KR100570215B1 - 셀 트랜지스터 - Google Patents

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KR100570215B1
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Abstract

본 발명은 채널을 듀얼 채널로 형성하여 채널 영역의 총 면적을 증가시키되, 듀얼 채널이 동일한 전압에 의해 구동되도록 함으로써, 전류량을 확보하는 동시에 디램 셀의 동작을 안정화할 수 있는 셀 트랜지스터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 셀 트랜지스터는 소자 분리막에 의해 활성 영역과 소자 분리 영역으로 정의된 실리콘 기판과, 활성 영역 중 게이트 형성 영역에 해당하는 실리콘 기판의 표면 아래에 위치하며, 듀얼 채널을 가지는 게이트와, 실리콘 기판 내에 소정 깊이를 가지고 서로 이웃하는 게이트 사이 및 게이트와 소자 분리막 사이에 형성되어 있는 랜딩 플러그와, 랜딩 플러그 하부에 위치하는 소오스/드레인 정션을 포함한다.
셀 트랜지스터, 듀얼 채널, 전류량, 구동, 전압

Description

셀 트랜지스터{Cell transistor}
도 1은 일반적인 셀 트랜지스터의 레이아웃도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 셀 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도로서, 도 1의 I-I'선을 따라서 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 셀 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도로서, 도 1의 I-I'선을 따라서 잘라 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 셀 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 도면들로서, 도 1의 I-I'선을 따라서 잘라 도시한 단면도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
100 : 실리콘 기판 110 : 소자 분리막
130 : 랜딩 플러그 140 : 소오스/드레인 정션
160 : 게이트 161 : 제1 게이트 산화막
164 : 게이트 전극 165 : 전극 스페이서
167 : 제2 게이트 산화막 168 : 서브 채널
169 : 하드 마스크
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류량을 확보하는 동시에 디램 셀의 동작을 안정화할 수 있는 셀 트랜지스터에 관한 것이다.
현재 디램 셀의 고집적화로 인하여 소자의 디자인 룰(design rule)이 감소됨에 따라, 셀 트랜지스터의 크기가 감소되어 트랜지스터의 채널 길이 또한 짧아지고 있다. 채널 길이가 짧아지게 되면, 트랜지스터의 단채널 효과(Short-Channel Effect)를 심화시켜 문턱 전압을 감소시킨다.
이에 따라, 종래에는 트랜지스터의 단채널 효과로 인하여 문턱 전압이 감소하는 것을 방지하기 위해 채널의 도핑 농도를 증가시켜 원하는 크기의 문턱전압을 얻었다.
그러나, 이러한 채널 도핑 농도의 증가는 소오스 접합부에서의 전계 집중 현상을 유발하고, 누설 전류를 증가시켜 디램 셀의 리프레쉬 특성을 악화시키는 문제가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여, 상기와 같은 종래 기술의 문제를 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 셀 트랜지스터의 레이아웃도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 셀 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도로서, 도 1의 I-I'선을 따라서 잘라 도시한 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 셀 트랜지스터는 활성 영역과 소자 분리 영역으로 구분하는 소자 분리막(110)이 형성된 실리콘 기판(100) 위에 형성되어 있으며, 게이트 산화막(31)과, 게이트 전극(34) 및 마스크용 질화막(38) 등이 순차 적층되어 있는 구조를 가지는 게이트(30)와, 상기 게이트(30)의 측벽에 형성되어 있는 게이트 스페이서(40) 및 상기 게이트(30)의 양측 하부의 기판(100) 내에 형성되어 있는 소오스/드레인 정션(140)을 포함한다.
그리고, 상기 소오스/드레인 정션(140)은 셀 트랜지스터를 상부의 셀 커패시터와 전기적으로 연결하기 위한 랜딩 플러그 폴리(130)와 접하고 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 트랜지스터는 게이트(130) 아래에 위치하는 활성 영역의 기판(100)의 프로파일을 따라 채널 영역(B)을 형성하는 바, 반도체 소자의 고집적화로 인하여 활성 영역의 면적이 점점 감소하게 되면, 채널 영역(B)의 면적 또한 감소한다. 이와 같이, 채널 영역(B)의 면적이 감소하게 되면, 이를 통해 흐르는 전류량이 감소하게 되어 트랜지스터의 구동 능력을 낮추고, 디램 셀의 리프레쉬 특성을 감소시키는 문제가 있다.
또한, 종래의 트랜지스터는 상기 랜딩 플러그(130)를 형성하기 위해 SAC(Self Align Contact) 식각 공정을 진행하는 바, SAC 식각 공정 시, "A"와 같이, 하부 CD가 작아져서 즉, 콘택 마진 부족으로 인하여 이웃하는 콘택 간의 브릿지를 유발하는 SAC 불량이 발생하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 디램 셀의 고집적화로 인하여 작아지는 채널의 면적을 증가시켜 보다 많은 전류량을 확보하는 동시에, 디램 셀의 동작을 안정화시키는 셀 트랜지스터를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 소자 분리막에 의해 활성 영역과 소자 분리 영역으로 정의된 실리콘 기판과, 상기 활성 영역 중 게이트 형성 영역에 해당하는 실리콘 기판의 표면 아래에 위치하며, 듀얼 채널을 가지는 게이트와, 상기 실리콘 기판 내에 소정 깊이를 가지고 서로 이웃하는 상기 게이트 사이 및 상기 게이트와 상기 소자 분리막 사이에 형성되어 있는 랜딩 플러그와, 상기 랜딩 플러그 하부에 위치하는 소오스/드레인 정션을 포함하는 셀 트랜지스터를 마련한다.
여기서, 상기 게이트 및 상기 랜딩 플러그는 상기 실리콘 기판의 상부 표면으로부터 상기 소자 분리막의 깊이보다 낮은 깊이를 가지게 형성함으로써, 상기 소자 분리막을 기준으로 서로 이웃하는 활성 영역에 위치하는 게이트 및 랜딩 플러그 등이 서로 단락되는 현상을 방지한다. 즉, 소자 분리막의 기능을 안정적으로 수행하게 한다.
또한, 상기 듀얼 채널을 가지는 게이트는 제1 게이트 산화막, 게이트 전극, 제2 게이트 산화막, 서브 채널 및 하드 마스크가 순차 적층되어 이루어지고, 상기 게이트 전극의 측벽에 절연물로 이루어진 전극 스페이서를 더 포함하여 이루어진다.
즉, 본 발명에 따른 셀 트랜지스터는 게이트가 실리콘 기판의 표면 아래에 위치하며, 서브 채널을 더 포함하고 있어, 트랜지스터 구동 시, 게이트와 접하는 실리콘 기판의 표면에 형성되는 주채널뿐만 아니라 서브 채널을 통해 전류가 흐르기 때문에 보다 많은 전류량을 확보한다.
또한, 상기 본 발명 따른 셀 트랜지스터의 듀얼 채널 즉, 주채널 및 서브 채널은 하나의 게이트 전극을 기준으로 상·하에 위치하고 있는 바, 주채널 및 서브 채널을 동일한 구동 전압으로 동시에 턴-온(turn-on) 시킴으로 디램 셀의 동작을 안정화할 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 셀 트랜지스터에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 3을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 셀 트랜지스터의 구조를 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도로서, 도 1의 I-I'선을 따라서 잘라 도시한 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터는 실리콘 기판(100) 내에 소자 분리막(110)이 위치하여 활성 영역과 소자 분리영역을 정의하고 있다.
그리고, 소자 분리막(100)에 의해 정의된 기판(100)의 활성 영역 중 게이트 형성 영역에 해당하는 영역에는 기판(100)의 표면 아래로부터 소정 깊이에는 듀얼 채널을 가지는 게이트(160)가 위치한다. 이때, 상기 게이트(160)는 실리콘 기판(100)의 상부 표면으로부터 소자 분리막(110)의 형성 깊이보다 낮은 깊이를 가지고 형성되어 있으며, 이는 상기 소자 분리막을 기준으로 서로 이웃하는 활성 영역에 위치하는 듀얼 게이트가 서로 단락되는 것을 방지하기 위함이다.
여기서, 상기 듀얼 채널을 가지는 게이트(160)는 제1 게이트 산화막(161)과 그 위에 위치하는 게이트 전극(164) 및 게이트 전극의 측벽을 감싸는 전극 스페이서(165)를 포함하고, 상기 게이트 전극(164) 및 전극 스페이서(164) 위에 제2 게이트 산화막(167)과 서브 채널(168) 및 하드 마스크(169)가 순차 적층되어 이루어져 있다.
이때, 상기 서브 채널(168)은 실리콘 기판(100)을 선택적 에피택셜 성장시킨 실리콘 성장막으로 이루어지며, 이에 따라, 본 발명의 채널은 게이트(160)와 접하 는 실리콘 기판(100)의 표면인 주채널(도시하지 않음)뿐만 아니라 게이트 전극(164) 상부에 위치하는 서브 채널(168)을 포함하여 이루어지기 때문에 종래의 채널 영역에 비해 보다 넓은 면적을 확보할 수 있다. 또한, 상기 듀얼 채널 즉, 주채널(도시하지 않음)과 서브 채널(168)은 동일한 게이트 전극(164)을 기준으로 상·하에 위치하고 있는 바, 주채널(도시하지 않음) 및 서브 채널(168)을 동일한 구동 전압으로 동시에 턴-온(turn-on) 시켜, 디램 셀의 동작을 안정화할 수 있다.
한편, 서로 이웃하는 상기 게이트(160) 사이 및 상기 게이트(160)와 상기 소자 분리막(110) 사이에는 랜딩 플러그(130)가 형성되어 있고, 그 아래에는 소오스/드레인 정션(140)이 위치한다. 이때, 상기 랜딩 플러그(130)는 게이트(160)와 마찬가지로 실리콘 기판(100)의 활성 영역 중 랜딩 플러그 형성 영역 즉, 서로 이웃하는 상기 게이트(160) 사이 및 상기 게이트(160)와 상기 소자 분리막(110) 사이에 해당하는 실리콘 기판(100)의 표면 아래에 소정 깊이를 가지고 형성되며, 실리콘 기판(100)의 상부 표면으로부터 소자 분리막(110)의 형성 깊이보다 낮은 깊이를 가진다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 셀 트랜지스터는 듀얼 채널을 가지는 게이트를 상기 실리콘 기판의 표면 아래에 소정의 깊이를 가지게 형성하되, 즉, 게이트 전극의 상부에 인위적으로 서브 채널을 배치함으로써, 소자의 고집적화로 인하여 작아지는 주채널을 서브 채널으로 보완하여 채널 영역의 총 면적을 보다 넓게 확보하고 있다.
또한, 상기 주채널과 서브 채널은 동일한 게이트 전극의 상·하에 위치하여 동일한 전압으로 구동하는게 가능하여 디램 셀을 동작은 안정화할 수 있다.
또한, 본 발명은 랜딩 플러그가 실리콘 기판의 표면 아래에 위치하기 때문에 종래의 랜딩 플러그를 형성하는 SAC 식각 공정 시, 기판의 콘택 마진 부족으로 인해 발생하는 SAC 불량을 방지할 수 있다.
그러면, 도 4a 내지 도 4f 및 도 3을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 셀 트랜지스터의 제조 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 셀 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 도면들로서, 도 1의 I-I'선을 따라서 잘라 도시한 단면이다.
우선, 도 4a에 도시한 바와 같이, 소자 분리막(110)을 형성하여 실리콘 기판(100)을 활성 영역과 소자 분리 영역으로 구분한다.
그리고, 상기 실리콘 기판(100)의 활성 영역 위에 게이트 형성 영역을 정의하는 감광막 패턴(170)을 형성한 다음, 이를 식각 마스크로 실리콘 기판(100)을 소자 분리막(110)의 깊이 보다 낮은 깊이 만큼, 예를 들어 2000~5000Å 깊이만큼 식각하여 게이트용 트렌치(173)를 형성하고, 기판(100)에 웰 형성용 이온 등의 각종 이온 주입 공정을 진행한다.
이어, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 게이트용 트렌치(173)가 형성된 기판(100) 전면에 산화막(도시하지 않음)을 약 50Å 정도 증착한 다음, 감광막을 이용한 식각 공정을 진행하여 게이트용 트렌치(173)의 바닥면에 위치하는 산화막을 제외한 나머지 영역에 형성된 산화막을 제거하여 제1 게이트 산화막(161)을 형성한 다.
그 다음, 도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 제1 게이트 산화막(161)이 형성된 기판(100) 전면에 질화막(162)을 형성한 후, 이를 에치백하여 게이트용 트렌치(173)의 측벽에만 잔류시킨 다음, 기판(100) 전면에 그 위에 게이트 도전막(163)을 증착한다.
그리고, 상기 게이트 도전막(163)이 형성된 게이트용 트렌치(173)에 감광물(174)을 도포한 다음, 도 4d에 도시한 바와 같이 감광물(174)을 이용하여 질화막(162) 및 게이트 도전막(163)의 일부분을 식각하면, 제1 게이트 산화막(161) 위에 게이트 전극(164) 및 이의 측벽에 위치하는 전극 스페이서(165)가 형성된다.
이어, 도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 전극(164) 및 전극 스페이서(165)가 형성된 기판(100) 전면에 산화물을 증착한 다음, 감광막을 이용한 식각 공정을 진행하여 제2 게이트 산화막(167)을 형성한다.
그리고, 상기 실리콘 기판(100)에 선택적 에피택셜 성장 공정을 진행하여 제2 게이트 산화막(167) 위에 실리콘 성장막을 형성하여 서브 채널(168)을 형성한다.
그 후, 도 4f에 도시한 바와 같이, 상기 서브 채널(168) 위에 질화물로 이루어진 하드 마스크(169)를 형성하여 게이트(160)를 형성한다.
이어, 상기 게이트(160)가 형성된 기판(100) 위에 랜딩 플러그 형성 영역을 정의하는 제2 감광막 패턴(178)을 형성한 다음, 이를 식각 마스크로 실리콘 기판(100)을 소정 깊이 식각하여 랜딩 플러그용 트렌치(180)를 형성한다. 이때, 랜 딩 플러그용 트렌치(180) 또한, 상기 게이트용 트렌치(173)와 마찬가지로 소자 분리막(110)의 깊이 보다 깊지 않는 깊이를 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제2 감광막 패턴(178)을 마스크로 랜딩 플러그용 트렌치(180) 하부의 기판(100) 표면에 소오스/드레인 형성용 이온을 주입하여 소오스/드레인 정션(140)을 형성한 다음, 상기 랜딩 플러그용 트렌치(180)를 도전물 예를 들어, 도핑된 폴리로 매립하여 랜딩 플러그(130)를 형성한다(도 3 참조).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명은 소자의 고집적화로 인하여 제한된 너비를 가지는 채널 영역의 면적을 증가시킴으로써, 채널 영역을 통해 흐르는 전류량을 증가시킬 수 있다.
또한, 증가한 전류량에 의해 트랜지스터의 구동 속도를 빠르게 할 수 있어 디램 셀의 리프레쉬 특성을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명은 콘택 즉, 랜딩 플러그를 기판의 표면 아래에 위치하고 있어 종래의 랜딩 플러그 형성 공정인 SAC 식각 공정 시, 콘택 마진 불량으로 인해 발생하던 SAC 불량을 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 소자 분리막에 의해 활성 영역과 소자 분리 영역으로 정의된 실리콘 기판과,
    상기 활성 영역 중 게이트 형성 영역에 해당하는 실리콘 기판의 표면 아래에 위치하며, 듀얼 채널을 가지는 게이트와,
    상기 실리콘 기판 내에 소정 깊이를 가지고 서로 이웃하는 상기 게이트 사이 및 상기 게이트와 상기 소자 분리막 사이에 형성되어 있는 랜딩 플러그와,
    상기 랜딩 플러그 하부에 위치하는 소오스/드레인 정션을 포함하는 셀 트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 및 상기 랜딩 플러그는 상기 실리콘 기판의 상부 표면으로부터 상기 소자 분리막의 깊이보다 낮은 깊이를 가지는 셀 트랜지스터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 듀얼 채널을 가지는 게이트는 제1 게이트 산화막, 게이트 전극, 제2 게이트 산화막, 서브 채널 및 하드마스크가 순차 적층되어 이루어지고, 상기 게이트 전극의 측벽에 절연물로 이루어진 전극 스페이서를 더 포함하는 셀 트랜지스터.
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