 10∼15sccm의 질소 가스를 사용하면 베타상 결정구조를 갖는 텅스텐층이 형성되는 것을 볼 수 있다. As shown in the graph, the experimental data for the analysis of the intensity (Intensity), when the flow rate ratio of argon gas and nitrogen gas at an angle of 2θ using a power of 2KW, according to the nitrogen content according to the nitrogen content Shows the crystal change of tungsten. For example, when the flow rate of argon gas is 45sccm, when 20-35sccm of nitrogen gas is used, the tungsten nitride is converted to amorphous tungsten nitride, and when the flow rate of argon gas is 45sccm, 10-15sccm of nitrogen gas is used. When the tungsten layer having a beta phase crystal structure is formed, it can be seen.

이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다. As mentioned above, although the present invention has been illustrated and described with reference to specific embodiments, the present invention is not limited thereto, and the following claims are not limited to the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention. It can be easily understood by those skilled in the art that can be modified and modified.

도 1a 내지 도 1g들은 본 발명의 실시예에 따른 게이트 구조물의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도들이다.1A through 1G are cross-sectional views illustrating processes for manufacturing a gate structure according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 질소 함량에 따른 질화텅스텐막의 결정변화를 보여주는 그래프이다.2 is a graph showing the crystal change of the tungsten nitride film according to the nitrogen content according to an embodiment of the present invention.

Claims (17)

반도체 기판 상에 배치된 게이트 도전막; A gate conductive film disposed on the semiconductor substrate; 상기 게이트 도전막 상에 배치된 제1 금속 베리어막; A first metal barrier film disposed on the gate conductive film; 상기 제1 금속 베리어막 상에 배치되며, 제1 질소 함량을 갖는 제1 서브 금속 베리어막 및 상기 제1 질소 함량보다 낮은 제2 질소 함량을 갖는 제2 서브 금속 베리어막을 포함하는 제2 베리어막; A second barrier film disposed on the first metal barrier film and including a first sub metal barrier film having a first nitrogen content and a second sub metal barrier film having a second nitrogen content lower than the first nitrogen content; 상기 제2 베리어막 상에 배치되며, 베타상 결정 구조를 갖는 핵성장층; 및 A nuclear growth layer disposed on the second barrier layer and having a beta phase crystal structure; And 상기 핵성장층 상에 배치되는 금속층; A metal layer disposed on the nuclear growth layer; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물.Gate structure comprising a. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 게이트 도전막은 폴리실리콘막을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물. And the gate conductive layer comprises a polysilicon layer. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 금속 베리어막은 티타늄막을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물.The first metal barrier film comprises a titanium film. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 서브 금속 베리어막은 질화텅스텐막을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물. The first sub metal barrier film includes a tungsten nitride film. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 서브 금속 베리어막에 포함된 상기 제1 질소 함량은, 상기 제1 서브 금속 베리어막의 중량에 대하여 35wt% 내지 50wt%인 것을 특징으로 하는 게이트 구조물.The first nitrogen content included in the first sub metal barrier film is a gate structure, characterized in that 35wt% to 50wt% with respect to the weight of the first sub metal barrier film. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제2 서브 금속 베리어막은 아몰퍼스 질화텅스텐막을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물. And the second sub metal barrier film comprises an amorphous tungsten nitride film. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제2 서브 금속 베리어막에 포함된 상기 제2 질소 함량은, 상기 제2 서브 금속 베리어막의 중량에 대하여 1wt% 내지 10wt%인 것을 특징으로 하는 게이트 구조물.The second nitrogen content included in the second sub metal barrier film is a gate structure, characterized in that 1wt% to 10wt% based on the weight of the second sub metal barrier film. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 핵성장층은 텅스텐막을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물.The nuclear growth layer is a gate structure comprising a tungsten film. 반도체 기판 상에 게이트 도전막을 형성하는 단계; Forming a gate conductive film on the semiconductor substrate; 상기 게이트 도전막 상에 제1 금속 베리어막을 형성하는 단계; Forming a first metal barrier film on the gate conductive film; 상기 제1 금속 베리어막 상에 제1 질소 가스 유량에 의하여 제1 질소 함량을 갖는 제1 서브 금속 베리어막을 형성하는 단계; Forming a first sub metal barrier film having a first nitrogen content on the first metal barrier film by a first nitrogen gas flow rate; 상기 제1 서브 금속 베리어막 상에 상기 제1 질소 가스 유량보다 낮은 제2 질소 가스 유량에 의하여 상기 제1 질소 함량보다 낮은 제2 질소 함량을 갖는 제2 서브 금속 베리어막을 형성하는 단계; Forming a second sub metal barrier film having a second nitrogen content lower than the first nitrogen content by a second nitrogen gas flow rate lower than the first nitrogen gas flow rate on the first sub metal barrier film; 상기 제2 서브 금속 베리어막 상에 베타상 결정 구조를 갖는 핵성장층을 형성하는 단계; 및 Forming a nuclear growth layer having a beta phase crystal structure on the second sub metal barrier film; And 상기 핵성장층 상에 금속층을 형성하는 단계;Forming a metal layer on the nuclear growth layer; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물의 제조 방법.Method of manufacturing a gate structure comprising a. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 게이트 도전막은 폴리실리콘막을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물의 제조 방법. The gate conductive film is a method of manufacturing a gate structure, characterized in that it comprises a polysilicon film. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제1 금속 베리어막은 티타늄막을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물의 제조방법. And the first metal barrier film comprises a titanium film. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 제1 서브 금속 베리어막을 형성하는 단계는, 아르곤 가스 및 질소 가스를 이용하는 스퍼터링 공정에 의하여 형성되며, 상기 아르곤 가스 및 상기 질소 가스의 유량비는 45:40∼45:50인 것을 특징으로 하는 게이트 구조물의 제조방법. The forming of the first sub metal barrier layer may be performed by a sputtering process using argon gas and nitrogen gas, and a flow ratio of the argon gas and the nitrogen gas may be 45:40 to 45:50. Manufacturing method. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 제1 서브 금속 베리어막은 질화텅스텐막을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물의 제조방법. The first sub metal barrier film includes a tungsten nitride film. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 제2 서브 금속 베리어막을 형성하는 단계는, 아르곤 가스 및 질소 가스를 이용하는 스퍼터링 공정에 의하여 형성되며, 상기 아르곤 가스 및 상기 질소 가스의 유량비는 45:10∼45:15인 것을 특징으로 하는 게이트 구조물의 제조방법. The forming of the second sub metal barrier layer may be performed by a sputtering process using argon gas and nitrogen gas, and a flow ratio of the argon gas and the nitrogen gas may be 45:10 to 45:15. Manufacturing method. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 제2 서브 금속 베리어막은 아몰퍼스 질화텅스텐막을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물의 제조방법. And the second sub metal barrier film comprises an amorphous tungsten nitride film. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 핵성장층은 상기 아르곤 가스 및 질소 가스의 유량비를 조절한 스퍼터링 공정에 의하여 형성된 베타상 결정구조를 갖는 텅스텐막을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구조물의 제조방법. The nuclear growth layer includes a tungsten film having a beta phase crystal structure formed by a sputtering process in which a flow rate ratio between the argon gas and the nitrogen gas is controlled. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 제1 금속 베리어막, 제1 서브 금속 베리어막, 제2 서브 금속 베리어막 및 핵성장층은, PVD(Physical Vapor Deposition) 방식에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 구조물의 제조방법.The first metal barrier film, the first sub metal barrier film, the second sub metal barrier film and the nuclear growth layer are formed by PVD (Physical Vapor Deposition) method.
KR1020070091750A 2007-09-10 2007-09-10 Gate structure and method for manufacturing of the same KR100905780B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070091750A KR100905780B1 (en) 2007-09-10 2007-09-10 Gate structure and method for manufacturing of the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070091750A KR100905780B1 (en) 2007-09-10 2007-09-10 Gate structure and method for manufacturing of the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090026646A true KR20090026646A (en) 2009-03-13
KR100905780B1 KR100905780B1 (en) 2009-07-02

Family

ID=40694556

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070091750A KR100905780B1 (en) 2007-09-10 2007-09-10 Gate structure and method for manufacturing of the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100905780B1 (en)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3332909B2 (en) 2000-10-30 2002-10-07 松下電器産業株式会社 Gate electrode structure, method for forming the same, and method for forming electrode structure
JP2002217311A (en) * 2001-01-18 2002-08-02 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR100905780B1 (en) 2009-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7071086B2 (en) Method of forming a metal gate structure with tuning of work function by silicon incorporation
US10763338B2 (en) Silicide implants
CN101154576A (en) Method of forming tungsten polymetal gate having low resistance
JP2002026319A (en) Gate forming method for semiconductor element
JP2003163348A (en) Method for forming gate electrode and gate electrode structure
TWI488223B (en) Method for fabricating semiconductor device with gate stack structure
KR100755121B1 (en) Method for forming electrode structure and method for fabricating semiconductor device
JP2002134433A (en) Electrode structure and forming method thereof
US6642590B1 (en) Metal gate with PVD amorphous silicon layer and barrier layer for CMOS devices and method of making with a replacement gate process
JP4533155B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20070202695A1 (en) Method for fabricating a semiconductor device
JPH10209156A (en) Semiconductor device and its manufacture
KR100905780B1 (en) Gate structure and method for manufacturing of the same
JP2932484B2 (en) Refractory metal multilayer film formation method
KR100714039B1 (en) Method for fabrication a semiconductor device
KR100296133B1 (en) Metal gate electrode formation method of semiconductor device
KR20040001861A (en) Metal gate electrode and method for fabricating the same
KR20090032893A (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP2001274391A (en) Method for forming electrode structure and method for manufacturing semiconductor device
JP3247100B2 (en) Method for forming electrode structure and method for manufacturing semiconductor device
KR20030002867A (en) Method for fabricating semiconductor device
JP2000133712A (en) Manufacture of semiconductor device
KR100845052B1 (en) Semiconductor device and method for fabricating the same
KR101096443B1 (en) Method for forming gate of semiconductor device
KR20090026595A (en) Method of manufacturing semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee