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KR20030000195A - Method for forming plug in semiconductor device - Google Patents

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KR20030000195A
KR20030000195A KR1020010035865A KR20010035865A KR20030000195A KR 20030000195 A KR20030000195 A KR 20030000195A KR 1020010035865 A KR1020010035865 A KR 1020010035865A KR 20010035865 A KR20010035865 A KR 20010035865A KR 20030000195 A KR20030000195 A KR 20030000195A
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KR
South Korea
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plug
forming
layer
material layer
contact hole
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Withdrawn
Application number
KR1020010035865A
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Korean (ko)
Inventor
최병재
Original Assignee
주식회사 하이닉스반도체
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Publication date
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    • H10P52/403
    • H10W20/0526
    • H10W20/056
    • H10W20/062

Landscapes

  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

PURPOSE: A method for fabricating a plug of a semiconductor device is provided to control a leakage current, by performing a heat treatment process on amorphous silicon by a low temperature deposition process so that a grain boundary is increased. CONSTITUTION: An insulation layer is formed on a semiconductor substrate(21). The insulation layer is selectively etched to form a contact hole and a material layer for forming an amorphous plug filling the contact hole is formed. The material layer for forming the amorphous plug is annealed to increase a grain boundary. The material layer for forming the plug having the increase of grain boundary is planarized to be left only in the contact hole so that a grain boundary growth plug layer is formed.

Description

반도체 소자의 플러그 형성 방법{Method for forming plug in semiconductor device}Method for forming plug in semiconductor device

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 저온 증착 및 열처리에 의해 결정립을 증대시켜 상대적으로 그레인 바운더리(Grain Boundary)의 면적을 감소시켜 접합 저항을 낮출 수 있도록한 반도체 소자의 플러그 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a plug of a semiconductor device in which crystal grains are increased by low temperature deposition and heat treatment to relatively reduce the area of grain boundaries to lower the bonding resistance.

일반적으로 셀 플러그용으로 사용되는 폴리 실리콘은 결정상이 결정질과 비정질이 혼재되어 있는 상태이거나 모두 결정질인 상태로 사용된다.In general, the polysilicon used for the cell plug is used in a state in which the crystalline phase is a mixture of crystalline and amorphous or all crystalline.

이는 후속되는 열이력을 거치더라도 그 결정립의 크기가 크게 증가하지 않는 것으로 알려져 있다.It is known that the grain size does not increase significantly even after the subsequent thermal history.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 플러그 형성에 관하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described with respect to the plug formation of the prior art.

도 1은 종래 기술의 반도체 소자의 플러그 형성을 위한 구조 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a structure for forming a plug of a semiconductor device of the prior art.

폴리실리콘 플러그 형성 공정에서는 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing) 공정이 이용된다. 즉, 반도체 기판 상에 형성된 층간 절연막을 사진 식각공정을 실시하여 선택적으로 제거해서 콘택홀을 형성하고, 플러그 형성용 폴리실리콘막을 증착한 다음 화학적 기계적 연마 공정을 실시하여 층간절연막상에 있는 모든 폴리 실리콘막을 제거하여 콘택홀 내에 폴리실리콘 플러그를 형성한다.In the polysilicon plug forming process, a chemical mechanical polishing process is used. That is, the interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate is selectively removed by a photolithography process to form contact holes, a polysilicon film for plug formation is deposited, and a chemical mechanical polishing process is performed to perform all polysilicon on the interlayer insulating film. The film is removed to form a polysilicon plug in the contact hole.

즉, 공정 진행은 도 1에서와 같이, 반도체 기판(1)상에 워드 라인(2)들과 워드 라인들을 각각 절연하기 위한 사이드월 스페이서 및 캡 절연층을 포함하는 워드 라인 절연층(3)을 형성한다.That is, as shown in FIG. 1, the word line insulating layer 3 including a sidewall spacer and a cap insulating layer for insulating the word lines 2 and the word lines, respectively, is formed on the semiconductor substrate 1. Form.

그리고 제 1 층간 절연층(4)을 형성하고 선택적으로 식각하여 콘택홀을 형성한 다음 콘택홀을 매립하는 폴리 실리콘층을 형성한다.Then, the first interlayer insulating layer 4 is formed and selectively etched to form contact holes, and then a polysilicon layer is formed to fill the contact holes.

그리고 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 폴리 실리콘층을 콘택홀내에만 남도록 평탄화하여 제 1 플러그층(6)을 형성한다.The first plug layer 6 is formed by planarizing the polysilicon layer to remain only in the contact hole by a chemical mechanical polishing (CMP) process.

이어, 상기 워드 라인(2)의 일측 전극에 콘택되도록 비트 라인(5)을 상기 워드 라인(2)에 수직한 방향을 지나도록 형성하고 전면에 제 2 층간 절연층(8)을 형성한다.Subsequently, the bit line 5 is formed to pass through the direction perpendicular to the word line 2 so as to contact one electrode of the word line 2, and the second interlayer insulating layer 8 is formed on the entire surface thereof.

상기 제 2 층간 절연층(8)을 선택적으로 식각하여 제 1 플러그층(6)에 적어도 일부분이 오버랩되는 다른 콘택홀을 형성한다.The second interlayer insulating layer 8 is selectively etched to form another contact hole at least partially overlapping the first plug layer 6.

이어, 상기 콘택홀을 매립하도록 폴리 실리콘층을 형성하고 CMP 공정으로 평탄화하여 제 2 플러그층(7)을 형성한다.Next, a polysilicon layer is formed to fill the contact hole, and the second plug layer 7 is formed by planarization using a CMP process.

그리고 상기 제 2 플러그층(7)에 콘택되는 커패시터 하부 전극(9)을 형성한다.The capacitor lower electrode 9 is formed to contact the second plug layer 7.

이와 같은 공정으로 진행되는 종래 기술의 플러그층 형성 공정에서는 기판과 플러그의 계면에서 접합 저항을 낮추고 접합 누설 전류를 억제하는 것을 고려해야한다.In the plug layer forming process of the prior art which proceeds with such a process, it is necessary to consider reducing the junction resistance and suppressing the junction leakage current at the interface between the substrate and the plug.

접합 저항을 줄이기 위해 플러그층내에 인(phosphorous) 이온을 도핑하는 방법이 사용되고 있으나 이는 반대로 누설 전류를 증가시기키 때문에 한계가 있다.In order to reduce the junction resistance, a method of doping phosphorous ions in the plug layer is used, but this has a limitation because it increases leakage current.

그러나 이와 같은 종래 기술의 반도체 소자의 플러그는 다음과 같은 문제가 있다.However, such a plug of the semiconductor device of the prior art has the following problems.

종래 기술에서는 커패시터 전극과 셀 트랜지스터의 일측 전극을 콘택시키기 위하여 폴리 플러그를 사용하는데, 접합 저항 감소와 누설 전류의 억제 두가지를 만족시키는데는 한계가 있다.In the prior art, a poly plug is used to contact a capacitor electrode and one electrode of a cell transistor, but there are limitations in satisfying both a reduction in junction resistance and a suppression of leakage current.

이와 같은 한계는 소자의 전기적 특성에 영향을 미쳐 소자의 신뢰성을 저하시킨다.Such a limitation affects the electrical characteristics of the device, thereby lowering the reliability of the device.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 플러그 및 플러그 형성 공정의 문제를 해결하기 위한 것으로, 저온 증착 및 열처리에 의해 결정립을 증대시켜 상대적으로 그레인 바운더리(Grain Boundary)의 면적을 감소시켜 접합 저항을 낮출 수 있도록한 반도체 소자의 플러그 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problem of the plug and plug forming process of the prior art, to increase the grains by low temperature deposition and heat treatment to relatively reduce the area of the grain boundary (Grain Boundary) to lower the bonding resistance It is an object of the present invention to provide a method for forming a plug of a semiconductor device.

도 1은 종래 기술의 반도체 소자의 플러그 형성을 위한 구조 단면도1 is a cross-sectional view of a structure for forming a plug of a semiconductor device of the prior art

도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 플러그 형성을 위한 구조 단면도2 is a cross-sectional view of a structure for forming a plug of a semiconductor device according to the present invention.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings

21. 반도체 기판 22. 워드 라인21. Semiconductor substrate 22. Word line

23. 워드 라인 절연층 24. 제 1 층간 절연층23. Word Line Insulation Layer 24. First Interlayer Insulation Layer

25. 비트 라인 26. 결정립 성장 제 1 플러그25. Bit line 26. Grain growth first plug

27. 결정립 성장 제 2 플러그 28. 제 2 층간 절연층27. Grain growth second plug 28. Second interlayer insulating layer

29. 커패시터 하부 전극29. Capacitor bottom electrode

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 플러그 형성 방법은 반도체 기판상에 절연층을 형성하는 단계;상기 절연층을 선택적으로 식각하여 콘택홀을 형성하고 상기 콘택홀을 매립하는 비정질 상태의 플러그 형성용 물질층을 형성하는 단계;상기 비정질 상태의 플러그 형성용 물질층을 열처리하여 결정립을 증대시키는 단계;상기 결정립이 증대된 플러그 형성용 물질층을 콘택홀내에만 남도록 평탄화하여 결정립 성장 플러그층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of forming a plug of a semiconductor device, the method including: forming an insulating layer on a semiconductor substrate; an amorphous state of selectively etching the insulating layer to form a contact hole and filling the contact hole Forming a material layer for forming a plug of the; Forming a layer of the material for forming the plug of the amorphous state to increase the crystal grains; Flattening the material layer for forming the plug forming the crystal grains so as to remain only in the contact hole grain growth plug Forming a layer.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 플러그 형성 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a plug forming method of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 플러그 형성을 위한 구조 단면도이다.2 is a structural cross-sectional view for forming a plug of a semiconductor device according to the present invention.

본 발명은 플러그를 형성하기 위한 실리콘층을 저온에서 증착하고 비정질 상태에서 열공정을 진행하여 결정립의 크기를 증가시켜 동일한 불순물 농도를 갖는 경우에도 접합 저항을 효율적으로 감소시킬 수 있도록한 것이다.According to the present invention, a silicon layer for forming a plug is deposited at a low temperature and a thermal process is performed in an amorphous state to increase the size of crystal grains so that the bonding resistance can be efficiently reduced even when having the same impurity concentration.

이는 상대적으로 인의 도핑을 억제하여 누설 전류의 증가를 막는 효과를 구현한다.This relatively suppresses the doping of phosphorus to realize the effect of preventing the increase of leakage current.

공정 진행은 도 2에서와 같이, 반도체 기판(21)상에 워드 라인(22)들과 워드 라인들을 각각 절연하기 위한 사이드월 스페이서 및 캡 절연층을 포함하는 워드 라인 절연층(23)을 형성한다.The process proceeds to form a word line insulating layer 23 including a sidewall spacer and a cap insulating layer for insulating the word lines 22 and the word lines, respectively, on the semiconductor substrate 21 as shown in FIG. 2. .

그리고 제 1 층간 절연층(24)을 형성하고 선택적으로 식각하여 콘택홀을 형성한 다음 콘택홀을 매립하는 플러그 형성용 물질층 예를들면, 실리콘층을 형성한다.Then, the first interlayer insulating layer 24 is formed and selectively etched to form contact holes, and then a plug forming material layer, eg, a silicon layer, is formed to fill the contact holes.

여기서, 실리콘층을 340℃ ~ 540℃의 저온에서 증착한후 비정질 상태에서 열처리 공정을 진행하여 결정립이 증대된 폴리 실리콘층으로 만든다.Here, the silicon layer is deposited at a low temperature of 340 ° C. to 540 ° C. and then subjected to a heat treatment process in an amorphous state to form a polysilicon layer having increased grain size.

그리고 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 결정립 성장 폴리 실리콘층을 콘택홀내에만 남도록 평탄화하여 결정립 성장 제 1 플러그층(26)을 형성한다.In addition, the grain growth polysilicon layer is planarized to remain only in the contact hole by a chemical mechanical polishing (CMP) process to form the grain growth first plug layer 26.

이어, 상기 워드 라인(22)의 일측 전극에 콘택되도록 비트 라인(25)을 상기 워드 라인(22)에 수직한 방향을 지나도록 형성하고 전면에 제 2 층간 절연층(28)을 형성한다.Subsequently, the bit line 25 is formed to pass through a direction perpendicular to the word line 22 so as to contact one electrode of the word line 22, and a second interlayer insulating layer 28 is formed on the entire surface thereof.

상기 제 2 층간 절연층(28)을 선택적으로 식각하여 결정립 성장 제 1 플러그층(26)에 적어도 일부분이 오버랩되는 다른 콘택홀을 형성한다.The second interlayer insulating layer 28 is selectively etched to form another contact hole at least partially overlapping the grain growth first plug layer 26.

이어, 상기 콘택홀을 매립하도록 340℃ ~ 540℃의 저온에서 플러그 형성용 물질층 예를들면, 실리콘층을 형성하고 열처리 공정으로 결정립이 증대된 폴리 실리콘층으로 만든다.Subsequently, a plug forming material layer, for example, a silicon layer is formed at a low temperature of 340 ° C to 540 ° C so as to fill the contact hole, and a polysilicon layer having crystal grains increased by a heat treatment process.

그리고 CMP 공정으로 평탄화하여 결정립 성장 제 2 플러그층(27)을 형성한후 상기 결정립 성장 제 2 플러그층(27)에 콘택되는 커패시터 하부 전극(29)을 형성한다.After the planarization is performed by the CMP process to form the grain growth second plug layer 27, the capacitor lower electrode 29 is formed to contact the grain growth second plug layer 27.

도체 물질의 저항 성분에 기여하는 요소중에 하나는 그레인 바운더리 스캐터링(Grain Boundary Scattering)인데, 이는 그레인 바운더리의 면적을 감소(그레인 사이즈 증대)시키면 저항을 감소시킬 수 있다는 것을 의미한다.One of the factors contributing to the resistive component of the conductor material is grain boundary scattering, which means that reducing the area of the grain boundary (increasing the grain size) can reduce the resistance.

본 발명은 이를 이용한 것으로 일부 결정화 또는 마이크로 결정이 존재하는 상태에서 후속 열처리를 하는 것 보다 비정질 상태에서 열처리 공정을 하는 것이 결정립 크기가 더 효과적으로 증대되는 것을 이용한 것이다.According to the present invention, the heat treatment process in the amorphous state is more effective in increasing the grain size than in the subsequent heat treatment in the presence of some crystallization or micro crystals.

결정립 크기의 증대는 크레인 사이즈의 감소를 의미하는 것으로 접합 저항을 줄이는데 효과가 있음을 뜻한다.Increasing the grain size means reducing the crane size, which is effective in reducing the bonding resistance.

이와 같은 본 발명의 폴리 실리콘 플러그 형성 공정은 저온 증착으로 비정질 상태로 존재하는 실리콘을 열처리하여 결정립계를 증대시켜 플러그층을 형성하여 다음과 같은 효과가 있다.The polysilicon plug forming process of the present invention has the following effects by forming a plug layer by increasing the grain boundary by heat-treating the silicon present in an amorphous state by low temperature deposition.

즉, 그레인 사이즈의 감소로 인하여 접합 저항 측면에서 유리하고 불순물의 도핑 농도를 높이지 않아도되므로 누설 전류를 억제하는 효과가 뛰어나다.In other words, due to the reduction in grain size, it is advantageous in terms of junction resistance and does not have to increase the doping concentration of impurities, which is excellent in suppressing leakage current.

Claims (5)

반도체 기판상에 절연층을 형성하는 단계;Forming an insulating layer on the semiconductor substrate; 상기 절연층을 선택적으로 식각하여 콘택홀을 형성하고 상기 콘택홀을 매립하는 비정질 상태의 플러그 형성용 물질층을 형성하는 단계;Selectively etching the insulating layer to form a contact hole and to form an amorphous plug forming material layer filling the contact hole; 상기 비정질 상태의 플러그 형성용 물질층을 열처리하여 결정립을 증대시키는 단계;Heat-treating the amorphous plug-forming material layer to increase crystal grains; 상기 결정립이 증대된 플러그 형성용 물질층을 콘택홀내에만 남도록 평탄화하여 결정립 성장 플러그층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 플러그 형성 방법.And forming a grain growth plug layer by planarizing the plug forming material layer having the grains increased so as to remain only in the contact hole. 제 1 항에 있어서, 플러그 형성용 물질층을 비정질 상태로 증착하기 위하여 340℃ ~ 540℃의 저온에서 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 플러그 형성 방법.The method of claim 1, wherein the process of the plug forming material layer is performed at a low temperature of 340 ° C. to 540 ° C. to deposit the plug forming material layer in an amorphous state. 제 1 항에 있어서, 플러그 형성용 물질층을 실리콘을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 플러그 형성 방법.The method for forming a plug of a semiconductor device according to claim 1, wherein the plug forming material layer is made of silicon. 제 1 항에 있어서, 결정립 성장 플러그층을 형성하기 위한 평탄화 공정을 CMP 공정으로 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 플러그 형성 방법.The method for forming a plug of a semiconductor device according to claim 1, wherein the planarization process for forming the grain growth plug layer is performed in a CMP process. 제 1 항에 있어서, 결정립 성장 플러그층은 커패시터의 하부 전극과 기판의 도전성 영역을 서로 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 플러그 형성 방법.The method of claim 1, wherein the grain growth plug layer electrically connects the lower electrode of the capacitor and the conductive region of the substrate to each other.
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