KR20200107599A - 반도체장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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- H01L29/4941—Metal-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
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Abstract
본 기술은 도펀트 침투를 방지할 수 있는 반도체장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 기술에 따른 반도체장치 제조 방법은 기판 상에 게이트절연물질을 형성하는 단계; 상기 게이트절연물질 상에 카본-언도프드 폴리실리콘층 및 카본-도프드 폴리실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 카본-도프드 폴리실리콘층에 도펀트를 도핑하는 단계; 상기 도펀트가 도핑된 카본-도프드 폴리실리콘층 상에 주상결정립 폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및 상기 도펀트를 활성화시키기 위한 어닐링 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카본 도프드 폴리실리콘(Carbon-doped Polysilicon)을 포함하는 반도체장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체장치의 게이트스택은 게이트절연층 및 폴리실리콘층을 포함할 수 있다. 폴리실리콘층은 도전성 도펀트로 도핑될 수 있다. 폴리실리콘층 내부의 넷도핑(net doping)을 증가시키기 위해, 도펀트의 도핑에너지 및 도핑도즈를 증가시키고 있다.
그러나, 증가된 도핑에너지 및 도핑도즈에 의해 게이트절연층으로의 도펀트 침투(dopant penetration) 현상이 발생하고 있다.
본 발명의 실시예들은 도펀트 침투를 방지할 수 있는 반도체장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체장치 제조 방법은 기판 상에 게이트절연물질을 형성하는 단계; 상기 게이트절연물질 상에 카본-언도프드 폴리실리콘층 및 카본-도프드 폴리실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 카본-도프드 폴리실리콘층에 도펀트를 도핑하는 단계; 상기 도펀트가 도핑된 카본-도프드 폴리실리콘층 상에 주상결정립 폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및 상기 도펀트를 활성화시키기 위한 어닐링 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체장치 제조 방법은 기판 상에 게이트절연물질을 형성하는 단계; 상기 게이트절연물질 상에 카본-언도프드 폴리실리콘층 및 카본-도프드 폴리실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 카본-도프드 폴리실리콘층의 표면을 산화시켜 계면산화물질을 형성하는 단계; 상기 계면산화물질 및 카본-도프드 폴리실리콘층에 도펀트를 도핑하는 단계; 상기 도펀트가 도핑된 계면산화물질 상에 주상결정립 폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및 상기 도펀트를 활성화시키기 위한 어닐링 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체장치는, 기판 상의 게이트절연층; 및 상기 게이트절연층 상의 게이트전극을 포함하고, 상기 게이트전극은 상기 게이트절연층 상의 카본-언도프드 폴리실리콘층; 상기 카본-언도프드 폴리실리콘층 상의 카본-도프드 폴리실리콘층; 상기 카본-도프드 폴리실리콘층 상의 주상결정립 폴리실리콘층; 및 상기 카본-도프드 폴리실리콘층과 주상결정립 폴리실리콘층 사이에 형성된 도전성 계면산화물을 포함할 수 있다.
본 기술은 카본-도프드 폴리실리콘층 증착과 주상결정립 폴리실리콘층 증착 사이에 계면산화물 형성 및 도펀트 도핑을 수행하므로써, 카본에 의해 포획되는 도펀트 농도를 증가시킬 수 있다.
본 기술은 카본-도프드 폴리실리콘층 및 계면산화물에 의해 도펀트가 게이트절연층으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
본 기술은 주상결정립 폴리실리콘층이 카본-도프드 폴리실리콘층을 캡핑하므로, 카본-도프드 폴리실리콘층에 도핑된 도펀트의 외확산을 방지할 수 있다.
본 기술은 카본-언도프드 폴리실리콘층에 의해 게이트절연층의 손상을 최소화할 수 있다.
본 기술은 게이트전극의 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선하면서 동시에 게이트절연층의 전기적 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 반도체장치의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2a는 도 1의 게이트전극(G1) 내 카본 농도 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 도 1의 게이트전극(G1) 내 보론 농도 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 7의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 내지 도 10f는 도 9의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12a 내지 도 12c는 도 11의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 도 1의 게이트전극(G1) 내 카본 농도 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 도 1의 게이트전극(G1) 내 보론 농도 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 7의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 내지 도 10f는 도 9의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12a 내지 도 12c는 도 11의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
후술하는 실시예들은, 폴리실리콘층으로부터 게이트절연층으로의 도펀트 침투(dopant penetration)를 방지하기 위해, 카본-언도프드 폴리실리콘층(carbon-undoped polysilicon layer) 및 카본-도프드 폴리실리콘층(carbon-doped polysilicon layer)의 스택을 적용할 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층을 적용함에 따라, 도핑에너지 및 도핑도즈를 높이지 않더라도 도펀트의 도핑농도를 충분히 높일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 반도체장치의 구조를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체장치(100)는 기판(101) 및 기판(101) 상의 게이트구조물(100G)을 포함할 수 있다. 게이트구조물(100G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G1)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G1)은 카본-언도프드 게이트전극(100U') 및 카본-도프드 게이트전극(100D')의 스택을 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 게이트절연층(102G)에 직접 접촉할 수 있다.
기판(101)은 반도체 프로세싱에 적합한 물질을 포함할 수 있다. 기판(101)은 반도체기판을 포함할 수 있다. 기판(101)은 실리콘을 함유하는 물질로 이루어질 수 있다. 기판(101)은 실리콘, 단결정 실리콘, 폴리실리콘, 비정질 실리콘, 실리콘저마늄, 단결정 실리콘저마늄, 다결정 실리콘저마늄, 탄소 도핑된 실리콘, 그들의 조합 또는 그들의 다층을 포함할 수 있다. 기판(101)은 저마늄과 같은 다른 반도체물질을 포함할 수도 있다. 기판(101)은 Ⅲ/Ⅴ족 반도체기판, 예컨대 GaAs과 같은 화합물반도체기판을 포함할 수도 있다. 기판(101)은 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 포함할 수도 있다.
게이트절연층(102G)은 실리콘산화물, 실리콘산화질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 게이트절연층(102G)은 실리콘산화질화물(SiON)일 수 있다. 예를 들어, 실리콘산화질화물(SiON)을 형성하기 위해 실리콘산화물을 증착한 후 질화시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 게이트절연층(102G)은 고유전율물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 게이트절연층(102G)은 실리콘산화물과 고유전율물질의 스택을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 게이트절연층(102G)은 실리콘산화질물과 고유전율물질의 스택을 포함할 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(100D')은 카본(carbon, 110)이 도핑되어 있을 수 있고, 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 카본(110)이 언도핑(Undoped)되어 있을 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(100D') 및 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 각각 도펀트(111, 111D)로 도핑되어 있을 수 있다. 도펀트(111, 111D)는 N형 도펀트 또는 P형 도펀트를 포함할 수 있다. 도펀트(111, 111D)는 보론(boron)을 포함할 수 있다. 도펀트(111, 111D)는 주입 도펀트(implanted dopant, 111) 및 확산 도펀트(diffused dopant, 111D)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111)는 도핑 공정(doping process)에 의해 도핑된 도펀트를 지칭할 수 있고, 확산 도펀트(111D)는 주입 도펀트(111) 중에서 어닐링(annealing)에 의해 확산된 도펀트를 지칭할 수 있다. 후술하겠지만, 카본-도프드 게이트전극(100D')에 도펀트를 주입(Implantation)하고, 후속 어닐링에 의해 카본-도프드 게이트전극(100D')으로부터 카본-언도프드 게이트전극(100U')으로 도펀트가 확산될 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(100D') 및 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(100D') 및 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 비-방향성 다결정 구조(random polycrystalline structure)를 갖는 폴리실리콘을 포함할 수 있다.
카본-언도프드 게이트전극(100U')은 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(100D')는 카본(110) 및 주입 도펀트(111)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)가 보론을 포함하므로, 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 보론-도프드(boron-doped) 폴리실리콘일 수 있고, 카본-도프드 게이트전극(100D')은 카본 및 보론-도프드(carbon-doped and boron-doped) 폴리실리콘일 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(100D')에서 카본(110)은 주입 도펀트(111)을 포획하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 주입 도펀트(111)의 농도는 확산 도펀트(111D)의 농도보다 클 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(100D')과 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 패시베이션종(passivation species)을 더 포함할 수 있다. 패시베이션종은 불소(Fluorine)을 포함할 수 있다. 패시베이션종은 게이트절연층(102G)과 기판(101)의 계면에 발생된 댕글링본드(dangling bond)를 패시베이션할 수 있다. 이에 따라, 게이트절연층(102G)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 불소는 주입 도펀트(111)와 함께 주입될 수 있고, 카본(110)에 의해 포획될 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(100D')과 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 동일 두께이거나 또는 서로 다른 두께일 수 있다. 예를 들어, 카본-도프드 게이트전극(100D')은 카본-언도프드 게이트전극(100U')보다 두꺼울 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(100D')과 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 각각 폴리실리콘을 포함하므로, 게이트전극(G1)은 더블 폴리실리콘 구조(Double polysilicon structure)일 수 있다.
도 2a는 도 1의 게이트전극(G1) 내 카본 농도 프로파일을 설명하기 위한 도면이고, 도 2b는 도 1의 게이트전극(G1) 내 보론 농도 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 게이트전극(G1)의 탑부에 대응하는 제1위치(P1), 카본-도프드 게이트전극(100D')과 카본-언도프드 게이트전극(100U')의 계면에 대응하는 제2위치(P2) 및 게이트전극(G1)의 바텀부에 대응하는 제3위치(P3)는 서로 다른 카본 농도를 가질 수 있다. 게이트전극(G1) 내 카본(110)의 농도는 제1프로파일 내지 제4프로파일(P11~P14) 중 어느 하나일 수 있다.
제1프로파일(P11)을 살펴보면, 카본-도프드 게이트전극(100D') 내에서 카본(110)이 고농도로 균일하게 도핑되고, 카본-언도프드 게이트전극(100U') 내에서는 카본이 도핑되지 않을 수 있다.
제2프로파일(P12)을 살펴보면, 카본-도프드 게이트전극(100D') 내에서 카본(110)이 고농도로 균일하게 도핑되고, 카본-언도프드 게이트전극(100U') 내에서는 제2위치(P2)로부터 제3위치(P3)로 갈수록 점차 감소되는 카본 농도를 가질 수 있다.
제3프로파일(P13)을 살펴보면, 카본-도프드 게이트전극(100D') 내에서 제1위치(P1)로부터 제2위치(P2)로 갈수록 점차 증가하는 카본 농도를 갖고, 카본-언도프드 게이트전극(100U') 내에서는 제2위치(P2)로부터 제3위치(P3)로 갈수록 점차 감소되는 카본 농도를 가질 수 있다. 따라서, 카본 농도는 제2위치(P2)에서 가장 높을 수 있다.
제4프로파일(P14)을 살펴보면, 카본-도프드 게이트전극(100D') 내에서 제1위치(P1)로부터 제2위치(P2)로 갈수록 점차 감소하는 카본 농도를 갖고, 카본-언도프드 게이트전극(100U') 내에서는 제2위치(P2)로부터 제3위치(P3)로 갈수록 점차 감소되는 카본 농도를 가질 수 있다. 따라서, 게이트전극(G1) 내에서 카본 농도는 제1위치(P1)로부터 제3위치(P3)로 갈수록 점차 감소되는 리니어 프로파일(Linear profile)을 가질 수 있다.
도 1의 게이트전극(G1)은 제1프로파일(P11)에 대응하는 카본 농도 프로파일을 가질 수 있다.
도 2b를 참조하면, 게이트전극(G1) 내에서 보론농도 프로파일(P15)은 제어될 수 있다. 게이트전극(G1) 내에서 보론이 제1 및 제2위치(P1, P2)에서 고농도로 균일하게 도핑되고, 제2위치(P2)로부터 제3위치(P3)로 갈수록 보론 농도가 점차 감소할 수 있다. 게이트절연층(102G) 내에는 보론이 확산되지 않을 수 있다.
상술한 바와 같은 반도체장치(100)는 확산 도펀트(111D)가 게이트절연층(102G)으로 침투하는 것을 방지할 수 있고, 게이트절연층(102G)의 손상을 방지할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 반도체장치를 제조하는 방법의 일예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(101) 상에 게이트절연물질(102)이 형성될 수 있다.
기판(101)은 반도체 프로세싱에 적합한 물질을 포함할 수 있다. 기판(101)은 반도체기판을 포함할 수 있다. 기판(101)은 실리콘을 함유하는 물질로 이루어질 수 있다. 기판(101)은 실리콘, 단결정 실리콘, 폴리실리콘, 비정질 실리콘, 실리콘저마늄, 단결정 실리콘저마늄, 다결정 실리콘저마늄, 탄소 도핑된 실리콘, 그들의 조합 또는 그들의 다층을 포함할 수 있다. 기판(101)은 저마늄과 같은 다른 반도체물질을 포함할 수도 있다. 기판(101)은 Ⅲ/Ⅴ족 반도체기판, 예컨대 GaAs과 같은 화합물반도체기판을 포함할 수도 있다. 기판(101)은 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 포함할 수도 있다.
게이트절연물질(102)은 실리콘산화물, 실리콘산화질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 게이트절연물질(102)은 실리콘산화질화물(SiON)일 수 있다. 예를 들어, 실리콘산화질화물(SiON)을 형성하기 위해 실리콘산화물을 증착한 후 질화시킬 수 있다.
게이트절연물질(102) 상에 제1실리콘함유물질(103)이 형성될 수 있다. 제1실리콘함유물질(103)은 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 제1실리콘함유물질(103)은 도전성 도펀트가 도핑되지 않은 언도프드(Undoped) 상태일 수 있다. '언도프드'란 도전성 도펀트가 없는 '도전성 도펀트 미함유'를 의미할 수 있다. 제1실리콘함유물질(103)은 카본과 같은 포획종을 포함하지 않을 수 있다. 제1실리콘함유물질(103)은 언도프드 폴리실리콘을 포함할 수 있다.
제1실리콘함유물질(103) 상에 제2실리콘함유물질(104)이 형성될 수 있다. 제2실리콘함유물질(104)은 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 제2실리콘함유물질(104)은 도전성 도펀트가 도핑되지 않은 언도프드(Undoped) 상태일 수 있다. 제2실리콘함유물질(104)은 카본(110)을 함유할 수 있다. 여기서, 도전성 도펀트는 N형 또는 P형과 같은 도전성을 부여하기 위한 물질이고, 카본(110)은 도전성 도펀트를 포획하는 물질일 수 있다. 카본(110)은 도전성에 영향을 미치지 않는 물질로서, 비-도전성 도펀트라고 지칭할 수도 있다. 카본(110)은 후속 도핑공정들에 의해 주입되는 도전성 도펀트 및 확산되는 도전성 도펀트를 포획하는 역할을 한다. 제2실리콘함유물질(104)은 언도프드 폴리실리콘(Undoped polysilicon)을 포함할 수 있고, 언도프드 폴리실리콘은 카본이 함유된 언도프드 폴리실리콘(carbon containing-undoped polysilicon)일 수 있다.
이하, 제1실리콘함유물질(103)을 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)이라고 약칭하고, 제2실리콘함유물질(104)을 카본-도프드 폴리실리콘층(104)이라고 약칭하기로 한다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103) 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 비-방향성 다결정 구조를 가질 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)과 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 인시튜로(In-situ) 형성할 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 형성시 카본(110)을 인시튜 도핑할 수 있다. 한편, 카본(110)의 함량이 높으면 도전성 도펀트의 활성화를 억제하게 되므로, 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 내에서 1010 atoms/cm3의 이하의 농도를 가질 수 있다. 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 인시튜로 도핑될 수 있으며, 예를 들어, 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 실리콘소스물질 및 카본소스물질을 흘려줄 수 있다. 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 내에서 균일하게 분포할 수 있다. 즉, 카본(110)의 농도가 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 두께에 따라 일정할 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)과 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 화학기상증착(CVD) 또는 원자층증착(ALD)을 사용하여 증착될 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 제1실리콘소스물질(first silicon source material)을 이용하여 증착할 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 제2실리콘소스물질(second silicon source material)과 카본소스물질(carbon source material)을 이용하여 증착할 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103) 증착시 제1실리콘소스물질로서 모노실레인(Mono-silane, SiH4)을 사용할 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 '모노실레인 베이스(mono-silane base) 폴리실리콘층'이라고 지칭할 수 있다.
카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 제2실리콘소스물질로서 모노실레인(SiH4) 또는 디실레인(Disilane, Si2H6)을 사용할 수 있고, 카본소스물질로는 카본수소화합물, 예를 들어 C2H4를 사용할 수 있다.
카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 전체 영역에서 카본(110)은 균일한 농도일 수 있다. 다른 실시예에서, 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 두께에 따라 점진적으로(gradually) 감소하거나 점진적으로 증가하는 농도를 가질 수 있다. 일 예로, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)과 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)의 계면에서 가장 높은 농도일 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 표면에서 가장 낮은 농도일 수 있다. 또한, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)과 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)의 계면에서 가장 낮은 농도일 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 표면에서 가장 높은 농도일 수 있다. 카본(110)의 농도가 점진적으로 변화하는 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 카본 그레이디드(carbon graded) 도프드 폴리실리콘층(104)이라고 지칭될 수 있다.
다른 실시예에서, 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 중간영역에서 가장 높은 농도를 가질 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 100Å 이상의 두께일 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 100Å 이상의 두께일 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)보다 얇을 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 도핑공정(121)이 수행될 수 있다. 도핑공정(121)은 도펀트(111)의 도핑 공정일 수 있다. 도펀트(111)는 도전성 도펀트로서, P형 도펀트 또는 N형 도펀트를 포함할 수 있다. 예컨대, 도펀트(111)는 보론(Boron)과 같은 P형 도펀트를 포함할 수 있고, 인(P) 또는 비소(As)와 같은 N형 도펀트를 포함할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 도펀트(111)를 '보론(111)'이라고 약칭한다.
보론(111)의 도핑공정(121)은 보론(B), BF2 또는 BF3를 보론소스물질로 사용할 수 있다. 보론(111)의 도핑공정(121)은 이온빔임플란트(Ion beam Implant), 플라즈마도핑(Plasma doping, PLAD) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 보론(111)의 도핑공정(121)은 보론(B) 이온빔 임플란트, BF2 이온빔 임플란트 또는 BF3 플라즈마도핑을 포함할 수 있다. 보론(111)의 도핑공정(121)은 보론(B) 이온빔 임플란트와 불소(F) 이온빔임플란트를 순차적으로 수행할 수도 있다. 불소(F) 이온빔임플란트, BF2 이온빔임플란트 및 BF3 플라즈마도핑에 의해 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 불소가 도핑될 수 있다. 불소는 패시베이션종으로서, 후속 공정에서 게이트절연물질(102)과 기판(101)의 계면에 발생된 댕글링본드(dangling bond)를 패시베이션할 수 있다. 불소 패시베이션에 의해 게이트절연물질(102)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 불소는 보론(111)과 함께 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 주입될 수 있다. 불소는 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 카본(110)에 포획될 수 있고, 이에 따라 불소의 외확산(outdiffusion)이 방지되어 패시베이션효율을 향상시킬 수 있다. 불소는 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)에 도핑될 수도 있다.
도핑공정(121)에 의해 보론(111)으로 도핑된 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(boron and carbon-doped polysilicon layer, 104D)이 될 수 있다.
보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)은 보론 및 카본이 모두 도핑된 도프드 폴리실리콘층일 수 있다. 보론(111)은 카본(110)에 포획되어 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에 축적(pile-up)될 수 있다.
도핑공정(121) 진행시에, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)에도 소량의 보론(111)이 도핑될 수도 있다. 그렇다 할지라도, 대부분의 보론(111)은 카본(110)에 포획되어 의해 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에 위치할 수 있다.
도핑된 보론(111)은 주입 보론(Implanted boron)이라고 지칭할 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 어닐링(131)이 수행될 수 있다. 어닐링(131)에 의해 도펀트확산이 이루어질 수 있다. 어닐링(131)은 활성화 어닐링(activation annealing)이라고 지칭될 수 있고, 어닐링(131)에 의해 도펀트가 활성화될 수 있다. 도펀트 활성화 및 확산은 보론(111)의 활성화 및 확산을 포함할 수 있다.
도펀트 확산은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에서 보론(111)이 균일하게 확산되는 것을 지칭할 수 있다. 또한, 도펀트확산은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)으로부터 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)의 내부로 보론(111)이 확산되는 것을 지칭할 수 있다. 대부분의 보론(111)은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에 위치할 수 있다. 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 카본(110)은 대부분의 보론(111)을 포획하므로, 보론(111)이 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)으로 확산되는 것을 최소화할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론(111)의 지속적인 확산이 일어날 수 있다. 그렇다할지라도, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)으로부터 확산되는 확산 보론(111D)은 소량일 수 있다. 보론(111)의 소량 확산에 의해 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)이 될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 확산 보론(111D)을 포함할 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 카본이 도핑되지 않을 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 보론 농도는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(103D)의 보론 농도보다 극히 낮을 수 있다.
한편, 어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 확산 보론(111D)이 게이트절연물질(102)과의 계면으로 확산될 수는 있으나, 게이트절연물질(102)로 침투하지 않을 수 있다.
상술한 바와 같이, 어닐링(131)이 수행되더라도, 대부분의 보론(111)은 카본(110)에 의해 포획되므로 게이트절연물질(102)로 침투하지 않을 수 있다. 따라서, 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 카본(110)에 의해 불소의 외확산이 방지될 수 있다. 여기서, 불소의 외확산은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 외부로 탈리되는 현상을 지칭할 수 있다. 불소는 카본(110)에 의해 포획되어 있으므로, 외확산이 억제될 수 있다. 카본이 도핑되지 않은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)으로부터 불소가 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)으로 외확산될 수 있으나, 외확산되는 불소는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 카본(110)에 의해 포획될 수 있다. 카본(110)에 의해 포획된 불소는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)에 축적될 수 있고, 축적된 불소는 후속 공정에서 불소 패시베이션 효율을 향상시킬 수 있다.
어닐링(131) 후에, 게이트절연물질(102) 상에 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)과 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 스택이 형성될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 확산 보론(111D) 및 불소를 포함할 수 있고, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)은 카본(110), 보론(111) 및 불소를 포함할 수 있다.
후속하여 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D), 보론-도프드 폴리실리콘층(103D) 및 게이트절연물질(102)을 순차적으로 식각할 수 있다. 이에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이, 게이트구조물(100G)이 형성될 수 있다.
게이트구조물(100G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G1)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G1)은 카본-언도프드 게이트전극(100U') 및 카본-언도프드 게이트전극(100U') 상의 카본-도프드 게이트전극(100D')을 포함하는 적층구조일 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(100D')은 카본(110)을 함유할 수 있고, 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 카본(110)을 함유하지 않을 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 확산 보론(111D)을 포함할 수 있고, 보론 및 카본-도프드 게이트전극(100D')은 보론(111)을 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(100U') 및 카본-도프드 게이트전극(100D')은 패시베이션종으로서 불소를 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(100D')은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 게이트절연층(102G)은 게이트절연물질(102)의 식각에 의해 형성될 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 반도체장치의 구조를 도시한 도면이다. 도 4의 반도체장치(120)는 도 1의 반도체장치(100)와 유사할 수 있다.
도 4를 참조하면, 반도체장치(120)는 기판(101) 및 기판(101) 상의 게이트구조물(120G)을 포함할 수 있다. 게이트구조물(120G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G2)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G2)은 카본-언도프드 게이트전극(100U) 및 카본-도프드 게이트전극(100D)의 스택을 포함할 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(100D)은 카본(110)이 도핑되어 있을 수 있고, 카본-언도프드 게이트전극(100U)은 카본(110)이 언도핑(Undoped)되어 있을 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(100D) 및 카본-언도프드 게이트전극(100U)은 각각 도펀트(111, 111D)로 도핑되어 있을 수 있다. 도펀트(111, 111D)는 N형 도펀트 또는 P형 도펀트를 포함할 수 있다. 도펀트(111, 111D)는 보론을 포함할 수 있다. 도펀트(111, 111D)는 주입 도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111)는 도핑 공정에 의해 도핑된 도펀트를 지칭할 수 있고, 확산 도펀트(111D)는 주입 도펀트(111) 중에서 어닐링에 의해 확산된 도펀트를 지칭할 수 있다. 전술한 바와 같이, 카본-도프드 게이트전극(100D)에 도펀트를 주입하고, 후속 어닐링에 의해 카본-도프드 게이트전극(100D)으로부터 카본-언도프드 게이트전극(100U)으로 도펀트가 확산될 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(100D) 및 카본-언도프드 게이트전극(100U)은 비-방향성 결정구조의 폴리실리콘을 포함할 수 있다.
카본-언도프드 게이트전극(100U)은 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(100D)는 카본(110) 및 주입 도펀트(111)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)가 보론을 포함하므로, 카본-언도프드 게이트전극(100U)은 보론-도프드 폴리실리콘일 수 있고, 카본-도프드 게이트전극(100D)은 카본 및 보론-도프드 폴리실리콘일 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(100D)과 카본-언도프드 게이트전극(100U)은 패시베이션종을 더 포함할 수 있다. 패시베이션종은 불소(Fluorine)을 포함할 수 있다. 패시베이션종은 게이트절연층(102G)과 기판(101)의 계면에 발생된 댕글링본드를 패시베이션할 수 있다. 이에 따라, 게이트절연층(102G)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 불소는 주입 도펀트(111)와 함께 주입될 수 있고, 카본(110)에 의해 포획될 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(100D)에서 카본(110)은 주입 도펀트(111)을 포획하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 주입 도펀트(111)의 농도는 확산 도펀트(111D)의 농도보다 클 수 있다.
카본-언도프드 게이트전극(100U)은 극히 얇을 수 있다. 예를 들어, 도 1의 카본-언도프드 게이트전극(100U')보다 얇을 수 있다(D2 < D1).
카본-언도프드 게이트전극(100U)은 디실레인(Disilane)-베이스 폴리실리콘층으로 형성될 수 있다. 도 1의 카본-언도프드 게이트전극(100U')은 모노실레인-베이스 폴리실리콘층으로 형성될 수 있다. 디실레인(Disilane)-베이스 폴리실리콘층은 모노실레인(mono-isilane)-베이스 폴리실리콘층보다 더 얇고 컨포멀하게(conformally) 형성할 수 있다. 디실레인-베이스 폴리실리콘층은 30Å 이하의 얇은 두께로 증착이 가능하다. 따라서, 카본-언도프드 게이트전극(100U)은 30Å 이하의 얇은 두께일 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(100D)은 모노실레인-베이스 폴리실리콘층 또는 디실레인-베이스 폴리실리콘층을 포함할 수 있다.
도 4의 반도체장치(120)는 카본-언도프드 게이트전극(100U)의 두께를 감소시켜, 카본-도프드 게이트전극(100D)의 두께를 증가시킬 수 있다. 따라서, 카본-도프드 게이트전극(100D)의 점유 두께를 최대한 증가시키고, 카본-언도프드 게이트전극(100U)의 점유 두께를 최대할 감소시킬 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(100D)의 두께를 증가시키면, 카본-도프드 게이트전극(100D)의 카본 농도를 자유롭게 조절 가능하다. 카본-언도프드 게이트전극(100U)의 두께를 감소시키면 게이트전극(G2)의 높이를 감소키는데 유리하다. 또한, 카본-도프드 게이트전극(100D)의 두께를 증가시키므로, 보론(111)의 수직 확산(Vertical diffusion)뿐만 아니라 측면 확산(lateral diffusion)을 방지하여 상호확산(interdiffusion)을 억제할 수 있다. 여기서, 측면확산은 CMOSFET의 듀얼 폴리실리콘게이트 형성시, NMOSFET를 위한 N형 폴리실리콘과 PMOSFET를 위한 P형 폴리실리콘 사이의 상호확산을 지칭할 수 있다.
카본-언도프드 게이트전극(100U)을 컨포멀하게 얇게 형성하므로, 카본-언도프드 게이트전극(100U)의 두께를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 게이트전극(G2)의 높이를 감소키는데 유리하다. 또한, 카본-언도프드 게이트전극(100U)에 의해 게이트절연층(102G)의 어택을 방지할 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 반도체장치(200)는 기판(101) 및 기판(101) 상의 게이트구조물(200G)을 포함할 수 있다. 게이트구조물(200G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G3)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G3)은 카본-언도프드 게이트전극(201), 카본-도프드 게이트전극(202) 및 주상 결정립 게이트전극(203)의 순서로 적층된 스택을 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(201)은 게이트절연층(102G)에 직접 접촉할 수 있다. 기판(101) 및 게이트절연층(102G)에 대한 설명은 도 1을 참조할 수 있다.
카본-언도프드 게이트전극(201) 및 카본-도프드 게이트전극(202)은 비-방향성 결정구조를 가질 수 있고, 주상 결정립 게이트전극(203)은 주상 결정립 구조를 가질 수 있다. 주상 결정립 구조는 방향성 결정 구조일 수 있고, 이에 따라 비-방향성 결정구조보다 도펀트의 확산이 빠를 수 있다. 비-방향성 결정구조는 '비-주상결정립 결정구조'라고 지칭할 수도 있다.
카본-도프드 게이트전극(202)은 카본(110)이 도핑되어 있을 수 있고, 카본-언도프드 게이트전극(201) 및 주상결정립 게이트전극(203)은 카본(110)이 언도핑(Undoped)되어 있을 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(201), 카본-도프드 게이트전극(202) 및 주상 결정립 게이트전극(203)은 각각 도펀트(111, 111D)로 도핑되어 있을 수 있다. 도펀트(111, 111D)는 N형 도펀트 또는 P형 도펀트를 포함할 수 있다. 도펀트(111, 111D)는 보론을 포함할 수 있다. 도펀트(111, 111D)는 주입 도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111)는 도핑 공정에 의해 도핑된 도펀트를 지칭할 수 있고, 확산 도펀트(111D)는 주입 도펀트(111) 중에서 어닐링에 의해 확산된 도펀트를 지칭할 수 있다. 후술하겠지만, 주상결정립 게이트전극(203)에 도펀트를 주입하고, 후속 어닐링에 의해 주상결정립 게이트전극(203)으로부터 카본-도프드 게이트전극(202) 및 카본-언도프드 게이트전극(201)으로 도펀트가 확산될 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(202) 및 카본-언도프드 게이트전극(201)은 비-방향성 다결정 폴리실리콘층을 포함할 수 있다. 주상 결정립 게이트전극(203)은 주상 결정립 폴리실리콘층일 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(202) 및 카본-언도프드 게이트전극(201)은 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있다. 주상결정립 게이트전극(203)은 주입도펀트(111)를 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(202)은 카본(110) 및 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)가 보론을 포함하므로, 카본-언도프드 게이트전극(201) 및 주상결정립 게이트전극(203)은 보론-도프드 폴리실리콘일 수 있고, 카본-도프드 게이트전극(202)은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘일 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(202), 카본-언도프드 게이트전극(201) 및 주상 결정립 게이트전극(203)은 패시베이션종을 더 포함할 수 있다. 패시베이션종은 불소(Fluorine)를 포함할 수 있다. 패시베이션종은 게이트절연층(102G)과 기판(101)의 계면에 발생된 댕글링본드를 패시베이션할 수 있다. 이에 따라, 게이트절연층(102G)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 불소는 주입 도펀트(111)와 함께 주입될 수 있고, 카본(110)에 의해 포획될 수 있다. 불소는 카본-도프드 게이트전극(202)에 축적되어 있을 수 있고, 이에 따라 불소 패시베이션 효율을 개선시킬 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(202)에서 카본(110)은 확산 도펀트(111D)를 포획하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 카본-도프드 게이트전극(202)의 확산 도펀트(111D)의 농도는 카본-언도프드 게이트전극(201)의 확산 도펀트(111D)의 농도보다 클 수 있다.
주상결정립 게이트전극(203) 및 카본-도프드 게이트전극(202)은 동일 두께일 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(201)은 카본-도프드 게이트전극(202)보다 얇을 수 있다. 예를 들어, 카본-언도프드 게이트전극(201)은 30Å 이하의 두께일 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(201)은 디실레인-베이스 폴리실리콘층을 포함할 수 있다. 주상결정립 게이트전극(203) 및 카본-도프드 게이트전극(202)은 모노실레인-베이스 폴리실리콘층 또는 디실레인-베이스 폴리실리콘층을 포함할 수 있다.
주상결정립 게이트전극(203), 카본-도프드 게이트전극(202) 및 카본-언도프드 게이트전극(201)은 각각 폴리실리콘을 포함하므로, 게이트전극(G3)은 트리플 폴리실리콘 구조(Triple polysilicon structure)일 수 있다.
주상결정립 게이트전극(203)의 주상 결정립계(Columnar crystalline boundary)에 의해 주입 도펀트(111)가 빠르게 확산될 수 있다. 이에 따라, 카본-도프드 게이트전극(202)의 확산 도펀트(111D)의 농도를 높게 유지할 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(202) 및 카본-언도프드 게이트전극(201)은 비-방향성 다결정이므로, 확산 도펀트(111D)가 게이트절연층(102G)으로 확산하는 것을 억제할 수 있다. 게다가, 카본-도프드 게이트전극(202)의 카본(110)은 확산 도펀트(111D)를 포획하므로, 확산 도펀트(111D)가 게이트절연층(102G)으로 확산하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
위와 같이, 주상결정립 게이트전극(203) 및 카본-도프드 게이트전극(201)에 의해 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선할 수 있다. 아울러, 주입 도펀트(111)의 농도가 낮더라도 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선할 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(202) 및 주상결정립 게이트전극(203)의 스택은, 주입 도펀트(111)의 수직 프로파일(Vertical profile)을 극대화할 수 있고, 측면 확산을 더욱 방지할 수 있다.
카본-언도프드 게이트전극(201), 카본-도프드 게이트전극(202) 및 주상결정립 게이트전극(203)의 스택에 의해 확산 도펀트(111D)의 포획 효율을 증가시켜 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선할 수 있다.
카본-언도프드 게이트전극(201)에 의해 게이트절연층(102G)의 누설전류를 방지할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 기판(101) 상에 게이트절연물질(102)이 형성될 수 있다. 게이트절연물질(102) 상에 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)이 형성될 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 도전성 도펀트가 도핑되지 않은 언도프드 상태일 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 카본을 포함하지 않을 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 극히 얇을 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 디실레인(Disilane)-베이스 폴리실리콘층으로 형성될 수 있다. 디실레인-베이스 폴리실리콘층은 모노실레인-베이스 폴리실리콘층보다 더 얇고 컨포멀하게 형성할 수 있다. 디실레인-베이스 폴리실리콘층은 30Å 이하의 얇은 두께로 증착이 가능하다. 따라서, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 30Å 이하의 얇은 두께일 수 있다.
다음으로, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103) 상에 카본-도프드 폴리실리콘층(104)이 형성될 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)과 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 인시튜로 형성할 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 형성시 카본(110)을 인시튜 도핑할 수 있다. 한편, 카본(110)의 함량이 높으면 도전성 도펀트의 활성화를 억제하게 되므로, 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 내에서 1010 atoms/cm3의 이하의 농도를 가질 수 있다. 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 인시튜로 도핑될 수 있으며, 예를 들어, 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 실리콘소스물질 및 카본소스물질을 흘려줄 수 있다. 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 내에서 균일하게 분포할 수 있다. 즉, 카본(110)의 농도가 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 두께에 따라 일정할 수 있다. 다른 실시예에서, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 카본 그레이디드 도프드 폴리실리콘층일 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)과 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 화학기상증착(CVD) 또는 원자층증착(ALD)을 사용하여 증착될 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 제1실리콘소스물질을 이용하여 증착할 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 제2실리콘소스물질과 카본소스물질을 이용하여 증착할 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103) 증착시 제1실리콘소스물질로서 디실레인(Si2H6)을 사용할 수 있다.
카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 제2실리콘소스물질로서 모노실레인(SiH4) 또는 디실레인(Si2H6)을 사용할 수 있고, 카본소스물질로는 카본수소화합물, 예를 들어 C2H4를 사용할 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)보다 얇을 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 30Å 이하의 두께일 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 100Å 이상의 두께일 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 두께를 증가시키기 위해, 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 모노실레인(SiH4)을 사용할 수 있다.
카본-도프드 폴리실리콘층(104) 상에 인시튜로 주상결정립 폴리실리콘층(105)이 형성될 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 주상결정립들(105G) 및 결정립계(105B)를 포함할 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)과 동일 두께일 수 있고, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)보다 두꺼운 두께일 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 카본이 도핑되거나 카본이 언도핑될 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105) 증착시 실리콘소스물질로서 모노실레인(SiH4) 또는 디실레인(Si2H6)을 사용할 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 주상결정립들(105G) 및 결정립계(105B)를 갖도록 카본-도프드 폴리실리콘층(104)보다 더 높은 온도에서 형성될 수 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 주상결정립 폴리실리콘층(105)에 도핑공정(121)이 수행될 수 있다. 도핑공정(121)은 N형 도펀트 또는 P형 도펀트의 도핑 공정일 수 있다. 도핑 공정(121)은 예컨대, 보론(Boron, 111)을 도핑할 수 있다. 보론(111)의 도핑공정(121)은 B, BF2 또는 BF3를 보론소스로 사용할 수 있다. 보론(111)의 도핑공정(121)은 이온빔임플란트, 플라즈마도핑(PLAD) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
보론(111)의 도핑공정(121)은 보론(B) 이온빔 임플란트, BF2 이온빔임플란트 또는 BF3 플라즈마도핑을 포함할 수 있다. 보론(111)의 도핑공정(121)은 보론(B) 이온빔 임플란트와 불소(F) 이온빔임플란트를 순차적으로 수행할 수도 있다. 불소(F) 이온빔임플란트, BF2 이온빔임플란트 및 BF3 플라즈마도핑에 의해 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 불소가 도핑될 수 있다. 불소는 패시베이션종으로서, 후속 공정에서 게이트절연물질(102)과 기판(101)의 계면에 발생된 댕글링본드를 패시베이션할 수 있다. 불소 패시베이션에 의해 게이트절연물질(102)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 불소는 보론(111)과 함께 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 주입될 수 있다. 불소는 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 카본(110)에 포획될 수 있고, 이에 따라 불소의 외확산이 방지되어 패시베이션효율을 향상시킬 수 있다.
보론(111)의 도핑공정(121)으로서 이온빔 임플란트를 적용하는 경우, Rp(projected range)를 주상결정립 폴리실리콘층(105)과 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 경계에 맞추어 진행할 수 있다.
도핑공정(121)에 의해 보론(111)으로 도핑된 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)이 될 수 있다.
다른 실시예로서, 보론(111)의 도핑공정(121)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 형성 이후에 수행될 수도 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)에는 보론(111)의 도핑공정(121)이 수행되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 보론(111)의 도핑공정(121)으로서 플라즈마도핑을 적용할 수 있다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 어닐링(131)이 수행될 수 있다. 어닐링(131)에 의해 도펀트확산이 이루어질 수 있다. 어닐링(131)은 활성화 어닐링이라고 지칭될 수 있고, 어닐링(131)에 의해 도펀트가 활성화될 수 있다. 도펀트 활성화 및 도펀트 확산은 보론(111)의 활성화 및 확산을 포함할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D) 내에서 보론(111)이 빠르게 확산될 수 있다. 즉, 결정립계(도 6a의 105B)를 따라 보론(111)이 빠르게 확산될 수 있다. 또한, 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)으로부터 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 내부로 보론(111)이 확산될 수 있다. 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)으로부터 확산되는 대부분의 확산 보론(111D)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 내에 위치할 수 있다. 확산 보론(111D)이 도핑된 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 '보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)'이라고 약칭할 수 있다. 확산 보론(111D)은 카본(110)에 포획되어 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에 축적(pile-up)될 수 있다. 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 카본(110)은 대부분의 확산 보론(111D)을 포획하므로, 확산 보론(111D)이 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)으로 확산되는 것을 최소화할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론(111)의 지속적인 확산이 일어날 수 있다. 그렇다할지라도, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)으로부터 확산되는 확산 보론(111D)은 소량일 수 있다. 보론(111)의 소량 확산에 의해 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)이 될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 확산 보론(111D)을 포함할 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 카본이 도핑되지 않을 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 보론 농도는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(103D)의 보론 농도보다 극히 낮을 수 있다.
한편, 어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 확산 보론(111D)이 게이트절연물질(102)과의 계면으로 확산될 수는 있으나, 게이트절연물질(102)로 침투하지 않을 수 있다.
상술한 바와 같이, 어닐링(131)이 수행되더라도, 대부분의 보론(111D)은 카본(110)에 의해 포획되므로 게이트절연물질(102)로 침투하지 않을 수 있다. 따라서, 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 카본(110)에 의해 불소의 외확산이 방지될 수 있다. 여기서, 불소의 외확산은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 외부로 탈리되는 현상을 지칭할 수 있다. 불소는 카본(110)에 의해 포획되어 있으므로, 외확산이 억제될 수 있다. 카본이 도핑되지 않은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)으로부터 불소가 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 및 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)으로 외확산될 수 있으나, 외확산되는 불소는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 카본(110)에 의해 포획될 수 있다. 카본(110)에 의해 포획된 불소는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)에 축적될 수 있고, 축적된 불소는 후속 공정에서 불소 패시베이션 효율을 향상시킬 수 있다.
어닐링(131) 후에, 게이트절연물질(102) 상에 보론-도프드 폴리실리콘층(103D), 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 및 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)의 스택이 형성될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 확산 보론(111D)으로 도핑될 수 있고, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)은 카본(110) 및 확산 보론(111D)으로 도핑될 수 있다. 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)은 보론(111)으로 도핑될 수 있다.
후속하여, 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D), 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D), 보론-도프드 폴리실리콘층(103D) 및 게이트절연물질(102)을 순차적으로 식각할 수 있다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 게이트구조물(200G)이 형성될 수 있다.
게이트구조물(200G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G3)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G3)은 카본-언도프드 게이트전극(201), 카본-도프드 게이트전극(202) 및 주상결정립 게이트전극(203)을 포함하는 적층구조일 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(202)은 카본(110)을 함유할 수 있고, 카본-언도프드 게이트전극(201) 및 주상결정립 게이트전극(203)은 카본(110)을 함유하지 않을 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(201)은 확산 보론(111D)을 포함할 수 있고, 보론 및 카본-도프드 게이트전극(202)은 확산 보론(111D)을 포함할 수 있다. 주상결정립 게이트전극(203)은 보론(111)을 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(201) 및 카본-도프드 게이트전극(202) 및 주상결정립 게이트전극(203)은 패시베이션종으로서 불소를 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(201)은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(202)는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 주상결정립 게이트전극(203)은 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 게이트절연층(102G)은 게이트절연물질(102)의 식각에 의해 형성될 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 반도체장치(300)는 기판(101) 및 기판(101) 상의 게이트구조물(300G)을 포함할 수 있다. 게이트구조물(300G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G4)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G4)은 카본-언도프드 게이트전극(301), 카본-도프드 게이트전극(302) 및 주상 결정립 게이트전극(303)의 스택을 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(301)은 게이트절연층(102G)에 직접 접촉할 수 있다. 기판(101) 및 게이트절연층(102G)에 대한 설명은 도 1을 참조할 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(302)은 카본(110)이 도핑되어 있을 수 있고, 카본-언도프드 게이트전극(301) 및 주상결정립 게이트전극(303)은 카본(110)이 언도핑(Undoped)되어 있을 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(301), 카본-도프드 게이트전극(302) 및 주상 결정립 게이트전극(303)은 각각 도펀트(111D, 111, 112D, 112)로 도핑되어 있을 수 있다. 도펀트(111D, 111, 112D, 112)는 N형 도펀트 또는 P형 도펀트를 포함할 수 있다. 도펀트(111D, 111, 112D, 111)는 보론을 포함할 수 있다. 도펀트(111D, 111, 112D, 112)는 주입 도펀트(111, 112) 및 확산 도펀트(111D, 112D)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111, 112)는 도핑 공정에 의해 도핑된 도펀트를 지칭할 수 있고, 확산 도펀트(111D, 112D)는 주입 도펀트(111, 112) 중에서 어닐링에 의해 확산된 도펀트를 지칭할 수 있다. 후술하겠지만, 카본-도프드 게이트전극(302)에 주입 도펀트(111)를 도핑하고, 주상결정립 게이트전극(303)에 주입 도펀트(112)를 도핑하며, 후속 어닐링에 의해 주입 도펀트들(111, 112)이 확산될 수 있다. 주상결정립 게이트전극(303), 카본-도프드 게이트전극(302) 및 카본-언도프드 게이트전극(301)은 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(301) 및 카본-도프드 게이트전극(302)은 비-방향성 다결정 폴리실리콘층을 포함할 수 있다. 주상결정립 게이트전극(303)은 주상결정립 폴리실리콘층을 포함할 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(302)은 확산 도펀트(112D)를 포함할 수 있고, 카본-언도프드 게이트전극(301)은 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(302)은 주입도펀트(111)를 포함할 수 있고, 주상결정립 게이트전극(303)은 주입도펀트(112)를 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(302)은 카본(110), 주입 도펀트(111) 및 확산 도펀트(112D)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111, 112) 및 확산 도펀트(111D, 112D)가 보론을 포함하므로, 카본-언도프드 게이트전극(301) 및 주상결정립 게이트전극(303)은 보론-도프드 폴리실리콘일 수 있고, 카본-도프드 게이트전극(302)은 카본 및 보론-도프드 폴리실리콘일 수 있다.
다른 실시예에서, 주상결정립 게이트전극(303)은 주입도펀트(112)를 포함하지 않을 수 있고, 이 경우, 카본-도프드 게이트전극(302)은 확산 도펀트(112D)를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 게이트전극(G4)은 주입도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있고, 주입도펀트(112) 및 확산 도펀트(112D)를 포함하지 않을 수 있다.
다른 실시예에서, 카본-도프드 게이트전극(302)은 주입도펀트(111)를 포함하지 않을 수 있고, 이 경우, 카본-언도프드 게이트전극(301)은 확산 도펀트(111D)를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 게이트전극(G4)은 주입도펀트(112) 및 확산 도펀트(112D)를 포함할 수 있고, 주입도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)를 포함하지 않을 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(302)과 카본-언도프드 게이트전극(301)은 패시베이션종을 더 포함할 수 있다. 패시베이션종은 불소(F)를 포함할 수 있다. 패시베이션종은 게이트절연층(102G)과 기판(101)의 계면에 발생된 댕글링본드를 패시베이션할 수 있다. 이에 따라, 게이트절연층(102G)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 불소는 주입 도펀트(111, 112)와 함께 주입될 수 있고, 카본(110)에 의해 포획될 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(302)에서 카본(110)은 확산 도펀트(112D) 및 주입도펀트(111)를 포획하는 역할을 할 수 있다.
주상결정립 게이트전극(303) 및 카본-도프드 게이트전극(302)은 동일 두께일 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(301)은 카본-도프드 게이트전극(302)보다 얇을 수 있다. 예를 들어, 카본-언도프드 게이트전극(301)은 30Å 이하의 두께일 수 있다.
주상결정립 게이트전극(303), 카본-도프드 게이트전극(302) 및 카본-언도프드 게이트전극(301)은 각각 폴리실리콘을 포함하므로, 게이트전극(G4)은 트리플 폴리실리콘 구조일 수 있다.
주상결정립 게이트전극(303)의 주상결정립에 의해 주입 도펀트(112)의 빠른 확산이 용이할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(302)은 확산 도펀트(112D) 및 주입 도펀트(111)를 포획하므로, 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선할 수 있다. 주상결정립 게이트전극(303) 및 카본-도프드 게이트전극(302)을 형성하므로, 적은 농도의 주입 도펀트(111, 112)로도 폴리실리콘공핍율을 개선할 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(302) 및 주상결정립 게이트전극(303)의 스택은, 주입 도펀트(111, 112)의 수직 프로파일(Vertical profile)을 극대화할 수 있고, 측면 확산을 더욱 방지할 수 있다.
카본-언도프드 게이트전극(301), 카본-도프드 게이트전극(302) 및 주상결정립 게이트전극(303)의 스택에 의해 주입 도펀트(111) 및 확산 도펀트(112D)의 포획 효율을 증가시켜 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선할 수 있다.
카본-언도프드 게이트전극(301)에 의해 게이트절연층(102G)의 누설전류를 방지할 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 도 7의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 기판(101) 상에 게이트절연물질(102)이 형성될 수 있다. 게이트절연물질(102) 상에 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)이 형성될 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 도전성 도펀트가 도핑되지 않은 언도프드 상태일 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 카본을 포함하지 않을 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 극히 얇을 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 디실레인(Disilane)-베이스 폴리실리콘층으로 형성될 수 있다. 디실레인(Disilane)-베이스 폴리실리콘층은 모노실레인(mono-isilane)-베이스 폴리실리콘층보다 더 얇고 컨포멀하게 형성할 수 있다. 디실레인(Disilane)-베이스 폴리실리콘층은 30Å 이하의 얇은 두께로 증착이 가능하다. 따라서, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 30Å 이하의 얇은 두께일 수 있다.
다음으로, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103) 상에 카본-도프드 폴리실리콘층(104)이 형성될 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)과 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 인시튜로 형성할 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 형성시 카본(110)을 인시튜 도핑할 수 있다. 한편, 카본(110)의 함량이 높으면 도전성 도펀트의 활성화를 억제하게 되므로, 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 내에서 1010 atoms/cm3의 이하의 농도를 가질 수 있다. 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 인시튜로 도핑될 수 있으며, 예를 들어, 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 실리콘소스물질 및 카본소스물질을 흘려줄 수 있다. 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 내에서 균일하게 분포할 수 있다. 즉, 카본(110)의 농도가 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 두께에 따라 일정할 수 있다. 다른 실시예에서, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 카본 그레이디드 도프드 폴리실리콘층일 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)과 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 화학기상증착(CVD) 또는 원자층증착(ALD)을 사용하여 증착될 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 제1실리콘소스물질을 이용하여 증착할 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 제2실리콘소스물질과 카본소스물질을 이용하여 증착할 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103) 증착시 제1실리콘소스물질로서 디실레인(Si2H6)을 사용할 수 있다.
카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 제2실리콘소스물질로서 모노실레인(SiH4) 또는 디실레인(Si2H6)을 사용할 수 있고, 카본소스물질로는 카본수소화합물, 예를 들어 C2H4를 사용할 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)보다 얇을 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 30Å 이하의 두께일 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 100Å 이상의 두께일 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 두께를 증가시키기 위해, 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 모노실레인(SiH4)을 사용할 수 있다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 제1도핑공정(121)이 수행될 수 있다. 제1도핑공정(121)은 N형 도펀트 또는 P형 도펀트의 도핑 공정일 수 있다. 예컨대, 제1도핑공정(121)은 제1보론(111)을 도핑할 수 있다. 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)은 B, BF2 또는 BF3를 보론소스로 사용할 수 있다. 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)은 이온빔임플란트, 플라즈마도핑(PLAD) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1보론(111) 외에 다른 P형 도펀트 또는 N형 도펀트를 도핑할 수도 있다.
제1보론(111)의 제1도핑공정(121)은 보론(B) 이온빔 임플란트, BF2 이온빔임플란트 또는 BF3 플라즈마도핑을 포함할 수 있다. 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)은 보론(B) 이온빔 임플란트와 불소(F) 이온빔임플란트를 순차적으로 수행할 수도 있다. 불소(F) 이온빔임플란트, BF2 이온빔임플란트 및 BF3 플라즈마도핑에 의해 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 불소가 도핑될 수 있다. 불소는 패시베이션종으로서, 후속 공정에서 게이트절연물질(102)과 기판(101)의 계면에 발생된 댕글링본드를 패시베이션할 수 있다. 불소 패시베이션에 의해 게이트절연물질(102)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 불소는 제1보론(111)과 함께 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 주입될 수 있다. 불소는 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 카본(110)에 포획될 수 있고, 이에 따라 불소의 외확산이 방지되어 패시베이션효율을 향상시킬 수 있다. 불소는 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)에 도핑될 수도 있다.
제1도핑공정(121)에 의해 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)이 형성될 수 있고, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)은 제1보론(111)으로 도핑된 카본-도프드 폴리실리콘층(104)을 지칭할 수 있다.
보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)은 보론 및 카본이 모두 도핑된 도프드 폴리실리콘층일 수 있다. 제1보론(111)은 카본(110)에 포획되어 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에 축적(pile-up)될 수 있다.
제1도핑공정(121) 진행시에, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)에도 소량의 제1보론(111)이 도핑될 수도 있다. 그렇다 할지라도, 대부분의 제1보론(111)은 카본(110)에 포획되어 의해 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에 위치할 수 있다.
위와 같이, 후속의 주상결정립 폴리실리콘층(105) 증착 이전에 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)을 수행하므로, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 보론 농도를 증가시킬 수 있다. 아울러, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에서 제1보론(111)의 포획량을 증가시킬 수 있다.
도 8c에 도시된 바와 같이, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 상에 주상결정립 폴리실리콘층(105)이 형성될 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 주상결정립들(105G) 및 결정립계(105B)를 포함할 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)과 동일 두께일 수 있고, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)보다 두꺼운 두께일 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 카본-언도프드 주상결정립 폴리실리콘층일 수 있다.
도 8d에 도시된 바와 같이, 주상결정립 폴리실리콘층(105)에 제2도핑공정(122)이 수행될 수 있다. 제2도핑공정(122)은 다른 도펀트(another dopant)의 도핑 공정일 수 있다. 다른 도펀트는 제1도핑공정(121)의 도펀트와 동일 물질일 수 있다. 제2도핑공정(122)은 N형 도펀트 또는 P형 도펀트의 도핑 공정일 수 있고, 예컨대, 제2보론(112)을 도핑할 수 있다. 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 B, BF2 또는 BF3를 보론소스로 사용할 수 있다. 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 이온빔임플란트, 플라즈마도핑(PLAD) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 보론(B) 이온빔 임플란트, BF2 이온빔임플란트 또는 BF3 플라즈마도핑을 포함할 수 있다. 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 보론(B) 이온빔 임플란트와 불소(F) 이온빔임플란트를 순차적으로 수행할 수도 있다. 불소(F) 이온빔임플란트, BF2 이온빔임플란트 및 BF3 플라즈마도핑에 의해 주상결정립 폴리실리콘층(105)에 불소가 도핑될 수 있다. 불소는 패시베이션종으로서, 후속 공정에서 게이트절연물질(102)과 기판(101)의 계면에 발생된 댕글링본드를 패시베이션할 수 있다. 불소 패시베이션에 의해 게이트절연물질(102)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 불소는 제2보론(112)과 함께 주상 결정립 폴리실리콘층(105)에 주입될 수 있다. 일부 불소는 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 카본(110)에 포획될 수 있다.
제2도핑공정(122)에 의해 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)이 형성될 수 있고, 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)은 제2보론(112)으로 도핑된 주상결정립 폴리실리콘층(105)을 지칭할 수 있다.
다른 실시예로서, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)은 플라즈마도핑을 적용하고, 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 이온빔 임플란트를 적용할 수 있다. 제2도핑공정(122)으로서 이온빔 임플란트를 적용하는 경우에는, Rp를 주상결정립 폴리실리콘층(105)과 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 경계에 맞추어 진행할 수 있다.
도 8e에 도시된 바와 같이, 어닐링(131)이 수행될 수 있다. 어닐링(131)에 의해 도펀트확산이 이루어질 수 있다. 어닐링(131)은 활성화 어닐링이라고 지칭될 수 있고, 어닐링(131)에 의해 도펀트가 활성화될 수 있다. 도펀트 활성화 및 확산은 제2보론(112) 및 제1보론(111)의 활성화 및 확산을 포함할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D) 내에서 제2보론(112)이 빠르게 확산될 수 있다. 즉, 결정립계(도 8c의 105B)를 따라 제2보론(112)이 빠르게 확산될 수 있다. 또한, 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)으로부터 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 내부로 제2보론(112)이 확산될 수 있다. 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)으로부터 확산된 대부분의 확산 제2보론(112D)은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에 위치할 수 있다. 확산 제2보론(112D)이 도핑된 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")은 확산 제2보론(112D) 및 제1보론(111)을 포함할 수 있다. 확산 제2보론(112D) 및 제1보론(111)은 카본(110)에 포획되어 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D") 내에 축적될 수 있다. 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")의 카본(110)은 대부분의 확산 제2보론(112D) 및 제1보론(111)을 포획하므로, 확산 제2보론(112D) 및 제1보론(111)이 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)으로 확산되는 것을 최소화할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 제2보론(112) 및 제1보론(111)의 지속적인 확산이 일어날 수 있다. 그렇다할지라도, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")으로부터 확산되는 확산 제1보론(111D)은 소량일 수 있다. 제1보론(111)의 소량 확산에 의해 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)이 될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 확산 제1보론(111D)을 포함할 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 카본이 도핑되지 않을 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D) 내 보론 농도는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내 보론 농도보다 극히 낮을 수 있다.
한편, 어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 확산 제1보론(111D)이 게이트절연물질(102)과의 계면으로 확산될 수는 있으나, 게이트절연물질(102)로 침투하지 않을 수 있다.
상술한 바와 같이, 어닐링(131)이 수행되더라도, 대부분의 제1보론(111) 및 확산 제2보론(112D)은 카본(110)에 의해 포획되므로 게이트절연물질(102)로 침투하지 않을 수 있다. 따라서, 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")의 카본(110)에 의해 불소의 외확산이 방지될 수 있다. 불소는 카본(110)에 의해 포획되어 있으므로, 외확산이 억제될 수 있다. 카본이 도핑되지 않은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)으로부터 불소가 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D") 및 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)으로 외확산될 수 있으나, 외확산되는 불소는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")의 카본(110)에 의해 포획될 수 있다. 카본(110)에 의해 포획된 불소는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")에 축적될 수 있고, 축적된 불소는 후속 공정에서 불소 패시베이션 효율을 향상시킬 수 있다.
어닐링(131) 후에, 게이트절연물질(102) 상에 보론-도프드 폴리실리콘층(103D), 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D") 및 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)의 스택이 형성될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 확산 보론(111D)으로 도핑될 수 있고, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")은 카본(110), 제1보론(111), 확산 보론(112D)으로 도핑될 수 있다. 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)은 제2보론(112)으로 도핑될 수 있다.
후속하여 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D), 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D"), 보론-도프드 폴리실리콘층(103D) 및 게이트절연물질(102)이 순차적으로 식각될 수 있다. 이에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이, 게이트구조물(300G)이 형성될 수 있다.
게이트구조물(300G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G4)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G4)은 카본-언도프드 게이트전극(301), 카본-도프드 게이트전극(302) 및 주상결정립 게이트전극(303)을 포함하는 적층구조일 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(302)은 카본(110)을 함유할 수 있고, 카본-언도프드 게이트전극(301) 및 주상결정립 게이트전극(303)은 카본(110)을 함유하지 않을 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(301)은 확산 제1보론(111D)을 포함할 수 있고, 보론 및 카본-도프드 게이트전극(302)은 제1보론(111) 및 확산 제2보론(112D)을 포함할 수 있다. 주상결정립 게이트전극(303)은 제2보론(112)을 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(301) 및 카본-도프드 게이트전극(302) 및 주상결정립 게이트전극(303)은 패시베이션종으로서 불소를 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(301)은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(302)는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")의 식각에 의해 형성될 수 있다. 주상결정립 게이트전극(303)은 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 게이트절연층(102G)은 게이트절연물질(102)의 식각에 의해 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예는, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)과 주상결정립 폴리실리콘층(105) 사이에 제1도핑공정(121)을 진행할 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 카본(110)을 함유시켜, 보론의 균일한 도핑을 가능하게 할 수 있다.
카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착 후에 제1도핑공정(121)을 진행하므로써 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 도펀트(즉, 보론) 농도를 증가시킬 수 있다.
제2도핑공정(122) 진행시 주상결정립 폴리실리콘층(105)에 의해 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)이 물리적으로 캡핑되므로, 제1보론(111)의 외확산을 방지할 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)을 삽입하므로, 게이트절연층(102G)의 손상을 최소화할 수 있다.
결국, 실시예는, 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선하면서 동시에 NBTI(Negative Bias Temperature Instability)의 개선이 가능하다.
도 8a 내지 도 8e에 도시된 실시예는, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)과 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)을 모두 실시하고 있다.
보론 도핑 공정의 다른 실시예들로서, 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)을 생략하고, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)만을 실시할 수 있다. 또한, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)을 생략하고, 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)만을 실시할 수도 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 반도체장치(400)는 기판(101) 및 기판(101) 상의 게이트구조물(400G)을 포함할 수 있다. 게이트구조물(400G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G5)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G5)은 카본-언도프드 게이트전극(401), 카본-도프드 게이트전극(402), 계면산화물(404) 및 주상 결정립 게이트전극(403)의 스택을 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(401)은 게이트절연층(102G)에 직접 접촉할 수 있다. 기판(101) 및 게이트절연층(102G)에 대한 설명은 도 1을 참조할 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(402)은 카본(110)이 도핑되어 있을 수 있고, 카본-언도프드 게이트전극(401) 및 주상결정립 게이트전극(403)은 카본(110)이 언도핑(Undoped)되어 있을 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(401), 카본-도프드 게이트전극(402) 및 주상 결정립 게이트전극(403)은 각각 도펀트(111D, 111, 112D, 112)로 도핑되어 있을 수 있다. 도펀트(111D, 111, 112D, 112)는 N형 도펀트 또는 P형 도펀트를 포함할 수 있다. 도펀트(111D, 111, 112D, 111)는 보론을 포함할 수 있다. 도펀트(111D, 111, 112D, 112)는 주입 도펀트(111, 112) 및 확산 도펀트(111D, 112D)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111, 112)는 도핑 공정에 의해 도핑된 도펀트를 지칭할 수 있고, 확산 도펀트(111D, 112D)는 주입 도펀트(111, 112) 중에서 어닐링에 의해 확산된 도펀트를 지칭할 수 있다. 후술하겠지만, 카본-도프드 게이트전극(402)에 주입 도펀트(111)를 도핑하고, 주상결정립 게이트전극(403)에 주입 도펀트(112)를 도핑하며, 후속 어닐링에 의해 주입 도펀트들(111, 112)이 확산될 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402) 및 카본-언도프드 게이트전극(401)은 비-방향성 다결정 폴리실리콘층을 포함할 수 있다. 주상 결정립 게이트전극(403)은 주상 결정립 폴리실리콘층일 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(402) 및 카본-언도프드 게이트전극(401)은 각각 확산 도펀트(112D, 111D)를 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402) 및 주상결정립 게이트전극(403)은 주입도펀트(111, 112)를 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402)은 카본(110), 주입 도펀트(111) 및 확산 도펀트(112D)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111, 112) 및 확산 도펀트(111D, 112D)가 보론을 포함하므로, 카본-언도프드 게이트전극(401) 및 주상결정립 게이트전극(403)은 보론-도프드 폴리실리콘일 수 있고, 카본-도프드 게이트전극(402)은 카본 및 보론-도프드 폴리실리콘일 수 있다.
다른 실시예에서, 주상결정립 게이트전극(403)은 주입도펀트(112)를 포함하지 않을 수 있고, 이 경우, 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)은 확산 도펀트(112D)를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 게이트전극(G5)은 주입도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있고, 주입도펀트(112) 및 확산 도펀트(112D)를 포함하지 않을 수 있다.
다른 실시예에서, 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)은 확산 도펀트(112D)를 포함하되 주입도펀트(111)를 포함하지 않을 수 있고, 이 경우, 카본-언도프드 게이트전극(401)은 확산 도펀트(111D)를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 게이트전극(G5)은 주입도펀트(112) 및 확산 도펀트(112D)를 포함할 수 있고, 주입도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)를 포함하지 않을 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(402)과 카본-언도프드 게이트전극(4001)은 패시베이션종을 더 포함할 수 있다. 패시베이션종은 불소(F)를 포함할 수 있다. 패시베이션종은 게이트절연층(102G)과 기판(101)의 계면에 발생된 댕글링본드를 패시베이션할 수 있다. 이에 따라, 게이트절연층(102G)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 불소는 주입 도펀트(111, 112)와 함께 주입될 수 있고, 카본(110)에 의해 포획될 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(402)에서 카본(110)은 확산 도펀트(112D) 및 주입도펀트(111)를 포획하는 역할을 할 수 있다.
주상결정립 게이트전극(403) 및 카본-도프드 게이트전극(402)은 동일 두께일 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(401)은 카본-도프드 게이트전극(402)보다 얇을 수 있다. 예를 들어, 카본-언도프드 게이트전극(401)은 30Å 이하의 두께일 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(401)은 디실레인-베이스 폴리실리콘층을 포함할 수 있다. 주상결정립 게이트전극(403) 및 카본-도프드 게이트전극(402)은 모노실레인-베이스 폴리실리콘층 또는 디실레인-베이스 폴리실리콘층을 포함할 수 있다.
주상결정립 게이트전극(403), 카본-도프드 게이트전극(402) 및 카본-언도프드 게이트전극(401)은 각각 폴리실리콘을 포함하므로, 반도체장치(400)의 게이트전극(G5)은 트리플 폴리실리콘 구조일 수 있다.
주상결정립 게이트전극(403)의 주상 결정립계에 의해 주입 도펀트(112)가 빠르게 확산될 수 있다. 이에 따라, 카본-도프드 게이트전극(402)의 확산 도펀트(112D)의 농도를 높게 유지할 수 있다.
카본-도프드 게이트전극(402) 및 카본-언도프드 게이트전극(401)은 비-방향성 다결정이므로, 주입도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)가 게이트절연층(102G)으로 확산하는 것을 억제할 수 있다. 게다가, 카본-도프드 게이트전극(402)의 카본(110)은 확산 도펀트(112D) 및 주입 도펀트(111)를 포획하므로, 확산 도펀트(112D) 및 주입도펀트(111)가 게이트절연층(102G)으로 확산하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
게이트전극(G5)은 주상결정립 게이트전극(403)과 카본-도프드 게이트전극(402) 사이의 계면산화물(404)을 더 포함할 수 있다. 계면산화물(404)은 도펀트를 함유할 수 있다. 계면산화물(404)은 보론을 함유할 수 있다. 계면산화물(404)은 보론-도프드 실리콘산화물(boron-doped silicon oxide)일 수 있다.
계면산화물(404)에 의해 주상결정립 게이트전극(403)과 카본-도프드 게이트전극(402) 사이에 비-연속 계면이 형성될 수 있다.
계면산화물(404)은 극히 얇을 수 있다(Ultra-thin). 계면산화물(404)은 카본-도프드 게이트전극(402)의 표면을 선택적으로 산화시킨 산화물일 수 있다. 계면산화물(404)은 카본-언도프드 게이트전극(401)보다 얇을 수 있다.
카본-언도프드 게이트전극(401)에 대비하여 카본-도프드 게이트전극(402) 적용시 산화속도(Oxidation rate)가 억제되기 때문에 계면산화물(404)을 얇게 제어하기 용이하다.
계면산화물(404)이 두꺼울 경우 카본-도프드 게이트전극(402)과 주상결정립 게이트전극(403) 사이가 전기적으로 절연되므로, 계면산화물(404)은 극히 얇게 형성할 필요가 있다. 또한, 카본-도프드 게이트전극(402)과 주상결정립 게이트전극(403) 간의 절연을 방지하기 위해, 계면산화물(404)에 보론을 도핑할 수 있다. 보론이 도핑된 계면산화물(404)은 저항을 완화할 수 있다.
계면산화물(404)과 카본-도프드 게이트전극(402)에 의해 보론 확산에 대한 제어력을 효과적으로 높일 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402)의 두께, 카본 농도, 카본 농도 프로파일 제어를 통하여 보론 침투를 효과적으로 제어하면서 신뢰성을 개선할 수 있다.
주상결정립 게이트전극(403)은 카본-언도프드 폴리실리콘층 또는 카본-도프드 폴리실리콘층을 포함할 수 있다. 주상결정립 게이트전극(403)을 형성하므로써, 계면산화물(404) 및 카본-도프드 게이트전극(402)으로의 보론 확산을 가속화할 수 있다. 이에 따라, 카본-도프드 게이트전극(402)의 보론 농도를 증가시킬 수 있다.
계면산화물(404)을 게이트절연층(102G)에 근접하도록 형성하기 위해 카본-언도프드 게이트전극(401)은 극히 얇게 형성할 수 있다. 극히 얇은 카본-언도프드 게이트전극(401)을 통해 폴리실리콘공핍효과를 억제하고 신뢰성을 개선할 수 있다.
도 10a 내지 도 10f는 도 9의 반도체장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 기판(101) 상에 게이트절연물질(102)이 형성될 수 있다. 게이트절연물질(102) 상에 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)이 형성될 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 도전성 도펀트가 도핑되지 않은 언도프드 상태일 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 카본을 포함하지 않을 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 극히 얇을 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 디실레인(Disilane)-베이스 폴리실리콘층으로 형성될 수 있다. 디실레인(Disilane)-베이스 폴리실리콘층은 모노실레인(mono-isilane)-베이스 폴리실리콘층보다 더 얇고 컨포멀하게 형성할 수 있다. 디실레인(Disilane)-베이스 폴리실리콘층은 30Å 이하의 얇은 두께로 증착이 가능하다. 따라서, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 30Å 이하의 얇은 두께일 수 있다.
다음으로, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103) 상에 카본-도프드 폴리실리콘층(104)이 형성될 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)과 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 인시튜로 형성할 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 형성시 카본(110)을 인시튜 도핑할 수 있다. 한편, 카본(110)의 함량이 높으면 도전성 도펀트의 활성화를 억제하게 되므로, 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 내에서 1010 atoms/cm3의 이하의 농도를 가질 수 있다. 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 인시튜로 도핑될 수 있으며, 예를 들어, 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 실리콘소스물질 및 카본소스물질을 흘려줄 수 있다. 카본(110)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 내에서 균일하게 분포할 수 있다. 즉, 카본(110)의 농도가 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 두께에 따라 일정할 수 있다. 다른 실시예에서, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 카본 그레이디드 도프드 폴리실리콘층일 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)과 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 화학기상증착(CVD) 또는 원자층증착(ALD)을 사용하여 증착될 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 제1실리콘소스물질을 이용하여 증착할 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 제2실리콘소스물질과 카본소스물질을 이용하여 증착할 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103) 증착시 제1실리콘소스물질로서 디실레인(Si2H6)을 사용할 수 있다.
카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 제2실리콘소스물질로서 모노실레인(SiH4) 또는 디실레인(Si2H6)을 사용할 수 있고, 카본소스물질로는 카본수소화합물, 예를 들어 C2H4를 사용할 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)보다 얇을 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 30Å 이하의 두께일 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 100Å 이상의 두께일 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 두께를 증가시키기 위해, 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착시 모노실레인(SiH4)을 사용할 수 있다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 표면에 계면산화물질(interface oxide material, 106)이 형성될 수 있다. 계면산화물질(106)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착 이후에 형성될 수 있다. 계면산화물질(106)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 표면 산화물일 수 있다. 계면산화물질(106)은 카본(110)을 포함할 수 있다. 계면산화물질(106)을 형성하기 위해 카본-언도프드 폴리실리콘층(104)이 산소함유 분위기에 노출될 수 있다. 계면산화물질(106)을 형성하기 위해, ISSG(in situ steam generation) 공정, 오존 산화, 열산화(Thermal Oxidation), RTO(rapid thermal oxidation) 또는 오존 클리닝(O3 Cleaning) 처리를 이용할 수 있다. 계면산화물질(106)은 카본(110)을 포함하는 실리콘산화물일 수 있다.
계면산화물질(106)은 극히 얇을(ultra thin) 수 있다. 계면산화물질(106)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)과 후속 주상결정립 폴리실리콘층(105) 사이에 절연을 방지하도록 최대한 얇게 형성할 수 있다. 계면산화물질(106)은 자연산화물(Native oxide) 레벨의 극히 얇은 두께일 수 있다. 계면산화물질(106)은 10Å 이하의 두께일 수 있고, 이에 따라 계면산화물질(106)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)과 후속 주상결정립 폴리실리콘층(105) 간의 전기적 통로를 제공할 수 있다.
도 10c에 도시된 바와 같이, 계면산화물질(106) 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 제1도핑공정(121)이 수행될 수 있다. 제1도핑공정(121)은 N형 도펀트 또는 P형 도펀트의 도핑 공정일 수 있고, 예컨대, 제1보론(111)과 같은 p형 도펀트를 도핑할 수 있다. 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)은 B, BF2 또는 BF3를 보론소스로 사용할 수 있다. 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)은 이온빔임플란트, 플라즈마도핑(PLAD) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제1보론(111)의 제1도핑공정(121)은 보론(B) 이온빔 임플란트, BF2 이온빔임플란트 또는 BF3 플라즈마도핑을 포함할 수 있다. 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)은 보론(B) 이온빔 임플란트와 불소(F) 이온빔임플란트를 순차적으로 수행할 수도 있다. 불소(F) 이온빔임플란트, BF2 이온빔임플란트 및 BF3 플라즈마도핑에 의해 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 불소가 도핑될 수 있다. 불소는 패시베이션종으로서, 후속 공정에서 게이트절연물질(102)과 기판(101)의 계면에 발생된 댕글링본드를 패시베이션할 수 있다. 불소 패시베이션에 의해 게이트절연물질(102)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 불소는 제1보론(111)과 함께 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 주입될 수 있다. 불소는 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 카본(110)에 포획될 수 있고, 이에 따라 불소의 외확산이 방지되어 패시베이션효율을 향상시킬 수 있다.
제1도핑공정(121)에 의해 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)이 형성될 수 있고, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)은 제1보론(111)으로 도핑된 카본-도프드 폴리실리콘층(104)을 지칭할 수 있다.
보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)은 보론 및 카본이 모두 도핑된 도프드 폴리실리콘층일 수 있다. 제1보론(111)은 카본(110)에 포획되어 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에 축적(pile-up)될 수 있다.
제1도핑공정(121) 진행시에, 계면산화물질(106)에도 제1보론(111)이 도핑될 수도 있다. 도핑된 제1보론(111)은 계면산화물질(106) 내에서 카본(110)에 의해 포획될 수 있다. 계면산화물질(106)에 제1보론(111)이 도핑됨에 따라 계면산화물질(106D)은 도전성을 가질 수 있다. 계면산화물질(106D)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)과 후속 주상결정립 폴리실리콘층(105) 간의 전기적 통로를 제공할 수 있다. 불소또한 계면산화물(106)의 카본(110)에 의해 포획될 수 있다.
보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 및 계면산화물질(106D)에 의해 제1보론(111)의 포획량을 증가시킬 수 있다.
다른 실시예로서, 제1보론(111) 및 불소의 도핑공정(121)은 플라즈마도핑을 적용할 수 있다. 플라즈마도핑은 계면산화물질(106D)의 도핑에 유리할 수 있다. 제1보론(111) 및 불소의 도핑공정(121)으로서 이온빔 임플란트를 적용하는 경우에는, 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 보론 농도를 높일 수 있다.
도 10d에 도시된 바와 같이, 계면산화물질(106D) 상에 주상결정립 폴리실리콘층(105)이 형성될 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 주상결정립들(105G) 및 결정립계(105B)를 포함할 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)과 동일 두께일 수 있고, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)보다 두꺼운 두께일 수 있다. 주상결정립 폴리실리콘층(105)은 카본-언도프드 주상결정립 폴리실리콘층일 수 있다.
도 10e에 도시된 바와 같이, 주상결정립 폴리실리콘층(105)에 제2도핑공정(122)이 수행될 수 있다. 제2도핑공정(122)은 도펀트의 도핑 공정일 수 있고, 예컨대, 제2보론(112)과 같은 p형 도펀트를 도핑할 수 있다. 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 B, BF2 또는 BF3를 보론소스로 사용할 수 있다. 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 이온빔임플란트, 플라즈마도핑(PLAD) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 보론(B) 이온빔 임플란트, BF2 이온빔임플란트 또는 BF3 플라즈마도핑을 포함할 수 있다. 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 보론(B) 이온빔 임플란트와 불소(F) 이온빔임플란트를 순차적으로 수행할 수도 있다. 불소(F) 이온빔임플란트, BF2 이온빔임플란트 및 BF3 플라즈마도핑에 의해 주상결정립 폴리실리콘층(105)에 패시베이션종인 불소가 도핑될 수 있다.
제2도핑공정(122)에 의해 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)이 형성될 수 있고, 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)은 제2보론(112)으로 도핑된 주상결정립 폴리실리콘층(105)을 지칭할 수 있다.
다른 실시예로서, 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 이온빔 임플란트를 적용할 수 있다. 제2도핑공정(122)으로서 이온빔 임플란트를 적용하는 경우에는, Rp를 계면산화물질(106D)과 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 경계에 맞추어 진행할 수 있다.
도 10f에 도시된 바와 같이, 어닐링(131)이 수행될 수 있다. 어닐링(131)에 의해 도펀트확산 및 도펀트 활성화가 이루어질 수 있다. 도펀트 활성화 및 도펀트 확산은 제1보론(111) 및 제2보론(112)의 확산 및 활성화를 포함할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D) 내에서 결정립계를 따라 제2보론(112)이 빠르게 확산될 수 있다. 또한, 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)으로부터 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 내부로 제2보론(112)이 확산될 수 있다. 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)으로부터 확산되는 대부분의 확산 제2보론(112D)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에 위치할 수 있다. 확산 제2보론(112D)이 도핑된 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)은 '보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")'이라고 약칭할 수 있다. 확산 제2보론(112D)은 카본(110)에 포획되어 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D") 내에 축적(pile-up)될 수 있다. 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")의 카본(110)은 확산 제2보론(112D) 및 제1보론(111)을 포획하므로, 제1보론(111) 및 확산 제2보론(112D)이 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)으로 확산되는 것을 최소화할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 제2보론(112) 및 제1보론(111)의 지속적인 확산이 일어날 수 있다. 그렇다할지라도, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")으로부터 확산되는 확산 제1보론(111D)은 소량일 수 있다. 제1보론(111)의 소량 확산에 의해 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)이 될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 확산 제1보론(111D)을 포함할 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 카본이 도핑되지 않을 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)내 보론 농도는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")내 보론 농도보다 극히 낮을 수 있다.
한편, 어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 확산 제1보론(111D)이 게이트절연물질(102)과의 계면으로 확산될 수는 있으나, 게이트절연물질(102)로 침투하지 않을 수 있다.
상술한 바와 같이, 어닐링(131)이 수행되더라도, 대부분의 제1보론(111) 및 확산 제2보론(112D)은 카본(110)에 의해 포획되므로 게이트절연물질(102)로 침투하지 않을 수 있다. 따라서, 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선할 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D") 및 계면산화물질(106D)에 불소가 축적될 수 있다. 계면산화물질(106D)은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")으로부터 외확산되는 불소를 포획할 수 있다.
카본-도프드 폴리실리콘층(104D")의 카본(110)에 의해 불소의 외확산이 방지될 수 있다. 여기서, 불소의 외확산은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")의 외부로 탈리되는 현상을 지칭할 수 있다. 불소는 카본(110)에 의해 포획되어 있으므로, 외확산이 억제될 수 있다. 카본이 도핑되지 않은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)으로부터 불소가 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D") 및 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)으로 외확산될 수 있으나, 외확산되는 불소는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")의 카본(110)에 의해 포획될 수 있다. 아울러, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")으로부터 외확산되는 불소는 계면산화물질(106D)의 카본(110)에 의해 포획될 수 있다.
이와 같이, 카본(110)에 의해 포획된 불소는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 및 계면산화물질(106D)에 축적될 수 있고, 축적된 불소는 후속 공정에서 불소 패시베이션 효율을 향상시킬 수 있다.
어닐링(131) 후에, 게이트절연물질(102) 상에 보론-도프드 폴리실리콘층(103D), 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D"), 계면산화물질(106D) 및 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)의 스택이 형성될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 확산 보론(111D)으로 도핑될 수 있다. 계면산화물질(106D) 및 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")은 카본(110), 제1보론(111), 확산 보론(112D)으로 도핑될 수 있다. 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)은 제2보론(112)으로 도핑될 수 있다.
후속하여 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D), 계면산화물질(106D), 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D"), 보론-도프드 폴리실리콘층(103D) 및 게이트절연물질(102)이 순차적으로 식각될 수 있다. 이에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, 게이트구조물(400G)이 형성될 수 있다.
게이트구조물(400G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G5)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G5)은 카본-언도프드 게이트전극(401), 카본-도프드 게이트전극(402), 계면산화물(404) 및 주상결정립 게이트전극(403)을 포함하는 적층구조일 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)은 카본(110)을 함유할 수 있고, 카본-언도프드 게이트전극(401) 및 주상결정립 게이트전극(403)은 카본(110)을 함유하지 않을 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(401)은 확산 제1보론(111D)을 포함할 수 있고, 보론 및 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)은 제1보론(111) 및 확산 제2보론(112D)을 포함할 수 있다. 주상결정립 게이트전극(403)은 제2보론(112)을 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(401), 카본-도프드 게이트전극(402) 및 주상결정립 게이트전극(403)은 불소를 포함할 수 있다. 카본-언도프드 게이트전극(401)은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402)은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")의 식각에 의해 형성될 수 있다. 계면산화물(404)은 계면산화물질(106D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 주상결정립 게이트전극(403)은 보론-도프드 주상결정립 폴리실리콘층(105D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 게이트절연층(102G)은 게이트절연물질(102)의 식각에 의해 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예는, 주상결정립 폴리실리콘층(105) 증착 이전에 제1도핑공정(121)을 진행할 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 카본(110)을 함유시켜, 보론의 균일한 도핑을 가능하게 할 수 있다.
카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착 및 계면산화물질(106) 형성 후에 제1도핑공정(121)을 진행하므로써 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 도펀트(즉, 보론) 농도를 증가시킬 수 있다.
제2도핑공정(122) 진행시 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 및 계면산화물질(106D)이 주상결정립 폴리실리콘층(105)에 의해 물리적으로 캡핑되므로, 제1보론(111)의 외확산을 방지할 수 있다.
카본-언도프드 폴리실리콘층(103)을 삽입하므로, 게이트절연층(102G)의 손상을 최소화할 수 있다.
결국, 실시예는, 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선하면서 동시에 NBTI의 개선이 가능하다.
상술한 실시예들에서, 주상결정립 폴리실리콘층(105)을 형성하였으나, 다른 실시예로서 주상결정립 폴리실리콘층(105)외에 비-방향성 다결정 폴리실리콘층, 카본-도프드 폴리실리콘층 또는 카본-언도프드 폴리실리콘층으로 형성될 수도 있다.
도 10a 내지 도 10f에 도시된 실시예는, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)과 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)을 모두 실시하고 있다.
보론 도핑 공정의 다른 실시예들로서, 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)을 생략하고, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)만을 실시할 수 있다. 또한, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)을 생략하고, 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)만을 실시할 수도 있다.
이와 같이, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121) 및 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)을 선택적으로 수행하므로써, 카본-도프드 게이트전극(402), 계면산화물(404) 및 주상결정립 게이트전극(403)의 보론 농도를 용이하게 조절할 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 11에 도시된 반도체장치(410)는 도 9의 반도체장치(400)와 유사할 수 있다.
도 11을 참조하면, 반도체장치(410)는 기판(101) 및 기판(101) 상의 게이트구조물(410G)을 포함할 수 있다. 게이트구조물(410G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G6)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G6)은 제1카본-언도프드 게이트전극(401L), 카본-도프드 게이트전극(402), 계면산화물(404) 및 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)의 스택을 포함할 수 있다. 제1카본-언도프드 게이트전극(401L)은 게이트절연층(102G)에 직접 접촉할 수 있다. 제1카본-언도프드 게이트전극(401L)은 도 9의 카본-언도프드 게이트전극(401)과 동일할 수 있다. 제1카본-언도프드 게이트전극(401L)은 디실레인-베이스 폴리실리콘층을 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)은 도 9의 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)과 동일할 수 있다.
제2카본-언도프드 게이트전극(403U)은 비-방향성 다결정 폴리실리콘층일 수 있다. 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)은 모노실레인-베이스 폴리실리콘층 또는 디실레인-베이스 폴리실리콘층일 수 있다.
제1카본-언도프드 게이트전극(401L)은 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402)은 카본(110), 주입 도펀트(111) 및 확산 도펀트(112D)를 포함할 수 있다. 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)은 주입 도펀트(112)를 포함할 수 있다. 주입 도펀트(111, 112) 및 확산 도펀트(111D, 112D)는 보론을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제2카본-언도프드 게이트전극(403U) 주입도펀트(112)를 포함하지 않을 수 있고, 이 경우, 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)은 확산 도펀트(112D)를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 게이트전극(G6)은 주입도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)를 포함할 수 있고, 주입도펀트(112) 및 확산 도펀트(112D)를 포함하지 않을 수 있다.
다른 실시예에서, 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)은 확산 도펀트(112D)를 포함하되 주입도펀트(111)를 포함하지 않을 수 있고, 이 경우, 카본-언도프드 게이트전극(401)은 확산 도펀트(111D)를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 게이트전극(G6)은 주입도펀트(112) 및 확산 도펀트(112D)를 포함할 수 있고, 주입도펀트(111) 및 확산 도펀트(111D)를 포함하지 않을 수 있다.
제1카본-언도프드 게이트전극(401L), 카본-도프드 게이트전극(402), 계면산화물(404) 및 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)은 패시베이션종으로서 불소를 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)의 카본(110)에 의해 불소가 포획될 수 있다.
다른 실시예에서, 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)은 주입 도펀트(112)를 포함하지 않을 수 있고, 카본-도프드 게이트전극(402)은 확산 도펀트(112D)를 포함하지 않을 수 있다.
도 11의 반도체장치(410)를 제조하는 방법은 도 10a 내지 도 10e에 도시된 방법과 유사할 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 도 11의 반도체장치(410)를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a에 도시된 일련의 공정에 의해, 기판(101) 상에 게이트절연물질(102), 카본-언도프드 폴리실리콘층(103) 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104)을 순차적으로 형성할 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 디실레인-베이스 폴리실리콘층으로 형성할 수 있고, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)은 디실레인-베이스 폴리실리콘층 또는 모노실레인-베이스 폴리실리콘층으로 형성할 수 있다. 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 두께를 증가시키기 위해, 모노실레인-베이스 폴리실리콘층으로 형성할 수 있다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 표면에 계면산화물질(106)이 형성될 수 있다.
계면산화물질(106)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104) 증착 이후에 형성될 수 있다. 계면산화물질(106)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)의 표면 산화물일 수 있다. 계면산화물질(106)은 카본(110)을 포함할 수 있다. 계면산화물질(106)을 형성하기 위해 카본-언도프드 폴리실리콘층(104)이 산소함유 분위기에 노출될 수 있다. 계면산화물질(106)을 형성하기 위해, ISSG 공정, 오존 산화, 열산화, RTO 또는 오존 클리닝 처리를 이용할 수 있다. 계면산화물질(106)은 카본(110)을 포함하는 실리콘산화물일 수 있다.
계면산화물질(106)은 극히 얇을(ultra thin) 수 있다. 계면산화물질(106)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)과 후속 카본-언도프드 폴리실리콘층(107) 사이에 절연을 방지하도록 최대한 얇게 형성할 수 있다. 계면산화물질(106)은 10Å 이하의 두께일 수 있고, 이에 따라 계면산화물질(106)은 카본-도프드 폴리실리콘층(104)과 후속 카본-언도프드 폴리실리콘층(107) 간의 전기적 통로를 제공할 수 있다.
도 10c에 도시된 바와 같이, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)을 수행할 수 있다. 계면산화물질(106) 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104)에 제1보론(111)이 도핑될 수 있다. 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)시에 제1보론(111)과 함께 불소가 도핑될 수 있다. 제1도핑공정(121)은 제1보론(111) 외에 N형 도펀트를 도핑할 수도 있다.
다음으로, 도 12a에 도시된 바와 같이, 계면산화물질(106D) 상에 카본-언도프드 폴리실리콘층(107)이 형성될 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(107)은 비-방향성 다결정 폴리실리콘층을 포함할 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(107)은 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)보다 두꺼울 수 있다. 카본-언도프드 폴리실리콘층(107)은 모노실레인-베이스 폴리실리콘층으로 형성할 수 있다.
다른 실시예에서, 카본-언도프드 폴리실리콘층(107)은 카본-도프드 폴리실리콘층으로 형성될 수도 있다.
도 12b에 도시된 바와 같이, 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)을 수행할 수 있다. 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 이온빔임플란트, 플라즈마도핑(PLAD) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 보론(B) 이온빔 임플란트, BF2 이온빔임플란트 또는 BF3 플라즈마도핑을 포함할 수 있다. 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)은 보론(B) 이온빔 임플란트와 불소(F) 이온빔임플란트를 순차적으로 수행할 수도 있다. 불소(F) 이온빔임플란트, BF2 이온빔임플란트 및 BF3 플라즈마도핑에 의해 카본-언도프드 폴리실리콘층(107)에 불소가 도핑될 수 있다.
제2도핑공정(122)에 의해 제2보론(112)으로 도핑된 카본-언도프드 폴리실리콘층(107)은 보론-도프드 폴리실리콘층(107D)이 될 수 있다.
도 12c에 도시된 바와 같이, 어닐링(131)이 수행될 수 있다. 어닐링(131)에 의해 제1보론(111) 및 제2보론(112)의 확산 및 활성화가 수행될 수 있다.
제2보론(112)의 확산은 보론-도프드 폴리실리콘층(107D) 내에서 제2보론(112)이 균일하게 확산되는 것을 지칭할 수 있다. 또한, 제2보론(112)의 확산은 보론-도프드 폴리실리콘층(107D)으로부터 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D)의 내부로 제2보론(112)이 확산되는 것을 지칭할 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(105D)으로부터 확산되는 대부분의 확산 제2보론(112D)은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D) 내에 위치할 수 있다. 확산 제2보론(112D)이 도핑된 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")은 확산 제2보론(112D), 제1보론(111) 및 카본(110)을 포함할 수 있다. 확산 제2보론(112D) 및 제1보론(111)은 카본(110)에 포획되어 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D") 내에 축적될 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 제2보론(112) 및 제1보론(111)의 지속적인 확산이 일어날 수 있다. 따라서, 카본-언도프드 폴리실리콘층(103)은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)이 될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 확산 제1보론(111D)을 포함할 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 카본이 도핑되지 않을 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D) 내 보론 농도는 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D") 내 보론 농도보다 낮을 수 있다.
한편, 어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 확산 제1보론(111D)이 게이트절연물질(102)과의 계면으로 확산될 수는 있으나, 게이트절연물질(102)로 침투하지 않을 수 있다.
어닐링(131)이 수행되는 동안에, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D") 및 계면산화물질(106)의 카본(110)에 의해 불소가 포획될 수 있다.
상술한 바와 같이, 어닐링(131)이 수행되더라도, 대부분의 제1보론(111) 및 확산 제2보론(112D)은 카본(110)에 의해 포획되므로 게이트절연물질(102)로 침투하지 않을 수 있다. 따라서, 폴리실리콘공핍율(PDR)을 개선할 수 있다.
어닐링(131) 후에, 게이트절연물질(102) 상에 보론-도프드 폴리실리콘층(103D), 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D"), 계면산화물질(106D) 및 보론-도프드 폴리실리콘층(107D)의 스택이 형성될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)은 확산 보론(111D)으로 도핑될 수 있고, 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")은 카본(110), 제1보론(111) 및 확산 보론(112D)으로 도핑될 수 있다. 보론-도프드 폴리실리콘층(107D)은 제2보론(112)으로 도핑될 수 있다.
후속하여 보론-도프드 폴리실리콘층(107D), 계면산화물질(106D), 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D"), 보론-도프드 폴리실리콘층(103D) 및 게이트절연물질(102)이 순차적으로 식각될 수 있다. 이에 따라, 도 11에 도시된 바와 같이, 게이트구조물(410G)이 형성될 수 있다.
게이트구조물(410G)은 게이트절연층(102G) 및 게이트전극(G6)의 스택일 수 있다. 게이트전극(G6)은 제1카본-언도프드 게이트전극(401L), 카본-도프드 게이트전극(402), 계면산화물(404) 및 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)을 포함하는 적층구조일 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)은 카본(110)을 함유할 수 있고, 제1카본-언도프드 게이트전극(401L) 및 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)은 카본(110)을 함유하지 않을 수 있다. 제1카본-언도프드 게이트전극(401L)은 확산 제1보론(111D)을 포함할 수 있고, 보론 및 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)은 제1보론(111) 및 확산 제2보론(112D)을 포함할 수 있다. 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)은 제2보론(112)을 포함할 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402) 및 계면산화물(404)은 불소를 더 포함할 수 있다. 제1카본-언도프드 게이트전극(401L)은 보론-도프드 폴리실리콘층(103D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 카본-도프드 게이트전극(402)은 보론 및 카본-도프드 폴리실리콘층(104D")의 식각에 의해 형성될 수 있다. 계면산화물(404)은 계면산화물질(106D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)은 보론-도프드 폴리실리콘층(107D)의 식각에 의해 형성될 수 있다. 게이트절연층(102G)은 게이트절연물질(102)의 식각에 의해 형성될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c에 도시된 실시예는, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)과 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)을 모두 실시하고 있다.
보론 도핑 공정의 다른 실시예들로서, 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)을 생략하고, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)만을 실시할 수 있다. 또한, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121)을 생략하고, 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)만을 실시할 수도 있다.
이와 같이, 제1보론(111)의 제1도핑공정(121) 및 제2보론(112)의 제2도핑공정(122)을 선택적으로 수행하므로써, 카본-도프드 게이트전극(402), 계면산화물(404) 및 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)의 보론 농도를 용이하게 조절할 수 있다.
전술한 실시예들에서, 불소는 카본(110)에 의해 포획될 수 있고, 후속되는 공정들(예, 소스/드레인 형성 공정, 층간절연층 형성 공정 등)의 써멀(Thermal)에 의해 확산될 수 있다. 예컨대, 후속 써멀에 의해 불소가 게이트절연층(102G)과 기판(101)의 계면으로 확산하여 댕글링본드를 제거할 수 있다. 카본(110) 및 계면산화물(404)은 후속 써멀에 의한 불소의 외확산을 방지할 수 있다.
비교예로서, 카본(110) 또는/및 계면산화물(404)이 없는 경우, 후속되는 공정들의 써멀에 의해 게이트전극들(G1~G6)의 외부로 불소의 외확산이 발생되어 패시베이션효율이 저하될 수 있다.
이에 반해, 실시예들은 후속되는 공정들의 써멀을 받더라도 카본(110) 또는/및 계면산화물(404)에 의해 불소의 외확산이 방지되므로, 패시베이션효율을 향상시킬 수 있다.
전술한 실시예들의 게이트구조물(100G, 120G, 200G, 300G, 400G)은 PMOSFET 의 게이트구조물에 적용될 수 있다. 또한, CMOSFET의 PMOSFET의 게이트구조물에 적용될 수 있다.
다른 실시예들로서, 게이트구조물(100G, 120G, 200G, 300G, 400G)은 NMOSFET의 게이트구조물에 적용될 수도 있다.
카본-언도프드 게이트전극(100U', 100U, 201, 301, 401), 카본-도프드 게이트전극(100D', 100D, 202, 302, 402), 계면산화물(404), 주상결정립 게이트전극(203, 303, 403), 제1카본-언도프드 게이트전극(401L) 및 제2카본-언도프드 게이트전극(403U)은 인(P) 또는 비소(As)와 같은 N형 도펀트를 포함할 수 있고, 패시베이션종으로서 불소를 더 포함할 수 있다. N형 도펀트의 도핑공정은 이온빔임플란트, 플라즈마도핑(PLAD) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 불소는 불소 이온빔 임플란트에 의해 주입될 수 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 반도체장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 반도체장치(500)는 기판(101) 및 기판(101) 상의 게이트구조물(500G)을 포함할 수 있다. 게이트구조물(500G)은 게이트절연층(102G) 및 폴리실리콘 게이트전극(501), 배리어메탈(502) 및 금속 게이트전극(503)의 스택일 수 있다. 폴리실리콘 게이트전극(501)은 전술한 실시예들에 따른 게이트전극들(G1~G6) 중 어느 하나일 수 있다. 배리어메탈(502)은 티타늄질화물과 같은 금속질화물을 포함할 수 있다. 금속 게이트전극(503)은 텅스텐과 같은 금속을 포함할 수 있다.
전술한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
101 : 기판
102G : 게이트절연층
401 : 카본-언도프드 게이트전극
402 : 카본-도프드 게이트전극
403 : 주상결정립 게이트전극
404 : 계면산화물
102G : 게이트절연층
401 : 카본-언도프드 게이트전극
402 : 카본-도프드 게이트전극
403 : 주상결정립 게이트전극
404 : 계면산화물
Claims (31)
- 기판 상에 게이트절연물질을 형성하는 단계;
상기 게이트절연물질 상에 카본-언도프드 폴리실리콘층 및 카본-도프드 폴리실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 카본-도프드 폴리실리콘층에 도펀트를 도핑하는 단계;
상기 도펀트가 도핑된 카본-도프드 폴리실리콘층 상에 주상결정립 폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및
상기 도펀트를 활성화시키기 위한 어닐링 단계
를 포함하는 반도체 장치 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층은 상기 카본-도프드 폴리실리콘층보다 얇은 두께로 형성하는 반도체장치 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층 및 카본-도프드 폴리실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계는,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층 상에 인시튜로 상기 카본-언도프드 폴리실리콘층보다 두꺼운 상기 카본-도프드 폴리실리콘층을 형성하는 단계
를 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층을 형성하는 단계는 제1실리콘소스물질을 단독으로 이용하고,
상기 카본-도프드 폴리실리콘층을 형성하는 단계는 제2실리콘소스물질과 카본소스물질을 이용하는 반도체장치 제조 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 제1실리콘소스물질은 디실레인(disilane)을 포함하고, 상기 제2실리콘소스물질은 모노실레인(mono-silane) 또는 디실레인을 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 카본소스물질은 C2H4를 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 주상결정립 폴리실리콘층은, 카본을 미함유하는 카본-언도프드 주상결정립 폴리실리콘층을 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 도펀트는 보론을 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 어닐링 단계 이후에,
상기 주상결정립 폴리실리콘층, 카본-도프드 폴리실리콘층, 카본-언도프드 폴리실리콘층 및 게이트절연물질을 순차적으로 식각하여 게이트구조물을 형성하는 단계
를 더 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 카본-도프드 폴리실리콘층에 도펀트를 도핑하는 단계에서,
상기 도펀트와 함께 패시베이션종을 도핑하는 단계를 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 도펀트를 활성화시키기 위한 어닐링 단계 이전에,
상기 주상결정립 폴리실리콘층에 다른 도펀트(another dopant)를 도핑하는 단계를 더 포함하되,
상기 카본-도프드 폴리실리콘층에 도핑된 도펀트와 상기 주상결정립 폴리실리콘층에 도핑된 다른 도펀트는 동일 물질을 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 기판 상에 게이트절연물질을 형성하는 단계;
상기 게이트절연물질 상에 카본-언도프드 폴리실리콘층 및 카본-도프드 폴리실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 카본-도프드 폴리실리콘층의 표면을 산화시켜 계면산화물질을 형성하는 단계;
상기 계면산화물질 및 카본-도프드 폴리실리콘층에 도펀트를 도핑하는 단계;
상기 도펀트가 도핑된 계면산화물질 상에 주상결정립 폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및
상기 도펀트를 활성화시키기 위한 어닐링 단계
를 포함하는 반도체 장치 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층은 상기 카본-도프드 폴리실리콘층보다 얇은 두께로 형성하는 반도체장치 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층 및 카본-도프드 폴리실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계는,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층 상에 인시튜로 상기 카본-언도프드 폴리실리콘층보다 두꺼운 상기 카본-도프드 폴리실리콘층을 형성하는 단계
를 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층을 형성하는 단계는 제1실리콘소스물질을 단독으로 이용하고,
상기 카본-도프드 폴리실리콘층을 형성하는 단계는 제2실리콘소스물질과 카본소스물질을 이용하는 반도체장치 제조 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 제1실리콘소스물질은 디실레인(di-silane)을 포함하고, 상기 제2실리콘소스물질은 모노실레인(mono-silane) 또는 디실레인을 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 카본소스물질은 C2H4를 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 주상결정립 폴리실리콘층은, 카본을 미함유하는 카본-언도프드 주상결정립 폴리실리콘층을 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 도펀트는 보론을 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 어닐링 단계 이후에,
상기 주상결정립 폴리실리콘층, 계면산화물질, 카본-도프드 폴리실리콘층, 카본-언도프드 폴리실리콘층 및 게이트절연물질을 순차적으로 식각하여 게이트구조물을 형성하는 단계
를 더 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 계면산화물질은 카본을 함유하는 도전성 산화물을 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 계면산화물질은 상기 카본-도프드 폴리실리콘층과 주상결정립 폴리실리콘층 간의 전기적 통로를 제공하는 얇은 두께를 갖는 반도체장치 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 카본-도프드 폴리실리콘층에 도펀트를 도핑하는 단계에서,
상기 도펀트와 함께 패시베이션종을 도핑하는 단계를 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 도펀트를 활성화시키기 위한 어닐링 단계 이전에,
상기 주상결정립 폴리실리콘층에 다른 도펀트(another dopant)를 도핑하는 단계를 더 포함하되,
상기 카본-도프드 폴리실리콘층 및 계면산화물질에 도핑된 도펀트와 상기 주상결정립 폴리실리콘층에 도핑된 다른 도펀트는 동일 물질을 포함하는 반도체장치 제조 방법.
- 기판 상의 게이트절연층; 및
상기 게이트절연층 상의 게이트전극을 포함하고,
상기 게이트전극은,
상기 게이트절연층 상의 카본-언도프드 폴리실리콘층;
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층 상의 카본-도프드 폴리실리콘층;
상기 카본-도프드 폴리실리콘층 상의 주상결정립 폴리실리콘층; 및
상기 카본-도프드 폴리실리콘층과 주상결정립 폴리실리콘층 사이에 형성된 도전성 계면산화물
을 포함하는 반도체장치.
- 제25항에 있어서,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층, 카본-도프드 폴리실리콘층, 주상결정립 폴리실리콘층 및 도전성 계면산화물은 각각 도펀트로서 보론을 포함하는 반도체장치.
- 제25항에 있어서,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층은 디실레인-베이스 폴리실리콘층을 포함하는 반도체장치.
- 제25항에 있어서,
상기 도전성 계면산화물은,
상기 카본-도프드 폴리실리콘층의 산화물을 포함하는 반도체장치.
- 제25항에 있어서,
상기 도전성 계면산화물은,
보론 및 카본이 도핑된 실리콘산화물을 포함하는 반도체장치.
- 제25항에 있어서,
상기 도전성 계면산화물은,
보론 및 카본이 도핑된 실리콘산화물을 포함하는 반도체장치.
- 제25항에 있어서,
상기 카본-언도프드 폴리실리콘층은 상기 카본-도프드 폴리실리콘층보다 얇은 두께인 반도체장치.
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