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KR100637691B1 - Double gate device and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR100637691B1
KR100637691B1 KR1020050055031A KR20050055031A KR100637691B1 KR 100637691 B1 KR100637691 B1 KR 100637691B1 KR 1020050055031 A KR1020050055031 A KR 1020050055031A KR 20050055031 A KR20050055031 A KR 20050055031A KR 100637691 B1 KR100637691 B1 KR 100637691B1
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KR
South Korea
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dielectric layer
dielectric
gate
film
metal
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성민규
임관용
조흥재
Original Assignee
주식회사 하이닉스반도체
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Abstract

A dual gate device is provided to avoid a pinning phenomenon of the Fermi level of a metal electrode by forming a gate oxide layer while using two kinds of dielectric layers with different dielectric constants. A first dielectric layer made of a high dielectric layer(11a) is formed on a substrate(10). A second dielectric layer is formed on the first dielectric layer, made of a material having a lower dielectric constant than that of the first dielectric layer. A metal electrode(12) is formed on the second dielectric layer. The second dielectric layer has such a thickness as to prevent the first dielectric layer from being coupled to the metal electrode so that a gap state is not formed between the first dielectric layer and the metal electrode. The second dielectric layer is made of a SiO2 layer. The first dielectric layer has a dielectric constant of 7~30.

Description

이중 게이트 소자 및 그 제조방법{DUAL GATE DEVICE AND METHOD THEREOF}Dual gate device and its manufacturing method {DUAL GATE DEVICE AND METHOD THEREOF}

도 1은 폴리 게이트와 금속 게이트의 CV(Capacitance/Voltage) 특성을 비교한 결과도.1 is a result of comparing the capacitance (Voltage / Voltage) characteristics of the poly gate and the metal gate.

도 2는 폴리 게이트 및 금속 게이트에 대하여 게이트 산화막 종류별 일함수값을 도시한 도면.FIG. 2 is a diagram illustrating work function values according to gate oxide types for poly gates and metal gates. FIG.

도 3은 NMOS 및 PMOS 소자에 필요한 금속 게이트의 일함수값에 대한 게이트 산화막의 유전상수값을 도시한 도면.3 is a diagram showing dielectric constant values of gate oxide films versus work function values of metal gates required for NMOS and PMOS devices.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 게이트 소자를 도시한 단면도.4 is a cross-sectional view showing a double gate device according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5는 도 4에 도시된 이중 게이트 소자의 게이트 산화막 등가회로도.FIG. 5 is a gate oxide film equivalent circuit diagram of the dual gate device shown in FIG. 4. FIG.

도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 이중 게이트 소자의 제조방법을 도시한 공정 단면도.6A and 6B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the double gate device illustrated in FIG. 4.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 기판10: substrate

11 : 게이트 산화막11: gate oxide film

11a : 고유전막11a: High dielectric film

11b : SiO211b: SiO 2 film

12 : 금속전극12: metal electrode

본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 게이트 전극이 금속으로 이루어진 이중 게이트 소자의 게이트 산화막 및 그 형성방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a gate oxide film of a double gate device in which a gate electrode is made of metal, and a method of forming the same.

일반적으로 반도체 소자의 고집적화에 따라 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 이용한 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 소자 공정시 게이트의 피치(pitch)가 감소하게 되었다. 이에 따라, 종래의 CMOS 공정을 통해 기존의 물질을 그대로 이용하여 게이트 전극과 게이트 산화막을 형성하는 경우 많은 문제점이 발생하게 되었는 바, 최근에는 새로운 물질로의 변화가 절실히 요구되고 있는 실정이다. In general, as the integration of semiconductor devices increases, the pitch of gates decreases during the processing of a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) device using a silicon wafer. Accordingly, when the gate electrode and the gate oxide film are formed by using the existing material as it is through the conventional CMOS process, many problems occur. Recently, a change to the new material is urgently required.

먼저, 게이트 전극 관점에서 살펴보면 다음과 같다. First, look at the gate electrode from the perspective as follows.

종래기술에 따른 CMOS 소자의 제조공정에서는 n형(n-type) 도펀트(dopant)가 도핑된 도프트(doped) 폴리 실리콘막(poly silicon)으로 NMOS 소자와 PMOS 소자의 각 게이트 전극을 형성하여 왔다. 이에 따라, NMOS 소자는 서피스 채널(surface channel) 특성을 갖는데 반해, PMOS 소자는 베리드 채널(buried channel) 특성을 갖게 되었다. PMOS 소자는 베리드 채널 특성에 의해 게이트 전극의 폭, 예컨대 반치폭 100nm 이하로 좁아질 경우 서피스 채널(surface channel) 특성을 갖는 NMOS 소자와 달리 단채널효과(short channel effect)에 매우 취약한 단점을 보이게 되었다. In the CMOS device manufacturing process according to the prior art, each gate electrode of the NMOS device and the PMOS device has been formed of an n-type dopant doped polysilicon film. . As a result, the NMOS device has a surface channel characteristic, whereas the PMOS device has a buried channel characteristic. The PMOS device is very weak to short channel effects unlike NMOS devices having surface channel characteristics when the width of the gate electrode is narrowed to less than a half width of 100 nm due to the buried channel characteristics. .

이에 따라, 반도체 소자의 고집적화에 따라 좁은 게이트 채널 길이를 갖는 CMOS 소자의 제조공정시, PMOS 소자의 게이트 전극을 p형 도프트 폴리 실리콘막으로 형성하여 PMOS 소자를 서피스 채널 특성을 갖도록 구현하는 이중 게이트(dual gate) 구조가 제안되었다. 이러한 이중 게이트 구조를 통해 단채널효과에 의한 문제를 해결하였다. Accordingly, in the fabrication process of a CMOS device having a narrow gate channel length in accordance with high integration of semiconductor devices, a double gate for forming a PMOS device with a p-type doped polysilicon film to realize a PMOS device with surface channel characteristics A dual gate structure has been proposed. This double gate structure solves the problem caused by the short channel effect.

그러나, 이중 게이트 구조에서는 여러 가지 문제점이 발생하는데, 그 중 하나가, 채널 영역으로의 보론 침투에 의한 문턱전압 이동 및 변동(fluctuation) 현상이 있다. 그리고, 게이트 산화막과 게이트 전극 계면에서 폴리 실리콘 공핍현상에 의한 소자 특성 열화가 있다. 이러한 문제점들은 근본적으로 MOS 구조의 금속전극을 금속이 아닌 고농도로 도핑된 폴리 실리콘 물질을 사용함에 있다. 따라서, MOS 소자 제조공정시 금속전극을 폴리 실리콘이 아닌 금속물질을 사용하면 상기에서 기술한 폴리 실리콘 내부의 도펀트에 의한 문제점을 해결할 수가 있는 큰 장점이 생기게 된다. However, various problems occur in the double gate structure, one of which is a threshold voltage shift and fluctuation due to boron penetration into the channel region. In addition, there is deterioration of device characteristics due to polysilicon depletion at the gate oxide film and the gate electrode interface. These problems are fundamentally due to the use of highly doped polysilicon material rather than metal for the metal electrode of MOS structure. Therefore, the use of a metal material other than polysilicon as the metal electrode in the manufacturing process of the MOS device has a great advantage to solve the problems caused by the dopant in the polysilicon described above.

도 1은 게이트 전극을 폴리 실리콘막으로 형성한 폴리 게이트와 금속물질로 형성한 금속 게이트의 CV(Capacitance/Voltage) 특성을 비교한 결과도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 금속 게이트의 경우 폴리 실리콘 공핍 효과가 발생하지 않아 상대적으로 증가한 단위 면적당 정전용량값을 보여줌으로써 소자 특성이 개선된 것을 알 수 있다. 폴리 게이트의 경우 고농도로 도프트된 폴리 실리콘막을 사용하기 때문에 다른 금속물질에 비해 저항이 증가하게 되어 소자 동작시 RC 지연을 유발시키는 바, 향후 고속 동작 속도를 요구하는 CMOS 소자 제조공정시 금속 게이트를 사용하는 것이 유리하다. FIG. 1 is a result of comparing the CV (Capacitance / Voltage) characteristics of a poly gate having a gate electrode made of a polysilicon film and a metal gate made of a metal material. As shown in FIG. 1, in the case of the metal gate, the polysilicon depletion effect does not occur, and thus the device characteristics are improved by showing a relatively increased capacitance value per unit area. In the case of poly-gate, the doped polysilicon film is used, which increases resistance compared to other metal materials, causing RC delay during device operation. It is advantageous to use.

상기에서 설명한 바와 같이, 종래기술에서 MOSFET의 게이트 전극으로 사용된 폴리 게이트의 큰 저항값과 공정 도중 불가피하게 발생하는 폴리 실리콘 공핍현상을 해결하기 위하여 금속 게이트의 선택은 차세대 CMOS 소자에 강하게 요구되고 있다. As described above, in order to solve the large resistance value of the poly gate used as the gate electrode of the MOSFET in the prior art and the poly silicon depletion phenomenon inevitably generated during the process, the selection of the metal gate is strongly required for the next generation CMOS device. .

한편, 게이트 산화막 관점에서 살펴보면 다음과 같다.On the other hand, it is as follows from the viewpoint of the gate oxide film.

MOSFET 소자에서 사용하는 게이트 산화막은 게이트 피치가 감소함에 따라 증가하는 단채널효과를 감소시키기 위하여 두께가 감소하여야 한다. 이러한 연유로 얇아진 게이트 산화막의 두께가 25Å미만이 되게 되면 양자역학적으로 금속영역의 전자가 게이트 산화막을 터널링하게 되는 확률이 높아지게 되어 결국 MOSFET 소자의 비동작 누설전류(off leakage current)가 증가되어 소자 특성을 저하시키게 된다. The gate oxide film used in the MOSFET device must be reduced in thickness to reduce the short channel effect that increases as the gate pitch decreases. When the thickness of the gate oxide thinned by this reason is less than 25 μs, the probability of electrons in the metal region tunneling the gate oxide is increased quantum mechanically, which increases the off leakage current of the MOSFET device. Will lower.

따라서, 게이트의 다자인 룰(design rule) 감소에 의해 얇아진 게이트 산화막 두께에 의해 발생하는 터널링에 의한 리키지 커런트를 감소시키기 위해서는 기 존의 SiO2보다 유전상수값이 큰 고유전상수값을 게이트 산화막 물질로 사용하여야만한다. Therefore, in order to reduce the leakage current caused by the tunneling caused by the thin gate oxide thickness due to the gate design rule reduction, a high dielectric constant having a higher dielectric constant than that of conventional SiO 2 is used as the gate oxide material. Must be used

상기에서 설명한 바와 같이, 차세대 CMOS 소자 제조공정시 게이트 전극은 기존의 폴리 실리콘 대신에 금속으로 형성하고, 게이트 산화막은 기존의 SiO2 대신에 고유전상수값을 갖는 물질로 형성하여야만 한다. 그런데 게이트 전극을 금속으로 사용할 경우 기존의 폴리 게이트에서는 발생하지 않는 커다른 문제점이 발생하게 된다. As described above, in the next-generation CMOS device manufacturing process, the gate electrode should be formed of a metal instead of the conventional polysilicon, and the gate oxide film should be formed of a material having a high dielectric constant instead of the conventional SiO 2 . However, when the gate electrode is used as a metal, a large problem does not occur in the existing poly gate.

금속 게이트와 게이트 산화막 간의 계면에는 금속 게이트의 전자가 게이트 산화막 쪽으로 투과하여 계면상태(interface state)가 생성되는데, 이러한 계면상태를 통해 금속 게이트 쪽의 전도대(conduction band)에는 수많은 자유전자가 존재하기 때문에 게이트 산화막 쪽의 갭 스테이트(gap state)의 에너지보다 높은 금속 전자들은 비워진 갭 스테이트를 채움으로써 금속 게이트의 페르미 준위(fermi level)가 피닝(pinning)되게 된다. 이로 인하여 게이트 산화막에 쌍극자(dipole)가 형성되어 금속 게이트의 일함수(work function)값이 변하게 된다. 이러한 페르미 준위 피닝 현상에 의하여 금속 게이트의 일함수값은 실리콘 밴드(silicon band)의 미드갭(midgap)쪽으로 이동하게 되는데, 이 경우 CMOS 소자의 문턱전압이 높아지게 된다. 이러한 페르미 준위의 피닝 정도는 게이트 산화막의 유전율값에 비례하여 커지게 된다. At the interface between the metal gate and the gate oxide film, electrons of the metal gate penetrate toward the gate oxide film to create an interface state. Because of this interface state, numerous free electrons exist in the conduction band of the metal gate side. Metal electrons higher than the energy of the gap state on the gate oxide side fill the vacated gap state so that the fermi level of the metal gate is pinned. As a result, a dipole is formed in the gate oxide layer, thereby changing the work function of the metal gate. Due to the Fermi level pinning phenomenon, the work function of the metal gate is moved toward the midgap of the silicon band. In this case, the threshold voltage of the CMOS device is increased. The degree of pinning of the Fermi level increases in proportion to the dielectric constant of the gate oxide film.

한편, 폴리 게이트의 경우에는 이러한 금속 게이트에서 발생하는 페르미 준 위 피닝 현상이 일어나지 않는다. 그 이유는 게이트 산화막에 갭 스테이트가 존재한다 하더라도, 폴리 게이트는 그 특성상 반도체이기 때문에 금지갭(forbidden gap) 내부에는 자유전자가 존재하지가 않아 갭 스테이트에 공급해줄 전자가 없기 때문이다. On the other hand, in the poly gate, the Fermi level pinning phenomenon occurring in the metal gate does not occur. The reason is that even though the gap state exists in the gate oxide film, since the poly gate is a semiconductor in nature, there are no free electrons in the forbidden gap, so there are no electrons to supply the gap state.

도 2는 폴리 게이트 및 금속 게이트에 대하여 게이트 산화막 종류별 일함수값을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 폴리 게이트의 경우, NMOS 및 PMOS 소자에 대하여 게이트 산화막의 유전상수값에 무관하게 일정한 일함수값을 보이나, 금속 게이트의 경우 NMOS 및 PMOS 소자에 대하여 게이트 산화막의 유전상수값이 증가함에 따라(X축 값은 유전율임) 일함수값이 실리콘의 미드갭 쪽으로 이동함을 볼수가 있다. FIG. 2 is a diagram illustrating work function values by gate oxide film types for poly gates and metal gates. As shown in FIG. 2, the poly gate shows a constant work function value for the NMOS and PMOS devices irrespective of the dielectric constant value of the gate oxide film, but for the metal gate, the dielectric constant of the gate oxide film for the NMOS and PMOS devices is shown. As the value increases (the X-axis value is the dielectric constant), the work function value moves toward the midgap of the silicon.

이중 폴리 게이트 제조공정처럼 이중 금속 게이트 제조공정시 NMOS 및 PMOS소자 각각에 적절한 일함수값을 갖는 2종류의 금속이 각각 필요하다. 다시 말하면, NMOS 소자의 경우 4.1~4.4eV, PMOS 소자의 경우 4.8~5.1eV의 일함수값을 갖는 전극이 각각 필요하다. In the double metal gate manufacturing process, such as the double poly gate manufacturing process, two kinds of metals having appropriate work function values are required for the NMOS and PMOS devices, respectively. In other words, electrodes having a work function of 4.1 to 4.4 eV for NMOS devices and 4.8 to 5.1 eV for PMOS devices are required.

도 3은 이러한 NMOS 및 PMOS 소자에 필요한 금속 게이트의 일함수값에 대한 게이트 산화막의 유전상수값을 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 게이트 산화막으로 고유전상수값을 갖는 고유전물질을 사용할 수록 페르미 준위 피닝현상이 심해지기 때문에 NMOS 소자의 게이트 전극은 더 작은 일함수값을 가져야 하고, 이와 반대로 PMOS 소자의 게이트 전극은 더 높은 일함수값이 필요하다. FIG. 3 is a diagram showing dielectric constant values of gate oxide films with respect to work function values of metal gates required for such NMOS and PMOS devices. As shown in FIG. 3, the higher the Fermi level pinning phenomenon becomes, the higher the use of a high dielectric material having a high dielectric constant as the gate oxide layer, the gate electrode of the NMOS device should have a smaller work function value, and conversely, The gate electrode needs a higher work function value.

그러나, 이렇게 다양한 값을 가진 금속전극의 선택은 근본적으로 불가능하 다. 지금까지 SiO2 게이트 산화막 기준으로 적절한 NMOS 및 PMOS 소자의 일함수를 갖는 금속전극의 개발 연구만 수년째 해오고 있는 실정으로 아직까지 이중 폴리 게이트를 완전히 대체할 만한 뚜렷한 이중 금속 게이트의 선정 조차 내리지 못하고 있는 실정이다. However, it is fundamentally impossible to select metal electrodes with such various values. Until now, research on the development of metal electrodes with appropriate NMOS and PMOS device work functions based on SiO 2 gate oxides has been conducted for many years. As a result, no clear double metal gate can be selected to completely replace the double poly gate. There is a situation.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 금속 게이트 전극과 고유전 게이트 산화막을 사용하는 이중 금속 게이트 제조공정시, 사용되는 게이트 산화막의 유전상수값에 따른 금속전극의 페르미 준위 피닝 현상을 방지할 수 있는 이중 게이트 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, the metal electrode according to the dielectric constant value of the gate oxide film used in the manufacturing process of the double metal gate using the metal gate electrode and the high-k gate oxide film. It is an object of the present invention to provide a double gate device capable of preventing the Fermi level pinning phenomenon and a method of manufacturing the same.

상기한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 기판과, 상기 기판 상에 고유전막으로 형성된 제1 유전막과, 상기 제1 유전막 상에 상기 제1 유전막보다 낮은 유전상수를 갖는 물질로 형성된 제2 유전막과, 상기 제2 유전막 상에 형성된 금속전극을 포함하되, 상기 제2 유전막은 상기 제1 유전막과 상기 금속전극 간에 갭 스테이트가 형성되지 않도록 하기 위해 상기 제1 유전막과 상기 금속전극이 결합되지 않도록 하는 두께로 형성된, 이중 게이트 소자를 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a substrate, a first dielectric film formed of a high dielectric film on the substrate, and a material having a dielectric constant lower than that of the first dielectric film on the first dielectric film. A second dielectric layer and a metal electrode formed on the second dielectric layer, wherein the second dielectric layer is coupled to the first dielectric layer and the metal electrode to prevent a gap state from being formed between the first dielectric layer and the metal electrode. Provided is a double gate element, formed to a thickness so as not to be.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 고유전막으로 제1 유전막을 형성하는 단계와, 상기 제1 유전막 상에 상기 제1 유전막보다 낮은 유전상수를 갖는 물질로 제2 유전막을 형성하는 단계와, 상기 제2 유전막 상에 금속전극을 형성하는 단계와, 상기 금속전극과 상기 제1 및 제2 유전막을 식각하여 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제2 유전막은 상기 제1 유전막과 상기 금속전극 간에 갭 스테이트가 형성되지 않도록 하기 위해 상기 제1 유전막과 상기 금속전극이 결합되지 않도록 하는 두께로 형성하는, 이중 게이트 소자의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a first dielectric layer on a substrate using a high dielectric layer, and a material having a lower dielectric constant than the first dielectric layer on the first dielectric layer. Forming a second dielectric layer, forming a metal electrode on the second dielectric layer, and etching the metal electrode and the first and second dielectric layers to form a gate electrode. The dielectric layer is formed to have a thickness such that the first dielectric layer and the metal electrode are not bonded so that a gap state is not formed between the first dielectric layer and the metal electrode.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. In addition, in the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity, and in the case where the layers are said to be "on" another layer or substrate, they may be formed directly on another layer or substrate or Or a third layer may be interposed therebetween. In addition, the same reference numerals throughout the specification represent the same components.

실시예Example

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 게이트 소자를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다. 4 is a cross-sectional view illustrating a double gate device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 게이트 소자는 서로 다른 유전상수값을 갖는 두 종류의 유전막(11a, 11b)으로 형성된 게이트 산화막(11)을 포함한다. 게이트 산화막(11)을 이루는 유전막(11a, 11b) 중 금속전극(12)과 접촉되는 상부 유전막(11b)은 금속전극(12)의 페르미 준위 피닝현상을 억제하기 위하여 SiO2로 형성하는 것이 바람직하며, 이때, SiO2막(11b)의 두께는 하부 유전체막(11a)의 물질에 따라 달라질 수 있으며, 바람직하게는 갭 스테이트가 형성되는 두께 이상으로 형성한다. 또한, SiO2막(11b)은 ALD(Atomic Layer Deposition) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식으로 형성하며, ALD 방식을 사용할 경우 균일성을 확보하기 위하여 상부 유전체막(11a)과 인-시튜(in-situ)로 실시한다. 한편, 하부 유전막(11a)은 SiO2막(11b)(대략 3.8~4.2)보다 유전상수값이 높은 물질로 형성하되, 바람직하게는 7~30 정도의 유전상수값을 갖는 물질로 형성한다. As shown in FIG. 4, the double gate device according to the preferred embodiment of the present invention includes a gate oxide film 11 formed of two kinds of dielectric films 11a and 11b having different dielectric constant values. Among the dielectric films 11a and 11b of the gate oxide film 11, the upper dielectric film 11b, which is in contact with the metal electrode 12, is preferably formed of SiO 2 to suppress the Fermi level pinning phenomenon of the metal electrode 12. In this case, the thickness of the SiO 2 film 11b may vary depending on the material of the lower dielectric film 11a. Preferably, the thickness of the SiO 2 film 11b is greater than or equal to the thickness at which the gap state is formed. In addition, the SiO 2 film 11b is formed by ALD (Atomic Layer Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and when using the ALD method, it is in-situ with the upper dielectric film 11a to ensure uniformity. -situ). On the other hand, the lower dielectric film 11a is formed of a material having a higher dielectric constant value than the SiO 2 film 11b (approximately 3.8 to 4.2), but preferably a material having a dielectric constant value of about 7 to 30.

도 5는 도 4에 도시된 게이트 산화막(11)의 등가회로를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 게이트 산화막(11)을 서로 다른 유전상수값을 갖는 두 종류의 유전체막(11a, 11b)로 형성할 경우 두 종류의 캐패시터(capacitor)가 직렬 접속된 등가회로로 생각할 수 있다. 즉, 유전체막(11a)은 유전율이 e2, 두께가 d2인 캐패시터로, 유전체막(11b)은 유전율이 e1, 두께가 d1인 캐패시터로 각각 구성할 수 있다. FIG. 5 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the gate oxide film 11 shown in FIG. 4. As shown in Fig. 5, when the gate oxide film 11 is formed of two kinds of dielectric films 11a and 11b having different dielectric constant values, it can be considered as an equivalent circuit in which two types of capacitors are connected in series. Can be. That is, the dielectric film 11a may be formed of a capacitor having a dielectric constant of e2 and a thickness of d2, and the dielectric film 11b may be formed of a capacitor having a dielectric constant of e1 and a thickness of d1.

이 경우, 전체 정전용량값(Ctotal)은 하기의 수학식1과 같이 나타낼 수 있다. 한편, 수학식1에서 'C1'은 유전체막(11b)의 정전용량이고, 'C2'는 유전체막(11a)의 정전용량이고, 'A1'는 유전체막(11b)의 면적이며, 'A2'는 유전체막(11a)의 면적이다. In this case, the total capacitance value C total may be represented by Equation 1 below. Meanwhile, in Equation 1, 'C1' is the capacitance of the dielectric film 11b, 'C2' is the capacitance of the dielectric film 11a, 'A1' is the area of the dielectric film 11b, and 'A2' Is the area of the dielectric film 11a.

Figure 112005033806650-pat00001
Figure 112005033806650-pat00001

본 발명의 바람직한 실시예에서와 같이, SiO2막(11b)을 금속전극(12)과 고유전막(11a) 사이에 개재시키는 경우 상기 수학식1과 같이 전체가 고유전막(11a)으로 이루어져 있는 MOS 캐패시터의 정전용량값보단 작아지게 되지만 전체가 SiO2막(11b)로 이루어져 있는 MOS 캐패시터보다 큰 정전용량값을 유지하게 되어 누설전류를 억제할 수 있다. As in the preferred embodiment of the present invention, when the SiO 2 film 11b is interposed between the metal electrode 12 and the high dielectric film 11a, the MOS is entirely formed of the high dielectric film 11a as shown in Equation 1 above. Although the capacitance becomes smaller than the capacitance value of the capacitor, the total capacitance is maintained larger than that of the MOS capacitor composed entirely of the SiO 2 film 11b, so that the leakage current can be suppressed.

이하, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 게이트 소자의 제조방법을 설명하기로 한다. 여기서, 도 6a 및 도 6b는 이중 게이트 소자의 공정 단면도이다. Hereinafter, a method of manufacturing a double gate device according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. 6A and 6B are cross-sectional views of a double gate device.

먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 7~30 정도의 유전상수값을 갖는 고유전막(11a)을 증착한다. First, as shown in FIG. 6A, a high dielectric film 11a having a dielectric constant of about 7 to about 30 is deposited on the substrate 10.

이어서, 고유전막(11a) 상부에 고유전막(11a)보다 낮은 유전상수값을 갖는 SiO2막(11b)을 증착한다. 이때, SiO2막(11b)은 ALD 또는 CVD 방식을 이용하여 갭 스테이트가 형성되는 두께 이상으로 증착한다. Subsequently, an SiO 2 film 11b having a lower dielectric constant than the high dielectric film 11a is deposited on the high dielectric film 11a. At this time, the SiO 2 film 11b is deposited to a thickness greater than or equal to the gap state is formed using an ALD or CVD method.

이어서, SiO2막(11b) 상부에 금속전극(12)을 증착한다.Subsequently, the metal electrode 12 is deposited on the SiO 2 film 11b.

이어서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 공정을 실시하여 금속전극(12), SiO2막(11b) 및 고유전막(11a)을 순차적으로 식각하여 게이트 전극을 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 6B, a photolithography process is performed to sequentially etch the metal electrode 12, the SiO 2 film 11b, and the high dielectric film 11a to form a gate electrode.

본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail in the preferred embodiments, it should be noted that the above-described embodiments are for the purpose of description and not of limitation. In addition, it will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 금속 게이트 전극과 고유전 게이트 산화막을 사용하는 이중 금속 게이트 제조공정시, 서로 다른 유전상수값을 갖는 두 종류의 유전막을 이용하여 게이트 산화막을 형성함으로써 금속전극의 페르미 준위 피닝 현상을 방지하여 이중 게이트 소자의 일함수의 변화 정도를 최소화할 수 있다. As described above, according to the present invention, a metal electrode is formed by forming a gate oxide film using two kinds of dielectric films having different dielectric constant values in a double metal gate manufacturing process using the metal gate electrode and the high-k gate oxide film. By preventing the Fermi level pinning phenomenon, the degree of change of the work function of the double gate device can be minimized.

Claims (10)

기판;Board; 상기 기판 상에 고유전막으로 형성된 제1 유전막;A first dielectric layer formed of a high dielectric layer on the substrate; 상기 제1 유전막 상에 상기 제1 유전막보다 낮은 유전상수를 갖는 물질로 형성된 제2 유전막; 및A second dielectric layer formed of a material having a lower dielectric constant than the first dielectric layer on the first dielectric layer; And 상기 제2 유전막 상에 형성된 금속전극을 포함하되, Including a metal electrode formed on the second dielectric layer, 상기 제2 유전막은 상기 제1 유전막과 상기 금속전극 간에 갭 스테이트가 형성되지 않도록 하기 위해 상기 제1 유전막과 상기 금속전극이 결합되지 않도록 하는 두께로 형성된, The second dielectric layer is formed to have a thickness such that the first dielectric layer and the metal electrode are not bonded so that a gap state is not formed between the first dielectric layer and the metal electrode. 이중 게이트 소자.Double gate element. 삭제delete 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제2 유전막은 SiO2막으로 이루어진 이중 게이트 소자.The second dielectric layer is a double gate device consisting of a SiO 2 film. 삭제delete 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 유전막은 7~30 정도의 유전상수값을 갖는 물질로 이루어진 이중 게이트 소자.The first dielectric layer is a double gate device made of a material having a dielectric constant value of about 7 ~ 30. 기판 상에 고유전막으로 제1 유전막을 형성하는 단계;Forming a first dielectric film on the substrate as a high dielectric film; 상기 제1 유전막 상에 상기 제1 유전막보다 낮은 유전상수를 갖는 물질로 제2 유전막을 형성하는 단계; Forming a second dielectric layer on the first dielectric layer using a material having a lower dielectric constant than the first dielectric layer; 상기 제2 유전막 상에 금속전극을 형성하는 단계; 및Forming a metal electrode on the second dielectric layer; And 상기 금속전극과 상기 제1 및 제2 유전막을 식각하여 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하되, Etching the metal electrode and the first and second dielectric layers to form a gate electrode; 상기 제2 유전막은 상기 제1 유전막과 상기 금속전극 간에 갭 스테이트가 형성되지 않도록 하기 위해 상기 제1 유전막과 상기 금속전극이 결합되지 않도록 하는 두께로 형성하는, The second dielectric layer may be formed to a thickness such that the first dielectric layer and the metal electrode are not bonded so that a gap state is not formed between the first dielectric layer and the metal electrode. 이중 게이트 소자의 제조방법.Method of manufacturing a double gate device. 삭제delete 제 6 항에 있어서, The method of claim 6, 상기 제2 유전막은 SiO2막으로 이루어진 이중 게이트 소자의 제조방법.The second dielectric film is a method of manufacturing a double gate device consisting of a SiO 2 film. 삭제delete 제 6 항에 있어서, The method of claim 6, 상기 제1 유전막은 7~30 정도의 유전상수값을 갖는 물질로 이루어진 이중 게이트 소자의 제조방법.The first dielectric layer is a method of manufacturing a double gate device made of a material having a dielectric constant value of about 7 ~ 30.
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