(57)【要約】 【課題】改善された電気的特性を有するゲート構造物の形成方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板上にゲート絶縁膜パターン、第１導電層パターン、及びダミーゲート層パターンを含む第１予備ゲート構造物を形成する。第１予備ゲート構造物に隣接する基板に不純物領域を形成した後、基板上に第１ゲート構造物を覆う絶縁層を形成する。ダミーゲート層パターンを除去してゲート絶縁膜パターン及び第１導電層パターンを含む第２予備ゲート構造物を形成した後、第１導電層パターン上に第２導電層パターンを形成する。ゲート電極を導電層パターンに変化されるか導電層パターンを形成するための犠牲層の役割を遂行するダミーゲート層パターンを適用することで、不純物領域の形成工程を含む半導体装置の製造のための高温工程下でもゲート電極が劣化されることを防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にゲート絶縁膜パターン、第１導電層パターン及びダミーゲート層パターンを含む第１予備ゲート構造物を形成する段階と、
前記ダミーゲート層パターンを除去して、前記ゲート絶縁膜パターン及び前記第１導電層パターンを含む第２予備ゲート構造物を形成する段階と、
前記第１導電層パターン上に第２導電層パターンを形成する段階と、
を含むことを特徴とするゲート構造物の形成方法。
【請求項２】
前記ゲート絶縁膜パターンは、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウムシリコン酸化物及びジルコニウムシリコン酸化物からなるグループのうち選択されたいずれか一つを使用して形成されることを特徴とする請求項１記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項３】
前記第１予備ゲート構造物を形成する段階は、
前記ゲート絶縁膜パターンを熱処理する段階と、
前記ゲート絶縁膜パターンを窒化させる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項４】
前記ゲート絶縁膜パターンをオゾンＯ３を含む雰囲気下で熱処理し、アンモニアＮＨ３を含む雰囲気下で窒化させることを特徴とする請求項３記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項５】
前記第１導電層パターンは、チタン、タンタル、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、チタン窒化物、タンタル窒化物、タングステン窒化物、ジルコニウム窒化物及びハフニウム窒化物からなるグループのうち選択されたいずれか一つを使用して形成されることを特徴とする請求項１記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項６】
前記ダミーゲート層パターンは、アモルファスシリコンまたはポリシリコンを使用して形成されることを特徴とする請求項１記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項７】
前記第２予備ゲート構造物を形成する段階は、
前記基板上に第１予備ゲート構造物を覆う絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層を部分的に除去して前記ダミーゲート層パターンを露出させる段階と、
前記ダミーゲート層パターンを除去する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項８】
前記ダミーゲート層パターンはアンモニア溶液を含むエッチング溶液を使用する湿式エッチング工程、またはフッ素、塩素及び酸素からなるグループのうち選択された少なくとも一つを含むエッチングガスを使用する乾式エッチング工程で除去することを特徴とする請求項７記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項９】
前記第２導電層パターンは、タングステン、チタン、ニッケル、コバルト、タンタル、アルミニウム、及び銅からなるグループのうち選択されたいずれか一つを使用して形成されることを特徴とする請求項１記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項１０】
前記第２導電層パターンを形成する前に、前記第１導電層パターン上に接着層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項１１】
前記接着層は、チタン窒化物、タンタル窒化物、アルミニウム窒化物及びチタンアルミニウム窒化物からなるグループのうち選択されたいずれか一つを使用して形成されることを特徴とする請求項１０記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項１２】
基板上にゲート絶縁パターン、第１導電層パターン及びダミーゲート層パターンを含む予備ゲート構造物を形成する段階と、
前記ダミーゲート層パターン上に金属層を形成する段階と、  
前記金属層と前記ダミーゲート層パターンとを反応させ前記第１導電層パターン上に第２導電層パターンを形成する段階と、
を含むことを特徴とするゲート構造物の形成方法。
【請求項１３】
前記予備ゲート構造物を形成する段階は、
前記ゲート絶縁膜パターンを熱処理する段階と、
前記ゲート絶縁膜パターンを窒化させる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１２記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項１４】
前記ダミーゲート層パターンは、アモルファスシリコンまたはポリシリコンを使用して形成され、前記金属層はニケッル、コバルト、及びチタンからなるグループのうち選択されたいずれか一つを使用して形成されることを特徴とする請求項１２記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項１５】
前記第２導電層パターンは、前記ダミーゲート層パターンと前記金属層との間のシリサイデーション反応によって形成されることを特徴とする請求項１２記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項１６】
前記第２導電層パターンは、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド及びチタンシリサイドからなるグループのうち選択されたいずれか一つ含むことを特徴とする請求項１５記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項１７】
前記ダミーゲート層パターンと反応しない金属層を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２記載のゲート構造物の形成方法。
【請求項１８】
基板上にゲート絶縁膜パターン、第１導電層パターン及びダミーゲート層パターンを含む第１予備ゲート構造物を形成する段階と、
前記第１予備ゲート構造物に隣接する基板に不純物領域を形成する段階と、
前記基板上に前記第１予備ゲート構造物を覆う絶縁層を形成する段階と、
前記ダミーゲート層パターンを除去して、前記ゲート絶縁膜パターン及び前記第１導電層パターンを含む第２予備ゲート構造物を形成する段階と、
前記第１導電層パターン上に第２導電層パターンを形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記不純物領域を形成する前に、前記第１予備ゲート構造物の側壁上にスペーサを形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記第２予備ゲート構造物を形成する段階は、
前記絶縁層を部分的に除去して前記ダミーゲート層パターンを露出させる開口を形成する段階と、
前記ダミーゲート層パターンを除去して前記第１導電層パターンを露出させる段階と、
前記開口を満たしながら前記第１導電層パターン上に前記第２導電層パターンを形成する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記第２導電層パターン形成する前に、前記第１導電層パターン上に接着層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
基板上にゲート絶縁膜パターン、第１導電層パターン及びダミーゲート層パターンを含む予備ゲート構造物を形成する段階と、
前記予備ゲート構造物に隣接する基板に不純物領域を形成する段階と、
前記基板上に前記予備ゲート構造物を覆う絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層及び前記ダミーゲート層パターン上に金属層を形成する段階と、
前記金属層と前記ダミーゲート層パターンとを反応させ前記第１導電層パターン上に第２導電層パターンを形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
前記第２導電層パターンは、前記ダミーゲート層パターンと前記金属層との間のシリサイデーション反応によって形成されることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
前記ダミーゲート層パターンと反応しない金属層を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はゲート構造物の形成方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。より詳細には、本発明は向上された電気的特性を確保することができるゲート構造物の形成方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のトランジスタのような半導体装置において、ゲート電極は主に不純物でドーピングされたポリシリコンを使用して形成した。具体的に、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後、前記ゲート酸化膜上に不純物でドーピングされたポリシリコン膜を形成する。続いて、フォトリソグラフィ工程などを用いて前記ポリシリコン膜とゲート絶縁膜をパターニングすることで、半導体基板上にゲート酸化膜パターンとゲート電極を形成するようになる。しかし、このように不純物でドーピングされたポリシリコンからなるゲート電極はドーピングされる不純物を欠乏などに起因して反転側有効酸化膜（inversed effective oxide layer）の厚さが増加するという問題点がある。また、従来のポリシリコンで構成されたゲート電極を具備するトランジスタにおいて、ゲート絶縁膜として高い誘電率を有する物質を使用する場合にはフェルミレベルピンニング（Fermi  level  pinning）現象によってトランジスタのしきい電圧が変化されるという問題点も発生する。
【０００３】
前述した問題点を考慮して、金属を使用してゲート電極を形成する方法が開発された。このような金属を含むゲートを形成する方法は（特許文献１）及び（特許文献２）などに開始されている。
【０００４】
図１乃至図４は前記特許文献１に開示された半導体装置の金属ゲート形成方法を説明するための断面図である。
【０００５】
図１を参照すると、半導体基板５上にゲート酸化膜パターン１０、拡散防止膜パターン１５及びダミーポリシリコン膜パターン２０を含むダミーゲートを形成した後、前記ダミーゲートの側壁上にスペーサ２５を形成する。
【０００６】
前記ダミーゲート及びスペーサ２５を覆い半導体基板５上に第１層間絶縁膜３０を形成した後、第１層間絶縁膜３０を化学機械的研磨ＣＭＰ工程で研磨して前記ダミーゲートのダミーポリシリコン膜パターン２０を露出させる。
【０００７】
図２を参照すると、ダミーポリシリコン膜パターン２０を湿式エッチング工程または乾式エッチング工程で除去して拡散防止膜パターン１５を露出させる。ダミーポリシリコン膜パターン２０が蒸着されることにより、スペーサ２５及び拡散防止膜パターン１５によって画定される開口３５が形成される。
【０００８】
図３を参照すると、拡散防止膜パターン１５上に開口３５を満たすアルミニウム膜３８を形成する。この場合、アルミニウム膜３８は選択的化学気相蒸着工程ＣＶＤを用いた形成される。
【０００９】
図４を参照すると、アルミニウム膜３８を熱処理してアルミニウム膜３８に含まれた原子の配向性を向上させる。アルミニウム膜３８は酸素雰囲気下で熱処理され、それにより、アルミニウム膜３８上には酸化アルミニウム膜４０が形成される。
【００１０】
酸化アルミニウム膜４０を覆い第１層間絶縁膜３０上に第２層間絶縁膜４５を形成する。アルミニウム膜３８上に酸化アルミニウム膜４０が形成されるので後続して第２層間絶縁膜４５及び第１層間絶縁膜３０をエッチングして半導体基板５を露出させる配線用コンタクトホールを形成するとき、アルミニウム膜３８が損傷されることを防止することができる。
【００１１】
しかし、前述した従来の金属ゲートの形成方法において、アルミニウムを使用してゲート電極を形成するので半導体装置を製造するために、後続される高温工程の間前記ゲート電極がゲート酸化膜と反応してゲート電極の電気的特性が劣化される問題が発生する。また、ダミーポリシリコン膜を用いて不純物領域を形成するための熱処理工程を実施した後、前記ダミーポリシリコン膜を除去しアルミニウムから構成されたゲート電極を形成するが、後続する高温工程の影響に起因して前記ゲート電極から漏洩電流が増加するという問題点も発生する。
【特許文献１】大韓民国公開特許２００３−１０６３号明細書
【特許文献２】特開２００５−２２８７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の第１目的は高温工程下でも電気的特性の劣化を防止することができるゲート構造物の製造方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の第２目的は高温工程下でも電気的特性低下を防止することができるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した本発明の第１目的を達成するために、本発明の望ましい一実施例によるゲート構造物の製造方法において、基板上にゲート絶縁膜パターン、第１導電層パターン及びダミーゲート層パターンを含む第１予備ゲート構造物を形成する。前記ダミーゲート層パターンを除去して、前記ゲート絶縁膜パターン及び前記第１導電層パターンを含む第２予備ゲート構造物を形成する。続いて、前記第１導電層パターン上に第２導電層パターンを形成して前記基板上にゲート構造物を完成する。前記ゲート絶縁膜パターンに対して熱処理工程及び窒化工程をさらに実施することができる。前記第２予備ゲート構造物を形成する段階は、前記基板上に第１予備ゲート構造物を覆う絶縁層を形成し前記絶縁層を部分的に除去して前記ダミーゲート層パターンを露出させた後、前記ダミーゲート層パターンを除去して形成されることができる。前記第１導電層パターンと前記第２導電層パターンとの間には接着層が追加的に形成されることができる。
【００１５】
前述した本発明の第１目的を達成するために、本発明の望ましい他の実施例によるゲート構造物の製造方法において、基板上にゲート絶縁パターン、第１導電層パターン及びダミーゲート層パターンを含む予備ゲート構造物を形成する。続いて、前記ダミーゲート層パターン上に金属層を形成した後、前記金属層と前記ダミーゲート層パターンとを反応させ前記第１導電層パターン上に第２導電層パターンを形成して前記基板上にゲート構造物を完成する。前記第２導電層パターンは、前記ダミーゲート層パターンと前記金属層との間にシリサイデーション反応によって形成されることできる。また、前記ダミーゲート層パターンと反応しない金属層を追加的に除去することができる。
【００１６】
上述した本発明の第２目的を達成するために、本発明の望ましい一実施例による半導体装置の製造方法において、基板上にゲート絶縁膜パターン、第１導電層パターン及びダミーゲート層パターンを含む第１予備ゲート構造物を形成する。前記第１予備ゲート構造物に隣接する基板に不純物領域を形成した後、前記基板上に前記第１予備ゲート構造物を覆う絶縁層を形成する。前記ダミーゲート層パターンを除去して、前記ゲート絶縁膜パターン及び前記第１導電層パターンを含む第２予備ゲート構造物を形成した後、前記第１導電層パターン上に第２導電層パターンを形成する。前記第１予備ゲート構造物の側壁上にはゲートスペーサが形成されることができる。
【００１７】
前述した本発明の第２目的を達成するために、本発明の望ましい他の実施例による半導体装置の製造方法において、基板上にゲート絶縁膜パターン、第１導電層パターン、及びダミーゲート層パターンを含む予備ゲート構造物を形成する。前記予備ゲート構造物に隣接する基板に不純物領域を形成した後、前記基板上に前記予備ゲート構造物を覆う絶縁層を形成する。前記絶縁層及び前記ダミーゲート層パターン上に金属層を形成した後、前記金属層と前記ダミーゲート層パターンとを反応させ前記第１導電層パターン上に第２導電層パターンを形成する。
【００１８】
本発明によると、第１及び第２導電層パターンをゲート電極として適用するため、従来の不純物がドーピングされたポリシリコンからなるゲート電極に比べてドーパントの欠乏に起因する反転側有効酸化膜の増加を防ぐことができる。また、前記ゲート絶縁膜パターンでハフニウムを含む高誘電物質を使用する場合にも、前記第１及び第２金属を含むゲート電極によってフェルミレベルピンニング現象に起因するゲート電極の敷居電圧の変化などを改善することができる。さらに、シリサイデーション工程を通じて前記ダミーゲート層パターンを第２導電層パターンに変化させるから半導体装置を製造するための工程をより簡略化して前記半導体装置の製造に要求される製造費用と時間を節減することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。添付された図面において、基板、層（膜）、領域、パターンまたは構造物の寸法は本発明の明確性を図るために実際より拡大して示したのである。本発明において、各層（膜）、領域、電極、パターンまたは構造物が基板、各層（膜）、領域、電極、構造物またはパターン“上に”、“上部に”、または“下部”に形成されることとして言及される場合には各層（膜）、領域、電極、パターンまたは構造物が直接基板、各層（膜）、領域、構造物またはパターン上に形成されるか下に位置することを意味するが、他の層（膜）、他の領域、他の電極、他のパターンまたは他の構造物が基板上に追加的に形成されることができる。また、物質、層（膜）、領域、電極、パターンまたは構造物が“第１”、“第２”、及び/または“予備”として言及される場合、このような部材を限定するためのではなく只各物質、層（膜）、領域、電極、パターンまたは構造物を区分するためのである。従って、第１、第２及び/または“予備”は各層（膜）、領域、電極、パターンまたは構造物に対して各々選択的にまたは交換的に使用されることができる。
【００２０】
［ゲート構造物を含む半導体装置の製造方法］
図５乃至図９は本発明の一実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【００２１】
図５を参照すると、基板１００上にゲート絶縁膜１０５を形成した後、ゲート絶縁膜１０５上に第１導電層１１０及びダミーゲート層１１５を順次に形成する。
【００２２】
基板１００としてはシリコンウェーハまたはＳＯＩ（silicon−Ｏｎ-Insulator）のような半導体基板や金属酸化物単結晶基板を使用することができる。本発明の一実施例によると、基板１００上には基板１００をアクティブ領域及びフィルド領域に区分するための素子分離膜（図示せず）が形成されることができる。
【００２３】
ゲート絶縁膜１０５は基板１００上に相対的に薄い第１厚さに形成される。本発明の一実施例によると、ゲート絶縁膜１０５は高い誘電常数を有する金属酸化物を使用して形成される。例えば、ゲート絶縁膜１０５はハフニウム、酸化物またはジルコニウム酸化物を使用して形成される。本発明の他の実施例において、ゲート絶縁膜１０５は金属シリコン酸化物を使用して形成される。例えば、ゲート絶縁膜１０５はハフニウムシリコン酸化物、ジルコニウムシリコン酸化物などを使用して形成される。本発明のさらに他の実施例において、ゲート絶縁膜１０５はシリコン酸化物を使用して形成することができる。
【００２４】
本発明の一実施例によると、後処理工程を適用してゲート絶縁膜１０５の構造を緻密化しながらゲート絶縁膜１０５の電気的な特性を向上させることができる。前記後処理工程は熱処理工程及び窒化工程を含む。例えば、オゾンＯ３を含む雰囲気下でゲート絶縁膜１０５を熱処理した後、熱処理されたゲート絶縁膜１０５を窒素を含む雰囲気下で部分的に窒化させる。この際、ゲート絶縁膜１０５はアンモニアＮＨ３を含む雰囲気下で窒化処理されることができる。
【００２５】
図５を参照すると、第１導電層１１０はゲート絶縁膜１０５上にゲート絶縁膜１０５の第１厚さより実質的に厚い第２厚さに形成される。本発明の一実施例において、第１導電層１１０は第１金属を使用して形成される。例えば、第１導電層１１０はチタンＴｉ、タンタルＴａ、タングステンＷ、ジルコニウムＺｒ、またはハフニウムＨｆを使用して形成される。本発明の他の実施例によると、第１導電層１１０は導電性金属酸化物を使用して形成される。例えば、チタン窒化物ＴｉＮ、タンタル窒化物ＴａＮ、タングステン窒化物ＷＮ、ジルコニウム窒化物ＺｒＮまたはハフニウム窒化物ＨｆＮを使用して第１導電層１１０を形成することができる。
【００２６】
ダミーゲート層１１５は第１導電層１１０の第２厚さより厚い第３厚さを有し第１導電層１１０上に形成される。ダミーゲート層１１５はアモルファスシリコンまたはポリシリコンを使用して形成される。ゲート構造物１５５（図９参照）は、第１導電層１１０及びダミーゲート層１１５の高さの合計によって可変の高さを有する。従って、ゲート構造物１５５が所望の高さを有することを保証するように、ダミーゲート層１１５の高さを適切に調節することができる。
【００２７】
図６を参照すると、ダミーゲート層１１５上にフォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いてダミーゲート層１１５、第１導電層１１０及びゲート絶縁膜１０５を順次にパターニングする。それにより、基板１００上にはゲート絶縁膜パターン１３０、第１導電層パターン１２５及びダミーゲート層パターン１２０を具備する第１予備ゲート構造物１３５が形成される。第１予備ゲート構造物１３５を形成した後、前記フォトレジストパターンをアッシング工程及び/またはストリッピング工程を通じて除去する。
【００２８】
本発明の他の実施例によると、ダミーゲート層１１５上にハードマスクパターン（図示せず）を形成した後、前記ハードマスクパターンをエッチングマスクとして用いてダミーゲート層１１５、第１導電層１１０及びゲート絶縁膜１０５を部分的にエッチングすることで、基板１００上にゲート絶縁膜パターン１３０、第１導電層パターン１２５及びダミーゲート層パターン１２０を含む第１予備ゲート構造物１３５を形成することができる。
【００２９】
本発明のさらに他の実施例において、第１予備ゲート構造物１３５を覆いながら基板１００上に窒化膜を形成した後、前記窒化膜を異方性エッチング工程でエッチングすることで第１予備ゲート構造物１３５を側壁上にゲートスペーサ（図示せず）を形成することができる。例えば、前記ゲートスペーサはシリコン窒化物を使用して形成される。
【００３０】
第１予備ゲート構造物１３５に隣接する基板１００に不純物を注入して不純物領域１２７、１２８を形成する。不純物領域１２７、１２８は、例えば、イオン注入工程を用いて形成される。基板１００に不純物領域１２７、１２８を形成するためのイオン注入工程において、第１予備ゲート構造物１３５がイオン注入マスクの役割も実施する。また、第１予備ゲート構造物１３５の側壁上に前記ゲートスペーサが形成される場合、不純物領域１２７、１２８を形成するイオン注入工程の間第１予備ゲート構造部１３５と前記ゲートスペーサが共にイオン注入マスクの役割も遂行することができる。
【００３１】
不純物領域１２７、１２８が形成された基板１００を高温で熱処理して不純物領域１２７、１２８の不純物を拡散させることで、第１予備ゲート構造物１３５に隣接する不純物領域１２７、１２８を完成する。不純物領域１２７、１２８は、例えば、ソース領域及びドレイン領域に該当される。
【００３２】
図７を参照すると、第１予備ゲート構造物１３５を覆いながら基板１００上に絶縁層１４０を形成する。絶縁層１４０は酸化物や窒化物などの絶縁物質を使用して形成される。例えば、絶縁層１４０はシリコン酸化物またはシリコン窒化物を使用して形成される。
【００３３】
化学機械的研磨ＣＭＯ工程、エッチバック工程または化学機械的研磨とエッジバックとを組合した工程を用いて第１予備ゲート構造物１３５のダミーゲート層パターン１２０が露出されるまで絶縁層１４０を部分的に除去する。
【００３４】
図８を参照すると、露出されたダミーゲート層パターン１２０を除去して、基板１００上にゲート絶縁膜パターン１２０及び第１導電層パターン１２５を含む第２予備ゲート構造物１４８を形成する。それにより、前記絶縁層１４０には第１導電層パターン１２５を露出させる開口１４５が形成される。
【００３５】
本発明の一実施例において、ダミーゲート層パターン１２０は乾式エッチング工程を通じて絶縁層１４０及び第１導電層パターン１２５から除去される。例えば、ダミーゲート層パターン１２０はフッ素Ｆ、塩素Ｃｌ及び/または酸素Ｏを含むエッチングガスを使用して絶縁層１４０及び第１導電層パターン１２５から選択的に除去される。  
【００３６】
本発明の他の実施例において、湿式エッチング工程を通じて絶縁層１４０及び第１導電層パターン１２５からダミーゲート層パターン１２０を除去することができる。例えば、アンモニアＮＨ３溶液を含むエッチング溶液を使用して絶縁層１４０及び第１導電層パターン１２５から選択的にダミーゲート層パターン１２０を除去することができる。
【００３７】
図９を参照すると、開口１４５を満たしながら露出された第１導電層パターン１２５及び絶縁層１４０上に第２導電層を形成する。前記第２導電層はチタンＴｉ、タングステンＷ、ニッケルＮｉ、コバルトＣｏ、タンタルＴａ、アルミニウムＡｌまたは銅Ｃｕなどのような第２金属を使用して形成される。
【００３８】
本発明の他の実施例において、前記第２導電層が化学気相蒸着工程ＣＶＤ工程を通じてタングステンを蒸着させて形成する場合には第１導電層パターン１２５と前記第２導電層との間に接着層（図示せず）を形成することができる。この場合、前記接着層はチタン窒化物ＴｉＮ、タンタル窒化物ＴａＮ、アルミニウム窒化物ＡＩＮ、チタンアルミニウム窒化物ＴｉＡｌＮなどのような金属窒化物を使用して形成される。
【００３９】
前記第２導電層を部分的に除去して開口１４５を満たしながら第１導電層パターン１２５上に第２導電層パターン１５０を形成する。第２導電層パターン１５０は、例えば、化学機械的研磨工程、エッチバック工程または化学機械的研磨とエッチバックとを組合した工程を用いて形成される。それにより、基板１００上にはゲート絶縁膜パターン１３０、第１導電層パターン１２５及び第２導電層パターン１５０を含むゲート構造物１５５が形成される。ここで、第１及び第２導電層パターン１２５、１５０はゲート電極に該当される。
【００４０】
前述したように、それぞれ第１及び第２金属を含む第１及び第２導電層パターン１２５、１５０をゲート電極として適用する場合、従来の不純物がドーピングされたポリシリコンからなるゲート電極に比べてドーパントの欠乏に起因する反転側有効酸化膜の増加を防ぐことができる。また、ゲート絶縁膜パターン１３０としてハフニウムを含む高誘電物質を使用する場合にも、前記第１及び第２金属を含むゲート電極に起因してフェルミレベルパターニング現象に起因するゲート電極の敷居電圧の変化などを改善することができる。
【００４１】
図１０乃至図１４は本発明の他の実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【００４２】
図１０を参照すると、シリコンウェーハ、ＳＯＩ基板または金属酸化物単結晶基板などのような基板２００上にゲート絶縁膜２０５を形成する。ゲート絶縁膜２０５はハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウムシリコン酸化物またはジルコニウムシリコン酸化物などの高い誘電常数を有する金属酸化物や金属シリコン酸化物を使用して形成される。本発明の一実施例において、基板２００上に基板２００をアクティブ領域とフィルド領域に区分するための素子分離膜（図示せず）が形成されることができ、ゲート絶縁膜２０５はこのような素子分離膜上には形成されない。
【００４３】
本発明の一実施例において、熱処理工程及び窒化工程を含む後処理工程を適用してゲート絶縁膜１０５の構造を緻密化しゲート絶縁膜１０５の電気的な特性を向上させることができる。
【００４４】
ゲート絶縁膜２０５上にはゲート絶縁膜２０５より実質的に厚い厚さを有する第１導電層２１０が形成される。第１導電層２１０はチタン、タンタル、タングステン、ジルコニウムまたはハフニウムのような第１金属やチタン窒化物、タンタル窒化物、タングステン窒化物、ジルコニウム窒化物、ハフニウム窒化物などの導電性金属窒化物を使用して形成される。
【００４５】
第１導電層２１０上に第１導電層２１０より厚い厚さを有するダミーゲート層２１５を形成する。ダミーゲート層２１５はアモルファスシリコンまたはポリシリコンを使用して形成される。ゲート構造物２６０（図１４参照）の高さはダミーゲート層２１５の高さによって主に決定されるので所望する高さを有するゲート構造物２６０を形成するためにダミーゲート層２１５の高さを適切に調節可能である。
【００４６】
図１１を参照すると、フォトリソグラフィ工程を通じてダミーゲート層２１５、第１導電層２１０及びゲート絶縁膜２０５を順次にエッチングすることで、基板２００上に予備ゲート構造物２３５を形成する。予備ゲート構造物２３５は基板２００の前記アクティブ領域上に順次に形成されたゲート絶縁膜パターン２３０、第１導電層パターン２２５及びダミーゲート層パターン２２０を含む。
【００４７】
本発明の他の実施例によると、予備ゲート構造物２３５の側壁上にシリコン窒化物のような窒化物からなるゲートスペーサ（図示せず）を形成することができる。
【００４８】
基板２００上に予備ゲート構造物２３５を形成した後、予備ゲート構造物２３５に隣接する部分の基板２００にイオン注入工程を通じて不純物を注入することで、不純物領域２３７、２３８を形成する。このような不純物領域２３７、２３５を形成するためのイオン注入工程において、予備ゲート構造物２３５及び/または前記ゲートスペーサがイオン注入マスクの役割を実施する。
【００４９】
予備ゲート構造物２３５に隣接する部分に前記不純物が注入された基板２００を高温で熱処理することで、予備ゲート構造物２３５に隣接し、例えば、それぞれソース領域及びドレイン領域として機能する不純物領域２３７、２３８を完成する。
【００５０】
図１２を参照すると、酸化物または窒化物を使用して予備ゲート構造物２３５を覆いながら基板２００上に絶縁層２４０を形成した後、化学機械的研磨ＣＭＰ工程、エッチバック工程または化学機械的研磨とエッチバックとを組合した工程を用いて絶縁層２４０を部分的に除去することで、予備ゲート構造物２３５のダミーゲート層パターン２２０を露出させる。
【００５１】
図８を参照すると、絶縁層２４０及び露出されたダミーゲート層パターン２２０上に金属層２５５を形成する。金属層２５５はニッケル、コバルト、チタンなどの第２金属を使用して形成される。
【００５２】
金属層２５５が形成された基板２００を熱処理工程を通じて熱処理して金属層２５５に含まれた第２金属とダミーゲート層パターン２２０に含有されたシリコンを反応させる。このような金属層２５５とダミーゲート層パターンとの間のシリサイデーション反応によってダミーゲート層パターン２２０が金属シリサイドを含む第２導電層パターン２４５に変化される。例えば、ダミーゲート層パターン２２０はニッケルシリサイド、コバルトシリサイド、チタンシリサイドなどを含む第２導電層パターン２４５に変化される。
【００５３】
図１４を参照すると、ダミーゲート層パターン２２０と反応しない金属層２５５を第２導電層パターン２４５及び絶縁層２４０から除去して、基板２００上にゲート絶縁膜パターン２３０、第１導電層パターン２２０及び第２導電層パターン２４５を含むゲート構造物２６０を形成する。第１及び第２導電層パターン２２５、２４５はゲート構造物２６０のゲート電極に該当される。金属層２５５は湿式エッチング工程または乾式エッチング工程を用いて絶縁層２４０及び第２導電層パターン２４５から除去される。
【００５４】
上述したように、シリサイデーション工程を通じてダミーゲート層パターン２２０を第２導電層パターン２４５に変化させるので半導体装置を製造するための工程をより簡略化させ前記半導体装置の製造に要求される製造費用と時間を節減することができる。また、前記ゲート電極がそれぞれ第１金属及び金属シリサイドからなる第１及び第２金属層パターン２２５、２４５を含むので、不純物がドーピングされたポリシリコンからなるゲート電極に比べて向上された電気的特性を有することができる。
【００５５】
［ゲート構造物の特性評価］
以下、本発明の多様な実験例及び比較例によるゲート構造物の電気的な特性を測定した結果を説明する。
【００５６】
［実験例１］
半導体基板上に約３５０ｎｍ程度の最大厚さを有する素子分離膜を形成して前記半導体基板上にアクティブ領域を画定した。前記アクティブ領域上にハフニウムシリコン酸化物を使用して約２．５ｎｍ程度の厚さを有するゲート絶縁膜を形成した。前記ゲート絶縁膜をオゾンＯ３雰囲気下で熱処理した後、アンモニア雰囲気下で窒化させた。
【００５７】
前記ゲート絶縁膜上にチタン窒化物ＴｉＮを使用して約１０ｎｍ程度の厚さに第１導電層を形成した。この際、前記第１導電層はソースガスとして塩化チタンガス（ＴｉＣｌ４）ガスを使用する化学気相蒸着工程で形成した。
【００５８】
前記第１導電層上にタングステンＷを使用して約１０ｎｍ程度の厚さを有する第２導電層を形成して前記ゲート絶縁膜上に前記第１及び第２導電層を含むゲート電極を形成した。前記第２導電層はフッ化タングステンＷＦ６ガスをソースガスとして使用する化学気相蒸着工程で形成した。
【００５９】
前記第１及び第２導電層を形成された半導体基板を約１、０５０℃程度の温度で熱処理した後、前記ゲート電極を含むゲート構造物のキャパシタンスを測定して等価酸化膜厚さＥＯＴに換算した。
【００６０】
［実験例２］
上述した実験例１のように半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後、前記ゲート絶縁膜上に第１及び第２導電層を順次に形成してゲート電極を形成した。
【００６１】
前記ゲート電極が形成された半導体基板を約１０００℃程度の温度で熱処理した後、前記ゲート電極を含むゲート構造物のキャパシタンスを測定して等価酸化膜厚さに換算した。
【００６２】
［実験例３］
前述した実験例１のように半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後、前記ゲート絶縁膜上に第１及び第２導電層を順次に形成してゲート電極を形成した。
【００６３】
前記ゲート電極が形成された半導体基板を約８５０℃程度の温度で熱処理した後、前記ゲート電極を含むゲート構造物のキャパシタンスを測定して等価酸化膜厚さに換算した。
【００６４】
［比較例１］
半導体基板上に約３５０ｎｍ程度の最大厚さで素子分離膜を形成して前記半導体基板にアクティブ領域を画定した後、前記アクティブ領域上にハフニウムシリコン酸化物を使用して約２．５ｎｍ程度の厚さを有するゲート絶縁膜を形成した。前記ゲート絶縁膜をオゾン雰囲気下で熱処理した後、アンモニア雰囲気下で窒化させた。
【００６５】
前記ゲート絶縁膜上にチタン窒化物を使用して約１０ｎｍ程度の厚さに第１導電層を形成した。前記第１導電層はソースガスとして塩化チタンガスを使用する化学気相蒸着工程で形成した。
【００６６】
前記第１導電層上にポリシリコン層を形成した後、前記ポリシリコン層に不純物をドーピングして約１２５ｎｍ程度の厚さを有する第２導電層を形成して前記ゲート絶縁膜上に前記第１及び第２導電層を具備するゲート電極を形成した。この際、前記ポリシリコン層はシランガスのようなソースガスを使用する化学気相蒸着工程を通じて形成し、前記不純物としては燐Ｐを使用した。
【００６７】
前記ゲート電極が形成された半導体基板を約１０５０℃程度の温度で熱処理した後、前記ゲート電極をゲート構造物のキャパシタンスを測定して等価酸化膜厚さに換算した。
【００６８】
［比較例２］
前述した比較例１のように半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後、前記ゲート絶縁膜上に第１及び第２導電層を順次に形成してゲート電極を形成した。
【００６９】
前記ゲート電極が形成された半導体基板を約１０００℃程度の温度で熱処理した後、前記ゲート電極を含むゲート構造物のキャパシタンスを測定して等価酸化膜に換算した。
【００７０】
［比較例３］
前述した比較例１のように半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後、前記ゲート絶縁膜上に第１及び第２導電層を順次に形成してゲート電極を形成した。
【００７１】
前記ゲート電極が形成された半導体基板を約８５０℃程度の温度で熱処理した後、前記ゲート電極を含むゲート構造物のキャパシタンスを測定して等価酸化膜に換算した。
【００７２】
図１５は実験例１乃至３と比較例１乃至３によるゲート構造物のキャパシタンス等価酸化膜厚さＥＯＴの比率で換算して示したグラフである。図１５において、“Ｉ”、“ＩＩＩ”、及び“Ｖ”はそれぞれ比較例１乃至比較例３によるゲート構造物のキャパシタンスを等価酸化膜厚さの比率で換算して示したのであり、“ＩＩ”、“ＩＶ”及び“ＶＩ”はそれぞれ実験例１乃至実験例３によるゲート構造物のキャパシタンスを等価酸化膜厚さの比率で換算して示したのである。
【００７３】
図１５に示されたように、比較例１乃至比較例３によるゲート構造物の等価酸化膜厚さの比は後続する熱処理工程の温度によって変化されない。それに比べて、実験例１乃至実験例３によるゲート構造物の等価酸化膜厚さの比率は後続する熱処理温度によって比較例１乃至比較例３の場合に比べて大きく増加される傾向を示した。特に、実験例３により約１、０５０℃程度の温度でゲート構造物の等価酸化膜厚さは比較例３によるゲート構造物に比べて略２倍程度の優れた等価酸化膜厚さを示した。即ち、実験例１〜実験例３によるゲート構造物は非常に優秀なキャパシタンスを有することが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
前述したように本発明によると、ゲート構造物を構成する導電層パターンに変化するかゲート電極の導電層パターンを形成するための犠牲層の役割を遂行するダミーゲート層パターンを適用することで、不純物領域の形成工程を含む半導体装置の製造のための高温工程下でもゲート電極が劣化されることを防止することができる。従って、前記ゲート電極から漏洩電流が発生することを防止し、このようなゲート電極を含む半導体装置の敷居電圧を一定に保持することができるので、結局半導体装置の電気的な特性を大きく向上させることができる。  
【００７５】
以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と趣旨を離脱することなく、本発明を修正または変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】従来の半導体装置の金属ゲート形成方法を説明するための断面図である。
【図２】従来の半導体装置の金属ゲート形成方法を説明するための断面図である。
【図３】従来の半導体装置の金属ゲート形成方法を説明するための断面図である。
【図４】従来の半導体装置の金属ゲート形成方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の一実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の一実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の一実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の一実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の一実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の他の実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の他の実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の他の実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】本発明の他の実施例によるゲート構造物を含む半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１５】本発明の実験例１乃至実験例３と比較例１乃至比較例３によるゲート構造物のキャパシタンスを等価酸化膜厚さの比率で換算して示すグラフである。
【符号の説明】
【００７７】
１００、２００      基板
１０５、２０５      ゲート絶縁膜
１１０、２１０      第１導電層
１１５、２１５      ダミーゲート層
１２０、２２０      ダミーゲート層パターン
１２５、２２５      第１導電層パターン
１２７、１２８、２３７、２３８      不純物領域
１３０、２３０      ゲート絶縁膜パターン
１３５      第１予備ゲート構造物
１４０、２４０      絶縁層
１４５      開口
１４８      第２予備ゲート構造物
１５０、２４５      第２導電層パターン
１５５、２６０      ゲート構造物
２３５      予備ゲート構造物
２５５      金属層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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